DE2020521A1 - Schmiedbare,schweissbare,gefuegehaertbare Kobaltlegierung und Verfahren zu ihrer Behandlung - Google Patents
Schmiedbare,schweissbare,gefuegehaertbare Kobaltlegierung und Verfahren zu ihrer BehandlungInfo
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
- C22C19/07—Alloys based on nickel or cobalt based on cobalt
Description
Die Erfindung bezieht sich auf schweißbare Legierungen,
die für Anwendungsfälle verwendbar sind, bei denen es
gleichzeitig auf Fließeigenschaften und Trockenkorrosionsbeständigkeit
ankommt.
Für Anwendungsfälle des Typs von tiefgezogenen und
geschweißten Einheiten für Gasturbinen hat das Bedürfnis, eine gute Schweißbarkeit, gute mechanische Eigenschaften
bei hoher Temperatur und eine große Oxydationsbeständigkeit zu vereinen, zu einer weiten Verwendung von schweißbaren Legierungen auf Kobaltbasis geführt* Diese bekannten
Legierungen sind von der Art, daß sie außer Kobalt etwa
20 $> Chrom, 10 % Nickel und 15 $>
Wolfram enthalten. Sie
310-(PID 69/24)Tp-r (7)
009887/1302
sind durch Dispersion von Karbiden verfestigt.
Ihr Niveau an mechanischen Eigenschaften führt indessen
dazu, ihnen für eine Verwendung im Temperaturbereich von 650 bis 9OO 0C Legierungen auf Nickelbaais, die
durch Ausscheidung gehärtet sind, vorzuziehen·
Das Bedürfnis an Legierungen, bei denen sich die Vorteile der Legierungen auf Nickelbasis und die der Legierungen
auf Kobaltbasis kumulieren, wurde durch die Erhöhung der Temperaturen und das Maß des Druckes, die bei
Turbinen benötigt werden, immer dringender. Beispielsweise erfordert die Konstruktion von Brennkammergehäusen für
Gasturbinen mit großen Abmessungen die Bereitstellung von schmiedbaren und schweißbaren Legierungen, die gleichzeitig
gute Eigenschaften des Fließverhaltens zwischen 700 und 1000 0C und eine gute Beständigkeit gegen Schwefelaufnahme
im gleichen Temperaturbereich zeigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Legierungen
auf Kobaltbasis zu schaffen, die den genannten Bedingungen genügen und insbesondere ein hohes Niveau von mechanischen
Eigenschaften in einem erweiterten Temperaturbereich aufweisen·
Die schmiedbare, schweißbare, gefügehärtbare Kobaltlegierung ist erfihdungsgemäß durchfolgende Gewichtsprozent-Zusammensetzung
gekennzeichnet:
CO, 0,8 bis 0,15»
Cr, 18 bis 25,
Ni, 22 bia 28,
Mo + Ta + W, 5 bis 12,
009887/1302
- 3 - ■■■ ■■■-■. : ---'I.. .-·
Ti +Al + Nb, 3 bis k.
Co Rest.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf das Behandlungsverfahren
einer solchen Legierung mit dem Kennzeichen, dnü die Legierung nach Homogenisierung einer Anlaßbehandlung
von 12 bis Zk Stunden bei einer Temperatur von 700 bis 800 0C unterworfen wird.
Die Überabschreckbehandlung muß bei einer Temperatur
zwischen 1050 und 1225 °C während einer Dauer in der Größenordnung von 1 bis 2 Stunden durchgeführt werden, um
gleichzeitig eine Feinkornkristallisation, eine regelmäßige
intragranuläre Ausscheidung und ein Halten der Primärkarbide in Losung zu erzielen.
Die maximale Aushärtung durch Ausscheidung von Karbiden und der intermetallischen Gamma-Phase wird durch das
Anlassen bei 700 bis 800 0C für eine Dauer in der Größenordnung
von 12 bis 2*4 Stunden erzielt. Dieses Halten ist
durch die Entwicklung der Härte mit der Zeit begründet: Die Aushärtung erfolgt während der ersten Haltestunden
schnell, und nach 50 Stunden ist die Härte allgemein mit
einem geringen Gewinn in einer Größenordnung von 10 bis
2 *
1? kg/mm im Verhältnis zu einem Halten von 16 bis 2k
Stunden stabilisiert, das in der Industrie leichter zu
verwirklichen ist.
Diese Legierung beruht auf Kobaltbasis und enthält Zusätze, deren Gehalte kritisch sind. Der Chromgehalt ist
wesentlich für die Trockenkorrosionsbeständigkeit. Der Nickelgehalt ermöglicht die Einstellung der Löslichkeit
der Härtun^seleraente in der Weise, daß die Ausscheidung
009887/ 13 02
bei den Verwendungstemperatüren erheblich bleibt. Die
Summe der Gehalte an Mo, Ta und W erlaubt die Erzielung einer Härtung von fester Lösung, Der Gehalt an jedem
dieser Elemente kann derart eingestellt werden, daß man je nach Fall einen Kompromiß zwischen der Aushärtungsintensität von fester Lösung und der Dichte der Legierung
erreicht. Die härtenden Elemente Ti, Al und Nb können
gleichzeitig anwesend sein, doch können Titan und Aluminium ebenfalls auch ohne Zusatz von Niob verwendet
werden. Der Gehalt an Kohlenstoff Jet selbst kritisch für die Fließeigenschaften. Die Legierungen gemäß der Erfindung
können Zusätze eines oder mehrere der Elemente B, Zr, Hf enthalten, wobei die Summe der Gehalte dieser
Elemente zwischen O und 0,1 $ liegt.
Die Schmelzen von Legierungen gemäß der Erfindung können im Induktionsofen unter Vakuum oder auch an Luft
hergestellt werden. Die Warmverformung bietet keine besondere
Schwierigkeit, und das Kaltwalzen ermöglicht, Bleche von gleiehnäßiger und genauer Wandstärke zu erhalten.
Die Tabelle I gibt die Zusammensetzungen von zwei erfindungsgemäß
hergestellten Legierungen an* Die Prozentsätze sind als Gewichtsangaben gegeben.
-/ durch Ti und Al durch Ti, Al und Nb
gehärtete Legierung gehärtete Legierung
C 0,09 0,095
Si 0,15 0,27
009887/1302
* ■■■ | durch Ti und Al ge | 1 |
härtete Legierung | ||
S | 0,0064 | |
P | 0,007 | |
Mn | 1,38 | |
Ni | 24,76 | |
Cr | 20,52 | |
Co | 39,98 | |
Mo | 10, Ok | |
Ti | 2,02 | |
Al | 1,00 | |
Fe | 0,19 | |
Nb | - | |
Bezeichnung |
durch Ti, Al und Nb gehärtete Legierung
0,0078
0,007 1,46 24,90
20,52
.39,91
9,57
1 ,."0.1 · 1,00
0,17 1, 10
2
Die Differentialdilatometrie ermöglicht, die Ausscheidung
im Lauf des Erhitzens einer intermetallischen Phase zu
veranschauliche, wobei die Endtemperatur des Lösungsvorganges 875 °C für die Zusammensetzung 1 bzw. 810 0C -für die
Zusammensetzung 2 ist. Die Stabilisierung dieser Legierungen wird durch eine Wärmebehandlung erhalten, die vorzugsweise
zwischen 700 und 800 C für eine Dauer von wenigstens 15 Stunden, z. B. 16 Stunden, durchgeführt wird.
Im stabilisierten Zustand zeigen die beiden Zusammensetzungen Ausdehnungskoeffizienten gemäß Tabelle II.
Mittlerer Wärmeausdehnungskoeffizient (1O~ C" )
zwischen 20 0C und der angegebenen Temperatur
Legierung 1 Legierung 2
100 °C . 12,5 12,6
400 °C 13,8 13,8
00 98 87/1302
600 °C 700 °C 800 °C 900 °C 1000 °C
zwischen 900 und
Legierung 1 | Legierung 2 |
15,3 | 15,5 |
16,2 | 16,5 |
17,3 | 17,1 |
17,8 | 17,5 |
1000 °C 22,3 22,3
Die elektronenmikroskopische Beobachtung des durch
die Stabilisierungsbehandlung entwickelten Gefüges zeigt, daß die intermetallische Ausscheidung aus feinen kugelförmigen
Ausscheidungen von 100 bis 300 A Durchmesser in
gleichmäßiger Verteilung im Korninneren besteht.
Ein wesentlicher Punkt ist die Kinetik der Ausscheidung,
die im Vergleich mit der von schweißbaren Legierungen auf Nickelbasis langsam ist.
Fig. 1 zeigt Kurven des Ansprechens von Legierungen
der Zusammensetzungen 1 und 2 auf die Alterung bei einer Temperatur von 750 bis 76O °C· Als Abszisse sind die Zeitdauern
T des Anlassens in Minuten und als Ordinate sind die Vickers-Härten D angegeben.
Die Kurve A entspricht der Zusammensetzung 1 und die Kurve B der Zusammensetzung 2.
Fig. 1 zeigt, daß keine merkliche Aushärtung vor Ablauf
von 10 Minuten des Haltens bei 750 bis 76O 0C auftritt.
Dieses Verhalten, das dank der Gehalte der Gesamtheit der die Legierung bildenden Elemente auftritt, be-
009887/1302
grenzt im höchsten Grade die Rißbildungsgefahren während
der Wärmebehandlung, die den Schweißvorgängen von aus
diesen Legierungen hergestellten Teilen folgt. Das ermöglicht, ein homogenes Gefüge und eine gleichmäßige Beständigkeit
der geschweißten Einheiten zu erzielen.
Diese härtende Ausscheidung in Kombination mit der
Festlbsungshartung und dem Gehalt an Kohlenstoff, der
eine Karbidausscheidung bestimmt, ermöglicht, im Vergleich mit den gegenwärtig verwendeten Legierungen auf
Kobaltbasis verbesserte Fließeigenschaften zu erzielen.
Die Tabelle III gibt beispieleweise die Ergebnisse, die
mit den Zusammensetzungen 1 und 2 erhalten wurden, im Vergleich
mit denen einer bekannten Legierung auf Kobaltbasis mit etwa 20 # Chrom, 10 # Nickel und 15 % Wolfram
wi eder.
Tabelle III (s. Seite 8)
O O CD OO 00
Fließeigenschaften | ρ Druck kg/mm |
Bruchzeit in Stunden | Legierung 1 | Legierung 2 | Druck kg/nun | Zeit in Stunden für Leg. = 0,2 # | Legierung 1 | 515 | Legierung 2 |
Wärmebehandlung 1200 0C 2 h Luftabschreckung + 65O °C Zk h, Luftabschreckung | 35 35 |
bekannte Legierung | 1180 über 1200 |
443 1000 |
8,5 15 |
bekannte Legierung | ■- Λ 225 | 131 | |
Fließbedingungen | 150 | Wärmebehandlung 1200 0C 2 h Luftabschreckung + 800 °C i6 h, Luftabschreckung | 82 | Bruehzeit in Stunden | |||||
Temperatur C | Fließbedingungen | 115 | 164 | ||||||
700 700 (Eingekerbte Probe Kt a 3,8) |
Temperatur C | ||||||||
800 800 |
O K) O
Die Verbesserung der mechanischen Warmeigenschaften
und insbesondere der Fließeigenschaften wird erhalten,
ohne im Verhältnis zu den gegenwärtig bekannten Legierungen
auf Kobaltbasis zu irgendeinem bemerkenswerten Verlust an Beständigkeit gegen Oxydation und SuIfuration
für lange Haltezeiten in korrodierender Atmosphäre zu führen.
Fig. 2 zeigt beispielsweise, daß die Zusammensetzungen 1 und 2 der Oxydation in ruhiger Luft bei, 1000 °C gut
widerstehen, wobei diese Figur gleichfalls den Vergleich mit einer bekannten Legierung auf Kobaltbasis mit etwa
20 # Chrom, 10 % Nickel und 15 # Wolfram veranschaulicht.
In Fig. 2 bedeuten die Abszissenwerte die Aussetzungsperioden gegenüber ruhiger Luft bei TOOO C ±n Stunden,
und die Ordinatenwerte bezeichnen die Gewichtsgewinne Gp
in mg je cm ; Die Dreiecke E und F entsprechen den Legierungen
1 und 2 und die Punkte G der bekannten Legierung»
Die Kurve H folgt genau dem durch die Dreiecke E und F bestimmten
Weg, und die Kurve I folgt genau dem durch die
Punkte G bestimmten Verlauf.
Man stellt fest, daß die bekannte Legierung schneller
als die Legierungen 1 und 2 an Gewicht zunimmt, d. h. daß
die bekannte Legierung weniger oxydationsbeständig ist.
Eintauchversuche in Na SOl bei 1000 0C ermöglichten,
die bemerkenswerte Beständigkeit der Legierungen 1 und 2
im Vergleich mit der bereits genannten bekannten Legierung zu zeigen.
Fig. 3ι in der die gleichen Zeichen wie in Fig. 2
009887/1302
verwendet sind, zeigt beispielsweise in doppelt-logarithmi
schein Maßstab den Gewichtsverlust P in mg/cm als Funktion der Haltezeit in Stunden. Man stellt tatsächlich
fest, daß der durch die Kurve H gezeigte, den Legierungen
1 und 2 gemeinsame Gewichtsverlust erheblich niedriger
als der durch die Kurve I der Bezugslegierung dargestellte liegt.
Die Fließ-, Trockenkorrosionsbeständigkeits- und SuI-furationsbeständigkeitseigenschaften,
die die wahren Auswertungskriterien der Superlegierungen darstellen, sind
außerdem von einem Zuwachs an spezifischem ¥iderstand begleitet.
Die Tabelle IV läßt einen Dichteabfall um nahezu 10 <jt>
im Verhältnis zu der bekannten Legierung auf Kobaltbasis
der schon erwähnten Zusammensetzung erkennen.
Tabelle IV
Dichte der Legierungen im Behandlungszustand
Dichte der Legierungen im Behandlungszustand
Bekannte Legierung d = 9,17 g/cm
Legierung 1 d = 8,32 e/cm
Legierung 2 d = 8,37 g/cm
Die Legierungen gemäß der Erfindung ermöglichen, dank
einer Ausscheidung von intermetallischen Verbindungen in der Legierung auf Kobaltbasis gleiche oder bessere Fließ—
eigenschaften als in den Legierungen auf Nickelbasis zu
erreichen, wobei eine ausgezeichnete Troekenkorrosionsbeständigkeit
erhalten bleibt. Andererseits sind die Schweißeigenschaften
der erfindungsgemäßen Legierungen denen der schon bekannten Legierungen auf Kobaltbasis nicht unter-
009887/1302
legen, was sich aus einer äußerst langsamen Ausscheidungskinetik
der härtenden Phase ergibt.
Die Aushärtung der festen Lösung, die sich mit'Gehalten
an den Elementen Mo, Ta und V ergibt, die im Bereich
der schon genannten Grenzen eingestellt sind, führt auf fyl ei chem Niveau der mechanischen Eigenschaften zu Legierungen
niedrigerer Dichte als der der vergleichbaren
Handel siegierungen.
Zusätze eines oder mehrerer Elemente der Gruppe Bor,
Zirkon undHafnium ermöglicht, die Duktilitat gegenüber
dein Fließen der Legierungen zu erhöhen, ohne daß ihre Beständigkeit
gegenüber Erstarrungsrissen beeinträchtigt wird, wobei die Summe der Gehalte an diesen Elementen erf
indungsgeinäß zwischen 0 und .0,1 Gew.^b liegt und der Borf;ehalt
vorzugsweise höchstens gleich 60 ppm ist.
Die erfindungsgemäßen Legierungen kommen für zahlreiche Anwendungen in Frage, insbesondere zur Herstellung
von tiefgezogenen und geschweißten Einheiten, die bei
hoher Temperatur in korrosiver Atmosphäre arbeiten, was bei Land-oder Seegasturbinen und Luftfahrtturbineneinheiten
der Fall ist*
009887/1302 BADORlGiNAi.
Claims (5)
- Patentansprüche1· Schmiedbare, schweißbare, gefügehärtbare Kobaltlegierung, gekennzeichne t durch folgende Gewichtsprozent-Zusammensetzung*C 0,08 bis 0,15,Cr 18 bis 25,Ni 22 bis 28, Mo + Ta + ¥ 5 bis 12Ti + Al + Nb 3 bis k,Co R«st.
- 2. Kobaltlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens eines der Elemente B, Zr, Hf in einer Gesamtmenge von höchstens 0,1 Gew.$ enthält.
- 3· Kobaltlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 1 bia 2 Gew.# Mn enthält.
- U. Kobaitlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie höchstens 0,5 Gew.% Si enthält.
- 5. Verfahren zur Behandlung einer Legierung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis ht dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung nachHomogenisierung einer Anlaßbehandlung von 12 bis Zk Stunden bei einer Temperatur von 700 bie 800 °C unterworfen wird.1)09887/1302Leerseite
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Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
DE102014200121A1 (de) * | 2014-01-08 | 2015-07-09 | Siemens Aktiengesellschaft | Manganhaltige Hochtemperaturlotlegierung auf Kobaltbasis, Pulver, Bauteil und Lotverfahren |
Families Citing this family (2)
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US4339509A (en) | 1979-05-29 | 1982-07-13 | Howmet Turbine Components Corporation | Superalloy coating composition with oxidation and/or sulfidation resistance |
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- 1969-05-09 FR FR6914979A patent/FR2044126A5/fr not_active Expired
-
1970
- 1970-04-09 BE BE748716D patent/BE748716A/xx not_active IP Right Cessation
- 1970-04-27 DE DE19702020521 patent/DE2020521A1/de active Pending
- 1970-04-29 GB GB2054770A patent/GB1270218A/en not_active Expired
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102014200121A1 (de) * | 2014-01-08 | 2015-07-09 | Siemens Aktiengesellschaft | Manganhaltige Hochtemperaturlotlegierung auf Kobaltbasis, Pulver, Bauteil und Lotverfahren |
US10456874B2 (en) | 2014-01-08 | 2019-10-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Manganese-containing, cobalt-based high-temperature solder alloy, powder, component and soldering method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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GB1270218A (en) | 1972-04-12 |
BE748716A (fr) | 1970-09-16 |
FR2044126A5 (de) | 1971-02-19 |
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