CH654593A5 - Verfahren zur herstellung eines feinkoernigen werkstuecks aus einer nickelbasis-superlegierung. - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines feinkoernigen werkstuecks aus einer nickelbasis-superlegierung. Download PDFInfo
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Description
Die Erfindung geht aus einem Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs I.
Aus der Literatur sind Verfahren bekannt, nach denen ein feinkörniges Endprodukt, ausgehend von einem Rohling aus einer warmfesten Legierung (z.B. Nickelsuperlegierung) in mehreren Arbeitsgängen hergestellt werden kann. Insbesondere trifft dies auf ein Verfahren zu, bei welchem in einem ersten Schritt das Ausgangsmaterial dicht unterhalb seiner Rekristallisationstemperatur nach herkömmlicher Art verformt wird, so dass sich das gewünschte feinkörnige Gefüge in einem Zwischenprodukt einstellt. In einem zweiten Schritt wird dann dieses Zwischenprodukt durch quasiisothermes Schmieden unter Verwendung von beheizten Gesenken in das Endprodukt übergeführt (GB-PS 1 253 861).
Bei der Durchführung dieser Verfahren zeigt es sich, dass es ausserordentlich schwierig ist, durch Verformen unterhalb der Rekristallisationstemperatur ein für das Endprodukt optimales Gefüge mit besten mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Ausserdem sind diese Verfahren ausserordentlich langsam, was sich ungünstig auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt. Es besteht daher das Bedürfnis, die bekannten Verfahren zu verbessern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Umformverfahren anzugeben, welches die Herstellung eines Werkstücks aus einer Nickelbasis-Superlegierung, ausgehend von einem lösungsgeglühten grobkörnigen Rohling ermöglicht, wobei das Endprodukt gleichzeitig die definitive Schmiedeform, ein feinkörniges Gefüge und bestmögliche mechanische Eigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden, durch Figuren erläuterten Ausführungsbeispiels beschrieben.
Dabei zeigt:
Fig. 1 ein Diagramm des Temperaturverlaufs des Verfahrens in Funktion der Zeit,
Fig. 2 ein Diagramm der Korngrösse und des Grobkornanteils in Funktion der Umformtemperatur.
In Fig. 1 ist der Temperaturverlauf des Verfahrens in Funktion der Zeit (willkürlicher, unterbrochener Massstab) in den verschiedenen Verfahrensschritten dargestellt, a ist die für ein gegebenes Material vorliegende Lösungsglühtemperatur für die y'-Phase, die für die untersuchte Superlegierung (Handelsname «Waspaloy») zwischen 1020 und 1040°C (im Mittel bei 1030°C) liegt. Der Verlauf b entsprechend Phase 1 bezieht sich auf einen ersten, im wesentlichen der Kornverfeinerung dienenden und in einem isothermen Schmieden (Stauchen) bestehenden Warmverformungsschritt. Der Verlauf c entsprechend Phase II stellt den wesentlich langsamer durchgeführten und sowohl zur Endform (Fertigteil) wie zur Steigerung der mechanischen Festigkeit führenden zweiten Verformungsschritt dar.
Im unteren Teil der Figur ist die weitere für diese Klasse von Superlegierungen übliche, aus Lösungsglühen, Abschrek-ken und mehrfachem Aushärten bestehende, an den Umform-prozess anschliessende Wärmebehandlung in einem anderen Zeitmassstab dargestellt.
Fig. 2 zeigt grundsätzlich die Zusammenhänge zwischen Gefügeausbildung und Umformtemperatur, d stellt die mittlere Korngrösse, x den Anteil an groben Einzelkörnern in Funktion der Umformtemperatur für konstante Verformung und Verformungsgeschwindigkeit dar.
Ausführungsbeispiel (siehe Fig. 1 !)
Zur Herstellung eines doppelkegelförmigen rotationssymmetrischen Hohlkörpers mit Zwischenflansch wurde ein Rohling aus einer lösungsgeglühten Nickelbasis-Superlegierung verwendet. Die Legierung mit dem Handelsnamen «Waspaloy» hatte die nachfolgende Zusammensetzung:
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
3
654 593
c
=
0,3
Gew.-%
Cr
=
19,5
Gew.-%
Mo
=
4,5
Gew.-%
Co
=
14,0
Gew.-%
Ti
=
3,0
Gew.-%
Al
=
1,4
Gew.-%
Fe
=
2,0
Gew.-%
Ni
0 =
= Rest
Der Rohling hatte zylindrische Form und besass folgende Abmessungen:
Durchmesser: 60 mm
Höhe: 136,5 mm
Er wurde in einem ersten Verfahrensschritt (Phase I) in einer Schmiedepresse in axialer Richtung durch isothermisches Schmieden bei einer Temperatur von 1100°C, welche oberhalb der Lösungsglühtemperatur für die y'-Phase des Werkstoffes lag, derart gestaucht, dass er danach die folgenden Abmessungen aufwies :
Durchmesser: 92 mm
Höhe: 67,2 mm
Dies entsprach einem Verformungsgrad e von 0,7. Die mittlere Verformungsgeschwindigkeit betrug £= 12,5- 10_3s_l. Dabei war e wie folgt definiert:
_ dflln Ao/Afl]
dt
Nach dem Fertigschmieden gemäss Phase II wurde das Werkstück der üblichen konventionellen Wärmebehandlung unterzogen: Lösungsglühen bei 1020°C während 4 h, Abschrecken in Öl, Glühen bei 850 °C während 4 h, Abküh-5 len in Luft, Aushärten bei 750 °C während 16 h, Abkühlen in Luft.
Das fertig geschmiedete und wärmebehandelte Werkstück wies bei Raumtemperatur eine Streckgrenze von 938 MPa auf, während die Dehnung 22% betrug.
io Das Verfahren ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Es kann z.B. auf die Luftabkühlung nach der Phase I unter gewissen Umständen verzichtet werden. Das Schmieden würde also in einer Hitze erfolgen, wie dies durch die gestrichelte Kurve zwischen den Ästen b und c in Fig. 1 15 angedeutet ist. Das Verfahren kann dann auch so gestaltet werden, dass der erste Schritt im wesentlichen in einem Stauchen des Schmiederohlings im Gesenk mit nachfolgender Abkühlung im Gesenk auf die Schmiedetemperatur des zweiten Schrittes besteht. Eine weitere mögliche Variante beruht 20 darauf, dass der erste Schritt in einem Vorstauchen des Schmiederohlings mit anschliessendem Formschmieden im Gesenk bei einer Temperatur oberhalb der Lösungsglühtemperatur für die y'-Phase des Werkstoffs besteht. Ferner kann das Abkühlen des Werkstücks beim Übergang vom ersten 25 zum zweiten Schritt (zwischen Phase I und Phase II) unter gleichzeitigem Aufbringen einer Last erfolgen.
Ausser «Waspaloy» eignet sich noch eine ganze Anzahl anderer Superlegierungen für das Verfahren, worunter Handelsnamen wie Astroloy, Alloy 901, IN 718, IN 100, René 95 30 usw. figurieren. Im allgemeinen können die Legierungsgrenzen ungefähr wie folgt angegeben werden:
Ao
= Querschnittsfläche des Werkstücks vor der
C
=
0,02bis
1,00 Gew.-%
Umformung, je pro Schritt,
Cr
-
13 bis
22
Gew.-%
Ar
= Querschnittsfläche des Werkstücks nach der
35 Mo
=
3 bis
6
Gew.-%
Umformung,
Ti
=
0,8 bis
3,5
Gew.-%
In
= natürlicher Logarithmus
Nb
=
0 bis
6
Gew.-%
t
= Zeit in Sekunden
AI
=
0,3 bis
4,0
Gew.-%
Co
=
0 bis
20
Gew.-%
40 Fe
=
0 bis
20
Gew.-%
Nach dem gemäss Phase I ca. 1 min dauernden Stauch-
Ni
Rest
Vorgang wurde das Werkstück an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt.
In einem zweiten Verfahrensschritt (Phase II) wurde das vorgeformte Werkstück in einem Schmiedegesenk bei einer niedrigeren Temperatur, welche knapp unterhalb der Lösungsglühtemperatur für die y'-Phase lag, bis zur Fertigform isotherm geschmiedet. Im vorliegenden Fall betrug diese Schmiedetemperatur 1010°C. Während der Phase II wurde die Verformungsgeschwindigkeit stufenweise entsprechend dem bereits erreichten Verformungsgrad erniedrigt. Der der ersten ca. 8 min dauernden Stufe entsprechende Verformungsgrad e betrug 1,3. Die mittlere Verformungsgeschwindigkeit war e= 1,5- 10_3s_l, was einer durchschnittlichen Stempelgeschwindigkeit von ca. 0,1 mm/s entsprach. Die maximal erreichte Presskraft war 1800 kN. Die ca. 5 min dauernde zweite Stufe entsprach einem Verformungsgrad e von 0,5 bei einer Verformungsgeschwindigkeit von e = 0,9- 10-3s_1. Die dritte, ca. 7 min dauernde Stufe erreichte noch ein e von 0,2 bei einem'e = 0,l • 10_3s_l. Die maximal erreichte Presskraft betrug hierbei 2000 kN. Alle 8 und 'e auf Ao des zweiten Verfahrensschritts bezogen!
Während des ersten Verfahrensschrittes (Phase I) soll der Verformungsgrad s mindestens den Wert 0,7 erreichen, bei "5 Verformungsgeschwindigkeiten 's, die vorteilhafterweise zwischen 5 • 10 - 3s ~1 und 15 • 10 _ 3s _ 1 (im Durchschnitt um 10- 10_3s_l liegen. Beim zweiten Verfahrensschritt (Phase II) muss der Verformungsgrad ein Mass erreichen, das ausreicht, um die gewünschten gut mechanischen Eigenschaften zu 50 erzielen. Dieses Mass hängt von der Form und Grösse des Werkstücks ab. Die entsprechenden Verformungsgeschwindigkeiten s bewegen sich dabei etwa zwischen 2 ■ 10 ~ 3s ~1 und 0,1 • 10~~3s_l. Sie nehmen mit fortschreitendem Verformungsgrad e ab, in dem Masse, wie sich das Werkstück der End-5j form nähert.
Wesentlich ist, dass der erste Schritt oberhalb und der zweite Schritt knapp unterhalb der Lösungsglühtemperatur für die y'-Phase des Werkstoffs durchgeführt wird, so dass für die Endform eine mittlere Korngrösse von 4 bis 40 um, eine 60 Warmstreckgrenze bei 540°C von mindestens 780 MPa und eine Standzeit unter einer Belastung von 510 MPa bei 670 °C von mindestens 100 h (Zeitstandfestigkeit) erzielt wird.
2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1,00 Gew.-%
Cr
=
13 bis
22
Gew.-°/o
Mo
=
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück bis zur Endform auf eine mittlere Korn-grösse von 4 bis 40 [j.m, eine Warmstreckgrenze bei 540 °C von mindestens 780 MPa und eine Standzeit unter einer Belastung von 510 MPa bei 670 °C von mindestens 100 h geschmiedet wird.
2
PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung eines feinkörnigen Werkstücks mit verbesserten mechanischen Eigenschaften aus einer Nickelbasis-Superlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt ein Schmiederohling durch isothermes Schmieden oberhalb der Lösungsglühtemperatur für die y'-Phase in eine Zwischenform übergeführt wird, wobei ein Verformungsgrad e von mindestens 0,7 und eine Verformungsgeschwindigkeit '8 von 5- 10-3s_1 bis 15 - 10-3s— 1 eingehalten wird, und dass die Zwischenform in einem zweiten Schritt durch isothermisches Schmieden dicht unterhalb der Lösungsglühtemperatur für die y'-Phase unter Anwendung einer Verformungsgeschwindigkeit"8 von 2- 10-3s~1 bis 0,1 • 10_3s_1 in die Endform übergeiunii vviiü, wo nei i. wie folgt definiert ist:
. _ d [|In Ao/Af|]
dt
Ao = Querschnittsfläche des Werkstücks vor der
Umformung, je pro Schritt, Af = Querschnittsfläche des Werkstücks nach der
Umformung,
In = natürlicher Logarithmus t = Zeit in Sekunden.
3,5
Gew.-%
Nb
=
0 bis
6
Gew.-%
AI
=
0,3 bis
3 bis
6
Gew.-%
Ti
=
0,8 bis
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelbasis-Superlegierung die nachfolgenden Grenzwerte der Zusammensetzung aufweist:
c
=
0,02bis
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt im wesentlichen in einem Stauchen des Schmiedrohlings im Gesenk mit nachfolgender Abkühlung im Gesenk auf die Schmiedetemperatur des zweiten Schrittes besteht.
4,0
Gew.-%
Co
=
0 bis
20
Gew.-%
Fe
=
0 bis
20
Gew.-%
Ni
=
Rest
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt in einem Vorstauchen des Schmiederohlings mit anschliessendem Formschmieden im Gesenk bei einer Temperatur oberhalb der Lösungsglühtemperatur des Werkstoffs besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen des Werkstücks beim Übergang vom ersten zum zweiten Schritt unter gleichzeitigem Aufbringen einer Last erfolgt.
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