DE2801157A1 - Nickel-chrom-superlegierung - Google Patents
Nickel-chrom-superlegierungInfo
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Description
Thames House, Millbank, London, S.W. 1, Großbritannien
"Nickel-Chrom-Superlegierung"
Die Erfindung bezieht sich auf eine Niekel-Chrom-Superlegierung,
die sich insbesondere als Gußlegierung zum Herstellen von Gegenständen eignet, die wie Gasturbinenteile
bei hohen Temperaturen korrodierenden Medien ausgesetzt sind.
Trotz beachtlicher Fortschritte fordern die Gasturbinenhersteller nach wie vor Werkstoffe mit besseren technologischen
Eigenschaften bei hohen Temperaturen. Dem trägt ein Vorschlag Rechnung, bei Nickel-Superlegierungen den
Kohlenstoffgehalt verhältnismäßig niedrig zu halten und den Borgehalt auf o,o5 bis 0,3%, vorzugsweise höchstens
0,2596 oder auch auf höchstens 0,15% einzustellen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Nickel-Chrom-Legierung
mit weiter verbesserten Hochtemperatureigenschaften zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe basiert
darauf, daß sich bei in bestimmter Weise zusammengesetzten Nickel-Chrom-Superlegierungen eine Verbesserung
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der Hochtemperatureigenschaften bei Borgehalten über 0,3 bis 1,296 einstellt. Im einzelnen besteht die Erfindung aus
einer Nickel-Chrom-Superlegierung mit 14 bis 22% Chrom, 5
bis 25% Kobalt, 1 bis 5% Wolfram, 0,5 bis 3% Tantal, 2 bis 596 Titan, 1 bis 4,596 Aluminium bei einer Wirksumme von Titan
und Aluminium von 4,5 bis 9%, 0 bis 2% Niob, über 0,3 bis 1,296 Bor, ο bis 3,5% Molybdän, 0 bis 0,596 Zirkonium,
0 bis 0,296 Yttrium und/oder Lanthan und 0 bis 0,1% Kohlenstoff, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen
Nickel.
Im Hinblick auf eine hohe Korrosionsbeständigkeit enthält die Legierung mindestens 14%, jedoch höchstens 22% Chrom,
um die Gefahr eines Auftretens von Sigma-Phase bei hohen Betriebstemperaturen zu vermeiden. Vorzugsweise beträgt
der Chromgehalt 15 bis 21%, beispielsweise 15 bis 17% oder auch 19 bis 21%. Kobaltgehalte von 5 bis 25% wirken verfestigend,
während über 25% Kobalt die Gefahr eines Auftretens von Sigma-Phase mit sich bringen. Vorzugsweise beträgt
der Kobaltgehalt 5 bis 22%, beispielsweise 7 bis 20%.
Auch Tantal, Titan, Aluminium und Niob wirken verfestigend. Die Legierung muß daher mindestens 0,5% Tantal enthalten,
wenngleich der Tantalgehalt vorzugsweise 0,8 bis 2,5%, beispielsweise 1,0 bis 2,0% beträgt und über 3% Tantal versprödend
wirken. Die Legierung kann bis 2% Niob enthalten. Vorzugsweise beträgt der Niobgehalt jedoch mindestens 0,2%
oder auch mindestens 0,5%. Über 2% Niob wirken versprödend, weswegen der Niobgehalt vorzugsweise 1,5% nicht übersteigt.
Die Legierung muß 2 bis 5% Titan und 1 bis 4,5% Aluminium bei einem Gesamtgehalt von 4,5 bis 9%, vorzugsweise höchstens
8,5% enthalten. Höhere Gehalte dieser Elemente führen zu einer Versprödung. Vorzugsweise enthält die Legierung je-
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doch 2,5 bis 4,596, beispielsweise 3 bis 4% Titan und 1,5
bis 4%, beispielsweise 1,8 bis 3,8% Aluminium.
Ein optimales Zeitstandverhalten setzt eine Korrelation der Gehalte an Titan, Aluminium, Niob, Tantal und Chrom
entsprechend der folgenden Bedingung voraus:
(96Ti) + (%A1) + (JQSSb) + 0,5 (96Ta) + 0,2 (%Cr) = 11,2 bis 12,4
Der Borgehalt erweist sich als kritisch bezüglich der angestrebten
technologischen Eigenschaften und muß daher über 0,3% liegen und darf 1,2% nicht übersteigen. Andernfalls
wird die Zeitstandfestigkeit beeinträchtigt. Vorzugsweise enthält die Legierung jedoch 0,4 bis 1%, beispielsweise mindestens
0,5% Bor. Unter Berücksichtigung des Borgehaltes sollte der Kohlenstoffgehalt so gering wie möglich sein. Er
darf 0,1% nicht übersteigen und beträgt vorzugsweise höchstens 0,05%, besser noch höchstens 0,03%, da der Kohlenstoff
die Zeitstandfestigkeit beeinträchtigt.
Auch die Legierungsbestandteile Wolfram und Molybdän verbessern die Festigkeit der Legierung, die 1 bis 5%, vorzugsweise
1,5 bis 4%, beispielsweise 1,8 bis 3% Wolfram sowie gegebenenfalls höchstens 3,5%, vorzugsweise 0,2 bis 2% Molybdän
enthält. Zirkonium verbessert die Festigkeit und Duktilität der Legierung, die fakultativ höchstens 0,5% Zirkonium
und vorzugsweise 0,01 bis 0,3%, beispielsweise 0,02 bis 0,2% Zirkonium enthält.
Des weiteren kann die Legierung zur Verbesserung ihrer Duktilität bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan enthalten. Höhere
Gehalte beeinträchtigen hingegen die Duktilität.
Eine optimale Eigenschaftskombination besitzt eine Legierung
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mit höchstens 0,6% Bor, 15 bis 17% Chrom und 7 Ms 10% Kobalt
oder mit 19 bis 21% Chrom und 13 bis 17% Kobalt sowie jeweils
2.1 bis 2,8% Wolfram, 1,4 bis 2,0% Tantal, 3,2 bis 4,0% Titan,
2.2 bis 3,8% Aluminium, 0,5 bis 1,5% Niob, 0,6 bis 1,0% Bor,
0,2 bis 2,0% Molybdän, 0,03 bis 0,08% Zirkonium, 0 bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan und 0 bis 0,03% Kohlenstoff, Rest
einschließlich erschmelzungsbedxngter Verunreinigungen Nickel, insbesondere wenn sie der obenerwähnten Abstimmungsregel genügt.
Von den Verunreinigungen beeinträchtigt das Silizium die Korrosionsbeständigkeit,
weswegen die Legierung weniger als 1%, vorzugsweise unter 0,5% Silizium enthalten sollte. Weiterhin
zählen zu den Verunreinigungen bis 1% Mangan und bis 3% Eisen.
Zur weiteren Verbesserung der Zeitstandfestigkeit kann die Legierung lösungsgeglüht und anschließend ausgehärtet werden.
Hierfür eignet sich ein ein- bis zwölfstündiges Lösungsglühen bei 1100 bis 1180°C und ein anschließendes acht- bis
achtundvierzigstündiges Aushärten bei 800 bis 9000C. Stattdessen
kommt aber auch ein zweistufiges Aushärten, d.h. ein vier- bis vierundzwanzigstündiges Glühen bei 900 bis 10000C
und ein acht- bis achtundvierzigstündiges Glühen bei 700 bis 8000C infrage. Die Abkühlungsgeschwindigkeit nach dem
jeweiligen Glühen ist nicht entscheidend, weswegen das Abkühlen im allgemeinen an Luft erfolgt.
Zur Entwicklung der mechanischen Eigenschaften eignen sich jedoch auch andere für diesen Typ Legierung bekannte Wärmebehandlungen.
Außerdem kann die Legierung besonderen Gießbedingungen unterworfen werden, beispielsweise einem gerichteten
Erstarren.
Im wärmebehandelten Zustand nimmt die minimale Standzeit der
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Legierung mit zunehmendem Chromgehalt teilweise at». So besitzt eine 15 bis 1796 enthaltende Legierung bei einer Belastung
von 550 N/mm und einer Temperatur von 760 C eine
Mindeststandzeit von 260 Stunden, die sich bei Chromgehalten
von 19 Ms 21% auf mindestens 200 Stunden verringert. Andererseits
besitzt die obenerwähnte besonders bevorzugte Legierung die beste Zeitstandfestigkeit bei höheren Chromgehalten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.
Im Vakuum wurden die aus der nachfolgenden Tabelle I ersichtlichen
Legierungen erschmolzen und zu Probeteilen vergossen, aus denen nach einer Wärmebehandlung einzelne Proben
herausgearbeitet wurden. Der Legierungsrest bestand in allen Fällen aus Nickel. Die Wärmebehandlung bestand im Falle
der Legierung A und 1 bis 4 aus einem zweistündigen Lösungsglühen bei 11210C mit Luftabkühlen sowie einem vierundzwanzigstündigen
Aushärten bei 8430C sowie bei den Legierungen B, 5 und 6 aus einem vierstündigen Lösungsglühen
bei 11600C mit Luftabkühlen und einem sechzehnstündigen Aushärten
bei 8500C, jeweils mit Luftabkühlen. Die Ergebnisse von Zeitstandversuchen mit diesen Proben sind in der nachfolgenden
Tabelle II zusammengestellt. Darin fallen die Legierungen 1 bis 6 unter die Erfindung, während es sich bei den
Legierungen A und B um außerhalb der Erfindung liegende Vergleichslegierungen handelt.
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O) H H Φ ,Ω co
O
CvJ |
v- ro |
d |
O
VO |
d |
O
CV] |
O
-Ct |
O
VO |
|
pqg | d | d | 0.054 | d | 0.054 | d | d | d |
N>R | 0,055 | 0.054 |
LA
-Ct |
0.050 |
ro
-Cf |
50*0 | 50*0 | 50*0 |
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ro |
ro
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ro | ro VO |
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CvJ | CvJ | ro O- |
CvJ |
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oo | ω | O- | ω | ro | <t V- |
LA
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O | O | O | O | O | 0.01 |
O
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0.01 | |
O | O | ro | O | LA | -Ct | IA | ||
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QO O CD
N)
co
N>
Legierung | 550 N/mm2 Standzeit W |
/7600C Dehnung 00 |
330 N/mm Standzeit (h) |
2/8i6°C Dehnung CJi) |
228 N/mm Standzeit (h) |
2/927°C Dehnung (%) |
A | 250 | 6,3 | 1001 | 5,0 | 62 | 13,3 |
1 | 267 | 5,9 | 1007 | 10,3 | 71 | 11,9 |
2 | 321 | 7,1 | 1067 | 8,7 | 62 | 13,8 |
3 | 363 | 5,8 | 1735 | 10,0 | 58 | 14,6 |
4 | 454 | 4,8 | 1173 | 7,2 | 80 | 11,3 |
B | 185 | 3,3 | 33 | 7,4 | ||
5 | 217 | 4,0 | ^ 504 | - | 39 | 14,8 |
6 | 658 | 2,6 | 910 | 2,5 | 61;9O | 5,1;5,4 |
CX) CD
cn
Die Daten der Tabelle II zeigen, daß die niedrigeren Chromgehalte der Legierungen 1 bis 4 im Vergleich zu der Legierung
A eine bessere Standzeit und Dehnung ergeben. In ähnlicher Weise besitzen aber auch die Legierungen 5 und 6 mit
höherem Chromgehalt eine bessere Standzeit und Dehnung als die Legierung B.
Des weiteren ergibt sich aus der Tabelle II, daß die Zeitstandfestigkeiten
der nominell 16% Chrom enthaltenden Legierungen
1 bis 4 bei 76O°C und einer Belastung von 55O0C
mit dem Borgehalt zunehmen und bei einem Borgehalt von 0,60%
sowie 8160C und einer Belastung von 330 N/mm ein Optimum erreichen,
während sich für alle Legierungen bei 927°C und einer Belastung von 228 N/mm hohe Zeitstandfestigkeiten ergeben.
Bei den höhere Chromgehalte aufweisenden, d.h. nominell 20% Chrom enthaltenden Legierungen 5 und 6, erhöht sich die Zeitstandfestigkeit
mit zunehmendem Borgehalt bis 0,80%. Daraus erklären sich die bevorzugten Borgehalte von 0,4%, vorzugsweise
0,5% bis 1,0%.
Bei weiteren Versuchen standen sich zwei nach der Erfindung besonders bevorzugte Legierungen 7 und 8 sowie eine unter
der Bezeichnung IN-792 bekannte Legierung C mit den aus der nachfolgenden Tabelle III ersichtlichen Zusammensetzungen
gegenüber. In allen Fällen enthielten die Legierungen Nickel als Rest. Die Proben wurden in der bereits beschriebenen Weise
vorbereitet, zunächst jedoch lösungsgeglüht und vier Stunden
bei 1150°C und sechzehn Stunden bei 8500C, jeweils mit Luftabkühlung
ausgehärtet. Anschließend wurden mit den Versuchslegierungen Zeitstandversuche angestellt, deren Ergebnisse
die nachfolgende Tabelle IV wiedergibt.
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Legierung | Cr (Ji) |
5 | 0 | C (Ji) |
1 | Co (Ji) |
Mo (Ji) |
W (Ji) |
31 | Nb (Ji) |
98 | Ta (Ji) |
63 | Ti (Ji) |
70 | Al (Ji) |
Zr (Ji) ( |
B :jo |
79 |
7 | 20. | 0 | 0 | .021 | 1 | 5.0 | 0.53 | 2. | 2 | 0. | 0 | 1. | 5 | 3. | 6 | 2.64 | 0.065 | 0. | 80 |
8 | 20. | 6 | 0 | .01 | 5.0 | 0.50 | 2. | 91 | 1. | 1. | 95 | 3. | 30 | 2.5 | 0.05 | 0. | 018 | ||
C | 12. | .125 | 9.0 | 1.98 | 3. | - | 3. | 4. | 3.62 | 0.08 | 0. | ||||||||
'. ielastung | Temp, | Legierung 7 | 2.7 | Legierung C | Dehnung (Ji) |
N/mm^) | Cuc) | Standzeit Dehnung (H) (Ji) |
2.5 | Standzeit (h) |
5.2 |
620 | 760 | 498 | 161 | 5.2 | |
550 | Il | 1797 | x 2>5x | 499 | 2.6 |
500 | Il | >2089 | 3.1 | 1668 | _ |
545 | 816 | 133 | 5.2 | 6.0 | |
414 | 816 | 581 | 3.6 | 543 | 4.4 |
400 | tt | 873 | x 1>?x | 917 | 3.7 |
345 | Il | 2461 | 2085 | - | |
330 | If | 3404 | 8.2 | - | |
300 | It | >2785 | 4.7 | A1439 | 8.2 |
269 | 927 | 97 | 6.2 | 133 | |
228 | ti | 199 | 8.2 | ||
200 | It | 516 | x 6.8X | 692 | |
154 | Il | >1336 | >985 | ||
152 | 980 | 185 | |||
x) 8
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Die Daten der Tabelle IV zeigen, daß die unter die Erfindung fallenden Legierungen 7 und 8 eine Zeitstandfestigkeit besitzen,
die mindestens der der bekannten Legierung C entspricht, in einigen Fällen, insbesondere jedoch bei niedrigeren
Temperaturen, beispielsweise bei 7600C, wesentlich besser ist. Ähnliches gilt für die Dehnung, die für die Legierungen
7 und 8 bei 7600C erheblich besser ist.
Ein Vergleich der Zeitstandfestigkeiten der Legierungen 7 und 8 mit den bekannten Daten einer anderen herkömmlichen
Nickel-Chrom-Legierung IN-100 erweist ebenfalls ihre Überlegenheit
bei einer Temperatur von 7600C und mindestens eine Gleichwertigkeit bei 8160C, 927°C und 9800C.
Außer einer hohen Zeitstandfestigkeit besitzt die Legierung eine bessere Korrosionsbeständigkeit, wie Versuche mit zylindrischen,
in eine Schmelze aus 25% Natriumchlorid und 75%
Natriumsulfat tauchenden Proben ergaben. So führte ein dreihundert Stunden dauernder Versuch bei 9000C, während dessen die
Salzschmelze nach einhundertfünfzig Stunden wieder aufgefüllt wurde, zu einem an der entzunderten Probe gemessenen Gewichtsverlust
von nur 2 mg/cm . Ein weiterer Versuch unter erschwerten Bedingungen bei derselben Temperatur und einem Wiederauffüllen
nach je vierundzwanzig Stunden ergab einen Gewichtsverlust von nur 16 mg/cm .
Hingegen betrug der Gewichtsverlust bei einer Probe der Vergleichslegierung
C nach einer Tauchzeit von nur 48 Stunden bei 8500C schon 562 mg/cm2.
Die Legierung eignet sich als Knet- und Gußlegierung für Gegenstände, die wie Rotor- und Statorschaufein und einstückigen
beschaufelten Läufern von Gasturbinen bei hohen Temperaturen belastet werden und korrodierenden Medien ausgesetzt sind.
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Claims (20)
1. Warmfeste Nickel-Chrom-Superlegierung mit 14 bis 22% Chrom,
5 bis 25% Kobalt, 1 bis 5% Wolfram, 0,5 bis 3% Tantal, 2 bis
5% Titan, 1 bis 4,5% Aluminium bei einem Gesamtgehalt von
Titan und Aluminium von 4,5 bis 9%, 0 bis 2% Niob, über 0,3 bis 1,2% Bor, 0 bis 3,5% Molybdän, 0 bis 0,5% Zirkonium,
0 bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan, 0 bis 0,1% Kohlenstoff, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen
Nickel.
2. Legierung nach Anspruch 1, deren Borgehalt jedoch mindestens 0,4% beträgt.
3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, deren Börgehalt jedoch
höchstens 1% beträgt.
4. Legierung nach Anspruch 2 oder 3, deren Borgehalt jedoch mindestens 0,5% beträgt.
5. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, deren Kohlenstoffgehalt jedoch höchstens 0,05% beträgt.
6. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5»
deren Chromgehalt jedoch 15 bis 21% beträgt.
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7. Legierung nach Anspruch 6, deren Chromgehalt jedoch höchstens
1796 beträgt.
8. Legierung nach Anspruch 6, deren Chromgehalt jedoch mindestens 19% beträgt.
9. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, deren Kobaltgehalt jedoch 5 bis 22% beträgt.
10. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9»
deren Tantalgehalt jedoch 0,8 bis 2,5% beträgt.
11. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, die jedoch mindestens 0,5% Niob enthält.
12. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,
die jedoch 2,5 bis 4,5% Titan enthält.
13. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, die jedoch 1,5 bis 4% Aluminium enthält.
14. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13,
deren Gehalte an Titan, Aluminium, Niob, Tantal und Chrom die folgende Abstimmungsregel erfüllen:
(%Ti) + (%A1) + (%Nb) +0,5 (%Ta) +0,2 (%Cr) = 11,2 bis 12,4.
15. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, deren Wolframgehalt jedoch 1,5 bis 4% beträgt.
16. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15,
die jedoch 0,2 bis 2% Molybdän enthält.
17. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16,
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die jedoch 0,01 bis 0,3% Zirkonium enthält.
18. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 15 bis 1796 Chrom,
7 bis 10% Kobalt, 2,1 bis 2,8% Wolfram, 1,4 bis 2,0% Tantal,
3,2 bis 4,0% Titan, 2,2 bis 3,8% Aluminium, 0,5 bis 1,5% Niob, 0,6 bis 1,0% Bor, 0,2 bis 2,0% Molybdän, 0,03 bis 0,08% Zirkonium,
0 bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan und 0 bis 0,03% Kohlenstoff enthält.
19. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 19 bis 21% Chrom,
13 bis 17% Kobalt, 2,1 bis 2,8% Wolfram, 1,4 bis 2,0% Tantal, 3,2 bis 4,0% Titan, 2,2 bis 3,8% Aluminium, 0,5 bis 1,5%
Niob, 0,6 bis 1,0% Bor, 0,2 bis 2,0% Molybdän, 0,03 bis 0,08%
Zirkonium, 0 bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan und 0 bis 0,03% Kohlenstoff enthält.
20. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 19 als Werkstoff für Gegenstände, die wie Gasturbinenteile
eine hohe Zeitstandfestigkeit, Dehnung und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen besitzen müssen.
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