DE2329006A1

DE2329006A1 - Legierung auf nickelbasis

Info

Publication number: DE2329006A1
Application number: DE2329006A
Authority: DE
Inventors: Peter Aldred; Earl Warren Ross; Carl Stephen Wukusick
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-06-09
Filing date: 1973-06-07
Publication date: 1973-12-20
Also published as: IT988946B; GB1394506A; BE800465A; IL42133A0; CA988332A; IL42133A; FR2187931B1; JPS4962321A; FR2187931A1

Description

Legierung auf Nickelbasis

Die vorliegende Erfindung betrifft Superlegierungen auf Nickelbasis. Insbesondere betrifft die Erfindung solche Legierungen, die für das Gießen von Teilen brauchbar sind, die eine verbesserte Kombination von Belastungsbruchfestigkeit und Beständigkeit gegen Sulfidierung sowie eine verbesserte Beständigkeit
gegen die Bildung nachteiliger Phasen aufweisen.

Durch die zunehmend strengeren Bedingungen, unter denen aus
solchen Legierungen hergestellte Teile in Gasturbinen arbeiten sollen, ist eine raschere Entwicklung von Superlegierungen auf Nickelbasis eingeleitet worden. Da sich die Betriebstemperaturen mit fortschreitenden Gestaltungen für solche Teile erhöht haben, sind die Oberflächenstabilitätseigenschaften der Legierung zunehmend bedeutender geworden. Obwohl daher relativ feste Legierungen gefunden worden sind, war doch deren Oberflächen-

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Stabilität verbunden mit Oxydationsbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber Sulfidierung oder Hitzekorrosion noch unzureichend. Darüberjhinaus zeigten einige Legierungen in Langzeitbetrieb bei erhöhten Temperaturen eine Tendenz, nachteilige Phasen, wie Sigma- und Eta-Phasen, zu bilden.

Demzufolge ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Legierung auf Nickelbasis mit einer verbesserten Kombination von Festigkeit und Oberflächenstabilität sowie Beständigkeit gegenüber der Bildung nachteiliger Phasen zu schaffen.

Eine andere Aufgabe ist es, eine solche Superlegierung auf Nickelbasis zu schaffen, die hauptsächlich durch eine sorgfältig ausgewählte Kombination von Titan, Aluminium und Tantal, durch ^f*' (im Englischen "gamma prime" genannt) verstärkt ist, sowie durch eine vernünftige Auswahl der Chrommenge ein Gleichgewicht zwischen der Beständigkeit gegen Sulfidierung und Oxydation und der Beständigkeit gegen Bildung der Sigma- und Eta-Phase aufweist, Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Gußteil, wie eine Laufschaufel, eine Leitschaufel oder ein Tragflügelprofil für die Verwendung im Turbinenteil einer Gasturbine zu schaffen, das aus einer solchen verbesserten Superlegierung auf Nickelbasis hergestellt ist.

Diese und andere Aufgaben und Vorteile werden in der nachfolgenden Beschreibung und den Beispielen näher erläutert.

Kurz gesagt besteht die erfindungsgemäße Legierung in ihrer einen Form im wesentlichen aus folgenden Bestandteilen in Gew.-56: etwa 0,05-0,35 Kohlenstoff, 8-10 Chrom, 3,3-4,3 Titan, etwa 0,01-0,03 Bor, 3,8-4,8 Aluminium, etwa 6-8 Wolfram, etwa 1-3 Molybdän, etwa 8-15 Kobalt, 3,6-4,4 Tantal, bis zu 0,1 Zirkon und der Rest sind Nickel und zufällige Verunreinigungen zusammen mit gegebenenfalls hinzuzufügenden Mengen von bis zu etwa 2 Niob und bis zu etwa 2 Hafnium. Um für eine verbesserte Festigkeit ein Gleichgewicht zu schaffen zwischen dem Gehalt an Jf'-Phase und der Beständigkeit gegen Eta-Phasenbildung,ist e3 für die

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Legierung nach der vorliegenden Erfindung erforderlich, daß die Summe aus Aluminium und Titan mindestens 8,1 Gew.-? ausmacht, die Summe von Aluminium, Titan, Tantal und Niob im Bereich von 11,7-12,5 Gew.-? liegt, die Summe von Tantal und Niob im Bereich von 3,6-4,¹I Gew.-? liegt und die Summe von Molybdän und Wolfram mindestens 8,5 Gew.-? beträgt. Darüberjhinaus ist es für die Beständigkeit gegen Eta-Phasenbildung erforderlich, daß bei Abwesenheit von Niob 0,94 χ [(Ti + Ta)/Al] nicht größer ist als 2,5 oder daß bei Anwesenheit von Niob Ο,9<4 χ ßTi + Ta + Nb)/Al] nicht größer ist als 2,0. Für die Beständigkeit gegen Sulfidierung ist es bei der erfindungsgemäßen Legierung erforderlich, daß (Cr + Ta + Nb)/Al mindestens 3,0 ist. Wie noch im einzelnen zu erläutern sein wird, ist der Phasenzählfaktor N _, der das Potential für die Bildung der nachteiligen Sigma-Phase angibt, nicht größer als 2,3»

Die fortschreitende metallurgische Technologie für Superlegierungen auf Nickelbasis, zu denen auch die erfindungsgemäße Legierung gehört, ist auf die Ausdehnung der Legierungseigenschaften bis zu deren pr-aktischem Sicherheit-smaximum gerichtet. Es ist daher nicht länger angemessen, eine Legierung nur durch ihre Festigkeitseigenschaften oder ihre Beständigkeit gegen Oxydation oder Sulfidierung zu definieren. Wie durch die nachfolgenden Beispiele gezeigt wird, ist es möglich, eine Super-Legierung auf Nickelbasis herzustellen, die außerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung liegt und unter bestimmten Bedingungen fester ist als die erfindungsgemäße Legierung. Es ist auch möglich, eine Superlegierung auf Nickelbasis herzustellen, die eine größere Oberflächenstabilität hinsichtlich der Sulfidierungsbeständigkeit hat, als die Legierung nach der vorliegenden Erfindung. Doch hat eine solche festere oder gegenüber Sulfidierung beständigere Legierung den Nachteil, daß die Phasenstruktur oder der Legierungsgehalt nicht so eingestellt ist, daß ein Gleichgewicht zwischen der Festigkeit und der Oberflächenstabilität geschaffen wird, um die Legierung für Belastungen bei hohen Temperaturen, wie sie im Turbinenteil neuerer Gasturbinen vorhanden sind j brauchbar zu machen.

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Die erfindungsgemäße Legierung stellt aufgrund der Definition der kritischen Beziehungen, welche das Auftreten der Eta- und Sigma-Phase sowie die gegenseitigen Beziehungen zwischen den ö '-Phasenbildnern und den t'-Phasengehalt für eine verbesserte Festigkeit ein stellen und die gegenseitigen Beziehungen zwischen den für die Beständigkeit gegen Sulfidierung verantwortlichen kritischen Elemente kontrollieren, eine beträchtlich verbesserte Lergierungsart dar. Solche gegenseitigen Beziehungen sollen anhand der Rolle, die jedes der Elemente der erfindungsgemäßen Legierung spielt, im Zusammenhang mit den folgenden Beispielen näher erläutert werden.

In der folgenden Tabelle I sind typische ausgewählte Beispiele solcher Legierungen, die von besonderem Interesse als Gußlegierungen sind, zusammengefaßt. Alle diese Legierungen wurden im Vakuum erschmolzen, zu Teststücken vergossen und dann untersucht.

TABELLE I

Nominalzusammensetzung in Gew. %

der Rest für die einzelnen Legierungen wird von Nickel, 0,03-0,05 Zirkon, 0,015 Bor und zufälligen Verunreinigungen gebildet.

Legie- CoCrMoWAlT^iTa Cb Hf C N ,
rung ——

1 12 12 3 6 3 6 - - ,17 2,33

2 11 11 2 4 3,5 5 3,5 - 1 ,17 2,33

3 11 11 3 5 5 3 2 - - ,17 2,35

4 11 8 3 6 5,5 3,5 2 - - ,17 2,34

5 12 10 3 6 5 3,5 1,8 - - ,35 2,25

6 15 6 3 5 5 4 4 - 1 ,25 2,28 . 7 11,5 9,5 3 ^ ^ i*,5 ^ - - ,17 2,28

8 11 9,5 3 4 3,3 4 5 2,5 - ,17 2,32

9 9,5 10 1 9 3,7 3,7 3,9 1,3 - ,25 2,25

10 10 10 2 6 4 4 4 - - ,2 2,21

11 8 10,5 1,5 6,5 4,1 3,8 4,5 - - ,2 2,23

12 10 9,3 2 7 4,3 ¹J 3,8 - - ,17 2,27

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Von den in der vorgenannten Tabelle zusammengefaßten Letderun^eη ist die Legierung 12 die einzige, die in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt. Diese Legierungverfüllt nicht nur die Anforderungen hinsichtlich der Zusammensetzung sondern die einzelnen Elemente sind auch so aufeinander abgestimmt, daß die Legierung eine beträchtlich verbesserte Kombination von Festigkeit und Beständigkeit gegen Sulfidierung aufweist.

Eines der Charakteristika der erfindungsgemäßen Legierung ist es, daß sie ein Gleichgewicht zwischen dem ^f'-Phasengehalt für die Festigkeit und der Beständigkeit gegen Bildung der Eta- und Sigma-Phase aufweist. Die für ein solches Gleichgewicht kritischsten Elemente sind Titan, Aluminium, Chrom und Tantal und deren gegebenenfalls erfolgende teilweise Ersetzung durch Niob.

Der weitere Bereich für Tantal und für die Summe von Tantal und Niob in den erfindungs gemäßen Legierungen beträgt 3,6-¹1,¹I Gew.-?. Ein mehr bevorzugter Bereich erstreckt sich von 3,6-4,0 Gew.-?. Innerhalb des weiteren Bereiches erhält man eine Kombination von Festigkeit und Hitzekorrosionsbeständigkeit zusammen mit vernünftiger Dichte, möglicherweise durch Vermeiden einer aluminiumreichen Oxydbildung. Die Wirkung von Tantal auf die Beständigkeit gegen Sulfidierung, welche die Beständigkeit gegenüber Hitzekorrosionsbedingungen ist, ist sehr deutlich. Oberhalb des obengenannten Bereiches nimmt die Oberflächenstabilität ab und verringert so die Beständigkeit gegen Oxydation und Korrosion und erhöht gleichzeitig das Potential für die Bildung unerwünschter Phasen, wie Sigma- und Eta-Phasen. Legierungen, die mit 8-9 Gew.-? Tantal erschmolzen wurden, zeigten eine tiefgehende innere Oxydation. Unterhalb des obengenannten Bereiches wird für die Festigkeit zu wenig Ϊ¹- Phase gebildet. Auch fällt, z.B. bei Gehalten von unterhalb 3 Gew.-$ ,die Oberflächenstabilität ab.

Niob kann bis zu 2 % anstelle von Tantal eingesetzt werden. Oberhalb dieser Menge hat Niob eine beeinträchtigende Wirkung auf die Phasenstabilität und möglicherweise auf die Hitzekorrosionsbeständigkeit. Tantal und Niob zusammen befinden sich hauptsäch-

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lieh in der Jf¹ -Phase.

Aluminium ist ein kritischer S ' -Phasenbildner und beeinflußt sowohl die Festigkeit als auch die Beständigkeit gegen Sulfidierung. Aluminium kann von 3,8-4,8 Gew.-% vorhanden sein und vorzugsweise von 4,1-4,5 Gew.-£. Mengen oberhalb von 4,8 Gew.-Ϊ verringern die Hitzekorrosionsbeständigkeit, insbesondere bei geringen und mittleren Temperaturen. Darüberjhinaus führen Mengen unterhalb von 3,8 Gew-% zur Eta-Phaseninstabilität, d.h. eine solche Legierung neigt zur Bildung der schädlichen Eta-Phase, welche dazu führt, die Belastungs-Bruchfestigkeit zu verringern und ein Brüchigwerden der Legierung mit sich bringt. Wie noch näher beschrieben wird, spielt Aluminium eine bedeutende Rolle bei den Faktoren, die sowohl Festigkeit als auch Beständigkeit gegenüber Sulfidierung bestimmen.

Ein drittes kritisches Element in der erfindungsgemäßen Legierung ist der S¹ -Phasenbildner Titan, der in einem weiteren Bereich von 3,3-^,3 Gew.-JS und vorzugsweise im Bereich von 3,8-4,2 Gew.-? vorhanden sein kann. Titanmengen von mehr als 4,3 Gew.-ίί führen in der erfindungsgemäßen Legierung zu einer verringerten Dauerstandfestigkeit bzw. Belastungs-Bruch-Lebensdauer (im Englischen "stress rupture life" genannt) und zur Bildung der Eta-Phase als Ergebnis der $'-Phasen-Instabilität, während Mengen von weniger als 3,3 Gew.-Ji zur Verringerung der Hitzekorrosionsbeständigkeit führen. Titan bildet zusammen mit in der Legierung der vorliegenden Erfindung vorhandenen Tantal- und Kohlenstoff nach dem Schmelzen (TiTa)C. Eine nachfolgende Wärmebehandlung führt zur Bildung von ^M ₂"5^C6 " ^{und M}6^C~ ^Carbi^den (worin M vorwiegend für Ti und Ta steht) in den Korngrenzen, übergroße Mengen von Titan, Tantal und Niob führen zur #'-Phasen-Instabilität und zu schlechter Oxydations- und "Hitzekorrosionsbeständigkeit. Das richtige Gleichgewicht zwischen Aluminium, Titan und der Kombination aus Titan und Niob sowie mit Chrom ist notwendig für ei > gute Kombination von Oxydations- und Hitzekorrosionsbeständigkeit.

Ein weiteres kritisches Element in der Zusammensetzung der er-

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findungsgemäßen Legierung ist Chrom, das in einer Menge im Bereich von 8-10 Gew.-% und vorzugsweise von 8,6-9,4 Gew.-? vorhanden sein kann. Unterhalb von 8 Gew.-Si wird die Beständigkeit der Legierung gegen Sulfidierung und Oxydation verringert. Oberhalb von 10 Gew.-/S steigt die Neigung für die Bildung der nachteiligen Sigma-Phase. Das Element Chrom ist innerhalb des obigen weiteren Bereiches für die Legierung der vorliegenden Erfindung zur Bildung chromreicher Oxyde notwendig, die erforderlich sind für die Beständigkeit gegen Sulfidierung. Es soll jedoch nicht in Mengen oberhalb von 10 Gew.-? vorhanden sein, da sonst durch die Bildung unerwünschter Phasen ein Brüchigwerden der Legierung verursacht wird.

Es ist zu erwähnen, daß die meisten bei hohen Temperaturen verwendeten Guß-Superlegierungen auf Nickelbasis relativ große Mengen Chrom für die Hitzekorrosionsbeständigkeit enthalten. Eines der sehr bedeutsamen Charakteristika der erfindungsgemäßen Legierung ist die Tatsache, daß der Chromgehalt in dem relativ niedrigen Bereich von 8-10 Gew.-% gehalten werden kann, ohne daß dadurch die Beständigkeit gegen Sulfidierung beeinträchtigt wird. Durch ein ungewöhnliches Gleichgewicht anderer Legierungseiemente wird eine Kombination relati"*» hoher Festigkeit und höh ei* Beständigkeit gegen Sulfidierung erreicht. Mit Chromgehaiten von uur 6 Gew.-? erzielt man jedoch nur eine geringe Beständigkeit gegen Sulfidierung, wie sich aus den noch folgenden Versuchsergebnissen für die Legierungider Tabelle I ergibt.

Von zweitrangiger üe ^,,...;, ung im Vergleich mit den kritischeren Elementen Titan, Aluminium, Tantal, Niob und Chrom sind die verfestigenden Elemente Molybdän und Wolfram. Diese Elemente sind in den Legierungen der vorliegenden Erfindung in Mengen von etwa 1-3 Gew.-? für Molybdän und von etwa 6-8 Gew.~% für Wolfram eingeschlossen. Vorzugsweise sind diese Elemente in Bereichen von 1,6-2,4 Gew.-% Molybdän bzw. 6,6-7,4 Gew.-% Wolfram vorhanden. !Molybdän und Wolfram sind hauptsächlich Verfestiger fester Lösungen und tragen zur <2f- Ph as en- und S'-Phasen-Verfestigung bei. Sie fördern beide eher die Bildung von MgC- als von M₂-^Cg Carbiden. 30985 1/0948

Im Rahmen der erfindungsgemäßen Legierungen wurde eine Anzahl bedeutender gegenseitiger Beziehungen zwischen den kritischen Elementen Titan, Aluminium, Tantal, Niob und Chrom und den sekundären verfestigenden Elementen Molybdän und Wolfram festgestellt. Diese Beziehungen, als Eigenschaftsfaktoren und spezifischer als Festigkeitsfaktoren und als SuIfidierungsfaktor bezeichnet, sind in der folgenden Tabelle II zusammengefaßt.

TABELLE II

Eigenschaftsfaktoren Festigkeitsfaktoren

1. Al + Ti = mindestens 8,1 Gew.-%

2. Al + Ti ♦ Ta' + Nb = 11,7 - 12,5 Gew.-J

3. Ta + Nb = 3,6 - M,4 Gew.-*

4. Mo + W β mindestens 8,5 Gew.-J

5. Eta-Phase:
ohne Nb

0,9^ [(Ti ⁺ Ta)/Al] < 2,5

mit Nb

0,9^ C(Ti + Ta + Nb)/Ail ^ 2,0

SuIfidierungs faktor

(Cr + Ta + Nb)/Al ^ 3,0

Um den mindestens erwünschten if*-Phasengehalt zu erhalten, muß die Summe von Aluminium und Titan mindestens 8,1 Gew.-JS betragen, wie im Festigkeits faktor 1 angegeben. Unterhalb dieser Menge ist die erhaltene Legierung weich. Es wurde jedoch festgestellt, daß zur Erreichung der für die erfindugnsgemäße Legierung erwünschten Festigkeitseigenschaften auch andere Elemente die Menge des iT¹-Phasengehaltes beeinflussen.

Solche anderen Elemente schließen in erster Linie Tantal und Niob ein, die zur $^x -Phase hinzugegeben werden, um diese zu ver-

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festigen und den ^¹-Phasen-Volumenanteil zu erhöhen. Wie beim Festigkeitsfaktor 2 angegeben, muß die Summe von Aluminium,Tantal, Titan und Niob nach der vorliegenden Erfindung im Bereich von 11,7-12,5 Gew.-? liegen.

Die Zugabe der Elemente Tantal und Niob zu diesem Festigkeitsfaktor wird ausgeglichen durch Alumimium und Chrom, um die gewünschte Beständigkeit gegen Sulfidierung zu erhalten. Der Festigkeitsfaktor 3erfordert daher, daß die Summe von Tantal und Niob im Bereich von 3,6-4,4 Gew.-JS liegt.

Mit dem tf'-Phasen-Verfestig-ungsmechanismus ausgeglichen ist der der Lösungsverfestigung durch die Elemente Molybdän und Wolfram. Der Festigkeitsfaktor 4 erfordert daher, daß die Summe dieser beiden verfestigenden Elemente nicht geringer ist als 8,5 Gew.-ί.

Eine der kritischen Phasen, deren Bildung durch die vorliegende Erfindung vermieden wird, ist die Eta-Phase. übergroße Anteile der Eta-Phase sind nachteilig für die Legierung, da diese Eta-Phase die Belastungs-Bruchfestigkeit verringert und die Legierung brüchig macht. Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist daher die Feststellung der Beziehung zwischen den kritischen Elementen Titan, Aluminium, Tantal und Niob bei der Bildung der unerwünschten Eta-Phase. Der in Tabelle II gezeigte Festigkeitsr faktor 5 definiert die wechselseitigen Beziehungen zwischen diesen Elementen mit und ohne Anwesenheit des fakultativ vorhandenen Elementes Niob. Oberhalb der gezeigten Maxima, d.h. 2,5 bei Abwesenheit von Niob und 2,0 bei Anwesenheit von Niob, besteht eine Tendenz zur Bildung der unerwünschten Eta-Phase.

In der erfindungsgemäßen Legierung ist daher nicht nur hinsichtlich der Festigkeit sondern auch bezüglich der Beständigkeit gegen Sulfidierung, die manchmal als Hitzekorrosionsbeständigkeit bezeichnet wird, ein Gleichgewicht hergestellt. Diese nachteilige Hitzekorrosion tritt während des Betriebes bei erhöhten Temperaturen in Gegenwart korrosiv wirkender Verbindungen, wie Salz, auf. Schon eine geringe Menge in der Luft vorhandenen Seesalzes,

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z.B. 5 ppm Salz, kann bei Temperaturen wie etwa 815 °C (entsprechend 15OO F) und darüber zu einer ernsthaften Hitzekorrosion führen. Die ausbalanzierten Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen Legierungen sind daher durch den in Tabelle II aufgeführten SuIfidierungsfaktor kontrolliert. Dieser Faktor gleicht die Mengen von Chrom, Tantal, Niob und Aluminium aus. Die speziellen Berechnungen der Mengen dieser Elemente innerhalb des Bereiches der erfindungsgemäßen Legierung, die zu einem SuIfidierungsfaktor von weniger als 3 führen, ergeben eine merkliche Verringerung der Beständigkeit gegen Sulfidierung.

Um die gegenseitigen Beziehungen zwischen den verschiedenen Elementen, die in den Festigkeitsfaktoren und in dem Sulfidierungsfaktor eingeschlossen sind, klarer herauszustellen, sind die entsprechenden Versuchsergebnisse der Legierungen der Tabelle I ausgewählt worden. In der folgenden Tabelle III sind die Festigkeits_faktoren mit den Belastungsbrucheigenschaften in Beziehung gesetzt worden, wobei die Bezeichnung "Ksi" für die Dimension

1000 US-Pfund/Zoll² steht, d.h. 27,5 Ksi entsprechen einer Be-

lastung von etwa 1935 kg/cm und 55 Ksi entsprechen einer Belastung von etwa 3870 kg/cm .

	•	η	3	des	TABELLE III	Dauerstandfes 98O°C(l8OO°F) Durchschnitt 27.5 Ksi f.hJ	tigkeit
		Y	η		Festigkeitsdaten	51	Durchschnitt 55 Ksi ChI
Legie rung		η	η	Y	Festigkeits-	56	330
		η	η	η	5	75	^96
1	Inn_erhalb Faktors	η	η	η	Y	152	520
2	1	η	η	Y	Y	98	670
3	Y	Y	Y	Y	Y	85	650
H	Y	Y	Y	η	Y	80	825
5	η	η	η	η	Y	2k	976
6	Y	η	η	Y	51	-
7	Y		Y	η		861
8	Y		η
9	Y	η
	η
	η

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TABELLE III Fortsetzung

	1_	L I/O X C 2_	in. o\Ji 3	η	5
10	η	Y	Y	η	Y
11	η	Y	η	Y	Y
12	Y	Y	Y	Y

Legierung Innerhalb des Festig- Dauerstandfestigkeit

98O°C(l8OO°F) 8i4O°C(155O°F) Durchschnitt Durchschnitt 27, Ksi ChI 55 Ksi ChH

66 500X
110 1398

wobei Y "ja" und η "nein" bedeutet und die nit x versehenen Zeiten aufgrund der bei 870 ⁰C (entsprechend 1600 ⁰F) ermittelten Ergebnisse geschätzt sind.

Wie bereits erwähnt wurde, ist es möglich, eine Legierung herzustellen, die bestimmte bessere Fest-igkeitseigenschaften aufweist, als ' ''Vierungen der vorliegenden Erfindung. Typisch für .eine no, in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallende

Legierung ist die Legierung *», die eine relativ große Summe von Aluminium und Titan aufweist, da sie relativ groüe Mengen von Aluminium enthält und die Mengen von Molybdän und VJoIfram innerhalb des weiteren Bereiches eier vorliegenden Erfindung enthält. Als Ergebnis dessen beträgt deren Dauerstandfestigkeit bei ^80 ⁰C bei einer Belastung von 27,5 Ksi durchschnittlich 152 Stunden und sie weist eine vernünftige Dauerstandfestigkeit bei 8*10 ⁰C unter einer Belastung von 55 Ksi auf. Wegen des unrichtigen Ausgleiches des Tantalgehaltes ist ihr Sulfidierungsfaktor jedoch nur gering und daher ist die Beständigkeit dieser Legierung gegen Sulfidierung extrem klein, wie der folgenden Tabelle ?.u entnehmen ist.

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TABELLE IV Sulfidierung Legierung SuIfidierungsfaktor

innerhalb

Testergebnisse bei 87O°C(entsp, Zahl l600°F), durchschnittl. erforderliche Zeit in Stunden für ein durchschnittl. Eindringen von 1/100 ZoIKlOmils)/Seite

1	ja	η	700
2	ja		1065
3	nein	2,6	115
4	nein	1,8	48
5	nein	2,4	51
6	nein	2,0	51
7	ja	3,4	371
8	ja	5,2	6900
9	ja		494
10	ja	3,5	398
11	ja	3,7	424
12	ja	3,1	300

Es können auch Legierungen mit einer größeren Beständigkeit gegen Sulfidierung als die erfindungsgemäße Legierung hergestellt werden, wie die Ergebnisse der Tabelle IV zeigen. Ein Vergleich der Festigkeitseigenschaften solcher Legierungen zeigt jedoch, daß sie bedeutend weicher sind als die erfindungsgemäße Legierung, die durch die Legierung 12 repräsentiert ist. So zeigen beispielsweise die Legierungen 1,2 und 7 bis einschließlich 11 alle eine größere Beständigkeit gegen Sulfidierung in einem oder anderen Maße, doch zeigen ihre Festigkeitseigenschaften, gemessen als die Dauerstandfestigkeiten in Tabelle III, daß sie zu weich sind, um brauchbar zu sein für solch kritische Anwendungen, wie gegossene Turbinenlauf- oder Leitschaufeln in neueren Gasturbinen.

Der Zusammensetzungsbereich für die erfindungsgemäßen Legierungen zusammen mit der Verwendung der in Tabelle II aufgeführten Ei-

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genschaftsfaktoren führt also zu verbesserten Superlegierungen auf Nickelbasis. Eine solche Legierung ist bezüglich ihrer Zusammensetzung so eingestellt, daß Festigkeit und Sulfidierungsbeständigkeit ausgeglichen sind, während gleichzeitig die Bildung der nachteiligen Phasen wie Sigma- und Eta-Phase vermieden werden.

Bezüglich der Sigma-Phasenbildung verwendet die vorliegende Erfindung ein metallurgisches Werkzeug, das manchmal als Phasenzählfaktor bezeichnet und durch das Symbol N , identifiziert wird. Ein solches Werkzeug, welches das Potential für die Sigma-Phasenbildung bestimmt, basiert auf der Elektronen-Leerstellentheorie und ist im einzelnen in der US-Patentschrift 3 642 ^69 insbesondere Spalte ¹J, Zeile 14 beschrieben. Für die Verwendung dieses Phasenzählfaktors zur Kontrolle der Tendenz der Legierung, die Sigma-Phase zu bilden, wird für die erfindungsgemäße Legierung bestimmt, daß der Faktor N , nicht größer sein darf als 2,3 und daß er vorzugsweise im Bereich von 2,2-2,3 liegt. Größere Faktoren ergeben eine Tendenz für eine Bildung der unerwünschten Sigma-Phase.

Das Element Kobalt ist in den Legierungen der vorliegenden Erfindung eingeschlossen in einer Menge im Bereich von 8-15Gew.-? undlvorzugsweise von 9,5-10,5 ,Gew.-%_t um die besten Eigenschaften in ihrer Gesamtheit zu erhalten. Kobalt ist ein milder Verfestiger fester Lösungen und ein S '-Phasenstabilisator. In der Legierung der vorliegenden Erfindung verursachen Kobaltmengen von mehr als 15 Gew.-? Sigma-Phasenbildung. Deshalb wird der Kobaltgehalt der erfindungsgemäßen Legierung so eingestellt, daß die beste Gesamtkombination der Eigenschaften erhalten wird.

Kohlenstoff ist in den erfindungsgemäßen Legierungen im Bereich von etwa 0,05-0,35 Gew.-? und vorzugsweise im Bereich von 0,15 0,2 Gew.-2 enthalten. Kohlenstoff ist von Bedeutung für die Hochtemperatur-Bruchfestigkeit wegen der Bildung von Carbiden wie MC, M₂3^C6 und MgC, worin M in erster Linie Tantal und Titan mit geringen Mengen Molybdän und Wolfram sind.

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Zu geringe Kohlenstoffmengen, insbesondere unterhalb von 0,1 Gew.-? führen zu verschlechterten Belastungsbrucheigenschaften. Bei Kohlenstoffgehalten oberhalb von 0,35 Gew.-?, wenn sich Carbide in den Korngrenzen bilden, erhält man eine vergrößerte Tendenz zur Brüchigkeit bei geringen Temperaturen. Bei solchen Mengen Kohlcnctoff ist auch die Stabilität ein Problem, die zur K.crlnr.en Duktllität und zu Problemen beim Gießen führt. Außerdem or^lbt aich eine Ungleichförmigkeit der Eigenschaften.

Wie es in allen modernen Superlegierungen auf Nickelbasis üblich ist, enthalten auch die erfindungsgemäßen Legierungen Bor als Korngrenzen-Vervollkommner. Der Bor-Bereich erstreckt sich von etwa 0,01-0,03 Gew.-? und vorzugsweise von 0,01-0,02 Gew.-?. Übergroße Bormengen, z. B. von mehr als 0,1 Gew.-?, führen zu beginnendem Schmelzen und zur Bildung schädlicher Phasen.

Das Element Zirkon wird zu der erfindungsgemäßen Legierung hauptsächlich für die Gießbarkeit hinzugegeben und es können bis zu etwa 0,1 Gew.-? davon vorhanden sein. Vorzugsweise liegt der Zirkongehalt im Bereich von etwa 0,05-0,1 Gew.-?.

Wird im Legierungsbereich der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Duktilität gewünscht, dann kann das Element Hafnium bis zu 2 Gew.-? eingeschlossen sein. Größere Mengen Hafnium führen zur Legierungsinstabilität. Innerhalb des genannten Bereiches kann Hafnium zur Verbesserung der Duktilität hinzugefügt werden.

Um die Vorteile der ungewöhnlichen Kombination der Elemente in der erfindungs ge mäßen Legierung volljauszunutzen, die zu einem Ausgleich der Hochtemperaturfestigkeit und der Beständigkeit gegen Sulfidierung führt, sollte eine Wärmebehandlung der Legierung in Betracht gezogen werden. Es wurde in der Erfindung festgestd.lt, daß nach dem Lösungsglühen im Vakuum eine primäre Alterungsstufe bei einer Temperatur von etwa HOO⁰C (entsprechend 2000 ⁰P) z.B. im Bereich von etwa 1065 - 1120 ⁰C (entsprechend 1950 - 2050 ⁰F) allgemein zu einer verbesserten Duktilität führt.

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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt daher die Wärmebehandlung der erfindungsgemäßen Legierung eine primäre Alterungsstufe im Bereich von etwa IO65-1120 C, um deren Eigenschaften zu verbessern.

Eine weitere Abschätzung der Legierung der vorliegenden Erfindung wurde anhand von Chargen in Produktionsgröße im Bereich von je etwa 900 - 18OO kg (entsprechend 2000-4000 US-Pfund) durchgeführt. Typisch für eine solche Charge ist eine 900 kg Charge der Legie- . rung 13, die im wesentlichen au^ folgenden Bestandteilen in Gew..-Jt bestand: 9,8 Kobalt, 9,1 Chrom, 2,0 Molybdän, 6,8 Wolfram, 4,4 Aluminium, 4,0 Titan, 3,8 Tantal, 0,19 Kohlenstoff, 0,016 Bor, 0,07 Zirkon und der Rest waren Nickel und zufällige Verunreinigungen. Die verbesserte Kombination von Festigkeit und Oberflächen-Stabilität der erfindungsgemäßen Legierung ergibt sich aus· öin Eigenschaften aus dieser Legierung 13 mit einer Dauerstandfestigkeit von 115 Stunden bei 98O⁰C und einer Belastung von 27_; ^!Ksi, und 698 Stunden bei 84O°C unter einer Belastung von 5b KsI, e'iner Beständigkeit gegen Sulfidierung von 250 Stunden bei 87O⁰C und 5 ppm Salz für ein durchschnittliches Eindringen von 1/100 Zoll/ Seite.

Die vorliegende Erfindung schafft daher eine Superleglerung auf Nickelbasis mit einer verbesserten und ungewöhnlichen Kombination und einem Ausgleich der Elemente_s um die Legierungsstruktur zu kontrollieren und eine verbesserte Kombination der Festigkeit, Oberflächenstabilität und Beständigkeit gegen bildung ure χ·*·' ϋϋ τ enten Phasen zu erhalten. Eine solche Legierung 1st besonders brauchbar in Form eines Gußteiles für die Verwendung i-a Tiirblnsntell einer Gasturbine.

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Claims

Patentansprüche

1. Legierung auf Nickelbasis, gekennzeichnet durch eine verbesserte Kombination von Oberflächenstabilität und Festigkeit, wobei die Legierung im wesentlichen aus folgenden Bestandteilen in Gew.-55 besteht: 0,05 - 0,35 Kohlenstoff, 8-10 Chrom, 3,3 - 4 ,3 Titan, etwa 0,01 - 0,03 Bor, 3,8 - 4,8 Aluminium, etwa 6-8 Wolfram, etwa 1-3 Molybdän, etwa 8 - 15 Kobalt, 3,6 -4,4 Tantal, bis zu etwa 0,1 Zirkon, bis zu etwa 2 Niob, bis zu etwa 2 Hafnium und der Rest sind Nickel und zufällige Verunreinigungen, wobei der Phasenzählfaktor N , nicht größer als 2,3 ist und die Elemente Aluminium, Titan, Tantal, Niob, Molybdän, Wolfram und Chrom in solchen Mengen vorhanden sind, daß die Summe von Aluminium und Titan mindestens 8,1 Gew.-i beträgt, die Summe von Aluminium, Titan, Tantal und Niob im Bereich von 11,7 - 12,5 Gew.-? liegt, die Summe von Tantal und Niob im Bereich von 3»6 - 4,4 Gevt.-% liegt, die Summe von Molybdän und Wolfram mindestens 8,5 Gew.-5S ausmacht und bei Abwesenheit von Niob 0,94 (Ti+Ta)/Al nicht größer ist als 2,5 und · bei Anwesenheit von Niob 0,94 (Ti+Ta+NbyAl nicht größer als 2,0 ist und der SuIfidierungsfaktor (Cr+Ta+Nb)/Al mindestens 3,0 beträgt.

2» Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Bestandteile in Gew.-Ϊ: Kohlenstoff 0,15 - 0,2, Chrom 8,6 - 9,4, Titan 3,8 - 4,2, Bor 0,ΟΙΟ,02, Aluminium 4,1 - 4,5, Wolfram 6,6 - 7,4, Molybdän 1,6-2,4, Kobalt 9,5 - 10,5, Tantal 3,6 - 4,0 und Zirkon 0,05 - 0,1.

3. Legierung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Gew.-J»-Anteile für Chrom etwa 9, Titan etwa

4, Aluminium etwa 4,3, Wolfram etwa 7, Molybdän etwa 2, Kobalt etwa 10 und Tantal etwa 3,8.

309851/0948

Jj. Gußteil aus einer Legierung auf Nickelbasis für die Verwendung im Turbinenteil einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil aus einer Legierung des Anspruches 1 hergestellt ist.

5. Gußteil nach Anspruch ²J, dadurch gekennzeichnet, daß es als Ergebnis einer Wärmebehandlung, welche ein primäres Altern bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1065 - 112O°C (entsprechend 1950 - 205O⁰P) einschließt, eine verbesserte Duktilität aufweist.

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