DE2208177A1

DE2208177A1 - Aushärtbare Nickel-Gußlegierung

Info

Publication number: DE2208177A1
Application number: DE19722208177
Authority: DE
Inventors: Stuart Walter Ker Sutton Coldfield Warwickshire; James Nigel Anthony Edgbaston Birmingham; Shaw (Großbritannien). M
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1971-02-23
Filing date: 1972-02-22
Publication date: 1972-10-05
Also published as: BE779742A; IT948666B; US3832167A; CA967403A; FR2127705A5

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dr.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen

Patentanwälte · 4ooo Düsseldorf · Cecilienallee 76 · Telefon -43573a

22U81V7

Unsere Akte: 27 243 21. Februar 1972

International Nickel Limited, Thames House, Millbank, London S.W. 1/ England

"Aushärtbare Nickel-Gußlegierung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine aushärtbare Nickel-Gußlegierung.

Bei Legierungen, die langfristig hohen Belastungen bei erhöhter Temperatur ausgesetzt sind, beispielsweise bei Gasoder Dampfturbinenteilen ist die angemessene Zugdehnung bzw. Zähigkeit im Temperaturbereich von 600 bis 900⁰C sehr problematisch. Schwierigkeiten ergeben sich dabei insbesondere im Falle hochfester Legierungen mit niedrigem Chromgehalt.

Aus der belgischen Patentschrift 732 244 ist es bereits bekannt, die Zwischentemperatur-Duktilität bestimmter aushärtbarer Nickel-Legierungen durch 0,1 bis k% Hafnium zu verbessern. Hafniumzusätze in dieser Größenordnung verbessern außerdem die Zeitstandfestigkeit bei Temperaturen unter 900⁰C. Hafniumgehalte von 1,5% oder mehr führen jedoch bei Gußlegierungen häufig zu Mikroporosität, insbesondere bei großen Querschnitten, so daß sich durch Hafnium die technologischen Eigenschaften nur bedingt verbessern lassen.

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Die Erfindung basiert auf der überraschenden Feststellung, daß sich die Warmeigenschaften gegossener und mittels Aluminium verfestigter Nickel-Legierungen dann verbessern lassen, wenn sie sowohl Hafnium als auch littrium enthalten. Im einzelnen wird unter Beibehaltung einer ausreichenden Zugduktilität die Zeitstandfestigkeit bis 90O⁰C verbessert.

Die Erfindung besteht mithin darin, einer Legierung mit O bis 20% Chrom, beispielsweise 2 bis 20% Chrom, 3 bis 896 Aluminium, 0 bis 8% Titan bei einem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium von 4 bis 12%, 0 bis 20% Kobalt, 0 bis 20% Wolfram, 0 bis 3% Eisen, 0 bis 8% Molybdän, 0 bis 9% Tantal, 0 bis 4% Niob, 0 bis 1,5% Vanadin, 0 bis 1,5% Zirkonium, 0 bis 0,3% Bor, bis 0,3% Kohlenstoff, bis 0,5% Mangan und Ms 0,3% Silizium, Rest mindestens 30%, vorzugsweise mindestens 50& Nickel einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinig gungen, 0,25 bis 3% Hafnium und 0,005 bis 0,15% Atrium zuzusetzen.

Vorzugsweise übersteigt der Chromgehalt 14,5% nicht und beträgt beispielsweise 5 bis 13%, während der Ytriumgehalt 0,1% nicht übersteigt. Vorteilhafterweise enthält die Legierung außerdem 0,03 bis 0,2% Kohlenstoff, 4,5 bis 7% Aluminium und 0,02 bis 0,7% Zirkonium, höchstens 12% Wolfram, 5% Tantal, 5% Titan und 0,03% Bor.

Eine besonders bevorzugte Legierung enthält 0,03 bis 0,2% Kohlenstoff, 5 bis 13% Chrom, 0 bis 20% Kobalt, 0 bis 8% Molybdän, 0 bis 12% Wolfram, 0 bis 4% Niob, 0 bis 5% Tantal, 0 bis 5% Titan, 4,5 bis 7% Aluminium, 0,02 bis 0,2% Zirkonium, 0 bis 0,03% Bor, 0,25 bis 3% Hafnium und 0,005 bis 0,1% "fttrium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen mindestens 30% Nickel.

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Vorzugsweise werden bei der vorerwähnten Legierungszusammensetzung die Gehalte an Molybdän und Wolfram in der Weise aufeinander abgestimmt, daß die Legierung entweder O bis 4% Molybdän und 6 bis 12% Wolfram oder 2 bis 7% Molybdän und O bis 5% Wolfram enthält. Bei allen Legierungen beträgt der Yttriumgehalt vorzugsweise 0,008 bis 0,08% und der Hafniumgehalt vorzugsweise 0,3 bis 1,5%. Das Yttrium kann mindestens teilweise durch gleiche Mengen Lanthan ersetzt werden.

Die Legierung wird vorteilhafterweise im Vakuum erschmolzen, beispielsweise im Vakuum-Induktionsofen, wobei Hafnium und Yttrium im Anschluß an die Vakuumbehandlung bzw. vor dem Gießen zugesetzt werden. Das Gießen erfolgt unter Schutzgas oder im Vakuum.Die Legierung kann auch vor der Zugabe von Yttrium und Hafnium noch im Vakuum gefeint werden, beispielsweise durch längeres starkes Umwälzen der Schmelze im Vakuum-Induktionsofen. Dies kann beispielsweise 15 bis 60 Minuten bei 1400 bis 1600⁰C, vorzugsweise bei etwa 1500⁰C, und einem Druck bis 100 Mikron, vorzugsweise von höchstens 10 Mikron oder besser noch von höchstens 2 Mikron, vor der Zugabe des Yttriums und Hafniums geschehen. Das Vakuumfeinen erfolgt vorzugsweise etwa 30 Minuten bei einem Druck von etwa 1 Mikron im Vakuum-Induktionsofen, wobei sich der Tiegel zur Gänze innerhalb der Ofenspule befindet und zu einem bis zwei Dritteln gefüllt ist, so daß sich der obere Teil der Induktionsspule oberhalb des ruhenden Badspiegels befindet. Auf diese Weise kann die Rührintensität verbessert werden. Yttrium und Hafnium können auch unter Schutzgas, beispielsweise unter Argon, bei mäßigem Druck von beispielsweise 100mm QS zugesetzt werden.

Die Zusätze an Yttrium und Haffnium bewirken in erster Linie eine Verbesserung der Zeitstandfestigkeit, obgleich sich auch

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im gesamten Legierungsbereich eine Verbesserung der Warm-Zugduktilität ergibt.

Um die vorerwähnte Verbesserung der technologischen Eigenschaften zu veranschaulichen, wurden zwei Legierungen der nachfolgend angegebenen Zusammensetzung erschmolzen.

Tabelle I

Legierung C Cr Co Mo W Nb Ta Al Ti Zr B Ni (%) (%) (%) (#) (°/) (%) (%) (%)(%) (%) (%) (%

0.13 5.8 - 2.02 10.9 1.3 - 6.0 - 0.13 0.018 Rest 0.14 9.1 9.7 - 9.6 - 1.9 5.5 1.50.16 0.02

Von jeder Legierung wurden 35 kg in einem 55 kg-Vakuum-Induktionsofen mit 3 kc/s erschmolzen und zu 10 kg Stäben vergossen, von denen 4 kg-Stücke in einem 4 kc/s Vakuum-Induktionsofen mit einem Fassungsvermögen von 10 kg umgeschmolzen wurden. Verschiedene Gehalte an Yttrium und Hafnium wurden einzeln und nebeneinander unter Argon bei einem Druck von 100 mm QS den 4 kg-Schmelzen zugesetzt und jede Schmelze in eine vorgewärmte feuerfeste Form vergossen, um geeignete Probestücke zu erhalten. In ähnlicher Weise wurde eine weder Yttrium noch Hafnium enthaltende Vergleichslegierung erschmolzen und vergossen.

7 0 f.) HAI/ Ü B b B

Aus den keilförmigen Gußstücken wurden Probestäbe herausgearbeitet und dem Kurz-Zugversuch bei 76O⁰C sowie dem Zeitstandversuch bei derselben Temperatur und einer Belastung von 65 hb unterworfen. Die Versuchsergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle II zusammengestellt.

	Hf	2	-	Y	Tabelle	sehn.	II	Standzeit	Zeitbruch
Legie	(%)	0.66	(°/o)	Deh-/Ein-/		Zugf.		dehnung
rung	--ι _	1.37		nung	(90
-	0.80	0.04		3		(h)	(%)
—	1.22	0.07	(°/o)	9	(hb)	15	1.8
1.5		-	0.6	8	76	74 ,	4.0
0.80		0.02	2.8	9	89	78	4.7
1.65		0.03	1.7	10	77	37	1.5
1.08	0.01	6x1	19	90	160	5.3
	4.1	8	86	92	4.3
0.06	6.0	9	89	311	3.7
-	2.4	9	98	93	2.2
-	2.0	8	89	160	4.7
0.08	4.2	11	103	119	3.7
0.06	4.7	12	100	195	3.1
8.9	9	106	218	5.9
5.7	96	326	7.5
4.3	93

J)Lr- vorerwähnten Daten zeigen, daß sich bei den Legierungen,

"2 0 9 H U 1 / 0 6 5 8

die Hafnium oder Yttrium enthalten eine gewisse Verbesserung der Standzeit und Dehnung bei den Legierungen, die jedoch Yttrium und Hafnium enthalten, eine sprunghafte Verbesserung der Standzeit ergibt. Außerdem ergibt sich eine bessere Zugdehnung der Yttrium und Hafnium enthaltenden Legierung im Vergleich zu der weder Yttrium noch Hafnium enthaltenden Legierung. Schließlich zeigen die Daten der Tabelle II, daß sich bei den yttriumhaltigen Le gierungen mit weniger als 1,5% Hafnium eine ausgezeichnete Kombination der Zeitstandfestigkeit und Zugfestigkeit einschließlich der Zugdehnung ergibt.

Ein weiterer Vorteil der Anwesenheit von Yttrium und Hafnium 1st das feinkörnige Gußgefüge. Dieser Vorteil kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn dickwandige Gußstücke, beispielsweise mit einer Wanddicke von mindestens 2,5 cm, und insbesondere, wenn Gußstücke unterschiedlicher Wanddicke wie beispielsweise Gasturbinenläufer mit angegossenen Schaufeln für Automobile hergestellt werden. Dabei ergibt sich ein feinkörniges Gefüge sowohl bei der dickwandigen Läuferscheibe als auch bei den dünnwandigen Schaufeln.

In der nachfolgenden Tabelle III sind weitere Legierungen zusammengestellt, deren Zeitstandfestigkeit ebenfalls durch Tittrium und Hafnium verbessert werden kann.

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Claims

International Nickel Limited, Thames House, Millbank, London S.W. 1/ England Patentansprüche;

1. Nickellegierung, bestehend aus O bis 20% Chrom, 3 bis 8% Aluminium, 0 bis 8% Titan bei einem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium von 4 bis 12%, O bis 20% Kobalt, 0 bis 20% Wolfram, 0 bis 3% Eisen, 0 bis 8% Molybdän, 0 bis 9% Tantal, 0 bis 4% Niob, 0 bis 1,5% Vanadin, 0 bis 1,5% Zirkonium, 0 bis 0,3% Bor, bis 0,3% Kohlenstoff, bis 0,5% Mangan, bis 0,3% Silizium, 0,25 bis 3% Hafnium und 0,005 bis 0,15% Yttrium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen mindestens 30% Nickel.

2. Legierung nach Anspruch 1, deren Yttriumgehalt jedoch 0,1% nicht übersteigt.

3. Legierung nach Anspruch 2, deren Yttriumgehalt jedoch 0,008 bis 0,08% beträgt.

4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren Hafniumgehalt jedoch 0,3 bis 1,5% beträgt.

5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, deren Yttriumgehalt jedoch mindestens teilweise durch gleiche Mengen Lanthan ersetzt ist.

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6. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die ,jedoch mindestens 2% Chrom enthält.

7. Legierung nach Anspruch 2, die jedoch höchstens 14, Chrom enthält.

8. Legierung nach Anspruch 7, die jedoch 0,02 bis Q₉7% Zirkonium enthält.

9. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch aus 0/33 Ms 0_s2% Kohlenstoff, 5 bis 13% Chrom, 0 bis 20% Kobalt. 0 Ms 8% Molybdän, 0 bis 12% Wolfram, G bis h% YIiOb₉ 0 Ms ?% Tantal, 0 bis 5% Titan, 4,5 bis 7% AXr:?:i:iiiaß₅ 0_P02 bis -J₅ 2% Zirkonium, 0 bis 0,0355 Bo:?, O₁Sf=. l-U ^-S :ΜϊΙ"β :,il 0,005 bis 0,1% Yttrium, Rest siJ^c.:/:.:,-^I 1^: e^:S-_;isal^--^;ätsdi:igter Verunreinigungen rrhicic·st-"}:?■ ΐ'Οίί "^λο^ϊΧ bssi¥r;_:

10. Legierung nach AiispriTfh i, ü:^:-;: ;^;:"/; ^i.„ ^r- ''<:Λ-> ^->ί i-ioljfeaän ii:i-6 bis 12;i Wolf::—;:: ^-,-'-'--Cr.=

11. Legierung nach Anspuroh 9, öJ.?. rj'i-oon 2 ':<Ιί 7% l-iolybÄäsi und 0 bis 5% Wolfram ^r^lt.

12. Legierung nach eirieF de-.¹ Anin/rVi■:-■'".-.^:,i 1 bi,5 vK die .jeclc-o.^ -■-;■-destens 50% Nickel ωχ'Λ.^CIt,

13. Verwendung einer Legie:r:''..ig &-i.::-h -''-:! i:n8ui/ücLai« 1 bis ί2_γ. t\l Werkstoff für Gegens-t^iidts et'-e wie Teils ^:i'Oa Gas- und Dorp. turbinen bei hoher Zugfestigkeit imA Delmung eine Lohe ?-?i Standfestigkeit und Aeitb^iii-iAcebiiitiiG 'hesitsen müssen =

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