DE2642757A1

DE2642757A1 - Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE2642757A1
Application number: DE19762642757
Authority: DE
Inventors: Gernot Dipl Ing Dr Gessinger
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1976-08-26
Filing date: 1976-09-23
Publication date: 1978-03-02
Also published as: CH602330A5; GB1565597A; JPS5328517A; US4314007A; JPS6049586B2; DE7629693U1; DE2642757C2

Description

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Br/dh I8.8.76

BBC Aktiengesellschaft Brown,' Boveri-& Cie., Baden (Schweiz)

Verbundwerkstoff

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff auf der Basis von Hochtemperaturlegierungen.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffes sowie dessen Verwendung.

Hochtemperatur-Verbundwerkstoffe auf im wesentlichen metallischer Grundlage sind in.zahlreichen Kombinationen versucht
worden und aus der entsprechenden Literatur bekannt. Sie
dürften insbesondere beim Bau hochbeanspruchter thermischer Maschinen in Zukunft eine stets wichtige Rolle spielen. Derartige Werkstoffe sind an verschiedenen Stellen beschrieben worden (z.B. P.R.Sahm and M.O.Speidel, High Temperature
Materials in Gas Turbines, Elsevier, Amsterdam-London-New
York 197*1; D.C.Drennen, Turbine Blades with thermal fatigue

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resistant Edges, Battelle Columbus Laboratories, Ohio, Review of Metals Technology, January 28, 1972 ). Dabei wird im allgemeinen versucht, einen als VersLärkungsfaser, Draht, Stab oder Geflecht.ausgebildeten Kernwerkstoff in einem als Grundmasse dienenden eigentlichen, die äussere Form bestimmenden Konstruktionsstoff einzubetten oder den ersteren mit letzterem zu überziehen bzw. zu umkleiden. Zu diesem Zweck werden sowohl schmelz- wie pulvermetallurgische Verfahren und Kombinationen derselben angewendet. Für die Herstellung von Körpern mit ausgesprochener Längsachs'e kommen vor-allem kontinuierlich arbeitende Methoden wie Tauch·¹- und Stranggussverfahren (Siehe oben: Sahm et al) in Frage. Diese setzen in der Regel voraus, dass die Schmelztemperatur des Kernwerkstoffes um einen bestimmten minimalen Betrag über demjenigen der Grundmasse liegt. Ein bekanntes Beispiel stellen die mit Wol-framfasern verstärkten Nickelsuperlegierungen, insbesondere für hochbeanspruchte Bauteile thermischer Maschinen,, dar (Gasturbinensehaufeln). Andere Verfahren gehen von in Pulverform vorliegender Grundmasse aus, in welche die Verstärkungsfasern auf Vibrationstischen unter Vakuum eingebettet werden, wobei eine erste Verdichtung erzielt wird. Auch Plasmasprühen wird verwendet. In jedem Fall muss der durch schmelz- oder pulvermetallurgische Prozesse gewonnene Rohling einer zusätzlichen Naehverdichtung bei erhöhter Temperatur durch Sintern, Sintern unter Anwendung

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von Druck, Strangpressen, etc. unterzogen werden, was mit beträchtlichen Querschnittsverminderungen verbunden ist.

Bei der Beurteilung der Güte eines Hochtemperatur-Verbundwerkstoffes stellt die Alterungsbeständigkeit unter den Einsatzbedingungen einen Hauptfaktor dar. Der Werkstoff sollte möglichst chemisch beständig sein und seine metallurgische Zusammensetzung und Struktur im Laufe der Zeit nicht ändern. Die Werkstoffkombination Wolfram/Ni-ckel in der vorerwähnten Form erfüllt diese Bedingungen nur in sehr unzureichendem Masse, da Nickel zu einer vorzeitigen Versprödung der Wolframfasern führt. Dieser Umstand wiegt umso schwerer, als dass bei der üblichen Verwendung dünner Wolframfasern (vorzugsweise 50 u bis 300 ti) die Berührungsfläche zur nickelhaltigen Grundmasse gross und die Diffusionswege klein sind. Die Versprödung erfasst- daher in kurzer Zeit nahezu den ganzen Querschnitt der Wolframfaser.

Von der Verfahrensweise her besteht der Wunsch nach einer möglichst weitgehenden Vereinfachung, Verbilligung und Abkürzung des Herstellungsprozesses. Dies, gilt insbeson-

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dere für den Fall, dass der Grundwerkstoff durch vorangegangene Formgebung mittels Giessen, Schmieden oder Anwendung pulvcrmetallurgischer Methoden bereits angenähert die Gestalt des Endproduktes angenommen hat und ein nachträglicher Einbau von Verstärkungselementen nur unter grossen Schwierigkeiten oder überhaupt nicht durchführbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, Verbundwerkstoffe für hohe Arbeitstemperaturen zu entwickeln, deren Komponenten ohne zeitliche Alterungserscheinungen gegenseitig, chemisch verträglich sind und eine gegenüber konventionellen Werkstoffen erhöhte-Kriechfestigkeit und Wechselfestigkeit bei' hohen Temperaturen aufweisen. Ferner soll durch die Erfindung das Herstellungsverfahren vereinfacht, insbesondere der aufwendige Prozess der Herstellung und Tränkung bzw. pulvermetallurgischen Umhüllung von dünnen Fasern des Verstärkungsstoffs mit dem Grundstoff umgangen und-die damit verbundene kritische Temperaturabhängigkeit vermieden werden. Des weiteren soll die Erfindung eine Verbilligung des Endproduktes durch Vermeidung teurer Ausgangsstoffe ermöglichen.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass ein aus einer Dispersionslegierung bestehender Kernwerkstoff in einem aus einer warmfesten Legierung bestehenden. Grundwerkstoff eingebettet, von letzterem allseitig abgeschlossen und mit demselben dicht verbunden ist.

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ς,- 91/76

-it

Dieser Verbundwerkstoff wird in besonders vorteilhafter Weise dadurch hergestellt, dass der Grundwerkstoff vor seiner Weiterverarbeitung einer Hohlräume erzeugenden Formgebung unterworfen wird, dass der Kernwerkstoff in eine den Hohlräumen des Grundwerkstoffes entsprechende Form gebracht, in den Grundwerkstoff dicht eingepasst, vollständig von demselben abgedeckt und vakuumdicht verschlossen wird und dass das so erhaltene Werkstück einer Nachverdichtung und endgültigen Formgebung unterzogen wird.

Der der Erfindung zugrunde liegende Leitgedanke besteht darin, zur Verstärkung des die endgültige äussere Form bestimmenden Grundwerkstoffes (z.B. Nickelsuperlegierung) einen dispersionsgehärteten Kernwerkstoff (z.B. Nicicelsup--erlegierung· + Yttriumoxyd) eines ähnlichen oder desselben Legierungstyps wie der Grundwerkstoff zu verwenden. Jedenfalls sollen die beiden Stoffe, was ihre Komponenten anbelangt, gegenseitig verträglich sein und in ihrer Zusammensetzung, abgesehen von der härtenden dispergierten Substanz, nicht wesentlich voneinander abweichen. Ferner geht es darum, die Vorteile beispielsweise des Präzisionsgusses hinsichtlich Formgebung, insbesondere bei der Herstellung allfälliger Kühlkanäle mit den Vorteilen der Dispersionslegierungen, wie hohe Kriech- und thermische Wechselfestigkeit mit Hilfe einer thermisch stabilen Verbundtechnik zu vereinen. Durch diese Verbundtechnik werden ausser-

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dem erst die Voraussetzungen für einen wirtschaftlichen Einsatz der Dispersionslegierungen geschaffen, deren allgemeiner und alieiniger Verwendung Probleme der Formgebung und der v.erhältnismässigen .Steifigkeit (Verhalten der Wechselfestigkeit bei hohen Temperaturen) entgegenstanden.

Die erfindungsgemässen Verbundwerkstoffe lassen sich je nach Zusammensetzung -und Verwendungszweck in verschiedene Klassen einteilen. Legt man den chemischen Aufbau zugrunde^ so ergibt ' sich die nachfolgende Einteilung.

Grundwerkstoff aus Nickel- oder Kobalt-Superlegierung: Diese dem Ni-Cr-(Co)-Typ bzw. dem Co-Cr-(Ni)-Typ angehörenden Legierungen enthalten weitere Zusätze an C, W, Mo₃ Ta₅ Nb₃ Al₃ Ti₃ Zr und B₃ die sie insbesondere als·Material für · Gasturbinenschaufeln geeignet machen. Die Zusammensetzung des zur Verstärkung verwendeten Kernwerkstoffes entspricht weitgehend derjenigen des Grundwerkstoffes mit dem Unterschied, dass ersterer zusätzlich mindestens ein dispergiertes Oxyd eines der Elemente Y₃ Ca₃ La₃ Be₃ Th₃ Ce₃ Al oder eine Mischung derartiger Oxyde als härtende Substanz enthält. Für Nickel- oder Kobaltbasislegierungen hat sich insbesondere ein Zusatz von 0,5 bis 3 % Yttrium- oder Lanthan- oder Thoriumoxyd als vorteilhaft erwiesen.

Grundwerkstoff aus Eisenlegierung:

Darunter fallen sowohl die ferritischen wie die austenitischen

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hitzebeständigen Stähle des Fe-Cr-Typs und des Fe-Ni-Cr-Typs, die unter anderem für hochbeanspruchte Teile des thermischen Maschinenbaus Verwendung finden. Der dem entsprechenden LegiorungüLyp angehörende Kernwerkuloff enthält zwecks Härtung zusätzlich mindestens ein Oxyd mindestens eines der Elemente Y, Ca, La, Be, Th, Ce, Al, Ti, Cr als dispergierte Substanz. Bei' chromlegierten ferritischen Stählen erweisen sich insbesondere dispersionshärtende Zusätze von 0,5 bis 5 % Titanoxyd (TiO ) oder Chromoxyd (Cr G) als vorteilhaft. Beim 13/iigen Chromstahl, der noch wenige Prozente Molybdän und Titan enthält, bewährt sich ausserdem ein'Zusatz von 1,5 % Yttriumoxyd. Allen diesen dispersionsgehärteten chromhaltigen Eisenlegierungen ist eine- hohe mechanische Dämpfung sowie eine hohe ZeitStandfestigkeit im Temperaturbereich von'600 C bis 700⁰C eigen, wodurch sie besonders vorteilhaft -als verstärkenden Kernwerkstoff für Bauteile des oben erwähnten Fachgebietes verwendet werden können.

Grundwerkstoff aus Wolfram- oder Molybdänlegierung! Die hochschmelzenden Metalle Wolfram und Molybdän und ihre Legierungen werden ihrer hohen Affinität zum Sauerstoff und ihres geringen Korrosionswiderstandes gegenüber konventionellen Arbeitsmitteln bei hohen Temperaturen wegen in thermischen Maschinen kaum verwendet. Diese Metalle beherrschen jedoch als Elektrodenwerkstoffe weitgehend das Feld in der

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- y- ^iJ1/ie

Technik der Elektronen- und Gasentladungsröhren. Neben den ' reinen Metallen werden Legierungen der Elemente unter sich sowie z.H. Molybdän mit geringen Zusätzen an Titan, Zirkon und Kohlenstoff verwendet. Der entsprechende Kernwerkstoff weicht vom Grundwerkstoff in der Basiszusammensetzung nicht wesentlich ab, unterscheidet.sich von letzterem jedoch durch Zusätze von Yttriumoxyd, Lanthanoxyd oder Thoriumoxyd. Der-· artige Verbundwerkstoffe sind insbesondere für die Herstellung von Kathoden und Gittern von Elektronenröhren geeignet. Es soll hier ausdrücklich betont werden, dass der erfindungsgemässe Verbundwerkstoff primär nichts mit der'üblichen thorierten Wolframkathode gemein hat, bei welcher das Thoriumoxyd die Aufgabe hat, die Elektronenaustrittsarbeit zu senken und die Emissionsstromdichte zu erhöhen. Bei der thorierten Wolframkathode wird das Thoriumoxyd bevorzugt in einer Zone dicht unter der Oberfläche benötigt, während es beim erfindungsgemässen Verbundwerkstoff im Kern, d.h. im Innern des Querschnitts eingelagert ist. Dies besagt andererseits nicht, dass es nicht möglich oder' angezeigt ist, gegebenenfalls die beiden Funktionen, die mechanische und die elektronische, miteinander zu kombinieren.

Das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren geht von der Voraussetzung aus, den.Grundwerkstoff zunächst nach herkömmlichen Pormgebungsmethoden unter Umgehung aufwendiger Spezialprozesse in eine dem Endprodukt ähnliche Gestalt

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überzuführen. Dies kann durch das bewährte Schmieden oder Giessen, insbesondere Präzisionsgiessen oder mittels pulvermetallurgischer Methoden erfolgen, wobei die Hohlräume zur Aufnahme des Kernwerkstoffes und zur Bildung allfälliger Kühlkanäle zum vornherein vorgesehen werden. Das üblicherweise pulvermetallurgisch aus den Komponenten des Kernwerkstoffes hergestellte Werkstück wird durch Warm- bzw. Kaltkneten in seine passende Form gebracht, so dass es den entsprechenden Hohlraum im Grundwerkstoff möglichst gut ausfüllt. Der auf diese Weise vorbereitete Kernwerkstoff wird in die Hohlräume des Grundwerkstoffes eingeführt und allseitig abgeschlossen. Dies kann' durch Verschweissen mittels Elektronenstrahl-, Laserstrahl-, Argonarc- öder ünterpulverschweissverfahren unter Vakuum und Zuhilfenahme eines Metallplättchens oder -Stopfens geschehen. Zweckmässigerweise wird das Abdeckplättchen aus dem gleichen Material wie der Grundwerkstoff hergestellt, kann aber auch aus einem Stoff ähnlicher Zusammensetzung bestehen, vorausgesetzt, dass er elektronenstrahlschweissbar ist. Wesentlich ist, dass der Kernwerkstoff vakuumdicht im Grundwerkstoff verschlossen ist. Das Werkstück wird nun einer Nachverdichtung bei erhöhter Temperatur unterzogen, wobei es seine endgültige Form erhält. Dabei werden alle Zwischenräume und vorhandenen Poren in den Ausgangslegierungen geschlossen und ein vollkommen monolithischer Verbundwerkstoff gebildet. Je nach Gestaltung des Werk-

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Stückes kann die Nachverdichtung durch Warmschmieden, Warmwalzen, Warmstrangpressen, Warmziehen oder isostatisches •iloiüüpreüuen bewerkstelligt werden. Nach der endgültigen Formgebung wird das Werkstück in der Regel noch einer Kornwachstumsglühung und einer Ausscheidungshärtung unterworfen, um ihm das für die Einsatzbedingungen möglichst günstige Gefüge zu verleihen.

Anhand des nachstehend durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiels ergeben sich weitere Einzelheiten der Erfindung.

Dabei z.eigt: ;

Fig. 1 das Fliessbild des Herstellungsverfahrens des Verbundwerkstoffes in charakteristischen Teilschritten,

Fig. 2 den grundsätzlichen Aufbau des Verbundwerkstoffes bestehend aus Grundwerkstoff und Kernwerkstoff,

Fig. 3 " die perspektivische Darstellung einer Gasturbinenschaufel unter Verwendung des Verbundwerkstoffes (schematisch),

Fig. ^ Verwendungsbeispiele für Querschnitte von Gastur binenschaufein.

Ausführungsbeispiel:

In Fig. 1.ist.der grundsätzliche Ablauf des Herstellungsverfahrens des Verbundwerkstoffes bestehend aus Grundwerkstoff

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und Kernwerkstoff 2 in den charakteristischen Teilschritten dargestellt. Die Formgebung des aus dem Grundwerkstoff aufgebauten Werkstückteiles kann dabei grundsätzlich nach verschiedenen Verfahren erfolgen: Nach "A" durch Giessen in eine Form 5, insbesondere unter Anwendung von Präzisionsguss, nach "B" durch Schmieden im Gesenk 6 oder nach "C" durch Pressen (Verdichten) eines Pulvers in einer Form 7 und nachheriges Sintern im Ofen O.

Im vorliegenden Beispiel wurde dem Präzisionsguss der Vorzug gegeben, um insbesondere die technologischen und wirtschaftlichen Vorteile dieses Verfahrens bei der Gestaltung der Hohlräume zur Bildung von Kühlkanälen und zur Aufnahme des Kernwerkstoffes auszunutzen. Das aus dem Grundwerkstoff bestehende Präzisionsgusstück entsprach der Legierung IN-738 und hatte folgende Zusammensetzung:

0,17 ■% C

16 % Cr

8.5 % Co-1,75 % Mo

2.6 % W · ■

1,75 % Ta

0,9 % Nb

• 3,4 % Al

3,4 % Ti

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0,01 % B

0,1 Κ Zr

Rest Ni

Das aus dem Grundwerkstoff IN-738 bestehende Skelett wurde keiner weiteren Wärmebehandlung unterzogen.

Die Herstellung und Formgebung des Kernwerkstoffes erfolgte nach "D" unter Zuhilfenahme eines pulvermetallurgischen Verfahrens. Zunächst wurden die Vorlegierungen'des Typs Ni'15 Ti 15 Al und Ni 29 Zr.als Rundstäbe unter Vakuum gegossen und nach dem Verfahren der rotierenden Elektroden in Argonatmosphäre auf Pulver der Partikelgrösse 200 u zerkleinert. Anschliessend wurden die Pulver in einer Kugelmühle während 12 h auf eine Partikelgrösse von 8 u. heruntergemahlen. Die so erhaltenen Pulver wurden mit zusätzlichen Pulvern der' entsprechenden Elemente sowie von Yttriumoxyd derart gemischt, dass ein Produkt der nachfolgenden Zusammensetzung entstand:

• 16 %	Cr
8,5 %	Co
1,75 %	Mo
2,6 %	W
1,75 %	• Ta
0,9 %	Nb
44 %	Ni ■
22,7 %	Ni 15 Ti 15 Al

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0,25 % Ni 29 Zr 1,5 % Y₂O₃

Die PulVermischung (1120 g) wurde in eine Stahlkapsel 9 aus Kohlenstoffstahl (O₃35 % C) von 3 mm Wandstärke eingefüllt, welche hierauf unter einem-dynamischen Vakuum von 10 Torr auf 300 C aufgeheizt wurde. Zu diesem Zweck war die Stahlkapsel 9 mit einem Evakuierrohr 10 versehen, welches nach Beendigung des Evakuiervorganges durch Abklemmen und Zusehweissen vakuumdicht verschlossen wurde. Die mit dem Pulver gefüllte Kapsel wurde während 2 h vorgewärmt, auf die Presstemperatur von 1100 C gebracht und in einer Strangpresse 11 von 5^ mm Rezipientendurchmesser unter einem Stempeldruck

2
von 818 N/mm und einem Querschnitts-Reduktionsverhäitnis von I:l6 verdichtet und·zu einem Strang verformt. Ein den Abmessungen des Hohlraumes im Grundwerkstoff 1 entsprechendes Stück aus dem derart hergestellten Kernwerkstoff 2 wurde aus dem Strang herausgetrennt und in den besagten Hohlraum des Präzisionsgusses eingeführt. Hierauf wurde die verbleibende Aussparung im Grundwerkstoff 1 durch ein Abdeckplättchen 3 aus vakuumerschmolzenem IN-738 verschlossen und nach dem Elektronenstrahlverfahren verschweisst. Das Abdeckplättchen braucht nicht notwendigerweise die gleiche Zusammensetzung wie der Grundwerkstoff 1 zu haben. Bedingung ist, dass die Werkstoffe 1 und 3 chemisch verträglich sind und sich nach dem Elektronenstrahlverfahren schweissen lassen. Die Schweissnaht

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muss dabei absolut vakuumdicht sein.. Das auf diese Art hergestellte Werkstück wurde durch isostatisches Heisspressen in einer dafür geeigneten Presse 11 bei einer Temperatur von 1050 C und einem Druck von 3OOO bar unter Argonatmosphäre während 1 h verdichtet. Während dieses Prozesses werden Grundwerkstoff 1 und Kernwerkstoff 2 vollständig miteinander verschweisst, so dass sie einen einzigen monolithischen Körper bilden. Ferner werden alle vom Giessen herrührenden Poren des Grundwerkstoffes 1 geschlossen, was neben der Verbesserung der metallurgischen Eigenschaften bewirkt\ dass auf die nachträgliche Prüfung des Werkstückes verzichtet werden kann. Dies ist insbesondere.von Vorteil bei der Fabrikation von Gasturbinenschaufeln. Der Verbundwerkstoff wurde nach dem Verdichten einer Kornwachstumsglühung bei 1225°C in Argon während 1 h unterworfen und daraufhin in Luft abgekühlt. Anschliessend wurde das Werkstück noch einer Wärmebehandlung .zwecks Ausscheidungshärtung unterzogen, die in einem Anlassen bei 850⁰C während 24 h bestand.

In Fig. 2 ist der grundsätzliche Aufbau des Verbundwerkstoffes bestehend aus Grundwerkstoff I₁ Kernwerkstoff 2, Abdeckplättchen 3 und Schweissnaht H schematisch dargestellt.

Fig. 3 ist die perspektivische Darstellung einer Gasturbinensehaufel gemäss Äusführungsbeispiel unter Verwendung des oben beschriebenen Verbundwerkstoffes (schematisch). 1 stellt den

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Grundwerkstoff, hier in Form eines Tragflügelprofils aus Präzisionsguss mit entsprechenden Hohlräumen dar. Der prismatische Kernwerkstoff 2 wird in den Hohlraum 12 eingeschoben- und durch das in die Aussparung 13 passende Abdeckplättchen aus Grundwerkstoff verschlossen. Letzteres wird mit dem Tragflügelprofil stirnseitig nach der oben angegebenen Methode verschweisst. I¹I ist ein weiteres prismatisches Verstärkungselement aus Kernwerkstoff. 15 stellt einen runden, 16 einen trägflügeiförmigen durchgehenden Kühlkanal der Schaufel dar. Selbstverständlich sind die Ausführungsformen der Verstärkungsrippen nicht auf die schematische Darstellung der·- Fig. gemäss beschriebenem Beispiel beschränkt.· Fig. 4 zeigt andere Querschnittsformen und Anordnungen von Grundwerkstoff, Kernwerkstoff und Kühlkanälen innerhalb eines Schaufelprofils.

Fig. 4a stellt einen Schaufelquerschnitt ohne Kühlkanäle dar. Die aus dem Grundwerkstoff 1 bestehende Schaufel weist an der ' Eintrittskante ein rundes (17)₃ im mittleren Teil ein quadratisches (18) und im hinteren Teil ein rechteckiges (19) Profil aus verstärkendem Kernwerkstoff auf. In Fig. 4b wird ein Profil gezeigt, welches sowohl runde Kühlkanäle 15 wie runde Verstärkungselemente 17 aufweist. Die runde Querschnittsform ist bezüglich Herstellungstechnologie besonders vorteilhaft und eignet sich sehr gut zum Aufbau eines Verbundwerkstoffes. Dies gilt speziell im Falle der Verwendung eines einheitlichen Stabdurchmessers für den Kernwerkstoff 17 wie Fig. 4b zeigt.. 8098QB/OSQ1

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In Fig. ¹Ic ist ein Gasturbxnenschauf elprof il für höchste Ansprüche, wie sie insbesondere für Plugzeugstrahltriebwerke gestellt werden, dargestellt. Dabei.ist der Querschnitt des Grundwerkstoffes 1 vollständig in ein Gitter aufgelöst. Der' Kernwerkstoff ist in das Gitter in Form von runden (17), parabelförmigen (20) und rechteckigen (21) Verstärkungselementen mit abgerundeten Schmalseiten eingebaut. Von dem der Eintrittskante am nächsten liegenden- Kühlkanal führen Oeffnungen 23 an die Oberfläche des Schaufelprofils, durch welche das Kühlmittel ausströmen kann und den in Strömungsrichtung nachfolgenden üchaufelteil mit einem kühlenden und wärmeisolierenden Film (Grenzschicht) umgibt.

Die Ausführungsformen des Verbundwerkstoffes und das Verhältnis der Querschnitte zwischen Grundwerkstoff 1 und Kernwerkstoff 2 sind nicht auf die in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten Profile beschränkt. Je nach Verwendung des Werkstoffes kann das Querschnittsverhältnis von-Grund- zu Kernwerkstoff von 1:20 bis 2:1 variieren. Im ersteren Falle bildet der Grundwerkstoff, der die äussere Form bestimmt, nur eine dünnwandige Hülle um den Kern, während er im letzteren Fall den Hauptanteil des Querschnittes ausmacht. Ferner erschöpft sich die Raumform des Kernwerkstoffes keinesfalls in Zylinder oder Prisma. Dank der vielseitigen Gestaltungsmöglichkexten des Grundwerkstoffes, insbesondere durch Präzisionsguss, sind auch Verstärkungselemente in Form eines Kegels, eines gewun-

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denen Flach- oder Profilstabes (Wendel) oder einer Spirale ausführbar.

Durch die erfindungsgeinässen neuen Verbundwerkstoffe wurden Materialien geschaffen., die gegenüber dem Grundwerkstoff verbesserte Hochtemperatureigenschaften aufweisen. Dank Verwendung dispersionsgehärteter Legierungen als Kernwerkstoffe kann die Kriechfestigkeit und die Wechselfestigkeit bei hohen Temperaturen erhöht werden₃ ohne dass die Gefahr der Versprödung durch chemische Reaktion zwischen nichtverträglichen Elementen besteht. Dadurch wird eine lange Lebensdauer des Bauteils gewährleistet. Im Falle von Nickelbasis-Superlegierungen kann die Kriechfestigkeit auf den durch·das Querschnittsverhältnis von Kern-zu Grundwerkstoff gegebenen Wert, d.h. praktisch um zusätzlich 70 % der Differenzfestigkeit zwischen Dispersions- und Gusslegierung gesteigert werden. Durch die Kombination "plastische Hülle" um "steifen Kern" werden im Betrieb auftretende Spannungsspitzen im Bereich der Grenzfläche von Kern- und Grundwerkstoff abgebaut und ein günstiges thermisches Ermüdungsverhalten erzielt.

Durch das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren werden aufwendige Prozesse wie Tränkung oder pulvermetallurgische Umhüllung von Verstärkungsfasern mit ansehliessender technisch schwer zu beherrschender Formgebung vermieden. Dies wirkt sich in einer Verbilligung des Endproduktes bei sonst "

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gleichen mechanisch-thermischen Festigkeitswerten aus. '

Die erfxndungsgemassen Verbundwerkstoffe lassen sich insbesondere für den Bau thermisch und mechanisch hochbeanspruchtor Maschinenteil ο wie Gaüturbinensc; häufeln verwenden. Auf diese Art verstärkte Superlegierungen erlauben den Einsatz von gekühlten Hohlschaufeln bei Arbeitstemperaturen von 1000⁰C bis 1050°C für stationäre Gasturbinen.

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Jl

L e e r s e i t

Claims

91/76 P a t e η t a n-s ρ rüche

1. Verbundwerkstoff auf der Basis von llochtemperaturlegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus einer Dispersionslegierung bestehender Kernwerkstoff (2) in einem aus einer warmfesten Legierung bestehenden Grundwerkstoff (1) eingebettet, von letzterem allseitig abgeschlossen und mit demselben dicht verbunden ist.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff eine Nickel-Superlegierung ist.

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickel-Superlegierung

0,15 τ 0, 2 % ■ C 15,7 τ 16 ,3 * Cr • 8 τ 9 5« Co h$ τ 2 Mo 2 Λ Q <rf
O /ο W 1,5 τ 2 Ol
I" Ta 0,6 1 /ο Nb 3,2 τ· 3, I β Al 3,2 * 3, I 7° Ti

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JFHQINAL INSPECTED

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0,005 4 0,015 % B 0,05 τ 0,,15 % Zr Rest Ni

enthält.

4. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff eine Kobalt-Superlegierung ist.

5". Verbundwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kobalt-Superlegierung

0,6 % C 10 % Ni 23,5 % Cr 7,0 Ji W 3,5 % Ta 0,2 Ji Ti 0,5 % Zr Rest Co

enthält.

6.. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff als .wesentlichen Bestandteil Eisen enthält.

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7". Verbundwerkstoff nach Anspruch G₃ dadurch .gekennzeichnet „ dass der Grundwerkstoff ' - ■

: '.'/■ ' --Λ - - -."■■ 15 % Cr - ". V "'^:---^: 26 ■ % ■ Ni

■■_-.■ :; " . " ..■■._■'■■■■-■"■■■""" o_s2 % Ai

- -.■■'.:.-. ^v O₅ 05 % C

^: ■ -^;V-- ... - ö₃oi5 % B- - ·■■.■■- :

^: · ^{! :} Rost Po .-■ -" ."

.enthält- _-;, -. '

8. Verbundwerkstoff nach Anspruch S₃ dadurch gekennzeichnet,

dass der Grundwerkstoff '

:-■■"..' λ .■.■--■"...' 0,17 τ 0_a23. % G

• .- .-" O₃IO τ 0_s50 ^. Si

V:■-.;■ : \ : ;. ''■-.■■ .0₃3 4. Q₅8 ' $. Mn

: . J; max, O₃ 035 % P -

. ^: : ; maxv 0^035 % S

; ; V /11 .: 12,5 ί Cr

; --; .' . ""■'-.-. .■//.."■ O₃3-4 o_s8 ^ Ni ^;

0,8 τ "1,2 -^;Ji Mo. J:/^; Λ 0,25 4-' .0,35 % V. ■-"-.'"■.

— .. . max. H ■ -.-........„«. 91/7-6 max. 0,6 % W .261275.7 ... lie s L 0,05 JE Nb l'e ■ enthält.

9. Verbundwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff

0,08 τ 0_a15 % C max. 0,8 % Si max. 1,0 . % Mn ca. ο,οι je P ca. 0,01 % . S 15,5 τ 18 ^ Cr 13 τ 16 JC Ni max. 0,5 je Mo 2,5 τ ¹I,o ' je W

min. 5 χ % C, max. jedoch 1 % Ti

enthält.

10. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff eine .Wolframlegierung ist.

11. Verbundwerkstoff nac'h Anspruch 10,, dadurch gekennzeichnet,

δΟ9809/0δΟ1

ORIGINAL INSPECTED

- ägr - 91/76

dass der Grundwerkstoff

-60 τ 100 % W 0 4· 40 5? Mo

enthält.

12. Verbundwerkstoff nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff eine Molybdänlegierung ist.

13. Verbundwerkstoff nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff

■ 0,5 % ■ Ti
:.'■.■..- 0,07 % Zr '0,01% c

Rest Mo . enthält. ·

14. Verbundwerkstoff nach" Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernwerkstoff eine Nickellegierung ist und mindestens ein Oxyd mindestens eines der Elemente Y, Ca, La, Be, Th, Ce, Al enthalt. .

15. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1.4,. dadurch gekennzeichnet, dass der Kernwerkstoff eine Nickellegierung ist, die 0,5

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bis 3 % eines Oxyds von jeweils einem der Elemente Yttrium, Lanthan oder Thorium enthält.

16. Verbundwerkstoff nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, dass der Kernwerkstoff eine Kobaltlegierung ist und mindestens ein Oxyd mindestens eines der Elemente Y, Ca₃ La₃ Be₃ Th₃ Ce₃ Al enthält.

17. Verbundwerkstoff nach Anspruch 16₃ .dadurch gekennzeichnet, dass der Kernwerkütoff eine Kobaltlegierung ist, die 0,5 bis 3 % eines Oxyds von jeweils einem der Elemente Yttrium, Lanthan oder Thorium enthält.

18. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernwerkstoff als wesentlichen Bestandteil Eisen enthält und mindestens ein Oxyd mindestens.eines der Elemente Y₃ Ca₃ La₃ Be₃ Th₃ Ce, Al₃ Ti, Cr vorgesehen ist.

19. Verbundwerkstoff nach Anspruch l8₃ dadurch gekennzeichnet, dass der Kernwerkstoff 13 % Cr; 2 % Mo; 3,5 % Ti; 1,5 % ' Y₃O₃; Rest Pe enthält.

20. Verbundwerkstoff nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernwerkstoff eine chromhaltige Eisenlegierung

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ist, die zusätzlich 0,5 bis 5 % Titanoxyd.(TiO₂) enthält.

21. Verbundwerkstoff nach Anspruch -18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernwerkstoff eine chromhaltige Eisenlegierung ist j die zusätzlich 0,5 bis 5 % Chromoxyd (Cr 0,) enthält*

22. Verbundwerkstoff nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet_s . dass, der Kernwerkstoff 17 % Gr; 13 % Ni; 0,5 % Mo; J .-% W; 1,5 52 Y₂O,; Rest Pe enthält.

23- Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet; dass der KernWerkstoff eine Wolframlegierung ist und min^ destens ein Oxyd mindestens eines der Elemente "Y, La, Th enthält. " ^- : ' - _ .. .

2k.- Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernwerkstoff eine Molybdänlegierung ist und* min· .destens ein Oxyd mindestens eines,der Elemente La, Y, Th enthält. - ,:■-■.'"■■

25. Verbundwerkstoff nach Anspruch I^ dadurch gekennzeichnet, 'dass der Kernwerkstoff und der Gründwerkstoff auf den gleichen Basis-Komponenten aufgebaut sind und der Kernwerkstoff sich in seiner Zusammensetzung-nur durch den

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- ty - ■ "91/76

Zusatz an dispergierter Substanz vom Grundwerkstoff unterscheidet.

26. Verbundwerkstoff nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass als dispergierte Substanz mindestens ein Oxyd mindestens eines der" Elemente Y, Ca, .La, Be, Th, Ce, Al, Ti, Zr in einem Gehalt von höchstens 10 "Gewichtsprozent vorgesehen ist. ' '

27. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsverhältnis zwischen Grundwerkstoff und Kernwerkstoff 1 : 20 bis 2 : 1 beträgt.

28. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Kernwerkstoffes kreisförmig, elliptisch, quadratisch, rechteckig oder nach Art eines Tragflügelprofils ausgebildet ist.

29. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumform des Kernwerkstoffes ein Zylinder, ein Prisma, ein Wendel, ein Kegel oder eine Spirale ist.

30. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerk-

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,'. · '"■■■■ 91/76

.. . stoff; (1) vor seiner Weiterverarbeitung eiher Hohlräume erzeugenden Formgebung unterworfen wird, dass der Kern-... werkstoff (2,) in eine den Hohlräumen des Grundwerkstoffes

• (1) entsprechende Form gebracht, in den Grundwerkstoff (1) dicht eingepasst, vollständig von demselben abgedeckt und vakuumdicht verschlossen wird und dass das so erhaltene

■, Werkstück einer Nachverdichtung und endgültigen Formgebung unterzogen wird;

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass

• "der Grundwerkstoff schmelzmetallurgisch hergestellt wird·

und seihe Formgebung durch Giessen erfolgt,

32. Verfahren nach Anspruch 3Ij dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung des· Grundwerkstoffes durch Präzisionsguss erfolgt. ^; . ■.-".-". ." ■ .-

33w Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff schmelzmetallurgisch hergestellt wird ·. und seine Formgebung durch Warm- und/oder Kaltkneten- er-

34./Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dassder Grundwerkstoff pulvermetallurgisch hergestellt wird

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und seine Formgebung durch Warm- und/oder Kaltkneten erfolgt..

■

35. Verfahren nach Anspruch 3O₃ dadurch gekennzeichnet, dass der Kernwerkstoff schmelz- und/oder pulvermetallurgisch hergestellt und durch Warm- und/oder Kaltkneten in seine Form gebracht wird.

36. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das vakuumdichte Verschliessen des Kernwerkstoffes durch den Grundwerkstoff durch Verschweissen mittels· Elektronenstrahl-, Laserstrahl-, Argonarc- oder Unterpulverschweissr verfahren durchgeführt .wird.

37· Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet,dass die Nachverdichtung und endgültige Formgebung des Werkstückes durch isostatisches Heisspressen des Verbundwerkstoffes bewerkstelligt wird. ■

38. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachverdichtung und endgültige Formgebung des Werkstückes durch Warmschmieden des Verbundwerkstoffes bewerkstelligt wird.

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39. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachverdichtung und endgültige Formgebung des Werk-' Stückes durch Warmwalzen des Verbundwerkstoffes bewerkstelligt wird.

MO. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachverdichtung und endgültige Formgebung des Wertstückes durch Warmstrangpressen des Verbundwerkstoffes bewerkstelligt wird.

4l. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Nächverdichtung und endgültige Formgebung des Werkstückes durch Warmziehen des Verbundwerkstoffes bewerkstelligt wird.

k2. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff einer zusätzlichen Kornwachstumsglühung bei 1200° C bis 1250° C während 1/2 h bis 2h in . Argonatmosphäre unterworfen wird.

43· Verfahren nach Anspruch 3.0_s dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff einer zusätzlichen Ausscheidungshärtung durch Glühen im Temperaturbereich von 800° C bis 900° C während 2h h unterworfen wird.

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44. Verwendung des Verbundwerkstoffes nach Anspruch 1 bei der Herstellung von Bauteilen·für- thermische Maschinen und elektrische Apparate der Röhrentechnik.

45· Verwendung nach Anspruch 44 bei der Herstellung einer Turbinenschaufel.

46. Verwendung nach Anspruch 45 bei der Herstellung einer mit Kühlkanälen versehenen Turbinenschaufel.

47. Verwendung nach Anspruch 44 bei der Herstellung einer Verdichterschaufel.

48. Verwendung nach Anspruch 44 bei der Herstellung eines binenrades.

49. Verwendung nach Anspruch 44 bei der Herstellung eines Ver dichterrades .

50. Verwendung nach Anspruch 44 bei der Herstellung von Brenn kammerelementen für Gasturbinen.

51. Verwendung nach Anspruch 44 bei der Herstellung von Bauelementen für.den Leitapparat von Gasturbinen.

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52. Verwendung nach Anspruch 44 bei der Herstellung von Elektroden für Gasentladungsgefässe und Elektronenröhren.

53· Verwendung nach Anspruch 44 bei der Herstellung einer Glühkathode für eine Elektronenröhre.

54. Verwendung nach Anspruch 44 bei der Herstellung eines Gitters für eine Elektronenröhre.

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