DE3612628A1

DE3612628A1 - Superlegierungen auf Nickelbasis zur Herstellung von Einkristall-Gegenständen mit verbesserter Kleinwinkel-Korngrenzen-Toleranz

Info

Publication number: DE3612628A1
Application number: DE19863612628
Authority: DE
Inventors: Earl Warren Ross; Carl Stephen Wukusick; Warren Tan King
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1986-03-27
Filing date: 1986-04-15
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2006-04-16
Also published as: IL91633A; FR2731714A1; DE3612628C2; FR2731714B1; AU626581B2; CA1337624C; GB2234521B; AU4164089A; GB2234521A

Description

Die hier beschriebene und beanspruchte Erfindung ist mit der Erfindung verwandt, die in der am 02. Oktober 1981 eingereich ten Anmeldung Ser. No. 307,819 beschrieben und beansprucht ist.

Die Erfindung betrifft Superlegierungen auf Nickelbasis, die zu Einkristall-Herstellungsgegenständen gießbar sind. Diese Gegenstände sind besonders als Komponenten im heißen Bereich von Flugzeug-Gasturbinentriebwerken, insbesondere als rotierende Schaufeln einsetzbar.

Der Wirkungsgrad von Gasturbinentriebwerken hängt in hohem Maße von der Betriebstemperatur der verschiedenen Triebwerkskompo nenten ab, wobei erhöhte Betriebstemperaturen zur erhöhten Wirkungs graden führen. Die Suche nach erhöhten Wirkungsgraden hat zur Ent wicklung hitzebeständiger Superlegierungen auf Nickelbasis geführt, die zunehmend hohen Temperaturen standhalten, jedoch ihre grundle genden Werkstoffeigenschaften beibehalten. Die Forderung nach er höhten Betriebstemperaturen hat auch zu der Entwicklung hochkompli zierter, hohler Gußformkörper, wie z. B. von Schaufeln und Blättern, geführt, die eine wirksame Kühlung des zur Herstellung dieser Formen eingesetzten Materials bewirken.

Die bei den ersten Generationen von Nickel-Superlegierungen benutzten Gießverfahren, die allgemein als herkömmlich gegossene Nickel-Superlegierungen bezeichnet werden, erzeugten im allgemeinen Teile, deren Mikrostrukturen aus einer Vielzahl von gleichachsigen Einkristallen (Körnern) von willkürlicher (unorientierter) kristallo graphischer Orientierung mit Korngrenzen zwischen den Körnern be standen. Die Korngrenzen sind Bereiche von nur wenigen Atomdurch messern Breite und in hohem Maße unorientierter Struktur, die dazu dienen, die Differenz oder Fehlanpassung der kristallographischen Orientierung zwischen benachbarten Körnern auszugleichen.

Eine Großwinkel-Korngrenze (HAB) wird im allgemeinen als eine Grenze zwischen benachbarten Körnern angesehen, deren kristallo graphische Orientierung um mehr als etwa 5 bis 6° unterschiedlich ist. Diese Großwinkel-Korngrenzen sind Gebiete von hoher Oberflä chenenergie, d. h. in der Größenordnung von mehreren hundert erg/cm², und von so hoher zufälliger Fehlanpassung, daß die Struktur nicht leicht zu beschreiben oder als Modell darzustellen ist. Auf Grund ihrer hohen Energien und Ungeordnetheit sind Großwinkel-Korngrenzen in hohem Maße mobil und bevorzugte Stellen für solche Festkörper reaktionen, wie Diffusion, Ausfällung und Phasenumwandlungen. Daher spielen Großwinkel-Korngrenzen eine bedeutende Rolle bei den Ver formungs- und Brucheigenschaften sowie bei den chemischen Eigen schaften (z. B. Oxidations- und Heißkorrosionsbeständigkeit) von polykristallinen Metallen.

Infolge der hohen Energien und der Fehlordnung der Groß winkel-Korngrenzen (HAB) werden Verunreinigungsatome bevorzugt in solchem Maße zu diesen Korngrenzen hingezogen (abgesondert), daß ihre Konzentration an der Korngrenze mehrere Größenordnungen größer sein kann als die Konzentration der gleichen Verunreinigung inner halb der Körner. Die Anwesenheit so hoher Konzentrationen von Ver unreinigungsatomen an Großwinkel-Korngrenzen kann ferner die mecha nischen und chemischen Eigenschaften des Metall verändern. In Nickel-Superlegierungen sind beispielsweise Blei und Wismut schäd liche Verunreinigungen, die sich an den Korngrenzen absondern. Bei hohen Temperaturen setzen selbst kleine Mengen (d. h. wenige ppm) dieser Verunreinigungen in den Korngrenzen von Nickel-Superlegie rungen die mechanischen Eigenschaften (z. B. Dauerstandfestigkeit) herab, und im allgemeinen tritt das Versagen an den Korngrenzen auf.

Im Gegensatz zu den Großwinkel-Korngrenzen werden Kleinwinkel-Korn grenzen, manchmal auch Sub-Korngrenzen genannt, im allgemeinen als Grenzen zwischen benachbarten Körnern angesehen, deren kristallo graphische Ausrichtung sich um weniger als etwa 5 Grad unterscheidet. Es ist jedoch zu bemerken, daß die Einordnung einer Korngrenze als Großwinkel- oder Kleinwinkel-Korngrenze variieren kann je nach der Person oder der Organisation, die diese Einordnung vornimmt. Bei dem Grenzfall einer Kleinwinkel-Grenze (LAB), bei der die Orientie rungsdifferenz an der Grenze kleiner als 1 Grad ist, kann die Grenze in Form einer regelmäßigen Anordnung von Randversetzungen, d. h. einer Kippgrenze beschrieben (modellmäßig dargestellt) werden. Während die Fehlanpassung technisch jene zwischen irgendwelchen zwei benachbarten Körnern und nicht die der Grenze an sich ist, wird das Maß der Fehlanpassung im allgemeinen der Korngrenze zuge schrieben; daher die sprachliche Übereinkunft einer z. B. 5 Grad- Kleinwinkel-Grenze, die hier austauschbar benutzt wird.

Kleinwinkel-Korngrenzen sind stärker geordnet und haben geringere Oberflächenenergien als Großwinkel-Korngrenzen. Die höhere Ordnung und die geringere Energie führen zu Grenzen mit niedriger Mobilität und geringer Anziehung von Verunreinigungs atomen, die ihrerseits im Vergleich zu Großwinkel-Korngrenzen zu einem geringeren Einfluß auf die mechanischen und chemischen Eigen schaften führen. Während also das Fehlen von Korngrenzen ein be vorzugter Zustand ist, werden Kleinwinkel-Korngrenzen gegenüber Großwinkel-Korngrenzen bevorzugt.

Die Verbesserungen in der Fähigkeit der herkömmlichen Superlegierungen, höheren Temperaturen ohne Beeinträchtigung ande rer erforderlicher Eigenschaften, wie Festigkeit und Oxidationsbe ständigkeit standzuhalten, wurden durch Legierungsentwicklung und die Einführung verbesserter Verfahrenstechnik erreicht. Diese Ver besserungen folgten aus den Feststellungen, daß die Festigkeit dieser Superlegierungen und andere wichtige Eigenschaften von den Festigkeiten der Korngrenzen abhängig sind. Zur Verbesserung dieser herkömmlichen Superlegierungen zielten die ersten Anstrengungen auf die Festigkeitserhöhung der Korngrenzen durch Zugabe verschiedener, die Korngrenzenfestigkeit erhöhender Elemente, wie Kohlenstoff (C), Bor (B), Zirkonium (Zr) und Hafnium (Hf), und durch Entfernung schäd licher Verunreinigungen, wie Blei (Pb) oder Wismut (Bi), die zur Ab sonderung an und Schwächung der Korngrenzen neigen.

Anschließend begannen Versuche, die Festigkeit herkömmlicher Superlegierungen auf Nickelbasis durch bevorzugte Orientierung der Korngrenzen parallel zur Wachstums- oder Erstarrungsrichtung weiter zu erhöhen. Die bevorzugte Orientierung der Körner resultiert im allgemeinen in einer säulenförmigen Kornstruktur von langen, schlan ken (säulenförmigen), in einer einzigen kristallographischen Rich tung orientierten Körnern und minimiert oder eliminiert quer zur Wachstums- oder Erstarrungsrichtung verlaufende Korngrenzen. Das benutzte Verfahren, d. h. die gerichtete Erstarrung (DS), wurde lange für andere Zwecke benutzt, wie die Herstellung von Magneten und kornorientiertem Siliziumstahl für Transformatoren. Dieses Ver fahren wurde beschrieben und verbessert z. B. in der US-PS 3,897,815 von Smashey. Auf die Beschreibungen aller hier genannten US-PSen wird hiermit Bezug genommen.

Im Vergleich zu herkömmlich gegossenen Superlegierungsgegen ständen zeigen gerichtet erstarrte (DS) Gegenstände eine erhöhte Festigkeit, wenn die säulenförmigen Körner parallel zur Spannungs hauptachse ausgerichtet sind, weil quer zur Erstarrungsrichtung ver laufende Korngrenzen eliminiert oder minimiert sind. Ferner bewirkt die gerichtete Erstarrung infolge der bevorzugten Kornorientierung eine Verbesserung bei anderen Eigenschaften, wie Duktilität und Ermüdungswiderstand bei Schwingungen mit kleiner Periode. Bei diesen gerichtet erstarrten Gegenständen verblieben jedoch noch infolge der Anwesenheit der längs verlaufenden, säulenförmigen Korngrenzen verringerte Festigkeits- und Duktilitätseigenschaften. Zusätze von Hf, C, B und Zr wurden benutzt, um die Festigkeit der quer verlaufen den Korngrenze dieser Legierungen zu verbessern, wie dies schon vor her bei herkömmlichen, gleichachsigen Superlegierungen auf Nickel basis geschehen war. Hohe Zusätze dieser Elemente wirkten jedoch als Schmelzpunkt-Erniedrigungsmittel und führten zu Einschränkungen bei der Wärmebehandlung, wodurch die Entwicklung maximaler Festig keiten in diesen gerichtet erstarrten Superlegierungen nicht möglich war.

Es wurde vor einiger Zeit bekannt, daß Gegenstände in ver schiedenen Formen als vollkommener Einkristall gegossen und so die Korngrenzen insgesamt eliminiert werden können. Ein logischer Schritt war dann, das Verfahren der gerichteten Erstarrung zu modi fizieren, um so die Erstarrung von Superlegierungsgegenständen als Einkristalle zu ermöglichen und dabei die bisher in gerichtet er starrten Gegenständen festgestellten, längs verlaufenden Groß winkel-Korngrenzen zu eliminieren.

Bei der Einkristall-Metallegierungstechnik entsprach es bisher der konventionellen Anschauung, daß Elemente, wie Bor, Zir konium und Kohlenstoff, zu vermeiden sind, d. h. auf den niedrigsten Konzentrationen zu halten sind, die bei der technischen Schmelz- und Legierungspraxis und -technologie möglich sind. Die US-PS 3,494,709 zitiert beispielsweise die schädliche Wirkung von B und Zr und schlägt für diese Elemente Grenzen von 0,001% bzw. 0,01% vor. Die US-PS 3,567,526 lehrt, daß die Ermüdungseigenschaften von Einkristall-Superlegierungsgegenständen durch vollständige Entfer nung von Kohlenstoff verbessert werden können.

Die US-PS 4,116,723 beschreibt homogene Einkristall-Gegen stände aus Nickel-Superlegierungen ohne beabsichtigte Zusätze von Kobalt (Co), B, Zr oder C, wobei diese Gegenstände im Vergleich zu ähnlichen, Co, C, B und Zr enthaltenden Nickel-Superlegierungen überlegene mechanische Eigenschaften, z. B. Kriechdehnung und Zeit bis zum Bruch, haben sollen. Es wird dort angegeben, daß Kobalt auf weniger als 0,5% und vorzugsweise weniger als 0,2% begrenzt sein sollte, um die Bildung von schädlichen, topologisch dicht gepackten Phasen (TCP) (z. B. σ und µ) auszuschließen. Ferner ist dort angegeben, daß kein einzelnes Element der Gruppe Kohlenstoff, Bor und Zirkon in einer größeren Menge als 50 ppm anwesend sein sollte, vorzugsweise die Summe dieser Verunreinigungen kleiner als 100 ppm sein sollte und insbesondere Kohlenstoff unter 30 ppm und B und Zr jeweils für sich unter 20 ppm gehalten werden sollten. In jedem Fall wird gelehrt, daß Kohlenstoff unterhalb der Kohlenstoff menge gehalten werden muß, die zur Bildung von Karbiden des MC-Typs führt. Danach wurde in der US-PS 4,206,348 gezeigt, daß 3 bis 7% Co in Einkristall-Superlegierungen auf Nickelbasis ohne TCP-Bildung enthalten sein können.

Ein anderer Zweck zur Begrenzung von C, B und Zr liegt im Anstieg der anfänglichen Schmelztemperatur in Relation zu der Gamma-Haupt-Solvustemperatur, so daß löslichmachende Wärmebehand lungen bei Temperaturen durchgeführt werden können, bei denen die vollständige Löslichmachung der Gamma-Hauptphase in vernünftigen Zeiten möglich ist, ohne daß hierdurch ein örtliches Schmelzen von Gebieten eintritt, die reich an gelösten Stoffen sind. Kürzlich wurde jedoch in der US-PS 4,402,772 erkannt, daß die Zugabe kleiner Mengen Hafnium zu bestimmten Nickel-Superlegierungen für den Guß von Einkristall-Körpern zum Beispiel verbesserte Eigenschaften und verbesserte Wärmebehandlungsfähigkeit insofern schafft, als diese Gegenstände einen größeren Temperaturbereich zwischen der Gamma-Haupt-Solvustemperatur und der anfänglichen Schmelztemperatur haben als die meisten bekannten Einkristall-Körper.

Die vorliegende Erfindung schafft Superlegierungen auf Nickelbasis zur Herstellung von Einkristall-Gegenständen mit ver besserter Toleranz gegenüber Kleinwinkel-Korngrenzen. Die verbesser te Kleinwinkel-Korngrenzen-Toleranz beruht auf der Feststellung, daß zum Guß von Einkristall-Gegenständen geeignete Nickel-Superlegie rungen entgegen den bekannten Lehren durch Zusatz kleiner, jedoch kontrollierter Mengen Bor und Kohlenstoff und wahlweise Hafnium verbessert werden können, und zeigt sich hauptsächlich in einer verbesserten Korngrenzenfestigkeit. Zusätzlich besitzen die Super legierungen der Erfindung hauptsächlich auf Grund des Kohlenstoffs und Hafniums und eines erhöhten Verhältnisses von Al zu Ti eine verbesserte Ausgewogenheit zwischen zyklischer Oxidationsbeständig keit und Heißkorrosionsbeständigkeit.

Als ein Ergebnis dieser erhöhten Korngrenzenfestigkeit können weit größere Korngrenzen-Fehlanpassungen als die 6°-Grenze der bekannten Einkristall-Superlegierungen in den aus den Nickel-Su perlegierungen der Erfindung hergestellten Einkristall-Gegen ständen toleriert werden. Dies führt beispielsweise zu niedrigeren Inspektionskosten und höheren Ausbeuten, weil Korngrenzen in einem breiteren Bereich durch die gewöhnlichen Inspektionsverfah ren ohne Zuhilfenahme der aufwendigen Röntgenstrahltechnik akzep tiert werden können. Die Superlegierungen der Erfindung sind bei gerichteter Erstarrung besonders nützlich als Komponenten im heißen Bereich von Flugzeug-Gasturbinentriebwerken, insbesondere als rotierende Schaufeln.

Im allgemeinen bestehen die Einkristall-Superlegierungen der Erfindung im wesentlichen aus etwa 7 bis 12 Gew.-% Cr, 5 bis 15 Gew.-% Co, 0,5 bis 5 Gew.-% Mo, 3 bis 12 Gew.-% W, 2 bis 6 Gew.-% Ta, 2 bis 5 Gew.-% Ti, 3 bis 5 Gew.-% Al, 0 bis 2 Gew.-% Nb, 0 bis 2,0 Gew.-% Hf, 0,03 bis 0,25 Gew.-% C und 0,002 bis 0,050 Gew.-% B, wobei der Rest Nickel und zufällige Verunreinigun gen sind.

Fig. 1 ist eine perspektivische, schematische Ansicht eines Schaufelkörpers zum Einsatz in einem Gasturbinentriebwerk;

Fig. 2 ist eine perspektivische, schematische Ansicht eines gerichtet erstarrten Einkristall-Brammenblocks, der zwecks Entnahme von Rohlingen zur Verarbeitung zu Prüfkörpern zur Bestim mung mechanischer Eigenschaften markiert ist;

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der vergleichsweisen Dauerstandzeit gegen den Borgehalt der Legierung;

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der vergleichsweisen Dauerstandzeit gegen die Korngrenzen-Fehlanpassung; und

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung des äußeren Metall verlustes bei zyklischer Oxidation als Funktion der Einwirkungszeit.

Als Einkristalle gießbare Superlegierungen auf Nickelbasis wurden typischerweise zur Herstellung von dem Luftwiderstand ausge setzten Körpern, z. B. rotierenden Schaufeln und stationären Blät tern, für den heißen Bereich von Flugzeug-Gasturbinentriebwerken eingesetzt. Ein solches Schaufelteil 10 ist in Fig. 1 schematisch gezeigt und umfaßt ein Basisteil 12 (oder Fuß) (nach der Darstel lung zur Anbringung an einer Scheibe in "Tannenbaum"-Form maschinell bearbeitet), ein Plattformteil 14 und ein aerodynamisch gewölbtes, dem Luft- bzw. Gaswiderstand ausgesetztes Teil 16. Der Schaufelkör per 10 kann auch mit einer oder mehreren inneren Kanälen versehen sein, durch den bzw. die während des Turbinenlaufs zwecks Kühlung der Schaufel ein Strömungsmittel (im allgemeinen Luft) zirkuliert. Häufig wird das Strömungsmittel aus Löchern an der Vorderkante und der Hinterkante des dem Luftwiderstand ausgesetzten Körpers gedrückt, um durch laminare Strömung des Strömungsmittels über die Oberfläche des luftbeaufschlagten Teils 16 eine Außenhautkühlung zu erreichen. Einzelheiten derartiger Kühlmaßnahmen sind in der Technik bekannt und werden hier nicht dargestellt, da sie für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung unnötig sind.

Die Technik des gerichteten Gießens solcher Schaufeln ist ebenfalls in der Technik bekannt und beispiels weise in der US-PS 3,494,709 angegeben. Sie wird daher hier nicht im einzelnen beschrieben.

Nach der gerichteten Erstarrung, die typischerweise in der durch den Pfeil 18 angegebenen Richtung abwärts zur Basis 12 hin fortschreitet, wird der erstarrte Schaufelkörper 10 auf die Anwesen heit von Korngrenzen und die Kontrolle der axialen Wachstumsrich tung 18 überprüft. Die axiale Wachstumsrichtung wird durch Röntgen strahlanalyse (im typischen Fall nach der bekannten Laue-Methode) bestimmt; sie liegt für Superlegierungen auf Nickelbasis vorzugs weise bei plus oder minus 15 Grad zu der [001]-Kristallrichtung.

Bisher wurden in Einkristall-Schaufeln 10 nur Kleinwinkel-Korn grenzen, wie etwa die bei 20 schematisch gezeigte Korngrenze, bis zu einem Maximum von etwa 6° Fehlanpassung an benachbarten Körnern zugelassen. Fachkundige Beobachter können im allgemeinen mit dem Auge Kleinwinkel-Korngrenzen in der Gegend von 0 bis 3° erkennen. Zur maximal zulässigen Fehlanpassung von 6° hin werden die visuellen Verfahren jedoch unzuverlässig, und es müssen auf jeder Seite der fraglichen Grenze zusätzliche Laue-Diagramme ge macht werden. Die Laue-Diagramme sind nicht billig, und nach der gegenwärtigen Einkristall-Praxis sind im allgemeinen 3 bis 4 Laue-Diagramme je Gießling erforderlich. Teilweise infolge der Unsicher heiten bei der Bestimmung von Kleinwinkel-Korngrenzen beträgt die Ausbeute der Gießlinge gegenwärtig nur etwa 45 bis 55%.

Es wurde nun gefunden, daß zum Gießen von Einkristall-Ge genständen geeignete Superlegierungen auf Nickelbasis durch Zusatz kleiner, jedoch kontrollierter Mengen Bor und Kohlenstoff sowie wahlweise Hafnium verbessert werden können, wobei eine neue Familie von Einkristall-Superlegierungen auf Nickelbasis ent steht.

Der sich aus dieser Erfindung neben einer verbesserten Ausgewogenheit zwischen zyklischer Oxidationsbeständigkeit und Heißkorrosionsbeständigkeit ergebende Hauptnutzen besteht darin, daß die Kleinwinkel-Korngrenzen in den aus den Superlegierungen der Erfindung hergestellten Einkristall-Gegenständen fester als die bekannten Einkristall-Gegenstände sind. Daher können in diesen Gegenständen Kleinwinkel-Korngrenzen mit einer größeren Fehlanpassung als 6° toleriert und zugelassen werden, verglichen mit den maximal etwa 6°, die bisher als annehmbar galten. Aus dem vergrößerten Tole ranzbereich der Kleinwinkel-Korngrenzen resultieren reduzierte Inspektionskosten und eine erhöhte Ausbeute an brauchbaren Gegen ständen. Es ist zu bemerken, daß in einem wahren "Einkristall" weder Kleinwinkel-Grenzen (LAB) noch Großwinkel-Korngrenzen (HAB) vorliegen. Es ist jedoch zu bemerken, daß von Einkristallen ge sprochen wird, obgleich eine oder mehrere Kleinwinkel-Korngrenzen in den hier diskutierten Einkristallen vorliegen können.

Wie oben bemerkt, werden Einkristall-Körper, wie die Schaufel 10, zur Bestimmung der Orientierung einer Röntgenstrahl prüfung und zur Feststellung der Anwesenheit (oder Abwesenheit) von Großwinkel-Korngrenzen einer visuellen Prüfung unterzogen. Wenngleich die Röntgenstrahlprüfung zur Bestimmung der Orientie rung bei den neuen erfindungsgemäßen Superlegierungen durchge führt werden muß, ist anzunehmen, daß die zur Unterscheidung zwischen HAB und LAB erforderliche Anzahl von Röntgenstrahlprüfun gen stark verringert wird oder ganz wegfällt.

Mit anderen Worten können bei den dem Luftwiderstand ausge setzten Körpern aus den erfindungsgemäßen Superlegierungen die Toleranzgrenzen für die visuelle Zulassung von Kleinwinkel-Korn grenzen von etwa 0 bis 3° auf etwa 0 bis 9° verweitert werden, und die Laue-Bestimmungen sind erwartungsgemäß nur für Grenzen über etwa 9° erforderlich. Es ist zu bemerken, daß in den neuen Superlegierungen große Grenz-Fehlanpassungen im Vergleich zu den bei den bekannten Legierungen zulässigen Fehlanpassungen von etwa 6° akzeptiert werden können. In den Fuß- und Plattform-Bereichen gibt es keine Beschränkung bei den Grenzen, d. h. durch die erhöhte Festigkeit der Grenzen bei den aus den erfindungsgemäßen Superlegie rungen hergestellten Körpern und unter Beachtung der tieferen Tem peraturen in dem Plattform- und Fußteil im Vergleich zu dem dem Gaswiderstand ausgesetzten Teil sind Großwinkel-Korngrenzen akzep tierbar. Wenn daher hier ein "Einkristall-Gegenstand" erwähnt wird, soll wenigstens ein Teil davon in der Art eines "Einkristalls" vor liegen. Insgesamt ist zu erwarten, daß die geschätzte Gießausbeute der aus den neuen Superlegierungen hergestellten Gegenständen auf 75 bis 85% ansteigt.

Es ist daher zu bemerken, daß die neuen Superlegierungen der Erfindung selbst bei Verarbeitung nach dem Verfahren der gerich teten Erstarrung außergewöhnliche Eigenschaften haben und daß sich Gegenstände mit durchweg orientierten Großwinkel-Korngrenzen er geben. Außergewöhnliche Eigenschaften werden selbst dann erwartet, wenn die Superlegierungen der Erfindung in konventioneller Weise gegossen werden (CC), um Gegenstände mit einer Mehrzahl zufällig orientierter Körner mit zwischen ihnen liegenden Großwinkel-Korn grenzen herzustellen.

Demgemäß wird durch die Erfindung eine neue Familie von Nickel-Superlegierungen geschaffen, die zu Einkristall-Gegenstän den mit verbessertem Toleranzbereich für Kleinwinkel-Korngrenzen gießbar sind und im wesentlichen aus Chrom, Kobalt, Molybdän, Wolfram, Tantal, Titan, Aluminium, Niob, Hafnium, Kohlenstoff, Bor und (wahlweise) Hafnium in den unten in Tabelle 1 angegebenen Gew.-%-Gehalten bestehen, wobei der Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen ist.

(Gew.-%)

In Tabelle II sind die Zusammensetzungen der verschiedenen Legierungen einschließlich der Legierungen der Erfindung angegeben, auf die hier Bezug genommen wird.

In Fig. 2 ist das Oberteil eines Brammenblocks 30 schematisch dargestellt, der in Richtung des Pfeils 18' gerichtet erstarrt ist, um Prüfmaterial herzustellen. Das hergestellte Material war entwe der ein Einkristall ohne Kleinwinkel-Korngrenzen (LAB) oder es hatte - wie in Fig. 2 abgebildet - wenigstens eine zur Erstarrungsrich tung 18' parallele Kleinwinkel-Korngrenze 20', oder es war in kon ventioneller Weise gerichtet erstarrt, um Blöcke mit einer Mehrzahl von parallel zur Erstarrungsrichtung 18' orientierten Großwinkel-Korn grenzen herzustellen (nicht dargestellt). Die mit einer Mehrzahl von orientierten Großwinkel-Korngrenzen hergestellten Blöcke wurden in gleicher Weise durch die gleiche gerichtete Erstarrung, jedoch ohne die zur Einkristallherstellung erforderliche Technik gebildet; sie werden hier einfach als DS-Material oder gerichtet erstarrtes Material bezeichnet. Für Vergleichszwecke wurden einige Legierungen der Tabelle I auch in konventioneller Weise gegossen, um Blöcke mit einer Mehrzahl von unregelmäßig orientierten Körnern mit zwischen diesen befindlichen Großwinkel-Korngrenzen herzustellen.

Die bei den Superlegierungen der Erfindung angewandte Wärme behandlungsmethode zur im wesentlichen vollständigen Entwicklung einer Duplex-Gamma-Hauptstruktur bestand aus langsamer Erhitzung des gerichtet erstarrten Blocks (oder Gegenstands) auf etwa 1266°C und etwa 2-stündiges Halten auf dieser Temperatur, um die Gamma-Haupt phase in einen Mischkristall zu überführen, Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von 55,5 bis 83,3°C/min auf unter etwa 1079°C und dann mit einer Geschwindigkeit von 41,6 bis 83,3°C/min auf etwa 649°C, Wiedererwärmen auf etwa 1079°C für etwa 4 Stunden, Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von etwa 41,6 bis 83,3°C/min auf etwa 649°C, etwa 16-stündiges Erhitzen auf etwa 899°C und schließlich Abkühlen auf Umgebungstemperatur.

Die vorgenannten Proben für die Messungen der physikalischen Eigenschaften wurden in konventioneller Weise aus plattenartigen Abschnitten 32 quer zur Erstarrungsrichtung 18' des wärmebehandel ten Blocks hergestellt. Jede Einkristallprobe aus dem Abschnitt 32 enthielt entweder keine Kleinwinkel-Korngrenzen oder eine Kleinwin kel-Korngrenze von bekannter, durch Röntgenstrahlanalyse festgestellter Orientierung. In ähnlicher Weise enthielten Proben aus gerichtet erstarrten Platten eine Mehrzahl orientierter Körner und orientier ter Großwinkel-Korngrenzen und Proben aus konventionell gegossenen Platten eine Mehrzahl von unregelmäßig orientierten Körnern und unregelmäßig orientierten Großwinkel-Korngrenzen.

An Hand von Fig. 3 und Tabelle III ist ersichtlich, daß Bor nach der Erfindung und im Gegensatz zur bekannten Lehre für die Dauerstandfestigkeit von Einkristallen günstig ist und mit Kohlenstoff die Festigkeit der in Einkristallen aus erfindungsge mäßen Legierungen vorliegenden Kleinwinkel-Korngrenzen verstärkt In den Fig. 3 und 4 und den Tabellen III und IV wird "% der Idealkristall-Lebensdauer" angegeben, die die Dauerstandzeit einer Legierung der Basiszusammensetzung (Tabelle II) ist, die zur von Kleinwinkel-Korngrenzen freien Bildung gerichtet erstarrt und in ihrer [110]-Richtung senkrecht zu der DS-Richtung (und parallel zu der Spannungsachse des Probekörpers) unter den gleichen Spannungs/Temperaturbedingungen wie die Superlegierung geprüft wurde, für die sie als Vergleichsstandard diente. In einigen Tabellen sind zu Vergleichszwecken auch die Dauerstandzeiten von Proben der Basiszusammensetzung mit einer Kleinwinkel-Korngrenze (LAB) mit dem angegebenen Fehlanpassungsgrad und für Proben der Basiszusammen setzung im gerichtet erstarrten Zustand angegeben.

Dauerstandeigenschaften in Querrichtung¹

In Fig. 4 ist gezeigt, daß die Superlegierungen der Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Einkristall-Superlegie rungen bei irgendeinem Fehlanpassungswinkel von 0 bis etwa 18° überlegene Dauerstandfestigkeit aufweist. Die Superlegierungen der Erfindung können bei irgendeinem gegebenen %-Wert der LAB-freien Dauerstandzeit größere Fehlanpassungsgrade in der Größenordnung des etwa 2fachen tolerieren als Einkristall-Le gierungen nach dem Stand der Technik. Aus Tabelle IV ist zu entnehmen, daß die Superlegierungen der Erfindung selbst dann überlegene Dauerstandfestigkeiten haben, wenn sie zur Bildung von Großwinkel-Korngrößen gerichtet erstarrt sind.

Die Tabelle V zeigt die Ergebnisse von zyklischen Oxidations prüfungen an unbeschichteten 6,3 mm × 76,2 mm langen runden Probe stiften, die unter den in der Tabelle angegebenen Bedingungen unter Benutzung einer Erdgasflamme mit einer Gasgeschwindigkeit von Mach 1 durchgeführt wurden. Die Proben wurden gedreht, um sie gleichmäßig der Beanspruchung auszusetzen, und einmal je Stunde aus der Flamme bewegt, um sie auf Zimmertemperatur abzukühlen. Der äußere Metall verlust wurde an einem Schnitt quer zur Längsdimension der Probe gemessen. Der Metallverlust je Seite wurde in der Weise festgestellt, daß die Differenz zwischen den Stiftdurchmessern vor und nach der Prü fung durch zwei geteilt wurde. Die Angaben in der Tabelle sind der Mittelwert aus zwei solchen Messungen des Probendurchmessers unter einem Winkel von 90° zueinander.

Die Werte der Tabelle V sind in Fig. 5 graphisch dargestellt. Während der Widerstand der erfindungsgemäßen Superlegierungen gegen über zyklischer Oxidation nicht so gut wie bei der beispielhaften Legie rung BB ist, besitzen die Superlegierungen der Erfindung einen in hohem Maße akzeptablen Widerstand gegenüber zyklischer Oxidation, was eine Verbesserung gegenüber dem zyklischen Oxidationswiderstand der Basislegierung und der Legierung R125 ist. Der verbesserte zyk lische Oxidationswiderstand der Superlegierungen der Erfindung im Vergleich zu der Basis-Superlegierung ist vermutlich hauptsächlich

(gerichtet erstarrte Proben mit Großwinkel-Korngrenze)

auf das erhöhte Verhältnis Al zu Ti zurückzuführen. Der Vergleich der Werte für die Erhitzungen 44 und 49/50 zeigt den weiter ver besserten Widerstand gegen zyklische Oxidation, der durch die Hafniumzugabe erreicht wird.

Die Tabelle VI zeigt die Ergebnisse der Heißkorrosionsprüfungen an unbeschichteten 3,2 mm × 50,8 mm langen, runden Probestiften, die unter den in der Tabelle angegebenen Bedingungen unter Benutzung einer mit dem Brennstoff JP-5 gespeisten Flamme durchgeführt wurden, wobei den Verbrennungsprodukten Salz in den angegebenen Teilen je Million (ppm) zugesetzt wurde. Die Proben wurden gedreht, uni sie gleichmäßig der Beanspruchung auszusetzen, und einmal an jedem Tag aus der Flamme entnommen und auf Zimmertemperatur gebracht. Die Daten der Tabelle VI zeigen, daß die Anwesenheit des Kohlenstoffs in den Superlegierungen der Erfindung für den Heißkorrosionswider stand erforderlich ist und daß der Heißkorrosionswiderstand der erfindungsgemäßen Superlegierungen dem der Legierungen AA und BB überlegen ist, die Einkristall-Legierungen nach dem Stand der Tech nik sind.

Die Superlegierungen der Erfindung haben daher eine verbesserte Ausgewogenheit zwischen dem Widerstand gegen zyklische Oxidation und dem Heißkorrosionswiderstand hauptsächlich auf Grund des Kohlen stoffs und Hafniums und eines erhöhten Verhältnisses Al zu Ti im Vergleich zu der Basislegierung.

Heißkorrosionsprüfungen

Es existiert somit der Nachweis, daß die vorliegende Erfin dungsidee der Zugabe kleiner, aber kontrollierter Mengen von Bor und Kohlenstoff sowie wahlweise Hafnium zur Verbesserung der Kleinwinkel-Korngrenzen-Toleranz von zum Gießen von Einkristall-Ge genständen geeigneten Superlegierungen auf Nickelbasis auf ande re Einkristall-Superlegierungen auf Nickelbasis anwendbar ist, und es ist verständlich, daß verschiedene, hier nicht im einzelnen angegebene Änderungen und Modifizierungen an der hier beschriebenen Erfindung und deren Anwendungen vorgenommen werden können, ohne daß von der Erfindungsidee abgewichen wird, die insbesondere in den folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Superlegierung auf Nickelbasis, gekennzeichnet im wesent lichen durch 7 bis 12 Gew.-% Cr, 5 bis 15 Gew.-% Co, 0,5 bis 5 Gew.-% Mo, 3 bis 12 Gew.-% W, 2 bis 6 Gew.-% Ta, 2 bis 5 Gew.-% Ti, 3 bis 5 Gew.-% Al, 0 bis 2 Gew.-Z Nb, 0 bis 2,0 Gew.-% Hf, 0,03 bis 0,25 Gew.-% C und 0,002 bis 0,050 Gew.-% B, wobei der Rest aus Nickel und zufälligen Verunreinigungen besteht.

2. Superlegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet im wesent lichen durch 7 bis 10 Gew.-% Cr, 5 bis 10 Gew.-% Co, 1 bis 3 Gew.-% Mo, 4 bis 8 Gew.-% W, 3 bis 5 Gew.-% Ta, 3 bis 4 Gew.-% Ti, 4 bis 4,5 Gew.-% Al, 0 bis 1 Gew.-% Nb, 0,05 bis 0,5 Gew.-% Hf, 0,03 bis 0,1 Gew.-% C und 0,002 bis 0,020 Gew.-% B, wobei der Rest aus Nickel und zufälligen Verunreinigungen besteht.

3. Superlegierung nach Anspruch 2, gekennzeichnet im wesent lichen durch 9,5 bis 10,0 Gew.-% Cr, 7,0 bis 8,0 Gew.-% Co, 1,3 bis 1,7 Gew.-% Mo, 5,75 bis 6,25 Gew.-% W, 4,6 bis 5,0 Gew.-% Ta, 3,4 bis 3,6 Gew.-% Ti, 4,1 bis 4,3 Gew.-% Al, 0,4 bis 0,6 Gew.-% Nb, 0,1 bis 0,2 Gew.-% Hf, 0,05 bis 0,07 Gew.-% C und 0,003 bis 0,005 Gew.-% B, wobei der Rest aus Nickel und zufälligen Verunreinigungen besteht.

4. Superlegierung auf Nickelbasis zur Herstellung von Einkristall-Gegenständen mit verbesserter Toleranz für Kleinwin kel-Korngrenzen, gekennzeichnet im wesentlichen durch 7 bis 12 Gew.-% Cr, 5 bis 15 Gew.-% Co, 0,5 bis 5 Gew.-% Mo, 3 bis 12 Gew.-% W, 2 bis 6 Gew.-% Ta, 2 bis 5 Gew.-% Ti, 3 bis 5 Gew.-% Al, 0 bis 2 Gew.-% Nb, 0 bis 2,0 Gew.-% Hf, 0,03 bis 0,25 Gew.-% C und 0,002 bis 0,050 Gew.-% B, wobei der Rest aus Nickel und zufälligen Verunreinigungen besteht.

5. Superlegierung nach Anspruch 4, gekennzeichnet im wesent lichen durch 7 bis 10 Gew.-% Cr, 5 bis 10 Gew.-% Co, 1 bis 3 Gew.-% Mo, 4 bis 8 Gew.-% W, 3 bis 15 Gew.-% Ta, 3 bis 4 Gew.-% Ti, 4 bis 4,5 Gew.-% Al, 0 bis 1 Gew.-% Nb, 0,05 bis 0,5 Gew.-% Hf, 0,03 bis 0,1 Gew.-% C und 0,002 bis 0,020 Gew.-% B, wobei der Rest aus Nickel und zufälligen Verunreinigungen besteht.

6. Superlegierung nach Anspruch 5, gekennzeichnet im wesent lichen durch 9,5 bis 10,0 Gew.-% Cr, 7,0 bis 8,0 Gew.-% Co, 1,3 bis 1,7 Gew.- Mo, 5,75 bis 6,25 Gew.-% W, 4,6 bis 5,0 Gew.-% Ta, 3,4 bis 3,6 Gew.-% Ti, 4,1 bis 4,3 Gew.-% Al, 0,4 bis 0,6 Gew.-% Nb, 0,1 bis 0,2 Gew.-% Hf, 0,05 bis 0,07 Gew.-% C und 0,003 bis 0,005 Gew.-% B, wobei der Rest aus Nickel und zufälligen Verunreinigungen besteht.

7. Einkristall-Herstellungsgegenstand, dessen Gesamtzusammen setzung eine Superlegierung auf Nickelbasis ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die Superlegierung im wesentlichen aus 7 bis 12 Gew.-% Cr, 5 bis 15 Gew.-% Co, 0,5 bis 5 Gew.-% Mo, 3 bis 12 Gew.-% W, 2 bis 6 Gew.-% Ta, 2 bis 5 Gew.-Z Ti, 3 bis 5 Gew.-Z Al, 0 bis 2 Gew.-% Nb, 0 bis 2,0 Gew.-% Hf, 0,03 bis 0,25 Gew.-% C und 0,002 bis 0,050 Gew.-% B und im übrigen aus Nickel und zufälligen Verunreinigungen besteht, wobei die in dem Gegenstand vorliegenden Kleinwinkel-Korngrenzen größer als etwa 0° sind.

8. Gegenstand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in ihm vorliegenden Kleinwinkel-Korngrenzen in dem Bereich von etwa 0 bis etwa 20° liegen.

9. Gegenstand nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß er ein gasbeaufschlagter Körper für ein Gasturbinentriebwerk ist.

10. Gegenstand nach Anspruch 7, gekennzeichnet im wesent lichen durch 7 bis 10 Gew.-% Cr, 5 bis 10 Gew.-% Co, 1 bis 3 Gew.-% Mo, 4 bis 8 Gew.-% W, 3 bis 5 Gew.-% Ta, 3 bis 4 Gew.-% Ti, 4 bis 4,5 Gew.-% Al, 0 bis 1 Gew.-% Nb, 0,05 bis 0,5 Gew.-% Hf, 0,03 bis 0,1 Gew.-% C und 0,002 bis 0,020 Gew.-% B, wobei der Rest aus Nickel und zufälligen Verunreinigungen besteht.

11. Gegenstand nach Anspruch 7, gekennzeichnet im wesentlichen durch 9,5 bis 10,0 Gew.-% Cr, 7,0 bis 8,0 Gew.-% Co, 1,3 bis 1,7 Gew.-% Mo, 5,75 bis 6,25 Gew.-% W, 4,6 bis 5,0 Gew.-% Ta, 3,4 bis 3,6 Gew.-% Ti, 4,1 bis 4,3 Gew.-% Al, 0,4 bis 0,6 Gew.-% Nb, 0,1 bis 0,2 Gew.-% Hf, 0,05 bis 0,07 Gew.-% C und 0,003 bis 0,005 Gew.-% B, wobei der Rest aus Nickel und zufälligen Verunreinigungen besteht.

12. Herstellungsgegenstand, dessen Gesamtzusammensetzung eine Superlegierung auf Nickelbasis ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Superlegierung im wesentlichen aus 7 bis 12 Gew.-% Cr, 5 bis 15 Gew.-% Co, 0,5 bis 5 Gew.-% Mo, 3 bis 12 Gew.-% W, 2 bis 6 Gew.-% Ta, 2 bis 5 Gew.-% Ti, 3 bis 5 Gew.-% Al, 0 bis 2 Gew.-% Nb, 0 bis 2,0 Gew.-% Hf, 0,03 bis 0,25 Gew.-% C und 0,002 bis 0,050 Gew.-% B und im übrigen aus Nickel und zufälligen Verunreini gungen besteht und wenigstens ein Teil des Gegenstands ein Einkristall ist.

13. Gegenstand nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß irgendwelche in dem Einkristall-Teil anwesenden Kleinwinkel-Korn grenzen größer als etwa 0° sind.

14. Gegenstand nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jegliche in dem Einkristall-Teil vorliegenden Kleinwinkel-Korngrenzen in dem Bereich von etwa 0 bis etwa 20° liegen.

15. Gegenstand nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß er ein gasbeaufschlagter Körper für ein Gasturbinentriebwerk ist und wenigstens der gasbeaufschlagte Teil des Körpers der genannte Ein kristall-Teil ist.

16. Gegenstand nach Anspruch 13, gekennzeichnet im wesent lichen durch 7 bis 10 Gew.-% Cr, 5 bis 10 Gew.-% Co, 1 bis 3 Gew.-% Mo, 4 bis 8 Gew.-% W, 3 bis 5 Gew.-% Ta, 3 bis 4 Gew.-% Ti, 4 bis 4,5 Gew.-% Al, 0 bis 1 Gew.-% Nb, 0,05 bis 0,5 Gew.-% Hf, 0,03 bis 0,1 Gew.-% C und 0,002 bis 0,020 Gew.-% B, wobei der Rest aus Nickel und zufälligen Verunreinigungen besteht.

17. Gegenstand nach Anspruch 16, gekennzeichnet im wesent lichen durch 9,5 bis 10,0 Gew.-% Cr, 7,0 bis 8,0 Gew.-% Co, 1,3 bis 1,7 Gew.-% Mo, 5,75 bis 6,25 Gew.-% W, 4,6 bis 5,0 Gew.-% Ta, 3,4 bis 3,6 Gew.-% Ti, 4,1 bis 4,3 Gew.-% Al, 0,4 bis 0,6 Gew.-% Nb, 0,1 bis 0,2 Gew.-% Hf, 0,05 bis 0,07 Gew.-% C und 0,003 bis 0,005 Gew.-% B, wobei der Rest aus Nickel und zufälligen Verunreinigungen besteht.

18. Herstellungsgegenstand, dessen Gesamtzusammensetzung eine Superlegierung auf Nickelbasis ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Superlegierung um wesentlichen aus 7 bis 12 Gew.-% Cr, 5 bis 15 Gew.-% Co, 0,5 bis 5 Gew.-% Mo, 3 bis 12 Gew.-% W, 2 bis 6 Gew.-% Ta, 2 bis 5 Gew.-% Ti, 3 bis 5 Gew.-% Al, 0 bis 2 Gew.-% Nb, O bis 2,0 Gew.-% Hf, 0,03 bis 0,25 Gew.-% C und 0,002 bis 0,050 Gew.-% B und im übrigen aus Nickel und zufälligen Verunreini gungen besteht.

19. Gegenstand nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß er gerichtet erstarrt ist.

20. Gegenstand nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß er in herkömmlicher Weise gegossen ist.

21. Gegenstand nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung im wesentlichen aus 7 bis 10 Gew.-% Cr, 5 bis 10 Gew.-% Co, 1 bis 3 Gew.-% Mo, 4 bis 8 Gew.-% W, 3 bis 5 Gew.-% Ta, 3 bis 4 Gew.-% Ti, 4 bis 4,5 Gew.-% Al, 0 bis 1 Gew.-% Nb, 0,05 bis 0,5 Gew.-% Hf, 0,03 bis 0,1 Gew.-% C, 0,002 bis 0,020 Gew.-% B und im übrigen aus Nickel und zufälligen Verunreini gungen besteht.

22. Gegenstand nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung im wesentlichen aus 9,5 bis 10,0 Gew.-% Cr, 7,0 bis 8,0 Gew.-% Co, 1,3 bis 1,7 Gew.-% Mo, 5,75 bis 6,25 Gew.-% W, 4,6 bis 5,0 Gew.-% Ta, 3,4 bis 3,6 Gew.-% Ti, 4,1 bis 4,3 Gew.-% Al, 0,4 bis 0,6 Gew.-% Nb, 0,1 bis 0,2 Gew.-% Hf, 0,05 bis 0,07 Gew.-% C, 0,003 bis 0,005 Gew.-% B und im übrigen aus Nickel und zufälligen Verunreinigungen besteht.