DE2831708A1

DE2831708A1 - Kobaltlegierung und gegenstand daraus

Info

Publication number: DE2831708A1
Application number: DE19782831708
Authority: DE
Inventors: George Vernon Cash; Elmer Lee Frey; George Steele Irons; Russell Wayne Smashey
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-07-21
Filing date: 1978-07-19
Publication date: 1979-02-08
Also published as: US4115112A; IT7825638A0; JPS5441222A; FR2431545A1; IT1097226B

Description

Kobaltlegierung und Gegenstand daraus.

Die Erfindung betrifft Kobaltlegierungen und mehr im besonderen solche Kobalt-Superlegierungen, die brauchbar sind zur Herstellung von Gegenständen für Gasturbinen.

Eine im Handel erhältliche Kobaltlegierung, die auch als X-40-Legierung bezeichnet wird, ist für mehrere Jahre bei der Herstellung von Teilen für Gasturbinen eingesetzt worden. Diese Legierung hat ζ. B. eine relativ weite Anwendung für die Herstellung in üblicher Weise gegossener Turbinenschaufeln gefunden. Nach einer Spezifikation hat die X-40-Legierung die folgende Zusammensetzung in Gew.-% :

0,45 - 0,55 C, 24,5 - 26,5 Cr, 9,5 - 11,5 Ni, 7 - 8 W, bis zu 2 Fe, bis zu 1 von je Silizium und Mangan, bis zu 0,25 Zr, bis zu 0,04 S und der Rest ist Kobalt. Diese Legierung ist somit durch einen relativ hohen Kohlenstoffgehalt und die Abwesenheit von Aluminium gekennzeichnet, wobei allgemein angenommen wurde, daß Aluminium in dieser Legierung zur Verschlechterung der Eigenschaften, wie der Nullfestigkeitstemperatur (im englischen "nil-strength temperature") und Belastungsbruch beiträgt. Obwohl das Element Aluminium nicht absichtlich zu einer solchen Legierung hinzugegeben wurde, zeigte die Analyse von Produktionschargen jedoch dessen Anwesenheit von bis zu 0,4 % als Verunreinigung.

Es sind viele tausende von Teilen für Gasturbinen durch konventionelles Gießen aus der X-40-Legierung hergestellt worden, wobei eine gleichförmig dimensionierte, manchmal als äquiaxiale Kornstruktur erhalten wurde, und die Berührungszeit zwischen der geschmolzenen Legierung und der Form oder den Kernen war dabei relativ kurz. Mit der Entwicklung gerichteter Erstarrungsverfahren, wie sie z. B. in den US-PS 3,897,815 und 3,494,709 beschrieben sind, wurden die Gießmaterialien und -bedingungen stark verändert. So erfordert z. B. ein solches gerichtetes Erstarren

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relativ lange Berührungszeiten zwischen der geschmolzenen Legierung und den Keramikkernen, die Siliziumdioxid einschließen, um den Kern mit Eigenschaften zu versehen, die es ihm ermöglichen, der gerichteten Erstarrung zu widerstehen. Wegen des hohen Kohlenstoffgehaltes der X-40-Legierung ergab sich eine umsetzung zwischen dem geschmolzenen Metall und dem Siliziumdioxid im Kern, wobei ein gasförmiges Oxid des Kohlenstoffes und flüssiges Si gebildet wurde. Diese Umsetzung führte zu einer Beeinträchtigung der Gießoberfläche um den Bereich der Umsetzung herum.

Die vorliegende Erfindung schafft eine verbesserte Kobaltlegierung der X-40 Art, die einen relativ hohen Kohlenstoffgehalt und normalerweise nur Verunreinigungsmengen an Aluminium enthält, indem Aluminium im Bereich von etwa 0,7 bis zu etwa 2 Gew.-% zu der Zusammensetzung hinzugegeben wird. Mehr im besonderen besteht die erfindungsgemäße Kobaltlegierung nach der vorliegenden Erfindung im wesentlichen aus folgenden Bestandteilen in Gew.-% : mindestens etwa 0,2 C, etwa 0,7 - 2 Al, 24 - 27 Cr, bis zu etwa 2 Fe, etwa 7 - 8 W, etwa 9-12 Ni, bis zu etwa 0,3 Zr, bis zu etwa 0,1 B, bis zu etwa 1 Si, bis zu etwa 1 Mn und der Rest sind im wesentlichen Kobalt und zufällige Verunreinigungen. Bevorzugter ist die folgende Zusammensetzung in Gew.-% : 0,45 - 0,55 C, 0,75 - 1,5 Al, 24,5 - 26,5 Cr, bis zu 2 Fe, 7 - 8 W, 9,5 - 11,5 Ni, bis zu etwa 0,25 Zr, bis zu etwa 0,05 B, bis zu etwa 1 Si, bis zu etwa 1 Mn und der Rest sind im wesentlichen Kobalt und zufällige Verunreinigungen.

Die im Handel erhältliche X-40-Legierung ist für die Herstellung solcher Gasturbinenkomponenten, wie konventionell gegossener Turbinenschaufeln, geeignet. Versuche, hohle Gußkörper aus X-40-Legierung durch gerichtetes Erstarren herzustellen, wie sie z.B. in der US-PS 3,897,815 beschrieben sind, wozu man einen Gießkern mit SiO- benutzt, haben das Problem der Umsetzung mit dem Kern gezeigt. Werden gewisse Siliziumdioxid-haltige keramische Kerne beim gerichteten Erstarren benutzt, dann wurde eine starke Umsetzung an der Grenzfläche zwischen Metall und Kern beobachtet,

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die man dem hohen Kohlenstoffgehalt der X-40-Legierung zuschreibt, wobei sich der Kohlenstoff mit dem Siliziumdioxid unter Bildung eines gasförmigen Kohlenstoffoxides umsetzt. Dieses Gas, das an der inneren Grenzfläche zwischen der Schaufel und dem Kern eingefangen wird, verursacht eine Verschlechterung des Gußkörpers in diesem Bereich.

Während der Auswertung der vorliegenden Erfindung wurde eine Vielfalt von Legierungen untersucht. Es wurde dabei erkannt, daß durch den Einschluß .von mindestens etwa 0,7 Gew.-% Al in die Zusammensetzung während des Gießens ein sehr dünner Al^O^-Film an der Kernoberfläche erzeugt wurde, der Siliziumdioxid enthielt. Die Auswertung der kommerziell erhältlichen X-40-Legierung zeigte, daß darin bis zu 0,4 % Aluminium als Verunreinigung enthalten waren. Diese Aluminiummenge erwies sich jedoch als unzureichend für die Bildung eines durchgehenden Al„0-.-Filmes. Es wurden daher zu SchmelzChargen der kommerziell erhältlichen X-40-Legierung 0,25 und 0,5 Gew.-% Aluminium hinzugegeben, und diese Produkte bestätigten die obige Feststellung und zeigten eine Reaktivität des Kernes. Eine Legierung mit einem Aluminiumgehalt von 0,65 % zeigte die erfolgreiche Bildung des Al-O^-Filmes. Dieser Film war jedoch nicht dick genug, um den Kern in den letzten Bereichen des Gußkörpers bei der gerichteten Erstarrung zu schützen, d. h. der Kern befand sich für die längste Zeit in Berührung mit der geschmolzenen Legierung.

Es wurde eine Reihe von Legierungschargen hergestellt, um den Aluminiumgehalt in einem Bereich von mindestens 0,7 Gew.-% und mehr und insbesondere von 0,7-2 Gew.-% zu untersuchen. Die Grundlage für diese Chargen bildete die X-40-Legierung mit der obigen Zusammensetzung, zu der ausgewählte Aluminiummengen hinzugegeben wurden. In der folgenden Tabelle sind die chemischen Zusammensetzungen der Legierungen der vorliegenden Erfindung in ihrem bevorzugten Bereich mit der Zusammensetzung der Standard-X-40-Legierung verglichen, zu der kein Aluminium absichtlich hinzugegeben vmrde. Diese Standard-X-40-Legierung ist in der fol-

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genden Tabelle als 4110 bezeichnet, während alle anderen Chargen in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen.

TABELLE

Nominal-Zusammensetzung in Gew.-%

Rest Kobalt und zufällige Verunreinigungen

Charge	C	Cr '	Ni	W	Fe	Al	Zr	B
4110	,45	23,9	10,7	7,2	,4	,27	,10
1	,48	25,1	11 ,0	7,3	,4	,75	,17
2	,47	24,9	10,8	7,2	,4	1,5	,17
849	,50	26,0	10,1	7,0	,8	,70	,17	,008
863	,46	23,9	10,7	7,2	,4	,98	,14	,009
877	,45	24,6	10,9	7,2	,3	,88	,13	,005
884	,44	23,7	10,9	7,3	,3	,86	,08	,009
885	,45	23,2	11 ,0	7,2	,3	,90	,13	,011
914	,45	24,6	10,8	7,2	,2	,94	,16	,003
915	,46	24,4	11,0	7,2	,2	,90	,15	,003
934	,46	24,1	11,1	7,2	,2	,89	,16	,003
935	,46	24,2	10,9	7,2	,2	,89	,16	,004

Bei der Auswertung der Chargen der vorstehenden Tabelle wurden die Gegenstände durch gerichtetes Erstarren in der Weise hergestellt, wie sie in der US-PS 3,897.815 beschrieben ist. Es sollte hierbei die Kernreaktivität untersucht werden. Es wurde festgestellt, daß die Charge 4110 mit dem Siliziumdioxid-Kern reagierte, was zu einer Verschlechterung der Oberfläche des Gegenstandes an der Grenzfläche von Metall zu Kern führte. Eine solche Umsetzung wurde jedoch nicht beobachtet mit den anderen in der

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Tabelle aufgeführten Chargen. Es wird angenommen, daß dies von der Bildung eines dünnen Al₃O₃-FiInIeS herrührt, der die geschmolzene Legierung vollständig vor dem Siliziumdioxid im Kern schützte.

Die nach der vorliegenden Erfindung eingesetzte Aluminiummenge ist zu einer Legierung der X-40-Legierungsart deshalb nicht hinzugegeben worden, weil man annahm, daß Aluminium eine nachteilige Wirkung auf solche Eigenschaften, wie die Nullfestigkeitstemperatur und den Belastungsbruch haben würde. Die Nullfestigkeitstemperatur ist als die Temperatur definiert, bei der ein augen-

blickliches Versagen eines Teststabes auftritt, der mit 21 kg/cm belastet wird.

Dieser Nullfestigkeits-Test wurde entwickelt, um den Ausbrennwiderstand von Materialien auszuwerten, die sehr hohen Temperaturen unterworfen sind, z. B. Gasturbinenbrennern,.-düsen und -schaufeln. Eine intensive Untersuchung hat jedoch gezeigt, daß eine Aluminiumzugabe in einer Menge im Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung die vorgenannten Eigenschaften nicht merklich beeinflußt. So wurden intensive Untersuchungen der üblichen X-40-Legierung der Charge 4110 und der erfindungsgemäßen Legierungen Chargen 849 und 863 ausgeführt. Hierbei wurden die Zugfestigkeit und Duktilität, die Kriechbeständigkeit, die Belastungsbruchfestigkeit, die KurζZyklusermüdung, die Beständigkeit gegenüber thermischer Ermüdung, die Nullfestigkeitstemperatur und andere Eigenschaften bestimmt. Die Untersuchungen wurden mit Testkörpern ausgeführt, die sowohl konventionell als auch mit gerichteter Erstarrung gegossen und die sowohl Aluminid-überzogen als auch nicht überzogen waren, wobei die Untersuchungen sowohl in der Quer- als auch in der Longitudinalrichtung für die gerichtet erstarrten Proben in dem Temperaturbereich bis zu etwa 1150 C und nach mehreren Wärmebehandlungen erfolgten.Die Analyse aller dabei erhaltenen Ergebnisse zeigt, daß die Zugabe von Aluminium zu der X-40-artigen Legierung in einer Menge im Rahmen der vorliegenden Erfindung im wesentlichen keine nachteilige

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Wirkung auf die vorgenannten Eigenschaften hatte und diese in einigen Fällen sogar verbesserte. So waren gerichtet erstarrte Legierungsproben im Rahmen der vorliegenden Erfindung 20 mal beständiger gegenüber thermischer Ermüdung in der Longitudinalrichtung als Probekörper aus der Standard-X-40-Legierung.

Aus diesen Ergebnissen ist erkennbar, daß die erfindungsgemäßen Legierungen durch eine sorgfältige Zugabe von Aluminium in Gegenwart eines relativ hohen Kohlenstoffgehaltes in einer Kobaltlegierung der X-40 Art verbesserte Möglichkeiten zum Gießen von Gegenständen ergeben, insbesondere bei dem gerichteten Erstarren. Ein solcher Gegenstand, der entweder eine säulenförmige Kornstruktur aufweist oder ein Kristallin ist, kann ohne wesentliche Umsetzung der Legierung mit dem Siliziumdioxid in der Keramik gegossen werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Kobaltlegierung mit der folgenden Zusammensetzung in Gew.-% :

mindestens 0,2 C, 24 - 27 Cr, 9-12 Ni, 7 - 9 W, bis zu 2 Fe, bis zu 0,3 Zr, bis zu 0,1 B, bis zu 1 Si, bis zu 1 Mn und der Rest sind Kobalt und zufällige Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung zusätzlich Aluminium in einer Menge von 0,7 bis zu 2 Gew.-% enthält.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Aluminium im Bereich von 0,7 - 1,5 % und Kohlenstoff zumindest mit 0,4 % vorhanden ist.

3. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß sie im wesentlichen aus folgenden Bestandteilen in Gew.-% besteht:

0,45 - 0,55 C, 24,5 - 26,5 Cr, 9,5 - 11,5 Ni, 7 - 8 W, bis

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ORiGfNAL INSPECTED

zu 2 Fe, bis zu 0,25 Zr, bis zu 0,05 B, bis zu 1 Si, bis zu 1 Mn, 0,75 - 1,5 Al und der Rest sind Kobalt und zufällige Verunreinigungen.

4. Gegossener Gegenstand aus der Legierung nach Anspruch 1 mit einem einseitig orientierten Gefüge.

5. Gegenstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß er aus der Legierung nach Anspruch besteht, eine säulenförmige Kornstruktur und anisotrope Eigenschaften aufweist und die Form eines Gasturbinenflügels hat.

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