DE2456857B2 - Verwendung einer Nickelbasislegierung für unbeschichtete Bauteile im Heißgasteil von Turbinen - Google Patents

Verwendung einer Nickelbasislegierung für unbeschichtete Bauteile im Heißgasteil von Turbinen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer bei hoher Temperatur zeitstandfesten und korrosionsbeständigen Legierung, die im wesentlichen aus Nickel, Chrom, Molybdän und Kohlenstoff besteht, für unbeschichtete Bauteile im Heißgasteil von Gasturbinen, wie einstückige Räder, Turbinenradkränze, Gehäuse, Dichtungen od. dgl.
In den zurückliegenden Jahren hat sich ein Bedarf für Legierungen mit niedrigen Wärmeausdehnungseigenschaften verbunden mit Hochtemperatureinsatzmöglichkeiten eingestellt. Die Nachfrage nach solchen Legierungen ist im wesentlichen in Verbindung mit der Gasturbinentechnologie entstanden. Mit der Forderung nach immer besserenem Turbinenwirkungsgrad wurden ständig komplizierter werdende Turbinenkonstruktionen erforderlich. Soll ein maximaler Turbinenwirkungsgrad bei allen Betriebszuständen und Betriebsarten erreicht werden, sind niedrige Wärmeausdehnungskenngrößen der Legierungen, aus denen die Gasturbinenbauteile hergestellt sind, wichtig. Insbesondere beim Erhitzen und Abkühlen von benachbarten Maschinenbauteilen der Turbine ändern sich wesentliche Spieloder Toleranzabmessungen. Das Vermögen, solche Spiele und Toleranzen durch sämtliche Betriebsbedin-
gungen der Turbine aufrechtzuerhalten, bestimmt in vielen Fällen den Erfolg oder das Versagen einer Turbinenkonstruktion.
Ein typisches Beispiel hierfür sind Gasturbinengehäuse. Sie können als dünnwandige Zylinder mit offenen Enden angesehen werden. Im Zylinder läuft eine Scheibe mit radial angeordneten Turbinenschaufeln um eine mit der Längsachse des Zylinders zusammenfallende Achse um. Das Spiel zwischen den umlaufenden Turbincnschaufeln und der inneren Oberfläche des Zylinders beeinflußt wesentlich den Wirkungsgrad der Maschine. Wenn sich das Gehäuse während des Betriebes der Maschine mehr als die Turbinenschaufeln ausdehnt, vergrößert sich das Spiel, und der Turbinenwirkungsgrad fällt scharf ab.
Aus Legierungen mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellte Gasturbinenbauteile weisen darüber hinaus andere Vorteile als nur das Aufrechterhalten bestimmter Spielabmessungen auf. Es hat sich gezeigt, daß ein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient eine wesentliche physikalische Eigenschaft zur Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit bei Hochtemperaturlegierungen ist.
Zur Herstellung von Bauteilen, z. B. von Gasturbinen, geeignete Legierungen sollen zuzüglich zu einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten eine Anzahl anderer Eigenschaften aufweisen. Sie müssen gleichzeitig eine Anzahl von Hochtemperatureigenschaften aufweisen, einschließlich der Widerstandsfähigkeit gegen Oxydation, Sulfidierung und andere Formen der Beeinträchtigung durch Umgebungseinflüsse. In den zurückliegenden Jahren wurde intensiv geforscht, um gegen Oxydierung und Sulfidierung widerstandsfähige Legierungen zu entwickeln. Es wurde erkannt, daß Widerstandsfähigkeit von Legierungszusammensetzung gegen Umgebungseinflüsse durch das Zusammenwirken von verschiedenen Legierungsbestandteilen beeinflußt wird. Chrom ist bei weitem das am meisten wirksame, gelöste Element, das Widerstandsfähigkeit gegen Beeinträchtigung durch Umgebungseinflüsse bewirkt. Große Beträge von Chrom beeinträchtigen jedoch die Hochtemperaturzeitstandsfestigkeit. Bei Anwendungsgebieten wie z. B. Gasturbinenbauteilen ist die Hochtemperaturzeitstandsfestigkeit ebenfalls ein wichtiger Gesichtspunkt.
Die derzeit für Hochtemperaturanwendungsfälle handelsüblichen Legierungen zeigen eine — oder in einigen Fällen zwei — der drei bisher beschriebenen Eigenschaften (niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, Hochtemperatur-Korrosionswiderstandsfähigkeit und gute Zeitstandsfestigkeit bei hohen Temperaturen), die bei Legierungen zur Herstellung von Gasturbinenbauteilen erwünscht sind. Beispielsweise sind Nickelbasislegierungen handelsüblich, die bemerkenswert niedrige Wärmeausdehnungseigenschaften im Vergleich zu typischen Hochtemperaturlegierungen zeigen. Infolge des sehr niedrigen Chromgehaltes sind sie jedoch im unbeschichteten Zustand bei Temperaturen oberhalb etwa 76O0C in sulfidierender Umgebung nicht anwendbar. Die Eigenschaften dieser Legierungen fallen bei Temperaturen oberhalb 980°C unter sulfidierenden Bedingungen katastrophal ab.
Andere handelsüblichen Legierungen zeigen ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen von außen angreifende Zersetzung; sie sind insbesondere auf Anwendungsfälle mit niedriger Belastung und Temperaturen oberhalb 8710C beschränkt. Vor allen Dingen zeigen solche Legierjngen aber troße thermische
Ausdehnungskoeffizienten, wie sie typisch für Nickelbasislegierungen sind.
Es gibt eine Anzahl von ausscheidungsgehärteten Nickelbasissuperlegierungen, die infolge ihrer Beständigkeit gegen Kriechverformung bei hohen Temperaturen als Werkstoff zur Herstellung von Bauteilen zur Verwendung in Hochtemperaturteilen von Gasturbinen Anwendung finden. Der verwendete herkömmliche Festigungsmechanismus beinhaltet die feine Verteilung einer geordneten intermetallischen Phase, die generell als GamnuStrich-Phase bezeichnet wird und die allgemeine Form Ni3(AlTi) hat. Da Anteile von Aluminium und Titan zum Anheben der gebildeten Ausscheidungen und somit zur Anhebung der Festigkeit vergrößert werden, muß der Chromanteil verringert werden. Er muß verringert werden, um eine Gesamtzusammensetzung der Legierung aufrechtzuerhalten, die Gefügestabilität und Hochtemperaturfestigkeit aufweist. Da der Chromantei] verringert wird, fällt bei diesen Legierungen die Beständigkeit gegen Oxydation und Sulfidierung notwendigerweise ab.
Trotz der Schwierigkeit, eine Legierung entweder mit hoher Festigkeit oder mit guter Beständigkeit gegen äußere Einflüsse bzw. Zerstörung auszuwählen, wurden einige Legierungen mit relativ guter Verteilung beider Eigenschaften entwickelt. Sie sind jedoch nur in solchen Gasturbinen verwendbar, bei denen Flugbenzine hoher Güte verwendet werden und die unter Bedingungen arbeiten, bei welchen Heißkorrosion und Sulfidierung auf ein Minimum reduziert sind, es sei denn, daß eine gegen Oxydation und Sulfidierung beständige Beschichtung auf diese Bauteile aufgebracht wird.
Darüber hinaus sind solche Legierungen trotz der guten Kombination von Festigkeit und Korrosionswiderstand oder -beständigkeit nicht gut für solche Anwendungsfälle geeignet, in denen eine geringe Wärmeausdehnung von besonderer Bedeutung ist. Diese Legierungen haben hohe Wärmeausdehnungseigenschaften, wie sie typisch für Nickelbasis-Superlegierungen sind.
Bei Kobaltbasis-Superlegierungen wird Hochtemperaturfestigkeit durch feste Lösung und eine Dispersion von Primärkarbiden bewirkt. Aus diesem Grund nehmen sie einen wesentlich größeren Prozentsatz an Chrom als Nickelbasislegierungen auf. Sie können in der Regel dahingehend gekennzeichnet werden, daß sie geringere Festigkeit, jedoch bessere Korrosionsbeständigkeit als Nickelbasislegierungen aufweisen. Die Ausdehnungskoeffizienten von Kobaltbasislegierungen sind generell größer als die von Nickelbasislegierungen, weshalb jene für eine niedrige Wärmeausdehnung erfordernde Anwendungsfälle sogar weniger geeignet sind.
Aus der US-PS 22 19 462 ist grundsätzlich eine Legierung bekannt, die aus 10 bis 40% Chrom, 2 bis 35% Molybdän, 1 bis 4% Kohlenstoff, 0 bis 2% Bor, Rest Nickel besteht. Diese Legierung findet als Hartmetallauflage Verwendung.
In der US-PS 26 79 466 ist eine eine hohe Festigkeit bei hoher Temperatur aufweisende Legierung für Gasturbinenbauteile beschrieben, die aus 10 bis 30% Chrom, 0 bis 15% Molybdän, 0 bis 1 % Kohlenstoff, 0 bis 1 % Bor, Rest Nickel zusammengesetzt ist. Aufgrund der Verwendung dieser Legierung in Gasturbinen ist zwar davon auszugehen, daß sie bei den dort auftretenden Temperaturen korrosionsbeständig ist. Wie jedoch aus Spalte 1, Zeilen 37 bis 42, hervorgeht, weist sie nur vergleichsweise geringe Temneraturwechselbeständig-
keit auf.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Nickelbasislegierung der eingangs genannten Art anzugeben, die zsätzlich zu einer vergleichsweise hohen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei hoher Temperatur einen relativ niedrigen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, mit dem dann eine verbesserte Temperaturwechselbeständigkeit einhergeht.
Diese Aufgabe wird durch die Verwendung einer bei hoher Temperatur zeitstandfesten und korrosionsbeständigen Legierung gelöst, die, jeweils in Gew.-%, aus 24 bis 42% Chrom, 8 bis 22% Molybdän, 0,1 bis 1,4% Kohlenstoff, 0 bis 0,8% Bor, weniger als je 1 % Titan, Mangan und Silizium, höchstens 0,5% Kupfer, höchstens 0,20% Schwefel und Phosphor, höchstens 2,0% Eisen und Kobalt, Rest einschließlich Verunreinigungen Nickel besteht; eine derartige Legierung eignet sich für unbeschichtete Bauteile im Heißgasteil von Gasturbinen, die zusätzlich zu den vorgenannten Eigenschaften einen niedrigen mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von höchstens 14,33 · 10"V0C zwischen 26,7 und 871 ° C aufweisen müssen.
Weitere zweckmäßige Ausbildungen der erfindungsgemäß verwendeten Legierung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäß verwendete Legierung beinhaltet ungewöhnlich hohe Anteile von Chrom und Molybdän. In der Mehrzahl aller Fälle weisen handelsübliche Chrom und Molybdän enthaltende Nickelbasislegierungen Chrom- und Molybdän-Konzentrationen auf, die unterhalb der jeweiligen Löslichkeitsgreni'e des jeweiligen Elementes in Nickel liegen. Bei der erfindungsgemäß verwendeten Legierung überschreitet die Konzentration von Chrom und Molybdän weit die normalen Löslichkeitsgrenzen in Nickel. Vorzugsweise enthält sie Bor.
Durch die Zufügung von Bor und Kohlenstoff wird verhindert, daß der Überschuß an Chrom und Molybdän in den Legierungen schädliche versprödende Phasen bildet. Bor und Kohlenstoff reagieren mit Chrom und Molybdän unter Bildung von Boriden und Karbiden. Ungewöhnliche und unerwartete Festigkeitsverbesserungen resultieren aus den so erzeugten Borid- und Karbid-Dispersionen.
Hohe Konzentrationen von Chrom sowohl in der metallischen Matrix als auch in dem Festigkeit erzeugenden Dispersoid resultieren in einem ungewöhnlich großen Widerstand gegen Sulfidierung und Korrosion bei hohen Temperaturen. Das Vorliegen aller vier Hauptlegierungsbestandteile (Chrom, Molybdän, Bor und Kohlenstoff) dient zur Verringerung der Wärmeausdehnungseigenschaften der Legierungen. Die Ausdehnung der erfindungsgemäß verwendeten Legierung ist niedriger als die jeglicher handelsüblichen Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasislegierung.
Die erfindungsgemäß verwendete hochfeste Nickelbasislegierung weist ausreichenden Chromanteil auf, um einen Angriff von geschmolzenen Oxiden Widerstand entgegen zu setzen.
Insgesamt gesehen zeigt die erfindungsgemäß verwendete Legierung eine bisher nicht bekannte Kombination von Eigenschaften, wie Hochtemperaturfestigkeit, Widerstand gegen Oxydation sowie Korrosion bei hoher Temperatur und sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Tabelle I zeigt einen weiten Bereich, einen Zwischenbereich sowie zwei verschiedene, entere Bereiche vnn
in der erfindungsgemäß verwendeten Legierung vorhandenen Elementen in Gewichtsprozent.
Tabelle I
Ele Weiter Zwischen Engere Bereiche 33-37
ment Bereich bereich 16-20
Cr 24-42 28-42 38-42 0,3-1,2
Mo 8-22 12-20 12-16 0,15-0,5
C 0,1-1,4 0,15-1,2 0,5-1,2 Rest
B 0-0,8 0,04-0,7 0,2-0,7
Ni Rest Rest Rest
Zuzüglich zu den in Tabelle I speziell angegebenen Legierungsbestandteilen können die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen geringe Beträge anderer Elemente aufweisen, die normalerweise vom Fachmann Nickelbasislegierungen zugefügt werden, ohne daß sie die wichtigen Eigenschaften der Legierung nachteilig beeinflussen, oder die zufällig in solchen Legierungen infolge des Reinheitsgrades handelsüblicher Legierungszusätze vorhanden sind. Verunreinigungen und zufällig anwesende Elemente können Titan, Mangan und Silizium in Beträgen aufweisen, die normalerweise zur Erzielung der Vergießbarkeit und der Schmelzendesoxydation verwendet werden. In der Regel sind diese Elemente in Beträgen von weniger als 1% vorhanden; vorzugsweise sind Mangan und Silizium jeweils in Beträgen von nicht mehr als 0,5% und Titan von nicht mehr als 0,2% vorhanden. Andere Verunreinigungen und zufällig in den erfindungsgemäß verwendeten Legierungen anwesende Elemente können Kupfer mit nicht mehr als 0,5%, Schwefel und Phosphor mit nicht mehr als 0,20% sowie Eisen und Kobalt mit nicht mehr als 2,0% sein. Verunreinigungen wie Stickstoff, Wasserstoff, Zinn, Blei, Wismut, Kalzium und Magnesium sollten in ihrer Konzentration so niedrig wie praktisch möglich gehalten werden.
Tabelle II
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile de; erfindungsgemäß eingesetzten Legierungen ergeber sich aus der folgenden Beschreibung sowie dei Zeichnung. Hierbei zeigt
ϊ Fig. 1 eine graphische Darstellung der Wärmeaus dehnungseigenschaften von herkömmlichen Eisen-Nickel- und Kobaltbasis-Superlegierungen,
F i g. 2 eine graphische Darstellung der 100-h-Zeit-Standsfestigkeit verschiedener handelsüblicher Legie· I') rungen,
Fig.3 eine graphische Darstellung der Wärmeausdehnungseigenschaften herkömmlicher Eisen-, Nickel- und Kobaltbasis-Superlegierungen sowie erfindungsgemäß zu verwendender Legierungen und
Fig. 4 entsprechend Fig. 2 die 100-h-Zeitstandsfestigkeit von erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen.
Wie vorstehend bereits erwähnt, können handelsübliche Hochtemperaturlegierungen einige der Eigenschaften aufweisen, die für eine zur Herstellung von Bauteilen von Gasturbiner geeignete Legierung erwünscht sind Diese Legierungen zeigen jedoch nicht sämtliche der gewünschten Eigenschaften. Dies soll anhand verschiedener handelsüblicher Legierungen dargetan werden, deren Zusammensetzungen aus Tabelle Il hervorgehen. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, haben die handelsüblichen Legierungen A und B der Tabelle II bemerkenswert niedrige Wärmeausdehnungseigenschaften im Vergleich zu typischen Hochtemperaturlegierungen. In Fig. 1 gibt die mit 1 bezeichnete, schraffierte Fläche einen Bereich mittlerer linearer thermischer Wärmeausdehnungskoeffizienten bei verschiedenen Temperaturen für 89 handelsübliche Eisen-, Nickel- und Kobaltbasis Superlegierungen wieder. Die Kurven 2 und 3 geben mittlere Wärmeausdehnungskoeffizienten gegenüber der Temperatur wieder, jeweils für die handelsüblichen Legierungen A und B.
Handelsübliche
Legierung
Ni
Co
Fe
Cr
Mo
Al
Nb
Ta
Zr
A*) ') 2,5 5 0,6 28 — — —
B*) ') — — _ 18 — 8 —
C ') 1,5 19 22 9 0,6 — —
D**) ') 20 — 29 — — 1.2 2,3
E 10 ■) — 24 — 7 — 0,2
0,1 — —
0,04 — —
0,1 — —
0,05 0,003 0,05
0,6 0,5
ij Rest.
*) Kein Sulfidierungswiderstand, sofern nicht beschichtet.
**) Im Vakuum erschmolzen.
Im Falle der beiden handelsüblichen Legierungen A und B ist deren niedrige Wärmeausdehnung der Anwesenheit von ungewöhnlich hohen Beträgen an Molybdän zuzuschreiben, einem hitzebeständigen Element mit niedriger Ausdehnung. Die völlige Abwesenheit von Chrom oder ein sehr niedriger Anteil dieses Elementes in diesen Legierungen macht diese ungeeignet zum Einsatz im unbeschichteten Zustand bei Temperaturen oberhalb von 7600C in sulfidierender Umgebung. Beide Legierungen verschlechtern sich katastrophal bei Temperaturen um 980°C und darüber unter sulfidierendcn Bedingungen.
Zuzüglich zu der unzureichenden Beständigkeit gegen aufgrund der Umgebung bedingten Korrosion ist die Festigkeit der handelsüblichen Legierung A bei hohen Temperaturen so begrenzt, daß sie nicht für solche limilcilc eingesetzt werden, die hoher Bcanspru-0,7
- 3,5
chung bei Temperaturen oberhalb von 87O°C ausgesetzt sind. Dies ist in Fig.2 dargestellt, in der die Lebensdauer im 100-h-Zeitstands-Versuch für eine Anzahl von handelsüblichen Legierungen dargestellt ist (Temperatur gegen Belastung). Die Kurve 1 der Fig. 2 zeigt die handelsübliche Legierung A. Wie weiterhin aus Fig.2 entnommen werden kann, weist die handelsübliche Legierung C (Kurve 2) ebenfalls keine ausreichende Hochtemperaturfestigkeit auf. Die handelsüblichen Legierungen D und E (Kurven 3 und 4 der Fig. 2) zeigen bessere Hochtemperaturfestigkeitswerte, jedoch nicht in dem Ausmaß, wie sie bei Temperaturen oberhalb etwa 87O0C erwünscht sind. Obgleich die Festigkeit der handelsüblichen Legierung B bis etwa 12000C ausgezeichnet ist, wird ihre Einsatzmöglichkeit ernsthaft wegen des völligen Mangels an Beständigkeit gegen Umgebungskormsion beschrankt.
Die handelsüblichen Legierungen C, D und E zeigen außergewöhnliche Beständigkeit gegen schädliche Umgebungseinflüsse. Die Wärrneausdehnung sämtlicher dieser Legierungen ist jedoch hoch; typisch für Nickelbasislegierungen, die in den schraffierten Bereich 1 der Fig.] fallen. Die großen Wärmeausdehnungswerte dieser Elemente sind ein wesentlicher Nachteil im Hinblick auf die Verwendung zur Herstellung von bestimmten Gasturbinenbauteilen.
Wie aus den Zusammensetzungen gemäß Tabelle Il hervorgeht, ist die Verwendung von Chrom und Molybdän als Hauptlegierungsbestandteile in Hochtemperatur-Nickelbasislegierungen relativ üblich. Die Vorteile und die Wirkung eines jeden Elementes sind dem Fachmann bekannt. In bestimmten Zusammensetzungen wurde jedoch beobachtet, daß diese Elemente — wenn sie in ausreichender Menge zusammen vorliegen — die Ausscheidung von spröden Phasen in Form von Nadeln oder Scheibchen bewirken. Die Auswirkung auf die Hochtemperaturfestigkeit und Duktilität kann ernst sein. In den erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen mit hohem Anteil an Chrom und Molybdän wird der Anteil an für die Bildung von spröden, nadeiförmigen Phasen zur Verfügung stehendem Chrom durch die Beigabe von Kohlenstoff und Bor reduziert. Das Chrom bildet stabile Karbide, und Chrom und Molybdän bilden stabile Boride.
Eine Beurteilung von erfindungsgemäß zu verwendenden Gußlegierungen zeigt ein erwähnenswertes Anwachsen der Härte im Vergleich zu ähnlichen Legierungen, die keine Boride und Karbide enthalten. Eine Mikrostrukturprüfung bestätigt, daß die hitzebeständigen Karbide und Boride bei der Verfestigung der Legierung gebildet werden. Weiterhin zeigt die Mikrostrukturuntersuchung, daß die Karbid- und Borid-Bestandteile durch die sich verfestigenden metallischen Dendrite zurückgewiesen werden. Die Kontinuität der metallischen Phase im mikrostrukturellen Bereich kann durch Veränderung der Legierungszusammensetzung gesteuert werden; das Netzwerk der einzelnen Karbide und Boride verbleibt jedoch recht kontinuierlich.
Es wurde gefunden, daß zuzüglich zu einer Verbesserung der Raumtemperaturhärte die Zeitstandsfestigkeit bei höheren Temperaturen von erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen mit nur 0,5 bis 1,0%
Tabelle III
Kohlenstoff sich der Festigkeil einiger handelsüblicher Kobaltbasis-Gußsuperlegierungen annähert. Die gleichzeitige Zugabe von Kohlenstoff und Bor bewirkt eine Zeitstandsfestigkeit, die vergleichbar mit der einiger oft verwendeter, handelsüblicher Kobaltbasis-Gußlegierungen ist.
Die bei sowohl Kohlenstoff als auch Bor aufweisenden erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen beobachtete maximale Zeitstandsfestigkeit beträgt 29,4 kp/mm2 im 100-h-Zeitstands-Versuch bei 816°C. Dieser Wert liegt etwa 10% höher als der höchste bekannte Wert von Kobaltbasis-Gußsuperlegierungen.
Eine Anzahl von gemäß der Erfindung zu verwendenden Legierungszusammensetzungen wurde untersucht. Es wurde Material verwendet, welches in Luft geschmolzen und in Schalenformen zu Stangen vergossen wurde. Für jede untersuchte Zusammensetzung wurden 30 Chargen zu 22,68 kp hergestellt. Das Ansprechen auf Wärmebehandlung wurde dadurch festgestellt, daß das Versuchsmaterial während 24 Stunden einer Alterungsbehandlung bei 871°C ausgesetzt wurde. Legierungen, die einen Alterungseinfluß zeigten, wurden der 871°C-Alterungsbehandlung vor der Untersuchung ausgesetzt oder wurden vor der Alterung und der Untersuchung einer Spannungsabbau/ Lösungsglühung bei 1177° C unterzogen.
Zeitstands-Versuche wurden bei Temperaturen zwischen 760°C und 1093°C unter Last ausgeführt, wodurch ein Vergleich der Eigenschaften mit jenen herkömmlicher Legierungen ermöglicht wurde. Die Messungen der thermischen Ausdehnungseigenschaften wurden an geschliffenen, zylindrischen Probekörpern mit einer Länge von 50,8 mm und einem Durchmesser von 5,08 mm unter Verwendung herkömmlicher dilatometrischer Verfahren durchgeführt.
Der Widerstand gegen Heißkorrosion und Sulfidierung wurde dadurch untersucht, daß zylindrische Proben mit 25,4 mm Länge und 12,7 mm Durchmesser 300 Stunden lang teilweise in eine geschmolzene 90%-Na2SO4-10%-NaCl-Salzmischung mit einer Temperatur von 8710C eingesetzt wurden. Die Beständigkeit oder der Widerstand wurden durch Messung des Gewichtsverlustes pro Flächeneinheit und durch Bestimmung des Grades der Oberflächenausnehmung mittels metallographischer Einrichtungen festgestellt.
Legierungsprobe
Elemente
Ni
Cr
Mo Mn
Si
1 ) 25 18 — 0,5
2 30 18 — 1,0
3 ) 30 18 0,2 1,0
4 ) 35 18 0,2 1,0
5 ) 35 18 0,5 1,0
6 ) 40 14 0,5 1,0
7 ) 40 14 0,05 1,0
CXl ) 40 14 0,5 0,5
9 ) 35 18 0,05 1,0
10 ) 35 18 0,2 0,5
11 ) 30 18 0,05 0,5
12 ) 30 18 0,2 0,5
13 ) 30 18 0,2 0,5
14 ) 30 18 0,5 0,2
15 30 18 0,2 0.2
0,5
0,5
IV 24 56 857 10-b/°C von 26,7°C bis zur C 426,7° C 649° C angegebenen
Tabelle Temperatur 12,49 13,61
Legie 204,4° ι 11,75 12,64 871°C
rungs- 12,22 10,49 11,52 14,33
probe Mittlerer linearer Wärmeausdehnungs-Koeffi 10,67 11,50 12,31 12,91
zient · 10,01 11,50 12,17 12,19
1 11,11 10,75 12,17 12,65
2 11,11 11,00 12,31 13,01
4 10,67 11,75 12,64 12,91
5 10,67 11,36 12,71 12,91
6 11,11 11,59 12,78 12,25
7 10,28 11,50 12,96 13,66
8 11,36 13,54
11 11,11 13,61
12
14
15
Die Analyse der Versuchslegierungen ist in Tabelle III in Gewichtsprozent der Legierungsbestandteile angegeben. Die Ergebnisse der Untersuchungen der Wärmeausdehnung sind in Tabelle IV wiedergegeben, graphisch in F i g. 3 im Vergleich mit handelsüblichen Legierungen. In F i g. 3 zeigt die schraffierte Fläche 1 den Bereich des mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten über einen Temperaturbereich von etwa
200 bis 8700C für 89 handelsübliche Hochtemperaturlegierungen, während die schraffierte Fläche 2 denselben Bereich für 11 Versuchslegierungen wiedergibt. Wie in Fig.3 dargestellt, neigen erfindungsgemäß zu verwendende Legierungen dazu, eine wesentlich niedrigere Wärmeausdehnung als herkömmliche handelsübliche Superlegierungen zu haben.
ι Tabelle V i
■j 		Prüfbedingungen Belastung Lebensdauer/h — 9,3 — Dehnung Querschnitt 815°C-100h
i
I 2 		Temperatur/" C kp/mm2 8,4 10,0 % Bruchbelastung
Zeitstandswerte 14 8,6 6,1 81,0 19,0 Ver. % kp/mm2
Legierungs 14 9,9 6,0 15,2 26,7 33,1 _
probe 871 3,5 8,5 12,3 12,6 40,2 —
871 3,5 8,8 — 19,0 24,3 —
I 3 1093 — 48,8 — 26,0 —
1 1093 14 58,8 50,6 — 14
— 14 7,6 55,5 46,0
871 3,5 10,2 16,6 47,1
871 3,5 — 20,0 26,5
j 4 1093 — 69,7 — 30,1
1093 14 57,6 20,1 — 14
— 14 18,2 19,1 24,6 _
871 3,5 10,4 7,9 19,8
871 3,5 _ 6,0 10,3
5 1093 — — 8,5
1093 14 17,5 — 18,6
— 14 28,3 16,9
871 3,5 35,0 32,5
871 3,5 24,6 47,0
1093 — — 41,5 _
1093 14 19,0 — 17,9
— 14 18,9 2Γ.Ι
871 3,5 27,5 17,3 _
871 3,5 20,6 29,4
1093 _ _ 17,8 —
1093 18.2
__
f-ort sctzung Prüfbedingungen Belastung Lcbcnsdiiucr/h — - — — - Dehnung Querschnitt 815 C- ,OUIi
Legierungs- Temperatur/ "C kp/mm: 48,6 42,7 21,2 24,8 96,2 % Bruchbelastung
probe 35 132,4 60,1 43,8 18,6 35,4 107,0 3,0 Ver. % kp/mni-
35 228,4 9,6 4,5 3,5 9,0 40,5 3,1
760 24,5 65,6 11,8 9,1 4,0 11,7 37,5 2,4 3,9 _
6 760 24,5 35,8 — - — 2,0 2,8 —
871 10,5 12,2 30,9 20,8 69,9 2,0 3,2 —
871 10,5 153,2 42,0 24,2 44,1 1,2 4,0 —
982 3,5 58,2 5,2 4,9 9,4 1,3 1,5 —
982 3,5 14,7 5,0 4,8 11,9 5,5 1,8 _
1093 3,5 95,1 1,7 18,6 —
1093 3,5 24,0 7,6 2,2 —
1093 — — — 9,0 —
1093 14 60,9 3,8 — 29,4
— 14 64,9 3,0 4,5
871 3,5 3,7 1,8 4,3 —
7 871 3,5 3,6 2,3 3,0 —
1093 — — 3,5 —
1093 14 5,5 — 17,9
— 14 6,5 6,4
871 3,5 2,6 7,2 —
8 871 3,5 5,0 3,8 —
1093 — — 6,8 —
1093 14 13,5 — 17,9
— 14 10,9 22,6
871 3,5 17,8 17,1 —
9 871 3,5 11,8 18,1 —
1093 — - 14,3 —
1093 14 20,1 - 16,8
- 14 19,1 27,6
871 3,5 23,6 20,9 —
10 871 3,5 20,7 52,5 —
1093 - — 46,8 —
1093 14 24,2 — 16,8
— 14 20,1 30,9 —
871 3,5 18,6 35,0 —
11 871 3,5 21,2 29,9 —
1093 - — 20,0 —
1093 14 17,8 — 15,8
- 14 11,6 28,7 _
871 3,5 6,6 14,9 —
12 871 3,5 4,6 11,3 —
1093 — — 11,2 —
1093 14 13,5 — 16,1
— 14 18,0 32.4
871 3,5 12,6 33,1 —
13 871 3,5 7,4 18,1 —
1093 - — 25,0 —
1093 14 8,4 - 16,1
- 14 7,5 17,3
871 3,5 5,6 6,9 _
14 871 3,5 5,0 7,5
1093 — — 6,7 _
1093 14 19,8 — 19,3
— 14 17,1 38,3
871 3,5 11,3 27,0
15 871 3.5 16.2 24,0
1093 27.1 _
1093
Tabelle VI
Kerb-Bruch-Eigenschaf'.en
Legierungsprobe
Versuchsbedingungen
Temperatur Belastung
°C kp/mm2 Kt
Kerbfaktor
Lebensdauer h
871
871
871
871
871
871
871
871
871
871
871
871
871
871
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
3,5
3.5
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
49,6
350,01)
209,7
250,0
76,5
92,8
23,6
193,8
45,7
141,8
112,2
258,8
356,8
592,5
Kein Bruch, Versuch abgebrochen.
Gußwerte.
Wärrnebehandelt: 1177°C 1 h lang, an Luft abgekühlt,
87t°C 24 h lang und an Luft abgekühlt.
Zeitstandswerte verschiedener Legierungsproben sind in den Tabellen V und Vl sowie in Fig.4 niedergelegt. Die in Tabelle V aufgeführten Werte für jede Legierungsprobe schließen die Lebensdauer in Stunden unter verschiedenen Temperatur- und Spannungsbedingungen ein; weiterhin die tolerierte End-Gesamtdehnung, die Querschnittsverringerung des Probendurchmessers in der Bruchfläche sowie eine berechnete äquivalente Spannung, um einen Bruch in 100 h bei 816°C zu erzielen. Die Temperatur von 816°C wurde deshalb gewählt, damit ein Vergleich mit anderen Legierungen durchgeführt werden konnte, die möglicherweise bei solchen Anwendungffällen eingesetzt werden können, die eine niedrige Ausdehnung erfordern.
In Tabelle VI sind Ergebnisse für Zeitstands-Versuche an gekerbten Proben aufgeführt. Die Zeit bis zum Bruch in Stunden bei 8710C unter einer Belastung von 14 kp/mm2 ist für eine Anzahl von Versuchslegierungen angegeben.
Fig.4 zeigt eine Darstellung der 100-h-Zeitstands-Versuche (Temperatur gegen Belastung). In Fig 4 geben die Kurven 1,2 und 3 die Versuchslegierungen 4, 6 bzw. 14 wieder.
Die Versuchslegierungen 1 und 2 reflektieren die Zugaben von relativ großen Prozentsätzen an Kohlenstoff zu ternären Nickel-Chrom-Molybdän-Legierungen, die bei NichtVorhandensein der relativ großen Kohlenstoffanteile Gefügeinstabilität zeigen würden. Strukturell gesehen bestehen diese Legierungen aus primären metallischen Dendriten und primären »fischgrätenartigen« eutektischen Chrom-Molybdän-Karbiden. Die Versuchslegierungen 1 und 2 zeigen Rockwell-Härte-Zahlen (Rc) von 33 bzw. 42. Beim Altern zeigte die Versuchslegierung 2 einen leichten Härteabfall auf Rc 38. Die Bruchfestigksit beider Legierungen ist vergleichsweise niedrig, erreicht jedoch die von gegossenen Kobaltbasis-Superlegierungen.
Ein Anheben des Chromgehaltes von Nickelbasislegierungen führt in der Regel zu einer Verringerung der Hochtemperaturfesiigkeii. Wie jedoch durch die Werte der Tabelle V bezüglich der Versuchslegierungen 3 bis 6 gezeigt ist, bewirkt eine Anhebung des Chromgehalte: unter gleichzeitiger Zugabe relativ großer Mengen at Kohlenstoff und Bor ein scharfes Ansteigen dei Festigkeit. Im Falle der Versuchslegierung odei ι Legierungsprobe 6 wird die Belastung zur Erzeugung des Bruches in 100 Stunden bei 8160C im Vergleich zi den Legierungsproben 1 und 2 mehr als verdoppelt Dies ist natürlich ein ungewöhnlich großes unc unerwartetes Anwachsen der Festigkeit. Beim Ver in gleich der F i g. 2 und 4 kann festgestellt werden, daß da; Festigkeitsniveau der Legierungsprobe 6 etwa 10°/c oberhalb dem der handelsüblichen Legierung E liegt Die Legierung E ist eine der festesten entwickelter Kobaltbasislegierungen.
ι "> Die Legierungsprobe 4 zeigt nicht nur gute Festigkeit sie weist auch einen niedrigeren mittleren Wärmeaus dehnungskoeffizienten von 27°C bis 871°C als jede bekannte Nickelbasislegierung auf. Der überraschenc niedrige mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient dei
->o Legierungsprobe 4 von 27°C bis 87ΓC ist in Tabelle IV gezeigt. Ein Vergleich dieser Werte mit den Kurven dei Fig. 1 zeigt den niedrigen Wärmeausdehnungsgrad dei Legierungsprobe 4 im Vergleich zu den verschiedener handelsüblichen Superlegierungen.
r> Die Legierungsproben 4 und 6 zeigen jeweils einer Gewichtsverlust von 50,4 bzw. 48,1 mg/cm2 und Oberflächenausnehmungsraten von 0,09 mm bzw. 0,05 mm irr 300-h-Sulfidierungsversuch. Dies zeigt ausgezeichnete Beständigkeit gegen schwere Untersuchungsbedingun
ι» gen und bedeutet, daß diese Legierungen als heißkorrosionsbeständig bezeichnet werden können.
Trotz der Tatsache, daß die Legierungsprobe 5 eir wesentliches Anwachsen der Festigkeit zeigt, kann die Legierungsprobe 4 für verschiedene Verwendungsfällt
π die attraktivere sein. Die sehr geringe Ausdehnung ir Verbindung mit der ausgezeichneten Heißkorrosions beständigkeit und ihre annehmbare Festigkeit bedeuten daß die Legierungsprobe 4 sich ausgezeichnet zui Herstellung von solchen Bauteilen eignet, die einen sehi
<m geringen Grad an Wärmeausdehnung bei hoher Temperaturen erfordern. Änderungen der Zusammen Setzungen im Bereich der Legierungsproben 4 und f erbrachten gewisse Festigkeitsverbesserungen bei dei Legierungsprobe 14 gegenüber der Legierungsprobe 4 j jedoch unter einer gewissen Einbuße bei den Ausdeh nungswerten.
Bei der Herstellung der erfindungsgemäß zu verwen denden Legierungen und von aus diesen Legierunger hergestellten Gegenständen sind keine anderen Verfah
>o ren oder Techniken als die der normalen, herkömmli chen Gießpraxis erforderlich. Die Legierungen könner gut in Sand, Schalen oder Präzisionsgießformer abgegossen sowie in Luft oder unter Vakuurr erschmolzen oder vergossen werden. Obgleich die
3) Legierungen zur Verwendung im Gußzustand entwik kelt wurden, können verschiedene spezifische Zusam mensetzungen im Rahmen der Erfindung als Knetlegie rung verwendet werden, sofern sie auf pulvermetallurgi schem Wege hergestellt sind.
Wi Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierunger können generell als eine Klasse von Nickelbasislegie rungen bezeichnet werden, die eine Duplexstruktur bestehend aus einer Nickel-Chrom-Molybdän-Matri) und einem semikontinuierlichen Netzwerk wärmebe
t>r> ständiger Karbide, aufweisen. Die Legierungszusam mensetzungen weisen eine Kombination von physikali sehen und mechanischen Kenngrößen auf, die gcncrcl als sich gegenseitig ausschließend betrachtet wurden.
Hier/u 2 Blatt /.

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verwendung einer bei hoher Temperatur zeitstandfesten und korrosionsbeständigen Legierung aus 24 bis 42% Chrom, 8 bis 22% Molybdän, 0,1 bis 1,4% Kohlenstoff, 0 bis 0,8% Bor, weniger als je 1% Titan, Mangan und Silizium, höchstens 0,5% Kupfer, höchstens 0,20% Schwefel und Phosphor, höchstens 2,0% Eisen und Kobalt, Rest einschließlich Verunreinigungen Nickel, für unbeschichtete Bauteile im Heißgasteil von Gasturbinen, die zusätzlich zu den zuvor genannten Eigenschaften einen niedrigen mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von höchstens 14,33 · 10-6/°C zwischen 26,7 und 871 ° C aufweisen müssen.
2. Verwendung der im Anspruch 1 genannten Legierung, die jedoch 0,5 bis 1,2% Kohlenstoff enthält, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.
3. Verwendung der im Anspruch 1 genannten Legierung, die jedoch 28 bis 42% Chrom, 12 bis 20% Molybdän, 0,15 bis 1,2% Kohlenstoff und 0,04 bis 0,7% Bor enthält, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.
4. Verwendung der im Anspruch 3 genannten Legierung, die jedoch 16 bis 20% Molybdän und 0,2 bis 0,7% Bor enthält, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.
5. Verwendung der im Anspruch 1 genannten Legierung, die jedoch 38 bis 42% Chrom, 12 bis 16% Molybdän, 0,5 bis 1,2% Kohlenstoff, 0,2 bis 0,7% Bor enthält, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.
6. Verwendung der im Anspruch 1 genannten Legierung, die jedoch 33 bis 37% Chrom, 16 bis 20% Molybdän, 0,3 bis 1,2% Kohlenstoff, 0,15 bis 0,5% Bor enthält, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.
7. Verwendung der im Anspruch 1 genannten Legierung, die jedoch höchstens 0,2% Titan enthält, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.
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