DE2125562A1

DE2125562A1 - Verfahren zur Herstellung einer dichten Masse aus Nickel Superlegierung

Info

Publication number: DE2125562A1
Application number: DE19712125562
Authority: DE
Inventors: S H Reichman
Original assignee: Federal Mogul LLC
Current assignee: Federal Mogul LLC
Priority date: 1970-07-10
Filing date: 1971-05-22
Publication date: 1972-01-13
Also published as: GB1304339A; DE2125562C3; SE373160B; CA918464A; DE2125562B2; US3655458A; FR2098022A5; CH575999A5

Description

Verfahren zur Herstellung einer dichten Masse aus NickelSuperlegierung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dichten Masse aus Nickel-Superlegierung.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf die Bildung von Knüppeln und geformten Teilen anwendbar, die ausgezeichnete mechanische Eigenschaften besitzen und aus Nickel-Superlegierungen des Typs, der normalerweise eine Karbidverfestigung und Gamma-Grundphasenverfestigung in seinen geschmolzenen und gekneteten Formen aufweist, bestehen.

Kennzeichnenderweise enthalten diese sogenannten Superlegierungen relativ große Mengen Zweitphasen-Garama-Grundphase (second-phase gamma-prime) und

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komplexe Karbide in der Gamnß-Matrix, was zu ihren Hochtemperatureigenschaften wesentlich beiträgt. Die Anwesenheit solcher komplexer Karbide und die Zweitphasen-Gammgrundphasen-Bestandteile erhöhen jedoch die Verarbeitungsschwierigkeiten und die Formung gegossener Knüppel solcher Legierungen zu Gegenständen. Zu den Schwierigkeiten bezüglich der Verformung solcher Legierungen kommt noch ihre Neigung hinzu, Absonderung (segregation) zu unterliegen, was infolge der Stärke, in der dies normalerweise eintritt, praktisch unmöglich eliminiert werden kann. Solche Absonderung verschlechtert die Hochtemperatureigenschaften der aus solchen Superlegierungen gefertigten Teile merklich.

Die vorstehend beschriebenen Nachteile der gegossenen Knüppel oder Barren aus Superlegierung sind durch die Anwendung jiulver-metallurgischer Techniken zur Bildung dichter Knüppel aus solchen Legierungen mit extrem kleiner Kornstruktur überwunden worden. Dies wird üblicherweise durch Mikrogießen oder Zerstäuben einer Superlegierungsschmelze in den pulverförmigen Zustand erreicht, wonach das Pulver unter solchen Bedingungen verfestigt wird, daß Sauerstoffeinflüsse in dem Rohling oder Knüppel auf ein Minimum gehalten wird und eine Dichte von

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nahezu 100% der Theorie erreicht wird. Während solche feinkörnigen Strukturen optimale mechanische Eigenschaften "bei Temperaturen untr 65O⁰C besitzen, sind meist Legierungen einer relativ großen Kornstruktur erwünscht, da sie verbesserte mechanische Eigenschaften bei höheren Temperaturen aufleisen. Superlegierungen einer vergleichsweise großen Kornstruktur sind besonders für Fertigungsteile für Gasturbinen und Düsenstrahltriebwerke geeignet, welche hohen Temperaturen und hohen Beanspruchungen ausgesetzt werden.

Bei Superlegierungsteilen, die nach der pulvermetallurgischen Technik hergestellt sind, tritt ständig die Schwierigkeit auf, die optimalen mechanischen Eigenschaften zu erreichen, weil ein Kornwachstum zu bewirken bei solchen Legierungen streng begrenzt ist. Es ist dann entdeckt worden, daß bei Superlegierungsteilen, die nach den Techniken der Pulvermetallurgie hergestellt worden sind, ein Kornwachstum möglich wird, wenn sie der Kaltbearbeitung unter bestimmten Bedingungen unterworfen werden, wonach nach Rekristallisation und Heißbehandlung ein Kornwachstum erreicht werden kann, das nahezu dem entspricht, bei dem optimale Hochtemperatureigenschaften erhalten werden. In einigen Fällen ist jedoch beobachtet worden, daß beöbimmte Legierungen Zweitphasen-Gamma-Grund-

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phasen-Verbindungen (second-phase gamma-prime compounds) und Karbide haben, die einen Schmelzpunkt über den der Gamma-Phase an den Korngrenzen aufweisen und andere Nächteile zeigen, so daß Kornwachstum inhibiert wird, selbst wenn das oben beschriebene Verfahren angewendet wird·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, es technisch und wirtschaftlich möglich zu machen, Superlegierungsteile unter Anwendung der pulvermetallurgischen Techniken herzustellen, die sich dadurch auszeichnen, daß ein geregelten Kornwachstum durch Hitzebehandlung möglich ist, um die optimalen Hochtemperatureigenschaften zu bekommen, die für den Einstzzweck des Teiles erwünscht sind.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, bei welchem ein Nickel-Superlegierungspulver einer bestimmten Zusammensetzung hergestellt wird, so daß es maximal etwa 200 ppm Sauerstoff und maximal etwa 700 ppm Kohlenstoff enthält,und das Pulver bei einer erhöhten Temperatur zu einer Masse oder einem Knüppel von nahezu 100?6 theoretischer Dichte verdichtet wird. Der Knüppel kann dann zu der gewünschten Gestalt und Größe verformt und anschließend einer Hitzebehandlung bei erhöhter Temperatur unterworfen werden, ausreichend lange, um Kornwachstum in der Legierung in dem Maße zu erreichen,

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daß qfcimale mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen erreicht werden, die von dem Teil bei seiner Verwendung erwartet werden. Danach wird das hitzebehandelte Teil aufgekohlt, um geregelte Zunahme des Kohlenstoffgehaltes auf mindestens etwa 500 ppm bis 2000 ppm und darüber zu bewirken, was eine Stabilisierung der Kornstruktur der Legierung und eine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften gewährleistet. Das Aufkohlen wird in der Weise vorgenommen, daß die Karbidbildung an den Korngrenzen der Legierung stärker gefördert wird, als in der Gamma-Matrix. Nach der Aufkohlungsbehandlung wird die Legierung vorzugsweise einer Lösungsglühbehandlung (solution annealing treatment) unterworfen, um ihre Homogenität noch weiter zu erhöhen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen hervorgehen. Die Beschreibung wird in Verbindung mit den beigefügten Figuren vorgenommen, von denen zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Fließschema einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfin-

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dung.

Fig.2 eine Mikroaufnahme, 80Ofache Vergrößerung, einer verdichteten Nickel-Superlegierung vor der Hitzebehandlung.

Fig.3 eine Mikroaufnahme, 10Ofache Vergrößerung, der in Fig. 2 gezeigten Legierung nach Hitzebehand

lung, die bei 1232⁰C 48 Stunden lang vorgenommen wurde, um gesteuertes Kornwachstum zu bewirken.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf eine Vielzahl gut bekannter und im Handel erhält<**licher NickeLlegierungen anwendbar. Die Superlegierungen lassen sich ferner als solche einordnen, die üblicherweise in ihren gegossenen und gekneteten Formen Karbidverstärkung und Gamma· GrundphasHnverstärkung haben. Solche Mickel-Superlegierungen enthalten beispielsweise, auf Gewicht bezogen, etwa: 5 bis 2590 Chrom, 1 bis 10% Aluminium, 1/2 bis Titan, bis zu 10% Molybdän, bis zu 25% Wolfram, bis zu. 25% Kobalt, bis zu 5% Niob, bis zu 0,07% Bor, bis zu 1,0% Zirkon, bis zu 8% Tantal, bis zu 1% Hafnium, bis zu 1% Rhenium und Nickel auf 100% zusammen mit den üblichen Verunreinigungen in den üblichen Mengnn. Tabelle 1 enthält eine Liste bestimmter Nickel-Superlegierungen, die im Handel erhältlich sind und Beispiele darstellen für Legierungen, auf die das Verfahren nach der Erfindung mit

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Erfolg anwendbar ist.

Tabelle 1 Zusammensetzung einiger Nickel-Superlegierungen

Legierung	C	0,11	0,15	Cr	0	Al	Ti	Ho	W Co	Cb	B	-	Zr '	andere	Ni
Nimonic 75	0,12	INCO-713 (Gießling)0,i4 ο	20	0	-	0,5	-	-	-	-	-	-	Rest se
Himonic 8OA	0,08	I-I-252 S OO	20	0	1,5	2,4	—		-	-	-	-	ti
Simonie 90	0,10	20	0	1,6	2,4	-	17,5	-	-	-	-	it
Nimonic 95	0,12	20	2,0	3,0	■to	17,5	-	-	-	-	Il
Nimonic 100	0,20	11	5,0	1,3	5,0	20,0	-	0,008	-	-	Il
Waspaloy	0,08	19	1,3	3,0	4,4	13,5	M·	0,03	0,08	-	H
Udimet 700	0,10	15	4,3	3,5	5,2	18,5	-	0,005	-	-	Il
Rene 41	0,09	19	1,5	3,1	10,0	11,0	-	0,015	-	-	Il
117-100 (Gießling)	0,18	10	5,5	5,0	3,0	15,0	-	0,015	0,05	-	It
IIAR-I-I200 (Gießling)0,15	9,	5,0	2,0	-	12,5 -	1,0	0,015	0,05	-	η
3-1900 (Gießling)	8,	6,0	1,0	6,0	10,0	-	0,01	0,07	4,3 Ta	η
13,	6,0	0,75	4,5		2,3 eb-Ta	0,005	0,1	-	Il
19,	1,0	2,5	9,8	10,0	-	-	5,0 Fe (max.)	η

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CJ)

■Ν)

Bei der Durchführung der Erfindung werden Legierungen des ebHn genannten Typs einem üblicherweise aus sechs Stufen bestehenden Verfahren, wie in Fig. 1 gezeigt, unterworfen. Die erste Stufe besteht in der Vorsehung einer Nickel-Superlegierung der gewünschten chemischen Zusammensetzung in fein zerteilter Form, was meist durch Mikrogießen oder Zerstäuben einer geschmolzenen Hasse der Legierung und anschließendes Sammeln der verfestigten Tröpfchen geschieht. Das Mikrogießen der geschmolzenen Legierung kann z. B. durch Benutzung der Zerstäuberdüse und Anwendung des Verfahrens, das in der US-Patentschrift

beschrieben ist,

3 253 783 der Anmelderin/erfolgen. Andere Techniken können ebenfalls zur Gewinnung einer Superlegierung in fein zerteiltem Zustand angewendet werden, doch ist das Gaszerstäuben oder Mikrogießen die gebräuchliste und bevorzugte Methode.

Es ist ohne Belang, nach welchem bestimmten Verfahren die Zerteilung der Superlegierung vorgenommen wird, ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist Jedoch, daß die Superlegierung sowohl während ihrer Herstellung als auch während ihrer Behandlung vor der Verdichtung so kontrolliert wird, daß der Sauerstoffgehalt und der Kohlenstoffgehalt der resultierenden verdichteten Masse auf einer Höhe unter 200 ppm bzw. 700 ppm gehalten wird. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Sauerstoffgehalt auf einem Wert unter 100 ppm gehal-

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ten, während der Kohlenstoffgehalt so reduziert werden sollte, daß er so niedrig wie möglich liegt und vorzugsweise unter 300 ppm "beträgt. Die Haltung des Sauerstoff- und Kohlenstoff-Gehaltes unter den vorstehenden Maxinalwerten ist wesentlich, um eine geägnete Korngröße während der Hitzebehandlung des verdichteten Knüppels zu erzielen. Die Wiederherstellung einer gewünschten Menge Kohlenstoff im resultierenden Teil, nachdem die gewünschte Korngröße erzielt worden ist, wird durch die Karbonisierungsstufe, wie sie nachstehend beschrieben wird, erreicht.

Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen wird die Gaszerstäubung der Schmelze der Superlegierung zu einem Pulver und das Sammeln des Pulvers unter solchen Bedingungen vorgenommen, daß die heißen Pulverpartikel praktisch-vollständig vom Kontakt mit Sauerstoff und sauerstoff haltigen Substanzen, einschließlich Wasser, ausgeschlossen bleiben. Die besonderen erforderlichen Vorsichtsmaßnahmen, die getroffen werden müssen, um beim Mikrogießen den Angriff von Sauerstoff und/oder den Einfluß von Sauerstoff zu verhüten, hängt in gewissem Umfang von den besonderen Arten und Mengen der Legierungsbestandteile, die in der Superlegierung vorliegen, ab. Aluminium und Titan erfordern z. B. wegen ihrer lauerstoffempfindlichkeit bei hohen Temperaturen besondere

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Vorsichtsmaßnahmen, um einen Kontakt der Pulverpartikel mit Sauerstoff und. sauerstoffhaltigen Subäanzen zu verhüten. Der Ausschluß sauerstoffhaltigen Materials kann in üblicher Weise durch Anwendung inerter Atmosphären, z. B. Argon oder Helium, beim Sammeln der zerstäubten Partikel ebenso wie beim Zerstäuben selbst erreicht werden. Im Handel erhältliche Argon- und Heliumgase, die minimale Mengen üblicher Verunreinigungen enthalten und im wesentlichen feuchtigkeitsfrei sind, haben sich bei der Herstellung von Superlegierungspulvern, die Sauerstoff unter 200 ppm, meist unter 100 ppm enthalten, als geeignet erwiesen.

Wie bei der üblichen Gaszerstäubung wird das Innere der Vorrichtung anfangs evakuiert, dann mit praktisch trokkenem, nicht oxidierendem Gas durchströmt, wonach die Gaszerstäubung der Superlegierungsschmelze vorgenommen ^ wird. Die abgekühlten Superiegierungspartikel sind im allgemeinen von kugeliger Gestalt und im wesentlichen durchgehend gleicher chemischer Zusammensetzung. Das gesammelte Pulver wird einer geeigneten Klassierung oder Siebung unterworfen, um Partikel einer Gräfe im Berdch von 100 Mikron bis etwa 1 Mikron abzutrennen und zu sanmeln. Besonders gute Ergebnisse werden mit Pulvern erreicht, deren Partikel eine Größe im Bereich von etwa 60 Mikron bis etwa 10 Mikron haben, wobei die

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Partikel willkürlich über diesen Bereich verteilt sind. Solche Pulver werden bevorzugt, weil mit ihnen im freifließenden Zustand optimale Schüttdichte erreicht wird, was die nachfolgende Verdichtung zu einem Knüppel von annähernd 100 % theoretischer Dichte erleichtert.

Gleichgültig nach welchem Verfahren das Superlegierungpulver hergestellt worden ist, wird das Pulver, das eine Partikelgröße im Bereich von etwa 1 bis etwa 100 Mikron hat und weniger als etwa 200 ppm Sauerstoff und weniger als etwa 700 ppm Kohlenstoff enthält, dnnn einer Verdichtung unterworfen, was in Fig. 2 als Stufe 2 angezeigt ist. Die Verdichtung des Superlegierungspulvers kann nach irgendeiner der verschiedenen Techniken vorgenommen werden, einschließlich Extrusion, Heiß-Stauchpressen, Vakuum-Druckgießen, isostatische Heißkompaktierung, Explosionskompaktierung usw. In jedem Fall wird das besondere Verfahren, das angewendet wird in der Weise ausgeführt, daß eine merkliche Oxidation und Karbonisierung des Pulvers vermieden wird, um sicherzustellen, daß der Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalt unter den oben angegebenen maximalen Grenzen bleibt. Bei solchen Verdichtungsverfahren wird das Pulver üblicherweise auf eine erhöhte

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Temperatur gebracht, um ein Verbinden der Pulverpartikel und weiter eine Kontaktierung und Verformung derselben zu einem Knüppel einer Dichte von nahezu IOO96 der Theorie zu erleichtern. Für die mästen Superlegierungen, die für das Verfahren nach der Erfindung geeignet sind, sind Vorwärmtemperaturen im Bereich von etwa 1038 bis 1371 ⁰C vorteilhaft. Die optimal anzuwendende Temperatur innerhalb des vorstehend genannten Bereiches wird durch die Temperatur bestimmt, die ausreicht, um zu einem vollkommen dichten Produkt mit einer Struktur zu gelangen, die für die folgenfe Verformung nötig ist.

Bei der !xplosionskompaktierung wird das Pulver durch eine Explosion einer starken Verdichtung abgesetzt, wobei ein Vorwärmen der Pulverpartikel gewöhnlich nicht vorgenommen wird. Bei der Verdichtung durch Extrusion oder Stauchpressen in der Wärme ist es üblich, zuerst ) das Pulver in einen geeigneten Behälter einzuschließen, der vor dem Füllen mit den Pulverpartikeln evakuiert wird und nachher abgedichtet wird, um zu vermeiden, daß die Pulverpartikel mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Substanzen in Kontakt kommen. Mehrstufige Verdichtungsverfahren können auch in Betracht gezogen werden, einschließlich die Vorverdichtung des freifließenden Pulvers in einem Formhohlraum bei den vorstehend beschriebenen Verdichtungsverfahren, um eine Vorform einer Dichte von

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etwa 85 bis 90% der Theorie herzustellen. Die resultierende Vorform kann dann einer weiteren Vei&ichtung unterworfen werden, um einen Knüppel einer Dichte von praktisch 100# zu bekommen.

Von den vorstehend erwähnten Verdichtungsverfahren ist das Heißextrudieren des in einem langen verformbaren

ch Behälter eingeschlossenen Pulvers das gebräuchlifete und für die Bildung verdichteter Knüppel zu bevorzugen. Der Behälter, der mit dem Pulver gefüllt wird, kann aus irgendeinem Metali sein, welches ausreichende Duktilität hat, um während der Extrusion bei erhöhten Temperaturen verformt werden zu können, ohne daß ein Brechen der Seitenwände auftritt, so daß die Pulverpartikel darin vollkommen eingeschlossen bleiben. Ein Beispiel für duktile Metalle, die geeignet sind und die mit den verschiedenen Superlegierungspulvern verträglich sind, sind die sogenannten rostfreien Stähle, wie AISI 304 oder AISI 1010, ein Flußstahl. In der Regel werden solche Behälter zuerst evakuiert, dann mit einep trockenen, inerten Gas durchgespült, wonach das Superlegierungspulvdr, das ebenfalls frei von sauerstoffhaltigen Substanzen ist, in den Behälter gegossen wird, der dann evakuiert und zugeschweißt wird. Um optimale Dichtpackung des freifließenden Pulvers zu gewährleisten,

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wird der Behälter einer Schall- oder Ultraschall-Vibration unterworfeni hierdurch wird eine Dichte von gewöhnlich 60 bis 7O5S der Theorie erreicht.

Unsbhslagig ö.a.~mn_? welches spezielle Kompaktierungsverfafcrm asigstrandt ym.rae_t i£"k G-er resultierende verdichtete -" ^;JZ: :™lSj2ie^nngsi::irippel ctirari ein? sehr kleine uni. ixircfe«

ΐ.ΐ£ 70v jkpii: Lc-:ilv::::"c£i ci::br."C.-'^:v- Γ'-er result:-trar;i€ Σϊϊ&τ,^σΓ-virc-s, wie c5:ce FlieS-s-sliema der I/ig, 1 seigt, ücl^oher^eisj 6ir:.?.r Vc 1ΐ-Γ.Γ-β:ι Te:^cr::i;sif urjti.^worfsr.,-.- um ge.f.'crmtr- Gegen-,^S1;*'^;'-;*' ςί,ε:- Γ-·"-^:-^- ^r".'i εΓ?£ε,Ιΐ«^._Γ νί"'"Κ;1 der KrüppvL rslb&°i° :"i,r-^kt 6e^ «f£it€-r=n EitEeeeiia^iiung ohne vorherig·? -7er- formung ungeführt werden kann₉ um eine Kornvergrößerisig zu bewirken. Is ist festgestellt worden, daß solche Knüp- * pel, wenn sie eine durchschnittliche Korngröße unter etwa 2,54 χ 10 cm haben, superplastisch sind, was ihre Formung zu verhältnismäßig schwierigen Gestalten ermöglicht, ohne daß irgendwelche Rissebildung und/oder Absonderung (Segregation) aus der Struktur stattfindet. Es liegt daher im Rahmen der Erfindung, daß die Knüppel nach der Kompaktierung superplastisch verformt werden können, nachdem sie auf eine Temperatur erhitzt worden sind, die über dem Punkt 1/2 mal absoluter Schmelzpunkt der Legierung liegt;

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er kann auch nach den üblichen Heißschmiedeverfahren verformt werden; oder,wenn der Knüppel selbst eine Verwendbare Gestalt hat, kann er direkt der vidteren Hitzebehandlung unterworfen werden, durch welche ein Kornwachstum verursacht wird, das optimale mechanische Eigenschaften in Übereinstimmung mit dem beabsichtigten Einsatzzweck erzielt werden. Eine typische MikroStruktur eines Superlegierungsknüppels zeigt die Fig. 2; es ist die Mikroaufnahme eines nach Marble geätzten Musters, in 80Ofacher Vergrößerung. Die in der Mikroaufnahme gezeigte Legierung ist eine Superlegierung, welche 10,76$ Chrom, 6,45% Aluminium, 4,98% Titan, 4,14% Molybdän, 17,11% Kobalt und Nickel auf 100% enthält. Der Knüppel enthält außerdem etwa 90 ppm Sauerstoff und etwa 50 ppm Kohlenstoff. Diese Legierung wurde mikrogegossen, die kugelförmigen Pulverpartikel gesiebt, die Partikel einer Größe im Bereich von 10 bis 60 Mikron ausgewählt, in einen langen zylindrischen Flußstahlbehälter gegeben, der evakuiert war, und anschließend zugeschweißt wurde. Der Behälter und sein Inhalt wurde danach auf eine Temperatur von etwa 1149⁰C erhitzt und dann extrudiert, mit einem Extrusionsverhältnis von 18 : 1. Die in Fig. 2 gezeigte Mikroaufnahme ist die eines Musters eines extrudierten Stabes,und sie zeigt eine relativ feinkörnige und gleichmäßige Struktur.

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Die nächste Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Knüppel oder der aus einem Knüppel geformte Teil einer kontrollierten Hitzebehandlung unterworfen wird, um Kornwachstum zu bewirken und die Hochtemperatureigenschaften der Legierung zu verbessern. Die Hitzebehandlung des Knüppels oder des geformten TeiLes wird bei einer Temperatur vorgenommen, die vorzugsweise nahe aber unter dem beginnenden Schmelzpunkt der Gamma-Matrix liegt, welcher für die meisten Nickelsuperlegierungen im Bereich von 1204 bis 1371 C liegt. Diese Temperatur liegt/wohnlich über der Lösungstemperatur der Gamma-Grundphase oder der Lösungstemperatur der verschiedenen Karbide und anderen komplexen Verbindungen an der Korngrenze, was deren Lösung verursacht und dadurch, daß Konnwachstum der Superlegierungsmasse weiter fördert. Die Dauer der Hitzebehandlungsstufe kann verschieden sein, abhängig von der gewünschten Korngröße in de« resultierenden Knüppel. Hitzebehandlungszeiten im Bereich von 30 bis 60 Stunden bei Temperaturen zwischen 1149 bis 1316⁰C haben sich für die meisten Nickel-Superlegierungen, die für die vorliegende Erfindung anwendbar sind, als befriedigend erwiesen; die resultierende Mikrostruktur solcher Legierungen hat eine Korngröße von etwa 3»175 mm im Durchmesser. Es ist

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möglich, wenn auch etwas unpraktisch, durch Fortsetzen der Hitzebehandlung ein weiteres Kornwachsen zu bewirken bis schließlich ein Knüppel oder ein geformter Gegenstand resultiert, der aus einem einzigen Kornkristall besteht.

Das Typische der Wirkung, die die Hitzebehandlung auf die Korngröße der Superlegierungsknüppel hat, geht aus einem Vergleich der Mikroaufnahmen hervor, die die Figuren 2 und 3 zeigen. Wie weiter oben gesagt, ist die in Fig. 2 wiedergegebene Mikroaufnahme eine 800-fache Vergrößerung eines Knüppels, wie er extrudiert ist. Fig. 3 ist eine Mikroaufnahme eines nach Marble geätzten Musters, 10Ofache Vergrößerung, des in Fig. 2 gezeigten Knüppels, aber nachdem er 48 Stunden lang einer Hitzebehandlung bei 1232°C unterworfen worden ist.

Nach Abschluß der Hitzebehandlung wird der großkörnige Knüppel oder geformte Teil der Superlegierung vorzugsweise einer Karbonisierungsbehandlung unterworfen, wie in Fig. 1 dargestellt, um eine Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes zu bewirken, um Karbidverfestigung der Mikrostruktur, ebenso wie ihre Stabilität gegenüber weiterem Kornwachstum, wenn die Superlegierung im Gebrauch höheren Temperaturen ausgesetzt wird, zu erreichen. Die

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Karbonisierung kann nach irgendeiner der verschiedenen bekannten Techniken durchgeführt werden, vorzugsweise unter Bedingungen, die die Karbidbildung an den Korngrenzen, im Gegensatz zur Gamma-Matrix selbst, fördern. Es kann irgendeine der bekanten Aufkohlungstechniken, wie Pulver auf kohlung, Badauf kohlung und Gasauf kohlung,

ch mit gutem Erfolg angewendet werden; die gebrauchtste und bevorzugte Technik, mit der sich eine kontrollierte Aufkohlung durchführen läßt, ist die Gasauf kohlung unter Verwendung eines Gemisches von Erdgas und Wasserstoff. Wahlweise können die bäennten Trägergase im Gasaufkohlungsofen zur Verdünnung des Kohlenwasserstoffgases zur gewünschten Konzentration benutzt werden, um unter den bestimmten Temperatur- und Zeit-Bedingungen die gewünschte Menge Kohlenstoff zuzuführen.

Ss ist gefunden worden, daß durch Regulierung der Temperatur des Superlegierungsknüppels oder Teiles während der Aufkohlung auf eine Höhe unter ' 1/2 aal absolutem Schmelzpunkt der Legierung eine bevorzugte Karbidbildung entlang der Korngrenzen der Legierung im Gegensatz zur Bildung in der Gamma-Matrix selbst eintritt. Dies ist der Fall, wenn die Legierung bei einer Temperatur unter 1/2 mal absolutem Schmelzpunkt aufgekohlt wird, wo die Diffusionsgeschwindigkeit für die Korngrenzgebiete merklich höher ist als für die Matrixreg^ionen. In

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jedem Fall wird die Aufkohlungsbehandlung so ausgeführt, daß der Kohlenstoffgehalt der Legierung vorzugsweise auf etwa 500 bis etwa 2000 ppm erhöht wird. Bei Erhöhung auf Werte unter 500 ppm hat sich in manchen Fällen gezeigt, daß eine unangemessene Menge Karbid an den Konngrenzen vorliegt, so daß weiteres Kornwachsen stattfindet, wenn die Legierung im späteren Gebrauch höheren Temperaturen unterworfen wird. Bessere Stabilisierung der Le-., gierung gegen weiteres Kornwachstum wird bei Kohlenstoffgehalten über 500 ppm erreicht. Bei einem Kohlenstoffgehalt über 2000 ppm werden die meisten Superlegierungen spröde, weshilb eine Steuerung des Kohlenstoffgehaltes unter diesem Wert iiweckmäßig ist. Der optimale Kohlenstoffgehalt wird im allgemeinen durch die mechanischen Eigenschaften, die von der besondere! Legierungszusammensetzung erwünscht oder gefordert werden, der Korngröße und der Stabilität der Legierung gegen weiteres Kornwachstum bestimmt.

Die Nickelsuperlegierung, die als typisches Beispiel hergestellt wurde, und zwar gemäß der vorstehenden Beschreibung, die in Verbindung mit Fig. 3 vorgenommen wurde, hatte einen nominellen Kohlenstoffgehalt von etwa 50 ppmj sie wurde der Aufkohlung in einem Gasaufkohlungs-

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ofen 7 Stunden lang "bei 760°C unterworfen. Das Aufkohlungs-Gasgemisch bestand aus 10 Volumen-^ Erdgas und 90 Volumen-^ Wasserstoff. Durch die Behandlung erhöhte sich der nominelle Kohlenstoffgehalt der Legierung auf über 170 ppm und die gebildeten Karbide waren vorwiegend an den Korngrenzen der Legierung anwesend. Nachdem diese Legierung einer weiteren Aufkohlung unter den vorstehend angegebenen Bedingungen unterworfen worden war, erhöhte sich der Kohlenstoffgehalt auf ' über 500 ppm.

Wenn es auch nicht notwendig ist, so wird doch vorzugsweise nach Abschluß der Aufkohlungsbehandlung der Superlegierungsknüppel oder geformte Teil einer Lösungsglühbehandlung bei erhöhten Temperaturen unterworfen, um eine Erhöhung der Homogenität der Legierungsstruktur zu bewirken. Diese Behandlung wird bei Temperaturen von etwa 1093 bis 1260⁰C, vorzugsweise von 1149 bis 1204°C vorgenommen.

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Claims

Patentansprüche ;

1. Verfahren zur Herstellung einer dichten Masse aus Nickel-Superlegierung, gekennzeichnet durch Herstellen eines Pulvers einer Superlegierung, die weniger als etwa 200 ppm Sauerstoff und weniger als 700 ppm Kohlenstoff enthält, Verdichten des Pulvers zu einem Knüppel von nahezu 100$ theoretischer Dichte, Hitzebehandeln des Knüppels bei erhöhter Temperatur ausreichend lange, um ein Wachstum der Körner der Legierung zu der gewünschten Größe zu bewirken, Aufkohlen des Knüppels, um den Kohlenstoffgehalt derart zu erhöhen, daß Karbidbildung vorzugsweise an den Korngrenzen in einem Ausmaß gefördert wird, daß bei höheren Temperaturen weiteres Kornwachsen der Legierung inhibiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgekohlte Legierung einer Lösungsglühbehandlung bei erhöhter Temperatur unterworfen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ä& das Pulver durch Mikrogießen der Superlegierung hergestellt wird.

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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Legierungspulver von weitgehend kugeliger Gestalt hergestellt wird und die Kugeln einen
Durchmesser im Bereich von 1 bis 100 Mikron haben.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß so stark aufgekohlt wird, daß der Kohlenstoff-

^ gehalt der Legierung im Bereich von 500 bis 2000 ppm

liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Knüppel vor der Hitzebehandlung zur gewünechten Gestalt verformt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Legierungspulver verwendet wird, das weniger als 100 ppm Sauerstoff und weniger als 300 ppm

" Kohlenstoff aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Knüppel nach dem Verdichten eine Korngröße unter 2,54 χ 10 cm hat, und der Knüppel vor der Hitzebehandlung superplastisch zur gewünschten Gestalt verformt wird.

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9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung des Pulvers zum Knüppel durch Einschließen des Pulvers in einen abgedichteten
deformierbaren Behälter und Kompaktieren des gefüllten Behälters, der auf eine Temperatur zwischen 1038 und '.1371⁰C vorgewärmt ist, vorgenommen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufkphlung des Knüppels durch eine Gas-Aufkohlung bei einer Temperatur unter 1/2 mal dem
absoluten Schmelzpunkt der Legierung vorgenommen

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