DE2854132A1

DE2854132A1 - Gusslegierung und gegenstand daraus

Info

Publication number: DE2854132A1
Application number: DE19782854132
Authority: DE
Inventors: Norman Paul Fairbanks
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-12-21
Filing date: 1978-12-15
Publication date: 1979-06-28
Also published as: FR2412618A1; IT1102337B; US4169726A; IT7831042A0; FR2412618B1; JPS5499731A

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gußlegierungen, die besonders geeignet sind zur gerichteten Erstarrung und mehr im besonderen auf eine solche Legierungsstruktur, wie sie für den Spitzenteil von Gasturbinenschaufeln brauchbar ist.

Während des Betriebes von Axialmaschinen, z. B. Gasturbinen, werden zwischen den Spitzen der Schaufeln und den gegenüberliegenden damit zusammenarbeitenden Teilen, die zu einer Art Gasdichtung zusammengebaut sind, sehr enge Toleranzen aufrechterhalten. Eine solche Dichtung soll das Entweichen von Gas, z. B. komprimierter Luft oder von Verbrennungsprodukten, um die Schaufelspitzen herum verhindern. Wegen des Unterschiedes der thermischen Ausdehnung solcher zusammenarbeitenden Teile kann eine störende Beeinflussung zwischen den rotierenden und stationären Teilen auftreten. Dieses Problem ist wegen der höheren Betriebstemperaturen im Turbinenteil noch ausgeprägter. Außerdem tritt wegen der erhöhten Temperaturen aufgrund der Anwesenheit von Luft Oxidation und wegen der in der Luft mitgerissenen korrosiven Verbindungen, wie Seesalz, Sulfidierung ein, die das Problem weiter erschweren. Es ist daher eine Vielfalt von überzügen für Gasturbinenschaufeln entwickelt worden. Während der Beeinflussung zwischen einer rotierenden und einer stationären Komponente in der Turbine wird jedoch der Überzug an der Schaufelspitze abgerieben und setzt die Legierung der Oxidation und Sulfidierung aus. Im allgemeinen weisen Nickelbasis-Superlegierungen gute Oxidationsbeständigkeit und relativ geringe Beständigkeit gegenüber Sulfidierung auf. Kobaltbasis-Superlegierungen, die für Turbinenschaufeln eingesetzt werden, haben dagegen im allgemeinen eine gute Beständigkeit gegenüber Sulfidierung oder Korrosion und eine geringere Oxidationsbeständigkeit.

Es besteht daher Bedarf an einer Legierung für eine Turbinenschaufelspitze, die sowohl in oxidierenden als auch korrosiven

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Atmosi .ären eine längere Lebensdauer aufweist.

Die Gußlegierung nach der vorliegenden Erfindung, die Beständigkeit gegenüber Oxidation, Korrosion und thermischer Ermüdung aufweist, besteht aus folgenden Bestandteilen in Gew.-% : 32 - 34 Ni, 32 - 34 Co, 22 - 24 Cr, 2,5 - 3,5 Ta, 3,5 - 4,5 Al, 2,5 - 3,5 W, 0,4 - 0,5 C, 0,6 - 0,9 Si und bis zu 1 La sowie zufälligen Verunreinigungen.

Ein gegossener Gegenstand aus dieser Legierung ist besonders brauchbar, wenn er eine gerichtet orientierte Struktur aufweist, vorzugsweise eine einkristalline Struktur, und dieser Gegenstand wird vorzugsweise als Spitze einer Turbinenschaufel eingesetzt.

Es wurde bei der Auswertung der vorliegenden Erfindung festge-

erforderlichen

stellt, daß diel/Festigkeiten der Turbinenschaufelspitzen geringer waren als die des Turbinenschaufelkörpers. Dagegen war für die Spitze der Turbinenschaufel wichtig die Beständigkeit gegenüber Oxidation, Korrosion und thermischer Ermüdung. Ein Charakteristikum des Gegenstandes oder der Struktur nach der vorliegenden Erfindung ist daher die Tatsache, daß er gerichtet erstarrt vorliegt und vorzugsweise mit einer Einkristallstruktur.

Es wurde bei der Auswertung der Erfindung eine Vielfalt von Legierungszusammensetzungen untersucht, von denen einige im Handel erhältlich sind. Die Untersuchungen wurden auf die mechanischen Eigenschaften bei hoher Temperatur, z. B. bei etwa 1095 C, und auf die Beständigkeit gegenüber Oxidation und Korrosion bei Temperaturen von mindestens etwa 925°C gerichtet. In der folgenden Tabelle I sind typische Beispiele der auf diese Weise untersuchten Legierungen zusammengefaßt.

98982 6/07 7 5

,25	,75	2	,01 1
,5	,75		,015
,05	,75
,15

Tabelle I

Nominal-Zusammensetzung (Gew.-%)

Legierungs-

Beispiel NiCoCrTaAlW T_i C S_i Fe B Nb Mo Zr

1 35 35 23 1 3

2 33 33 23 3 4 3

3 33 33 23 3 4 3

4 48 19 23 1,4 1,9 2,3 3,7 ,15

5 60 9,5 14 3 4 ,015 4 ,015

Die in den folgenden Tabellen II, III und IV zusanimengef aßten Ergebnisse wurden erhalten mit gerichtet erstarrten Probekörpern mit einer Struktur aus einer Vielzahl langgestreckter Körner, die man hergestellt hatte gemäß dem in der US-PS 3,897,815 beschriebenen Verfahren, ausgenommen der Legierung 5, die auf konventionelle Weise gegossen wurde. Die Zusammensetzung des Beispiels 2 fällt in den Rahmen der vorliegenden Erfindung.

Die Ergebnisse der Tabelle II zeigen für die in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallenden Legierung 2 eine beträchtlich bessere Belastungsbruchlebensdauer bei einer Belastung von 190 kg/cm und einer Temperatur von etwa 1095 C, die typisch sind für die Bedingungen an Turbinenschaufelspitzen.

Die Tabellen III und IV zeigen hinsichtlich der Korrosion und Oxidation in der Hitze, daß die Legierung nach der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Kombination aus Festigkeit und Beständigkeit gegenüber Oxidation und Korrosion ergibt.

98982 6/0 775

109,	600	2	⁺	3
1	8
	9,
	50
3

Tabelle II

Belastungsbruch-Lebensdauer bei 190 kg/cm

und etwa 1O95°C

Legierungs-Beispiel· Lebensdauer (h)

1 2 3 4 5

+) Der Test wurde beendet, da unter den Testbedingungen innerhaib einer sinnvoilen Zeit kein Bruch eintrat.

Tabelle III Hitzekorrosion bei etwa 925 C

Legierungs- Testdauer durchschnittliche maximale Beispiel (h) Eindringung (mm/Seite)

1 636 0,5

2 636 O,083

3 636 0,053

4 636 0,115

5 700 O,3

2 1181 0,165

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—. *7 —

Tabelle IV
Cyclische Oxidation bei etwa 109 5 C

Legierungs- Beispiel	Testdauer (h)
1	585
2	777
2	985
3	785
4	308
5	700

durchschnittliche maximale Eindringung (mm/Seite)

0,165 0,425 0,45

0,51

0,188

0,475

Die Legierung mit der Nominal-Zusammensetzung des Beispiels 2 ist in Form eines gerichtet erstarrten Gußkörpers mit langgestreckten Körnern und vorzugsweise mit einkristalliner Struktur besonders brauchbar, wenn sie mit der Spitze einer Gasturbinenschaufel verbunden ist. Ein solches Verbinden ist nach dem in der US-PS 3,632,319 beschriebenen Verfahren und unter Verwendung der in den US-PS 3,700,427 und 3,759,692 beschriebenen Bindematerialien bewerkstelligt worden.

Vergleiche der Zusammensetzungen der Tabelle I mit den Testergebnissen der Tabellen II, III und IV zeigen, daß die vorliegende Erfindung kritische Zusammensetzungsgrenzen aufweist. So hat z. B. eine Legierung mit 35 Gew.-% Nickel oder mehr nicht mehr die angemessene Festigkeit, und die Wirkung des Kohlenstoffes ist bedeutsam auf die Belastungsbrucheigenschaften. Auch
der Ausgleich von Nickel, Kobalt und Chrom mit den anderen Legierungselementen ist kritisch, um die erwünschte Kombination von Eigenschaften zu erhalten, die aufgrund der relativ geringen Variationen überraschend ist. Die Legierung des Beispiels 1
weist eine gute Oxidations- aber eine schlechte Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit auf. Die Legierung des Beispiels 4

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hat eine gute Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit, aber eine geringe Festigkeit. Die Legierung des Beispiels 3 ist sehr
schwach und die Legierung des Beispiels 5 relativ schwach und hat eine unannehmbare Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit zur Herstellung von nichtüberzogenen Turbinenschaufelspitzen-

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Claims

Patentansprüche

1. Gußlegierung, gekennzeichnet durch folgende Bestandteile in Gew.-% :

32 - 34 Ni, 32 - 34 Co, 22 - 24 Cr, 2,5 - 3,5 Ta,

3,5 - 4,5 Al, 2,5 - 3,5 W, 0,4 - 0,5 C, 0,6 - 0,9 Si und bis zu 0,1 La sowie zufällige Verunreinigungen.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie nominell aus folgenden Bestandteilen in Gew.-% besteht:

33 Ni, 33 Co, 23 Cr, 3 Ta, 4 Al, 3 W, 0,5 C und 0,75 Si sowie zufälligen Verunreinigungen.

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ORIGINAL INSPECTED

3. Gegossener Gegenstand aus der Legierung des Anspruches 1, gekennzeichnet durch eine gerichtet orientierte Kristallstruktur.

4. Gegenstand nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine einkristalline Struktur.

5. Verwendung der Gußlegierung nach Anspruch 1 für eine Gasturbinenschaufel· mit einem Körperteil aus einer Kobaltoder einer Nickel-Superlegierung und einem Spitzenteil aus der gegossenen Legierung des Anspruches 1, verbunden mit dem Körperteil und eine gerichtet orientierte Kristallstruktur aufweisend.

6. Verwendung der Gußlegierung nach Anspruch 1 für die Gasturbinenschaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Körperteil aus einer Nickelbasis-Superlegierung besteht und der Spitzenteil· eine einkrista^ine Struktur der genannten Gußiegierung aufweist.

9 θ-9 826/0775