DE3016028A1 - Gegenstand aus einer superlegierung auf nickelbasis und legierung dafuer - Google Patents

Gegenstand aus einer superlegierung auf nickelbasis und legierung dafuer

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DE3016028A1 DE19803016028 DE3016028A DE3016028A1 DE 3016028 A1 DE3016028 A1 DE 3016028A1 DE 19803016028 DE19803016028 DE 19803016028 DE 3016028 A DE3016028 A DE 3016028A DE 3016028 A1 DE3016028 A1 DE 3016028A1
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Description

Beschreibung
Die Erfindung betrilft einen gerichtet erstarrten, anisotropen Metallverbundkörper mit Querduktilität, Beständigkeit gegenüber cyclischer Oxidation und Wärmekorrosion sowie guten Festigkeitseigenschaften bei hoher Temperatur, der eine eutektische Superlegierung auf Nickelbasis mit etwa 2-9 Gew.-% Rhenium, weniger als etwa 0,8 Gew.-% Titan, mindestens
2 Gew.-% Molybdän und weniger als 1 Gew.-% Vanadium umfaßt. In der Matrix eingebettet ist eine gerichtete verstärkende faserförmige Karbidphase, vorzugsweise hauptsächlich aus Karbiden von Tantal.
In der US-PS 3 904 402 sind eutektische Nickelbasislegierungen mit Rhenium und einer verstärkenden faserförmigen Karbidphase beschrieben, die verbesserte Spannungsbrucheigenschaften bei hoher Temperatur aufweisen. In diesen Legierungen werden vorzugsweise 4-7 Gew.-% Vanadium eingesetzt, um sowohl die Festigkeit der Karbidfasern als auch der Matrix zu verbessern. Molybdän wird bei diesen Legierungen nur in begrenztem Maße eingesetzt, d. h. bis zu etwa 3 Gew.-%, vorzugsweise ist es jedoch nicht vorhanden. In den Legierungen nach der US-PS
3 904 402 werden vorzugsweise 2-4 Gew.-% Wolfram eingesetzt. Zusammenfassend lehrt diese US-PS die zusätzliche Verwendung von Vanadium und den beschränkten Einsatz von Molybdän und Wolfram.
Kürzlich durchgeführte Untersuchungen der Legierungen nach der US-PS 3 904 402 zeigten, daß diese Legierungen eine relativ geringe Festigkeit in Querrichtung aufwiesen, d. h. sie erwiesen sich als brüchig bzw. nicht duktil beim Biegeversuch, und ihre Beständigkeit gegenüber cyclischer Oxidation und Wärmekorrosion war beschränkt.
Die vorliegende Erfindung ist in einem gerichtet erstarrten, anisotropen Metallverbundkörper mit Querduktilität und Festigkeit bei hoher Temperatur verkörpert, der eine eutektische
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Superlegierung auf Nickelbasis umfaßt, die 2-9 Gew.-% Rhenium, weniger als 0,8 Gew.-% Titan, mindestens 2 Gew.-% Molybdän und weniger als 1 Gew.-% Vanadium enthält. In der Matrix ist eine ausgerichtete verstärkende faserförmige Karbidphase eingebettet, die vorzugsweise hauptsächlich aus Tantalkarbid TaC besteht.
In der vorliegenden Erfindung wurde die wechselseitig abhängige Beziehung verschiedener Elemente, z. B. Vanadium, Molybdän und Wolfram, für eutektische Nickellegierungen mit Rheniumgehalt und Karbidfaserverstärkung erkannt.
Die erfindungsgemäßen Superlegierungen auf Nickelbasis enthalten die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozent: 2-9 Rhenium, 0-0,8 Titan, 0-10 Chrom, 0-10 Aluminium, 3-15 Tantal, 0,1-1 Kohlenstoff, 0-10 Kobalt, 0-10 Wolfram, 0-1,0 Vanadium, 2-10 Molybdän, 0-3 Niob, Rest im wesentlichen Nickel und übliche Verunreinigungen.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Figur 1 eine grafische Darstellung der Zugfestigkeit in Querrichtung einer gerichtet erstarrten, eutektischen Superlegierung auf Nickelbasis mit Rhenium, die karbidfaserverstärkt ist und die Zusammensetzung der Legierung "A" aufweist. Diese Legierung "A" hat in dem dargestellten Temperaturbereich nur eine geringe Dehnung in Querrichtung bzw. keine.
Figur 2 eine grafische Darstellung des Zugverhaltens in Querrichtung einer gerichtet erstarrten, eutektischen Superlegierung auf Nickelbasis mit Rheniumgehalt, die karbidfaserverstärkt ist und die Zusammensetzung der Legierung "B" aufweist. Diese Legierung "B" liegt innerhalb des Bereiches der Legierung nach der US-PS 3 904 402 und sie ist im wesentlichen nicht duktil
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und weist bei erhöhten Temperaturen, d. h. bei Temperaturen von etwa 900 bis etwa 1040 C eine geringe Duktilität in Querrichtung von maximal 0,2 % auf.
Figur 3 eine grafische Darstellung des Zugverhaltens in Querrichtung einschließlich der Duktilität (Dehnung) in Querrichtung einer gerichtet erstarrten, eutektischen Superlegierung auf Nickelbasis, die Rhenium enthält und mit Karbidfasern verstärkt ist. Die Legierung hat die Zusammensetzung "C" sowie eine verbesserte Duktilität in Querrichtung von mehr als 1 % unterhalb von etwa 790 C sowie eine Dehnung in Querrichtung im Bereich von 0,2 - 1 % bei allen oberhalb von etwa 790 0C untersuchten Temperaturen.
Figur 4 eine grafische Darstellung der cyclischen Oxidation einer Reihe gerichtet erstarrter, eutektischer Superlegierungen auf Nickelbasis mit Rheniumgehalt und Karbidfaserverstärkung der Zusammensetzungen "AA", "BB" sowie "C", und
Figur 5 eine grafische Darstellung der Larsen-Miller-Parameter der Legierungen "AA", "BB" und "C" in Abhängigkeit von der angewendeten Spannung in "6,9 N/mm^1 (entsprechend 1000 US-Pfund/Zoll ), wobei der Larsen-Miller-Parameter P durch die folgende Gleichung gegeben ist: P = T(C+log tf) χ 1<53, C°R,hj ,
worin "T" die Temperatur in Grad Rankine angegeben ist, d. h. es ist die absolute Temperatur in Grad F, "C" gleich 20 ist und
"t" die zum Bruch erforderliche Zeit in (h) ist, wie sie mehr im einzelnen in den American Society of Engineers Transactions (1952), 74» Seiten 765 - 771, beschrieben ist.
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Die Zusammensetzungen der vorgenannten Legierungen "A" usw. sind der besseren Übersichtlichkeit halber nur auf den Figuren angegeben und sie werden ausdrücklich als Bestandteil der vorliegenden Beschreibung angesehen.
Die Daten der Figuren 1 - 3 beruhen auf der Auswertung einer Reihe von Legierungen der in den Figuren angegebenen Zusammensetzungen, die in einer inerten Argonatmosphäre in Tiegeln aus Al3O3 oder MgO geschmolzen und unter Kühlen in Kupferstabformen gegossen wurden. Die Gießproben ließ man mit einer planaren Front erstarren, um die gerichtet erstarrten Gegenstände zu erhalten, die für das nachfolgende Untersuchungsprogramm eingesetzt wurden. Die für die Ermittlung der Eigenschaften in Längsrichtung benutzten Probekörper wurden maschinell parallel zur Wachstumsrichtung aus den Barren herausgearbeitet. Die Proben zur Ermittlung der Eigenschaften in Querrichtung wurden mittels elektrischer Entladung senkrecht zur Wachstumsrichtung aus den Barren herausgearbeitet und zu der erwünschten Konfiguration geschliffen.
In der folgenden Tabelle I sind die Ergebnisse der Spannungstests in Querrichtung zusammengefaßt, die die Grundlage der Darstellungen der Figuren 1-3 bilden.
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TABELLE I
Ergebnisse der im erstarrten Zustand ausgeführten Cjuerbelastungsversuehi·
Beispiel Zusammensetzung
Temperatur O,2%-Streck- Zugfestig- Dehnung °C (0F) grenze N/mm2 keit N/mm2 t (KSI) (KSI)
1 Legierung "A" 76O (140O) 69O _ 6OO ( 87) C), It.
2 Il Il Il ( " ) - 566 ( 82) O
3 Il Il Il ( " ) - 648 ( 94) 0,Ο·1
4 Il Il It ( " ) (lOO) 718 (104) O, Jb
5 Il Il 9OO (1650) - 4OO ( 58) O
6 Il It Il ( " ) - 4O7 ( 59) O
7 Il Il Il ( " ) - 4OO ( 58) O
8 Il Il 1040 (19OO) 455 - 269 ( 39) O
9 Il It Il ( " ) 753 - 3O4 ( 44) O
IO Legierung 11B" 870 (160O) 773 _ 58O ( Θ4) O
11 K fl 1040 (1900) 732 ( 66) 455 ( 66) 0,2
12 Legierung II/-» M 25 ( 77) 711 (109) 1043 (151) 13
13 Il Il 425 ( 8OO) 753 (112) 925 (134) 5.U
14 Il Il 650 (120O) 648 (106) 870 (126) 2,9
15 Il Il 760 (14OO) 559 (103) 863 (125) 1,4
16 Il M 850 (156O) 414 (109) 78O (113) 0,4')
17 Il It 900 (1650) ( 94) 648 ( 94) 0,22
18 Il Il 9OO (165O) ( 81) 648 ( 94) O,44
19 Il Il 1040 (190O) ( 60) 428 ( 62) 0,67
In der folgenden Tabelle II sind die bei den Spannungstests ermittelten Eigenschaften in Längsrichtung zusammengefaßt.
TABELLE II
Versuchsergebnisse der Spannungsbruch-Untersuchungen der angegebenen Legierungen in Längsrichtung im erstarrten Zustand
Temperatur Spannung Test- Querschnitts-0C (0F) N/mm2 dauer verminderung (KSI) (h) (%)
950 (1742) 483 (7O) 19*"
Bei
spiel		 Zusammensetzung "A"
It
20
21		 Legierung
Il 		11B"
Il
22
23		 Legierung It/-tu
M
24
25		 Legierung
M
Dehnung
1Ο8Ο (1980) 2Ο7 (30) 43
950 (1742) 483 (7O) 6,55
1Ο8Ο (1980) 207 (3O) 16,64
95Ο (1742) 483 (7O) 7+
1080 (198O) 207 (3O) 52+
17,1 54,3
14,-1 14,7
aus anderen Testbedingungen extrapoliert
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Bei den in Figur 4 gezeigten Ergebnissen der cyclischen Oxidation hat die Legierung "AA" eine Zusammensetzung wie die Legierung nach der US-PS 3 904 402 sowie eine hohe Empfindlichkeit gegenüber der nachteiligen Wirkung der cyclischen Oxidation.
Die Legierungen "BB" und "Cir nach der vorliegenden Erfindung zeigen dagegen eine geringe Empfindlichkeit gegenüber der nachteiligen Wirkung der cyclischen Oxidation.
In der folgenden Tabelle III sind die Ergebnisse der Untersuchung der Beständigkeit gegenüber cyclischer Oxidation der handelsüblichen Nickelsuperlegierungen Rene 77 und Rene 80 mit der Legierung "AA" nach der US-PS 3 904 402 mit der erfindungsgemäßen Legierung "BB" unter analogen Bedingungen verglichen. Wie sich der Tabelle III entnehmen läßt, ist die Beständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung "BB" gegenüber der cyclischen Oxidation sehr viel besser als die der Legierungen Rene 77, 80 und "AA".
TABELLE III
Ergebnisse der Untersuchungen der Beständigkeit gegenüber cyclischer Oxidation bei einer Temperatur im Bereich von etwa 90 C Coder 2O C) bis za etwa 1090 C
Legierung Art der Legierung Zahl der Zahl der Gewichtsverlust
auf Nickelbasis Cyclen Stunden in mg/crn^
Rene 77 Superlegierung
Rene 80 Superlegierung
"AA" eutektische Superlegierung
"BB" eutektische Superlegierung
"BB" eutektische Superlegierung
4 loo 8 1
4 loo 20 9
163 163 245
160 (1) 16O 1,
816(1) 816 1,
(1) Fortsetzung des Tests mit dem gleichen Probekörper
In der folgenden Tabelle IV ist eine Reihe von Legierungen zusammengefaßt, die Korrosionstests in der Wärme unter Verwendung eines Dieselbrennstoffes mit 1 Gew»-% Schwefel und; 460 ppm Seesalz bei einer Temperatur von etwa 870 0C während 109 Stunden unterworfen wurden» Die Korrosionstiefe,, die während des;
109-stündigen Tests auftrat, ist in Tabelle V zusammengefaßt.
TABELLE IV
Elemente Rene Rene Legierung des Legierung Legierung
80 100 Beispiels 13 der 11A" "C"
US-PS 3 904 402
Ni Rest Rest Rest 69,46 61 ,44
Re - - 6,2 6,3 6,44
Ti 5,0 4,2 - -
Cr 14,0 9,5 4,4 1,9 3,84
Al 3,0 5,5 5,4 6,5 5,34
Ta - - 8,1 8,0 11,37
C 0,17 0,18 0,48 0,24 0,43
Co 9,5 15,0 3,3 3,7 3,8
W 4,0 - 3,1 - 4,33
V - 1,0 5,6 3,9 -
Mo 4,0 3,0 - 3,01
Nb - - —
Hf - - - —
Zr 0,03 0,06 - -
B 0,015 0,015 - -
andere 1 ,0Fe
TABELLE V
Legierung
Rene 80
Rene 100
Legierung des Beispiels 13 der US-PS 3 904 402 Legierung "A" Legierung
A" "C"
Wärmekorros ion
Korrosionstiefe (in 0,025 mm)
1,0 23
18 2,5
Die Legierungszusammensetzungen nach der vorliegenden Erfindung mit Fasern aus Tantalkiirbid als verstärkender Phase haben die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent:
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Legierungszusammensetzungen Grund- Bevorzugte Rest 3016028
zusammensetzung Zusammensetzung 2-9 Vk ^^ I ^^ ^^ ^v ^^
Elemente Rest 0-0,8 Noch bevorzugtere
2-9 2-10 Zusammensetzung
Ni 0-0,8 2-9 Rest
Re 0-10 3-15 5-8
Ti 0-10 0,2-0,8 0-0,8
Cr 3-15 0-10 3-8
Al 0,1-1,0 0-10 4-7
Ta 0-10 0-0,5 5-13
C 0-10 2-8 0,3-0,7
Co 0-1 0-2,0 2-6
W 2-10 3,5-6,0
V 0-3 <0,2
Mo 2,5-5,5
Nb 0-1,0
Der erfindungsgemäße Gegenstand ist nicht auf einen gerichtet erstarrten, anisotropen Metallverbundkörper aus einer Superlegierung auf Nickelbasis mit einer Matrix aus gamma/gamma', wobei die Matrix eine feste Lösung als gamma-Phase und eine geordnete gleichachsige Ausfällungs-gehärtete gamma1-Phase enthält und in die Matrix aus gamma/gamma1 eine ausgerichtete eutektische verstärkende faserförmige Karbidphase, hauptsächlich aus Tantalkarbid, eingebettet ist, beschränkt.
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Claims (10)

Dr. rer. not. Horst Schüler f00 Frankfurt/Main ι, 24.4. so Kaiserstrcme 41 Dr.Sb/Rg PATENTANWALT Telefon (06U, 235555 ^ η 1 κ η ? R Telex: °4'16759 mapat d JU IdUZo Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfuri-M. Bankkonto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M. 8339-RD-81OO GENERAL ELECTRIC COMPANY 1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A. Gegenstand aus einer Superlegierung auf Nickelbasis und Legierung dafür Patentansprüche
1. Gegenstand mit Querduktilität, Beständigkeit gegenüber cyclischer Oxidation sowie Hitzekorrosion und guter Festigkeit bei hoher Temperatur, gekennzeichnet durch einen gerichtet erstarrten, anisotropen Metallverbundkörper mit
einer Matrix aus einer Superlegierung auf Nickelbasis mit 2-9 Gew.-% Rhenium, weniger als 0,8 Gew.-% Titan, mindestens 2 Gew.-% Molybdän, weniger als 1 Gew.-% Vanadium sowie Elementen, ausgewählt aus Chrom Aluminium, Tantal, Kohlenstoff, Kobalt, Wolfram und Niob, und
einer ausgerichtete^eutektischen verstärkenden faserförmigen Phase aus Karbiden, die hauptsächlich aus Tantalkarbid bestehen.
2. Gegenstand nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß die Matrix eine geordnete, gleichachsige, ausscheidungsgehärtete Phase aufweist.
3. Gegenstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Superlegierung die folgenden
Bestandteile in Gewichtsprozent enthält:
2-9 Rhenium, weniger als 0,8 Titan, 0-10 Chrom,
0-10 Aluminium, 3 -15 Tantal, 0,1-1 Kohlenstoff,
0-10 Kobalt, 0-10 Wolfram, 0 - 1,0 Vanadium,
2-10 Molybdän, 0-3 Niob, Rest Nickel und übliche
Verunreinigungen.
4. Gegenstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Superlegierung die folgenden
Bestandteile in Gewichtsprozent enthält:
2-9 Rhenium, weniger als 0,8 Titan, 2-10 Chrom,
2-9 Aluminium, 3 - 15 Tantal, 0,2 - 0,8 Kohlenstoff,
0-10 Kobalt, 0-10 Wolfram, 0-0,5 Vanadium,
2-8 Molybdän, 0-2 Niob, Rest Nickel und übliche Verunreinigungen.
5. Gegenstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Superlegierung aus den folgenden Bestandteilen in Gewichtsprozent besteht:
5-8 Rhenium, weniger als 0,8 Titan, 3-8 Chrom,
4-7 Aluminium, 5-13 Tantal, 0,3 - 0,7 Kohlenstoff,
2-6 Kobalt, 3,5 - 6,0 Wolfram, weniger als 0,2 Vanadium, 2,5 - 5,5 Molybdän, 0 - 1 Niob, Rest Nickel und übliche
Verunreinigungen.
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6. Legierung, aus der ein gerichtet erstarrter, anisotroper Gegenstand mit Querduktilität, Beständigkeit gegenüber cyclischer Oxidation und Wärmekorrosion und guter Festigkeit bei hoher Temperatur erhältlich ist, gekennzeichnet durch die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozent:
2-9 Rhenium, weniger als 0,8 Titan, 0-10 Chrom, 0-10 Aluminium, 3-15 Tantal, 0,1-1 Kohlenstoff, 0-10 Kobalt, 0-10 Wolfram, 0-1,0 Vanadium, 2-10 Molybdän, 0-3 Niob, Rest Nickel und übliche Verunreinigungen.
7. Legierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozent enthält:
2-9 Rhenium, weniger als 0,8 Titan, 2-10 Chrom, 2-9 Aluminium, 3-15 Tantal, 0,2 - 0,8 Kohlenstoff, 0-10 Kobalt, 0-10 Wolfram, 0-0,5 Vanadium, 2-8 Molybdän, 0-2 Niob, Rest Nickel und übliche Verunreinigungen .
8. Legierung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch d:.e folgenden Bestandteile in Gewichtsprozent: 5-8 Rhenium, weniger als 0,8 Titan, 3-8 Chrom, 4-7 Aluminium, 5-13 Tantal, 0,3 - 0,7 Kohlenstoff, 2-6 Kobalt, 3,5-6 Wolfram, weniger als 0,2 Vanadium, 2,5 - 5,5 Molybdän, 0 - 1 Niob, Rest Nickel und übliche Verunreinigungen.
9. Legierung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozent: 6,44 Rhenium, 3,84 Chrom, 5,34 Aluminium, 11,37 Tantal, 0,43 Kohlenstoff, 3,8 Kobalt, 4,33 Wolfram, 3,01 Molybdän, 61,43 Nickel, Rest übliche Verunreinigungen.
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10. Legierung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozent: 6,63 Rhenium, 3,87 Chrom, 5,37 Aluminium, 5,85 Tantal, 0,39 Kohlenstoff, 3,81 Kobalt, 4,46 Wolfram, 4,66 Molybdän, 64,96 Nickel, Rest übliche Verunreinigungen.
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