DE1483184C - Hochwarmfeste und wärmeschockunempfindliche Legierung auf Nickelbasis - Google Patents

Hochwarmfeste und wärmeschockunempfindliche Legierung auf Nickelbasis

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DE1483184C
DE1483184C DE19651483184 DE1483184A DE1483184C DE 1483184 C DE1483184 C DE 1483184C DE 19651483184 DE19651483184 DE 19651483184 DE 1483184 A DE1483184 A DE 1483184A DE 1483184 C DE1483184 C DE 1483184C
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Description

Kohlenstoff 0,1%
Chrom 7,9%
Kobalt....... 9,9%
Molybdän 3,95%
Tantal 7,5%
Aluminium 5,9%
Titan 1,0% .
Bor 0,012%
Zirkonium 0,09% ·
Nickel Rest
2. Hochwarmfeste und wärmeschockunempfindliehe Legierung auf Nickelbasis, insbesondere zum Gebrauch füf thermisch hochbeanspruchte Teile von Strahltriebwerken und Turbinen, bestehend
Kohlenstoff 0,09%
Chrom 9,7%
Kobalt 10,2%
Molybdän.. 3,0%
Tantal 7,2%
Aluminium 6,2%
Titan 1,1%
Bor 0,014%
Zirkonium 0,1%
Nickel Rest
3. Hochwarmfeste und wärmeschockunempfindliche Legierung auf Nickelbasis, insbesondere zum Gebrauch für thermisch hochbeanspruchte Teile von Strahltriebwerken und Turbinen, bestehend aus
Kohlenstoff 0,12% ,
Chrom 8,0%
Kobalt 14,0%
Molybdän 4,0%
Tantal 8,0%
Aluminium ...... Λ 6,0%
Titan 1,0%
Bor 0,012%
Zirkonium 0,09%
Nickel Rest
4. Hoch warmfeste und wärmeschockunempfindliche Legierung auf Nickelbasis, insbesondere zum Gebrauch für thermisch hochbeanspruchte Teile von Strahltriebwerken und Turbinen, bestehend aus
Kohlenstoff '.. 0,16%
Chrom · 12,00%
Kobalt 10,15%
35
Molybdän 3,27%
Tantal 7,50%
Aluminium 6,31 %
Titan ..' 1,04%
Bor 0,011%
Zirkonium 0,09%
Nickel .....' Rest
5. Hoenwarmfeste und wärmeschockunempfindliche Legierung auf Nickelbasis, insbesondere zum Gebrauch für thermisch hochbeanspruchte Teile von Strahltriebwerken und Turbinen, bestehend aus
Kohlenstoff 0,07%
Chrom : 7,8%
Kobalt 9,9%
Molybdän .< 5,8%
Tantal ■......- 6,2% .
Aluminium 5,9%
Titan ·.. 0,8%
Bor 0,024% ~
Zirkonium^:·..-, ......... 0,07%
. Nickel -. Rest
6. Hochwarmfeste und wärmeschockunempfindliche Legierung auf Nickelbasis, insbesondere zum Gebrauch für thermisch hochbeanspruchte Teile von Strahltriebwerken und Turbinen, bestehend aus
Kohlenstoff ' 0,1
Chrom 7,7
Kobalt 10,1
Molybdän 4,0
Tantal 7,7
Aluminium : 6,0
Titan 1,2
Bor 0,014
Zirkonium ■.·.. 0,1
Hochwarmfeste und korrosionsbeständige Nickel-Chrom-Legierungen sind aus folgenden Patentschriften bekannt:
(1) Patentschrift 26 973 des Amtes für Erfindungsund Patentwesen in Ost-Berlin, (2) französische Patentschrift 1 071 278,
(3) britische Patentschrift 814 029,
(4) österreichische Patentschrift 201 296 und
(5) französische Patentschrift 1311 678.
Die Legierungen dieser Patentschriften haben im wesentlichen in Gewichtsprozent folgende Zusammensetzung, wobei der Legierungsrest abgesehen von den sich beim Schmelzen dieser Legierungen ergebenden Verunreinigungen stets aus Nickel besteht:
(D (2) (3) (4) (5)
Kohlenstoff
Chrom 		0,25 bis 1
6 bis 20
0 bis 20
0 bis 10		 0,03 bis 0,15
10 bis 25
0 bis 25		 0,6 bis 1,4
7,5 bis 15
5 bis 40
0 bis 15		 0,05 bis 0,5
7,5 bis 15
5 bis 40		 0,01 bis 0,3
5 bis 30
0 bis 30
0 bis 15
Kobalt
Molybdän
Fortsetzung
(D (2) (3) (4) . (5) /
Tantal O bis 5
O bis 15		 Öbis'5
Mo + Ta .. . 2 bis 8
0,5 bis 8
2,5 bis 8		 0,5 bis 4
1,08 bis 4.		 7 bis 9 7 bis 9 0,1 bis 9
0,1 bis 6,5
Aluminium O bis 0,25
0 bis 0,3		 0bis2 0 bis 0,3
. ,0 bis 1,2
Titan 0 bis 10 0 bis 10 0 bis 10 bis 10 0 bis 5,0
Al +Ti .V 0 bis 5 0 bis 6
Bor ..;.....'. 0 bis 5 Obis7
Zirkonium ." 0 bis 12 , 0 bis 15
Eisen
Vanadium .,
Niob ...:
Wolfram
Die bekannten Nickel-Kobalt-Chrom-Legierungen genügen nicht mehr den Anforderungen, die heute an die thermisch _hoch beanspruchten Teile von z. B. Strahltriebwerken und Turbinen gestellt werden; sie sind insbesondere nicht ausreichend wärmeschockunempfmdlich, da solche hochbeanspruchten Teile ständig Temperaturen ausgesetzt sind, die zwischen der Außentemperatur und einer Betriebstemperatur von etwa 12000C zyklisch verlaufen.
Die Erfindung betrifft hochwarmfeste und wärmeschockunempfindliche Legierungen auf Nickelbasis, insbesondere zum Gebrauch für thermisch Köchbeanspruchte Teile VöTr-StFahltriebwerken und Turbinen^ die in Gewichtsprozent, wie aus der folgenden Zahlentafel ersichtlich, zusammengesetzt ist, wobei der Legierungsrest stets aus Nickel besteht.
6 .
Kohlenstoff
Chrom
Kobalt ....
Molybdän .
Tantal.
Mo + Ta
Aluminium.
Titan ......
Al + Ti....
Zirkonium .
0,1
7,9
9,9
3,95
" 7,5
11,45
5,9
1,0
6,9
0,012
0,09
0,07
7,8
9,9
5,8
6,2
12,0
5,9
0,8
6,7
0,024
0,07
04
7,7
10,1
4,0
7,7
11,7
6,0
1,2
7,2
0,014
0,1
0,09
9,7
10,2
3,0
7,2
10,2
6,2
1,1
7,3
0,014
0,1
0,12
8,0
14,0
4,0
8,0
12,0
6,0
1,0
7,0
0,012
0,09
0,16
12,0
10,15
■3,27
7>5
10,77
6,31
1,04
7,35
0,011
0,09
Die Legierungen können im üblichen Rahmen geringfügige Beimengungen oder Spuren verschiedener Verunreinigungen, wie Mangan, Eisen, Schwefel und Silicium, enthalten.
Die Legierungen vorliegender Erfindung sind dadurch ausgezeichnet, daß sie bei einer angemessenen Festigkeit während verhältnismäßig langer Zeiträume bei Temperaturen von 927 bis 12040C verwendet werden können und ferner keine Sigma-Phase aufweisen, nachdem sie z. B. 1000 bis 4000 Stunden Temperaturen von etwa 816 bis 899° C ausgesetzt worden sind, wie das bei anderen Nickellegierungen mit gleicher Zugfestigkeit und Streckgrenze der Fall ist.
Die erfindungsgemäßen Legierungen haben den weiteren Vorteil, daß sie bei Erzielung verhältnismäßig übereinstimmender Ergebnisse gegossen werden können, während bei bekannten Legierungen schon bei geringfügigen Abänderungen deF veränderlichen Faktoren eines Gießverfahrens ungleichmäßige Ergebnisse erzielt werden.
Die erfindungsgemäßen Legierungen weisen ferner verhältnismäßig hohe Anfangsschmelztemperaturen auf, so daß sie bei höheren als üblichen Temperaturen wärmebehandelt werden können und bei Temperaturen arbeiten, die über den üblichen Arbeitstemperaturen liegen, ohne daß die Gefahr besteht, daß die z; B. aus den erfindungsgemäßen Legierungen hergestellten Schaufeln durch ein anfängliches Schmelzen geschwächt werden.
Die erfindungsgemäßen Legierungen weisen eine bemerkenswerte Kombination von Festigkeit und Verformbarkeit bei hohen Temperaturbereichen auf; sie verbiegen sich wesentlich weniger leicht, wenn sie als Statorschaufeln in Stahltriebwerken verwendet werden, als die üblichen für diesen Zweck benannten Nickel- und Kobaltlegierungen.
Mit den erfindungsgemäßen Legierungen wurden unter anderem Zugversuche wie auch Zeitstandversuche durchgeführt. Im folgenden sind die Ergebnisse dieser Versuche wiedergegeben.
Die in der obigen Zahlentafel angegebene Legierung 1 hatte die folgenden mechanischen Eigenschaften:
Die zur Ermittlung der Zugfestigkeit üblichen Probestücke wiesen bei Raumtemperatur eine Zugfestigkeit von 11 318,3 kp/cm2 bei einer Bruchdehnung
65
von 10% und einer Brucheinschnürung von 11% auf; die 0,2-Grenze betrug 9912,3 kp/cm2.
Bei 76O0C brach ein aus der Legierung zur Bestimmung der Zugfestigkeit gegossenes Probestück bei ununterbrochen axial angewandter Beanspruchung von 5975,5 kp/cm2 nach 367,4 Stunden und zeigte eine Zeit-Bruchdehnung (nachher) von 4,7% und eine Zeit-Brucheinschnürung von 4,7%. Bei 871° C und 3866,5 kp/cm2 brach die Probe nach 105,1 Stunden bei einer Zeit-Bruchdehnung von 4,6% und einer Zeit-Brucheinschnürung von 4,1%. Bei 927°C und einer Belastung von 2812,0 kp/cm2 brach das Probestück nach 71,6 Stunden bei einer Zeit-Bruchdehnung von 5,3% und einer Zeit-Brucheinschnürung von 4,8%. Bei 10930C und einer Belastung von 703 kp/cm2 brach das Probestück nach 111,3 Stunden, wobei die Zeit-Bruchdehnung 8,3% und die Zeit-Brucheinschnürung 4,9% betrug. Bei 1093°C und einer Belastung von 1265,4 kp/cm2 brachen die Probestücke nach 63,4 Stunden bei einer Zeit-Bruchdehnung (nachher) von 3,0% und einer Zeit-Brucheinschnürung von 2,1%.
Andere Proben der Legierung 1 hatten die folgenden mechanischen Eigenschaften:.
Die zur Ermittlung der Zugfestigkeit verwendeten Probestücke wiesen bei Raumtemperatur eine Zugfestigkeit von 9701,4 kp/cm2 bei einer Bruchdehnung von' 6,0% und einer Brucheinschnürung von 11,5% und eine 0,2-Grenze von 8031,8 kp/cm2 auf.
Probestücke (Länge = 50,8 mm, Durchmesser = 6,35 mm) aus derselben Schmelze hatten die in der nachstehenden Tabelle aufgeführten Eigenschaften beim Bruch. In der Tabelle sind angegeben die Temperatur, die ununterbrochen eingesetzte axiale Beanspruchung in kp/cnf, die Standzeit bis zum Bruch in Stunden, die Zeit-Bruchdehnung in Prozent und die Zeit-Brucheinschnürung in Prozent, die Standzeit in Stunden und die entsprechende Dehnung in Prozent vor dem Bruch.
Temperatur Belastung Standzeit Dehnung Zeit-Bruch
einschnürung		 Standzeit
bis zum Bruch		 Zeit-Bruchdehnung
(vorher)
("C) (kp/cm2) (Stunden) (%) (%) (Stunden) (%)
760 ., 7030 32,3 3,2 6,2 29,6 1,651
760 6608,2 102,3 2,4 1,46
760 5975,5 268,4 3,0 1,46
982' 2038,7 70,8 8,5
1010 2038,7 17,3 7,5 7,3 15,4 3,134
1038 1265,4 91,4 9,0
. 1093 : 703,0 172,6 9,6 ■ 11,4 171,9 4.434
Sich über einen längeren Zeitraum erstreckende Zeitstandversuche bei erhöhten Temperaturen mit Probestücken mit den gleichen Meßlängen aus frischen Schmelzen, die im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie die Legierung 1 hatten, führten zu folgenden Ergebnissen:
Temperatur Belastung Standzeit Wärmedehnung Zeit-Bruch
einschnürung		 Zeit-Bruchdehnung
(0C) (kp/cm2) (Stunden) (%) (%) (%)
816 . 4218,0 360,9 1,038
816 3866,5 1933,0 4,481 7,8 5,7
816 3515,0 4567,0 3,964 6,3 1,9
816 2812,0 4532,7 0,415
927 1757,5 1413,7 6,930 13,5 8,4
954 1476,3 1066,1 8,048 13,9 10,1
982 ■-' 1054,5 1930,0 10,015 11,2 10,7
1066 562,4 1253,8 6,105 19,0 9,5
Weitere Versuche mit der Legierung 1 ergaben folgende Werte:
bei Raumtemperatur eine Zugfestigkeit von 9912,3 kp/cm2 und eine untere Streckgrenze von 7627,5 kp/cm2 mit einer Dehnung von 7,5% und einer Einschnürung von 12,5%;
bei 760° C eine Zugfestigkeit von 9490,5 kp/cm2 max., eine untere Streckgrenze von 7522,1 kp/cm2 mit 4% Dehnung und 8,5% Einschnürung.
6° Temperatur Belastung Standzeit Dehnung 2,94% ')
(°C) (kp/cm2) (Stunden) (%) 1,03% *)
760 5975,5 178,9 5,0/
760 6608,2 .31,6 3,5
65 . 982 2038,7 22,3 7,0
1038 1265,4 36,5 7,0
*) Größe der Dehnung 2 Stunden vor dem Bruch.
Die Legierung 1 ergibt gegossene Legierungen, die im allgemeinen eine ungewöhnlich gute Oxydations- und Korrosionsfestigkeit aufweisen und bezüglich ihrer Festigkeit gegenüber einer Schwefelung durch die Verbrennungsgase überlegen sind und die bezüglich ihrer Zugfestigkeits- und Bruchfestigkeitseigenschaften bekannten Legierungen überlegen sind.
Die Legierung 2 hatte die folgenden mechanischen Eigenschaften:
Probestücke (Länge = 50,8 mm, Durchmesser = 6,35 mm) wiesen bei Raumtemperatur eine Zugfestigkeit von 10 123,2 kp/cm2 mit 4,0% Bruchdehnung
Ein 50 Stunden währender Salz-Erosionsversuch je Minute ergab folgende Ergebnisse:
und 5,3% Brucheinschnürung auf und eine 0,2-Grenze von 9209,3 kp/cm2.
Bei 1O38°C brachen die Probestücke der gegossenen Legierung, die ständig unter einer axialen Belastung von 1265,4 kp/cm2 gehalten wurden, nach 30,4 Stunden, und sie hatten eine Zeit-Bruchdehnung (nachher) von 4,0% und eine Zeit-Brucheinschnürung von 3,1%.
Nach Durchführung eines statischen Oxydations-Versuches bei 10930C wurde ein Gewichtsverlust von 0,0182 g bei dem Probestück Länge = 50,8 mm, -. Durchmesser = 6,35 mm) beobachtet.
mit . Brennstoff bei 10380C und 1000 Umdrehungen
Salztestversuch mit Brennstoff— 10380C — 50 Stunden — 1000 Umdrehungen/Minute
Legierung 2
nicht überzogen		 Legierung 101
nicht überzogen		 Legierung 102
nicht überzogen
Die ersten 25 Stunden '
Beginn e 		56,43
56,38		 58,34
57,47		 ' 54,22
53,93
25 Stunden 0,05
56,38
55,38		 0,87
57,47
55,87		 0,29
53,93
52,89
Gewichtsverlust 1,00
1,05		 1,60
2,47		 1,04
1,33
Die zweiten 25 Stunden
Beginn ε
25 Stunden
Gewichtsverlust
Gesamtgewichtsverlust
am Ende des Versuches
Der Erosionsversuch wurde mit einem rotierenden versetzt waren. Die Probestücke wurden vor Beginn
Gestell (1000 Umdrehungen/Minute) durchgeführt, in ■ des Tests, nach 25 und 50 Stunden gewogen. Die
welchem die Probestücke angeordnet waren. Während 40 Gewichtsverluste sind in der vorstehenden Tabelle
der Umdrehung des Gestells wurden die Probestücke aufgeführt.
bei einer gleichbleibenden Temperatur von 1038° C Die bekannten Legierungen 101 und 102 haben
den brennenden Gasen ein Schiffsdiesel ausgesetzt, die folgende Zusammensetzung:
die je Million Teile mit 0,5 bis 1000 Teilen Seesalz
101 102
Kohlenstoff ;
Mangan
Schwefel
Silicium
Chrom
Molybdän
Niob 		0;12 bis 0,17%
0,20% max.
0,015% max.
0,20% max.
8 bis 10%
0,75 bis 1,25%
1,75 bis 2,25%
4,75 bis 3,25%
11,5 bis 13,5%
0,1 bis 0,2%
0,03 bis 0,08%
1,5% max.
0,10% max.		 0,20% max.
1,0% max.
0,015% max.
1,0% max.
13 bis 15%
3,5 bis 5,5%
Niob + Tantal
-Molybdän + Tantal
Titan : 		1 bis 3%
4,5 bis 8,5% .
0,75 bis 1,25%
5,5 bis 6,5%
6,25 bis 7,75%
0,0005 bis 0,015%
0,05 bis 0,12%
3,0% max.
0,50% max.
Aluminium
Titan + Aluminium
Wolfram
Bor
Zirkonium
Eisen
Kupfer
209 683/147
Fortsetzung
10
102
1% max.
1% max.
Rest .
Kobalt .
Vanadin
Nickel..
9 bis 11%
Die Legierung 3 hatte die folgenden mechanischen ίο Eigenschaften:
Mit Standard-Probestücken durchgeführte Versuche ergaben bei Raumtemperatur eine Zugfestigkeit von 9103,9 kp/cm2 mit 6% Bruchdehnung und 11% Brucheinschnürung und eine 0,2-Grenze von 8014,2 kp/cm2.
Bei 7600C belief sich die Zugfestigkeit auf 9842,0 kp/ cm2 mit 4,4% Bruchdehnung und 7,0% Brucheinschnürung. Die 0,2-Grenze bei 76O0C war bei 7943,9 kp/cm2 erreicht.
Bei 760° C brachen die aus der gegossenen Legierung bestehenden Probestücke, die ständig unter einer axial angewendeten Belastung von 5975,5. kp/cm2 standen, nach 215,6 Stunden, und sie wiesen eine Zeit-Bruchdehnung (nachher) von 2,2% und eine Zeit-Brucheinschnürung von 1,51% auf. Bei 9820C und einer Belastung von 2038,7 kp/cm2 brachen die Probestücke nach 58,6 Stunden und wiesen eine Zeit-Bruchdehnung von 6,5% auf. Wenn die Versuche bei 1038°C und mit einer Belastung von 1265,4 kp/cm2 durchgeführt wurden, brachen die Probestücke nach 78,0 Stunden mit einer Zeit-Bruchdehnung von 7,5% nach dem Bruch.
Andere Proben der Legierung 3 aus einer Schmelze mit nur geringfügig abweichender Analyse ergab die folgenden Werte:
35
45 Weitere mit den Legierungen 3 und 4 erzielte Versuchsergebnisse sind in den folgenden Tabellen zusammengefaßt:
Raumtemperatur-Zugversuche
Raumtemperatur-Zugfestigkeit Bruchdehnung Bruch
einschnürung
Maximal
(kp/cm2)		 . 9,5 11,5
9508,1
0,2-Grenze
(kp/cm2)
7662,7
Zeitstandversuche
Tem
peratur
(°C)		 Belastung
(kp/cm2)		 Standzeit Zeit-
Bruch
dehnung
(%)		 Zeit-
Bruch-
ein-
schnürung
(%)
760
982
1038		 6608,2
2038,7
1265,4		 41h 12" ·
45 h 48"
40 h 36"		 1,9
7,6
9,0		 3,9
10,1
0,2-Grenze Zugfestigkeit Bruch Bruch
Legierung (kp/cm2) (kp/cm2) dehnung einschnürung
8471,2 10 334,1 (%) (%)
3 ' 8436,0 10 492,3 6,5 12,5
·'8312,9""" "-ιθ-οοο,ο- 8,5 t2;5~
4 8260,3 10 334,1 8,0 12,5
9,0 13,5
760° C-Zugversuche Bruch
dehnung		 Bruch
einschnürung
Legierung
30		 0,2-Grenze
(kp/cm2)		 Zugfestigkeit
(kp/cm2)		 5,0
4,0		 8,0
8,0
3
4		 8242,7
8242,7		 10 088,0
9982,6
Zeitstandversuche
Tempe
ratur		 Belastung Standzeit Bruch
dehnung		 Zeit-Bruch vor dem
Legie
rung		 einschnürung
(%)		 Bruch
(0C) (kp/cm2) (Stunden) (%) . l-,09
760 6608,2 111,7 f
2,5		 1,77
3 760 6608,2 113,9 3,7 2,04
4 760 5975,5 391,3 3,7 2,5 2,26
3 760 5975,5 414,0 4,0 5,0
4 982 2038,7 74,6 8,0 8,0
' 3 982 2038,7 67,8 9,5 6,5
4 1038 1265,4 89,2 8,0 9,5
3 1038 1265,4 65,2 6,0 8,5
4 8,0
Legierung TemDeratur Belastung Standzeit Zeit-Bruchdehnung Standzeit bis zum
Bruch		 Dehnung
bis zum Bruch
(0C) (kp/cm2) (Stunden) (%) ■ (Stunden) ■ (%)
3 760 6608,2 137,9 4,1 136,7 2,233
4 760 6608,2 113,4 5,2 112,5 2.728
. . 3 1093 703,0 89,9 8,2 89,0 3,401
4 • 1093 703,0 139,8 9,0 136,9 1,728
4 1149 492,1 14,0 15,0
4 1177 492,1 6,9 3,8
4 1204 281,2 23,0 6,4
Versuche mit der Legierung 6 ergaben folgende mechanische Eigenschaften:
Maximale Zugfestigkeit bei Raumtemperatur
9578,4 kp/cm2, untere Streckgrenze 8260,2 kp/cm2 mit 5,5% Dehnung und einer Einschnürung von 9,5%;
bei 760° C eine Zugfestigkeit von 9912,3 kp/cm2
max., eine untere Streckgrenze von 8014,2 kp/cm2 mit 4,5% Dehnung und 9,5% Einschnürung.
Tempe
ratur		 Belastung Standzeit Zeit-Bruch
dehnung		 Dehnung bis
zum Bruch
(0C) (kp/cm2) (Stunden) (%) (%)
5
760		 5975,5 162,9 4,2 2,81
760 6608,2 58,6 4,1 2,3
982 2038,7 35,2 12,0
I0 1038 1265,4 44,0 9,0
Wenn die Legierung 6 10 bis 80 Stunden einer Wärmebehandlung bei 816 bis 9270C unterworfen wird, zeigte sie verbesserte Dehnungseigenschaften, eine vergrößerte Zugfestigkeit, und zwar sowohl bei Raumtemperatur als auch bei höheren Temperaturen.

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Hochwarmfeste und wärmeschockunempfindliche Legierung auf Nickelbasis, insbesondere zum Gebrauch für thermisch hochbeanspruchte Teile von Strahltriebwerken und Turbinen, bestehend aus
DE19651483184 1964-07-10 1965-07-07 Hochwarmfeste und wärmeschockunempfindliche Legierung auf Nickelbasis Expired DE1483184C (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US38193264 1964-07-10
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