DE2540513C3

DE2540513C3 - Verbundwerkstoff mit erhöhter Temperaturwechselbeständigkeit

Info

Publication number: DE2540513C3
Application number: DE2540513A
Authority: DE
Inventors: Herve Meudon Bibring; Tasadduq Plessis-Robinson Khan; Maurice Chatillon-Sous-Bagneux Hauts-De-Seine Rabinovitch; Jean-Pierre Bourg-La-Reine Stohr; Jean-Pierre Bagneux Trottier
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1974-09-13
Filing date: 1975-09-11
Publication date: 1980-02-28
Also published as: CA1052597A; JPS5154822A; US4043841A; SE7510136L; FR2284684A1; JPS5611299B2; FR2284684B1; GB1501224A; CH608033A5; SE417110B; DE2540513B2; DE2540513A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff mit erhöhter Temperaturwechselbeständigkeit aus 20 bis 30% Kobalt, 6 bis 15% Chrom, 3 bis 6% Aluminium, Niob, 0,4 bis 0,65% Kohlenstoff, Rest Nickel mit bei der Herstellung des Verbundwerkstoff durch gerichtetes Erstarren in situ erhaltenen, einkristallinen Verstärkungsfasern aus Niobkarbid.

Verbundwerkstoffe ähnlichen Aufbaus, die durch gerichtetes Erstarren erhalten werden, sind bekannt (DE-AS 20 18 770). Sie bestehen aus einer komplexen Matrix auf der Grundlage von Kobalt Eisen oder Nickel, Chrom und aus faserartigen Einkristallen aus Karbiden der Übergangsmetalle (TaC, NbC, TiC, ZrC od. dgl.). Im allgemeinen sind diese Verbundwerkstoffe gegen thermische Wechselbeanspruchungen empfindlich, und zwar aufgrund des unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, der Matrix einerseits und der Fasern andererseits. Wird der Verbundwerkstoff einer Temperaturwechselbeanspruchung unterworfen, so bilden sich infolgedessen inlerne Einschnürungen, die wiederum bei größeren Temperaturänderungen zu plastischen Verformungen der Matrix und schließlich zu einem vorzeitigen Bruch des Verbundwerkstoffs führen können.

Es sind weiterhin Verbundwerkstoffe des zuvor geschilderten prinzipiellen Aufbaus bekannt (Memoircs Scientifiques Rev. Metallurg. LXIX, No. 5 [1972], Seiten 341/358), die in der Zusammensetzung

Ni-Co-Cr- W-Al-Ta-C
bei geringer Dichte und guter Kriechfesligkeit eine zufriedenstellende Temperaturwechselbeständigkeit bis ca. 1000° C besitzen. Diese Eigenschaften sind insbesondere beim Einsatz der Verbundwerkstoffe für Gasturbinenschaufeln erwünscht Dennoch ist auch auf diesem speziellen Gebiet der Anwendbarkeit dieser Verbundwerkstoffe bei sehr hohei Temperatur (größer 1000° C) eine Grenze gesetzt, weil dann die Kriechfestigkeit der Legierungen auf Ni-Basis erheblich absinkt bzw. bei Legierungen auf Co-Basis die plastische Verformung

ίο der Matrix stark ansteigt

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere für Gasturbinen in der Luf'fahrttechnik geeigneten Verbundwerkstoff zu schaffen, der die Herstellung von gegen wiederholte Temperaturveränderungen oder gegen zyklische Temperaturwechselbeanspruchungen bei einer oberen Temperaturgrenze von mehr als 1000° C such unter gleichzeitiger mechanischer Beanspruchung weniger empfindlichen Werkstücken ermöglicht

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Niobgehalt 4 bis 6% beträgt und die Matrix zusätzlich 7 bis 10% Wolfram enthält

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Unterschied in den Ausdehnungskoeffizienten zwischen Matrix und Fasern über eine Erhöhung der Elastizitätsgrenze und Härte der Matrix abgebaut und dadurch die Empfindlichkeit des Verbundwerkstoffs gegenüber wiederholten Temperaturänderungen bis zu 1100° C auch unter Belastung herabgesetzt werden kann.

jo Entgegen den Vorstellungen im Stand der Technik, wonach das Dehnungsvermögen der Matrix als für die Temperaturwechselbeständigkeit verantwortlich gemacht wird, zielt die Erfindung durch die Wolframzugabe auf eine Erhöhung der Härte ab. Da durch die Zugabe von Wolfram eine Erhöhung der Dichte eintritt, welche wegen der durch die Zentrifugalkräfte bei Gasturbinenschaufeln auftretenden zusätzlichen Belastungen unerwünscht ist — die Dichte sollte nicht über 9 g/cm³ liegen — sieht die Erfindung für die Verfestigungsfasern ein Karbid geringer Masse, nämlich NbC vor, das zudem die Kriechfestigkeit günstig beeinflußt. Dabei wird ferner, wie an sich bekannt, der Volumenanteil der Karbidfasern, durch das in der Matrix anwesende Co begünstigt.

Die polyvarianten Legierungen gemäß der Erfindung weisen eine zweiphasige eutektische Morphologie auf und bieten ein kleines Erstarrungsintervall, das mit dem erwünschten Fortschreiten der Erstarrung in einer ebenen Front vereinbar ist.

Die Zusammensetzung eines Verbundwerkstoffs gemäß der Erfindung bewegt sich also in folgenden in Gew.-% angegebenen Grenzen:

Co	20 bis 30
Cr	6 bis 15
W	7 bis 10
Al	3 bis 6
Nb	4bisb
η	0,4 bis 0,65%
Rest	Ni

Verbundstoffe dieser Zusammensetzung sind unter Belastung gegen wiederholte Teperaturändcrungen bis zu 1100" C unempfindlich. Die Kriechfestigkeit bei mittleren Temperaturen (800°C) ist gleich gut wie bei den bisher verwendeten Superlegierungen auf der Basis Nickel. Die mechanischen Eigenschaften bei 1000 bis 1100°Csind wesentlich besser als bei diesen Superlegierungen. Die Dichte der Verbundwerkstoffe liegt in der Größenordnung von 8,5 g/cm³ und ist mit derjenigen

der bekannten Superlegierungen vergleichbar. Die Oxydationsfestigkeit bei erhöhter Temperatur wird verbessert

Die nachstehenden Tabellen geben eine Anzahl von erfindungsgemäß zusammengesetzten Verbundwerkstoffen an: Tabelle I bezieht sich auf Zugversuche bei erhöhter Temperatur. In der ersten Spalte ist die Zusammensetzung angegeben. Die Angabe von Nickel am Anfang jeder Zusammensetzung soll andeuten, daß

Tabelle I

die Verbindung Nickel als Grundlage hat Die Zahl vor jedem Elementensymbol gibt dessen Anteil in Gew.-% an. In der zweiten Spalte ist die Dichte und in der dritten Spalte die Wanderungsgeschwindigkeit der Erstarrungsfront bei der Herstellung angegeben. Die vierte, fünfte und sechste Spalte enthalten die Versuchsdaten, nämlich die Temperatur, die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung der Probe.

Zusammensetzung	Dichte	V	Temperatur	Zugfestig	Dehnung
				keit
Gew.-%	g/cm	cm/h	C"		%
Ni, 20Co, 10 Cr,	8,6	1,2	1070	280	2,67
1OW, 3Al, NbC
Ni, 20Co, 15Cr,	8,5	1,2	1070	290	3,50
1OW, 3Al, NbC
Ni, 20Co, lOCr,	8,5	1,2	1070	300	3,50
1OW, 4Al₁NbC
Ni, 20Co, 10 Cr,	8,4	1,2	1070	315	4,82
1OW, 5Al, NbC
Ni, 20Co, lOCr,	8,4	1,6	1070	326	4,00
1OW, 5Al, NbC
Ni, 30Co, 15Cr,	8,5	1,2	1070	300	3,67
7,5 W, 3\1, NbC
Ni, 30Co, 15Cr,	8,6	1,2	1070	305	-
1OW, 3Al, NbC

Die Tabelle II bezieht sich auf Kriechversuche. Die Zusammensetzung ist in der ersten Spalte angegeben. Auch hier soll mit dem vorangestellten Symbol für Nickel angedeutet sein, daß die Verbindung als Basis Nickel aufweist, während die bei den nachfolgenden Elementen angegebenen Zahlen deren Anteil in Gew.-% angeben. In der zweiten Spalte findet sich wieder die Dichte und in der dritten Spalte ist die

Tabelle Il

Wanderungsgeschwindigkeit der Erstarrungsfront bei der Herstellung des Verbundwerkstoffs angegeben. In J5 der dritten, vierten und fünften Spalte schließlich sind die Versuchstemperatur in ⁰C, die Zugspannung in MN/cm² und die Versuchsdauer bis zum Bruch aufgetragen. Bei einigen Proben trat unter den genannten Bedingungen der Bruch nicht ein.

40

Zusammensetzung

Gew.-%

Ni, 20Co, 10Cr, 1OW, 3Al, NbC Ni, 20Co, lOCr, 1OW, 4Al, NbC

Ni, 20Co,
1OW, 4Al

Ni, 20Co,
1OW, 3Al

Ni, 20Co,
10W,4AI

Ni, 30Co,
1OW, 3Al

Ni, 20Co,
10W,4AI

Ni, 20Co,
1OW, 3AI

Ni, 20Co,
1OW, 6Λ1

lOCr, ,NbC lOCr, ,NbC lOCr, ,NbC 15Cr, ,NbC I OCr, ,NbC 15Cr, ,NbC !0Cr, ,NbC

Dichte g/cm	V cm/h	Temperatur t	Zugspan nung MN/m²	Bruch dauer h
8,6	1,6	800	400	>1200
8,5 8,5 8,5	1,2 1,2 1,2	800 800 900	400 450 240	>1000 >450 904
8,6	1,6	900	270	153
8,5	1,2	1000	140	620
8,6	1,2	1000	180	212
8,5 -	1,2	1070	120	600
8,5	1,6	1070	120	>3000
8,3	1,6	1070	120	> 400

Die vorstehende Tabelle zeigt, daß bei mittleren Temperaturen die Kriecheigenschaften gleich denjenigen einer bekannten guten Superlegierung sind. Bei höheren Temperaturen (1070⁰C) werden weit bessere Eigenschaften als bei Superlegierungen erreicht

Während die vorgenannte Tabelle die Ergebnisse isothermer Kriechversuche zeigt, sind in der folgenden Tabelle III die Ergebnisse von Kriechverstchen bei wechselnder Temperatur aufgetragen. Die erste Spalte ist wie zuvor aufgebaut In der zweiten Spalte findet sich wieder die Wanderungsgeschwindigkeit der Erstarrungsfront, wählend in Spalte drei die untere und obere

Tabelle III

Grenze eines Temperaturwechsels enthalten ist Bei der ersten Legierung betrug die Dauer eines Temperaturwechsels drei Minuten mit einer Verweilzeit von zwei Minuten auf der Maximaltemperatur. Bei den anderen Legierungen betrug die Dauer eines Temperaturwechsels 30 Minuten mit einer Verweilzeit von 28 Minuten bei der Maximaltemperatur. Die fünfte Spalte zeigt die bei Maximaltemperatur und Temperaturwechseln von 30 Minuten Dauer zusammengefaßte Standzeit, während die für die erste Zusammensetzung angegebene Zahl die Anzahl der Temperaturwechsel von je drei Minuten Dauer angibt bevor die Probe bricht

Zusammensetzung

Gew.-%

cm/h Temperaturwechsel

Zug- Bruchdauer

Spannung

MN/iD²

Ni, 20Co, 10 Cr,
1OW, 3Al, NbC
Ni, 20Co, 15Cr,
1OW, 3Al, NbC
Ni, 30Co, 15Cr,
1OW, 3Al, NbC
Ni, 20Co, 10Cr,
1OW, 4Al, NbC

Ni, 20Co, 10 Cr,
1OW, 4Al, NbC

Ni, 20Co, 10 Cr,
1OW, 3Al, NbC

1,25

1,2

1,25

1,2

1,25

Die bei den Wechselversuchen zusammengefaßte Kriechzeit ist praktisch gleich der isothermen Kriechzeit. Aus der Tabelle ergibt sich, daß erfindungsgemäß gebildete Verbundstoffe gegen Temperaturwechsel bei einer Maximaltemperatur bis mindestens 1100⁰C unempfindlich sind.

Tabelle IV zeigt beispielhaft die Ergebnisse von Zugversuchen an einem Verbundwerkstoff Ni, 20Co, 10 Cr, 1OW, 4Al, NbC, der eine Stunde einer Temperatur von 1100⁰C, anschließend einer Temperatur von 760⁰C — jeweils in Luft — ausgesetzt worden ist.

1070/250
1070/250
1070/250
1070/250
1100/250
1100/250

Tabelle IV

120
120
120
120
100
80

5840 (Wechsel)

507 h
1005 h

265 h

395 h
1061h

Temperatur
C

Zugfestigkeit

MN/ra²

Dehnung %

NormaUemperatur 1550

700 1240

900 680

1000 415

1070 300

13 7,5 7,7 6,6 3,5

Claims

Patentansprüche:

1. Verbundwerkstoff mit erhöhter Temperaturwechselbeständigkeit bis 1100° C aus 20 bis 30% Kobalt, 6 bis 15% Chrom, 3 bis 6% Aluminium, Niob, 0,4 bis 0,65% Kohlenstoff, Rest Nickel mit bei der Herstellung des Verbundwerkstoffs durch gerichtetes Erstarren in situ erhaltenen einkristallinen Verstärkungsfasern aus Niobkarbid, dadurch gekennzeichnet, daß der Niobgehalt 4 bis 6% beträgt und die Matrix zusätzlich 7 bis 10% Wolfram enthält

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, der aus 20% Kobalt, 10% Chrom, 10% Wolfram, 3% Aluminium, 4 bis 6% Niob, 0,4 bis 0,65% Kohlenstoff, Rest Nickel besteht.

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, der jedoch 4% Aluminium enthält

4. Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, der jedoch 5% Aluminium enthält.

5. Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, der jedoch 6% Aluminium enthält

6. Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, der jedoch 15% Chrom enthält

7. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, der aus 30% Kobalt, 15% Chrom, 10% Wolfram, 3% Aluminium,4 bis 6% Niob, 0,4 bis 0,65% Kohlenstoff, Rest Nickel besteht.

8. Verbundwerkstoff nach Anspruch 7, der jedoch nur 7,5% Wolfram enthält.

9. Verwendung eines Verbundwerkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für Gasturbinenschaufeln.