DE2109804A1 - Kompositlegierung - Google Patents

Description

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PATENTANWALT DIPL-ING. R. MOLLER-BORNER PATENTANWALT DIPL-ING. HANS-H. WEY BERLI N-DAHLEM 33 . PODBI ELS KIALLEE 68 8 MÖNCHEN 22- WIDENM AVER STR AS SE 49 TEL. 0311 . 762907 · TELEGR. PROPINDUS . TELEX 0184057 TEL. 0811 · 225585 . TELEGR. PROPINDUS · TELEX 0524244

Berlin, den 23» Februar 1971

Europäische Atomkerneinschaft (3UHAT0M) Europazentrum Kirchberg / !Luxemburg

Kompositlegierung

Die Erfindung "bezieht sich, auf eine Kompositlegierung, die aus einer Matrix "besteht, in welcher sich Fasern oder Lamellen aus einer intermetallischen Verbindung befinden.

Bekannte Legierungen, aus welchen Gegenstände hergestellt werden, die lange Zeit, beispielsweise 10 000 Stunden oder mehr, hohen Temperaturen in der Grössenordnung von 800 bis 1000° C ausgesetzt werden, sind oft Legierungen auf Nickelbasis mit als Legierungsbestandteil einem oder mehreren der folgenden Metalle: Gr, Al, Co, Fe, Ti, Mo, Mn, und W. Gut bekannt sind besonders ternäre Legierungen auf Nickelbasis mit einerseits als Legierungsbestandteil einem der Metalle Gr, Al und Co und andererseits als drittem Bestandteil einem der Metalle Fe, Ti, Mo, Mn und W. Die Bestandteile dieser Legierungen sind oft als feste Lösung in der Nickelmatrix vorhanden, aber auch in Form von einzelnen Teilchen über die Matrix verteilt. Diese Teilchen bestehen aus intermetallischen Verbindungen und sind oft die Ursache der besonders

guten Eigenschaften bestimmter Legierungen. Als Beispiele dieser intermetallischen Verbindungen können die Verbindungen aus Ni und Al und aus Ni, Al und Ti genannt werden. Nun ist es oft so, daß die zuerst in der Matrix fein und homogen verteilten Teilchen, die zu einer besonders starken Legierung führten, bei lange anhaltendem Verbleib auf hoher Temperatur die Neigung haben, zu grösseren Einheiten zu koaleszieren oder zu agglomerieren, was auf Kosten der mechanischen Festigkeit des Materials geht.

Nun hat man festgestellt, daß eine Kompositlegierung auf Nickelbasis, bei welcher sich in der Nickelmatrix Fasern oder Lamellen aus der Verbindung Ni~Ta befinden, nicht nur bei hoher Temperatur bessere Eigenschaften hat als bekannte Legierungen, sondern diese Eigenschaften auch noch nach langer Verweilzeit auf hohen Temperaturen behält.

Die Legierung nach der Erfindung enthält bezogen auf das Gesamtgewicht höchstens 1 Gew.-% Verunreinigungen, wie die Metalle Cu, ¥, Cr, Pe, Al, Mn und sonstige in Legierungen auf Nickelbasis häufig vorkommende Elemente sowie ferner bezogen auf das Gesamtgewicht 30 bis 50 Gew.-fo Tantal, während der Rest Nickel ist.

Sehr, gute Ergebnisse wurden bei einer Legierung erzielt, die 37 Gew.-?j Tantal enthielt, was 16 Atom-·^ entspricht. Es ist nicht notwendig, daß das in der Legierung vorhandene gesamte Tantal in Form der Verbindung Ni^Ta in den Fasern oder Lamellen festgelegt ist, obwohl dies bei Anwendung niedrigerer Prozentsätze Tantal doch der Fall sein wird, wobei ein kleiner Teil

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des Tantals also auch in fester Lösung in der Nickelmatrix vorhanden sein kann, jedoch bestehen die Fasern oder Lamellen stets aus der genannten intermetallischen Verbindung.

Diese Fasern oder Lamellen haben ein kleineres Oberflächen-Volumen-Verhältnis als ausgefällte Teilchen, wodurch die thermodynamisch^ Stabilität grosser ist.

Die Legierung nach der Erfindung ist gut verwendbar zur Herstellung von Gegenständen, die in bestimmter Richtung bei hoher Temperatur stark belastet werden wie beispielsweise die Schaufeln einer Turbine. In diesem Falle wird die Legierung so hergstellt, daß die Fasern oder Lamellen eine vorbestimmte Richtung haben. Legierungen nach der Erfindung, bei welchen die Fasern oder Lamellen willkürliche Richtungen haben, sind jedoch nicht ausgeschlossen.

Die Legierungen können auf verschiedene Weise hergestellt werden. Man kann beispielsweise die Fasern aus Ni-,Ta vorher herstellen und.sie dann mit schmelzflüssigem Nickel infiltrieren, sie mit Nickelpulver zusammen kalt pressen und dann sintern oder sie zusammen mit Nickel strangpressen, jedoch gibt man einem Verfahren den Vorzug, bei welchem man von einer schmelzflüssigen Legierung aus den gewünschten Bestandteilen ausgeht und dann diese Schmelze in vorbestimmter Richtung abkühlen und festwerden lässt. Bei diesem Verfahren fällen sich die Ni,Ta-Fasern (whiskers) aus der Flüssigphase aus und erhalten dabei eine mehr oder weniger gleichmässige Richtung.

Dieses Verfahren ist durchführbar, indem eine senkrechte Säule aus dem schmelzflüssigen Material durch eine horizontal angeord-

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Biete Kühlzone hindurchbewegt wird. Dies ist beispielsweise möglich mit einer in der "beigefügten Zeichnung sehematiseh und nicht maßstabgerecht dargestellten Vorrichtung.

In dieser Zeichnung "bedeutet 1 ein Rohr» in welchem eine Schutzatmosphäre "beispielsweise aus Argon aufrechterhalten werden kann« Dieses Bohr ruht mit einem Flansch 2 auf einen Tisch 5· Diese drei Bestandteile sind feststehend angebracht» während ein Tiegel 6 aus Graphit mit Gfraphitboden 5 und (Jraphit-Aussenmantel 4 senkrecht verschiebbar ist, indem der Teil 4 in dem Flansch 2 gleitet. Der Antriebsmechanismus für diese Bewegung ist bei 7 schematisch dargestellt, und die Bewegungsrichtung ist durch den Pfeil 8 angedeutet. Die noch ungeschmolzenen Iegierungsstücke mit der erforderlichen Zusammensetzung sind mit 9 bezeichnet. Das bereits geschmolzene, durch Hochfrequenz-Heizelemente 11 erhitzte Vormaterial ist mit 10 bezeichnet. Die Erstarrungsfront befindet sich bei 12, und die Abkühlung wird beim Abwärtsbewegen der Schmelze mit Hilfe ringförmiger, horizontal angeordneter Wasserspritzdüsen 13 herbeigeführt. Über den Auslass 14 kann durch Absaugen ein Vakuum heimstellt und dann gegebenenfalls Schutzgas zugeführt werden.

Dieses Verfahren, bei welchem in einer bestimmten Richtung abgekühlt wird, hat verschiedene Vorteile wie Einfachheit, gute Reproduzierbarkeit und verhältnismässig niedrige Kosten, während man ein Material mit orientierten Fasern erhält, die über die Matrix gleichmässig verteilt und gut in sie eingebettet sind.

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Eine auf diese Weise hergestellte Legierung nach der Erfindung, die "bezogen auf das Gesamtgewicht 37 Gew.-^ Tantal enthielt und ausser den üblichen Verunreinigungen im übrigen aus Nickel bestand, hatte einen Schmelzpunkt von 1360° C. Bei 800° G wurden eine Zugfestigkeit von 70 kg/mm und eine Gesamtdehnung von 2 tfo gemessen.

Eine vergleichbare bekannte Legierung, nämlich eine Legierung mit der Handelsbezeichnung "Nimonic 80 A", die ausser Nickel etwa 20 Gew.-$ Chrom, 5 G-ew.-$ Eisen und geringe Mengen in der. Grössenordnung von 1 bis 2,5 Gew.-^ Titan, Kobalt, Aluminium, Mangan und Silizium enthält, hatte unter den gleichen Umständen (800°) eine Zugfestigkeit von 50 kg/mm und eine Gesamtdehnung von 21 i».

Patentansprüche

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o 9 8 L η /11 η

Claims (5)

31098Q4 Patentansprüche

1. Kompositlegierung aus einer Matrix, in welcher sich Fasern oder Lamellen aus einer intermetallischen Verbindung befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus Nickel, 30 bis 50 Gew.-^ Tantal und höchstens 1 Gew.-$ Verunreinigungen besteht und dass die Fasern oder Lamellen aus der Verbindung Ni^Ta bestehen.

2· Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 37 Gew.-$> Tantal enthält.

3. Geformte Gegenstände, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus der Legierung nach Anspruch 1 oder 2 bestehen.

4. Verfahren zur Herstellung von Legierungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein schmelzflüssiges Gemisch (10) aus den gewünschten Bestandteilen in vorbestimmter Richtung abgekühlt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine senkrechte Säule aus dem Schmelzflussigen Material durch eine horizontal angeordnete Kühlzone (13) hindurchbewegt wird.

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