DE2244311A1

DE2244311A1 - Hochtemperaturbestaendige nickellegierung

Info

Publication number: DE2244311A1
Application number: DE2244311A
Authority: DE
Inventors: Dennis S Acuncius; Robert B H Herchenroeder; Kirchner Kokomo; William L Silence
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Haynes International Inc
Priority date: 1971-09-13
Filing date: 1972-09-09
Publication date: 1973-03-22
Also published as: DE2244311C2; BE788719A; SE396407B; CA984642A; FR2153962A5; LU66042A1; NL7212358A; NL174375C; AU4622372A; GB1362629A; AT321592B; JPS5514853B2; IT964993B; US4118223A; ZA725285B; JPS4837323A; BR7206099D0

Description

6. September 1972 Gze/mü

CABOT CORPORATION, 125 High Street, Boston, Massachusetts 02110,

■ USA

Hochtemperaturbeständige Nickellegierung

Die Erfindung betrifft Legierungen auf Nickelbasis mit einer besonderen Kombination von guten Bearbeitungseigenschaften und Beständigkeit bei hohen Temperaturen. Im besonderen betrifft die Erfindung im wesentlichen eiserifreie, als feste Lösungen vorliegende Legierungen auf Nickelbasis aus der Ni-Cr-Mo-Klasse,, solche Legierungen zeigen thermische Beständigkeit, Festigkeit bei hohen Temperaturen, Oxidations-Beständigke.it und geringe thermische Ausdehnung.

Auf dem Gebiet der als feste, angereicherte Losungen vorliegenden Legierungen auf Nickelbasis wurden in. den letztem Jahren grosse Anstrengungen unternommen, um verbesserte Baustoffe für Ausrüstungeij bfreit zu stellen, welche verschieden hohen Temperaturen im Boreich von ungefähr 800⁰C und darüber ausgesetzt r.iruL Tatsächlich gibt es bei viel on dieser Anwonduijg.sinoglichkoiteri, boispiülsweise bei der Herstellung von Düsonn.ggregateri, einu fortlaufende Tendenz, die BcLriobn-

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BAD

temperatüren noch weiter zu erhöhen, als Ergebnis von immer höheren Arbeitskenngrössen, wie dies von Ingenieuren und Konstrukteuren erkannt wurde. Beispielsweise ist die beträchtliche Zunahme für Leistung und Wirksamkeit, die für eine typische Gasturbine durch Erhöh-ung der Betriebstemperatur von 816°C auf 871⁰C erreicht werden kann,in der ÜS-Patentschrift 3 5^9 356 dargelegt.

Obwohl viele unterschiedliche Versuche zur Verbesserung der Legierungen auf Nickelbasis unternommen worden sind in bezug auf die Lebensdauer bei Hochtoinporatüren im Bereich von ungefähr 800 C oder darüber, wurde das nusserste Ziel bei tier Kombination voi/sowohl höherer Oxidations (oder Korrosions) -beständigkeit und erträglicher Hitzefestigkeit bei adäquater Dehnbarkeit unter solch strengen Bedingungen bislang eine leicht durchführbare Lösung nicht erreicht. Beispielsweise, obwohl durch die Verwendung von relativ grossen Anteilen, das ist bis zu ?0 Gewichtsprozent oder mehr an Chrom und Elementen wie Wolfram und Molybdän befriedigende Oxidationsbeständigkeit und Festigkeit bei hohen Temperaturen in verschiedenen Fällen erreicht wurde, war dar; gewünschte Ausmaß an Dehnbarkoit bei der Einwirkung dieser Arbeite temperature?* nicht ertragbar, wegen der Änderungen in der inneren Struktur der Legierungen, welche· durch thermische Instabilitäten verursacht wurden.

Hauptaufgabe der vur.L.lcigonden Erfindung int es (iahet¹, Legierungen auf Nickelbasis bereitzustellen, mit hervorragender Do:;tändigkoi t und i!tn,bl! i ta t In-i hohen Tempora türen und mit geringer theniii.si.lior Ausdehnung. Ki ne we i te.re Aufgabe

3 UM«¹ ' V OH 7 1. __ - '

BAD ORIGINAL

der vorliegenden Erfindung liegt darin, solche Legierungen bereitzustellen, die nicht nur ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und Hitzefestigkeit verbunden mit geringer thermischer Ausdehnung bei hohen Temperaturen aufweisen, sondern die darüber hinaus auch hervorra-gende thermische Stabilität und Widerstand gegen plötzlichen Verlust von Festigkeit oder Zusammenhalt als Ergebnis von strukturellen Veränderungen während der Wärme-Vergütung oder während zyklischer Erwärmung auf v/ei sen. , ■-..·-..

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin,. feste, als Lösung angereicherte Legierungen auf Nickelbasis bereitzustellen, welche leicht hergestellt und bearbeitet werden können. Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, solche Legierungen bereitzustellen, welche bei der Veränderung verschiedener thermischer Bedingungen und äusserer Einflüsse ausgezeichnete Beständigkeit aufweisen. Eine andere besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, Legierungen auf Nickelbasis bereitzustellen, die' bei hohen Temperaturen für die Verwendung als Dichtungsteile und ähnliches geeignet sind in verschiedenen Sorten von Präzisionsausrüstungen, die aufgrund ihrer-überlegenen Kombination von mechanischen Eigenschaften und Dimensionsstabilität nur sehr geringe-Ha ßabAveichunß aufweisen. Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den bevorzugten" A-usführungsformen, . .. . . - . .,-.

In Über einst! mwurig; reit der_; vor! i.eg.end en Erfindung .worden die oben aufgeführten Aufgaben und Vorteile dann erreicht., > wenn, die Zusammensetzung' der Legierung auf Nickelbasis sorgfältig

innerhalb der in Tabelle I angegebenen Bereiche gehalten wird.

Tabelle I

Bestandteil

Bereichbreite in Gewichts-%

Bevorzugter Bereich in Gewichts-%

Chrom	12 - 18	. 14-17
Molybdän	8-18	14 - 17
Wolfram	0 - 15*	<2
Kobalt und Eisen	0-10	<l3 von jedem
Zirkon und Titan	<0.5	<0.5
Aluminium	<0.5	£0.5
Kohlenstoff	<0.2	<0.1
Bor	<0.03	<0.015
Silicium	O	<0.5
Mangan	<2
Lanthan	0.005 - 0.2	0,005 - 0/1

Nickel und zufällige Verunreinigungen

Rest Rest Ni> 50%) (Ni> 55%)

*- Der Anteil von Wolfram hängt ab von den vorhandenen Mengen an anderen Elementen, um stabile ausgewogene Zusammensetzungen zu erhalten, die keine Tendenz zum Absetzen von unerwünschten festen Phasen, wi elfnachfolgenden erklärt» aufweisen.

Die Figuren 1 und 2 der Zeichnungen zeigen als grafische Darstellungen die Wirkungen»der Veränderung des Chromgehalts auf

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5 -

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wichtige !LegiertiJigseigensehäften» wobei alle aMeren Bestandteil© der Legierungen geaau innerhalb' des'bevöraügtea Bereiöhs f&belie I gehalten werden, latsäehlieh midien bei dest_#

gr&fiseheii iarstellutigen der Figuren 1 und S zugrundeliegenden isipörifiieöA^ü «ill« Bestaiidteile mit

Bickel wöitgeM&d kongtarit gehalten und

2U Üewiölitsprözeitit d§r LegieinMg (allein ast Mit betrüg etwa IS^l)* Obwohl Itöbalt xmu. pöäßefttea u§t Legie^üag darstellien» sind kl-eia© AntMle Metalle nioht sehädlich üiid sind aus
häufig aawese&d* Der (jesamtgehalt au Kobalt plus iisöii sollte la keiaem i?äile W$ der Legierung ubersotoeiteii^ uM nam die ansge^eiuisaete Stabilität des gg ^

zustellen» wird der ffiastiwiale Anteil für Jedes dieseJ* Metalle bevorzugt auf unjgefa&r "$% begreagt* Weder lirköii üöeh fItaa siiid Musskömpöiiettteft der erfiadiisigsgemiiein Legien diese Metalle si&d in. der iäbelie i aufgefilhrt» da dieser Metalle oft aus dea alö

andere Eleiiieftte§ €i© JLa der fabeile ϊ iiij aufgeführt giad_s wie etwa $afri&l» Wiob und ttafai\iM.keimen ift kleiteeft Meiiigeü äiiweseföä seiai d»h% bi^ Wu. eittea ö ^OH ungefähr *£. Uml^&^fcmivra. der Legieraii die Ativmseiiheit dieser Eleiaeiite auf die ilblieheii ©der luttlligea kl^iaieia feryareiiaigwageii bes»hjf§»ltt da es für die vorliegende Irfiiiduttg be3QHdek^ uiufati^ * ist» der Hlckelgehalt der eir£liidttkig8g$ai£i!ett

ig fc*

Es wurde gefunden, dass die Anwendung der Kombination von MusBicomponenten in den Anteilen nach Tabelle I die Erzielung der besonderen Korabination von erwünschten Eigenschaften gewährleistet, nämlich hervorragende Oxidations-Beständigkeit bei hohen Temperaturen, Hochtemperatur-Festigkeit und geringe thermische Ausdehnung ohne merkliche theriaisehe Instabilität oder den schwerwiegenden Verlust von Dehnbarkeit bei der Einwirkung von hohen Teaperaturen. Darüber hinaus liegt die. bevorzugte Konzentration für Nickel für die basten Gesamte!gensehaften im Bereich zwischen ungefähr 35 und ungefähr ?O Gewichtsprozent.

Der Chromgehalt im Bereich von 12 bis 18% ist notwendig, um für die erflndungsgeraäßeia Legierungen in der Hitze Korrosions uad Oxidations-BestSndigkeit zu erhalten. Der Chromgehalt. führt »uch zu oinoifl guten Ausgleich zwischen Festigkeit und Dehnbarkeit in diesen Bereich. Chroragehalte von unter. 12$ liefern keine adäquate Oxidationn-Beständlgkeit bei Temperaturen oberhalb von 10'9O⁰C, wie aus der grafischen Darstellung von Figur 1 au entnehmen lfstj darüber hinaus führen Chrottßehalte zu geringen Dehnbarkeiten für die angelassene · Legierung in den Zwischentemperatorberciuhtm von etwa 5UQ bis etwa

wird, wie in Figur 2. gezeigt, der Koeffizient der., the wet fit: heu Ausdehnung bttriichilich erhöht;» wenn 'In den--f?r~, finfliuiRRßeniHOf'ti legierungen Hick<?l dui<ch (!hroa ersetzt winl,-SO uii'iiii biil ChtXMtif^halten von iilior Ittja dir» *it il«i" therwiiiCheü Aur,ili.liimii|^ri iu verschiedenen Ausrü&Uinp;cn utisuLaütnl^ erhöht weiten, tK?r,ontlerü dann, v«ⁱr«i dtf» AunrClfituiH'Mi fiber oim'ii v;cil.i*ti TeiaiHTaturbercicIi betri v

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BAD ORIQJNAi

In den erfindungsgemäßen Legierungen muss Molybdän im ■ Bereich von zumindest 8 Gewichtsprozent enthalten sein, um Verfestigung der festen Lösung und geringe thermische Ausdehnung zu gewährleisten. Andererseits darf der Molybdängehalt einen Anteil von ungefähr 18% nicht übersteigen, da sonst während des Betriebs bei hohen Temperaturen unerwünschte nicht dazugehörige feste Phasen entstehen, welche zu einem Verlust an Dehnbarkelt führen, was Im folgenden in Verbindung mit einer Diskussion über die allgemeinen Phasen^- beziehungen in dem erfindungsgemässen Legierungssystem näher erläutert wird.

Wolfram kann in den erfindungsgemäßen Legierungen in Anteilen yon etwa 5 bis etwa 15%- vorhanden sein, um die; thermische Ausdehnung zu vermindern. Jedoch führt ein solcher Wolframgehalt auch zu zunehmender Dichte und steigenden Kosten. Deshalb sind Molybdän und Wolfram nach der vorliegenden Erfindung nicht frei austauschbar;" Vielmehr muss,-wenn Wolfram in grösseren Anteilen innerhalb des oben angegebenen Bereichs hinzugefügt wird, der Molybdängehält eng auf den unteren Teil des vorbeschriebenen Bereichs beschränkt werden, um die Bildung, von unerwünschten, örtlichen, dicht-" gepackten Phasen innerhalb der Legierung zu verhindern. Aus "diesen GrürMen wird es erflndungsgemäss im allgemeinen bevorzugt, Molfbdan in Anteilen von ungefähr 14 bis ΛΊ% zu verwenden und den Wolfrämg.ehait auf weniger als ungefähr ?.% zu beschränken, um solche unerwünschten Phasen zu vermelden. " " ' --<■>■■... ■·,'-:,:·:-·, ■ ■■■

3 o 9 $W ψ*%*

Die verbleibende Musskomponente in den erfindungsgemäßen Legierungen ist Lanthan. Lanthan muss in kleinen jedoch wirksamen Anteilen vorhanden sein, um den Legierungen die überlegene Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen zu geben. Üblicherweise liegt die empfohlene Konzentration zwischen ungefähr 0.005 und ungefähr 0·2?6, bevorzugt wird jedoch der Bereich zwischen ungefähr 0.005 bis ungefähr 0.190. Lanthangehalte, die über ungefähr 0.25% hinausgehen, werden ausdrücklich nicht empfohlen, da sie hauptsächlich die Kosten erhöhen, ohne sichtbare weitere Vorteile zu bringen, sondern im Gegenteil zu schlechten Nebenwirkungen, wie ä;wa Verarbeitungsschwierigkeiten für die Legierungen führen.

Obwohl keine anderen Elemente für die erfindungsgemäßen Legierungen absolut notwendig sind, können planmäßig kleinere Anteile von Kohlenstoff, Bor, Silicium, Mangan und Aluminium hinzugefügt werden, und führen zu den gewünschten Vorteilen. In der folgenden Tabelle II werden detailliert Zusammensetzungen für beispielhafte Legierungen nach der vorliegenden Erfindung angegeben, wobei sowohl die Bestandteile an Musskomponenten, wie die geringeren Mengen an Wahlkomponenten angegeben werden.

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Tabelle II

Besondere Le^ieruin^szusarnmensetzungen nach der vorliegenden Erfindung: Chemische Zusammensetzung (in Gewichts-9o)

niiner Cd ■ Fe Cr Mo Vf AI C B Si Hn La Ni*

0.03 1.94 15.14 14.85 0.01 0.27 0.014 0.009 0.04 0.19 0.13 Rest 0.05. 1.93 15.3114.79 0,04 0,27 0.026· 0.002 0.03 0.18 0.15
Q.03. .1.90 15-38 15.05 <.1O 0.24 0,005 0_o001 0.2 0.20 0.12

5 0.05 2*07 15*03 14.08 1.74 0.28 0.008 0.014 0.03 0.2 0.11

II

fj ■ ■ · β 0.03 1.93 15.09 12.22 5.55 0.25 0.003 0.017 0.03 0.19 0.10 »

κ>1Ό , 7 0.03 2.08· 14.72 10.30 10.20 0.28 0.01 0.019 0.03 0.18 0.09. " ι

ο 5 0.03 1.99 12.10 10.18 15.62 0.26 0.006 0.025 0.03 0.19 0.08 "

~* ' 15 —~ 1*97 15.01 14.21 ~- 0.29 0.02 (0.001 0.02 0.17 0.13 Rest '

17 ~~-^ 1.99 15*11 14,66 ——. 0.25 0.04 0.005 0.020.17 0.13 "

18 —-~ 2.05 15.21 14.66 0.2.9 0.02 0.014 Q.02 0.17 0.13 "

105 0.22 0.90 ' 14.51 14.66 ~ 0.20 0.007.0.010<0.01 0.04 0.018; "

145 -~~« 0.10 14.88 15.82 -.-..—, 0.18 0.07 0.002 0.53 0.27 0.14 »

' 146 0,04 0.22 ■ 14.96 17.22 _τ~—- 0.19 0.07 "0*002 0.49 0.28 0.11 »

^47 ' Q>Q'4 0>09' 14.55 14.21 5.70 0.17 0.06 0.002 0.52 0.28 0.11 "

IjO 0.04 0.09 '12.04 15.62 <.1Ο 0.19 0.07· 0.002 0.51 0.28 0.13 ^Μ

2.0· US — ·-■ '15.Q 15.0 —— 0.23-0.011 0.032 — 0.12 "

'35 156

4.31

0.02

co

⁰⁰

2*3

15.59 15.62 0.004 4.01 0.24 0.09 Rest

0.10	14.94	15.56	4.IO	0.18	0.02	4.001	0.12	0.24	0.12	π
0.11	^5.24	15.30	4.IO	0.26	0.06	0.002	0.39	0.29	0.12	η
0.15	16.65	15.30	—,—	0.21	0.03	4.001	0.33	0.20	0.02	η
0.12	16.50	15.65		0.22	0.05	4.001	0.33	0.16	0.06	H
".96	"6.55	15.45		0.23	0.02	4.001	0.39	0.20	0.10	H
5.23	16.65	15.50		0.22	0.02	£.001	0.37	0.19	0,09	W
0.-4	'3.93	17.47		0.19	0.08	0.001	0.45	0.28	0.01	Re

* - "ickel und kleine Kengen an zufälligen Verunreinigungen.

ο ι

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Unter den Elementen, die gegebenenfalls in kleinen Mengen in den erfindungsgemäßen Legierungen enthalten sein können, kann Kohlen-, stoff zur Förderung der Karbidbildung hinzugefügt werden, was, wie allgemein bekannt ist, die Festigkeit erhöht. Jedoch führt die erhöhte Festigkeit auf der anderen Seite zu einer Abnahme der Dehnbarkeit der angelassenen und gealterten Legierung. Wenn daher aus solchen Gründen Kohlenstoff planmäßig zu den erfindungsgemäßen Legierungen hinzugefügt wird, dann sollte der Anteil unterhalb von ungefähr 0.2% liegen und liegt bevorzugt unter etwa 0.1%. So weist etwa die Legierung 3 aus Tabelle II mit einem Kohlenstoffgehalt von 0.005% bei Raumtemperatur unter Spannung eine Dehnbarkeit von etwa 66% auf, während die Legierung 145 mit einem Kohlenstoffgehalt von 0.07% bei Raumtemperatur eine Dehnbarkeit von ungefähr 51% aufweist. Darüber hinaus vermindert das Altern bei etwa 800°C für 1000 Stunden die Dehnbarkeit unter Spannung der Legierung 3 nicht, während die Dehnbarkeit der Legierung 145 von 51% auf 43% abnimmt.

Ähnlich können kleinere Mengen an Bor innerhalb des in Tabellel' angegebenen Bereichs zu den erfindungsgemäßen Legierungen hinzugefügt werden, was die Heiss-Dehnbarkeit fördert. So zeigt der Gleeble-Hochtemperatur-Spannungstest für die gegossene Legierung 15 der Tabelle II mit einem Borgehalt von weniger als 0.001% bei etwa 1150 C eine Querschnittsverminderung von 11%, während die gegossene Legierung 18 der Tabelle II mit einem Borgehalt von 0.014% bei etwa 1150⁰C eine Quersclmitt'sverminderung von 48% aufweist. Diese gleiche Erscheinung gilt zumindestens für

Temperaturen bis herab auf etwa 980°C. ' ;

• - · 5

- 12 -

Es ist bekannt, daß für Legierungen mit dieser allgemeinen Zusammensetzung die Oxidationsbeständigkeit oft durch kleine Zusätze von Silicium erhöht werden kann. Jedoch muß der Anteil an Silicium sorgfältig auf den in Tabelle I angegebenen Bereich begrenzt werden, um die erfindungsgemäße Stabilität der Legierung aufrecht zu erhalten.

Der Zusatz von Uangan innerhalb des angegebenen Bereichs verbessert ebenfalls die Oxidationsbeständigkeit der Legierungen. So besitzt die Legierung 1 der Tabelle II mit einem Mangangchalt von 0.19% eine Oxidationsrate (gemessen als mittlere Tiefe der innerhalb von 100 Stunden bei etiva 1090⁰C erzeugten Oxidationsschicht auf der "Metalloberflache, gemessen in Mils) von 0.08, während die Legierung 158 der Tabelle II, welche weniger als 0.01% Mangan enthält, bei gleichen Einheiten eine Oxidationsrate von 0.15 aufweist. Ähnliche Unterschiede wurden bei etwa 1150 C gefunden, d.h. 0.11 gegenüber dem entsprechenden V/ert von 0.23, Ein Zusatz von mehr als 2% Mangan liefert wenn überhaupt nur eine geringe Zunahme an Oxidationsbeständigkeit für die Legierungen und wird deshalb vermieden, um die gute Stabilität der erfindungsgemäßen Legierungen zu sichern.

Aluminium oder andere Desoxidations-Mittcl werden üblicherweise während des Verfahrens hinzugefügt, um die Oxidation der Schmelze zu unterbinden. Geringe Restanteile aus solchen Elementen können in der fertigen Legierung enthalten sein, ohne zu schädlichen Wirkungen zu führen. Jedoch sollte die Endkonzentration an solchen Elementen innerhalb der in Tabelle I angegebenen Bereiche liegen, damit die Stabilität der erfindungsgemäßen Legierungen gesichert bleibt.

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Um die thermische Stabilität der erfindungsgemäßen Legierungen zu gewährleisten, sollte die Gesamtzusammensetzung für jede spezifische Legierung so eingerichtet werden, daß einerelativ niedrige Meßzahl für die mittlere atomare Konzentration an Elektronen-Leerstellen, ausgedrückt als N eingehalten wird. Für die Zwecke der vorliegenden' Erfindung wurde gefunden, daß die Bildung von schädlichen intermetallischen Niederschlägen vermieden werden kann, wenn die ausgeglichene Zusammensetzung so.gewählt wird, daß für die I.Iaßzahl N ein V/ert von nicht über ungefähr 2.5 und bevorzugt weniger als ungefähr 2.4 erhalten wird, wenn diese Maßzahl N entsprechend einer einfachen ßechenvoi"-schrift "nach der folgenden mathematischen Formel abgeschätzt wird:

N_v = 0.61 (AF_Ni) + 1.71 (AF_Qq) + 2.66 (AF^) + 3.66

4.66 (AF_Cr) +.5.66 (AF^ ₊ ^ ₊ _y) + 6.66 (AF_Zr _{+ T± + g± + H£})

⁷·^{66 (AF}A1 + La> ^{+ 8}·^{66 (AF}Mg> ^{+ 9}·^{66 (AF}Mo *

wobei jedes "AF" den tatsächlichen atomaren Bruch in der Legierung aus den durch Indizes gekennzeichneten Elementen oder Elemcntgruppen angibt. '

Wird diese Berechnung für jede der spezifischen Legiei-ungs boispielo dor Tabelle II durchgeführt, so ergeben sich folgende Ergebnisse:

- 14 -

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Tabelle III

Legierungsnummer N

1 2.28

2 2.29

3 2.32

5 2.30

6 2.34

7 2.40 9 2.51

15 2.23

17 2.2β

18 2.27 103 2.20 145 2.34 14G 2.43 147 2.46 150 2.20 153 2.21

185 2.29

186 2.28

187 2.32 197 2.37 193 2.38 ίΐΟΟ 2.42 201 . 2.49 218 2.38

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~ 15 -

Die eriindungsgemäßen Legierungen können nach den üblicherweise zur Herstellung von Super-Legierungen angewandten Verfahren hergestellt v/erden, wie etwa durch Schmelzen in einem Lichtbogen- oder Induktions-Ofen, an Luft oder -im.Vakuum, beim Erschmelzen durch eine sich selbst verbrauchende Elektrode, durch Umschmelzen von Schlacke im Elektroofen und durch Umschmelzen im Vakkum-Lichtbogen. Die erfinduxigsgemäßen Legierungen können weiterhin durch Schmieden, durch spanabhebende Bearbeitung, durch Gießen oder durch Pulver-Metallurgieverfahren in die gewünschten Formen gebracht werden.

Die meisten der in den Tabellen II und III aufgeführten Legierungs-Beispiele wurden im Induktionsofen erschmolzen. Jedoch erfolgte in einigen wenigen' Fällen der erste Schritt durch Schmelzen im Lichtbogen an Luft oder im Vakuum, gefolgt durch Umschmelzen entweder mittels einer sich selbst verbrauchenden Elektrode, oder durch das Verfahren zum Elektro-Schmelzen von Schlacke. In allen Fällen wurde die Zugabe von Lanthan bis zur letzten Stufe des Schmelzverfahrens hinausgeschoben, um unnötige Verluste an Lanthan zu vermeiden.

Für Vergleichszwecke wurden die drei Partieen an Legierungen

/IV

auf Nickelbasis, wie sie in Tabelle aufgeführt sind, hergestellt; diese Legierungen sind repräsentativ für den bekannten Stand der Technik.

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Tabelle IV

Spezifische Test-Legierungen, die nicht unter den erfindungsgemäßen Bereich fallen

Chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent

co ^egierungs-

guiamer Co Fe Cr Ho W Al C B Si Mn La

^ 149 0.04 0.08 9.33 15.62 <0.1 0.18 0.07 0.002 0.50 0.28 0.12

oo

^ 260 IS.2 22.1 9.9. 1.2 0.15 0.80 0.067

309 0.70 5.55 16.0 15.85 3.4 0.21 0,006 0.03 0.49 Rest 2.61

Ni⁺	2	N V I
Rest	2	.07 ^C
Rest	I .70

INJ

ISJ

GO

Testproben aus jeder der Vergleichslegierungen nach Tabelle IV und aus verschiedenen erfindungsgemäßen Legierungs-Zusammensetzungen nach Tabelle II wurden zu Platten geschmiedet und anschließend in der Hitze zu Bögen mit einer Stärke.von ungefähr 1,5 mm ausgewalzt. Aus diesen entsprechenden Bögen wurden Testproben-hergestellt und diese standardisierten Tests zur Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit, der Zugfestigkeit und der Bruchspannung bei verschiedenen Temperaturen untex'worf en.

Der Versuch zur Bestimmung der Oxidations-Beständigkeit erfolgte nach folgendem Verfahren: ,

(1) Es wurden quadratische Proben mit einer Kantenlänge von ungefähr 20 mm hergestellt;

(2) alle Oberflächen wurden sorgfältig aufgerauht und in Aceton entfettet;

(3) der Oberflächenbereich und das Gewicht joder Probe wurde sorgfältig gemessen;

(4) die Proben wurden einem trockenen Luftstrom ausgesetzt, der in einer Menge von ungefähr 13,3 Litern pro Stunde und cm ' Querschnittsbereich durch den Ofen strömte, während für eine Dauer von 25 Stunden innerhalb des Ofens eine konstante Temperatur aufrecht erhellten wurde; nach Ablauf dieser 25-stündigen Behandlung wurden die I^Jroben durch Luftkühlung auf Raumtemperatur abgekühlt;

- 18 -

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(5) jede Probe wurde wiederum gewogen;

(6) die Proben wurden in einem Salzbad entkrustet;

(7) die entkrusteten Proben wurden gewogen und der Gewichtsverlust jeder Probe berechnet;

(8) dieser gewogene Verlust wurde entsprechend der folgenden Formel in eine "mittlere Tiefe an verlorenem Metall" umgerechnet:

Gemessener Gewichtsverlust _v 1

Dichte der Legierung Oberflächenbereich

der Probe

Die Ergebnisse dieser Tests zur Bestimmung der Oxidations bcständigkeit sind in Tabelle V aufgeführt.

TabelleV

Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit

Mittlere Tiefe an verlorenein Metall ( Ai) ^f--- -"""⁰^bei 1150°C

Legierung	Mittlen bei 109
1	2,03
3	1,78
145	1,78
146	2,03
147	2,28
150	2,03
153	3,81
190	2,03
218	3,35

2,79 3,55 3,04 3,30 7,11 G,60 5,80

nicht bestimmt nicht bestimmt

22443

149 3,04 135,89

260 10,16 18,01

309 20,32 90,93

Aus der Tabelle V ist ebensogut wie aus der Fig· I zu entnehmen, daß eine Legierung wie die Legierung Nr. 149, welche lediglich 9.33% Chrom enthält, bei 1150⁰C selbst mit dein erfindungsgemäßen Lanthangehalt keine ausreichende Oxidationsbeständigkeit aufweist. Nichts desto trotz wird deutlich, daß kleine Zusätze an Lanthan wirkungsvoll sind zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, wenn die Anteile für Chrom und Molybdän im erfindungsgemäßen Bereich liegen (man vgl« hierzu die Oxidationsrate der Legierung 309 bei 1150⁰C nit der entsprechenden Rate für die erfindungsgemäßen Legierungen).

Die Versuche zur Bestimmung der Zugfestigkeit bei verschiedenen Temperaturen wurde nach standardisierter Form durchgeführt unter Verwendung von entweder angelassenen Proben, die" hauptsächlich für 30 Minuten bei 1120⁰C in Lösung hitzebehaiidelt wurden, gefolgt von einer raschen Abkühlung mit Luft, oder unter Verwendung von anderen Proben, die ebenfalls nachfolgend für looo Stunden bei 870 C gealtert wurden und anschließend mit Luft abgekühlt wurden. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Tabelle VI aufgeführt.

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Tabelle VI

	Prob	Bestimmung der Zugfestigkeit	Absolute Zug festigkeit (K.s.i.)	0,2% Streckgrenze (K.s.i.)	Prozent- verlängerung	1
Legierung	angelassen	Untersuchungs- e Temperatur	115.5	49.4	70.6%	ΓΟ O
1	angelassen	Raumtemperatur	48.8	27.2	39.4%	I
	gealtert	870⁰C	115.6.	49.7	65.2%
	angelassen	Raumtemperatur	115.3	50.0	65.4%
3	angelassen	Raumtemperatur	52.2	■29.4	41.1%
	gealtert	870⁰C	114.3	49.2	66.3%
	angelassen	Raumtemperatur	120.0	48.7	61.8% ,sj
7	angelassen	Raumtemperatur	55.6	31.4	46.1% £J
	gealtert	870⁰C	122.1	50.0	57.3% J>.
	Raumtemperatur

	145	angelassen	Raumtemperatur	129,4	·. ' 57.3·	50,8%	I
		gealtert	Raumtemperatur	130.9	54.7	43.6%	t\»
	147	angelassen	Raumtemperatur	137.6	64.0	48.2,%	fy
		angelassen	930⁰C	43.6	26.0	21.4%	J
		gealtert	Raumtemperatur	136,4	62.0	33.2%
	153	angelassen	Raumtemperatur	113,9	46.5	68.3%
		angelassen	930⁰C	40.7'	23.5	90,2%
ο CD		gealtert	Raumtemperatur	113,1	44,7	66,8%
OD
KJ	198	angelassen	Raumtemperatur	125.0	51.6	56.6%
-		angelassen	370°C.	49.9	27.6	33.3%
VJ to		gealtert	Raumtemperatur	126.0	' 50.4	48.8%
	309	• angelassen	S Raumtemperatur	115.0	.49.0	70.9%
		■ angelassen	930⁰C	42.8	26,8	50,1%
		gealtert	Räumt emp e r a tu r	142.1	61,2	21.6%

Die in Tabelle VI wiedergegebenen Versuchsergebnisse zeigen, das typische erfindungsgeraäße Legierungen zumindest eine adäquate technische Festigkeit bei Temperaturen in Iiöhe von etwa 870 bis 930⁰C aufweisen, und mit zum Stand der Technik gehörende Legierungen wie etwa die Legierung 309 verglichen werden können. Dies wurde weiterhin bestätigt durch Versuche zur Bestimmung der Bruchfestigkeit, welche etwa bei 930⁰C

2 bei einer Beanspruchung von etwa 560 kg/cm durchgeführt

wurde.

Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse der Tabelle VI, daß beim Altern von 1000 Stunden bei 870⁰C die Dehnbarkeit der Legierung 309 bei Raumtemperatur drastisch abgenommen hat, d.h. von etwa 1X% Verlängerung herab auf ungefähr 22%

Verlängerung, wogegen die erfindungsgemäßen Legierungen oft ihre ursprüngliche Dehnbarkeit nach der gleichen Behandlung zur Alterung beibehalten. Tatsächlich lag die größte Änderung der Dehnbarkeit, die bei irgendeiner erfindungsgemäßen Legierung durch Alterung verursacht wurde, im Abfall von ungefähr 48% Verlängerung auf ungefähr 33% Verlängerung; dies erfolgte bei der Legierung 147, wozu aus der Tabelle III zu entnehmen ist, daß diese Legierung eine entsprechende N -Maßzahl von 2.46 aufweist, was beträchtlich oberhalb der bevorzugten oberen Grenze von 2.40 liegt.

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Claims

Patentansprüche

1. Thermisch stabile, "bei hohen Temperaturen gegen Oxidation beständige Legierung auf Nickelbasis mit einem Nickelgehält von über 50 Gewichtsprozent, gekennzeichnet durch die Muss-Komponenten

ungefähr 12 bis ungefähr 18 Gewichtsprozent Chrom, ungefähr 8 bis ungefähr 18 Gewichtsprozent Molybdän·und 0.005 bis 0.2 Gewichtsprozent Lanthan und mit.den Wahlkomponenten

0 bis 15 Gewichtsprozent Wolfram 0 bis 10 Gewichtsprozent Kobalt und Eisen bis zu 0.5 Gewichtsprozent Zirkon und Titan bis zu 0.2 Gewichtsprozent Kohlenstoff bis zu 0.5 Gewichtsprozent Alumhium bis zu 0.03 Gewichtsprozent Bor "

bis zu 1. Gewichtsprozent Silicium und bis zu 2 Gewichtsprozent Mangan Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen,

wobei der Gesamtanteil an Wahlkomponenten zusätzlich dadurch festgelegt ist, dass der Mittelwert N_v für die Gesamtzusammen setzung der Legierung einen Wert von ungefähr 2,5 nicht wesentlich überschreitet, und
der Mittelwert N^ durch folgende Formel festgelegt ist:

R_v = 0.61 (AF_Ni) + 1.71(AF₀₀) + 2.66 (AF_Fe) + 3.66"

4.66 .(AF_Cr) + 5.66 (AF_{Ta +} ^ _{+ v}) + ⁶·⁶⁶ (^AFZr₊Ti₊Si₊Hf 7.66 (AF_{A1 + La}) + 8.66 (AF_Mg) +.9.66

- 24 -

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224431t

("AF" bedeutet den tatsächlichen Atomanteil in der Legierung für die durch den Index gekennzeichneten Elemente oder Gruppen von Elementen).

2. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Ge- - halt an Wolfram von über ungefähr 5 Gewichtsprozent, durch einen Gehalt an Molybdän von ungefähr 8 bis ungefähr 18 96,

wobei der Gehalt an Molybdän zusätzlich durch den Mittelwert N_y begrenzt ist.

3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittel
schreitet.

der Mittelwert N_y einen Wert von ungefähr 2.4 nicht über-

4. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Musskomponenten

. ungefähr 14 bis ungefähr 17 Gewichtsprozent Chrom, ungefähr 14 bis ungefähr 17 Gewichtsprozent Molybdän, ungefähr 0,005 bis ungefähr 0,2 Gewichtsprozent Lanthan und zumindest 55 Gewichtsprozent Nickel und zufällige Verunreinigungen

und durch die Wahlkomponenten unter 2 Gewichtsprozent Wolfram unter 3 Gewichtsprozent Kobalt unter 3 Gewichtsprozent Eisen unter 0.5 Gewichtsprozent Zirkon und Titan unter 0.5 Gewichtsprozent.Aluminium unter 0.1 Gewichtsprozent Kohlenstoff unter 0.011) Gewichtsprozent Bor

'4 0 3 8 1 2 / 0 8 7 1

unter 0.5 Gewichtsprozent Silicium und unter 1 Gewichtsprozent Mangan, ,

wobei der Gesamtanteil an Wahlkomponenten zusätzlich dadurch festgelegt ist, dass der Mittelwert N„ für die Gesamtzusammenset zurig der Legierung einen Wert von ungefähr 2.5 nicht überschreitet.

5» Legierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der L_anthangehalt nicht über 0.1 Gewichtsprozent liegt.

6. Legierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass . der Mittel
schreitet.

der Mittelwert N einen Wert von ungefähr 2.4 nicht über-

7. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Chrom von ungefähr 15. Gewichtsprozent, einen Gehalt an Molybdän von ungefähr 15 Gewichtsprozent und einen Gehalt an Lanthan von ungefähr 0.02 Gewichtsprozent Rest Nickel und kleinere Anteile an damit verträglichen weiteren Elementen,zuzüglich zufälligen Verunreinigungen.

8. Legierung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert N zwischen ungefähr 2.2 und ungefähr 2.4

liegt.

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