DE3630328A1 - Nickel-eisenaluminidlegierung - Google Patents
Nickel-eisenaluminidlegierungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Nickel-Eisenaluminidle
gierungen, die eine hohe Festigkeit besitzen und die
erwünschterweise eine Heißzugfähigkeit und Verarbeitbar
keit aufweisen.
Geordnete intermetallische Legierungen, basierend auf
Tri-Nickelaluminid (Ni₃Al) haben einzigartige Eigen
schaften, die sie für Anwendungsfälle bei erhöhten Tempe
raturen attraktiv machen. Diese Legierungen zeigen ein
unübliches mechanisches Verhalten hinsichtlich der Er
höhung der Fließ- oder Streckspannung bei ansteigender
Temperatur, wohingegen bei konventionellen Legierungen
die Streckspannung sich mit der Temperatur vermindert. Tri-
Nickelaluminid ist der wichtigste die Festigkeit erhöhende
Bestandteil von im Handel verfügbaren auf Nickel basie
renden Superlegierungen und ist auch verantwortlich für
deren hohe Temperaturfestigkeit und Kriechwiderstand.
Die Haupteinschränkung hinsichtlich der Verwendung der
artiger Nickelaluminide als Materialien auf dem Gebiet
des Ingenieurwesens ist deren Tendenz, Sprödigkeitbrüche
zu zeigen und eine niedrige Ziehfähigkeit aufzuweisen.
Kürzlich wurden Legierungen dieser Art verbessert, und
zwar durch die Zugabe von Eisen zur Erhöhung der Spannungs
festigkeit, von Bor zur Erhöhung der Ziehfähigkeit und
durch Zugabe von Titan, Mangan und Niob zur Verbesserung
der Kaltverarbeitbarkeit. Es sei in diesem Zusammenhang
auf die US-Patentanmeldung Ser. No. 5 19 941 vom 3. August
1983 hingewiesen, die "Ductile Aluminide Alloys for High
Temperatur Applications" der Titel ist und deren Anmelder
Liu und Koch sind. Eine weitere Verbesserung bei den auf
Ni₃Al basierenden Legierungen erfolgte durch die Zugabe
von Eisen und Bor aus den vorgenannten Gründen und ferner
durch die Zugabe von Hafnium und Zirkon für eine erhöhte
Festigkeit bei höheren Temperaturen. Vergleiche dazu
die US-Patentanmeldung Ser. No. 5 64 108 vom 21. Dezember
1983 mit dem Titel "Ductile Aluminide Alloys for High
Temperature Applications", der Anmelder Liu und Steigler.
Obwohl diese verbesserten Legierungen zahlreiche vorteil
hafte Eigenschaften haben, so zeigen sie jedoch noch
immer Nachteile, die deren Brauchbarkeit verschlechtern.
Beispielsweise zeigen die genannten Nickelaluminid-Legierungen
eine Verringerung der Ziehfähigkeit und der Bearbeit
barkeit bei erhöhter Temperatur. Jedwede Verarbeitung
der Legierungen in Gebilde mit gewünschten Formen durch
Walzen oder Schmieden muß bei Temperaturen von weniger als
700°C erreicht werden. Derartige Legierungen hätten einen
größeren Wert, wenn die Heißverarbeitbarkeit bei höheren
Temperaturen bis zu ungefähr 1200°C erreicht werden könnte,
da bei dieser Temperatur Erfahrung und Fähigkeiten in der
industriellen Herstellung vorhanden sind. Andere Vorteile
der Herstellung bei höheren Temperaturen sind die Vermin
derung der Herstellungskosten und die Vermeidung der Not
wendigkeit hinsichtlich Hochleistungsherstellungsaus
rüstungen.
Zusammenfassung der Erfindung. Die vorliegende Erfindung
hat sich zum Ziel gesetzt, eine Lösung für die obige
Problematik anzugeben und eine Nickel-Eisenaluminidlegierung
vorzusehen, die bei Temperaturen von ungefähr 1200°C
durch Heißwalzen oder Schmieden verarbeitbar ist. Die
Erfindung hat sich ferner zum Ziel gesetzt, eine bei hoher
Temperatur verarbeitbare Nickel-Eisenaluminidlegierung
anzugeben, die eine hohe Streckgrenze, gute Ziehfähigkeit
und Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen
aufweist. Ferner bezweckt die Erfindung eine Nickel-Eisen
aluminidlegierung vorzusehen, welche die obigen Eigenschaften
besitzt und mit relativ niedrigen Kosten herstellbar ist,
und zwar unter Verwendung vorhandener Herstellungs
techniken.
Weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung er
geben sich aus der folgenden Beschreibung. Um die genannten
sowie weitere Ziele zu erreichen, sieht die Erfindung
Legierungen vor, die auf der Ni₃Al-Legierung basieren,
aber Zugaben anderer Elemente besitzen und ferner Varia
tionen hinsichtlich der Proportionen, wie dies zum Erhalt
der gewünschten Ziele erforderlich ist.
Die zusätzlichen Elemente umfassen Eisen, Bor, eines oder
mehrere Elemente der Gruppe IVb des Periodischen Systems,
um die Hochtemperaturfestigkeit zu erhöhen; ferner eines
oder mehrere Seltene Erdelemente zur Verbesserung der
Heiß- oder Warmverarbeitbarkeit. Ferner werden Zugaben
von Molybdän und Kohlenstoff verwendet, um den Oxidations
widerstand zu verbessern bzw. den Widerstand gegenüber
Rißbildung. Eisen ist in einer Menge von 14 bis 17 Gew.%
vorhanden, und eine hinreichende Konzentration an Bor ist
zur Erhöhung der Ziehfähigkeit vorgesehen. Die kombinierte
Konzentration der Elemente der Gruppe IVb ist in einer
Menge von weniger als 1 Gew.% vorhanden, und die Seltenen
Erdelemente werden in Spurenmengen hinreichender Konzen
trationen zugegeben, um die Heißverarbeitbarkeit bei
Temperaturen größer als ungefähr 700°C zu erhöhen. Molybdän
wird der Legierungszusammensetzung in einer zur Ver
minderung der Oxidation angemessenen Menge zugegeben. Kohlen
stoff wird in hinreichenden Mengen verwendet, um die
Heißrißbildung zu unterdrücken, die sich durch die Zugabe
von Molybdän ergibt. Der Rest der Legierung wird durch
die Grund- oder Basis-Ni₃Al-Zusammensetzung gebildet.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die zur
Erhöhung der Ziehfähigkeit ausreichende Menge an Bor von
0,01 bis 0,03 Gew.%. Das bevorzugte Element der Gruppe
IVb ist Hafnium, obwohl Zirkon, basierend auf begrenzten
Ergebnissen ähnlich wirkt. Das bevorzugte Seltene
Erdelement ist Cer, und die zur Erhöhung der Heißverarbeit
barkeit auf eine Temperatur von ungefähr 1200°C ausrei
chende Menge liegt im Bereich von ungefähr 0,002 bis
0,007 Gew.%, wobei die bevorzugte Menge ungefähr 0,005
Gew.% beträgt. Es wird angenommen, daß Yttrium, Thorium
und Lanthan ähnlich wie Cer wirken würden.
Ferner beträgt die erforderliche Molybdänmenge zur Ver
besserung des Oxidationswiderstandes bis zu ungefähr
4 Gew.% und bis zu ungefähr 0,1 Gew.% Kohlenstoff sind
vorhanden, um die Rißbildung während der Heißverarbeitung
zu unterdrücken.
Die Nickel-Eisenaluminide der Erfindung haben den Vorteil,
daß sie kombinierte Eigenschaften hinsichtlich der Zieh
fähigkeit, Heißverarbeitbarkeit, hoher Zugfestigkeit bis
ungefähr 600°C und Oxidationsbeständigkeit aufweisen.
Zudem haben diese Aluminide eine niedrige Dichte und ge
ringe Kosten, verglichen mit im Handel verfügbaren Super
legierungen auf Nickel-Basis.
Im folgenden wird das bevorzugte Ausführungsbeispiel der
Erfindung im einzelnen beschrieben.
Legierungsbarren der Erfindung wurden durch Bogenschmelzen
der richtigen Proportionen aus reinen Metallchips und
Ni-4 Gew.% B und Ni-4 Gew.% Ce Hauptlegierungen hergestellt.
Die Hauptlegierungen wurden für die genaue Kontrolle der
Be- und Ce-Konzentrationen in den Legierungen verwendet.
Die Legierungsbarren wurden durch Heißwalzen bei 1200°C
mit drei Durchgängen mit einer 12% Reduktion pro Durchgang
verarbeitet. Die Ziehfähigkeit und die Heißverarbeitbar
keit dieser Nickel-Eisenaluminide sind empfindlich hin
sichtlich der Eisenkonzentration, dem Eisen-Nickelver
hältnis und den Zugaben Seltener Erdelemente, wie bei
spielsweise Cer, zur Legierungszusammensetzung.
Tabelle I gibt eine Reihe von Nickel-Eisenaluminiden an,
und zwar basierend auf einer mit IC-47 bezeichneten Le
gierung mit der Zusammensetzung von 10,4 Gew.% Aluminium,
16,1 Gew.% Eisen, 0,05 Gew.% Bor und dem Rest Nickel.
Diese Legierung wird mit Hf (oder Zr) und anderen Legie
rungszugaben modifiziert, wie dies in Tabelle I angegeben
ist, wobei diese modifizierten Legierungen unterschied
liche IC-Nummern besitzen.
Hafnium oder Zirkon wird zugegeben, um die Hochtemperatur
festigkeit der Legierung zu verbessern. Die Zugabe von
Hafnium und Zirkon zur Legierungszusammensetzung muß
jedoch auf weniger als 1 Gew.% (oder 0,5 Atm.%) begrenzt
werden, da bei größeren Konzentrationen von Hafnium und
Zirkon die Heißverarbeitbarkeit der Legierung verschlechtert
wird. Überraschenderweise verbessert eine kleine
Menge an Cer (0,002 bis 0,007 Gew.%) die Heißverarbeit
barkeit der Nickel-Eisenaluminide beträchtlich. Die mit
IC-159 bezeichnete Legierung, die 0,005 Gew.% Cer und
16,6 Gew.% Eisen enthält, hatte die beste Heiß- oder Warm
verarbeitbarkeit mit keinen sichtbaren Rissen während des
Warmwalzens bei 1200°C.
Eine weitere Reihe von Nickel-Eisenaluminiden, basierend
auf der IC-47-Legierung wurde hergestellt und weiter
mit den Zugaben von Hafnium, Cer, Molybdän und Kohlen
stoff gemäß Tabelle II modifiziert. Wiederum sind die
modifizierten Legierungen mit unterschiedlichen IC-Nummern
versehen.
Molybdän wurde der Legierungszusammensetzung zugegeben, um
den Oxidationswiderstand zu verbessern. Bei einer Molybdän
konzentration von 3,7 Gew.% war die Warmverarbeitbarkeit
der Nickel-Eisenaluminide stark von einer kleinen Änderung
der Legierungszusammensetzung abhängig. Bei Eisenkonzen
trationen von weniger als ungefähr 14,5 Gew.% trat eine
beträchtliche Rißbildung während der Heiß- oder Warmver
arbeitung auf. Eine Kombination von 0,005 Gew.% Cer und
0,06 Gew.% Kohlenstoff zusammen mit Eisen bei 15,8 Gew.%
unterdrückte die Rißbildung vollständig, was eine bevor
zugte Legierung mit der durch IC-152 bezeichneten Zusammen
setzung ergab. Der Eisengehalt in den Legierungen ist
auf weniger als 17,5% begrenzt. Anderenfalls verlieren
die Legierungen einen Teil ihrer Hochtemperaturfestigkeit.
Dies sind die Beispiele von zwei Nickel-Eisenaluminidlegierungen,
die ohne weiteres durch Heißwalzen oder Schmieden
bei 1200°C verarbeitet werden können. Vergleichsweise
sei erwähnt, daß im Handel verfügbare Nickelaluminide
nicht durch Heißwalzen oder Schmieden bei Temperaturen
oberhalb 700°C verarbeitet werden können.
Nach der metallographischen Untersuchung der zwei herge
stellten Legierungen wurde eine signifikante Menge
(ungefähr 20 bis 30 Vol.%) einer zweiten Phase, wahr
scheinlich B2 (geordnete bcc-Phase ähnlich FeAl) fest
gestellt, und zwar nach der Wasserabschreckung von 1200°C.
Die Volumenfraktion der B2-Phase nimmt mit der Abnahme
der Anlaßtemperatur ab und zeigt weniger als ungefähr
2% B2-Phase nach dem Anlassen über 16 Stunden bei 800°C
hinweg. Der Vergleich der Mikrostruktur der Legierungen
zeigt ferner, daß die Legierungsbildung mit Molybdän
zusätzen die Bildung der ungeordneten Phase in den Nickel-
Eisenaluminiden reduziert.
Die Zugeigenschaften der Nickel-Eisenaluminide gemäß
den Tabellen I und II wurden bei Temperaturen von 1200°C
an Blechproben ermittelt, und zwar mit einem Meßabschnitt
von 12,7 mm × 0,8 mm bei einer Kreuzkopfgeschwindigkeit
von 25 mm/min im Vakuum. Die Zugeigenschaften der mit
IC-152 und IC-159 bezeichneten Legierungen wurden mit
den Zugeigenschaften eines Nickelaluminids verglichen,
welches die Zusammensetzung von 11,9 Gew.% Aluminium,
1,7 Gew.% Hafnium, 0,015 Gew.% Bor und dem Rest Nickel
besaß und mit IC-136 bezeichnet wurde. Diese Vergleiche
bei verschiedenen Temperaturen sind in Tabelle III an
gegeben.
Wie in Tabelle III gezeigt, sind die Streckspannungswerte
(yield strengths) der Nickel-Eisenaluminide der Erfindung
höher als diejenigen des Nickelaluminids (IC-136) bei
Raumtemperatur und 600°C. Diese Nickel-Eisenaluminide zeigen
jedoch eine beträchtliche Verminderung der Festigkeit
bei Temperaturen oberhalb ungefähr 600°C und werden in der
Tat schwächer als das Nickelaluminid bei Temperaturen ober
halb 850°C. Signifikanterweise haben jedoch die Nickel-
Eisenaluminide der Erfindung eine wesentlich größere Zieh
fähigkeit als das Nickelaluminid bei 1000°C und 1200°C,
und beide Nickel-Eisenaluminidlegierungen zeigen super
plastisches Verhalten mit Zugdehnungen, die bei 1200°C
und 150% übersteigen. Die hohe Ziehfähigkeit der Nickel-
Eisenaluminide ist konsistent mit deren ausgezeichneter
Heißverarbeitbarkeit bei 1200°C.
Die Kriecheigenschaften des Nickel-Eisenaluminids IC-159
wurden bestimmt bei 760°C und 138 und 276 MPa. Die be
schränkten Ergebnisse in der untenstehenden Tabelle IV
zeigen, daß die Kriechbruchlebensdauer der Nickel-Eisenaluminide
beträchtlich kürzer ist als der Nickelaluminide,
aber etwas besser als die Werte von Hastelloy X. Hastelloy
X ist ein Warenzeichen der Firma Cabott Corporation, Kokomo,
Indiana, USA. Die genannte Legierung ist unter diesem Handels
namen erhältlich.
Gußteile (Couponds) aus Nickel-Eisenaluminiden wurden in
einem Ofen 1 Stunde lang bei 1050°C rekristallisiert und
dann luftausgesetzt, um den Oxidationswiderstand zu be
stimmen. Die Gußstücke wurden periodisch (alle 1 bis 3
Tage) aus dem Ofen entfernt und visuell untersucht, wobei
auch Gewichtsmessungen vorgenommen wurden. Die Gußstücke
zeigten während der cyclischen Oxidation bei 800°C und
1000°C einen konsistenten Gewichtsgewinn. Die Oxidations
raten oder -geschwindigkeiten der Nickel-Eisenaluminide,
die Molybdän enthielten, waren vergleichbar bei 800°C
und 1000°C, wohingegen die Oxidationsgeschwindigkeiten
der kein Molybdän enthaltenden Nickel-Eisenaluminide bei
1000°C niedriger waren als bei 800°C. Diese niedrigere
Geschwindigkeit oder Rate legt nahe, daß Aluminiumatome
schnell vom Inneren zur Oberfläche bei 1000°C difundieren,
und zwar zu einer Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche,
die das Grund- oder Basismetall gegenüber weiterer Oxida
tion schützt. Die Nickel-Eisenaluminide zeigten einen
Oxidationswiderstand, der mit dem der Nickelaluminide bei
1000°C vergleichbar waren.
Man erkennt, daß die erfindungsgemäßen Nickel-Eisenaluminide
kombinierte Vorteile hinsichtlich Ziehfähigkeit,
Heißverarbeitbarkeit, Festigkeit und Oxidationswiderstand
besitzen. Zudem haben die erfindungsgemäßen Nickel-Eisen
aluminide den Vorteil niedriger Dichte und geringer Ko
sten, verglichen mit im Handel verfügbaren auf Nickel
basierenden Superlegierungen. Die Dichte der Aluminide
ist um 10 bis 15% niedriger als die der auf Nickel ba
sierenden Superlegierung. Ein kritischer Faktor bezüglich
des Unterschieds der Erfindung gegenüber früheren Arbeiten
besteht in einer Erhöhung der Nickelkonzentration,
begleitet von der Anwesenheit von Hafnium und Bor. Die Zugabe
kleiner Mengen anderer Elemente, wie beispielsweise
Cer, Molybdän und Kohlenstoff ergibt eine Legierung mit
stark verbesserten Verarbeitungseigenschaften bei hohen
Temperaturen.
Abwandlungen und Änderungen sind im Rahmen der obigen
Lehre möglich.
Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:
Nickel-Eisenaluminide werden beschrieben, die auf Ni₃Al
basieren und einen signifikanten Eisengehalt haben, wobei
Zugaben aus Hafnium, Bor, Kohlenstoff und Cer vorgesehen
werden, was Legierungen auf Ni₃Al-Basis ergibt, die bei
höheren Temperaturen verarbeitet werden können als dies
für ähnliche bislang entwickelte Legierungen gilt. Ferner
verbessert die Zugabe von Molybdän den Widerstand gegen
über Oxidation und Rißbildung. Die Legierungen haben vor
teilhafte Ziehfähigkeit, Heißverarbeitbarkeit, Festigkeit
und Oxidationsbeständigkeit.
Claims (9)
1. Ein Nickel-Eisenaluminid, welches im wesentlichen
aus folgendem besteht:
einer Ni₃Al-Basis;
einer hinreichenden Konzentration eines Elements der Gruppe IVb oder Mischungen daraus zur Erhöhung der Temperaturfestigkeit;
eine hinreichende Konzentration an Eisen und einem Seltenen Erdelement oder Mischungen daraus zur Er höhung der Warm- oder Heißherstellbarkeit; und
eine hinreichende Konzentration an Bor zur Erhöhung der Ziehfähigkeit.
einer Ni₃Al-Basis;
einer hinreichenden Konzentration eines Elements der Gruppe IVb oder Mischungen daraus zur Erhöhung der Temperaturfestigkeit;
eine hinreichende Konzentration an Eisen und einem Seltenen Erdelement oder Mischungen daraus zur Er höhung der Warm- oder Heißherstellbarkeit; und
eine hinreichende Konzentration an Bor zur Erhöhung der Ziehfähigkeit.
2. Nickel-Eisenaluminid nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Konzentration des Eisens im
Bereich von 14,5 bis 17,5 Gew.% liegt.
3. Nickel-Eisenaluminid nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine hinreichende Menge an Molybdän
vorhanden ist, um eine Reduktion der Oxidation des
Nickel-Eisenaluminids zu bewirken und wobei ferner
eine hinreichende Menge an Kohlenstoff vorhanden
ist, um die Rißbildung infolge der Zugabe von Mo
lybdän zu reduzieren.
4. Nickel-Eisenaluminid nach Anspruch 2, wobei das
Element der Gruppe IVb, aus der Hafnium, Zirkon und
Mischungen daraus enthaltenden Gruppe ausgewählt ist
und in einer Menge von weniger als 1 Gew.% vorhanden
ist.
5. Nickel-Eisenaluminid nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Seltene Erdelement Cer ist
und in einer Menge von nicht mehr als 0,01 Gew.% vor
handen ist.
6. Nickel-Eisenaluminid nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß Bor in einer Menge von 0,01 bis
0,05 Gew.% vorhanden ist.
7. Nickel-Eisenaluminid nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Zusammensetzung 10,2 Gew.%
Aluminium, 16,6 Gew.% Eisen, 0,9 Gew.% Hafnium,
0,015 Gew.% Bor, 0,005 Gew.% Cer und den Rest
Nickel enthält.
8. Nickel-Eisenaluminid nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß Molybdän in einer Menge von nicht
mehr als 4 Gew.% vorhanden ist und daß der Kohlen
stoff in einer Menge von nicht mehr als 0,01 Gew.%
vorhanden ist.
9. Nickel-Eisenaluminid nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Zusammensetzung folgendes
enthält: 10,0 Gew.% Aluminium, 15,8 Gew.% Eisen,
0,9 Gew.% Hafnium, 3,7 Gew.% Molybdän, 0,015 Gew.%
Bor, 0,005 Gew.% Cer, 0,06 Gew.% Kohlenstoff und
den Rest Nickel.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE3630328C2 DE3630328C2 (de) | 1995-11-23 |
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GB (1) | GB2194549B (de) |
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