DE2034607B2 - Verfahren zur herstellung eines gusstuecks und anwendung des verfahrens - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines gusstuecks und anwendung des verfahrensInfo
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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
35
40
45
55
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
Abkühlungsgeschwindigkeiten Hinterkante Mittellinie
13I6o-i204°C
1204°-HHO0C
1204°-HHO0C
133°C/Sek.
3,22°C/Sek.
3,22°C/Sek.
13,4°C/Sek.
3.87°C/Sek.
3.87°C/Sek.
6,65°C/Sek.
3.82°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 |
||||
35
40
*) 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:
0,02%-0,5%
7%-15%
bis zu 35%
bis zu 14%
bis zu 8%
bis zu 6%
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
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
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
wurden geschmolzen und unter Vakuum gegossen
unter Bildung von auf Größe gegossenen MeSeBen
und kleinen Proben für die chemische Analyse. Aas
äha Ci^gen If*?0*" A «*» B. die mit Ausnahme des
Gehabtes an Hafnium mit den Legierungen 1 nnd 2
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.
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)
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
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US84140869A | 1969-07-14 | 1969-07-14 | |
US84140869 | 1969-07-14 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2034607A1 DE2034607A1 (de) | 1971-11-18 |
DE2034607B2 true DE2034607B2 (de) | 1977-01-13 |
DE2034607C3 DE2034607C3 (de) | 1977-08-25 |
Family
ID=
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US3677331A (en) | 1972-07-18 |
CH563821A5 (de) | 1975-07-15 |
BE753418A (fr) | 1971-01-13 |
CA924129A (en) | 1973-04-10 |
FR2051733B1 (de) | 1974-09-20 |
IL34952A0 (en) | 1971-02-25 |
IL34952A (en) | 1974-05-16 |
DE2034607A1 (de) | 1971-11-18 |
FR2051733A1 (de) | 1971-04-09 |
GB1320005A (en) | 1973-06-13 |
SE370343B (de) | 1974-10-14 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |