DE3114253C2

DE3114253C2 -

Info

Publication number: DE3114253C2
Application number: DE19813114253
Authority: DE
Inventors: David Noel Newington Conn. Us Duhl; Xuan Marlborough Conn. Us Nguyen-Dinh
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1980-05-09
Filing date: 1981-04-08
Publication date: 1988-02-25
Also published as: GB2075548A; DE3114253A1; JPS572853A; JPS6343458B2; GB2075548B

Description

Im Bereich der Entwicklung von Legierungen für die Verwendung in Gasturbinen von Flugzeugen wurden beträchtliche Anstrengungen unternommen, die zur Entwicklung von sog. Superlegierungen geführt haben, die den besonderen Bedingungen bei einer Verwendung in Gasturbinen von Flugzeugen angepaßt waren. Die Hauptentwicklungsrichtung bei Gasturbinen von Flugzeugen war dabei auf höhere Schub/Gewichts-Verhältnisse und einen höheren Wirkungsgrad gerichtet. Diese Ziele können am besten erreicht werden, wenn bei erhöhten Temperaturen gearbeitet wird, bei denen das Metall Temperaturen von 982 bis 1194°C aufweist. Infolgedessen wurden die meisten Superlegierungen für eine Verwendung für Gasturbinen so abgestimmt, daß ihr Verhalten in diesem Temperaturbereich optimal ist.

Beispiele für Superlegierungen mit verbesserten Hochtemperatureigenschaften, die für eine Verwendung in Gasturbinen von Flugzeugen bestimmt sind, finden sich in der DE-OS 21 26 435 oder auch der GB-PS 10 04 566. Diese Legierungen enthalten als Basismetall Nickel und/oder Kobalt sowie Chrom und enthalten bzw. können außerdem enthalten Tantal, Niob, Wolfram und/oder Molybdän, Titan und/oder Aluminium und können auch noch geringe Mengen Mangan neben anderen Elementen enthalten. Eine Legierung dieses Typs ist auch die Legierung IN-738, beschrieben z. B. in Materials Engineering, November 1976, Vol. 84, Nr. 6, Seite 100. Diese Legierung enthält neben Nickel als Basismetall 8 bis 9% Kobalt, 15,7 bis 16,3% Chrom, 1,5 bis 2% Molybdän, 2,4 bis 2,8% Wolfram, 1,5 bis 2% Tantal und 0,6 bis 1,1% Niob, 3,2 bis 3,7% Aluminium und 3,2 bis 3,7% Titan, 0,2% Mangan sowie darüberhinaus noch geringe Mengen an Bor, Zirkonium, Eisen, Silicium, Schwefel und Kohlenstoff. Diese Legierung weist eine gute Oxidationsbeständigkeit bei Temperaturen bis etwa 1100°C auf und eine gute Beständigkeit gegen Sulfidierung bis zu Temperaturen von 990°C, also bis zu typischen Temperaturen, wie sie in Gasturbinen von Flugzeugen auftreten.

Die Verwendung von Gasturbinen für den Antrieb von Schiffen war ebenfalls bereits Gegenstand von Entwicklungsarbeiten. Gegenüber Gasturbinen für Flugzeuge ergaben sich jedoch andere Grundforderungen. Bei Schiffsantrieben liegt der Hauptnachdruck nämlich auf einem langen zuverlässigen Betrieb bei geringen Reparatur- und Wartungskosten. Zu diesem Zweck werden bei Gasturbinen von Schiffen niedrigere Arbeitstemperaturen gewählt, üblicherweise im Bereich von 649 bis 760°C, wobei nur bei Vollast gelegentlich auch Temperaturen bis zu 871°C auftreten können. Es wurde nunmehr jedoch beobachtet, daß in den genannten, gegenüber Gasturbinen für Flugzeuge niedrigeren Temperaturbereichen eine besondere Form einer Heißkorrosion auftritt, die zu anomal hohen Korrosionsschäden führt, wenn die für Gasturbinen für Flugzeuge üblichen Superlegierungen verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Problem der Heißkorrosion im Temperaturbereich, in dem Gasturbinen von Schiffen betrieben werden, durch Auffinden einer Superlegierung zu lösen, die im fraglichen Temperaturbereich eine besonders hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Verwendung einer Legierung als Werkstoff für die Herstellung von Gasturbinen gelöst, die in Schiffen eingesetzt werden, die wie im Patentanspruch angegeben zusammengesetzt ist.

Als Besonderheit der genannten Legierung ist der definierte Mangangehalt von 0,2 bis 0,6% anzusehen. Mangan war zwar bereits früher als möglicher Bestandteil von Superlegierungen genannt und untersucht worden, der Mangangehalt wurde dabei jedoch primär als Verunreinigung angesehen, und es wurde niemals beobachtet, daß Mangan auf die Eigenschaften von Superlegierungen einen nützlichen Einfluß ausübt. Überraschenderweise wurde nunmehr jedoch festgestellt, daß im Temperaturbereich des Betriebs von Gasturbinen von Schiffen die Zugaben von Mangan im angegebenen Mengenbereich zu einer erheblichen Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und des Kriechverhaltens führen. Der Mechanismus, über den Mangan in dieser niedrigen Konzentration den Angriff durch Heißkorrosion vermindert, ist nicht bekannt.

Zur Herstellung von Teilen für Gasturbinen von Schiffen können die im Patentanspruch genannten Legierungen in polykristalliner Form, in uniaxialrichtungsverfestigter Form und in Einkristallform verwendet werden. Die Herstellung richtungsverfestigter Gegenstände ist dabei in der US-PS 32 60 505 beschrieben, die Herstellung von Einkristallen in der US-PS 34 94 709.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert. In diesen Beispielen sind, wie in der gesamten vorliegenden Beschreibung, Prozentangaben stets Angaben von Gew.-%.

Beispiel 1

Es wurden acht Versuchslegierungen hergestellt. Sie besaßen drei verschiedene Zusammensetzungen, denen verschiedene Mengen Mangan zugegeben wurden. Die Zusammensetzungen sind in Tabelle I aufgeführt. Legierungen mit diesen Zusammensetzungen wurden ohne Manganzusatz, mit ungefähr 0,3% Manganzusatz und mit ungefähr 0,9% Manganzusatz getestet. Das Testen erfolgte dadurch, daß diese Proben den Produkten ausgesetzt wurden, die durch die Verbrennung von Heizöl gebildet wurden, wobei das Verbrennen des Heizöls mit einem in einem Kanal angeordneten Reihenbrenner erfolgte, damit eine Verdünnung der Abgase und der darin enthaltenen aggressiven Stoffe durch Umgebungsluft verhindert werden konnte. In die Verbrennungsluft und in den Brennstoff wurden Schwefeldioxid eingemischt, um den Schwefelgehalt der Verbrennungsprodukte auf einen Wert zu bringen, der entsteht, wenn der Brennstoff 2,6% Schwefel enthält.

Zusätzlich wurden 20 ppm Seesalz zugegeben, um die Heißkorrosion zu beschleunigen und um eine Meeresumgebung zu simulieren. Es wurde ein Überwachungs- und Kontrollsystem verwendet, die Proben auf eine Metalltemperatur von ungefähr 732°C zu halten. Die Proben wurden periodisch entnommen, worauf die Tiefe des Korrosionsangriffs untersucht wurde. Die Resultate sind in Fig. 1 angegeben. Fig. 1 zeigt, daß die Zugabe von ungefähr 0,3% Mangan eine Abnahme des Angriffs durch Heißkorrosion von ungefähr 40% gegenüber einer manganfreien Legierung ergibt, und zwar während einer Testperiode von 500 h.

Fig. 1 zeigt, daß Manganzugaben bis zu ungefähr 0,8% die Heißkorrosion bei 732°C verringern. Mangangehalte von 0,2 bis 0,6% ergeben eine beträchtliche Verringerung der Korrosion und werden deshalb bevorzugt.

Die Legierung II-9 ohne Mangan ist in ihrer Zusammensetzung ähnlich einer handelsüblichen Legierung, die als IN-792 bekannt ist und die durch die International Nickel Corporation geliefert wird. Sie wird vielfach bei Anwendungen herangezogen, bei denen die Heißkorrosion Schwierigkeiten macht. Die Zugabe dieser kleinen Menge Mangan ergibt eine beträchtliche Verbesserung des Korrosionsangriffs gegenüber den Resultaten von manganfreien Zusammensetzungen. Eine ähnliche Verringerung des Korrosionsangriffs ist bei den anderen beiden Legierungen zu sehen, die Chromgehalte bis zu 18% aufweisen. Da Chrom dasjenige Element ist, welches vermutlich überwiegend das Verhalten von Superlegierungen gegenüber Heißkorrosion beeinflußt, ist erkenntlich, daß Mangan die Heißkorrosion über einen weiten Bereich von Chromgehalten verringert.

Beispiel 2

Fig. 2 zeigt das Korrosionsverhalten der gleichen Legierungen wie in Beispiel 1, wobei die gleichen Testbedingungen wie in Beispiel 1 verwendet wurden, außer daß die Temperatur auf 899°C erhöht wurde. Es ist ersichtlich, daß bei dieser höheren Temperatur Mangan schädlich ist, da es die Korrosionsbeständigkeit dieser Legierung ungünstig beeinflußt. Jedoch ist auch bei dieser höheren Temperatur eine leichte Krümmung in der Kurve in der Gegend von ungefähr 0,3% Mangan erkenntlich. Dieses Beispiel zeigt, daß die Manganzugaben zu Superlegierungen die Korrosion bei Temperaturen unter ungefähr 899°C am wirksamsten verringern, weshalb erfindungsgemäß derartige Legierungen ihre Hauptanwendung dort finden, wo Temperaturen von 899°C und darüber nur selten auftreten.

Beispiel 3

Legierungen mit der Zusammensetzung der Legierungen II-17mm (in Tabelle I beschrieben) wurden in Einkristallform mit Mangangehalten von 0, 0,5 und 1 Gew.-% hergestellt. Ihr Kriechverhalten wurde mit einer angelegten Belastung von 2758 bar bei 871°C getestet. Die Resultate sind in Tabelle II angegeben. Es ist ersichtlich, daß nominale Zugaben von 0,5% Mangan eine beträchtliche und unerwartete Verbesserung in den Kriecheigenschaften ergeben.

Bei den Anwendungen, für welche diese Legierungen entwickelt wurden, nämlich Gasturbinen für Schiffe, treten Schäden durch Kriechen hauptsächlich in den seltenen Fällen auf, bei denen die Arbeitstemperaturen sich 816-927°C nähern, während Schäden durch Heißkorrosion im niedrigen Temperaturbereich von 649-760°C auftreten. Infolgedessen besitzen die erfindungsgemäßen Legierungen, die eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Heißkorrosion bei 732°C und eine verbesserte Kriechbeständigkeit bei 871°C aufweisen, eine einzigartige Kombination von Eigenschaften für die spezielle Anwendung in Gasturbinen für Schiffe.

Tabelle I

Tabelle II

Claims

1. Verwendung einer Legierung, bestehend aus 12 bis 20% Chrom, 3 bis 14% Tantal, Niob, Wolfram und/oder Molybdän, 5 bis 10% Aluminium und/oder Titan, wobei der Aluminiumgehalt weniger als die Hälfte des Chromgehalts beträgt, 5 bis 20% Kobalt, 0,2 bis 0,6% Mangan, Rest Nickel, als Werkstoff für die Herstellung von Gasturbinen, die in Schiffen eingesetzt werden.