Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit verbesserter Schweissbarkeit und/oder mechanischen Bearbeitbarkeit aus einer Legierung

Abstract

 Legierungen nach dem Stand der Technik weisen zur Herstellung eines Bauteils eine nicht ausreichend gute Verarbeitbarkeit auf.
Erfindungsgemäss wird in einem Verfahrenszwischenschritt eine Wärmebehandlung mit dem Bauteil durchgeführt, die die Verarbeitbarkeit verbessert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit verbesserter Schweissbarkeit und/oder mechanischen Bearbeitbarkeit aus einer Legierung gemäss Anspruch 1.

[0002] Die US-PS 5,938,863 offenbart eine Nickelbasis-Superlegierung, die Zusätze von Carbiden aufweist, um das Ermüdungsverhalten zu verbessern.

[0003] Die US-PS 6,120,624 offenbart eine Wärmebehandlung einer Nickelbasis-Superlegierung vor einem Schweissen, um das Entstehen von Rissen bei Wärmebehandlungen nach dem Schweissen zu vermeiden.

[0004] Die US-PS 4,579,602 sowie die US-PS 4,574,015 offenbaren Wärmebehandlungen für gegossene Superlegierungen, um das Schmieden dieser Materialien zu verbessern.

[0005] Aus der US-PS 5,374,319, US-PS 5,106,010 und EP 478374 ist bekannt, bei einem Bauteil die örtlich begrenzte Schweisszone auf Temperaturen über die Alterungstemperatur zu erhitzen. Dies führt zu Spannungen in dem auf unterschiedlichen Temperaturen gehaltenen Bauteil.

[0006] Während der Herstellung eines Bauteils aus einer Legierung muss das Bauteil in verschiedenen Herstellungs-Zwischenschritten bearbeitet werden. Oft weist die Legierung nicht die gewünschten Eigenschaften auf, um sie optimal zu bearbeiten zu können.

[0007] So kann die Legierung relativ spröde sein, wodurch eine mechanische Bearbeitung (Richten, spanende, schleifende Bearbeitung) erschwert wird.
Ebenso müssen oft Risse oder Löcher verschweisst werden, wobei jedoch oft eine schlechte Schweissbarkeit der Legierung vorliegt.

[0008] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, oben genannte Probleme zu überwinden.

[0009] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit verbesserter Schweissbarkeit und/oder mechanischen Bearbeitbarkeit aus einer Legierung gemäss Anspruch 1.

[0010] In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Verfahrensschritte aufgelistet.
Die in den Unteransprüchen aufgeführten Massnahmen können in vorteilhafter Art und Weise miteinander kombiniert werden.

[0011] Es zeigen

Figur 1 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf der Temperatur einer Legierung während eines Herstellungsprozesses, und

Figur 2 verschiedene Mikrostrukturen einer Legierung.

[0012] Die Figur 1 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf der Temperatur einer Legierung während des Herstellungsprozesses.

[0013] Die Legierung ist bspw. durch Ausscheidungen härtbar, wie bspw. eine Nickel- oder Kobaltbasierte Superlegierung. Die Legierung kann zu einem Bauteil aus einem Pulver gesintert oder als Schmelze abgegossen bzw. gerichtet erstarrt gelassen werden. Weitere Herstellungsarten sind denkbar.

[0014] Wenn die Legierung für einen Giessprozess aufgeschmolzen ist, so ist die Temperatur grösser als die Schmelztemperatur T_M (Fig. 1). Die Schmelze wird abgegossen (Bereich cast) und danach mehr oder weniger langsam kontrolliert oder unkontrolliert abgekühlt, so dass die Temperatur unter der Schmelztemperatur liegt.

[0015] Nach dem Giessverfahren folgt bspw. eine Nachverdichtung, insbesondere direkt nach dem Giessprozess, d.h. ohne Abkühlung des Bauteils nach dem Giessen.
Die Nachverdichtung erfolgt beispielsweise durch heissisostatisches Pressen (HIP), (Bereich I, Fig. 1) oder durch Sintern, um Fehler wie z.B. Poren, Lunker,.. zu schliessen.
Die Nachverdichtung kann auch nach anderen Herstellungsschritten erfolgen.

[0016] In diesem Stadium (mit oder ohne Nachverdichtung) werden die Bauteile, die aus dieser Legierung bestehen, mechanisch bearbeitet (bspw. gerichtet oder spanende, schleifende Bearbeitung) und/oder es erfolgen Schweissreparaturen von Fehlern im Bauteil, insbesondere bei Raumtemperatur.

[0017] Oft sind jedoch die Eigenschaften der Legierung des Bauteils den mechanischen Verarbeitungsbedingungen (Schweissbarkeit und mechanische Verarbeitbarkeit) nicht angepasst.

[0018] Durch eine erfindungsgemässe nachfolgende Verbesserungswärmebehandlung, die bspw. zur Vergröberung der Ausscheidungen führt, bspw. durch eine Überalterungswärmebehandlung, die zu einer Überalterung der Struktur der Legierung führt, wird die Mikrostruktur (Gefüge) des Bauteils so verändert, dass die Verarbeitbarkeit der Legierung gegenüber dem unbehandelten Gefüge verbessert wird. Zu den Gefügemerkmalen zählen u.a. die Kristallstruktur, Ausscheidungen und Sekundärphasen.

[0019] Insbesondere kann die beispielhafte Überalterungswärmebehandlung direkt an den Nachverdichtungsprozess, insbesondere in demselben Ofen, oder nach dem Giessen bzw. Sintern angeschlossen werden.
Es findet keine oder nur eine unwesentliche Abkühlung des Bauteils statt (Fig. 1, Übergang Bereich I, II)
Wird der Nachverdichtungsprozess mit einem HIP-Verfahren durchgeführt, so kann der Druck bei der Verbesserungswärmebehandlung bestehen bleiben, langsam abgesenkt oder zurückgenommen werden.

[0020] Die Überalterungswärmebehandlung wird durch Hochheizen auf eine bestimmte Temperatur, ggf. mit einer Haltezeit bei dieser Temperatur, und beispielsweise durch eine geringe Abkühlrate von grösser 1°C bis 5°C pro Minute, insbesondere von 2°C bis 3°C pro Minute, bspw. direkt nach dem Nachverdichtungsprozess erreicht (Bereich II, Fig.1).

[0021] Eine Überalterungswärmebehandlung für IN 738LC, die auch zu einer Vergröberung der Ausscheidungen führt, hat bspw. folgende Parameter:

Aufheizen mit 10°C - 25°C/min (falls notwendig),

Haltetemperatur/-zeit 1180°C + 0°C - 10°C / 3h,

Abkühlen mit 2°C - 3°C/min. bis 950°C, dann Luftabkühlung.

[0022] Durch die Überalterungswärmebehandlung wird eine Überalterung der γ'-Phase bewirkt, wodurch die Duktilität des Grundwerkstoffs wesentlich erhöht wird.

[0023] Durch diese Überalterungswärmebehandlung wird z.B. die Schweissbarkeit der Legierung insbesondere bei Raumtemperatur gegenüber der unbehandelten Legierung verbessert.
Ausserdem wird durch die verbesserte mechanische Duktilität der Legierung gegenüber der unbehandelten Legierung das Bauteil besser richtbar (mechanisch verformbar) und/oder besser spanend oder schleifend bearbeitbar.

[0024] Für den späteren Anwendungsbereich des Bauteils wie z.B. Hochtemperatureinsatz kann das so erzielte Gefüge im Vergleich zu dem Gefüge vor der Wärmebehandlung schlechtere Eigenschaften aufweisen.

[0025] Aufgrund der schlechten Schweissbarkeit und Richtbarkeit wurden bisher hochfeste Nickelsuperlegierungen wie IN939, Rene80 und IN738LC insbesondere für grosse und dünnwandige Bauteile, wie z.B. Brennkammerauskleidungen nicht eingesetzt. Diese Legierungen weisen die γ'-Phase zur Festigkeitssteigerung auf und können nun mit dem erfindungsgemässen Verfahren ohne Einschränkungen bearbeitet und eingesetzt (mit Schweissstellen) werden.
Werkstoff der Wahl war bisher Hastelloy X. Dieser Werkstoff ist besser schweissbar, besitzt jedoch im Vergleich zu den anderen Werkstoffklassen eine beschränkte Hochtemperaturfestigkeit und Richtbarkeit.

[0026] Nach der Überalterungswärmebehandlung werden gegebenenfalls Fehlstellen (Risse, Löcher,....) beispielsweise mittels Mikroplasmapulverauftragsschweissen oder Plasmapulverauftragsschweissen repariert.
Der Einsatz anderer Schweissverfahren wie manuelles Wolfram-Inertgas-Schweissen ist prinzipiell ebenso möglich.
Die beim Schweissen entstandenen Schweissstellen können gegebenenfalls gedengelt (gehämmert) werden, was zur Kaltverfestigung führt, da Druckeigenspannungen induziert werden.
Ebenso können Poren oder sonstige Fehler dadurch reduziert werden oder verschwinden.

[0027] Danach erfolgt beispielsweise ein Kaltrichten des Bauteils in entsprechenden Vorrichtungen zur Korrektur der Geometrie des Bauteils.

[0028] Danach kann mit dem Bauteil bspw. ein Lösungsglühen (1180°C für oben genannte Werkstoffe) mit anschliessender schneller Abkühlung (20° - 40°C pro Minute bis 800°C, dann Luftabkühlung) durchgeführt werden, d.h. schneller als die Abkühlrate bei der Verbesserungswärmebehandlung.
Hierdurch wird die überalterte Struktur wieder "gelöscht", d.h. die groben Ausscheidungen verschwinden zumindest teilweise und das Bauteil erhält seine guten Hochtemperatureigenschaften der Legierung bspw. durch Einstellung einer feindispersen γ'-Struktur zurück (schnelle Abkühlung) .

[0029] Das Gefüge,weist ggf. für den Anwendungsbereich des Bauteils bessere Eigenschaften auf als das Gefüge, das das Bauteil nach der Wärmebehandlung zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit aufwies.

[0030] Während der Überalterungswärmebehandlung bei den Werkstoffen mit der γ'-Phase wird diese γ'-Phase aufgelöst. Wenn die γ'-Phase komplett aufgelöst ist, erfolgt eine langsame Abkühlung wobei die γ'-Phase ausfällt und sich entsprechend vergröbert. Die Vergröberung führt nicht nur zu einem Anstieg in dem mittleren Durchmesser der γ'-Phase, sondern bspw. auch zu einer Spherodisation der γ'-Phase, d.h. sie ist weniger würfelhaft, sondern mehr plättchenförmig ausgeprägt. Eine solche Vergröberung führt zu einer erhöhten Duktilität.
Bei anderen Werkstoffen, die keine γ'-Phase aufweisen, wird eine entsprechende Wärmebehandlung durchgeführt, die die Mikrostruktur so verändert, dass sie die Verarbeitbarkeit des Bauteils, insbesondere bei Raumtemperatur verbessert.

[0031] Das Verfahren zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit der Legierung kann für neu gefertigte Bauteile verwendet werden sowie für Bauteile, die im Einsatz waren (Refurbishment).

[0032] Dabei ist die Vorgehensweise beispielsweise wie folgt.

[0033] Das benutze Bauteil wird gesäubert (Entfernung Oxidations/Korrosionsprodukte) und beispielsweise entschichtet.
Danach erfolgt eine Begutachtung des Bauteils, d.h. die Feststellung von Rissen und Poren.
Es erfolgt dann eine Überalterungswärmebehandlung, an die sich entweder eine Schweissreparatur der Risse und Poren bei Raumtemperatur oder ein Richten des Bauteils anschliesst.
Es erfolgt dann'ggf. ein kaltes Verformen (dengeln oder hämmern) der so erzeugten Schweissstellen.
Anschliessend erfolgt bspw. wieder eine Wärmebehandlung (bspw. Lösungsglühen), um die gewünschte feindisperse y'-Struktur einzustellen.
Gegebenenfalls erfolgt noch eine weitere Nachbehandlung der Schweissstellen, bspw. eine lokale Wärmebehandlung.
Das Lösungsglühen erfolgt bspw. bei derselben Temperatur wie bei der Überalterungswärmebehandlung, jedoch mit schnellerer Abkühlung, um die Vergröberung der γ'-Strukturen zu vermeiden. Es wird dabei so schnell abgekühlt, dass die γ'-Phase nicht vollständig ausgeschieden wird, sondern zumindest zum Teil zwangsgelöst bleibt.
Gegebenenfalls kann ein Auslagern zum Ausscheiden der gewünschten γ'-Struktur (feine blockige Teilchen) erfolgen.

[0034] Beim Schweissen wird insbesondere ein artgleicher Schweisszusatz oder ein Schweisszusatz, der dieselbe Zusammensetzung wie das Bauteil aufweist, verwendet. Artgleich heisst, dass er ungefähr dieselbe Zusammensetzung wie das Bauteil aufweist oder dieselben Hochtemperatureigenschaften wie das Basismaterial aufweist. Dabei weisen bspw. die Bestandteile des Schweisszusatzes dieselben verhältnismässigen Anteile auf wie das Material des Bauteils.
Ggf. kann auf Schweisszusätze verzichtet werden.
Insbesondere sollen weniger hochtemperaturfeste Schweisszusätze vermieden werden.

[0035] Wenn der Schweisszusatz durch Ausscheidungen härtbar ist, d.h. seine Festigkeit kann gesteigert werden, verringert die Schweissstelle kaum oder gar nicht die Festigkeit des Bauteils.
Der Schweisszusatz sollte mindestens einen Volumenanteil von 35% für die Ausscheidungen (bspw. die γ'-Phase) aufweisen.

[0036] Das Dengeln der Schweissstelle nach dem Schweissen unterdrückt die Rissbildung während einer ersten Wärmebehandlung nach dem Schweissen.

[0037] Erst die Kombination der Überalterungswärmebehandlung und das Dengeln ermöglicht ein zumindest artgleiches Schweissen bei Raumtemperatur, um gute und rissfreie Schweissstellen herzustellen.

[0038] Die Überalterungstemperatur von 1180°C für IN939 ist bewusst höher gewählt als aus dem Stand der Technik (1160°C, US-PS 6,120,624) bekannt.

[0039] Für IN738LC sieht eine beispielhafte Wärmebehandlung nach dem Schweissen wie folgt aus:

Aufheizen mit 10°C - 25°C/min,

Haltetemperatur/-zeit 1180°C + 0°C - 10°C / 2h,

Abkühlen mit 20°C - 40°C/min. bis 800°C, dann Luftabkühlung; (Überalterungsstruktur ist aufgelöst)

Aufheizen mit 10°C - 25°C/min,

Haltetemperatur/-zeit 1120°C +/- 10°C / 2h,

Abkühlen mit 20°C - 40°C/min. bis 800°C, dann Luftabkühlung; (Lösungsglühen)

und ggf.
Aufheizen mit 10°C - 25°C/min,
Haltetemperatur/-zeit 845°C +/- 10°C / 24h,
Luftabkühlung ,
(Auslagerungswärmebehandlung).

[0040] Die Figur 2 zeigt verschiedene Mikrostrukturen einer Superlegierung.

[0041] In diesem Beispiel ist die Mikrostruktur der Legierung IN738 gezeigt.

[0042] Figur 2a) zeigt die Legierung mit kubischem primären γ' und feiner sekundärer γ'-Phase, so dass sich eine hochfeste Legierung ergibt, die eine geringe Duktilität aufweist.

[0043] Figur 2b zeigt eine überalterte Mikrostruktur, die eine plättchenförmige γ'-Phase aufweist, jedoch keine sekundären γ'-Phase. Diese Mikrostruktur weist eine gegenüber Figur 2a erhöhte Duktilität auf.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils
aus einer durch Ausscheidungen härtbaren Legierung, wobei in einem Zwischenschritt die mechanische Bearbeitbarkeit und/oder Schweissbarkeit durch eine Verbesserungswärmebehandlung mit dem Bauteil vor dem Schweissen und/oder vor dem mechanischem Bearbeiten verbessert wird,
die die Ausscheidungen vergröbert,
wodurch das Schweissen und/oder die mechanische Bearbeitbarkeit verbessert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Überalterungswärmebehandlung als Verbesserungswärmebehandlung mit dem Bauteil durchgeführt wird,
um die Ausscheidungen zu vergröbern.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Schweissen und/oder der mechanischen Bearbeitung eine weitere Wärmebehandlung durchgeführt wird,
so dass das so eingestellte Gefüge für die Anwendungsbereiche des Bauteils bessere Eigenschaften aufweist als ohne diese Wärmebehandlung.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Schweissen und/oder der mechanischen Bearbeitung eine weitere Wärmebehandlung durchgeführt wird,
die die Vergröberung der Ausscheidungen zumindest teilweise wieder rückgängig macht.

5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Herstellung des Bauteils das Bauteil aus einer Schmelze der Legierung gegossen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil nachverdichtet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil vor der Verbesserungswärmebehandlung nachverdichtet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Bauteil auf eine bestimmte Temperatur hochgeheizt wird, und
dass die Verbesserungswärmebehandlung zumindest teilweise durch ein langsames Abkühlen erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbesserungswärmebehandlung direkt nach der Nachverdichtung erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbesserungswärmebehandlung direkt nach dem Giessen erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nachverdichtung mittels heissisostatischem Pressen durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 8, 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbesserungswärmebehandlung zumindest teilweise während einer Abkühlung mit einer Abkühlrate von 1° bis 3°C /min durchgeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Legierung eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung verwendet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, 5 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung die γ'-Phase aufweist.

15. Verfahren nach Anspruch 1, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
für das Schweissen ein artgleicher Schweisszusatz verwendet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
für das Schweissen ein Schweisszusatz verwendet wird, der dieselbe Zusammensetzung wie die Legierung aufweist.

17. Verfahren nach Anspruch 1, 3, 4, 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
für das Schweissen ein Schweisszusatz verwendet wird, der durch eine Ausscheidung härtbar ist.

18. Verfahren nach Anspruch 1, 3, 4, 15, 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass beim Schweissen eine Schweissstelle entsteht, und dass die zumindest eine Schweissstelle gedengelt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Legierung der Werkstoff IN 738LC oder IN 939 verwendet wird.

20. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Verbesserungswärmebehandlung das Bauteil auf einer Temperatur gehalten wird, und
dass dann eine Abkühlung des Bauteils erfolgt.

21. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 20,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbesserungswärmebehandlung zumindest bei einer Lösungsglühtemperatur der Legierung erfolgt.

22. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 20 oder 21,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Überalterungswärmebehandlung bei 1180°C liegt.

23. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmebehandlung, um die groben Ausscheidungen zumindest teilweise wieder rückgängig zu machen, zumindest teilweise bei einer Lösungsglühtemperatur durchgeführt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 4 oder 23,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmebehandlung, um die groben Ausscheidungen zumindest teilweise wieder rückgängig zu machen, zumindest teilweise beim Abkühlen mit einer Abkühlrate von 20°C bis 40°C pro Minute durchgeführt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Volumenanteil der Ausscheidungen des Schweisszusatzes mindestens 35% beträgt.

Zeichnung