DE1077240B

DE1077240B - The use of a manganese-titanium steel as a filler in the production of heat-resistant objects such. B. Gas turbine blades

Info

Publication number: DE1077240B
Application number: DEM27177A
Authority: DE
Inventors: Walter Betteridge
Original assignee: Mond Nickel Co Ltd
Current assignee: Mond Nickel Co Ltd
Priority date: 1954-05-26
Filing date: 1955-05-23
Publication date: 1960-03-10

Description

Die Verwendung eines Mangan-Titan-Stahles als Füllstoff bei der Herstellung von warmfesten-Gegenständen, z. B. Gasturbinenschaufeln Werkstücke, die wie Gasturbinenschaufeln bei hohen Temperaturen Verwendung finden, müssen eine Innenkühlung aufweisen. Zur Herstellung der dazu erforderlichen Kanäle ist es bekannt, im Rohling Bohrungen anzubringen, -diese dann mit einem geeigneten Werkstoff zu füllen, anschließend das auf diese Weise erhaltene Verbundwerkstück einer Warmverformung durch z. B. Strangpressen zu unterziehen und schließlich den Füllstoff durch z. B: Säuren, die den Grundwerkstoff nicht angreifen, -zu entfernen. Danach weist das warmverformte Werkstück als Kühlkanäle zu verwendende Bohrungen auf, deren Größe und Form vom Warmverformungsgrad und der Natur des Füllstoffs abhängt. Wesentlich ist dabei aber; daß die Verformungswiderstände des Füllstoffs und des Grundmetalls möglichst dicht beieinanderliegen, weil andernfalls die Flußlinien :des Füllstoffs denjenigen des Grundmetalls nicht folgen. Wenn der Füllstoff leichter verformbar als das Grundmetall ist, treten Querschnittsschwankungen auf, deren Größe - die z: B. als Abweichung vom mittleren Querschnitt bestimmt werden kann - mit der Verformbarkeit des Füllstoffs steigt. Ist dagegen der Füllstoff schwerer verformbar als das Grundmetall, tritt ein Voreilen des Füllstoffs durch das Mundstück vor Beendigung des Strangpressens ein, was einen unregelmäßigen Querschnitt der Bohrung ergibt und dazu führt, daß das rückwärtige Ende des stranggepreßten Werkstückes keinen Füllstoff enthält.The use of a manganese-titanium steel as a filler in the manufacture of heat-resistant objects, e.g. B. Gas turbine blades Workpieces that look like gas turbine blades are used at high temperatures, must have internal cooling. To the It is known to produce the channels required for this by drilling holes in the blank to attach, -these then fill with a suitable material, then the composite workpiece obtained in this way a hot deformation by z. B. To undergo extrusion and finally the filler by z. B: acids that Do not attack or remove the base material. After that, the thermoformed Workpiece as cooling channels to be used holes, their size and shape from The degree of hot deformation and the nature of the filler depends. But what is essential is; that the deformation resistances of the filler and the base metal as close as possible lie next to each other, because otherwise the flow lines: of the filler those of the Base metal does not follow. If the filler is more malleable than the base metal is, cross-sectional fluctuations occur, the size of which - for example, as a deviation can be determined by the mean cross-section - with the deformability of the filler increases. If, on the other hand, the filler is more difficult to deform than the base metal, it occurs advancing the filler through the die prior to completion of the extrusion a, which gives an irregular cross-section of the bore and leads to that the rear end of the extruded workpiece does not contain filler.

Wenn das Verhältnis der Füllstoff-Flächen vor dem Strangpressen und nach der Warmverformung R1 und das Verhältnis der Metallflächen vor dem Strangpressen und nach der Warmverformung R2 ist, ergibt sich ein versuchsmäßig zu bestimmender Faktor K=Ri/R2, der ein Maß der relativen Verformbarkeit des Füllstoffs und des Grundmetalls unter den Warmverformungsbedingen darstellt. Er hängt von der nach dem Grundmetall zu wählenden Strangpreßtemperatur ab, weil die Verformbarkeit des Metalls und des Füllstoffs in Abhängigkeit von der Temperatur Änderungen unterworfen ist. Versuche haben gezeigt, daß der Faktor K nicht größer als 1,20 sein darf, wenn die Ouerschnittsfläche der gefüllten Bohrung an keiner Stelle mehr als 5 °/o vom Mittelwert abweichen soll. Auch besteht bei höheren Temperaturen die Gefahr, daß sich sehr kleine Bohrungen an einer oder mehreren Stellen völlig schließen.When the ratio of filler areas before extrusion and after hot working R1 and the ratio of metal areas before extrusion and after the hot deformation R2 is, a test result to be determined Factor K = Ri / R2, which is a measure of the relative deformability of the filler and the Represents base metal under the conditions of hot deformation. He depends on the after the base metal to be selected extrusion temperature, because the deformability of the The metal and the filler are subject to changes depending on the temperature is. Experiments have shown that the factor K must not be greater than 1.20 if the cross-sectional area of the filled bore at no point more than 5 ° / o from Mean value should differ. At higher temperatures there is also the risk that very small holes close completely in one or more places.

Überraschenderweise wurde ferner gefunden, daß bei der Verwendung eines Füllstoffs, der steifer und weniger verformbar als das Metall ist, unter den Warmverformungsbedingungen der Faktor K-wenn überhaupt - wenig unter 1,0 fällt. Da sich jedoch die Länge verringert, über welche die Bohrung einen hinreichend gleichmäßigen Querschnitt aufweist, ergibt sich ein beträchtlicher Abfall, weil große Längen, die entweder keinen Füllstoff oder Füllstoff von unregelmäßiger Form aufweisen, wegfallen müssen.Surprisingly, it was also found that when using a filler that is stiffer and less malleable than the metal, among the For hot deformation conditions, the factor K -if at all - falls little below 1.0. However, since the length is reduced over which the bore is sufficiently uniform Cross-section, there is a considerable drop, because large lengths, which have either no filler or filler of irregular shape, have to be omitted.

Bei der Auswahl des Füllstoffs muß daher nicht nur der Faktor K, sondern auch ein Faktor K' berücksichtigt werden, der den Anteil der Gesamtlänge des stranggepreßten Werkstückes darstellt, bei welchem die Abweichung des Querschnittes der Bohrung von dem mittleren Querschnitt über diese Länge nicht mehr als 5 O/o. beträgt.When choosing the filler, therefore, not only the factor K, but also a factor K 'must be taken into account, which is the proportion of the total length of the extruded Represents workpiece in which the deviation of the cross-section of the hole of the mean cross-section over this length not more than 5%. amounts to.

Um befriedigende Ergebnisse zu erhalten, muß der Füllstoff so beschaffen sein, daß der Faktor K bei Preßtemperatur nicht viel größer als 1,0 ist und den Wert von 1,2 nicht übersteigt, während der Faktor K' zumindest 20 0% und vorzugsweise zumindest 50 % beträgt. Außerdem muß der Füllstoff kohärent, zug- und druckfest sein. Er muß ferner leicht aus dem Grundmetall entfernt werden können - z. B. nach chemischen oder elektrochemischen Verfahren -, ohne daß das Grundmetall hierbei angegriffen wird; schließlich muß seine Verwendung auch wirtschaftlich sein.In order to obtain satisfactory results, the filler must be of such a nature be that the factor K at the pressing temperature is not much greater than 1.0 and the Does not exceed a value of 1.2, while the factor K 'is at least 20 0% and preferably is at least 50%. In addition, the filler must be coherent, tensile and compressive be. It must also be easily removable from the base metal - e.g. B. after chemical or electrochemical process - without affecting the base metal is attacked; after all, its use must also be economical.

Es hat sich nun gezeigt, daß das Auffinden eines geeigneten Füllstoffs schwierig ist, wenn das Grundmetall aus einer Chrom-Nickel- oder einer Chrom-Nickel-Kobalt-Legierung und insbesondere aus einer Legierung besteht, die zusätzlich noch ausscheidungsfähige Elemente wie Titan und Aluminium enthält. Aus Gründen der guten Verformbarkeit ist der ideale Füllstoff ein Metall.It has now been shown that finding a suitable filler is difficult if the base metal is made of a chromium-nickel or a chromium-nickel-cobalt alloy and in particular consists of an alloy that is also capable of being precipitated elements such as titanium and aluminum. For reasons of good deformability is the ideal Filler a metal.

Es wurde nun gefunden, daß bestimmte Mangan-Titan-Stähle, deren jeweilige Zusammensetzung von der Zusammensetzung des Grundmetalls abhängt, Eigenschaften besitzen, die sie als Füllstoffe insbesondere für hitze- und kriechfeste Legierungen mit zumindest 25 % Nickel und Chrom, oder Nickel, Chrom und Kobalt, welche Betriebstemperaturen von 700° C und mehr ausgesetzt sind, besonders geeignet machen. Die Verarbeitungstemperaturen dieser Legierungen sind naturgemäß hoch, und selbst bei diesen Temperaturen lassen sie sich schwer verformen.It has now been found that certain manganese-titanium steels, their respective Composition depends on the composition of the base metal, properties have, which they use as fillers, especially for heat and creep resistant alloys with at least 25% nickel and chromium, or nickel, chromium and cobalt, which operating temperatures of 700 ° C and more are particularly suitable. The processing temperatures these alloys are naturally high, and can even be used at these temperatures they are difficult to deform.

Erfindungsgemäß besteht der Füllstoff aus einem Mangan-Titan-Stahl mit nicht mehr als 0,5 % Kohlenstoff, 5 bis 20% Mangan, 1 bis 10°/o Titan, Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen. An sich sind derartige Stähle im wesentlichen bekannt. So sind schon Stähle mit 0,3% Kohlenstoff, 8 bis 10% Mangan, 2% Titan, oder 0,1% bis 0,4% Kohlenstoff, 16 bis 200% Mangan, 1 bis 5% Titan oder 0,05% bis 0,2 % Kohlenstoff, 5 bis 60% Mangan, 1 bis 5 % Titan vorgeschlagen worden.According to the invention, the filler consists of a manganese-titanium steel with no more than 0.5% carbon, 5 to 20% manganese, 1 to 10% titanium, the remainder Iron with the usual impurities. As such, such steels are essentially known. Steels with 0.3% carbon, 8 to 10% manganese, 2% titanium, or 0.1% to 0.4% carbon, 16 to 200% manganese, 1 to 5% titanium, or 0.05% to 0.2% carbon, 5 to 60% manganese, 1 to 5% titanium have been suggested.

Mangan und Titan, die beide als Versteifungsmittel Verwendung finden, müssen gleichzeitig in den angegebenen Mengen vorhanden sein, wenn der Füllstoff allen Anforderungen genügen soll. Denn Mangan allein ergibt nicht die erforderliche Festigkeit bei hohen Temperaturen, während Titan allein in so großen Mengen verwendet werden müßte, daß der Füllstoff nur schwer durch wäßrige Lösungen mit 20 bis 250% Salpetersäure mit oder ohne andere Mineralsäuren, z. B. mit 1%iger Salzsäure, bei Temperaturen von 85° C aufwärts bis zum Siedepunkt ausgelaugt werden könnte. Diese Säuren haben sich aber als praktische Auslaugemittel erwiesen.Manganese and titanium, both of which are used as stiffening agents, must be present at the same time in the specified amounts if the filler should meet all requirements. Because manganese alone does not provide the necessary Strength at high temperatures while titanium alone is used in such large quantities would have to be that the filler is difficult to remove from aqueous solutions with 20 to 250% Nitric acid with or without other mineral acids, e.g. B. with 1% hydrochloric acid Temperatures of 85 ° C up to boiling point could be leached. These However, acids have proven to be practical leaching agents.

Bei einem Mangangehalt unter 5 % muß der Titangehalt so hoch sein, daß der Füllstoff spröde wird und infolgedessen nur schwer formbar ist. Liegt der Mangangehalt dagegen über 20%; läßt sich der Füllstoff nur schwer fehlerfrei vergießen und in seine endgültige Form bringen; außerdem ist in diesem Falle seine Festigkeit bei hohen Temperaturen zu gering.If the manganese content is below 5%, the titanium content must be so high that that the filler becomes brittle and is consequently difficult to shape. Is the Manganese content on the other hand over 20%; it is difficult to cast the filler without errors and bring it into its final form; also in this case is its strength too low at high temperatures.

Bei einem Titangehalt von unter 1% ist der Füllstoff selbst bei maximalem Mangangehalt zu weich. Wenn der Titangehalt dagegen über 100/a liegt, läßt sich der Füllstoff nur mehr schwer auslaugen.If the titanium content is below 1%, the filler is even at its maximum Manganese content too soft. If, on the other hand, the titanium content is above 100 / a, it can be the filler is difficult to leach out.

Da sich infolge der hohen Affinität des Titans für Kohlenstoff eine harte Titankarbidphase bildet, sollte der Kohlenstoffgehalt einen Betrag von 0,5% nicht übersteigen, weil sich andernfalls so viel Titankarbid bildet, daß der Füllstoff spröde und schwer verarbeitbar wird. Unterhalb dieses Betrages dient der Kohlenstoffgehalt zur Anpassung der Steifheit des Füllstoffs an diejenige des Grundwerkstückes. Bevorzugt werden im Rahmen der Erfindung Mangan-Titan-Stähle mit bis 0,3% Kohlenstoff, 8 bis 12% Mangan, 2 bis 31/o Titan, Rest Eisen und den üblichen Verunreinigungen. Diese Stähle sind am leichtesten bearbeitbar und weisen Faktoren K und K' auf, die für die vorerwähnten Legierungen besonders geeignet sind.As a result of the high affinity of titanium for carbon a hard titanium carbide phase, the carbon content should be 0.5% do not exceed, because otherwise so much titanium carbide is formed that the filler becomes brittle and difficult to process. Below this amount, the carbon content is used to adapt the stiffness of the filler to that of the basic workpiece. Preferred are within the scope of the invention manganese-titanium steels with up to 0.3% carbon, 8 to 12% manganese, 2 to 31 / o titanium, the remainder iron and the usual impurities. These Steels are the easiest to machine and have factors K and K 'that are for the aforementioned alloys are particularly suitable.

Ein Füllstoff für Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen mit. 0 bis 0,1% Kohlenstoff, 18 bis 21% Chrom, 15 bis 21% Kobalt, 1,8 bis 2,7% Titan, 0,8 bis 1,80/0 Aluminium, 0 bis 1,0% Mangan, 0 bis 1,50/a Silizium, 0 bis 50% Eisen, Rest Nickel und den üblichen Verunreinigungen kann 0,19% Kohlenstoff, 10°/o Mangan, 2% Titan, Rest und die üblichen Verunreinigungen enthalten. Mit diesem Füllstoff können beim Strang-,pressen großer Längen Turbinenschaufelwerkstoff praktisch gleichmäßige Bohrungen von kleinem Durchmesser erhalten werden; nach der Formgebung durch Strangpressen oder ein sonstiges Warmverformungsverfahren kann der Füllstoff durch Behandeln mit einer die Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung nicht angreifenden Salzsäure-Salpetersäure-Mischung leicht entfernt werden. Wenn dieser Füllstoff zusammen mit einer dieser Legierungen verwendet wurde, betrug der Faktor K 1,0 und der Faktor K' annähernd 62%. Bei einer Verringerung des Kohlenstoffgehaltes des Füllstoffs auf 0,10% stieg der Faktor K auf 1,04, und der Faktor K' fiel auf 550/9.A filler for nickel-chromium-cobalt alloys with. 0 to 0.1% Carbon, 18-21% chromium, 15-21% cobalt, 1.8-2.7% titanium, 0.8-1.80 / 0 Aluminum, 0 to 1.0% manganese, 0 to 1.50 / a silicon, 0 to 50% iron, the remainder nickel and the usual impurities can contain 0.19% carbon, 10% manganese, 2% titanium, The remainder and the usual impurities. With this filler you can Extruding, pressing large lengths of turbine blade material with practically uniform bores small diameter can be obtained; after shaping by extrusion or another hot forming process, the filler can be treated with a hydrochloric acid-nitric acid mixture that does not attack the nickel-chromium-cobalt alloy easily removed. When this filler is used together with one of these alloys was used, the factor K was 1.0 and the factor K 'approximately 62%. At a When the carbon content of the filler was reduced to 0.10%, the factor K increased to 1.04 and the factor K 'fell to 550/9.

Bei einer Steigerung des Titangehaltes verringert sich die Kaltziehfähigkeit des Füllstoffs, während gleichzeitig der Faktor K sich erhöht. So ergab die Verwendung eines Füllstoffs mit 0,08% Kohlenstoff, 10% Mangan, 3% Titan, Rest Eisen und den üblichen Verunreinigungen zusammen mit der gleichen Legierung einen Faktor K von 1,11 und einen Faktor K' von 670/0. Bei einer Erhöhung des Titangehaltes auf 4% und dann auf 5% auf Kosten des Eisengehaltes blieben beide Faktoren im wesentlichen gleich.If the titanium content is increased, the cold drawability is reduced of the filler, while at the same time the factor K increases. So resulted in the use a filler with 0.08% carbon, 10% manganese, 3% titanium, the remainder iron and the common impurities together with the same alloy have a factor K of 1.11 and a factor K 'of 670/0. If the titanium content is increased to 4% and then to 5% at the expense of the iron content, both factors remained essentially same.

Eine wegen ihrer Kriechfestigkeit gebräuchliche Legierung enthält 0,1% Kohlenstoff, 20% Chrom, 0,3% Titan, 0,1% Aluminium, Rest Nickel. Bei der Verwendung eines Füllstoffs mit 0,08% Kohlenstoff, 10% Mangan, 2% Titan, Rest Eisen und den üblichen Verunreinigungen zusammen mit dieser Legierung betrug der Faktor K 1,06 und der Faktor K' 67%. Eine weitere gebräuchliche Legierung enthält 0,1% Kohlenstoff, 20% Chrom, 16% Kobalt, 2,8% Titan, 1,8% Aluminium, Rest Nickel und die üblichen Verunreinigungen. Ein Füllstoff mit 0,08'% Kohlenstoff, 10°/o Mangan, 2% Titan und annähernd 88% Eisen ist zu weich für diese Legierung; denn obschon sich ein Faktor K von 1,18 ergab, betrug die Abweichung von der mittleren Querschnittsfläche über die Gesamtlänge mehr als 51/o, Um zusammen mit dieser Legierung Verwendung finden zu können, muß der Füllstoff einen höheren Kohlenstoffgehalt von z. B. 0,2% aufweisen.Contains an alloy commonly used because of its creep resistance 0.1% carbon, 20% chromium, 0.3% titanium, 0.1% aluminum, the remainder nickel. When using a filler with 0.08% carbon, 10% manganese, 2% titanium, the remainder iron and the common impurities together with this alloy, the factor K was 1.06 and the factor K '67%. Another common alloy contains 0.1% carbon, 20% chromium, 16% cobalt, 2.8% titanium, 1.8% aluminum, the balance nickel and the usual Impurities. A filler with 0.08% carbon, 10% manganese, 2% titanium and approximately 88% iron is too soft for this alloy; because although a factor K of 1.18, the deviation from the mean cross-sectional area was about the total length more than 51 / o, in order to be used together with this alloy to be able to, the filler must have a higher carbon content of z. B. have 0.2%.

Alle vorerwähnten Beispiele beziehen sich auf eine Strangpreßtemperatur von 1180° C.All of the above examples relate to an extrusion temperature from 1180 ° C.

Durch Strangpressen in der vorbeschriebenen Weise können auch Röhren mit geringer Wandstärke und kleinem Durchmesser hergestellt werden. Diese zur Umhüllung von elektrischen Heizelementen dienenden Röhren werden normalerweise durch Ziehen einer Chrom-Nickel-, einer Chrom-Nickel-Eisen-Legierung oder einer sonstigen Legierung in zehn bis fünfzehn Stufen erhalten. Nach dem mit Füllstoff arbeitenden Verfahren können diese Röhren jedoch in einer einzigen Warmverformungsstufe hergestellt werden. Wenn sie sehr fein sein sollen, können sie ohne Entfernung des Füllstoffs ein zweites Mal durch ein kleineres Mundstück gepreßt werden.By extrusion in the manner described above, tubes can be produced with a small wall thickness and a small diameter. These for wrapping Tubes used for electrical heating elements are usually drawn by pulling a chromium-nickel, a chromium-nickel-iron alloy or another alloy obtained in ten to fifteen levels. According to the method using filler however, these tubes can be manufactured in a single hot working step. If you want them to be very fine, you can add a second one without removing the filler Times through a smaller mouthpiece.

Auch andere Arten von Röhren können auf diese Weise erhalten werden.Other types of tubes can also be obtained in this way.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. The use of a known manganese steel with up to 0.5% carbon, 5 to 20% manganese, 1 to 10% titanium, Rest iron with the usual Impurities

as a filler to be removed later in the openings of objects consisting primarily of heat and creep-resistant alloys with at least 25% nickel and chromium or nickel, chromium and cobalt, which were used for hot forming into a cavity equipped with a cavity at temperatures of 700 ° C and more Finished piece, e.g. B. a gas turbine blade, the filler alloy must largely behave in the same way as the material accommodating it.

2. The use of a manganese steel with up to 0.3% carbon, 8; 0 to 12.0% manganese, 2, O to 3.0% titanium, Rest iron with the usual Impurities for the purpose of claim 1. 3. The use of a manganese steel with 0.19% carbon, 10% manganese, 2% titanium, Rest iron with the usual Impurities, as a filler in a nickel-chromium-cobalt alloy tion with 0 to 0.100 / 0 carbon, 18.0 to 21.00 / 0. Chrome, 15.0 to 21.0%: cobalt, 1.8 to 2.7% titanium, 0.8 to 1.80 / a aluminum, 0 to 1.0% manganese, 0 to 1.5% silicon, 0 to 5.0% iron, Remainder nickel with the usual Impurities. 4. The use of a manganese steel with 0.08 Oh, carbon, 10% manganese,