CH639426A5

CH639426A5 - Korrosionsbestaendige superlegierung auf nickelbasis und damit hergestellte verbundschaufel.

Info

Publication number: CH639426A5
Application number: CH443878A
Authority: CH
Inventors: Peter William Schilke; David Noel Duhl
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1977-05-03
Filing date: 1978-04-25
Publication date: 1983-11-15
Also published as: BE866341A; IT7822805A0; GB1572320A; NO781476L; SE7804568L; AU3499678A; NO149041C; JPS6117894B2; BR7802622A; NO149041B; DE2817321A1; IT1095332B; CA1101698A; DE2817321C2; FR2389680B1; JPS53135819A; US4152488A; FR2389680A1; AU525885B2; IL54527A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Superlegierung auf Nickelbasis, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Verbundschaufel für Gasturbinentriebwerke, die mit einer solchen Legierung herge- 45 stellt ist.

Ein verbesserter Wirkungsgrad ist ein zunehmend wichtiger Faktor bei der Entwicklung von Gasturbinentriebwerken. Solche Triebwerke haben Reihen von rotierenden Schaufeln innerhalb eines insgesamt zylindrischen Gehäuses. Lecken von 50 Gas zwischen den Enden der rotierenden Schaufeln und dem Gehäuse trägt zur Senkung des Triebwerkswirkungsgrades bei.

Dieses Lecken kann minimiert werden, indem Schaufel-und Dichtungssysteme geschaffen werden, in welchen die Schaufelspitze an einer Dichtung reibt, die an dem Gehäuse 55 des Triebwerks befestigt ist. In dem Turbinenabschnitt des Triebwerks, in welchem Dichtungsprobleme besonders schwierig sind, kann die Schaufelspitzentemperatur 1093°C erreichen oder überschreiten und eine Kombination dieser Temperatur mit korrodierenden Gasen und Abrieb an der 60 Dichtungsanordnung kann beträchtliche Probleme durch Verschlechterung der Schaufelspitze hervorrufen.

Die meisten bekannten Nickelbasissuperlegierungen sind für optimale mechanische Eigenschaften, wie Zeitstand-Zugfe-stigkeit und Duktilität, entwickelt worden. Die Mehrzahl der es bekannten Superlegierungen wird daher im Hinblick auf die Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit in einer überzogenen Form benutzt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Superlegierung, die eine verbesserte Erfüllung der vorgenannten Anforderungen an Turbinentriebwerksschaufeln ermöglicht. In dieser Hinsicht scheint es für die Erfindung keinen direkt in Frage kommenden Stand der Technik zu geben. Die US-PS 2994605 beschreibt eine Nickelbasislegierung, die 40-80% Ni, 10-25% Cr, 0,25-5% (Nb + Ta), 0,5-8% (Mo +W) und 0,25-3% AI enthält. Diese Legierung enthält kein Yttrium und der Aluminiumbereich liegt unterhalb desjenigen, der bei der Erfindung vorgesehen ist. Weiter beschreibt diese Patentschrift Niobium und Tantal als Äquivalent sowie Wolfram und Molybdän als Äquivalent. Diese Äquivalenzen gelten aber nicht für die Legierung nach der Erfindung. Die US-PS 3905552 beschreibt den Zusatz von etwa 0,1% Y zu Nickelbasissuperlegierungen zur Verbesserung der Schmiedbarkeit. Yttrium in Superlegierungen ist auch aus den US-PS'en 3516 826, 3 346 378 und 3 202 506 bekannt.

Die erfindungsgemässe Legierung zur Lösung der gestellten Aufgabe ist dagegen eine Nickelbasissuperlegierung gemäss den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die überwiegend aus den y-, y'- und ß-Phasen besteht. Chrom und Yttrium werden zugesetzt, um die Warmkorrosions- und Warmoxydati-onsbeständigkeit zu verbessern. Wolfram, Tantal und Kohlenstoff werden zugesetzt, um die Warmhärte und die Verschleissfestigkeit bei hohen Temperaturen zu verbessern. Die Legierung hat eine hohe Warmhärte, eine hohe Verschleissfestigkeit und ist beständig gegen Warmoxydation und Warmkorrosion. Die Legierung kann insbesondere für ein Schaufelspitzenelement oder für eine Korrosionsschutzschicht der Spitze an einer Verbundschaufel eingesetzt werden.

Die Legierung hat einen hohen Grad an Eigenoxydations-beständigkeit, so dass an der Schaufelspitze Überzüge, die wegen der Reibprobleme nicht wirksam sind, nicht erforderlich sind. Die Legierung ist ausserdem hinsichtlich der Warmhärte und der Abriebbeständigkeit bei hohen Temperaturen optimiert worden. Sie hat ferner eine Warmhärte, die mit der Warmhärte von herkömmlichen Superlegierungen vergleichbar ist, und eine Oxydations- und Warmkorrosionsbeständigkeit, die der von bekannten Superlegierungen überlegen ist und derjenigen von Überzugslegierungen nahekommt. Die Warmhärte und die Verschleissfestigkeit sind für die Verwendung bei Schaufelspitzen erforderlich, da es wirtschaftlicher ist, die Dichtungsanordnung statt der gesamten Schaufelanordnung zu ersetzen, wenn der Verschleiss zu gross geworden ist. Bei dem Verwendungszweck, für den die Legierung insbesondere vorgesehen ist, nämlich als Schaufelspitze, die sich über einen sehr kurzen Teil der Schaufellänge erstreckt, sind mechanische Eigenschaften, wie Zeitstand-Zugfestigkeit, Duktilität und dergleichen, vergleichsweise unwichtig. Die Legierung ist deshalb hinsichtlich dieser Eigenschaften, die für den vorgesehenen Verwendungszweck vergleichsweise unwichtig sind, nicht optimiert worden, obgleich solche Eigenschaften in ausreichendem Masse vorhanden sind. Ausserdem werden herkömmliche Superlegierungen so zusammengesetzt, dass sich unter Bedingungen, welchen das Material im Betrieb ausgesetzt ist, unerwünschte Phasen nicht oder kaum bilden. Zu diesen Phasen gehören die ct- und die u-Phase. Diese Phasen bilden sich gewöhnlich bei Zwischentemperaturen und sind schädlich, da sie gewöhnlich spröde sind. Für den bevorzugten Verwendungszweck der Legierung sind diese Phasen kein Problem, und deshalb ist die Zusammensetzung nicht durch die Verhinderung der Bildung solcher Phasen eingeschränkt worden. Die erfindungsgemässe Legierung verknüpft die Härte von herkömmlichen Konstruktions-Wickelbasislegierungen mit der Korrosionsbeständigkeit von bekannten Überzugsverbindungen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher beschrieben. Wenn nichts anderes angegeben ist, sind

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alle angegebenen Prozentsätze Gewichtsprozentsätze.

Die Legierung enthält 21-27% Cr, 4,5-7% AI, 5-10% W, 2,5-7% Ta, 0,02-0,15% Y und 0,1-0,3% C, wobei jedoch gewisse Substitutionen und Zusätze vorgenommen werden können. Es hat sich gezeigt, dass Kobalt die Sulfidationsbe- 5 ständigkeit der erfindungsgemässen Legierung verbessert,

ohne andere Eigenschaften nachteilig zu beeinflussen. Demge-mäss kann es in Werten bis zu 20% vorhanden sein und vorzugsweise ist es in Werten von 5-20% in Legierungen nach der Erfindung vorhanden, die in Umgebungen benutzt werden, wo io die Sulfidation ein Problem ist. Molybdän hat sich hinsichtlich der Warmkorrosionsbeständigkeit als schädlich erwiesen und ist deshalb kein absichtlicher Zusatz. Sein Gehalt als eine Verunreinigung sollte auf weniger als etwa 0,2% begrenzt sein.

Titan kann einen Teil des Aluminiumgehalts ersetzen (auf is einer gleichen Atombasis), aber ein nennenswerter Ersatz von Aluminium durch Titan senkt die Oxydationsbeständigkeit der Legierung. Aus diesem Grund sollte die maximale Titansubstitution nicht grösser als ein Fünftel des Aluminiumgehalts sein. Ebenso kann zwar Niobium einen Teil des Tantals (auf einer 20 gleichen Atombasis) ersetzen, eine solche Substitution wird im allgemeinen jedoch nachteilig für die Oxydationsbeständigkeit sein. Demgemäss sollte die maximale Niobiumsubstitution kleiner als ein Fünftel des Tantalgehalts sein. Einige Druckschriften geben an, dass Rhenium Superlegierungen in ähnli- 25 eher Weise verstärkt wie Wolfram. In dem Legierungssystem nach der Erfindung ist Rhenium nicht wirksamer als Wolfram und wirtschaftliche Erwägungen machen die Verwendung von Rhenium unerwünscht. Bis zur Hälfte des Yttriumgehalts kann durch eine gleiche Atommenge eines sauerstoffaktiven Elements ersetzt werden, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Ce, La, Hf, Zr und Gemischen derselben besteht. Grössere Zusätze von Hf wurden der Legierung versuchsweise hinzugefügt und hatten weder vorteilhafte noch nachteilige Auswirkungen. Eine Kombination von Bor und Zirkon in Werten von 0,05-0,2% kann zugesetzt werden, um die Borid-bildung zu fördern.

Ein bevorzugter Zusammensetzungsbereich für die Anwendung bei Gasturbinenschaufelspitzen ist 25-27% Cr, 5-7% AI, 7-9% W, 2,5-5% Ta, 0,05-0,15% Y und 0,15-0,25% C.

Ein Spitzenelement aus der vorliegenden Legierung an Schaufeln, die aus herkömmlichen Nickelbasissuperlegierungen hergestellt sind, ist von besonderem Nutzen. Solche Schaufeln haben eine Zusammensetzung, die im allgemeinen innerhalb der Grenzen liegt, die in Tabelle I angegeben sind, und die Schaufel- und Wurzelteile können ein herkömmliches Mikrogefüge aus gleichachsigen Kristallen oder aus Stengelkristallen oder ein Einkristallmikrogefüge haben. Stengelgefügeschaufeln sind in der US-PS 3260505 beschrieben. Einkristallschaufeln sind in der US-PS 3494709 beschrieben. Die Dicke der Schaufelspitze wird im allgemeinen kleiner als etwa 5 mm sein.

Tabelle I

Elemente Prozentsatz

Kohlenstoff

0,1-0,25

Chrom

21-25

Wolfram

5-10

Molybdän

0-10

Kobalt

0-20

Niobium

0-1,4

Tantal

2,5-5

Titan

0,5-1,4

Aluminium

4,5-7

Aluminium und Titan

4,5-7

Bor

0-0,2

Zirkon

0-0,5

Hafnium

0-3,0

Die Legierung kann auf vielfältige Weise zu Schaufelspitzen verarbeitet und auf Schaufeln aufgebracht werden. Herstellungsverfahren für Schaufelspitzenvorformlinge umfassen Giess- und pulvermetallurgische Prozesse. Befestigungsverfahren beinhalten das Festkörperdiffusionsverbinden, das «TLP»-Verbinden, das Hartlöten, Plasmaspritzprozesse und die Elektronenstrahlverdampfung. Bei dem Festkörperdiffusionsverbinden wird eine Kombination von Hitze und Druck benutzt, um die Verbindung herzustellen. Bei dem «TLP»-Verbinden wird eine Zwischenschicht benutzt, die einen Schmelzpunktsenker enthält. In der Verbindungsfolge wird die Zwischenschicht auf eine Temperatur oberhalb ihres Schmelzpunktes erhitzt, und sie wird isothermisch erstarren gelassen, wenn der Schmelzpunktsenker in die Gegenstände diffundiert, die miteinander verbunden werden. Das «TLP»-Verbinden ist aus der US-PS 3678570 bekannt. Das Hartlöten könnte als eine Anbringungstechnik angewandt werden, seine Nützlichkeit wird aber durch die Eigenschaften der hartgelöteten Verbindung bei den Triebwerksbetriebsbedingungen begrenzt. Das Plasmaspritzen beinhaltet das Schmelzen und Aufspritzen der erfindungsgemässen Legierung auf die Schaufelspitze. Die bekannten Elektronenstrahlverdampfungsanla-gen sind nicht in der Lage, ein Material, wie die erfindungsgemässe Legierung, aufzubringen, und zwar wegen des Vorhandenseins von Bestandteilen mit hohem Schmelzpunkt und niedrigem Dampfdruck, wie Ta und W; es ist aber anzunehmen, dass zukünftige Generationen von Elektronenstrahlanla-.50 gen dazu in der Lage sein werden.

Die Tabelle II vergleicht Eigenschaften, die für die erfindungsgemässe Legierung und gewisse andere bekannte Legierungen bei der Anwendung bei Schaufelspitzen von Bedeutung sind. Die erfindungsgemässe Legierung ist in zwei For-55 men angegeben, die durch Giessen und durch Pulvermetallurgie hergestellt sind. Die gerichtet erstarrte Legierung MAR-M200 ist eine gegenwärtig benutzte Konstruktionssuperlegierung, die in polykristalliner Stengelgefügeform getestet worden ist. MAR-M509 ist eine Kobaltbasislegierung, die als ein 60 Dichtungsmaterial in Gasturbinentriebwerken benutzt wird. NiCoCrAlY und CoCrAlY sind bekannte Überzugslegierungen. Die Cabot-Legierung 103, IN-738 und Haynes 188 sind bekannte Superlegierungen, die einen guten Abgleich zwischen mechanischen Eigenschaften haben, wie der Warmhär-65 ter und der Eigenoxydationsbeständigkeit. Diese letztgenannten drei Legierungen wurden als potentielle Schaufelspitzenlegierungen ausgewertet. Nominelle Zusammensetzungen von allen diesen Legierungen sind in Tabelle III angegeben.

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Tabelle II

Warmhärte (VPN) Beständigkeit bei 100 h Beständigkeit bei 100 h zyklischer Oxydation (1) zyklischer Warmkorrosion (2)

Legierung

(982 °C)

(1093 °C)

(1149°C)

D.S. MAR-M200 + Hf

180

72

II

III

(3)

MAR-M509

28

24

-

(4)

NiCoCrAlY (durch körperlichen

20

< 10

I

-

I

(5)

Dampfniederschlag)-Überzug

CoCrAlY (plasmagespritzt)-Überzug

48

15

I

-

I

(6)

Cabot-Legierung 103

70

26

III

-

III

(7)

IN-738

73

38

III

-

III

(8)

Haynes 188

65

26

III

-

II

(9)

erfindungsgemässe Legierung (gegossen)

111

56

-

I

II

(1)

erfindungsgemässe Legierung (in Vakuum

111

56

-

I

II

(2)

gepresstes Pulver)

I zeigt minimale oder keine innere Korrosion/Oxydation und/oder minimale oder keine Oxidabsplitterung.

II zeigt etwas innere Korrosion/Oxydation und/oder etwas Oxidabsplitterung.

III zeigt massive innere Korrosion/Oxydation und/oder 20 massive Oxidabsplitterung.

(1) Proben zyklisch behandelt in jedem 20-h-Intervall.

(2) Proben überzogen mit 1 mg/cm2 Na2S04 in jedem 20-h-Zyklus und getestet bei 1002°C.

Tabelle III Elemente (Gew.-%)

Legierung Co Ni Cr Al W C andere

NiCoCrAlY (durch körperlichen

23,0

Rest

18,0

12,5

-

0,3 Y

Dampfniederschlag)-Überzug

CoCrAlY (plasmagespritzt)-Überzug

Rest

-

23,0

13,0

-

0,08 La

Haynes 188

Rest

22,0

-

14,5

0,1

0,08 La

IN-738

8,5

Rest

16,0

3,4

2,6

-

3,4 Ti, 1,7 Mo, 1,8 Ta 0,015 B, 0,85 Nb, 0,12 Zr

Cabot-Legierung

Rest

3,0

31,0

-

12,0

2,5

3,0 Fe, 1,0 Si, 1,0 Mn, 1,0 B

D.S. MAR-M200 + Hf

10,0

Rest

9,0

5,0

12,5

0,11

2,0 Hf, 1,0 Nb, 2,0 Ti

MAR-M 509

Rest

10,0

23,5

-

7,0

0,6

3,5 Ta, 0,2 Ti, 0,5 Zr

Ein Vergleich der Warmhärten der verschiedenen Legierungen zeigt, dass sowohl bei 982°C als auch bei 1093°C die erfindungsgemässe Legierung härter ist als jede andere getestete Legierung, mit Ausnahme der Schaufellegierung D.S. MAR-M200. Die erfindungsgemässe Legierung ist mehr als doppelt so hart wie die Dichtungslegierung MAR-M509 bei beiden Temperaturen, was zeigt, dass die Dichtungslegierung vorrangig vor der erfindungsgemässen Schaufelspitzenlegierung verschleissen würde.

Tests mit zyklischer Oxydation zeigten, dass die erfindungsgemässe Legierung der Schaufellegierung bei 1149° C überlegen ist, während Warmkorrosionstests zeigen, dass die 45 Legierung auch der Schaufellegierung überlegen ist. Die erfindungsgemässe Legierung ist auch beständiger gegen Warmkorrosion als die Konstruktionslegierungen IN-738 und Cabot-Legierung 103. Die in Tabelle II angegebenen Daten liefern eine klare Angabe darüber, dass die Legierung nach der so Erfindung eine einzigartige Kombination der Eigenschaften hat, die für die Anwendung bei Gasturbinenschaufelspitzen wichtig sind.

G

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Korrosionsbeständige Superlegierung auf Nickelbasis, die eine hohe Wärmehärte und eine hohe Verschleissfestigkeit hat, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung mit folgenden Gewichtsanteilen: 5

a) 21-27% Cr;

b) 4,5-7% AI, das gegebenenfalls bis zu einem Fünftel durch eine gleiche Atommenge an Ti ersetzt ist;

c) 5-10% W;

d) 2,5-7% Ta, das gegebenenfalls bis zu einem Fünftel "> durch eine gleiche Atommenge an Nb ersetzt ist;

e) 0,02-0,15% Y, das gegebenenfalls bis zur Hälfte durch eine gleiche Atommenge eines sauerstoffaktiven Elementes der Gruppe Ce, La, Hf, Zr oder eines Gemisches mehrerer dieser Elemente ersetzt ist; 15

0 0,1-0,3% C;

g) 0-20% Co;

h) Rest Ni und Verunreinigungen.
2. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung mit folgenden Gewichtsanteilen: 23-27% 20 Cr; 5-7% AI; 7-9% W; 3-5% Ta; 0,05-0,15% Y; 0,15-0,25% C; Rest Ni.
3. Verbundschaufel für Gasturbinentriebwerke, umfassend einen Wurzel- und Schaufelteil aus einer Nickelbasissuperlegierung sowie einen Spitzenteil, der aus einer Legierung nach 25 Anspruch 1 oder 2 besteht.
4. Verbundschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelspitze 3-6 Gew.-% Ta enthält.
5. Verbundschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wurzelteil und der Schaufelteil ein gleich- 30 achsiges polykristallines Mikrogefüge haben.
6. Verbundschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wurzelteil und der Schaufelteil ein polykristallines Stengelmikrogefüge haben.
7. Verbundschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekenn- 35 zeichnet, dass der Wurzelteil und der Schaufelteil eine Einkristall-Feinstruktur haben.