DE1922314A1 - Process for tempering alloys - Google Patents
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Description
6Frankfurt/Main 1, den30 . April 1969 Niddastraße 52 6Frankfurt / Main 1, 30. April 1969 Niddastraße 52
Telefon (0611) 237220 Postscheck-Konto: 282420 Frankfurt/M.Telephone (0611) 237220 Postscheck-Account: 282420 Frankfurt / M.
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1043-17LL-17321043-17LL-1732
1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A.1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergütung von Legierungen, und insbesondere die Vergütung von oxidations- und korrosionsbeständigen Hochtemperaturlegierungen auf Nickelgrundlage, durch die deren Bruchfestigkeit bei Belastung und hohen Temperaturen wesentlich verbessert wird.The invention relates to a method for tempering alloys, and in particular the tempering of oxidation and Corrosion-resistant high-temperature nickel-based alloys, which increase their breaking strength under load and high temperatures is significantly improved.
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Die Verwendung von Legierungen auf Nickelgrundlage in Anlagen wie beispielsweise Gasturbinen, die bei erhöhten Temperaturen arbeiten, ist allgemein bekannt. Diese Materialien sind vor allem so beschaffen, daß sie extremen Spannungsbelastungen, ebenso wie der Oxidation, Sulfidierung und anderen Angriffen, denen ihre Oberfläche ausgesetzt ist, bei erhöhten Temperaturen lange standhalten.The use of nickel-based alloys in equipment such as gas turbines that operate at elevated temperatures work is well known. Above all, these materials are designed to withstand extreme stresses, as well as the oxidation, sulphidation and other attacks to which their surface is exposed at elevated temperatures withstand long.
Die Anstrengungen, die zur Herstellung dieser Legierungen unternommen worden sind, haben zu Stoffen geführt, die zum Einsatz in korrosiven Umgebungen, wie sie beispielsweise in einer Gasturbine entstehen, hervorragend geeignet sind, und die außerdem unter solchen Bedingungen eine verhältnismäßig lange Lebensdauer aufweisen, ehe sie infolge der mechanischen Spannungsbeanspruchung versagen. Es besteht jedoch ein Bedürfnis nach Maschinen wie beispielsweise Gasturbinen, die bei noch höheren Temperaturen und über längere Zeit hinweg betrieben werden können, da derartige Charakteristika den Wirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit einer Anlage erhöhen. Beispielsweise bedeutet eine Erhöhung der Betriebstemperatur einer Gasturbine von etwa 8150C (15000F) auf etwa 871°C (16000F) eine Erhöhung der Leistung um etwa 14 % und eine Zunahme des Wirkungsgrades von etwa 1 bis 5 %. Außerdem ist es von Vorteil, wenn eine Maschine anstelle von 20 000 Stunden,40 000 Stunden lang betrieben werden kann.The efforts that have been made to manufacture these alloys have resulted in materials which are eminently suitable for use in corrosive environments, such as those produced in a gas turbine, and which also have a relatively long service life under such conditions before they are used fail as a result of mechanical stress. However, there is a need for machines such as gas turbines, for example, which can be operated at even higher temperatures and for longer periods of time, since such characteristics increase the efficiency and economy of a plant. For example, an increase in operating temperature is a gas turbine of about 815 0 C (1500 0 F) to about 871 ° C (1600 0 F) to increase the power by about 14% and an increase in efficiency of about 1 to 5%. It is also advantageous if a machine can be operated for 40,000 hours instead of 20,000 hours.
Daraus geht unmittelbar hervor, daß es wünschenswert ist, daß die Legierungen, die in Gasturbinen verwendet werden, die bei hohen Temperaturen arbeiten, einer mechanischen Spannungsbeanspruchung über längere Zeiten standhalten können. Der Erfindung liegt deshalb als Aufgabe vor allem die Herstellung derartiger Legierungen auf Nickelgrundlage der oben beschriebenen Art zugrunde, die nicht nur bei erhöhten Temperaturen der Oberflächenzerstörung standhalten, sondern sich weiterhin.bei derartigen Temperaturen auch durch eine wesentlich verbesserte Lebensdauerunter den Bruchdehnungsbedingungen auszeichnen, denen sie beim Betrieb ausgesetzt sind.From this it is immediately apparent that it is desirable that the alloys used in gas turbines be made with work at high temperatures, can withstand mechanical stress over long periods of time. The invention The main task is therefore the production of such alloys based on nickel of the type described above, which not only withstand surface destruction at elevated temperatures, but also continue to withstand such Temperatures are also characterized by a significantly improved service life under the elongation at break conditions they encounter at Operation.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beschriebenen Legierungen auf Nickelgrundlage dadurch vergütet werden, daß sie über einen Zeitraum von 2 bis 8 Stunden auf etwa 1148 bis 12O4°C (2100 - 22OO°F), vorzugsweise etwa 4 Stunden auf etwa 11620C (2125°F) erhitzt und anschließend rasch abgekühlt, dann etwa 2 bis 8 Stunden, vorzugsweise etwa 4 Stunden auf etwa 1O79°C (1975°F) erhitzt und anschließend rasch abgekühlt, dann etwa 12 bis 48 Stunden, vorzugsweise etwa 24 Stunden auf etwa 926°C (1700°F) erhitzt und anschließend rasch abgekühlt und schließlich etwa 8 bis 25 Stunden, vorzugsweise 16 Stunden bei etwa 760°C (1400°F) erhitzt und anschließend rasch abgekühlt werden. Es wurde gefunden, daß diese Vergütung zu einer deutlichen Erhöhung der Warmbruchlebensdauer führt, ohne daß dadurch die anderen Eigenschaften der Legierung wie beispielsweise ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Oberflächenverschlechterung, ihre Warmstreckgrenze, ihre Duktilität, wie sie sich durch Ausdehnung und Verminderung der Fläche darstellt, usw. verschlechtert werden.This object is inventively achieved in that the alloys described are annealed nickel-based in that they over a period of 2 to 8 hours at about 1148 to 12O4 ° C (2100 - 22oo ° F), preferably about 4 hours to about 1162 0 Heated to about 1079 ° C (1975 ° F) and then cooled rapidly, then about 12 to 48 hours, preferably about 24 hours heated to about 926 ° C (1700 ° F) and then rapidly cooled and finally heated to about 760 ° C (1400 ° F) for about 8 to 25 hours, preferably 16 hours, followed by rapid cooling. It has been found that this tempering leads to a significant increase in the hot fracture life without affecting the other properties of the alloy such as its resistance to surface deterioration, its hot yield strength, its ductility, as it is represented by expansion and reduction in area, etc. to be worsened.
Zu den Legierungen auf Nickelgrundlage, die sich für die neue Wärmebehandlung besonders eignen, gehören die untenstehend in Tabelle I aufgeführten Legierungen.Nickel-based alloys that are particularly suitable for the new heat treatment include those below in Table I listed alloys.
Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße Wärmebehandlung zwar in gewisser Beziehung der bisher üblichen Wärmebehandlung ähnlich ist, daß sie sich davon jedoch besonders durch die Wärmebehandlung bei etwa 9260C (1700°F) unterscheidet, die zu den, in dem vergüteten Material festgestellten, verbesserten mechanischen Eigenschaften führt. Diese Legierungen, ihre Zusammensetzungen und Eigenschaften werden in verschiedenen Veröffentlichungen, wie beispielsweise im Journal of Metals, Oktober 1966, S. 1119 - 1130, beschrieben.It has been found that the heat treatment of the invention is similar, although in some respects of the usual heat treatment is that it but differs therefrom in particular by the heat treatment at about 926 0 C (1700 ° F), the detected to the, in the hardened and tempered material , improved mechanical properties. These alloys, their compositions and properties are described in various publications, for example in the Journal of Metals , October 1966, pp. 1119-1130.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Legierung zuerst bei etwa 1148 - 1232°C (2100 - 225O°F) über einen Zeitraum von etwa 2 bis 8 Stunden, vorzugsweise bei 5162°C (2125°F) über einenIn accordance with the present invention, the alloy is first heated at about 1148-1232 ° C (2100-225O ° F) for a period of about 2 to 8 hours, preferably at 5162 ° C (2125 ° F) for one
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co ο coco ο co
Zusammensetzung (Gew. %) Composition (wt. %)
Legierung Ni Co Cr Al Ti Mo Alloy Ni Co Cr Al Ti Mo
A Rest 15.0 14.6 4.3 3.35 spezifischA remainder 15.0 14.6 4.3 3.35 specific
B Zr C
0.016 0.04 0.07B Zr C
0.016 0.04 0.07
max.Max.
Wärmebehandlg. gem.
Stand d. Technik
3. 1132°C(2125° F)Heat treatment according to
Stand d. technology
3. 1132 ° C (2125 ° F)
Bereich*1^ RestRange * 1 ^ remainder
14.00 4.00 3.00 3.902.00 4.00 3.00 3.90
B spezifischB specific
15.75 15.25 4.60 3.70 4.50 Rest 18,5 15.0 4.3 3.515.75 15.25 4.60 3.70 4.50 remainder 18.5 15.0 4.3 3.5
Bereicharea
(2)(2)
Rest 14.00 13.00 3.75 2.75 4.50 20.00 17.00 5.00 4.00 6.00 2 h, Obfl. Abk.
auf 1079°C (1975°F) 2
mit 37°C (100° F)
je h; Abkühlen an 3
Luft auf Raumtemperatur 4
76O°C (1400°F) 16 h,
Abkühlen auf Raumtemperatur Remainder 14.00 13.00 3.75 2.75 4.50 20.00 17.00 5.00 4.00 6.00 2 h, obfl. Abbr.
to 1079 ° C (1975 ° F) 2
with 37 ° C (100 ° F)
each h; Cool down on 3rd
Air to room temperature 4
76O ° C (1400 ° F) 16 h,
Cool down to room temperature
Wärmebehandlg. gem. Erfdg. (bevorzugt) 1. 1170°C (2125°F) 4 h;rasch Abk.Heat treatment according to invent. (preferred) 1. 1170 ° C (2125 ° F) 4 h; quick abbr.
10860C (1975°F) 4 h; rasch Abk. 932°C (1700°F)1086 0 C (1975 ° F) for 4 hours; rapid Abbr. 932 ° C (1700 ° F)
0.012 0.04 0.05 0.020 max. 0.09 0.012 0.04 0.05 0.020 max.0.09
0.010 0.04 0.10 1.0.010 0.04 0.10 1.
max. 2.max. 2.
0.010.01 0.150.15
0.05 max.0.05 max.
1176°C (215O°F), 4h,. Lx
1079°C (1975°F), 4h, M
8430C (1550°F),24h, "
76O°C (1400°F),15h, "1176 ° C (2150 ° F), 4h ,. Lx
1079 ° C (1975 ° F), 4h, M
843 0 C (1550 ° F), 24h, "
1400 ° F (76O ° C), 15h, "
(D (2) (D (2)
Ebenfalls 0.15 max. Mn; 0.015 max. P; 0.15 max. S; 0.20 max. Si; 0.50 max. Fe; 0.10 max. Cu; Ebenfalls 4.0 max. Fe.Also 0.15 max Mn; 0.015 max P; 0.15 max S; 0.20 max Si; 0.50 max Fe; 0.10 max Cu; Also 4.0 max. Fe.
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Zeitraum von etwa 1J Stunden einer Wärmebehandlung unterworfen und anschließend vorzugsweise bis auf Raumtemperatur rasch abgekühlt. Dies erfolgte z.B. mittels eines Gases, wie durch Einleiten von kaltem Inertgas in den Ofen, oder dadurch, daß die Legierung an die frische Luft gebracht wurde. Der Zweck dieser Stufe der Värmebehandlung besteht darin, die Legierung zu homogenisieren, Temperaturen oberhalb etwa 1232°C(225O°P) würden dazu führen, daß die Legierung anfängt zu schmelzen, wodurch der Zweck dieser Wärmebehandlungsstufe vereitelt werden würde. Während dieser Behandlung wird die, in erster Linie die Festigkeit verursachende Phase, k' », [Ji3(Al5Ti)] und werden die M^Cg-Carbide (M=Metallatom wie beispielsweise Chrom oder Molybdän, so daß M33Cg oft die Zusammensetzung Cr21Mo2Cg aufweist) in Lösung gebracht, so daß nur die Legierungsmatrix y und die MC-Carbide (bei denen oft eine Zusammensetzung wie (Ti, Mo)C auftritt) als solche zurückbleiben. Es muß eine Temperatur von mindestens 11*19 C(2100 P) angewendet werden, da bei niedrigeren Temperaturen bestimmte Phasen dazu neigen, sich in einer unkontrollierbaren Weise auszuscheiden und, wie oben bereits ausgeführt wurde, Temperaturen oberhalb etwa 1232 C (22500P) dazu führen, daß die Legierung anfängt zu schmelzen. Vergütungszeiten von weniger als 2 Stunden lassen nicht erwarten, daß alles in Lösung geht, und eine Vergütungszeit von mehr als etwa 8 Stunden bei ll62°C (2125°P) wäre unwirtschaftlich. Nach dieser Behandlung wird die Legierung, wie es obenstehend beschrieben wurde, rasch abgekühlt.Subjected period of about 1 J hours to a heat treatment and then cooled down to room temperature, preferably rapidly. This was done, for example, by means of a gas, such as by introducing cold inert gas into the furnace, or by bringing the alloy into the fresh air. The purpose of this stage of heat treatment is to homogenize the alloy, temperatures above about 1232 ° C (225O ° P) would cause the alloy to begin to melt which would defeat the purpose of this heat treatment stage. During this treatment, the phase that is primarily responsible for the strength becomes k '», [Ji 3 (Al 5 Ti)] and the M ^ Cg carbides (M = metal atom such as chromium or molybdenum, so that M 33 Cg often the composition Cr 21 Mo 2 Cg) is brought into solution, so that only the alloy matrix y and the MC carbides (which often have a composition such as (Ti, Mo) C) remain as such. A temperature of at least 11 * 19 C (2100 P) must be used, since at lower temperatures certain phases tend to separate out in an uncontrollable manner and, as already stated above, temperatures above about 1232 C (2250 0 P) cause the alloy to begin to melt. Aging times of less than 2 hours do not lead to expectation that everything will go into solution, and an aging time of more than about 8 hours at 162 ° C (2125 ° P) would be uneconomical. After this treatment, the alloy is rapidly cooled as described above.
Auf der zweiten Stufe wird die Legierung zwei bis acht Stunden, vorzugsweise etwa vier Stunden lang, bei einer Temperatur von etwa 1O79°C (1975°P) gehalten. Die Aufgabe dieser Behandlung ist es, die Abscheidung der# '-Verstärkungsphase in Gang zu bringen, die im allgemeinen als fein verteilte Abscheidung in Form von Partikel vorliegt. Der Beginn der Abscheidung bei dieser Temperatur führt nach abschließender Alterung zur Bildung von if' '-Partikel optimaler Größe, was zur Erreichung einer maximalen Verfestigung beiträgt. Eine Behandlung von weniger als etwa 2 Stunden innerhalb dieses Temperaturbereiches, hat eine un-In the second stage, the alloy is for two to eight hours, preferably about four hours, at a temperature of held about 1079 ° C (1975 ° P). The task of this treatment is to start the separation of the # 'amplification phase, which is generally present as a finely divided deposit in the form of particles. The beginning of the deposition at this one After subsequent aging, temperature leads to the formation of if '' particles of optimal size, which leads to the achievement of a maximum Solidification contributes. A treatment of less than about 2 hours within this temperature range has an un-
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genügende Abscheidung zur Folge, während wiederum eine Behandlung von mehr als etwa 8 Stunden unnötig und unwirtschaftlich wäre. Am Ende dieser Behandlung wird die Legierung wiederum auf die oben beschriebene Weise abgeschreckt.sufficient deposition result, while a treatment of more than about 8 hours is unnecessary and uneconomical were. At the end of this treatment, the alloy is quenched again in the manner described above.
Die dritte Stufe der erfindungsgemäßen Vergütung ist kritisch; in ihr liegt das Wesentliche der vorliegenden Erfindung und sie weicht als solche am meisten von den bisher üblichen Vergütungsverfahren ab. Auf dieser Stufe wachsen vor allem die, auf die obenstehend beschriebene Weise ausgeschiedenen /*- The third stage of the inventive remuneration is critical; The essence of the present invention lies in it and, as such, it deviates most from the remuneration methods customary up to now. At this stage, especially those excreted in the manner described above grow / * -
ungefähr ο Teilchen, auf eine zur maximalen Verfestigung/optimale Größe an. Weiterhin ist von größter Bedeutung, daß durch diese Behandlung außerdem die M23Cg-Carbide an den Korngrenzen durch eine Reaktion in festem Zustand abgeschieden werden, der wahrscheinlich folgende Gleichung zukommt:approximately ο particles, to a size for maximum solidification / optimal size. Furthermore, it is of great importance that this treatment also precipitates the M 23 Cg carbides at the grain boundaries through a reaction in the solid state, which probably corresponds to the following equation:
MC + y _ M c + yi MC + y _ M c + yi
Wie oben bereits ausgeführt wurde, fällt die M23Cg-Verbindung in Form diskreter Carbidteilchen aus, die an den Korngrenzen von optimaler Größe sind, die diese Grenzen verstärken, sie absperren oder festhalten und dadurch ein unerwünschtes Abgleiten verhindern oder verzögern. Ein wichtiger Teil dieser Hitzebehandlung liegt vermutlich in der Tatsache, daß das l·"-Abbauprodukt sich als durchgehende Hülle um die bei den Korngrenzen ausgeschiedenen M23Cg-Carbide legt. Diese Ummantelung oder Umhüllung der M23Cg-Teilchen durch /% verhindert die anschließende Abscheidung schädlicher M23Cg-Keime an den Korngrenzen während des Gebrauchs der Legierung, was nach den Erfahrungen der Vergangenheit zu einem Versagen von Teilen beim Betrieb führen kann. Diese Umhüllung wirkt auch als eine starke, duktile Einlagerung, die den Beginn des Legierungsbruches verhindert und eine lange Bruchlebensdauer fördert. Obwohl die obenstehend beschriebene Reaktion auchjwenn die Legierung diesem Temperaturbereich ausgesetzt wird, während der Anwendung der Legierung eintreten kann, liegt die Eigenart der vorliegenden Hitzebehandlung darin, daß sie diese Reaktion vor der Anwendung derAs already stated above, the M 23 Cg compound precipitates in the form of discrete carbide particles which are optimally sized at the grain boundaries, which reinforce these boundaries, block them off or hold them in place and thereby prevent or delay undesired sliding. An important part of this heat treatment probably lies in the fact that the l · "-degradation product forms a continuous shell around the M 23 Cg carbides precipitated at the grain boundaries. This coating or coating of the M 23 Cg particles by / % prevents this Subsequent deposition of harmful M 23 Cg nuclei at the grain boundaries during use of the alloy, which, according to past experience, can lead to failure of parts during operation. This coating also acts as a strong, ductile deposit that prevents the alloy from breaking Although the above-described reaction can occur even if the alloy is exposed to this temperature range during use of the alloy, the nature of the present heat treatment is that it eliminates this reaction prior to application of the
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Legierung zu Ende führt, so daß die Legierung von Anfang an im sichersten und möglichst stabilen Zustand ist. Eine ähnliche Wirkung kann durch Anwendung kürzerer Reaktionszeiten, bis zu etwa 12 bis 16 Stunden herab, erzielt «erden; längere Reaktionszeiten von 36 bis 48 Stunden sind möglich; sie wären aber unwirtschaftlich. Reaktionszeiten von 24 Stunden scheinen dagegen optimal zu sein.Alloy leads to the end, so that the alloy is in the safest and most stable condition possible from the start. A similar Effect can be achieved by using shorter reaction times, down to about 12 to 16 hours; longer response times from 36 to 48 hours are possible; but they would be uneconomical. Response times of 24 hours seem on the other hand to be optimal.
Auf der vierten und letzten Stufe der erfindungsgemäßeη Vergütung, die wiederum für Legierungen des vorliegenden Typus bisher schon gebräuchlich war, wird die Legierung 16 Stunden lang auf 760°C (1400°F) erhitzt und wie oben abgeschreckt. Diese abschließende Behandlung führt zu einer weiteren Abscheidung der jf * -Phase und kann auch eine kleine zusätzliche Menge M00C- aus der Lösung bringen. Allgemein scheint sie die Wirkung zu haben, die Legierung als Ganzes zu stabilisieren. Wahlweise kann die Behandlungszeit zwischen etwa 8 bis 24 Stunden variiert werden.In the fourth and final stage of the inventive tempering, which in turn was already in use for alloys of the present type, the alloy is heated to 760 ° C (1400 ° F) for 16 hours and quenched as above. This final treatment leads to a further deposition of the jf * phase and can also bring a small additional amount of M 00 C- out of the solution. In general, it appears to have the effect of stabilizing the alloy as a whole. Optionally, the treatment time can be varied between about 8 to 24 hours.
In Tabelle II unten sind die Bruchbelastungszeiten verschiedener, mit Zahlen versehener Chargen der oben genannten spezifischen Legierung A aufgeführt, die den angegebenen Temperaturen und Belastungen unterworfen wurden. Diese Legierungen sind einer Vergütung unterworfen worden, wie es in Tabelle I für die Legierung A angegeben wurde, wobei die Zeit und die Temperatur der Behandlung so gewählt wurden, wie sie in der Tabelle als bevorzugt genannt sind. Die Verbesserung wird als Verhältnis der Bruchbelastungszeit nach der neuen Vergütung gegenüber derjenigen angegeben, die durch die bisher übliche Vergütung erzielt wurde.In Table II below are the breaking load times of various numbered lots of the specific above Alloy A listed, which were subjected to the specified temperatures and loads. These alloys are one Temper as indicated in Table I for Alloy A, with the time and temperature the treatment were chosen as they are mentioned in the table as preferred. The improvement is expressed as the ratio of the Breaking load time after the new remuneration compared to that indicated, which was achieved through the previously usual remuneration.
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TABELLE IITABLE II
ChargeBatch
Temp./BelastungTemp./load
(°F/Ksi)(° F / Ksi)
(°C/kg/cm2) Lebensdauer
(Stde.)(° C / kg / cm 2 ) service life
(Stde.)
Verbesserung gegenüber der bisher üblichen Vergütung (-fach)Improvement compared to the usual remuneration (-subject)
4.6 2.9 2.5 2.34.6 2.9 2.5 2.3
4.1 2.0 2.64.1 2.0 2.6
2.1 1.92.1 1.9
1.71.7
4.4 2.24.4 2.2
2.0 2.22.0 2.2
Aus den obenstehenden Werten geht hervor, daß die erfindungsgemäße Vergütung gegenüber dem Stand der Technik einen sehr großen Fortschritt bringt, da die Lebensdauer, wie die Tabelle zeigt, um das 1.7- bis 4.6-fache erhöht wird.From the above values it can be seen that the inventive Compensation compared to the prior art brings a very large advance, since the service life, as the table shows is increased by 1.7 to 4.6 times.
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