DE2655617A1

DE2655617A1 - Oxydationsbestaendige legierung auf kobaltbasis

Info

Publication number: DE2655617A1
Application number: DE19762655617
Authority: DE
Inventors: Edward Joseph Felton; Maurice Louis Gell; Emanuel Collins Hirakis; Stephen Thomas Magyar
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1975-12-08
Filing date: 1976-12-08
Publication date: 1977-06-23
Also published as: NO142676B; IL51031A; NO142676C; FR2334759A1; GB1516795A; JPS614901B2; JPS5270928A; NO764146L; AU2026776A; FR2334759B1; US4078922A; BE849142A; DE2655617C2; CA1090168A; AU510253B2; IT1064508B; IL51031A0

Description

Oxydationsbeständige Legierung auf Kobaltbasis

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Kobalt-Basislegierungen. Solche Legierungen finden besondere Verwendung z.B. in Gasturbinentriebwerken, wo Oxydation und Korrosion bei erhöhten Temperaturen Probleme darstellen. Diese Legierungen können in Guß- oder Knetlegierungserzeugnissen sowie ohne Überzug zu vielerlei Anwendungszwecken verwendet werden.

Die steigenden Anforderungen an Leistung und Wirksamkeit bei Gasturbinen sind durch Anwendung höherer Betriebstemperaturen weitgehend erfüllt worden. Diese höheren Betriebstempera-

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türen erfordern verbesserte Materialien mit Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen, kombiniert mit guten mechanischen Eigenschaften.

Während viele Hochtemperaturteile komplexer Geometrie durch Guß hergestellt werden, können andere mit dünnem und gleichmäßigem Querschnitt in äußerst zufriedenstellender Weise durch Warm- und Kaltformtechniken hergestellt werden. Solche Knetmaterialien sind besonders wichtig, wo es auf Gewichtsersparnis ankommt.

Bei Hochtemperaturlegierungen rührt die ihnen eigene Oxydationsbeständigkeit gewöhnlich von einer Oxidschicht her, die sich beim Betrieb bildet. Die Oxydationsbeständigkeit wird verbessert, wenn man die Oxidschicht daran hindern kann, im Wärmezyklus von der Oberfläche abzublättern. Bei besonders beanspruchender Umgebung benötigen viele Legierungen weiteren Schutz, um eine angemessene Betriebslebensdauer zu bieten. Dieser zusätzliche Schutz kann durch Überzüge geboten werden.

Bei den gängigsten Legierungen auf Kobaltbasis basiert die sich bildende Oxidschicht auf Chrom (Cr), und im allgemeinen reicht die Oxydationsbeständigkeit nicht aus, um ohne Überzug einen Betrieb in beanspruchenden Umgebungen zuzulassen. Aluminium (Al) ist kein üblicher Legierungszusatz zu handelsüblichen Kobaltlegierungen, da in den meisten Kobaltlegierungen die Menge an Al, die erforderlich ist, um während der Lebensdauer des Teils einen Aluminiumoxid-Schutzüberzug zu bilden, zu groß ist und Probleme hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften und der Verarbeitbarkeit verursachen kann. Die erforderliche übergroße Menge an Al ist wiederum mit dem Abblättern des Aluminiumoxids verbunden, was es erforderlich macht, daß genügend Al vorhanden ist, um die Aluminiumoxidschicht wiederholt nachzubilden. Dieser Vorgang verarmt gegebenenfalls die darunter liegende Legierung an Al, was zu ra-

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.6.

scher Oxydation führt.

Die Sonderveröffentlichung ASTM Special Technical Publication No. 170-A von W.F. Simmons und V.N. Kribivobok mit dem Titel "Compilation of Chemical Compositions and Rupture Strengths of Super-Strength Alloys" offenbart nur zwei Kobalt-Superlegierungen, die Al enthalten, die Legierung M 205 mit einem Gehalt von 2,75 % Al und die Legierung M 203 mit 0,75 % Al. Die Kobalt-Basislegierungen AR 213 und AR 215, die etwa 4 % Al enthalten, wurden zwar eingeführt, haben aber keine breite Verwendung gefunden.

Es hat sich gezeigt, daß Yttrium (Y) die Oxydationsbeständigkeit bestimmter Superlegierungen auf Nickelbasis verbessert, vgl. z.B. die US-PS 3 202 506, die den Zusatz von Y zu Nickel (Ni)-Legierungen offenbart. Überzugszusammensetzungen, die Y und Al in einer Kobaltbasis enthalten, sind auf dem Fachgebiet bekannt, vgl. z.B. die US-PS 3 676 085. Solche Überzugsmittel sind wegen der hohen Y- und Al-Gehalte brüchig und weisen relativ geringe Festigkeit auf. Die US-PS 3 399 058 offenbart eine Kobalt-Basislegierung, die Y erheblich über der Fest-Löslichkeitsgrenze enthalten kann, mit dem Ergebnis, daß sie zu große Mengen an brüchigen, tiefschmelzenden Phasen enthält und deshalb schlechte mechanische Eigenschaften und Verarbeitbarkeit besitzt. Eine ähnliche Verwendung von Y in Kombination mit Al findet sich in der US-PS 3 027 252, doch ist dies eine Legierung auf Eisenbasis. Die BE-PS 766 596 offenbart auch eine Kobaltlegierung, die Y und Al enthält.

Hafnium (Hf) ist bisher in bestimmten Legierungen auf Nickelbasis verwendet worden, wie z.B. in der US-PS 3 005 705 beschrieben, und zwar zur Verbesserung der Duktilität bei erhöhter Temperatur, ist jedoch kein üblicher Zusatz zu Legierungen auf Kobaltbasis.

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Die erfindungsgemäße Superlegierung auf Kobaltbasis eignet sich zur Verwendung unter anspruchsvollen Bedingungen, bei erhöhten Temperaturen, und besitzt außergewöhnliche Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit. Weiter besitzt die Legierung bei erhöhten Temperaturen relativ zu anderen oxydationsbeständigen Legierungen hochwertige mechanische Eigenschaften. Die Legierung stützt sich auf eine kritische Kombination von Cr und Al zur Bildung einer Aluminiumoxidschicht, die die Legierung vor weiterer Oxydation schützt. In anderen Legierungen, die Oxid-Schutzschichten bilden, ist das Abblättern der Schicht aufgrund von Wärmespannungen ein Problem, bei der erfindungsgemäßen Legierung jedoch ist die Oxidhaftung durch eine besondere synergistische Kombination von Hf und Y entscheidend verbessert. Die Legierung enthält auch refraktäre Metalle, wie z.B. Wolfram (W) und Tantal (Ta) zur Verstärkung sowie nichtmetallische Elemente zur Verstärkung, wie z.B. Kohlenstoff (C). Die erfindungsgemäße Legierung kann unter Einsatz wohl bekannter Methoden, wie z.B. Investmentguß, leicht in Gußform hergestellt werden. In engerem Bereich der Zusammensetzung kann die Legierung in bearbeiteter Form, z.B. als Blech und Stab, hergestellt werden.

Vorstehendes und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden näheren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, wie in den Figuren dargestellt; dabei zeigt

Fig. 1 eine mikrofotographische Aufnahme einer Legierung mit überschüssigem Y, die vom Warmformen herrührende Risse aufweist;

Fig. 2 das Oxydationsverhalten verschiedener Legierungen, die unterschiedliche Mengen an Hf und Y enthalten,

Fig. 3 das dynamische Oxydationsverhalten der erfindungsgemäßen Legierung und von Konkurrenzlegierungen bei 899 ⁰C;

Fig. 4 das dynamische Oxydationsverhalten der erfindungsgemäßen

1 von Konkurrenz1 709825/0709

Legierung und von Konkurrenzlegierungen bei 982 ⁰C;

Fig. 5 das dynamische Oxydationsverhalten der erf indu.ngsgemäßen Legierung und von Konkurrenzlegierungen bei 1093 ⁰C;

Fig. 6 das dynamische Wärmekorrosionsverhalten der erfindungsgemäßen Legierung und von Konkurrenzlegierungen;

Fig. 7 das Niederzyklus-Ermüdungsverhalten der erfindungsgemäßen Legierung und von Konkurrenzlegierungen bei 982 ⁰C;

Fig. 8 die Kriecheigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung und von Konkurrenzlegierungen als Funktion der Temperatur und

Fig. 9 die Brucheigenschaften bei Spannung der erfindungsgemäßen Legierung und von Konkurrenzlegierungen als Funktion der Temperatur.

In der folgenden Beschreibung beziehen sich alle Prozentsätze der Zusammensetzungen auf das Gewicht, sofern nicht anders angegeben. Die Erfindung bezieht sich auf eine Klasse von Legierungen auf Kobaltbasis, die relativ hohe mechanische Eigenschaften kombiniert mit außergewöhnlichen Oxydations- und Korrosionseigenschaften bei erhöhten Temperaturen besitzen. Innerhalb eines begrenzten Zusammensetzungsbereichs kann die Legierung in bearbeiteter Form hergestellt werden und ist in dieser Form besonders brauchbar zur Herstellung von Gasturbinen-Triebwerksteilen, wie z.B. Brennkammerwandungen. Ein kritischer Aspekt der Erfindung liegt in der Feststellung, daß ein synergistischer Effekt auftritt, bei der eine besondere Beziehung zwischen Hf und Y in Gegenwart ausreichender Mengen an Al und Cr zur Bildung von Al₂On in Kobaltlegierungen beteiligt ist. Es wurde gefunden, daß bestimmte Mengen dieser Elemente Legierungen auf Kobaltbasis zugesetzt werden können, um deren Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit insbesondere über lange Zeiträume und unter Wärmewechselbedingungen zu verbessern. Die mechanischen Eigenschaften dieser Klasse von Kobalt-Basislegierungen werden durch Zusätze refraktärer Metalle, wie z.B. von Molybdän (Mo), W, Ta, Niob (Nb) und nichtmetallischer EIe-

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•3.

mente, wie z.B. C und B, verbessert.

Tabelle I führt die breiten Bereiche der erfindungsgemäßen Legierung zur Herstellung in Gußform und einen engeren Bereich zur Herstellung in Knetform auf. Erzeugnisse, wie z.B. Gasturbinenlaufschaufeln, können in Gußform hergestellt werden. Legierungen innerhalb des Knetbereichs können warm- und kaltgeformt werden. Hier bedeutet "bearbeitet" ein Material, das um wenigstens 25 % in der Querschnittsfläche durch Warm- und/oder Kaltformen von der Gußform vermindert worden ist. Die Hochtemperatur-, mechanischen; Oxydations- und Korrosionseigenschaften dieser bearbeiteten Legierung werden später in den Beispielen diskutiert.

Tabelle I Gußlegierung Knetlegierung

Cr 18-30 18-27

Ni +Fe 10 - 30 10 - 20

W + Mo ' 5-15 8-12

Ta + Nb 1-5 2-4

C 0,05 - 0,6 0,25 - 0,45

Al 3,5 - 8,0 3,5 - 5,0

Hf ■ 0,5 - 2,0 0,5 - 2,0

Ti 0 - 0,5 0 - 0,5

Y 0,02 - 0,1 0,02 - 0,07

B 0 - 0,5 0 - 0,5

Co Rest Rest

Die Oxydationsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung rührt von der Bildung einer Aluminiumoxid-Oberflächenschicht

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her, die die weitere Diffusion von Sauerstoff in die darunter liegende Legierung hemmt. Ein besonderes Gleichgewicht zwischen den Gehalten an Cr und Al ist zur wirksamen Ausbildung einer solchen Schicht notwendig. Die unteren Grenzwerte für Cr und Al für eine befriedigende Bildung einer Schutzschicht sind etwa 18 bzw. etwa 3,5 %. Am oberen Ende des Bereichs führen Cr-Werte über etwa 30 % und Al-Werte über etwa 8,0 % zu zu großen Mengen schädlicher Phasen in der Gußform, die die Eigenschaften der Legierung beeinträchtigen. Die engeren Bereiche dieser Elemente in der bearbeiteten Form sind für eine angemessene Bearbeitbarkeit erforderlich. Würde eine Kobalt-Basislegierung hergestellt, die Al- und Cr-Gehalte, wie oben gelehrt, ohne die anderen in der erfindungsgemäßen Legierung verwendeten Elemente enthielte, würde man finden, daß, wenngleich das anfängliche Kurzzeit-Oxydations-Zyklusverhalten vermutlich befriedigend wäre, die Langzeit-Oxydationsbeständigkeit mäßig wäre. Dieser Nachteil im Langzeit-Oxydationsverhalten würde durch das Abblättern der Aluminiumoxidschicht von der Legierung während der Wärmezyklen verursacht. Das wiederholte Abblättern der Aluminiumoxidschicht führt zu einer Verarmung an Aluminium, und der Al-Gehalt der darunter liegenden Legierung fällt unter den Wert, der zur Bildung einer Aluminiumoxid-Schutzschicht erforderlich ist, so daß rasche Oxydation eintreten wird. Die erfindungsgemäße Legierung überwindet diese Schwierigkeit durch die Verwendung von Hf und Y in synergistischer Kombination, die dazu dient, die Haftung der Aluminiumoxidschicht zu fördern. Die Verwendung von Hf und Y zur Haftungsverbesserung des Aluminiumoxids ermöglicht es einer Legierung mit einem geringen Al-Gehalt, die deshalb herstellbar und bearbeitbar ist, eine stabile Aluminiumoxidschicht auszubilden, die der Oxydation für lange Zeiträume widersteht. In der bearbeiteten Form kann Y in Mengen über der Löslichkeitsgrenze des festen Zustands vorliegen, die nicht zur Bildung zu großer Mengen an großen brüchigen Yttriden führen, die die Herstellbarkeit, Bearbeitbarkeit und mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen. Diese großen Yttrid-Phasen sind in der be-

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arbeiteten Form nachteiliger als in der Gußform. In der Gußform, bei der die Herstellbarkeit kein Problem ist, kann eine größere Y-Menge eingesetzt werden.

Ein Gußstück einer Zusammensetzung, die im allgemeinen innerhalb des engen Zusammensetzungsbereichs für bearbeitetes Material liegt, jedoch mit einem Y-Gehalt von etwa 0,12 %, wurde gegossen. Dieses Gußstück zeigte starke Rißbildung beim Schmieden, und eine metallographische Untersuchung zeigte, daß die Risse in großen Yttrid-Teilchen ihren Ausgang nahmen und dann durch den Rest des Materials weiterliefen. Eine Mikrofotographie dieses Materials zeigt Fig. 1, in der die dunklen Bereiche 1 die Risse sind.

Hf wird in Mengen von etwa 0,5 bis etwa 2 % verwendet. Versuche, die die synergistische Wirkung zwischen Y und Hf beschreiben, werden unten im inzelnen angegeben. Die Legierung enthält auch ein Material aus der Gruppe Fe und/oder Ni, das zur Stabilisierung der Matrix in einer flächenzentrierten kubischen Struktur und der Erleichterung der Warmformung dient. Mo und/ oder W liegen vor und dienen der Verstärkung der festen Lösung. Mo hat sich in anderen Legierungen als Beschleuniger der Sulfidierung erwiesen, daher ist es nicht bevorzugt für Anwendungen, bei denen die Sulfidierung ein Problem ist. Ta und/oder Nb liegen ebenfalls vor und dienen der Verstärkung der festen Lösung, und C und B (wenn vorhanden) dienen als zusätzliche Verstärkungsmittel. Wieder muß für die Herstellung bearbeiteter Erzeugnisse die Menge dieser verstärkenden Elemente so begrenzt werden, daß eine optimale Kombination von Eigenschaften und Herstellbarkeit bzw. Bearbeitbarkeit eintritt.

Eine stark bevorzugte Legierungszusammensetzung für bearbeitete Erzeugnisse ist in Tabelle II aufgeführt. Diese stark bevorzugte Zusammensetzung erfordert Ni als phasenstabilisierendes Element und W und Ta als refraktäre Metalle als verstärkende Mittel.

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Tabelle II

Cr 18-25

Ni 13-17

W · 8-10

Ta 2-4

C 0,25 - 0,45

Al 3,7-4,6

Hf 0,5 - 2,0

Ti 0- 0,5

Y 0,02 - 0,07

B 0-0,5

Co Rest

Auf dem Gebiet der Superlegierungen auf Kobaltbasis werden die refraktären Elemente, wie z.B. W und Ta, oft in Gruppen zusammengefaßt und gewöhnlich als ähnliche Wirkung ausübend angesehen. In der erfindungsgemäßen Legierung beträgt die W-Menge etwa den dreifachen Wert der Ta-Menge. Versuchslegierungen, in denen der Ta-Gehalt über dem W-Gehalt lag, fehlte die Warmbearbeitbarkeit.

Die folgenden Verfahrensparameter wurden erfolgreich zur Bearbeitung der erfindungsgemäßen Legierung zu bearbeiteten Blechen angewandt:

(1) Vakuuminduktionsschmelzen

(2) Elektroschlacken-Umschmelzen

(3) Homogenisieren bei 1204 - 1260 ⁰C für 12 bis 36 h

(4) Schmieden bei einer Ausgangstemperatur von 1149 bis

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1204 ⁰C

- MT-

(5) Warmwalzen bei einer Ausgangstemperatur von 1149 bis 1204 ⁰C

(6) Lösungswärmebehandlung bei 1204 bis 1260 C für 15 min bis 16 h

Natürlich kann die Legierung auch in anderen Formen als gegossen und bearbeitet verwendet werden. Zu diesen Formen gehören Metallpulver, die zur Herstellung von Erzeugnissen nach den Techniken der Pulvermetallurgie geeignet sind, und Oberflächenabscheidungen oder Schichten der Legierung, die nach einer Vielzahl von Verfahren aufgebracht werden können, wie z.B. durch Flamm- und Plasmasprühen und durch Abscheidung aus der Dampfbzw. Gasphase.

Die Hochtemperatureigenschaften der am meisten bevorzugten Knetlegierung gemäß der Erfindung sind eingehend ausgewertet worden, wie in den folgenden Beispielen ausgeführt. In diesen Beispielen werden Vergleiche mit verschiedenen gut bekannten handelsüblichen Hochtemperaturlegierungen durchgeführt. Die Nennzusammensetzung dieser Legierungen ist in Tabelle III aufgeführt. Der Übersichtlichkeit und Einfachheit in den Figuren halber sind die Legierungen in den Beispielen mit den in Tabelle III aufgeführten Buchstaben bezeichnet. Die Erfindung wird durch die Bezugnahme auf die folgenden veranschaulichenden Beispiele noch klarer.

Beispiel I

Eine Untersuchung wurde durchgeführt, um den synergistischen Effekt von Y und Hf bei der Oxid-Haftungsverbesserung zu definieren und zu veranschaulichen. Die Zusammensetzungen der untersuchten Legierungen sind in Tabelle IV aufgeführt. Zwei handelsübliche Legierungen, Hastelloy X und Haynes 188, wurden zum Vergleich getestet. Die Legierungen wurden in einem Oxydations-Test zyklus über 1000 h bei 1000 ⁰C getestet, und die Er-

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gebnisse sind in Tabelle V wiedergegeben. Abblättern, der Verlust der Oxidschichten, vermindert die Dicke der Superlegierungen, außerdem verschlechtern sich Superlegierungen oft durch interne Oxydation, die eintritt, wenn die Oxid-Schutzschicht versagt. Diese Innenoxydation ist gewöhnlich örtlich begrenzt und dringt in die darunter liegende Legierung ein. Die Spalte in der Tabelle, die mit "interneOxydation" überschrieben ist, gibt die maximale Tiefe der internen Oxydation ein, die von einer Seite der Probe her beobachtet wurde. Die mit "Prozent unbeeinträchtigtes Metall" überschriebene Spalte in Tabelle V gibt die Tragfähigkeit des Materials nach 1000 h zyklischer Oxydation bei 1000 ⁰C an. Diese Menge "Prozent unbeeinträchtigtes Metall" wurde metallographisch bestimmt und ist definiert als ursprüngliche Dicke minus der Summe der Abblätterung plus interner Oxydation.

Vergleicht man die Legierungen 3 und 5 in Tabelle V, ist zu erkennen, daß das Vorhandensein einer sehr geringen Menge Y einen sehr großen Einfluß auf das Oxydationsverhalten des Materials hat.

Vergleicht man die Legierungen 4, 5 und 6, so ist zu erkennen, daß bei einem Hf-Gehalt in der Größenordnung von 1 % ein Y-Gehalt von wenigstens etwa 0,02 % erforderlich ist. Beim Vergleich der Legierung 1 mit der Legierung 2 ist zu erkennen, daß in Abwesenheit von Hf 0,02 % verhältnismäßig unwirksam für die Förderung der Oxydat'ionsbeständigkeit sind. Legierung 2, die kein Hf und 0,12 % Y enthielt, hatte eine Oxydationsbeständigkeit, die sich der der Legierungen näherte, die die gewünschte Menge an Hf und Y enthielten, da jedoch die Löslichkeitsgrenze im festen Zustand von Y in dieser Legierung kleiner als etwa 0,1 % ist, führt die Gegenwart von 0,12 % Y zur Bildung brüchiger Yttrid-Phasen, die unerwünscht sind und die mechanischen Eigenschaften und die Fähigkeit zur Herstellung bearbeiteter Erzeugnisse nachteilig beeinflussen, deshalb liefern durch Ver-

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Wendung einer Kombination von Y und Hf niedere Y-Gehalte einen wirksamen Langzeitschutz gegen Abblättern. Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung der Gewichtsänderung der in Tabelle IV beschriebenen Legierungen als Funktion der Zeit bei 1000 C. Eine Gewichtszunahme ergibt sich aus der Bildung von Aluminiumoxid, während eine Abnahme auf dem Abblättern des Aluminiumoxids beruht. Eine horizontale Kurve stellt eine erwünschte, stabile Situation dar. Fig. 2 zeigt an, daß eine Kombination von Y in der Größenordnung von 0,02 bis 0,08 mit Hf in der Größenordnung von 0,5 bis 2,0 zu einer Legierung mit einer Oxydationsbeständigkeit führt, die der einer Legierung, die Hf allein enthält, überlegen ist.

Beispiel II

Die Oxydationseigenschaften der vorliegenden Legierungen wurden in einem dynamischen Oxydationstest bestimmt, bei dem ein Gasstrom hoher Geschwindigkeit mit einer Temperatur von 899 ⁰C auf eine Reihe von Proben von Standardgröße für insgesamt 1000 h geleitet wurde. Die Proben wurden periodisch entfernt und zur Bestimmung der Gewichtsänderung gewogen. Eine Gewichtszunahme zeigt die Bildung von Oxidmaterial an, während eine Gewichtsabnahme Oxidverlust durch Abblättern anzeigt. Eine ideale Situation ist eine solche, bei der die Steigung der Kurve der Gewichtsänderung gegen die Zeit flach ist, was die Bildung einer stabilen Oxidschutzschicht anzeigt. Die folgenden Konkurrenzlegierungen wurden zusammen mit der erfindungsgemäßen.Legierung (A) getestet: Hastelloy X (B), IN 617 (C) und L 605 (D). Die Ergebnisse dieser Tests zeigt Fig. 3, und es ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäße Legierung den getesteten Legierungen beträchtlich überlegen ist. Beispielsweise hatte die erfindungsgemäße Legierung nach 1000 h nur 0,020 g verloren, während die nächstbeste Legierung, die Legierung L 605 (D) etwa 0,11 g verloren hatte. So hatten also bei der dynamischen Oydation bei 89 9 ⁰C die erfindungsgemäßen Legierungen weniger als 1/5 des Gewichts verloren, wie die nächstbeste untersuchte Legierung verloren hatte. _ ^^_

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Tabelle III

Erfindungsgeniäße
Legierung (Nennzusamnensetzung der
Knetlegierung)

(A)

	Co	Rest
	Cr	25,0
0982B	Ni MO W	15,0 9,0
/0709	Ta C Al	3,0 0,35 4,0.
	Ti	0,25
	Hf	1,2
	Y	0,04
	La	-
	Fe	mm

Hastelloy X	IN 617	L-605	0,1	—	HA 188	0,1	—	■ AR-213	4,5
(B)	(C)	(D)	(E)	(F)	6,5
1,5	12,5	Rest	Rest	Rest	0,2
22,0	22,0	20,0	22,0	20,0	3,5
Rest	Rest	10,0	22,0	-
9,0	9,0	-	-	-
0,6	-	15,0	14,5
-	-	-	-
0,05	0,07
-	1,0

0,075

0,1

18,5

CD CJl

Rest	=	ro	VD ro	=	=
CM ro	ro ro	O	O	in ro	in ro
O	O	,005	δ	O	O
CM O	CM r—	O	O	OO O	ro O
O	O	VD OO	OO OO	O	6
			in OO	σ» O

33 O O O O O r-

CN CM CM CM CM CM O O O O O O

ro	in	T- O	OO	OO
σι	co"	σι σ»	OO	OO

0) σι σι co r^ r~ vo

CM CM

OO

as Eh	σι CM	σι CM	00 ν. CM	CN
	VO	σι	CM	O
•Η		*«"**	ιη	ΙΛ

O σι O O O O ro co νο ιη τ- cm

CM

U	CM	CM	CM	•sr	ιη
U	CM		CM	CM

3
1-1

O)
-H

tn
ω
ti τ- cm ro *s< in vo

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Tabelle V

	Legierung	Hafnium (Dew. - %)	Yttrium (Gew.-⁰*)
-α CD	1	0	0,02
982	2	0	0,12
cn "ν.	3	0,86	0
O ■<!	4	0,88	0,01
O CO	5	0,85	0,08
	6	1 ,09	0,03

maximale interne % unbeeinträchtigtes Oxydation (um) Metall

330 58

vernachlässig- 94 bar

381 32

279 55

vernachlässig- 96

bar

vernachlässig- 99

bar

CD cn cn CD

Beispiel III

Die in Beispiel II befolgte Arbeitsweise wurde angewandt, mit der Ausnahme, daß die Testtemperatur auf 982 ⁰C erhöht war. Zu den untersuchten Legierungen gehörten HA 188 (E), Hastelloy X (B) und IN 617 (C) sowie die erfindungsgemäße Legierung (A). Die Ergebnisse zeigt Fig. 4, und es ist zu ersehen, daß bei 982 C wieder die erfindungsgemäße Legierung den anderen handelsüblichen untersuchten Legierungen hinsichtlich der Oxydationsbeständigkeit erheblich überlegen ist. Die erfindungsgemäße Legierung hatte eine geringe Gewichtszunahme, was auf die Bildung einer stabilen Oxidschicht hinweist, während die nächstbeste Legierung HA 188 (E) einen beträchtlichen Gewichtsverlust aufwies, ein Hinweis auf eine erhebliche Oxydation und Abblättern.

Beispiel IV

Das isotherme dynamische Oxydationsverhalten der erfindungsgemäßen Legierung wurde zusammen mit einigen vergleichbaren handelsüblichen Legierungen bei einer Temperatur von 1093 C unter Anwendung einer Technik gemessen, die der zuvor in den Beispielen II und III beschriebenen ähnlich war. Die anderen untersuchten Legierungen waren IN 617 (C) und HA 188 (E). Die Ergebnisse sind in Fig. 5 wiedergegeben. Nach 300 h hatte die erfindungsgemäße Legierung einen Gewichtsverlust von etwa 0,1 g, während die Proben von IN 617 (A) und HA 188 (C) Gewichtsverluste von etwa 0,67 g hatten. Wieder scheint die erfindungsgemäße Legierung den anderen untersuchten Legierungen stark überlegen zu sein.

Beispiel V

In Gasturbinentriebwerken leiden Teile aus Superlegierungen unter Wärmekorrosion als Folge von Verunreinigungen im Brennstoff und in der Luft. Natrium- und Sulfationen haben sich

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als besonders schädlich erwiesen. Die Beständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung gegenüber Wärmekorrosion wurde wie folgt getestet: Proben der erfindungsgemäßen Legierung (A) (zusammen mit Hastelloy X (B)) wurden einem Strom heißen Gases ausgesetzt, das durch Verbrennen eines Brennstoffs auf Petroleumbasis erzeugt wurde. Alle 20 h wurde eine Menge Na-SO. in den Gasstrom eingespritzt, um tatsächlichen Triebwerkslauf zu simulieren. Fig. 6 zeigt die relative Leistungsfähigkeit der Legierungen nach 80 h Test. Die erfindungs-

2 gemäße Legierung (A) hat etwa 12 mg/cm verloren, während die

2 Legierung Hastelloy X (B) etwa 261 mg/cm verloren hat. Wieder scheint die erfindungsgemäße Legierung bessere Eigenschaften als die bislang verwendeten Legierungen zu haben.

Beispiel VI

Die Niederzyklus-Ermüdungseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung wurden mit denen mehrerer handelsüblicher Konkurrenzlegierungen bei 982 ⁰C ermittelt. Die Eigenschaften wurden unter Verwendung von Blechproben gemessen, die in einem Biegewechselfes tigkeitsversuch getestet wurden, bei dem die gesamte Beanspruchung von der neutralen Position zu jeder der extremen Positionen variiert wurde. Die untersuchten Konkurrenzlegierungen waren Hastelloy X (B), HA 188 (E) und AR 213 (F) (die Angaben für AR 213 stammen aus der Literatur). Die Ergebnisse sind in Fig. 7 wiedergegeben, und es ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäße Legierung (A) den anderen untersuchten Legierungen über den Bereich der Beanspruchung zumindest bis zu 0,8 % überlegen ist. Dieses Ausmaß an Beanspruchung bzw. Deformation scheint für eine solche, wie sie beim Betrieb anzutreffen ist, repräsentativ zu sein, daher scheint die erfindungsgemäße Legierung hinsichtlich dieser Eigenschaft besser zu sein als die übrigen Konkurrenzlegierungen.

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Beispiel VII

Die Spannung, die erforderlich ist, um 0,5 % Kriechverformung in 150 h hervorzurufen, wurde als Funktion der Temperatur für Hastelloy X (B), IN 617 (C), HA 188 (E) und die erfindungsgemäße Legierung (A) bestimmt, und die Ergebnisse sind in Fig. angegeben. Die Ergebnisse für die erfindungsgemäße Legierung (A) in Fig. 8 sind wegen der großen Zahl der durchgeführten Untersuchungen in gewisser Breite anstatt als Linie aufgetragen. Fig. 8 zeigt, daß die erfindungsgemäße Legierung (A) der Legierung Hastelloy X (B) bei allen untersuchten Temperaturen und der Legierung IN 617 (C) bis zu Temperaturen von 1066 C überlegen ist. Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung (A) sind mit denen der Legierung HA 188 (E) bis zu 1010 ⁰C vergleichbar, während bei einer Temperatur über 1010 ⁰C die erfindungsgemäße Legierung (A) der Legierung HA 188 (E) überlegen ist. So war bei diesem Test keine der untersuchten handelsüblichen Legierungen der erfindungsgemäßen Legierung (A) über den gesamten Temperaturbereich von 816 bis 1066 C überlegen.

Beispiel VIII

Die Legierungen IN 617 (C), HA 188 (E) und Hastelloy X (B) wurden zusammen mit der erfindungsgemäßen Legierung (A) zur Bestimmung der Spannung getestet, die erforderlich ist, um Fehler oder Ausfälle in 300 h als Funktion der Temperatur von 871 bis 1093 ⁰C hervorzurufen» Die Ergebnisse sind in Fig. 9 wiedergegeben. Es ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäße Legierung (A) eine höhere Spannung brauchte, um zu Ausfällen bei Temperaturen über 927 °C zu führen als alle anderen untersuchten Legierungen. Unter 927 ⁰C ist die erfindungsgemäße Legierung der Legierung Haynes 188 (E) geringfügig unterlegen.

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Beispiel IX *

Die Wärmeermüdungseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung (A) wurden mit den Wärmeermüdungseigenschaften von Hastelloy X (B) verglichen . Es wurde ein Test entwickelt, bei dem eine Flamme einer Temperatur von etwa 982 ⁰C periodisch auf eine Materialblechscheibe mit einem Loch in der Mitte gerichtet wurde. Der Umfang der Scheibe wurde eingespannt, um der Ausdehnung zu widerstehen. Die Zahl der Aufheizzyklen durch die Flamme zur Erzeugung eines 0,79 mm-Risses vom zentralen Loch in der Scheibe wurde gemessen. Die Legierung Hastelloy X (B) widerstand etwa 1100 Zyklen, während die Scheibe aus der erfindungsgemäßen Legierung (A) etwa 10 000 Zyklen widerstand. Die Ergebnisse dieses Tests zeigen, daß die erfindungsgemäße Legierung (A) gegenüber der Legierung Hastelloy X (B) überlegene Wärmeermüdungseigenschaften besitzt.

Wenngleich die Erfindung auch im Hinblick auf eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt und beschrieben wurde, wird doch der Fachmann erkennen, daß zahlreiche Änderungen und Weg'lassungen in Form und Einzelheiten erfolgen können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

■ λ .,·■Super legierung auf Kobaltbasis, die Chrom, refraktäre Metalle und Kohlenstoff als die Festigkeit erhöhende Mittel und Eisen und/oder Nickel als phasenstabilisierende Mittel enthält, gekennzeichnet durch einen gesteuerten Chromgehalt zwischen etwa 18 und etwa 30 % und Aluminium in einer Menge zwischen etwa 3,5 und 8,0 % zur Förderung der Bildung einer Aluminiumoxidschicht unter oxydierenden Bedingungen, Hafnium in einer Menge von etwa 0,5 bis etwa 2,0 % und Yttrium in einer Menge von etwa 0,02 bis etwa 0,1 % zur Förderung der Haftung der Aluminiumoxidschicht.
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus etwa 18 bis etwa 30 % Cr, etwa 10 bis etwa 30 % Ni und/oder Fe, etwa 5 bis etwa 15 % W und/oder Mo, etwa 1 bis etwa 5 % Ta und/oder Nb, etwa 0,05 bis etwa 0,6 % C, etwa 3,5 bis etwa 8,0 % Al, etwa 0,5 bis etwa 2 % Hf, bis zu etwa 0,5 % Ti, etwa 0,02 bis etwa 0,1 % Y, bis zu etwa 0,5 % B, Rest im wesentlichen Co, besteht.
3. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie etwa 18 bis etwa 27 % Cr, etwa 10 bis etwa 20 % Ni und/oder Fe, etwa 8 bis etwa 12 % W und/oder Mo, etwa 2 bis etwa 4 % Ta und/oder Nb, etwa 0,25 bis etwa 0,45 % C, etwa 3,5 bis etwa 5,0 % Al, etwa 0,5 bis etwa 2,0 % Hf, bis zu etwa 0,5 % Ti, etwa 0,02 bis etwa 0,07 % Y, bis zu etwa 0,5 % B, Rest im wesentlichen Co enthält.
4. Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie etwa 18 bis etwa 25 % Cr, etwa 13 bis etwa 17 % Ni, etwa 8 bis etwa 10 % W, etwa 2 bis etwa 4 % Ta und etwa 3,7 bis etwa 4,6 % Al enthält.

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5. Verfahren zur Herstellung eines bearbeitbaren Knetlegierungsblechs aus einer Legierung auf Kobaltbasis gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

a) als Legierungsbestandteile etwa 18 bis etwa 27 % Cr, etwa 10 bis etwa 20 % Ni und/oder Fe, etwa 8 bis etwa 12 % W und/oder Mo, etwa 2 bis etwa 4 % Ta und/oder Nb, etwa 0,25 bis etwa 0,4 5 % C, etwa 3,5 bis etwa 5 % Al, etwa 0,5 bis etwa 2 % Hf, bis zu etwa 0,5 % Ti, etwa 0,02 bis etwa 0,07 % Y, bis zu etwa 0,5 % B, Rest im wesentlichen Co, vorgelegt,

b) die Bestandteile unter Vakuum geschmolzen und die geschmolzenen Bestandteile zu Gußstücken vergossen,

c) die Gußstücke dem Elektroschlackenumschmelzen unterworfen,

d) die umgeschmolzenen Gußstücke bei einer Temperatur von etwa 1204 bis 1260 °C etwa 12 bis etwa 16h lang homogenisiert,

e) die homogenisierten Gußstücke bei einer Ausgangstemperatur von etwa 1149 bis 1204 C geschmiedet werden,

f) das geschmiedete Material bei einer Ausgangstempe ratur von etwa 1149 bis 1204 C warmgewalzt und

g) das warmgewalzte Material bei einer Temperatur von etwa 1204 bis 1260 °C für etwa 15 min bis et wa 16 h lösungswärmebehandelt wird.
6. Verwendung der Legierung nach Anspruch 3 zur Herstellung einer Brennkammer für Gasturbinentriebwerke.

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7. Verwendung der Legierung nach Anspruch 3 zur Herstellung eines bearbeitbaren Zwischenprodukts aus-bearbeitbarer Knet-Superlegierung auf Kobaltbasis für die Herstellung weiterer Erzeugnisse zu Verwendungszwecken, bei denen Festigkeit und Beständigkeit gegenüber Oxydation/Korrosion bei erhöhter Temperatur erforderlich ist.

7098-2B/0709