DE2034607B2 - Verfahren zur herstellung eines gusstuecks und anwendung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gußstücks mit einer im wesentlichen unsymmetrischen Gestalt, das gute mechanische Eigenschaften sowohl bei 982⁰C als auch bei 76O⁰C aufweist, insbesondere von Gasturbinenteilen, aus einer hochwarmfesten Nickel-Chrom-Aluminium-Titanlegierung, die insgesamt wenigstens 6,5 Gew.-°/o Aluminium plus Titan, weniger als 6 Gew.-Prozent Tantal und etwa 0,5 bis 5,0 Gew.-Prozent Hafnium enthält und in erstarrtem Zustand eine y-Matrixphase, eine ausgefällte /-Phase, eine eutektische /-Phase und eine in der Matrixphase dispergierte Carbidphase besitzt. Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Anwendung dieses Verfahrens auf die Herstellung von Metallteilen von Gasturbinen.

Es ist bekannt, daß dann, wenn man eine geschmolzene Legierung in eine Form gießt und sie darin erstarren läßt, die Homogenität, die gewöhnlich den flüssigen Zustand charakterisiert, in dem festen Zustand mehr oder weniger verloren geht. Selbst wenn man von so offensichtlichen Punkten, wie dem Einschluß von Verunreinigungen, die während des Gießens eingeführt werden, Poren, Kaltschweißstellen, Gasporen u.dgl. absieht und von der besten Gießtechnik ausgeht, ist die Gußlegierung noch durch Makro- und Mikrokristallisationen bzw. -absonderungen (Segregationen) charakterisiert, die bei dem Erstarrungsprozeß auftreten. Wenn das Gußstück einen Barren oder eine andere ähnliche Form darstellt, die plastisch bearbeitet und dadurch homogenisiert werden soll, sind die durch den

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Erstarrungsprozeß hervorgerufenen Segregationen

nicht allzu wichtig, da die Homogenisierung während 60 werden, ist es wichtig, daß das Gußstück relativ langsam

Bei den Legierungen, die zur Herstellung von Gußstücken verwendet werden, die beim Betrieb von Heißstufen-Gasturbinenschaufeln brauchbar sind, stellt die durch das Erstarren bervorgeruf ene Segregation ein ernstes Problem dar. Das bedeutet allgemein gesprochen, daß diese Legierungen eine größere Menge an Nickel, viel kleinere Mengen an Chrom, Kobalt, Alummium und Titan, kleine Mengen an einem oder mehreren der Elemente Molybdän, Wolfram, Niob, Vanadin und Tantal und noch viel kleinere Mengen Kohlenstoff und Zirkonium und gewöhnlich eine sehr kleine Menge Bor enthalten. Physikalisch besteht die erstarrte Legierung aus einer Matrixphase (Grundphase), einer oder mehreren Carbidphasen, die in dieser Matrixphase dispergiert sind, einer ausgefallenen y-Primärphase und einer intermetallischen eutektischen (Ni3AJTi)-Phase, eutektische y-Primärphase genannt, die ebenfalls innerhalb der Matrixphase in ausreichender Menge dispergiert ist, so daß sie sich direkt bei der Erstarrung der Legierung oder innerhalb des Temperaturbereichs unmittelbar unterhalb der Erstarrung bildet und in der festen Matrixphase nicht leicht vollständig löslich ist. Aus der vorstehenden Beschreibung der für Heißstufen-Gasturbinenschaufeln brauchbaren Gußstücke geht hervor, daß die durch das Erstarren hervorgerufene Segregation viele verschiedene Formen annehmen kann. Beispielsweise können verschiedene Teüi der Matrixphase verschiedene Zusammensetzungen aufweisen. An bevorzugten Stellen der Matrix, beispielsweise an den Kristallgrenzen, können sich Carbide ansammeln. Die Partikeln der y-Primärphase können in ihrer Zusammensetzung voneinander und von Ort zu Ort innerhalb der gleichen Partikel abweichen. Obwohl die Legierungen des hier erörterten Typs aufgrund der darin enthaltenen Phasen von Natur aus Segregationen aufweisen, können dementsprechend beim Erstarren oder innerhalb des Temperaturbereiches herunter bis zu etwa 1010⁰C weitere Segregationen auftreten. Eine solche Segregation kann höchst schädlich sein, da sie metallurgisch instabile Bereiche innerhalb der Gußstücke erzeugen kann und außerdem die Ursache für das Auftreten von allzu schwachen und allzu brüchigen Bereichen innerhalb der Gußstücke sein kann oder dazu beitragen kann.

Es wurde nun gefunden, daß bei Gußstücken, die zum Heißstufen-Gasturbinenbetrieb geeignet sind, die mechanischen Eigenschaften bei verschiedenen Temperaturen sehr stark von den Abkühlungsgeschwindigkeiten an zwei aneinandergrenzenden Temperaturbereichen abhängen. Zur Erzielung optimaler machanischer Hochtemperatureigenschaften bei etwa 982° C sollte das Gußstück schnell durch den Temperaturbereich von 1204⁰C auf 982°C abgekühlt werden.

Bei herkömmlichen gießfähigen Legierungen ohne Hafniumzusätze ist es wichtig, daß das Gußstück schnell durch den Temperaturbereich zwischen 1204 und 1010⁰C gekühlt wird, um gute mechanische Eigenschaften bei 982⁰C zu erhalten. Damit gute mechanische Eigenschaften bei einer Temperatur von 760° C erhalten

der Bearbeitung dazu führt, daß die durch das Erstarren gebildeten Segregation minimal gehalten werden. Wenn jedoch das Gußstück in seiner gegossenen Gestalt, d. h. ohne plastische Bearbeitung nach der Erstarrung, verwendet werden soll, ist die durch das Erstarren hervorgerufene Segregation sehr wichtig, da zur Verringerung der Segregation nur thermische Homogelisationsverfahren angewendet werden können.

durch den Temperaturbereich zwischen 1316 und 1204⁰C gekühlt wird. Ohne eine sehr komplizierte und daher teure Apparatur können diese unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten aber nur schwierig erreicht werden. Die US-Patentschrift 30 08 855 beschreibt ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Gußstückes unter Verwendung einer Legierung ohne Hafniumzusätze. Dort werden Einkristalle im

wesentlichen lediglich längs der Hinterkanten einer Turbinenschaufel ausgebildet Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß das Gußstück durch den Temperaturbereich zwischen 1316 und 76O°C langsam abgekühlt werden muß. Daher können nicht die Verbesserungen nach der vorliegenden Erfindung bezüglich der mechanischen Eigenschaften bei einer Temperatur von 982° C erhalten werden.

Ein weiterer komplizierender Fakior in dem Bestreben, die nachteiligen Wirkungen ungeeigneter Abkühlungsgeschwindigkeiten minimal zu halten, ist die Tatsache, daß Gußstücke, die zur Verwendung in Heißstufen-Gasturbinenschaufeln geeignet sind, gewöhnlich unsymmetrisch gestaltet sind. Wenn ein einen zylindrischen oder konisch-zylindrischen Teil enthaltender Probestab, der den Testbedingungen ausgesetzt werden soll, in eine Präzisionsform gegossen wird, hat der runde Querschnitt senkrecht zu seiner longitudinalen Achse die Neigung, dazu zu führen, daß der Wärmegradient in jeder gewählten radialen Richtung praktisch gleich dem Wärmegradienten in jeder anderen radialen Richtung während und nach deren Erstarren ist Andererseits sind in einem Turbinenschaufelgußstück, in dem der Querschnitt in der Schaufelfläche senkrecht zur longitudinalen Achse stark unsymmetrisch ist, im Verhältnis zu jedem möglichen Symmetriepunkt, die Wärmegradienten in verschiedenen Richtungen über den Querschnitt stark verschieden. Es ist deshalb klar, daß aus praktischen Gründen die zur Verwendung in den heißen Stufen von Gasturbinen geeigneten Gußstücke nicht unter Bedingungen hergestel't werden können, bei denen maximale mechanische Eigenschaften sowohl bei 760" C als auch bei 982° C an allen Punkten in dem Gußstück erzielt werden. Es ist jedoch leicht möglich, unter solchen Bedingungen zu gießen und abzukühlen, die maximale mechanische Eigenschaften bei 982° C ergeben. Die bei den bisher bekannten Verfahren erhaltenen Gußstücke erfüllten oft nicht die an sie gestellten Anforderungen hinsichtlich der prozentualen vorherigen Kriechdehnung bei 760° C.

Ein Beispiel für ein Verfahren der eingangs genannten Art, dem die erwähnten Nachteile anhaften, zeigt die US-PS 30 08 855.

Durch die FR-PS 14 83 204 ist es bekannt, Gußstücke mit einer im wesentlichen unsymmetrischen Gestalt dadurch herzustellen, daß eine dort näher angegebene Legierung zunächst geschmolzen und unter Vakuum gehalten wird. Anschließend wird die Legierung in eine Cußform gegossen, deren Boden durch eine Platte gebildet wird, die gekühlt wird. Dadurch soll Wärme aus der Gußform abgezogen werden. Diese Platte besitzt aber eine nur relativ kleine Abkühlfläche, so daß die Legierung in der Gußform nur von dieser relativ kleinen Bodenfläche her gekühlt werden kann, um die dort erwünschten Gußstücke mit säulenförmig kristallinem Aufbau zu erhalten. Die Legierung verfestigt sich zunächst im Bodenbereich der Gußform. Anschließend wandert die Verfestigungszone schrittweise nach oben durch die Form, so daß sich die Legierung lediglich schrittweise von unten nach oben ansteigend verfestigt. Dies kann nur relativ langsam geschehen. Zum Erstarren einer Gasturbinenschaufel herkömmlicher Lage werden im allgemeinen mehrere Stunden benötigt. Außerdem ist es nachteilig, daß die erwähnten Säulenkristalle parallel zur Achse der Turbinenschaufel ausgerichtet sind. Damit geht der Nachteil einher, daß die Festigkeit und Duktilität des Gußstücks quer zur Abkühlungsrichtung nicht verbessert werden kann.

Die Erfindung vermeide! diese Nachteile. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem Gußstücke mit einer im wesentlichen unsymmetrischen Gestalt gegossen werden können, die gute mechanische Eigenschaften sowohl im Temperaturbereich von etwa 982° C als auch im mittleren Temperaturbereich von etwa 760⁰C aufweisen.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art gelingt dies gemäß der Erfindung dadurch, daß die gesamte geschmolzene Legierung aus der Gießhitze mit hoher Geschwindigkeit durch den Bereich von 1204⁰C bis 1010⁰C abgekühlt und verfestigt wird.

Wegen der erwähnten Hafniumanteile der bei dem Verfahren verwendeten Legierung kann diese im Bereich zwischen etwa 1316 und 1204⁰C ohne Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften schnell abkühlen und darüber hinaus auch in dem sich daran anschließenden Temperaturbereich bis 1010°C. Danach hergestellte Gußstücke haben in allen Bereichen eine gute Dukti'ität und Festigkeit Bei der Herstellung von Gasturbinenschaufeln, welches ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des Verfahrens nach der Erfindung ist haben die Gußstücke eine verhältnismäßig gleichförmige MikroStruktur in axialer Richtung und in Querrichtung zur Achse, obgleich derartige Gußstücke unsymmetrisch geformt sind. Auch können Gußstücke nach dem Verfahren nach der Erfindung sehr schnell gegossen werden. Die damit hergestellten Gußstücke haben die angestrebten guten mechanischen Eigenschaften in den erwähnten Temperaturbereichen von etwa 982° C und auch im mittleren Temperaturbereich von etwa 760° C.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 der Zeichnung stellt eine Reihe von schematisierten Diagrammen von voneinander abhängigen mechanischen Eigenschaften und relativen Abkühlungsgeschwindigkeiten von Gußstücken durch ausgewählte Temperaturbereiche dar, während die

Fig.2 bis 13 eine Reihe von Reproduktionen von Mikrophotographien von verschiedenen Stellen in Querschnitten von Gasturbinenschaufeln darstellen.

Die Wirksamkeit der Erfindung wird im folgenden an Hand von auf Größe gegossenen Legierungstestproben nachgewiesen, die mit verschiedenen Geschwindigkeiten durch die Temperaturbereiche von 1316 bis 1204° C und 1204 bis 982° C abgekühlt werden. Es ist jedoch wichtig darauf hinzuweisen, daß die mechanischen Eigenschaften, welche die auf Größe gegossenen Testproben aufweisen, für die mechanischen Eigenschaften von gegossenen Heißstufen-Gasturbinenmetallteilen nicht repräsentativ sind. Diese auf Größe gegossenen Proben stellen eher die mechanischen Eigenschaften nur des Teils des gegossenen Gegenstands dar, welcher der gleichen Abkühlungsbehandlung wie die Probe unterworfen wird. Ein tatsächlich gegossener Gegenstand würde eine Reihe von Eigenschaften aufweisen, die von dem Ort, von dem eine Testprobe entnommen ist abhängen. Deshalb ist einer der wichtigen Faktoren, die bei der Beurteilung der nachfolgend angegebenen Testdaten zu beachten sind, die relative Breite der Bereiche der Abkühlungsgeschwindigkeiten, die angewendet werden können, um in den Gußstücken annehmbare mechanische Eigenschaften zu erzielen. Gußstücke, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind, enthalten viel größere Mengen an thermisch behandelter Legierung

zur Erzielung von guten mechanischen Eigenschaften, sowohl bei 982 als auch bei 760° C, als die nach den bisher bekannten Verfahren hergestellten Gußstücke.

Ein Vergleich des erfindungsgemäßen Verfahrens mit bekannten Verfahren ist in F i g. 1 dargestellt. Diese zeigt vier Diagramme, von denen das obere Diagrammpaar den Stand der Technik repräsentiert, während das untere Diagrammpaar die vorliegende Erfindung erläutert. Die Daten, auf denen diese Diagramme beruhen, wurden aus einer Reihe von auf Größe gegossenen Teststäben erhalten, die bei verschiedenen Abkühlungsgeschwindigkeiten hergestellt worden sind, die den Abkühlungsgeschwindigkeitsbereich umfassen, der normalerweise beim Gießen von stromlinienförmigen Heißstufen-Gasturbinenschaufeln auftritt. Die die relativen Abkühlungsgeschwindigkeiten repräsentierenden Teststäbe wurden auf ihre Lebensdauer bis zum Bruch bei 982° C unter einer Belastung von 2040 kg/cm² und auf ihre prozentuale vorherige Kriechdehnung, d. h. den Prozentsatz der Kriechdehnung mehr als 1 Stunde vor dem Bruch bei 760° C unter einer Belastung von 6600 kg/cm² untersucht Bei den zur Erzielung der Daten für beide Diagramme verwendeten Legierungen handelte es sich um identische Legierungen auf Nickelbasis, die eine eutektische Primärphase in der Gußform enthielten, mit Ausnahme der Tatsache, daß entsprechend den Anforderungen der vorliegenden Erfindung die zur Herstellung für das untere Diagramm verwendete Legierung etwa 1,5% Hafnium enthielt.

Die Diagramme B und D der F i g. 1 der Zeichnung zeigen, daß die Spannungsbruch-Lebensdauer bei 982⁰C des Metalls in den Gußstücken bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens praktisch nicht beeinträchtigt wurde. Wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit durch den Bereich von 1204° C bis 1010° C langsam ist, ist die Bruchfestigkeit (Lebensdauer bis zum Bruch) des gegossenen Metalls bei 982°C unter hoher Spannung verhältnismäßig gering. Wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit durch diesen Bereich schnell ist ist die Bruchfestigkeit verhältnismäßig gut Der minimale annehmbare Abkühlungsgeschwindigkeitsbereich ergibt sich aus den praktischen Anforderungen bezüglich der minimalen annehmbaren Bruchfestigkeit bei 982⁰C und ist in beiden Diagrammen gleich. Die Kurve ist in beiden Diagrammen B und D praktisch die gleiche, jedoch mit der Ausnahme, daß die Kurve des Diagramms D (das von Hafnium enthaltenden Legierungsproben abgeleitet ist) diffuser gezeichnet ist um die Möglichkeit anzudeuten, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren der Abkühlungsgeschwindigkeitsbereich, der gute Spannungsbrucheigenschaften bei 982° C ergibt etwas eingeengt sein kann. Diese leichte Einengung ist von keiner wirklich praktischen Bedeutung, da die praktisch erzielbaren Abkühlungsgeschwindigkeiten, angedeutet durch die schraffierten Kästchen in der Fig.! sicherlich innerhalb des annehmbaren AbkühJungsgeschwindigkeiisbereiches liegen.

Die die prozentuale vorherige kriechdehnung darstellende Kurve ist eine andere Sache. Im Falle des Diagramms A (das auf hafniumfreien Legierungen beruht) zeigt die die prozentuale vorherige Kriechdehnung darstellende Kurve bei einer niedrigen Abküh-Iungsgeschwindigkeit durch den Bereich von 1204 bis 1010°C einen hohen Prozentsatz an vorheriger Kriechdehnung an. Bei sehr schnellen Abkühlungsgeschwindigkeiten ist der Prozentsatz an vorheriger Kriechdehnung sehr wichtig und unbrauchbar. Das

ίο Maximum des annehmbaren Abkühlungsgeschwindigkeitsbereiches ergibt sich aus technischen Erwägungen bezüglich des minimalen annehmbaren Prozentsatzes an vorheriger Kriechdehnung. In dem Diagramm C(das von Hafnium enthaltenden Legierungsproben abgeleitet ist) zeigt die die prozentuale vorherige Kriechdehnung darstellende Kurve nicht nur einen höheren Wert bei sehr langsamen Abkühlungsgeschwindigkeiten, sondern auch eine Differenz in der Neigung in der Weise, daß bei sehr hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten die prozentuale vorherige Kriechdehnung noch oberhalb eines annehmbaren Wertes liegt Die schraffierten Kästchen in den Diagrammen A und Czeigen die normalerweise beim Abkühlen von Gasturbinenschaufelformlingen von 1316 auf 1204° C auftretenden Abkühlungsgeschwindigkeitsbereiche. In dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt dieser Bereich der praktischen Abkühlungsgeschwindigkeiten völlig innerhalb der annehmbaren Abkühlungsbereiche, während in den bekannten Verfahren der annehmbare Abkühlungsgeschwindigkeitsbereich gerade an den in der Praxis auftretenden Abkühlungsgeschwindigkeitsbereich angrenzt.

Das Ergebnis dieser Erscheinungen, die direkt auf dem nach erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Gußstücke anwendbar sind, ist, daß ein großer Teil des Metalls beispielsweise eines Turbinenschaufelgußstücks, das einer thermischen Behandlung unterworfen worden ist, sowohl bei 982° als auch bei 760° C annehmbare mechanische Eigenschaften ergeben kann. Im Gegensatz dazu weist in den bekannten Verfahren nur eine kleine Menge des Metalls mit einer thermischen Behandlung innerhalb der engen annehmbaren Abkühlungsgeschwindigkeitsbereiche brauchbare mechanische Eigenschaften sowohl bei 982° C als auch bei 760° C auf.

Bei der Errechnung der Abkühlungsgeschwindigkeiten wurde eine Hälfte eines typischen Turbinenschaufelabschnitte in 45 Punkte aufgeteilt, wobei zur Charakterisierung der refraktären Umgebung und des Grenzge-

bietes weitere 138 Punkte verwendet wurden. Der in der Fig. 1 dargestellte und errechnete Abkühlungsgeschwindigkeitsbereich ist der Bereich der durchschnittlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten durch die beiden Temperaturbereiche von drei das Metall repfäseaöe-

renden Punkten der Vorderkante, der Hinterkante und der Mittellinie der Turbinenschaufel Diese durchschnittlichen Geschwindigkeiten sind m der folgenden Tabelle I zusammengestellt

Tabelle I Temperaturbereich

Abkühlungsgeschwindigkeiten Hinterkante Mittellinie

Vorderkante

13I6^o-i204°C
1204°-HHO⁰C

133°C/Sek.
3,22°C/Sek.

13,4°C/Sek.
3.87°C/Sek.

6,65°C/Sek.
3.82°C/Sek.

V

Die angegebenen Geschwindigkeiten sind Durchschnittswerte von Geschwindigkeiten über den Temperaturbereich und außerdem Durchschnittswerte von Abkühlungsgeschwindigkeiten des Metalls innerhalb jeweils der drei ausgewählten Punkte. Deshalb kann, obwohl die in der F i g. 1 dargestellte Kurve genaue und realistische Richtungsangaben darstellen, die F i g. 1 nicht dazu verwendet werden, genau die Eigenschaften irgendeines bestimmten Metallvolumens in einem Gußstück anzugeben. ι ο

Die erfindungsgemäßen Gußstücke sind durch eine im wesentlichen einheitliche metallographische Grundstruktur über ihre Querschnitte, selbst solche Querschnitte charakterisiert, die quer zu einer Stromlinienform geschnitten sind. Diesbezüglich sei darauf hingewiesen, daß unter dem Ausdruck metallographische Grundeigenschaften auch das Verhältnis von Carbid- und y-Primärphasen zu Kornstruktur zu verstehen ist. Die spezielle Form, in der die γ- Primärphase innerhalb der Kornstruktur auftritt, ist nicht besonders einheitlich innerhalb eines Schaufelquerschnittes. Diese Art der LJneinheitlichkeit scheint jedoch nicht nachteilig zu sein. Die F i g. 2 bis 13 stellen Mikrophotographien der in der folgenden Tabelle II aufgezählten Art dar.

Tabelle	Il	Legierung*;	I	Hf Hf Hf	Erfindungs gemäß
Figur Nr.	Schaufelfläche	A A A			—
2 3 4	Hinterkante Zentrum Vorderkante	A + 1,5% A + 1,5% A -f 1,5%	Hf Hf Hf	ja ja ja
5 6 7	Hinterkante Zentrum Vorderkante	B B B		ι
8 9 10	Hinterkante Zentrum Vorderkante	B + 1,5% B + 1,5% B + 1,5%	ja ja ja
11 12 13	Hinterkante Zentrum Vorderkante

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*) Die Zusammensetzung der Legierungen A und B ist weiter unten angegeben.

In jedem Fall eines erfindungsgemäßen Gußstücks ist, wie in der Zeichnung dargestellt, die Korngrundstruktur der gegossenen Legierung nicht leicht sichtbar. Dies ist deshalb der Fall, weil die Carbide, die bei dem Gießen nach den bekannten Verfahren vorzugsweise in den Korngrenzbereichen entstehen, in den erfindungsgemäßen Gußstücken über die Kornstruktur verstreut sind und damit die Korngrenzbereiche nicht markieren. Außerdem fehlen in den erfindungsgemäßen Gußstükken praktisch die y-PrimärumhüDungen, die sich an den Korngrenzlinien in den bekannten Gußstücken bilden können. Das Fehlen der y-Primärumhüllungen, die diskrete und langgestreckte Carbide umgeben, ist deshalb wichtig, wefl solche Umhüllungen Bereiche innerhalb des Gußstäcks schaffen, die gegen Scherbeanspruchung bei mittleren Temperaturen von etwa 760° C insbesondere dann empfindlich sind, nachdem das Gußstück ausreichend lange auf erhöhte Temperatur erhitzt worden ist, um eine Diffusion des Kohlenstoffs innerhalb des Gußstücks einzuleiten.

Hinsichtlich der Produkte umfaßt die vorliegende Erfindung gegossene Hochtemperatur-Turbinenmetallteile, beispielsweise Turbinenschaufeln, Flügel, in einem Stück gegossene Turbinenräder und Leitschaufeln und allgemein Gußstücke mit mehreren Stellen, die nach der Erstarrung mit verschiedenen Geschwindigkeiten durch die beiden Temperaturbereiche von 1316 bis 1204° C und von 1204 bis 1010"C abgekühlt werden können, die aus einer Chrom enthaltenden Legierung auf Nickelbasis hergestellt sind, die in ihrer ursprünglichen Form technisch annehmbare Festigkeits- und Duktilitätseigenschaften aufweisen, und durch Einarbeitung von mindestens 0,5 bis etwa 5 Gew.-% Hafnium in die gegossene Legierungszusammensetzung modifiziert sind.

Wie oben angegeben, kann in die gegossene Legierung als Ersatz für eine gleiche Gewichtsmenge Nickel, Tantal und auch anderer hitzefester Elemente Hafnium eingearbeitet werden. Das heißt allgemein gesprochen, daß dann, wenn Elemente, wie z. B. Tantal, in einer Legierung durch Hafnium ersetzt werden, die Festigkeitseigenschaften der Grundlegierung nicht beträchtlich geändert werden, während gleichzeitig die Duktilität der Legierung beträchtlich erhöht wird. Wenn Legierungselemente, wie z. B. Nickel, durch Hafnium ersetzt werden, werden die Duktilitätseigenschaften der Legierung beträchtlich verbessert während es gleichzeitig möglich ist, die Festigkeitseigenschaften der Grundlegierung zu verbessern.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch auf Gußstücke angewendet werden, die unter Verwendung von ungeschmolzenem Material, d.h. einer vorher umgeschmolzenen und gegossenen Legierung hergestellt wurden. Wenn die umgeschmolzenen Chargen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren so modifiziert werden, daß sie etwa 0,5 bis etwa 2% Hafnium enthalten, wurde festgestellt, daß die umgeschmolzenes Material enthaltenden Chargen Metallteile einer solchen Qualität liefern, die mindestens völlig gleichwertig der Qualität der aus den frischen Chargen hergestellten Metallteile ist Es ist zwar noch nicht vollständig geklärt worauf dieses zurückzuführen ist, es wird jedoch angenommen, daß bei Verwendung von umgeschmolzenen Chargen unvermeidlich bestimmte Typen unerwünschter Verunreinigungen in sehr kleinen, analytisch nicht feststellbaren Mengen in das Metall eingeführt werden. Hafnium hat nun offenbar die Fähigkeit sich mit diesen Verunreinigungen zu verbinden und sie wirksam zu beseitigen oder das metallurgische Gleichgewicht der Legierungen auf solche Art und Weise zu modifizieren, daß die Legierungen gegenüber Verunreinigungen weniger empfindlich ist

Die chemische Zusammensetzung in Gew.-% einigei bekannter Legierungen auf Nickelbasis, auf die die vorliegende Erfindung anwendbar ist sind in dei folgenden Tabelle III angegeben.

Tabelle III	A	B	C	D	E	F	609582/21:
	0,15 9,0	0,10 8,0	0,15 9,0	0,12 1Z5	0,18 10,0	0,05 12,0
C Cr

&

	9	20	B	34 607	D	10	E.	F
			10,0		—		15,0	—
Fortsetzung	A		6,0 4,25		4,2	3,0	4,5
	10,0 10,0	1,0 6,0 0,015 0,10	C	0,8 6,1 0,012 0,10 2,0	4,7 5,5 0,014 0,06	0,6 5,9 0,01 0,10 2,0
Co W	2,5 1.5	Rest	10,0 12,5	Rest	1,0 Rest	Rest
Mo Ta	1,5 5,5 0,015 0,05
Ti Al B Zr Nb V	Rest	2,0 5,0 0,015 0,05 1,0
Ni	Rest

Es sei darauf hingewiesen, daß die in der vorstehenden Tabelle Hl angegebenen Zusammensetzungen nominelle Zusammensetzungen sind und daß der Prozentgehalt jedes vorhandenen Elementes um plus oder minus etwa 10% der angegebenen Menge variiert werden kann. Die Legierungen können auch insgesamt bis zu etwa 2 Gew.-% an Nebenelementen, z. B. Mangan, Silizium, Eisen usw. enthalten. Zur Erzielung einer guten technischen Durchführung werden die Nichtmetalle, wie z. B. Schwefel, Sauerstoff und Stickstoff und die schädlichen Metalle, wie z. B. Blei, Wismut, Arsen usw. auf einem möglichst niedrigen Wert gehalten. Alle in der Tabelle III angegebenen Legierungen und die erfindungsgemäßen Legierungen werden vorzugsweise durch Schmelzen im Vakuum und Gießen im Vakuum in Präzisionsgußformen in der Form von Gasturbinenmetallteilen hergestellt.

Aus der vorstehenden Tabelle kann der Fachmann entnehmen, daß die erfindungsgemäß hergestellten Gußstücke, die vorteilhafte Heißstufen-Gasturbinenmotormetallteile liefern, aus Legierungen hergestellt sind, die in den Bereich der Zusammensetzung in Gew.-% fallen, der in der folgenden Tabelle IV angegeben ist.

35 weiteres Hafnium zuzusetzen, wenn nicht durch die Materialzusammensetzung der Charge oder das Bearbeitungsverfahren der Hafniumgehalt auf einen Wert unterhalb etwa 0,50/0 herabgesetzt wird. Legierungen innerhalb des in der vorstehenden Tabelle IV angegebenen Bereiches können insbesondere hinsichtlich der Elemente Tantal und Wolfram (wenn Wolfram vorhanden ist) ausgewogen werden, indem man den Wolframgehalt oberhalb etwa 8 Gew.-o/o und den Gesamtgehalt an Tantal plus Wolfram unterhalb etwa 13 oder sogar 10 Orew.-% hält. Die Legierungen innerhalb des in der vorstehenden Tabelle IV angegebenen Bereiches sind auch vorzugsweise so ausgewogen, daß der Kohlenstoffgehalt höchstens etwa gleich dem Hafniumgehalt auf Atombasis ist

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Gußstucke mit den in der folgenden Tabelle V in Uew.-% angegebenen Zusammensetzungen:

Tabelle V Tabelle IV

0,02%-0,5%
7%-15%
bis zu 35%
bis zu 14%
bis zu 8%
bis zu 6%

Ti

Al

Al + Ti

Zr

Nb

0,5%-6% 4%-7% 6,5%-10,50/0 bis zu 0,3% bis zu 0,5% bis zu 3% bis zu 1,5%

Ni im wesentlichen der Rest (nicht weniger als etwa 36O/o).

Durch Zugabe von Hafnium oder vorzugsweise durch Substitution von Hafnium in Mengen von etwa 0,5 bis etwa 13 oder sogar 5 Gew.-% zu ausgewogenen Legierungszusammensetzungen innerhalb des in der vorstehenden Tabelle IV angegebenen Bereiches wird die Duktilität der Formlinge erhöht Das Hafnium wird der Legierung nach der Desoxydation ohne Schwierigkeiten zugesetzt und danach wird die modifizierte Legierung genauso behandelt als wenn sie nicht modifiziert worden wäre. Für den Fall der Verwendung von umgeschmolzenen Chargen, die aus bereits Hafnium enthaltendem umgeschmolzenem Material hergestellt werden, ist es manchmal nicht erforderlich.

40 Legierung 1

Legierung 2

45 W Mo Ta Ti Al

50 B Zr Hf Ni

55

60 0,100/0-0,180/0
70/0-11%
6%-130/0
8%-120/0
2%-30/0
bis zu 3%
l%-2%
50/0-60/0

O,OO4°/o-O,lo/o

O,O2%-O,3O/o

0,70/o_40/₀

im wesentlichen
der Rest

0,03%-0,130/o

70/0-100/0

60/0-130/0

bis zu 2%

40/0-80/0

2,50/0-4,50/0

0,50/0-1,50/0

5,5O/o-6,5O/o

0,004%—0,1%

0,020/o-03%

0,7%—4%

im wesentlichen

der Rest

2^f ^Ta£^eUe,^V "Wgebenen Legierungen 1 und
wurden geschmolzen und unter Vakuum gegossen
unter Bildung von auf Größe gegossenen MeSeBen
und kleinen Proben für die chemische Analyse. Aas

äh_a ^Ci^^gen If*?⁰*" ^A «*» B. die mit Ausnahme des
Gehabtes an Hafnium mit den Legierungen 1 nnd 2

^{TabeUe W ήηά die} chemischen

£665

Tabelle	VI	Legierung	5,48	2	5,70	3	4	5	6	7	8	9
	1	0,017	0,17	5,60	5,83	6,03	6,03	6,13	6,06	6,15
	0,12	0,14	0,17	0,015	0,018	0,017	0,018	0,015	0,016
Al	8,78	8,60	0,14	0,09	0,10	0,10	0,05	0,07	0,07
B	10,1	10,0	8,55	7,78	7,82	7,73	8,05	7,95	7,98
C	2,52	2,47	9,85	9,88	9,80	9,78	9,79	9,79	9,72
Cr	Rest	Rest	2,43	6,00	5,77	5,75	6,05	6,10	6,12
Co	1,50	1,54	Rest	Rest	Rest	Rest	Rest	Rest	Rest
Mo	9,90	9,80	1,59	1,08	1,06	1,05	1,03	1,08	1,08
Ni	0,12	0,11	9,55	0,1	0,1	0,1	—	—	—
Ti	1,50	2,20	0,14	0,09	0,07	0,13	0,13	0,15	0,16
W	—	—	3,30	0,49	1,10	1,40	0,53	1,03	1,55
Zr			—	4,40	4,27	4,32	3,88	3,25	2,73
Hf
Ta

Es ist klar, daß in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Hafnium enthaltenden Legierungen und insbesondere zur Behandlung von umgeschmolzenes Material enthaltenden Schmelzen das Hafnium im wesentlichen in elementarer Form oder in Form einer Verbindung zugesetzt wird, die sich unter Legierungsbedingungen zersetzt unter Bildung von metallischem Hafnium. So kann das Hafnium in Form von metallischem Hafnium, in Form einer Hafniumgrundlegierung oder möglicherweise in Form von intermetallischen Hafniumverbindungen zugesetzt werden. Wenn das Hafnium in dem geschmolzenen Metall noch nicht enthalten ist, sollte es der geschmolzenen Legierung zu einem Zeitpunkt nach der Raffination der Schmelze, z. B. durch eine Kohlenstoff-Frischreaktion, zugesetzt und dann im wesentlichen beruhigt werden, um die Bildung überschüssiger Mengen des sehr stabiler Hafniumoxyds zu vermeiden. Dem Fachmann is bekannt, daß es zweckmäßig ist, Legierungen des hiei erörterten Typs unter Hochvakuum zu schmelzen unc zu gießen, um den Einschluß von schädlichen Menger Sauerstoff, Stickstoff usw. in der Legierung zi vermeiden. Unter bestimmten Bedingungen könner jedoch die vorstehend beschriebenen Legierunger unter einem Inertgas oder einem anderen Schutzga; geschmolzen und an der Luft vergossen werden vorausgesetzt, daß dies sorgfältig durchgeführt wird.

Die chemischen Zusammensetzungen in Gew.-% vor anderen Legierungen, aus denen vorteilhafte erfin· dungsgemäße Gußstücke hergestellt werden können sind in der folgenden Tabelle VII angegeben.

Tabelle	VII	11	12	13	14	15	16	17
	Legierung	0,12	0,18	0,05	0,12	0,14	0,05	0,12
	10	10,0	10,0	12,0	9	9	9	12,5
C	0,10	—	15,0	—	9	9	9
Cr	9,0	1,5	—	4,5	2,5	2,4	4,2
Co	10,0	2,0	—	—	9,9	9,6	10	—
Mo	—	1,0	4,7	0,6	1,5	1,5	1,5	0.8
W	11,8	6,5	5,5	5,9	5,5	5,5	5,5	6,1
Ti	2,0	0,020	0,014	0,010	—	—
Al	5,0	0,10	0,06	0,10	—	—	—
B	0,01	2,0	—	—	—	—	1,5	—
Zr	0,05	2£		1,5	1,5	33	4,5	1,5
Ta	—	Rest	ReSt	Rest	Rest*)	Rest»)	Rest*)	Rest
Hf	23	1,0	—	2,0	—	—	—	2,0
Ni	Rest		1.0
Nb	1,0
V

*) Enthält kleine übliche Mengen Bor und Zirkonium.

Die in der folgenden Tabelle VIII angegebenen Daten wurden mit Proben erhalten, die aus Turbinenschaufeln-Gußstücken unter Bedingungen zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften bei
worden waren, hergestellt wurden.

982°C abgekühlt

V

	Tabelle	20	VIII	34 607	M
13	Charge Mr		Gew.-% Hf		I
IN Γ.
		Test bei 760	-C/6600 kg/cm*
1	1,70	Std	vorherige
			Kriechdehnung
		86,6	5,59
		91,1	5,76
2	1,40	94,7	3,83
		87,7	4,51
		75,3	3,80
		83,4	5,44
3	1,29	69,1	4,02
		119,7	7,42
		126,6	6,82
		91,1	4,66
4	1,40	50,4	2,30
		65,5	5,85
		65,7	3,56
		93,7	6,59
	61,9	3,46
94,7	5,99
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Gußstücks mit einer im wesentlichen unsymmetrischen Gestalt, das gute mechanische Eigenschaften sowohl bei 982° C als auch bei 760⁰C aufweist, insbesondere von Gasturbinenteilen, aus einer hochwarmfesten Nikkel-Chrom-Aluminium-Titanlegierung, die insgesamt wenigstens 6,5 Aluminium plus Titan, weniger als 6 Gew.-Prozent Tantal und etwa 0,5 bis 5,0 Gew.-Prozent Hafnium enthält tind in erstarrtem Zustand einey-Matrixphase, eine ausgefällte /-Phase, eine eutektische /-Phase und ein in der Matrixphase dispergierte Carbidphase besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte geschmolzene Legierung aus der Gießhitze mit hoher Geschwindigkeit durch den Bereich von 1204⁰C bis 1010⁰C abgekühlt und verfestigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß die geschmolzene Legierung in einer Gußform verfestigt wird, die die Gestalt eines Metallteils einer Gasturbine hat