DE2632237A1 - Verwendung einer nickel-chrom- kobalt-legierung - Google Patents
Verwendung einer nickel-chrom- kobalt-legierungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung mit hoher Zeitstandfestigkeit bei hohen Temperaturen, hoher Zähigkeit und guter Korrisionsbeständigkeit mit 5 bis 25% Kobalt, bis 3,5% Molybdän und/oder bis 5% Wolfram bei einem Gesamtgehalt an Wolfram und dem halben Molybdängehalt von 0,5 bis 5%, 1,7 bis 5% Titan und 1 bis 4% Aluminium bei einem Gesamtgehalt an Aluminium und Titan von 4 bis 7% und in Abwesenheit von Wolfram von höchstens 6% sowie bei einem Verhältnis von Titan zu Aluminium von 0,75:1 bis 4:1, 0,5 bis 3% Tantal, 0 bis 3% Niob, 0,005 bis 1% Zirkonium und 0 bis 1,99% Hafnium bei einem Gesamtgehalt an Zirkonium und dem halben Hafniumgehalt von 0,01 bis 1%, 0 bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan sowie Chrom, Kohlenstoff und Bor, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen mindestens 30% Nickel als Werkstoff für Gegenstände, die wie Teile von Gasturbinen bei 870°C und einer Belastung von 22 hb eine Standzeit von mindestens 150 Stunden besitzen müssen, nach Patentanmeldung P 22 16 626.3-24.
Bei der vorerwähnten Legierung sollen Kohlenstoffgehalte unter
0,2% zu einer Beeinträchtigung der Zeitstandfestigkeit führen, während der Chromgehalt im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit mindestens 20% betragen muß und Borgehalte über 0,05% keine ausreichende Zeitstandfestigkeit ergeben sollen.
Hiervon ausgehend besteht die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, die Eigenschaften der Legierung nach der Hauptanmeldung weiter zu verbessern. Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf der Feststellung, dass sich, ein bestimmter Mindestgehalt an Chrom vorausgesetzt, ohne die zu erwartende Beeinträchtigung, vielmehr in einigen Fällen sogar mit einer Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften, der Kohlenstoffgehalt verringern und/oder der Borgehalt erhöhen lässt.
Dem gemäß besteht die Lösung der vorerwähnten Aufgabe in der Verwendung einer Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung mit 5 bis 25% Kobalt, bis 3,5% Molybdän und/oder bis 5% Wolfram bei einem Gesamtgehalt an Wolfram und dem halben Molybdängehalt von 0,5 bis 5%, 1,7 bis 5% Titan und 1 bis 4% Aluminium bei einem Gesamtgehalt an Aluminium und Titan von 4 bis 7% und in Abwesenheit von Wolfram von höchstens 6% sowie bei einem Verhältnis von Titan zu Aluminium von 0,75:1 bis 4:1, 0,5 bis 3% Tantal, 0 bis 3% Niob, 0,005 bis 1% Zirkonium und 0 bis 1,99% Hafnium bei einem Gesamtgehalt an Zirkonium und dem halben Hafniumgehalt von 0,01 bis 1,0 bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan, 22 bis 25% Chrom und 0,001 bis 1% Bor im Falle eines Kohlenstoffgehalts von 0,001 bis unter 0,02 sowie 0,05 bis 1% Bor im Falle eines Kohlenstoffgehaltes von 0,02 bis 0,25%, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen mindestens 30% Nickel als Werkstoff für Gegenstände, die wie Teile von Gasturbinen bei 870°C und einer Belastung von 22 hb eine Standzeit von mindestens 150 Stunden besitzen müssen.
Die Legierung muß im Hinblick auf die Zeitstandfestigkeit 22 bis 25% Chrom und 0,01 bis 1% Bor im Falle eines Kohlenstoffgehaltes von 0,001 bis unter 0,02% sowie 0,05 bis 1% Bor im Falle eines Kohlenstoffgehaltes von 0,02 bis 0,25% enthalten.
Liegt der Kohlenstoffgehalt unter 0,02%, dann sollte der Borgehalt mindestens 0,05%, vorteilhafterweise mindestens 0,15% betragen. Vorzugsweise liegt der Kohlenstoffgehalt oberhalb von 0,02% bei 0,04 bis 0,16% bei einem Borgehalt von 0,06 bis 0,5%. Eine besonders vorteilhafte Kombination der technologischen Eigenschaften besitzt eine Legierung mit 0,049 bis 0,245% Kohlenstoff, über 22,0%, vorzugsweise 22,5 bis 23,3% Chrom, 18 bis 20%, vorzugsweise 18,6 bis 19,1% Kobalt, 1,87 bis 2,21% Wolfram, 3,5 bis 4,0%, vorzugsweise 3,63 bis 3,80% Titan, 1,7 bis 2,3%, vorzugsweise 1,92 bis 2,0% Aluminium, 1,2 bis 1,6%, vorzugsweise 1,34 bis 1,40% Tantal, 0,8 bis 1,2%, vorzugsweise 0,93 bis 0,98% Niob, 0,07 bis 0,13%, vorzugsweise 0,10 bis 0,11% Zirkonium und 0,07 bis 0,5% Bor, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel.
Noch günstigere technologische Eigenschaften ergeben sich, wenn der Borgehalt 0,3% übersteigt, insbesondere, wenn der Kohlenstoffgehalt 0,01 bis 0,02% beträgt und die Legierung 22 bis 23% Chrom, 18,5 bis 19,5% Kobalt, 1,5 bis 2,5% Wolfram, 3 bis 4% Titan, 1,5 bis 2,5% Aluminium, 1 bis 2% Tantal, 0,5 bis 1,5%, vorzugsweise 0,2 bis 3% Niob, 0,05 bis 0,15% Zirkonium und 0,3 bis 0,85% Bor, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel enthält.
Im Hinblick auf eine optimale Zeitstandfestigkeit sollte die Legierung lösungsgeglüht und ausgehärtet werden. Dies kann mit der in der Hauptanmeldung beschriebenen Wärmebehandlung
geschehen, wobei die Legierung jedoch vorteilhafterweise 1 bis 20 Stunden bei 1100 bis 1250°C lösungsgeglüht und anschließend 1 bis 48 Stunden bei 600 bis 950°C ausgehärtet wird. Eine bevorzugte Wärmebehandlung besteht aus einem 2 bis 16-stündigen Lösungsglühen bei 1120 bis 1200°C mit anschließendem 2 bis 10-stündigen Glühen bei 970 bis 1030°C, einem 8 bis 48-stündigen Glühen bei 870 bis 930°C sowie einem abschließenden 8 bis 48-stündigen Aushärten bei 600 bis 800°C. Besonders vorteilhaft hat sich ein vierstündiges Lösungsglühen bei 1150°C mit Abkühlen an Luft, anschließendes sechsstündiges Glühen bei 1000°C mit Luftabkühlung sowie ein weiteres 24-stündiges Glühen bei 900°C mit Luftabkühlen sowie einem abschließenden 16-stündigen Aushärten bei 700°C erwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.
Beispiel 1
Mehrere Legierungen mit der aus der nachfolgenden Tabelle I ersichtlichen Zusammensetzung wurden im Vakuum erschmolzen und zu Keilproben vergossen, aus denen Probestücke herausgearbeitet wurden. Zuvor wurden die gegossenen Proben jedoch vier Stunden bei 1150°C lösungsgeglüht, an Luft abgekühlt, sechs Stunden bei 1000°C geglüht, an Luft abgekühlt und 24 Stunden bei 900°C geglüht sowie nach einem Luftabkühlen 16 Stunden bei 700°C ausgehärtet und an Luft abgekühlt. Die Proben wurden hinsichtlich ihres Zeitstandverhaltens untersucht; die dabei ermittelten Standzeiten und Zeitbruchdehnungen sind in Tabelle II zusammengestellt. Von den aufgeführten Legierungen fallen die Legierungen 1 bis 9 unter die Erfindung, während die Legierung A als typischer Vertreter der Legierungen nach der Hauptanmeldung gelten kann. Alle Legierungen enthielten als Rest Nickel.
Tabelle I
Tabelle II
Die Daten der Tabellen I und II zeigen, dass die Legierung 1 mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,015% und einem Borgehalt von 0,018% sowie die Legierung 2 mit 0,013% Kohlenstoff und 0,07% Bor eine ähnliche, jedoch etwas geringere Standzeit und Zeitbruchdehnung bei 600 N/mm[hoch]2 und 732°C, bei 330 N/mm[hoch]2 und 816°C sowie bei 120 N/mm[hoch]2 und 927°C besitzen als die Legierung A, jedoch eine bessere Standzeit bei 550 N/mm[hoch]2 und 760°C. Die Legierungen 3 und 4 mit 0,013% Kohlenstoff und 0,12% bzw. 0,15% Bor besitzen eine bessere Standzeit bei 600 N/mm[hoch]2 und 732°C sowie bei 550 N/mm[hoch]2 und 760°C als die Legierung A mit ähnlichen Dehnungswerten, während die Standzeit und die Dehnung dieser Legierungen bei 330 N/mm[hoch]2 und 816°C sowie bei 120 N/mm[hoch]2 und 927°C ähnlich denen der Legierung A sind. Ein Vergleich der Eigenschaften der Legierungen 1 bis 4 mit denen der Legierung A zeigt, dass im Hinblick auf die besseren mechanischen Eigenschaften bei Kohlenstoffgehalten unter 0,02% der Borgehalt vorzugsweise mindestens 0,05%, besser noch mindestens 0,1% betragen sollte.
Die Wirkung eines weiter erhöhten Borgehalts bei Legierungen mit unter 0,02% Kohlenstoff belegen die Legierungen 4 bis 8.
Die Eigenschaftsverbesserung der Legierung 4 mit 0,15% Bor ist ausgeprägter als bei den Legierungen 5 bis 8 mit über 0,3% Bor. Demgemäß enthält die Legierung bei einem Kohlenstoffgehalt unter 0,02% vorzugsweise über 0,3% Bor. Des weiteren ergibt sich aus Tabelle II, dass die Legierungen 5 bis 8 mit über 0,3% Bor bei allen Temperaturen eine bessere Standzeit als die Legierung A bei ähnlichen Dehnungswerten besitzen.
Demzufolge enthält die Legierung vorzugsweise 0,01 bis 0,02% Kohlenstoff, 22 bis 23% Chrom, 18,5 bis 19,5% Kobalt, 1,5 bis 2,5% Wolfram, 3 bis 4% Titan, 1,5 bis 2,5% Aluminium, 1
bis 2% Tantal, 0,5 bis 1,5% Niob, 0,05 bis 0,15% Zirkonium und 0,3 bis 0,85% Bor, Rest Nickel.
Die Daten der Legierung 9 zeigen, dass sich auch bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,144% und bei einem Borgehalt von 0,28% bei 732°C, 760°C und 816°C bessere Standzeiten als bei der Legierung A, bei 927°C hingegen eine etwas geringere Standzeit ergibt.
Im Gegensatz zu den Legierungen 1, 9 und A besitzen die Legierungen 2 bis 8 Kohlenstoffgehalte unter 0,02% und Borgehalte über 0,05%. Das folgende Ausführungsbeispiel bezieht sich daher auf Legierungen mit über 0,02% Kohlenstoff und über 0,05% Bor.
Beispiel 2
In der nachfolgenden Tabelle III sind unter die Erfindung fallende Legierungen 10 bis 22 Vergleichslegierungen A und B mit einer für die Lehre der Hauptanmeldung typischen Zusammensetzung gegenübergestellt. Sämtliche Legierungen enthielten als Rest Nickel.
Probestücke der Legierungen wurden der im Zusammenhang mit Beispiel 1 geschilderten Wärmebehandlung unterworfen und anschließend im Hinblick auf ihre Zeitstandfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit nach einem tausendstündigen Glühen bei 816°C mit den aus den nachfolgenden Tabellen IV und V ersichtlichen Ergebnissen untersucht.
Tabelle III
Tabelle IV
Tabelle V
Die Daten der Tabellen III und IV zeigen, dass in allen Fällen eine Erhöhung des Borgehaltes über die 0,015% der Vergleichslegierung A bei Kohlenstoffgehalten von 0,049 bis 0,245% zu einer besseren Standzeit bei 550 N/mm[hoch]2 und 760°C führen und Bestwerte bei Borgehalten über 0,3% ergaben.
Die Kriechzähigkeiten bei 550 N/mm[hoch]2 und 760°C sind in zahlreichen Fällen ähnlich, im allgemeinen jedoch etwas geringer als bei der Legierung A, wenn der Borgehalt die 0,015% der Legierung A übersteigt.
Bei 816°C und einer Belastung von 330 N/mm[hoch]2 ergeben sich mit Ausnahme der Legierungen 20 bis 22 deren Kohlenstoffgehalt nominell 0,24% beträgt, bessere Standzeiten als bei der Vergleichslegierung A, wenn die Borgehalte bei Kohlenstoffgehalten von 0,049 bis 0,154% über 0,015% liegen. Auch in diesem Falle ähneln die Kriechzähigkeiten der Legierungen 10 bis 19 denen der Vergleichslegierung A, während sie bei den Legierungen 20 bis 22 besser sind.
Im Hinblick auf eine optimale Kombination von Standzeit und Kriechzähigkeit sollten die Legierungen bei einem Kohlenstoffgehalt über 0,02%, vorzugsweise 0,04 bis 0,16% Kohlenstoff und 0,06 bis 0,5% Bor enthalten. Vorteilhafterweise beträgt der Borgehalt jedoch 0,3 bis 0,5%.
Besonders geeignet ist eine Legierung mit 0,049 bis 0,245% Kohlenstoff, über 22,0%, vorzugsweise 22,5 bis 23,3% Chrom, 18 bis 20% Kohlenstoff, vorzugsweise 18,6 bis 19,1% Kobalt, 1,87 bis 2,21% Wolfram, 3,5 bis 4,0%, vorzugsweise 3,63 bis 3,80% Titan, 1,7 bis 2,3%, vorzugsweise 1,92 bis 2,0% Aluminium, 1,2 bis 1,6%, vorzugsweise 1,34 bis 1,40% Tantal, 0,8 bis 1,2%, vorzugsweise 0,93 bis 0,98% Niob, 0,07 bis 0,13%, vorzugsweise 0,10 bis 0,11% Zirkonium und 0,07 bis 0,5% Bor, Rest Nickel.
Die obenerwähnten Proben aus den Legierungen 10 bis 22 und B besaßen einen Durchmesser von 11,4 mm und wurden nach einem tausendstündigen Ausgleichsglühen bei 816°C auf ihre Kerbschlagzähigkeit untersucht. Die Daten der Tabellen III und V zeigen, dass im Gegensatz zu der 0,24% Kohlenstoff und 0,46% Bor enthaltenden Legierung 22 die Legierungen 10 bis 21 sämtlich eine Kerbschlagzähigkeit besitzen, die mindestens so gut ist wie die Kerbschlagzähigkeit der Legierung B. Im Hinblick auf eine optimale Kerbschlagzähigkeit sollte die Legierung jedoch bei einem Kohlenstoffgehalt über 0,02% vorzugsweise 0,04 bis 0,16% Kohlenstoff und 0,06 bis 0,50% Bor enthalten. Eine hervorragende Kerbschlagzähigkeit ergibt sich bei einem Borgehalt von 0,10 bis 0,30% und einem Kohlenstoffgehalt von 0,05%.
Über 0,3% Bor enthaltende Legierungen besitzen eine Mindeststandzeit von 60 Stunden bei 760°C und einer Belastung von 550 N/mm[hoch]2, eine Mindeststandzeit von 130 Stunden bei 732°C und einer Belastung von 600 N/mm[hoch]2 sowie eine Mindeststandzeit von 270 Stunden bei 816°C und einer Belastung von 330 N/mm[hoch]2.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen eignen sich als Guß- oder Knetwerkstoff zum Herstellen von Gegenständen, die wie Gasturbinenschaufeln bei hohen Temperaturen eine hohe Zeitstandfestigkeit besitzen müssen.
Claims (10)
1. Verwendung einer Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung mit hoher Zeitstandfestigkeit bei hohen Temperaturen, hoher Zähigkeit und guter Korrosionsbeständigkeit, bestehend aus 5 bis 25% Kobalt, bis 3,5% Molybdän und/oder bis 5% Wolfram bei einem Gesamtgehalt an Wolfram und dem halben Molybdängehalt von 0,5 bis 5%, 1,7 bis 5% Titan, 1 bis 4% Aluminium bei einem Gesamtgehalt an Aluminium und Titan von 4 bis 7% und in Abwesenheit von Wolfram von höchstens 6% bei einem Verhältnis von Titan zu Aluminium von 0,75:1 bis 4:1, 0,5 bis 3% Tantal, 0 bis 3% Niob, 0,005 bis 1% Zirkonium und 0 bis 1,99% Hafnium bei einem Gesamtgehalt an Zirkonium und dem halben Hafniumgehalt von 0,01 bis 1%, 0 bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan nach Patentanmeldung P 22 16 626.3-24, die jedoch 22 bis 25% Chrom und bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,001 bis unter 0,02% einen Borgehalt von 0,001 bis 1% sowie bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,02 bis 0,25% einen Borgehalt von 0,05 bis 1% besitzt, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen mindestens 30% Nickel als Werkstoff für Gegenstände, die wie Teile von Gasturbinen bei 870°C und einer Belastung von 22 hb eine Standzeit von mindestens 150 Stunden besitzen müssen.
2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, die jedoch unter 0,02% Kohlenstoff und mindestens 0,05% Bor enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, die jedoch min-
destens 0,3% Bor enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
4. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 22 bis 23% Chrom, 18,5 bis 19,5% Kobalt, 1,5 bis 2,5% Wolfram, 3 bis 4% Titan, 1,5 bis 2,5% Aluminium, 1 bis 2% Tantal, 0,5 bis 1,5% Niob, 0,05 bis 0,15% Zirkonium, 0,3 bis 0,85% Bor und 0,01 bis 0,02% Kohlenstoff enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
5. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 0,04 bis 0,16% Kohlenstoff und 0,06 bis 0,5% Bor enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
6. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 5, die jedoch 22,0 bis 23,3% Chrom, 18 bis 20% Kobalt, 1,87 bis 2,21% Wolfram, 3,5 bis 4,0% Titan, 1,7 bis 2,3% Aluminium, 1,2 bis 1,6% Tantal, 0,8 bis 1,2% Niob, 0,07 bis 0,13% Zirkonium, 0,07 bis 0,05% Bor und 0,049 bis 0,245% Kohlenstoff enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
7. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 6, die jedoch 22,5 bis 23,3% Chrom, 18,6 bis 19,1% Kobalt, 3,63 bis 3,80% Titan, 1,92 bis 2,0% Aluminium, 1,34 bis 1,40% Tantal, 0,93 bis 0,98% Niob und 0,10 bis 0,11% Zirkonium enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
8. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 bis 7 als Gußwerkstoff.
9. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 8, die jedoch 1 bis 24 Stunden bei 1100 bis 1250°C lösungsgeglüht und anschließend 1 bis 48 Stunden bei einer Temperatur von 600 bis 905°C ausgehärtet worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.
10. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 9, die jedoch 2 bis 10 Stunden bei 970 bis 1030°C lösungsgeglüht, anschließend 8 bis 48 Stunden bei 870 bis 930°C geglüht und abschließend ausgehärtet worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.
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