DE3885283T2

DE3885283T2 - METHOD FOR DIFFERENT BORDER HEAT TREATMENT FOR THE PRODUCTION OF WORKPIECES WITH DUAL PROPERTIES.

Info

Publication number: DE3885283T2
Application number: DE3885283T
Authority: DE
Inventors: Wilford Couts
Original assignee: Wyman Gordon Co
Current assignee: Wyman Gordon Co
Priority date: 1987-03-24
Filing date: 1988-03-23
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2008-03-24
Also published as: IL85834A; AU1786288A; WO1988007595A1; EP0365543B1; EP0365543A1; DE3885283D1; AU630332B2

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Wärmebehandlung von Metallen, und sie betrifft im besonderen die Wärmebehandlung von Werkstücken aus einer Superlegierung, bei denen ein Widerspruch zwischen den gewünschten Eigenschaften im mittleren Abschnitt und denen im Randabschnitt besteht.The invention relates generally to the heat treatment of metals, and more particularly to the heat treatment of superalloy workpieces where there is a contradiction between the desired properties in the central portion and those in the peripheral portion.

Auf dem Gebiet der Gasturbinentriebwerke, auf welches die vorliegende Erfindung im besonderem angewendet werden kann, wird die Erreichung der absoluten Triebswerkshöchstleistung oft durch die Eigenschaften der Materialien begrenzt, aus denen die Triebwerke hergestellt werden. Die Kunst und Wissenschaft der Herstellung von Legierungen und der Behandlung von Metallen zur Maximierung der gewünschten Eigenschaften haben ein hohes Maß an Sophistikation erreicht. Diese Fortschritte in der Technik können jedoch vereitelt werden, wenn die Eigenschaften, die maximiert werden müssen, einander widersprechen, d. h., wenn die Maximierung einer Eigenschaft notwendigerweise die Maximierung einer anderen wichtigen Eigenschaft ausschließt. Wenn die einander widersprechenden Eigenschaften an derselben Stelle im Werkstück vorhanden sein müssen, sind ein Kompromiß und gewisse Verluste bei einer oder beiden Eigenschaften fast unvermeidlich.In the field of gas turbine engines, to which the present invention is particularly applicable, the achievement of absolute maximum engine performance is often limited by the properties of the materials from which the engines are made. The art and science of making alloys and treating metals to maximize desired properties have reached a high level of sophistication. However, these advances in technology can be thwarted when the properties that must be maximized are contradictory, i.e., when maximizing one property necessarily precludes maximizing another important property. When the conflicting properties must be present at the same location in the workpiece, compromise and some loss in one or both properties is almost inevitable.

Es gibt jedoch eine Situation, in der ein solcher Kompromiß vermieden werden kann. Das ist dann der Fall, wenn die eine der einander widersprechenden Eigenschaften in einem ersten Abschnitt des Werkstücks und die andere der widersprüchlichen Eigenschaften in einem anderen Abschnitt des Werkstücks vorhanden sein müssen. Theoretisch braucht man das Werkstück nur so zu bearbeiten, daß die Eigenschaften dem jeweiligen Abschnitt entsprechend maximiert werden. In der Praxis gibt es jedoch Probleme, dieses Ergebnis zu erreichen.However, there is one situation where such a compromise can be avoided. This is the case when one of the conflicting properties must be present in a first section of the workpiece and the other of the conflicting properties in another section of the workpiece. In theory, one only needs to machine the workpiece in such a way that the properties are maximized for each section. In practice, however, there are problems in achieving this result.

Ein Fall, in dem die einander widersprechenden Eigenschaften in getrennten Abschnitten des Werkstücks notwendig sind, betrifft die Laufräder von Gasturbinentriebwerken. Im Betrieb sind diese Laufräder Extremen und Zyklen von hoher Temperatur und Kraft ausgesetzt, da sie mit Drehzahlen in der Größenordnung von 10 000 U/min rotieren. In den Umfang des Laufrades sind Luftschaufeln schwalbenschwanzartig eingearbeitet, die radial vom Laufrad vorstehen. Wenn die Turbine mit hoher Drehzahl rotiert, ist die Schwalbenschwanzverbindung zwischen dem Umfang des Laufrads und jeder Schaufel einer extremen Beanspruchung ausgesetzt. Da der Umfang der Teil des Laufrades ist, der den höchsten Temperaturen ausgesetzt ist, wird die Hochtemperatur-Kriechfestigkeit zu einer kritischen Eigenschaft. Ihre Obergrenze in Begriffen von Temperatur und Kraft stellt eine Grenze für den Wirkungsgrad und das Leistungsvermögen der Turbine dar, deren einer Teil das Laufrad ist. Im allgemeinen weist bei den Legierungen, die für diese Anwendung eingesetzt werden, eine grobere Kornstruktur eine höhere Kriechfestigkeit auf als eine feine Kornstruktur.One case where the conflicting properties are required in separate sections of the workpiece concerns the impellers of gas turbine engines. In operation, these impellers are subjected to extremes and cycles of high temperature and force as they rotate at speeds of the order of 10,000 rpm. Air vanes are dovetailed into the circumference of the impeller and project radially from the impeller. When the turbine rotates at high speed, the dovetail joint between the circumference of the impeller and each blade is subjected to extreme stress. Since the periphery is the part of the impeller exposed to the highest temperatures, high temperature creep strength becomes a critical property. Its upper limit in terms of temperature and force sets a limit on the efficiency and performance of the turbine of which the impeller is a part. In general, in the alloys used for this application, a coarser grain structure has a higher creep strength than a finer grain structure.

Das Problem der einander widersprechenden Eigenschaften besteht beim Laufrad darin, daß, während der Umfang verhältnismäßig grobkörnig sein sollte, der mittlere Abschnitt eine verhältnismäßig feinkörnige Struktur haben sollte. Um den Wirkungsgrad und das Leistungsvermögen einer Gasturbine zu maximieren, ist es wünschenswert, die Zugfestigkeit und die Niederzyklus-Ermüdungsbeständigkeit des mittleren Abschnitts von Laufrädern zu maximieren. Das wird durch verhältnismäßig feine Korngrößen erreicht.The problem of conflicting properties in the impeller is that while the periphery should be relatively coarse-grained, the central section should have a relatively fine-grained structure. To maximize gas turbine efficiency and performance, it is desirable to maximize the tensile strength and low-cycle fatigue resistance of the central section of impellers. This is achieved by using relatively fine grain sizes.

Das Problem der einander widersprechenden Eigenschaften bei Laufrädern von Garturbinen wird oft noch durch die Tatsache kompliziert, daß bei Hochleistungsturbinen aufgrund der folgen, die ein Versagen des Laufrads mit sich bringt, die Zuverlässigkeit gegen 100% gehen muß. Eine zerstörende Prüfung ist undurchführbar, aber die zerstörungsfreie Prüfung ist oft nicht ausreichend, um Mängel aufzuzeigen. Folglich muß man sich bei der Herstellung der Laufräder von Turbinen in der Praxis oft auf die konsistente Vorhersagbarkeit der Ergebnisse der Fertigung stützen. Das heißt, daß nicht nur das Ergebnis der Fertigung schon an sich vorhersagbar sein muß, sondern daß es auch möglich sein muß, den Vorgang wirksam zu überwachen, um sicherzustellen, daß er in Obereinstimmung mit den Spezifikationen ausgeführt wird.The problem of conflicting characteristics in turbine impellers is often further complicated by the fact that in high-performance turbines, reliability must approach 100% due to the consequences of impeller failure. Destructive testing is impractical, but non-destructive testing is often insufficient to reveal defects. Consequently, in practice, the manufacture of turbine impellers often has to rely on consistent predictability of the results of the manufacturing process. This means that not only must the result of the manufacturing process itself be predictable, but it must also be possible to effectively monitor the process to ensure that it is carried out in accordance with the specifications.

Was das Problem der Laufräder von Turbinen betrifft, könnten verschiedene Lösungswege in Betracht gezogen werden. Erstens könnte das Laufrad in zwei Stücken gefertigt werden, einem inneren Ring und einem äußeren Ring. Jeder könnte den eigenen Eigenschaften entsprechend bearbeitet werden. Dann könnten die Ringe durch Schweißen oder Diffusionsverbinden miteinander verbunden werden. Sowohl beim Schweißen als auch beim Diffusionsverbinden aber treten schwerwiegende Probleme in der Vorhersagbarkeit auf, und beide Verfahren können zu unerwünschten Veränderungen in den Eigenschaften der Werkstücke führen.Regarding the problem of turbine impellers, several solutions could be considered. Firstly, the impeller could be made in two pieces, an inner ring and an outer ring. Each could be machined according to its own characteristics. Then the rings could be joined together by welding or diffusion bonding. However, both welding and diffusion bonding have serious problems in the predictability, and both processes can lead to undesirable changes in the properties of the workpieces.

Zweitens wäre es möglich, das ganze Laufrad einer Wärmebehandlung zu unterziehen, um den groben Kornzustand herbeizuführen, und dann den mittleren Abschnitt zu schmieden, um die Korngröße zu verringern und eine Kaltverfestigung zu bewirken. Bei diesem Lösungsweg könnten Probleme mit der Vorhersagbarkeit auftreten, es wäre sehr schwierig, ihn effektiv auszuführen, und es wäre nur eine schlechte Kontrolle der Natur und der Lage der Grenzfläche zwischen den beiden Abschnitten gegeben. Außerdem wäre die Werkzeugausrüstung, die für die Ausführung des Verfahrens gebraucht wird, nur mit hohem Kostenaufwand zu entwickeln und wäre auf ein spezifisches Werkstück und einen spezifischen Satz von Eigenschaften beschränkt, d. h., sie wäre unflexibel.Secondly, it would be possible to heat treat the entire impeller to induce the coarse grain condition and then forge the middle section to reduce the grain size and cause work hardening. This approach could have problems with predictability, would be very difficult to carry out effectively and would have poor control over the nature and location of the interface between the two sections. In addition, the tooling needed to carry out the process would be expensive to develop and would be limited to a specific workpiece and set of properties, i.e. it would be inflexible.

Drittens wäre es möglich, das ganze Laufrad so zu behandeln, daß eine feinkörnige Struktur gebildet wird, und dann den Umfang zu erhitzen, um das Korn durch induktive Wärmebehandlung zu vergröbern. GB-A-1 333 354 beschreibt eine Methode der Wärmebehandlung von integralen Laufrad-/Schaufelkomponenten, die aus aushärtbaren Legierungen hergestellt wurden, bei welcher die induktive Wärmebehandlung nur an den Schaufeln vorgenommen wird. Es wurde jedoch festgestellt, daß die induktive Wärmebehandlung eine sehr unpräzise Methode der Erhitzung eines bestimmten Abschnitts eines Laufrades sein kann und nicht immer in ausreichender Weise kontrolliert werden kann, um sowohl hinsichtlich der Korngröße als auch der Natur und Lage der Grenzfläche reproduzierbare Ergebnisse zu erbringen. Es bestehen daher Vorbehalte gegen die Anwendung einer solchen lokalisierten Erhitzung für diesen Zweck.Thirdly, it would be possible to treat the whole impeller to form a fine grained structure and then heat the periphery to coarsen the grain by inductive heat treatment. GB-A-1 333 354 describes a method of heat treating integral impeller/blade components made from age hardenable alloys in which the inductive heat treatment is carried out only on the blades. However, it has been found that inductive heat treatment can be a very imprecise method of heating a specific section of an impeller and cannot always be sufficiently controlled to give reproducible results both in terms of grain size and the nature and location of the interface. There are therefore reservations about using such localised heating for this purpose.

Ein Ziel dieser Erfindung ist die Schaffung einer Methode der Wärmebehandlung, die präzise vorhersagbare Ergebnisse erbringen kann.An object of this invention is to provide a method of heat treatment that can produce precise, predictable results.

Vorliegende Erfindung vermittelt eine Methode der Wärmebehandlung einer Vielzahl von Metallwerkstücken, um jeweils ein Werkstück mit einem mittleren Abschnitt und einem Randabschnitt, welche einen unterschiedlichen metallurgischen Zustand aufweisen, und einer ringförmig einheitlichen Grenzfläche zwischen diesen Abschnitten zu schaffen, wobei diese Methode an einem Werkstück ausgeführt wird, bei welchem jeder Abschnitt einen gegebenen metallurgischen Anfangszustand aufweist, wobei die Methode besteht aus: (a) dem partiellen Eintauchen des Werkstücks in ein Salzschmelzebad mit einer einheitlichen Temperatur nahe einer klar definierten Oberfläche; (b) der Steuerung der Höhe und des Winkels einer Rotationsachse des Werkstücks im Verhältnis zur Oberfläche des Salzbades und (c) der Rotation des Werkstücks um die Achse, um den Wärmekontakt zwischen dem Salzbad und der Außenfläche eines Randabschnitts des Werkstücks bei einer Geschwindigkeit und über eine Zeitdauer herbeizuführen, welche bewirken, daß der Randabschnitt einen vorgegebenen metallurgischen Zustand aufweist, der sich von dem eines mittleren Abschnitts des Werkstücks unterscheidet.The present invention provides a method of heat treating a plurality of metal workpieces to provide a workpiece each having a central portion and a peripheral portion having a different metallurgical state and an annular uniform interface between these portions, which method is carried out on a workpiece in which each portion has a given initial metallurgical condition, the method comprising: (a) partially immersing the workpiece in a molten salt bath having a uniform temperature near a clearly defined surface; (b) controlling the height and angle of an axis of rotation of the workpiece relative to the surface of the salt bath, and (c) rotating the workpiece about the axis to bring about thermal contact between the salt bath and the outer surface of an edge portion of the workpiece at a rate and for a period of time which cause the edge portion to have a predetermined metallurgical condition which is different from that of a central portion of the workpiece.

Die Erfindung sieht auch eine Apparatur zur Wärmebehandlung einer Vielzahl von scheibenförmigen Werkstücken vor, die besteht aus: (a) einem Salzschmelzebad mit einer einheitlichen Temperatur nahe einer klar definierten Oberfläche; (b) einem gesteuerten Höhenverstellungsmitnehmer zur Aufnahme jedes Werkstücks zur Rotation um eine Achse, zur Einstellung der Ausrichtung der Achse und zur Bewegung des Umfangs des Werkstücks in das und aus dem Salzschmelzebad; (c) einem gesteuerten Rotationsmitnehmer zur Rotation des Werkstücks um die Achse, während dieses durch den Höhenverstellungsmitnehmer gehalten wird, und (d) einem Temperatursensor und einem Temperaturregler für das Salzschmelzebad.The invention also provides an apparatus for heat treating a plurality of disk-shaped workpieces comprising: (a) a molten salt bath having a uniform temperature near a clearly defined surface; (b) a controlled height adjustment driver for receiving each workpiece for rotation about an axis, adjusting the orientation of the axis and moving the circumference of the workpiece into and out of the molten salt bath; (c) a controlled rotation driver for rotating the workpiece about the axis while held by the height adjustment driver, and (d) a temperature sensor and a temperature controller for the molten salt bath.

Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von Werkstücken aus Metallegierungen mit dualen Eigenschaften, insbesondere von Werkstücken mit peripher einheitlichen dualen Eigenschaften und ganz speziell von Werkstücken mit ringförmig einheitlichen dualen Eigenschaften. Ein Werkstück mit dualen Eigenschaften ist ein Werkstück mit einem ersten Abschnitt, der einen ersten Satz von Eigenschaften aufweist, und einem zweiten Abschnitt, der wenigstens eine unterschiedliche Eigenschaft aufweist. Ein Werkstück mit dualen Eigenschaften ist peripher einheitlich, wenn sich der zweite Abschnitt im allgemeinen um den gesamten Umfang des Werkstücks erstreckt. Ein Werkstück mit dualen Eigenschaften ist ringförmig einheitlich, wenn die Grenzfläche zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt im wesentlichen eine Rotationsfläche um eine Umdrehungsachse ist, die durch den ersten Abschnitt führt.The invention enables the manufacture of workpieces from metal alloys with dual properties, in particular workpieces with peripherally uniform dual properties and more particularly workpieces with annularly uniform dual properties. A workpiece with dual properties is a workpiece with a first portion having a first set of properties and a second portion having at least one different property. A workpiece with dual properties is peripherally uniform if the second portion extends generally around the entire circumference of the workpiece. A workpiece with dual properties is annularly uniform if the interface between the first portion and the second portion is essentially a surface of revolution about an axis of revolution passing through the first portion.

Die Methode dieser Erfindung kann auf Metallegierungen angewendet werden, bei denen die Mikrostruktur und/oder die Eigenschaften durch Wärme umgewandelt werden können, nachstehend als wärmetransformierbare Legierungen bezeichnet. Die Methode ist besonders nützlich bei der Anwendung auf Metallegierungen, in denen eine feine Korngröße durch Wärme auf eine Gleichgewichtskorngröße erhöht wird, die eine Funktion der Temperatur ist, nachstehend als Legierungen mit einer durch Wärme erzeugten Grobkornstruktur bezeichnet. Die Erfindung wird vorzugsweise auf Superlegierungen, insbesondere auf Superlegierungen auf Nickelbasis und ganz speziell auf eine unter der Bezeichnung Af2-1DA-6 bekannte Superlegierung auf Nickelbasis, angewendet. Die Methode findet auch spezielle Anwendung bei Titanlegierungen und insbesondere bei Eigenschaften, die durch Wärmebehandlung über oder unter dem Beta-Transus- Wert dieser Legierungen beeinflußt werden.The method of this invention can be applied to metal alloys in which the microstructure and/or properties can be transformed by heat, hereinafter referred to as heat transformable alloys. The method is particularly useful when applied to metal alloys in which a fine grain size is increased by heat to an equilibrium grain size which is a function of temperature, hereinafter referred to as alloys with a heat induced coarse grain structure. The invention is preferably applied to superalloys, particularly nickel-based superalloys and more specifically to a nickel-based superalloy known as Af2-1DA-6. The method also has particular application to titanium alloys and particularly to properties which are affected by heat treatment above or below the beta-transus value of these alloys.

Die Methode kann das Eintauchen des Rings eines scheibenförmigen Werkstücks in ein Salzschmelzebad über eine ausreichende Zeitspanne, um eine Transformation im eingetauchten Abschnitt des Werkstücks zu bewirken, und dann die kontinuierliche oder schrittweise Rotation des Werkstücks einschließen, um die Transformation um den Umfang des Werkstücks, nicht aber im mittleren Abschnitt des Werkstücks zu bewirken. Zu den Parametern gehören Metallurgie und Geometrie des Werkstücks, Rotationsgeschwindigkeit und schrittweise Bewegung, Höhe und Winkel der Rotationsachse im Verhältnis zur Salzoberfläche (und damit die Kontaktgeometrie) und die Temperatur des Salzes.The method may include immersing the ring of a disk-shaped workpiece in a molten salt bath for a period of time sufficient to cause transformation in the immersed portion of the workpiece and then continuously or stepwise rotating the workpiece to cause transformation around the circumference of the workpiece but not in the central portion of the workpiece. Parameters include metallurgy and geometry of the workpiece, speed of rotation and stepwise motion, height and angle of the axis of rotation relative to the salt surface (and hence contact geometry) and temperature of the salt.

Die Erfindung wird weiter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denenThe invention is further described with reference to the accompanying drawings, in which

Fig. 1 ein Werkstück mit dualen Eigenschaften zeigt undFig. 1 shows a workpiece with dual properties and

Fig. 2 eine schematische, teilweise im Schnitt gezeigte Vorderansicht einer Apparatur zur Wärmebehandlung des Werkstücks ist.Fig. 2 is a schematic, partially sectioned, front view of an apparatus for heat treating the workpiece.

Preferred embodiments

Der Charakter dieser Erfindung kann am besten anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels verdeutlicht werden. Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Ansicht eines Werkstücks 10, bei dem die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwirklicht sind. Das Werkstück ist die Vorform eines Turbinenlaufrades, das mit Ausnahme eines schwalbenschwanzförmigen Zapfenlochs 12, das den Schwalbenschwanzzapfen 13 einer Turbinenschaufel 14 trägt, symmetrisch um eine Achse 11. Das Werkstück 10 hat eine Mittelbohrung 15.The nature of this invention can best be illustrated by a specific embodiment. Fig. 1 shows a simplified view of a workpiece 10 in which the principles of the present invention are implemented. The workpiece is the preform of a turbine impeller which, with the exception of a dovetail-shaped pin hole 12 which carries the dovetail pin 13 of a turbine blade 14, is symmetrical about an axis 11. The workpiece 10 has a central bore 15.

Dieses Werkstück ist optimiert, wenn der mittlere Abschnitt 16 und der Randabschnitt 17, die durch eine vorgestellte Grenzfläche 18, welche durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, getrennt sind, eine unterschiedliche Korngröße und damit unterschiedliche Eigenschaften haben. Die Grenzfläche wäre normalerweise im wesentlichen eine Rotationsfläche um die Achse 11. Wenn das Werkstück 10 bis zur gestrichelten Linie 19 in ein fluid eingetaucht würde, würde ein Segment 20 definiert, dessen Außenfläche das fluid berühren würde.This workpiece is optimized when the central section 16 and the edge section 17, which are separated by an imaginary interface 18, which is shown by a dashed line, have a different grain size and thus different properties. The interface would normally be essentially a surface of revolution about the axis 11. If the workpiece 10 were immersed in a fluid up to the dashed line 19, a segment 20 would be defined, the outer surface of which would touch the fluid.

Fig. 2 zeigt die schematische Ansicht einer Ausrüstung, mit der die vorliegende Erfindung ausgeführt werden kann. Neben dem scheibenförmigen Werkstück 21 besteht die Ausrüstung aus zwei hauptsächlichen Untersystemen. Das erste Untersystem ist ein gerührtes Salzbad 22. Das zweite Untersystem ist der Werkstückmanipulator 23.Fig. 2 shows the schematic view of an equipment with which the present invention can be carried out. Besides the disk-shaped workpiece 21, the equipment consists of two main subsystems. The first subsystem is a stirred salt bath 22. The second subsystem is the workpiece manipulator 23.

Das Untersystem Salzbad 22 besteht aus einem Tank 24, einer Masse der Salzschmelze 25, die so gewählt wird, daß sie für die jeweilige Temperatur geeignet ist, dem das Werkstück ausgesetzt werden soll, und einem kraftgetriebenen Rührwerk 26. Das Rührwerk bringt die Salzschmelze so zur Zirkulation, daß die Salzmasse eine relativ einheitliche Temperatur behält. Obwohl das gerührte Salzbad bevorzugt wird, kann auch die natürliche Konvektion genutzt werden, wenn damit befriedigende Ergebnisse erzielt werden.The salt bath subsystem 22 consists of a tank 24, a mass of molten salt 25 selected to be suitable for the particular temperature to which the workpiece is to be exposed, and a powered agitator 26. The agitator circulates the molten salt so that the salt mass maintains a relatively uniform temperature. Although the stirred salt bath is preferred, natural convection may also be used if satisfactory results are obtained.

Der Tank 24 ist von Heizelementen 27 umgeben, die von einem Temperaturregler 28 gesteuert werden. Der Regler 28 spricht auf einen Temperatursensor 29 an, der die Temperatur des Salzbades 25 überwachen kann.The tank 24 is surrounded by heating elements 27 which are controlled by a temperature controller 28. The controller 28 responds to a temperature sensor 29 which can monitor the temperature of the salt bath 25.

Zum Werkstückmanipulator 23 gehört ein Werkstückhalter 31, der das Werkstück halten kann. Zum Werkstückmanipulator 23 gehört auch ein Sockel 32, der die mechanischen Elemente des Werkstückmanipulators 23 trägt.The workpiece manipulator 23 includes a workpiece holder 31 that can hold the workpiece. The workpiece manipulator 23 also includes a base 32 that carries the mechanical elements of the workpiece manipulator 23.

Zwischen dem Werkstückhalter 31 und dem Sockel 32 befinden sich drei Mitnehmer, welche die Ausrichtung des Werkstücks im Verhältnis zum Salzbad steuern. Der erste Mitnehmer ist der Höhenverstellungsmitnehmer 33, der die Höhe des Werkstücks im Verhältnis zur Oberfläche des Salzbades steuert. Der zweite Mitnehmer ist der Rotationsmitnehmer, der das Werkstück dreht. Der dritte Mitnehmer ist der Schrägstellungsmitnehmer 35, der die Rotationsachse des Werkstücks im Verhältnis zur Oberfläche des Salzbades schrägstellen kann. Alle drei Mitnehmer werden durch den programmierbaren Manipulatorregler 36 gesteuert.Between the workpiece holder 31 and the base 32 there are three Drivers that control the orientation of the workpiece in relation to the salt bath. The first driver is the height adjustment driver 33, which controls the height of the workpiece in relation to the surface of the salt bath. The second driver is the rotation driver, which rotates the workpiece. The third driver is the inclination driver 35, which can incline the rotation axis of the workpiece in relation to the surface of the salt bath. All three drivers are controlled by the programmable manipulator controller 36.

Der Werkstückmanipulator 23 weist auch drei Sensoren auf. Der Rotationssensor 37 mißt die Rotation des Werkstücks. Der Höhensensor 38 mißt die Höhe des Werkstücks über der Oberfläche des Salzbades und die Ausrichtung der Rotationsachse im Verhältnis zur Oberfläche des Salzbades. Der Temperatursensor 39 mißt die Temperatur des Salzbades. Alle drei Sensoren werden durch den Meßwertschreiber 41 überwacht, der eine permanente Aufzeichnung der Sensor-Meßwerte erstellt. Sowohl der Manipulatorregler 36 als auch der Meßwertschreiber 41 werden durch das Managementmittel 42 überwacht.The workpiece manipulator 23 also has three sensors. The rotation sensor 37 measures the rotation of the workpiece. The height sensor 38 measures the height of the workpiece above the surface of the salt bath and the orientation of the axis of rotation relative to the surface of the salt bath. The temperature sensor 39 measures the temperature of the salt bath. All three sensors are monitored by the data logger 41, which creates a permanent record of the sensor readings. Both the manipulator controller 36 and the data logger 41 are monitored by the management means 42.

Beim Betrieb würde das Salzbad auf die berechnete Temperatur gebracht, und das Managementmittel 42 würde den Regler 36 veranlassen, den Höhenverstellungsmitnehmer 33 zu veranlassen, das Werkstück auf eine festgelegte Ebene in das Salzbad abzusenken. Wenn eine Neigung der Achse erwünscht wäre, würde der Schrägstellungsmitnehmer 35 die Rotationsachse im Verhältnis zum Salzbad abstimmen. Zur festgelegten Zykluszeit würde der Rotationsmitnehmer 34 die Rotation des Werkstücks bewirken. Wenn die Bearbeitung abgeschlossen wäre, würde der Höhenverstellungsmitnehmer 33 das Werkstück aus dem Salzbad herausheben. Während all dieser Vorgänge würde der Meßwertschreiber 41 die Sensoren überwachen und eine ständige Aufzeichnung der tatsächlich bei der Bearbeitung ausgeführten Behandlung vornehmen. Aufgrund der Vorhersagbarkeit der Bearbeitung und aufgrund der kontinuierlichen Überwachung der Systemparameter kann eine Gütesicherung ohne zerstörende Prüfung erreicht werden.In operation, the salt bath would be brought to the calculated temperature and the management means 42 would cause the controller 36 to cause the elevation driver 33 to lower the workpiece into the salt bath to a specified level. If tilting of the axis was desired, the inclination driver 35 would adjust the axis of rotation relative to the salt bath. At the specified cycle time, the rotation driver 34 would cause the workpiece to rotate. When the machining was complete, the elevation driver 33 would lift the workpiece out of the salt bath. During all of these operations, the data logger 41 would monitor the sensors and keep a constant record of the actual treatment performed during the machining. Due to the predictability of the machining and the continuous monitoring of the system parameters, quality assurance can be achieved without destructive testing.

Obwohl die obige Beschreibung ein vollautomatisiertes Ausführungsbeispiel betrifft, ist im Rahmen dieser Erfindung auch ein halbautomatisiertes Verfahren vorgesehen.Although the above description relates to a fully automated embodiment, a semi-automated method is also provided within the scope of this invention.

Ein erster Versuch zur Nutzung der Anwendung des gerührten Salzschmelzebad wurde ohne Rotation des Werkstücks an einem Stab mit 10 cm (4 Zoll) Durchmesser aus einer Superlegierung auf Nickelbasis mit der Bezeichnung Af2-1DA durchgeführt, welcher aus Pulver fließgepreßt wurde. Aus dem Stab wurde drei 25 mm (1 Zoll) starke Scheiben geschnitten und als #13, #14 und #15 gekennzeichnet. Die Scheiben wurden ohne Rotation für die Dauer von 3 Minuten, 10 Minuten bzw. 30 Minuten in ein gerührtes Salzbad mit einer Temperatur von 1218º C (2225º F) bis zu einer Tiefe von 25 mm (1 Zoll) getaucht.A first test to utilize the stirred molten salt bath application was performed without rotating the workpiece on a 10 cm (4 in.) diameter rod made of a nickel-based superalloy designated Af2-1DA, which was extruded from powder. Three 25 mm (1 in.) thick disks were cut from the rod and labeled #13, #14, and #15. The disks were immersed without rotating in a stirred salt bath at 1218º C (2225º F) to a depth of 25 mm (1 in.).

Die Scheiben wiesen mit zunehmender Verweilzeit im Bad ein fortschreitend groberes Korn auf. Scheibe #15 wies ein groberes Korn an der Oberfläche auf, das der Oberfläche im Kontakt mit dem Salz entspricht. Im Körper der Scheibe #15 war eine klar definierte Grenzfläche zwischen dem feinen und dem groben Korn als gekrümmte fläche vorhanden, die einen dünnsten groben Abschnitt in der Mitte der Scheibe (d. h., die Grenzfläche ist konkav, wenn sie von der Achse der Scheibe her gesehen wird), etwa 13 mm (0,5 Zoll) von der Außenkante der Scheibe hat. Dieser Versuch bewies, daß die Methode eine grobere Kornstruktur in einem bestimmten Abschnitt der Scheibe bewirken konnte, welcher durch eine klar definierte Grenzfläche zwischen feinem und groben Korn begrenzt war.The disks exhibited progressively coarser grain with increasing time in the bath. Disk #15 exhibited coarser grain on the surface corresponding to the surface in contact with the salt. In the body of disk #15, a clearly defined interface between the fine and coarse grains was present as a curved surface having a thinnest coarse section in the center of the disk (i.e., the interface is concave when viewed from the axis of the disk), approximately 13 mm (0.5 in.) from the outer edge of the disk. This experiment demonstrated that the method could produce a coarser grain structure in a specific section of the disk which was delimited by a clearly defined interface between fine and coarse grains.

Anschließend wurde die Methode mit Rotation des Werkstücks durchgeführt. Die Scheiben wurden so bearbeitet, daß eine feine Kornstruktur entstand. Dann wurden die Scheiben 20 Minuten lang in 1218ºC (2225º F) warmes Salzbad 25 mm (1 Zoll) tief eingetaucht, um 600 gedreht (gewendet) und weitere 20 Minuten im Salzbad gehalten. Dieser Zyklus wurde so lange wiederholt, bis der gesamte Umfang behandelt war. Das Ergebnis war eine verhältnismäßig einheitliche Größenzunahme der Kornstruktur von der Kante etwa 20 mm (0,75 Zoll) nach innen, so daß die Korngröße einem glatten Übergang von ASTM 6 an der Kante, über ASTM 8 bei 13 mm (0,5 Zoll) Tiefe bis zu ASTM 10 bei 38 mm (1,5 Zoll) von der Kante nach innen folgte.The method was then used to rotate the workpiece. The disks were machined to produce a fine grain structure. The disks were then immersed in a 1218ºC (2225ºF) salt bath to a depth of 25 mm (1 in.) for 20 minutes, rotated (inverted) 600 and held in the salt bath for an additional 20 minutes. This cycle was repeated until the entire circumference was treated. The result was a relatively uniform increase in the size of the grain structure from the edge about 20 mm (0.75 in.) inward, so that the grain size followed a smooth transition from ASTM 6 at the edge, through ASTM 8 at 13 mm (0.5 in.) in depth to ASTM 10 at 38 mm (1.5 in.) inward from the edge.

Es wurde festgestellt, daß der Bereich der vorderen Kante jedes eingetauchten Segments eine signifikante Ausfällung an Gamma-Material aufwies. Diese Wirkung, die wahrscheinlich durch unterschiedliche Abkühlungsgeschwindigkeiten längs des Segments verursacht wurde, würde wahrscheinlich durch die Arbeit mit einem kleineren Schrittschaltwinkel, der nach der anfänglichen Eintauchzeit für das erste Segment gegen eine kontinuierliche langsame Rotation geht, unterdrückt.It was found that the leading edge region of each immersed segment showed significant precipitation of gamma material. This effect, probably caused by different cooling rates along the segment, would probably be reduced by operating at a smaller step angle, which, after the initial immersion time for the first segment, goes against a continuous slow rotation, is suppressed.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel würde das Werkstück zur Anwendung der oben behandelten Methode zur Kornvergrößerung eingetaucht und zunächst über eine Verweilzeit, die gleich der Zeit ist, welche die Korngröße innerhalb des Werkstücks braucht, um den gewünschten Gleichgewichtswert für die Temperatur des Salzbades zu erreichen (d. h., über die Gleichgewichtsverweilzeit) stationär gehalten. Dann würde das Werkstück langsam rotiert, so daß die Verweilzeit für jeden Punkt im Randabschnitt des Werkstücks wenigstens gleich der Gleichgewichtsverweilzeit ist.In the preferred embodiment, to apply the grain enlargement technique discussed above, the workpiece would be immersed and first held stationary for a dwell time equal to the time it takes for the grain size within the workpiece to reach the desired equilibrium value for the salt bath temperature (i.e., the equilibrium dwell time). The workpiece would then be slowly rotated so that the dwell time for each point in the edge portion of the workpiece is at least equal to the equilibrium dwell time.

Das obige Rotationsschema ist zwar effektiv, es werden aber auch andere Rotationsschemata in Betracht gezogen. Beispielsweise könnte man das Werkstück sofort drehen, um mit der Erwärmung des gesamten Randes zu beginnen, und dann die Rotation schalten und überlappen, um den Rand am Ende des Zyklusses auf Gleichgewicht zu bringen. Als Alternative dazu könnte man das Werkstück sofort mehrmals schnell drehen, um den Rand gleichmäßig vorzuwärmen, und es dann langsam drehen, um das Gleichgewicht zu erreichen.While the above rotation scheme is effective, other rotation schemes are also being considered. For example, one could immediately rotate the workpiece to begin heating the entire rim, then switch and overlap the rotation to bring the rim to equilibrium at the end of the cycle. Alternatively, one could immediately rotate the workpiece several times quickly to preheat the rim evenly, then slowly rotate it to achieve equilibrium.

Während sich die speziellen Ausführungen oben auf Superlegierungen auf Nickelbasis konzentrieren, ist das Verfahren auch bei der Bearbeitung von Legierungen auf Titanbasis von Nutzen. Beispielsweise können die Eigenschaften eines Werkstücks aus Titanlegierung manchmal durch die Ausführung eines speziellen Schritts der Wärmebehandlung über oder unter dem Beta-Transus-Wert der Legierung bestimmt werden. Wenn man die vorliegende Erfindung auf eine bestimmte Bearbeitungsfolge (Rotieren des Randes durch das Salzbad, um eine Wärmebehandlung über dem Beta-Transus- Wert auszuführen) anwendet, ist es möglich, ein Werkstück mit unterschiedlichen Eigenschaften herzustellen. Genauer formuliert, der Rand hätte Eigenschaften, die durch die Folge bestimmt sind, in welcher die besondere Wärmebehandlung über dem Beta-Transus-Wert ausgeführt wird, während der mittlere oder Axialteil unterschiedliche Eigenschaften hätte, die durch die Sub-Beta-Transus-Behandlung bestimmt sind. Diese Sub-Beta- Transus-"Behandlung" kann faktisch überhaupt keine "Behandlung" (unzureichende Temperatur) sein, wenn die Kühlung über dem Salzbad maximiert wird. Andererseits kann das Verfahren eine effektive Sub-Beta- Transus-Wärmebehandlung des mittleren Abschnitts sein, wenn die Kühlumgebung über dem Salzbad so reguliert wird (z. B. durch Konvektion), daß die Temperatur des mittleren Abschnitts des Werkstücks an einem Punkt gesteuert wird, an dem die Sub-Beta-Transus-Wärmebehandlung erfolgt.While the specific embodiments above focus on nickel-based superalloys, the method is also useful in machining titanium-based alloys. For example, the properties of a titanium alloy workpiece can sometimes be determined by performing a particular heat treatment step above or below the beta-transus value of the alloy. By applying the present invention to a particular machining sequence (rotating the rim through the salt bath to perform a heat treatment above the beta-transus value), it is possible to produce a workpiece with different properties. More specifically, the rim would have properties determined by the sequence in which the particular heat treatment above the beta-transus value is performed, while the central or axial portion would have different properties determined by the sub-beta-transus treatment. This sub-beta-transus "treatment" may in fact be no "treatment" at all (insufficient temperature) if the cooling above the salt bath is maximized. On the other hand, the process can be an effective sub-beta transus heat treatment of the center section if the cooling environment above the salt bath is regulated (e.g., by convection) to control the temperature of the center section of the workpiece at a point where the sub-beta transus heat treatment occurs.

Es sind zwar zahlreiche Situationen vorstellbar, in denen die vorliegende Erfindung bei Titanlegierungen angewendet werden könnte, eine besonders vielversprechende Anwendung wäre jedoch die bei Kompressorenlaufrädern von Gasturbinentriebwerken. Wie bei Laufrädern aus einer Superlegierung auf Nickelbasis ist es wünschenswert, die Kriechfestigkeit am Rand zu maximieren, während im mittleren Abschnitt die Ermüdungsbeständigkeit maximiert werden muß.While numerous situations can be envisaged in which the present invention could be applied to titanium alloys, a particularly promising application would be in gas turbine engine compressor impellers. As with nickel-based superalloy impellers, it is desirable to maximize creep strength at the edge, while in the center section it is necessary to maximize fatigue resistance.

Als Beispiel wird ein Werkstück aus Ti 6Al-4V von einer Ofentemperatur von etwa 954ºC (1750º F) (etwa Beta-Transus-Wert minus 42ºC (75º F)) im Alpha-Beta-Phasenfeld fertiggeschmiedet. Es wird dann, wiederum unter dem Beta-Transus-Wert, bei vielleicht 968ºC (1775º F) lösungsgeglüht, um ein primäres Alpha-Beta-Verhältnis von etwa 15% zu schaffen; diesem Lösungsglühen schließt sich eine Abschreckung in Wasser oder Öl an, wodurch ein nadelartiges Widmannstättensches Gefüge in der kontinuierlichen Dispersionsphasen-Beta-Matrix entsteht. Dieses Gefüge ergibt nach dem Stabilisierungsglühen bei 700º C (1300º F) eine ausgezeichnete Kombination der Eigenschaften - insbesondere der Zugfestigkeit und der Ermüdung. Um die Kriechfestigkeit in Randbereich zu verbessern, würde das Laufrad dann mit Hilfe einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung durch die Salzschmelze gedreht. Die Temperatur des Salzbades würde über dem Beta-Transus-Wert des Materials, beispielsweise bei 1010º bis 1070ºC (1850º bis 1950ºC), liegen. Die Kontaktzeit müßte ausreichend sein, um die gewünschte transformierte Beta-Kornstruktur zu erhalten, dürfte aber nicht so lang sein, daß es zu einem übermäßigen Kornwachstum käme. Es wurde festgestellt, daß diese transformierte Beta- Struktur für die Maximierung der Kriechfestigkeit am besten geeignet ist.As an example, a Ti 6Al-4V workpiece is finish forged from a furnace temperature of about 954ºC (1750º F) (about beta transus minus 42ºC (75º F)) in the alpha-beta phase field. It is then solution treated, again below the beta transus, at perhaps 968ºC (1775º F) to create a primary alpha-beta ratio of about 15%; this solution treatment is followed by quenching in water or oil, which produces a needle-like Widmannstätten microstructure in the continuous dispersion phase beta matrix. This microstructure, after stabilization annealing at 700º C (1300º F), gives an excellent combination of properties - particularly tensile strength and fatigue. To improve peripheral creep strength, the impeller would then be rotated through the molten salt using an apparatus according to the present invention. The temperature of the salt bath would be above the beta transus of the material, for example 1010º to 1070ºC (1850º to 1950ºC). The contact time would need to be sufficient to obtain the desired transformed beta grain structure, but not so long as to cause excessive grain growth. This transformed beta structure was found to be the best for maximizing creep strength.

Nach einer erneuten Abschreckung in Wasser oder Öl würde die gesamte Scheibe einem Stabilisierungsglühen bei 700ºC (1300º F) unterzogen und 2 Stunden luftgekühlt.After re-quenching in water or oil, the entire disk would undergo a stabilization anneal at 700ºC (1300º F) and air cooled for 2 hours.

Einer der Vorteile der Konzeption vom Salzschmelzebad besteht darin, daß die Wärmeübertragung auf die Oberfläche des Werkstücks, die mit dem Salz in Kontakt ist, sehr schnell und sehr vorhersagbar erfolgt. Infolgedessen kann das Verfahren sehr genau modelliert werden. Außerdem können die das Ergebnis bestimmenden Parameter leicht eingestellt, überwacht, gesteuert und aufgezeichnet werden, so daß Verfahrenssteuerung, Gütekontrolle und Gütesicherung mit zerstörungsfreien Methoden verwirklicht werden können.One of the advantages of the molten salt bath design is that heat transfer to the surface of the workpiece in contact with the salt is very rapid and very predictable. As a result, the process can be modeled very precisely. In addition, the parameters that determine the result can be easily set, monitored, controlled and recorded, so that process control, quality control and quality assurance can be achieved using non-destructive methods.

Die Menge des Wärmestromes und die Tiefe der Wärmeeindringung und damit die Form und Lage der Grenzfläche zwischen dem veränderten und dem nichtveränderten Abschnitt des Werkstücks können durch Einstellung der Rotationsgeschwindigkeit, der Eintauchtiefe, der Abkühlungsbedingungen über dem Salzbad und der Badtemperatur zuverlässig gesteuert werden. Die Anzahl der Einwirkungsrotationen kann in entsprechenden Situationen auf mehr als eine eingestellt werden.The amount of heat flow and the depth of heat penetration and thus the shape and position of the interface between the modified and the unmodified section of the workpiece can be reliably controlled by adjusting the rotation speed, the immersion depth, the cooling conditions above the salt bath and the bath temperature. The number of exposure rotations can be set to more than one in appropriate situations.

Die Höhe der Rotationsachse des Werkstücks über der Salzoberfläche kann eingestellt oder faktisch programmierbar variiert oder sogar auf Winkel eingestellt werden, um die Lage und Form der Grenzschicht zwischen den durch Wärme veränderten und den nicht durch Wärme veränderten Abschnitten des Werkstücks zu steuern.The height of the workpiece's axis of rotation above the salt surface can be adjusted or, in fact, programmably varied or even angled to control the location and shape of the interface between the heat-altered and non-heat-altered sections of the workpiece.

Das Verfahren kann leicht auf einen breiten Formenbereich von Werkstücken angewendet werden und kann bei Werkstücken genutzt werden, die bis zu diesem Punkt auf unterschiedliche Weise produziert wurden, einschließlich gegossener, gekneteter oder aus Pulver hergestellter Teile. Das Verfahren kann sowohl auf Gamma-Material- als auch auf carbidverstärkte Legierungen und vor oder nach dem fertigschmieden oder einer anderen gleichmäßigen Wärmebehandlung, zum Ausfällen oder für eine andere Kontrolle angewendet werden. Das Verfahren kann auch für die unterschiedliche Stabilisierung oder unterschiedliche Aushärtung des mittleren Abschnitts im Verhältnis zum Randabschnitt angewendet werden, um Werkstücke mit dualen Eigenschaften zu erhalten.The process can be easily applied to a wide range of workpiece shapes and can be used on workpieces that have been produced up to this point in a variety of ways, including cast, wrought or powder-machined parts. The process can be applied to both gamma material and carbide reinforced alloys and before or after finish forging or other uniform heat treatment, precipitation or other control. The process can also be used for differential stabilization or differential hardening of the central section relative to the peripheral section to obtain workpieces with dual properties.

Die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf die Konzeption der unterschiedlichen Aushärtung bietet eine Reihe sehr interessanter Möglichkeiten. Von besonderem Interesse ist die Anwendung der Erfindung auf das Verfahren des Ausscheidungshärtens, nach dem bestimmte Legierungen durch Bildung einer feinen und gleichmäßigen Dispersion einer sekundären oder Härtungsphase in der primären Legierungsphase gehärtet werden können. Beim herkömmlichen Ausscheidungshärten erhält das Werkstück zuerst eine Lösungsbehandlung, bei welcher das Werkstück auf eine Temperatur über dem Solvus der Sekundärphase erhitzt wird, so daß die Sekundärphase, die oft in den Korngrenzen der Primärphase konzentriert ist, in der Primärphase aufgelöst wird, was eine einheitliche Phase ergibt. Im zweiten Schritt wird das Werkstück abgeschreckt, um die Legierung als eine metastabile übersättigte feste Lösung einzufrieren. Im dritten Schritt, der Aushärtungsbehandlung, wird das Werkstück auf eine erhöhte Temperatur unter dem Solvus der Sekundärphase gebracht. Die anfängliche Kernbildung und das Wachstum der Sekundärphase führen zur Bildung einer einheitlichen Dispersion der zahlreichen feinen Sekundärphasen-Partikel zwischen der Primärphasenkörnung. Wenn diese Partikel größer werden, zuerst durch Diffusion aus dem Körper der festen Lösung und dann auf Kosten von kleineren Sekundärphasen-Partikeln, durchläuft die Härtungsgesamtwirkung der Sekundärphase ein Maximum mit der Zeit. Wenn das Werkstück über eine Zeitspanne behandelt wird, die über die zur Maximalhärte führenden Zeit hinausgeht, nimmt die Härte ab, und man spricht davon, daß das Werkstück überausgehärtet wurde.The application of the present invention to the concept of differential curing offers a number of very interesting possibilities. Of particular interest is the application of the invention to the process of precipitation hardening, by which certain alloys can be hardened by forming a fine and uniform dispersion of a secondary or hardening phase in the primary alloy phase. In conventional precipitation hardening, the workpiece first receives a solution treatment in which the workpiece is heated to a temperature above the solvus of the secondary phase so that the secondary phase, which is often concentrated in the grain boundaries of the primary phase, is dissolved in the primary phase, resulting in a uniform phase. In the second step, the workpiece is quenched to freeze the alloy as a metastable supersaturated solid solution. In the third step, the age hardening treatment, the workpiece is brought to an elevated temperature below the solvus of the secondary phase. The initial nucleation and growth of the secondary phase result in the formation of a uniform dispersion of the numerous fine secondary phase particles among the primary phase grains. As these particles become larger, first by diffusion from the solid solution body and then at the expense of smaller secondary phase particles, the overall hardening effect of the secondary phase passes through a maximum with time. If the workpiece is treated for a period of time in excess of that which produces maximum hardness, the hardness decreases and the workpiece is said to have been over-hardened.

Die vorliegende Erfindung kann beim oben beschriebenen Verfahren des Ausscheidungshärtens in wenigstens drei Bereichen angewendet werden. Bei der ersten Anwendung könnte die Erfindung zur Lösungsbehandlung nur des Randes des Werkstücks angewendet werden. Wenn die übrige Bearbeitung auf die herkömmliche Weise erfolgt, wie das oben beschrieben wurde, könnte das resultierende Werkstück einen durch Ausscheidungshärten gehärteten Rand und einen mittleren Abschnitt mit einer sehr unterschiedlichen Mikrostruktur haben. Das ist darauf zurückzuführen, daß bei einigen Verfahren die Lösungsbehandlung ein notwendiger Vorläufer für die nachfolgenden Umwandlungen ist. Dieses Herangehen ist bemerkenswert einfach, da die Lösungsbehandlung ein Gleichgewichtsverfahren ist, d. h., die Ergebnisse sind nach Verstreichen einer Mindestzeit nicht in kritischer Weise von der Zeit abhängig. Damit ist die Kontaktzeit mit dem Salzbad nicht kritisch.The present invention can be applied to the precipitation hardening process described above in at least three areas. In the first application, the invention could be applied to solution treat only the edge of the workpiece. If the rest of the processing is done in the conventional manner as described above, the resulting workpiece could have a precipitation hardened edge and a central portion with a very different microstructure. This is because in some processes the solution treatment is a necessary precursor to the subsequent transformations. This approach is remarkably simple because the solution treatment is an equilibrium process, i.e. the results are not critically dependent on time after a minimum time has elapsed. Thus the contact time with the salt bath is not critical.

Bei einer zweiten Anwendung könnte die Erfindung auf die Aushärtung des Randes angewendet werden. Das würde ein Werkstück mit einem gehärteten Rand und mit einem mittleren Abschnitt ergeben, der, zumindest vorübergehend, die Eigenschaften eines zuwenig ausgehärteten Materials hätte. Da die Aushärtungsbehandlung ein dynamischer Prozeß ist, d. h., das Ergebnis zeitabhängig ist, muß die Kontaktzeit im Salzbad bei dieser Anwendung sorgfältiger als bei Anwendungen mit Gleichgewichtsprozessen kontrolliert werden.In a second application, the invention could be applied to edge hardening. This would result in a workpiece with a hardened edge and with a central portion that would have, at least temporarily, the properties of an under-hardened material. Since the hardening treatment is a dynamic process, i.e. the result is time-dependent, the contact time in the salt bath must be controlled more carefully in this application than in applications with equilibrium processes.

Eine dritte Anwendung schließt die zu starke Aushärtung oder Oberaushärtung nur des Randes des Werkstücks ein. Das ergäbe ein Werkstück mit einem überausgehärteten Rand und einem ausgehärteten mittleren Abschnitt.A third application involves over-curing or over-curing only the edge of the workpiece. This would result in a workpiece with an over-cured edge and an over-cured middle section.

Obwohl die vorstehenden Anwendungen die Nutzung dieser Erfindung in nur einem Schritt des Ausscheidungshärtungsverfahrens beschreiben, ist es im Rahmen der Erfindung durchaus vorgesehen, das Verfahren der vorliegenden Erfindung in mehr als einem Schritt (erstem und zweitem oder zweitem und dritten oder erstem und dritten oder allen drei) anzuwenden, um spezielle Ergebnisse in Begriffen der unterschiedlichen Eigenschaften zu erzielen.Although the foregoing applications describe the use of this invention in only one step of the precipitation hardening process, it is well within the scope of the invention to use the process of the present invention in more than one step (first and second, or second and third, or first and third, or all three) to achieve specific results in terms of different properties.

Die einfachste Anwendung der Erfindung geht zwar davon aus, die Achse des Werkstücks stationär zu halten, während das Werkstück gedreht wird, die Erfindung sieht jedoch auch Varianten vor. Das Verfahren könnte so programmiert werden, daß die Achse einem Bewegungszyklus zwischen den einzelnen vollständigen Umdrehungen folgt. Das Verfahren könnte so programmiert werden, daß sich die Achse allmählich und kontinuierlich (linear oder nichtlinear) zur Salzschmelze hin oder von dieser weg bewegt, während das Werkstück gedreht wird. Das System könnte auch so programmiert werden, daß sich die Achse nach jeder vollständigen Umdrehung schrittweise bewegt. Jeder Bewegungsmodus würde zu anderen Ergebnissen führen.Although the simplest application of the invention involves keeping the workpiece axis stationary while the workpiece is rotated, the invention also contemplates variations. The method could be programmed so that the axis follows a cycle of motion between each complete revolution. The method could be programmed so that the axis moves gradually and continuously (linearly or non-linearly) toward or away from the molten salt while the workpiece is rotated. The system could also be programmed so that the axis moves incrementally after each complete revolution. Each mode of motion would produce different results.

Eine andere Anwendung der vorliegenden Erfindung schließt die Stabilisierung von Carbiden ein. Bei bestimmten Legierungssystemen, d. h., Waspaloy, ist es wichtig, Korngrenzfilme von M&sub2;&sub3;C&sub6;-Carbiden zu vermeiden, da diese zur Versprödung führen. Die Wärmebearbeitung der Legierung zur Umwandlung eines kontinuierlichen M&sub2;&sub3;C&sub6;-films in diskrete globuläre Carbide wird als Carbidstabilisierung bezeichnet. Wenn eine Scheibe aus Waspaloy bearbeitet würde, um ein einheitliches feines Gamma-Material zu bilden, würde die Scheibe hart und nicht spröde. Wenn jedoch nur der Rand durch Erhitzen eine grobere Kornstruktur erhält, könnten sich die Carbide bei der anschließenden Bearbeitung oder Nutzung in einen Film umwandeln, und der Rand würde verspröden. Wird jedoch die Methode der vorliegenden Erfindung angewendet, um den Rand bei 1018ºC (1865º F) oder darüber zu behandeln, und dann das Verfahren bei 843ºC (1550º F) ausgeführt, werden die kugelförmigen Carbide im Rand stabilisiert. Der Filmbildung und Versprödung des Randes bei der anschließenden Gesamtaushärtung und Nutzung wird Einhalt geboten.Another application of the present invention involves the stabilization of carbides. In certain alloy systems, ie, Waspaloy, it is important to avoid grain boundary films of M₂₃C₆ carbides as these lead to embrittlement. Heat processing of the alloy to convert a continuous M₂₃C₆ film into discrete globular carbides is referred to as carbide stabilization. If a Waspaloy wheel were machined to form a uniform fine gamma material, the wheel would become hard rather than brittle. However, if only the edge were heated to a coarser grain structure, the carbides could convert to a film during subsequent machining or use and the edge would become brittle. However, if the method of the present invention is used to treat the edge at 1018ºC (1865ºF) or higher and then the process is carried out at 843ºC (1550ºF), the spherical carbides in the edge are stabilized. Film formation and embrittlement of the edge during subsequent overall hardening and use is prevented.

Normalerweise würde die Rotationsachse des Werkstücks über der Oberfläche der Salzschmelze gehalten. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, das Werkstück teilweise in das Bad einzutauchen und um eine Achse zu drehen, die unter der Oberfläche des Salzbades liegt. Durch Kühlen des Abschnitts des Werkstücks, der sich außerhalb des Bades befindet, ist es möglich, eine größere Intensität der Wärmebehandlung in der Mitte des Werkstücks als am Randabschnitt zu erreichen. Das hätte natürlich auf die durch die Wärmebehandlung beeinflußten Eigenschaften die entgegengesetzte Wirkung als die bei einer Behandlung mit der Achse über der Salzoberfläche erzielte.Normally the axis of rotation of the workpiece would be kept above the surface of the molten salt. However, it is within the scope of the invention to partially immerse the workpiece in the bath and rotate it about an axis lying below the surface of the salt bath. By cooling the portion of the workpiece which is outside the bath, it is possible to achieve a greater intensity of heat treatment in the center of the workpiece than at the peripheral portion. This would of course have the opposite effect on the properties affected by the heat treatment to that achieved by treatment with the axis above the salt surface.

Eine weitere Anwendung der vorliegenden Erfindung betrifft Verbundwerkstücke. Es gibt Situationen, in denen es beispielsweise wünschenswert wäre, ein Laufrad mit einem mittleren Abschnitt aus der einen Legierung und einem Randabschnitt aus einer anderen Legierung herzustellen. Die beiden Legierungen würden durch Diffusionsverbinden miteinander verbunden. Nachdem die Verbindung erfolgt ist, ist es jedoch oft wünschenswert, die einzelnen Legierungen unterschiedlichen Verfahren der Wärmebehandlung zu unterziehen, um das Laufrad für den Einsatz vorzubereiten. Die Methode der vorliegenden Erfindung würde eine einfache und wirksame Form bieten, jede der Legierungen auf die entsprechende Weise zu behandeln.Another application of the present invention relates to composite workpieces. There are situations where, for example, it would be desirable to make an impeller with a central section made of one alloy and a peripheral section made of another alloy. The two alloys would be joined together by diffusion bonding. However, after the bonding is made, it is often desirable to subject the individual alloys to different processes of heat treatment to prepare the impeller for use. The method of the present invention would provide a simple and effective way of treating each of the alloys in the appropriate manner.

Die Erfindung ist zwar besonders auf Werkstücke anwendbar, die aus Pulvermetallegierungen hergestellt wurden, die Erfindung kann aber auch bei herkömmlichen Guß- und/oder Knetlegierungen Anwendung finden.Although the invention is particularly applicable to workpieces made from powder metal alloys, the invention can also be applied to conventional cast and/or wrought alloys.

Claims

1. A method of heat treating each of a plurality of metal workpieces to provide each workpiece with a central portion and a peripheral portion having a different metallurgical state and an annular uniform interface between those portions, the method being carried out on a workpiece in which each part has a given initial metallurgical state, characterized by

(a) partial immersion of the workpiece in a molten salt bath with a uniform temperature close to a clearly defined surface;

(b) controlling the height and angle of a rotation axis of the workpiece in relation to the surface of the salt bath and

(c) rotating the workpiece about the axis to cause thermal contact between the salt bath and the outer surface of an edge portion of the workpiece at a speed and for a time period which causes the edge portion to have a predetermined metallurgical condition different from that of the central portion of the workpiece.

2. Method according to claim 1, characterized in that the workpiece is immersed and held stationary until a stable state is reached, whereupon rotation begins.

3. Method according to claim 1, characterized in that the workpiece is rotated quickly several times in order to heat the edge portion evenly and then rotated slowly in order to achieve equilibrium.

4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the entire workpiece has the same initial metallurgical state by heat treating the entire workpiece in a given temperature range.

5. A method according to any preceding claim, applied to each of a plurality of workpieces made from a nickel-based superalloy or a titanium-based alloy, such that the central portion has a first microstructure or age hardening treatment condition, while the contact is via a maintained for a period of time sufficient to change the microstructure or age-hardening treatment condition of the edge portion to a condition determined by selected process parameters, including temperature and time.

6. Method according to claim 5, characterized in that the microstructure of the edge section is changed from fine-grained to coarse-grained.

7. Method according to claim 5, characterized in that the edge section is hardened by precipitation.

8. A method according to claim 5, applied to each of a plurality of workpieces made from a titanium-based superalloy having a beta-transus, characterized in that the peripheral portion is treated above the beta-transus while the central portion is treated in the sub-beta-transus region.

9. A method according to claim 5, applied to a titanium superalloy impeller with beta-transus, characterized in that the method comprises the steps:

(a) finish forging the impeller in the alpha-beta phase field from a furnace temperature of approximately 954ºC (1750º F) to approximately 42ºC (75º F) below the beta transus value;

(b) solution heat treatment below beta transus at approximately 968º C (1775º F) to achieve a primary alpha-beta ratio of approximately 15%;

(c) water or oil quenching, formation of a needle-like Widmannstätten microstructure in a continuous dispersion phase beta matrix;

(d) stabilization annealing at 700ºC (1300º F);

(e) rotating the impeller through the molten salt at a temperature above the beta transus value of the material, preferably at 1010º to 1070ºC (1850º to 1950ºF), for a contact time sufficient to achieve a desired transformed beta grain structure but not so long as to cause excessive grain growth;

(f) water or oil quenching;

(g) Stabilization annealing of the impeller at 700ºC (1300º F) and

(h) Air cooling.

10. A method according to claim 5, applied to an impeller to stabilize carbides and avoid grain boundary films of M₂₃C₆ carbides, characterized in that the method comprises the steps:

(a) heat processing of the alloy to convert a continuous M₂₃C₆ film into discrete globular carbides (carbide stabilization),

(b) machining to form a uniform fine gamma material to make the impeller hard and not brittle;

(c) treating the edge portion at 1018ºC (1865º F) or higher and

(d) Machining the impeller at 843ºC (1550º F), which will stabilize the spheroidal carbides in the rim section and counteract film formation and embrittlement of the rim section during subsequent overall hardening and service.

11. Device for heat treating a plurality of disc-shaped workpieces (21) with:

(a) a molten salt bath (25) having a uniform temperature close to a clearly defined surface;

(b) a controlled height adjustment driver (33) for receiving each workpiece (21) for rotation about an axis, adjusting the orientation of the axis and moving the circumference of the workpiece (21) into and out of the bath;

(c) a controlled rotation driver (34) for rotating the workpiece (21) about the axis while it is held by the height adjustment driver (33), and

(d) a temperature sensor (39) and a temperature controller (28) for the molten salt bath (25).

12. Device according to claim 11, which comprises a monitor (4) which measures and continuously records the values of the process parameters over the duration of the treatment of the workpiece, the parameters comprising height adjustment, rotation speed and temperature as well as time.

13. Device according to claim 11 or 12, which comprises a programmable management and control means (36, 42) which can control and coordinate the height adjustment driver (33), the rotation driver (34) and the temperature controller (28).

14. Device according to one of claims 10 to 13, which comprises a controlled inclination driver (35) which can incline the axis in relation to the surface.