DE3016027A1 - Gegenstand aus einer nickellegierung sowie legierung dafuer - Google Patents

Gegenstand aus einer nickellegierung sowie legierung dafuer

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DE3016027A1 DE19803016027 DE3016027A DE3016027A1 DE 3016027 A1 DE3016027 A1 DE 3016027A1 DE 19803016027 DE19803016027 DE 19803016027 DE 3016027 A DE3016027 A DE 3016027A DE 3016027 A1 DE3016027 A1 DE 3016027A1
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Description

Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Gegenstand aus einem gerichtet erstarrten, anisotropen Metallverbundkörper mit einer verbesserten Querduktilität und einer verbesserten Festigkeit bei hoher Temperatur, der aus einer eutektischen Superlegierung auf Nickelbasis mit einem Borgehalt besteht, die durch ein Monokarbid aus einem hochschmelzenden Metall verstärkt ist. Diese verstärkende Phase der eutektischen Superlegierung ist eine ausgerichtete faserförmige Karbidphase, vorzugsweise aus den Monokarbiden von Titan, Vanadium, Niob, Zirkonium, Hafnium, Tantal und deren Legierungen oder Mischungen.
Die bevorzugteren Nickellegierungen enthalten etwa 0,5 bis 7,0 Gew.-% Rhenium, weniger als etwa 0,8 Gew.-% Titan und wenigstens eine solche Bormenge, die eine Verunreinigungsmenge übersteigt. In dieser eine Matrix bildenden Nickellegierung ist eine ausgerichtete verstärkende, faserförmige Karbidphase eingebettet, vorzugsweise eine aus den Monokarbiden von Tantal, Vanadium oder deren Legierungen und Mischungen.
Eutektische Nickellegierungen, die durch Monokarbide hochschmelzender Metalle (Titan, Vanadium, Niob, Hafnium, Zirkonium, Tantal) verstärkt sind, sind in den US-PS 3 528 808, 3 904 402, 3 799 769, 3 793 012, 3 944 416 und 3 871 835 beschrieben. Allgemein offenbaren diese US-PS hochfeste Superlegierungen aus faserverstärkten Nickellegierungen. Die Festigkeitsverbesserungen dieser Legierungen finden sich hauptsächlich in Richtungen parallel zur Richtung der Faserausrichtung, und sie weisen keine Beziehung zu den Legierungseigenschaften auf, die erforderlich sind, um eine angemessene Zugfestigkeit und Bruchduktilität in Richtungen außerhalb der Achse der Faserausrichtung zu erzielen.
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So ist zum Beispiel in der US-PS 3 904 402 eine ausführliche Beschreibung der eutektischen Nickellegierungen mit einem Rheniumgehalt und einer verstärkenden Karbidfaserphase enthalten, die verbesserte Spannungsbrucheigenschaften bei hoher Temperatur aufweisen. In dieser US-PS ist die bevorzugte Verwendung von 4-7 Gew.-% Vanadium zur Verbesserung der Festigkeit sowohl der Karbidfaser als auch der Matrix sowie die Verwendung von bis zu 3 Gew.-% Molybdän, wobei Molybdän jedoch vorzugsweise nicht eingesetzt wird, und der bevorzugte Einsatz von etwa 2-4 Gew.-% Wolfram in Superlegierungen auf Nickelbasis vorgeschlagen. Insgesamt wird in dieser US-PS 3 904 402 der zusätzliche Einsatz von Valadium und der beschränkte Einsatz von Molybdän und Wolfram empfohlen.
Kürzlich durchgeführte Auswertungen der Legierungen nach der US-PS 3 904 402 haben eine allgemein beschränkte Querfestigkeit gezeigt, wobei sich diese Legierungen als in Querrichtung brüchig (nicht duktil)erwiesen. So haben z. B. Zugfestigkeitsprüfungen an Proben aus der Legierung des Beispiels 13 nach der vorgenannten US-PS, die senkrecht zur Richtung der Faserausrichtung durchgeführt wurden, die folgenden Ergebnisse erbracht:
Ergebnisse der Querfestigkeitsprüfung an der Legierung des Beispiels 13 nach der US-PS 3 904 402 im erstarrten Zustand
Temperatur 0,2 %-Streckgrenze Zugfestigkeit Dehnung in 0C in N/mm2 (KSI) in N/mm2 (KSI) in %
760 870 (126) 870 (126) 0,2
900 - 587 ( 85) 0,04
1040 372 ( 54) 379 ( 55) 0,64
In der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, daß Borzusätze zu Superlegierungen auf Nickelbasis, die durch Monokarbide hochschmelzender Metalle verstärkt sind, die Zugfestigkeit und Bruchduktilität außerhalb der Achse der Ausrichtung der Karbidverstärkung merklich verbessern.
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Die Erfindung ist in einem gerichtet erstarrten, anisotropen Metallverbundkörper mit einer hohen Querduktilität und Querfestigkeit verkörpert, der eine borhaltige eutektische Superlegierung auf Nickelbasis umfaßt, die mit dem Monokarbid eines hochschmelzenden Metalles verstärkt ist. Die verstärkende Phase der eutektischen Superlegierung ist eine ausgerichtete faserförmige Karbidphase, vorzugsweise ausgewählt aus den Monokarbiden von Titan, Vanadium, Niob, Zirkonium, Hafnium, Tantal und deren Legierungen und Mischungen.
Eine bevorzugtere Nickelbasislegierung enthält z. B. 0,5 bis 7 Gew.-% Rhenium, weniger als 0,8 Gew.-% Titan und mindestens eine solche Bormenge, die eine Verunreinigungsmenge übersteigt. In der durch die Nickelbasislegierung gebildeten Matrix ist eine ausgerichtete verstärkende, faserförmige Karbidphase eingebettet, die vorzugsweise hauptsächlich aus Tantalkarbid TaC besteht. Diese bevorzugtere Nickelbasislegierung weist eine hohe Querduktilität, Beständigkeit gegen cyclische Oxidation und gute Festigkeitseigenschaften bei hoher Temperatur auf. Diese Legierung enthält in Gewichtsprozent 0,5-7 Rhenium, weniger als 0,8 Titan, etwa 0,001 - 0,02 Bor, 2-8 Chrom, 4-7 Aluminium, 5-13 Tantal, 0,1 - 0,7 Kohlenstoff, <5 Kobalt, <6 Wolfram, <0,2 Vanadium, -^5 Molybdän, <1 Niob, <0,15 Hafnium, <0,15 Zirkonium, Rest im wesentlichen Nickel und übliche Verunreinigungen.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Figur 1 eine grafische Darstellung der Querzugfestigkeit bzw. Biegefestigkeit einer Reihe gerichtet erstarrter Superlegierungen auf Nickelbasis mit Karbidfaserverstärkung der Zusammensetzung der Legierung "A" sowie die Wirkungen kleiner Zusätze von Hafnium, Zirkonium, Lanthan oder Bor, die häufig zur Korngrenzenverfestigung von Nickellegierungen eingesetzt werden.
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Figur 1 zeigt, daß Hafnium, Zirkonium, Lanthan oder Bor den Charakter der Legierung, bei der eine angemessene Korngrenzenverfestigung in der Matrix auftritt, nicht modifiziert, was anhand des Verhaltens hinsichtlich der Querzugfestigkeit erkennbar wäre. Bor scheint zu einem gewissen Maße die Korngrenzenfestigkeit der Legierung zu verbessern, wie sich aus einer Zunahme der Zugfestigkeit der borhaltigen Legierung ergibt.
Figur 2 eine grafische Darstellung der Zugfestigkeit in Querrichtung einer gerichtet erstarrten Superlegierung auf Nickelbasis mit Karbidfaserverstärkung mit der Zusammensetzung der Legierung "B", die in den Legierungsbereich der US-PS 3 904 402 fällt und die im wesentlichen nicht duktil ist, da sie bei erhöhten Temperaturen von etwa 900 bis etwa 1040 0C eine Querdehnung von maximal 0,2 % oder weniger zeigt.
Figur 3 eine grafische Darstellung der Zugfestigkeit in Querrichtung der gerichtet erstarrten Superlegierung "B" auf Nickelbasis mit Karbidfaserverstärkung und einem Borzusatz von etwa 0,015 Gew.-%. Wie sich aus der Figur 3 entnehmen läßt, zeigt diese borhaltige Legierung eine verbesserte Duktilität bei Querdehnung von mehr als 1 % bei geringen Temperaturen, d. h. bei Temperaturen im Bereich von Zimmertemperatur bis etwa 900 °C. Oberhalb von etwa 900 °C nimmt die Querdehnung leicht ab, doch verbessert der Borzusatz bei allen Temperaturen die Zugfestigkeit in Querrichtung.
Figur 4 eine grafische Darstellung des Querzugverhaltens einer gerichtet erstarrten Superlegierung auf Nickelbasis mit Karbidfaserverstärkung der Zusammensetzung der Legierung "C". Auch diese Legierung zeigt, wie Figur zu entnehmen, eine Querdehnung von weniger als 1 % bei erhöhten Temperaturen.
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Figur 5 eine grafische Darstellung des Querzugverhaltens der Legierung "C" mit einem Borzusatz von 0,01 Gew.-%. Diese borhaltige Legierung zeigt eine Querdehnung von mehr als 1 % bei allen Untersuchungstemperatüren.
Figuren Schliffbilder von Quer- und Längsrichtungen des aus-
fi 7 fl
' ' gerichteten Karbidfasergefüges, das sich während der gerichteten Erstarrung der Legierung "C" bildet.
Die in den Figuren 1-5 veranschaulichten Ergebnisse beruhen auf der Auswertung einer Reihe von Legierungen verschiedener Zusammensetzungen, wie sie bei den Figuren angegeben sind, die man in einer inerten Argonatmosphäre in Tiegsln aus A1„O-, oder MgO erschmolzen und dann in Kupferstabformen hartgegossen hat. Die Probegußkörper wurden an einer Seite planar verfestigt, um die gerichtet erstarrten Gegenstände zu erhalten, die man für die folgenden Untersuchungen benutzte. Zur Bestimmung der Längseigenschaften wurden mechanische Testproben maschinell aus Barren parallel zur Wachstumsrichtung herausgearbeitet. Um die Quereigenschaften zu bestimmen, arbeitete man maschinell Proben senkrecht zur Wachstumsrichtung heraus.
In der folgenden Tabelle I sind die Testergebnisse der Bestimmung der Quereigenschaften zusammengefaßt, die die Grundlage der in den Figuren 1-5 veranschaulichten Daten bilden.
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TABELLE I Ergebnisse der im erstarrten Zustand ausgeführten Querbelastungsversuche
Beispiel Zusammensetzung
Temperatur O,2%-Streck- Zugfestig- Dehnung 0C (0F) grenze N/mm2 keit N/mm2 % (KSI) (KSI)
1 Legierung "A" 76Ο (14ΟΟ) 69Ο _ 6OO ( 87) 0,16
2 Il M Il ( " ) - 566 ( 82) O
3 " M Il ( " ) - 648 ( 94) 0,04
4 π Il Il ( " ) (100) 718 (104) 0,36
5 Il " 9OO (1650) - 400 ( 58) O
6 " M Il ( " ) - 407 ( 59) O
7 It Il Il ( " ) 407 - 400 ( 58) O
8 Il It 1040 (19ΟΟ) 614 - 269 ( 39) O
9 ti ti ti ( " ) 780 - 304 ( 44ϊ O
10 Legierung "A" + Bor 21 ( 70) ( 59) 705 (1Ο2) 14
11 Il " s- " 425 ( 800) ( 89) 753 (109) 0,44
12 Il i_ ti 650 (1200) (113) 780 (113) 0,2
13 Il ι Il 9OO (1650) 455 - 559 ( 81) O
14 " It ι Il 1Ο4Ο (1900) 794 - 386 ( 56) O,O4
15 Legierung "B" 870 (16ΟΟ) 787 - 580 ( 84) O
16 It Il 1040 (1900) 760 ( 66) 455 ( 66) 0,2
17 Legierung "B" + Bor 25 ( 77) 800 (115) 987 (143) 5,6
18 ti 11 4_ " 425 ( 800) 732 (114) 925 (134) 12
19 Il Il ι Il 650 (120O) 432 (110) 849 (123) 2,9
20 Il ti ι Il 760 (1400) 753 (116) 912 (132) 1,7
21 Il It ι ti 9OO (1650) 773 (1Ο6) 746 (108) 1,1
22 It It ι Il 1040 (1900) 732 ( 64) 462 ( 67) 0,60
23 Legierung "C" 25 ( 77) 711 (109) 1043 (151) 13
24 ti M 425 ( 800) 753 (112) 925 (134) 5,8
25 11 It 650 (1200) 648 (106) 870 (126) 2,9
26 Il ti 760 (140O) 559 (103) 863 (125) 1,4
27 ti Il 850 (1560) 586 (109) 780 (113) 0,49
28 Il 11 900 (1650) 414 ( 94) 648 ( 94) 0,22
29 Il Il 900 (1650) 746 ( 81) 648 ( 94) 0,44
30 Il It 950 (1740) 766 ( 85) 600 ( 87) 0,31
31 Il 1040 (190O) 718 ( 60) 428 ( 62) 0,67
32 Legierung "C" + Bor 540 (IOOO) 683 (1OÖ) 884 (128) 4,9
33 η Il _μ I" 650 (1200) 593 (111) 863 (125) 1,3
34 Il ti _i Il 760 (1400) 432 (104) 890 (129) 1,6
35 Il Il ι Il 900 (165O) ( 99) 767 (107) 2,0
36 Il .. + .. 950 (1740) ( 86) 642 ( 93) 2,0
37 It It ι It 1040 (1900) ( 64) 432 ( 64) 4,3
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Die in der folgenden Tabelle II zusammengefaßten Daten sind die Ergebnisse der Spannungsbruchuntersuchungen in Längsrichtung der Legierungen, deren Zusammensetzungen in den Figuren 1-5 angegeben sind.
TABELLE II
Versuchsergebnisse der Spannungsbruch-Untersuchungen der angegebenen Legierungen in Längsrichtung im erstarrten Zustand
Bei- Zusammensetzung Temperatur Spannung Test- Querschnitts- Dehnung spiel 0C (0F) N/mm2 dauer verminderung (%) (KSI) (h) (%)
Legierung "A" 95O (1742) 483 (70) 19+
" " 1O8O (198O) 2O7 (30) 43+
40 Legierung "A" + Bor 950 (1742) 483 (70)
41 " " + " 1080 (1980) 207 (30)
42 Legierung "B" 950 (1742) 483 (7O)
43 " " 1O8O (1980) 2O7 (3O)
44 Legierung "b" + Bor 950 (1742) 483 (70)
45 " " + " 1080 (1980) 207 (30)
46 Legierung "C" 95O (1742) 483 (70)
47 " " 1080 (1980) 207 (30)
48 Legierung "C" + Bor 950 (1742) 483 (7O)
49 " " + " 1080 (1980) 207 (3O)
aus anderen Testbedingungen extrapoliert
In den obigen Tabellen steht (KSI) für tausend US-Pfund/Zoll .
Durch die Zugabe von Bor in einer Verunreinigungsmengen übersteigenden Menge, d. h. von mehr als etwa 0,001 Gew.-% Bor, erhält man gerichtet erstarrte Superlegierungen auf Nickelbasis mit Karbidfaserverstärkung, die eine stark verbesserte Zugfestigkeit in Querrichtung aufweisen.
In der folgenden Tabelle sind zusammensetzungen von Legierungsschmelzen im Rahmen der vorliegenden Erfindung angegeben, die Tantalkarbidfasern als eine verstärkende Phase enthalten. Die Angaben sind in Gewichtsprozent.
2O,O5 19, 5 13,3
4O,44 35, 6 19,6
6,55 17, 1 14,4
16,64 54, 3 14,7
8,54 18, 8 11,1
25,16 60, 9 14,2
6,51 18, 4 14,2
44,5O — —
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3016027 Legierungs-Zusammensetzungen Rest Bevorzugt Rest Am meisten
Grundzusam - 9 - 9 bevorzugt
Elemente mensetzung -««0.8 <0.8 Rest
-20 0 -10 0.5 - 7
Ni 0 -10 - 9 <0.8
Re 0 -15 2 -15 2 - 8
Ti 0 1 - 1.0 2 .1 - 0.8 4 - 7
Cr 0 -20 3 <10 5 -13
Al 3 -20 0, <12.0 0.1 - 0.7
Ta 0. - 7 <0.S <5
C 0 -10 <5.0 <6.0
Co 0 - 3 -=2.0 *0.2
W 0 - 3 <0.2 «C5.0
ν 0 - 1.5 <0.2 <1.0
Mo 0 .001- 0.1 .001- 0.05 •CO.15
Nb 0 <0.15
Hf 0 0 0.001- 0.02
Zr 0,
B
Der erfindungsgemäße Gegenstand ist vorzugsweise ein gerichtet erstarrter, anisotroper Metallkörper aus einer Superlegierung auf Nickelbasis mit einer Matrix aus gamma/gamma1, wobei die Matrix eine gamma-Phase als feste Lösung und eine geordnete gleichachsigeAusscheidungs-gehärtete gamma1-Phase enthält und in der Matrix aus gamma/gamma1 eine ausgerichtete eutektische, verstärkende Karbidphase eingebettet ist.
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Claims (10)

rer. nafr. Horst Schüler 600° Fwukfurt/Main ι, 24.4.βο PATENTANWALT Kaiserstraße 41 Dr.Sb/Rg Telefon (06Π) 235555 Telex: 04-16759 mapat d 1Π 1 Rfl?7 Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt-M. ^ ' Bankkonto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M. 8338-RD-1131O GENERAL ELECTRIC COMPANY 1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A. Gegenstand aus einer Nickellegierung sowie Legierung dafür Patentansprüche
1. Gegenstand mit einer verbesserten Querduktilität und Querfestigkeit, gekennzeichnet durch einen gerichtet erstarrten, anisotropen metallischen Verbundkörper mit einer Matrix auf Nickelbasis, die mindestens Bor in einer solchen Menge enthält, daß eine Verunreinigungsmenge überschritten ist, Rest Nickel und übliche Verunreinigungen, und weiter eine ausgerichtete, eutektische, verstärkende Faserphase aus Karbiden von Titan, Vanadium, Niob, Hafnium, Zirkonium oder Tantal und deren Legierungen oder Mischungen, wobei die faserförmige Phase in der Matrix eingebettet ist.
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2. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix außerdem ein oder mehrere der folgenden Elemente enthält: Rhenium, Titan, Chrom, Aluminium, Tantal, Kohlenstoff, Kobalt, Wolfram, Vanadium, Molybdän, Niob, Hafnium und Zirkonium.
3. Gegenstand nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Superlegierung die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozent enthält: 0,001 - 0,1 Bor, 0-9 Rhenium, 0 - <0,8 Titan, 0-20 Chrom, 0-10 Aluminium, 3-15 Tantal, 0,1-1 Kohlenstoff, 0-20 Kobalt, 0-20 Wolfram, 0-7 Vanadium, 0-10 Molybdän, 0-3 Niob, 0-3 Hafnium, ο - 1,5 Zirkonium, und der Rest sind Nickel und übliche Verunreinigungen.
4. Gegenstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Superlegierung die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozent enthält: 0,001 - 0,05 Bor, 0-9 Rhenium, <0,8 Titan, 2-10 Chrom, 2-9 Aluminium, 3-15 Tantal, 0,1 - 0,8 Kohlenstoff, <10 Kobalt, <12 Wolfram, <0,5 Vanadium, <5 Molybdän, -c2 Niob, <0,2 Hafnium, <0,2 Zirkonium, Rest Nickel und übliche Verunreinigungen .
5. Gegenstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Superlegierung die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozent enthält: 0,001 - 0,2 Bor, 0,5-7 Rhenium, <0,8 Titan, 2-8 Chrom, 4-7 Aluminium, 5-13 Tantal, 0,1 - 0,7Kohlenstoff, <5 Kobalt, <6 Wolfram, <Ό,2 Vanadium, <5 Molybdän, <1 Niob, •<0,15 Hafnium, <:0,15 Zirkonium, Rest Nickel und übliche Verunreinigungen.
6. Gegenstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die eutektische, verstärkende, faserförmige Phase aus Karbid hauptsächlich aus Tantalkarbid (TaC) besteht.
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7. Legierung, aus der ein gerichtet erstarrter, anisotroper Gegenstand mit verbesserter Querduktilität und Querfestigkeit erhältlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozent enthält:
0,001 - 0,1 Bor, 0-9 Rhenium, 0 - <8 Titan, 0-20 Chrom, 0-10 Aluminium, 3-15 Tantal, 0,1-1 Kohlenstoff, 0-20 Wolfram, 0-7 Vanadium, 0-10 Molybdän, 0-3 Niob, 0-3 Hafnium, 0 - 1,5 Zirkonium, Rest Nickel und übliche Verunreinigungen.
8. Legierung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Superlegierung die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozent enthält:
0,001 - 0,05 Bor, 0-9 Rhenium,<0,8 Titan, 2-10 Chrom, 2-9 Aluminium, 3-15 Tantal, 0,1 - 0,8 Kohlenstoff, <1O Kobalt, <12 Wolfram, <0,5 Vanadium, <S Molybdän, <2 Niob, <l0,2 Hafnium, <0,2 Zirkonium, Rest Nickel und übliche Verunreinigungen.
9. Legierung nach Anspruch 8, dadurch gekenn-• zeichnet, daß sie folgende Bestandteile in Gewichtsprozent enthält:
0,001 - 0,02 Bor, 0,5-7 Rhenium, <0,8 Titan, 2-8 Chrom, 4-7 Aluminium, 5-13 Tantal, 0,1 - 0,7 Kohlenstoff, <5 Kobalt, <6 Wolfram, <0,2 Vanadium, -<5 Molybdän, <1 Niob, <0,15 Hafnium, <0,15 Zirkonium, Rest Nickel und übliche Verunreinigungen .
10. Legierung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozent enthält:
0,01 Bor, 6,44 Rhenium, 3,84 Chrom, 5,34 Aluminium, 11,37 Tantal, 0,43 Kohlenstoff, 3,8 Kobalt, 4,33 Wolfram, 3,01 Molybdän;. 61,44 Nickel, Rest übliche Verunreinigungen.
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