DE2105750A1 - Chromium alloy castings having monocrystalline structure - - for gas turbine blades - Google Patents

Chromium alloy castings having monocrystalline structure - - for gas turbine blades

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DE2105750A1 DE19712105750 DE2105750A DE2105750A1 DE 2105750 A1 DE2105750 A1 DE 2105750A1 DE 19712105750 DE19712105750 DE 19712105750 DE 2105750 A DE2105750 A DE 2105750A DE 2105750 A1 DE2105750 A1 DE 2105750A1
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Abstract

Chromium alloys are cast into ceramic moulds heated to the melt. temp. which are then cooled in the oriented manner such that the 001>direction is parallel to the load direction to produce a monocrystal or several crystals oriented in parallel. Alternatively, the moulds are rotated and their periphery is cooled with water. Cr-base alloys in monocrystalline state have a low embrittlement temp. and considerable impact strength at room temp., they have also good refractoriness and creep resistance.

Description

Gußkörper auf Chrombasis Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gußkörper und insbesondere auf Feinguß- oder Formgußkörper, die aus einer Legierung auf der Basis von Chrom bestehen. Des weiteren umfaßt die Erfindung Verfahren zur Herstellung solcher Gußkörper. Chromium Based Castings The present invention relates to Cast bodies and in particular investment castings or castings made from an alloy are based on chromium. The invention further comprises methods for Manufacture of such castings.

Der Fortschritt in der Technik ist auf vielen Gebieten von der Belastbarkeit und Zuverlässigkeit der verwendeten Werkstoffe abhängig. So läßt sich beispielsweise die Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähigkeit von Gasturbinen noch steigern, wenn Werkstoffe mit hoherer Kriechfestigkeit,Zähigkeit, Temperaturwechsel - und Korrosionsbeständigkeit gefunden werden, deren Verwendung das Arbeiten mit höheren Gastemperaturen ermöglichen wird, Fur die heute im Gasturbinenbau gebräuchlichen Superlegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis ist eine wesentliche Steigerung der Kriechfestigkeit nicht zu erwarten. Der Einsätz von Legierungen auf der Basis von hochschmelzenden Metallen, wie Niob, Tantal, Molybdän und Wolfram wird nur möglich sein, wenn die völlig unzureichende Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit verbessert wird. Auch mit Uberzügen kann dieses Problem heute nicht befriedigend gelöst werden. Außerdem besitzen besonders die Legierungen auf der Basis von Tantal und Wolfram eine nachteilige hohe Dichte.The advancement in technology has been on resilience in many areas and reliability of the materials used. For example increase the economic efficiency and performance of gas turbines if Materials with higher creep resistance, toughness, temperature change and corrosion resistance can be found, the use of which allow working with higher gas temperatures For the superalloys commonly used in gas turbine construction today on nickel or cobalt base, a significant increase in creep strength is not to be expected. The use of alloys based on refractory metals such as niobium, Tantalum, molybdenum and tungsten will only be possible if those are totally inadequate Oxidation and corrosion resistance is improved. Can also be used with coatings this problem cannot be solved satisfactorily today. Also own especially the alloys based on tantalum and tungsten have a disadvantageous high density.

Das einzige hochschmelzende Metall, das sowohl eine große Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit, als auch eine geringe Dichte aufweist ist das Chrom. Der Verwendung von Chrom als Legierungsbasis steht jedoch der Nachteil der hohen Ubergangstemperatur duktil/spröde, d.h. der Temperatur beim Übergang vom spröden zum duktilen Zustand, entgegen.The only refractory metal that has both a large and corrosion resistance, as well as having a low density is the chromium. However, the use of chromium as an alloy base has the disadvantage of high Transition temperature ductile / brittle, i.e. the temperature at the transition from the brittle to the ductile state.

Zwar liegt die Übergangstemperatur duktil/spröde bei hochreinem Jodidchrom sowie bei Chrom- Rhenium Legierungen im Bereich der Raumtemperatur, doch sind diese beiden werkstoffe wegen ihres hohen Prciscs nicht wirtschaftlich einzusetzen.The transition temperature is ductile / brittle with high-purity iodide chromium as well as chromium-rhenium alloys in the range of room temperature, but these are Both materials cannot be used economically because of their high prices.

Auch ist es bekannt, daß die Übergangstemperatur duktil/ spröde von Elektrolytchrom durch Zugabe von mehr als 10 Gew.-% Eisen, Kobalt oder Nickel sowie von maximal 2 Gew.-% an Yttrium, seltenen Erden und des weiteren von Bor, Kohlenstoff, Stickstoff oder Silizium in Verbindung mit stöchiometrischen Zusätzen an borid-,carbid-, nitrid- oder silizidbildenden Metallen wesentlich gesenkt werden kann. BeispieJsweise gelang es, durch Zugabe von 30 Gew.-% Eisen und 0,1 Gew.-% Yttrium die Ubergangstemperatur von Elektrolytchrom um 4000C zu verringern ("Zur Situation auf dem Gebiet der hochwarmfesten Chromlegierungen", Dr. P. Esslinger, S. Schmid, Luftfahrttechnik - Raumfahrttechnik 15, 1969, S. 253 - 257).It is also known that the transition temperature is ductile / brittle from Electrolyte chrome by adding more than 10 wt .-% iron, cobalt or nickel as well of a maximum of 2% by weight of yttrium, rare earths and furthermore of boron, carbon, Nitrogen or silicon in connection with stoichiometric additions of boride, carbide, nitride- or silicide-forming metals can be reduced significantly. For example succeeded in increasing the transition temperature by adding 30% by weight of iron and 0.1% by weight of yttrium of electrolyte chromium to reduce by 4000C ("On the situation in the field of highly heat-resistant Chromium Alloys ", Dr. P. Esslinger, S. Schmid, Aviation Technology - Space Technology 15, 1969, pp. 253-257).

Eine weitere Senkung der Übergangstemperatur duktik/spröde ist jedoch durch @egierungstechnische Maßuahmen mit vertretbarem Aufwand nicht zu erwarten.A further reduction in the transition temperature is ductic / brittle, however not to be expected through governmental measures with reasonable effort.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Gußkörper mit hoher Warmfestigkeit und Kriechfestigkeit zu entwickeln, der sich gleichzeitig durch eine erheblich verbesserte Kerbschlagzahigkeit bei tiefen Temperaturen auszeichnetze Es hat sich nun herausgestellt, daß diese Aufgabe durch einen Gußkörper der eingangs genannten Art gelöst werden kann, der aus einem Einklrtall oder aus-gerichteten Kristallen besteht.The present invention is therefore based on the object To develop castings with high heat resistance and creep resistance, the at the same time due to a significantly improved notched impact strength at low temperatures It has now been found that this task is achieved by a cast body of the type mentioned at the outset can be solved, the one from a Einklrtall or aligned Crystals.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsart des erfindungsgemäßen Gußkorpers liegt die <001> Kristallrichtung in der IIauptbeanspruchungsrichtung des Gußkorpers.According to an advantageous embodiment of the cast body according to the invention the <001> crystal direction lies in the main direction of stress on the cast body.

Erfindungsgemäß kann die Legierung aus 5 bis 50, vorzugsweise 10 bis 35 Gew.-% Eisen und/oder Kobalt und/oder Nickel sowie aus 1 bis 25, vorzugsweise 2 bis 10 Gew.-% Niob und/oder Tantal und/oder Molybdän und/oder Wolfram und/oder Rhenium bestehen sowie bis zu 2 Gew.-% Yttrium und/oder seltenen Erden und/oder Aluminium aufweisen und des weiteren bis zu 1 Gew-°% an Bor und/oder Kohlenstoff und/oder Stickstoff und/ oder Silizium in Verbindung mit Zusätzen an borid-, karbid-, nitrid- oder silizidbildenden Metallen besitzen.According to the invention, the alloy of 5 to 50, preferably 10 to 35 wt .-% iron and / or cobalt and / or nickel and from 1 to 25, preferably 2 to 10% by weight niobium and / or tantalum and / or molybdenum and / or tungsten and / or Rhenium and up to 2 wt .-% yttrium and / or rare earths and / or exist Have aluminum and furthermore up to 1% by weight of boron and / or carbon and / or nitrogen and / or silicon in connection with additions of boride, carbide, possess nitride- or silicide-forming metals.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Gußkörper kann ein Verfahren verwendet werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schmelzen der Legierungen in etwa auf die Temperatur der Schmelzen erhitzte keramische Formen vergossen werden und daß dann die Wärme gerichtet abgefuhrt wird.A method can be used to produce the cast bodies according to the invention be used, which is characterized in that the melts of the alloys Ceramic molds heated to approximately the same temperature as the melt can be cast and that the heat is then dissipated in a directional manner.

Ferner können erfindungsgemäß die Schmelzen der Legierungen in rotierende Formen vergossen werden, die an ihrem Umfang beispielsweise eine ringförmige Kühlwasser-Führung aufweisen.Furthermore, according to the invention, the melts of the alloys in rotating Shapes are cast, for example, an annular cooling water guide on its circumference exhibit.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Naßnahmen besteht darin, daß die Gußqualität durch Verringerung von Poren und Einschlüssen erheblich verbessert wird.Another major advantage of the inventive measures is that the casting quality by reducing pores and inclusions is greatly improved.

Den folgenden Erläuterungen sind noch weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung zu entnehmen Ausgangspunkt der Uberlegungen, die zu den Gußkorpern und zu dem Ilerstellungsverfahren nach der Erfindung ftihrten, war die Erkenntnis, daß. die Ursache der Sprodigkeit von Chromlegicrungen die Leichte Rißbildung und Rißausbreitung in den Korngrenze ist. Das giLt besonders für Korngrenzen senkrecht zur Zugachse Es stellte sich schLießlich heraus, daß durch gerichtetes bzw.The following explanations are still further features, advantages and Possible applications of the invention can be found in the starting point of the considerations, which led to the cast bodies and to the manufacturing process according to the invention, was the realization that. the cause of the brittleness of chromium alloys is light Cracking and propagation in the grain boundary is. This is especially true for grain boundaries perpendicular to the pull axis It finally turned out that by directed respectively.

einkristallines Erstarren der schädliche Einfluß der Korugrenzen bei bestimmten Legierungen beseitigt werden konnte. Oíes gilt beispielsweise flir Legierungen auf der Basis von Elektrolytchrom mit Zusätzen von 20 bis 35 Gew.-% Eisen und maximal.monocrystalline solidification the harmful influence of the corrugated boundaries at certain alloys could be eliminated. The same applies to alloys, for example on the basis of electrolyte chrome with additions of 20 to 35% by weight iron and a maximum.

1 Gew.-% Yttrium oder seltenen Erden. Solche Legierungen konnen aufgrund ihrer niedrigen Schmelztemperaturen, ihrer guten Vergießbarkeit und ihrer relativ geringe Agressivität der Schmelzen gegeniiber keramischen Werkstoffen im Feingußverfahren zu Turbinenschaufeln o.ä. vergossen werden.1 wt% yttrium or rare earths. Such alloys can be due to their low melting temperatures, their good castability and their relative Low aggressiveness of the melts towards ceramic materials in the investment casting process be cast into turbine blades or the like.

Schmelzen der vorgenannten Legierungen wurden in für den Feinguß besonders geeignete, aufgeheizte keramische Formen eingegossen und anschließenc die Wärme etwa aus der Basis der Form durch eine wassergekühlte Metallplatte, wie Kupferplatte, gerichtet abgefuhrt, Dabei bewegt sich eine nahezu ebene Erstarrungsfront vom Fuß bis zur Spitze des erstarrten Gußstückes Bei geeigneter Wärmeabfuhr, wobei die richtige Geschwindigkeit in jedem Einzelfalle in Abhängigkeit von der Legierung und der Form des Gußkörpers ermittelt werden muß, stellt sich eine Orientierung des erstarrenden Gußköi'pers in einer Kristallrichtung, insbesondere in der 4 0017 Richtung ein. Die Verwendung von Impfkristallen ist nicht notig. Bei einer Steigerung der Abkühlungsgeschwindigkeit bildet sich ein Gefüge aus sehr lauggestreckten paralel-Len Kristal lkörnernvom Fuß bis zur Spitze des Gußkörpers. Auch diese Kristal lkörper besitzen eine Vorzugsorientierung.Melts of the aforementioned alloys were especially popular for investment casting suitable, heated ceramic molds poured in and then the heat for example from the base of the mold through a water-cooled metal plate, such as copper plate, directed away, an almost flat solidification front moves from the foot to the tip of the solidified casting with suitable heat dissipation, with the correct one Speed in each individual case depending on the alloy and the shape of the cast body must be determined, there is an orientation of the solidifying Gußköi'pers in a crystal direction, in particular in the 4 0017 direction. The use of seed crystals is not necessary. With an increase in the cooling rate a structure of very lye-stretched paralel-len crystal grains is formed Foot to the tip of the cast body. Even possess these crystal bodies a preferential orientation.

Die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Gußkörper verwendeten Legierungen auf Chrombasis weisen im einkristallinen Zustand eine um mehrere hundert Grad erniedrigte Ubergangstemperatur duktil /spröde sowie eine relativ hohe KcrbschJagzähigkeit bei Raumtemperatur auf Auch die erfindungsgemäß gerichtet erstarrten Gußkörper mit einem Gefüge aus langgestreckten Kristallkörnern zeigen dne deut 1 iche Verminderung; der Übergangstemperatur dukti i /spröde und eine erheblich verbesserte Kerbschlagzähigkiet. Aufgrund ihres gerichteten Gefiigeaufbaus weisen die gerichtet erstarrten und einkristallinen Legierungen sowie die entsprechenden Gußkörper eine verbesserte Warmfestigkeit und erhöhte Kriechfestigkeit auf. Sowohl die einkristallinen als auch die gerichtet erstarrten Gußkörper sind im Vergleich zu den ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen vergessenen Werkstücken weit weniger anfällig gegen eine Versprödung durch Stickstoff bei hohen Temperaturen.The alloys used to produce the castings according to the invention On a chromium basis, in the monocrystalline state they have a temperature that is several hundred degrees lower Transition temperature ductile / brittle as well as a relatively high impact strength Also the cast bodies solidified in accordance with the invention with a Structures of elongated crystal grains show a slight clear reduction; the transition temperature ductile / brittle and a significantly improved notched impact strength. Due to their directional structure, the directionally solidified and monocrystalline Alloys and the corresponding cast bodies have improved heat resistance and increased creep resistance. Both the monocrystalline and the directional Solidified cast bodies are in comparison to those without the measures according to the invention forgotten workpieces are far less susceptible to embrittlement due to nitrogen at high temperatures.

Bisher war es nicht möglich, Legierungen auf der Basis von Chrom durch Zusätze von Niob, Tantal Molybdän und Wolfram in ihrer Warmfestigkeit und Kriechfestigkeit zu steigern, ohne die Duktilität bei tiefen Temperaturen wesentlich zu beeinträchtigen.So far it was not possible to make alloys based on chromium Additions of niobium, tantalum, molybdenum and tungsten in their heat resistance and creep resistance to increase, without the ductility at low temperatures significantly to affect.

Im einkristallinen und gerichtet erstarrten Zustand können jedoch größere Zusätze an diesen Elementen bis zu 25 Gew.-% ohne weiteres zugesetzt werden. Nach der Erfindung ist es daher erstmals moglich, Turbinenschaufeln im Feinguß aus Chromlegierungen herzustellen, die zugleich eine ausreichende Warmfestigkeit und Kriechfestigkeit sowie eine hohe Kerbschlägzähigkeit bei tiefer Temperatur aufweisen.In the monocrystalline and directionally solidified state, however, larger additions of these elements up to 25% by weight can easily be added. According to the invention it is therefore possible for the first time to manufacture turbine blades in investment casting Manufacture chromium alloys, which at the same time have sufficient heat resistance and Have creep resistance and high impact strength at low temperatures.

Ferner ist es nunmehr möglich, integral vergossene Schaufelkränze aus den vorgenannten Legierungen im Schleudergußverfahren herzustellen. Dabei werden diese Legierungen in eine entsprechend geformte, rotierende und etwa auf die Temperatur der Schmelze aufgeheizte keramische Form vergossen, die an ihrem Umfang eine beispielsweise ringformige Kühlwasserführung aufweist, um von außen nach innen ein gerichtet erstarrtes oder einkristallin ausgebildetes Gefüge zu erhalten.Furthermore, it is now possible to use integrally cast blade rings to be produced from the aforementioned alloys in a centrifugal casting process. Be there these alloys in a suitably shaped, rotating and roughly adjusted to temperature poured the melt heated ceramic form, which on its circumference, for example having ring-shaped cooling water guide to a directionally solidified from the outside inwards or to obtain a monocrystalline structure.

Auf diese Weise können für Gasturbinen Läuferscheiben mitsamt den Schaufelkränzen in einem Stuck vergossen werden. Um eine weitere Erhöhung der Warmfestigkeit und Kriechfestigkeit zu erreichen, kann sich an das Gießen eine Wärmebehandlung üblicher Art anschließen.In this way, carriers can be used for gas turbines together with the Blade rings are cast in one piece. To further increase the heat resistance and to achieve creep resistance, casting can be heat treatment connect in the usual way.

Als vorteilhaft hat sich eine Legierung folgender Zusammensetzung (in Gew.-%) erwiesen: Cr - 30 % Fe - 0,2 % Ce - 1,5 % Hf - 0,1 fio N.An alloy of the following composition has proven to be advantageous (in% by weight) proven: Cr - 30% Fe - 0.2% Ce - 1.5% Hf - 0.1 fio N.

Ein Gußkörper aus dieser Legierung besitzt nach dem Vergießen in herkömmlicher Weise eine Übergangstemperatur duktil/spröde von etwa 4000C. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im einkristallinen Zustand hergestellt, liegt die Ubergangstemperatur duktil/sprode des Gußkörpers im Bereich der Raumtemperatur.A cast body made of this alloy has after casting in conventional Way a ductile / brittle transition temperature of about 4000C. According to the invention Process produced in the monocrystalline state, is the transition temperature ductile / brittle of the cast body around room temperature.

Mit der Erfindung wird die einstückige Herstellung von Schaufelkränzen, auch solche in Verbindung mit den Rotorscheiben, ermöglicht.With the invention, the one-piece production of blade rings, also those in connection with the rotor disks, enables.

Claims (7)

PatentansprücheClaims 1. Gußkorper, insbesondere Feinguß- oder Formgußkörper, aus einer Legierung auf der Basis von Chrom, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus einem Einkristall oder aus gerichteten Kristallen besteht.1. Gußkorper, in particular precision castings or castings, from one Alloy based on chromium, characterized in that it consists of a Consists of single crystal or of oriented crystals. 2. Gußkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die <001> Kristallrichtung in der Hauptbeanspruchungsrichtung des Gußkörpers liegt.2. Cast body according to claim 1, characterized in that the <001> Crystal direction lies in the main direction of stress of the cast body. 3. Gußkorper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung 5 bis 50 Gew.-% Eisen und/oder Kobalt und/oder Nickel sowie 1 bis 25 Gew.-% Niob und/oder Tantal und/oder Molybdän und/oder Wolfram und/oder Rhenium enthält und bis zu 2 Gew.-% an Yttrium und/oder seltenen Erden und/oder Aluminium sowie bis zu 1 Gew.-% Bor und/ oder Kohlenstoff und/oder Stickstoff und/oder Silizium in Verbindung mit Zusätzen an borid-, carbid-, nitrid- oder silizidbildenden Metallen aufweist.3. Gußkorper according to claim 1 or 2, characterized in that the Alloy 5 to 50% by weight iron and / or cobalt and / or nickel and 1 to 25% by weight Contains niobium and / or tantalum and / or molybdenum and / or tungsten and / or rhenium and up to 2% by weight of yttrium and / or rare earths and / or aluminum as well up to 1% by weight boron and / or carbon and / or nitrogen and / or silicon in connection with additives of boride-, carbide-, nitride- or silicide-forming metals having. 4. Gußkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anteile an Eisen und/oder Kobalt und/oder Nickel insgesamt 10 bis 35 Gew.-% und die Anteile an Niob und/ oder Tantal und/oder Molybdän und/oder Wolfram und/oder Rhenium insgesamt 2 bis lO Gewr-% betragen.4. Cast body according to claim 3, characterized in that the proportions of iron and / or cobalt and / or nickel in total 10 to 35% by weight and the proportions of niobium and / or tantalum and / or molybdenum and / or tungsten and / or rhenium in total 2 to 10% by weight. 5. Gußkörper nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese zu Rotor- und/oder Statorschaufeln für Gasturbinen, insbesondere zu einstückigen Schaufelkränzen, auch in Verbindung mit Rotorscheiben, ausgebildet sind.5. Cast body according to claim 1 to 4, characterized in that this to rotor and / or stator blades for gas turbines, in particular to be made in one piece Blade rings, also in connection with rotor disks, are formed. 6. Verfahren zur Herstellung der Gußkörper nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzen der Legierungen in etwa auf die Temperatur der Schmelzen erhitzte keramische Formen vergossen werden und daß dann die Wärme gerichtet abgeführt wird.6. A method for producing the cast body according to claim 1 to 5, characterized in that the melts of the alloys at approximately the same temperature the melting heated ceramic molds are poured and that then the heat directed away. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzen der Legierungen in rotierende Formen vergossen werden, die an ihrem Umfang beispielsweise eine ringförmige Kühlwasserführung aufweisen.7. The method according to claim 6, characterized in that the melts the alloys are cast in rotating molds, for example have an annular cooling water duct.
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