DE2630833C2 - Verwendung einer Kobaltgußlegierung mit hoher Kriechfestigkeit - Google Patents
Verwendung einer Kobaltgußlegierung mit hoher KriechfestigkeitInfo
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Description
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für die Herstellung von hohen Temperaturen ausgesetzten Teilen, insbesondere Gasturbinen-Teilen.
2. Verwendung einer Legierung der in Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, die zusätzlich noch
maximal:
0,010% Schwefel
0,0010% Silber
0,0025% Blei
0,010% Wismut enthält,
für den Zweck nach Anspruch t.
25
30
35
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Kobaltgußlegierung mit hoher Kriechfestigkeit, für die
Herstellung von hohen Temperaturen ausgesetzten Teilen, insbesondere Gasturbinen-Teilen.
Aus der DE-OS 14 58 519 ist bereits eine Legierung
bekannt, die 40—68% Kobalt, 18—36% Chrom,
0-20% Nickel, 0,4-3,0% Kohlenstoff, 0-30% Eisen und/oder insgesamt 0—20% Molybdän, Titan, Niob,
Tantal, Wolfram enthält Die bekannte Kobaltlegierung soll keinerlei Aluminium enthalten.
In der älteren Patentanmeldung entsprechend der DE-OS 25 45 100 wird eine Kobaltlegierung vorgeschlagen, die aus 20-27% Chrom, 9-11% Nickel, 6-8%,
Wolfram, 2,5-4,5% Tantal, 0,2-0,6% Titan, 0,5-0,7% so
Kohlenstoff sowie 0,25—3,0% Aluminium, Rest Kobalt,
bestehen soll. Während somit bei der einen Kobaltlegierung der Aluminiumgehalt 0 betragen soll, liegt er
gemäß der DE-OS 25 45 100 zwischen 0,25 und 3,0%. Auffällig ist außerdem, daß die Legierung der älteren
Anmeldung völlig frei von Zirkonium sein soll, da es sich gemäß dieser Druckschrift sowohl mit dem Schmelztiegel als auch den keramischen Formteilen umsetzt, die
beim Gießen der Maschinenelemente verwendet werden (siehe Seite 2, letzter Absatz und Seite 3, erster
Absatz der DE-OS 25 45 100.)
Diese vollständige Beseitigung von Zirkonium ist jedoch, da Zirkonium häufig als Verunreinigung anderer
Legierungselemente vorhanden ist, recht schwierig und führt außerdem dazu, daß die Kriechfestigkeit der
Legierung ganz drastisch abnimmt, was offensichtlich in der DE-OS 25 45 100 nicht erkannt worden ist Wie sich
aufgrund von Versuchen gezeigt hat, siehe die später
aufgeführte Tabelle I, besitzt die Legierung gemäß
dieser Tabelle einen Zirkoniumgehalt von etwa 0,03 Gewt-% und bei einer Temperatur yon 10930C und
einer Belastung von 62 N/mm2 eine Kriechbruchfestigkeit von nur 12^) Stunden, Dieser Wert liegt unter den
vorgeschriebenen Kriechbruchfestigkeitswerten, die in der Tabelle III angegeben sind (bei den angegebenen
Belastungen soll die Zeit bis zum Bruch nämlich 16 Stunden betragen). Es wurde nun gefunden, daß sich
die aus dem geringeren Zirkoniumgehalt ergebenden Kriechbruchfestigkeitseigenschaften dadurch wieder
verbessern lassen, daß kleine Mengen von Aluminium hinzugefügt werden. Fügt man den 0,03 Gew.-% Zirkon
0,1 Gew.-% Aluminium hinzu, erhöht sich die Kriechbruchfestigkeit auf 17,1 Stunden (siehe Seite 2 der
Tabelle I), während die Hinzufügung von 0,2 Gew.-% Aluminium sogar eine Erhöhung auf 28,8 Stunden ergab.
Dadurch, daß die maximale obere Grenze für Zirkonium auf 0,05 Gew.-% gesetzt wurde, und daß
außerdem eine gesteuerte Menge von Aluminium hinzugefügt wird, die zwischen 0,i und 0,25Gew.-%
liegt, ergeben sich annehmbare Kriechbruchfestigkeiten, die weit über den geforderten Eigenschaften liegen,
wobei aber gleichzeitig keine nachteilige Oberflächenkarbidoxidation beim Gießen in einer keramischen
Schalenform auftritt, worauf noch eingegangen wird.
Kobaltlegierungen der hier in Rede stehenden Art werden insbesondere für die Herstellung von Teilen von
Geräten eingesetzt, die bei hohen Temperaturen arbeiten, beispielsweise bei Temperaturen zwischen 815
und 1038° C Ein Beispiel sind die stationären Schaufeln von Gasturbinen mit großem Querschnitt, wobei die
Schaufeln üblicherweise eine Dicke von bis zu etwa 25 mm besitzen. Derartige Schaufein werden durch das
sogenannte Feingießverfahren hergestellt wobei die Legierung zunächst in einem Tiegel geschmolzen und
dann in eine Gußform gegeben wird. Die sich ergebende
gegossene Struktur sollte dann mit einer gegenüber Oxidation und Sulfidation v/idersidndsfähigen Schicht
bedeckt werden. Durch die Bestandteile der bekannten Legierungen, ergänzend sei noch auf die US-PS
34 32 294 verwiesen, ergeben sich in dieser Hinsicht jedoch dadurch Schwierigkeiten, daß das bei diesen
Legierungen sich bildende Oberflächenkarbid oxidiert und dadurch an diesen Stellen eine gegenüber Oxidation
und Sulfidation widerstandsfähige Beschichtung nicht mehr aufgebracht werden kann.
Die große Affinität des Oberflächenkarbids bekannter Legierungen gegenüber Oxidation bewirkt zudem,
daß sowohl der Tiegel, in dem die Legierung geschmolzen wird, als auch die Gießform chemisch
stark angegriffen werden. Dies führt dazu, daß sich die Herstellungskosten für das einzelne Gußstück wie auch
die Erneuerungskosten für Tiegel und Gußform erhöhen.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten zu vermeiden und eine Kobaltgußlegierung .hoher
Kriechfestigkeit zu schaffen, dh sich besonders gut für die Herstellung von hohen Temperaturen ausgesetzten
Teilen, insbesondere Gasturbinenteilen eignet, insbesondere dann, wenn während des Einschmelzens und
Gießens keine nachteilige Oberflächenkarbidoxidation auftreten soll.
Gelöst wird die Aufgabe durch Verwendung einer Gußlegierung mit einer besonderen Zusammensetzung,
wie im Hauptanspruch angegeben, insbesondere für die Herstellung von Gasturbinenteilen (und anderen entsprechend belasteten Teilen).
indem der Zjrkonwmgehalt auf maximal 0,050%
gesetzt wird, wird die schädliche Oberflächenkarbidoxidation soweit verringert, daß sie nicht mehr störend in
Erscheinung tritt Durch den Alurniniumgehalt von 0,10
bis 0,25% wird außerdem die Kriechbruchfestigkeit trotz des verringerten Zirkoniumgehalts aufrechterhalten.
Da die erfindungsgemäß verwendete Kobaltlegierung verhältnismäßig hohe Anteile an Wolfram
(6,5—7,5%) und Tantal (3,0—7,0%) enthalten, weiche
Metalle häufig Zirkonium als Verunreinigung aufweisen,
werden Wolfram und Tantal, die zur Herstellung der Legierung benutzt werden sollen, so hergestellt, daß der
Zirkoniumgehalt möglichst klein wird. Auf diese Weise wird der erforderliche geringe Zirkoniumgehalt zur
Erlangung der erfindungsgemäßen verringerten Oberflächenkarbidoxidation erreicht, außerdem die verringerte chemische Reaktion zwischen Metall und
Gießform. Die erfindungsgemäße Verwendung der Kobaltgußlegierung gemäß der im Hauptanspruch
genannten Zusammensetzung zur Herstellung von Gußteilen ermöglicht auch, diese Gußteile später mit
gegenüber Oxidation und Sulfidation widerstandsfähigen Schichten zu versehen, die Gußteile zeigen
außerdem keine vorzeitigen Fehler während des Betriebs aufgrund der Anwesenheit von unterhalb der
Oberfläche liegenden Oxidationsprodukten. Das innere Gefüge der erfindungsgemäß erlangten Gußteile wird
ebenfalls verbessert
Beschädigungen des Schmeiztiegels durch Oxidationsreaktionen werden stark verringert Diese Oxidation führt bei den bekannten Legierungen im Tiegel zu
Schlackenbildungen, wodurch der Tiegel häufiger ersetzt werden muß. Mit der erfindungsgemäßen
Legierungszusammensetzung ist ein Ersatz nicht mehr so oft nötig.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert die in den Zeichnungen
dargestellt sind. Es zeigt
Fig. 1 eine grafische Darstellung der Wirkung von
Zirkonium auf die Tiefe der Karbidoxidation;
Fi g. IA eine grafische Darstellung der Kriechfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung;
F i g. 2 eine grafische Darstellung zum Vergleich der
Kriechfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung mit der der handelsüblichen Wheatonlegierung (gemäß
US-PS 34 32 294);
F i g. 3 eine Seitenansicht einer Probe zur Ermittlung der Kriechfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung;
F i g. 4 eine Seitenansicht einer Anordnung, mit der eine aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellte
Turbinenschaufel zerschnitten wird, um die Reaktion zwischen Metall und Gießform, die Porosität den
Kristallangriff und dergl. festzustellen;
Fig.5A, B1 C, D kristallografische Fotografien von
ungefähr fünffacher Vergrößerung von Querschnitten einer aus der erfindungsgemäßen Legierung gegossenen Luftschaufel;
F i g. 6A, B, C, D entsprechende Aufnahmen einer aus
einer im Handel erhältlichen dritten Legierung hergestellten Luftschaufel;
F i g. 7 und 8 mikroskopische Aufnahmen in 200facher Vergrößerung der Querschnitte gemäß Fig.5C bzw.
5D;und
Fig.9 und 10 entsprechende Aufnahmen der
Querschnitte gemäß F i g. 6C bzw. 6D.
Für die Herstellung von Präzisionsfeingußstücken, wie beispielsweise Segmenten eines Gasturbinenflügels,
wird die Charge im Vakuum bei einer Temperatur geschmolzen, die etwa 167° C über ihrem Schmelzpunkt
liegt, und dann in einer auf etwa 1038" C vorgewärmten
Feingußform gegossen. Nach dem Gießen wird die Gußform aus der Vakuumkammer entfernt und bei
Raumtemperatur in ruhiger Umgebungsluft abgekühlt Verwendet man zum Gießen eine Wheaton-Legierung, zeigt sich bei Untersuchung der Gußteiloberfläche, die während der Verfestigung mit der Gießform in
Kontakt waren, eine Oberflächenerscheinung, die als Metall/Gußform-Reaktion bezeichnet wird und eine
Oxidation von MC-Karbiden darstellt In Fig. 1 ist die Tiefe des Oxidationsangriffs der MC-Karbide vertikal
als eine Funktion des horizontal aufgetragenen Querschnitts widergegeben, wobei es sich um Flügelsegmente unterschiedlicher Art handelt und der Zirkoniumgehalt konstant gehalten war. Aufgrund dieser Daten
scheint die Angriffstiefe näherungsweise dem folgenden Gesetz zu folgen:
D = K ■ P
mit K als Konstante und f als Querschnitt F i g. 1 zeigt
die Werte von K und χ für zwei Bereiche unterschiedlichen Zirkoniumgehalts. Die Daten gelten für übliche
Gußverfahren mit näherungsweise 70Gew.-% SiO2,
15 Gew.-% ZrO2, Rest AI2O3, wobei die Bestandteile
durch einen kolloiden Silikatbinder miteinander verbunden sind.
Aus F i g. 1 ist zu erkennen, daß zur Verringerung der Karbidoxidation der Zirkoniumgehalt möglichst klein
gehalten werden muß, erfindungsgemäß den Wert von 0,05Gew.-% nicht überschreiten sollte. Um dies zu
erreichen, müssen Wolfram und Tantal, die in der erfindungsgemäß verwendeten Gußlegierung einen
Anteil von 6,5-7,5 bzw. 3,0—4,0 Gew.-% haben, so
hergestellt werden, daß deren Zirkoniumgehalt möglichst klein wird.
Im übrigen besteht die Legierung noch ats 0,55—
0,6Gew.-% Kohlenstoff, 22,5-24,25 Gew.-% Chrom,
9,0-11,0 Gew.-% Nickel, 0,15-0,50 Gew.-% Titan,
nviximal 1,51 Gew.-% Eisen, maximal 0,010 Gew.-%
Bor sowie maximal 0,10 Gew.-% Mangan, Rest Kobalt Außerdem wird zur Verbesserung der Kriechfestigkeit
eine ganz bestimmte Menge von Aluminium hinzugefügt nämlich 0,10—0,25%. Daß diese Aluminiummenge
zur Verbesserung der Kriechfestigkeit beiträgt zeigten Versuche mit Legierungen jeweils anderen Aluminiumgehalts. Die Ausgangscharge besaß die folgende
Zusammensetzung (Gew.-%):
Kohlenstoff | 0,57 |
Chrom | 2335 |
Nickel | 10,45 |
Titan | 0,19 |
Wolfram | 7,15 |
Tantal | 3,78 |
Eisen | 0,24 |
Zirkonium | 0,03 |
Aluminium entweder | 0,03 oder |
0,1,0,2 bzw. 0,5 | |
Rest Kobalt |
Aus diesen hinsichtlich ihres Aluminiumgehalts unterschiedlichen Legierungen wurden Proben hergestellt und bei verschiedenen Temperaturen verschiedenen statischen Betastungen ausgesetzt und dabei die
Daten der Tabelle I ermittelt nämlich die Zeit bis zum Bruch (tr), prozentuale Verlängerung (E) und Querschnittsänderung (RAy.
Test-Bedingungen | Belastung | Charge I | .-% ΛΙ |
Temperatur | N/mm' | 0,03 Oew | |
"C | 62 | 12,9 | |
1093 | tr | 9,8 | |
E | 14,0 | ||
110 | RA | 34.8 | |
982 | Ir | 7,1 | |
E | 21.1 | ||
186 | RA | 15,2 | |
899 | ir | 18.0 | |
E | 30,0 | ||
124 | RA | 756.0 | |
899 | ir | 2,6 | |
E | 2.7 | ||
69 | RA | 589,0 | |
982 | Ir | 1,4 | |
E | 2,7 | ||
RA | |||
Die Tabelle I zeigt, daß die Kriechfestigkeit, gemessen
in Stunden bis zum Bruch, ansteigt, wenn der Aluminiumgehalt erhöht wird. Gleichzeitig vermindert
sich die Duktilität, gemessen in prozentualer Verlängerung und prozentualer Querschnittsänderung. Es ist
daher ein Kompromiß erforderlich. Es wurde ermittelt, daß ausreichend hohe Kriechfestigkeit und noch
tolerierbare Duktilität erreicht wird, wenn der Aluminiumgehalt zwischen 0,10 und 0,25 Gewichtsprozent liegt.
Damit ist eine Legierung der folgenden Zusammensetzung (Gew.-%) erfindungsgemäß besonders günstig:
Kohlenstoff | 035- 0,65 |
Chrom | 223 -24.25 |
Nickel | 9,0 -11,0 |
Titan | 0,15- 030 |
Wolfram | 6,6 - 73 |
Tantal | 3.0 - 4.0 |
Aluminium | 0.10- 025 |
Eisen | 13 maximal |
Bor | 0.010 maximal |
Silizium | 0.40 maximal |
Mangan | 0,10 maximal |
Rest Kobalt |
Die grafischen Darstellungen der Fig. IA und 2 wurden mit einer Charge hergestellt, die die folgende
Zusammensetzung besaß (Gew.-%, wenn nicht anders angegeben):
Kohlenstoff | 0,61 |
Chrom | 23,64 |
Nickel | 10,17 |
Titan | 0,26 |
Wolfram | 633 |
Tantal | 3,70 |
Aluminium | OJO |
Zirkonium | 0,03 |
Eisen | 035 |
Charge Il | Charge III | Charge IV |
0,1 Gew.-% Al | 0,2 Oew.-% Al | 0,5 Gew.-% AI |
17,1 | 28,6 | 30,6 |
10,0 | 3,5 | 5,3 |
28,4 | 6,5 | 8,0 |
50,7 | 68,3 | 65,8 |
11,5 | 8,7 | 6,1 |
21.9 | 16,8 | 12,3 |
6.6 | 18,0 | 21,1 |
19,1 | 15,3 | 14,2 |
30.0 | 31,0 | 18,8 |
1344.2 | 1246,5 | 1260,1 |
5,9 | 4,9 | 4,6 |
13,7 | 9,9 | 9,5 |
1137,7 | 1349,2 | 1374,6 |
2,3 | 1,9 | 2,4 |
2.2 | 0,5 | 2,4 |
Bor | 0,009 | |
Silizium | 0,16 | |
Mangan | <0,l | |
Wismut | < OJ ppm | |
Blei | 1 ppm | |
Silber | <5 ppm | |
Schwefel | 0,003 | |
Rest Kobalt |
Wie der F i g. 1 entnommen werden kann, besitzt
jrp diese Legierung eine hohe Kriechfestigkeit Die
Belastung ist vertikal in N/mm2 über der Zeit bis zum Bruch in Stunden aufgetragen. Die vier Kurven gelten
für unterschiedliche Temperaturen. Bei einer Temperatur von 982° C und einer Belastung von 68,7 N/mm2
4") ergab sich eine Zeit bis zum Bruch von 3000 Stunden,
bei 926° C und einer Belastung von 103 N/mm2 betrug die Zeit bis zum Bruch 1000 Stunden.
In F i g. 2 ist die statische Belastung, die notwendig
war, um innerhalb von 100 Stunden einen Bruch zu
>n erzeugen, über der Temperatur aufgetragen. Die
durchgezogene Linie wurde mit einer handelsüblichen Legierung (Wheatonlegierung) erhalten, während die
gestrichelte Kurve für eine erfindungsgemäß verwendete Legierung gilt, die die gleiche Zusammensetzung
besitzt wie die Legierung, aus der die Daten der F i g. 1
hervorgegangen sind. Die Kurven zeigen, daß die erfindungsgemäBe Legierung etwa die gleiche Zeitstandfestigkeit wie die Wheatonlegierung besitzt
Die Fig.5A und 5B stellen Schnitte durch eine Turbinenschaufel dar, die bei der gleichen GieBtemperatur, jedoch bei unterschiedlichen Gberhhzungstemperaturen im Tiegel hergestellt wurde, wobei F i g. 5B sich
auf die höhere Oberhitzungstemperatur bezieht. Die F i g. 5C und 5D sind Schuhte durch Turbinenschaufeln,
die bei der gleichen Tiegelüberfritzungstemperatur
erzeugt wurden wie die gemäß F i g. 5A bzw. 5B. jedoch
war die GieBtemperatur hier höher. Die F i g. 6A, 6B, 6C
und 6D sind Schnitte durch Turbinenschaiifem. die mit
den gleichen Tiegelüberhitzungen und mit den gleichen Tabelle IA
Gußtemperaturen hergestellt wurden wie bei den
Fig. 5A, 5B, 5C bzw. 5D. Die Fig. 5A — 5D zeigen ein Chargen- Mar M
gröberes Korn, das sich in beide Richtungen erstreckt, Bezeichnung
während die Fig.6A—D kleinere säulenartige Kristall- >
körner G1 zeigen. C 0,57
Die F i g. 7 und 8 zeigen dentritischen Karbidoxidan- Cr 23,4
griff auf die Oberfläche 5, während die Fig.9 und 10 Ni 10,0
eki£n derartigen Angriff bei A zeigen. W 6,76
Die kristallografisch^ Fotografien wie auch die in Fe 0,24
mikroskopischen Fotografien, die in den Fig.5—10 Ti 0,20
wiedergegeben sind, ermöglichen einen Vergleich der Ta 3,55
erfindungsgemäßen Legierung mit der im Handel Al
erhältlichen Wheatonlegierung. Die Zusammensetzung B 0,006
der erfindungsgemäßen Legierung ist die gleiche wie i>
Zr 0,32
die, mit der die Daten der Fig. 1 und 2 ermittelt wurden. S 0,005
Für Vergleichszwecke ist die Zusammensetzung dieser Mn <(),I
Legierung, Bezeichnung ECY 768, in Tabelle IA wieder- Si 0.1
gegeben zusammen mit der Zusammensetzung der Ag IO ppm
wheatoniegierung, die mit MAK M 509 bezeichnet :» Pn 25 ppm
wurde (Gew.-%, wenn nicht anders angegeben): Co Rest
0.10 0.009 0.03 0.003 <0.l 0.16 5 ppm IU ppm Rest
Hier/u 7 Mhitt /.c
Claims (1)
- Patentansprüche;1, Verwendung einer Kobaltgußlegierung mit hoher Kriechfestigkeit aus0,55 bis 0,65% 22J5 bis 24,25% 9,0 bis 11,0% 0,15 bis 0,50% 6,5 bis 7,5% 3,0 bis 4,0% O1IOWs 0,25% maximal 1,5% maximal 0,010% maximal 0,40% maximal 0,10% maximal 0,050% und Kobalt als RestKohlenstoff Chrom Nickel Titan Wolfram Tantal Aluminium Eisen BorSilizium-Mangan Zirkonium10
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