DE2853575B2

DE2853575B2 - Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen von Legierungskörpern aus hydrierten Metallpulverchargen

Info

Publication number: DE2853575B2
Application number: DE2853575A
Authority: DE
Inventors: Francis Herbert Pittsburgh Froes; Charles Frederick Coraopolis Yolton
Original assignee: Crucible Inc
Current assignee: Colt Industries Operating Corp
Priority date: 1978-03-30
Filing date: 1978-12-12
Publication date: 1980-05-14
Also published as: CA1120230A; FR2421019A1; GB2019442B; DE2853575C3; DE2853575A1; US4219357A; GB2019442A; JPS54131512A; JPS5636201B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen von Legierungskörpern auf der Basis wenigstens eines der Metalle Titan, Zirkonium, Hafnium, Tantal, Niob, Uran oder seltener Erden mit besonders feinem, gleichachsigen Korn. Aus »Metal Hydrides«, 1968, Seiten 675 ff., ist die Herstellung und Verwendung von Metallhydriden bekannt. Es ist bekannt, daß pulverförmige Metallhydride trotz ihrer brüchigen Natur so weit verdichtet werden können, daß sie eine für ihre Handhabe ausreichende Festigkeit besitzen. Ferner ist aus dem genannten Aufsatz bekannt, daß Metallhydride bis zu 98% ihrer theoretischen Dichte verdichtet werden können, beispielsweise mit Hilfe des isostatischen Heißpressens. Diese bekannten Verarbeitungsweisen beziehen sich jedoch sämtlich darauf, daß die Metallhydride in chemisch veränderter Form, also in Form von Metallhydriden verwendet werden. Für den Fall, daß die Metallhydride in zersetzter Form bzw. nach ihrer Zersetzung weiterverwendet werden, nennt der Aufsatz »Metal Hydrides« das Sintern im Vakuum oder unter Schutzgas.

Werkstoffe, beispielsweise für Teile moderner Strahltriebwerke und dergleichen, erfordern eine Gefügefeinheit und -homogenität, die mit Hilfe der herkömmlichen pulvermetallurgischen Erzeugungsverfahren nicht mehr gewährleistet werden können. Dabei sind ein extrem feinkörniges und gleichachsiges Korn einerseits bei der Werkstoffverarbeitung mittels modernster Technologien, wie dem superplastischen Umformen und dem isothermen Schmieden, erforderlich und sind andererseits die gleichen extremen Gefüge- bzw. Korneigenschaften beim ungeformten Fertigerzeugnis von entscheidender Bedeutung im Hinblick auf gesteigerte Festigkeit, insbesondere Warmfestigkeit, sowie im Hinblick auf eine verbesserte Dauerfestigkeit.

Es ist bekannt, daß Spezial- und Superlegierungen auf der Basis von Titan, Zirkonium, Hafnium, Tantal, Niob, Uran und seltenen Erden auf dem Gebiet der Luft- und Raumfahrttechnik erhöhte Bedeutung erlangt haben.

Die Erfinder haben sich das Ziel gesteckt, die bisher übliche pulvermetallurgische Legierungserzeugung auf der Grundlage der vorstehend aufgezählten Metalle so zu verbessern, daß Fertigerzeugnisse erhalten werden, die das angestrebt besonders feine und gleichachsige Korn aufweisen.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein to Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen von verdichteten Metallerzeugnissen auf der Basis wenigstens eines der Metalle Titan, Zirkonium, Hafnium, Tantal, Niob, Uran oder seltener Erden mit besonders feinem, gleichachsigen Korn zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst

Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ergibt sich in erster Linie daraus, daß als Folge der Verarbeitung von Metallhydriden bedeutend feineres und dabei gleichachsigeres Korn erzeugt werden kann als mit Hilfe der herkömmlichen pulvermetallurgischen Herstellungsprozesse. Es sei bereits auf die beigefügten Figuren verwiesen, wo in den F i g. 1 und 3 Schliffaufnahmen herkömmlich pulvermetallurgisch erzeugter Werkstoffe und in den übrigen Figuren Schliffbilder von erfindungsgemäß unter Verwendung von Metallhydriden hergestellten Werkstoffen gleicher chemischer Zusammensetzung dargestellt sind. Ein Vergleich der Figuren zeigt deutlich, daß der erfindungsgemäße Herstellungsweg über die Hydride zu einem besonders feinen und gleichachsigen Korn führt.

Im Anspruch 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.

Ji Entscheidend für das Zustandekommen der angestrebten Feinkörnigkeit beim erfindungsgemäßen Verfahren dürfte der Umstand sein, daß beim Heißpressen die Hydrid-Netzstruktur zerstört wird, so daß die ursprünglich vergleichsweise großen Körner der PuI-vercharge in eine Vielzahl von kleinen Körnern unterteilt werden. Nach dem Dehydrieren bleiben voneinander getrennte feine Körner zurück, die zuvor von der Hydridphase umgeben worden waren. Bei der abschließenden Erwärmung und erneuten Verdichtung auf im wesentlichen vollständige Dichte werden die beim Dehydrieren gebildeten Hohlräume geschlossen, so daß ein gänzlich dichter, aus feinsten, gleichachsigen Körnern bestehender Legierungskörper erhalten wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt

F i g. 1 eine photographische Schliffaufnahme bei 250facher Vergrößerung, welche das Gefüge herkömmlicher Erzeugnisse aus einer Titanlegierung mit 6% Aluminium und 4% Vanadium darstellt,

F i g. 2a und 2b photographische Schliffaufnahmen bei 500facher Vergrößerung, die das Gefüge einer zusammensetzungsmäßig mit der in F i g. 1 dargestellten Legierung übereinstimmenden Legierung zeigt, welche jedoch auf erfindungsgemäße Weise erzeugt wurde,

Fig.3 eine photographische Schliffaufnahme bei 250facher Vergrößerung eines anderen auf herkömmliche Weise hergestellten Erzeugnisses aus einer Titanlegierung mit 5% Aluminium, 2% Zinn, 2% Zirkonium, 4% Molybdän, 4% Chrom, Rest Titan,

Fig.4 eine photographische Schliffaufnahme bei 250facher Vergrößerung einer zusammensetzungsmäßig mit der in Fig.3 dargestellten Legierung überein-

stimmenden Legierung, wobei letztere jedoch auf erfiridungsgemäße Weise erzeugt wurde,

Fig.5 eine photographische Schliffaufnahme bei 250facher Vergrößerung, welche das Gefüge der in F i g. 4 dargestellten Legierung nach Glühen im Vakuum bei einer Temperatur von 800° C zeigt, und

Fig.6 eine photographische Scbliffaufnahme bei 250facher Vergrößerung der in Fig.5 dargestellten Legierung nach einer zusätzlichen Glühung bei 900⁰C und Abschrecken in Wasser.

Beim Verfahren nach der Erfindung wird eine Charge einer pulverförmigen Legierung aus einem hydridbildenden Metall, vorzugsweise eine Titanlegierung, verwendet Hydridbiidende Legierungen außer Titanlegierungen sind beispielsweise solche auf Basis von Zirkonium, Hafnium, Tantal, Niob, Uran und seltenen Erden. Da Titanlegierungen zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung am meisten bevorzugt sind, wird die Erfindung anhand von Titanlegierungen erläutert:

Eine Charge aus Titanlegierungspulver wird auf einen Wasserstoffgehalt von wenigstens etwa 1 bis 4 Gew.-% hydriert Zum Hydrieren des Titanlegierungspulvers kann jegliche herkömmliche Arbeitsweise benutzt werden, aber bevorzugterweise wird nach dem im US-Patent 40 09 233 beschriebenen Verfahren gearbeitet. Das hydrierte Pulver wird in einen leicht verformbaren Behälter eingebracht, der vorzugsweise aus weichem Flußstahl besteht. Der Behälter kann jedoch aus jeglichem Material bestehen, welches bei Druck leicht nachgibt Außerdem kommt es darauf an, daß der Behälter dichtend verschließbar ist und daß Wasserstoff eine geringe Diffusionsneigung und eine niedrige Löslichkeit im Behälterwerkstoff aufweist. Der mit Pulver gefüllte Behälter wird dicht verschlossen und auf eine für das Heißpressen ausreichende erhöhte Temperatur erwärmt. Temperaturen in der Größenordnung von 677 bis 982° C sind geeignet.

Vorzugsweise wird zum Heißpressen das isostatische Heißpressen in einem autoklav durchgeführt, obgleich andere Arbeitsweisen, wie Schmieden und Extrudieren, benutzt werden können. Beim isostatischen Heißpressen in einem fluidgefüllten Autoklav werden Drücke im Bereich von 700 bis 2800 bar angewandt.

Das Verdichten erfolgt, um ein im wesentlichen gänzlich verdichtetes Erzeugnis zu erzielen. Der Heißpreßkörper wird sodann dehydriert, was auf herkömmliche Weise durch Erwärmen im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre, wie einer Argon- oder Heliumatmosphäre, erfolgen kann, in welcher ein niedriger Wasserstoff-Partialdruck aufrechterhalten wird. Nach dem Dehydrieren wird der Körper wieder erwärmt und erneut verdichtet, wobei diese Verdichtungsstufe erforderlich ist, um Hohlräume oder Leerstellen in Form von Rissen zu schließen, welche sich während des Dehydrierens gebildet haben. Das Heißpressen des dehydrierten Körpers erfolgt bei einer Temperatur unterhalb der sog. Beta-Umwandlungstemperatur der das Erzeugnis bildenden Legierung. Dieses ist zu beachten, um das Erzielen des angestrebten feinen Korns zu gewährleisten. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich bei Titanlegierungen Korngrößen von weniger als 10 μΐη erzielen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von erfindungsgemäß hergestellten Titanlegierungspulvern bzw. Legierungskörpern aus diesen Pulvern noch weiter erläutert, wobei das Erzeugen der Pulver entsprechend der Lehre des bereits genannten US-Patentes 40 09 433 erfolgte. Die Zusammensetzungen dieser Pulver sind in der folgenden Tafel zusammengestellt

Tafel

Zusammensetzungen (Gew.-%)

6—4 Legierung

Ti-17 Legierung

6% Aluminium 5% Aluminium
4% Vanadium 2% Zinn
Rest Titan 2% Zirkonium

4% Molybdän
4% Chrom
Rest Titan

Die in der Tafel aufgeführten Legierungspulver wurden in 100 g-Chargen verwendet und besaßen einen Wasserstoffgehalt von 23 bis 3,1 Gew.-%.

Die Chargen wurden jeweils in einen zylindrischen Flußstahlbehälter eingebracht, in demselben dichtend eingeschlossen und 8 Stunden lang auf eine Temperatur von 954° C in einem Druckmittel-Autoklav erhitzt, in welchem das Verdichten bei einem Druck von 1055 bar erfolgte. Der im wesentlichen vollständig verdichtete Preßkörper wurde in technischem Vakuum bei einer

:s Temperatur vor 700 bis 801° C etwa 8 Stunden lang zum Zwecke des Dehydrierens geglüht. Die metallographische Untersuchung der dehydrierten Probekörper zeigte Rißbildungen, was ein weiteres isostatisches Heißpressen erforderlich machte.

x> Alle Proben zeigten das angestrebte feine Gefüge, insbesondere im Vergleich mit dem herkömmlichen Gefüge der zusammensetzungsgleichen sog. 6—4 Legierung, die in F i g. 1 als Schliffaufnahme dargestellt ist. Im Gegensatz dazu zeigen die Fig.2a und 2b das

J5 Gefüge einer 6—4 Legierung, die auf erfindungsgemäße Weise hergestellt wurde und spezifischerweise bei der gleichen Temperatur isostatisch heißgepreßt wurde, wie das Erzeugnis, dessen Gefüge in F i g. 1 dargestellt ist. Der deutliche Unterschied der beiden Gefüge fällt selbst bei der stärkeren Vergrößerung der F i g. 2a und 2b ins Auge.

Eine vergleichbare Folge von Gefügebildern ist in den Fig. 3 bis 6 für die sog. Ti-17 Legierung dargestellt. F i g. 3 zeigt das Gefüge einer auf herkömmliche Weise erzeugten Ti-17 Legierung und das grobe Korn sowie die höchst unerwünschten Alpha-Ausbildungen in den Korngrenzen sind deutlich zu erkennen. Das Gefüge einer solchen Legierung nach anfänglichem isostatischen Heißpressen im hydrierten Zustand, d. h. bei

5(i erfindungsgemäßer Herstellung, ist in F i g. 4 dargestellt. Nach dem Dehydrieren liegt ein Feinkorn-Gefüge mit gleichachsigem Alpha-Bereich vor, wie in F i g. 5 dargestellt. Noch deutlicher wird dieses in Fig.6, welche das Gefüge des erfindungsgemäß hergestellten Erzeugnisses nach einer kurzen Beta-Glühung bei 899⁰C und anschließender Wasserabschreckung zeigt.

Das Dehydrieren nach dem Verdichten verursacht eine Nettovolumen-Kontraktion in den Körpern mit der Wirkung, daß die Körper Risse und Hohlräume

M) aufweisen. Demzufolge ist es von entscheidender Bedeutung, daß die Körper nach dem Dehydrieren einem weiteren Verdichtungsvorgang, wie einem isostatischen Heißpressen, einem Schmieden oder Extrudieren unterworfen werden, um diese Risse und Hohlräume zu schließen, so daß der angestrebte homogene oder einheitliche Körper erhalten wird.

Die Ausbildung des mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielten Feinkcrneefüees läßt sich wie folet

erklären. Das relativ grobkörnige Pulver ist durch ein Netzwerk von sich schneidenden Hydridphasen gekennzeichnet. Beim isostatischen Heißpressen werden die Lücken zwischen den Pulverpartikeln als Folge der Verformung beseitigt, womit eine entsprechende Verwerfung des Hydridnetzwerkes in den Körnern einhergeht. Wird der Körper sodann dehydriert, so bilden sich gesonderte Körner zwischen den ehemaligen Hydridphasengebieten. Dieses ist eine Folge der in diesen Gebieten während des isostatischen Heißpressens aufgetretenen Verwerfungen oder Störungen, da beim Verpressen die Matrix-Gitterabstände so gestört werden, daß nach dem Dehydrieren die Gitterebenen benachbarter Gebiete, die zuvor exakt nacheinander ausgerichtet waren, keine gemeinsame Orientierung mehr aufweisen und hohe Winkelerenzen. d. h. Korn-

grenzen, diese Regionen voneinander trennen. Da es der störende Einfluß des isostatischen Heißpressen auf die Hydridphase zu sein scheint, der für das Zustandekommen der angestrebten Wirkung ausschlaggebend ist, wird angenommen, daß jedes eine entsprechende Beeinflussung hervorrufende Verformungsverfahren, wie das Extrudieren, in gleicher Weise für diesen Zweck geeignet ist.

Sowohl in der Beschreibung als auch in den Paten tansprüchen ist von »Metall« die Rede. Es versteht sich jedoch, daß damit Legierungen dieser Metalle gemeint sind, in welchen das genannte Metall die Grundkomponente bildet. Im Rahmen der Erfindung wird mit dem Begriff »Hydrieren« das Bilden wasserstoffhaltiger Verbindungen angesprochen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen von Legierungskörpern auf der Basis wenigstens eines der Metalle Titan, Zirkonium, Hafnium, Tantal, Niob, Uran oder seltener Erden mit besonders feinem, gleichachsigem Korn, dadurch gekennzeichnet, daß eine hydrierte Metallpulvercharge in einem Behälter in an sich bekannter Weise bei erhöhter Temperatur zu einem dichten Körper warmverdichtet und der Körper durch Glühen im Vakuum dehydriert wird, worauf der Körper erneut erwärmt und zum Schließen der beim Dehydrieren gebildeten Hohlräume verdichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß hydriertes Titanlegieningspulver mit einem Wasserstoffgehalt von 1 bis 4% in einen leicht verformbaren Behälter eingebracht, der Behälter abgedichtet und das Ganze auf eine Temperatur von 677 bis 982°C erwärmt, das Pulver in einem Autoklav bei einem Druck von 700 bis 2800 bar isostatisch heißgepreßt, der Heißpreßkörper dehydriert und wieder erwärmt und bei einer Temperatur unterhalb der Beta-Umwandlungstemperatur heiß verdichtet wird.