DE1219691B

DE1219691B - Heat-resistant, scale-resistant nickel-tungsten-cobalt-chromium cast alloys

Info

Publication number: DE1219691B
Application number: DES66969A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Harold Thielemann
Original assignee: Sierra Metals Corp
Current assignee: Sierra Metals Corp
Priority date: 1959-02-05
Filing date: 1960-02-05
Publication date: 1966-06-23

Description

Warmfeste, zunderfeste Nickel-Wolfram-Kobalt-Chrom-Gußlegierungen Es sind bereits Nickel-Chrom-Legierungen mit 10 bis 25% Chrom, bis 10'% Wolfram, bis 5 % Niob, 0,5 bis 4% Aluminium, 0,03 bis 0,15% Kohlenstoff, bis 0,5 % Bor, bis 0;3 % Zirkonium, bis 25'% Kobalt, 1,08 bis 4% Titan, gegebenenfalls bis 10% Molybdän, bis 10% Eisen, bis 1% Silicium und kleinere Mengen Mangan, Rest Nickel, bekanntgeworden. Diese Nickellegierungen weisen nur eine beschränkte Zunderfestigkeit und Warmfestigkeit auf, so daß sie sich nicht für außerordentlich hoch beanspruchte Bauteile mit hohen Arbeitstemperaturen eignen.Heat-resistant, scale-resistant nickel-tungsten-cobalt-chromium cast alloys There are already nickel-chromium alloys with 10 to 25% chromium, up to 10% tungsten, up to 5% niobium, 0.5 to 4% aluminum, 0.03 to 0.15% carbon, up to 0.5% boron, up to 0; 3% zirconium, up to 25% cobalt, 1.08 to 4% titanium, optionally up to 10% molybdenum, up to 10% iron, up to 1% silicon and smaller amounts of manganese, the remainder being nickel, has become known. These nickel alloys only have a limited resistance to scale and heat resistance so that they are not suitable for extremely highly stressed components with high Working temperatures are suitable.

Die erfindungsgemäßen Legierungen sind hoch warmfest und kriechbeständig und dienen als Konstruktionslemente in heißgehenden Gasturbinen und Strahltriebwerken, wo beträchtlich hohe Arbeitstemperaturen herrschen und an die Dauerstandfestigkeit und Zunderfestigkeit der Legierungen besonders lohe Anforderungen gestellt werden. Es ist bekannt, de.ß warmfeste Nickellegierungen bei hoher Temperaturbeanspruchung unter mechanischer Belastung kriechen bzw. sich dehnen, und zwar beruht diese Deformation auf einer großen Anzahl an feinsten Rissen an den Korngrenzen. Die Korngrenzenrisse wirken als Kerben und führen damit zu einer Herabsetzung der Zugfestigkeit unter den herrschenden Arbeitsbedingungen. Außer der Kerbwirkung der Haarrisse an den Korngrenzen wird durch diese die einer Verzunderung zugängliche Fläche um ein Vielfaches vergrößert, d. h., die Korngrenzenoxydation beschleunigt stark den Dauerbruch. Diese Verhältnisse sind für Nickellegierungen ganz bekannt. Die erfindungsgemäßen Legierungen sind gegen diese metallurgischen Erscheinungen relativ unempfindlich.The alloys according to the invention are highly heat-resistant and creep-resistant and serve as construction elements in hot-running gas turbines and jet engines, where there are considerably high working temperatures and the long-term stability and scale resistance of the alloys, particularly poor requirements are made. It is known that heat-resistant nickel alloys are used at high temperatures crawl or stretch under mechanical stress, and that is based on this deformation on a large number of the finest cracks at the grain boundaries. The grain boundary cracks act as notches and thus lead to a reduction in tensile strength the prevailing working conditions. Besides the notch effect of the hairline cracks on the This increases the surface area accessible to scaling many times over enlarged, d. That is, the grain boundary oxidation strongly accelerates the fatigue fracture. These Ratios are well known for nickel alloys. The alloys according to the invention are relatively insensitive to these metallurgical phenomena.

Die erfindungsgemäßen warmfesten, zunderfesten Gußlegierungen auf Nickelbasis mit Wolfram, Kobalt, Chrom, Niob, Aluminium, Titan und gegebenenfalls Molybdän als weiteren Legierungsbestandteilen bestehen aus 6 bis 9,25% Chrom, 10 bis 200/0 Wolfram, 0,25 bis 1,2% Niob, 4 bis 6% Aluminium, 0,12 bis 0,17% Kohlenstoff, 0,03 bis 0,2% Bor und/oder 0,03 bis 0,12 0/0 Zirkonium, 9 bis 15 0/0 Kobalt, 1 bis 3'% Titan, gegebenenfalls bis 5 % Eisen, bis 3'% Molybdän, bis 2 % Mangan, bis 1% Silicium, Rest Nickel.The heat-resistant, scale-resistant cast alloys according to the invention Nickel based with tungsten, cobalt, chromium, niobium, aluminum, titanium and optionally Molybdenum as a further alloy component consists of 6 to 9.25% chromium, 10 up to 200/0 tungsten, 0.25 to 1.2% niobium, 4 to 6% aluminum, 0.12 to 0.17% carbon, 0.03 to 0.2% boron and / or 0.03 to 0.12% zirconium, 9 to 15% cobalt, 1 to 3% titanium, possibly up to 5% iron, up to 3% molybdenum, up to 2% manganese, up to 1% Silicon, the remainder nickel.

Sie sind warmfest und zunderbeständig bis etwa 1093° C, so daß sie für außerordentlich hohe Arbeitstemperaturen geeignet sind. Sie lassen sich sehr leicht gießen und sind daher unter anderem auch für die Herstellung von Ablaßventilen und Leitungen für Verbrennungskraftmaschinen, Wärmeaustauscher und Auskleidungen für Retorten und Reaktionsgefäße der chemischen und metallurgischen Industrie verwendbar. Sie lassen sich anwenden für Bauteile verschiedenster Form für heißgehende Verbrennungsmaschinen und Turbinen sowie für Schutzschichten und Überzüge von beispielsweise Flugzeug- oder Raketennasen und sonst auf Temperaturwechselbeständigkeit und mechanische Festigkeit hoch -beanspruchte Teile, Es zeigte sich, daß ein gewisser Zusammenhang zwischen Festigkeit und .Stabilität bei hohen Arbeitstemperaturen und der Anwesenheit von. Bor und/oder Zirkonium zu sehen ist. Für viele Fälle wird daher ein Gewichtsverhältnis Zirkonium zu Bor von etwa 4:1 in den Legierungen bevorzugt. Über einen Borgehalt von über 0,2'% soll man nicht hinausgehen, da sonst die Eigenschaften der Legierungen, insbesondere die Temperaturwechselbeständigkeit, verringert werden könnten.They are heat-resistant and scale-resistant up to about 1093 ° C, so they are suitable for extremely high working temperatures. You can be very easy to pour and are therefore also used, among other things, in the manufacture of drain valves and lines for internal combustion engines, heat exchangers and linings Can be used for retorts and reaction vessels in the chemical and metallurgical industries. They can be used for components of various shapes for hot internal combustion engines and turbines as well as for protective layers and coatings of, for example, aircraft or rocket noses and otherwise on thermal shock resistance and mechanical strength highly stressed parts, It was found that a certain connection between Strength and stability at high working temperatures and the presence of. Boron and / or zirconium can be seen. Therefore, in many cases, a weight ratio will be used Zirconium to boron of about 4: 1 preferred in the alloys. About a borrowed content of more than 0.2% should not be exceeded, otherwise the properties of the alloys, in particular the resistance to temperature changes could be reduced.

Bei bevorzugten Legierungen liegt das Gewichtsverhältnis von Aluminium zu Titan zwischen etwa 2:1und6:1.In preferred alloys, the weight ratio is aluminum to titanium between about 2: 1 and 6: 1.

In den erfindungsgemäßen Legierungen kann ohne Beeinträchtigung der mechanischen und thermischen Eigenschaften Molybdän anwesend sein. Hierfür soll jedoch die Molybdänmenge nicht mehr als 3 Gewichtsprozent betragen. Die Legierungselemente Silicium, Mangan und Eisen sind keine wesentlicheri:Besfa@@dfeile''der erfindungsgemäßen Legierungen; jedoch zeigte sich, daß die Zugabe von geringen Mengen von einem oder mehreren dieser Elemente, also bis 1 Gewichtsprozent Silicium, bis 2 GeiNicltsprozent 1VTäiigäh und bis 5 Gewichtsp_rozeril-Eisen;. in einigri;älleri, bestimmte Legieru4gseigenschaften verbessern können.In the alloys according to the invention, without impairing the mechanical and thermal properties molybdenum be present. For this should however, the amount of molybdenum should not be more than 3 percent by weight. the Alloying elements silicon, manganese and iron are not essentiali: Besfa @@ dfeile''der alloys according to the invention; however, it was found that the addition of small amounts of one or more of these elements, i.e. up to 1 percent by weight silicon, to 2 percent by weight and up to 5 percent by weight of iron. in einigri; älleri, can improve certain alloy properties.

Die Elemente an' den Zwischengitteflät-zer'= also die Begleitelemente,'vVie Sticksföff, WMsetsfofE;-Zinn oder Blei - sollen in möglichst geringem Anteil vorhanden sein. Die erfindungsgemäßen Legierungen sollen nicht mehr als 0,5 Gewichtsprozent sogenannte DEsoxydationsmittel, _ wie Caleium-. oder--Magnesium, enthalten.The elements on 'the Zwischengitteflät-zer' = so the accompanying elements, 'vVie Sticksföff, WMsetsfofE; tin or lead - should be present in as low a proportion as possible be. The alloys according to the invention should not be more than 0.5 percent by weight so-called de-oxidizing agents, such as Caleium-. or - contain magnesium.

Eine bevorzugte erfindungsgemäße Legierung- ent-Yllt9@7oi@n,' 12;5 UM Wölfrain°;'1-0/ö Niob"5;25 9/0 Aluminium, 2% Titan und:0_,03°/ö Bor,- 10 11% Kbbalt, 0,12% Zirkonium, 0,15% Kohlenstoff, bis 1,5% Eisen, bis ß_1@/o Mangan, _bis"_Oa1_@_/_o_ Süiciurn,_Rest Nickel. In »Rest Nickel« sind auch die üblichen Verunreinigungen, Begleitelemente und/oder.' DesoXydationsmittel enthalten, die die, Eigenschaften der. Legierung selbst nicht wesentlich beemÜüsseri. " Die überlegenheit der erfindungsgemäßen Legierungen soll an Hand folgender Beispie_l_e_dargelegt werden.A preferred alloy according to the invention - ent-Yllt9 @ 7oi @ n, '12; 5 UM Wölfrain °;' 1-0 / ö niobium "5; 25 9/0 aluminum, 2% titanium and: 0.03% boron, - 10 11% Kbbalt, 0.12% zirconium, 0.15% carbon, 1.5% en to ice, bi s @ SS_1 / o manganese, _Up "_Oa1 _ @ _ / _ o_ Süiciurn, _Rest nickel. The “rest of nickel” also includes the usual impurities, accompanying elements and / or. ' Contain deoxidizers that have the properties of. Alloy itself is not essential. "The superiority of the alloys according to the invention should be demonstrated using the following examples.

Es vurde-eiiie""Ld'gigrun'g"":aü's:"6--Gewichtsprözent Chrom, 15 Gewichtsprozent Wolfram, 1 -Gewichtsprozent Niöb, 4 Gewichtsprozent Aluminium,, .3 Gewichtsprozent Titan, 0,05'=0etwichtsprözent - Bor, 0,15 Gewichtsprozent..Kohlehstöff; d.0-Gevvichtsprozent Kobalt, Rest Nickel, erschmolzen,. und zwar im Hochvakuum- in, einem _ Mäggesittiegel, und. daraus Prüfstäbe abgegossen (7,6 mm; 6,4-mmDurchmesser).It vurde-eiiie ""Ld'gigrun'g"":aü's:"6 - weight percent chromium, 15 weight percent tungsten, 1 weight percent Niöb, 4 weight percent aluminum, .3 weight percent titanium, 0.05 '= 0 weight percent - boron, 0.15 Gewichtsprozent..Kohlehstöff; d.0-Gevvichtsprozent cobalt, balance nickel, melted ,. namely decanted from test bars in high vacuum in, a _ Mäggesittiegel, and (7.6 mm;. 6.4 mm in diameter ).

Zugfestigkeit: 105,4 kglxrim2, Siüclideguüng etwa 3,a@@'@ifsta$`dfe"siigleit-e'i 982° C an'Luft unter einer Belastung von 11;95 k,/mm2-nach 400 Stunden betrug die Dehnung 2% und unter einer Belastung von 14,06 kg/mm2 nach 300 Stunden 6%; bei 1036° C ah' Luft unfi.- bei-` einer 'Belastung' von 8;72 kg/mni2 'nach -mehr- `als 150 Stünden- betrug - die Dehnung. etwa 3a/o'ündnach inehr-;äls. 10Ö Stunden unter einet: Belastung von 10,54 kg/min2 5-19/o: -" `** .- @Beispiel 2 Es wurde 'eine Legiürüng äus '7 0%o Chrom; 12,5% Wolfram, 1% Niob, 6% Aluminium, 19/o Titan, 0,05% Bor; `" 2'% Mangan, ° 0,1519/o Kohlenstoff, 10 °/o Kobalt, Rest Nickel, hergestellt und - Prüfstäbe daraus abgegossen.' 'Zugfestigkeit: 84,3 kg/mm2, Bruchdehnung: 5%; Zeitstandfestigkeit: Bei; 982° C an Luft unter einer Belastung von 17,95 kehün2 nach mehr als 300 Stunden 6,2% Dehnung.Tensile strength: 105.4 kglxrim2, Siüclideguüng about 3, a @@ '@ ifsta $ `dfe" siigleit-e'i 982 ° C in the air under a load of 11; 95 k, / mm2-after 400 hours it was Elongation 2% and under a load of 14.06 kg / mm2 after 300 hours 6%; at 1036 ° C ah 'air unfi.- at-a' load 'of 8; 72 kg / mni2' after -more- `than 150 Stands- fraud - the stretch. about 3a / o'und after inehr-; äls. 10Ö hours under one: Load of 10.54 kg / min2 5-19 / o: - "` ** .- @Example 2 A Legiürüng less than 70% chromium; 12.5% tungsten, 1% niobium, 6% aluminum, 19 / o titanium, 0.05% boron; "" 2% manganese, 0.1519% carbon, 10% cobalt, the balance nickel, and - Test rods poured out of it. ' Tensile strength: 84.3 kg / mm2, elongation at break: 5%; Creep strength: At; 982 ° C in air under a load of 17.95 kehün2 after more than 300 hours 6.2% elongation.

Beis.pieli3- " _ .Examplei3- "_.

" Es wurde eine Schmelze hergestellt aus 7 % Chrom, 12 % Wolfram, 16/o Niob, 4 % Aluminium, 3'% Titan, 3.'0/0 Molybdän, 0,05% Bor, 0,15% Kohlenstoff, 10% Kobalt, Rest Nickel, und daraus Prüfstäbe abgegossen."A melt was made of 7% chromium, 12% tungsten, 16 / o niobium, 4% aluminum, 3 '% titanium, 3'0 / 0 molybdenum, 0.05% boron, 0.15% carbon, 10% cobalt, the rest nickel, and test rods cast from it.

Zugfestigkeit: 105,4 kg/mm2, Bruchdehnung: 2,7 0/0, Zeitstandfestigkeit: Bei 982° C an Luft unter einer Belastung von 11;95 kg/mm2 nach mehr als 350 Stunden 1,9 % Dehnung.Tensile strength: 105.4 kg / mm2, elongation at break: 2.7 0/0, creep rupture strength: At 982 ° C in air under a load of 11; 95 kg / mm2 after more than 350 hours 1.9% elongation.

B ei.s piel 4 _.: Es' Wifde _ eine- Schmälze" äus @ 919/0 Chrom,' -12,5m% Wolfram; 1%.'Niob, 5;25191o Aluminium, 20%o 'Titäri; p;120% Zirkönium, 0;0319/ö Bör;-0,150/0 Kohlenstoff, 10%' Kobält, Rest Nickel; hergestellt und daraus Prüfstäbe abgegös'sen: " ' " Festigkeit: 104,4 kg/mm2; ,Bruchdehnung: 4,1%, Zeitstaüdfestigkeit: bei 982° C'unter einer Belastung von 24,Q6. kg/mm?' nach- 398 Stunden 7,5% Dehnung' und üriter einer Belastung 'von 17;57 kg/mm2 nach' 160 Stunden 3,39/o Dehnung, -bei 1036° C bei einer Belastung von 10,54 kg/mm2 nach mehr als 192 Stunden 4"1% behnung und unter -ciner@ Belastüngvon 12;3 kg/mm2 nach "mehr" als 99 Stunden 2,5 % Dehnung.B ei.s piel 4 _ .: It 'Wifde _ ein- Schmälze "äus @ 919/0 Chrom,' -12.5m% tungsten; 1%. 'Niobium, 5; 25191o aluminum, 20% o' titari; p; 120% zirconium, 0; 0319 / ö Bör; -0.150 / 0 carbon, 10% cobalt, balance nickel; manufactured and from it test rods Abegös'sen: "'" Strength: 104.4 kg / mm2; , Elongation at break: 4.1%, fatigue strength: at 982 ° C 'under a load of 24, Q6. kg / mm? ' after 398 hours 7.5% elongation ' and üriter a load of 17; 57 kg / mm2 after 160 hours 3.39 / o elongation, -at 1036 ° C with a load of 10.54 kg / mm2 after more than 192 hours 4 "1% warning and under -ciner @ load of 12; 3 kg / mm2 after "more" than 99 hours 2.5% elongation.

Claims

Patent claims: 1- "Heat-resistant; scale-resistant-: Gliss alloys on Nic ° kelbäsfs * with Wglfrain, Köbält, Chrom, Nfoli, Alüminiuin, titanium, possibly molybdenum, consisting of 6 to 9.25 9 / o chromium, 10 * to 20« % Tungsten,: 0.25 to. 1; 2% niobium, 4 to 6n / ö Ahiminium, 0.12 to '0.17% carbon, 9 to 15% cobalt,' 1 to 3 0 / ö titanium; ' 0.03 to 0.219 / o boron and /: or 0.03 to 0.12% zirconium, if necessary up to 5% iron, up to 31W molybdenum, up to 2% manganese, -to 10/0 silicon, the remainder nickel 2. Alloy according to claim 1, consisting of 9 b / o chromium, 12.5% tungsten, 19 / o niobium, 5, 25% aluminum, 2% titanium, 0.03% boron, 10% cobalt ; "" 0.12% zirconium, 0.15b / o carbon, up to 1.5% iron, up to 0.10% manganese and up to 0.1% silicon, the remainder being nickel. French patent draft no. L'071 278.