Verfahren zur Erhöhung der Duktilität eines in groben Längsgerichteten stengelförmigen Kristalliten vorliegenden Werkstücks aus einer oxyddispersiongsgehärteten Nickelbasis-Superlegierung bei Raumtemperatur

Abstract

 Verfahren zur Erhöhung der Duktilität eines in groben längs­gerichteten stengelförmigen Kristalliten vorliegenden Werk­stücks aus einer oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-Super­legierung bei Raumtemperatur, indem das zuvor zonengeglühte Werkstück unter Argonatmosphäre während 1/2 h bis 5 h einer Lösungsglühung im Temperaturbereich zwischen 1160 und 1280 °C und anschliessend einer gezielten Abkühlung mit einer Geschwin­digkeit von 0,1 °C/min bis 5 °C/min bis auf eine Temperatur von 500 bis 700 °C unterworfen wird. Daraufhin wird das Werk­stück an Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Bevorzugte gezielte Abkühlungsgeschwindigkeit: ca. 0,5 °C/min.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Oxyddispersionsgehärtete Superlegierungen auf der Basis von Nickel, welche dank ihrer hervorragenden mechanischen Eigen­schaften be hohen Temperaturen beim Bau thermischer Maschinen Verwendung finden. Bevorzugte Verwendung als Schaufelwerk­stoff für Gasturbinen.

[0002] Die Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-Super­legierungen mit insgesamt optimalen Eigenschaften bezüglich Hochtemperaturfestigkeit, Langzeitstabilität und Duktilität.

[0003] Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Erhöhung der Duk­tilität eines in groben längsgerichteten stengelförmigen Kri­stalliten vorliegenden Werkstücks aus einer oxyddisperions­gehärteten Nickelbasis-Superlegierung bei Raumtemperatur, wobei das Werkstück pulvermetallurgisch hergestellt, strang­gepresst oder geschmiedet oder heiss-isostatisch gepresst und anschliessend zonengeglüht wird.

Stand der Technik

[0004] Zum Stand der Technik wird folgende Literatur zitiert:
- G.H. Gessinger, Powder Metallurgy of Superalloys, Butter­worths, London, 1984
- R.F. Singer and E. Arzt, To be published in: Conf. Proc. "High Temperature Materials for Gas Turbines", Liège, Belgium, Oktober 1986
- J.S. Benjamin, Metall. Trans. 1970, 1, 2943 - 2951
- M.Y. Nazmy and R.F. Singer, Effect of inclusions on tensile ductility of a nickel-base oxide dispersion strengthened superalloy, Scripta Metallurgica, Vol. 19, pp. 829-832, 1985, Pergamon Press Ldt.
- T.K. Glasgow, "Longitudinal Shear Behaviour of Several Oxide Dispersion Strengthened Alloys", NASA TM-78973 (1978).

[0005] Oxyddispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierungen zeichnen sich durch hohe Warmfestigkeit, insbesondere Kriechfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit bei höchsten Arbeitstemperaturen aus. In tieferen Temperaturbereichen, insbesondere bei Raumtempera­turen sind jedoch diese Legierungen vergleichsweise spröde und haben ausserdem im Vergleich zu konventionellen Hochtempera­turlegierungen eine geringe Scherfestigkeit. Dies erschwert ihre Verwendung als Schaufelmaterial im Gasturbinenbau, da eine Rotorschaufel in der Regel zeitlich und örtlich sehr verschiedenen komplexen thermischen und mechanischen Bean­spruchungen ausgesetzt ist. Insbesondere der Schaufelfuss, meist eine Art "Tannenbaumkonstruktion" zwecks Verankerung im Rotorkörper ist stets Zug-, Druck- und Schubspannungen unterworfen und demzufolge besonders gefährdet. Ausserdem sollte er Deformationen übernehmen können, um sich den Betriebs­ bedingungen anpassen zu können. Der zu verwendende Werkstoff muss daher eine bestimmte minimale Duktilität und Scherfestig­keit aufweisen.

[0006] Es besteht daher ein Bedürfnis, die obigen Mängel weitgehend zu beseitigen und Wege zur Verbesserung des Werkstoffverhaltens im Betrieb aufzuzeigen.

Darstellung der Erfindung

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbesserung der Duktilität eines aus einer grobkörnigen oxyd­dispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierung bestehenden Werkstücks anzugeben, das sich einfach durchführen lässt und den übrigen Werkstoffeigenschaften, insbesondere im Hochtempera­turbereich keinen Abbruch tut. Das Verfahren soll insbesondere die vergleichweise geringe Duktilität in der Querrichtung der längsgerichteten Stengelkristallite nahmhaft erhöhen. Damit einher soll eine Erhöhung der Scherfestigkeit erreicht werden.

[0008] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im eingangs erwähnten Vefahren das Werkstück nach dem Zonenglühen unter Argonatmos­phäre während 1/2 bis 5 h einer Lösungsglühung bei einer Tem­peratur zwischen 1160 und 1280 °C unterworfen und anschlies­send mit einer Geschwindigkeit zwischen 0,1 °C/min und 5 °C/min bis auf eine Temperatur von 500 bis 700 °C abgekühlt und darauf­hin in Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

[0009] Der Grossteil der komerziell verwendeten oxyddispersionsgehär­teten Nickelbasis-Superlegierungen enthält ausser den Disper­soiden die bekannte γʹ-Phase in feinverteilten Auscheidungen. Es konnte gezeigt werden, dass die Duktilität insbesondere im tiefen Temperaturbereich (z.B. bei Raumtemperatur) wesentlich von der Menge, Form und Verteilung dieser γʹ-Phase abhängig ist. Es handelt sich also darum, diese Phase in eine geeignete Form bzw. in der Matrix in Lösung zu bringen, was erfindungs­ gemäss mit Hilfe der oben genannten Wärmebehandlung und geziel­ter Abkühlung des Werkstücks geschieht. Da die Hochtemperatur­eigenschaften der oxyddispersionsgehärteten Legierungen haupt­sächlich durch die Dispersoide bestimmt sind, werden Kriech­grenze und Ermüdungsfestigkeit durch die mindestens teilweise Lösung der γʹ-Phase in der Matrix in Anbetracht der höchsten Einsatztemperatur der Legierung nicht nachteilig beeinflusst.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0010] Die Erfindung wird anhand der durch eine Figur näher erläuter­ten Ausführungsbeispiele beschrieben:

[0011] Dabei zeigt die Figur:

[0012] Ein Diagramn des Temperaturverlaufs in Funktion der Zeit bei der Durchführung des Verfahrens. T₁ ist die höchstzulässige Lösungstemperatur für die γʹ-Phase in der γ-Matrix, welche durch den Schmelzpunkt der tiefstschmelzenden Phase der Super­legierung bestimmt wird. Um mit Sicherheit ein Anschmelzen dieser Phase zu verhindern, muss T₁ noch um einen Wert von ca. 10 °C unter dem tiefsten Schmelzpunkt (Soliduspunkt) der Legierung 1egen. T₂ ist die mindest notwendige Lösungsglüh­temperatur für die γʹ-Phase in der γʹ-Matrix. Dabei wird angenom­men, dass nach einer endlichen Zeit, welche im Betrieb vert,ret­bar ist (d.h. nach eingen Stunden) die gesamte Masse der γʹ-Phase in feste Lösung in der γ-Matrix übergegangen ist. a ist die obere Grenze des Temperaturverlaufs der langsamen Abkühlung des Werkstücks, die durch praktische Betriebsbedingungen gegeben ist. Eine noch langsamere Abkühlung wäre unwirtschaftlich und ist nicht notwendig. b ist die untere Grenze des Temperatur­verlaufs der langsamen Abkühlung des Werkstücks. Eine schnellere Abkühlung ist nicht zulässig, da sich dabei zumindest ein Teil der in Lösung befindlichen γʹ-Phase wieder ausscheiden würde. Kurve 1 bezieht sich auf den Temperaturverlauf der Wärmebehand ung des Werkstoffs MA 6000 gemäss Beispiel 1, Kurve 2 auf denjenigen von MA 6000 gemäss Beispiel 2. Der Temperaturverlauf nach Kurve 3 bezieht sich auf ein Werkstück der Legierung gemäss Beispiel 3.

Ausführungsbeispiel 1:

[0013] Siehe Kurve 1 der Figur!

[0014] Aus einer oxyddispersionsgehärteten Nickelbasislegierung mit dem Handelsnamen MA 6000 (INCO) wurde eine prismatische Probe von 180 mm Länge, 50 mm Breite und 12 mm Dicke herausgearbei­tet. Der Werkstoff hatte die nachfolgende Zusammensetzung:
Cr = 15 Gew.-%
W = 4,0 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
Al = 4,5 Gew.-%
Ti = 2,5 Gew.-%
Ta = 2,0 Gew.-%
C = 0,05 Gew.-%
B = 0,01 Gew.-%
Zr = 0,15 Gew.-%
Y₂O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest

[0015] Das Ausgangsmaterial hatte beim Hersteller folgende thermo­mechanischen und thermischen Behandlungen durchgemacht:
- Warmstrangpressen
- Warmwalzen
- Zonenglühen auf längliches Grobkorn bei 1270 °C
- Glühen bei 1230 °C/1/2 h, Luftabkühlung
- Glühen bei 955 °C/2 h, Luftabkühlung
- Glühen bei 845 °C/24 h, Luftabkühlung

[0016] Die mechanischen Eigenschaften des in Form von langgestreckten Kristalliten vorliegenden Materials im Anlieferungszustand wurden wie folgt bestimmt (Werte bei Raumtemperatur in langer Querrichtung der Kristallite):
- Streckgrenze (0,2 %)      1095 MPa
- Zugfestigkeit      1187 MPa
- Dehnung      2,48 %

[0017] Das Werkstück wurde nun einer Wärmebehandlung wie folgt unter­worfen:
- Erwärmen unter Argonatmosphäre bis auf 1180 °C
- Lösungsglühen bei 1180 °C während 2 1/2 h
- Abkühlen bis auf 640 °C mit einer Geschwindig­keit von 0,5 °C/min
- Abkühlen bis auf Raumtemperatur an Luft

[0018] Nach dieser Behandlung stellten sich die mechanischen Eigen­schaften wie folgt (Werte bei Raumtepmeratur in langer Quer­richtung der Kristallite):
- Streckgrenze (0,2 %)      930 MPa
- Zugfestigkeit      1147 MPa
- Dehnung      4,30 %

Ausführungsbeispiel 2:

[0019] Siehe Kurve 2 der Figur!

[0020] Aus der Nickelbasislegierung MA 6000 mit der Zusammensetzung gemäss Beispiel 1 wurde eine Gasturbinenschaufel mit folgenden Massen des Schaufelblattes (Tragflügelprofil) herausgearbeitet:
Höhe = 160 mm
Breite = 40 mm
max. Dicke = 8 mm
Profilhöhe = 13 mm

[0021] Das Ausgangsmaterial hatte beim Hersteller folgende thermo­mechanischen und thermischen Behandlungen durchgemacht:
- Warmstrangpressen
- Zonenglühen auf längliches Grobkorn bei 1270 °C

[0022] Die mechanischen Eigenschaften des in Form von langgestreckten Kristalliten vorliegenden Materials im Anlieferungszustand wurden wie folgt bestimmt (Werte bei Raumtemperatur):

In Längsrichtung der Kristallite:

- Streckgrenze      (0,2 %) 1186 MPa
- Zugfestigkeit      1210 MPa
- Dehnung      1,37 %

In Querrichtung der Kristallite:

- Streckgrenze (0,2 %) 1228 MPa
- Zugfestigkeit      1232 MPa
- Dehnung      0,33 %

[0023] Das Werkstück wurde nun einer Wärmebehandlung wie folgt unter­worfen:
- Erwärmen unter Argonatmosphäre bis auf 1260 °C
- Lösungsglühen bei 1260 °C während 1 h
- Abkühlen bis auf 600 °C mit einer Geschwindig­keit von 0,5 °C/min
- Abkühlen bis auf Raumtemperatur an Luft

[0024] Nach dieser Behandlung stellten sich die mechanischen Eigen­schaften wie folgt (Werte bei Raumtemperatur):

In Längsrichtung der Kristallite:

- Streckgrenze (0,2 %)      1028 MPa
- Zugfestigkeit      1200 MPa
- Dehnung      5,37 %

In Querrichtung der Kristallite:

- Streckgrenze (0,2 %)      1038 MPa
- Zugfestigkeit      1165 MPa
- Dehnung      1,97 %

Ausführungsbeispiel 3:

Siehe Kurve 3 der Figur!

[0025] Aus einer oxyddispersionsgehärteten Nickelbasislegierung wurde eine prismatische Probe von 120 mm Länge, 40 mm Breite und 10 mm Dicke herausgearbeitet. Der Werkstoff hatte die nach­folgende Zusammensetzung:
Cr = 19,6 Gew.-%
W = 3,6 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
Al = 6,0 Gew.-%
Fe = 1,4 Gew.-%
C = 0,04 Gew.-%
B = 0,017 Gew.-%
Zr = 0,12 Gew.-%
Y₂O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest

[0026] Das Ausgangsmaterial hatte beim Hersteller folgende thermo­mechanischen und thermischen Behandlungen durchgemacht:
- Warmstrangpressen
- Zonenglühen auf längliches Grobkorn bei 1260 °C
- Glühen bei 1230 °C/1/2 h, Luftabkühlung
- Glühen bei 955 °C/2 h, Luftabkühlung
- Glühen bei 845 °C/24 h, Luftabkühlung

[0027] Die mechanischen Eigenschaften des in Form von langgestreckten Kristalliten vorliegenden Materials im Anlieferungszustand wurden wie folgt bestimmt (Werte bei Raumtemperatur in Quer­richtung der Kristallite):
- Streckgrenze (0,2 %)      1316 MPa
- Zugfestigkeit      1348 MPa
- Dehnung      0,41 %

[0028] Das Werkstück wurde nun einer Wärmebehandlung wie folgt unter­zogen:
- Erwärmen unter Argonatmosphäre bis auf 1260 °C
- Lösungsglühen bei 1260 °C während 1 h
- Abkühlen bis auf 700 °C mit einer Geschwindig­keit von 0,4 °C/min
- Abkühlen bis auf Raumtemperatur an Luft

[0029] Nach dieser Behandlung stellten sich die mechanischen Eigen­schaften wie folgt (Werte bei Raumtemperatur in Querrichtung der Kristallite):
- Streckgrenze (0,2 %)      1095 MPa
- Zugfestigkeit      1221 MPa
- Dehnung      1,29 %

[0030] Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Lösungsglühtemperatur für diese Art oxyddispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierungen kann innerhalb der Grenzen von T₂ (1160 °C) und T₁ (1280 °C) gewählt werden. Die Zeitdauer der Lösungsglühung liegt je nach Werkstück und betrieblichen Erfordernissen vorzugsweise zwischen 1/2 h und 5 h. Die Abküh­lungsgeschwindigkeit während des Abkühlungsprozesses nach der Lösungsglühung kann innerhalb der Grenzen von 5 °C/min und 0,1 °C/min gewählt werden. Bevorzugt werden ca. 0,5 °C/min. Die untere Temperatur T₃, bis zu welcher die Wärmebehandlung mit definierter Abkühlungsgeschwindigkeit durchgeführt werden soll, kann frei zwischen den Grenzen von 500 und 700 °C gewählt werden.

[0031] Aus den Beispielen geht hervor, dass die im Zugversuch bei Raumtemperatur festgestellte Dehnung am fertigen Werkstück in der Längsrichtung der Stengelkristallite bis ca. auf das Doppelte, in der langen Querrichtung durchschnittlich bis auf das Fünffache gesteigert werden konnte. Weitere Versuche zeigten, dass damit auch eine namhafte Steigerung der Duktili­tät verbunden ist.

Ansprüche

1. Verfahren zur Erhöhung der Duktilität eines in groben längs­gerichteten stengelförmigen Kristalliten vorliegenden Wer­stücks aus einer oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-­Superlegerung bei Raumtemperatur, wobei das Werkstück pulvermetallurgisch hergestellt, stranggepresst oder ge­schmiedet oder heissisostatisch gepresst und anschlies­send zonengeglüht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück nach dem Zonenglühen unter Argonatmosphäre während 1/2 bis 5 h einer Lösungsglühung bei einer Temperatur zwi­schen 1160 und 1280 °C unterworfen und anschliessend mit einer Geschwindigkeit zwischen 0,1 °C/min und 5 °C/min bis auf eine Temperatur von 500 bis 700 °C abgekühlt und daraufhin in Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück aus einem Werkstoff der nachfolgenden Zusammen­setzung

Cr = 15 Gew.-%
W = 4,0 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
Al = 4,5 Gew.-%
Ti = 2,5 Gew.-%
Ta = 2,0 Gew.-%
C = 0,05 Gew.-%
B = 0,01 Gew.-%
Zr = 0,15 Gew.-%
Y₂O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest

besteht, und dass das Werkstück unter Argonatmosphäre während 1 h einer Lösungsglühung bei einer Temperatur von 1260 °C unterworfen und anschliessend mit einer Geschwindigkeit von 0,5 °C/min bis auf eine Temperatur von 500 bis 700 °C abgekühlt und daraufhin in Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück aus einem Werkstoff der nachfolgenden Zusammen­setzung

Cr = 15 Gew.-%
W = 4,0 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
Al = 4,5 Gew.-%
Ti = 2,5 Gew.-%
Ta = 2,0 Gew.-%
C = 0,05 Gew.-%
B = 0,01 Gew.-%
Zr = 0,15 Gew.-%
Y₂O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest

besteht, und dass das Werkstück unter Argonatmosphäre während 2 1/2 h einer Lösungsglühung bei einer Temperatur von 1180 °C unterworfen und anschliessend mit einer Geschwindigkeit von 0,5 °C/min bis auf eine Temperatur von 500 bis 700 °C abgekühlt und daraufhin in Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück aus einem Werkstoff der nachfolgenden Zusammen­setzung

Cr = 19,6 Gew.-%
W = 3,6 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
Al = 6,0 Gew.-%

Fe = 1,4 Gew.-%
C = 0,04 Gew.-%
B = 0,017 Gew.-%
Zr = 0,12 Gew.-%
Y₂O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest

besteht, und dass das Werkstück unter Argonatmosphäre während 1 h einer Lösungsglühung bei einer Temperatur von 1260 °C unterworfen und anschliessend mit einer Geschwindigkeit von 0,4 °C/min bis auf eine Temperatur von 500 bis 700 °C abgekühlt und daraufhin in Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

Zeichnung