DE2801157C2

DE2801157C2 - Nickel-Chrom-Superlegierung

Info

Publication number: DE2801157C2
Application number: DE2801157A
Authority: DE
Inventors: Stuart Walter Ker Sutton Coldfield West Midlands Shaw
Original assignee: INCO EUROPE Ltd LONDON GB
Current assignee: INCO EUROPE Ltd LONDON GB
Priority date: 1977-01-13
Filing date: 1978-01-12
Publication date: 1986-04-24
Also published as: CA1098736A; DE2801157A1; FR2377456B1; IT7847590A0; SE443158B; FR2377456A1; IT1103112B; SE7800352L; GB1544720A; CH627788A5; JPS6053100B2; JPS5389820A

Description

(% Ti) + (% Al) + (% 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, die jedoch 0,01 bis 0,3% Zirkonium enthält

18. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 15 bis 17% Chrom, 7 bis 10% Kobalt, 2,1 bis 2,8% Wolfram, i,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 !,diejedoch 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

•45 Gasturbinenteile eine hohe Zeitstandfestigkeit, Dehnung und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen besitzen müssen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Nickel-Chrom-Superlcgierung, 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-Superlegicrungen den Kohlenstoffgehalt verhältnismäßig niedrig zu halten und den Borgehalt auf 0,05 bis 0,3%, vorzugsweise höchstens 0,25% 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 wi Weise zusammengesetzten Nickel-Chrom-Superlegierungen eine Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften bei Borgehalten über 0,3 bis 1,2% einstellt. Im einzelnen besteht die Erfindung aus einer Nickel-Chrom-Superlegierung mit 14 bis 22% Chrom, 5 bis 25% Kobalt, I bis 5% Wolfram, 0,5 bis 3% Tantal, 2 bis 5% Titan, 1 bis 4,5% Aluminium bei einer Wirksumme 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 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%. Kobaltgehaltc

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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 fuhren zu einer Versprödung. Vorzugsweise enthält die Legierung jedoch 2,5 bis 4,5%, 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:

(% Ti) + (% Al) + (% Nb) + 0,5 (% Ta) + 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 una betrügt 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 I 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 lnrer Duktilität bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan enthalten. Höhere Gehalte beeinträchtiget, hingegen die Duktilität.

Eine optimale Eigenschaftskombination besitzt eine Legierung mit höchstens 0,6% Bor, 15 bis 17% Chrom und 7 bis 10% Kobalt oder mit 19 bis 21% Chrom und 13 bis 17% Kobalt sowiejeweils 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 erschmelzungsbedingter 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,"¹A Silizium enthalten sollte. Weiterhin zählen zu den Verunreinigungen bis 1% Mangan und bis 3% Eisen.

Zur weiteren Verbesserung der Zeitstanrifestigkeii kann die Legierung lösungsgeglüht und anschließend ausgehärtet werden. Hierfür eignet sich ein ein- bis zwölfstündiges Lösungsglühen bei 1100 bis 1180⁰C und ein anschließendes acht- bis achtundvierzigstündiges Aushärten bei 800 bis 900°C. Stattdessen kommt aber auch ein zweistufiges Aushärten, d. h. ein vier- bis vierundzwanzigstündiges Glühen bei 900 bis 1000⁰C ir.ui ein achtbis achtundvierzigstündiges Glühen bei 700 bis 800⁰C infrage. Die Abkühlungsgeschwindigkeit nach dem 4<j 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 Legierung mit zunehmendem Chromgehalt teilweise ab. So besitzt eine 15 bis 17% enthaltende Legierung bei einer Belastung von 550 N/mm² und einer Temperatur von 760⁰C eine Mindeststandzeit von 260 Stunden, die sich bei Chromgehalten von 19 bis 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 Ausfuhrungsbeispielen 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 1121°C mit Luftabkühlen sowie einem vierundzwanzigstündigen Aushärten bei 843⁰C sowie bei den Legierungen B, 5 und 6 aus einem vierstündigen Lösungsglühen bei 116O°C 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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Tabelle I

Legierung 5	»0	Cr	550	C	Co	Dehnung	Mo	W	Nb	Ta	Dehnung	Ti	Al	Zr	B	228 N/mm²/927°C	Λ Dehnung
A		15,8	0,013	8,5	(%)	1,74	2,55	0,85	1,75		3,57	3,36	0,055	0,20	Stand.
1	16,0	0,009	8,4	1,73	2,59	0,85	1,75	3,56	3,34	0,054	0,31	(h)	>)
2	16,3	0,017	8,4	1,73	2,73	0,86	1,73	3,53	3,45	0,054	0,48
ίο 3	16,5	0,012	8,6	1,76	2,63	0,84	1,77	3,63	3,43	0,050	0,60
4	16,5	0,013	8,5	1,76	2.72	0.85	1,73	3,63	3,43	0,054	0,7!
B	20,4	0,014	14,8	0,49	2,32	0,98	1,50	3,72	2,54	0,05	0,20
5	20,5	0,008	15,0	0,52	2,40	0,96	1,49	3,67	2,54	0,05	0,40
15 6	20	0,01	15,0	0,5	2,2	1,0	1,5	3,6	2,5	0,05	0,60
Tabelle II
Legierung	N/mrrr/760°C		330 N/mm-V816°C
Standzeit		Standzeit
(hl		(h)

5
6

250
267
321
363
454

185
217
658

1001
1007
1067
1735
1173

>504
910

5.0 10,3

8,7 10,0

7,2

2,5

62 7! 62 58 80

33 39 61; 90

!3,3 11,9 13,8 14,6 11,3

7,4 14,8 5,1; 5,4

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 760⁰C und einer Belastung von 550⁰C mit dem Borgehalt zunehmen und bei einem Borgehalt von 0,60% sowie 816°C und einer Belastung von 330 N/mm² ein Optimum erreichen, während sich für alle Legierungen bei 927⁰C und einer Belastung von 228 N/mm² hohe Zeitstandfestigkeiten ergeben. Bei den höhere Chromgehalte aufweisenden, d. h. nominell 20% Cb om 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 1150⁰C und sechzehn Stunden bei 85ß°C, jeweils mit Luftabkühlung ausgehärtet. Anschließend wurden mit den Versuchslegierungen Zeitstandversuche angesteiit, deren Ergebnisse die nachfolgende Tabelle IV wiedergibt.

Tabelle III

Legierung

Cr

Mo

Nb

Ta

Al

Zr

7
8

6(1 Q

20,5	0,021	15,0	0,53	2,31	0,98	1,63	3,70	2,64	0,065	0,79
20,0	0,01	15,0	0,50	2,2	1,0	1,5	3,6	2,5	0,05	0,80
12,6	0,125	9,0	1,98	3,91	-	3,95	4,30	3,62	0,08	0,018

	Temperatur	28 01	498	157	Legierung C	161	-	543	-	Dehnung	5
Tabelle IV			1797		Standzeit	499	917	> 1439	(%.
Belastung	(⁰C)	Legierung ⁷	>2089		(h)	1668	2085	133	5,2
	760	Standzeit	133*)	Dehnung		5,2
(N/mm-)	760	(h)	581	(%)	692	2,6	II)
620	760	873	2,7	>985	-
550	816	2461	2,5		6,0
500	S16	3404*)			4,4
545	816	>2785	2,5*)		3,7	15
414	816	97	3,1		-
400	816	199	5,2
345	816	516	3,6		8,2
330	927	> 1336	1,7*)		20
I 300	927	185*)		8,2
269	927		8,2
228	927		4,7
200	980	6,2		25
154
152		6,8*)

·) X.

Die Daten der Tabelle IV zeigen, daß die unter die Erfindung fallende N Legierungen 7 und 8 eine Zeitstandfestigkeit besitzen, die mindestens der der bekannten Legierung C entspricht, in einigen Fällen, insbesondere jedoch bei niedrigeren Temperaluren, 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 816°C, 927⁰C und 98O⁰C.

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 fiihrte 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/cm². Ein weiterer Versuch unter erschwerten Bedingungen bei derselben Temperatur und einem Wiederauffüllen nach je vierundzwanzig Stunden ergab einen Gewichtsverlust von nur 16 mg/env.

Hingegen betrug der Gewichtsverlust bei einer Probe der Vergleichslegierung C nach einerTauchzeit von nur 48 Stunden bei 85O°C schon 562 mg/cm^:.

Die Legierung eignet sich als Knet- und Gußlegierung für Gegenstände, die wie Rotor- und Statorschaufeln und einstückigen beschaufelten Läufern von Gasturbinen bei hohen Temperaturen belastet werden und korrodierenden Medien ausgesetzt sind.

Claims

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Patentansprüche:

l-WarmfesteNickel-Chrom-Superlegierungmit 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, 6 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 Borgehalt jedoch höchstens 1% beträgt
ίο 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
7. Legierung nach Anspruch 6, deren Chromgehalt jedoch höchstens 17% 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 *j.^;s 22% beträgt.
10. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, deren Tantalgehalt jedoch 0,8 bis 2,5% 2Q 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: