DE1093096B

DE1093096B - Niob-Titan-Legierung

Info

Publication number: DE1093096B
Application number: DE1957P0018292
Authority: DE
Inventors: Hugh Bishop Hix
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1956-08-01
Filing date: 1957-04-05
Publication date: 1960-11-17

Description

Niob -Titan - Legierung Die Erfindung bezieht sich auf -Legierungen, die eine außergewöhnliche Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit besitzen, jedoch genügend duktil sind, um eine Bearbeitung zu erlauben. Diese Legierungen eignen sich als Werkstoff für Einrichtungen aller Art, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden, wie Gasturbinen, Hochtemperaturreaktionsgefäße, Anlagen für die Raffination von Öl und Gesenke für die Metallbearbeitung bei hohen Temperaturen.
Die erfindungsgemäßen Legierungen kennzeichnen sich durch einen Gehalt von 1 bis 30% Titan, insgesamt 1 bis 20% eines oder mehrerer der Elemente Aluminium, Beryllium, Kohlenstoff, Kobalt, Eisen, Mangan, Molybdän, Nickel, Silicium, Tantal, Wolfram, Vanadin oder Zirkonium, Rest mehr als 60% Niob einschließlich des Begleitelementes Tantal in Mengen bis zu 5 %, wobei die Höchstmenge an Aluminium, Eisen, Mangan oder Vanadin 10%, an Beryllium, Kobalt, Nickel oder Wolfram 50/a und an Silicium oder Kohlenstoff 2% beträgt. Vorzugsweise enthalten die Legierungen 5 bis 25% Titan, 0 bis 5% Aluminium, 0 bis 50/a Nickel, 0 bis 5% Eisen, 0 bis 7% Molybdän, Rest mehr als 60% Niob einschließlich des Begleitelementes Tantal in Mengen bis zu 5 %, wobei der Gesamtgehalt an Aluminium, Nickel, Eisen und Molybdän mindestens 4% beträgt.
Die Metallkomponenten können nach den üblichen Methoden zusammengeschmolzen werden. Beim Abkühlen erstarrt die Legierung unter Bildung eines nicht spröden und duktilen Gusses. Hierfür kann z. B. ein Lichtbogenofen mit wassergekühltem Kupfertiegel verwendet werden, in welchem die Beschickung geschmolzen wird und erstarrt. Die einzelnen, in den Ofen eingegebenen Metalle können jede beliebige Form haben, z. B. als Pulver, Schrot, Draht, Schwamm usw., vorliegen. Man kann auch, gegebenenfalls in Kombination, Lichtbogenöfen mit sich verbrauchenden und nicht verbrauchenden Elektroden oder Öfen mit stetiger Beschickung verwenden. Ferner kann die Schmelzung durch induktive Beheizung in einem geeigneten Tiegel oder in beliebiger anderer Weise (z. B. nach der sogenannten »Skull-Technik«) erfolgen. Während des Schmelzens sollen die Metalle vor dem Zutritt der Atmosphäre geschützt werden, um eine Verunreinigung mit Sauerstoff oder Stickstoff zu vermeiden. Zu diesem Zweck schmilzt man zweckmäßig unter inerten Bedingungen, beispielsweise unter einem Inertgas, wie Argon, unter einer Schutzschlacke oder nach beiden Methoden.
Die erfindungsgemäßen Legierungen sind bei Temperaturen, die zumindest 100 bis 500° C über den bei den bekannten Hochtemperaturlegierungen höchstmöglichen Temperaturen liegen, weitaus oxydationsbeständiger und behalten ihre mechanische Festigkeit in wesentlich stärkerem Maße als die bekannten Hochtemperaturlegierungen bei. So verlieren bekannte Hochtemperaturlegierungen bei 1100° C ihre Festigkeit oder schmelzen, während die erfindungsgemäßen Legierungen bei dieser Temperatur Drücke von 70,3 kg/mm2 aushalten. Die erfindungsgemäßen Legierungen können bei Erhitzen auf verhältnismäßig hohe Temperaturen und Abkühlung auf ihrer Oberfläche einen festhaftenden Metalloxydfilm bilden.
Beispiel 1 Eine gleichförmige Schmelze, die 23% Ti, 40/a Ni, 3% Al und 70% Nb enthält, wird hergestellt, indem man die einzelnen Metalle zusammenschmilzt und die Legierung dann abwechselnd sechsmal erstarren läßt und umschmilzt. Die Schmelzung wird in einem Lichtbogenschmelzofen mit wassergekühltem Kupfertiegel durchgeführt, wie er von K r o 11 in »Transactions of the Electrochemical Society«, Bd. 78, 1940, S. 35 bis 37, beschrieben ist. Ein Teil der Schmelze wird in eine wassergekühlte zylindrische Kupferform von 99,1 mm Innendurchmesser und 50,8 mm Tiefe gegossen. Während dieser Arbeitsvorgänge arbeitet man unter Helium, um eine Verunreinigung der Metalle zu verhindern. Der aus der Form erhaltene Guß wird geschmiedet und zu einer Düse zum Versprühen von Salzschmelzen, wie MgC12, bei chemischen Verfahren verarbeitet.
Die in diesem Beispiel erhaltene Legierung wird auf ihre Oxydationsbeständigkeit bei hoher Temperatur in folgender Weise geprüft: Eine abgewogene Probe der Legierung wird (in einem Porzellantiegel, der mit einem Schlitz versehen ist, um einen angemessenen Zutritt der Luft zu dem Rohblock zu erlauben) in einen Ofen der Bauart Globar eingebracht und zumindest 16 Stunden bei 1000° C einem Luftstrom von 57 1/min ausgesetzt. Die Proben werden dann abgekühlt und gewogen; der Oxydationsgrad entspricht der prozentualen Gewichtszunahme der Probe.
Die Gewichtszunahme der Legierung unter diesen Bedingungen beträgt 1,5%, die Gewichtszunahme von nichtlegiertem Niob unter den gleichen Bedingungen 200/a.
Beispiel 2 Eine Legierung, die 20% Ti, 75% NI), 31 / o Al und 2% Co enthält, wird folgendermaßen hergestellt- Die einzelnen Metallkomponenten werden in dem Ofen gemäß Beispiel 1 unter Helium zusammengeschmolzen. Unter Aufrechterhaltung der Heliumatmosphäre wird dann die Legierung sechsmal umgeschmolzen und erstarren gelassen, wobei man einen homogenen Rohblock erhält. Die Gewichtszunahme bei der in Beispiel 1 beschriebenen Prüfung beträgt 2,5 0/0.

Beispiele 3 bis 13 Nach dem Verfahren von Beispiel 2 werden weitere Legierungen hergestellt. Zusammensetzung und Gewichtszunahme bei der in Beispiel 1 beschriebenen Prüfung sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben.

Gewichts-

Beispiel Zusammensetzung der Legierung zunahme

°/o

3 70% Nb, 20% Ti, 10% A1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,7

4 80% Nb, 170/0 Ti, 1% W, 0,5 % Be, 1,5 % Ta . . . . . . . . . . . . . . . 2,0

5 78 % Nb, 13,5 % Ti, 3 % Al, 2,5 0/a Fe, 3 % Mo . . . . . . . . . . . . . . 2

6 70% Nb, 16% Ti, 4% Al, 2% Fe, 5 % Mo, 3 % Be . . . . . . . . . . 1,8

7 800% Nb, 150/a Ti, 10/a Si, 4% A1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,0

8 65'0/9 Nb, 15 % Ti, 15 % Mo, 5 % Al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,2

9 90% Nb, 7% Ti, 3% Al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,5

10 75 0% Nb, 5 % Ti, 15 0/a Zr, 3 % Al, 1% V, 1% Ta . . . . . . . . . . . . 2,3

11 80% Nb, 5%Ti, 2,5%Fe, 2,5%Mo,10%Al ............... 2,1

12 70% Nb, 10% Ti, 8% V, 6% Mo, 60/a Al . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,5

13 70% Nb, 15% Ti, 3,5% Fe, 4,5% Al, 7% Mo . . . . . . . . . .. . . . 1,9

Es werden zwar vorzugsweise Metalle hoher Reinheit verwendet, aber es ist eine ziemliche Unreinheit zulässig, ohne daß die Qualität merklich leidet. Zur Herstellung der Legierungen gemäß den Beispielen wurden handelsübliche Metalle verwendet, die weniger als 1% an gelegentlichen Verunreinigungen enthielten. Das N iob des Handels enthält aber fast immer Tantal (gewöhnlich in Mengen bis zu 50/0), das schwer festzustellen und sehr schwierig abzutrennen ist. Das verwendete Niob enthielt somit ohne Zweifel Tantal, das bei den _lengenangaben als zum Niob gehörig, nicht dagegen als Verunreinigung gerechnet wurde. Abgesehen von dem Tantal, das im Niob des Handels enthalten ist, umfaßt die vorliegende Erfindung den Zusatz von Tantal zur Legierung in Mengen bis zu 20%. Dem Fachmann ist natürlich die Anwesenheit gelegentlicher Verunreinigungen in den handelsüblichen Metallen und die Gegenwart von Tantal im Niob des Handels bekannt, und diese Umstände sollten bei Nacharbeitung der Erfindung berücksichtigt werden.

Die erfindungsgemäßen Legierungen haben den Vorteil, eine hohe mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen zu besitzen, leicht verarbeitbar und korrosionsbeständig zu sein. Außer diesen vorteilhaften Eigenschaften sind dieLegierungen denGrundmetallen insofern überlegen, als sie gegen oxydative Einwirkung bei hohen Temperaturen beständig sind. Diese Eigenschaft fehlt besonders dem metallischen Niob als solchem. Die erfindungsgemäßen Legierungen eignen sich für die verschiedensten Verwendungszwecke, beispielsweise für die Herstellung von Anlageteilen, die bei Temperaturen oberhalb 800° C eingesetzt werden. Die Verwendbarkeit der erfindungsgemäßen Legierungen für Hochtemperaturanlagen, wie Teile von Gasturbinen, sei wegen ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften oben stehend besonders betont, es sei jedoch bemerkt, daß die Verwendbarkeit der erfindungsgemäßen Legierungen nicht auf den Einsatz bei hohen Temperaturen oder auf irgendeines der obenerwähnten Werkstücke beschränkt ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Niob-Titan-Legierung, bestehend aus 1 bis 30% Titan, insgesamt 1 bis 20% eines oder mehrerer der Elemente Aluminium, Beryllium, Kohlenstoff, Kobalt, Eisen, Mangan, Molybdän, Nickel, Silicium, Tantal, Wolfram, Vanadin oder Zirkonium, Rest mehr als 60% Niob einschließlich des Begleitelementes Tantal in Mengen bis zu 5%, wobei die Höchstmenge an Aluminium, Eisen, Mangan oder Vanadin 10%, an Beryllium, Kobalt, Nickel oder Wolfram 5% und an Silicium oder Kohlenstoff 2% beträgt.
2. Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus 5 bis 25% Titan, 0 bis 5% Aluminium, 0 bis 5% Nickel, 0 bis 5% Eisen, 0 bis 7% Molybdän, Rest mehr als 60% Niob einschließlich des Begleitelementes Tantal in Mengen bis zu 5%, wobei der Gesamtgehalt an Aluminium, Nickel, Eisen und Molybdän mindestens 4% beträgt. In Betracht gezogene Druckschriften: Auszüge deutscher Patentanmeldungen, Vol. 19 (1948), S. 368 (Aktenzeichen A 100194 VI a).