DE2311998B2

DE2311998B2 - Verwendung einer nickellegierung fuer bauteile mit hoher zeitstandfestigkeit

Info

Publication number: DE2311998B2
Application number: DE19732311998
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Ing Steinen Albert von den Dipl Ing Schubert Florian Dipl Phys 4150 Krefeld Brandis
Original assignee: Thyssen Industrie AG
Current assignee: ThyssenKrupp Technologies AG
Priority date: 1973-03-10
Filing date: 1973-03-10
Publication date: 1977-08-11
Also published as: FR2220589A1; GB1471053A; SE403625B; IT1004375B; DE2311998C3; DE2311998A1; FR2220589B1; CH597354A5

Description

(2) [(% W) + 1,6 (% Mo)] : [(% Ta) + 1,6 (% Nb) + 4 (% Ti)] = 1,5 bis 2,8

als Werkstoff für Bauteile, die einer Langzeitbeanspruchung von über 500 h bei Temperaturen vor über 900°C bis über 1100 ³C ausgesetzt sind und eine 1000-h-Zeitstandfestigkeit bei 900⁰C von mindestens 21 kp/mm², bei 1000⁰C von mindestens 8 kp/mnr und bei 1050⁰C von mindestens 5 kp/mm² bei ausreichender Gefügestabilität aufweisen müssen.

2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1. welche die beiden zusätzlichen Bedingungen erfüllt:

(3) (% W) + 1,6 (% Mo) = 12 bis 17

(4) (% Ta) + 1,6 (% Nb) + 4 (% Ti) = 5 bis 9,5

Tür den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Summe (% W) + (% Ta) + (% Cr) mindestens 26,5 beträgt, wenn die Gehalte an Molybdän, Titan oder Niob jeweils geringer als 0,5% sind, als Werkstoff für Bauteile mit einer 100-h-Zeitabstandfestigkeit bei 900⁰C von mindestens 23 kp/mm² und bei 1000⁰C von mehr als 9 kp/mm² bei guter Gefügestabilität.

4. Verwendung einer Legierung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, deren Zeitstandfestig;-keit und spangebende Bearbeitbarkeit durch eine Behandlung, bestehend aus einer Voralterung ohne oder mit einer gleichzeitigen Kriechverformung im Bereich zwischen 800 und 1050°C, einer Glühung von etwa 80 bis 20°C unterhalb der Solidustemperatur und einer Auslagerung bei 800 bis 1000"C erhöht ist, für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung einer Legierung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4 für Feingußteile, die die in Anspruch 1 genannten Eigenschaften aufweisen müssen.

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Nickellegierung als Werkstoff Tür Bauteile, die, wie z. B. Turbinenschaufeln, einer Langzeitbeanspruchung bei Temperaturen von über 900^c'C bis llOO'C ausgesetzt sind und eine hohe Zeitstandfestigkeit und gute Gefügestabilität aufweisen müssen.

Von den bisher verwendeten Nickellegierungen ist es bekannt, daß sie durch Zulegieren von Aluminium, Titan und Niob über die Ausscheidung von /-Phase (Ll₂-Typ) der Zusammensetzung Ni₃ (Al, Ti, Nb) verfestigt werden können. Zur Erlangung hoher Zeitstandwerte bei Temperaturen oberhalb 750"C sind hohe Anteile an /-Phase nötig, wodurch diese Legierungen vorwiegend nur als Feinguß hergestellt werden können. Von diesen Legierungen liegen aus Versuchen gesicherte Zeitstandwerte bis über 1000 h bis zu Temperaturen von 93O⁰C vor. Für höhere Temperaturen sind Werte für 1000 h nicht experimentell belegt, sondern mittels Parametermethoden (z.B. Larson-Milier) extrapoliert worden.

Solche hochwarm- und zeitstandfesten Nickellegierungen sind z.B. aus der DT-PS 1248304 mit 2 bis 10% Chrom, 5 bis 19% Wolfram, bis 5% Molybdän, 0,5 bis 7% Tantal, 2 bis 8% Aluminium, bis 4% Titan, 0,03 bis 0,5% Kohlenstoff, bis 15% Kobalt, bis 2,5% Niob, bis 0,05% Bor, bis 1,5% Zirkonium, Rest Nickel bekannt, wobei der Gesamtgehalt an Tantal und Wolfram dieser bekannten Legierung mindestens 7% und zusammen mit dem doppelten Molybdängehalt und ²A des Chromgehaltes 17,5 bis 25% oder bei mehr als 4% Tantal höchstens 24 beträgt und der Niobgehalt geringer als der Tantalgehalt ist. Solche Legierungen weisen bei einer Belastung von 11 kp/mm² bei HOO⁰C eine Standzeit von im Mittel 50 h auf.

Nach der DT-OS 1921359 sollen bei hochwarmfesten Nickellegierungen, die die folgende Zusammensetzung haben: 0,10-0,18% C, 7-11% Cr, 6-13%Co, 8-12% W, 2-3% Mo, bis zu 3% Ta, 1-2% Ti, 5-6% Al, 0,004-0,02% B, 0,02-0,2% Zr, 0,15-4% Hf, Ni Ausgleich, die zum Teil unbefriedigenden Dehnungs- und Festigkeitswerte von Schmelzen, die nicht Frischschmelzen sind, sondern aus wieder eingeschmolzenem Material bestehen, verbessert werden. Durch Zugabe von Hafnium werden bei 760°C und 66,1 kg/mm² Standzeiten zwischen 60 und 130 Stunden erreicht, wodurch nur der Einfluß auf vergleichsweise kurze Laufzeiten dargelegt ist.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist nun die Schaffung einer Legierung, die noch bessere Lang-Zeitstandfestigkeitswerte bei Temperaturen oberhalb 900⁰C aufweist, insbesondere eine 1000-h-Zeitstandfestigkeit von mindestens 21 kp/mm² bei 900⁰C, von mindestens 8 kp/mm² bei 1000⁰C und von mindestens 5 kp/mm² bei 1050⁰C bei guter Gefügestabilität.

Es wurde festgestellt, daß zur sicheren Einhaltung ausreichender Zeitstandfestigkeitswerte für Arbeitstemperaturen oberhalb 900⁰C die y'-Phase neben den Atomen von Nickel und Aluminium auch einen Anteil an Wolframatomen und Tantalatomen enthalten muß Wurde früher angenommen, daß Wolfram nur al; mischkristallverfestigendes Element wirkt, so zeiger die der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnisse daß etwa die Hälfte der in der Legierung vorhandener Wolframatome und bis zu 80% der Tantalatome in dit /-Phase eingebaut sind. Dadurch wird die y'-Aus scheidungsmenge und Stabilität der y'-Phase und de: verbliebenen Mischkristalls maßgeblich bestimmt Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß di<

23 il

•inschränkung des /-Anteils und damit die Sicherung ler Strukturstabilität des verbliebenen Mischkristalls Hein nicht ausreicht, hohe Zeitstandfestigke It oberhalb 1(X)⁰C zu gewährleisten. Vielmehr spielt die Stabilität ler /-Phase selbst die entscheidende Rolle.
Unter Ausnutzung dieser Erkenntnis wird nun gemäß ler Erfindung die Verwendung einer Nickellegierung lus dem Bereich von

54	bis	64%	Ni
9	bis	15%	W
5	bis	6%	Al
0,05	bis	10%	Ta
6,5	bis	11%	Co
6	bis	9%	Cr
0	bis	4%	Mo
0	bis	6%	Nb
0	bis	2,25%	Ti
0,02	bis	0,14%	C
0	bis	1,5%	Hf
0	bis	0,07%	Zr

vorgeschlagen, die die folgenden Beziehungen erfüllt:

ίο

15

0,002 bis 0,025% B
und legierungsbedingten Verunreinigungen

(1) 0,48(%Cr) + 0,32(%W) + 0,52(°/-Mo) + 8,1

+ 1,08 (% Ta) + 1,92 (% Nb) + 4,28 (% Ti) + 0,8 (% HfJ = 56 bis 63

(2) [(% W) + 1,6 (% Mo)]: [(%Ta) + 1,6 (% Nb) + 4 (% Ti)] = 1,5 bis 2,8

Die Einhaltung dieser Bedingungen bei Legierungen •lus dem vorgenannten Zusammensetzungsbereich ist kritisch. Aus Tabelle 1 ergibt sich, daß Legierungen, welche diese beiden Bedingungen nicht erfüllen, nicht die gewünschten hohen Zeitstandfestigkeitswerte aufweisen. Es sind dies die Legierungen Nr. 5, 6,7 und 12, welche die Beziehung (2) nicht erfüllen und die Legierung Nr. 16, die beide Beziehungen (1) und (2) nicht erfüllt. Aus der letzten Spalte der Tabelle 1 ergibt sich, daß diese Legierungen auch verhältnismäßig schlechte Zeitstandfestigkeitswerte besitzen. Die Zeitstandfestigkeitswerte von erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen in Tabelle 1 zeigen aber auch den durch die Erfindung gegenüber der vorerwähnten DT-PS 1248 304 und der DT-OS 19 21359 erzielten technischen Fortschritt.

Tabelle 1

Chemische Zusammensetzung der untersuchten Legierungen in Gew.-%

Le	Ni	Co	Cr	Mo	W	Al	Ta	Γι	Nb	Hf	Zr	C	B*)	Bez.	Bez.	Temperatur:
gie														(D	(2)	100 C
rung																Belastung:
																11 kp/mm²
																Bruchzeit:
																(h)
1	57,20	10,2	7,83		13,77	5,31	5,31		_		0,046	0,13	0,016	57,10	2,59	706,0
2	58,53	10,21	7,62	-	14,07	5,21	2,05 (	),86	0,98	-	0,054	0,11	0,014	58,23	1,99	962,8
3	58,76	10,23	7,68	2,44	9,92	5,40	5,30		-	-	0,045	0,13	0,016	57,60	2,61	348,0
4	59,78	10,15	7,66	2,53	9,96	5,49	1,96	,02	1,15	-	0,050	0,13	0,014	61,51	1,78	677,0
5**)	59,90	10,0	6,39	-	13,70	5,20	1,99	,90	-	-	0,053	0,11	0,013	59,93	1,43	191,0
6**)	61,00	10,08	6,46	0,02	13,80	5,01		,94	1,07	-	0,060	0,13	0,015	58,56	1,46	196,0
7**)	61,65	10,00	6,27	2,50	9,88	5,20	1,99	,91	-	-	0,055	0,12	0,020	60,00	1,44	316,9
8	62,51	10,04	6,33	2,63	9,88	5,20	0,05	,94	0,81	-	0,062	0,10	0,018	59,72	1,56	652,5
9	58,80	10,0	7,23	0,02	13,44	5,15	3,08	,48	-	-	0,050	0,11	0,015	59,26	1,50	478,5
10	59,91	10,19	7,37	-	13,15	5,00	1,63	,48	0,74	-	0,052	0,11	0,015	57,86	1,51	462,1
11	58,05	10,29	6,62	2,55	12,15	5,37	3,08	,41	-	-	0,058	0,11	0,020	61,36	1,86	258,1
12**)	57,20	10,21	6,85	2,48	12,31	5,85	3,95 0,01	0,84	-	0,048	0,10	0,015	61,94	3,05	103,7
14	56,72	9,95	7,68	-	12,66	5,66	5.50	-	1,40	-	0,13	0,013	60,75	2,30	457,7
15	59,70	6,82	6,61	-	12,15	5,42	7,55	-	1,42	-	0,093	0,013	60,35	1,61	305,9
16**)	61,90	5,92	5,78	-	9,20	5,68	9,82	-	1,42	-	0,13	0,013	63,56	0,94	218,1

*) Fe, Mn, Si<0,30, P, S<0,005.
**) Legierungen, die nicht unter den Patentanspruch fallen.

Die Zeitstandfestigkeitswerte der bekannten Nickellegierungen liegen deutlich niedriger als die der erfindungsgemäß zu verwendenden.

Der durch die Erfindung hinsichtlich der Zeitstandfestigkeit erzielte Vorteil wird auf die Begrenzung des /-Anteils gemäß Beziehung (1) auf Werte zwischen und 63 zurückgeführt, die zu einer Legierungszusammensetzung führen, die frei von versprödenden Ausscheidungen vom Typ der σ-Phase ist.

Tabelle 2 enthält einige chemische Zusammensetzungen der i/-Phase:

Tabelle

Legierung Formel

(N io,86Coo,u)Cr

_{0 0}21) 1

o,of>W _lu)8)

Π).Ο5 " O.US'

■ortsct/uni!

cgic- Formel
.ing

(N 1(1,85COn₁I₁

_0ΛΜ

)₃

Die Stabilität derart komplex zusammengesetzter /-Phasen wird bei nahezu gleichbleibenden Gehalten in Kobalt, Chrom und Aluminium durch die Anteile in Wolfram bzw. Wolfram und Molybdän und an Tantal bzw. Tantal, Niob und Titan in dieser Phase bestimmt. Die Stabilität der /-Phase wird durch Einhaltung der Beziehung (2) gewährleistet.

Fig. 1 zeigt, daß innerhalb des Bereichs, der durch die Beziehung (2) abgegrenzt ist, optimale Zeitstandwerte liegen. Auf der Abszisse der drei Diagramme auf Fig. 1 ist die Beziehung(2) aufgetragen und auf der Ordinate die Bruchzeit. In den drei Diagrammen der Fig. 1 sind die Zeitstandergebnisse von Legierungen aus Tabelle 1 (alle im Gußzustand geprüft) bei 900, 1000 und 1050' C mit der angegebenen Belastung aufgetragen.

Zusätzlich wurde gefunden, daß zu einer weiteren Optimierung der Zeitstandfestigkeitswerte und Erzielung ausreichender Gefügestabilität eine weitere Begrenzung des durch die Beziehungen (1) und (2) umgrenzten Bereichs zweckmäßig ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, Legierungen aus dem vorerwähnten Bereich zu verwenden, die folgende beiden Zusatzbedingungen erfüllen:

(3) (% W) + 1,6 (% Mo) = 12 bis 17

(4) (% Ta) + 1,6 (% Nb) + 4 (% Ti) - 5 bis 9,5

Der durch die Beziehungen (1) bis (4) abgesteckte Bereich für erfindungsgemiiß zu verwendende Legierungen ist in Fig. 2 schraffiert eingezeichnet. Die Abszisse des Diagramms wird durch den Zähler und die Ordinate durch den Nenner der Beziehung (2) gebildet. Die beiden schräg verlaufenden Geraden in dem Diagramm ergeben sich als Grenzlinien aus Beziehung (2), Die obere und untere Bcgrcnzungslinic des schraffierten Feldes ergibt sich aus Beziehung (4) und die seitlichen Begrenzungslinien aus der Beziehung (3). In diesen schraffierten Bereich fallen die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen gemäß Tabelle 1, während die Legierungen 5, 6, 7 und 12 der Tabelle 1 außerhalb liegen. Bei den nicht in den erfindungsgeiniiß zu verwendenden Bereich fallenden Legierungen Nr.5 und 6 handelt es sich um praktisch molybdänfreie Legierungen, deren Gehalte an Wolfram, Tantal, Titan und Niob nicht in der richtigen

ίο Weise aufeinander abgestimmt sind, so daß die Beziehung (2) nicht erfüllt ist.

Darüber hinaus erfüllt die Legierung 5 auch nicht die Beziehung (4), weil die Gehalte an Tantal und Titan zu hoch angesetzt worden sind, und die Legie-

is rung 6 weist keinen Tantalgehalt auf, wie er für erfindungsgemäß zu verwendende Legierungen mit mindestens 0,05% gefordert wird. Die ebenfalls außerhalb des erfindungsgemäß zu verwendenden Bereichs liegende molybdänfreie Legierung Nr. 16 erfüllt weder die Beziehung (1) noch die Beziehung (2) und hat nach Beziehung (3) einen zu geringen Wolframgehalt.

Die molybdänhaltigen Legierungen 7 und 12 erfüllen ebenfalls nicht die Beziehung (2), weil auch hier das Verhältnis von Wolfram und Molybdän zu Tantal,

;s Titan und Niob nicht in der richtigen Weise gewählt worden ist.

Die Ergebnisse in Tabelle 1 zeigen auch, daß es vorteilhaft ist, bei Legierungen innerhalb des erfindungsgemäß zu verwendenden Bereichs die Summe der

.ίο Gehalte von Wolfram, Tantal und Chrom auf mindestens 26,5% festzusetzen, wenndicGchaltcan Molybdän, Titan und Niob jeweils unter 0,5% liegen. Dies ergibt sich aus einem Vergleich der Werte für die Legierung 1 gegenüber denen der Legierungen 14 und 15 aus Tabelle 1. Solche Legierungen erreichen eine 1000-h-Zcitstandfestigkcit bei 900"C von mindestens 23 kp/mnr und bei 1000 C von mehr als 9 kp/mm².

Ein Großteil der derzeit verwendeten hochwannfesten Nickellegierungen wird im Gußzustand beansprucht. Bei einem geringeren Anteil wird das gegossene Werkstück mittels einer Aushärtebehandlung im Bereich um 800 bis 900"C verfestigt.

Überraschenderweise wurde bei den Untersuchungen festgestellt, daß durch eine thcrmomcchanischc Be-

.(s hancllung des Gußstücks, bestehend aus einer Voralterung ohne oder mit einer gleichzeitigen Kriechverformung im Bereich zwischen 8(X) und 1050 C, einer Glühung von etwa 80 bis 20"C unterhalb der Soliüuslcmpcrulur und einer Auslagerung bei 800 bis

KXXTC die ZcitsUindfestigkeit und spangebende Bearbeitbarkeit der erfindungsgemüß zu verwendenden Nickellegierungen vorbessert werden leunn. Dies zeigen die Ergebnisse in Tabelle 3.

Tabelle 3

Einfluß der Vorbehandlung auf das Zcitstandvcrhaltcn. Prüftcmperulur: 900'C; Betastung: 22 kp/mm^s

Logic- (I)

Zeit
(ID

(2)

(3)

(58%

Zeil (5β% Ψ% Zeil (h) (h)

(4)

(5s % ψ% Zeil
(ID

(5)

Zelt
(h)

1.149,3 3,0 7.0 2135,0 4,5 9,7 1563,3 4,0 5,1 % 5,5 12,6 % 4,0

+ 984,9 +1182,3

853,2 4,0 9,6 -

% 3,5

+ lull.I

% 5,5 8,8

+ 902.3

Fortsetzung	(I)	C)	(j..".,	ι/'¹¹,.	(3)
Legie
rung	/eil	/eil			/l>
	(ID	(ID		(Id

/eil
lh)

352,3

12*) 207,4 2,0 4,8

3,0

7,4

+ 561,3

43h,4

+ 21

2,r>

5.1

*) Nicht unter Patentanspruch füllend.
(!) Geprüft als GuB.

(2) 850 C 50 h/W + 1250 C 25 h/Arg/L + S¹X) C 24 h/L

(3) 900 V 1000 h/L+ 1250 Γ 25 h/Arg/L+ 890 C 24 h/L.

(4) Als GuIJ belastet bei 10(X) C mit 22 kp/mm^s. nach 96 h ausgebaut + 1250 C 25 h/Arg/L + 890 t 24 h/l.

(5) Nach 1(XX) h 9(K) C Überalterung, hoi UXX) C mit 22 kp/mm? belastet, nach % hausgebaut+ 1250 C 25 h/Arg/L ■* S¹H) C 24 h/L

(St. - Bruchdehnung.

Ψ - Brucheinschnürung.

Aus Spalte (4) in Tabelle 3 ergibt sich auch, daß durch Anwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Behandlung auf bereits 96 h in Betrieb gewesene Turbinenschaufel!! im i*alle der Legierungen4 und 11 verbesserte Standzeiten erreicht werden können.

Wie bereits erwähnt, bilden erfindungsgemüß /u verwendende Legierungen auch bei Langzcitbcanspruehung im Temperaturbereich über ¹X)O C keine (/-Phase oder verwandte Phasen, die eine Versprödung und daher Minderung der /eilstandfestigkeit zur 1'OIgC haben. Die Prüfung der Zeitstandfesiigkeit nach einer Überalterung, die ein gutes Mali für die (iefiigeslabilität der Legierung ist, ergibt nach Fig. 3 eine wesentlich geringere Verkürzung der Bruchzeit gegenüber den im CiuUzustand geprüften Proben, als zu erwarten gewesen war. Die Bruchdehnungswerte der überalterten Proben sind in den meisten Füllen sogar besser als bei den Ciußproben.

Hei den in den Fig. 1 und 3 und in der let/ten Spalte der Tabelle I angegebenen Bruch/eilen ist mit Helaslungen von 7, 11 und 22 kp/ninv gearbeitet worden, die höher liegen als die Belastungen nach Anspruch I von χ S und 21 kp/mnv'. Die folgende Tabelle 4 gibt die 10()()-h-/,cilstandfestigkeilswcrte für einige der erfindungsgemäU zu verwendenden legierungen bei den Temperaturen iuie,h Anspruch 1 wieder. Die F'estigkeitswerle liegen höher als nach Anspruch I.

Tabelle 4

as l.egie- /citslanill'estigkeil cii/iuuhin kp/mnv
rung

9(X) C KU)(I C 1050 C

7,0

I	24,5	^l>,5
2	21.0	11,11
4	21,0	10.0
8	23,0	10.0
H)	24,5	^l>,0

Die Frgehnisse /eigen, daIi bei Finhaltung der ciTindungsgemäB vorgeschlagene η Ahstimmungsregeln bei Nickellegierungen aus dem vorerwähnten /usamnienset/ungsbe reich gegenüber bekannten Nickellegierungen erheblich bessere /eitstandl'esligkeitswerle hei Temperaturen über ¹H)OC gefunden werden, was nicht ohne weiteres zu erwarten gewesen war. Wie dargelegt, sind die angegebenen (.iren/en für den /.usamnicnset/nngsbcreich der erl'induiigsgemüU /u verwendenden Legierungen im Hinblick auf die Fiviclung der gewünschten /eitslandfesligkeitswerle kritisch, Legierungen, die außerhalb dieses Bereichs liegen, /eigen wesentlich geringere /eitstandl'estigkeitswurtc,

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Verwendung einer hochwarmfesten Nickelegierung aus dem Bereich von

54 bis 64% Ni 9 bis 15% W 5 bis 6% Al 0,05 bis 10% Ta 6,5 bis 11% Co 6 bis 9% Cr 0 bis 4% Mo 0 bis 6% Nb 0 bis 2,25% Ti 0,02 bis 0,14% C 0 bis 1,5% Hf 0 bis 0,07% Zr 0,002 bis 0,025% B

und legierungsbedingten Verunreinigungen, die die folgenden Beziehungen erfüllt:

(1) 0,48 (% Cr) + 0,32 (% W) + 0,52 (% Mo)

+ 8,12 (% Al) + 1,08 (% Ta) + 1,92 (% Nb) ,, + 4,28 (% Ti) + 0,8 (% HO = 56 bis 63