DE1238672B - Use of a nickel-cobalt-chromium alloy for castings that are resistant to creep at high temperatures - Google Patents
Use of a nickel-cobalt-chromium alloy for castings that are resistant to creep at high temperaturesInfo
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Description
Deutsche Kl.: 40 b-19/04 German class: 40 b -19/04
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Nummer: 1 238 672Number: 1 238 672
Aktenzeichen: M 47782 VI a/40 bFile number: M 47782 VI a / 40 b
1238 672 Anmeldetag: 25.Januar 19611238 672 Filing date: January 25, 1961
Auslegetag: 13. April 1967Opened on: April 13, 1967
Die Erfindung bezieht sich auf eine Legierung zur Herstellung von Gußstücken und Teilen, die bei hohen, 925 0C und mehr betragenden Temperaturen großen Belastungen ausgesetzt sind, insbesondere von Gasturbinenteilen, wie Rotor- und Statorschaufeln, Düsenleitschaufeln und Turbinenläufer.The invention relates to an alloy for the production of castings and parts which are exposed to high loads at high temperatures of 925 ° C. and more, in particular gas turbine parts such as rotor and stator blades, nozzle guide vanes and turbine rotors.
Für Gußstücke dieser Art, die bei Temperaturen zwischen 600 und 900° C von ausreichender Festigkeit sein sollen und dem Angriff durch Oxydation und Korrosion widerstehen müssen, ist schon eine Nickel-Chrom-Legierung mit 1 bis 23% Chrom und 2 bis 14°/o Aluminium vorgeschlagen worden mit der Maßgabe, daß der Gesamtgehalt an Aluminium +Chrom 10 bis 25% beträgt. Der aus Nickel bestehende Legierungsrest kann durch bis zu 10% *5 Eisen und/oder Kobalt, bis zu 5 % Mangan und/oder Kupfer und bis zu 7 % Molybdän und/oder Wolfram ersetzt sein. Auch kann die Legierung noch jeweils bis zu 1 % und insgesamt bis zu 2 % Silizium, Titan, Vanadium, Zirkonium, Tantal, Beryllium, Niob, Silber, Antimon und Zinn sowie bis 0,5% Bor un(i bis 0,5% Kohlenstoff enthalten.For castings of this type, which should be of sufficient strength at temperatures between 600 and 900 ° C and must withstand attack by oxidation and corrosion, a nickel-chromium alloy with 1 to 23% chromium and 2 to 14% Aluminum has been proposed with the proviso that the total aluminum + chromium content is 10 to 25%. The alloy residue consisting of nickel can be replaced by up to 10% * 5 iron and / or cobalt, up to 5% manganese and / or copper and up to 7% molybdenum and / or tungsten. The alloy can also contain up to 1% and a total of up to 2% silicon, titanium, vanadium, zirconium, tantalum, beryllium, niobium, silver, antimony and tin as well as up to 0.5% boron and ( i up to 0.5% Contain carbon.
Für Turbinenschaufeln ist eine Legierung mit 10 bis 25% Chrom, 0 bis 25°/? Kobalt, 0,5 bis 4,0% Aluminium, 1,08 bis 4% Titan, bis 0,05 % Bor, bis 0,3 % Zirkonium und 0,10 bis 0,15% Kohlenstoff, Rest Nickel bekannt. Diese Legierung kann auch bis zu 10 % Molybdän, bis zu 10 %Wolf ram sowie insgesamt bis zu 5 % Vanadium, Niob und/oder Tantal enthalten. Sie soll bei Temperaturen von 600°C und mehr kriechfest und gegen Korrosion widerstandsfähig sein.For turbine blades, an alloy with 10 to 25% chromium, 0 to 25 ° / ? Cobalt, 0.5 to 4.0% aluminum, 1.08 to 4% titanium, up to 0.05% boron, up to 0.3% zirconium and 0.10 to 0.15% carbon, the remainder being nickel known. This alloy can also contain up to 10% molybdenum, up to 10% tungsten and a total of up to 5% vanadium, niobium and / or tantalum. It should be resistant to creep and corrosion at temperatures of 600 ° C and more.
Mit den stets wachsenden Belastungen der Gußstücke steigen auch die Anforderungen an die Güteeigenschaften der Legierungen und insbesondere die Anforderungen für ihre Verwendung in hohen, 925 0C und mehr betragenden Temperaturbereichen. Wolframhaltige Legierungen besitzen zwar eine ausreichende Festigkeit bei hohen Temperaturen, doch ist ihre Dichte wesentlich größer als die der wolframfreien Legierungen. Bei Teüen, wie Gasturbinenschaufeln, deren Beanspruchung durch Zentrifugalkräfte erhöht wird, die wiederum mit dem Gewicht der Teile zunehmen, wird der Vorteil der gesteigerten Festigkeit teüweise oder sogar vollständig durch die mit der größeren Masse des Teiles zunehmende größere Beanspruchung aufgehoben.With the ever-increasing burden of the castings, the demands on the quality characteristics of the alloys and in particular the requirements for their use in high, 925 0 C and more amount forming temperature ranges rise. Tungsten-containing alloys have sufficient strength at high temperatures, but their density is significantly greater than that of the tungsten-free alloys. In parts, such as gas turbine blades, the stress of which is increased by centrifugal forces, which in turn increase with the weight of the parts, the advantage of the increased strength is partially or even completely canceled out by the greater stress that increases with the greater mass of the part.
Es wurde nun gefunden, daß Legierungen auf Basis Nickel—Kobalt—Chrom bei hohen Temperaturen bemerkenswert gute Eigenschaften aufweisen, wenn sie bei bestimmten Gehalten an Aluminium und Titan sowie an Aluminium+Titan einen kritischen Gehalt an Vanadium enthalten.It has now been found that alloys based on nickel-cobalt-chromium at high temperatures have remarkably good properties when they are at certain contents of aluminum and Titanium as well as aluminum + titanium contain a critical content of vanadium.
Verwendung einer Nickel-Kobalt-Chrom-Legierung für bei hohen Temperaturen
kriechfeste GußstückeUse of a nickel-cobalt-chromium alloy for use at high temperatures
creep resistant castings
Anmelder:Applicant:
International Nickel Limited, London
Vertreter:International Nickel Limited, London
Representative:
Dr.-Ing. G. EichenbergDr.-Ing. G. Eichenberg
und Dipl.-Ing. H. Sauerland, Patentanwälte,and Dipl.-Ing. H. Sauerland, patent attorneys,
Düsseldorf, Cecilienallee 76Düsseldorf, Cecilienallee 76
Als Erfinder benannt:
Clarence George Bieber,
Colfax Manor Gardens,
Roselle Park, N. J. (V. St. A.)Named as inventor:
Clarence George Bieber,
Colfax Manor Gardens,
Roselle Park, NJ (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:Claimed priority:
V. St. v. Amerika vom 1. Februar 1960 (6001)V. St. v. America February 1, 1960 (6001)
Gegenstand der Erfindung ist deshalb die Verwendung einer Nickel-Kobalt-Chrom-Legierungder Zusammensetzung 5 bis 30 % Kobalt, 6 bis 12 % Chrom, 1 bis 8% Molybdän, 0,2 bis 2% Vanadium, 4 bis 9% Aluniinium, 0,5 bis 6,5 % Titan, 8 bis 12% Aluminium + Titan, 0,001 bis 0,1% Bor, 0,01 bis 0,25% Zirkonium, 0,01 bis 0,5 0A, Kohlenstoff, 0 bis 5 % Niob, 0 bis 4% Tantal, Rest im wesenthchen Nickel zum Herstellen von Gußstücken, insbesondere Präzisionsgußstücken, die im Gebrauch bei hohen, 925 0C und mehr betragenden Temperaturen und großer Belastung kriechfest, von guter Zähigkeit und gegen raschen Temperaturwechsel widerstandsfähig sein sollen, wie Turbinenteile, beispielsweise Rotor- und Statorschaufeln, Düsenleitschaufeln und Turbinenläufer sowie Ziehsteine, Ventile und Ventilsitze.The invention therefore relates to the use of a nickel-cobalt-chromium alloy of the composition 5 to 30% cobalt, 6 to 12% chromium, 1 to 8% molybdenum, 0.2 to 2% vanadium, 4 to 9% aluminum, 0, 5 to 6.5% titanium, 8 to 12% aluminum + titanium, 0.001 to 0.1% boron, 0.01 to 0.25% zirconium, 0.01 to 0.5 0 A, carbon, 0 to 5% Niobium, 0 to 4% tantalum, the remainder essentially nickel for the production of castings, in particular precision castings, which should be creep-resistant, of good toughness and resistant to rapid temperature changes in use at high temperatures of 925 0 C and more and high loads, such as Turbine parts, for example rotor and stator blades, nozzle guide blades and turbine rotors as well as drawing dies, valves and valve seats.
Insbesondere eignet sich für die gekennzeichnete Verwendung folgende Legierung: 10 bis 20% Kobalt, 8 bis 12% Chrom, 2 bis 5% Molybdän, 0,25 bis 1,50% Vanadium, 5 bis 8% Aluminium, 1 bis 6% Titan, 9 bis 11% Aluminium+Titan, 0,005 bis 0,05% Bor, 0,05 bis 0,1% Zirkonium, 0,1 bis 0,3% Kohlenstoff, Rest im wesentlichen Nickel.The following alloy is particularly suitable for the designated use: 10 to 20% cobalt, 8 to 12% chromium, 2 to 5% molybdenum, 0.25 to 1.50% vanadium, 5 to 8% aluminum, 1 to 6% Titanium, 9 to 11% aluminum + titanium, 0.005 to 0.05% boron, 0.05 to 0.1% zirconium, 0.1 to 0.3% Carbon, the remainder essentially nickel.
Der Gehalt der Legierung an Vanadium soll mindestens dem zweifachen des KohlenstoffgehaltesThe vanadium content of the alloy should be at least twice the carbon content
709 549/355709 549/355
I 238I 238
entsprechen. Zweckmäßig beträgt der Gehalt der Legierung an Aluminium 5 bis 6°/„ und der Gehalt an Titan 4,5 bis 6%·correspond. The aluminum content of the alloy is expediently 5 to 6% and the content of titanium 4.5 to 6%
Der Anteil an Verunreinigungen in den Legierungen soll so gering wie möglich sein. Der Gehalt an Silizium und Mangan soll 0,5 % nicht überschreiten, der Eisengehalt 1 % un^ der Kupfergehalt 0,5 % und vorzugsweise 0,25% betragen. Bis 0,2% Calcium können in den Legierungen als zurückgebliebene Desoxydationsmittel zugelassen werden.The proportion of impurities in the alloys should be as low as possible. The silicon and manganese content should not exceed 0.5%, the iron content 1% and the copper content 0.5% and preferably 0.25%. Up to 0.2% calcium can be permitted as residual deoxidizing agent in the alloys.
Es ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen, daß sie nur die ohne weiteres zur Verfügung stehenden und die vorstehend genannten Legierungselemente benötigen. Diese Legierungen gehören zu der Gruppe, bei denen beim Altern nach vorangegangenem Lösungsglühen eine härtende Ausscheidungsphase auftritt.It is a particular advantage of the alloys to be used according to the invention that they only contain those without further available and need the alloy elements mentioned above. These alloys belong to the group in which a hardening precipitation phase occurs.
Es ist wesentlich, daß sich die Zusammensetzung der Legierungen in den angegebenen Grenzen hält. Bei geringeren Gehalten an Chrom, Titan und Aluminium wird die Oxydationsbeständigkeit der Legierungen beeinträchtigt. Bei Chromgehalten von mehr als 12 % fällt die Zugfestigkeit der Legierungen bei hohen Temperaturen merklich ab. Mit 12% Aluminium + Titan haben die Legierungen ein aus zwei Phasen bestehendes Gefüge mit grober Ausscheidungsphase, die beim Härten erheblich weniger wirksam wird, und außerdem nimmt die Festigkeit bei hohen Temperaturen weiter ab. Wenn die Legierung zuwenig Kolbalt enthält, so ist ihre Zähigkeit bei hohen Temperaturen ungenügend. Mit steigendem Kobaltgehalt nimmt die Zähigkeit zu, aber bei einem hohen Anteil an Kobalt verringert sich die Zeitstandfestigkeit der Legierung. Bor und Zirkonium in den vorstehend angegebenen Anteilen sind gleichfalls fürIt is essential that the composition of the alloys is kept within the specified limits. With lower contents of chromium, titanium and aluminum, the oxidation resistance of the alloys is reduced impaired. If the chromium content exceeds 12%, the tensile strength of the alloys falls noticeably decreases at high temperatures. With 12% aluminum + titanium, the alloys have an off Two-phase structure with a coarse precipitation phase, which is considerably less during hardening becomes effective, and also the strength further decreases at high temperatures. When the alloy If it contains too little Kolbalt, its toughness at high temperatures is insufficient. With increasing Cobalt content increases the toughness, but with a high cobalt content the creep rupture strength decreases the alloy. Boron and zirconium in the proportions given above are also suitable for
eine ausgleichende Zähigkeit der Legierung wesentlich. Molybdän ist ein lösungshärtendes Element. Wenn es aber in zu großen Anteilen vorhanden ist, wird die Festigkeit der Legierungen verringert. Zur Erzielung der besten Eigenschaften der Legierungen sollen die Gehalte an Molybdän und Chrom dergestalt in Beziehung zueinander gebracht werden, daß der Anteil an Molybdän erhöht wird, wenn derjenige an Chrom abnimmt, und umgekehrt. Übermäßig hohe Gehalte an Kohlenstoff machen die Legierung spröde. Vanadium fördert die Festigkeit der Legierung. In zu hohem Anteil geht jedoch deren Widerstand gegen Oxydation erheblich zurück.a balancing toughness of the alloy is essential. Molybdenum is a solution hardening element. However, if it is too large, the strength of the alloys will be reduced. To the In order to achieve the best properties of the alloys, the contents of molybdenum and chromium should be such be related to each other that the proportion of molybdenum is increased when the one on Chromium is decreasing and vice versa. Excessively high levels of carbon make the alloy brittle. Vanadium promotes the strength of the alloy. In too high a proportion, however, their resistance goes against Oxidation back considerably.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen sind leicht vergießbar. Sie besitzen ein ausgezeichnetes Formfüllvermögen, so daß sie vornehmlich für die Herstellung von Präzisionsgußstücken brauchbar sind. Die Legierungen können im Gußzustand verwendet werden; vorteilhafterweise werden sie einer 1I2- bis 4stündigen Wärmebehandlung bei Temperaturen von 1150 bis 1205°C in inerter Atmosphäre, beispielsweise in Helium und Argon, mit anschließender rascher Abkühlung in inerter Atmosphäre auf eine Temperatur unter 925 0C unterzogen. Die Legierungen und die daraus hergestellten Gegenstücke können im Betrieb oder vorher durch ein 1- bis 20stündiges Erhitzen in einem Temperaturgebiet von etwa 760 bis 925 0C gealtert werden.The alloys to be used according to the invention are easy to cast. They have excellent mold filling properties, so that they are primarily useful for the production of precision castings. The alloys can be used as-cast; advantageously they are a 1 I 2 - subjected to 4-hour heat treatment at temperatures from 1150 to 1205 ° C in an inert atmosphere, for example helium and argon, followed by rapid cooling in an inert atmosphere to a temperature below 925 0C. The alloys and the counterparts prepared therefrom can be aged to 925 0 C during operation or in advance by a 1- to 20-hour heating in a temperature range from about the 760th
In nachstehende Zahlentafel I sind zum Vergleich dreizehn nach der Erfindung aufgebaute Legierungen (Legierungen 1 bis 13) und zwei Legierungen X und Y eingetragen, die den Vorschriften nach der Erfindung nicht entsprechen. Dabei stellen die Angaben für die Legierungen 1 bis 9 sowie X und Y die Sollzusammensetzung der Legierungen dar.In the table of numbers I below, thirteen alloys constructed according to the invention are shown for comparison (Alloys 1 to 13) and two alloys X and Y registered that meet the requirements of the invention do not match. The specifications for alloys 1 to 9 as well as X and Y represent the target composition of the alloys.
Zahlentafel INumber table I
Nr.No.
*) Einschließlich geringer gelegentlich vorkommender An- **) Einschließlich geringer gelegentlicher Anteile an Mangan,*) Including small occasional amounts **) Including low occasional amounts of manganese,
teile an Tantal. Silizium und Eisen.share in tantalum. Silicon and iron.
In ZahlentafelII sind die Ergebnisse von an den Legierungen 1 bis 9 bei hohen Temperaturen durchgeführten Zeitstandversuchen verzeichnet. Die Art des Erschmelzens und eine etwaige Wärmebehandlung sind für jeden Fall vermerkt. Der Durchmesser der Proben betrug 6,35 mm und die Probenlänge 25,4 mm. Die Alterung wurde jeweils vor Beginn einer jeden Untersuchung durchgeführt.Table II shows the results of alloys 1 to 9 at high temperatures Creep tests recorded. The type of melting and any heat treatment are noted for each case. The diameter of the samples was 6.35 mm and the sample length 25.4 mm. The aging was carried out before the start of each examination.
5 65 6
Zahlentafel IINumber table II
rungtion
"ΜΊ-"ΜΊ-
IN Γ.IN Γ.
J—J—
Ji Ji
OvAll 1 Iwli- UlOvAll 1 Iwli- Ul
Atmosphäre*)The atmosphere*)
behandlung**)treatment**)
Belastung I TemperaturLoad I temperature
kg/mm2 j 0Ckg / mm 2 j 0 C
Bruchfracture
in Stundenin hours
X-SwJlll Ullt^
% TDehminiT
X-SwJlll Ullt ^
%
XX
V V
V.
//
V V
V.
JHJ5VJ 10 6
YEAR 5 PY
rx. χ. ι TT T 1
rx. χ. ι
V V
V.
Xl.. X . X TT T 1
Xl .. X. X
*) A = Argon; V = Vakuum. **) H.T.I = Wärmebehandlung 2 Stunden bei 1175°C.*) A = argon; V = vacuum. **) H.T.I = heat treatment for 2 hours at 1175 ° C.
Die bei lOOstündigen Zeitstandversuchen ermittelten Werte der aus den Legierungen 10 und 13 abgegossenen Proben sind in ZahlentafelIII zusammengestellt. Jede dieser Legierungen war im Valcuum erschmolzen. Die Probestücke wurden vor dem Versuch 2 Stunden lang bei 1175°C wärmebehandelt.The values determined in 100-hour creep tests for the values cast from alloys 10 and 13 Samples are compiled in number table III. Each of these alloys was melted in the vacuum. The specimens were heat treated for 2 hours at 1175 ° C prior to testing.
Zahlentafel IIINumber table III
Nr.No.
0C 0 C
in kg/mm2 in kg / mm 2
bei 100 Stundenat 100 hours
VersuchsdauerTest duration
In dem in der Zeichnung abgebildeten Diagramm sind die den Bruch in 100 Stunden verursachenden Werte der Zeitstandfestigkeit (kg/mm2) auf der Ordinate und die zugehörigen Temperaturen auf der Abszisse aufgetragen. Die in der Zeichnung mit »4« bezeichnete Kurve kennzeichnet die tatsächlichen Werte der beim lOOstündigen Versuch ermittelten Zeitstandfestigkeit der Legierung 4 bei verschiedenen Temperaturen. Zum Vergleich sind entsprechende Kurven aus für eine Reihe von Präzisionsgußlegierungen bester Eigenschaften veröffentlichten Angaben eingetragen und mit den Buchstaben P, Q, R, S und T bezeichnet. Die Zusammensetzung und die Dichten dieser Legierungen sind in Zahlentafel IV eingetragen. Das spezifische Gewicht der Legierung 4 wie auch der übrigen Legierungen nach dieser Erfindung beträgt ungefähr 7,9. Wo es notwendig war, sind die Festigkeiten der anderen Legierungen auf dieser Basis korrigiert worden, um einen einwandfreien Vergleich zu ermöglichen.In the diagram shown in the drawing, the values of the creep rupture strength (kg / mm 2 ) causing the break in 100 hours are plotted on the ordinate and the associated temperatures on the abscissa. The curve marked "4" in the drawing characterizes the actual values of the creep strength of alloy 4 at various temperatures determined in the 100-hour test. For comparison, corresponding curves from information published for a number of precision casting alloys with the best properties are entered and denoted by the letters P, Q, R, S and T. The composition and the densities of these alloys are entered in Table IV. The specific gravity of alloy 4 as well as the other alloys according to this invention is approximately 7.9. Where necessary, the strengths of the other alloys have been corrected on this basis in order to enable a proper comparison.
Die Prüfung auf Zeitstandfestigkeit ist nämlich eine statische Prüfung. Im Gebrauch sind die aus den Legierungen hergestellten Teile jedoch Rotationsbewegungen unterworfen und deshalb Zentrifugalkräften ausgesetzt. Nun ist die Zentrifugalkraft bei Teilen gleicher geometrischer Gestalt bekanntlich ihrer Dichte proportional, so daß bei gleicher Winkelgeschwindigkeit Teile mit hoher Dichte entsprechend höher belastet werden als Teile geringerer Dichte. Zum Vergleich des Gebrauchsverhaltens der in der nachstehenden Zahlentafel angeführten Legierungen wurden deshalb die statisch gemessenen Zeitstandfestigkeiten mit einem Korrekturfaktor multipliziert, der sich als Verhältnis des spezifischen Gewichtes der erfindungsgemäßen Legierung 4 von 7,9 g/cm3 zum spezifischen Gewicht der betreffenden Vergleichslegierungen P bis T nach der ZahlentafelIV ergibt.The test for creep rupture strength is a static test. In use, however, the parts made from the alloys are subject to rotational movements and are therefore subjected to centrifugal forces. As is well known, the centrifugal force of parts of the same geometric shape is proportional to their density, so that parts with a high density are loaded correspondingly higher than parts with a lower density at the same angular speed. To compare the performance in use of the alloys listed in the table of figures below, the statically measured creep strengths were multiplied by a correction factor, which is the ratio of the specific weight of alloy 4 according to the invention of 7.9 g / cm 3 to the specific weight of the relevant comparison alloys P to T according to the number table IV results.
Diese »korrigierte« Zeitstandfestigkeit ist in der Zeichnung als Ordinate aufgetragen.This "corrected" creep rupture strength is plotted as the ordinate in the drawing.
Zahlentafel IVNumber table IV
rungtion
Nr.No.
CrCr
CoCo
/0/ 0
MoMon
lala
WW.
AlAl
VV
TiTi
NbNb
CC.
BB.
ZrZr
FeFe
NiNi
fischesfish
Gewichtweight
Claims (4)
Britische Patentschrift Nr. 583 807;
französische Patentschrift Nr. 1 071 278.Considered publications:
British Patent No. 583,807;
French patent specification No. 1 071 278.
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