DE1169141B

DE1169141B - Niobium alloy

Info

Publication number: DE1169141B
Application number: DEG32367A
Authority: DE
Inventors: Winston Harold Chang; Jack Wilson Clark
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1960-05-31
Filing date: 1961-05-29
Publication date: 1964-04-30

Description

Nioblegierung Die Erfindung bezieht sich auf Nioblegierungen, die gehärtet sind, und zwar sowohl durch sogenannte Lösungshärtung durch Wolfram und Molybdän als auch durch sogenannte Dispersionshärtung durch eine Kombination von Zirkonium, Hafnium und Titan in Gegenwart von Kohlenstoff.Niobium Alloy The invention relates to niobium alloys that are hardened, both by so-called solution hardening by tungsten and Molybdenum as well as so-called dispersion hardening through a combination of Zirconium, hafnium and titanium in the presence of carbon.

Die Entwicklung von Legierungen auf Niobbasis erstrebt sowohl eine Verbesserung in der Festigkeit als auch in der Oxydationswiderstandsfähigkeit. Im allgemeinen stellt jedoch eine Legierung, die schließlich zur marktfähigen Produktion kommt, weder die festeste Legierung noch die mit der besten Oxydationsbeständigkeit dar. Eine produktionsreife Legierung wird vielmehr die beste Kombination von Festigkeit und Oxydationswiderstandsfähigkeit bieten, zugleich mit guter Duktilität, die die fabrikmäßige Verarbeitung gestattet.The development of niobium-based alloys seeks to do both Improvement in strength as well as in oxidation resistance. in the general, however, represents an alloy that will eventually become marketable for production comes, neither the strongest alloy nor the one with the best resistance to oxidation Rather, an alloy ready for production is the best combination of strength and oxidation resistance, at the same time with good ductility, which the Factory processing permitted.

Verschiedene Legierungen auf Niobbasis erreichen ihre Festigkeit durch zwei zusammenwirkende Mechanismen. Einer von diesen ist die sogenannte Lösungshärtung, bei der gewisse Mengen bestimmter Substitutionselemente in eine einzige . Phase oder »feste Lösung« mit dem Grundmetall gebracht sind. Im allgemeinen geschieht das während des Vakuum-Lichtbogenschmelzens der Legierung. Der andere dieser zusammenwirkenden festigkeitsfördernden Mechanismen ist die sogenannte Dispersionshärtung, bei welcher andere Mengen besonderer Substitutionselemente in die Legierung eingeführt werden, zusammen mit solchen Lückenelementen, wie Kohlenstoff oder Sauerstoff oder diesen beiden, zur Bildung feiner, gut verteilter und thermodynamisch stabiler Teilchen von Carbiden oder Oxyden oder beiden. Das Vorhandensein einer solchen feinen, gut- verteilten Phase innerhalb der Grundmasse einer Legierung äußert eine starke Wirkung, die darin besteht, daß Verlagerungsbewegungen und dadurch Fließerscheinungen während lang anhaltender konstanter Belastungsbruchbedingungen verhindert werden.Various alloys based on niobium achieve their strength through two interacting mechanisms. One of these is the so-called solution hardening, in which certain quantities of certain substitution elements in a single one. phase or "solid solution" are brought to the base metal. Generally happens that during the vacuum arc melting of the alloy. The other of these cooperating Strength-promoting mechanisms is the so-called dispersion hardening, in which other quantities of special substitution elements are introduced into the alloy, together with such gap elements as carbon or oxygen or these both, to form fine, well-distributed and thermodynamically stable particles of carbides or oxides or both. The presence of such a fine, well- distributed phase within the matrix of an alloy has a strong effect, which consists in the fact that displacement movements and thereby flow phenomena during long-lasting constant stress rupture conditions can be prevented.

Gegenstand der Erfindung ist eine verbesserte Legierung auf Niobbasis mit einem guten Gleichgewicht an Festigkeit und Oxydationswiderstandsfähigkeit, wobei ein kräftiges Grundmetall verstärkt ist durch eine feine Dispersion von komplexen hochstabilisierten Carbiden.The invention relates to an improved niobium-based alloy with a good balance of strength and resistance to oxidation, where a strong base metal is reinforced by a fine dispersion of complexes highly stabilized carbides.

Die Nioblegierung nach der Erfindung ist lösungsgehärtet durch Wolfram und Molybdän sowie dispersionsgehärtet durch folgende in Gewichtsprozent angegebenen Bestandteile: 0,1 bis 1,0% Titan, 0,1 bis 1,8% Zirkonium und 0,5 bis 1,0% Hafnium in Gegenwart von Kohlenstoff, so daß sich verteilte, einfache und komplexe Carbide von Titan, Zirkonium und Hafnium bilden.The niobium alloy according to the invention is solution hardened by tungsten and molybdenum as well as dispersion hardened by the following in percent by weight Components: 0.1 to 1.0% titanium, 0.1 to 1.8% zirconium and 0.5 to 1.0% hafnium in the presence of carbon, so that distributed, simple and complex carbides form of titanium, zirconium and hafnium.

Diejenige Nioblegierung, die den Gegenstand der nicht zum Stand der Technik gehörenden USA.-Patentschrift 2 973 261 vom 11. Juni 1959 bildet, ist ein Beispiel einer lösungsgehärteten Nioblegierung mit einem sorgfältig ausgewählten Zusatz an Wolfram und/oder Molybdän innerhalb des Bereiches von 4 bis 20 Gewichtsprozent. Zusätzlich ist diese Legierung auch.noch dispersionsgehärtet mit folgenden in Gewichtsprozent angegebenen Bestandteilen: etwa 0,1 bis 1,8% Zirkonium und nach Bedarf bis 1,0% Titan in Gegenwart von Kohlenstoff bis etwa 0,3% und gegebenenfalls von Sauerstoff bis etwa 0,25%.That niobium alloy which is the subject of non-prior art U.S. Patent 2,973,261 dated June 11, 1959 is an example of a solution hardened niobium alloy with a carefully selected addition of tungsten and / or molybdenum within the range of 4 to 20 percent by weight. In addition, this alloy is also dispersion hardened with the following components indicated in percent by weight: about 0.1 to 1.8% zirconium and, if required, up to 1.0% titanium in the presence of carbon up to about 0.3% and optionally from oxygen up to about 0.25%.

Es wurde nun gefunden, daß eine überraschende Steigerung der Festigkeit ohne Einbuße an Oxydationswiderstandsfähigkeit in Nioblegierungen mit 4 bis 20% Wolfram und Molybdän erreicht werden kann, und zwar durch sorgfältig bestimmte Anwendung von 0,5 bis 1,0% Hafnium zusammen mit 0,1 bis 1,0% Titan und 0,1 bis 1,8% Zirkonium in Gegenwart von bis 0,31/o Kohlenstoff zur Bildung hochstabilisierter komplexer Carbide, die in der ganzen lösungsgehärteten Grundmasse Nb-Mo-W gut verteilt sind.It has now been found that a surprising increase in strength without loss of resistance to oxidation in niobium alloys with 4 to 20% Tungsten and molybdenum can be achieved, and through careful application from 0.5 to 1.0% hafnium together with 0.1 to 1.0% titanium and 0.1 to 1.8% zirconium in the presence of up to 0.31 / o carbon to form highly stabilized complexes Carbides that are well distributed throughout the solution-hardened matrix Nb-Mo-W.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht eine solche Legierung aus folgenden in Gewichtsprozent angegebenen Bestandteilen: 15 bis 20% W, 5 bis 10% Mo, 0,5 bis 1,0"/o Zr, 0,05 bis 0,1% C, 0,5 bis 1,0'% Hf, 0,1 bis 0,25% Ti, Rest Niob. Bei einer anderen Ausführungsform kann noch bis 0,05 % Bor zugesetzt werden, um eine weitere Verbesserung der Festigkeitseigenschaften zu erreichen.In a preferred embodiment of the invention, there is one Alloy composed of the following components, given in percent by weight: 15 to 20% W, 5 to 10% Mo, 0.5 to 1.0 "/ o Zr, 0.05 to 0.1% C, 0.5 to 1.0% Hf, 0.1 to 0.25% Ti, the remainder niobium. In another embodiment, up to 0.05% boron can also be added in order to achieve a further improvement in the strength properties.

Die folgende Tabelle 1 gibt die Zusammensetzung einiger typischer Legierungen an, wobei die Legierungen 1 bis 3 erfindungsgemäße Legierungen darstellen, während es sich bei den Legierungen 4 und 5 um Legierungen handelt, die nicht zum Gegenstand der Erfindung zählen. Die Legierungen wurden durch Vakuum-Lichtbogenschmelzen in Chargen von etwa 2,25 kg erzeugt, stranggepreßt und im Ges enk geschmiedet zu Blöcken von etwa 12,3 mm Durchmesser. Tabelle 1 Legierung Gewichtsprozent W i Mo Zr I C i Hf Ti B N6 f I, I 1 20 10 1,0 0,1 1i 0,5 0,1 0,05 Rest 2 20 10 0,5 0,1 1,0 0,25 Rest 3 15 5 0,5 0,05 1,0 0,25 Rest 4 15 5 0,5 0,1 - - Rest 5 15 5 1,0 0,12 - - Rest Die folgenden Tabellen 1I und III stellen die Ergebnisse von Dehnungs- und Bruchfestigkeitsversuchen zusammen, die im Vakuum an den geschmiedeten Legierungen 1 bis 5 ausgeführt wurden. Tabelle Il Bestimmung der Zugfestigkeit und Streckgrenze Zugfestigkeit 0,2 %-Streckgrenze Legierung (70 kg/cmQ) (70 kg/cm'!) 1100° C 1210° C 1100° C 1210° C 1 - 61,2 - 58,0 2 90,0 64,2 86,4 55,5 3 59,8 50,3 51,3 48,3 4 52,0 45,2 48,4 40,0 5 64 48 50 35 Tabelle III Zeitstandfestigkeit Legierung Standzeit in Q Stunden (bei 2400 kg/cm und 11001 C) 2 104,12 3 48,07 4 19,7 5 20,0 Obgleich die bevorzugte Ausführungsform der Legierung nach der Erfindung im Bereich der Legierungen 1 und 2 liegt (welche in jeder Beziehung bemerkenswert stärker sind) und besonders im Bereich der Zusammensetzung 2, so erkennt man doch, daß auch die Legierung 3, die innerhalb des Erfindungsbereiches liegt, zu einer verbesserten Zugfestigkeit bei 1210° C geführt hat und zu einer verbesserten 0,2%-Streckgrenze und Bruch-Standzeit bei 1100° C, im Vergleich zu der stärksten bisher bekannten Legierung, die unter der Nr. 5 in den Tabellen erscheint.The following table 1 gives the composition of some typical alloys, alloys 1 to 3 representing alloys according to the invention, while alloys 4 and 5 are alloys that are not part of the subject matter of the invention. The alloys were created by vacuum arc melting in batches of approximately 2.25 kg, extruded and die forged into billets approximately 12.3 mm in diameter. Table 1 Alloy weight percent W i Mo Zr IC i Hf Ti B N6 f I, I 1 20 10 1.0 0.1 1i 0.5 0.1 0.05 remainder 2 20 10 0.5 0.1 1.0 0.25 remainder 3 15 5 0.5 0.05 1.0 0.25 remainder 4 15 5 0.5 0.1 - - remainder 5 15 5 1.0 0.12 - - remainder The following Tables 1I and III summarize the results of elongation and breaking strength tests which were carried out on forged alloys 1 to 5 in a vacuum. Table Il Determination of tensile strength and yield point Tensile strength 0.2% yield strength Alloy (70 kg / cmQ) (70 kg / cm '!) 1100 ° C 1210 ° C 1100 ° C 1210 ° C 1 - 61.2 - 58.0 2 90.0 64.2 86.4 55.5 3 59.8 50.3 51.3 48.3 4 52.0 45.2 48.4 40.0 5 64 48 50 35 Table III Creep strength Alloy tool life in Q hours (at 2400 kg / cm and 11001 C) 2 104.12 3 48.07 4 19.7 5 20.0 Although the preferred embodiment of the alloy of the invention is in the range of alloys 1 and 2 (which are remarkably stronger in every respect) and especially in the range of composition 2, it will be recognized that alloy 3 is also within the scope of the invention , has led to an improved tensile strength at 1210 ° C and an improved 0.2% yield strength and break life at 1100 ° C, compared to the strongest alloy known to date, which appears under No. 5 in the tables.

Claims

Claims: 1. Solution and dispersion hardened niobium alloy, consisting of 4 to 20% tungsten and molybdenum, 0.1 to 1.01% titanium, 0.1 to 1.8% Zirconium, 0.5 to 1.0% hafnium, up to 0.3% carbon, the remainder niobium.

2. Alloy after Claim 1, consisting of 15 to 20% tungsten, 5 to 10% molybdenum, 0.1 to 0.25% Titanium, 0.5 to 1.0% zirconium, 0.5 to 1.0% hafnium, 0.05 to 0.1% carbon, 0 to 0.05% boron, balance niobium.

3. Alloy according to claim 2, consisting of 20% tungsten, 101 / o molybdenum, 0.2511 / o titanium, 0.5II / o zirconium, 1.0% hafnium, 0.1% carbon, Remainder niobium.

4. Alloy according to claim 2, consisting of 20% tungsten, 10% molybdenum, 0.1% titanium, 1.0% zirconium, 0.5% hafnium, 0.1% carbon, 0.05 ° 10 boron, the remainder niobium.