DE2418219A1

DE2418219A1 - Nickel-chrom-kobalt-gusslegierung

Info

Publication number: DE2418219A1
Application number: DE2418219A
Authority: DE
Inventors: Stuart Walter Ker Shaw
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1973-04-13
Filing date: 1974-04-13
Publication date: 1974-11-14
Also published as: JPS5041716A; FR2225533B3; FR2225533A1; US3925072A; GB1416375A; IT1004176B

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · D^.-lng. R. Kenig · Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · 4ooo Düsseldorf 3D · Cacilienallee 7S · Telefon A3 sy 3s

11. April 1974 29 370

International Nickel Limited, Thames House Millbank London S.ff.1/ Großbritannien

"Nickel-Chrom-Kobalt-Gußlegierung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Nickel-Chrom-Kobalt-Gußlegierung mit hoher ZeitStandfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen.

In der deutschen Offenlegungsschrift 2 224 776 ist eine Nickel-Chrom-Kobalt-Gußlegierung aus 27 bis 31% Chrom, 10 bis 2590 Kobalt, 0 bis 1,9% Niob, 3,5 bis 5,5% Titan und Aluminium bei einem Verhältnis von Titan zu Aluminium von 1:1 bis 4:1 und 5(%Nb) + 6(%Ti + %Al) + 2/3(%Cr) = 49 bis 54%, 0,02 bis 0,2% Kohlnstoff, 0 bis 0,6% Zirkonium, 0 bis 1,2% Hafnium bei einem Gesamtgehalt an Zirkonium und dem halben Hafniumgehalt von höchstens 0,6%, 0 bis 0,02% Bor und 0 bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel beschrieben.

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i.

Die bekannte Gußlegierung besitzt eine bemerkenswert gute ZeitStandfestigkeit, die allerdings rasch verlorengeht, wenn der Gesamtgehalt an 5(96Nb) + 6(96Ti + 9&1) + 2/3 (96Cr) den Gleichungswert von 5496 übersteigt.

Es wurde nun überraschenderweise festgestellt, daß sich dennoch bessere Zeitstandfestigkeiten bei einer Legierung ähnlicher Zusammensetzunglergeben, wenn diese zusätzlich noch Wolfram und Tantal enthält, sofern die Gehalte ^ Wolfram, Tantal, Titan, Aluminium, Niob und Chrom in bestimmter Weise aufeinander abgestimmt werden.

Die Erfindung besteht somit in einer Nickel-Chrom-Kobalt-Gußlegierung mit 26 bis 35% Chrom, 10 bis 2596 Kobalt, 0,1 bis 0,696 Niob, 0,3 bis 1,5% Wolfram, 1 bis 3% Tantal, 2,5 bis 5% Titan und 1 bis 2,5% Aluminium bei einem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium von 4,3 bis 5,7596 und einem Verhältnis von Titan zu Aluminium von 1,4:1" bis 4:1 und einem Gesamtg&alt an

5 /"96Nb + 1/2 (96Ta)_7 + 6 (96Ti + 96Al) + 2/3 (96Cr) =

54,5 bis 61,396,

0,05 bis 0,1596 Kohlenstoff, 0,02 bis 0,596 Zirkonium, 0,002 bis 0,0596 Bor, 0 bis 296 Hafnium und insgesamt 0 bis 0,296 Yttrium und/oder Lanthan, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel.

Bei der vorerwähnten Legierung beträgt Äer Chromgehalt vorzugsweise 27 bis 3396, der Kobaltgehalt höchstens 2096, der Wolframgehalt 0,5 bis 1,096, der Tantalgehalt 1,5 bis 2,896, der Titangehalt höchstens 4,096, der Aluminiumgehalt 1,3 bis 2,296, der Kohlenstoffgehalt 0, 06 bis 0,1296,

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der Zirkoniumgehalt 0,03 bis 0,296 und der Borgehalt 0,003 Ms 0, 0)296.

Besonders geeignet ist eine Gußlegierung mit 28,696 Chrom, 14,796 Kobalt, 0,696 Wolfram, 0,396 Niob, 2,6696 Tantal, 3,5996 Titan, 1,9696 Aluminium, 0,196 Kohlenstoff, 0,1196 Zirkonium und 0,01596 Bor, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel. Der Nickelgehalt der Gußlegierung beträgt vorzugsweise mindestens 3596.

Inder nachfolgenden Tabelle sind in die vorerwähnten Gehaltsgrenzen fallenden Legierungen 1 bis 8 insgesamt zwölf nicht unter die Erfindung fallende Vergleichslegierungen A bis"L gegenübergestellt sowie die zugehörigen Zeitstandfestigkeiten und Kerbschlagzähigkeiten angegeben. Sämtliche Legierungen enthielten als Rest Nickel und wurden im Vakuum erschmolzen und die Versuche wurden an spanabhebend bearbeiteten Gußproben durchgeführt, die 4 Stunden bei 115O⁰C geglüht, an Luft abgekühlt, erneut 16 Stunden bei 850⁰C geglüht und an Luft abgekühlt wurden. Die in der Tabelle verzeichneten Standzeiten wurden unter einer Belastung von 139 N/mm bei 870⁰C ermittelt, während die- Raumtemperatur-Kerbschlagzähigkeit nach einem 1000-stündigen Glühen bei 85O⁰C ermittelt wurde.

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Die Daten der Tabelle zeigen, daß die Gußlegiertingen 1 bis 8 mit 28,2 bis 30,496 Chrom, 14,6 bis 15,596 Kobalt, 0,22 bis 0,4856 Niob, 0,6 bis 0,9496 Wolfram, 1,7 bis 2,58% Tantal, 2,7 bis 3,68% Titan, 1,7 bie 2,0196 Aluminium, 4,4 bis 5 »6996 Titan und Aluminium bei einem Verhältnis von Titan zu Aluminium von 1,59:1 bis 2,09:1 und einem Gesamtgehalt an

5 /""96Nb + 1/2 (96Ta)_7 + 6 (96Ti + 96Al) + 2/3 (96Cr)

= 55 bis 61,296,

0,08 bis 0,1096 Kohlenstoff, 0,04 bis 0,1196 Zirkonium und 0,011 bis 0,01596 Bor, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel bei 870⁰C und einer Belastung von 139 N/mm eine Standzeit über 1550 Stunden bzw. von 1591 bis 1895 Stunden besitzen. Die Kerbschlagzähigkeit nach einem 1000-stündigen Glühen bei 850°C liegt dabei über 15 J bzw. bei 18 bis 20 J.

Im Gegensatz dazu liegt die Standzeit der Vergleichslegierungen A bis L unter denselben Bedingungen bei 1520 Stunden bzw. bei 740 bis 1516 Stunden. Ihre Kerbschlagzähigkeit beträgt unter denselben Bedingungen 25 J bzw. 7 bis 25 J. Somit zeigt sich, daß sich mit der Erfindung hohe Zeitstandfestigkeiten bei guter KerbSchlagzähigkeit erreichen lassen.

Bei hochwarmfesten Nickellegierungen müssen die Gehalte an Niob, Titan, Aluminium und Chrom normalerweise auf ein Maximum begrenzt werden, da höhere Gehalte schon bei einem mittelfristigen Einsatz unter Betriebsbedin-

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gungen zur Bildung einer versprödenden Sigma-Phase führen. Aus diesem Grunde darf "bei den Legierungen nach der deutschen Offenlegungsschrift 2 224 776 der Gesamtgehalt an 5 (#Nb) + 6 (96Ti + 96Al) + 2/3 (96Cr) den Gleichungswert von 54 nicht übersteigen. Im Gegensatz dazu kann der Gleichungswert bei den VoIfram und Tantal bzw. äquiatomare Mengen, d.h. 5 (96Nb +1/2 (96Ta), Niob enthaltenden Legierungen ohne die Gefahr einer versprödenden Sigma-Phase von 5496 übersteigen.

Ein Vergleich der Legierung E mit 2,5696 Tantal, 0,3096 Niob entsprechend (96Nb) + 1/2 (96Ta) = 1,58 und 0,7396 Wolfram mit der 1,6096 Niob und weder Tantal noch Wolfram enthaltenden Legierung I beweist, daß die bloße Anwesenheit von Tantal und Wolfram alleine zu keiner Erhöhung der Zeitstandfestigkeit führt. So besitzt die Legierung E eine Standzeit von 1154 Stunden und die Legierung I eine Standzeit von 1282 Stunden. Hieran zeigt sich, daß zur Verbesserung der Festigkeit bzw. Standzeit die Gehalte an Niob, Tantal, Titan, Aluminium und Chrom aufeinander abgestimmt werden müssen. Der Gesamtgehalt an

5£~%tib + 1/2 (96TaI7 + 6 (96Ti + 96Al) + 2/3 (96Gr)

beträgt für die Legierung E nur 53» 496 und für die Legierung I 52,896, während die betreffenden Gleichungswerte der Legierungen1&is8«Lt aerklich besserer Zeitstandfestigkeit 54,5 bis 61,396 betragen.

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Des weiteren zeigen die Daten der Tabelle, daß die Legierungen C und B mit einem Gleichungswert von 53 »496 eine Standzeit von 1516 bzw. 1154 Stunden besitzen, während die Legierungen A und B mit einem Gleichungswert von 61,896 bzw. 61,496 eine Standzeit von 1184 bzw. 1192 Stunden besaßen. Somit ergibt sich, daß ähnliche Legierungen eine wesentlich geringere Zeitstandfestigkeit besitzen, wenn die betreffenden Gleichungswerte außerhalb des Bereichs von 54,5 bis 61,396 liegen. Andererseits zeigen die Daten der Tabelle, daß sich bei wolfram_T und tantalfreien Legierungen auch in dem Bereich von 54,5 bis 61,396 schlechtere Zeitstandfestigkeiten . ergeben; dies zeigen beispielsweise die Legierung L mit einem Gleiohungswert von 54,5 96 und einer Standzeit von nur 843 Stunden und die Legierung H mit einem Gleichungswert von 56,296 und einer Standzeit von 740 Stunden. Die Legierungen A und L besitzen Kerbschlagzähigkeiten von nur 8 J bzw. 7 J als deutliches Anzeichen für eine Sigma-Yersprödung nach einem 1000-atündigen Glühen bei 850⁰C.

Die besten Zeitstandfestigkeiten besitzen die Legierungen 2 bis 6 mit Standzeiten über 1720 Stunden bei Gleichungswerten von 56 bis 6096.

Besonders günstige Eigenschaften ergeben sich somit, wenn die Legierung 28 bis 2996 Chrom, 14,5 bis 15,596 Kobalt, 0,22 bis 0,48)6 Niob, 0,58 bis 0,8896 Wolfram, 1,70 bis 2,5896 Tantal, 3,30 bis 3,4896 Titan, 1,75 bis Aluminium, 5,0 bis 5,596 Titan und Aluminium bei einem Verhältnis von Titan zu Aluminium von 1,77:1 bis 2,09:1 und einem Gesamtgehalt an

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+ 1/2(96Ta₁]/ + 6 (96Ti + JiAl) + 2/3 (96Cr) = 56 bis 6096 0,08 bis 0,1096 Kohlenstoff, 0,04 bis 0,1196 Zirkonium und 0,011 bis 0,01596 Bor, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel axthält.

Ein Gesamtgehalt an Titan und Aluminium über 5,75Ji beeinträchtigt die ZeitStandfestigkeit, wie sie sich bei
einem Vergleich der Legierung A mit einer Standzeit von
1184 Stunden und einem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium von 5,8196 mit der Legierung B mit einer Standzeit von 1192 Stunden und einem Gesamtgehalt an Titan und
Aluminium von 5,7996 sowie der Legierung 1 mit einer Standzeit von 1680 Stunden bei einem Gesamtgehalt an Titan
und Aluminium von 5,6996 ergibt. Ein Gesamtgehalt an Titan und Aluminium unter 4,396 beeinträchtigt:., ebenfalls
die Zeitstandfestigkeit, wie ein Vergleich der Legierung 8 mit einer Standzeit von 1591 Stunden bei einem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium von 4,4096 und der Legierung C mit einer Standzeit von 1516 Stunden bei einem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium von 4,2096 zeigt. Vorzugsweise beträgt der Gesamtgehalt an Titan und Aluminium
4,40 bis 5,6996, besser noch 5,0 bis 5,596.

Ein Verhältnis von Titan zu Aluminium unter 1,4*1 beeinträchtigt die Zeitstandfestigkeit auoh bei dem richtigen Gesamtgehalt an Titan und Aluminium. Dies zeigt sieh bei einem Vergleich der Legierung D mit einer Standzeit von
1366 Stunden bei einem Verhältnis von Titan zu Aluminium von 1,29:1 und der Legierung E mit einer Standzeit von
1154 Stunden bei einem Verhältnis von Titan zu Aluainium

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von 1,20:1 sowie der Legierung 8 mit einer Standzeit von 1591 Stunden bei einem Verhältnis von Titan zu Aluminium von 1,59:1. Darüber hinaus beweist die Legierung E mit 2,3696 Titan, daß Titangehalte unter 2,596 die Standzeit verringern.

Auch Niobgehalte unter 0,196 oder das völlige Fehlen von Niob verringern die Standzeit, wie die Legierung F beweist. Die Legierung F mit unter 0,05% Niob, jedoch ausreichendem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium von 5,3296 und einem Gleichungswert von 57»2% sowie die Legierung G mit einer Standzeit von 1053 Stunden bei einem Niobgehalt von 0,7096 und .einem zureichenden Gesamtgehalt an Titan und Aluminium von 4,5296 sowie einem Gleichungswert von 55,496 zeigen, daß Niobgehalte über 0,6096 die Zeitstandfestigkeiten beeinträchtigen. Vorzugsweise enthält die Gußlegierung jedoch 0,22 bis 0,4896 Niob. ,

Eine Verringerung des Zirkoniumgehaltes führt zu einer Beeinträchtigung der ZeitStandfestigkeit, wie ein Vergleich der Legierung 3 mit einer Standzeit von 1720 und einem Zirkoniumgehalt von 0,0496 mit der Legierung 5 mit einer Standzeit von 1895 Stunden und einem Zirkoniumgehalt von 0,1196 zeigt. Vorzugsweise beträgt der Zirkoniumgehalt 0,03 bis 0,296, besser noch 0,04 bis 0,1196.

Obgleich die Legierung bereits im Gußzustand ausgezeichnete mechanische Eigenschaften besitzt, lassen sich diese durch ein 1 bis 16-stündAges Glühen bei 1080 bis 12Oo8c_f anschließendes Abkühlen an Luft und ein weiteres 1 bis 24-stündiges Glühen bei 700 bis 1050⁰C mit anschließender Luftabkühlung weiter verbessern.

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Die in Rede stehende Legierung eignet sich als Werkstoff zum Herstellen von Gasturbinenteilen wie beispielsweise Turbinenschaufeln sowie für andere Gegenstände, die eine hohe Zeitstandfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen besitzen müssen. Gerade bei der Verwendung für Gasturbinen, die auch in maritimer Atmosphäre eingesetzt werden, ist eine hohe Beständigkeit gegen Natriumchlorid und -sulphat von großer Bedeutung .

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Claims

International Nickel Limited, Thames House Millbank

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London S .W. 1 /Großbritannien

Patentansprüche:

Niokel-Cihrom-Kobalt-Gußlegierung, bestehend aus 26 bis 359* Chrom, 10 bis 2596 Kobalt, 0,1 bis 0,696 Niob, 0,3 bis 1,5*6 Wolfram, 1 bis 3J6 Tantal, 2,5 bis 596 Titan, 1 bis 2,596 Aluminium bei einem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium von 4,3 bis 5,75 und einem Verhältnis von Titan zu Aluminium von 14,1 bis 4:1 und einem Gesamtgehalt an

5/"96Nb * 1/2(#TaI7 + 6 (96Ti + #A1) + 2/3 (Cr) = 54,5

bis 61,396,

0,05 bis 0,1596 Kohlenstoff, 0,02 bis 0,596 Zirkonium, 0,002 bis 0, Ό596 Bor, 0 bis 296 Hafnium und insgesamt 0 bis 0,296 Yttrium und/oder Lanthan, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel.

Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 27 bis 3396 Chrom, höchstens 2096 Kobalt, 0,5 bis 1,096 Wolfram, 1,5 bis 2,896 Tantal, höchstens 4,096 Titan, 1,3 bis 2,296 Aluminium, 0,06 bis 0,1296 Kohlenstoff, 0,03 bis 0,296 Zirkonium und 0,003 bis 0,0296 Bor enthält.

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3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die jedoch 28,2

bis 30,496 Chrom, 14,6 bis 15,596 Kobalt, 0,22 bis 0,4896 Niob, 0,6 bis 0,9496 Wolfram, 1,7 bis 2,5896 Tantal, 2,7 bis 3,6896 Titan, 1,7 bis 2,0196 Aluminium, 4,4 bis 5,6996 Titan und Aluminium bei einem Verhältnis von Titan zu Aluminium von 1,59:1 bis 2,09:1 und einem Gesamtgehalt an

5/"96Nb +1/2 (96Taj7 + 6 (96Ti + 96Al) + 2/3 (96Cr) * 55 bis 61,296,

0,08 bis 0,1096 Kohlenstoff, 0,04 bis 0,1196 Zirkonium und 0,011 bis 0,01596 Bor enthält.

4. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die jedoch 28 bis 2996 Chrom, 14,5 bis 15,596 Kobalt, 0,22 bis 0,4896 Niob, 0,58 bis 0,8896 Wolfram, 1,70 bis 2,5896 Tantal, 3,30 bis 3,4896 Titan, 1,75 bis 296 Aluminium, 5,0 bis 5,596 Titan und Aluminium bei einem Verhältnis von Titan zu Aluminium von 1,77:1 bis 2,09:1 und einem Gesamtgehalt an

5/"96Nb + i/2(96Ta.27 + 6(96li + 96AI) + 2/3 (96Cr) = 56 bis 6096,

0,08 bis 0,1096 Kohlenstoff, 0,04 bis 0,1196 Zirkonium und 0,011 bis 0,01596 Bor enthält.

5. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die jedoch 28,696 Chrom, 14,796 Kobalt, 0,6* Wolfram, 0,396 Niob, 2,66j6 Tantal, 3,5996 Titan, 1,9696 Aluminium, 0,196 Kohlenstoff, 0,1196 Zirkonium und 0,01596 Bor enthält.

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6. Legierimg nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die jedoch mindestens 3596 Nickel enthält.

7. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die jedoch 1 bis 16 Stunden bei 1080 bis 1200⁰C geglüht, an Luft abgekühlt sowie 1 bis 24 Stunden bei 700 bis 1050⁰C geglüht und an Luft abgekühlt worden ist.

8. Legierung nach Anspruch 7, die jedoch 4 Stunden bei 1150⁰C geglüht, an Luft abgekühlt sowie 16 Stunden bei 850⁰C geglüht und an Luft abgekülib worden ist.

9. Verfahren zum -Herstellen einer Nickel-Chrom-Kobalt-Gußlegierung mit hoher Zeitstandfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, bestehend aus 26 bis 3596 Chrom, 10 bis 2596 Kobalt, 0,1 bis 0,696 Niob, 0,3 bis 1,596 Wolfram, 1 bis 396 Tantal, 2,5 bis 596 Titan, 1 bis 2,596 Aluminium, 4,3 bis 5,7596 Titan und Aluminium bei einem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium von 1,4:1 bis 4:1, 0,05 bis 0,1596 Kohlenstoff, 0,02 bis 0,596 Zirkonium, 0,002 bis 0,0596 Bor, 0 bis 296 Hafnium und insgesamt 0 bis 0,296 Yttrium und/ oder Lanthan, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte an Niob, Tantal, Titan, Aluminium und Chrom entsprechend der Bedingung

5^Nb + 1/2 (96TaJl7 + 6 (96Ti + 96AI) + 2/3 (96Cr) a 54,5 bis 6ip396

eingestellt werden.

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