DE2555375A1

DE2555375A1 - Zusammengesetzter kristalliner metallgegenstand

Info

Publication number: DE2555375A1
Application number: DE19752555375
Authority: DE
Inventors: Anthony Francis Giamei; Bernard Henry Kear
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1974-12-23
Filing date: 1975-12-09
Publication date: 1976-06-24
Also published as: NO142447C; NO754339L; US3967355A; FR2302852A1; SE414197B; CH620945A5; BE836938A; NO142447B; NL7514527A; CA1060319A; GB1528637A; IT1058334B; SE7513907L; FR2302852B1; DE2555375C2; JPS5189815A; JPS6047336B2

Description

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION Hartford, Connecticut - USA

"Zusammengesetzter kristalliner Metallgegenstand"

Die Erfindung bezieht sich auf zusammengesetzte Gegenstände, einschließlich zusammengesetzter Einkristalle»und auf Verfahren zur Herstellung derselben.

Eine kurze Beschreibung der Korngrenzen soll die Vorteile, die durch die Verwendung von Einkristallen erreicht werden, deutlich machen. Eine Korngrenze ist ein Bereich, wo zwei Körner verschiedener kristallographiseher Orientierung

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miteinander in Berührung stehen. Hinsichtlich der Modelle für die Struktur der Korngrenzen und hinsichtlich der Verfahren zur Interpretierung der Effekte der Korngrenzen gibt es in der Metallurgie verschiedene· Meinungen. Eine Art der Klassifizierung der Korngrenzen geschieht anhand des Unterschieds der Orientierung zwischen den Körnern. Korngrenzen mit kleinem Winkel, wo also Körner mit nur leicht unterschiedlicher Orientierung zusammenlaufen, können als Versetzungsreihe analysiert werden. Gleichungen und Modelle, die unter dieser Annahme entwickelt wurden, ergaben Resultate, die gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Der Betrag der Orientierungsabweichung, der nötig ist, daß eine Korngrenze als Korngrenze mit großem Winkel eingestuft wird, ist nicht festgelegt, jedoch wird üblicherweise ein Winkel von mehr als 5° hierfür angenommen. Für Korngrenzen mit großem Winkel wurden bisher noch keine zufriedenstellenden Modelle entwickelt. Aus experimentell erhaltenen Tatsachen ist es bekannt, daß Korngrenzen mit großem Winkel eine viel größere Mobilität aufweisen als Korngrenzen mit einem kleinen Winkel und daß im allgemeinen die Mobilität von Korngrenzen zunimmt, wenn der benachbarte Körner trennende Winkel zunimmt. Korngrenzen mit kleinem Winkel werden üblicherweise als Sub-Korngrenzen bezeichnet. In der folgenden Beschreibung wird nun der Ausdruck "Korngrenze" für eine Korngrenze mit großem Winkel verwendet, sofern nichts anderes angegeben ist. Wenn der Winkel zwischen benachbarten Körnern zunimmt, dann kommt der Grenzbereich mehr und mehr in Unordnung. Verunreinigungsatome im Material besitzen im allgemeinen eine andere Größe und andere elektronische Eigenschaften als das Grundmaterial. Diese Verunreinigungsatome werden von dem ungeordneten Bereich, der an Korngrenzen mit großem Winkel auftritt, angezogen und passen dort auch besser hinein. Die Konzentration an Verunreinigungsatomen an der Korngrenze kann um einige Größenordnungen höher liegen als die Konzentration

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der gleichen Verunreinigung innerhalb des Kristalls selbst. Wenn eine solche Segregation eintritt, dann nehmen die Eigenschaften der Korngrenze die Eigenschaften der Verunreinigungsatome an. Beispielsweise ist in einer Superlegierung auf Nickelbasis Schwefel eine schädliche Verunreinigung, welche zu den Korngrenzen segregiert. Bei den Betriebstemperaturen verschlechtert der Schwefel in den Korngrenzen die mechanischen Eigenschaften, weshalb Brüche, die in schwefelhaltigen Super-• legierungen auf Nickelbasis auftreten im allgemeinen an einer Korngrenze beginnen. Die Verunreinigungssegregation ist jedoch bei Korngrenzen mit niedrigem Winkel kein besonderes Problem. Demgemäß ergeben Korngrenzen mit niedrigem Winkel nicht die gleichen Schwierigkeiten hinsichtlich des mechanischen Verhaltens wie Korngrenzen mit groPem Winkel. Es wurde auch beobachtet, daß Korngrenzen schädliche Einflüsse während einer Oxydation und Korrosion bei.hohen Temperaturen haben.

Bei der Herstellung vollständiger kleiner Turbinenteile, wie z.B. Schaufeln und Leitplatten wurde versucht, diese Schwierigkeiten dadurch zu verringern, daß eine Richtungsverfestigung, wie sie in der US-PS 3 260 5O5 beschrieben ist, wobei querverlaufende Korngrenzen nur in geringem Maße auftreten, oder Einkristalle, wie sie in der US-PS 3 494 709 beschrieben sind, verwendet werden. Die durch Richtungsverfestigung erhaltenen Resultate waren sehr zufriedenstellend, jedoch waren bisher die Verbesserungen, die durch die Verwendung von Einkristalltechniken erhalten wurden, wegen der erhöhten Kosten nicht wirtschaftlich.

Eine andere Technik, die Interesse auf dem Gebiet der Hochtemperaturlegierungen gefunden hat, ist die Technik der Züchtung von Kristallen mit einer orientierten MikroStruktur .oder zweiten Phase. Es sei hier beispielsweise auf die US-PSeh 3 793 010 und 3 528 808 verwiesen. Um eine orientierte zweite

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Phase zu züchten, ist unter anderem eine scharfe Kontrolle der Zusammensetzung erforderlich. Außerdem wurde gefunden, daß die meisten Legierungen mit der richtigen Zusammensetzung für optimale mechanische Eigenschaften im allgemeinen keine ausreichende Hochtemperaturoxydations- und -korrosionsbeständigkeit aufweisen, um den steigenden Anforderungen, wie sie beispielsweise bei Gasturbinen gegeben sind, zu entsprechen.

Bei den folgenden Erörterungen wird von "Einkristallen" gesprochen. Dieser Ausdruck bezieht sich auf kristalline Materialien , die frei von Korngrenzen mit großem Winkel sind. Der Ausdruck "Einkristall" umfaßt also Materialien, die nichtmobile Korngrenzen mit niedrigem Winkel und Versetzungsreihen aufweisen. Unter diesen Ausdruck sollen in dieser Beschreibung auch Materialien fallen, die eine regelmäßige kristalline Matrix aufweisen, welche eine dispergierte zweite Phase enthält, die mit der Matrixphase kohärent oder nicht-kohärent ist. Beispiele für solche Materialien sind Superlegierungen auf Nickelbasis, die eine kohärente Dispersion von primären ^Teilchen in einer 'J'-Matrix enthalten, sowie eutektische Materialien.

Die vorliegende Erfindung betrifft zusammengesetzte Gegenstände und zusammengesetzte Einkristalle, sowie Verfahren zur Herstellung solcher Einkristalle, die sich durch eine Kristallstruktur auszeichnen, die frei von Korngrenzen ist. Die erfindungsgemäßen zusammengesetzten Einkristalle können verschiedene chemische und/oder physikalische Eigenschaften in verschiedenen Bereichen des Kristalls aufweisen. Beispielsweise ist es durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, einen Einkristall herzustellen, der eine Kernkomponente mit sehr erwünschten mechanischen Eigenschaften und eine Oberflächenkomponente mit einer extremen Oxydationsund Korrosionsbeständigkeit aufweist. Da die erfindungsgemäßen

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zusammengesetzten Kristalle keine Korngrenzen aufweisen, besteht praktisch keine Möglichkeit für eine Segregation von Verunreinigungen oder für einen Korngrenzensprung. Ein oder mehrere der Komponenten des zusammengesetzten Einkristalls können eine orientierte MikroStruktur oder eine zweite Phase zum Zwecke der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften aufweisen.

Das erfindungsgemäße Konzept ist allgemein auf alle Materialien anwendbar. Jedoch ist dieses Konzept besonders nützlich in der Anwendung auf Metalle, die bei erhöhten Temperaturen verwendet werden sollen. Typisch für solche Metalle sind Superlegierungen auf Nickel- und Kobaltbasis, die unter den scharfen Bedingungen, die in Gasturbinen angetroffen werden, eine außergewöhnlich hohe Festigkeit und Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen.

In dieser Beschreibung wird die Beziehung erläutert, die die Komponenten haben müssen, wenn Korngrenzen vermieden werden sollen. Außerdem werden die verschiedenen Prozesse beschrieben, die zum Zusammenfügen der Komponenten verwendet werden.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Gitterstruktur von zwei Einkristallkomponenten vor und nach dem Binden;

Fig. 2 eine Darstellung der relativen Orientierung von zwei Einkristallelementen vor dem Binden;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Form einer Versetzungsstruktur, die sich ergeben kann, wenn zueinander

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leicht unorientierte Einkristalle miteinander verbunden sind;

Fig. h eine schematische Darstellung einer anderen Form einer Versetzungsstruktur, die sich ergeben kann, wenn zueinander leicht unorientierte Einkristalle miteinander verbunden sind; und

Fig. 5 eine mögliche Anordnung von Elementen für die Herstellung einer aus einem Einkristall bestehenden Turbinenschaufel.

Die bevorzugten erfindungsgemäßen Gegenstände bestehen aus mindestens zwei Einkristallkomponenten, die unter solchen Bedingungen miteinander verbunden sind, daß keine Korngrenzen vorliegen. Diese Bedingungen, die weiter unten diskutiert werden, umfassen die Kristallorientierung, Gitterparameter und Bindetechniken. Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung von Einkristallgegenständen, die frei von Korngrenzen sind und eine einzigartige und wertvolle Kombination von Eigenschaften besitzen. Beispielsweise kann gemäß einer Ausführungsform ein Einkristallgegenstand mit einer Kernkomponente hoher Festigkeit aber nicht optimaler Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit und mit einer Oberflächenkomponente niedriger Festigkeit aber außergewöhnlicher Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit hergestellt werden. In den Gegenstand können auch andere polykristalline Elemente eingearbeitet werden.

Es hat sich gezeigt, daß unter gewissen Bedingungen zwei Einkristalle unter Bildung eines einzigen Kristalls miteinander verbunden werden können, der sich dadurch auszeichnet, daß er im wesentlichen nur ein inneres Kristallgitter und keine inneren Korngrenzen aufweist. Die Bedingungen, unter denen ein solcher zusammengesetzter Einkristall gebildet werden kann, sind weiter unten angegeben. In der folgenden Be-

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Schreibung werden Kristallkomponenten mit kubischer Symmetrie vorausgesetzt, es ist jedoch klar, daß Kristalle mit anderen Symmetrietypen, wie z.B. hexagonal und orthorhombisch, ebenfalls verwendet werden können.

Die erste Bedingung, die erfüllt werden muß, bezieht sich auf Gittertype und Gitterparameter. Die miteinander zu verbindenden Kristalle müssen dieselbe Kristallstruktur und im wesentlichen dieselben Gitterparameter aufweisen. Es wurde gefunden, daß zur Erzielung zufriedenstellender Resultate der Unterschied in den Gitterparametern zwischen den Komponenten weniger als ungefähr 5% und vorzugsweise weniger als ungefähr 3% sein soll. Die Fig. 1 zeigt zwei Kristallkomponenten A und B mit benachbarten Oberflächen 1 bzw. 2 vor und nach dem Vereinigen zur Bildung eines zusammengesetzten Einkristalls C. Die Komponenten A und B besitzen verschiedene Gitterparameter, derart, daß-die Komponente A sieben horizontale Atomebenen aufweist, während im gleichen Bereich der Kristall B nur sechs horizontale Atomebenen besitzt. Nach dem Zusammenfügen der beiden Komponenten entsteht eine kontinuierliche Gitterstruktur mit einer inneren Randversetzung 3» welche sich aus der überzähligen Atomebene in der Komponente A ergibt. Außer dieser Versetzung haben alle Atome der benachbarten Oberflächen 1 und 2 Bindungen mit Atomen in der anderen Komponente gebildet. Das Ergebnis der verschiedenen Gitterparameter ist die Bildung einer.Versetzungsstruktur, die sich aus Randversetzungen zusammensetzt, welche in der Grenzfläche zwischen den beiden Komponenten vorliegen. Ein Unterschied von 5% in den Gitterparametern ergibt die Bildung von einer Randversetzung für jeweils 20 Atomebenen. Eine Versetzungsreihe dieser Art und Type besitzt nicht die Mobilität und den schädlichen Effekt auf die Eigenschaften, wie eine Korngrenze mit großem Winkel. Eine überraschende Tatsache der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Atomarten, welche die Einkristallkomponenten bilden, nicht identisch sein

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müssen, solange nur die Kristallstruktur identisch ist. Beispielsweise ist es möglich, einen vollständigen Einkristall aus zwei Komponenten, nämlich einer Legierung auf Nickelbasis und einer Legierung auf Kobaltbas^s, zu bilden, solange nur der Unterschied bezüglich der Gitterparameter innerhalb der oben angegebenen Grenzwerte liegt und beide Legierungen die gleiche Kristallstruktur (zumindest an der Verbindungsebene) aufweisen. Wenn Kristalle unterschiedlicher Zusammensetzung miteinander vereinigt werden, dann muß darauf geachtet werden, Kombinationen von Elementen zu vermeiden, die beim Gebrauch schädliche intermetallische Verbindungen bilden. Es sollten Phasendiagramme zu Rate gezogen werden. Eine vollständige Peststofflöslichkeit ist erwünscht.

Die zweite Bedingung, die erfüllt werden muß, wenn ein von Korngrenzen freier zusammengesetzter Gegenstand gewünscht wird, hat die Orientierung zwischen den zu verbindenden Einkristallen zum Gegenstand. Die beiden Einkristallkomponenten müssen im wesentlichen gleiche Orientierungen aufweisen. Fig. 2 zeigt zwei Einkristallkomponenten D und E, die vor dem Zusammenfügen der benachbarten Flächen 11 und 12 orientiert worden sind. Die Orientierung einer Einkristallkomponente kann relativ zur anderen Einkristallkomponente anhand von Drehungen um die drei senkrecht aufeinanderstehenden Achsen X, Y und Z von Fig. 2 beschrieben werden. In Fig. 2 verläuft die X-Achse senkrecht zu der Ebene, in welcher die Komponenten miteinander verbunden werden sollen, während die X- und Z-Achsen parallel zur Bindungsebene liegen. Wenn ein Kristall relativ zum anderen um eine Achse gedreht wird, die senkrecht zur Verbindungsebene verläuft, dann wird die Bindung ein Netzwerk von SchraubenVersetzungen aufweisen, wie es in Fig. 3 zu sehen ist. Fig. 3 ist ein Schema der Atomversetzungsanordnung in der Bindungsebene,wobei eine Vielzahl von Schraubenversetzungen 15 in einer regelmäßigen quadratischen An-

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Ordnung zu sehen ist. Die ausgefüllten Kreise stellen die Atome einer Komponente und die offenen Kreise die Atome der anderen Komponente dar.

Wenn ein Element relativ zum anderen um eine Achse gedreht wird, die in der Ebene der Bindung liegt, dann ergibt sich ein Netzwerk von Randversetzungen 17» wie dies in Fig. 4 zu sehen ist. Fig. 4 zeigt eine Ansicht senkrecht zur Bindungsebene. (Es ist zu bemerken, daß die Randversetzungen in Fig. H sich in der Orientierung um 90° von den Randversetzungen in Fig. 1 unterscheiden, was aus Gitterparameterunterschieden resultiert.) Aus Fig. 4 ist ersichtlich,daß der Raum zwischen den Randversetzungen direkt mit dem Winkel des Orientierungsunterschieds in Beziehung steht. Der Abstand zwischen den Randversetzungen kann durch folgende Gleichung beschrieben werden:

worin D = Abstand zwischen den Versetzungen b = Abstand der Atomebenen

θ = Winkel der Orientierungsabweichung zwischen den benachbarten Kristallen.

Eine Orientierungsabweichung um einen Winkel von 3° ergibt einen Abstand von ungefähr 20 Atomebenen zwischen den benachbarten Randversetzungen.

In der tatsächlichen Praxis haben die Kristalle eine Orientierungsabweichung, die durch die Drehung um alle drei Achsen beschrieben werden kann. Die resultierende Versetzungsstruktur in der Bindungsebene wird deshalb ein komplexes Gemisch aus Rand- und Schraubenversetzungen in einer regelmäßigen Anordnung sein. Für die Zwecke der Erfindung muß die Drehung

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um eine der drei Achsen geringgehalten werden. Sie ist vorzugsweise weniger als 5° und insbesondere weniger als 3 , wobei die Summe dieser Drehungen weniger als 10° sein muß und vorzugsweise weniger als 5° ist. Die Kristallorientierungen können durch die allgemein bekannten Röntgenstrahlentechniken bestimmt werden.

Wenn die Versetzungsdichte an der Korngrenze zwischen den Kristallkomponenten übermäßig groß wird, dann wird die Korngrenze sich von einer Korngrenze mit niedrigem Winkel zu einer solchen mit großem Winkel ändern, wobei eine mobile Korngrenze mit schädlichen Auswirkungen entsteht. Wenn eine solche bewegliche Korngrenze mit großem Winkel vorliegt, dann können die beiden Komponenten nicht mehr als Einkristall bezeichnet werden, weshalb die Vorteile einer Einkristallstruktur verlorengehen.

Der Unterschied in den Gitterparametern ergibt eine regelmäßige Versetzungsreihe mit einer niedrigen Versetzungsdichte, und die drei Arten von Orientierungsabweichungen können ebenfalls Versetzungsreihen ergeben. Es ist also in Wirklichkeit die Summe dieser Paktoren, welche bestimmen, ob die Versetzungsdichte groß genug ist, daß eine mobile Korngrenze gebildet wird. Für die vorliegende Erfindung wird vorausgesetzt, daß die Summe der numerischen Werte der Gitterparameterunterschiede (in Prozent) und die Summe der drei numerischen Werte der Orientierungsabweichungen (Grad) weniger als 12 und vorzugsweise weniger als 7 sein soll, wenn optimale und reproduzierbare Resultate erzielt werden sollen. Es muß jedoch darauf hingewiesen werden, daß die Mobilität der Korngrenzen von den Wechselwirkungen zwischen den Versetzungen an der Korngrenze abhängen. Dieser Paktor ist nicht leicht abzuschätzen. Deshalb muß bei der Herstellung von zusammengesetzten Ein-

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kristallen unter Verwendung von Komponenten, die eine hohe Orientierungsabweichung und große Unterschiede in den Gitterparametern aufweisen, mit Sorgfalt vorgegangen werden. Die relativen Einflüsse der Gitterparameterunterschiede und der Orientierungsabweichungen auf die Korngrenzenmobilität ist nicht genau bekannt. Es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung durch die oben angegebenen numerischen Grenzwerte, die nur als Leitfaden dienen sollen, zu beschränken.

Es existieren Techniken, um die oben angegebenen Beschränkungen über die Gitterparameter und die kristallographische Orientierung zu umgehen. Wenn es beispielsweise erwünscht ist, zwei Kristallelemente miteinander zu verbinden, die eine Orientierungsabweichung um 8° Drehung um eine bestimmte Achse aufweisen, dann kann eine Zwischenschicht verwendet werden, die eine Drehung von 4° relativ zu einer jeden der anderen Komponenten aufweist. Ein entsprechendes Verfahren könnte für Kristallkomponenten mit Gitterparametern, die sich übermäßig unterscheiden, verwendet werden.

Angenommen, zwei Einkristallkomponenten mit den erforderlichen Gitterparametern, und den erforderlichen Orientierungen sind hergestellt worden, dann ist es nötig, einen Bindevorgang so durchzuführen, daß der fertige gewünschte zusammengesetzte Einkristall gebildet wird. Um eine zufriedenstellende Bindung zu erzielen, ist es nötig, daß die Oberflächen von benachbarten Kristallen unter Bedingungen in innigen Kontakt gebracht werden, welche die Ausbildung von Metallbindungen zwischen Oberflächenatomen auf den benachbarten Oberflächen ermöglichen. Eine kleine Diffusion muß für die leichte Atomumordnung eintreten, die zur Ausbildung von Metallbindungen nötig ist. Es existieren verschiedene zufriedenstellende Verfahren, um eine solche Bindung zu erzeugen. Ein grundlegendes

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Erfordernis für ein solches Verfahren ist die Sauberkeit der Oberfläche. Die miteinander zu verbindenden Oberflächen müssen sauber sein und dürfen insbesondere keine reaktiven Verunreinigungen aufweisen. Ein inniger Kontakt kann durch die Anwendung von Wärme und Druck auf die benachbarten Kristalle unterstützt werden. Ein Druck hilft einen innigen Kontakt zu erzielen, indem vorspringende Teile der miteinander zu verbindenden Kristalle leicht deformiert werden, so daß die Kontaktfläche der Kristalle erhöht wird. Die Anwendung von Wärme während des Bindeverfahrens unterstützt die Ausbildung von Metallbindungen durch Erhöhung der Amplitude der Atomschwingungen, so daß es möglich wird, daß Oberflächenatome auf einem Kristall sich mit Oberflächenatomen auf dem benachbarten Kristall, die nicht ganz in der richtigen Orientierung vorliegen, verbinden. Die Temperatur, bei der das Binden ausgeführt wird, wird durch Betrachtungen hinsichtlich der MikroStruktur, beispielsweise hinsichtlich des Einsetzens des Schmelzens und der Auflösung von erwünschten Phasen, beschränkt. Eine richtige Kombination von Wärme und Druck muß verwendet werden, um irgendeine mögliche Rekristallisation zu vermeiden, die sich aus einer übermäßigen Deformation während des Bindeverfahrens ergibt. Solche Diffusionsbindeverfahren sind in der Technik allgemein bekannt, wie z.B. aus der US-PS 3 530 568.

Das Verbinden kann auch durch das Verfahren ausgeführt werden, das in der US-PS 3 678 570 beschrieben ist. Das dort beschriebene Verfahren ist als TLP-Diffusions.Verfahren bekannt. Beim TLP-Verfahren wird eine Zwischenschicht mit einem Schmelzpunkt unterhalb dem Schmelzpunkt der zu verbindenden Komponenten zwischen die benachbarten zu verbindenden Komponenten eingebracht. Die Zusammensetzung der Zwischenschicht ist derjenigen der miteinander zu verbindenden Komponenten ähnlich, außer daß ein den Schmelzpunkt drückendes Mittel, wie

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z.B. Bor, vorhanden ist. Die Komponenten und das Zwischenmaterial werden dann zusammengehalten und auf eine Temperatur über den Schmelzpunkt des Zwischenmaterials erhitzt, wobei diese Temperatur aber ausreichend unter dem Schmelzpunkt der Einkristallkomponenten liegt. Das Zwischenmaterial schmilzt und diffundiert in die benachbarten Elemente, bis die Konzentration des den Schmelzpunkt drückenden Stoffs bis zu einem Punkt verringert wird, wo eine Verfestigung eintritt. Die Verfestigung verläuft dabei isotherm. Es wird dabei eine feste Bindung zwischen den benachbarten Komponenten erhalten. Ein einzigartiges Merkmal dieses Verfahrens liegt darin, daß eine gesonderte Kristallstruktur im Verbindungsbereich nicht gebildet wird, sondern sich die Kristallstrukturen der miteinander zu verbindenden Komponenten in den Bindebereich erstrecken. Die Anwesenheit einer flüssigen Phase stellt einen innigen Kontakt sicher, woraus sich eine gute Bindung ergibt.

Einige weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf Fig. 5 näher erläutert. Fig. 5 zeigt eine schematische auseinandergezogene Ansicht einer Turbinenschaufel 30 mit Tragflächenform, die gemäß der Erfindung hergestellt worden ist. Die Schaufel besteht aus einem Kernelement 31» welches aus einem Material hoher Festigkeit bei erhöhten Temperaturen hergestllt ist. Wie aus der folgenden Erörterung hervorgeht, muß das Material des Kernelements 31 keine außergewöhnliche Korrosions- oder Oxydationsbeständigkeit aufweisen, da es nämlich beim Betrieb geschützt ist. Das Kernelement 31 enthält Durchgänge 45 und 46 für den Fluß eines Kühlmediums, wie z.B. Luft. Zwei Deckelemente 32 und 33 sind mit dem Kernelement 31 gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung verbunden. Die Orientierung der Deckelemente 32 und 33 ist identisch mit der Orientierung des Kernelements 31» und zwar zumindest innerhalb

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der weiter oben angegebenen Grenzwerte. Die US-PS 3 494 709» deren Inhalt als in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen gelten soll, beschreibt eine bevorzugte Orientierung für Turbinenschaufeln aus einem Einkristall. Die Deckelemente 32 und 33 können einen gleichförmigen Querschnitt aufweisen oder, wie gezeigt, verjüngt sein, um eine optimale Tragflächenform zu erzielen. Ein Kappenelement 3¹I schützt das eine Ende des Kernelements vor Oxydation und Korrosion. Das Kappenelement ist gemäß der Erfindung orientiert und mit der Stirnfläche 35 des Kernelements 31 und auch mit den Stirnflächen 36 und 37 der Deckelemente 32 und 33 verbunden. Das Kernelement 31 sitzt in einer Aussparung 38 eines Basisteils 39, welches die richtigen Gitterparameter und die richtige Gitterorientierung für eine Verbindung aufweist. Die Bodenflächen ¹IO und 4l der Deckelemente 32 und 33 sind mit der Oberfläche 42 des Basiselements 39 verbunden. Das Basiselement 39 enthält auch Verbindungsdurchgänge 43 und 44, damit Kühlluft in die Kühldurchgänge 45 und 46 im Kernelement 31 eingeführt werden kann.

Ein besonderer Vorteil der in Fig. 5 dargestellten Schaufel besteht darin, daß alle Elemente, aus denen die Schaufel hergestellt ist, einen gleichförmigen Querschnitt aufweisen und deshalb als Einkristall direkt aus einem geschmolzenen Material unter Verwendung eines der bekannten Verfahren hergestellt werden können. Siehe beispielsweise "The Art and Science of Growing Crystals" by J.J. Gilman, N.Y., I963, insbesondere Seiten 275-365· Durch die Verwendung von Kristallen mit konstantem Querschnitt, die Kühldurchgänge aufweisen, fällt die Notwendigkeit fort, daß aufwendige Kerne mit kleinem Querschnitt verwendet werden müssen. Diese Kerne mit verhältnismäßig geringer Festigkeit waren bisher die Quelle von Schwierigkeiten, da sie nämlich aufgrund von thermischen Spannungen und Verformungen bei erhöhten Temperaturen leicht

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brachen. Wie bereits festgestellt, ist das Material für das Kernelement 31 so ausgewählt, daß es bei hohen Temperaturen möglichst fest ist, während das Material für die Deckelemente 32 und 33 und das Kappenelement 34 im Hinblick auf eine hohe Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit ausgewählt werden. Das Material des Basiselements 39 wird so ausgewählt, daß es bei einer etwas niedrigeren Temperatur besonders fest ist und außerdem eine hohe Kerbzähigkeit aufweist. Wenn alle diese Elemente gleiche kristallographische Orientierung, Gitterparameter und Kristallstruktur aufweisen, wie dies oben beschrieben wurde, und wenn sie richtig zusammengebaut sind, dann besitzt das zusammengesetzte Teil eine Struktur, die weitgehend frei von schädlichen Korngrenzen mit großem Winkel ist.

Es ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß Einkristallelemente mit einem konstanten Querschnitt in ein zusammengesetztes Teil vereinigt werden können, das nicht unbedingt eine gleichförmige Querschnittsform aufweisen muß. So können Bearbeitungen und andere Behandlungen weitgehend vollständig wegfallen, sofern ein zufriedenstellendes Verfahren zum Züchten von Einkristallen mit konstantem Querschnitt verwendet wird. Die Turbinenschaufel von Fig. 5 erfordert nur eine Bearbeitung zur Ausbildung des Kühlkanals an der Oberseite des Kernelements.

Zwar wurde bei der obigen Beschreibung zur Fig. 5 davon ausgegangen, daß alle Komponenten der Turbinenschaufel aus Einkristallen bestehen, aber es wird darauf hingewiesen, daß ein oder mehrere polykristalline Elemente in ein solches Teil einverleibt werden können. Beispielsweise kann das Basiselement 39 aus einem polykristallinen Material hergestellt werden, da nämlich die Arbeitstemperaturen an der Basis der Turbinenschaufel

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wesentlich niedriger sind als sie im übrigen Teil der Turbinenschaufel angetroffen werden. Eine andere Möglichkeit für ein polykristallines Bauteil in einer solchen Struktur ist das Kernelement 31. Das Kernelement 31 kann aus einem polykristallinen Material mit einer orientierten zweiten Phase hergestellt werden. Beispiele für solche Materialien sind die bekannten richtungsverfestigten Eutektika, wie sie in den US-PSen 3 124 **52 und 3 55¹I 8l7 beschrieben sind. Die Vorteile einer solchen zweiphasigen Struktur sind Anisotropie und extreme Festigkeit, die sich aus der Orientierung der zweiten Phase ergeben. Ein allgemeiner Nachteil solcher Materialien besteht darin, daß die zusammengesetzten Gegenstände, die eine maximale mechanische Festigkeit ergeben, im allgemeinen bei den erhöhten Temperaturen, die in Gasturbinen anzutreffen sind, keine ausreichende Oxydations- oder Korrosionsbeständigkeit besitzen. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann bei der Herstellung einer Umhüllung aus einem Einkristall verwendet werden, die ein solches hochfestes Material vor schädlichen Oxydations- und Korrosionseffekten schützt.

Eine andere mögliche Alternative für das in Fig. 5 gezeigte Teil ist der Einschluß von keramischen Materialien für ein oder mehrere der Elemente, wie z.B. das Kernelement.31· In den US-PSen 3 8HH 727 und 3 8HH 782 ist ein zusammengesetztes Bauteil aus Metall und Keramik bekannt, welches einen keramischen Körper von länglicher Form und eine Vielzahl von Einkristallstäben, die durch das keramische Element hindurchgehen, das mit metallischen Endstücken versehen ist, aufweist. Keramische Materialien sind für ihre hohe Druckfestigkeit bekannt, besitzen aber üblicherweise eine schlechte Zugfestigkeit. Ein besonderes Merkmal der in diesen Patentschriften beschriebenen Gegenstände ist darin zu sehen, daß das keramische Material auf Druck vorgespannt ist und somit verbesserte Zug-

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eigenschaften und Rißbeständigkeit aufweist. Eine solche Struktur vereinigt einige der nützlichen Vorteile von metallischen Materialien und keramischen Materialien. Jedoch bleiben die ungünstigen Eigenschaften von'keramischen Stoffen, wie z.B. Sprödigkeit und Empfindlichkeit gegenüber thermischen Schocks, ein Problem. Wenn eine solche Struktur als Kernelement 31 verwendet würde, dann würden die aus einem Einkristall bestehenden Deckelemente 32 und 33 von Fig. 5 das keramische Material von einem schädlichen thermischen Schock und von möglichen Schäden durch mechanische Schläge schützen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Zusammengesetzter metallischer-.kristalliner Gegenstand, der aus mindestens zwei Einkristallkomponenten besteht, die miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten

(a) im wesentlichen eine identische Kristallstruktur aufweisen;

(b) im wesentlichen identisch Gitterparameter besitzen; und

(c) im wesentlichen identische Orientierungen haben; und daß der Gegenstand Im₁ Bereich der Bindung keine mobilen Korngrenzen mit großem Winkel aufweist.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Drehungen um die drei orthogonalen Kristallachsen weniger als 10° ist und daß die Summe der Abweichung der Gitterparameter und der gesamten Drehung um die Achsen weniger als 12 ist.

3· Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Einkristallkomponenten verschiedene chemische Zusammensetzungen aufweisen.

k. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindung aus einer Feststoffdiffusionsbindung besteht.

5· Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Tragflächenform aufweist und aus einem Einkristall besteht und folgende Komponenten umfaßt:

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(a) eine Kernkomponente hoher Festigkeit;

(b) mindestens eine oxydationsbeständige Einkristall· komponente, die mit der Kernkomponente verbunden ist und diese schützt; und

(c) ein Einkristallbasiselement.

6. Gegenstand nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet,
daß er außerdem eine polykristalline Komponente, besitzt.

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