DE2712692A1 - Nickel-chrom-legierung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Nickel-Chrom-Legierung insbesondere mit hoher Warmfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit als Werkstoff für Gasturbinenteile.

Gasturbinenteile erfordern einen Werkstoff mit hoher Warmfestigkeit, insbesondere mit hoher Zeitstandfestigkeit bei etwa 980°C, guter Duktilität bei Zwischentemperaturen, insbesondere bei etwa 760°C, hoher Korrosionsbeständigkeit beispielsweise gegenüber Kerosin und dessen Verbrennungsprodukten sowie Schwefel und Chloriden, hoher Oxydationsbeständigkeit insbesondere bei etwa 1093°C, ausreichender Gefügestabilität und hoher Temperaturwechselbeständigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Chrom-Nickel-Legierung zu schaffen, die den vorerwähnten Anforderungen genügt. Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf der Feststellung, dass dies bei einer Chrom, Tantal und Wolfram enthaltenden Nickel-Legierung der Fall ist, wenn deren Einzelgehalte in bestimmter Weise aufeinander abgestimmt sind.

Im einzelnen besteht die Erfindung in einer Chrom-Nickel-Legierung mit 11,5 bis 16% Chrom, 0 bis 5% Tantal und/oder Wolfram bei einem Wolframgehalt von höchstens 3% und einem Gesamtgehalt an Chrom, sowie jeweils einem Drittel der Gehalte an Tantal und Wolfram von 13,35 bis 17,5%, 4,3 bis 5% Aluminium, 4 bis 5% Titan bei einem Gesamtgehalt an Aluminium und Titan von mindestens 8,5%, 2 bis 4% Molybdän, 0 bis 10% Kobalt, 0 bis 0,2% Kohlenstoff, 0 bis 0,4% Bor, 0 bis 0,2% Zirkonium und 0 bis 2% Hafnium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel.

Der Nickelgehalt beträgt vorzugsweise mindestens 55%. Außerdem enthält die Legierung im Hinblick auf eine hohe Aufschwefelungsbeständigkeit und Warmfestigkeit vorzugsweise mindestens 1,5% Tantal und/oder Wolfram, beispielsweise mindestens 2%, besser noch 4,5% Tantal oder 2% Wolfram. Der Kobaltgehalt beträgt vorzugsweise mindestens 4%, beispielsweise 2% oder auch höchstens 7%.

Die Legierung enthält im Hinblick auf eine hohe Festigkeit und Duktilität bei hohen Temperaturen bis 0,2% Kohlenstoff, vorzugsweise mindestens 0,02% oder auch mindestens 0,08% sowie 0,01 bis 0,02% Bor und 0,06% bis 0,1% Zirkonium. Besonders bewährt haben sich für eine hohe Warmduktilität und guter Vergießbarkeit höhere Borgehalte von 0,15 bis 0,3% bei gleichzeitig geringen Kohlenstoffgehalten von 0,02 bis 0,05%.

Angesichts der angestrebten Kombination von Festigkeit, Duktilität, Gefügestabilität und Korrosionsbeständigkeit, insbesondere Oxydations- und Aufschwefelungsbeständigkeit, muß der Chromgehalt 11,5 bis 16% betragen; er liegt vorzugsweise bei 13,5 bis 15,5%, während der Gesamtgehalt an Aluminium und Titan mindestens 8,5%, vorzugsweise höchstens 9,5%, der Kobaltgehalt höchstens 8%, vorzugweise 4 bis 7% und der Kohlenstoffgehalt 0,08 bis 0,20% betragen. Der Gesamtgehalt an Tantal und/oder Wolfram darf bei einem Wolframgehalt von höchstens 3%, vorzugsweise von mindestens 1,5% und fehlendem Tantal oder auch höchstens 3%, vorzugsweise von mindestens 1,5% und fehlendem Tantal oder auch höchstens 0,5% Tantal, 5% nicht übersteigen. Die Legierung kann 2 bis 5% Tantal und ggf. höchstens 0,5% Wolfram enthalten. Im Falle einer Legierung mit bis 3% Wolfram und bis 5%Tantal sollte der Gesamtgehalt an Wolfram und 2/3 des Tantalgehalts vorzugsweise 1,5 bis 3% ausmachen. Die Legierung enthält vorzugsweise 0,1 bis 0,02% Bor und 0,05 bis 0,15% Zirkonium.

Die angestrebten Eigenschaften der Legierung sind nur dann gewährleistet, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist

(%Cr)+1/3(%Ta + %W) = 13,35% bis 17,5%.

Schließlich enthält die Legierung mindestens 55% Nickel. Eisen und Niob zählen zu den unerwünschten Verunreinigungen und sollten daher weitestgehend fehlen; so sollte die Legierung beispielsweise höchstens je 1% Eisen und Niob, vorzugsweise höchstens 0,5% Eisen und Niob enthalten. Molybdän, Wolfram und Tantal sind nicht äquivalent und müssen daher innerhalb der angegebenen Gehaltsgrenzen eingestellt werden. Zudem sollte die Legierung möglichst wenig von solchen Elementen wie Schwefel und Phosphor enthalten, die sich bei warmfesten Nickel-Legierungen als schädlich erwiesen haben.

Die Legierung eignet sich als Guss- und Knetlegierung, gegebenenfalls mit einer Wärmebehandlung. Vorzugsweise wird die Legierung im Vakuum-Induktionsofen erschmolzen und unter Vakuum in keramischen Formen vergossen. Eine Wärmebehandlung im Anschluss an das Vergießen kann aus einem ein- bis dreistündigen Glühen bei 1090 bis 1150°C, einem Luft- abkühlen, 20 bis 30stündigen Glühen bei 815 bis 870°C, beispielsweise im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit und die mechanischen Eigenschaften aus einem zweistündigen Glühen bei 1120°C und einem vierundzwanzigstündigen Glühen bei 843°C bestehen. Diese Wärmebehandlung ergibt ein Zwei-Phasen-Gefüge mit großem und kleinem Korn sowie einem primären Gamma-Gefüge aus sphärolitischem, nicht gebänderten Chromkarbiden des Typs Cr[tief]23C[tief]6 an den Korngrenzen des Gussgefüges und einer Gamma-Matrix, ohne dass es beim Glühen zu einer Korngrößenänderung kommt.

Eine besonders gute Kombination von Festigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit ergibt sich bei geglühten Gussstücken aus einer Legierung mit 2% Wolfram, 14% Chrom, 6% Kobalt, 3% Molybdän, 4,5% Aluminium, 4,5% Titan, 0,15% Kohlenstoff, 0,015 bis 0,02% Bor und 0,06 bis 0,1% Zirkonium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel oder aus 4,5% Tantal, 14% Chrom, 6% Kobalt, 3% Molybdän, 4,5% Aluminium, 4,5% Titan, 0,15% Kohlenstoff, 0,015 bis 0,02% Bor und 0,06 bis 0,1% Zirkonium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.

Beispiel 1

In einem Vakuum-Induktionsofen wurde aus jungfräulichem Material bzw. Nickelpellets, Kobaltronden und Titanschwamm eine Legierung mit 14% Chrom, 6% Kobalt, 3% Molybdän, 2%

Wolfram, 4,5% Aluminium, 4,5% Titan und 66% Nickel erschmolzen, der etwa 0,15% Kohlenstoff mit Hilfe eines Graphitstabs und 0,02% Bor in Form einer 17% Bor enthaltenden Bor-Nickel-Vorlegierung zugesetzt wurden. Die Schmelze wurde alsdann unter Vakuum zu einem Block vergossen. Dieser Block wurde analysiert und unter Vakuum umgeschmolzen sowie auf einen Chromgehalt von 0,3% gebracht. Die Schmelze wurde alsdann unter Vakuum in auf 982°C vorgewärmte Formen aus einem sphärolitisches Kobaltoxyd enthaltenden keramischen Werkstoff vergossen. In der nachfolgenden Tabelle sind die chemischen Zusammensetzungen und die technologischen Eigenschaften dieser umgeschmolzenen Legierung 1 zusammengestellt. Des weiteren wurden im Vakuum-Induktionsofen Legierungen 2 bis 6 erschmolzen, umgeschmolzen und in der angegebenen Weise analysiert und untersucht. Beim Umschmelzen wurden den Legierungen höchstens 1% Chrom und 0,2% Titan zugesetzt.

Sämtliche Legierungen enthielten als Rest Nickel; ihre Korrosionsbeständigkeit wurde mit Hilfe einer Brenner-Flamme bestimmt. Die Korngröße ergab sich anhand von Schliffen und Zugfestigkeit- und Zeitstandfestigkeitsproben mit oder ohne Wärmebehandlung von 1,6 bis 3,2 mm.

Tabelle I

Tabelle II

Die Legierungen 1 bis 6 wurden im wärmebehandelten Zustand (Daten der jeweils ersten Zeile) und die Legierungen 1 bis 4 auch im Gusszustand (Daten der jeweils zweiten Zeile) untersucht. Bei der Wärmebehandlung wurden Zugproben mit einem Durchmesser von 6,35 mm im Gusszustand zwei Stunden unter Argon bei 1121°C geglüht, in ruhender Luft auf Raumtemperatur abgekühlt, anschließend 24 Stunden bei 843°C geglüht sowie an Luft abgekühlt.

Die Dehnungswerte beziehen sich auf eine Probelänge von 31,75 mm, während für die Härte Durchschnittswerte von fünf Versuchen angegeben sind.

Die Korrosionsversuche wurden in einer Atmosphäre aus einem Turbinenabgas bei hoher Temperatur durchgeführt. Eine hohe Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen ist bei Turbinenwerkstoffen selbst dann von großer Wichtigkeit, wenn die betreffenden Turbinenteile einen korrosionsbeständigen Überzug erhalten, da im Falle einer Beschädigung des Überzugs die Werkstoffoberfläche für das korrodierende Medium zugänglich ist. Die für den Korrosionsversuch benutzte Vorrichtung entsprach im wesentlichen der in

American Society for Testing of Metals, Special Technical Publications 421, 1967

beschriebenen. Dabei befanden sich die Proben auf einem rotierenden Tisch in einem Ofen und wurden mit der heißen Flamme eines mit 0,3% Schwefel enthaltendem Kerosin JP-5 sowie einem Luft/Brennstoff-Verhältnis von 30:1 betriebenen Brenners beaufschlagt. Außerdem wurden in die Verbrennungsluft 5 ppm Meersalz gegeben. Die Proben wurden in bestimmten Zeitabständen aus dem Ofen herausgenommen, an Luft abgekühlt und erneut in den Ofen gebracht; sie besaßen einen Durchmesser von 3,175 mm und eine Länge von 50,8 mm sowie eine Rauhtiefe von 0,38 bis 0,51 µm.

Die Gasgeschwindigkeit betrug 7,5 m/s bei einer Ofentemperatur von 927°C. Jeder Zyklus bestand aus einer Ofenzeit von 58 min. und einem zwei Minuten dauernden Abkühlen mit Hilfe eines Luftstrahls bei einer Versuchszeit von 168 Stunden. Die Proben wurden zu Beginn jedes Versuchs ausgewogen, in Alkohol entfettet und bei Versuchsende in einem Abstand von 12,7 mm von Probenkopf unterteilt. Von den 12,7 mm langen Proben wurden Schliffe angefertigt, um, ausgehend von dem ursprünglichen Probendurchmesser die Eindringtiefe festzustellen.

Die Oxydationsversuche zu Tabelle II wurden bei 1093°C in einem zur Beschleunigung der Oxydation verhältnismäßig stark mit 5% Wasser beladenen Heißluftstrom einer Temperatur von 1100°C bei einer spezifischen Luftmenge von 250 cm[hoch]3/min. bzw. einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 cm/s durchgeführt. Die Proben wurden insgesamt 504 Stunden lang zyklisch jeweils 24 Stunden oxydiert und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. Dabei wurden zylindrische Proben mit einem Durchmesser von 7,6 mm und einer Länge von 19,05 eingesetzt, die spitzenlos auf eine Rauhtiefe von 0,38 bis 0,51 µm geschliffen worden waren. Nach 21 Zyklen wurden die Proben erstmals entzundert und ausgewogen. Die dabei festgestellten Gewichtsverluste sind aus Tabelle II ersichtlich.

Die Daten der Tabelle II zeigen, dass die Legierung mit einer Eindringtiefe nicht über 508 µm bei dem 168-Stunden-Brennversuch generell eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine hohe Standzeit von mindestens 30 Stunden bei 982°C und eine Belastung von 199,9 N/mm[hoch]2, eine mindestens 2%ige Dehnung bei 760°C sowie nach einem zweistündigen Glühen bei 1121°C und einem vierundzwanzigstündigen Glühen bei 843°C eine ausgezeichnete Oxydationsbeständigkeit besitzt. Hinsichtlich der Korrosions- bzw. Abgasbeständigkeit zeichnen sich die Legierungen 1 und 3 bis 6 besonders aus.

Die in Rede stehende Legierung eignet sich insbesondere als Werkstoff für Gussstücke wie Rotor- und Statorschaufeln sowie andere Teile von Gasturbinen aller Art sowie für hitzebeständige und korrosionsbeständige Teile wie beispielsweise Anker, Verbindungen, Lager, Zapfen, Schrauben und Klemmen. Außerdem kann die Legierung ein homogenes oder auch Mehrkorn-Erstarrungsgefüge aufweisen und eignet sich für ein willkürliches, gesteuertes oder auch gerichtetes Erstarren sowie jede Erstarrungsgeschwindigkeit. Andererseits eignet sich die Legierung jedoch auch als Knetwerkstoff sowie für eine pulvermetallurgische Verwendung.

Claims (15)

1. Chrom-Nickel-Legierung, bestehend aus 11,5 bis 16% Chrom, 0 bis 5% Tantal und/oder Wolfram bei einem Wolframgehalt von höchstens 3% und einem Gesamtgehalt an Chrom sowie je einem Drittel des Tantal- und des Wolframgehalts von 13,35 bis 17,5%, 4,3 bis 5% Aluminium, 4 bis 5% Titan bei einem Gesamtgehalt an Aluminium und Titan von mindestens 8,5%, 2 bis 4% Molybdän, 0 bis 10% Kobalt, 0 bis 0,2% Kohlenstoff, 0 bis 0,4% Bor, 0 bis 0,2% Zirkonium und 0 bis 2% Hafnium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel.

2. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch mindestens 1,5% Tantal und/oder Wolfram enthält.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die jedoch 13,5 bis 15,5% Chrom enthält.

4. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, die jedoch 4 bis 7% Kobalt enthält.

5. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, die jedoch höchstens 9,5% Aluminium und Titan enthält.

6. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, die jedoch mindestens 0,02% Kohlenstoff enthält.

7. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, die jedoch mindestens 0,08% Kohlenstoff enthält.

8. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, die jedoch höchstens 0,05% Kohlenstoff enthält.

9. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, die jedoch 0,01 bis 0,02% Bor enthält.

10. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, die jedoch 0,15 bis 0,3% Bor enthält.

11. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, die jedoch 0,05 bis 0,15% Zirkonium enthält.

12. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, die jedoch 0,06 bis 0,1% Zirkonium enthält.

13. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, die jedoch mindestens 2% Tantal enthält.

14. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, die jedoch im Gusszustand 1 bis 3 Stunden bei 1090 bis 1150°C geglüht, an Luft abgekühlt, anschließend 20 bis 30 Stunden bei 815 bis 870°C geglüht und an Luft abgekühlt worden ist.

15. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 14 als Werkstoff für Gegenstände, die wie Gasturbinenteile eine hohe Warmfestigkeit, insbesondere Zeitstandfestigkeit, eine hohe Duktilität bei Zwischentemperaturen, eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber Verbrennungsprodukten, Schwefel und Chloriden, eine gute Oxydationsbeständigkeit und Gefügestabilität sowie eine gute Temperaturwechselbeständigkeit besitzen müssen.