DE2105750C3 - Use of a chromium-based alloy for the production of investment castings or shaped cast grains - Google Patents
Use of a chromium-based alloy for the production of investment castings or shaped cast grainsInfo
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Description
Die F.rfindung bezieht sich auf die Verwendung bestimmter Legierungen auf der Basis von Chrom zur Herstellung von aus einem Einkristall oder aus einem Gefüge mit gerichtet erstarrten Kristalliten bestehenden Feinguß- oder Formgußkörpern.The invention relates to the use of certain alloys based on chromium for Manufacture of existing from a single crystal or from a structure with directionally solidified crystallites Investment castings or castings.
Auf vielen Gebieten der Technik steigen die Anforderungen an die Belastbarkeit und Zuverlässigkeit der verwendeten Werkstoffe. So ließe sich z. B. die Wirt- »chaftlichkeit und Leistungsfähigkeit von Gasturbinen noch steigern, wenn mit höheren Gastemperaturen gearbeitet werden könnte. Dies setzt jedoch voraus, daß Werkstoffe mit gleichzeitig höherer Kriechfestigkeit, Zähigkeit, Temperaturwechsel- und Korrosionsbeständigkeit gefunden und verwendet werden.In many areas of technology, the demands on the resilience and reliability of the materials used. So z. B. the economy and efficiency of gas turbines increase if higher gas temperatures could be used. However, this assumes that materials with simultaneously higher creep resistance, toughness, temperature change and corrosion resistance can be found and used.
Für die heute im Gasturbinenbau gebräuchlichen Superlegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis ist eine wesentliche Steigerung der Kriechfestigkeit nicht zu erwarten. Der Einsatz 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 Überzügen kann dieses Problem heute nicht befriedigend gelöst werden. Außerdem besitzen besonders die Legierungen auf der Basis von Tantal und Wolfram eine nachteilig hohe Dichte.For the superalloys based on nickel or cobalt that are commonly used in gas turbine construction today, there is one significant increase in creep strength not expected. The use of alloys on the basis of refractory metals such as niobium, tantalum, molybdenum and tungsten will only be possible if the completely inadequate oxidation and corrosion resistance is improved. Even with covers this problem cannot be solved satisfactorily today. In addition, the alloys in particular have a disadvantageously high density based on tantalum and tungsten.
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 Übergangstemperatur duktil/spröde, d. h. der Temperatur beim Übergang vom spröden zum duktilen Zustand, entgegen.The only refractory metal that has both great oxidation and corrosion resistance as well as having a low density, it is chromium. The use of chromium as an alloy base is available however, the disadvantage of the high transition temperature ductile / brittle, i.e. H. 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 Preises nicht wirtschaftlich einzusetzen.The transition temperature is ductile / brittle in the case of high-purity iodide-chromium and chromium-rhenium alloys in the range of room temperature, but these two materials are because of their not economical to use at a high price.
Auch ist es bekannt, daß die Übergangstemperatur duktil/spröde von Elektrolytchrom durch Zugabe von mehr als 10 Gewichtsprozent Eisen, Kobalt oder Nickel sowie von maxima! 2 Gewichtsprozent an Yttrium, seltenen Erden und des weiteren von Bor, Kohlenstoff, Stickstoff oder Silizium in Verbindung mit stöchiometrischen Zusätzen an borio .arbid-, nitrid- oder silizidbildenden Metallen westmlich gesenkt werden kann. Beispielsweise gelang es durch Zugabe von 30 Gewichtsprozent Eisen und 0,1 Gewichtsprozent Yttrium die Übergangstemperatur von Elektrolytchrom um 400 C zu verringern (»Zur Situation auf dem Gebiet der hochwarmfesten Chromlegierungen«, Dr. P. Esslinger, S. Schmid, Luftfahrttechnik - Raumfahrttechnik 15, 1969, S. 253 bis 257). Eine weitere Senkung der Übergangstemperatur duktil/spröde ist jedoch durch legierungstechnische nahmen mit vertretbarem Aufwand nicht zu erwarten.It is also known that the transition temperature ductile / brittle of electrolyte chromium by adding more than 10 percent by weight iron, cobalt or nickel as well as from maxima! 2 percent by weight Yttrium, rare earths and also boron, carbon, nitrogen or silicon in combination with stoichiometric additions of borio, carbide, Nitride- or silicide-forming metals are lowered to the west can be. For example, it was possible to add 30 percent by weight of iron and 0.1 percent by weight Yttrium to reduce the transition temperature of electrolyte chrome by 400 C (»Zur Situation in the field of heat-resistant chrome alloys «, Dr. P. Esslinger, S. Schmid, Aviation Technology - Raumfahrttechnik 15, 1969, pp. 253 to 257). Another lowering of the transition temperature ductile / brittle, however, is not to be expected with reasonable effort due to alloy engineering.
Es ist auch bereits bekannt, daß hochwarmfeste Gußkörper, wie Turbinenschaufeln, eine hohe Kriechfestigkeit, hohe Zähigkeit und hohe Temperaturwechselbeständigkeit besitzen, wenn sie keine Korngrenzen quer zur Beanspruchungsrichtung des Gußkörpers aufweisen, d. h. wenn sie einkristallin erstarrt sind oder solche Kristalle mit bevorzugter <001>-Orientierung aufweisen. Verwendet wurden für solche Gußkörper allerdings bisher nur Legierungen mit einer kubisch flächenzentrierten Kristallstruktur (USA.-Patentschrift 3 494 709). Bei solchen Legierungen, die grundsätzlich auch bei Raumtemperaturen duktil sind, stellt sich jedoch - im Gegensatz zu den kubisch raumzentrierten Legierungen auf der Basis von Chrom in keinem Fall das Problem der Übergangstemperatur duktil/spröde.It is also already known that high-temperature cast bodies, such as turbine blades, have a high creep resistance, have high toughness and high thermal shock resistance if they have no grain boundaries have transverse to the direction of stress on the cast body, d. H. if they have solidified as a single crystal or those crystals with a preferred <001> orientation exhibit. So far, however, only alloys with a cubic shape have been used for such cast bodies face-centered crystal structure (U.S. Patent 3,494,709). With such alloys, in principle are ductile even at room temperatures, however - in contrast to the body-centered cubic ones Alloys based on chromium in no case do not have the problem of transition temperature ductile / brittle.
Entsprechendes gilt auch für die nach der deutschen Auslegeschrift I 195 053 verwendeten Legierungen zum Gießen von Turbinenschaufeln. Bei den Legierungen nach dieser Literaturstelle ist nämlich zu beachten, daß sich die Basismetalle Nickel (flächenzentriert) und Kobalt (hexagonal übergehend in flächenzentriert) in Struktur und Eigenschaften nahezu identisch verhalten und daß beide Metalle schon bei Raumtemperatur duktil sind. In praktisch allen bekannten Superlegierungen sind daher Nickel und Kobalt weitgehend gegenseitig austauschbar. Maßgebend ist stets die Summe aus Nickel und Kobalt, weshalb man auch von Nickel-Kobalt-Basislegierungen spricht.The same applies to the alloys used in accordance with German Auslegeschrift I 195 053 for casting turbine blades. With the alloys according to this reference it should be noted that that the base metals nickel (face-centered) and cobalt (hexagonal transitioning into face-centered) behave almost identically in structure and properties and that both metals are already at Are ductile at room temperature. In practically all known superalloys are therefore nickel and Cobalt is largely interchangeable with one another. The sum of nickel and cobalt is always decisive, which is why one also speaks of nickel-cobalt-based alloys.
Chrom mit üblicher Reinheit verhält sich dagegen grundsätzlich anders als Nickel oder Kobalt. Es ist kubisch raumzentriert und unterhalb von etwa 700" C sehr spröde. Die bekannten Chrombasislegierungen sind daher, sobald sie einen Chromgehalt über etwa 50 °0 besitzen, unterhalb einer legierungsabhängigen Temperatur zwischen 300 und 800° C extrem spröde, oberhalb dieser Übergangstemperatur jedoch duktil. Es leuchtet ohne weiteres ein, daß die Sprödigkeit dieser Legierungen unterhalb der Übergangstemperatur, die beispielsweise im Bereich der Betriebstemperatur von Triebwerken liegt, die Verwendbarkeit solcher Legierungen erheblich einschränkt.Chromium with the usual purity, on the other hand, behaves fundamentally different to nickel or cobalt. It is body centered cubic and below about 700 "C is very brittle. The known chromium-based alloys are therefore once they have a chromium content above about 50 ° 0, below an alloy dependent temperature between 300 and 800 ° C extremely brittle, above this transition temperature, however, ductile. It is obvious that the brittleness of these alloys below the transition temperature, which is, for example, in the range of the operating temperature of engines, considerably limits the usability of such alloys.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zur Herstellung von Feinguß- oder Formgußkörpern, die aus einem Einkristall oder aus einem Gefüge mit gerichtet erstarrten Kristalliten bestehen, die Verwendung einer Legierung auf der Basis von Chrom vorzu-The invention is therefore based on the object for the production of investment castings or castings, which consist of a single crystal or a structure with directionally solidified crystallites, the use an alloy based on chromium.
schlagen, so daß der Gußkörper sowohl eine hohe Warmfestigkeit und Kriechfestigkeit als auch eine erheblich verbesserte Kerbschlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen besitzt.beat, so that the cast body has both high heat resistance and creep resistance as well significantly improved notched impact strength at depths Temperatures.
Es hat sich nun herausgestellt, daß diese Aufgabe durch Verwendung der in Anspruch I in ihrer Zusammensetzung näher beschriebenen Legierungen gelöst werden kann. Eine derartige Legierung hat als bekannt zu gelten, denn aus R. F. Hehemann, G. Mervin AuIt: »High Temperature Materials« (1959) S. 223 und 224. Fig. Il ist eine Chromlegierung mit 60% Chrom, 35% Eisen und 5% Molybdän bekannt, deren Analysenwerte in die Konzentraiionsberciche der Zwangskomponenten der im Anspiuch 1 genannten Legierung fallen.It has now been found that this object can be achieved by using the alloys described in more detail in claim I in terms of their composition can be solved. Such an alloy is to be regarded as known, because from R. F. Hehemann, G. Mervin AuIt: "High Temperature Materials" (1959) pp. 223 and 224. Fig. II is a chrome alloy with 60% chromium, 35% iron and 5% molybdenum known, their analysis values in the concentration ranges of the compulsory components of the in claim 1 mentioned alloy fall.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung weist der Gußkörper ein Gefüge auf, bei dem die <001>-Kristallrichtung in der Hauptbeanspruchungsrichtung des Gußkörpers liegt.According to an advantageous embodiment of the invention, the cast body has a structure in which the <001> crystal direction lies in the main direction of stress on the cast body.
Die erfindungsgemäß verwendeten Chrombasislegierungen sind sümtlich kubisch raumzentriert und wären daher, wenn sie nicht die angegebene besondere Kristallstruktur besitzen wurden, bis hinauf zu mehreren Hundert Grad Celsius sehr spröde und daher z. B. für Turbinenschaufeln nicht geeignet.The chromium-based alloys used according to the invention are all body-centered and cubic would therefore, if they did not have the specified special crystal structure, up to several hundred degrees Celsius and therefore very brittle z. B. not suitable for turbine blades.
Zur Herstellung der Gußkörper kann ein Verfahren verwendet werden, bei dem die Schmelzen der erfindungsgemäß verwendeten Legierungen in ungefähr auf die Temperatur der Schmelzen erhitzte keramische Formen vergossen werden; sodann wird die Wärme gerichtet abgeführt.To produce the cast bodies, a method can be used in which the melts of the alloys used according to the invention are approximately increased the temperature of the melts heated ceramic molds are poured; then the heat directed dissipated.
Ferner können die Schmelzen der erfindungsgemäß verwendeten Legierungen in rotierende Formen vergossen werden, die an ihrem Umfang beispielsweise eine ringförmige Kühlwasserführung aufweisen.Furthermore, the melts of the alloys used according to the invention can be poured into rotating molds which, on their circumference, for example have an annular cooling water duct.
Schmelzen der erfindungsgemäß verwendeten Legierungen wurden in für den Feinguß besonders geeignete, aufgeheizte keramische Formen eingegossen und anschließend die Wärme etwa aus der Basis der Form durch eine wassergekühlte Metallplatte, wie Kupferplatte, gerichtet abgeführt. Dabei bewegt sich eine nahezu ebene Erstarrungsfront vom Fuß bis zur Spitze des erstarrten Gußstücks. 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 Gußkörpers in einer Kristallrichtung, insbesondere in der >00l>-Richtung ein. Die Verwendung von Impfkristallen ist nicht nötig. Bei einer Steigerung der Abkühlungsgeschwindigkeit bildet sich ein Geiügc aus sehr langgestreckten parallelen Kristallkörnern vom Fuß bis zur Spitze des Gußkörpers. Auch diese Kristallkörper besitzen eine Vorzugsorientierung. Die erfindungsgemäß zur Herstellung der Gußkörper verwendeten Legierungen auf Chrombasis weisen im einkristallinen Zustand eine um mehrere hundert Grad erniedrigte Übergangstemperatur duktil/spröde sowie eine relativ hohe KerbschlagzähigkeitMelts of the alloys used according to the invention were made in particularly suitable for investment casting, Heated ceramic molds are poured in and then the heat is roughly extracted from the base of the mold directed away by a water-cooled metal plate, such as a copper plate. One moves Almost flat solidification front from the foot to the tip of the solidified casting. With proper heat dissipation, taking the right speed in each Individual cases must be determined depending on the alloy and the shape of the cast body an orientation of the solidifying cast body in a crystal direction, in particular in the > 00l> direction. The use of seed crystals is not necessary. When the cooling rate is increased, a mixture of very elongated, parallel crystal grains is formed from the base to to the tip of the cast body. These crystal bodies also have a preferred orientation. The chromium-based alloys used according to the invention for producing the cast bodies have one by several in the monocrystalline state A hundred degrees lower ductile / brittle transition temperature and a relatively high notched impact strength
ίο bei Raumtemperatur auf. Auch die gerichtet erstarrten Gußkörper aus der erfindungsgemäß verwendeten Legierung mit einem Gefüge aus langgestreckten Kristallkörnern zeigen eine deutliche Verminderung der ÜbergangstemperaturÄiktil/spröde und eine erheblichίο at room temperature. Even the directed froze Cast body made of the alloy used according to the invention with a structure of elongated Crystal grains show a marked decrease in Transition temperature Äiktil / brittle and a considerable
»3 verbesserte Kerbschlagzähigkeit. Auf Grund ihres gerichteten Gefügeaufbaus weisen die gerichtet erstarrten und einkristallinen Legierungen sowie die entsprechenden Gußkörper eine verbesserte Warmfestigkeit und erhöhte Kriechfestigkeit auf. Sowohl die einkristallinen»3 improved notched impact strength. Due to their directional structure, the directionally solidified and monocrystalline alloys and the corresponding castings have improved heat resistance and increased creep resistance. Both the single crystal
a° als auch die gerichtet erstarrten Gußkörper sind im Vergleich zu nicht gerichtet erstarrten Werkstücken weit weniger anfällig gegen eine Versprödung durch Stickstoff bei hohen Temperaturen. a ° and the directionally solidified cast bodies are, compared to non-directionally solidified workpieces, far less susceptible to embrittlement due to nitrogen at high temperatures.
a5 Tantal und/oder Molybdän und/oder Wolfram und/ oder Rhenium weist die erfindungsgemäß als Gußwerkstoff mit einkristalliner oder gerichtet erstarrter Struktur verwendete Legierung zusätzlich hohe Duktilität bei tiefen Temperaturen auf. a 5 Tantalum and / or molybdenum and / or tungsten and / or rhenium, the alloy used according to the invention as a cast material with a monocrystalline or directionally solidified structure also has high ductility at low temperatures.
Auf Grund des erfindungsgemäßen Vorschlags ist es daher erstmals möglich, Turbinenschaufeln im Feinguß aus Chromlegierungen herzustellen, die zugleich eine ausreichende Warmfestigkeit und Kriechfestigkeit sowie eine hohe Kerbschlagzähigkeit bei tiefer TempeDue to the proposal according to the invention, it is therefore possible for the first time to manufacture turbine blades in precision casting from chromium alloys, which at the same time Sufficient heat resistance and creep resistance as well as high notched impact strength at low temperatures ratur aufweisen.have rature.
Ferner ist es möglich, integral vergossene Schaufelkränze aus den vorgenannten Legierungen im Schleudergußverfahren herzustellen. Dabei werden diese Legierungen in eine entsprechend geformte, rotierendeIt is also possible to produce integrally cast blade rings from the aforementioned alloys using the centrifugal casting process. Thereby these Alloys in a correspondingly shaped, rotating
und etwa auf die Temperatur der Schmelze aufgeheizte keramische Form vergossen, die an ihrem Umfang eine beispielsweise ringförmige Kühlwasserführung aufweist, um von außen nach innen ein gerichtet erstarrtes oder einkristallin ausgebildetes Gefüge zu erhalten.and heated approximately to the temperature of the melt Cast ceramic mold, which has an, for example, ring-shaped cooling water duct on its circumference, in order to move a directionally solidified from the outside to the inside or to obtain a monocrystalline structure.
Auf diese Weise können für Gasturbinen Läuferscheiben mitsamt den Schaufelkränzen in einem Stück vergossen werden. Um eine weitere Erhöhung der Warmfestigkeit und Kriechfestigkeit zu erreichen, kann sich an das Gießen eine Wärmebehandlung üblicher ArtIn this way, rotor disks for gas turbines can be cast together with the blade rings in one piece. In order to achieve a further increase in the heat resistance and creep resistance, a heat treatment of the usual kind to the casting anschließen.connect.
Claims (2)
Obis 2% Yttrium und/oder seltene Erdmetalle10 to 35% iron and / or cobalt and / or nickel, 2 to 10% niobium and / or tantalum and / or molybdenum and / or tungsten and / or rhenium,
Obis 2% yttrium and / or rare earth metals
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