DE1483231A1 - Verwendung einer Nickel-Chrom-Legierung - Google Patents

Description

Patentanwälte 4 Düsseldorf,den J. Oktober 1968

Dr. Ing, Eichenberg Oecilienallee 76^;' ,Z. Hl/J Dipl.-liig.Saüeriand

Or. ing. König 1483231

P 14 83 23I06

International Nickel Limited, Thames House, " MiHbank, London S..W» 1, England

"Verwendung einer Nickel-Chrom-Legierung"

Bie Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Fickel-Chrom-Legierung bestehend aus 4' bis 11^C/_O Chrom, 0,5 bis y/o Niob, 0,5 bis 4°/° Tantal, 2 bis 670 Molybdän, 0,.5 bis 4% Wolfram, 5 bis 8$ Aluminium, bis 0,Wo Kohlenstoff, 0 bis 1,25^C/* Titan, 0,005 bis 0,03'/° Bor und 0,01 bis 0,2$ Zirkonium, Rest Nickel einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen. '■;■■' '

Gußlegierungen, wie sie' beispielsweise¹ für Schaufeln von Gasturbinen verwendet werden, müssen neben einer hohen 'Zeltstahdfestigkelt eine gute Vergießbarkeit sowie eine hohe Beständigkeit gegen Oxydation und thermische Ermüdung bei großer Gefügebeständigkeit unter langzeitiger Spannungs- und Temperaturbelastung besitzen. Aus- diesem Grunde müssen Gußlegierungen für Ga'sturtelhehschaüf ein e'iii'e Standzeit'von mindestens 23 Stunden bei 982° C und einer Belastung von 20,4 kg/mm besitzen. Außerdem müssen sie bei 760° 0 eine gute Zähigkeit aufweisen, da bestimmte Teile der Schaufeln dieser Temperaturbeanspruchung unterliegen und eine mangelhafte Zähigkeit zu Brüchen führen würde. Von besonderer Bedeutung ist die Gefügebestäridigkeit bei ho-

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hen Temperaturen, da bei Flugzeugturbinen eine Betriebszeit von über 2500 ,Stunden verlangt wird, so daß der Werkstoff während dieser Zeit seine Zähigkeit beibehalten muß und nicht zur Bildung eines harten na- , delförmigen G-efüges neigen darf.

Aus der australischen Patentschrift 166 814 ist bereits eine Nickel-Chrom-Legierung mit 4 bis 30$■■_■ Chrom, 0 bis 1)ί Niob, Ö bis 1$ Tantal bei einem Ge-. samtgehalt an Niob und Tantal von höchstens 1$, 0 bis 20^σ/ο Molybdän,. Q bi?. 5$ Wolfram, 0,3 bis 8$ Aluminium, 0 bis 0,5$ Kohlenstoff, 0,5 bis 8$ Titan, 0,001. bis 0,01$ Bor. und 0,01 bis 0,2$ Zirkonium, Rest ITiekel bekannt. Auch dies.e Legierung soll wegen ihrer Hitzebe- , ständigkeit und . Zeits tandf es t.igkeit als Werkstoff für G-asturbinens chauf ein geeignet sein. ..Die in dienern Zusammenhang referierten Versuche ergaben bei 870⁰G und einer Belastung von nur 14,2 kg/mm eine Standzeit von 162 bis 296 Stunden; diese Zeitstandf esti,jEceit ist "jedoch angesichts der hohen Anforderungen an Werkstoffe"' für Cfasturbinens chauf ein nicht ausreichend. --·-■--.

. .Hiervon ausgehend, wird-.als Werkstoff fur Gußstücke ,..die,-wie ο chauf ein fürGasturbinen, Preßdüsen., Warmschmiedegesenke, und Turbinenläufer bei 982° C and einer Belastung, von 20,4 kg/mm eine.-Standzeit von mindestens 23 Stuncien^Qowie bei 76O⁰Q eine g'ite Zähigkeit ■ besitzen müssen, die Verwendung einer im Vakuum erschmolzenen und vergossenen ÜTickel-Ohrom-Legierung vorgeschlagen, die aus 4 bis 11$ Chrom, 0,5 bis 3$ Wiob,' 0,5 bis 4$ Tantal," 2 bis 6$ Mo Iy b dan ,'"θ, 5 bis 4$ V/olf-"''^J ram, 5 bis 8$ Aluminium, bis 0,T8|> Kohlens tbff, 0 bis 1,25?& Titan, wobei bei einem Kohlenstoffgehalt von unter 0,10$*der Titangehält höchstens 6^6$ beträgt, " -

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0,005 bis 0,03'/3 Bor und 0,01 bis 0,2$ Zirkonium, .Rest Nickel einschließlich ersehmelzutigsbedingter Verunreinigungen besteht. Diese Legierung würde unter Berücksichtigung des Larson-Miller-Parameters bei 870° O und einer Belastung von 14*2 kg/mm"" eine Standzeit von weit über 10 000 Stunden besitzen. Die Ursache hierfür liegt in den besonders engen Gehaltsgrenzen und insbesondere auf dem gegenüber der bekannten Legierung erhöhten Gesamtgehalt an Niob und Tantal. |

Besonders geeignet ist eine Legierung mit ■ 9 bis 11$ Chrom, 0,5 bis 1,5/° Niob, 1 bis 3$ Tantal, 3 bis 5$ Molybdän, 1 bis 3$ Wolfram, 6 bis ψ/ο Aluminium, bis 0,15/ü Kohlenstoff, höchstens 1,1$ Titan, 0,005 bis 0,02$ Bor und 0,05 bis 0,15% Zirkonium sowie als Rest neben Verunreinigungen Nickel.

Wenn sich ein Legierungsbestandteil außerhalb der bezeichneten Gehaltsgrenzen befindet, dann wirkt sich das ungünstig auf die Eigenschaften der Legierung aus. Praktisch enthalten die Legierungen stets einen geringen Gehalt an Kohlenstoff, beispielsweise mindestens 0,005 oder 0,01$, wobei die niedrig- | sten Werte von den Schmelzbedingungen und dem verwendeten Rohmaterial abhängen. Es ist jedoch wichtig, daß der Kohlenstoffgehalt 0,18$ nicht überschreitet und vorzugsweise nicht mehr als 0,15$ beträgt.

Wesentlich ist weiter, daß die vorgeschlagene Legierung aus reinsten, unter vertretbaren Kosten erhältlichen Ausgajigsmaterialien erschmolzen werden. Sie sollen möglichst geringe Anteile an schädlichen Verunreinigungen, wie beispielsweise an Blei, Wismut, Tellur, Schwefel, Sauerstoff, Stickstoff, Was-

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serstoff, Arsen, Antimon, Zinn und Thallium enthalten, vorzugsweise nicht mehr als 0,0001$ von jedem dieser Elemente. Kobalt und Eisen verringern die Fähigkeit der Legierung, bei längerem Gebrauch unter hohen Temperaturen mikrostrukturellen Änderungen zu widerstehen= Deshalb sollten sie nur als Verunreinigungen vorkommen, die je 1$ nicht übersteigen. Auch Silizium und Mangan sind gleichfalls schädliche Elemente, von denen jedes nur mit höchstens 0,1$ in der Legierung vorkommen solle

Als Ausführungsbeispiel wurden die Legierungen 1 bis 5 und eine bekannte, handelsübliche Legierung 6 im Vakuum erschmolzen und unter Vakuum in verschiedene Formen vergossen einschließlich auf Maß gegossener Prüfstäbe mit einem Durchmesser von 6,35 mm und einer Länge von 25,4 mm. An den Probestäben wurden die Zeitstandfestigkeit bestimmt, und zwar bei verschiedenen Belastungen und Temperaturen. Ihre Zugfestigkeitseigenschaften wurden bei Raumtemperatur bestimmt. Aus nachstehenden Tabellen ergeben sich die Zusammensetzungen der Legierungen und die Ergebnisse aus den Bruchfestigkeits- und Zugversuchen.

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Tabelle 2

Zeitstandverhalten

Legie rung	Tempe ratur (0O	.Belastung ρ (kg/mm )	Standzeit (Std.)	Dehnung
1	982	20 ο 4	39-9	9o2
	1038	12.0	103.7	10.7
2	760	63-3	73.3	5.3
	816	35.2	1356	3.0
	899	21.1	580	4.4
	927	26.0	97.8	8.8
	982	20.4	46.0	15
	982	14.1	378.8	11o6
	1038	12„7	44o1	7.1
	1038	10.6	160,6	8.9
3	760	59.8	213	4.5
	816	35.2	1841.1	8.9~
	982	20.4	40	8.3
4	760	63.3	258.7	4.0
	899	21.1	813	10.6
	982	20.4	48.9	8.9
	982	14*1	337	4.4
VJl	982	20.4	35.1	7.1
	982	20.4	42.7	10.0
	982	20.4	60.6	10„0
6	760	59.8	54	4.5
	982	20.4	10	—

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!Dabeile 3

	Festigkeit bei Raumtemperatur	Zugfestig	Dehnung	Einschnü	5
Legie	Streck	keit		rung	6
rung	grenze	(kg/mm )		(#)
	(kg/mm )	95.6·	15	16
1	77.3	84-5	13.0	18.
2	78.0	81.9	8.0	19-
3	73.6

Die Ergebnisse der Tabelle 2 zeigen, daß jede der Legierungen 1 bis 5 die Forderung erfüllt, einer Belastung von 20.4 kg/mm bei 982 C mindestens 23 Stunden standzuhalten. Die Legierung 6 genügt dagegen diesen Bedingungen nicht.

Die Ergebnisse zahlreicher Zeitstandversuche mit bevorzugten Legierungen wurden zur Vorbereitung des Larson-Miller-Diagramms benutzt, das in der Zeichnung dargestellt ist. Das Diagramm gestattet es, die Zeitstandfestigkeit der Legierung bei einer beliebigen Belastung oder Temperatur zu bestimieno Im oberen Teil der Zeichnung ist auf der Ordinate die Standzeit der Legierung in Stunden aufgetragen, während die Ordinate im unteren Abschnitt der Zeichnung die dazugehörige Belastung angibt und die Abszisse den Wert des Larson-Miller-Parameters P, der durch die Gleichung

P=T (20 + log t) χ 10"⁵

definiert ist, in der T die absolute Temperatur und t die Standzeit bedeutet.

9 0 9 L^: T"> / 0 6 7 9

In Ergänzung der vorstehend beschriebenen Versuche wurden aus der Legierung 4 hergestellte G-ußteile einer Oxydations- und SuIfidierungsbehandlung unterzogene Bei den Oxydationsversuchen wurden die Gußstücke wiederholt an Luft erhitzt und abgekühlt, und zwar einer 16-stündigen Erhitzung bei 1038⁰O und einem anschließenden 8-stündigen Abkühlen unterzogen. Nach 208 Stunden betrug der Gewichtsverlust nur ^ 0.005$. Der Sulfidierungsversuch bestand in einem einstündigen Eintauchen der Proben in eine geschmolzne Mischung aus 90$ Natriumsulfat und 10$ Natriumchlorid von 927 0. Der sich dabei ergebende G-ewiehtsverlust einer Standardprobe war geringer als 0,1 g*

G-egossene Turbinenschaufeln, die aus den Legierungen im Vakuum erschmolzen und unter Verwendung des üblichen Preßgußverfahrens (G-ießen mit verlorener Gießform) im Vakuum vergossen worden waren, ergaben sich bei der Untersuchung durch Röntgenstrahlen und Eindringfärbung als absolut fehlerfrei.

Die Legierungen besitzen den Vorteil, daß _b sie eine ziemlich geringe-Dichte haben. So beträgt

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die Dichte der Legierung 3 nur 8,04 g/cm .

Ein wesentlicher Vorteil der vorgeschlagenen Legierung besteht darin, daß ihre große Festigkeit bei einem niedrigen Gehalt an Wolfram erzielt wird, da die Dichte, wenn der Wolframgehalt 4$ übersteigt, wesentlich größer und das Verhältnis von Festigkeit zu G-ewicht verringert wird.

Aus den erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen können mit Vorteil nicht nur Schaufeln für Flugzeugturbinen, sondern auch solche für Kraftfahr-

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zeugturbinen gegossen werden, sowie Preßdüsen, Warmschmiedegesenlce und Turbinenläufer. Gußstücke dieser Art "besitzen ausgezeichnete Eigenschaften in Abschnitten bis zu 30 cm»

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Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1»'Verwendung einer Nickel-Öhrom—Legierung, bestehend ^" aus 4 bis 11$ Chrom, 0,5 bis 3$ Niob, 0,5 bis 4$ Tantal, 2 bis 6$ Molybdän, 0,5 bis 4$ Wolfram, 5 bis 8$ Aluminium, bis 0,18$ Kohlenstoff, 0 bis 1,25$ Titan, wobei bei einem Kohlenstoffgehalt von unter 0,10$ der Titangehalt höchstens 0,6$ beträgt, 0,005 bis 0,03$ Bor und 0,01 bis 0,2$ Zirkonium, üest Nickel einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen, nach einem Schmelzen und Vergießen im Vakuum als Werkstoff für Gußstücke, die wie Schaufeln für Gasturbinen, Preßdüsen, Warmschmiedegesenke und 'Turbinenläufer, bei 982 C und einer Belastung von 20,4 kg/mm eine Standzeit von mindestens 23 Stunden sowie bei 76O°€ eine gute Zähigkeit besitzen müssen.

   2ο Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 9 bis 11$ Chrom, 0_r5 bis 1,5$ Niob, 1 bis 3$ Tantal, 3 bis 5$ Molybdän, 1 bis 3$ Wolfram, 6 bis 7$ Aluminium, unter 0,15$ Kohlenstoff, unter 1,1$ Titan, 0,005 bis 0,02$ Bor und 0,05 bis 0,15$ Zirkonium enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

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