DE1608182C

DE1608182C - Chrome alloys

Info

Publication number: DE1608182C
Authority: DE
Inventors: Alan Lichfield Stafford Woolcock (Großbritannien)
Original assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Current assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Publication date: 1972-02-10

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Chromlegierungen.The invention relates to chromium alloys.

Chrom besitzt einen Schmelzpunkt von über 1800° C und hat eine ausgezeichnete Oxydationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen, so daß es für Anwendungszwecke bei hohen Temperaturen, wie beispielsweise Gasturbinenschaufeln, besonders geeignet ist. Nun hat jedoch Chrom den Nachteil, daß es nur eine geringe Duktilität bei niedrigen Temperaturen besitzt und darüber hinaus brüchig wird durch Stickstoff absorption bei höheren Temperaturen. Darüber hinaus ist die mögliche Gebrauchstemperatur von Chromlegierungen anscheinend niedriger als das von Legierungen, die auf stärker hitzebeständigen Elementen, wie Niob und Molybdän, aufgebaut sind. Hinsichtlich der Kosten ist Chrom jedoch besonders interessant und liefert ein potentielles Material für Anwendungstemperaturen über denjenigen von Nickellegierungen und unter denjenigen von Nioblegierungen.Chromium has a melting point of over 1800 ° C and has excellent resistance to oxidation at elevated temperatures, making it suitable for uses at high temperatures, such as Gas turbine blades, is particularly suitable. However, chromium has the disadvantage that it is only slightly Has ductility at low temperatures and, moreover, becomes brittle due to nitrogen absorption at higher temperatures. In addition, the possible use temperature of chrome alloys apparently lower than that of alloys based on more refractory elements such as niobium and molybdenum, are constructed. In terms of costs, however, chromium is particularly interesting and is a supplier potential material for application temperatures above and below those of nickel alloys of niobium alloys.

Es ist schon vorgeschlagen worden, Yttrium Chrom zuzusetzen, um hierdurch die Stickstoffabsorption zu verringern, wobei die Festigkeit der Legierungen durch Dispersionen von Titan-, Zirkonium- oder Hafniumcarbiden verbessert werden kann.It has already been proposed to add chromium to yttrium in order to thereby increase nitrogen absorption reduce the strength of the alloys by dispersing titanium, zirconium or hafnium carbides can be improved.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 210 567 sind Chromlegierungen bekannt, welche 0,005 bis 0,55 °/₀ ^a5 Kohlenstoff, 0,001 bis 0,5 °/₀ Yttrium und mindestens eines der Elemente Titan, Zirkonium und Hafnium enthalten, wobei das Atomverhältnis der. Gesamtprozentgehalte an Titan, Zirkonium und Hafnium zu Kohlenstoff innerhalb des Bereiches von 0,4 bis 15:1 liegt. In der Beschreibung ist angegeben, daß diese Legierungen gute mechanische Eigenschaften und eine gute Beständigkeit gegenüber Oxydation besitzen sollen.From the German Auslegeschrift 1 210 567 chromium alloys are known which contain 0.005 to 0.55 ° / ₀ ^a 5 carbon, 0.001 to 0.5 ° / ₀ yttrium and at least one of the elements titanium, zirconium and hafnium, the atomic ratio of. Total percentages of titanium, zirconium and hafnium to carbon is within the range of 0.4 to 15: 1. In the description it is stated that these alloys should have good mechanical properties and good resistance to oxidation.

Die französische Patentschrift 1 433 214 beschreibt Chromlegierungen, welche 0,01 bis weniger als 0,5% Yttrium, 0,03 bis weniger als 0,7 °/₀ Thorium und 0,1 bis 0,3 % Hafnium enthalten und in denen auch noch bis zu 10°/₀ Rhenium zugegen sein kann. Diese Legierungen sollen ebenfalls zäh und wärmebeständig sein.French Patent Specification 1433214 describes chromium alloys, 0.03 to less containing 0.01 to less than 0.5% yttrium, than 0.7 ° / ₀ thorium and 0.1 to 0.3% hafnium, and which also may be up to 10 ° / ₀ rhenium present. These alloys should also be tough and heat-resistant.

Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß Chromlegierungen, welche Titan, Zirkonium und Hafnium enthalten, mit gutem Erfolg hinsichtlich der Verbesserung ihrer Eigenschaften Bor zugesetzt werden kann. Unter der Voraussetzung, daß eine genügende Menge Hafnium in den Legierungen zugegen ist, wird hierbei Hafniumborid gebildet, welches als Dispersionshärtungsphase wirkt.The present invention is based on the knowledge that chromium alloys, which contain titanium, zirconium and hafnium, with good success boron can be added to improve their properties. On condition that if there is a sufficient amount of hafnium in the alloys, hafnium boride is formed, which acts as a dispersion hardening phase.

Gemäß der Erfindung wird eine Chromlegierung vorgeschlagen, welche aus 0,05 bis 5,0 °/₀ Yttrium, 0,001 bis 1,0 % Bor und insgesamt 0,1 bis 6 % an einem oder mehreren folgender Getterelemente, nämlich bis 4,0% Hafnium, bis 6,0% Titan und/oder bis 4,0% Zirkonium und dem Rest von nicht weniger als 50% Chrom neben unvermeidlichen Verunreinigungen besteht. According to the invention, a chromium alloy is proposed, consisting of 0.05 to 5.0 ° / ₀ yttrium, 0.001 to 1.0% boron, and a total of 0.1 to 6% of one or more of the following getter, namely to 4.0% Hafnium, up to 6.0% titanium and / or up to 4.0% zirconium and the remainder not less than 50% chromium, in addition to inevitable impurities.

Gewünschtenfalls kann eine Legierung gemäß der Erfindung auch noch eines oder mehrere der folgenden Legierungselemente bis zu einer Gesamtmenge von 30% enthalten: bis 20% Molybdän, bis 20% Vanadium, bis 15% Rhenium, bis 5% Wolfram, bis 5% Tantal und bis 2% Silicium. ₍ If desired, an alloy according to the invention can also contain one or more of the following alloying elements up to a total amount of 30%: up to 20% molybdenum, up to 20% vanadium, up to 15% rhenium, up to 5% tungsten, up to 5% tantalum and up to 2% silicon. ₍

Bevorzugte Mengenbereiche der hauptsächlichenPreferred quantity ranges of the main ones

Legierungselemente sind folgende: 0,1 bis 1,5% Hafnium, 0,1 bis 2,0% Yttrium und 0,01 bis 0,1 % Bor.Alloy elements are as follows: 0.1 to 1.5% hafnium, 0.1 to 2.0% yttrium and 0.01 to 0.1% boron.

Eine Legierung, welche die angegebenen MengenAn alloy which the specified quantities

der drei Legierungselemente neben Chrom und unvermeidlichen Verunreinigungen enthält, ist eine bevorzugte Legierungszusammensetzung gemäß der Erfindung. which contains three alloying elements besides chromium and inevitable impurities is a preferred one Alloy composition according to the invention.

Die Atomverhältnisbereiche von Hafnium zu Bor liegen bei diesen bevorzugten Legierungszusammensetzungen von 0,07 bis 10,4:1. Es wird angenommen, daß das Optimum des Atomverhältnisses von Hafnium zu Bor innerhalb des Bereiches von 0,25 bis 3,5: 1 liegt. Molybdän wird vorzugsweise in einer Menge von 5 bis 15% zugesetzt und eine bevorzugte Legierung besteht aus 8% Molybdän, 1% Hafnium, 1,5% Yttrium, 0,05% Bor, Rest Chrom.The atomic ratio ranges of hafnium to boron are in these preferred alloy compositions from 0.07 to 10.4: 1. It is believed that the optimum atomic ratio of hafnium to boron is within the range of 0.25 to 3.5: 1. Molybdenum is preferably used in an amount of 5 to 15% added and a preferred alloy consists of 8% molybdenum, 1% hafnium, 1.5% Yttrium, 0.05% boron, balance chromium.

Legierungen gemäß der Erfindung besitzen gute Festigkeitswerte bei hohen Temperaturen mit einer guten Beständigkeit gegenüber Oxydation und Stickstoffaufnahme. Molybdän, Vanadium, Rhenium und Wolfram liegen in den angegebenen Bereichen in einer festen Lösung mit Chrom vor. Von diesen Elementen ist Molybdän der bevorzugte Zusatz, da es einen hohen Schmelzpunkt besitzt und demgemäß die Kriechbeständigkeit verbessert und es darüber hinaus nicht die Oxydationseigenschaften der Legierung schädlich beeinflußt. Die obere Grenze des Molybdängehalts wird durch die Erfordernisse der Fertigfabrikation bestimmt. Alloys according to the invention have good strength values at high temperatures with a good resistance to oxidation and nitrogen uptake. Molybdenum, vanadium, rhenium and In the specified ranges, tungsten is in a solid solution with chromium. From these elements Molybdenum is the preferred additive because it has a high melting point and hence creep resistance and, moreover, it does not adversely affect the oxidation properties of the alloy. The upper limit of the molybdenum content is determined by the requirements of the finished product.

Durch die Zusätze von Yttrium und Hafnium wird die Legierung in zweifacher Hinsicht verbessert. Yttrium entfernt Sauerstoff und bis zu einem gewissen Ausmaß auch Stickstoff, indem es in der Schmelze als Getter wirkt, und es verhindert die Stickstoffaufnahme der Legieurng, wenn sie in Luft auf Temperaturen von 1100⁰C erwärmt wird. Hafnium wirkt ebenfalls als Stickstoffgetter, jedoch besteht seine wichtigste Funktion darin, daß es mit Bor Verbindungen bildet, wodurch die Legierung eine Dispersionshärtung erfährt, so daß die Legierung gute Festigkeitswerte bei hohen Temperaturen aufweist. Hinsichtlich dieser Funktionen kann Hafnium durch Titan und Zirkonium ersetzt werden. Tantal bildet wohl auch mit Bor cine Boriddispersion, jedoch wirkt es nicht als Getter. Von den angegebenen Boriden sind die Hafniumboride HfB und HfB, am stabilsten, und infolgedessen ist Hafnium der bevorzugte Legierungszusatz der angegebenen Gruppe von Elementen. Eine überschüssige Menge an Hafnium in der Legierung führt zur Bildung eines kontinuierlichen Bandes einer brüchigen, einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisenden Phase an den Korngrenzen, was für die mechanischen Eigenschaften der Legierung nachteilig ist.The addition of yttrium and hafnium improves the alloy in two ways. Yttrium removes oxygen and to some extent also nitrogen, by acting as a getter in the melt, and it prevents the absorption of nitrogen into the Legieurng, when heated in air to temperatures of 1100 ⁰ C. Hafnium also acts as a nitrogen getter, but its most important function is to form compounds with boron, thereby dispersion hardening the alloy so that the alloy exhibits good strength values at high temperatures. With regard to these functions, hafnium can be replaced with titanium and zirconium. Tantalum also forms a boride dispersion with boron, but it does not act as a getter. Of the borides noted, the hafnium borides, HfB and HfB, are the most stable and, as a result, hafnium is the preferred alloy additive of the group of elements noted. An excess amount of hafnium in the alloy leads to the formation of a continuous ribbon of a brittle, low melting point phase at the grain boundaries, which is detrimental to the mechanical properties of the alloy.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht in der Kombination der Getterelemente Hafnium und Yttrium und der Anwendung eines Überschusses an Hafnium als eine Komponente einer dispersen Härtungsphase in Kombination mit Bor.There is an essential feature of the invention in the combination of the getter elements hafnium and yttrium and the use of an excess Hafnium as a component of a disperse hardening phase in combination with boron.

Ein Teil des Borgehaltes kann durch Kohlenstoff ersetzt werden, ohne daß die günstigen Eigenschaften des Vorhandenseins von Bor beeinträchtigt werden. So kann Kohlenstoff innerhalb des Bereiches von 0,001 bis 0,08% und beispielsweise in einer Menge von 0,01% Bor mit 0,02% Kohlenstoff vorliegen. In diesem Falle sind sowohl die Boride als auch die Carbide in der Legierung in Form von Dispersionen vorhanden.Part of the boron content can be replaced by carbon without affecting the favorable properties the presence of boron. So carbon can be within the range of 0.001 to 0.08% and for example in an amount of 0.01% boron with 0.02% carbon. In in this case both the borides and the carbides are in the alloy in the form of dispersions present.

Claims

Patent claims:

1. Chromium alloy, consisting of 0.05 to 5.0% yttrium, 0.001 to 1.0% boron and a total of 0.1 to 6% to one or more of the following getter

elements, namely up to 4.0% hafnium, up to 6.0 ° / o of titanium and / or up to 4.0 ° / ₀ zirconium, and the balance not less than 50 ° / ₀ chromium next inevitable impurities.

2. Chromium alloy according to claim 1, consisting of 0.1 to 1.5% hafnium, 0.1 to 2.0% yttrium, 0.01 to 1.0% boron, the remainder chromium in addition to unavoidable impurities.

3. Chromium alloy according to claim 2, characterized in that the atomic ratio of Hafnium to boron within the range from 0.07 to 10.4: 1 and preferably from 0.25 to 3.5: 1 located.

4. Chromium alloy according to one of the preceding claims, characterized in that they still add up to 30% in total to one

or contains several of the following elements: up to 20% molybdenum, up to 20% vanadium, up to 15% Rhenium, up to 5% tungsten, up to 5% tantalum, and up to 2% silicon.

5. Chromium alloy according to claim 4, characterized in that the molybdenum content is 5 to 15%.

• 6. Chromium alloy according to claim 4 or 5, characterized in that it consists of 8% molybdenum, 1.5% yttrium, 1% hafnium, 0.05% boron, balance Consists of chromium and inevitable impurities.

7. Chromium alloy according to one of the preceding claims, characterized in that part of the boron content is replaced by 0.001 to 0.08% carbon.