DE1919487B2 - PROCESS TO INCREASE LIFE STRENGTH IN THE EVENT OF HIGH TEMPERATURE STRESS OF NICKEL-BASED SUPER ALLOYS OF NICKEL-BASED SUPER ALLOYS PRODUCED AS SINGLE CRYSTALS OR WITH A COLUMN-SHAPED JOINT - Google Patents
PROCESS TO INCREASE LIFE STRENGTH IN THE EVENT OF HIGH TEMPERATURE STRESS OF NICKEL-BASED SUPER ALLOYS OF NICKEL-BASED SUPER ALLOYS PRODUCED AS SINGLE CRYSTALS OR WITH A COLUMN-SHAPED JOINTInfo
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Description
LegierungsbezeichnungAlloy designation
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit bei Hochtemperaturbeanspruchung von als Einkristall oder mit säulenförmigem Gefüge hergestellten Gußteilen aus Superlegierungen auf Nickelbasis, bestehend aus 6 bis 25% Chrom, 0,5 bis 20% Aluminium, Titan und/oder Niob, bis 25% Kobalt, bis 20% Molybdän, Tantal und/oder Wolfram, 0,005 bis 03% Bor und/oder Zirkonium, ferner Kohlenstoff, Rest Nickel.This invention relates to a method for increasing the fatigue strength under high temperature stress of cast parts made of nickel-based superalloys, consisting of 6 to 25% chromium, 0.5, which are produced as a single crystal or with a columnar structure up to 20% aluminum, titanium and / or niobium, up to 25% cobalt, up to 20% molybdenum, tantalum and / or tungsten, 0.005 to 03% boron and / or zirconium, furthermore Carbon, the remainder nickel.
Eine Superlegierung auf Nickelbasis besteht üblicherweise aus Nickel/ChronvMischkristailen, die durch Zugabe von Aluminium, Titan und/oder Niob zur Ausscheidungshärtung durch intermetallische Verbindungen mit der Formel Nii(M) befähigt sind. M in der Formel steht dabei für Aluminium, Titan, Niob, einzeln oder deren Gemische. Handelsübliche Superlegierungen enthalten zusätzlich Kobalt, um die Lösungsglühtemperatur der Ausscheidungen zu erhöhen, hitzebeständige lösliche Metallzusätze zur Härtung ies Mischkristalls und Kohlenstoff, Bor und Zirkonium, um die Zeitbruchdehnung zu verbessern.A nickel-based superalloy usually consists of nickel / chrono mixed crystals, which through Addition of aluminum, titanium and / or niobium for precipitation hardening by intermetallic compounds with the formula Nii (M) are capable. M in the Formula stands for aluminum, titanium, niobium, individually or mixtures thereof. Commercially available superalloys also contain cobalt to increase the solution annealing temperature of the precipitates, heat-resistant soluble metal additives for hardening ies Solid solution and carbon, boron and zirconium to improve the time fracture elongation.
Kohlenstoff ist traditionell als notwendiger zusätzlicher Legierungsbestandteil in den polykristallinen Nickelbasis-Superlegierungen benutzt worden. Der größte Teil des Kohlenstoffs tritt mit anderen Legierungsbestandteilen, wie Titan, Chrom, Zirkonium,Carbon is traditionally a necessary additional alloy component in the polycrystalline Nickel base superalloys have been used. Most of the carbon occurs with others Alloy components such as titanium, chromium, zirconium, MarM-200 9Cr, 10 Co, 2Ti, 5Al1 12,5 W, INb, 0,015 B, 0,05 Zr, 0,15 C, Rest NiMarM-200 9Cr, 10 Co, 2Ti, 5Al 1 12.5 W, INb, 0.015 B, 0.05 Zr, 0.15 C, balance Ni
(Sigma frei) 0,016 B, 0,07 C, Rest Ni IN 100 10 Cr, 15 Co, 4,5 Ti, 5.5 Al, 3 Mo, 0,75 V,(Sigma free) 0.016 B, 0.07 C, remainder Ni IN 100 10 Cr, 15 Co, 4.5 Ti, 5.5 Al, 3 Mo, 0.75 V,
0,015 B1 0,075 Zr, 0,17 C1 Rest Ni0.015 B 1 0.075 Zr, 0.17 C 1 balance Ni
0,07Zr, 0,11c, Rest Ni0.07Zr, 0.11c, balance Ni
Das Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit von als Einkristall oder mit säulenförmigen Gefüge erstarrten Gußteilen aus Superlegierungen auf Nickelbasis zu schaffen sowie die hierzu erforderlichen Gußlegierungen zur Verfugung zuThe aim of the invention is to provide a method for increasing the fatigue strength of as a single crystal or to create solidified cast parts made of nickel-based superalloys with a columnar structure, as well as the required casting alloys are available
stellen.place.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit bei Hochtemperaturbeanspruchung von als Einkristall oder mit säulenförmigen Gefüge hergestellten Gußteilen aus SuperlegierungenThe invention relates to a method for increasing the fatigue strength under high temperature stress of as a single crystal or with a columnar shape Structural castings made from superalloys
(,0 auf Nickelbasis, bestehend aus 6 bis 25% Chrom, 0,5 bis 20% Aluminium, Titan und/oder Niob, bis 25% Kobalt, bis 20% Molybdän, Tantal und/oder Wolfram, 0,005 bis 0,5 % Bor und/oder Zirkonium, ferner Kohlenstoff, Rest Nickel, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Bildung(, 0 based on nickel, consisting of 6 to 25% chromium, 0.5 to 20% aluminum, titanium and / or niobium, up to 25% cobalt, up to 20% molybdenum, tantalum and / or tungsten, from 0.005 to 0.5% boron and / or zirconium, furthermore carbon, the remainder nickel, which is characterized in that the formation
(15 einer gesonderten Monocarbidphase in den Gußteilen durch Beschränkung des Kohlenstoffgehaltes in der zu vergießenden Superlegierung auf maximal 0,01% unterdrückt wird.(15 a separate monocarbide phase in the cast parts by limiting the carbon content in the superalloy to be cast to a maximum of 0.01% is suppressed.
Eine spezielle Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet daß die zu vergießende Superlegierung aus 6 bis 25% Chrom, 0,5 bis 7% Aluminium, 0,5 bis 5% Titan, bis 25% Kobalt bis 20% Niob, Molybdän, Tantal und/oder Wolfram, 0,005 bis 0,5% Bor und/oder Zirkonium, bis 0,01% Kohlenstoff, Rest Nickel, vorzugsweise aus 9% Chrom, 5% Aluminium, 1,7% Titan, 10% Kobalt 0,6% Niob, 12,1% Wolfram, 0,015% Bor, 0,04% Zirkonium, 0,01% Kohlenstoff, Rest Nickel bestehtA special embodiment of the method is characterized in that the to be cast Superalloy of 6 to 25% chromium, 0.5 to 7% aluminum, 0.5 to 5% titanium, up to 25% cobalt up to 20% Niobium, molybdenum, tantalum and / or tungsten, 0.005 to 0.5% boron and / or zirconium, up to 0.01% carbon, Remainder nickel, preferably 9% chromium, 5% aluminum, 1.7% titanium, 10% cobalt, 0.6% niobium, 12.1% Tungsten, 0.015% boron, 0.04% zirconium, 0.01% carbon, the remainder nickel
Eine angewandelte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet daß die zu vergießende Superlegierung aus 6 bis 25% Chrom, 03 bis 7% Aluminium, 0,5 bis 5% Titan, bis 0,01% Kohlenstoff, Rest Nickel bestehtA modified embodiment of the method is characterized in that the to be potted Superalloy of 6 to 25% chromium, 03 to 7% aluminum, 0.5 to 5% titanium, up to 0.01% carbon, The remainder consists of nickel
Eine weitere abgewandelte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet daß die zu vergieße&de Superlegierung aus 14,1% Chrom, 4,3% Aluminium, 3,2% Titan, 15,3% Kobalt 4,2% Molybdän, 0,01 % Kohlenstoff, Rest Nickel, bestehtAnother modified embodiment of the method is characterized in that the to cast & de superalloy of 14.1% chromium, 4.3% aluminum, 3.2% titanium, 15.3% cobalt, 4.2% molybdenum, 0.01% carbon, the remainder nickel
Es wurde im Zusammenhang mit den Entwicklungsarbeiten, die zur Erfindung geführt haben, gefunden, daß die physikalischen Eigenschaften der gerichtet erstarrten Nickelbasis-Superlegierungen, besonders deren Ermüdungswiderstandsfähigkeit durch die Gegenwart eines großen Anteils an MC-Typ-Carbidphase beträchtlich bis zu einem ausgeprägten Ausmaß verändert wird.It was found in connection with the development work which led to the invention that the physical properties of the directionally solidified nickel-based superalloys, especially theirs Fatigue resistance is considerable due to the presence of a large proportion of MC-type carbide phase is changed to a marked extent.
Eine Untersuchung des Gefüges der Nickelbasis-Superlegierungen herkömmlicher Zusammensetzung in beiden Erscheinungsformen, nämlich mit säulenförmigern Gefüge und in der Einkristallform, hat offenbart, daß die MC-Typ-Carbide viel größer in diesen Formen sind als in den herkömmlichen Gußteilen. Weiterhin können diese Carbide als untereinander verbundene Netzwerke vorliegen. Diese großen MC-Typ-Carbide ergeben sich aus der langsameren Erstarrungsgeschwindigkeit und dem niedrigen thermischen Gradienten an der Erstarrungsfront, die beim Gießen von Teilen mit antisotropem Gefüge verwendet werden. Es wurde ebenfalls entdeckt daß viele dieser Carbide parallel zu ihrer längsten Ausdehnung eingerissen waren. Da die Risse in dem Gußmaterial unmittelbar nach dem Gießen vorhanden waren, ist es offenkundig, daß sie bei der Erstarrung dieser Legierungen gebildet wurden. Das Einreißen der Carbide ist bis dahin niemals beobachtet worden, und hierzu wurde ein außerordentlich sorgfältiges mechanisches Polieren oder Elektropolieren erforderlich, um dies zu beobachten.An examination of the structure of the nickel-based superalloys of conventional composition in both manifestations, namely with a columnar structure and in the single crystal form, has revealed that the MC-type carbides are much larger in these forms than in the conventional castings. Farther these carbides can exist as interconnected networks. These big MC-type carbides result from the slower solidification rate and the low thermal gradient the solidification front, which are used when casting parts with an antisotropic structure. It was also discovered that many of these carbides cracked parallel to their longest extent. Since the If cracks were present in the casting material immediately after casting, it is evident that they were in the Solidification of these alloys were formed. Tearing of the carbides has never been observed until then and this required extremely careful mechanical polishing or electropolishing, to watch this.
Die plastische Verformbarkeit und das Gefügeeinreißen bei den Gußteilen, die im Guß- oder Wärmebehandlungszustand vorlagen, wurde durch Zug- und Dauerschwingversuche (Schwellfestigkeit) nachgewiesen und hierbei festgestellt, daß die Weiterrisse von den bereits in den MC-Typ-Carbiden enthaltenen Einrissen ausgehen. Es wurde gezeigt, daß die Dauerfestigkeit dieser Gußlegierungen eine sehr <;mpfindliche Funktion der Carbidgröße ist. Es wurde beispielsweise nachgewiesen, daß die Schwellfestigkeit von Probestücken aus der Oberseite der Gußbarren durch einen Faktor -on mehr als dreihundert herabgesetzt wurde, wenn der Vergleich mit Proben durchgeführt wurde, die vom Boden oder der Mitte der gleichen Barren entnommen waren, wo die Carbide kleiner waren wegen einer schnelleren Erstarrungsgeschwindigkeit und wegen eines steileren thermischen Gradienten an der Erstarrungsfront.The plastic deformability and the cracking of the structure in the cast parts which are in the cast or heat-treated state existed, was proven by tensile and fatigue tests (fatigue strength) and found here that the further cracks originate from the cracks already contained in the MC-type carbides. It has been shown that the fatigue strength of these cast alloys is a very sensitive function of the Carbide size is. For example, it has been demonstrated that the swelling strength of test pieces from the Top of the ingot was degraded by a factor -on more than three hundred when the comparison was performed with samples taken from the bottom or center of the same ingot where the carbides were smaller because of a faster solidification rate and because of a steeper one thermal gradient at the solidification front.
Dies wird deutlich durch die in der Tabelle 1 angegebenen Daten nachgewiesen, wobei die Schwellfestigkeit als Sonderfall der Dauerfestigkeit für eine imThis is clearly demonstrated by the data given in Table 1, the swelling strength as a special case of fatigue strength for an im
4040
45 Wechsel von zwei Wechseln pro Minute zwischen Null und einem Höchstwert (Totalverformung) an- und abschwellende Belastung ermittelt worden ist 45 alternation of two changes per minute between zero and a maximum value (total deformation) increasing and decreasing load has been determined
Einfluß der Lage im Gußteil bei der Ermittlung der Schwellfestigkeit von Mar-M-200 im Dauerschwingversuch Influence of the position in the casting when determining the fatigue strength of Mar-M-200 in the fatigue test
Es wurde auch gefunden, daß das Zeitdehnverhalten von Probestücken, die von den Oberseiten der Gußbarren entnommen waren, annähernd die Hälfte gegenüber den Probestücken beträgt die aus dem unteren Teil des gleichen Barrens entnommen waren.It was also found that the time elongation behavior of specimens obtained from the tops of the Cast ingots were removed, approximately half that of the test pieces is that from the lower part of the same ingot.
Die erfindungsgemäß erforderlichen Koblenstoffgehalte von maximal 0,01% können erhalten werden durch Schmelzen und Gießen der Superlegierungen unter Vakuum ohne beabsichtigte Zugabe von Kohlenstoff zu der Legierung. Die Anwesenheit von Kohlenstoff geht auf Kohlenstoffverunreinigungen zurück, die in verschiedenen Legierungselementen anwesend sind. Da die Carbide nicht mehr benötigt oder in der Legierung nicht erwünscht sind, können kleine Einjustierungen an der Sollzusammensetzung der verschiedenen Legierungen durchgeführt werden, um hierbei die Tatsache zu berücksichtigen, daß gewisse Anteile der Elemente nicht mehr für die Bildung der Carbide Verwendung finden. Typische Legierungszusammensetzungen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt für Mar-M-200- und Udimet 700- Legierungstypen sind in der Tabelle 2 mit den entsprechenden Legierungen mit ihrer normalen chemischen Zusammensetzung verglichen.The carbon content required according to the invention of a maximum of 0.01% can be obtained by melting and pouring the superalloys under Vacuum with no intentional addition of carbon to the alloy. The presence of carbon goes is due to carbon impurities present in various alloying elements. Since the Carbides no longer needed or not in the alloy If required, small adjustments to the target composition of the various alloys can be made be carried out in order to take into account the fact that certain proportions of the elements are not find more use for the formation of carbides. Typical alloy compositions with low Carbon content for Mar-M-200 and Udimet 700 alloy types are listed in Table 2 with the corresponding alloys compared with their normal chemical composition.
Einkristallgußteile, die aus der Mar-M-200-Legierung mit dem niedrigen Kohlenstoffgehalt hergestellt sind, besitzen eine deutlich ausgeprägte überlegene Dauerfestigkeit im Vergleich mit den entsprechenden Gegenständen mit Gehalten an MC-Typ-Carbiden. Eine Prüfung zeigte keine MC-Typ-Carbide und damit auch keine eingerissenen Carbide in der Legierung mit dem nierigen Kohlenstoffgehalt Diese Feststellung wird durch die Vergieichsdaten in der Tabelle 3 unterstützt.Single crystal castings made from the Mar-M-200 alloy are manufactured with the low carbon content, have a clearly pronounced superior fatigue strength in comparison with the corresponding articles with contents of MC-type carbides. One The test showed no MC-type carbides and therefore also no cracked carbides in the alloy with the low carbon content This finding is supported by the comparison data in Table 3.
Niedrige Schwellfestigkeit von Nickelbasis-Superlegierungen bei 760° C bei einer Totalverformung von 1,6% Low swelling strength of nickel-based superalloys at 760 ° C with a total deformation of 1.6%
Mar-M-200Mar-M-200
Einkristallconventional
Single crystal
Es ist ersichtlich, daß die Bildung eingerissener Carbide beim Guß mit gerichteter Erstarrung eine Funktion sowohl des Kohlenstoffgehaltes der Legierung und der Erstarrungsparameter in dem Gießverfahren ist, insoweit als diese Carbidgröße, Typ und auch die Verteilung im Gußgegenstand beeinflussen. Unter etwa 0,06% Kohlenstoff wird bei normalen Erstarrungsgeschwindigkeiten eine Verbesserung in den Eigenschaften des gerichtet erstarrten Gußteils festgestellt, wenn der Kohlenstoffgehalt der Legierung herabgesetzt ist, wodurch die Einrisse der Carbide weniger häufig auftreten und mehr zerstreut sind. Bis 0,01% Kohlenstoff werden keine MC-Typ-Carbide gebildet.It can be seen that the formation of cracked carbides in directional solidification casting is a Function of both the carbon content of the alloy and the solidification parameters in the casting process insofar as this carbide size, type and also influence the distribution in the cast article. Under about 0.06% carbon will be an improvement in properties at normal solidification rates of the directionally solidified casting found when the carbon content of the alloy is reduced, whereby the cracks of the carbides are less frequent and more dispersed. Up to 0.01% carbon MC-type carbides are not formed.
Claims (5)
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US72588968 | 1968-05-01 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 |