DE1242373B - Warm- und dauerstandfeste Nickellegierung - Google Patents

Warm- und dauerstandfeste Nickellegierung

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DE1242373B
DE1242373B DE1964B0079243 DEB0079243A DE1242373B DE 1242373 B DE1242373 B DE 1242373B DE 1964B0079243 DE1964B0079243 DE 1964B0079243 DE B0079243 A DEB0079243 A DE B0079243A DE 1242373 B DE1242373 B DE 1242373B
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DE
Germany
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niobium
tantalum
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alloys
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Pending
Application number
DE1964B0079243
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English (en)
Inventor
Gerionydd Llewelyn
Michael James Douglas Weaver
Terence Dudley Weaver
Paul Wildgoose
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bristol Siddeley Engines Ltd
Original Assignee
Bristol Siddeley Engines Ltd
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
C22c
Deutsche Kl.: 40 b -19/04
Nummer: 1242 373
Aktenzeichen: B 79243 VI a/40 b
Anmeldetag: 7. November 1964
Auslegetag: 15. Juni 1967
Die Erfindung bezieht sich auf eine warm- und dauerstandfeste Nickellegierung, insbesondere zur Verwendung für das Gießen von Gegenständen, die hohen Temperaturen bis zu etwa 10500C ausgesetzt werden, wie z. B. Gasturbinenschaufeln.
Solche Legierungen gemäß der Erfindung bestehen aus (Angaben- in Gewichtsprozent) 0,02 bis 0,20% Kohlenstoff, 3,0 bis 9,5% Chrom, 3,5 bis 13,5% Wolfram, 5,0 bis 7,0% Aluminium, 4,0 bis 12,0% Tantal plus Niob,
wobei jedoch der Tantalgehalt bei Fortfall des Niob mindestens 6% beträgt,
0,005 bis 0,050% Bor, '5
8,0 bis 20,0% Kobalt,
0 bis 5,0% Molybdän,
0 bis 5,0% Niob,
0 bis 0,5% Zirkon,
Rest Nickel und Verunreinigungen wie Titan. Eine engere bevorzugte Zusammensetzung besteht
aus 0,03 bis 0,15·% Kohlenstoff,
4,0 bis 8,0% Chrom, 3,5 bis 12,5% Wolfram, 5,0 bis 7,0% Aluminium, 4,0 bis 12,0% Tantal und Niob,
wobei der Tantalgehalt
3,0 bis 9,5%,
jedoch bei Abwesenheit von Niob mindestens 6,0% beträgt, 0,005 bis 0,04% Bor,
10,0 bis 14,0% Kobalt, 0,0 bis 4,0% Molybdän,
0,0 bis 3,5% Niob, 0,0 bis 0,15% Zirkon,
Rest Nickel und Verunreinigungen wie Titan.
Weitere bevorzugte Zusammensetzungen folgen weiter unten.
Die erfindungsgemäßen Legierungen sind dazu bestimmt, ein erwünschtes Gleichgewicht zu schaffen zwischen der Dauerstandfestigkeit bei hoher Temperatur, Dauerschwingfestigkeit und der Kerbschlagfestigkeit. Der Zusatz von legierenden Bestandteilen, durch die die Dauerstandfestigkeit erhöht wird, hat häufig eine Verminderung der Dauerschwingfestigkeit und/oder der Kerbschlagzähigkeit zur Folge. Es war bei Laufradschaufeln für Gasturbinen häufig zu beobachten, daß bei Gußschaufeln mit einer Zusammensetzung, die eine ausreichende Dauerstandfestigkeit aufweisen, vielfach im Betrieb bereichsweise Warm- und dauerstandfeste Nickellegierung
Anmelder:
Bristol Siddeley Engines Limited,
Bristol (Großbritannien)
Vertreter:
Dr. W. Müller-Bore, Dipl.-Ing. H. Gralfs
und Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. G. Manitz,
Patentanwälte, Braunschweig, Am Bürgerpark 8
Als Erfinder benannt:
Gerionydd Llewelyn,
Terence Dudley Weaver,
Michael James Douglas Weaver,
Paul Wildgoose, Bristol (Großbritannien)
Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 12. November 1963 (44 552)
Ermüdungserscheinungen auftraten, z.B. an Schaufelwurzeln, die unterhalb der Maximaltemperatur des Schaufelblattes arbeiteten. Ferner ist es nötig, für eine ausreichende Kerbschlagzähigkeit zu sorgen, da andernfalls durch Beschädigung eines Schaufelblattes oder eines anderen Teiles oder durch einen eingedrungenen Fremdkörper, der an und für sich noch nicht gefährlich zu sein braucht, ein fortschreitender Bruch der Schaufelblätter und damit die Zerstörung der Maschine herbeigeführt wird. Schließlich muß jedes Material, das in der Laufradschaufelherstellung verwendet wird, eine ausreichende Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen, weil diese Schaufeln beständig scharfen Temperaturwechseln ausgesetzt sind. Hieraus ergibt sich, daß es wichtig ist, ein Gleichgewicht zwischen der Dauerstandfestigkeit und der Dauerschwingfestigkeit einer Legierung herzustellen, die ihren Verwendungsbedingungen angemessen ist und die gleichzeitig eine ausreichende Kerbschlagzähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit beibehält.
Die Erfindung sieht zwei verschiedene Legierungsgruppen A und B vor, die in die vorerwähnten Bereiche fallen und die im allgemeinen verschiedene Grade der Betonung der Dauerstandfestigkeit, der Dauerschwingfestigkeit und der Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen bei gleichzeitiger Beibehaltung einer ausreichenden Kerbschlagzähigkeit. In der Gruppe A liegt der Akzent auf der Dauerstandfestigkeit, während in der Gruppe B die Dauerschwingfestigkeit und die Temperaturwechselbeständigkeit stärker betont sind. Es hat sich indessen heraus-
709 590/237
gestellt, daß es einzelne Zusammensetzungen der Legierung gibt, die gleichzeitig hohe Dauerstandfestigkeit und Dauerschwingfestigkeit aufweisen. Nickellegierungen der Gruppe A bestehen aus
0,03 bis 0,15% Kohlenstoff,
4,0 bis 8,0% Chrom,
5,5 bis 10,5 % Wolfram,
5,0 bis 7,0% Aluminium,
6,0 bis 9,5% Tantal,
0,005 bis 0,04 % Bor,
10,0 bis 14,0% Kobalt,
0,0 bis 1,0% Molybdän,
0,0 bis 1,0% Niob,
0,0 bis 0,15% Zirkon,
0,03 bis
4,0 bis
3,5 bis
5,0 bis
3,0 bis
Rest Nickel und Verunreinigungen.
Die Nickellegierungen der Gruppe B setzen sich bevorzugt zusammen aus
0,15% Kohlenstoff, 8,0% Chrom, 7,5% Wolfram, 7,0 % Aluminium, 6,0% Tantal, 0,005 bis 0,04% Bor, 10,0 bis 14,0% Kobalt, 1,5 bis 4,0% Molybdän, 1,5 bis 3,5% Niob, ίο 0,0 bis 0,15% Zirkon,
Rest Nickel und Verunreinigungen.
Die nachfolgende Tabelle I enthält die Zusammenstellungen mehrerer Beispiele von Legierungen beider Gruppen, und Tabelle II enthält Durchschnittsprüfergebnisse, die sich aus Proben dieser Legierungen ergaben. Wo keine Zahl in der letzten Spalte bezüglich der Gruppe A angegeben ist, ist keine Prüfung vorgenommen worden.
Tabelle ] [ Kenn
ziffer		 B Zusammensetzung der Co Cr Legierungen in W Gewichtsprozent Nb Ta Zr Ni
Gruppe 341 0,02 C 11,6 6,8 Al 9,0 Mo 8,9 Restanteil
376 0,02 0,07 11,6 6,8 5,7 9,0 — 8,9 0,1 Restanteil
444 0,01 0,07 11,6 6,8 5,7 8,3 — 0,4 8,2 0,05 Restanteil
481 0,01 0,06 11,6 6,8 5,8 8,3 0,4 0,4 8,2 0,075 Restanteil
445 0,01 0,06 11,6 6,8 5,8 8,3 0,4 0,4 8,2 0,1 Restanteil
483 0,01 0,06 11,6 6,8 5,8 8,3 0,4 0,4 8,2 0,15 Restanteil
472 0,01 0,06 11,7 6,9 5,8 7,6 0,4 0,4 7,5 0,1 Restanteil
473 0,01 0,06 12,0 7,0 5,8 6,2 0,4 0,4 6,1 0,1 Restanteil
A ■ 474 0,01 0,06 11,7 6,8 5,9 8,3 0,4 0,4 7,5 0,1 Restanteil
475 0,01 0,06 11,8 6,9 5,8 8,4 0,4 0,4 6,0 0,1 Restanteil
476 0,01 0,06 11,7 6,9 5,8 7,6 0,4 0,4 8,2 0,1 Restanteil
477 0,01 0,06 11,8 6,9 5,8 6,1 0,4 0,4 8,3 0,1 Restanteil
491 0,01 0,06 11,6 6,0 5,8 8,3 0,4 0,4 8,1 0,1 Restanteil
492 0,01 0,06 11,6 5,1 5,7 8,3 0,4 0,4 8,1 0,1 Restanteil
493 0,01 0,06 11,6 4,2 .5,7 8,3 0,4 0,4 8,1 0,1 Restanteil
348 0,02 0,06 12,1 7,1 5,7 4,7 0,4 2,4 4,6 Restanteil
426 0,01 0,07 12,1 7,1 6,0 4,7 2,5 . 2,4 4,6 0,1 Restanteil
330 0,02 0,06 11,9 7,0 6,0 6,2 2,5 2,4 4,6. Restanteil
414 0,01 0,07 11,9 7,0 5,9 6,2 3,2 2,4 4,6 0,025 Restanteil
B < 352 0,02 0,06 11,9 7,0 5,9 6,2 3,2 2,4 4,6 0,05 Restanteil
417 0,01 0,06 11,9 7,0 5,9 6,2 3,2 2,4 4,6 0,125 Restanteil
413 0,01 0,06 11,8 4,3 5,9 6,1 3,2 2,3 4,5 0,05 Restanteil
0,06 5,9 3,2
Tabelle II Legierungskennziffer Mechanische Eigenschaften 100 Kerbschlagzähigkeit
(nach I ζ 0 d)		 Wechselfestigkeit für
3 · 107 Lastwechsel
Gruppe Dauerstandfestigkeit,
Zeit bis zum Bruch (Stunden)
Belastung 19 kg/mm2 		140 kgm kg/mm2
341 1010°C [ 980°C 11,05 _
376 9,65 ±31,6
444 9,94 ±31,6
481 48 12,41 ±28,4
445 50 10,32 ±31,6
483 72 8,29 ±31,6
472 56 10,06 —
Λ 473 43 14,49 ±28,4
. 474 18 11,59
475 53 11,05 ± 25,2
476 56 8,82 —
477 70 7,45 ±28,4
491 52 . 10,06 ± 31,6
• 492 79 11,3
493 47 10,49 ±31,6
70
Tabelle II (Fortsetzung)
Gruppe Legierungskennziffer Dauerstandfestigkeit,
Zeit bis zum Bruch (Stunden)
Belastung 19 kg/mm2 		98O0C Kerbschlagzähigkeit
(nach I ζ ο d)		 Wechselfestigkeit für
3 · 107 Lastwechsel
1010°C 11 kgm kg/mm2
348 78 13,8 ±39,6
426 14 12,96 ±28,4
330 54 10,31 ±39,6
B 414 84 10,31 ± 37,8
352 67 9,65 ±31,6
417 105 8,29 ±31,6
413 9,1 ± 28,4
Zur Feststellung der Dauerstandfestigkeit wurde bei den ersten Legierungen eine Zerreißprüfung bei einer Zugbeanspruchung von 19 kg/mm2 und einer Temperatur von 980°C durchgeführt, als deren Ergebnis die Lebensdauer in Stunden ausgedrückt wurde. Weitere Prüfungen mit einer Last von 19 kg/mm2 wurden bei 10100C mit gewissen verbesserten Legierungen vorgenommen, um die Prüfzeit in angemessenen Grenzen zu halten. Die Prüfungen erfolgten mit einem Material, das sich im Gußzustand befand.
Die Wechselfestigkeit nach Wärmebehandlung wurde durch Test in einer Krouse-Dauerprüfmaschine/bei 3000 U/min bei Raumtemperatur bestimmt, wobei die Festigkeiten, die ohne Bruch bei 3 · 107 Lastwechseln erreicht wurden, den in Tabelle II angegebenen Werten entsprachen. Vorangegangene Prüfungen von Gußlegierungen auf Nickelbasis haben gezeigt, daß die Wahrscheinlichkeit des Bruchs nach 3 · 107 Lastwechseln gering ist, und um Zeit zu sparen, wurden die Prüfungen bei diesem Stand abgebrochen. Die Wärmebehandlung bestand in der Erhitzung von Materialproben auf 11000C für die Dauer von 30 Minuten in einer mit Argon gefüllten Kammer, einer darauffolgenden Abkühlung durch Luftstrom auf die Kammer, einer erneuten Erhitzung auf 9000C für die Dauer von 4 Stunden in Argon und anschließender Kühlung mit Luft auf Raumtemperatur.
Tabelle II gibt auch die Resultate der Izod-Kerbschlagprüfungen von nicht gekerbten Materialproben im Gußzustand wieder. Es wurde die Erfahrung gemacht, daß ein Mindestwert von 5,5 kgm für eine Gasturbinenschaufel Voraussetzung ist.
Die Temperaturwechselbeständigkeit wurde durch Erhitzen der Hinterkante einer typischen Gasturbinenschaufel auf 11000C und anschließendes Abkühlen auf 1000C im Luftstrom festgestellt, wobei als Meßgrundlage für die Temperaturwechselbeständigkeit die Umdrehungszahl, die den Bruch herbeiführt, benutzt wurde. Die Prüfungen ergaben somit, daß Legierungen aus der Gruppe B eine größere Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen als Legierungen aus der Gruppe A. Entsprechend der vorliegenden Erfindung sind Tantal und Wolfram in den Legierungen enthalten, um Legierungen von hoher Dauerstandfestigkeit herzustellen. Die in Tabelle II angegebenen Resultate zeigen, daß die hohe Dauerstandfestigkeit nicht auf Kosten der Wechselfestigkeit erreicht worden ist. Da in den auf dieser Erfindung beruhenden Legierungen Tantal einen wesentlichen Bestandteil darstellt, hat man von der Beigabe von Titan abgesehen (dieses tritt allenfalls als Verunreinigung auf), weil sonst die Möglichkeit gegeben wäre, bei Anwesenheit desselben eine nadeiförmige Phase bei hohen Temperaturen hervorzurufen mit einer als Folge auftretenden ausgesprochenen Herabsetzung der Dauerstandfestigkeit. Beispielsweise hat eine bekannte Legierung auf Nickeiao basis, die 4,5 % Titan enthält, eine durchschnittliche Dauerstandfestigkeit von 60 Stunden bei 19 kg/mm2 und 9800C, während eine Legierung mit sonst gleicher Zusammensetzung außer einer Beigabe von 4% Tantal eine Dauerstandfestigkeit von 30 Stunden hat.
Wo durch die Verwendung von Schrottmaterial als Teil der Charge Titan als Verunreinigung auftritt, handelt es sich um so geringe Mengen, daß die vorerwähnte unerwünschte Phase nicht zustande kommt. Man sollte demzufolge darauf achten, daß auf diese Weise eingebrachtes Titan nicht einen Anteil von 0,75% in der Legierung überschreitet.
Die Fig. 1 bis 4 sind graphische Darstellungen, aus denen die Wirkung von Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung 352 hervorgeht, wobei die Wirkungen auf diese Legierung allgemein als typisch angesehen werden können. In diesen Darstellungen zeigen die voll ausgezogenen Kurven die Werte für die Dauerstandfestigkeit in Stunden bei einer Last von 19 kg/mm2 und 980° C Temperatur, während die strichpunktierte Linie die Kerbschlagzähigkeit nach Izod in kgm von nicht gekerbten Probestücken bei Raumtemperatur zeigt.
Fig. 1 zeigt, daß kleine Beigaben von Bor einen ausgesprochenen Einfluß auf die Struktur dieser Legierungen haben. In Mengen von mehr als 0,05 Gewichtsprozent ist jede Erhöhung der Dauerstandfestigkeit durch eine merkliche Verminderung der Kerbschlagzähigkeit kompensiert. Der maximale Prozentsatz an Bor ist demzufolge auf den genannten Wert begrenzt worden.
Fig. 2 zeigt die Wirkung einer Herabsetzung des Kobaltgehalts unter dem in Tabelle I aufgeführten Wert, und es wird daraus ersichtlich, daß im allgemeinen ein Gehalt von mindestens 8 Gewichtsprozent erforderlich ist, um die geforderte Dauerstandfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit zu gewährleisten.
Hinsichtlich des Chromgehalts haben statische Oxydationsprüfungen den Nachweis erbracht, daß mindestens 3 Gewichtsprozent Chrom vorhanden sein müssen, um einen angemessenen Widerstand gegen Oxydation zu erzielen.
Fig. 3 zeigt, daß durch einen Chromgehalt zwischen 3 und 7 Gewichtsprozent optimale mechanische Eigenschaften zu erreichen sind.
Aluminium ist ein wichtiges Härtungselement bei den nach dieser Erfindung hergestellten Legierungen, und um die geforderte hohe Dauerstandfestigkeit,
Dauerschwingfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit zu erreichen, muß der Aluminiumgehalt innerhalb eines Bereiches von 5 bis 7 Gewichtsprozent gehalten werden. Man hat indessen festgestellt, daß bei einigen gemäß dieser Erfindung hergestellten Legierungen bei einem" dem Maximalwert von 7 7o sich nähernden Aluminiumgehalt eine spröde Ni-Al-Phase auftritt mit einer daraus sich ergebenden merklichen Herabsetzung der Dauerstandfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit. Obwohl also der Aluminiumgehalt zwischen 5 und 7 Gewichtsprozent liegen soll, ist der maximal zulässige Aluminiumgehalt der einzelnen Legierungen jedoch nach oben dadurch begrenzt, daß der Anteil an Ni-Al-Phase nicht zu einer merklichen Herabsetzung der mechanischen Eigenschaften führen darf.
Geringe Zusätze von Zirkon haben anscheinend auch einen sehr vorteilhaften Einfluß auf die Dauerstandfestigkeit der Legierungen gemäß der Erfindung; sie können aber auch eine Herabsetzung der Dauerschwingfestigkeit und der Kerbschlagzähigkeit hervorrufen, wie sich aus F i g. 4 und durch Vergleichswerte für die Legierungen 341 und 376 sowie 348 und 426 in Tabelle II ergibt. Die Beigabe von Zirkon wird demzufolge von dem Gleichgewicht zwischen Dauerstandfestigkeit, Dauerschwingfestigkeit und Kerb-Schlagzähigkeit abhängen.
Die Legierung 376 zeichnet sich außer durch ihre besondere Dauerstandfestigkeit durch das Fehlen der Molybdänkomponente aus, die die Oxydationsneigung der Legierung und ihre Angreifbarkeit durch Schwefel erhöht.
Wie andere bekannte hitzebeständige Legierungen auf Nickelbasis, unterliegen diese Legierungen der Oberflächenoxydation, und zweckmäßigerweise werden Gegenstände, wie z. B. Gasturbinenschaufeln, unter Vakuum gegossen. Im übrigen sollten sie vor dem Gebrauch eine Oberflächenbehandlung erfahren. Diese Behandlung kann z. B. in einer Aluminisierung bestehen.

Claims (5)

40 Patentansprüche:
1. Warm- und dauerstandfeste Nickellegierung, bestehend aus
0,02 bis 0,20 7o Kohlenstoff,
3,0 bis 9,5 % Chrom,
3,5 bis 13,5
5,0 bis 7,0 70
Wolfram,
Aluminium,
2. Nickellegierung nach Anspruch 1, bestehend aus
0,03 bis 0,15 7o Kohlenstoff,
4,0 bis 8,0 7o Chrom,
3,5 bis 12,5% Wolfram,
5,0 bis 7,0 7o Aluminium,
4,0 bis 12,0 7o Tantal und Niob,
wobei der Tantalgehalt 3,0 bis 9,5 7o> jedoch bei Abwesenheit von Niob mindestens 6,0 °/0 beträgt,
0,005 bis 0,04 7o Bor, 10,0 bis 14,070 Kobalt, 0,0 bis 4,0 7o Molybdän, 0,0 bis 3,5% Niob, 0,0 bis 0,15 % Zirkon,
Rest Nickel und Verunreinigungen wie Titan.
3. Nickellegierung nach Anspruch 2, bestehend aus
0,03 bis 0,15 7o Kohlenstoff, 0,03 bis 0,15 7o Kohlenstoff, 4,0 bis 8,0% Chrom, 4,0 bis 8,0 7o Chrom, 5,5 bis 10,5% Wolfram, 3,5 bis 7,5 7o Wolfram, 5,0 bis 7,0 7o Aluminium, 5,0 bis 7,0% Aluminium, 6,0 bis 9,5% Tantal, 3,0 bis 6,0 7o Tantal, 0,005 bis 0,0470 Bor, 0,005 bis 0,04% B°r> 10,0 bis 14,0% Kobalt, 10,0 bis 14,0% Kobalt, 0,0 bis 1,0 7o Molybdän, 1,5 bis 4,0 7o Molybdän, 0,0 bis 1,0% Niob, 1,5 bis 3,5% Niob, 0,0 bis 0,15 7o Zirkon, 0,0 bis 0,15 % Zirkon, Rest Nickel und Verunreinigungen. 4. Nickellegierung nach Anspruch 2, bestehend aus
4,0 bis 12,0% Tantal und Niob,
wobei jedoch der Tantalgehalt bei
Niob mindestens 6,0 % beträgt,
0,005 bis 0,050 7o Bor,
8,0 bis 20,0% Kobalt,
0 bis 5,0% Molybdän,
0 bis 5,0% Niob,
0 bis 0,5% Zirkon,
Rest Nickel und Verunreinigungen wie Titan. Rest Nickel und Verunreinigungen.
5. Nickellegierung nach Anspruch 3, hend aus
beste-
Fortfall des 50 55 0,07%
11,6% Kohlenstoff,
Kobalt, 6,8% Chrom, ie Titan. Rest Nickel. 5,7% Aluminium, Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 9,0% Wolfram, an, 8,9% Tantal, 0,02% Bor, 0,1% Zirkon,
590/237 6.67 © Bundesdruckerei Berlin
DE1964B0079243 1963-11-12 1964-11-07 Warm- und dauerstandfeste Nickellegierung Pending DE1242373B (de)

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