DE2333775A1

DE2333775A1 - Hafnium enthaltende nickel-legierung

Info

Publication number: DE2333775A1
Application number: DE19732333775
Authority: DE
Inventors: Ranes Prasad Dalal; Bruce Allan Ewing; Jeremy John Walters
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1973-06-27
Filing date: 1973-06-27
Publication date: 1975-01-16
Also published as: DE2333775B2; DE2333775C3

Description

Die Kobalt enthaltenden, erfindungsgemäßen Legierungen auf der Grundlage von Nickel enthalten relativ kleine, nichtsdestotrotz, wichtige Mengen an Wolfram und Molybdän für eine Verbesserung der mechanischen Festigkeit in der Feststofflösung, Chrom zum Verbessern der Oxidations- und Sulfidierungsfestigkeit, Tantal für die Feststofflösung und Karbidfestigkeit, Aluminium und Titan zwecks Verbessern der Festigkeit durch Ausfällen einer feindispersen Phase, sogenannte Gammaprime Ni₃(Al,Ti) und Hafnium für Zwischenfestigkeit, Duktilität und verbesserte Oxidationsfestigkeit.

Der Erfindungsgegenstand stellt eine Fortbildung der Erfindung gemäß der US-Patentschrift (U.S. Serial No. 189 733) dar.

Die Erfindung betrifft Nickellegierungen, die hohe mechanische Festigkeit, Stabilität, Duktilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion, Sulfidierung und Oxidation bei erhöhten Temperaturen besitzen und geeignet sind für Flügel, Schaufeln und einstückig gegossene Turbinenräder.

Die erfindungsgemäßen Nickellegierungen enthalten relativ geringe, nichtsdestotrotz, wichtige Mengen an Wolfram und Molybdän für eine Verbesserung der mechanischen Festigkeit in der Feststofflösung, Chrom zum Verbessern der Oxidationsund Sulfidierungsfestigkeit, Tantal für die Feststofflösung und Karbidfestigkeit, Aluminium und Titan zwecks Verbessern der

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Festigkeit durch Ausfällen einer feindispersen Phase, sogenannte Gammaprime Ni₃(Al,Ti) und Hafnium für Zwischenfestigkeit, Duktilität und verbesserte Oxidationsfestigkeit.

Erfindungsgemäß werden Massen der folgenden Analysenwerte in Betracht gezogen, wobei die Angaben sich in Gewichtsprozent verstehen, der Rest Nickel ist mit Ausnahme von unbeabsichtigten Verunreinigungen:

C	= 0,30 % max.	Hf	0,1 -	- 3%
Cr	11-15%	Ti	3,5 -	- 4,5%
Co	8-12%	Al	3	- 4 %
Mo	1-2,5%	Ti+Al =	7	- 8 %
W	3-10%	B	0,005-0,025%
Ta	3,5-10%	Zr	0,05-0,4%
		Rest =	Ni

Ein stärker bevorzugter Bereich der Zusammensetzungen ist im folgenden angegeben:

C	SS	0,25% max.	Hf	0,	4 -	%
Cr	S=	11-13,5%	Ti	3,	5 ■	,5%
Co	#	8-11 %	Al	3		%
Mo	=	1-2,5 %	Ti+Al =	7		%
W	=	3-5 %	B	ο,	- 3	,025%
Ta		3,5-8 %	Zr	ο,	- 4	4%
			Rest =	Ni	- 4
- 8
005-0
05-0,

Ein wesentlich stärker bevorzugter Bereich der Zusammensetzungen ist im folgenden angegeben:

C	0,10-0,22%	Hf	0,75-1,25%
Cr	12,7 -13,5%	Ti	3,9 -4,2 %
Co	8,5- 9,5 %	Al	3,2 -3,6 %
MO	1,85-2,05%	Ti+Al =	7,25-7,70%
W	3,65-8 %	B =	0,01-0,02%
Ta	3,65- 8%	Zr	0,08-0,25%
		Rest =	Ni

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Im folgenden werden tabellarisch beispielsweise erfindungsgemäße Legierungszusammensetzungen angegeben:

4098 8 3/0 7 43

O^OOOOO
ΗΙΝΗΗΗΝΗι-ΙΓΜΙΝΗΜΗΗΗΗΗΗΗΗΗγΗΗΗΗΙΝΗΗΗ

οοοοοοοοοοοοοοοοοοοοοοοοοοοοο

O

ο

O

ο

O

Ό 9fr'

Ό 9fr^#

O

ο

O

ο

O

O
LO

O

LO

co

OD

co

OD

co

OD

co

H

N

ro

cn

ro

LO

O

VO

N

M

OO

co

OO

co

H

VO

OO

O

in

00

OO

VO

ro

'fr 6fr'

'fr SS

O

'fr frfr'

'fr 90

'fr 92

VO

'fr Ofr

ro

'fr 02

fr 02

O

'fr OS'

'fr S6

jn

fr S2

in

VO

»

°

Ι

O

Vg

O

°

O

σ\

σι
σι

O
O

Ο
O

8

'fr ZL

'fr ZL

LO
^^

LO

ε

S

ε

H

LO
LO

'fr Ofr

'fr 06

'fr Ofr

et

S

R

et

O

a

:

S

,01 1O₁

cn

:

ε

^^

H
in

,35 I₁

,68 1

H
OO

,68 I₁

,18 1

,18 I₁

,42 I₁

,88 2,

,88 I₁

H
OO

,88 I₁

,88 1,

,49 2,

,40 2,

N
O

,40 2,

,10 I₁

H
O

OOOooooooooiHHHHvoOOminininr*· r^oOOOOOO

ininoofocororocooofOfovoLninrofororooor^r-coiDoooooororo^i·

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ΟΟΟΟηηΟΟΟΟ

HHCNI(SN(NPlOlN(N(NHHH(NMNOiHHHHHN(NOlOON

O O O O O O O O O^ O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O

HH>>HHHX!><iHHH>i>HHH HHH >HHH XHHHXtHH

H HH

HH> HHHX ΗΗΗίίϊ>ΡΗ

HHH >HHH XHHHXt>HHX ΗΗΗΗί>ί>ϊ>Ρ>Η H >H XHX Xp>t>HXXXXXXXXXX

> X XXXXXXXXXXXXX

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- 5

Nach dem Vakuumschmelzen werden die oben aufgezählten Legierungen in Prüfstäbe vakuumgegossen und dem Bruchfestigkeitstest gemäß ASTM Standard El39 unterworfen. Die Prüfstäbe werden vor dem Test wärmebehandelt, wie folgt: Erhitzen auf eine Temperatur von 1120°C, bei dieser Temperatur 2 Stunden lang gehalten, sodann luftgekühlt, sodann erneut auf 845°C erhitzt und 4 Stunden bei 845°C gehalten, sodann luftgekühlt, erneut auf 76O°C erhitzt und bei dieser Temperatur 16 Stunden gehalten und sodann luftgekühlt.

Nach der oben beschriebenen Wärmebehandlung werden Bruchfestigkeitstests an gegossenen Prüfstäben durchgeführt, die kennzeichnend für jede Erhitzungsstufe in dem wärmebehandelten Zustand bei 76O°/9O Ksi, 76O$°C/1OO Ksi, 93O°C/39 Ksi und 985°C/ 29Ksi. sind. Die Ergebnisse sind in der Tabelle II wiedergegeben, wobei zu bemerken ist, daß die Dickwand-Zahlenangaben sich auf Ergebnisse von festen Prüfstäben mit einem Durchmesser von 6,35 mm beziehen. Die Dünnwand-Zahlenangaben beziehen sich auf die Ergebnisse röhrenförmiger Prüfstäbe mit einer Wandstärke von 1,02 mm. Die Dickwand oder festen Prüfstab-Zahlenwerte geben die mechanischen Eigenschaften schwerer Abschnitte wieder, wie sie sich bei Blattwurzeln für Turbinen ergeben. Die Dünnwand- oder röhrenförmigen Teststabeigenschaften geben die mechanischen Eigenschaften dünnwandiger Abschnitte wieder, wie sie sich bei Kernloch- oder hohlen Turbinenflügelblättern ergeben. Die Dünnwand-Zahlenwerte sind für Tests bei 93O°C/ 35Ksi.

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	I	Erhitzungs- Nr.	Tabelle II	Ks i El	76O°C/95 Lebens dauer (h)	Ks i El	Dickwand	93O°C/39Ksi Lebens- El dauer (%) (h)	5	985°C/29Ksi Lebens- El dauer (%) (h)	Dünnwand	,	)
	I ■vl	I	C 103 Bruchfestigkeits-Prüfergebnisse	4	163	3	76O°C/1OO Ksi Lebens- El dauer (%) (h)	72	5		93O°C/35Ksi Lebens- El dauer (%) (h)	σ\
				5				99	9			ι
		II	76O°C/9O Lebens dauer (h)		382	7		79	10
		III	462		225	5		99	10
		483		87	10		106	10
co	IV V			211 180 73	5 5 3		106	8
00 OO				119	5		48	9
co	VI			2084	4		77	7
0743	VII		4				65	3
			5				121	8
	VIII		5,5				50	6
		237	6				37
		419
	286
	408

CO GO GO

Erhitzungs

Nr.

Tabelle II (Fortsetzung)

Dickwand Dünnwand

76O°C/9O Ksi 76O°C/95 Ksi 76O°C/1OO Ksi 93O°C/39Ksi 985°C/29Ksi 93O°C/35Ksi Lebens- El Lebens- El Lebens- El Lebens- El Lebens- El Lebens- El dauer (%) dauer (%) dauer (%) dauer (%) dauer (%) dauer (%) (h) (h) (h) (h) (h)

(O OO GO LO

IX X

XI

XII

XIII

XIV

XV

XVI

530

505,7

273

160
153

	5	45	10	44	5
		38	6	61	6
	5	36	7	61	8
		71	8	58	5
	4	50	6	48	6
	3	56	7	49	6
	3	60	7,5
	8	97	8,0	22	8
97		88	6	27	10

159	129	9

70	53	4
46	56	4
49
104	62	7
	63	8

Tabelle II (Fortsetzung)

O CD CX) OO CO

-C-CO

Erhitzungs- Nr.	76O°C/9O Ksi 76O°C/95 Ksi Lebens- El Lebens- El dauer (%) dauer (%) (h( (h)	Dickwand 76O°C/1OO Lebens dauer (h)	Ksi El	93O°C/39Ksi Lebens- El dauer (%) (h)	7	985°C/29Ksi Lebens- El dauer (%) (h)	10	Dünnwand 93O°C/35Ksi Lebens- El dauer (%) (h)	6	I
XVII		130	8	93		38	9		6	CO I
						45	9		6,0
XVIII						35	8		5,0
					9	37			5,0
XIX		130	9	72				53	5
		103	8				6	58	5
XX		149	4			50	9	64,4	5
		174	4			28		30,6	N/A
							10	178,0	6
XXI		142	4			43	5	129
		224	5			79	7	189
						81	5	254
XXII		224	5			45	8	101
					51	137

XXIII

XXIV

113 116

144
167

9
6

39 67 109 88 99

CO CO CO

JF-CO

Erhitzungs· Nr.

76O°C/9OKsi Lebens- El dauer (%)

Tabelle II (Fortsetzung) Dickwand

76O°C/95Ksi Lebens- El dauer (%) (h)

76O°C/lOOKsi Lebens- El dauer (%) (h)

93O"C/39Ksi
Lebens- El
dauer (t)
(h)

985°C/29Ksi Lebens- El dauer (%) (h)

Dünnwand 93O°C/35Ksi Lebens- El dauer (%) (h)

xxy

XXVI

XXVII XXVIII

XXIX

INCO MarM IN

	6 5	4	172
	3 20	3	168
	7,5		163
		157
		130
		212
		110
		133
16
50
255		75

15

6 8

65
71
79
83
80

119

75

20
15
75

N/A
8

10
8
9

8
9

12
15

59
58
60
61

81
61

8 5

10 9

5 8

60 68 111 125 125 122 184 212

3 4 5 5 9 4 4 5

El β Dehnung GO CO CO

Entsprechende Werte für drei zur Zeit bekannte handelsgängige Legierungen sind für Vergleichszwecke der Tabelle II angefügt.

INCO 713C soll eine Legierung mit einer nominellen Zusammensetzung wie folgt sein:

C Cr Mo W Cb Ti Al Zr B Ni

0,14 13,0 4,5 0,20 2,0 0,75 5,75 0,05 0,012 Rest

MAR-M 421 soll eine Legierung mit einer nominellen Zusammensetzung wie folgt sein:

_C Cr Co Mo W Cb Ti Al Zr B Ni

07Ϊ5 Γ578 975 TJÖ 378 27Ö TTS 473 0,05, 0,015 Rest

INCO IN 792 soll eine Legierung sein, wie sie in der US-Patentschrift 3 619 182 beschrieben ist.

Die Tabelle III gibt die Streckeigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung bei Raumtemperatur wieder, die nach dem Gießen in Prüfstäbe der zuvor erwähnten Wärmebehandlung unterworfen worden ist.

	Tabelle III	0,2% Streck grenze (Ksi)	bei Raumtemperatur	R.	A. (%)
	C103 Streckprüfergebnisse	169,2	El (%) (Dehnung)	3	,2
Erhitzungs- Nr.	Zugfestig keit (Ksi)	163,9	3,5	3	.2
VIII	181,4	106	3,5	11	/6
	172,5	130	7,9	5
INCO 713C	123		3,5
Mar-M 421	150

Vergleichbare Werte für die gleichen handelsgängigen Legierungen sind der Tabelle für Vergleichszwecke angefügt.

In den Tabellen IV bzw. V sind die Zahlenwerte der cyclischen Oxidationsprüfergebnisse wiedergegeben, die bei 94O°C durchgeführt worden ist, sowie des Heißkorrosionstests, der bei 900⁰C durchgeführt worden ist.

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Tabelle IV Vergleichbare C103 Prüfergebnisse bei der cyclischen Oxidation

Gewichtsveränderung (mg/cm' nach 240 Stunden bei 94O°C

Material Gewichtsveränderung (mg/cm )

Erhitzungsstufe VIII 1,15

Erhitfaungsstufe IX 0,95

INGO 713C -4,40

Mar-M 421 -2,20

Tabelle V Vergleichbare C103 Prüfergebnisse bei der Heißkorrosion

Material Angriffstiefe (m) nach 150 Stunden bei 900°C mit 6 ppm Salz

Erhitzungsstufe VIII 0,107 . ίο"³

INCO 713C 0,660 . 10~³

Mar-M-421 0,380 .

Es versteht sich, daß erfindungsgemäß Abwandlungen und Modifizierungen getroffen werden können.

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Claims

Patentansprüche

1. Nickellegierung, die hohe mechanische Festigkeit, Duktilität, Sulfidierungs- und Oxidationswiderstandsfähigkeit und Stabilität bei erhöhten Temperaturen zeigt und im wesentlichen aus den folgenden Bestandteilen auf der Grundlage von Gewichtsprozent, besteht:

C 0,30% max. C 0,25% max. Cr % 11-15% Cr = 11-13,5% Co = 8-12% Co = 8-10% Mo = 1-2,5% Mo = 1-2,5% W 3-10% W 3-5% Ta = 3,5-10% Ta = 3,5-5% Hf = 0,01-3% Hf = 0,4-3,0% Ti = 3,5-4,5% Al = 3-4% Ti+Al = 7-8% B = 0,005-0,025% Zr = 0,05-0,40% Ni = Rest. 2. Nickellegierung nach Anspruch 1, die im wesentlichen aus den folgenden Bestandteilen auf der Grundlage von Gewichts prozent besteht:

Ti = 3,5-4,5% Al = 3-4% Ti+Al = 7-8%

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B = 0,005-0,25% Zr = 0,05 -0,40% Ni = Rest

3. Nickellegierung nach Anspruch 1, die im wesentlichen aus den folgenden Bestandteilen auf der Grundlage von Gewichtsprozent besteht:

C 0,10-0,22% 9,50% Cr = 12,20-13,00% 2,05% Co = 8,50- 4,05% Mo = 1,85- 4,05% W 3,65- 2,50% Ta = 3,65- 4,20% Hf » 0,50- 3,60% Ti = 3,90- 7,70% Al * 3,20- 0,010-0,020%. Ti+Al= 7,25- B

4.Nickellegierung nach Anspruch 1, die im wesentlichen aus den folgenden Bestandteilen auf der Grundlage von Gewichtsprozent besteht:

C = 0,10- 0,22%

Cr = 12,2 -13,5 %

Co = 8,5 - 9,5 %

Mo = 1,85- 2,05%

W = 3,65- 8 %

Ta = 3,65- 8 %

Hf = 0,75- 1,25%

Ti = 3,9-4,2%

Al = 3,2 - 3,6 % Ti+Al= 7,25- 7,70%

B = 0,010-0,020%

Zr = 0,08 -0,25%

Ni = Rest

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5. Nickellegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß dieselbe unter Ausbilden einer zweckmäßigen Morphologie an Karbiden und sogenanntem Gammaprime einer Wärmebehandlung unterworfen wird.

6. Gegenstand, der aus der Legierung gemäß Anspruch 1 ausgebildet wird.

7. Vakuumgegossener Gegenstand, der aus der Legierung nach Anspruch 1 besteht.

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