DE2038509C3 - Warmfeste Nickel-Aluminium-Beryllium-Legierung - Google Patents

Description

definierten Polygonzug begrenzt wird.

2. Legierung nach Anspruch 1, bei der die Gehalte der drei Elemente im in Atomprozenl aufgetragenen Nickel-Aluminium-Beryllium-Dreistoffdiagramm innerhalb einer Fläche liegen, die von einem durch die Eckpunkte /, J, K, D. E und C mit den Koordinaten

/ (48; 0,1; 51,9),

J (50,1; 0,1; 49,8). K (61; 11; 28). D (79: 11; 10), E (71· 27; 2), C (48; 50; 2)

definierten Polygonzug begrenzt wird.

3. Legierung nach Anspruch 1, bei der die Gehalte der drei Elemente im in Atomprozent aufgetragenen Nickel-Aluminium-Beryllium-Drei-Stoffdiagramm innerhalb einer Fläche liegen, die von einem durch die Eckpunkte F, G. D, E. C und H mit den Koordinaten

F (51: 14:
G (69; ;i;

35). 20), 10).

D (79; 11

E (71; 27; 2).

Γ (48; 50; 2).

H (48: 39: 13)

45

definierten Polygonzug begrenzt wird.

4. Legierung nach Anspruch 1. bei der die Gehalte der drei Elemente im in Atomprozent aufgetragenen Nickel-Aluminium-Beryllium-Dreistoffdiagramm innerhalb einer Fläche liegen, die von einem durch die Eck punkte ,4. /. J und K

A (48; 11; 41).

/ (48; 0.1; 51.9),

J (50.1; 0.1; 49.8).

K (61; 11: 28)

definierten Polygonzug begrenzt wird.

5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ■t>ei der weniger als die Hälfte des Nickelgehaltes «lurch Eisen oder Kobalt ersetzt ist.

55

Die Erfindung betrifft hoch warmfestc Legierungen luf Nickel-Aluminium-Beryllium-Basis mit überlegeier Oxidationsbeständigkeit selbst bei höheren Temperaturen sowie mit überlegenen Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften bei hohen Temperaturen.

Durch die moderne, sich schnell entwickelnde und ausdehnende Technologie und industriellen Herstellungsverfahren steigt der Bedarf nach hoch warmfesten Legierungen, die besonders gegenüber Temperaturen, die wesentlich über 1000 C liegen, beständig sind, an. Diese außergewöhnlich überlegenen warmfesten Stoffe werden gegenwärtig zur Verwendung bei der Herstellung von Raketenhüllen, von Teilen fur Atomkraftwerke, für Verbrennungskammern und Düsenkörper für Düsenantriebsmaschinen, für Flügel oder ähnliche Teile von Gasturbinen, für Hochtemperatur- und Hochdruckvorrichtungen bei chemischen Anlagen, für Hochtemperaturventile u. dgl. gefordert. Diese Teile und Ausrüstungen werden sehr hohen Temperaturen und schweren Belastungen ausgesetzt. Obwohl bisher verschiedene gründliche Studien und Untersuchungen durchgeführt worden sind, um warmfeste Stoffe zu verwirklichen, sind der Verwendung solcher Stoffe die folgenden Beschränkungen auferlegt. Beispielsweise muß warmfester Stahl in der Praxis in einem Temperaturbereich unterhalb 800 C verwendet werden Warmfeste Legierungen, die als Hauptbestandteil Ni oder Co enthalten, können einen erhöhten Temperaturbereich für die praktische Verwendung bis etwa 1000 C aushalten. Bei Temperaturen über 1000 C besitzen diese warmfesten Legierungen im allgemeinen eine wesentlich verminderte Festigkeit sowie plötzlich abfallende Eigenschaften der Oxydationsfestigkeit, was daran hindert, diese Legierungen über längere Zeit zu verwenden.

Andererseits können feuerfeste Legierungen, die Mo. Nb und Ta enthalten, sowie keramische Stoffe bei höheren Temperaturen als 1000 C über lange Zeit verwendet werden. Diese feuerfesten Legierungen zeigen jedoch eine geringe Oxydationsbesiändigkeil bei höheren Temperaturen, so daß die Art. die Zusammensetzung und die Arbeitsbedingungen der Umgebungsatmosphäre ihre Anwendung begrenzen und oder eine bestimmte Oberflächenbehandlung zur Verbesserung der Oxydationsbeständigkeit vorzugsweise angewendet werden muß. Im Falle von keramischen Stoffen werden erhebliche Nachteile durch das Fehlen einer Duktilität, der Formbarkeit und der Stoßfestigkeit in Kauf genommen, wobei diese Stoffe außerdem nicht beständig gegen thermischen Schock sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten hoch warmfesten Legierung, die insbesondere eine gute Oxydationsbeständigkeit und hohe mechanische Festigkeit und Zähigkeit selbst in einem Hochtemperaturbereich zwischen etwa 1000 und etwa 12(K) C in sich vereinigt.

Bei der Entwicklung warmfester Legierungen, die die genannten Ziele zu erfüllen in der Lage sind, wurde von bekannten Ni-Al-Legierungen und Ni₃AI-Legierungen ausgegangen, die intermetallische Verbindungen darstellen, wie sie im folgenden beschrieben werden, die eine überlegenere Oxydationsbeständigkeit bei hoher Temperatur besitzen. Weitere Untersuchungen wurden auf die Verbesserung der Härte und Zähigkeit dieser Art von warmfesten Legierungen bei hoher Temperatur gerichtet, wobei insbesondere deren gute Oxydationsbeständigkeit erhalten bleiben sollte. Erfindungsgemäß wird die Lösung der Aufgabe in Legierungen, bestehend aus Nickel, Aluminium und Beryllium gefunden. Die erfindungsgemäßen Legie-

rungen sind dabei so zusammengesetzt, daß die Gehalte dieser drei Elemente im in Atomprozent aufgetragenen Nickel-AJuminium-Beryllium-Dreistoffdiagramm innerhalb einer Fläche liegen, die von einem durch die Eckpunkte /, J, K. B und C mit den Koordinaten

/ (48; 0,1; 51,9),

J (50,1; 0,1; 49,8).

K (61; 11; 28),

B (87; 11; 2),

C (48; 50; 2)

definierten Polygonzug begrenzt wird.

Diese und alle folgenden Mengenangaben gelten in Atomprozertt.

Diese Legierungen werden im folgenden als »Legierungen im ersten Bereich« bezeichnet. Der Ausdruck »Atomprozent« wird im folgenden lediglich mit »%« bezeichnet.

Soll die Härte der Legierungen besonders hoch sein, so werden erfindungsgemäße Legierungen bevorzugt, deren Gehalte an Nickel, Aluminium und Beryllium im gleichen Dreistoffdiagramm in einer Fläche liegen, die von einem durch die Eckpunkte /, J, K, D, E und C mit den Koordinaten

/ (48; 0.1; 51,9).

J (50,1; 0,1; 49,8).

K (61; 11: 28).

D (79: 11; 10).

E (71; 27; 2).

Γ (48: 50; 2)

definierten Polygonzug begrenzt wird.

Diese Legierungen werden im folgenden als »Legierungen im zweiten Bereich« bezeichnet.

Wird eine möglichst gute Kombination an Oxidationsbeständigkeit, Härte und Zähigkeit gewünscht, so werden erfindungsgemäße Legierungen bevorzugt, deren Gehalte an Nickel, Aluminium und Beryllium im gleichen Dreistoffdiagramm in einer Fläche liegen, die von einem durch die Eckpunkte F, G. D, E, C und H mit den Koordinaten

F (51;
G (69;
D (79;

14;
11:
11;

E (71; 27;
C (48; 50;
H (48; 39;

35).

20).

10).

2).

2).

13)

45

definierten Polygonzug begrenzt wird.

Diese Legierungen werden im folgenden als »Legierungen im dritten Bereich« bezeichnet.

Wird eine möglichst hohe Dauer- bzw. Zeitstandfestigkeit gewünscht, so werden erfindungsgemüße Legierungen bevorzugt, deren Gehalte an Nickel. Aluminium und Beryllium im gleichen Dreistoffdiagramm in einer Fläche liegen, die von einem durch die Eckpunkte A, /, J, K mit den Koordinaten

A (48; 11; 41).

/ (48; 0,1; 51,9), J (50,1; 0,1; 49,8). K (61; 11; 28)

definierten Polygonzug begrenzt wird.

Diese Legierungen werden im folgenden als »Legierungen im vierten Bereich« bezeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden näher erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, die ver schiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erfin dung als Beispiele beschreiben.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 das Dreistoffdiagramm, in dem die Lagt der Versuchslegierungen eingetragen ist.

F i g. 2 das gleiche Dreistoffdiagramm, in den Linien gleichen Oxydationsgewichts eingetragen sind

F i g. 3 das gleiche Dreistoffdiagramm, in derr Linien gleicher Härte eingetragen sind,

F i g. 4 die Härte von verschiedenen erfindungsgemäßen Legierungen in Abhängigkeit von der Temperatur,

Fig. 5 das Dreistoffdiagramm, in dem Linien gleicher Zähigkeit eingetragen sind, und

F i g. 6 das Dreistoffdiagramm, in dem die verschiedenen Zusammensetzungsbereiche der hitzefesten Legierungen gemäß der Erfindung eingetragen sind.

Bei der experimentellen Herstellung der erfindungsgemäßen warmfesten Ni-Ai-Be-Legierungen waren die Ausgangsstoffe Elektrolyt-Nickel, hochreines Aluminium, metallisches Beryllium, eine Ni-Be-Legierung und eine Al-Be-Legierung. Diese Stoffe wurden durch einen besonders ausgewählten Schmelzprozeß zusammengeschmolzen, der weiter unten näher erläutert wird.und danach zu Formkörpern geformt, an denen die Prüfungen durchgeführt wurden.

Wegen der hohen Affinität des Berylliums gegenüber Sauerstoff wurden die Legierungsmetalle in einem besonderen Behälter zusammengeschmolzen, der nach dem Flotationsprinzip arbeitet, um die Bildung von Verunreinigungen durch Oxydation zu vermeiden.

Als Schmelzatmosphäre wurde Argon nach Zusatz einer kleinen Wasserstoffmenge verwendet, um eine sonst zu befürchtende Oxydation auszuschließen. Die geschmolzene Legierung wurde in Kupferformen gegossen.

Zur Bestimmung des Legierungsbereichs gemäß der Erfindung wurden etwa 80 ternäre Legierungen aus Nickel, Aluminium und Beryllium hergestellt, von denen verschiedene in Fig. 1 dargestellt sind. Die Art des Dreistoffdiagramms ergibt sich aus dem vorstehenden ohne weiteres. Beispielsweise zeigt der mit Y in F i g. 1 bezeichnete Punkt eine Legierung aus 30% Nickel, 40% Aluminium und 30% Beryllium. Die Versuchskörper, die angegeben sind, haben Nickel-Gehalte über etwa 30%, Aluminium-Gehalte unter etwa 65% und Beryllium-Gehalte unter etwa 40%. Probekörper mit anderen Legierungsverhältnissen wurden aus der Zeichnung fortgelassen, da experimentell gefunden wurde, daß diese nicht die gewünschten Eigenschaften besitzen.

Durch Verwendung dieser Probekörper wurde die Oxydationsbeständigkeit geprüft.

In diesem Fall wurden Probekörper von 8 mm Durchmesser und 5 mm Länge auf einer chemischen Waage auf 0,01 mg genau gewcgen. Die Proben wurden dann auf ein Keramikschiffchen aus Aluminiumoxid gesetzt und 5 Stunden in einem elektrischen Ofen auf 1200 C erhitzt und an der offenen Luft abgekühlt. Die Proben wurden erneut gewogen, und der Gewichtsansiieg wurde bestimmt. Diese Werte wurden als Gewichtsanstieg in Milligramm, geteilt durch die Oberfläche der Probe in Quadratzentimeter, ausgedrückt und in vier Kategorien gemäß der folgenden Tabelle I eingeteilt. Die Ergebnisse sind ebenfalls in F i g. 2 graphisch wiedergegeben, wobei die Flächen mit /, m, η und ο bezeichnet sind.

Tabelle 1

Gewichtsanstieg durch

Oxydation
(mg/cm²)

Unter 0,49

0,50 bis 0,99

über 1,0

Geschmolzen bei 1200⁰C

Bereich in Fig. 2

»m«

»O«

Die praktischen Werte des Oxydationsgewichtsanstiegs der Legierungen mit einem Verhältnis von etwa 30 bis 53% Be und 45 bis 60% Ni, die im Bereich η in F i g. 2 liegen, entsprechen größeren Werten als 1,0 mg/cm² und sind in der folgenden Tabelle II angegeben.

Tabelle II

Probe	Zusammensetzung	Al, %	Be, %	Oxydations
Nr.		0,5	52,5	gewichtsanstieg
	Ni. %	0,5	47,5	mg/cm2
«1	47,0	5,5	47,5	1,85
nl	52,0	6,6	41,9	2,12
«3	47,0	5,0	40,0	1,79
/i4	51,5	10,0	40,0	1,85
«5	55,0	7,5	34,0	1,93
π 6	50,0	10,5	32,6	1,21
nl	58.5		2,85
nS	56,9	1,39

Unter Berücksichtigung ähnlicher Versuche mit den bekannten Legierungen NiAl (W₁.: 330) und Ni₃Al (W₁.: 220) ergibt sich die überlegene Wirkung, die durch Zugabe von Be zu diesen Legierungen erreicht wird.

Danach wurden die Beziehungen der Legierung gemäß der Erfindung zwischen der Härte und Temperatur experimentell geprüft, die teilweise auf dem vorstehenden Härteversuch basieren.

ίο Zu diesem Zweck wurden neun Proben K 1 bis K7, KlO und XIl gemäß der folgenden Tabelle IV aus den vier Härtebereichen bei Raumtemperatur q, r, s und f ausgewählt. Diese Proben sind ebenfalls in dem Dreistoffdiagramm gemäß F i g. 3 unter Verwendung der gleichen Symbole eingetragen.

Bei diesen Versuchen wurden die Proben bis 1200⁰C erhitzt, und die Härten wurden je 10O⁰C Temperaturanstieg auf einem Mikro-Härteprüfgerät von Vickers unter 300 g Belastung geprüft.

Die Versuchsergebnisse sind in F i g. 4 dargestellt, wobei das Diagramm die Härte W₁. in logarithmischer Darstellung und die Temperatur in ^;C in arithmetischer Darstellung wiedergibt.
Zu Vergleichszwecken wurde eine Probe K₈ eines üblichen warmfesten Stahls und eine weitere Probe K₉ einer zum Stande der Technik gehörenden Superlegierung auf der Basis von Kobalt untersucht: diese beiden Legierungen sind dafür bekannt, daß sie eine überlegene Härte bei hoher Temperatur besitzen. Die Ergebnisse sind ebenfalls in F i g., 4 wiedergegeben.

Tabelle IV

Zu Vergleichszwecken wurde gleichzeitig eine handelsübliche warmfeste Legierung auf Nickel-Chrom-Basis geprüft, die einen Oxydationsgewichtsanstieg von 3 mg/cm² zeigte.

Es ergibt sich daher, daß die erfindungsgemäße Ni-Al-Be-Legierung eine höhere Oxydationsbeständigkeit als die üblichen warmfesten Legierungen besitzt.

In Fig. 2 ist eine Ni-Al-Legierung mit einem Verhältnis von 50% Ni und 50% Al und eine Ni₃Al-Legierung mit einem Verhältnis von 75% Ni und 25% Al dargestellt. Diese bekannten Legierungen sind ebenfalls in anderen Dreistoffdiagrammen der Figuren eingetragen und werden im folgenden erläutert.

Anschließend wurden Untersuchungen der Härte bei Raumtemperaturen durchgeführt unter Verwendung von Versuchskörpern der erfindungsgemäßen Legierungen auf einem Härteprüfgerät von Vickers unter einer Belastung von 5 kg. Die gemessenen Werte H_r sind in fünf Bereiche gruppiert, die in der folgenden Tabelle IH angegeben sind. Die gleichen Ergebnisse sind graphisch in Fig. 3 dargestellt.

Tabelle IH Hänebereich H,

Unter 199 .
200 bis 399
400 bis 599
fiOO bis 799
fbcr WKI

Entsprechende Bereiche m F i g 3

»q«
>w«
»v«

»f«

Probe

Nr.

Kl

K2

K3

K4

K5

K6

K7

K8

K9

KlO

KIl

Zusammensetzung. Atompro/enl

Ni Al

50
50
50

60
60
69

72

50 38 26 15 25 27 25

24 25 15

bekannter warmfester Stahl bekannte warmfeste Co-Legierimg

51,5
56,9

6.6 10,5

41.9 32.6

Aus F i g. 4 ist klar erkennbar, daß die Legierungen die durch Zugabe von Be zu Ni-Al-Legierunget erhalten worden sind und eine überlegene Raum temperaturhärte von über H_r 400 besitzen, eine besseri Hochtemperaturhärte haben als die binären Grund legierungen, wobei die neuen Legierungen die Raum temperaturhärte bis etwa 700 C beibehalten. Di neuen Legierungen können, wenn sie W_r-Werte voi 750 bis 850 bei Raumtemperatur besitzen, diese Wert bis etwa 900 C beibehalten. Daher ergibt die Zugab von Be einen erheblichen technischen Fortschritt bc sehr hohen Temperaturen, wie sich aus den Versuch?

ergebnissen der Proben KA und KS deutlich ergib Beim Vergleich der Härte von üblichen wannfeste

Legierungen bzw. Stahl der Proben K 8 und K ergibt sich, daß die erfindungsgemäßen Ni-Al-Bi

Legierungen K 2 bis K 7 und K 10 bis K 11 3- bis 5mal höhere Werte der Raumtemperaturhärte besitzen.

Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die üblichen Legierungen, wie sie durch die Proben K 8 und K 9 dargestellt werden, eine ziemlich schlechte maximal zulässige Temperatur von 800 bis 900'C zur Beibehaltung der Härte H₁. 100 besitzen, ist die maximale zulässige Temperatur bei den neuen ternären Legierungen selbst unter Berücksichtigung derjenigen, die eine ziemlich große Härteschwankung als Funktion der Temperaturschwankung besitzen, wie es bei den Proben K 2 und K 3 der Fall ist, mehr als 900 C bei einer Härte unter H₁. 100. Im Fall der Proben K 6 und Kl ist der kritische Temperaturwert sogar 1000 bis 1100 C.

Im Fall der noch verbesserten Legierungen mit einem höheren Beryllium-Prozentsatz wie die Proben KlO und KIl und die harten Proben K4 und KS mit Raumtemperaturhärten H, von 750 bis 850 liegt der Wert für H₁.100 selbst bei 1200 C. Es kann daraus geschlossen werden, daß die erfindungsgemäßen verbesserten Legierungen bei einer überlegenen Raumtemperaturhärte in der Größenordnung von H₁.400 und darüber selbst bei 900 C einen H₁-Wert von 100 zeigen, wobei dieses Verhalten gegenüber den üblichen warmfesten, als Vergleichslegierung gewählten Legierungen erheblich überlegen ist.

Diejenigen neuen Legierungen, deren Härte H₁ über 600 liegt oder die einen höheren Berylliumgehalt haben, besitzen nicht nur überlegene Raumtemperaturhärten, sondern auch eine erheblich verbesserte Hochtemperaturhärie gegenüber den üblichen Legierungen.

Weiterhin wurden die Zähigkeitseigenschaften untersucht. Zu diesem Zweck wurden Versuche in üblicher Weise durchgeführt, wie dies zur Bestimmung der Zähigkeit von zementierten Hartlegierungen geschieht. Die Proben wurden auf einem Härteprüfgerät nach Vickers eingedrückt.und die kritische Belastung wurde gemessen, wenn Risse um die gebildeten Eindrücke auftraten. Wenn die kritische Belastung kleiner ist, ist die untersuchte Probe natürlich weniger zäh.

Bei einer Reihe von Versuchen mit den erfindungsgemäßen Ni-Al-Be-Legierungen schwankte die Eindrückbelastung auf die Probe nacheinander von 1 über 5, 10, 20 und 30 bis 50 kp. Bei jeder Belastung wurden drei Eindrücke auf der Probe gebildet, um eine mögliche Entwicklung von Rissen um jeden Eindruck möglichst genau zu prüfen. Wenn Risse um nur einen dieser Eindrücke gefunden wurden, wurde der Zähigkeitsgrad der Legierung als Belastung X kg zu dieser Zeit ausgedrückt.

Die gemessenen Ergebnisse wurden gemäß Tabelle V in fünf Bereiche gruppiert. Diese Bereiche sind graphisch auf dem Zustaadsschaubild von F i g. 5 aufgetragen.

Tabelle V

Belastungsbereiche X rakp

Ober 50

50

10

Entsprechende Bereiche in F ι g. 5

In der ersten Reihe von Tabelle V bedeutet der Ausdruck »über 50«, daß keine Risse um jeweils drei Eindrücke unter der Belastung von 50 kp beobachtet wurden.

Wie sich aus F i g. 5 ergibt, steigt die Zähigkeit im allgemeinen an, wenn der Aluminiumgehalt abfällt. Es ergibt sich weiter aus dem Diagramm, daß die Zugabe von Be zu den entsprechenden binären Ni-Al-Legierungen eine erhebliche Steigerung der

ίο Zähigkeit der Legierung erzeugt.

Als Legierungsmaterial wurden elektrolytisches Nickel, hochreines Aluminium, metallisches Beryllium, eine Nickel-Beryllium-Legierung und eine Aluminium-Beryllium-Legierung verwendet, wobei diese jedoch kleine Mengen Eisen, Silicium, Kupfer, Kobalt u. dgl. als Verunreinigungen enthalten können. Bei den genannten Versuchen betrugen diese Verunreinigungen nur insgesamt 0,2 bis 0,4%. Die Stoffe enthielten daher praktisch keine Verunreinigungen. Es ist jedoch zu bemerken, daß die Verwendung derartig hochreiner Legierungsstoffe nur zur bestmöglichen Kontrolle der Legierungskomponenten erfolgte, was nicht heißt, daß ein Einschluß von Verunreinigungen immer Anlaß zur Bildung schlechterer warmfester Legierungen gibt.

Im folgenden werden die technischen Gründe zur Auswahl der bestimmten Legierungsbereiche gemäß vorstehender Definition näher erläutert.

Zur Auswahl der begrenzten und bestimmten Legierungsverhältnisse der Legierungen im ersten Bereich wurde die Kombination der Härte, der Zähigkeit und eines Oxydationsgewichtsanstiegs unterhalb 2,0 mg/cm² berücksichtigt.

Hinsichtlich des Nickelgehalts wurde beobachtet, daß bei einem Nickelgehalt unterhalb 45% ein Schmelzen der Legierung in der Nähe von 1200 C erfolgte. In diesem Fall wurden Zähigkeit und Härte als schlechter befunden. Das Schmelzphänomen wurde im Bereich ο beobachtet. Bei der Berücksichtigung der unteren Grenze des Nickelgehalts sollte diese Grenze vorzugsweise an der Grenzlinie zwischen den Bereichen m und η liegen.

Aus diesem Grunde wurde die untere Grenze des Nickelgehalts auf 48% festgesetzt, die durch die Linie G-/ in F i g. 6 definiert ist, wobei diese Linie durch den Η-Punkt verläuft, der durch das Verhältnis von 48% Ni, 39% Al und 13% Be bestimmt ist. Durch beide Bereiche m und η wurde die schlechteste Oxydalionsbeständigkeit der Legierung in diesem Punkt H beobachtet, wie sich aus F i g. 2 ergibt.

Hinsichtlich des Aluminiumgehalts wurde ein Schmelzphänomen bei einer Temperatur in der Nähe von etwa 1200 C beobachtet, wenn der Aluminiumgehalt weniger als 9% bei einem Nickelgehalt über etwa 61% betrug. Es wurde gefunden, daß über die kombinierte Gesamtfläche, die die Bereiche i, η und c überdeckt, die schlechteste Oxydationsfestigkeit am Punkt G gemäß F i g. 2 beobachtet wird, der durch ein Legierungsverhältnis von 69% Ni, 11% Al und 20% Be definiert ist. Bei einem Nickelgehalt übei etwa 61% wurde daher die untere Grenze des Alu miniumgehalts auf 11 % festgesetzt, was der Linie B-K in F i g. 6 entspricht.

Wenn der Nickelgehalt unter etwa 61% betrag und ein höherer Be-Gehalt vorliegt, liegt der Bereid des Oxydationsgewichtsanstiegs, der auf unte: 2,0 mg/cm² festgesetzt ist, rechts von einem bestimm ten Punkt n₅ in F i g. 2, wie sich aus den Versuchen ai den Proben n, bis n« ergibt und wobei die recht

509 619''1G

SIM

¹I

ίο

von /I₅ erstreckende Fläche einen höheren Aluminiumgehalt der erfindungsgemäßen Legierungen angibt. Aus diesem Grunde wurde die untere Grenzlinie zur Erzielungeines Oxydationsgewichtsanstiegs unterhalb 2,0 mg/cm² bei einem Nickelgehalt unter etwa 61% durch die Grenzgerade J-K gemäß F i g. 6 festgesetzt. Die Gerade J-K wird definiert durch den Punkt Ni 50%, Be 50% auf der Nickel-Beryllium-Achse und den Punkt Ni 75%, Al 25% auf der Nickel-Aluminium-Achse. Die Punkte J und K sind bestimmt durch die spezifischen Legierungsverhältnisse Ni 50,1 %, Al 0,1 %, Be 49,8% und Ni 61,0%. AIII ,0%. Be 28,0%.

Bezüglich des Be-Gehalts kann festgestellt werden, daß die Zugabe einer kleinen Menge Be das genannte Verhalten verbessert. Unter Berücksichtigung hauptsächlich der Zähigkeit wird jedoch gefunden, daß diese Eigenschaft schlechter wird bei einem Legierungsverhältnis von 64 bis 72% Ni, 28 bis 36% Al und weniger als 2% Be, wobei dieser Bereich durch die fläche y in F i g. 5 angegeben ist, gegenüber dem Bereich der üblichen Ni-Al-Legierungen, die durch die genannte Fläche X dargestellt sind. Unter Berücksichtigung dieser Tatsachen wurde die Untergrenze von Be auf 2% festgesetzt, wie sich durch die gerade Linie B-C in F i g. 6 ergibt.

Wenn ein wesentlich höherer Be-Gehalt vorliegt, wurde gefunden, daß der gewünschte Zweck nur mit einem Al-Gehalt über 0,1 % erreicht wird. Aus diesem Grunde wurde die Untergrenze von Al auf 0,1% festgesetzt, dargestellt durch die gerade Linie I-J in F ι g. 6.

Aus diesen verschiedenen Überlegungen zur Erzielung zufriedenstellender überlegener Zähigkeitseigenschaften und Härteeigenschaften bei Normallemperatur und bei hoher Temperatur mit einem Oxydationsgewichtsanstieg unterhalb 2,0 mg/cm² wurde der Gesamtbereich der Legierungsbestandteile auf den Bereich der innerhalb der Fläche, die von dem durch die Punkte C, I. J. K und B in F i g. 6 definierten Polygonzug begrenzt wird. Diese Punkte entsprechen den ausgewählten Legierungsverhältnissen gemäß dem vorstehenden.

Diese Legierungen, die als Legierungen im ersten Bereich bezeichnet werden, besitzen ähnliche oder etwas schlechtere Oxydationsbeständigkeit gegenüber Legierungen aus Ni und Al oder Ni₃Al. die die bisher beste Oxydationsbeständigkeit aufweisen. Die erfindungsgemäßen Legierungen besitzen jedoch sehr überlegene Härte- und Zähigkeitseigenschaften in Kombination. Wenn daher das Gesamtverhalten hinsichtlich dieser drei gewünschten Eigenschaften berücksichtigt wird, besitzen aie erfindungsgemäßen Legierungen ein bevorzugtes Verhalten gegenüber üblichen warmfesten Legierungen und können unter Bedingungen von hohem Druck, hoher Temperatur und hoher Belastung verwendet werden und stellen somit sehr wertvolle Werkstoffe zur Herstellung von Dampf- und Gasturbinen, Düsentriebwerken, Raketen, chemischen Anlagen u. dgl. dar.

Bezüglich der Legierungen im zweiten Bereich läßt sich aus dem vorstehenden entnehmen, daß die Legierungen mit dem höheren Nickelgehalt im Bereich q von F i g. 3 eine Härte bei Normaltemperatur unter H_r 399 besitzen und eine etwas schlechtere Hochtemperaturhärte. Wenn daher diese Legierungen aus dem genannten Gesamtbereich der Legierungen gemäß der Erfindung entfernt werden, besitzen die verbliebenen Legierungen überlegene Raumtemperaturhärten von über H₁, 100. Daher können diese Legierungen wirksam als hochtemperaturharte Stoffe zur Verwendung bei der Herstellung von Schneidwerkzeugen. Turbinenschaufeln und -scheiben u. dgl. Teile verwendet werden, die sehr hitzebeständig sein müssen. Diese Legierungen entsprechen den Legierungen im zweiten Bereich gemäß obiger Definition. In diesem Fall umfaßt der Bereich 1-J-K-D-E-C-I alle Legierungen im zweiten Bereich. Der Punkt D wurde festgesetzt als Schnittpunkt zwischen der Linie, die einen ersten Punkt des Legierungsverhältnisses 79% Ni und 21% Be mit einem zweiten Punkt entsprechend 68% JMi und 32% Al in Fig. 3 verbindet und die Raumtemperaturhärte H₁. 400 bezeichnet, und der geraden Linie, die die beiden Punkte K und ß verbindet. Der Punkt £ wurde fixiert durch den Schnittpunkt der ersten Linie mit der geraden Linie, die die beiden Punkte ß und C verbindet an Stelle der Verbindungslinie von K und ß wie vorher. Die Auswahl dieser Punkte kann leicht durch Betrachtung von F i g. 3 in Kombination mit F i g. 6 verstanden werden.

Der Bereich q in F i g. 3 zeigt die Legierungs-Verhältnisse von 48 bis 58% Ni. 42 bis 52% Al und kleineren Mengen Be und stellt eine Härte unterhalb H₁.399 dar und definiert Legierungen mit einem maximalen Be-Gehalt von etwa 1,8%. Diese Legierungen fallen daher aus dem Bereich der Legierungen im zweiten Bereich heraus.

Im folgenden werden die Legierungen im dritten Bereich näher erläutert.

Wenn die zum ersten Bereich gehörenden neuen Legierungen als Stoffe zur Herstellung von hochtemperaturfesten Teilen und Vorrichtungen, wie Düsen von Gasturbinen. Verbrennungskammern für derartige Turbinen, Ventilen für das Ansaugen und Ablassen von Gas bei Kraftfahrzeugmotoren, verschiedenen Hochdruck- und Hochtemperaturteilen von chemischen und/oder industriellen Anlagen, Schaufeln von Düsenantrieben u. dgl. verwendet werden, müssen sie eine überlegene Oxydationsbestän^igkeit. Härte und Zähigkeit in Kombination besitzen. In diesem Fall sollte der Oxydationsgewichtsanstiei'

vorzugsweise unterhalb 1.0 mg/cm² liegen. Die Raumtemperaturhärte muß vorzugsweise höher als H₁ 4(X) liegen aus dem gleichen Grunde, wie er in Verbindung mit den Legierungen im zweiten Bereich genannt wurde.

Die Zähigkeit sollte höher als diejenige der üblichen Ni-Al-Legierung liegen.

Um diese verschiedenen und härteren Anwendungsbedingungen zu befriedigen, ist es empfehlenswert, die Legierungen im dritten Bereich gemäß der Erfindung zu verwenden.

Zur Erfüllung der Anforderungen bezüglich dei Zähigkeit, die höher als die Zähigkeit üblicher Ni-Al-Legierungen liegen soll, und der Härte von übei W₁. 399 können die Legierungen im zweiten Bereich in zufriedenstellender Weise verwendet werden.

Aus dem vorstehenden ergibt sich jedoch, daß dies« Legierungen nicht die gewünschte Oxydationsbestän digkeit befriedigen können, wenn sie einen höherei Gehalt von Be besitzen wodurch sie einen höherei Oxydationsgewichtsanstieg als 1,0 mg/cm² aufweisen Aus diesem Grunde sird diejenigen Legierungen, dii zum Bereich η gehören, aus dem Bereich der Legie rungen im zweiten Bei eich entfernt worden, und nu

ftftt

,olche Legierungen werden zur Verwendung für die lenannten Zwecke empfohlen, die innerhalb einer in :inem dritten Bereich, d. h. Fläche des Dreistoff-Jiagramms liegen, die durch einen Polygonzug mit den Punkten F, G, D, E, C und H begrenzt wird. Der Punkt F ist definiert durch ein Legierungsverhältnis von 51% Ni, 14% Al und 35% Be, was dem maximalen Be-Gehalt im Bereich / entspricht. Der Punkt G ist definiert durch ein Legierungsverhältnis von 69% Ni, 11 % Al und 20% Be, der Punkt H durch ein Legierungsverhältnis von 48% Ni, 39% Al und 13% Be. Die übrigen Punkte haben die vorstehend gegebenen Koordinaten. Der Bereich der verworfenen Legierungen ist somit durch eine polygonale Fläche begrenzt, die durch die Eckpunkte /■'. H. /, J. K und G mit entsprechenden Legierungsverhältnissen dargestellt wird.

Wenn die erfindungsgemäßen Ni-Al-Be-l.egierungen zur Herstellung von Maschinenteilen, wie Turbinenschaufeln, Flugzeug- und Rakctenhüllen u. dgl. verwendet werden, die eine hohe relative Festigkeit erfordern, sollten vorzugsweise Legierungen mit einem hohen Be-Gehalt ausgewählt werden. Zur Erfüllung dieser Erfordernisse können vorzugsweise Legierungen verwendet werden, die sich innerhalb der noch weiter verminderten polygonalen Fläche A-I-J-K-A befinden. Der Punkt A ist als Schnittpunkt einer Verlängerung der geraden Linie B-K mit der Linie C-! definiert. Diese Legierungen werden als Legierungen im vierten Bereich gemäß obiger Definition bezeichnet. Die Dichte dieser Legierungen beträgt etwa 5.8 bis 6.8 gern, was erheblich weniger ist als die Dichte der üblichen hitzefesten Stähle und Legierungen, die allgemein 8 bis 9 gern² betrügt. Die Hochtempcralurhärte und Zähigkeit liegt höher als üblich, wodurch bessere relative Festigkeitswerte erhalten werden.

Durch weitere Untersuchungen ergab sich, daß weniger als die Hälfte des Nickelgchalts durch Eisen oder Kobalt ersetzt werden kann, wenn die Gehalte an Be und Al beibehalten werden. In diesem Fall kann die Härte erhöht werden, während die Oxydationsbeständigkeil und die Zähigkeit der Legierung etwas vermindert werden. Ein Beispiel solcher quaternären Verbindungen ist eine Legierung mit 25% Ni. 25% Co, 38% Al und 12% Be. Während die ternäre Legierung eine Härte H, von 550 bei Raumtemperatur besitzt, hat die quaternäre Legierung z. B. eine Härte H. von 700. Kobalt kann durch die entsprechende atomare Menge Eisen ersetzt werden. Die Art und das Verhalten dieser Legierungen entspricht im wesentlichen derjenigen der Legierungen mit Kobalt.

Die erfindungsgemäßen Ni-Al-Be-Legierungen können die üblichen herstellungsbedinglen Verunreinigungen enthalten, wie sie durch die Verwendung handelsüblicher Rohstoffe eingeschleppt werden, soweit diese nicht die gewünschten Eigenschaften nachteilig beeinflussen. Zum Eleispiel treten Eisen, Silicium, Kupfer oder Kobalt üblicherweise als Verunreinigungen im handelsüblichen metallischen Nickel, metallischen Aluminium, metallischen Beryllium, von Ni-Be- und Al-Be-Lcgierungen auf.

ίο Gemäß experimentellen Befunden beeinflußt der Einschluß solcher Verunreinigungen, wie Eisen unterhalb 1,0 Gewichtsprozent, CuO unterhalb 3,0 Gewichtsprozent und Spuren von Co, die häufig in handelsüblichem Nickelmetall vorkommen. Fe unlerhalb 1,5 Gewichtsprozent, Si unterhalb 1,5 Gewichtsprozent und einer Spur Cu, die häufig in handelsüblichem Aluminiummetall vorkommt, verschiedene kleine Mengen Eisen, Natrium, Kupfer u. dgl., wie sie häufig in handelsüblichem Berylliummetall vorkommen, kleine Mengen Eisen, Silicium, Kupfer u. dgl.. die häufig in handelsüblicher Al-Be-Legierung vorkommen, und/oder kleine Mengen Eisen, Kupfer, Kobalt u. dgl., die häufig in handelsüblicher Ni-Bc-Legierung vorkommen, nicht nachteilig die gewünschten vorteilhaften Eigenschaften der ternären Legierungen gemäß der Erfindung.

In der folgenden Tabelle Vl sind die Atom-Prozentsätze wiedergegeben, die bei den genannten kritischen Punkten A, B, C, D, E, F, G, H, /, J und K angegeben sind, im Vergleich mit den entsprechenden Gewichtsprozenten der Legierungselemente.

Tabelle VI

	Ni	Mompro/.cnl	Bc	Gc
Bezugspunkt	48		41
	87		2	Ni
A	48			80.9
B	79		10	94.2
C	71		2	67,3
D	51		35	92.3
E	69		20	84.8
F	48		13	81.3
G	48,0		51.9	89.4
H	50.1		49,8	70.9
I	61,0		28,0	85.7
J		86.7
K		86.7
	ΛΙ
	11
11
50
11
27
14
Π
39
0.1
0,1
11.0

Geuidilsprozem

ΛΙ

K.5
5.5

32.3
5.9

14.8

10.2
6.6

26.2
0.1
0.1
7.2

0.3
0.4
1.8
0.4
8.5
4.0
2,9

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

fifiQ

Claims (1)

15 Patentansprüche:

1. Warmfeste Legierung, bestehend aus Nickel, Aluminium und Beryllium mit den üblichen herstellungsbedingten Verunreinigungen mit der Maßgabe, daß die Gehalte dieser drei Elemente im in Atomprozent aufgetragenen Nickel-Aluminium-Beryllium-Dreistoffdiagramm innerhalb einer Fläche liegen, die von einem durch die Eck- ίο punkte /, J, K, B und C mit den Koordinaten

/ (48; 0,1; 51,9), J (50,1; 0,1; 49,8), K (61; II; 28). B (87; 11; 2), C (48; 50; 2)