DE1810246A1 - Nickellegierungen und daraus hergestellte Formteile - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

dr. ing. H. NEGENDANK · dipl.-ing. H. HAUCK · bipl.-phys. W. SCHMITZ

HAMBURG-MÜNCHEN 1810246

ZUSTELLTJNGSANSCHRIFT; HAMBURG 36 · NEUER WALL 41

. 3θ 74 2 8 TJND 3 64113 TELEGH. NEStDAFATSNT HAMBtTHG

MÜNCHEN 15 ■ MOZARTSTR. 23

TEL.5880580

MAETIH ώαίΙϋϋΕΪΑ CORPORATION tblegh. negedapatent München 277 Park Avenue

liew York, New York, USA Hamburg, den 21. November 1968

Nickellegierungen und daraus hergestellte Formteile ' f

Die vorliegende Erfindung "betrifft Nickellegierungen und daraus hergestellte !eile, die besonders geeignet sind, hohen Belastungen bei hohen Temperaturen standzuhalten und dem Angriff durch Schwefel zu widerstehen.

Wenn Legierungen in den heißen Stufen von Gasturbinenanlagen verwendet werden, werden sie im Gebrauch einer Umgebung ausgesetzt, die eine !Combination von schädigen- (( den Faktoren einschließt, v/enn die Anlage läuft, werden die Heißstufen-Turbinenteile hohen Belastungen bei hohen Temperaturen in einer korrosiven und erosiven schwefelhaltigen .atmosphäre hoher Geschwindigkeit ausgesetzt. Wenn die ijalage abgestellt wird, kühlen sich die HüiJJatufen-Teile ab» Jo muß in einer Gasturbinenanlage, welche immer v/ieder angehalten und anlaufen gelassen wird, v/ic ζ ο 'J. in tflu^aeucen, eine Legierung, die geeignet sein

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BAD ORIGINAL

soll, gegenüber Belastungen bei hohen Temperaturen widerstandsfähig sein; sie muß auch widerstandsfähig sein gegenüber Wärme ermüdung und 7,^rärme schock, Erosion und Korrosion, und sie muß beständig sein. Versagen in irgendeiner dieser Eigenschaften kann die Verwendung einer sonst geeigneten Legierung ausschließen. Außer den vorstehenden Eigenschaften darf eine geeignete Legierung weder in der Kälte noch in der Hitze- spröde werden, und sie muß gegenüber mechanischen Schocks "beständig sein, die verursacht werden, wenn verschiedene Gegenstände in die Lufteinlaßrohre schnell eintreten und durch die .Anlage hindurchfliegen.

Von den vielen vorstehend aufgezählten Kriterien der Legierungen für Heiß stuf en-JDüsenstrahlantriebe ist eine der v/ichtigsten die Beständigkeit gegenüber dem Angriff von Schwefel, gegenüber Korrosion durch Schwefel. Alle gebräuchlichen Treibstoffe für Düsenstrahlantriebe enthalten organisch gebundenen Schwefel, der beim Haffinieren der Treibstoffe nicht entfernt werden kann. Die Atmosphäre selbst enthält bedeutende Mengen an Schwefelverbindungen, besonders in der Fähe von G-roßstäiten und Industriezentren. Ho ist das Hauptelement für die SuIfidierungskorrosion, der Schwefel, immer in der Atmosphäre, welche in ein Luftturbinenrotor gehäuse mit hoher G-eschwindigkeit hineinströmt,

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vorhanden· Die Atmosphäre, die einen lurbinenrotor antreibt, enthält nicht nur 6ch?/efeldioxyd und Sulfate, sondern auch andere, bei einer hohen temperatur bis zu 1093 ⁰C schädliche Substanzen» So können z. 13. Chloride, wie ITatriuiüchlorid und dergleichen, in genügender Konzentration aus atmosphärischen Quellen anwesend sein, um die bulfidierungskorrosion von Legierungen in Kontakt mit Treibstoffverbrennungsprodukten zu begünstigen und sogar zu katalysieren, ils ist bekannt, daß bei höheren Temperaturen bchwefeldioxyd und/oder Sulfat-Salze viele chromhaltige iiickellegierun"t.;en oxydieren und sulfidieren können. Unter Versuchnbedingun^en kann liatriumchlorid-Verunreinigung die Oxydationsgeschwindigkeit und die Sulfidierung um einen faktor von 10 und darüber erliu^eii. Versuche haben ^ezelfb, aaiä aasselbe für Düsens tr ah lan trieb swerke, insbesondere in der cliloridreicLen l-eeresatmosphäre, gilt.

Als die uasturbinenanlaren im modernen ο inn in 3η*":land *

um ly'ivj entwickelt wuraen, waren die ersten Jjegierunjen, die in den -leitistufen-ieilen ver.veuaet .vi-.r-Ier., die gleichen, aie für elektrische V/iderstHrio.G^riJrnre eingesetzt werden und 80 ^ UicKel und i.O ^ Jnvom enthalten. In kleinen .uilagen hatten sich diese Legierungen gut bev.-'üirt, obwohl sie für die heutigen Anforderungen zu sch .-ach gind. Im Laufe der Jahre 'hat sich aber die mexallur.ri seile leohnik in einem solchen ^.usmais ver-

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dessert, daß starke Legierungen mit entsprechender mechanischer Festigkeit bei 982 ⁰G und darüber laufend verfügbar sind. In vielen Fällen ist jedoch diese bessere mechanische Festigkeit zum Teil durch Herabsetzen des Chromgehaltes auf etwa 9 ^c/'° auf Kosten der Oxydations- und Schwefel-Beständigkeit erreicht worden» Da die Heißstufentemperaturen bei den Turbinenanlagen von 649 auf 982 ⁰O und darüber gestiegen sind, werden die Korrosionsprobleme der Legierungen, einschließlich der Oxydations-iSulfidierungs- und Erosionseffekte immer bedeutender» Heutzutage ist es oftmals schwerer, die Korrosionsprobleme zu beseitigen als die erforderliche mechanische Festigkeit zu erreichen«

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Legierungen mit großer Festigkeit bei hohen Temperaturen (einschließlich Kriechwiderstand) zu schaffen, den modernsten Gasturbinenanlagen angepaßt^ die gleichzeitig verbesserte Korrosionsbeständigkeit, insbesondere Schwefelkorrosionsbeständigkeit, aufweisen. Die Legierungen sollen darüberhinaus ausgezeichnete Zugfestigkeit und Streckgrenze bei Raumtemperatur haben.

Die vorliegende Erfindung betrifft derartige neue Legierungszusammensetzungen und darüberhinaus neue

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Heißstufen-Gasturbinen, einschließlich Rotoren und Turbinenschaufeln sowie neue einstückige Rotor-Schaufel-Turbinen, Turbinendrehschaufeln und einstückige Düsenflügel.

Die vorliegende Erfindung betrifft ITicke!legierungen, gekennzeichnet durch einen Gehalt von etwa 13 bis etwa 18 Gew.-$ Gr, etwa 15 bis etwa 25 Gew.-'/b Co, mindestens zwei Elementen aus der Gruppe Mo, Ta, Fb in Mengen %

von bis zu 4 i* Mo, bis zu 5 T° Ta und bis zu 2,5 ^ Nb,' wobei die Summe von Mo, Ta und ITb mindestens etwa 3 f° beträgt, etwa 0,25 bis etwa 5 Gew.-# W, etwa 0,03 bis etwa 0,2 Gew.-^c/b C, etwa 0,005 bis etwa 0,05 Gew.-^ B, etwa 0,01 bis etwa 0,2 Gew.->j Zr,' Al und Ti in solchen Mengen, daß das Verhältnis von Atomprozent Al zu Atomprozent Ti zwischen etwa 1 und 2 und die Summe der Atomprozente Al + Ti unter etwa 12 liegt, wobei die Mindestmenge Al etwa 2,5 Gew.-^i und die Höehstmenge Ti M

etwa 5 Gew.-'/o beträgt, und außer evtl. Verunreinigungen, nickel auf 100 Gewc-?i, wobei die vorstehend aufgeführten Elemente in der Legierung so zueinander in Wechselbeziehung stehen, daß die Summe der Atomprozente von Mo, W, Ta und ITb, bezogen auf die Gesamtzahl der Atome in der Legierung, unter etwa 4,8 Atomprozent liegt.

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Um die Erfindung besser' verständlich zu machen, wird die nachstehende Beschreibung, die in Verbindung mit den beigefügten Figuren vorgenommen wird, gebracht.

Fig. 1 zeigt graphisch, in einem rechtwinkligen

Koordinatensystem, die vorteilhaften Wechselbeziehungen der Legierungsbestandteile Aluminium und Titan in iibereinstimmung. mit der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 zeigt einen mit Schaufeln einstückigen Turbinenrotor,

Fig. 3 zeigt eine typische Turbinenschaufel und

Fig. 4 eine Larson-Miller-Parameter-Kurve, graphisch die Festigkeitseigenschaften der Legierungen gemäß der Erfindung veranschaulichend.

Allgemein gesagt, betrifft die vorliegende Erfindung eine Nickel enthaltende Legierung, bestehend in Grew.-yö aus etwa 16 °/o Chrom, etwa 20 f> Kobalt, einem Element aus der Gruppe bestehend aus Mo, Ta, Ib und Mischungen davon im Bereich bis zu 4 i» Mo, bis zu 5 7& Ta und bis zu 2,5 i» Nb, etwa 0,25 bis etwa 5 # W, etwa 0,03 $> bis etwa 0,2 °/o C, etwa 0,005 bis etwa 0,05 ^c/° B, etwa 0,01

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"bis etwa 0,2 fo Or, Al und Ti in solchen Mengen, daß das Verhältnis von Atomprozent Al zu Atomprozent Ti zwischen etwa 1 und 2 liegt und die Summe der Atomprozente Ti und Al unter 12 liegt, wobei Al in einer Menge von mindestens 2,5Gew.-^c/o und Ti in einer Menge von höchstens etwa 5 Gew.-^ anwesend sind und, außer evtl. Verunreinigungen und "beiläufigen Elementen, Uickel auf 100 ^CJ>, für gewöhnlich in Mengen von etwa 35 bis 58 S'i.

Um dem Fachmann die Mengen Aluminium und Titan, wie sie in den Legierungen nach der vorliegenden Erfindung vorliegen, klar zu verdeutlichen, ist die Fig. 1 "beigefügt. Diese Figur ist eine graphische Darstellung im rechtwinkligen Coordinatensystem, in welchem Gew.-^ Aluminium gegen Gew.-?o Titan aufgetragen sind, Im Bereich der Genauigkeitsgrenzen für eine solche graphische Darstellung, stellt die Fläche jiBGDE solche Kombinationen von Aluminium und Titan dar, welche für die erfindungsgemäßen Legierungen in Betracht kommen. Der Linienabschnitt AE stellt den niedrigsten Gehalt an Aluminium von 2,5 Gew.-$ dar. Die Abschnitte AB und ED stellen die Grenzen der Atomprozentverhältnisse von Al zu Ti von 1 : 2 dar. Der Abschnitt CD gibt das Maximum von 5 Gew.-^c/b Ti wieder, der Abschnitt BG das Maximum der Summe der Atomprozente von Ti und Al, d.h. 12 Atomprozent.

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Die genaue Lage der Linie BC ist graphisch nicht genau wiederzugeben, da die Ätomprozentverhältnisae von zwei Elementen in einer komplexen Legierung von den relativen Mengen der anderen Bestandteile abhängen. Wie jedoch in Pig. 1 gezeigt, ist der Abschnitt BG in einer mittleren Position. Wie immer die genaue Lage des Abschnittes BO auch sein mag, seine Neigung wird weitgehend der in Pig. 1 gezeigten entsprechen,und seine Enden werden auf den Abschnitten CB und AB liegen oder den unterbrochenen Verlängerungen davon. Die maximale Menge Aluminium in der Legierung darf unter keinen Umständen 5 Gew.-$ überschreiten, Es ist nicht beabsichtigt, daß die Grenzen der Zusammensetzung, wie in Fig. 1 durch das Gebiet ABODE angegeben, als genaue Begrenzung angesehen werden soll. Zum Beispiel können die Abschnitte AB und ED, die zulässigen Grenzen der Atomprozentverhältriisse Al zu Ti wiedergeben, seitlich etwas verschoben werden, was etwas abhängt vom genauen Kobaltgehalt der Legierung. Die unterbrochenen Linien parallel zu den Abschnitten AB und EL rechts und links davon zeigen die zulässigen Änderungen an, welche gemäß der Erfindung beabsichtigt sind. Insbesondere' wenn der Kobaltgehalt der Legierung 25 Gew.->'b hoch ist, wird der Abschnitt ED in die extreme rechte Lage, wie in Pig. 1 gezeichnet, verschoben.

Ls soll keine besondere !Theorie mit Bezug auf diese

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Erfindung aufgestellt werden, dooh ist anzunehmen, daß die vorstehend "beschriebenen Legierungen eine Anzahl von metallurgischenKonzepten einschließen, welche in Verbindung miteinander die vorteilhaften Eigenschaften bringen, die bisher nicht erreicht worden sind. Der relativ hohe Chrom- und Kobaltgehalt in diesen legierungen

in Verbindung mit den begrenzten Atomprozentverhältnis Aluminium zu iitan führt zu Stabilität bei gleichzeitiger Korrosionsbeständigkeit und guter

mechanischer Festigkeit. V/enn das Atomprozentverhältnis %

unter den angegebenen Bereich gesenkt ?/ird, ist es

möglich, die Festigkeit der Regierung zu erhöhen, aber nur auf Kosten der Stabilität. In gleicher ">7eise führt die Erhöhung des Chromgehaltes über 18 ü-ew.-/j zwar zu

aber einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit, was/mit einer ungünstigen Beeinflussung der Festigkeit und der Stabilität verbunden ist. \/enn man also die Legierung der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines

Chrom^ehaltes von etvv^ 14 bis 18 G-ew»-^ und eines *

Kobaltgehaltes von etwa 15 bis 25 ü-ew.-v in Verbindung mit den obigen Bestandteilen in den angegebenen Grenzen herstellt, erhält man eine hervorragende Kombination der für die Praxis vorteilhaften Eigenschaften in einer einzigen !legierung. Einer der überraschendsten Aspekte der Legierungen gemäß der Erfindung ist ein neu entdeckter 3ynergistiocher Effekt von Kobalt, Aluminium und

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BAD ORIGINAL

Titan. In der Bemühung; die ohnehin schon ausgezeichnete Beständigkeit gsgen Sulfidierung einer bekannten Legierung von im wesentlichen der Zusammensetzung entsprechend den beschriebenen Legierungen, ausgenommen des Kobaltgehaltes und des Atomprozentverhältnisses von Aluminium zu Titan, wurde der Kobaltgehalt der bekannten Legierung von 10 auf 20 G-ew.-'/o erhöht. Diese Erhöhung führte zu einer wesentlichen Verringerung der Spannungsbruchdauer bei 760 bis 982 ⁰C. Sine Änderung im Atomprozentverhältnis von Aluminium zu Titan bei 10 Kobalt innerhalb des Atomprozentverhältnisses gemäß der Erfindung führte zu Stabilitätsproblemen, w'enn jedoch etwa 20 yo Kobalt in Verbindung mit dem hier offenbarten Atomprozentverhältnis von .aluminium zu Titan eingesetzt wird, ist die Legierung stabil, die Spannungsbruchdauer bei 760 und 982 C ist gleich der bisher bekannten Legierungen und der riulfidierwiderStändler Legierung ist wesentlich erhöht. Ein weiterer überraschender und unerwarteter Effekt trat auf. Die Zugfestigkeit bei tiefen Temperaturen der Legierungen gemäß der Erfindung ist überraschend höher als die Tieftemperatur-Zugfestigkeit der bekannten Legierungen. Dieses Phänomen ist außerordentlich wichtig, da die erfindungsgemäßen Legierungen somit nicht nur für Heißstufen-Turbinenteile verwendet werden können, die bei relativ gleichbleibenden hohen Temperaturen

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arbeiten, d.h. für Turbinenschaufeln und Umlenkschaufeln, sondern fUr Heißstufen-Turbinenteile eingesetzt werden können, wie Rotor-Schaufel-Einheiten, bei welchen der Nabenteil unter hoher Belastung "bei relativ niedrigen Temperaturen arbeitet, z. B. bis zu 871 ⁰C und der Schaufelteil bei etwas geringerer Belastung bei relativ hohen Temperaturen, z. B. bei 1093 C« Pig· 2 zeigt eine einstückige Rotor-Schaufel-Turbinen-Einheit mit einer Nabe 11, die bei relativ niedrigen Temperaturen abeitet und Schaufeln 12, die bei relativ hohen Temperaturen arbeiten infolge des Aufpralls heißer Proaukte von "Verbrennungsgasen, die korrosionsauslösende !.!engen Schwefeldioxyd und/oder öulfatsalze enthalten. Die neuen Legierungen der vorliegenden Erfindung können mit Vorteil nicht nur zur Herstellung solcher Einheiten, sondern auch für Turbinenschaufeln, Umlenkschaufeln und anderen Turbinenteilen verwendet werden, die im Gebrauch relativ gleichbleibend hohen Temperaturen durch Kontakt mit solcnen Produkten von Verbrennungsgasen ausgesetzt sind. i'ig. 3 zeigt eine Turbinenschaufel der vorliegenden Erfindung,- hergestellt aus einer Legierung gemäß der Erfindung mit einem Kieferbaumwurzelteil 13, einem ochaufelteil 14 flügelfürmigen Querschnitts und einem Plattformgebiet 15 dazwischen.

Die Legierungen der vorliegenden Erfindung können durch

Schmieden oder ü-ießen verarbeitet werden, sind aber 909841/0850 - 12 -

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besonders zum Gießen von Formen mittels der bekannten

gieß Techniken, Vakuum — Präzisions'techniken, geeignet.

Gr und schmelz en werden hergestellt durch Schmelzen der .; Grund-Legierungs-Bestandteile unter Vakuum, Oxydieren und Zugeben sauerstoffempfindlicher Elemente mit dem Bor und/oder Zirkon, was gewöhnlich zum Schluß geschieht. Vie bei Nickel enthaltenden Legierungen üblich, ist es notwendig, stärkere Verunreinigungen durch Elemente, wie Blei, zu vermeiden, die eine tiefer schmelzende oder spröde werdende Phase bilden. ■Elemente, die in den Legierungen gemäß der Erfindung anwesend sein können und die' in den angegebenen Mengen die grundlegenden und neuen Merkmale der Erfindung nicht _ merklich ändern, sind z. B. bis zu 0,35 .^--Mh, bis zu 0,35 ^:/o Si, bis zu 1_f0 ?fa Fe, bis zu 0,02 fo S, bis zu 0,20 fo Cu und bis zu 0,02 ^c/o P. öehr gute Ergebnisse werden erhalten, wenn die Legierungen der vorliegenden Erfindung relativ große Mengen Wolfram, doh. 2,2 bis etwa 5 G-ew.-?o enthalten. Ebenso vorteilhaft ist es, wenn Molybdän in den Legierungen und einschließlich mindestens etwa 1 ',o der Metalle aus der Gruppe Ta und Fb anwesend sind.

Obwohl die Legierungen der Erfindung innerhalb der ganzen weiter vorn angegebenen Mengenbereiche hergestellt werden können, ist es doch vorteilhaft, die

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Legierungszusammensetzungen in für wirtschaftliche Produktion liegenden Grenzen, die in der nachstehenden Tabelle I aufgeführt sind, zu halten.

Tabelle I

	Zusammensetzung	Atom-Ji	Zusammensetzung	Atom-yS
	der !legierung A	5,85	der legierung B	5,9
Element	G-ew. -c/o	0,06	Gew»-^	0,06
Al	2,8	0,74	2,8	0,74
B	0,015	16,95	0,015	17,04
C	0,15	19,0	0,15	19,1
Or	15,5	1,2	15,5	1,2
Co	19,7	1,2	19,7	-
Ib	2,0	48,9	2,0	«-9,23
Mo	2,0	-	-	0,63
Hi	auf 100	5,05	auf 100	5,00
Ta	-	0,96	2,0	0,97
Ti	4,2	0,06	4,2	0,06
V,-	3,1	3,1
Zr	0,06	0,06

is ist' darauf hinzuweisen, daß die Zusammensetzungen A und B 10,9 Atomproaent Aluminium und 11,0 Atomprozent Titan enthalten. ..is ist ferner darauf hinzuweisen, daß die bumme der Atomprozente von Mo, W, Ta und ITb 3,36 bzw. 2,80 beträgt . Damit die legierung stabil ist, ist es erforderlich, daß die Summe der Atomprozente der vier Elemente - mo, W, Ta, ITb - unter etwa 4,8 Atomprozent liegt, ic)s ist außerordentlich

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or.:c:MAL

vorteilhaft, daß mindestens etwa 0,5 Gew.->b der Metalle aus der Gruppe jüo, Ta und ITb in der Legierung vorliegen. Wenn der Chromgehalt der Legierungen relativ niedrig ist, z. B. etwa 13 bis 14,5 Gew.-'/6, ist es für die

Oxyäations- und Sülfidie-r-Beständigkeit vorteilhaft, den Ta-Gehalt bei oder nahe 5 Gew.-5a zu halten, das sind etwa 1,5 bis 1,6 Atomprozent. Folglich sollte unter diesen Umständen der Gehalt an Mo, W und' ITb in der Legierung sorgfältig kontrolliert werden, um zu vermeiden, daß die Gesamtmenge von 4,8 Atomprozent nicht überschritten v/ird. Die besten Ergebnisse treten offensichtlich auf, wenn mindestens zwei Glieder der Gruppe, bestehend aus Mo, Ta und IJb, zusammen in der Legierung in einer Menge von mindestens etwa 3 Gew.-$ vorliegen.

Vormischungsschmelzen der Legierungen sind hergestellt worden, die Leerung kann wieder geschmolzen und gegossen v/erden unter Anwendung der Präzisionsgj^methode., Diese Technik ist besonders zur Herstellung von einstückigen Rotoren und Schaufeln für Turbinen,, Wie in Fig. 2 gezeigt, geeignet, sowie zur Herstellung von anderen Heißstufen-Turbinenstrukturen. Wie bekannt, wird ein Modell des herzustellenden Teiles aus Wachs oder einem anderen lViodellmaterial gemacht. Die entsprechenden Gießtümpel, Angußkanäle und Gußzapfen werden dem Modell angefügt. Das so ausgerüstete Liodell wird ·

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dann mit Keramik umkleidet. Das Modell wird aus der Keramik-Formmaske entfernt, und nachdem die Ivlaske durch Hitze gehärtet ist, wird das Metall eingegossen, vorzugsweise unter hohem Vakuum. Von allen besonderen Legierungen, die nachstehend diskutiert werden, wurden Prüfmuster auf diese V/eise hergestellt. In der Praxis wurde die Legierung auf eine Temperatur von 1566 ⁰C überhitzt und in der vorgeheizten, unter Vakuum gehaltenen Keramikformmaske geformt. Die "bekannten Vorteile des Präzxsxonsgießens bestehen darin, daß schwierige unterschnittene Formen gegossen werden können und in Fällen, wie den einstiickigen Turbinenrotoren und Schaufeln, wie in I^?ig. 2 gezeigt, ist nur relativ wenig Nachbearbeitung erforderlich, um den fertigen Gegenstand zu erhalten. Besonders vorteilhaft für aas Gießen der Legierungen der Erfindung ist die Technik, wie sie in der zur Zeit schwebenden USA-Patentanmeldung ber. lio. 66y 916 beschrieben ist. Danach läßt man eine Keramikfornnjaske auf z.B. 1038 ⁰C kurze Zeit vor dem Gießen abkühlen. Jedes der nachstehend gebrachten Beispiele wurde auf diese './eise hergestellt.

Ii ac ha ein das Gueßteil abgekühlt ist, werden alle Eingüsse, Gieiazapfen und dergleichen entfernt und der G-e^enst^nd fertig "bearbeitet; es ist vorteilhaft,

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dan Gußteil dann einer Hitzebehandlung zu unterwerfen,, z. Ii. 1 ^is 4 otunden auf einer Temperatur zwischen 1093 und 1204 0 zu halten, danach wird das Gußteil 1 bis 8 Stunden bei einer Temperatur von 982 bis 1093 ⁰C gehalten und schließlich bei 732 bis 927 10 bis 50 otunden gelagert. Wenn der Hitzebehandlungsprozeß beendet ist, ist das Gußteil zum Gebrauch fertig. Ein besonders vorteilhaftes Hitzebehandlungsschema ist das folgende: 2.otunden bei 1149 G, 4 Stunden bei 1079 ⁰G und 16 Stunden bei 760 ⁰G. Der uv/eck, das Gußteil auf hohen Temperaturen zu halten, besteht darin, die w'-Grundverbindungen, gewüiinlich mit Hi^(Al.Ti) bezeichnet, in den Grundmischkristallen zusammen mit bestimmten Carbiden, die unter den Gießbedingungen bestehen, zu lösen, während das aalten des Gußteiles bei niedrigeren Temperaturen dazu dient, die V^-Grundverbindungen und Carbide an den vorteilhaftesten dtellen und in den vorteilhaftesten Größen wieder zu fällen.

Um dem Fachmann einen größeren Einblick in die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu geben, werden die nachstehenden Beispiele gebracht.

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Beispiel 1

Eine Legierung der Zusammensetzung B, die in Tabelle I aufgeführt ist, innerhalb der gangbaren Toleranzen, wurde hergestellt und analysiert. Die Legierung enthielt in Gew.-# 2,87 & Al, 0,016 fo B, 0,15 # 0, 15,4 $> Gr, 20,0 f* Go, 1,95 & Nb, 2,0 # Ta, 4,48 # Ti, 2,94 ^cß> W, 0,14 i> Zr, Ui auf 100 5». Aus dieser Legierung wurden Prüfmuster nach der Präzäsionagießtechnik hergestellt. Die G-ießteile wurden einer Hitzenachbehandlung unterworfen: 2 Stunden bei 1149 C, 4 Stunden bei 1079 ⁰O, 16 Stunden bei 760 ⁰G. Die an diesen Mustern erhaltenen mechanischen Eigenschaften sind in Tabelle II aufgeführt»

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bad ofv:g:hal

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Tabelle II

Zugfestigkeit bei I-taunitemperatur 13153 kg/cm

Streckgrenze bei Raumtemperatur** 10262 kg/cm

Dehnung ■ . 7 yö

^uerschnittsabnahme 9,2 ^c/o

H-85 Dauer bis zum Bruch*** · 212,5 Std. (5 f° Dehnung)

18-22 Dauer bis zum Bruch**** 59_f2 Sti (10 $ Dehnung)

** 2 ?b Offset

#** 14-85 = geprüft bei 760 ⁰G und 5950 kg/cm² Belastung

**** 18-22 = geprüft bei 982 ⁰G und 1540 kg/cm² Belastung.

libelle II zeigt, daß die Gußteile gemäß der Erfindung ausgezeichnete Festigkeit bei !Raumtemperatur und Biegsamkeit bei 760 und 982 ⁰C besitzen. Die Legierung des Beispieles 1 ist, wie alle Legierungen, die unter die Erfindung fallen, stabil. So widerstehen diese Legierungen der Bildung von schichtartigen Phasen, z.B. Bigmaphasen und intermetallischen Strukturen, besonders wenn sie längere Zeit Temperaturen von 704 bis 982 ⁰C ausgesetzt sind. Bs ist bekannt, daß Bchichtartige . Phasen die Biegsamkeit der Nickellegierungen während des Gebrauches herabsetzen und Blei vorzeitigen Bruch herbeiführt. *üs ist gefunden worden, daß die Legierungen dieser Erfindung frei von schädlichen Phasen sind, nachdem sie 3000 Stunden auf 843 ⁰G gehalten worden sind.

1 Q _ "

909841/0850 " bad original

Alle Legierungen nach der Erfindung sind sehr beständig gegenüber Sulfidierkorrosion. jiin Labortest, "bei welchem die bedingungen der öulfidierkorrosion eingehalten werden und der allgemein von Herstellern von Turbinenanlagen angenommen worden ist,-besteht im Eintauchen eines gewogenen Legierungsmusters zur Hälfte in eine Flüssigkeit, die in einem Yycor-Crefäß befindet, wobei die Flüssigkeit aus einer geschmolzenen LIigehung von 9,5 G-ewichtsteilen natriumsulfat und 0,5 G-ev/ichtsteilen natriumchlorid besteht. Die üefäße werden in eine Schale aus IiTCQiCu)L-^etall gestellt und in einen Ofen gebracht, der dann 24 otunden auf 927 ⁰C gehalten wird. Danach wird uas oalz durch cQchendes '.Yasser abgelöst und die Muster durch Sandstrahlgebläse gereinigt und surückgewogen. Der Gewichtsverlust pro Oberflächeneinheit wird berechnet; -α er Angriff wir α x'ir stark gehalten,

4 CC; , 2

wenn der verlust ~?O mg/cm üDereteirt. !legierungen

- 30 " ₂ mit einem Gewichtsverlust unter/ni^/c-m besitsen einen guten Sulficiierwiderstana. Unter diesen rriifbedingungen aeirten aie eri'indunjsgeiuäiien ajC3_v-ieruntren ra^cinale

30 ο G-ewichteverlusTe von etwa^g/ca , was eine aus^eseichnete Beständigkeit ^e^onüber ^ulfi'-.ierkorrosion ist. Die Legierunt·: nach üeis^iel 1 hatte einen Gewichtsverlust von nur -tf^ö^ m^/ cm ο

^909841/0850 BADOP,_GINAL

Beispiel II ' .

Eine Legierung der Zusammensetzung A in der Tabelle I innerha-lb der gängigen Toleranzen wurde hergestellt und analysiert. Die Legierung enthielt, in G-ew.-yo angegeben; 2,79 i° Al, 0,015 $ B, 0,11 j£ C, 15,3 i° Cr, 19,7 'v Go, 1,99.5* Wo₃ 1,98 fr Mo, 4,-15 7«.Ti, 3,1 #_: W, 0,06 ?ό Zr, !fackel auf 100 fo. ITach der gleichen Hitzebehandlung, wie in Beispiel I angegeben, besaiB die Legierung die in Tabelle III wiedergegebenen mechanischen Eigenschaften: . ·

Tabelle III

Zugfestigkeit bei Raumtemperatur 12733 kg/cm

Streckgrenze bei Raumtemperatur 10150 kg/cm

Dehnung 10 ^c/o ■ ~

i^uerschnittsabnahme 7,9 fi

14-85 Dauer bis zum Bruch 148,6 btd. (7,5 /° Dehnung.)

18-22 Dauer bis zum Bruch 23 Std. (14,5 #■ Dehnung)

Die Daten in der Tabelle III zeigen, daß die' Legierung nach Beispiel II nur etwas weniger gute mechanische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen hat wie die Legierung nach Beispiel I. Die mechanischen Eigenschaften entsprechen voll und ganz dem beabsichtigten Einsatzzweck. Infolge des Austausches von 2 Gew.-^ Ta gegen 2 Gew.-jO Ho bietet die Legierung nach Beispiel II einen

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kleinen Preisvorteil gegenüber der Legierung nach Beispiel I, wobei im wesentlichen die ausgezeichnete Stabilität und Sulfidierkorrosionsbeständigkeit der etwas teureren Legierung erhalten bleibt. Insbesondere zeigt die Legierung nach Beispiel II keine schädlichen Phasen, nachdem sie 3000 Stunden bei 843 ⁰C gehalten worden ist? sie zeigt im vorstehend beschriebenen Sulfidierkorrosionstest einen Gewichtsverlust von -2^-5- mg/cm ο Die Legierung nach Beispiel II besitzt etwas bessere Dehnung, was bei einstü'ckigen Lauf rädern von Vorteil sein kann.

Weitere Beispiele von Legierungen der Erfindung sind in Tabelle IV aufgeführt. Alle diese Legierungen sind stabil und besitzen außerordentlich gute Sulfidierkorrosionsbeständigkeit.

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	99 _ ™~- C- C-	3	2,8	Beispiel	00	It	1810246	ITr, .
	Tabelle IV	0,01		Il		; 4
		0,15	Gew. -5b	It	3,45 Grew.-J-o
lälement	15,5	5 "	Il	0,017"
Al	19,7	It	0,12 "
B	-	Il	15,4 "
G	2,0	Il	19,8 ·'·
Gr	auf 1	Il	2,07 "
Co	3,8	Il	1,98 »
Gb	4,2
IUO	3,1
Itfi	0,06	3,11 "
Ia		3,39 "
Ti		0,06 "
V/
Zr

Im Vergleich zu den Legierungen nach der Erfindung und ihren vorteilhaften Eigenschaften sind in Tabelle V Legierungen wiedergegeben, die außerhalb der Erfindung liegen» Alle in Tabelle V gebrachten Legierungen, mit .ausnähme der Legierungen A und B, sind stabil, aber ihnen fehlen mehr oder weniger die vorteilhaften Merkmale, die den erfindungsgemäßeh Legierungen eigen sind. ·

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Tabelle Y Legierungsidentifikation (Gew.-$)

713C 713C 21 A4 21G 21C 21D 21A3 21D3 Element A B C_ ΊΪ E Έ G- H , I J

Al 6,0 96 6,0 $ 4,1 £ 4,9$ 4,4- 5* 4,5 $ 6,0$ 4,25 $

«O B 0,012 $ 0,010 $ 0,018 $ 0,011 $ 0,016 £ 0,018$ 0,012 $ 0,015 $

ta C 0,12 $ 0,14 $ 0,18 # 0,16 $ 0,18 ?έ 0,18 ^ 0,13 # 0,15 ?6.

J! Cr 13 96 14,5 Ji 19,2 <£ 15,8 ^ 15,7 ?i 15,7 # 15,9/° 15,5 S^

^ Co - 1,0 £ 18,8 io 10,1 # 10,2 56 10,0 $> - 10,0 #

O ΪΠ3 2,0 # 1,8 io - - - 2,2 96 1,9 io 1,75 ^cl·

S Mo 4,5 io 4,1 # 4,3 ^ 4,1 $ - 2,1 9ε - 1,75 $

° Ni auf 100$ auf 100$ auf 100$ auf 100$ auf 100$ auf 100$ auf 100$ auf 100 $ Ta - ■- 2,0 $ 4,3 $ - 1,2 $

Ti 0,75 $ 0,77 io 3,2 $ 2,1 $ 1,8 $ 2,1 $ 1,0 $ 1,75 $

W- - - 4,5 $ 3,8 $ 4,8 $ 3,5 $

Zr 0,1 $ 0,11 $ 0,058 $ 0,056 $ 0,049 $ 0,054$ 0,039 $ 0,05 $

Eigenschaften XXX XX XX X

- 24 -

(kg/cm^) 7490

tabelle Y (Portsetzung)"
Legierungsidentifikation (Gew

Element	7130 A	713C B	21 A4 C
Zugfestigkeit bei Räumterap.
(kg/cm2)	8611	9033	7770
Streckgrenze bei Räumtemp.

8400 7070

21G-

21C

21D

21A3

21D3

9660 9100 9800

10780

8330 8400 8960 9320

Dehnung ($) 8

2,5 5,0 5,0 4,0 3,0

4,5

Querschnittsabnahme ($}. 12

4,7

3,0 6,1 7,0 5,2 6,0

5,7

14-85 Dauer

bis zum Bruch* 80h-6 22.A-Ta.-2 4,8h-7,0 13,5h-

4,0 26,h-20 57,7h-4,5

12,6h- i43.4h-5 1,5

Sulfid. Korr.
in mg/cm

132

242

535 27

27

* Die erste Zahl bedeutet die Stunden und die zweite Zahl die Delmng in

- 25 -

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'i'tibelle Y zeigt, uaß üie .Legierungen λ Ij-Lb j' relativ gerinne Lestkndigkeit gegen ouli'ldiorkorrofjion berritLen. Keine" der aufgeführtenLegierungen, fur üie './erte vorliegen, besitzen so gut*? ,juli'icierkorrjüiOiiabeatiUiaigKeit, wie die Legierungen nach der jrfindung. vie Äisiiafestigkeit bei Raumtemperatur der Legierungen α bis H ist sehr niearig verglichen mit der der erf indungsgemäijöii Legierungen» Hit ^usnanra·.'- der usgierung H isst eine sogar noch auffallendere Differenz zvvischen den Legierungen der 'fabeile V und denen nach aer Erfindung festzustellen, wenn man die Haltbarkeit bis zum Bruch bei 7^0 C und 5980 kg/cm betrachtet, ule meisten Legierungen der ■'i'abelle V besitzen eine naltb..trkeit bis zum _>ruch bei 760 ⁰C und "5980 kg/cm von unter 100 stunden. Xn dieser Hinsicht sind die Legierungen der Erfindung gleich, wenn nicht besser als die Legierung xi und wesentlich besser '.-'Ir.; die übrigen Regierungen aer I'tibello ν'. ]jie Regierungen nncn der Erfindung sina uberraHChona besser al« ciie · Legierung rx iu -linblici. :..ui" die Juli'iaierKOrr bestänciigkeit und die Zugfestigkeit bei ^aum-Gea

irei.t vergleichbare .-/erte für L'ruch unter "_:.el\„Btung bei 932 0 aer Legierungen λ bi:i u und der Legierungen i;ach der Erfindung stehen in üU^^uulick nicht üur '< erf ligiing. ^ti'-r^olation aer besannt on verfügbaren Daten zeigt jedoch, α au die relative G-üte der Regierungen im Helastungs-Bruch-■l'eßt bei 7öü ⁰G im v/eseritlichen gleich i?3t tier im ~

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lastungstest bei 9ö2 ⁰C, mit der ^iu-mahme, daß bei -82 U die Legierung ^ im wesentlichen die gleiche Haltbarkeit bis zum 3ruch hat wie die Legierung H und die Legierungen nach der Erfindung.

Pig. 4 soll die /orteile der Legierungen nach der Erfindung noch bedeutlicher machen. Diese Figur ist eine Übliche Larson-uiller-Paraineter-Darstellung; sie zeigt die .Kurven für die Legierungen der ieispiele I und Il und braucht einem .Fachmann-nicht näher erläutert zu werden.

,/ie weiter vorn erwähnt, ist ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Jr fin dung, die Schaffung neuer Strukturen für die Verwendung in heißen otufen von G-asturbinen. uolciio strukturen umfassen iurbinenschtiuf ein, Umkehrachaufeln, einstückige h-otoren und behäufeln und andere !Teile, .jie Zugfestigkeit der Legierungen nach der Erfindung bei hohen Temperaturen macht PraziaionsguiS von !'eilen möglich, 'welche bei tiefen i'Jemperaturen Festigkeiten etwa wie geschmiedete !reile haben." Darüberhinaus können die Legierungen verwendet werden für Gefügeteile mit hoher i'estiekeit, die bei Raumtemperatur und erhöhten i'emperaturen guten ^orrosionswiderstano. besitzen müssen. Die hier offenbarten Legierungen sind überall- dort geeignet, wo jetzt rostfreier Stahl 410 oder rostfreier stahl 17-4 pH

eingesetzt wird.

BAD ORfGiNAL. - 27 -

9 O 9 8Λ1/0850

Claims (10)

Patentansprüche

1. Nickellegierung, gekennzeichnet durch einen behalt von etwa 13 "bis 18 iiew.-> Cr, etwa 15 his etwa 25 Gew.-^ -Co, mindestens zwei Elemente aus der Gruppe Ho j Ta, lib in Mengen von his zu 4 λ> i>Io, bis zu 5 ¹^ 2a und his zu 2,5 ^f,i Kh, wohei die Summe von Uo, Sa und l\^Th mindestens etwa 3 )■> "beträgt, etwa 0,25 his etwa 5 Gew.-;j W, etwa 0,03 his 0,

2 Gew.-,* C, etwa 0,005 hics etwa 0,05 Gew.--,j B, etwa 0,υ1 his etwa 0,2 'χβν/.-^ Zr, ji-.l und j.i in solchen kennen, daß das Verhältnis von xitompro^ent .al zu jitomprozent ^rxi i'/wiychen etwa 1 und und die Lumue der Atomprozente Al + ™i unter etwa 12 lie£_;t, wobei die llinaestraenge Al etwa 2,5 Gew.-ρ una die Höchstmen^e Ti etwa 5 Ge\v.--> heträ^jt, und, evtl. Verunreinigungen, l'ickel auf 100 Gew.-',J₁ .'wo"bei die oben aufgeführten Elemente in der Le^f so zueinander in './eclirjelceaiehunj steven, daß die ο Ulm. e der ^tomprocente von LIo, :, LJa und -it, bezogen * auf die ^e samt ζ aiii" der Atome in der Legier un_f:, unter etwa 4,β liegt.

Lacke lle_t,ierun_£,' nach ^nsvruclj. 1, _L; ekennz ei clone t Gurci: einen Gehalt von etwa 1c Gew.-^ Or und etwa 2J Gew.-,- Co.

- 28 .-

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BAD ORiGiNAL

3. Nickellegierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Gehalt von mindestens etwa 2,2 Gew.-°/o W.

4. Nickellegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt von etwa 2,8 Gew.-^ Al, etwa O,U15 Gew.-5-» B, etwa 0,15 Gew.-^ C, etwa 15,5 Gew.-^ Gr, etwa 19,7 Gew.-5b Go, etwa 2,0 Gew.-^c/i Fb, etwa 2,0 Gew.-# Mo, etwa 4,2 Gew.-^ Ti, etwa 3,1 Gew.-?» V/, etwa 0,06 Gew.-?i 'άτ und, von Verunreinigungen . abgesehen, Ni auf 100 Gew.-'^.

5. Nickellegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt von etwa 2,8 Gew.-',ό Al, etwa 0,013 Gew.-5'o B, etwa 0,15 Gew.-^ G, etwa 15,5 Gewo-70 Gr, etwa 19,7 Gew.-^ Go, etwa 2,0 Gew.-^ Nb, etwa 2,0 Gew.-^ Ta, etwa 4,2 Gew.-^ Ti, etwa 3,1 Gew.-^ V/, etwa 0,06 &ew.-/3 Zr und, abgesehen von etwaigen Verunreinigungen, Ni auf 100 Gew.-^>.

6. Nickellegierung nach'Anspruch 1, gekennzeichnet

durch einen Gehalt von 2,8 Gew.-ψ AJL, etwa 0,015 Gew.-^ B, etwa 0,15 Gew.-70 G, etwa 15,5 Gew.~^c/b Gr, etwa 19,7 Gev/.-,j Co, etwa insgesamt 4 Gewc-^i von mindestens zwei der Elemente Nb, Mo und Ta, etwa 4,2 Gew.-^f;o Ti, etwa 3,1 Gew.-^ Vi, etwa.0,06 Gew«-^ Zr, und, abgesehen von etwaigen Verunreinigungen, Wickel auf 100 Gew.->j.

- 29 - BAD ORIGINAL

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7. Präzisionsgußstück, dadurch gekennzeichnet, daß

es aus einer Legierung gemäß den Ansprüchen 1 oder 2 "besteht.

8. Präzisionsgußteil für die Heißstufen in Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Legierung gemäß Anspruch 1 oder 2 besteht.

- 9. Fertigungsgegenstand zur Verwendung in heißen Stufen von Gasturbinen mit mindestens einer Oberfläche, die, wenn heiße Gasverbrennungsprodukte, die eine die Korrosion einleitende Menge von Schwefel-Oxydationsprodukten enthalten, gegen sie aufprallen, korrosionsbeständig sind, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer Nickellegierung nach den Ansprüchen 1 bis 6 besteht.

10. Fertigungsgegenstand nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Nabenflache (11) hat, welche bei relativ niedrigen Temperaturen arbeitet und damit einstückig, radial nach außen ragende 3chaufelflachen (12), die bei hohen Temperaturen in Kontakt mit heißen Gasverbrennungsprodukten, welche die Korrosion einleitende LIengen ochwefeloxydationsprodukte enthalten, arbeitet.

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