SE461987B - Foerfarande foer vaermebehandling av foeremaal av hoeghaallfasta legeringar foere varmisostatisk pressning - Google Patents

Description

461 987 10 15 20 25 30 35 förhöjda temperaturen gör materialet relativt mjukt och plastiskt och det höga gastrycket bringar inre hålighe- ter att sluta sig. Samtidigt medför homogeniseringen ytterligare ökning av föremålets egenskaper. Genom att varmhållfasta legeringar bibehåller sin styrka upp till utförs ofta HIP-behandling av varmhållfasta legeringar inom 55° C av deras begynnan- de smältningstemperatur. extremt höga temperaturer, I ett försök att minska kostnaderna och vikten på gasturbinmotorer har stora sammansatta gjutstycken av varmhållfasta legeringar valts som ersättning för samman- satta delar som nu framställs genom att bearbeta smidda stycken. En särskilt användbar legering för speciella tillämpningar är känd som Inconel 718 (nominell samman- sättning NI-19Cr-18Fe-5.2Nb-3Mo-O.9Ti-O.6Al-0.050).

Efter att ha löstwmånga gjutningsrelaterade prob- lem och ha framställt synbarligt användbara gjutstycken (men innehållande porositeter), gavs gjutstyckena den vanliga HIP-behandlingen med syfte att reducera porosi- teter och segringar. I följd efter HIP-behandlingen gjor- des försök att svetsreparera gjutstycken. Man mötte svå- righeter vid svetsning av det HIP-behandlade materialet i det att påtagligt svetsstänk uppträdde jämte onormal porositet i svetsen. Det observerades också att en del inre porositet inte hade blivit eliminerad inom vissa om- råden på gjutstycket. Efter en detaljerad undersökning fann man att svårigheterna man mötte var ett resultat av inneslutning av HIP-media vid högt tryck (argongas) i porer som stod i förbindning med ytan antingen direkt eller genom korngränser. Gasinneslutningen uppstod uppen- barligen vid lokal smältning av föremålet uppkommen vid HIP-temperaturen. Gas som hade sugits in i föremålet ge- nom porositet i förbindelse med ytan eller korngränser inneslöts vid återstelnandet av det smälta materialet.

Man fann att denna gasinneslutning uppträdde i områden på gjutstycket som var förenade med långsamma kylnings- förhållanden i gjutningsprocessen och att roten till 10 15 20 25 30 35 461 987 problemet var närvaron av lågsmältande Laves-faser i om- råden på gjutstycket som hade svalnat långsamt. Förelig- gande uppfinning var ett reslutat av upptäckten av detta problem och utvecklandet av en lösning vilken beskrivs i det följande.

US- patenten nr 2 798 827, 3 753 790 och 3 783 032 beskriver användningen av värmebehandlingar vid tempera- turer under eller nära temperaturen för begynnande smält- ning för tidperioder tillräckliga för att tillåta parti- ell homogenisering av lågsmältande områden i föremål av varmhållfasta legeringar, i synnerhet turbinblad vilkas begynnande smältning sammanföll med en riktig värmebe- handling. Inget av dessa patent hänför sig explicit till de Laves-faser man möter i legeringen Inconel 718; inte heller hänför de sig till problemet med gasinneslutning under HIP-behandling av gjutstycken på nickelbas.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Denna uppfinning hänför sig till behandlingen av gjutstycken av varmhåilfasta legeringar för att påtagligt minska lågsmältande faser för att höja temperaturen för begynnande smältning för legeringen så att legeringen kan ges en HIP-behandling utan att undergâ påtaglig begynnan- de smältning och kommer därigenom att bli fri skadliga kvantiteter av inneslutna gaser.

I en föredragen form av uppfinningen är värmebe- handlingen ledsagad före HIP-behandlingen och denna HIP- behandling innefattar exponering vid temperaturer nära eller under temperaturen för begynnande smältning under en tid tillräcklig för att öka temperaturen för begyn- nande smältning till en temperatur över den som användes i HIP-processen. Etappvis temperaturbehandling kan använ- das så att, då temperaturen för begynnande smältning hos föremålet ökar, ökas också värmebehandlingstemperaturen för att minska tiden som behövs för att uppnå ett önskat resultat. Värmebehandlingen kan genomföras före HIP-pro- cessen eller kan utgöra en del av HIP-behandlingsförlop- pet och kan genomföras i HIP-anordningen med eller utan 461 987 10 15 20 25 30 35 anbringande av gastryck.

' En alternativ form av uppfinningen innefattar en värmebehandling av föremålet i en icke oxiderande miljö utan anbringat HIP-tryck under förhållanden som förorsa- kar smältning av faserna med låg smältpunkt emedan dif- fusionshastigheterna ökas påtagligt och tiden som är nöd- vändig för att uppnå det önskade resultatet reduceras på- tagligt.

Det ovan nämnda eller andra syften, kännetecken och fördelar med föreliggande uppfinning blir mer uppen- bara i ljuset av följande detaljerade beskrivning av de föredragna utförandena av denna så som visas i de bifoga- de figurerna.

BESKRIVNING TILL FIGURER Figur 1 är ett mikrofoto av Inconel 718 material i gjutet tillstånd.

Figur 2 är ett mikrofoto av gjutet Inconel 718 material efter att ha exponerats för 11900 C.

Figur 3 och 4 är mikrofoton av gjutet Inconel 718 material efter en HIP-behandling vid 1190° C.

Figur 5 är ett mikrofoto av gjutet Inconel 718 material som behandlats enligt uppfinningen och sedan HIP-behandlats vid 119o° c.

BÄSTA UTFÖRINGSFORM AV UPPFINNINGEN Uppfinningen beskrivs med hänsyn till dess till- lämpning på legeringen Inconel 718 som är vittomfattande använd för framställning av sammansatta gjutstycken för användning vid mediumtemperaturer. Emellertid kommer fackmän att uppskatta att uppfinningen lätt kan användas för tillämpningar på andra legeringar med användning av ingenjörsmässiga rutinkunskaper.

Inconel 718 har en nominell sammansättning av 53Ni-19Cr-18Fe-5.2Nb-3Mo-0.9Ti-O.6Al-0.05C och kan bli HIP-behandlad vid omkring 1190° C i omkring Ä timmar med -ett anbringat argontryck på omkring 103.ü MPa. HIP-tem- peraturen väljes för att vara sådan vid vilken legering- ens flytspänningar är tillräckligt låga för att tillåta 10 15 20 25 30 35 .fä o\ ...å ~o ce ~4 helande av porositet med ett isostatiskt tryck pâ 103.4 MPa. Andra omständigheter (olika legeringar, gastryck, etc) nödvändiggör olika HIB-temperaturer. Fackmän kan lätt modifiera HIP-förhållandena efter behov.

I material av Inconel 718 observeras bildandet av Laves-faser enligt den allmänna formeln (Fe, Cr, Mn, Si)2(Mo, Ti, Nb) när stelningshastigheten är mindre än omkring 550 C per minut. Volymfraktionen Laves är omvänt proportionell mot stelnandet som visas i tabell I. Följd- aktligen finner man Laves_faser i gjutet material av Inconel 718 har resulterat i en långsam kylningshastighet. Laves-fa- i områden där tjocka delar av gjutstycket ser.(Inconel 718) smälter över ett ungefärligt tempera- turområde på 11H9° C - 11770 C, omkring 1U° C - U2° C under vad som behövs för lämplig HIP-behandling av ma- terialet.

Tabell I Stelningshastighet Volymprocent Laves > 55° c/min < 1 17° c/min 5 5.5° c/min 7 Uppfinningen består av värmebehandling av materia- let för att påtagligt homogenisera de lågsmältande faser- na för att antingen eliminera dem eller för att minska deras smälttemperatur till en temperatur över omkring 11900 C (dvs den avsedda HIP-temperaturen). Det är värde- fullt, att, emedan fullständig homogenisering och/eller en ökning är att föredra i temperaturen för begynnande smältning till omkring HIP-temperaturen, behöver det inte vara nödvändigt i alla fall. I synnerhet kan det faststäl- las att en viss mängd (dvs mindre än 1 %) av begynnande smältning kan tolereras. I ett sådant fall kan processen enligt uppfinningen modifieras för att uppnå detta an- vändbara (om än ej perfekta) resultat. Tabell II visar ett antal värmebehandlingar vilka har utvärderats. Dessa värmebehandlingar tillämpades på ett gjutstycke av Inco- nel 718 som innehöll omkring 7 volymprocent av Laves-fas. 461 987 10 15 20 25 30 35 Behandlingarna A och B homogeniserade fullständigt struk- turen och ingen smältning uppträdde vare sig under värme- behandlingen eller under den påföljande HIP-behandlingen (vid 11900 C). Behandlingarna C och D homogeniserade ej fullständigt strukturen fastän mängden uppsmältning som inträffade under påföljande HIP-behandling vid 11900 C reducerades till-en punkt där gasinneslutning förhindras eller reduceras till en icke uppmätbar nivå. Behandlingar- na E och F orsakade en del begynnande smältning under värmebehandlingen och eliminerade eller påtagligt minska- de smältning under den påföljande HIP-behandlingen till en punkt där gasinneslutning förhindras. Emedan andelen segringar med låg smältpunkt varierar mellan olika former av gjutstycken beroende på olikheter i stelningshastighet, varierar även den särskilda behandlingen som behövs för' att eliminera eller påtagligt minska mängden begynnande smältning under påföljande HIP-behandling med design av gjutstycken och aktuell kemisk sammansättning. Behand- lingarna A och B förefaller vara effektiva för gjutstyc- ken som uppvisar den mest allvarliga grad av segring.

Behandlingarna C och D skulle kunna vara effektiva för jsådana gjutstycken där graden av segring är mindre. Be- handlingarna E och F visar behandlingar i vilka tempe- raturen har stegvis ökats under behandlingen. Detta är möjligt på grund av minskningen av Laves-faser och/eller ökningen i temperaturer för begynnande smältning här- stammande från diffusion. För sådana behandlingar som resulterar i begynnande smältning under behandlingen, bör behandlingen inte genomföras i en HIP-anordning (under övertrycksförhållanden) då inneslutning av gas kan upp- komma.

Olika aspekter på mikrostruktur enligt behand- lingarna enligt uppfinningen (och utanför uppfinningen) visas på figurerna. Figur 1 visar mikrostrukturen hos Inconel 718 i gjuten form. De okontinuerliga områdena på figuren är lågsmältande Laves-faser. Figur 2 är ett mikrofoto av materialet enligt figur 1 efter att ha 461 987 TABELL II Värmebehandling av gjuten Inconel 718 före HIP-behandling för att eliminera eller re- ducera begynnande smältning O Behandling A 1149 Behandling B 11330 1149° Behandling c 11u9° Behandling D 11U9° Behandling E 1149° 1177° Behandling F 1133° 1163° ÖOOCDCJCÜOOC) (24 tim) (8 tim) + (16 tim) (8 tim) (16 tim) (2 sim) + 1163° c (2 tim) + (2 tim) (2 tim) + 1149° c (2 tim) + (2 tim) + 117s° c (2 tim) 461 987 8 10 15 20 exponerats vid ett 1190° C, vilket är inom det normala HIP-temperaturomrâdet för Inconel 718. Pâtaglig smält- ning har uppkommit och materialets egenskaper skulle va- ra otillfredsställande som ett resultat av detta. Figur 3 och H visar mikrostrukturella kännetecken på materia- let Inconel 718 efter en HIP-behandling vid 1190° C. I figur 3 kan man se porositet som hänger samman med lokal smältning; denna porositet indikerar att det önskade må- let med HIP-processen inte uppnâddes. Figur 4 visar om- råden som har smält under HIP-förloppet; material som innehåller sådana kännetecken skulle inte vara accepter- bart för användning för gasturbinmotorer. Figur 5 är ett mikrofoto av material behandlat enligt föreliggande upp- finning <1133° c/8 tim plus 1149° c/16 tim) och efter- följande HIP-behandling vid 11330 C. Ingen påvisbar smält- ning föreligger och ingen porositet är synlig.

Fastän uppfinningen har visats och beskrivits med avseende på ett föredraget utförande av denna, skall det förstås av fackmän, att andra olika förändringar och ute- lämningar i helheten och delar därav kan göras inom denna utan att man avlägsnar sig från uppfinningens tanke och omfattning.

Claims (2)

e 461 987 PATENTKRAV

1. Förfarande för värmebehandling av föremål av höghåll- fasta legeringar för varmisostatisk pressning (HIP), innehållande faser som undergår en temperatur för begynnande smältning under temperaturen för den varmisostatiska pressningen, k ä n n e- t e c k n a t därav, att föremålen värmebehandlas under tempera- turen för begynnande smältning hos nämnda faser under en tid som där tillräcklig för att temperaturen för begynnande smältning skall ökas över den temperatur vid vilken den varmisostatiska press- ningen bör utföras.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att värmebehandlingstemperaturen ökas successivt under behandlingen.