DE1943264C - Use of a cobalt chromium nickel alloy with high creep strength and high creep elongation and constriction at high temperatures - Google Patents

Use of a cobalt chromium nickel alloy with high creep strength and high creep elongation and constriction at high temperatures

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DE1943264C
DE1943264C DE19691943264 DE1943264A DE1943264C DE 1943264 C DE1943264 C DE 1943264C DE 19691943264 DE19691943264 DE 19691943264 DE 1943264 A DE1943264 A DE 1943264A DE 1943264 C DE1943264 C DE 1943264C
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Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Kobalt-Chrom-Nickel-Legierung für Gegenstände, die bei hohen Temperaturen eine hohe Zeitstandfestigkeit und hohe Zeitbruchdehnung und -einschnürung besitzen müssen.The invention relates to the use of a cobalt-chromium-nickel alloy for objects that have a high creep rupture strength and high time rupture elongation and necking at high temperatures have to.

Solche Legierungen werden insbesondere für Bauteile von Gasturbinen und Triebwerken, wie Schaufeln. Flammrohre und Nachbrenner, sowie im Motorenbau für Brennkammern, Bolzen und andere Motorenteile verwendet. Alle diese Bauteile haben bei hohen Temperaturen einer starken Beanspruchung standzuhalten.Such alloys are used in particular for components of gas turbines and engines, such as blades. Flame tubes and afterburners, as well as in engine construction for combustion chambers, bolts and others Engine parts used. All of these components are subject to high stress at high temperatures to withstand.

Eine Legierung dieser Art ist unter der Bezeichnung X 40 CoCrNi 4520 bekannt (·>Werkstoff-Handbuch Stahl und üisen«. 1965, Blatt 0 93-2). Sie hat etwa folgende Zusammensetzung:An alloy of this type is known under the designation X 40 CoCrNi 4520 (·> Material Handbook Steel and iron «. 1965, sheet 0 93-2). It has roughly the following composition:

0,32 bis 0,42% Kohlenstoff
maximal 1,0% Silizium
19.0 bis 21,0% Chrom
19,0 bis 21,01Vo Nickel
0.32 to 0.42% carbon
maximum 1.0% silicon
19.0 to 21.0% chromium
19.0 to 21.0 1 Vo nickel

3,5 bis 4,5% Molybdän3.5 to 4.5% molybdenum

3.5 bis 4,5% Wolfram3.5 to 4.5% tungsten

3,5 bis 4,5% Niob -} Tantal
maximal 5,0% Eisen
Rest Kobalt.
3.5 to 4.5% niobium -} tantalum
maximum of 5.0% iron
Remainder cobalt.

Diese Legierung hat verhältnismäßig gute mechanische Eigenschaften bis zu Temperaturen von 900C.This alloy has relatively good mechanical properties up to temperatures of 900C.

Aus der britischen Patentschrift 821 745 sind Kobalt-Basis-Legierungen bekannt, die bei hohen Temperaturen eingesetzt werden können. Diese Legierungen sind für hohe Anforderungen, insbesondere an die Zeitstandfestigkeit bei gleichzeitiger hoher Zeilbruchdehnung und -einschnürung, nicht geeignet. Die Anforderungen an Legierungen des angegebenen Typs werden immer höher. Es ist deshalb erforderlich, Legierungen zu entwickeln, die noch bessere Eigenschaften bei hohen Temperaturen haben. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung einer Kobalt-Chrom-Nickel-Legierung, bestehend ausFrom the British patent 821 745 cobalt-based alloys are known that at high Temperatures can be used. These alloys are for high demands, especially on the creep rupture strength with simultaneous high Zeilbruch elongation and constriction, not suitable. The requirements for alloys of the specified Type are getting higher and higher. It is therefore necessary to develop alloys that still have better properties at high temperatures. This task is solved by using a cobalt-chromium-nickel alloy, consisting of

ίο bis 1,50% Mangan, bis 0,045% Phosphor, bis 0,030% Schwefel, 19,0 bis 21,0% Chrom, 19,0 bis 21% Nickel, 3,5 bis 4,5% Wolfram, 3,5 bii 4,5% Molybdän, 3,5 bis 4,5% Niob und/oder Tantal, bis 5,0% Eisen, 0,0030 bis 0,010% Bor, Rest Kobalt, die auf Grund eines KohlenstofTgehaltes von bis 0,26' n in Kombination mit einem Siliziumgehalt von bis 0,30" ι· und einer Wärmebehandlung, bestehend aus einem Lösungsglühen zwischen 1150 und 12(K) C, einem Wasserab->chrecken, einem mindestens 16stün-ίο up to 1.50% manganese, up to 0.045% phosphorus, up to 0.030% Sulfur, 19.0 to 21.0% chromium, 19.0 to 21% nickel, 3.5 to 4.5% tungsten, 3.5 to 4.5% molybdenum, 3.5 to 4.5% niobium and / or tantalum, up to 5.0% iron, 0.0030 to 0.010% boron, the remainder cobalt, due to a carbon content of up to 0.26 'n in combination with a silicon content of up to 0.30 "ι · and a heat treatment, consisting from a solution heat treatment between 1150 and 12 (K) C, water quenching, at least 16 hours

ao digemAusiasern bei 700 bis 850 C und anschließenden Abkühlen an Luft ein zusammenhängendes plattenförmigen Netzwerk aus Lavesphase aufweist, für CJegenstände, die bei hohen Temperaturen eine hohe Zeitstandfestigkeit und hohe Zeitbruchdehnung und -einschnürung besitzen müssen.ao digemAusiasern at 700 to 850 C and then Cooling in air a coherent plate-shaped Has network from Lavesphase, for objects that have a high at high temperatures Must have creep rupture strength and high elongation and constriction.

Obwohl bisher eine Legierung der angegebenen Zusammensetzung nicht bekannt ist. wird kein Stoffsdiut/ für diese Legierung begehrt.Although an alloy of the specified composition is not yet known. does not become a substance / coveted for this alloy.

Die Legierung nach der Erfindung unterscheidet sich von bekannten Legierungen im wesentlichen durch gezielt veränderte und aufeinander abgestimmte Gehalte an Kohlenstoff und Silizium. Diese nur geringfügig erscheinenden Änderungen bringen wirier Erwarten erhebliche Verbesserungen mit sich, insbesondere der Bruchzeit bei hohen Temperaturen. Bruchdehnung und Brucheinschnürung zeigen dabei ausreichend gute Werte.The alloy according to the invention differs essentially from known alloys through specifically changed and coordinated contents of carbon and silicon. These only slightly As changes appear, we expect significant improvements, especially the break time at high temperatures. The elongation at break and the constriction at break show sufficiently good values.

Diese Sieigerung der mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen ist auf das Ausscheiden einer Lavesphase zurückzuführen, die im vorliegenden Fall als zusammenhängendes, plattenförmiges Netzwerk unter Vermeidung einer Koagulation der Phase auf den Korngrenzen ausgebildet ist.This decrease in mechanical properties at high temperatures is due to the precipitation of a Laves phase traced back, which in the present case as a coherent, plate-shaped network is formed while avoiding coagulation of the phase on the grain boundaries.

Es bestand ein Vorurteil dagegen, Kobaltwerkstoffe.There was a prejudice against cobalt materials.

die auf Grund ihrer Zusammensetzung zur Ausbildung von Lavesphase neigen, als hochwarmfeste Werkstoffe mit guter Zeitstanufestigkeit zu verwenden, da nach bisheriger Erfahrung die Ausbildung von Lavesphase stets mit einer Verspröd'.ing des Werkstoffes verbunden war (»Journal of Metals«, November 1968, S. 36 bis 53; »Trans, of the ASM«, 1963, S. 287 bis 303). Es wurden zahlreiche Versuche unternommen, die Ausscheidung von Lavesphase zu vermindern. Eine bekannte Möglichkeit besteht darin, den Gehalt an Silizium möglichst klein zu halten.which, due to their composition, tend to form a Laves phase, as highly heat-resistant To use materials with good time stability, since, according to previous experience, the formation of Laves phase was always associated with an embrittlement of the material (Journal of Metals, November 1968, pp. 36 to 53; "Trans, of the ASM", 1963, p. 287 to 303). Numerous attempts have been made to reduce the excretion of Laves phase. One known possibility is to keep the silicon content as low as possible.

Die Erfinder haben jedoch überraschenderweise festgestellt, daß der Höhe des Kohlenstoffgehalts besondere Bedeutung zukommt; er bestimmt, ob und in welcher Menge bei einer entsprechenden Temperatur Lavesphase gebildet wir,d. Der Gehalt an Silizium macht sich in weit geringerem Maße bemerkbar und beeinflußt die Bildungsgeschwindigkeit und die Ausscheidungsform der Lavesphase. Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugründe, daß die Gehalte an Kohlenstoff und Silizium gezielt aufeinander abgestimmt werden müssen, um bei hohen Temperaturen zu einer hohen Zeitstandfestiekeit bei hoher Duktilität zu kommen.However, the inventors have surprisingly found that the level of the carbon content is particular Is important; it determines whether and in what amount at a corresponding temperature Laves phase we formed, d. The silicon content is less noticeable and influences the rate of formation and the form of excretion of the Laves phase. the Invention is based, among other things, on the knowledge that the contents of carbon and silicon must be specifically coordinated in order to achieve high creep strength at high temperatures to come with high ductility.

i 943 264i 943 264

Die Erfindung wird an Hand der Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the figures.

Es werden die bekannte Legierung X 40 CoCrNi 4520 (Legierung A) und die Legierung nach der Erfindung (Legierung B) miteinander verglichen werden. Ihre Zusammensetzungen sind:There are the known alloy X 40 CoCrNi 4520 (alloy A) and the alloy according to the invention (Alloy B) can be compared with each other. Their compositions are:

Legie
rung
Legie
tion
CC. SiSi MnMn 0,004
0,010
0.004
0.010
SS. CrCr NiNi CoCo WW. MoMon NbNb PePe 0,0030.003
A
H
A.
H
0,41
0,15
0.41
0.15
0,30
0,05
0.30
0.05
0,66
0,68
0.66
0.68
0,0Ü9
0,010
0.0Ü9
0.010
19,6
19,2
19.6
19.2
20,8
21,0
20.8
21.0
Rest
Rest
rest
rest
4,25
4,1
4.25
4.1
4,12
4,18
4.12
4.18
3,95
3,98
3.95
3.98
0,70
0,6
0.70
0.6

Beide Legierungen wurden bei einer Temperatur von 1175 C lösungsgeglüht, in Wasser abgeschreckt, danach bei 7600C 16 Stunden ausgelagert und anschließend an Luft abgekühlt. Die so behandelten Legierungen hatten Gefiige nach den Fig. 1 und 2. Darin ist deutlich das unterschiedliche Ausscheidungs-%erhalten nach lOOOstündiger Glühung bei 730 C /u erkennen. Während die bekannte Legierung (lig. 1) verstärkte Karbidausscheidungen aufweist, zeigt die erfindungsgemäß verwandte Legierung in F i g. 2. ein dichtes Netzwerk von Lavesphase. Röntgenfeinstruktur- und Elektronenbeugungsaufnahmen ergaben für diese Lavesphase nahe/u die gleichen Linien, wie sie in der Literatur für Ke2Mo angegeben werden. Die Lavesphase besitzt demnach eine hexagonale Struktur und wird bei der genannten Temperatur plattenförmig ausgeschieden.Both alloys were solution annealed at a temperature of 1175 ° C., quenched in water, then aged at 760 ° C. for 16 hours and then cooled in air. The alloys treated in this way had structures according to FIGS. 1 and 2. This clearly shows the difference in the percentage of precipitation obtained after annealing at 730 ° C. for 100 hours. While the known alloy (lig. 1) has reinforced carbide precipitations, the alloy used according to the invention in FIG. 2. a dense network of Lavesphase. X-ray fine structure and electron diffraction recordings showed for this Laves phase almost the same lines as are given in the literature for Ke 2 Mo. The Laves phase therefore has a hexagonal structure and is precipitated in the form of a plate at the temperature mentioned.

Die Bedeutung der besonderen Art von Lavesphase, wie sie bei der Erfindung ausgeschieden wird, ist anschaulich den F i g. 3 und 4 zu entnehmen. F i g. 3 zeigt das Ausgangsgefüge der erfindiingsgemäßen Legierung mit einem dichten Lavesphasen-Netz. An einer Zeitstandprobe (Fig. 4), die 300 Stunden vorgealtert ■ nd dann bei 730' C geprüft wurde, ist festzustellen, daß die Lavesphasen-Platten in den Matrix-Kristalliten den einzelnen Gleitungen gefolgt sind. Das bedeutet, die Lavesphase, wie sie bei der erlindungsgemäßen Legierung ausgeschieden wird, ist in der Wärme äußerst duktil.The importance of the special type of Laves phase, as it is eliminated in the invention, is clearly the F i g. 3 and 4. F i g. 3 shows the initial structure of the invention Alloy with a dense Laves phase network. On a creep test (Fig. 4) that has pre-aged for 300 hours After testing at 730 ° C, it can be seen that the Laves phase plates are in the matrix crystallites followed the individual glides. This means the Laves phase, as it is in the case of the invention Alloy is precipitated is extremely ductile in heat.

Die restigkeitseigenschaften (0,2-Grenze und Zugfestigkeit) bei Raumtemperatur zeigen keine auffallenden Unterschiede. Dagegen sind die Bruchdehnund ^5 und die Brucheinschnürung 7 bei der Legierung nach der Erfindung (Legierung B) höher als bei der bekannten Legierung (Legierung A).The residual properties (0.2 limit and tensile strength) at room temperature show no noticeable differences. In contrast, the Bruchdehnund ^ 5 and the reduction of area 7 in the alloy according to the invention (Alloy B) are higher than in the known alloy (alloy A).

Das zeigt sich auch bei einem Vergleich der mechanischen Eigenschaften der beiden verglichenen Legierungen.This can also be seen in a comparison of the mechanical properties of the two compared Alloys.

FestigkeitseigenschaftenStrength properties bei 20 Cat 20 C (( 18,518.5 VV ΌΌ 18.018.0 Zeiistand-Time stand Bruch
deh
fracture
deh
BriKh-
ein-
schnu-
BriKh-
one-
Schnu-
42,642.6 52,952.9
4040 42,142.1 festigkeitenstrengths nungtion rungtion 46,146.1 76,276.2 η B η B bei 730 Cat 730 C σ 0,2σ 0.2 mm2 mm 2 Prüf'ings belastung:Testing load: LeLe kpkp 111,7111.7 27 kg mm-27 kg mm gie
rung
gie
tion
58,858.8 105,1105.1 Bruch-
zeit
Fracture-
time
56,656.6 Sid.Sid. AA. 202202 BB. 16451645

Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäß verwandten Legierung liegen in d«:r Verwendung bei hohen Temperaturen. Wie der vorstehenden Tabelle zu entnehmen ist, weist diese Legierung eine außergewöhnlich hohe Bruchzeit entsprechend einer hohen Zeitstandfestigkeit bei noch guter Bruchdehnung und Brucheinschnürung auf.The essential advantages of the alloy used in accordance with the invention lie in its use high temperatures. As can be seen from the table above, this alloy has an exceptional quality high rupture time corresponding to a high creep rupture strength with still good elongation at break and Fracture constriction.

Der hohe Vernetzungsgrad der Lavesphase bedingtThe high degree of cross-linking of the Laves phase is necessary

die hohen Bruchzeiten. Wie gezeigt wurde, ist die bei der erfindungsgemäßen Legierung ausgeschiedene Lavesphase in der Wärme sehr duktil und folgt den Gleitvorgängen.the high break times. As has been shown, that precipitated with the alloy of the present invention Laves phase very ductile in the heat and follows the sliding processes.

Daher findet keine Beeinträchtigung der Zeitbnichdehnung und -einschnürung statt.Therefore there is no impairment of the time elongation and constriction instead.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (1)

Patentanspruch:Claim: Verwendung einer Kobalt-Chrom-Nickel-Legierung, bestehend aus bis 1,50% Mangan, bis 0,045% Phosphor, bis 0,030% Schwefel, 19,0 bis 21,0% Chrom, 19,0 bis 21% Nickel, 3,5 bis 4,5% Wolfram, 3,5 bis 4,5% Molybdän. 3,5 bis 4,5% Niob und/oder Tantal, bis 5,0% Eisen, 0,0030 bis 0,010 «u Bor, Rest Kobalt, die auf Grund eines Kohlenstoffgehajtes von bis 0,26" ο in Kombination mit einem Siliziumgehalt von bis 0,30J ti und einer Wärmebehandlung, bestehend aus einem Lösungsglühen zwischen 1150 und 1200° C, einem Wasserabschrecken, einem mindestens lostündigen Auslagern bei 700 bis H5u ' C und aii5:!üießenden Abkühlen an Luft ein zusammenhängendes plattenförmiges Netzwerk aus Lavesphase aufweist, für Gegenstände, die bei hohen Temperaturen eine hohe Zeitslandfestigkeit und hohe Zeitbruchdehnuiu und -einschnürung besii/en müssen.Use of a cobalt-chromium-nickel alloy, consisting of up to 1.50% manganese, up to 0.045% phosphorus, up to 0.030% sulfur, 19.0 to 21.0% chromium, 19.0 to 21% nickel, 3.5 up to 4.5% tungsten, 3.5 to 4.5% molybdenum. 3.5 to 4.5% niobium and / or tantalum, up to 5.0% iron, 0.0030 to 0.010 "u boron, the remainder cobalt, which is due to a carbon content of up to 0.26" o in combination with a silicon content of up to 0.30 J ti and a heat treatment, consisting of a solution heat treatment between 1150 and 1200 ° C, a water quenching, an aging at least 1 hour at 700 to H5u'C and aii5:! flowing cooling in air has a coherent plate-shaped network of Laves phase , for objects that have to have a high level of temporal strength and high elongation and constriction at high temperatures.
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