DE3248134A1 - Hochfester und korrosionsbestaendiger einkristallgegenstand aus einer legierung auf nickelbasis - Google Patents

Hochfester und korrosionsbestaendiger einkristallgegenstand aus einer legierung auf nickelbasis

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DE3248134A1
DE3248134A1 DE19823248134 DE3248134A DE3248134A1 DE 3248134 A1 DE3248134 A1 DE 3248134A1 DE 19823248134 DE19823248134 DE 19823248134 DE 3248134 A DE3248134 A DE 3248134A DE 3248134 A1 DE3248134 A1 DE 3248134A1
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Description

PATENTANWALT 27· Dez · 1982
DR. RICHARD KMElSSL DE 81 Dr.K/sch
Wids; .r.ii'.yc ; tr. 45
D-800Ü Γ/;·".Ν ^MtIW TeL0S9/295125
United Technologies Corporation Hartford, Connecticut/V.St.A.
Hochfester und korrosionsbeständiger Einkristallgegenstand aus einer Legierung auf Nickelbasis
Beschrelbung
Die Erfindung bezieht sich auf hochfeste Gegenstände aus einer Superlegierung auf Nickelbasis, wie z. B. Gasturbinenteile, die sowohl korrosionsbeständig sind als auch bei hohen Temperaturen verwendet werden können. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Einkristallgegenstände aus einer Superlegierung.
Die steigenden Ansprüche hinsichtlich des Leistungsfaktors bei Gasturbinen machen Materialien erforderlich, die immer noch härteren Betriebsbedingungen gewachsen sind. Insbesondere werden bei gewissen Anwendungen eine gesteigerte Temperaturbeständigkeit in Verbindung mit einer Korrosionsbeständigkeit gefordert.
In der US-PS 3 494 709 ist die Herstellung von Gasturbinenteilen in Einkristallform beschrieben, welche ein verbessertes Verhalten zeigen. Aus der US-PS 4 116 723 ist es bekannt, Einkristallgegenstände aus einer Superlegierung einer Wärmebehandlung zu unterwerfen, um deren Eigenschaften zu verbessern. Schließlich beschreibt die US-PS 3 619 182 eine Superlegierung mittlerer Festigkeit, die eine überlegene Korrosionsbeständigkeit besitzt.
Die erfindungsgemäßen Legierungen bestehen aus 9,5 - 14 % Cr, 7 - 11 % Co, 1 -2,5 % Mo, 3-6 %W, 3-6 % Ta, 3-4 % Al, 3-5% Ti, 0-1 % Nb und im übrigen im wesentlichen aus Nickel und weisen aufgrund der Herstellung der Legierung in Einkristallform verbesserte mechanische Eigenschaften auf. Der erhaltene Einkristallgegenstand wird nach der Herstellung vorzugsweise wärmebehandelt. Wärmebehandelte Einkristalllegierungen dieser Zusammensetzung zeigen eine wenigstens
10-fache Verbesserung der Bruchlebensdauer im Vergleich zu Legierungen ähnlicher Zusammensetzung, die in üblicher Weise so verfestigt worden sind, daß sie eine äquiaxiale polykristalline Struktur aufweisen.
Die vorliegende Erfindung hat ihren Ursprung in einer überraschenden und unerwarteten Beobachtung. Eine Reihe von handelsüblichen Superlegierungen wurde in drei verschiedenen Formen untersucht. Proben wurden in polykristalliner (in üblicher Weise gegossener) Form, in säulenartiger (in richtungsverfestigter) Form und in einkristalliner (in richtungsverfestigter) Form hergestellt. Die getesteten Legierungen waren MAR-M200, MAR-M247, IN 939 und IN 792. Die ersten beiden Legierungen sind der Martin Metals Corporation und die letzteren beiden Legierungen der International Nickel Corporation geschützt. Die Zusammensetzung dieser getesteten Legierungen ist in der folgenden Tabelle.1 angegeben. Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die in üblicher Weise gegossenen Materialien die Korngrenzenverfestiger Kohlenstoff, Bor und Zirconium enthielten, und zwar wie alle Materialien mit säulenartigem Korn. Die meisten Proben mit säulenartigem Korn enthielten auch Zugaben von Hafnium zur Verbesserung der Querduktilität. Die meisten dieser einkristallinen Proben enthielten keines der Elemente Kohlenstoff, Bor, Zirconium oder Hafnium.
Die gegossenen Legierungsproben wurden wie in Tabelle 2 beschrieben wärmebehandelt. Die dort beschriebenen Wärmebehandlungen sind herkömmlicher Art, die typisch für solche sind, die von Fachleuten auf diesem Gebiet ausgewählt werden.
Diese Legierungsproben wurden unter verschiedenen Bedingungen auf ihre Kriechfestigkeit unter Belastung und Temperatur getestet, wobei die in Tabelle 3 angegebenen Resultate er-
halten wurden«. Tabelle 3 zeigt die überraschenden und unerwarteten Vorteile,, die sich durch Verarbeitung der modifizierten IN 792-Legierung in einkristalliner Form ergeben» Bei den Legierungen MAR-BOOQ, MÄR-M247 und IN 939 war das Verhältnis der Bruchlebensdauer der einkr.i stall inen Proben SU den in 'herkömmlicher Weise gegossenen Proben im Mittel 4,1. Jedoch war im Falle der Legierung IN 792 das Verhältnis der Bruchlebensdauer der einkristallinen Proben zu den in herkömmlicher Weise gegossenen Proben mehr als 17 (Durchschnitt von Versuchen bei' 870°C/344,75 MPa und 9800CZISOi-Ie MPa). Dieser Grad von Verbesserung ist überraschend und unerwartet« Es scheint also, daß die Verbesserung (hinsichtlich der Kriech/Bruch-Lebensdauer). die durch Verarbeitung der (modifizierten1 Legierung IN 792"in: Einkristallform erhalten wird, ungefähr 370 % größer ist als der Nutzen, den man aufgrund des Wissens über andere Superleg^ierungen vorhersagen würde. Für die Zwecke der Definierung der erfindungsgemäßen Resultate kann gesagt werden, daß eine mindestens 10™fache Verbesserung der Kriechlebensdauer erhältlich ist»
Eine ähnliche Schlußfolgerung wird erreicht, wenn man die Zeit bis zu einem Kriechen von 1 % betrachtet. Aufgrund der MÄR M-Legierungen wäre eine durchschnittliche 5,4-fache Verbesserung zu erwarten, wenn man von einer polykristallinen Macrostruktur auf eine einkristalline Struktur (gleichzeitig mit kleineren Änderungen bei der Zusammensetzung und der Wärmebehandlung) übergeht. In der Tat ergibt eine Änderung bei der modifizierten Legierung IN 792 eine durch-. sehnittliehe 12,6-fache Verbesserung« Auch hier handelt es sich um eine unproportionale und unerwartete Verbesserung, 4Se aus dem Stand der Technik nicht vorhergesagt werden konnte.
Die wesentliche Verbesserung der Kriecheigenschaften ist um so ausgeprägter/ weil nämlich die erfindungsgemäße Zusammensetzung etwas weniger dicht ist als die anderen untersuchten Legierungen. Weiterhin wird die bemerkenswerte Korrosionsbeständigkeit der Legierung IN 792 gemäß der Erfindung voll aufrechterhalten.
Eine Wärmebehandlung, wie sie in der US-PS 4 116 723 beschrieben ist wird bevorzugt, um die maximale Zunahme der Eigenschaften zu erzielen. Eine solche Wärmebehandlung ergibt eine Lösung der V^ -Phase und eine Homogenisierung der gegossenen Struktur bei einer Temperatur über der >^-Solvus-Temperatur (12320C für die erfindungsgemäße Zusammensetzung). Daran schließen sich noch ein oder mehrere Alterungsbehandlungen bei einer niedrigeren Temperatur an. Die Angaben in der US-PS 4 116 723 sollen als in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen gelten.
TABELLE 1 ZUSAMMENSETZUNG DER LEGIERUNGEN
Art der VerLegierung festigung Cr
Mo Ta Nb Al Ti Co
Zr
Hf Ni
MAR-M200 CC 9 12,5 — —— 1 5 2 10 • 0,15 0,015 0,05 —— Rest
CG 9 12 — — 1 5 2 10 0,15 0,015 0,05 1,5 Rest
SC 9 12 0,65 — 1 5 2 -— —— —— — — Rest
MAR-M247 CC 8,4 10 0,6 3,1 — — 5,5 1,1 10 0,15 α,015 0,06 1,4 Rest
CG 8,4 10 1 3 — 5,5 1 10 0,15 0,015 0,06 1,4 Rest
SC 9 10,5 3,3 — 5,8 1,2 β« — — — •— Rest
IN-939 CC 22,5 2 — 1,4 1 1,9 3,7 19 0,15 0,01 0,010 —- Rest
CG 22,5 2 — 1,4 1 1,9 3,7 19 0,15 0,01 0,010 — Rest
SC 22,5 2 1,9 1,4 1 1,9 3,7 19 —— — — —— Rest
IN-792 CC 12,2 3,8 1,9 3,9 . — — 3,5 4,1 9 0,12 0,015 0,06 0,5 Rest
CG 12,2 3,8 1,9 3,9 — 3,5 4,1 9 0,12 0,015 0,07 1,2 Rest
SC 12,5 3,8 CG 4,0 —· 3,5 4,0 9 — — —— — Rest
CC - in
(Co		 üblicher Weise gegossen
nventionally Cast);		 - säulenartiges Korn
(Columnar Grained)		 SC - Einkristall
(Single Crystal)
TABELLE WARHEBEHÄNDLÜNG DER LEGIERUNGEN
Art der VerLegierung ; festigung
Wärmebehandlung
MAR-M200-
CC,
CG
SC
10900C /4 h > 87:1° C /32 h
12040C /12h + 10800C /4h+ 871°C/32 h
13010C /4 h + 10800C /4h + 871°C/32 h
MAR-M247
cc
CG;;, SC .
cc ;■■:- CG:,3 SC;r-;~
10800C /4h + 871*C / 20 h
1232°C /2 h + 982°C /5h+ 871°C /20 h
1316°C /2 h + 1323°C/ 2h+ 982°C /5h+ 871°C/20 h
11600C /4 h + 10000C/ 6h+ 900°C/24 h + 700°C/16 h
1160°C /4 h + 10000C/ 6h+ 900°C/24 h + 700°C/16 h
1232°C /4/h + 1080?C/ 4h+ 871°C/32 h
cc— CG J SC; :
1121°C/- 2 & :+ 816°G/ 24 h
1204°C/10;h :+ -12200C /2h+ 1080°C/4 h + 816°C/24 h
1246.°C/ 4 h + -10800C 7 4h + 871°C/32 h
Ί&ΕΕΕΙΒ 3
EEMHJJSS DER ÄK2? DER WKFESTIGWG AUF DIS
Art der Zeit bis
Veriesti- Tsnpsratur Spannung zu 1 % legierung cpng . |°Q IMBa.) Kriechsn
Verhältnis der feit su 1 % Kriechen SC/a: SC/GG
Verhältnis der Bmcblebens=
&BR-M247
GG
SC
SC
982
982
871
982
413,7
220,64
206,85
262,01
344,7
.186,16
47 208
6,0
12,2
13,0
2,3
2,7
4,4
5,4
>,4 2,0
,8 1,7
1,7 1,1
15,2, .2,8
* c-
CaJ PO

Claims (2)

Patentansprüche
1. Hochfester Gegenstand aus einer Superlegierung auf Nickel- basisι dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus 9,5 - 14 % Cr, 7 - 11 % Co, 1 - 2,5 % Mo, 3 - 6 % W,
3 - 6 % Ta, 3 - 4 % Al, 3 - 5 % Ti, 0-1 % Nb und im übrigen im wesentlichen aus Nickel besteht, wobei die Summe aus Al + Ti ungefähr 6,5 bis 8 % beträgt, und daß die Legierung die Form eines Einkristalls aufweist.
2. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er wärmebehandelt worden ist.
DE19823248134 1981-12-30 1982-12-27 Hochfester und korrosionsbestaendiger einkristallgegenstand aus einer legierung auf nickelbasis Granted DE3248134A1 (de)

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