DE2013074C

DE2013074C - Heat-resistant, straightened, rigid workpiece made of a nickel niobium aluminum alloy

Info

Publication number: DE2013074C
Application number: DE19702013074
Authority: DE
Inventors: Earl Ryan Glastonbury Conn Thompson (VStA)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1969-03-20
Filing date: 1970-03-19
Publication date: 1973-04-05

Description

2525th

Die Erfindung bezieht sich auf ein hochwarmfestes gerichtet erstan es Werkstück aus einer an sich bekannten Legierung, deren Zusammensetzung dem quasibinären Eutektikum Ni₃Al—Ni₃Nb entspricht.The invention relates to a highly heat-resistant workpiece made of an alloy known per se, the composition of which corresponds to the quasi-binary eutectic Ni ₃ Al — Ni ₃ Nb.

Es werden her ce in der Techni! für Konstruktionsbestandteile, die hoher Temperaturbeanspruchung ausgesetzt sind, metallische Werkstoffe verlangt, die eine gute H och Warmfestigkeit besitzen. Während die Erhöhung der Festigkeit beispielsweise durch Verstärkung der Metallmatrix durch metallische oder nichtmetallische Fasern oder Whiskers sowie mittels Härten durch Phasenumwandlung, Umwandlung und Kaltverformung, Ausscheidungshärtung, Di^persionshärlung oder Mischkristallbildimg erzielt werden kann, läßt sich eine Steigerung der Hochwarmfestigkeit nur durch Vervollkommnung des Kristallaufbaues erreichen, nicht aber durch Herstellung metastabiler Zustände, wie sie die üblichen Verfahren der Verfestigung, ausgenommen die Mischkristallverfestigung, bewirken.There will be her ce in techni! for construction components, that are exposed to high temperatures, requires metallic materials that have a good high temperature resistance. While increasing the strength, for example, through reinforcement the metal matrix by metallic or non-metallic fibers or whiskers and by hardening through phase transformation, transformation and cold working, precipitation hardening, dispersion hardening or mixed crystal image can be achieved, an increase in high heat resistance can only be achieved achieve by perfecting the crystal structure, but not by creating metastable states, how they effect the usual solidification processes, with the exception of solid solution solidification.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Hochwarmfestigkeit der bekannten (vgl. Russian Journal of Inorganic Chemistry, Nr. 10 [1962], S. 1236) Nickel-Legierung, deren Zusammensetzung dem quasibinären Eutektikum Ni₃Al—Ni₃Nb entipricht, zu verbessern, damit sie sich zur Herstellung von Gußstücken eignet, von denen eine besonders hohe Zeit- und Dauerstandfestigkeit bei hohen Temperaturen verlangt wird.The invention is based on the object of providing the high-temperature strength of the known (cf. Russian Journal of Inorganic Chemistry, No. 10 [1962], p. 1236) nickel alloy, the composition of which corresponds to the quasi-binary eutectic Ni ₃ Al — Ni ₃ Nb improve so that it is suitable for the production of castings, of which a particularly high time and fatigue strength is required at high temperatures.

Diese Aufgabe wird gelöst mittels des erfindungsgemäßen hochwarmfesten gerichtet erstarrten Werkstücks aus einer solchen an sich bekannten Legierung, deren Zusammensetzung dem quasibinären Eutektikum Ni₃AI—Ni₃Nb entspricht, das eine Iameilare Struktur mit abwechselnd nebeneinander liegenden Bereichen der Zusammensetzung Ni₃Al und Ni₃Nb aufweist. In der lamellaren Mikrostruktur macht der Anteil an Ni₃AI ungefähr 33 Gewichtsprozent aus.This object is achieved by means of the highly heat-resistant directionally solidified workpiece according to the invention made of such an alloy known per se, the composition of which corresponds to the quasi-binary eutectic Ni ₃ Al-Ni ₃ Nb, which has a laminar structure with alternately adjacent areas of the composition Ni ₃ Al and Ni ₃ Has Nb. In the lamellar microstructure, the proportion of Ni ₃ Al makes up about 33 percent by weight.

Das erfindungsgemäße hochwarmfeste gerichtet erstarrte Werkstück wird vorteilhaft in der Weise hergcstellt, daß eine aus 72,5% Nickel, 23,1% Niob und 4,4% Aluminium bestehende Legierung erschmolzen, i'ie schmelzfHissige Legierung in Argon-Atmosphäre vertikal mit einer Tiegelabsenkgeschwindigkeit von etwa 2 cm/Std. gerichtet zum Erstarren gebracht und dabei unter Überhitzung der erstarrenden Legierung von etwa 300"C und mit einem Wärmegradienten von etwa 70°C/cm gearbeitet wird.The highly heat-resistant directionally solidified workpiece according to the invention is advantageously manufactured in such a way that that an alloy consisting of 72.5% nickel, 23.1% niobium and 4.4% aluminum melted, i'ie fusible alloy in an argon atmosphere vertically with a crucible lowering speed of about 2 cm / hour. directed to freeze and while overheating the solidifying alloy to about 300 "C and with a thermal gradient of about 70 ° C / cm is worked.

Die erfindungsgemäßen hochwarmfesten gerichtet erstarrten Werkstücke haben hervorragende Zeitstandsfestigkeit im Warmbereich, gute Zugfestigkeit sowie hohe Dehnung bei hohen Temperaturen, beispielsweise bei 1093⁰C mehr als zweifache Widerstandsfähigkeil, verglichen mit bekannten Legierungen dieser Art.The highly heat-resistant directionally solidified invention workpieces have excellent creep strength in the hot area, good tensile strength and high elongation at high temperatures, for example at 1093 ⁰ C for more than two-fold resistant wedge compared to known alloys of this type.

Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung gegebenen Darstellungen nachstehend noch näher erläutert:The invention will be explained in more detail below with reference to the representations given in the drawing explained:

F i g. I ist ein Bild eines Querschnitts durch eine eutektische Ni₃AI-Ni₃Nb-Legierung, welche in einer Richtung mit einer Geschwindigkeit von 2,2 cm/Std. erstarrt ist;F i g. I is a picture of a cross section through a Ni ₃ Al-Ni ₃ Nb eutectic alloy moving in one direction at a speed of 2.2 cm / hr. is frozen;

F i g. 2 ist ein Bild derselben Legierung im Längsschnitt; es zeigt deutlich die ausgesprochene Anisotropie des Blockes, wie durch die Iameilare Mikrostruktur bewiesen;F i g. Fig. 2 is a longitudinal sectional view of the same alloy; it clearly shows the pronounced anisotropy of the block as evidenced by the laminar microstructure;

F i g. 3 ist eini. graphische Darstellung, in welcher die Zugfestigkeit der gerichteten erstarrten Ni₃AI-Ni₃Nb-Legierung mit der Zugfestigkeit einer fortschrittlichen Nickel-Basis-Guß-Superlegierung verglichen wird;F i g. 3 is a. A graph comparing the tensile strength of the directional solidified Ni ₃ Al-Ni ₃ Nb alloy to the tensile strength of an advanced cast nickel base superalloy;

F i g. 4 ist eine Aufzeichnung der Larson-Miller-Parameterkurven für Bruch für ein ausgerichtetes Ni₃A!-Ni₃Nb-Eulektikum und eine fortschrittliche Nickel-Basis-Guß-Superlegierung.F i g. Figure 4 is a plot of the Larson-Miller parameter _{curves for fracture for an oriented Ni 3} A! -Ni ₃ Nb eulectic and an advanced cast nickel base superalloy.

Ein Eutektikum, welches in dem Ni-Nb-Al-Legierungssystem besteht, tritt bei einer Zusammensetzung von ungefähr 72,5 Gewichtsprozent Nickel, 23,1 Gewichtsprozent Niob und 4,4 Gewichtsprozent Aluminium auf. Diese Legierung zeigt ein pseudobinäres Verhalten zwischen den intermetallischen Ni₃AI- und Ni₃Nb-Verbindungen bei etwa 33 Gewichtsprozent Ni₃AI und bildet nach ebener Fronterstarrung, eine gesteuerte Iameilare Mikrostruktur, welche etwa 44 Volumprozent Ni₃Nb in der Ni₃Al-Matrix enthält. Die Phasenausrichtung geht deutlich aus F i g. 1 und 2 hervor.A eutectic consisting of the Ni-Nb-Al alloy system occurs at a composition of approximately 72.5 percent by weight nickel, 23.1 percent by weight niobium and 4.4 percent by weight aluminum. This alloy shows a pseudo-binary behavior between the intermetallic Ni ₃ Al and Ni ₃ Nb compounds at about 33 percent by weight Ni ₃ AI and, after solidification at the front, forms a controlled linear microstructure, which contains about 44 percent by volume Ni ₃ Nb in the Ni ₃ Al- Contains matrix. The phase alignment is clear from FIG. 1 and 2.

Auf dem Gebiet der Hochtemperatur-Legierungsentwicklung ist erkannt worden, daß die Nickel-Basis-Superlegierung durch die Ausscheidung der /-Phase, eine Phase, welche auf der intermetallischen Ni₃Al-Verbindung ruht, verstärkt werden kann. Eine solche Ausscheidung findet man in der Standard-Nickel-Basis-Superlegierung, wie z. B. B-1900, welche die nominelle Zusammensetzung in Gewichtsprozent von 8% Chrom, 10% Kobalt, 1 % Titan, 6% Aluminium, 6% Molybdän, 0,11% Kohlenstoff, 4,3% Tantal, 0,15% Bor, 0,07% Zirkon, Rest hauptsächlich Nickel aufweist.In the field of high temperature alloy development, it has been recognized that the nickel base superalloy can be strengthened by the precipitation of the / phase, a phase which _{rests on the Ni 3} Al intermetallic compound. Such a precipitation can be found in the standard nickel-based superalloy, such as e.g. B. B-1900 which has the nominal weight percent composition of 8% chromium, 10% cobalt, 1% titanium, 6% aluminum, 6% molybdenum, 0.11% carbon, 4.3% tantalum, 0.15% boron , 0.07% zircon, the remainder mainly nickel.

Einfachheitshalber wird die Legierung, auf die in dieser Beschreibung zurückgegriffen wird, als eutektische Legierung dargestellt. Es wird aber darauf hingewiesen, daß, speziell in Verbindung mit den mechanischen Eigenschaften, dieser Ausdruck zur Bezeichnung der Ni₃AI-Ni₃Nb-cutektischen Legierung, welche zur Bildung einer ausgerichteten lamellaren Mikrostruktur in einer Richtung erstarrt ist, verwendet wird.For the sake of simplicity, the alloy referred to in this description is shown as a eutectic alloy. It is pointed out, however, that, especially in connection with the mechanical properties, this expression is used to denote the Ni ₃ Al-Ni ₃ Nb-cutectic alloy which has solidified in one direction to form an aligned lamellar microstructure.

Die eutektische Temperatur der vorliegenden Legierung liegt bei etwa 1280° C, und die Löslichkeit in festem Zustand der Ni,,Nb-Phase in der y'-Phase er-The eutectic temperature of the present alloy is about 1280 ° C, and the solubility in solid state of the Ni ,, Nb phase in the y'-phase

streckt sich bis zu etwa 40% (Gewichtsprozent) Niob, wahrend die Löslichkeit von NL₁Al in der Ni₃Nb-Phase weniger als etwa 4 Gewichtsprozent beträgt. Das Lutektikiim zeigt ein gekoppeltes ebenes Fronlwachstum bei einer Erstarrung in einer Richtung von 2 cm/ Md. und wachst m Form eines lamellaren Gefüges mit einem Abstand der Lamellen von !01 6 μ. Eine Anzahl von nichteutektisehen Versuchen wurde durchgeführt, um zu beweisen, daß eine lamellare Gefügeausbildung erzielt werden kann, wie von K r a f t angedeutet; eine Untersuchung dieser nichteutektischen Probestücke ^Z,^eigx?·' K?u ^{dlt Keimbildu}ngsphase für das Eutektikum die Ni₃Nb-Phase ist und daß die Dendriten dery-Phase von der Ni₃Nb-Pha<,e umgeben werden, aus der die eutektischen Körner wachsen.stretches up to about 40% (weight percent) niobium, while the solubility of NL ₁ Al in the Ni ₃ Nb phase is less than about 4 weight percent. The Lutektikiim shows a coupled planar frontal growth with a solidification in one direction of 2 cm / md. And grows in the form of a lamellar structure with a spacing of the lamellae of! 01 6 μ. A number of non-eutectic experiments have been carried out to prove that lamellar formation can be achieved, as suggested by Kraft; an investigation of this non-eutectic samples ^Z, ^prop x? · 'K? u ^{dlt Keimbildu} ngsphase is the Ni ₃ Nb-phase for the eutectic and that the dendrites y-phase ₃ Nb Pha <e are surrounded by the Ni, from the the eutectic grains grow.

Vorschmelzen mit eutektischer Zusammensetzung wurden in Aluminiumoxydtiegeln durchgeführt und im Schalenguß m Kupferformen gegossen. Die resultierenden Blocke wurden vertikal i-i einem widerstandserhitzten Graphitrohrofen in dynamischer Argonamiosphare in einer Richtung erstarrt. Die geschmolzene eutektische Legierung befand sich in einem zylindrischen, aus rekristallisiertem 99,7%igem AIumin.umoxyd bestehenden Tiegel mit 12,7 mm Durchmesser, welcher sich in einer Graphithülse befand die den Tiegelboden von einem wassergekühlten Messing-Stopfen durch etwa 2,5 cm Graphit trennte. Es wurden 1 legelabsenkgeschwindigkeiien von etwa 2 cm/Std und Uberhitzungen der Flüssigkeit um etwa 300°C verwendet; dabei ergab sich ein Wärmegradient von annähernd 70"C/cm.Premeltes with a eutectic composition were carried out in alumina crucibles and poured in cup-cast copper molds. The resulting blocks were solidified vertically in one direction in a resistance heated graphite furnace in dynamic argon amiosphere. The molten eutectic alloy was located in a cylindrical crucible made of recrystallized 99.7% aluminum oxide with a diameter of 12.7 mm, which was located in a graphite sleeve that closed the crucible bottom of a water-cooled brass stopper by about 2.5 cm Graphite separated. 1 legal lowering speeds of about 2 cm / hour and superheating of the liquid by about 300 ° C were used; this resulted in a thermal gradient of approximately 70 "C / cm.

Proben für die Bestimmung der Zugfestigkeit und tier Zeitstandfestigkeit wurden aus dem in einer Richtung erstarrten Block derart herausgeschnitten, daß die ungelegte Belastung parallel zu der Wachstumsrichtung verläuft. Die Proben hatten einen Meßdurchmesser von 3.J.6 mm und eine Meßlänge von 27,94 mm. Die Zug- ·.ersuche wurden mit einem Tinius-Olsen-4-Schraubeii-Apparat durchgeführt. Die Zeitstandversuche wurden unter konstanter Belastung in der Luft durchgeführt. Die Längs-Zugfestigkcits-P.igenschaften wurden als Funktion der Temperatur gemessen. Die Ergebnisse sind in Tafel 1 wiedergegeben. Die Zugfestigkeit der legierung ist bei 1093 C von der Belastungsgeschwindigkeit abhängig.Samples for the determination of tensile strength and creep rupture strength were taken from the unidirectional solidified block cut out so that the unplaced load is parallel to the direction of growth runs. The samples had a measuring diameter of 3 × 6 mm and a measuring length of 27.94 mm. The train- The search was carried out with a Tinius-Olsen-4 screw device accomplished. The creep tests were carried out under constant load in the air. The longitudinal tensile strength properties were measured as a function of temperature. The results are shown in Table 1. The tensile strength of the alloy is at 1093 C from the load rate dependent.

Tafel 1Table 1

B-1900-Legierung. Weiterhin ist die Zugfestigkeit bemerkenswerterweise nicht temperaturabhängig.B-1900 alloy. Furthermore, it is noteworthy that the tensile strength is not temperature-dependent.

Von vielleicht größerer Bedeutung in der gewöhnlichen Anwendung dieser Sorte Material sind die Zeitstandseigenschaften. Sie sind in Tafel 2 zusammengefaßt. Perhaps of greater importance in the ordinary use of this type of material is its creep properties. They are summarized in Table 2.

Tafel 2Table 2

Belastungload Zeit bis
t 01
¹ /n time to
t 01
¹ / n Zeit bis
Bruchtime to
fracture EnddehnungFinal stretch Tempe
raturTempe
rature vor dem Bruch
(Meßlänge 27,94 mm.
Durchmesserbefore the break
(Measuring length 27.94 mm.
diameter kp/cm² kp / cm ² Std.Hours. Std.Hours. 3,56 mm)3.56 mm) "C"C 28102810 340340 475475 7»7 » 982982 35203520 3838 5656 982982 10501050 17"17 " 409409 4,04.0 10931093 14101410 2020th 3737 8,88.8 10931093 14101410 6767 224224 6,86.8 10931093 14101410 166166 310310 11,011.0 10931093 14101410 634634 12,012.0 10931093 15501550 ______ 1818th 10931093 15501550 88th 1515th 2,72.7 10931093 17601760 7878 5.35.3 10931093 17601760 4848 8989 10931093 21102110 3232 10931093 420420 6363 200200 12041204 490490 214214 12041204 49204920 2020th 223223 4,14.1 12041204 —-

ElastiziElastic Zugtrain BruchdehnungElongation at break Bclast.ings-Bclast.ings- TempeTempe tätsmodulpower module festigfirm (Melilänge(Meli length geschwindigswiftly raturrature keitspeed 27,'M mm,27, 'M mm, keitspeed Durchmesserdiameter 10 kp/cm^a 10 kp / cm ^a kp/cm-kp / cm- 3,56 mm)3.56 mm) cm/Min.cm / min. "C"C 22,6422.64 11 93711 937 "/',,"/ ',, 0,0040.004 23.923.9 25,2125.21 12 00012,000 0,560.56 0,0040.004 23,923.9 —- 9 2109 210 0.600.60 0,0060.006 816816 —- 8 3708 370 5,85.8 0,0280.028 982982 —- 6 6406 640 1,41.4 0,0040.004 10931093 —- 8 1108 110 10,010.0 0,0280.028 10931093 3,03.0

Die Zugfesi'gkeit der eutektischen Legierung ist in F i g. 3 in Abhängigkeit der Temperatur aufgetragen und ist mit B-1900, einer fortschrittlichen Nickel-Basis-Giiß-Superiegiming verglichen. Die ausgeprägte Überlegenheit der vorliegenden Legierung bei höheren Temperaturen ist offensichtlich. Hei 1O93"C ist sie tatsächlich mehr als zweimal so widerstandsfähig wie dieThe tensile strength of the eutectic alloy is in F i g. 3 plotted as a function of the temperature and is with B-1900, an advanced nickel-based Giiss-Superiegiming compared. The pronounced superiority of the present alloy at higher Temperatures is obvious. Hei 1O93 "C it really is more than twice as tough as that

Zeit-Temperatur-Bruchwerte für die vorliegende und die B-1900-Legierung sind in F i g. 4 als Larson Miller-Diagramm mit der Annahme der Konstanten 20 ■ für beide Legierungen dargestellt. Die Überlegenheit der eutektischen Legierung der B-1900-Legierung gegenüber ist offensichtlich. Weiter zeigt die gerichtet erstarrte eutektische Ni₃Al-Ni.,Nb-Legierung größere Bruchfestigkeit als jede bekannte Nickel-Basis-Legierung. Time-temperature fracture values for the present and B-1900 alloys are shown in FIG. 4 shown as a Larson Miller diagram with the assumption of the constants 20 ■ for both alloys. The superiority of the eutectic alloy over the B-1900 alloy is evident. Furthermore, the directionally solidified eutectic Ni ₃ Al-Ni., Nb alloy shows greater breaking strength than any known nickel-based alloy.

Der Elastizitätsmodul bei Raumtemperatur und die 0,2%-Quetschgrenze bctuigen 2,39· 10» kp/cm² bzw. 14 100 kp/cm². Der Bruch beim Druck geschieht bei einer Verformung von annähernd 10% und einer Belastung von 23 900 kp/cm³; sowohl das Verformungsfließen als auch die Grenzschichtenspaltung treten auf.The modulus of elasticity at room temperature and the 0.2% crush limit are 2.39 · 10 »kp / cm ² and 14 100 kp / cm ^2, respectively. The break under pressure occurs with a deformation of approximately 10% and a load of 23,900 kg / cm ³ ; both deformation flow and boundary delamination occur.

Das lamellare Gefüge der Legierung ist wenigstens bis zu eine^r Temperatur von 1204"C thermisch stabil. Proben, welche bis zu 200 Stunden bei 1204°C wärmebehandelt wurden, zeigten keine meßbare Vergrößerung der Lamellen.The lamellar structure of the alloy is at least up to a temperature of 1204 ^r "C thermally stable. Samples which were up to 200 hours at 1204 ° C heat-treated, showed no measurable increase of the slats.

Bei der Beurteilung der Festigkeitseigenschaften der eutektischen Ni₂AI-Ni3Nb-Legierung muß daran erinnert werden, daß die Versuche an der Luft durchgeführt worden sind. Bei der Ausdehnung der Versuche auf hohe Temperaturen an der Luft bildete sich eine Oxydschicht, welche öfters von Bedeutung in bezug auf den Verlust des Probenquerschnitts war, welcher nach 500 Stunden bei 1093"C annähernd 10% betrug. Dem-When assessing the strength properties of the eutectic Ni ₂ Al-Ni3Nb alloy, it must be remembered that the tests were carried out in air. When the tests were extended to high temperatures in air, an oxide layer formed, which was often of importance with regard to the loss of the sample cross-section, which was approximately 10% after 500 hours at 1093 ° C.

entsprechend war die Überlegenheit in punkto Widerstandsfähigkeit, obschon sie weit größer war als die der fortschrittlichen Nickel-Basis-Siiperlegierungen an der Luft, für Vergleichszwecke durch die Auswirkungen der Oxydation gemindert. Natürlich ist es üblich, einen Oberflächenschutz für den größten Teil der Nickel-Basis-Superlegierungen in einer dynamischen oxydierenden Umgebung bei hoher Temperatur vorzusehen. Hie Leßieruneen. welche von den wahrer, eutekti-accordingly was the superiority in terms of resilience, although it was far larger than that of the advanced nickel-based Siiper alloys on the Air, diminished for comparison by the effects of oxidation. Of course, it's common to have one Surface protection for most of the nickel-based superalloys To be provided in a dynamic oxidizing environment at high temperature. Here is Leßieruneen. which of the true, eutectic

sehen Zusammensetzungen abweichen, können nichtsdestoweniger so erstarrt werden, daß die gewünschte lamellare MikroStruktur erzielt wird. Die Erfahrung mit der Erstarrung in einer Richtung von eutektischen Legierungen hat gezeigt, daß solche Legierungen öfters einen eutektischen und einen pro-eutcktischen Anteil aufweisen, d. h. einen Anteil, der keiner cutektischen Reaktion unterläuft. Die aus solchen Legierungen bestehenden Gußstücke zeigen öfter eine lamellare MikroStruktur mit relativ großen pro-eutcklischen Kristallen, welche entweder wahllos oder gleichmäßig in ςΙοΓ lamellaren Mikrostruktur verteilt sind.See compositions may differ, none the less solidified in such a way that the desired lamellar microstructure is achieved. The experience unidirectional solidification of eutectic alloys has shown that such alloys often have a eutectic and a pro-eutectic component, d. H. a proportion that is not a cutectic Reaction undermines. The castings made of such alloys often have a lamellar appearance Micro-structure with relatively large pro-German crystals, which are either random or uniform are distributed in ςΙοΓ lamellar microstructure.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. High temperature resistant directionally solidified workpiece made of an alloy known per se, the composition of which corresponds to the quasi-binary eutectic Ni ₃ Al — Ni ₃ Nb, which has a laminar structure with alternately adjacent areas of the composition Ni ₃ Al and Ni ₃ Nb.

2. A method for producing a hoclnvarmfesten directionally solidified workpiece according to claim 1, characterized in that an alloy consisting of 72.5% nickel, 23.1% niobium and 4.4% aluminum melted, the molten alloy in an argon atmosphere vertically a ^ iegel lowering speed of about 2 cm / hour. directed to solidify and that the solidifying alloy is overheated by approximately 300 ^° C. and with a thermal gradient of approximately 70 "C / cm.