DE2034609A1 - In der Warme bearbeitbire Legierung - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dr. W. Schalk, Dipi.-Ing. P. Wirfh

Dipl.-Ing. G. Dannenberg

Or. V. Schriio.-: iiowcrzik

Dr. P. V/nhhc,!··! >. D. Gudel

ά Frankfurl/ιΛ., Cr. Z* !".c.iiic^mer 5*r. 39

Wd/Hn/hn Case BA-15365

Martin Metals Oo Bpany

277 Park Avenue,

New York, N.Y. 10017, USA

In der Wärme bearbeitbare Legierung

Die Erfindung betrifft eine Legierung und insbesondere aus dieser Legierung hergestellte Formlinge (Gußstücke)_f die sue* Verwendung ale Flügel oder Schaufeln in üasturbimsnmaschiaaa besonders ge*> eignet sind.

Au· der deutschen Patentanmeldung P 1 821 359. 3 (US-Anmeldung Serial No. 725 o?4) iet αβ bereite bekannt, daE Zusätse von; Hafnium zu Hochtemperaturlegierungen auf Niekelb&sis, die üar Verwendung ale Formlinge geeignet eind« in aelivtaeher Hinsieht wirksame Mittel *ur Beseitigung voö Fehlern «ad Mängeln in diesen Legierungen darstellen* Die vorli@g#fiie Erfindung botrifft die . Beseitigung von Mängeln uttd Fehlern la Formliagen aue eiaer ape« *iell«n Legitrung, die aueret asu einfer in 4tr- firase Laearboitbareu Blocklefierung, d.h. einer Legierunf entwickelt worden iit, die dasu bestiiMit i»t, a*oh den Oitfltn xu einen Surren oder eintr

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ORleiNAt

andern Grundform geschmiedet zu werden und die anschließend in der Wärme bearbeitet wird, um gute Hochtemperatureigenschafτ ten zu erzielen· Die nominelle Zusammensetzung in Gew.-% dieser Legierung ist folgende:

Kohlenstoff 0,08 % Titan 3,5 %

Chrom 15_to % Aluminium 4,3 %

Kobalt 18,5 % Bor o,o3 %

Molybdän 5,2 % Nickel Rest

Diese spezielle Legierung, die nachfolgend als "Legierung Z" bezeichnet wird, wird häufig für Formlinge (Gußstücke) für verschiedene Hochtemperaturzwecke verwendet· Wenn die gegossene Legierung Z für bestimmte Schaufeln der zweiten Stufe in dem Turbinenabschnitt einer Gasturbine verwendet werden soll, fordern die Hersteller, daß spanabhebend gewonnene (machined from) Prüflinge aus des Schaufeln (mfb-Prüflinge), die durch zweistündiges Lösungsglühen bei 1163⁰C in der Wärme behandelt, ist Ofen mit einer Geschwindigkeit von etwa 55,6 C pro Stunde auf Io8o C abgekühlt, auf Raumtemperatur abgekühlt und dann 16 Stunden lang bei 76o C gehalten worden sind, eine Bruchzeit von mindestens 23 Stunden bei einer mindestens 4 #igen vorherigen Warmdehnung (Dehnung mindestens eine Stunde vor dem ' Bruch),bei einem Test bei 76o C unter einer Belastung von etwa 5 98ο kg/cm ,und eine Brüchzeit von mindestens 23 Stunden bei mindestens 5,ο %iger vorheriger Warmdehnung bei einem Test bei 871⁰C unter einer Belastung von etwa 3 375 kg/cm aufweisen. Normalerweise ist es kein Problem, unter Anwendung des Tests bei 871 C ein Metall zu bewerten. Sehr häufig versagen jedoch aus nicht ersichtlichen Gründen Chargen der Legierung Z bei dem Test bei 76o°C. Ss bestehen offenbar keine sichtbaren Unterschiede bezüglich der Zusammensetzung oder der Behandlung zwischen den Chargen der Legierung Z, welche den Tast best-ehen, und solchen Chargen, welch® den Test nicht baatehen» Das Versagen beatimmtar Chargen dar Legierung Z bai dar Qualiiiaierung zur Verwendung ale Turbinenachaufeln der sweitan

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Stufe ist eine besonders unangenehme Erscheinung, da die Legierungshersteller bisher kein Mittel gefunden haben, dieses Problem zu beseitigen. Außerdem wurde der Legierungsfabrikant aufgrund der Theorie, daß nicht-qualifizierte Chargen irgendwelche unbekannten. Verunreinigungen enthielten, davon abgehalten, das Metall solcher Chargen in verdünnter Form zu verwenden, aus Furcht vor der Verbreitung der Verunreinigung. .

Es wurde nun überraschend gefunden, daß durch Einarbeitung von etwa p,8 bis etwa 2 Gew.-% Hafnium in die Zusammensetzung nicht geeignete Chargen der Legierung Z bei Einhaltung einer · gewissen Sorgfalt bei der Herstellung und Behandlung der Legierung, wie sie auf dem Gebiet der Herstellung der Hochtemperaturlegierungen allgemein üblich ist, praktisch eliminiert werden können· ·

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine neue, höchst vorteilhafte Legierung bereitzustellen· :

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin,

neue, aus dieser neuen Legierung hergestellte Formlinge an-

. zugeben· . - ■ _■ : "^

Weitere Ziele und Vorteile gehen aus der folgenden Beschreibung hervor· "

Allgemein gesprochen betrifft die vorliegende Erfindung Legierungen und daraus hergestellte Formlinge mit einer chemischen Zusammensetzung in Gew.-9$ innerhalb des in der folgenden Tabelle I angegebenen Bereiches:

Tabelle I

Kohlenstoff o,o5 - o,13 % Aluminium 3,5 - 4,5 % Chrom 13 -17 % Bor o,oo5- o,o5 %

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Fortsetzung von Tabelle I

Kobalt 15 - 2o % Molybdän 4,5 - 6 % Titan 3 - 4 %

Zirkonium bis zu o,3 % Hafnium o,8 - 2 % Nickel im wesentlichen der Rest

Die in der vorstehenden Tabelle I angegebene. Legierung kann auch geringe Mengen an Verunreinigungen und zufälligen Elementen enthalten, wie sie normalerweise assoziiert mit den Bestandteilen vorkommen und solche Ferunreinigungen und zufälligen Elemente fallen unter den Ausdruck "der Rest its wesentlichen Nickel'O Die Legierung der Tabelle I wird hergestellt, indem man die Legierungsbestandteile und gewünschtenfalls sortierten und ausgewählten Metallabfall und Umschmelzmetall in einem Vakuuminduktionsofen schmilzt und Formlinge daraus herstellt, indem man die geschmolzene* Legierung unter Vakuum in geeignet geformte Präzisionsformen gießt« Dann läßt man das Metall in diesen Formen erstarren und entfernt es nach dem Abkühlen aus den Formen» Nachdem Einlaufrinnen, Steiger (Angüsse) und dgl. aus den gegossenen Gegenständen herausgeschnitten worden sind, werden diese etwa 2 Stunden lang durch Lösungsglühen bei 1149 bis 1177 C hitzebehandelt, im Ofen mit einer Geschwindigkeit von etwa 55,6°C pro Stunde auf etwa io8o C abgekühlt und dann auf Raumtemperatur frei heruntergekühlt· Anschließend werden die Formlinge erneut auf etwa 76o C erhitzt und beispielsweise 16 Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten, um die Ausfällung der primären y-Phase in der Legierungsstruktur zu bewirken_o

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden am besten an Hand einer speziellen Charge der Legierung Z erläutert« Diese Legierung hatte die folgende Zusammensetzung in Gew*-%:

Kohlenetoff 0,06
Chrom 14,4

Titan 3,26 Eisen ο,13 Aluminium 4,5o Manganic,I

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Kobalt 15,o Bor o,ol8 Silizium<o,l Molybdän 4,29 Zirkon <o,o3 Schwefel o,oo4

Kupfer<o,l Nickel Rest

Das Metall dieser Charge wurde wiederholt zu Turbinenschaufelgruppen vergossen, es wurden Proben daraus entnommen und in der Wärme behandelt und den Qualifikationstests bei 76o C unter

2 '

einer Belastung von 598ο kg/cm unterworfen» Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle II zusammengefaßt :

Tabelle II Gruppe durchschnittliche Lebens- durchschnittl.vor-

dauer in Std₀ herige Warmdehnung in

1 15,7 2,3o

2 6,7 1,46 o3 15,9 1,92

4 37,6 3,o8

Die Daten der vorstehenden Tabelle II zeigen, daß diese Charge der Legierung Z für die Gaeturbinenhereteller nicht geeignet ist. Eine statistische Analyse der Daten in der Tabelle II zeigt, daß wenn eine sehr große Anzahl von mfb-PrUflingen aus dieser Charge der Legierung Z hergestellt wurde, mehr als 99,9 % dieser Prüflinge das Kriterium einer 4 tfigen vorherigen Warndehnung nicht erfüllen würden. Außerdem würden vorauseichtlich nur etwa 33 % der Prüflinge die geforderte Bruchzeit von mindestens 23 Stunden überschreiten.

Zu der speziellen Charge der Legierung Z, welche die in der vorstehenden Tabelle II angegebenen Ergebnis·· lieferte, wurden 1,5 ;« Hafnium zugesetzt. Die modifizierte Charge hatte die folgend· Zusammensetzung in Gew.-?i:

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Kohlenstoff o,06
Chrom 14,2
Kobalt 14,8
Molybdän 4,23
Titan 3,21

Aluminium 4,43 Bor ο,ο18 Zirkonium s. ο, ο3 Kupfer < o,l Hafnium 1,45

Eisen - o,13

Mangan < o,l

Silizium <. o, 1 Schwefel o,oo4 Nickel Rest

Die modifizierte Legierung wurde zu einer Turbinenschaufelgruppe vergossen, die mit den aus der nxcht-raodifizierten Legierung hergestellten Gruppen identisch war_e Es wurden Proben entnommen und auf genau die gleiche Art und Weise wie oben beschrieben behandelt» Die Ergebnisse der Warmdehnungstests bei 76o C und 598o kg/cm mit dieser Gruppe sind in der folgenden Tabelle III zusammengestellt:

Schaufel Nr.

Tabelle III

Bruchfestigkeit in Std.

vorherige Warmdeh	in %
nung	»3o
4	,49
6	,64
6	,64
8	,35
6

1
2
3
4
,5

53,3 76,ο 81,ο 94,4 88,8

Eine statistische Analyse der in der Tabelle III zusammengestellten Ergebnisse zeigt, daß dann, wenn eine sehr große Anzahl von mfb-Prüflingen aus der modifizierten Legierung hergestellt würde, mehr als 95 % dieser Proben eine mehr als 4 tfige vorherige Warmdehnung und mehr als 99 % dieser Proben eine Bruchzeit von mehr als 23 Stunden aufweisen würden· Die in der Tabelle III angegebenen Daten zeigen klar, daß durch Zugabe von etwa 1,5 % Hafnium zu der unbrauchbaren Charge der Legierung Z die unbrauchbare Charge in eine Charge umgewandelt wurde, welche die von den Gasturbinenheretellern niedergelegten Kriterien erfüllt*

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Die erfindungsgemäßen Vorteile werden erzielt, wenn die erfindungsgemiißen Legierungen etwa ö,8 bis etwa 2 % oder sogar mehr Hafnium enthaltene Die Einarbeitung von Hafnium in diese Legierung verschlechtert, soweit bekannt, nicht wesentlich die guten Eigenschaften der Legierung Z und sie ist höchst vorteilhaft insofern, als dadurch für alle praktischen Zwecke Chargen der Legierung Z vermieden werden, die aus nicht ersichtlichem Grund die Qualifikation zur Verwendung zum Guß von Turbinenschaufeln nicht erfüllen.» Die neue, modifizierte erfindungsge-.' mäße Legierung Z kann vorzugsweise in geschmiedeter Form oder auch in gegossener Form verwendet werden, und sie-ist auch zur Herstellung verschiedener Gegenstände verwendbar,, die während des Gebrauchs bei einer hohen Temperatur einer Spannung unterworfen sind, Ze B. Gasturbinenschaufeln und.andere Metallteile der' Gasturbine« '.

BCLe vorliegende Erfindung ist zwar in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, dem Fachmann ist jedoch klar, daß auch Modifikationen und Abänderungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Solche Modifikationen und Abänderungen fallen selbstverständlich auch in den Rahmen der vorliegenden Erfindung·

Patentansprüche ι

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•J '■■'

Claims (5)

Patentansprüche

1. In der Wärme bearbeitbare Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Gew.-% besteht aus:

Im wesentlichen etwa 0,05 bis etwa 0,13 % Kohlenstoff

etwa 13 bis etwa 17 % Chrom etwa 15 bis etwa 20 % Kobalt etwa 4,5 bis etwa 6 % Molybdän etwa 3 bis etwa 4 % Titan etwa 3,5 bis etwa 4,5 % Aluminium etwa 0,005 bis etwa 0,05 % Bor bis zu etwa 0,3 % Zirkonium etwa 0,8 bis etwa 2 % Hafnium und der Rest im wesentlichen Nickel.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie besteht aus:

etwa 0,08 % Kohlenstoff etwa 18,5 % Kobalt etwa 3,5, % Titan etwa 0,03 % Bor

etwa 15 % Chrom etwa 5,2 % Molybdän •etwa 4,3 % Aluminium bis zu etwa 0,3 % Zirkonium

etwa 0,8 % bis etwa 2 % Hafnium Rest im wesentlichen Nickel.

3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie besteht aus:

0,06 % Kohlenstoff 14,8 % Kobalt 3,21 % Titan 0,018 % Bor bis zu 0,1 % Kupfer bis zu 0,1 % Mangan 0,004 % Schwefel

Rest im wesentlichen Nickel.

14,2 % Chrom 4,23 % Molybdän 4,43 % Aluminium bis zu 0,03 % Zirkonium 0,13 % Eisen bis zu 0,1 % Silizium 1,45 % Hafnium

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4. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungsbestandteile Metallabfälle und Umschmelzmetall enthalten.

Der Patentanwalt

(Dr. P. Weinhold)

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4. Verfahren zur Herstellung eines Formings aus einer Legierung gemäß einem der Ansprüche 1 bärs 3» dadurch^ gekennzeichnet, daß man die Legierungsj^e^tandteileilieinem Vakuum-.ofen schmilzt, die geschmolzene Legierungxtmter Vakuum in eine Präzisionsform gießtf' den dabei^-ernaltenen Gegenstand abkühlen läßt, ihn aus^aer Form e*f6fernt, ihn etwa 2 Stunden lang bei 1149 bisJYvJy⁰Q in άβτ Wärme behandelt, ihn mit einer Geschwindigkeit VOn_x^jCj⁰C pro Stunde auf 1080⁰C abkühlt, dann-^auf Räumte^öeratur abkühlt, ihn erneut-auf etwa itzt und ifan bei dieser Temperatur hält, um die Aus760⁰C e

fällung" der primären

V"-Phase zu bewirken.

5. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungsbestandteile Metallabfälle und Umschmelzmetall enthalten·

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