DE3336221A1

DE3336221A1 - Fueller fuer gegen schweisshitze bestaendige legierungen auf nickelbasis

Info

Publication number: DE3336221A1
Application number: DE19833336221
Authority: DE
Inventors: Akiyoshi Kikuchi; Tsuneo Yokosuka Kanagawa Nakanishi; Teiichiro Tokyo Saito; Shigeo Shin; Tamao Takatsu
Original assignee: Nippon Welding Rod Co Ltd; Fuji Electric Co Ltd; Fuji Electric Corporate Research and Development Ltd
Current assignee: Nippon Welding Rod Co Ltd; Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1982-10-06
Filing date: 1983-10-05
Publication date: 1984-04-12
Also published as: US4673123A

Description

Henkel, Pfenning, Feiler, Hänzel & Meinig

Π. Χ : 333622

Patentanwälte

Dr pnr G Ηΰπκβ M./·:¹":^' DiD'-!ng . P'enn^rj 5er ^r Dr rer na¹, l '-ei-f Vi'jnc*-' D'D'i -ing »V Har.;e^: M-jnc r^r Dipi -P^vs κ H Vt:n:g 5e^{r r} Dr ing A Bute^sc-.o^ Be^{r n}

Mohlstraße 3⁷ D-800G Munc^er 30

Te! 069982085-87 Telex 0529802 riu .id Telegramme eiücso'a

FO7-32476 HC/KK

NIPPON WELDING ROD CO., LTD.,
Tokio, Japan,

FUJI ELECTRIC COMPANY LTD.,
Kawasaki, Japan

und

FUJI ELECTRIC CORPORATE RESEARCH AND DEVELOPMENT LTD.,
Yokosuka, Japan

Füller für gegen Schweißhitze beständige Legierungen auf Nickelbasis

Die Erfindung betrifft einen Füller zur Verwendung bei gegen Schweißhitze beständigen Legierungen auf Nickelbasis / die bei Temperaturen ·
zum Einsatz gelangen sollen.

basis/ die bei Temperaturen von beispielsweise 1OOO C

Es gelangen immer mehr bei hohen Temperaturen zu betreibende Vorrichtungen, z.B. Gasturbinen, in Wärmekraftwerken, den verschiedensten Reaktoren in der chemischen Industrie, Atomkraftwerken u.dgl. zum Einsatz. Folglich besteht also auch ein erhöhter Bedarf an als Baumaterial zu verwendenden hitzebeständigen Metallen. Als Baumaterialien für solche Vorrichtungen verwendete Metalle müssen über lange Zeit hinweg, z.B. mehrere 10 000 Stunden oder mehr, bei Temperaturen von beispielsweise 600 - 1000°C einsatzfähig bleiben. Hitzebeständige Baumaterialien oder Werkstoffe, die bei derart hohen Temperaturen eine ausreichende Festigkeit aufweisen, sind beispielsweise Legierungen auf Nickelbasis. Es ist jedoch allgemein bekannt, daß bei Erhitzung solcher Vorrichtungen auf hohe Temperaturen selbst unter geringen Spannungen das metallische Baumaterial bzw. der metallische Werkstoff nach und nach "ermüdet" und letztlich ausfällt. Dies nennt man das "Kriechphänomen". Folglich sind die wichtigsten Eigenschaften, die hitzebeständige metallische Baumaterialien oder Werkstoffe aufweisen müssen, eine hohe Festigkeit und Zähigkeit

^:: 33362?

/2.

bei hoher Temperatur.

Da die bei derart hohen Temperaturen betriebenen Vorrichtungen durch Schweißen zusammengebaut werden müssen, sollte ferner die Dauerstandfestigkeit der Schweißverbindungen selbst der Dauerstandfestigkeit des das Baumaterial bzw. den Werkstoff (der Vorrichtung) bildenden hitzebeständigen Metalls entsprechen oder diese übertreffen. Die Dauerstandfestig-

1Ö keit ergibt sich aus drei wichtigen Eigenschaften, d.h. der Kriechgeschwindigkeit, der Dauerstandzeit und der Dauerstandsbildsamkeit. Bei geschweißten Bauteilen sollte das Schweißmetall selbst den Anforderungen an diese drei Eigenschaften genügen. Es gibt jedoch praktisch noch kein Schweißmetall, das in der Praxis sämtlichen drei Erfordernissen genügt. So kann man zwar ein Schweißmetall bereitstellen, dessen Dauerstandzeit im wesentlichen der Dauerstandzeit des metallischen Werkstoffs selbst entspricht, die Dauerstandsbildsamkeit und die Kriechgeschwindigkeit des Schweißmetalls sind jedoch weit geringer als die entsprechenden Eigenschaften des metallischen Werkstoffs. Im Hinblick darauf wird es in der Regel als günstig angesehen, wenn die Dauerstandzeit des Schweißmetalls langer ist als die Dauerstandzeit des metallischen Werkstoffs bzw. wenn die Kriechgeschwindigkeit des Schweißmetalls geringer ist als diejenige des metallischen Werkstoffs. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der metallische Werkstoff vor der Ermüdung und dem Ausfall des Schweißmetalls ermüdet und ausfällt.

Das eine Schweißverbindung liefernde Schweißmetall wird zuhächst erschmolzen und verfestigt sich dann. Folglich entspricht seine MikroStruktur der eben verfestigten Struktur, die sich von der beim Auswalzen

des metallischen Werkstoffs erhaltenen Struktur unterscheidet. Darüber hinaus ist erstere auch nicht metallographisch stabil. Selbst wenn man als Füller zwischen den miteinander zu verschweißenden metallischen Werkstoffen ein metallisches Material, das dem metallischen Werkstoff entspricht, verwendet, können sich die Kriecheigenschaften des Schweißmetalls von denjenigen des metallischen Werkstoffs erheblich unterscheiden. Dies bedeutet bei geschweißten Bauteilen, daß der Unterschied in den Kriecheigenschaften zwischen den metallischen Werkstoffen und dem Schweißmaterial zu einer erheblichen Einbuße an Festigkeit und Zuverlässigkeit des Bauteils führt. Dies belegende Beispiele werden später noch näher erläutert.

Die folgende Tabelle I enthält Angaben über die chemischen Bestandteile einer hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis:

	TABELLE I	%	Rest	maximal
Bestandteil	mindestens		0,15
	0,05		23,00
C	20,05	2,50
Cr	0,50	20,00
Co	17,00	1,00
Fe		10,00
Mn	8,00	0,04
Mo		1 ,00
P		0,03
Si		1,00
S	0,20
W
Ni

Aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I wird ein Kriechtestprüfling 1 in Form eines Rundstabes (Fig. 1) hergestellt. Der Durchmesser und der Querschnitt des Stabes betragen 6 mm bzw.

28,26 mm . Mit Hilfe eines durch ein Inertgas abgeschirmten Wolfram(licht)bogens wird eine Schweißstelle des Stabes 1 gebildet. Danach wird der Prüfling 1 bei 900 C axial gereckt, wobei die Dauer vom Anlegen der Zugbelastung bis zum Bruch gemessen wird. Das Ergebnis ist in Fig. 2 graphisch dargestellt. In der graphischen Darstellung entspricht die gestrichelte Linie 3 dem Ergebnis, das mit einem einheitlichen Stab aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I derselben Abmessungen, wie sie der Testprüfung 1 aufweist, jedoch ohne Schweißstelle erhalten wurde. Die durchgezogene Linie 4 entspricht dem Ergebnis des Testprüflings 1. Die Fig. 2 zeigt klar und deutlich, daß zwischen dem einheitlichen Stab und dem Testprüfling 1 nahezu kein Unterschied in der

2ö Bruchzeit existiert. Beim Testprüfling 1 erfolgt der Bruch an der Schweißstelle. Wenn jedoch die Temperatur (beim Recken) 1000⁰C beträgt, erfolgt der Bruch im (Metall)Werkstoffteil des Prüflings 1. Dies zeigt, daß die Schweißstelle eine ausreichende Kriechfestigkeit besitzt. Dies gilt jedoch nicht für ein Bauteil mit solchen Schweißstellen.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen zylindrischen Prüfling, der durch Stoßschweißung eines Paars becherförmiger (Metall)Werkstoffteile 5 aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I hergestellt wurde. Mit Hilfe des durch ein Inertgas abgeschirmten Wolfram(licht)bogens wird zwischen den becherförmigen Werkstücken eine Schweißstelle 6 gebildet. Ein Ende des Prüflings 2 ist ver-

schlossen, das andere Ende ist über ein dünnes Rohr 7 geöffnet. Zu Vergleichszwecken wird aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I ein Prüfling derselben Form und Abmessungen, wie sie der Testprüfling 2 aufweist (vgl. Fig. 3), jedoch ohne Schweißstelle, hergestellt. Durch das Rohr 7 wird in das Innere des Vergleichsprüflings bzw. des Testprüflings 2 so viel Gas eingeleitet, daß Innendrucke von 2697,8, 3384,5 bzw. 4414,5 kPa herrschen. Wird der Vergleichsprüfling (nun) auf hohe Temperatur gebracht, wird er gemäß Fig. 4 aufgebläht. Nachdem er genügend aufgeblasen bzw. aufgebläht ist, treten kleine Risse 8 auf, durch die das Gas ausströmt.

Der Testprüfling 2 wird ebenfalls aufgebläht, und zwar in der aus Fig. 5 ersichtlichen Weise. Dies rührt daher, daß die Kriechgeschwindigkeit der Schweißstelle 6 geringer ist als die Kriechgeschwindigkeit des Teils aus dem metallischen Werkstoff. Da ferner die Dauerstandsbildsamkeit der Schweißstelle 6 gering ist, kommt es zu einer abrupten Rißbildung ohne Verformung der Schweißstelle. Da ferner die Kriechgeschwindigkeit des metallischen Werkstoffs beträchtlich größer ist als die Kriechgeschwindigkeit der Schweißstelle, kann der verformte (Metall)Werkstoffteil auf die Schweißstelle einen Zug ausüben, so daß es zu einem Bruch der Schweißstelle kommt. Der Bruch des zylindrischen Bauteils mit der Schweißstelle erfolgt innerhalb kurzer Zeit, d.h. in der Hälfte bis 1/10 der zum Bruch des zylindrischen Bauteils ohne Schweißstelle erforderlichen Zeit. In anderen Worten gesagt, hängt die Zuverlässigkeit des geschweißten Bauteils bei hoher Temperatur davon ab, ob den drei Kriecheigenschaften des metallischen Werkstoffs und Schweißmetalls Genüge getan wird.

Bei einem weiteren Versuch wird durch Wolfram(licht)-bogenschweißen mit Hilfe eines durch ein Inertgas abgeschirmten Wolframlichtbogens aus zwei Blechen a aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I und unter Verwendung eines Füllers, def im wesentlichen aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I besteht, eine Platte mit einer Schweißstelle b hergestellt. Durch maschinelle Bearbeitung der erhaltenen Platte wird

ein Prüfling c bei 900°C unter einer Last von

4,5 kgf/mm dem Kriechtest unterworfen. Gleichzeitig wird ein durchgehender Prüfling aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I derselben Abmessungen wie sie der Testprüfling c aufweist, 5 jedoch ohne Schweißstelle, hergestellt und unter denselben Bedingungen getestet. Die Fig. 7 zeigt die Ergebnisse dieses Versuchs. In Fig. 7 zeigt die Kurve die Eigenschaften des Testprüflings c mit der Schweißstelle, die Kurve 14 die Eigenschaften des Prüflings ohne Schweißstelle. Bei dem Testprüfling c mit der Schweißstelle ist das Ausmaß der Kriechbeanspruchung über den Prüfling c geringer als bei dem Prüfling ohne Schweißstelle, da die Kriechgeschwindigkeit der Schweißstelle b'geringer ist als die Kriechgeschwindigkeit des metallischen Werkstoffs a. Der Kriechbruch kann im (Metall)Werkstoffteil a oder an der Schweißstelle b erfolgen. Die Kriechbruchzeit ist beim Prüfling c und beim Prüfling ohne Schweißstelle praktisch gleich.

Durch Wolframlichtbogenstoßschweißung mit Hilfe eines mit einem Inertgas abgeschirmten Wolfram(licht)bogens eines Paars becherförmiger Metallteile d aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I und unter Verwendung eines Füllers, der im wesentlichen aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis ge-

maß Tabelle I bestand, wird ein zylindrischer Prüfling derselben Abmessungen, wie sie der Prüfling 2 aufweist (vgl. Fig. 8) mit einer zentralen Schweißstelle e hergestellt. Ferner wird auch ein zylindrischer Prüfling aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I ohne Schweißstelle hergestellt. Beide Prüflinge werden durch Anlegen eines Innendrucks entsprechend 4,5 kgf/mm einem Kriechtest unterworfen.

Die Fig. 9 zeigt die Ergebnisse dieses Versuchs, In Fig. 9 entspricht die Kurve 15 den Ergebnissen des Prüflings 3 (gemäß Fig. 8), die Kurve 16 den Ergebnissen des Prüflings ohne Schweißstelle. Die Fig. 9 zeigt klar und deutlich, daß der Prüfling 3 mit der Schweißstelle e innerhalb kurzer Zeit bricht. Dies deutet darauf hin, daß sowohl deren Kriechfestigkeit als auch deren Kriechbeanspruchung im Vergleich zum Prüfling ohne Schweißstelle sehr gering sind. Dies ist darauf zurückzuführen, daß durch den Teil aus dem metallischen Werkstoff auf das Schweißmetall ein Zug ausgeübt wird, wenn die Kriechgeschwindigkeit größer ist als die Kriechgeschwindigkeit der Schweißstelle, und daß ferner die Schweißstelle (nur) eine geringe Bruchdehnung besitzt, d.h. die Schweißstelle erreicht rasch eine tolerierbare Dehnung.

Die Kriecheigenschaften eines solchen geschweißten Bauteils bei hoher Temperatur hängen von dem Schweißmetall ab. Folglich benötigt man zur Verbesserung der Festigkeit und Zähigkeit des für ein zu schweißendes Bauteil benötigten hitzebeständigen metallischen Werkstoffs einen verbesserten Füller.

Es wurde bisher davon ausgegangen, daß bei Zulegieren von Bor zu einer hitzebeständigen Legierung auf Nickel-

basis oder einem austenitischen rostfreien Stahl sich niedrigschmelzende "Verbindungen" M„B₂ und/oder M^B. um säulenförmige Kristallgrenzflächen herum bilden, wodurch Schweißrisse auftreten. Ferner wird beim Zu-

satz von Bor zu Baumaterialien oder Werkstoffen für Kernreaktoren das Bauteil bei Neutronenbeschuß spröde. Folglich sollte die Menge an zugesetztem oder zulegiertem Bor so gering wie möglich gehalten werden. Es ist schließlich auch noch bekannt, daß die Kriechfestigkeit eines Schweißmetalls einer hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis von dem Erschmelzungsverfahren und dem Zustand des Füllers abhängt.

Bei Untersuchungen der Änderungen der Kriechfestigkeit hitzebeständiger Legierungen auf Nickelbasis wurde gefunden, daß Bor, eine Kombination aus Bor und Zirkonium oder eine Kombination aus Bor, Zirkonium, Yttrium, Lanthan und Cer, in höchst wirksamer Weise die Kriecheigenschaften von Schweißmetall zu verbessern vermag, und daß diese Elemente, wenn sie zur Verbesserung der betreffenden Eigenschaften zulegiert wurden, auch das Auftreten von Schweißrissen zu verhindern vermögen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen nicht mit den Nachteilen üblicher Füller hitzebeständiger Legierungen auf Nickelbasis behafteten Füller bereitzustellen, mit dessen Hilfe dem Fachmann ein Schweißmetall verbesserter Kriecheigenschaften bei hoher Temperatur an die Hand gegeben werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Füller zum Schweißen einer hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis in Form einer hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis mit einem Borzusatz, wobei dessen Anteil,

bezogen auf den Füller, 0,003 - 0,015 Gew.-% beträgt.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Füller aus einer hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis mit geringen Mengen an Bor- und Zirkoniumzusätzen, wobei deren Gesamtmenge, bezogen auf den Füller, 0,015 0,15 Gew.-% beträgt.

Gegenstand der Erfindung ist schließlich auch noch ein Füller, der im wesentlichen aus einer hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis besteht und geringe Mengen an Bor-, Zirkonium-, Yttrium-, Lanthan- und Cerzusätzen enthält, wobei deren Gesamtmenge, bezogen auf den Füller, 0,018 - 0,15 Gew.-% beträgt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Kriechtestprüfling in Form eines Rundstabs, der durch Zusammenschweißen zweier

Rundstücke hergestellt wurde;

Fig. 2 eine graphische Darstellung, aus der die Dauerstandzeit des Testprüflings gemäß Fig.1 bei 900 C hervorgeht;

Fig. 3 einen zylindrischen Kriechtestprüfling, der durch Zusammenschweißen von zwei zylindrischen becherförmigen Bauteilen hergestellt wurde, für einen Innendruckkriechtest;

Fig. 4 Kriechverformungen und deren Lage bei einem

zylindrischen Kriechtestprüfling ohne Schweißstelle;

Fig. 5 Kriechverformungen des zylindrischen Kriechtestprüflings mit der Schweißstelle;

Fig. 6 ein Schweißmetallstück, aus dem ein einachsiger Kriechtestprüfling hergestellt ist;

Fig. 7 eine graphische Darstellung von Kriechtestvergleichsergebnissen zur Erläuterung des Unterschieds der Kriechtestergebnisse zwischen einem Kriechtestprüfling mit Schweißstelle und einem

Kriechtestprüfling ohne Schweißstelle;

Fig<. 8 eine perspektivische Darstellung eines zylindrischen Kriechtestprüflings mit einer zentralen Schweißstelle;

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Vergleichsergebnisse eines Innendruckkriechtests mit zylindrischen Testprüflingen mit und ohne Schweißstelle;

Fig.10 eine graphische Darstellung, aus der die Beziehung zwischen der Dauerstandzeit eines zylindrischen Testprüflings mit Schweißstelle und der Bormenge in einem Füller gemäß der Er

findung hervorgeht;

Fig.11 ein Schweißmetallstück, aus dem ein monoaxialer

Kriechtestprüfling hergestellt ist; 30

Fig.12 ein Blockdiagramm, aus dem sich die Dauerstandzeiten bei Verwendung eines Füllers gemäß der Erfindung bzw. bei Verwendung eines üblichen Füllers ergeben;
35

Fig. 13 eine graphische Darstellung der Kriechbeanspruchung im Falle eines Schweißmetalls bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Füllers bzw. bei Verwendung eines üblichen Füllers;

Fig. 14 eine Änderung der Dauerstandzeit entsprechend der Menge an B und Zr;

Fig. 15 eine Mikrophotographie eines Schweißmetalls bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Füllers

nach dessen Kriechbruch;

Fig. 16 eine Mikrophotographie eines Schweißmetalls bei Verwendung eines üblichen Füllers nach dessen Kriechbruch;

Fig. 17 ein Blockdiagramm, aus dem sich die Dauerstandzeiten bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Füllers bzw. bei Verwendung eines üblichen Füllers ergeben;

Fig. 18 eine graphische Darstellung der Kriechbeanspruchung bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Füllers bzw. bei Verwendung eines üblichen Füllers;

Fig. 19 eine graphische Darstellung, aus der sich die Beziehung zwischen der Dauerstandzeit und der Menge an B, Zr, Y, La und Ce ergibt;

Fig. 20 eine Mikrophotographie eines unter Verwendung

eines erfindungsgemäßen Füllers erhaltenen Schweißmetalls;

Fig. 21 eine Mikrophotographie des Schweißmetalls von Fig. 20 nach dessen Kriechbruch und

Fig. 22 eine graphische Darstellung, aus der sich die Verbesserung der Kriechfestigkeit des Schweißmetalls durch Zusatz einer geringen Menge eines Zusatzes oder von Zusätzen zu einem üblichen Füller ergibt.

Die wichtigste Kriecheigenschaft des Schweißmetalls, die verbessert werden soll, ist die Bruchbildsamkeit. Wenn nämlich ein Schweißmetall schlechter Bruchbildsamkeit in einem Bauteil verwendet wird und wenn sich das Schweißmetall unter Belastung verwirft, kann es innerhalb kurzer Zeit brechen. Um nun die Zuverlässigkeit des Bauteils zu verbessern, ist es von größter Wichtigkeit, die Bruchbildsamkeit des Schweißmetalls zu erhöhen. Die nächst wichtige Eigenschaft, die verbessert werden sollte, ist die Bruchzeit.

Ein Füller mit einer hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis und als Zusatz einer geringen Menge Bor kann durch Erschmelzen des letzteren zusammen mit einer hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis hergestellt werden. Das gleiche gilt für Füller, die als Zusätze Bor und Zirkonium, und zwar in einer Menge von 0,003 0,01 Gew.-% des ersteren und 0,01 - 0,15 Gew.-% des letzteren, enthalten. Wenn der Füller im wesentlichen aus einer hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis und Zusätzen, nämlich Bor, Zirkonium, Yttrium, Lanthan und Cer, besteht, betragen die Mengen an ersteren drei Elementen, bezogen auf den Füller, vorzugsweise 0,003 0,01 Gew.-%,- 0,005 - 0,15 Gew.-% bzw. 0,003 - 0,005 Gew*-%, und die Gesamtmenge an Lanthan und Cer, ebenfalls bezogen auf den Füller, 0,003 - 0,05 Gew.-%.

Von den genannten Zusätzen ist Bor für eine Verbesserung der Kriechfestigkeit und Kriechdehnung bei

Bruch der wirksamste. Zirkonium hat sich hinsichtlich einer Verbesserung der Kriechfestigkeit nicht als so wirksam erwiesen, es ist jedoch hinsichtlich einer Begrenzung von Änderungen der Kriechfestigkeit von Bedeutung. Yttrium, Lanthan und Cer dienen einer Verbesserung der Kriechfestigkeit, der Kriechdehnung bei Bruch und der Schweißeigenschaften, beispielsweise als Antischweißrißmittel. In der Tat erreicht man durch Zusatz dieser fünf Elemente in auf den Füller geeigneten Mengenverhältnissen zu der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis eine Kriechfestigkeit des Schweißmetalls, die im Vergleich zu einem lediglich borhaltigen Füller um 10 % oder mehr verbessert ist. Darüber hinaus ist auch die Änderung der Kriechfestigkeit (nur) sehr gering.

Die Wirksamkeit des Zusatzes einer geringen Menge Bor zu dem Füller wird in den folgenden Beispielen näher erläutert.
20

Beispiel 1

Durch Wolfram(licht)bogenstoßschweißung mit Hilfe eines mit einem Inertgas abgeschirmten Wolframlichtbogens von becherförmigen Metallwerkstoffteilen aus einer hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I und unter Verwendung eines Füllers gemäß der Erfindung wird ein zylindrischer Prüfling entsprechend Fig. 3 hergestellt. Der zylindrische Testprüfling besitzt eine

³^ periphere Schweißstelle entsprechend Fig. 3. Nun wird in der bereits geschilderten Weise ein Innendruckkriechtest bei 900°C unter einer Belastung von 3384,5 kPa durchgeführt.

Bei der Herstellung des zylindrischen Testprüflings wird

der Füller in Form eines Drahtes eines Durchmessers von 1,6 mm, der im wesentlichen aus der h.itzebestandigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I und verschiedenen Mengen Bor (vgl. Fig. 10) besteht, kontinuierlich zur Stoßstelle zugeführt, so daß der drahtförmige Füller durch einen zwischen einer Wolframelektrode und den metallischen Werkstoffteilen gebildeten Bogen unter Bildung der Schweißstelle erschmolzen wird.

Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen der Bormenge im Füller und der Dauerstandzeit des ¹Testprüflings bei 9OO°C unter einer Innenbelastung entsprechend 3384,5 kPa. Wie die Kurve 11 zeigt, verlängert sich die Bruchzeit mit zunehmender Bormenge. Der metallische Werkstoffteil des Testprüflings bricht, wenn das Verhältnis Bor zu Füller 0,007 Gew.-% beträgt. Wenn der Boranteil auf über 0,01 Gew.-% erhöht wird, erreicht man keine weitere Verbesserung der Bruchzeit mehr (vgl. die gestrichelte Linie 12), da der metallische Werkstoffteil bricht. In derselben Figur ist der Bruchzextbereich des zylindrischen Testprüflings ohne Schweißstelle durch den schraffierten Bereich 10 dargestellt. Aus Fig. 10 geht hervor, daß ein durch Schweißen unter Mitverwendung des im wesentlichen aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I und Bor (Verhältnis Bor zu Füller: etwa 0,003 Gew.-%) hergestellter zylindrischer Testprüfling eine ähnliche Bruchzeit aufweist wie ein zylindrischer Testprüfling ohne Schweißstelle.

Die folgende Tabelle II zeigt Beispiele von Kriechbrucheigenschaften eines zylindrischen Testprüflings aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I mit einer Schweißstelle, die unter Verwendung des

VS

im wesentlichen aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I und verschiedenen Bormengen bes tehenden Füllers hergestellt wurde, bei 900⁰C unter einer Bandoder Ringbelastung von3,4 kgf/mm . Wenn bei diesen Beispielen die Bormenge im Füller 0,0037 Gew.-% erreicht, erreicht die Bruchzeit des Testprüflings mit der Schweißstelle einen Wert in derselben Größenordnung wie ein Prüfling ohne Schweißstelle. Da jedoch die prozentuale Dehnung bei Bruch des Schweißmetalls lediglich 5,5 % beträgt, eignet es sich nicht zur Verwendung in einem Bauteil, das erhöhte Festigkeitseigenschaften aufweisen soll.

Wenn andererseits die Bormenge 0,007 Gew.-% beträgt, nimmt die Dehnung des Schweißmetalls einen Wert von 12,4 % (etwa die Hälfte der Dehnung des metallischen Werkstoffs) an, wobei es nicht bricht. Die Zähigkeit des Bauteils ist darüber hinaus erheblich verbessert.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Grund, warum die Innendruckdauerstandzeit des zylindrischen Testprüflings mit der Schweißstelle aus dem Füller, der im wesentlichen aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I und Bor (Verhältnis Bor zu Füller:

0,007 Gew.-%) langer ist als die Dauerstandzeit des metallischen Werkstoffs, besteht darin, daß die Kriechgeschwindigkeit des Schweißmetalls gering genug ist, um eine Kriechverformung des metallischen Werkstoffs zu begrenzen.

1/6

TABELLE II
Boranteil im Füller Bruchzeit Dimensionale Deh-

(Gew.-%)	(in h)	nung bei Bruch (%)
0,001 oder darunter	205	1,3
0,0037	695	5,5
0,0070	1550	(12,4)
keine Schweißung	725	35

Der Grund dafür, warum durch Zusatz einer geringen Menge Bor die Kriecheigenschaften verbessert werden können, ist folgender:

Das eine Schweißverbindung bildende Schweißmetall liegt in verfestigtem Zustand vor und besteht aus säulenförmigen Kristallen. Während der Verfestigung können sich Verunreinigungselemente um die Grenzflächen benachbarter säulenförmiger Kristalle herum ansammeln, so daß die Grenzflächenfestigkeit bei hoher Temperatur vermindert werden kann. Dies führt dazu, daß sich die Grenzflächen voneinander ablösen. Folglich wird die Bruchbildsamkeit sehr gering und die Bruchzeit kurz.

Wenn eine geringe I-fenge Bor zugesetzt wird, können das Bor und die Verunreinigungselemente an den Grenzflächen der säulenförmigen Kristalle aneinandergebunden und die Grenzflächen als solche "gereinigt" werden, was zu einer Verbesserung der Grenzfestigkeit führt. In der Tat zeigt eine mikroskopische Analyse der Schweißmetallstruktur nach Durchführung des Kriechtests, daß Risse gerade längs der Grenzflächen der säulenförmigen Kristalle verlaufen, während im Falle eines Borzusatzes, Risse zunächst in Form von "Poren" rund um die Grenzflächen der säulenförmigen Kristalle erscheinen und dann

3335221

Vi

diese Poren infolge Kriechverformung wachsen und ineinander übergehen, was letztlich zu einem Bruch führt. Es wurde auch beobachtet, daß bei Zusatz von Bor das Schweißmetall während seines Gebrauchs bei einer Temperatur von 900 - 1000°C rekristallisiert, was dazu führt, daß sich der verfestigte Zustand in den Zustand des metallischen Werkstoffteils ändert.

Bei der geschilderten Ausführungsform wird die Schweiß- IQ stelle durch WolframlichtbogenschweiBung hergestellt. In gleicher Weise kann man die Schweißstelle auch durch Metallichtbogenschweißung mit Hilfe eines durch ein Inertgas abgeschirmten Metalllichtbogens oder durch Bogenschweißung mit Hilfe einer beschichteten Elektrode 5 erzeugen. Ferner kann die Konfiguration des Füllers auch streifenförmig sein, wobei dieser Streifen im wesentlichen dieselbe Querschnittsfläche aufweist, wie der drahtförmige Füller eines Durchmessers von 1,0 - 2,6 mm.

2Q Ein üblicher Füller für hitzebeständige Legierungen auf Nickelbasis enthält von Hause aus 0,0001 - 0,001 Gew.-% Bor. Vermutlich ist der natürlich vorhandene Boranteil für die Änderung der Kriecheigenschaften des Schweißmetalls verantwortlich.

Bei einem Füller gemäß der Erfindung beträgt im Hinblick auf eine Verbesserung der Kriecheigenschaften die Untergrenze der zugesetzten Bormenge 0,003 Gew.-%. Die Obergrenze von 0,01 Gew.-% dürfte hoch genug sein, um in der

OQ Praxis gute Ergebnisse zu erzielen. Da jedoch die Nutzleistung des Bors beim Einschmelzen in das hitzebeständige Metall relativ niedrig ist, wird die Obergrenze im vorliegenden Falle mit 0,015 Gew.-% angesetzt, um sicherzustellen, daß die gewünschte Eigenschaftsverbesserung

_a5 tatsächlich auch erfolgt. Es hat sich gezeigt, daß eine

Bormenge von 0,015 Gew.-% die erhaltene Schweißstelle nicht beeinträchtigt. Wenn jedoch die Bormenge einen Wert in der Größenordnung von 0,02 Gew.-% erreicht, besteht eine große Möglichkeit einer Rißbildung in der Schweißstelle und/oder es kommt zu einem raschen Bruch der Schweißstelle beim Biegetest. Dies ist auf einen Kombinationseffekt mit den Verunreinigungen zurückzuführen.

Die vorhergehenden Ausführungen dürften gezeigt haben, daß eine hitzebeständige Legierung auf Nickelbasis mit einer geeigneten Menge Bor nicht nur für den Füller sondern auch für den zu schweißenden metallischen Werkstoff ein geeignetes Metall darstellt.

Die hitzebeständige Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I und zusätzlich 0,007 Gew.-% Bor werden erschmolzen, worauf daraus ein Kriechtestprüfling in Form eines Rundstabs entsprechend Fig. 1 ohne Schweißstelle hergestellt wird. Der erhaltene kreisförmige Stab wird einem Kriechtest bei 900 C unter einer Belastung von

4,5 kgf/mm unterworfen, wobei die in der folgenden Tabelle HI aufgeführten Ergebnisse erhalten werden:

TABELLE III

Getesteter Rundstab Bruchzeit Prozentuale

(in h) Bruchverminderung

Hitzebeständige Legierung auf
Nickelbasis mit 0,007 Gew.-%
Bor 2 700 16

üblicher Füller für die Legierung gemäß Tabelle I 280 1

Übliche hitzebeständige Leoc gierung auf Nickelbasis
^D (vgl. Tabelle I) 650 >30

Aus Tabelle III geht hervor, daß die Dauerstandzeit der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis mit 0,007 Gew.-% Bor das etwa 4fache der Dauerstandzeit der üblichen hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis beträgt. 5

In der Regel verringert sich die Dehnung bei Bruch einer hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis mit zunehmender Testdauer, was als Nachteil anzusehen ist. Durch den Borzusatz läßt sich auch dieser Nachteil eliminieren.

Da sich, wie bereits erwähnt, durch den Borzusatz die Bildsamkeit der Legierung bei hohen Temperaturen beträchtlich verbessern läßt, können auch die Hochtemperaturermüdungseigenschaften derselben, die in hohem Maße von der Bildsamkeit abhängen, durch den Borzusatz wirksam verbessert werden.

Unter Bezugnahme auf die im folgenden beschriebenen Versuche wird die Wirksamkeit eines Zusatzes einer geringen Menge Bor und Zirkonium näher erläutert. 20

Beispiel 2

Zunächst werden im wesentlichen aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I und verschiedenen Mengen Bor und Zirkonium bestehende Füller hergestellt. Die Füller bestehen einerseits im wesentlichen aus 0,004 Gew.-% Bor, 0,013 Gew.-% Zirkonium und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I, bzw. aus 0,008 Gew.-% Bor, 0,018 Gew.-% Zirkonium und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I. Die miteinander zu verschweißenden metallischen Werkstoffteile a und a¹ bestehen aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I. Diese metallischen Werkstoffteile a und a' werden unter Verwendung der beschriebenen Füller b und b¹

entsprechend Fig. 6 und 11 durch Wolframlichtbogenschweißüng unter Verwendung eines durch ein Inertgas abgeschirmten Wolframlichtbogens miteinander verschweißt.

Aus den miteinander verschweißten metallischen Werkstoff teilen werden Kriechtestprüflinge c und c' hergestellt und auf ihre Kriecheigenschaften unter einer Belastung von 4,5 kgf/mm bei 900 C getestet. Hierbei zeigt es sich, daß die Testprüflinge c mit Schweißstellen in ihrem Mittelteil an ihren metallischen Werkstoffteilen brechen. Dies bedeutet, daß die Kriechfestigkeit des Schweißmetalls höher ist als die Kriechfestigkeit der metallischen Werkstücke a. Für die Testprüflinge c' werden deren Kriecheigenschaften ermittelt und mit den Kriecheigenschaften eines Schweißmetalls des bereits beschriebenen üblichen Füllers verglichen. Die Ergebnisse dieses Vergleichs sind in den Fig. 12 und 13 dargestellt.

Diö Fig. 12 zeigt im Rahmen eines Blockdiagramms Vergleichsergebnisse der durchschnittlichen Dauerstandzeit. Die Dauerstandzeit des üblichen Testprüflings, der durch Schweißen der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I unter Verwendung eines Füllers aus derselben Legierung hergestellt wurde, ist mit 17 bezeich*- net. Mit den Bezugszahlen 18 und 19 sind die Dauerstandzeiten bei Verwendung eines Füllermetalls gemäß der Erfindung bezeichnet. 18 steht hierbei für den Kriechtestprüfling, der beim Schweißen unter Verwendung des im wesentlichen aus 0,004 Gew.-% Bor, 0,013 Gew.-% Zirkonium und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I bestehenden Füllers erhalten wurde. 19 steht für den Kriechtestprüfling, der durch Schweißen unter Verwendung des im wesentlichen aus 0,008 Gew.-% Bor, 0,018 Gew.-% Zirkonium und der hitzebeständigen Le-

IH

gierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I bestehenden Füllers erhalten wurde.

Aus Fig. 12 geht hervor, daß die Kriecheigenschaften des Testprüflings 19, der größere Mengen an Bor und Zirkonium als der Testprüfling 18 enthält, eine längere Dauerstandzeit umfassen als beim Testprüfling 18. Die Dauerstandzeit beträgt hierbei das etwa 8fache der Dauerstandzeit des unter Verwendung des üblichen Schweißmetalls hergestellten Prüflings 17.

Die Fig. 13 zeigt Vergleichsdaten bezüglich des Ausmaßes an Kriechspannung und der Testdauer für die Kriechtestprüflinge c¹, die unter Verwendung der Schweißmetalle mit dem üblichen Füller bzw. einem Füller gemäß der Erfindung erhalten wurden. In Fig. 13 stehen die Kurven 20, 21 bzw. 22 für das bereits beschriebene Schweißmetall, das Schweißmetall aus einem im wesentlichen aus 0,004 Gew.-% Bor, 0,013 Gew.-% Zirkonium und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I bestehenden erfindungsgemäßen Füller und das Schweißmetall aus dem im wesentlichen aus 0,008 Gew.-% Bor, 0,018 Gew.-% Zirkonium und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I bestehenden erfindungsgemäßen Füller. Die Kurve 20 von Fig. 13 zeigt, daß bei dem üblichen Schweißmetall eine lineare Beziehung zwischen dem Ausmaß an Kriechspannung und der Zeit herrscht und daß es bricht, bevor das Ausmaß an Kriechspannung etwa 1 % erreicht. Andererseits zeigen die Kurven 21 und 22 für die Schweißmetalle aus den erfindungsgemäßen Füllern nur geringe Anfangskriechspannungen. Insbesondere zeigt die Kurve 22, die aus den Daten des Füllers mit größeren Mengen an Bor und Zirkonium als sie der Füller gemäß Kurve 21 enthält, hervorgegangen ist, daß die anfängliche geringe Kriechspan-

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nung über lange Zeit erhalten bleibt, daß die Spannung nach und nach im späteren Kriechabschnitt zunimmt und daß es letztlich zu einem Bruch kommt. Darin ist dieser Prüfling einem Testprüfling ohne Schweißstelle sehr ähnlich. Das durch die Kurve 22 für den Füller mit großen Mengen an Bor und Zirkonium dargestellte Ausmaß an Kriechspannung beträgt das 1Ofache oder mehr des Ausmaßes an Kriechspannung entsprechend Kurve 20 für den üblichen Füller.

Wie bereits erwähnt, zeigt der einachsige Kriechtest des Schweißmetalls aus einem Füller gemäß der Erfindung eine deutliche Verbesserung der Festigkeit des Schweißmetalls. Folglich ist bei einem geschweißten Bauteil, das einem Innendruck-Kriechtest unterworfen werden kann, zu erwarten, daß es selbst wenn das Schweißmetall einer Zugbelastung infolge Kriechverformung des metallischen Werkstoffteils rund um das Schweißmetall ausgesetzt ist, haltbar ist und sogar

2ö zu einer Begrenzung der Kriechverformung des metallischen Werkstoffteils beiträgt. Auf diese Weise verlängert sich die Kriechdauer gegenüber einem Bauteil ohne Schweißverbindung. Die bei den Kriechtests, deren Ergebnisse in den Fig. 12 und 13 dargestellt sind, eingehaltenen Bedingungen sind: Temperatur: 900 C;

2
Belastung: 4,5 kgf/mm .

Wenn die Gesamtmenge an dem Füller zugesetztem B und Zr zu groß ist, kann es zu einem Korngrenzenschmelzen der B- und Zr-intermetallischen Verbindung kommen, was eine Rißbildung in der Schweißstelle zur Folge hat. Folglich sollte die Gesamtmenge an beiden Elementen so gering wie möglich sein.

Die Kurve in Fig. 14 zeigt die Beziehung zwischen der

Gesamtmenge an B und Zr und der Dauerstandzeit. Aus der Kurve geht hervor, daß es, wenn die Gesamtmenge an B und Zr im Füller etwa 0,15 Gew.-% beträgt, zu einer Rißbildung in der Schweißstelle kommt und das geschweißte Bauteil nicht mehr verwendbar ist. Folglich sollte die Gesamtmenge an B und Zr im Füller 0,15 Gew.-% oder darunter betragen. Wenn andererseits die Gesamtmenge an B und Zr unter 0,015 Gew.-% liegt, sinkt die Kriechfestigkeit des Schweißmetalls unter die Kriechfestigkeit des metallischen Werkstoffs, d.h. die Wirkung des Zusatzes von B und Zr zu dem Füller ist praktisch vernachlässigbar. Die Dauerstandzeit des metallischen Werkstoffs beträgt in diesem Falle 300 h. Dies entspricht einem Falle, in dem die Gesamtmenge an B und Zr etwa 0,015 Gew.-% beträgt (vgl. Fig. 14).

Da es im Falle, daß dem Füller lediglich 0,012 Gew.-% Bor zugesetzt wird, zu einer Rißbildung in der Schweißstelle kommt, sollte die Menge an dem Füller zugesetztem Bor bis zu 0,01 Gew.-% betragen. Obwohl der Borzusatz alleine bereits Wirkung zeigt, führt die zusätzliche Mitverwendung von Zirkonium zu einer beträchtlichen Verminderung der Möglichkeit einer Rißbildung in der Schweißstelle und zu einer Verbesserung der Kriechfestigkeit. Wenn jedoch in diesem Falle die Menge an Zirkonium unter 0,01 Gew.-% liegt, ist keine deutliche Wirkung auf die Schweißeigenschaften feststellbar. Folglich sollte die Untergrenze für die zugesetzte Zirkoniummenge 0,01 Gew.-% betragen.

Die Fig. 15 stellt eine Mikrophotographie eines Querschnitts durch eine Bruchstelle des Schweißmetalls nach Durchführung des Kriechtests dar. Bei diesem Kriechtest wurde ein Prüfling verwendet, der durch Verschweißen von metallischen Werkstücken aus der hitzebeständigen

Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I unter Verwendung eines Füllers gemäß der Erfindung erhalten wurde» Die Fig. 16 stellt eine Mikrophotographie eines Querschnitts einer Bruchstelle eines Schweißmetalls nach Durchführung des Kriechtests mit einem Schweißmetall auf der Basis des beschriebenen üblichen Füllers (Vergleichsprüfling) dar.

Die Mikrophotographie gemäß Fig. 15 (unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Füllers mit B und Zr hergestellter Prüfling) zeigt zahlreiche Wirkungen, z.B. eine Erhöhung des Schmelzpunkts der an den Korngrenzen vorhandenen Verunreinigungselemente und eine dahingehende Begrenzung der Zunahme der Korngröße des an den Korngrenzen ausgefällten Carbids, daß die Carbidkörner nicht fortlaufendwerden.

Aufgrund dieser Wirkungen wird die Festigkeit an der Korngrenze erheblich verbessert. Da ferner während des Kriechens eine Rekristallisation erfolgt, wobei grobe Kristalle in feine Kristalle und stabile Kristallstrukturen übergehen, kommt es lediglich dann zu einem Bruch, wenn Poren 35 an den Korngrenzen fortlaufend werden. Letzteres Phänomen entspricht in hohem Maße dem Bruch des metallischen Werkstoffs. Andererseits bleibt bei dem bereits beschriebenen üblichen Schweißmetall (vgl. Fig. 16) die der beim Schweißen entstandenen Struktur ähnliche rauhe Säulenstruktur so wie sie ist erhalten, wobei auf einer sich längs der Korngrenzen erstreckenden Oberfläche Risse 36 auftreten.

Der Bruch erfolgt innerhalb kurzer Zeit durch Vergrößerung dieser Risse, weswegen die Dehnung bei Bruch sehr gering ist. Aus den Fig. 15 und 16 geht hervor, daß der Zusatz einer geringen Menge B und Zr die Kristallstruktur des Schweißmetalls und folglich dessen Kriech-

eigenschaften verbessert.

Wie bereits beschrieben, wurde die hitzebeständige Legierung auf Nickelbasis unter Verwendung eines Füllers aus demselben Material wie der metallische Werkstoff zusammengeschweißt.

Erfindungsgemäß wird zur Verbesserung der Kriecheigenschaften des Schweißmetalls bei hoher Temperatur eine geringe Menge Bor und Zirkonium zugesetzt. Hierbei wird die Schweißmetallstruktur derart verbessert, daß dessen Festigkeit bei hoher Temperatur mindestens der Festigkeit des metallischen Werkstoffs nach dem Schweißen entspricht und daß das Auftreten von auf das Schweißmetall zurückzuführenden Fehler begrenzt wird.

Bisher wurde der Zusatz von Bor und Zirkonium zu den Füllern beschrieben. Es ist jedoch auch möglich, dem Füller mit zumindest gleicher Wirkung weitere Materialien einzuverleiben. Bei den im folgenden beschriebenen Versuchen werden dem Füller zusammen mit , B und Zr geringe Mengen Y, La und Ce zugesetzt.

Beispiel 3

Durch Verschmelzen der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I mit verschiedenen Mengen B, Zr, Y, La und Ce wird ein Füller hergestellt.

Er besteht im wesentlichen aus 0,004 Gew.-% B, 0,014 Gew.-% Zr, 0,022 Gew.-% Y, insgesamt 0,026 Gew.-% La und Ce und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I bzw. 0,005 Gew.-% B, 0,006 Gew.-% Zr, 0,014 Gew.-% Y, insgesamt 0,006 Gew.-% La und Ce sowie der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß

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Tabelle I.

Mit Hilfe der erhaltenen Füller werden durch Wolframlichtbogenschweißung mit Hilfe eines mittels eines Inertgases abgeschirmten Wolframlichtbogens metallische Werkstücke aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I verschweißt. Aus den miteinander verschweißten metallischen Werkstücken a bzw. a¹ mit der Schweißstelle b bzw. b¹ werden Testprüflinge c bzw. c¹ (vgl. Fig. 6 und 11) hergestellt. Diese werden bei 900 C unter einer Last von 4,5 kgf/mm auf ihre Kriecheigenschaften hin getestet.

Die Testprüflinge c mit dem Schweißmetall um ihr Mittelteil herum brechen an den metallischen Werkstoffteilen, was zeigt, daß die Kriechfestigkeit des Schweißmetalls größer ist als die Kriechfestigkeit des metallischen Werkstoffs.

Von den Testprüflingen c¹ des Schweißmetalls werden dessen Kriecheigenschaften ermittelt und mit den Kriecheigehschaften des üblichen Schweißmetalls, das dem metallischen Werkstoff entspricht, verglichen. Die Ergebnisse sind in den Fig. 17 und 18 graphisch dargestellt.

In Fig. 17 sind im Rahmen eines Blockdiagramms die durchschnittlichen Dauerstandzeiten des Schweißmetalls aus dem üblichen Füller und der Schweißmetalle aus den erfindungsgemäßen Füllern dargestellt. Hierbei steht die Bezugszahl 23 für die Dauerstandzeit des Schweißmetalls aus dem aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I bestehenden Füller. Mit 24 und 25 werden die unter Einsatz der erfindungsgemäßen Füller erhaltenen Schweißmetalle bezeichnet. Somit gibt also der Block 24 das Ergebnis mit einem Füller, der im

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wesentlichen aus 0,005 Gew.-% B, 0,006 Gew.-% Zr, 0,014 Gew.-% Y, insgesamt 0,006 Gew.-% La und Ce und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I besteht, der Block 25 das Ergebnis bei Ver-Wendung eines Füllstoffs, der im wesentlichen aus 0,004 Gew.-% B, 0,014 Gew.-% Zr, 0,022 Gew.-% Y, insgesamt 0,026 Gew.-% La und Ce und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I besteht, wieder.

Aus Fig. 17, Block 25 (Füller mit größeren Mengen an B, Zr, Y, La und Ce sowie der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I) geht hervor, daß die DauerStandzeit dieses Füllers das etwa 10fache der Dauerstandzeit des Füllers entsprechend Block 23 beträgt. Die in Block 26 von Fig. 17 dargestellten Ergebnisse entsprechen dem metallischen Werkstoff selbst.

Die Fig. 18 zeigt die Beziehung zwischen dem Ausmaß an Kriechbelastung und der Testdauer für die Testprüflinge c¹ mit den unter Verwendung des üblichen Füllers bzw. der erfindungsgemäßen Füller gebildeten Schweißmetallen. In Fig. 18 entsprechen die Kurven 27 und 28 den Eigenschaften des unter Verwendung des üblichen Füllers bzw. eines Füllers, der im wesentlichen aus 0,004 Gew.-% B, 0,014 Gew.-% Zr, 0,022 Gew.-% Y, insgesamt 0,026 Gew.-% La und Ce und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I besteht, erhaltenen Schweißmetalle. Aus Fig. 18 geht hervor, daß sich das Ausmaß der Kriechbeanspruchung des unter Verwendung des üblichen Füllers erhaltenen Schweißmetalls mit der Zeit linear ändert (vgl. Kurve 27) und daß das Schweißmetall bricht, bevor das Ausmaß der Kriechspannung etwa 1 % erreicht. Wenn andererseits der erfindungsgemäße Füller verwendet wird, ist das Ausmaß der Kriechbeanspruchung des Schweißmetalls

am Anfang sehr gering und erhöht sich über eine relativ lange Zeit hinweg nur mit geringer Geschwindigkeit. Danach steigt es schrittweise mit höherer Geschwindigkeit, bis das Schweißmetall bricht (vgl. Kurve 28).

Neben der günstigen Beeinflussung der Kriechverformung wird die Festigkeit des-Schweißmetalls bei Verwendung des erfindungsgemäßen Füllers deutlich verbessert. Bei einem geschweißten Bauteil, mit dem der·Innendruck-Kriechtest durchgeführt werden kann, widersteht das Schweißmetall bei Zugeinwirkung durch den metallischen Werkstoff infolge seiner Verformung der Zugkraft, es wirkt vielmehr sogar in Richtung auf eine Beschränkung der Kriechverformung des metallischen Werkstoffs. Dies führt zu einer längeren Kriechdauer als bei einem Bauteil ohne Schweißverbindung. Die in Fig. 17 und 18 graphisch dargestellten Kriechtests wurden bei 900°C unter einer Belastung von 4,5 kgf/mm durchgeführt.

2Q Wenn die Gesamtmenge an dem Füller zugesetztem Be, Zr, Y, La und Ce zu groß ist, kann es zu einem Korngrenzenschmelzen der damit gebildeten intermetallischen Verbindung kommen, was zu einer Rißbildung in der Schweißverbindung oder bei einem Biegetest nach dem Schweißen führt.

Folglich sollte die Gesamtmenge an diesen Elementen so gering wie möglich gehalten werden.

Die Fig. 19 zeigt die Beziehung zwischen der Gesamtmenge an B, Zr, Y, La und Ce und der Dauerstandzeit. Aus Fig.19 geht hervor, daß eine Rißbildung erfolgt, wenn die Gesamtmenge etwa 0,15 Gew.-% beträgt. Folglich sollte die Menge unter 0,15 Gew.-% gehalten werden. Wenn andererseits die Gesamtmenge an den genannten Elementen unter 0,018 Gew.-% liegt, sinkt die Kriechfestigkeit des Schweißmetalls unter die Kriechfestigkeit eines üblichen Schweißmetalls.

Die Dauerstandzeit eines unter Verwendung des üblichen Füllers erhaltenen Schweißmetalls beträgt 300 h, was einer Gesamtmenge an B, Zr, Y, La und Ce von 0,018 Gew.-% auf der Kurve in Fig. 19 entspricht. 5

Werden unter Verwendung eines Füllers, der im wesentlichen aus 0,012 Gew.-% Bor (alleine) und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I erhaltene Schweißmetalle nach dem Stoßschweiß-Metal1-rißtest gemäß der japanischen Industriestandardvorschrift Z3155C (in eingespanntem Zustand) getestet, werden bei einigen längere als der Grenzlänge entsprechende Risse beobachtet. Folglich sollte die Bormenge unter 0,01 Gew.-% gehalten werden. Es hat sich ferner gezeigt, daß man die Kriechfestigkeit des Schweißmetalls auch dann verbessern kann, wenn die Bormenge sehr gering ist. Voraussetzung dafür ist allerdings, daß auch Zirkonium, Yttrium, Lanthan und Cer zugesetzt werden. Bei einem Kriechtest mit einem Testprüfling aus dem in Fig. 11 ersichtlichen Schweißmetall bei 900 C unter einer Belastung von 4,5 kgf/mm beträgt die Dauerstandzeit des unter Verwendung eines Füllers, der im wesentlichen aus 0,007 Gew.-% Bor alleine und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I besteht, erhaltenen Schweißmetalls 2700 h und diejenige des unter Verwendung eines Füllers, der im wesentlichen aus 0,004 Gew.-% Bor, insgesamt 0,066 Gew.-% Zr, Y, La und Ce und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I besteht, 2900 h. Obwohl Bor in hohem Maße die Kriechfestigkeit beeinflußt, sollte dessen Menge so gering wie möglich gehalten werden, und zwar insbesondere dann, wenn das Bauteil in einem Atomreaktor verwendet wird. Der Grund dafür ist, daß das Schweißmaterial bei Neutronenbeschuß spröde wird. Durch Verminderung der Menge an Bor und - stattdessen - Zusatz

von Zr, Υ, La und Ce wird die Wirkung des Bors auf das erhaltene Schweißmetall verbessert, d.h. man erhält ein Schweißmetall hoher Kriechfestigkeit.

Obwohl Zirkonium in der Regel bei borhaltigen Legierungen das Auftreten von Schweißrissen zu vermindern vermag, ist die diesbezügliche Wirkung nicht recht feststellbar, wenn dessen Menge unter 0,005 Gew.-% liegt. Folglich sollte also die Untergrenze mit 0,005 Gew.-% angesetzt werden. Wenn die Zirkoniummenge 0,15 Gew.-% übersteigt, erhöht sich die Gefahr einer Rißbildung in der Schweißverbindung. Demzufolge wird also die Öbergrenze mit 0,15 Gew.-% angesetzt.

Yttrium, Lanthan und Cer dienen dazu, die Kriechbruchbildsamkeit zu verbessern. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich durch den Zusatz dieser Elemente auch die Länge der Kriechbruchdauer erheblich verbessern läßt. Wenn lediglich Bor und Yttrium zugesetzt werden, beträgt die Kriechbruchbildsamkeit des Schweißmetalls 5 -10 %. Dies stellt im Vergleich zur Bildsamkeit des üblichen Schweißmetalls von etwa 1 % eine erhebliche Verbesserung dar. Die Kriechbruchdauer des lediglich Bor und Yttrium enthaltenden Schweißmetalls ist jedoch kürzer als die Kriechbruchdauer des lediglich borhaltigen Schweißmetalls. Der Zusatz von Lanthan und Cer eliminiert das geschilderte Problem einer kurzen Kriechbruchdauer. Für die Mengen an Yttrium, Lanthan und Cer gilt, daß man bei Zusatz von 0,005 - 0,006 Gew.-% Yttrium bzw. Lanthan und Cer eine beträchtliche Verbesserung der Kriechbruchdauer des Schweißmetalls erreicht. Es ist zwar möglich, die Kriechbruchdauer mit noch geringeren Mengen an diesen Elementen zu verbessern, es bereitet jedoch erhebliche Schwierigkeiten, derart geringe Mengen zu steuern, d.h. richtig zu do-

sieren. Es wurde allerdings auch kein Test durchgeführt, um eine derartige Verbesserung mit reduzierten Mengen an den genannten Elementen zu belegen. Folglich wurden die Untergrenzen für Yttrium einerseits und Lanthan plus Cer andererseits mit 0,003 Gew.-% angesetzt. Dieser V7ert entspricht etwa der Hälfte der Gesamtmenge Yttrium, Lanthan und Cer. Wenn die Menge an Yttrium und die Gesamtmenge an Lanthan und Cer 0,03 Gew.-% bzw. 0,05 Gew.-% beträgt, werden trotz deutlich verbesserter Kriechfestigkeit die Bewertung beim Schweißrißtest schlechter und die Brüche beim Biegetest nach dem Schweißen mehr.

Die folgende Tabelle IV zeigt die Testergebnisse:

TABELLE IV

Zusätze zum Füller

1. 0,004 % B, 0,016 % Zr

2. 0,004 % B, 0,016 % Zr 0,026 % Y, 0,035 % (La+Ce)

3. 0,004 % B, 0,016 % Zr 0,048 % Y, 0,055 % (La+Ce)

Schweißriß- Biegetest test (pro- (Anzahl der zentuale Brüche/An-Rißbildung) zahl der Tests)

4,5 - 7,5

9-12

10 - 13

0/3

1/3

3/3

Fig. 20 stellt eine Mikrophotographie dar, aus der sich die Struktur des Schweißmetalls nach dem Verschweißen zweier Metallstücke aus jeweils einer hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I durch Wolframlichtbogenschweißung' mit Hilfe eines durch ein Inertgas abgeschirmten Wolframlichtbogens unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Füllers ergibt. Aus der Mikrophotographie

gemäß Pig. 20 geht klar und deutlich hervor, daß die Korngröße der Kristalle sehr groß ist und daß zwischen ihr und der (Korn)größe des üblichen Schweißmetalls kein merklicher Unterschied feststellbar ist. Fig. 21 stellt eine Mikrophotographie der Struktur des gleichen Schweißmetalls nach dem Kriechbruch dar. Der Mikrophotographie gemäß Fig. 21 ist zu entnehmen, daß während des Kriechens eine Rekristallisation erfolgt, wobei feinkörnige Kristalle entstehen. Eine solche Strukturänderung ist bei dem üblichen Schweißmetall nicht feststellbar.

Die Gründe, warum sich mit Hilfe eines Füllers, der im wesentlichen durch Zusatz von B, Zr, Y, La und Ce zu einer hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis erhalten wurde, die Kriechfestigkeit verbessern läßt, dürften darin zu suchen sein, daß diese Elemente zusammen mit den Verunreinigungen an den Korngrenzen hochschmelzende Verbindungen bilden, durch welche die Festigkeit der Korngrenze bei hoher Temperatur gesteigert wird, und daß - da sich die Atomgrößen dieser Elemente von den Atomgrößen der die hitzebeständige Legierung auf Nickelbasis bildenden Elementen erheblich unterscheiden - die . Verformungsbeständigkeit bei hoher Temperatur infolge unregelmäßiger Atomanordnung groß ist. Infolge Bildung der hochschmelzenden Verbindungen wird die Bruchbildsamkeit im Vergleich zu dem üblichen Schweißmetall mit sehr niedriger Festigkeit der Korngrenze verbessert. Durch die unregelmäßige Atomanordnung wird die Rekristallisation bzw. das Umkristallisieren erleichtert. Aus diesen Gründen ändert sich die Schweißmetallstruktur entsprechend Fig. 21, wodurch sich die Kriecheigenschaften des Schweißmetalls in Kriecheigenschaften des metallischen Werkstoffs annähern.

Beispiel 4

Zunächst werden metallische Werkstücke aus der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I hergestellt. Diese werden durch Wolframlichtbogenschweißung unter Verwendung eines durch ein Inertgas - abgeschirmten Wolframlichtbogens und unter Verwendung eines üblichen Füllers derselben Zusammensetzung, wie sie der metallische Werkstoff aufweist, bzw. eines erfindungsgemäßen Füllers, der im wesentlichen aus dem metallischen Werkstoff und verschiedenen Mengen B, Zr, Y, La und Ce als Zusätzen besteht, miteinander verschweißt. Aus den verschweißten metallischen Werkstücken werden Testprüflinge gemäß Fig. 11 hergestellt. Diese Testprüflinge werden einem Kriechtest unter übliehen Temperatur- (900⁰C) und Belastungsbedingungen (4,5 kgf/mm ) unterworfen. Die dabei auftretenden Kriechbeanspruchungen sind in Fig. 2 graphisch dargestellt. In Fig. 22 entsprechen die mit 29, 30, 31, 32, 33 bzw. 34 bezeichneten Kurven Kriechbeanspruchungen der Schweißmetalle der Testprüflinge, die unter Verwendung des beschriebenen üblichen Füllers, eines Vergleichsfüllers, der im wesentlichen aus Zr, Y, La und Ce (Gesamtmenge: 0,052 Gew.-%) und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I bestand, eines Vergleichsfüllers, der im wesentlichen aus Zr, B und Y (Gesamtmenge: 0,031 Gew.-%) und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I bestand, eines erfindungsgemäßen Füllers, der im wesentlichen aus Zr und B (Gesamtmenge: 0,026 Gew.-%) und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I bestand, eines erfindundungsgemäßen Füllers, der im wesentlichen aus B (Menge: 0,007 Gew.-%) und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I bestand, und eines erfindungsgemäßen Füllers, der im wesentlichen aus Zr, B, Y, La und Ce (Gesamtmenge: 0,0685 Gew.-%) und der

hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I bestand, erhalten wurden. Aus Fig. 22 geht hervor, daß die Kriechfestigkeit und das Ausmaß der Kriechbeanspruchung des Schweißmetalls durch Zusatz geringer Mengen eines oder mehrerer Zusätze zu dem üblichen bekannten Füller deutlich verbessert werden.

Ein Füller gemäß der Erfindung kann nicht nur beim Lichtbogenschweißen mit Wolfram- oder sonstigen Metallichtbögen, sondern auch beim Elektronenstrahlschweißen und Diffusionsschweißen eingesetzt werden. In letzterem Falle kann der Füller in Form einer Platte oder Folie zum Einsatz gelangen, um zwischen die miteinander zu ver- - schweißenden metallischen Werkstücke eingefügt werden zu können. Ferner ist es möglich, einem erfindungsgemäßen ' Füller zur Erleichterung des Schweißvorgangs ein Fließ- ! mittel zuzusetzen.

Ein erfindungsgemäßer Füller mit einer geringen Menge B und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I, mit B, Zr und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I oder B, Zr, Y, La, Ce (als Zusätzen) und der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis gemäß Tabelle I liefert ein Schweißmetall, das sich durch ausgezeichnete Kriecheigenschaften bei hoher Temperatur und eine hohe Festigkeit bei hoher Temperatur auszeichnet. In manchen Fällen besitzt es sogar eine höhere Festigkeit als der metallische Werkstoff selbst. Demzufolge kann ein erfindungsgemäßer Füller sogar als Baumaterial oder Werkstoff selbst zum Einsatz gelangen.

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Claims

333622 PATENTANSPRÜCHE

1. / Füller für gegen Schweißhitze beständige Legierungen auf Nickelbasis, dadurch gekennzeichnet, 1Ö daß er eine hitzebeständige Legierung auf Nickelbasis und, bezogen auf sein Gesamtgewicht, 0,003 - 0,015 Gew.-% Bor enthält.

2. Füller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bor der hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis durch Schmelzung einverleibt ist.

3. Füller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner Zirkonium enthält, wobei die Gesamtmenge an Zirkonium und Bor, bezogen auf das Gesamtgewicht des Füllers, 0,015 - 0,15 Gew.-% beträgt.

4. Füller nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er, jeweils bezogen auf sein Gesamtgewicht, 0,003 - 0,01 Gew.-% Bor und 0,01 - 0,15 Gew.-% Zirkonium enthält.

5. Füller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich Zirkonium, Yttrium, Lanthan und Cer enthält, wobei die Gesamtmenge an Bor, Zirkonium, Yttrium, Lanthan und Cer, bezogen auf die Gesamtmenge des Füllers, 0,018 0,15 Gew.-% beträgt.

6. Füller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er, jeweils bezogen auf sein Gesamtgewicht, 0,003 - 0,01 Gew.-% Bor, 0,005 - 0,15 Gew.-% Zirkonium, 0,003 - 0,005 Gew.-% Yttrium und 0,003 - 0,05 Gew.-% Lanthan und Cer enthält.

7. Füller für gegen Schweißhitze beständige Legierungen auf Nickelbasis, bestehend im wesentlichen aus einer hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis und, bezogen auf das Gesamtgewicht des Füllers, 0,003 - 0,015 Gew.-% Bor.

8. Füller für gegen Schweißhitze beständige Legierungen auf Nickelbasis, bestehend im wesentlichen aus einer hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis und, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Füllers, 0,003 - 0,01 Gew.-% Bor und 0,01 - 0,15 Gew.-% Zirkonium.

9· Füller für gegen Schweißhitze beständige Legie-.

rungen auf Nickelbasis, bestehend im wesentlichen aus einer hitzebeständigen Legierung auf Nickelbasis und, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Füllers, 0,003 - 0,01 Gew.-% Bor, 0,005 0,15 Gew.-% Zirkonium, 0,003 - 0,005 Gew.-% Yttrium und 0,003 - 0,05 Gew.-% Lanthan und Cer.