[0001] Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks nach
der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
[0002] 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).
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
[0006] Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden, durch Figuren erläuterten Ausführungsbeispiels
beschrieben.
[0007] 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.
[0008] 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 γ-Phase,
die für die untersuchte Superlegierung (Handelsname "Waspaloy") zwischen 1020 und
1040
0C (im Mittel bei 1030°C) liegt. Der Verlauf b entsprechend Phase I 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.
[0009] Im unteren Teil der Figur ist die weitere für diese Klasse von Superlegierungen übliche,
aus Lösungsglühen, Abschrekken und mehrfachem Aushärten bestehende, an den Umformprozess
anschliessende Wärmebehandlung in einem anderen Zeitmassstab dargestellt.
[0010] 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:
[0011] Siehe Fig. l:
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:


[0012] Der. Rohling hatte zylindrische Form und besass folgende Abmessungen:

[0013] Er wurde in einem ersten Verfahrensschritt (Phase I) in einer Schmiedepresse in axialer
Richtung durch isothermes Schmieden bei einer Temperatur von 1100°C, welche oberhalb
der Lösungsglühtemperatur für die γ '-Phase des Werkstoffes lag, derart gestaucht,
dass er danach die folgenden Abmessungen aufwies:

[0014] Dies entsprach einem Verformungsgrad ε von 0,7. Die mittlere Verformungsgeschwindigkeit
betrug E = 12,5 . 10
-3s
-1. Dabei war

wie folgt definiert:
A = Querschnittsfläche des Werkstücks vor der Umformung, je pro Schritt,
Af = Querschnittsfläche des Werkstücks nach der Umformung,
ln = natürlicher Logarithmus
t = Zeit in Sekunden
[0015] Nach dem gemäss Phase I ca. 1 min dauernden Stauchvorgang wurde das Werkstück an
Luft auf Raumtemperatur abgekühlt.
[0016] In einem zweiten Verfahrensschritt (Phase II) wurde das vorgeformte Werkstück in
einem Schmiedegesenk bei einer niedrigeren Temperatur, welche knapp unterhalb der
Lösungsglühtemperatur für die γ '-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 ε betrug 1,3. Die mittlere Verformungsgeschwindigkeitwar

= 1,5 . 10
-3s
- 1, 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 ε von 0,5 bei einer Verformungsgeschwindigkeit vonε
= 0,9 . 10
-3s
-1. Die dritte, ca. 7 min dauernde Stufe erreichte noch ein ε von 0,2 bei einem

= 0,1 10
- 3s
- 1. Die maximal erreichte Presskraft betrug hierbei
2000 kN. Alle ε und

auf A
o des zweiten Verfahrensschritts bezogen!
[0017] Nach dem Fertigschmieden gemäss Phase II wurde das Werkstück der üblichen konventionellen
Wärmebehandlung unterzogen: Lösungsglühen bei 1020°C während 4 h, Abschrecken in Oel,
Glühen bei 850°C während 4 h, Abkühlen in Luft, Aushärten bei 750°C während 16 h,
Abkühlen in Luft.
[0018] Das fertig geschmiedete und wärmebehandelte Werkstück wies bei Raumtemperatur eine
Streckgrenze von 938 MPa auf, während die Dehnung 22 % betrug.
[0019] 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 Aesten b und c in Fig. 1 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 darauf, däss
der erste Schritt in einem Vorstauchen des Schmiederohlings mit anschliessendem Formschmieden
im Gesenk bei einer Temperatur oberhalb der Lösungsglühtemperatur für die γ'-Phase
des Werkstoffs besteht. Ferner kann das Abkühlen des Werkstücks beim Uebergang vom
ersten zum zweiten Schritt (zwischen Phase I und Phase II) unter gleichzeitigem Aufbringen
einer Last erfolgen.
[0020] Ausser "Waspaloy" eignet sich noch eine ganze Anzahl anderer Superlegierungen für
das Verfahren, worunter Handelsnamen wie Astroloy, Alloy' 901, IN 718, IN 100, Rene
95 etc. figurieren. Im allgemeinen können die Legierungsgrenzen ungefähr wie folgt
angegeben werden:

[0021] Während des ersten Verfahrensschrittes (Phase I) soll der Verformungsgrad ε mindestens
den Wert 0,7 erreichen, bei Verformungsgeschwindigkeiten

, die vorteilhafterweise zwischen
5 . 10
-3s
-1 und 15. 10 3s-1 (im Durchschnitt um 10 10
-3s
-1) liegen. Beim zweiten Verfahrensschritt (Phase II) muss der Verformungsgrad ein Mass
erreichen, das ausreicht, um die gewünschten guten mechanischen Eigenschaften zu erzielen.
Dieses Mass hängt von der Form und Grösse des Werkstücks ab. Die entsprechenden Verformungsgeschwindigkeiten

bewegen sich dabei etwa zwischen 2 10
-3s
-1 und 0
,1 . 10
-3 s
-1 Sie nehmen mit fortschreitendem Verformungsgrad E ab, in dem Masse wie sich das Werkstück
der Endform nähert.
[0022] Wesentlich ist, dass der erste Schritt oberhalb und der zweite Schritt knapp unterhalb
der Lösungsglühtemperatur für die γ'-Phase des Werkstoffs durchgeführt wird, so dass
für die Endform eine mittlere Korngrösse von 4 bis 40 µm, 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 (Zeitstandfesti
g- keit) erzielt wird.
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 γ'-Phase in eine Zwischenform übergeführt wird, wobei ein Verformungsgrad
E von mindestens 0,7 und eine Verformungsgeschwindigkeit

von 5 . 10
-3s
-1 bis 15 . 10
-3s
-1 eingehalten wird, und dass die Zwischenform in einem zweiten Schritt durch isothermes
Schmieden dicht unterhalb der Lösungsglühtemperatur für die γ '-Phase unter Anwendung
einer Verformungsgeschwindigkeit

von
2 . 10
-3s
-1 bis 0,1 . 10
-3 s
-1 in die Endform übergeführt wird, wobei

wie folgt definiert ist:
A = Querschnittsfläche des Werkstücks vor der Umformung, je pro Schritt,
Af = Querschnittsfläche des Werkstücks nach der Umformung,
ln = natürlicher Logarithmus
t = Zeit in Sekunden .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück bis zur Endform
auf eine mittlere Korngrösse von 4 bis 40 µm, eine Warmstreckgrenze bei 540°C von
mindestens 780 MPa und eine Standzeit unter einer Belastung von 510 MPa bei 6700C von mindestens 100 h geschmiedet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelbasis-Superlegierung
die nachfolgenden Grenzwerte der Zusammensetzung aufweist:
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.
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 Uebergang vom ersten zum zweiten Schritt unter gleichzeitigem Aufbringen einer
Last erfolgt.