DE2060206C3

DE2060206C3 - Hoch warmfester anisotrop erstarrter Gußkörper

Info

Publication number: DE2060206C3
Application number: DE2060206A
Authority: DE
Inventors: Franklin David Eynsham Oxford Lemkey (Grossbritannien); Earl Ryan Glastonbury Conn. Thompson (V.St.A.)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1969-12-10
Filing date: 1970-12-08
Publication date: 1974-07-18
Also published as: DE2060206B2; GB1297657A; DE2060206A1; US3671223A; FR2072682A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf hochwarmfeste anisotrop erstarrte Gußkörper mit ausgerichteten fadenförmigen Ausscheidungen, bei denen eutektische Phasen gleichgerichtet faserförmig verfestigt vorliegen.

Es ist bekannt, daß sich aus binären Legierungssystemen unter geeignet gerichteten Gießbedingungen anisotrope Gußkörper herstellen lassen, wobei die eine eutektische Phase gleichgerichtet faserförmig in der anderen ausgeschieden ist. Es ist ferner bekannt, daß sich solche Gußkörper in gleicher Weise durch gerichtete Erstarrung ternärer Systeme herstellen lassen, und daß in solcher Weise gerichtet erstarrte Gußkörper besonders vcrteilhaft als hochwarmfeste Bauteile für Gasturbinen gefertigt werden können. Bekanntermaßen haben jedoch die bisher gebräuchlichen Verfahren zur Herstellung von Gußkörpern durch gerichtete Erstarrung binärer und ternärer Legierungssysteme eutektischer Zusammensetzung den Nachteil, daß die dabei resultierenden Gußkörper in ihren Eigenschaften nur begrenzt den vorgesehenen Anwendungszwecken angepaßt werden können, so daß sie für viele Zwecke nicht die erwünschten optimalen Eigenschaften aufweisen. Für ein gegebenes System liegen bei dessen eutektischer Zusammensetzung der Volumenariteii und die chemische Zusammensetzung der entsprechenden Phasen fest und sind unveränderlich, weil der Gleichgewichtszustand invariabel ist. Es sind während des Erstarrens im Gleichgewichtszustand infolgedessen keine wesentlichen Variationen der Volumenanteile oder der chemischen Zusammensetzung der Phasen möglich, und daher Sbt es nur relativ wenige solcher Legierungen, die e für bestimmte Anwendungszwecke erforderlichen Merkmale oder Eigenschaften aufweisen, insbesondere, wenn es auf mehrere verschiedene physikalische Und/oder chemische Eigenschaften für den bestimmten Anwendungszweck ankommt. In eutektischen Sy-Mtemen ist die Anzahl der sich aus einer Schmelze ab-•cheidenden Feststoffe n — l, wobei η die Zahl der bestandteile des Systems bezeichnet. Die monovarianten eutektischen Systeme bieten zwar, verglichen mit invarianten eutektischen Legierungssystemen relativ mehr Möglichkeiten, unter denen Zusainmenset zungen ausgewählt werden können, die den vorgese-

henen Anwendungszwecken genügen. Aber man hat auch bei monovarianten Systemen nur eine einzige Möglichkeit, längs der zum eutektischen PunkJ führenden Erstarrungskurve im Phasendiagramm, die chemische Zusammensetzung und die Morphologie

»ο sowie die Volumenanteile der Phasen zu verändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, anisotrop erstarrte Gußkörper mit gerichteten faserförmigen Ausscheidungen der angegebenen Art zu schaf-

«5 fen, die sich in ihren Eigenschaften vielseitiger als bisher möglich dem vorgesehenen Anwendungszweck anpassen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch hochwarmfeste anisotrop erstarrte Gußkörper, die

»ο ausgerichtete fasenförmige Carbidausscheidungen der Summenformel M₇C₃ aufweisen, mit der Schmelzanalyse

1. 41% Chrom, 2,4% Kohlenstoff sowie 10% Nickel und/oder 1,5 % Aluminium, Rest Kobalt

»5 (mit M = Chrom, Nickel und/oder Kobalt) oder

2. 36 % Chrom, 10 % Kobalt, 1.5 % Kohlenstoff, Rest Nickel (mit M = Chrom, Nickel und/oder Kobalt) oder

3. 35 % Chrom, 20 % Nickel, 1 % Kohlenstoff, Rest Eisen (mit M = Chrom).

Die erfindungsgemäßen Gußkörper haben ausgerichtete polyphasige Struktur, die aus quaternären oder höheren Legierungssystemen gebildet ist, bei denen eutektische Systeme mit mehreren Freiheitsgraden gleichgerichtet, faserförmig oder blättchenförmig ausgeschieden sind. Die erfindwngsgemäßen Gußkörper können dementsprechend wesentlich vielseitiger den verschiedenen Verwendungszwecken optimal angepaßt werden, da sie gegenüber den invarianten und

monovarianten Systemen im Hinblick auf die Volumenanteile und chemischen Zusammensetzungen der Phasenausscheidungen vielseitiger veränderbar, d. h. multivariant, sind.

An Hand der Zeichnung sind die erfindungsgemä-

♦5 Ben Gußkörper näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Mikrophotographie der einen erfindungsgemäßen Ausführungsform auf Kobalt-Basis, die Nickel, Chrom und Kohlenstoff enthält, und die ausgerichtet erstarrt ist, und

F i g. 2 ein Schmelzschaubild eines quaternären Systems, das das Erstarren der Legierung gemäß der Reaktion L -» α + β veranschaulicht.

Das Verfahren, mit dem die gerichtete Erstarrung durchgeführt wird, ist dem bei invarianten und moss novarianten Eutektika benutzten gleich; dabei können gleichzeitig zwei oder mehr feste Phasen aus der flüssigen Phase zum Erstarren kommen. Es kann dabei unter solchen Bedingungen gearbeitet werden, daß die Erstarrungsgeschwindigkeiten im Bereich von 2 bis 20 cm pro Stunde liegen.

In Fi g. 1 ist an der einen erfindungsgemäßen Ausführungsform mit der Schmelzanalyse 41 % Chrom, 10 % Nickel, 2,4 % Kohlenstoff, Rest Kobalt, bei der zur Ausbildung der gewünschten anisotropen mehrphasigen gerichteten Ausscheidungen eine Abscheidung zweier fester Phasen aus der Schmelze erfolgt, die Struktur eines erfindungsgemäßen Gußkörpers veranschaulicht. Das Legierungssystem wurde mit ei-

ner Stundengeschwindigkeit von etwa H) cm in einer Richtung verfestigt. Die Erstarrung erfolgte in makroskopisch ebener Fronterstarrung, und es bildete sich die in Fig. 1 wiedergegebene gerichtete MikroStruktur mit einer Matrixphasc aus im wesentlichen Kobalt, Chrom, Nickel und Kohlenstoff in fester Lösung und einer Verstärkungsphase aus einem Carbid vom Typ M₇C₃, wobei M für Chrom, Kobalt und/oder Nickel steht.

Fig. 2 ist ein Schmelzschaubild eines hypothetisrheu quaternären Systems ABCD, wobei A, B, C und D die Bestandteile des Legierungssystems bedeuten. Die binären Zusammensetzungen AC, BC und CD bilden die Eutektika E₁, E₂ und E₃; die entsprechenden Schmelztemperaturen sind in der Reihenfolge E_l>E₂>Ej gelegen. Dia Systeme zwischen A, B und D bilden eine kontinuierliche Reihe fester Lösungen. Die Flächen des Tetraeders geben in Schichtliniendarstellung die Flächen der ternären Systeme ACD, ABD und BCD wieder. Auf der ABD-Fläche des Tetraeders sind keine Ausscheidungsreaktionen zu sehen; es handelt sich hier um ein isomorphes System.

Die binären Eutektika E₁, E₁ und E₃ erstarren bei der gerichteten Erstarrung normalerweise bei einer bestimmten Zusammensetzung und einer bestimmten Temperatur unter Bildung anisotroper Strukturen. Damit vergleichbar geben die Linien E₁E₂, E₁E₁ und E₂E₃ in Fig. 2 Rinnen monovarianter eutektischer Zusammensetzungen, und die längs dieser Linien gelegenen Zusammensetzungen —die Endpunkte ausgenommen-vermögen gerichtet zu erstarren und anisotrope polyphasige Strukturen zu bilden.

Die Fläche E_xE₂E₃ (Liquidusfläche) - die Endlinien und Endpunkte ausgenommen - ist in dem hier beschriebenen System der geometrische Ort für die davon umschlossenen Zusammensetzungen. Eine Legierung auf dieser Fläche, die der Zusammensetzung I₄ entspricht, bildet bei Beginn des Erstarrens gleichzeitig die Festkörper α., und /J₄. Die Zusammensetzung der Schmelze verschiebt sich längs der Linie I₄ bis I₅, während die im Gleichgewicht stehenden Zusammensetzungen der auskristallisierenden festen Phasen sich längs den Linien a₄ bis a₅ bzw. /J₄ bis ß₅ verschieben. Bei I₅ angelang! erstarrt die restliche Schmelze unter Bildung der festen Phasen a₅ und /J₅. So entstehen aus der Schmelze gleichzeitig zwei feste Phasen durch die Reaktion L -> a + β unter nichtisothermen Bedingungen.

Nach der Phasenregel müssen bei vorgegebenem Druck für ein quatenärcs System zwei unabhängige Veränderliche ausgewählt worden, wenn man den Zustand des Systems festlegen will. Die Konzentration von zwei Bestandteilen oder die Konzentration eines Bestandteils und die Temperatur können zur Abgren- 55 net.

zung der Liquidusfläche benutzt werden. In einem quinären System ergeben drei unabhängige Veränderliche für die Reaktionen L — a + β einen räumlichen Liquidusbereich, während die unter nichtisoihermen Bedingungen ablaufende Reaktion, die m-ι der Gleichung L — α + β + γ wiedergegeben werden kann, eine Liquidusfläche veranschaulichen würde. Demgemäß sind die zu erfindungsgemäßen Gußstükken erstarrenden Zusammensetzungen solche, die ίο durch Liquidusflächen (quaternäre Systeme) oder durch räumliche Liquidus-Bereiche (Systeme höherer Ordnung) abgegrenzt sind, wobei die Grenzzusanimensetzungen im Falle der quaternären Systeme eins Ausnahme bilden.

»5 In gleicher Weise wie die im Zusammenhang mn Fig. 1 veranschaulichte Legierung wurden Legierungssysteme der Zusammensetzungen 41 % Chrom, 2,4% Kohlenstoff, 1,5% Aluminium, Rest Kobak, bzw. 41 % Chrom, 2,4 % Kohlenstoff, 1,5 % Aluminium, 10 % Nickel, Rest Kobalt unter den gerichteten Erstarrungsbedingungen zu erfindungsgemäßer. Gußkörpern verarbeitet, deren Gefüge ein ähnliches Aussehen wie in Fig. 1 zeigen. Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eras gibt sich aus einer Legierung der Schmelzzusammensetzung 43 % Eisen, 35 % Chrom, 20 % Nickel und 2 % Kohlenstoff, die mit einer Stundengeschwindigkeit von 8 cm gerichtet zum Erstarren gebracht wurde. Dieser Gußkörper zeigt eine ausgerichtete Mikrostruktur mit einer ausgerichteten aus dem Cr₇C₃-Carbid bestehenden Phase, eingebettet in eine Matrix-Phase, die aus einer festen Lösung von Eisen, Nickel und Chrom bestand. Die dritte erfindungsgemäße Ausfühiungsform beruht auf einer Legierung auf Nikkelbasis mit der Schmelzzusammensetzung 36 % Chrom, K) % Kobalt, 1,5 % Kohlenstoff, Rest Nickel und herstellungsbedingte Verunreinigungen. Das Gefügebild des daraus hergestellten Gußkörpers entspricht etwa dem in Fig. 1 dargestellten. Erfindungsgemäße Gußkörper lassen sich besonders vorteilhaft verwenden für Gasturbinentriebwerke, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind und von denen besonders gute Festigkeitseigenschaften verlangt werden. Sie weisen nicht nur eine gute Beständigkeit bei solchen hohen Temperaturen auf, sondern zeigen ebenfalls gute Oxydationsbeständigkeit und Widerstand gegen sonstige korrodierende Einflüsse; sie sind gegen Schwefeleinwirkungen beständig und vermögen plötzlichen Temperaturänderungen zu widerstehen. Außerdem sind, bedingt durch die Herstellung der Gußkörper mit beständigen, da im Gleichgewicht befindlichen festen Phasen, die Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Gußkörper auch in hohen Temperaturbereichen ausgezeich-

Hierzu I Blatt Zeichnuni- '"

Claims

Patentansprüche:

1. Hochwarmfester anisotrop erstarrter Gußkörper mit ausgerichteten fadenförmigen Carbidausscheidungen der Summenformel M₇C₃, wobei M Chrom oder eine Mischung aus Chrom, Nickel und/oder Kobalt bedeutet, mit der Schmelzanaiyse 41 % Chrom, 2,4 % Kohlenstoff sowie 10 % Nickel und/oder 1,5 % Aluminium, Rest Kobalt.

2. Hochwarmfester anisotrop erstarrter Gußkörper mit ausgerichteten fadenförmigen Carbidausscheidungen der Summenformel M₇C₃, wobei M Chrom oder eine Mischung aus Chrom, Nickel und/oder Kobalt bedeutet, mit der Schmelzanalyse 36% Chrom, 10% Kobalt, 1,5% Kohlenstoff, Rest Nickel.

3. Hochwarmfester anisotrop erstarrter Gußkörper mit ausgerichteten fadenförmigen Carbidausscheidungen der Summenformel Cr₇C₃ mit der Schmelzanalyse 35 % Chrom, 20 % Nickel, 2 % Kohlenstoff, Rest Eisen.