-
Tantal-Niob-Legierung Die Erfindung bezieht sich auf eine Legierung
auf der Basis von Tantal und Niob mit Zusätzen an Chrom und Wolfram.
-
Erfindungsgemäß enthält die Legierung 5 bis 20 Gewichtsprozen,t Chrom,
2 bis 25 Gewichtsprozent Wolfram und als Rest neben den üblichen Verunreinigungen
Tantal und Niob, wobei die Menge an Tantal in diesem Tantal-Niob-Rest 10 bis 95%
beträgt.
-
Eine derartige Legierung besitzt bei Temperaturen der Größenordnung
von 10g3° C und höher eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und eine hohe
mechanische Festigkeit.
-
Eine wichtige Eigenschaft der erfindungsgemäßen Legierung ist, daß
sie erstens heiß verarbeitet werden kann, zweitens, daß sie bei Temperaturen bis
zu etwa 1093° C und höher äußerst widerstandsfähig gegenüber der Oxydation und anderen
korrodierenden Einflüssen ist, und drittens, daß diese Legierung bei derartig erhöhten
Temperaturen eine hohe mechanische Festigkeit zeigt. Dementsprechend kann man diese
Legierung z. B. als Material für Schaufeln, Rippen und andere Teile von Hochtempera,tur-Gasturbinen
verwenden. Andere wichtige Verwendungszwecke für die erfindungsgemäße Legierung
sind z. B. Auslaßventile und Auspuffleitungen bei Explosionsmotoren oder Wärmeaustauschern
sowie Auskleidungen für Retorten und Behälter, wie sie in der chemischen und metallurgischen
Industrie Verwendung finden.
-
Legierungen hoher Beständigkeit bei hoher Ternpera,tur, z. B. Legierungen
auf der Basis Nickel und/oder Kobalt, die man als Material für Schaufeln, Rippen
oder andere Teile bei. Hochtemperatur-Gasturbinen verwendete, besitzen eine maximale
Arbeitstemperatur von etwa 816° C. So ist z. B. eine übliche Legierung auf der Basis
von Nickel und Kobalt, die auch Molybdän als Bestandteil enthält, für praktische
Zwecke als Bauteil in einer Gasturbine nicht verwendbar, wenn die Temperatur des
Bauteils beträchtlich über etwa 816° C ansteigt, da eine derartige Legierung oberhalb
dieser Temperatur nur eine beschränkte Festigkeit und Oxydationsbeständigkeit zeigt.
-
Dagegen kann man die erfindungsgemäße Legierung, die als Material
z. B. für Schaufeln oder Rippen in einer Hochtemperatur-Gasturbine verwendet wird,
bei erheblich höheren Temperaturen benutzen, als es bisher für andere Legierungen
möglich war. DieLeistung einer Gasturbine ist somit verbessert, da der Gesamtschub
erhöht und die Menge an verbrauchtem Treibstoff pro Kilogramm Schub pro Stunde vermindert
ist.
-
Die Mengenverhältnisse der bevorzugten Legierungen betragen erfindungsgemäß
10 bis 20 Gewichtsprozent Chrom und 5 bis 15 Gewichtsprozent Wolfram, wobei der
Rest neben den üblichen Verunreinigungen aus Tantal und Niob besteht. Die Menge
an Tantal in dem Tantal-Niob-Rest beträgt 30 bis 95%, während der übrige Teil aus,
Niob besteht.
-
Früher herrschte die allgemeine Neigung, da.ß die Metalle Niob und
Tantal im wesentlichen untereinander äquivalent seien. Es wurde jedoch festgestellt,
da.ß dies im Falle der vorliegenden Erfindung nicht zutrifft. So liefert z. B. sogar
schon eine verhältnismäßig kleine Menge Chrom als. Legierungsbestandteil mit Niob
und Wolfram eine NiobrWolfram-Chrom-Legierung, die für praktische Verwendungszwecke
zu spröde ist. Andererseits wurde jedoch festgestellt, daß bei der Legierung aus
Tantal mit Niob und Wolfram in den oben beschriebenen Verhältnissen erheblich größere
Anteile an Chrom zulegiert werden können, wobei die neue Tantal-Niob-Walfram-Chrom-Legierang
dieser Erfindung, wie oben angedeutet, unerwartete und verbesserte Eigenschaften
zeigt. Diese Eigenschaften lassen sich nicht mit einer Niob-Wolfram-Legierung erzielen.
-
Um beste Eigenschaften bei einer Legierung der vorliegenden Erfindung
zu erreichen, sollen sich die unten angeführten Verunreinigungen in folgenden in
Gewichtsprozent angegebenen Grenzen halten. Der Kohlenstoffgehalt in der Legierung
soll nicht mehr als 0,5% betragen, der Sauerstoffgehalt nicht mehr als 0,8 0/0 (bestimmt
durch eine Zunahme bei dem Verbrennungsversuch). Der Stickstoffgehalt soll 0,2%
nicht übersteigen, und der Gehalt an Eisen. nicht mehr als 5,0% betragen.
Im
folgenden sind Beispiele zur Herstellung der Tantal-Niob-Chrom-Wolfram-Legierung
und damit erhaltene Versuchsergebnisse angeführt.
-
Beispiel 1 Ein Gußblock einer Legierung aus Tantal, Chrom, Wolfram
und Niob mit einer Zusammensetzung von 15 Gewichtsprozent Chrom, 15 Gewichtsprozent
Wolfram, 3,5 Gewichtsprozent Niob und 66,5 Gewichtsprozent Tantal neben den üblichen
Verunreinigungen wurde durch Lichtbogenschmelze einer Elektrode aus Tantal hergestellt,
der 3,5% Niob, 15% Wolfram und 15 % Chrom zugegeben wurden. Dies läßt sich dadurch
erreichen, daß man ein gleichmäßiges Gemisch von Tantal-, Niob-, Chrom- und Wolframpulver
in den oben angezeigten Verhältnissen in Form von Stäben unter einem Druck von etwa
7900 kg/cm2 preßt, die gepreßten Stäbe bei einem Vakuum von etwa 0,001 mm Hg etwa
3 Stunden lang sintert und danach die gesinterten Stäbe unter einem Vakuum von etwa
0,005 mm Hg oder weniger im Lichtbogen schmilzt.
-
Die im Lichtbogen geschmolzene Legierung wurde auf ihre Oxydationsbeständigkeit
in strömender Luft bei etwa 1093° C 24 Stunden lang geprüft. Ihre Oxydationsbeständigkeit
war etwa 700mal größer als die von annähernd reinem Niob.
-
Die zur Bestimmung des Außmaßes der Oxydationsbeständigkeit benutzte
Methode bestand in der Ausmessung von Prüfstücken der Legierung, wobei zunächst
vor den Oxydationsversuchen die Ausmaße der Prüfstücke genau bestimmt wurden. Der
Oxydüberzug, der sich auf der Oberfläche der Prüfstücke während der Prüfung bildet,
wurde entfernt, die Dicke jedes Prüflings erneut gemessen und mit der ursprünglichen
Dicke verglichen. Die gleiche Prüfung wurde mit annähernd reinem Niob vorgenommen
und ein Vergleich zwischen der Oxydationsbeständigkeit des Niobs und der Legierung
dieses Beispiels angestellt.
-
Versuchsstäbe von 0,64 cm Durchmesser und 7,6 cm Länge wurden aus
dem im Lichtbogen geschmolzenen Gußblock durch Warmverformung hergestellt. Die Versuchsstäbe
besaßen in strömender Luft eine Zeitstandfestigkeit nach 100 Stunden, die 1430 kg/cm2
bei etwa 1093° C überstieg. Beispiel 2 Ein Gußblock einer Niob-Tantal-Chrom-Wolfram-Legierung
mit einer Zusammensetzung von 10 Gewichtsprozent Chrom, 10 Gewichtsprozent
Wolfram, 24 Gewichtsprozent Tantal und 56 Gewichtsprozent Niob neben den üblichen
Verunreinigungen wurde auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise hergestellt.
-
Die im Lichtbogen geschmolzene Legierung wurde auf ihre Oxydationsbeständigkeit
in strömender Luft bei etwa 1093° C 24 Stunden lang, auf die gleiche Weise, wie
im Beispiel 1 beschrieben, geprüft. Die Oxydationsbeständigkeit dieser Legierung
ist etwa 650mal größer als die von annähernd reinem Niob.
-
Versuchsstäbe von 0,64 cm Durchmesser und 7,6 cm Länge wurden aus
dem im Lichtbogen geschmolzenen Gußblock durch Warmverformung hergestellt. Die Versuchsstäbe
besaßen in strömender Luft eine Zeitstandfestigkeit nach 100 Stunden, die 1430 kg/cm2
bei etwa 1093° C überstieg.
-
Beispiel 3 Ein Gußblock einer Legierung aus Niob, Wolfram, Tantal
und Chrom mit einer Zusammensetzung von 5 Gewichtsprozent Chrom, 25 Gewichtsprozent
Wolfram, 7,3 Gewichtsprozent Tantal und 62,7 Gewichtsprozent Niob neben den üblichen
Verunreinigungen wurden nach im Beispiel 1 beschriebener Methode hergestellt.
-
Die im Lichtbogen geschmolzene Legierung wurde auf ihre Oxydationsbeständigkeit
in strömender Luft bei etwa 1093° C 24 Stunden nach der im Beispiel 1 beschriebenen
Methode geprüft. die Oxydationsbeständigkeit dieser Legierung ist etwa 100mal größer
als die von annähernd reinem Niob.
-
Versuchsstäbe von 0,64 cm Durchmesser und 7,6 cm Länge wurden aus
dem im Lichtbogen geschmolzenen Gußblock durch Warmverformung hergestellt. Die Versuchsstäbe
besaßen in strömender Luft eine Zeitstandfestigkeit nach 100 Stunden, die 1430 kg/cm2
bei etwa 1093° C überstieg. Beispiel 4 Ein Gußblock einer Chrom-Niob-Tantal-Wolfram-Legierung
einer Zusammensetzung von 20 Gewichtsprozent Chrom, 5 Gewichtsprozent Wolfram, 7,5
Gewichtsprozent Niob und 67,5 Gewichtsprozent Tantal neben den üblichen. Verunreinigungen
wurde nach der im Beispiel 1 beschriebenen Methode hergestellt.
-
Die im Lichtbogen geschmolzene Legierung wurde auf ihre Oxydationsbeständigkeit
in strömender Luft bei etwa 1093° C 24 Stunden lang nach der im Beispiel 1 beschriebenen
Weise geprüft. Die Oxydationsbeständigkeit dieser im Lichtbogen geschmolzenen Legierung
ist etwa 800mal größer als die von annähernd reinem Niob.
-
Versuchsstäbe von 0,64 cm Durchmesser und 7,6 cm Länge wurden aus
dem im Lichtbogen geschmolzenen Gußblock durch Warmverformung hergestellt. Die Versuchsstäbe
besaßen in strömender Luft eine Zeitstandfestigkeit nach 100 Stunden, die 1430 kg/cm2
bei etwa 1093° C überstieg.
-
Beispiel 5 Ein Gußblock einer Tantal-Niob-Chrom-Wolfram-Legierung
mit einer Zusammensetzung von 10 Gewichtsprozent Chrom, 10 Gewichtsprozent Wolfram,
40 Gewichtsprozent Niob und 40 Gewichtsprozent Tantal neben den üblichen Verunreinigungen
wurde auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise hergestellt.
-
Die im Lichtbogen geschmolzene Legierung wurde auf ihre Oxydationsbeständigkeit
in strömender Luft bei etwa 1093° C 24 Stunden lang, wie im Beispiel 1, beschrieben,
geprüft. Die Oxydationsbeständigkeit dieser Legierung ist etwa 500mal größer als
die von annähernd reinem Niob.
-
Versuchsstäbe von 0,64 cm Durchmesser und 7,6 cm Länge wurden aus
dem im Lichtbogen geschmolzenen Gußblock durch Warmverformung hergestellt. Die Versuchsstäbe
besaßen in strömender Luft eine Zeitstandfestigkeit nach 100 Stunden, die 1430 kg/cm2
bei etwa 1093° C überstieg. Beispiel 6 Ein Gußblock einer Niob-Tantal-Chrom-Wolfram-Legierung
mit einer Zusammensetzung von 5 Gewichtsprozent Chrom, 2 Gewichtsprozent Wolfram,
18,6 Gewichtsprozent Tantal und 74,4 Gewichtsprozent Niob neben den üblichen Verunreinigungen
wurde auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise hergestellt.
-
Die im Lichtbogen, geschmolzene Legierung wurde auf ihre Oxydationsbeständigkeit
in strömender Luft bei etwa 1093° C 24 Stunden lang, wie im Beispiel 1 beschrieben,
geprüft. Die Oxydationsbeständigkeit dieser im Lichtbogen geschmolzenen Legierung
war
etwa 100mal größer als die von annähernd reinem Niob.
-
Versuchsstäbe von 0,64 cm Durchmesser und 7,6 cm Länge wurden aus
dem im Lichtbogen geschmolzenen Gußblock durch Warmverformung hergestellt. Die Versuchsstäbe
besaßen in strömender Luft eine Zeitstandfestigkeit nach 100 Stunden, die 1430 kg/cm2
bei etwa 1093° C überstieg.