DE3719902A1

DE3719902A1 - Superlegierungs-Zusammensetzung und Einkristall-Superlegierungs-Gegenstand auf Nickelbasis mit säulenartiger Kornform

Info

Publication number: DE3719902A1
Application number: DE19873719902
Authority: DE
Inventors: Alan David Cetel; David Noel Duhl
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1986-01-02
Filing date: 1987-06-15
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2007-06-16
Also published as: GB8713690D0; GB2278850B; US5068084A; GB2278850A; DE3719902C2

Description

Die Erfindung betrifft Gegenstände, die für Gasturbinenmoto re brauchbar sind, und Zusammensetzungen, die zur Herstel lung solcher Gegenstände geeignet sind. Die vorliegenden Zu sammensetzungen sind Superlegierungen auf Nickelbasis, die mit säulenartiger Kornform gerichtet erstarren gelassen wer den können, um Gegenstände zu erhalten, die bei erhöhten Tem peraturen ausgezeichnete Eigenschaften haben.

Vom historischen Standpunkt aus sind Einkristall-Werkstoffe aus polykristallinen Werkstoffen über Werkstoffe mit säulen artiger Kornform entwickelt worden. Anfänglich wurden Guß stücke hergestellt, indem Metall in ungesteuerter Weise er starren gelassen wurde, wobei ein Mikrogefüge erzeugt wurde, das aus einer Vielzahl von im allgemeinen statistisch ver teilten, gleichachsigen Körnern bestand. Später wurde fest gestellt, daß das Metall durch (in einachsiger Weise erfol gende) Steuerung des Wärmestroms während des Erstarrens in Form einer Vielzahl von in die Länge gezogenen Kristallen, bei denen sich die Achse der größten Ausdehnung in der Rich tung des Wärmestroms erstreckt, erstarren würde. Es wurde festgestellt, daß dieser Werkstoff mit säulenartiger Korn form im Vergleich zu dem bekannten polykristallinen Werk stoff als Folge der Beseitigung der Quer-Korngrenzen wesent lich verbesserte mechanische Eigenschaften bei hoher Tempe ratur hat (der Werkstoff mit säulenartiger Kornform zeigt seinen größten Vorteil hinsichtlich der Hochtemperaturfe stigkeit in der Richtung der größten Kornausdehnung). Die letzte Entwicklung erfolgte in den späten 1960er Jahren, als Verfahren zur Herstellung von Einkristall-Gegenständen aus Superlegierungs-Zusammensetzungen entwickelt wurden. Solche Einkristall-Superlegierungs-Gegenstände sind frei von inne ren Korngrenzen und zeigen die besten mechanischen Eigen schaften von allen Superlegierungs-Gegenständen. In der Fol ge der Entwicklung basierten die Werkstoffzusammensetzungen mit säulenartiger Kornform im allgemeinen auf bekannten Su perlegierungs-Zusammensetzungen, die ein wenig abgeändert wurden, um optimierte Eigenschaften zu erhalten. Weil kurz nach der Entwicklung von Werkstoffen mit säulenartiger Korn form Einkristalle entwickelt wurden, gab man sich keine große Mühe, optimale Legierungen für den Guß mit säulenarti ger Kornform zu entwickeln.

Seitdem ist in Verbindung mit der Entwicklung von verbesser ten Einkristall-Werkstoffen, wie sie z. B. in den US-Patent schriften 41 16 723, 42 09 348 und 42 22 794 beschrieben wer den, viel grundlegendes Wissen über Legierungen erschlossen worden. Mit einem solchen Wissen ist es nun möglich, zu den Gießmethoden mit säulenartiger Kornform zurückzukehren und eine Zusammensetzung zu entwickeln, die im Vergleich zu den Eigenschaften bekannter Werkstoffe mit säulenartiger Korn form in hohem Maße überlegene Eigenschaften haben wird, wenn sie mit säulenartiger Kornform erstarrt. Die Vorteile des Gießverfahrens mit säulenartiger Kornform sind grundsätzlich wirtschaftlicher Natur, weil ohne die Notwendigkeit einer vollständigen Steuerung der Gießmethode zur Erzielung eines Einkristalls eine beträchtliche Abschwächung der Gußparame ter möglich ist, so daß das Gießverfahren mit einem Kosten aufwand durchgeführt werden kann, der etwa um ein Drittel niedriger ist als derjenige bei dem Einkristall-Gießverfah ren.

In der US-Patentschrift 35 26 499 werden Superlegierungen auf Nickelbasis beschrieben, die beträchtliche Mengen von Verfestigern für die feste Lösung enthalten. Die Zusammen setzungen gemäß dieser Patentschrift haben einen niedrigeren Cobaltgehalt als diejenigen, die durch die Erfindung in Be tracht gezogen werden, und einen höheren Tantalgehalt als diejenigen, die in der bevorzugten Ausführungsform der Er findung in Betracht gezogen werden. In der US-Patentschrift 37 11 337 wird eine Superlegierungs-Zusammensetzung auf Nickel basis beschrieben, die von einer als Mar M-200 bekannten Legierung (einem Erzeugnis der Martin Marietta Corp.) abge leitet ist und die, wenn sie gerichtet mit säulenartiger Kornform erstarren gelassen wird, Gegenstände liefert, die einen guten Ausgleich der mechanischen Eigenschaften für An wendungen bei Gasturbinenmotoren zeigen. Gegenstände, die gemäß dieser Patentschrift hergestellt werden, haben eine weit verbreitete technische Anwendung gefunden, und diese Zusammensetzung ist der handelsübliche gerichtet erstarrte Standardwerkstoff mit säulenartiger Kornform. In der US-Pa tentschrift 42 09 348 wird eine Zusammensetzung beschrieben, die gerichtet in Einkristallform erstarren gelassen werden kann, um Eigenschaften zu erzielen, die im Vergleich zu den jenigen der Werkstoffe mit säulenartiger Kornform, die in der US-Patentschrift 37 11 337 beschrieben werden, wesent lich verbessert sind. Solche Einkristall-Gegenstände haben eine weit verbreitete technische Anwendung für Zwecke gefun den, wo hohe Anforderungen stellende Bedingungen Werkstoffe erforderlich machen, die den Werkstoffen, die durch die US- Patentschrift 37 11 337 bereitgestellt werden, überlegen sind. In der US-Patentschrift 43 88 124 wird eine Superle gierung auf Nickelbasis mit einer Zusammensetzung beschrie ben, die gerichtet erstarren gelassen werden kann, um brauch bare Superlegierungs-Gegenstände zu erhalten. Die Zusammen setzung, die in dieser Patentschrift beschrieben wird, ent hält weniger Cobalt und mehr Molybdän als die Zusammenset zungen, die in der vorliegenden Anmeldung beschrieben wer den.

Nach dem Stand der Technik sind auch verschiedene eutekti sche Werkstoffe bekannt, die gerichtet erstarren gelassen werden können, um für eine Verfestigung durch orientierte zweite Phasen zu sorgen. Dieser Stand der Technik wird für die Erfindung, bei der es keine ausgerichteten zweiten Pha sen gibt, nicht als relevant angesehen.

Die Erfindung betrifft einen Gegenstand, der aus einer be sonderen Superlegierungs-Zusammensetzung hergestellt ist, und die Zusammensetzung selbst. Der Gegenstand ist als Gas turbinenmotorteil brauchbar. Tabelle I beschreibt die allge meinen und die bevorzugten Zusammensetzungen der Erfindung. Der in Tabelle I beschriebene Werkstoff wird gerichtet er starren gelassen, um einen Gegenstand mit säulenartiger Kornform zu erhalten, der die wichtigen bzw. wesentlichen mechanischen Eigenschaften der bekannten Einkristall-Werk stoffe in Verbindung mit der Wirtschaftlichkeit zeigt, die durch das Verfahren des Erstarrenlassens mit säulenartiger Kornform geliefert wird.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die bei gefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 erläutert das Verhalten des erfindungsgemäßen Werk stoffs beim Zeitstandversuch.

Fig. 2 erläutert das 1%-Kriechverhalten des erfindungsge mäßen Werkstoffs.

Fig. 3A erläutert die 0,2%-Dehngrenze des erfindungsgemäßen Werkstoffs als Funktion der Temperatur.

Fig. 3B erläutert die Dehnung des erfindungsgemäßen Werk stoffs als Funktion der Temperatur.

Die allgemeinen und die bevorzugten Zusammensetzungen der Erfindung werden in Tabelle I beschrieben. Außerdem gibt es weitere Beziehungen hinsichtlich der Zusammensetzung, die vorzugsweise befolgt werden, um zusätzliche Vorteile zu er zielen.

Zur Erzielung einer verbesserten Gießbarkeit, der Fähigkeit zur Bildung von fehlerfreien Gußstücken mit säulenartiger Kornform, sollte die Summe des Wolfram- und des Rheniumge halts weniger als etwa 10% betragen und sollte der Hafnium gehalt etwa 0,5%, der Kohlenstoffgehalt etwa 0,02%, der Zirkoniumgehalt etwa 0,02% und der Borgehalt etwa 0,005% überschreiten.

Um zu gewährleisten, daß der Gegenstand lösungsgeglüht wer den kann, d. h., um sicherzustellen, daß die Gamma′-solvus- Kurven-Temperatur niedriger ist als die Anfangs-Schmelztem peratur, sollte die folgende Gleichung befolgt werden:

70 + 5 Cr + 3 Co - (25 Ti + 7 Ta + 15 Al) 0

Zur Sicherstellung der Dauerstabilität des Mikrogefüges und des Freiseins von nachteiligen Phasen selbst nach ausgedehn ter Einwirkung erhöhter Temperaturen sollte die folgende Gleichung befolgt werden:

1,5 Cr + 0,3 Co + 0,5 (W + Ta + Hf) + Mo + Re + 3,3 Al + 2,5 Ti 45.

Für eine hervorragende Warmkorrosionsbeständigkeit sollte die folgende Gleichung erfüllt werden:

2 Cr - 2 (Mo + W) 0.

Für eine ausgezeichnete Hochtemperatur-Oxidationsbeständig keit sollte die folgende Gleichung erfüllt werden:

3 Al + Ta - (5 Ti + W) 12%.

Schließlich sollte für eine hervorragende Kriechfestigkeit die folgende Gleichung erfüllt werden:

455 Al - 37 Al² + 37 W - 2 W² + 22 Re + 10 (Mo + Ta) 1635.

Der Fachmann, der vor die Aufgabe gestellt ist, eine Legie rung für eine besondere Anwendung auszuwählen, wird, wenn er die vorstehenden Richtlinien bzw. Hinweise zu Rate zieht, imstande sein, festzulegen, wie eine Legierung zu formulie ren ist, die die besonderen erforderlichen Eigenschaften hat.

Eine bestimmte Zusammensetzung hat eine Sollzusammensetzung aus 6,4% Cr, 1,7% Mo, 6,6% W, 3% Re, 4,1% Ta, 5,9% Al, 12,6% Co, 0,012% B, 0,09% Zr, 0,1% C, 2,0% Hf, Rest Ni. Die allgemeinen Eigenschaften dieser Zusammensetzung sind in Tabelle II im Vergleich mit einem technisch verwen deten Einkristall-Werkstoff (in der US-PS 42 09 348 beschrie ben) und mit einem technisch verwendeten Werkstoff mit säu lenartiger Kornform (in der US-Patentschrift 37 11 337 be schrieben) angegeben. In Tabelle II ist der als "MCrAlY + Hf + Si" bezeichnete Überzug ein abgeänderter MCrAlY-Überzug der in der US-Patentschrift 44 19 416 beschriebenen Art, und der als "Dünnes Aluminid" bezeichnete Überzug ist ein Über zug der in der US-PS 41 32 816 beschriebenen Art. Aus Ta belle II ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Werkstoff Eigenschaften hat, die für die Verwendung als Turbinentrag flügel(schaufel) in einem Gasturbinenmotor erforderlich sind und die - mit einer Ausnahme - den Eigenschaften des bekannten Einkristall-Werkstoffs gleichkommen. Diese Ausnah me ist das Oxidationsverhalten im Fall der Beschichtung mit einer bestimmten MCrAlY-Überzugszusammensetzung. Im Fall der Beschichtung mit anderen Arten von Überzügen ist der erfin dungsgemäße Werkstoff jedoch bis zu 900% besser als der bekannte Substratwerkstoff mit demselben Überzug. Tabelle II zeigt, daß der erfindungsgemäße Werkstoff dem bekannten Einkristall-Werkstoff in Bezug auf die Schaufelfußbefesti gungs- bzw. -anbringungs-Eigenschaften nicht ganz gleich kommt. Bei der Mehrheit der Anwendungen sind jedoch die Trag flügel(schaufel)-Eigenschaften die Grenzeigenschaften, und selbst in dem Fall, daß die Schaufelfußbefestigungs- bzw. -anbringungs-Eigenschaften Grenzeigenschaften sind, kann das Problem im allgemeinen durch eine Umgestaltung der besonde ren geometrischen Anordnung des (Schaufel)fußes gelöst wer den. In Tabelle II wird ferner ein Vergleich der erfindungs gemäßen Eigenschaften mit denjenigen des bekannten Standard- Werkstoffs mit säulenartiger Kornform gezeigt, und man sieht, daß der erfindungsgemäße Werkstoff in allen Fällen Eigen schaften hat, die denjenigen des bekannten Werkstoffs mit säulenartiger Kornform überlegen sind.

Da Gußstücke, die durch Verfahren hergestellt werden, die zu einem Mikrogefüge mit säulenartiger Kornform führen, mit ei nem Kostenaufwand verbunden sind, der etwa um ein Drittel niedriger ist als der Kostenaufwand bei Gußstücken, die durch Verfahren hergestellt werden, bei denen Einkristall- Werkstoffe erzeugt werden, ist es offensichtlich, daß die erfindungsgemäße Zusammensetzung wesentliche Kostenvorteile bietet, während sie ermöglicht, daß bei Werkstoffen mit säu lenartiger Kornform mechanische Eigenschaften erzielt wer den, die den Eigenschaften des handelsüblichen Standard-Ein kristall-Werkstoffs tatsächlich gleichkommen. Die Verminde rung der Kosten beim Guß mit säulenartiger Kornform im Ver gleich zum Einkristall-Guß ist hauptsächlich das Ergebnis einer erhöhten Ausbeute an gelungenen Teilen bei dem Verfah ren mit säulenartiger Kornform in Verbindung mit einer we niger komplizierten Gießform und einem kürzeren Gießverfah renszyklus als zur Erzeugung von Einkristall-Teilen erfor derlich sind.

Gießverfahren, durch die ein Mikrogefüge mit säulenartiger Kornform erzeugt wird, werden in den US-Patentschriften 32 60 505, 34 05 220 und 35 38 981 beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird, und Gießverfahren, die zur Herstellung von Einkristall-Teilen angewandt werden können, werden in den US-Patentschriften 35 36 121 und 35 42 120 beschrieben, auf die hier ebenfalls Bezug genommen wird.

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung der Ergebnisse eines Zeitstandversuchs und zeigt für drei Werkstoffe, nämlich für den in der US-Patentschrift 37 11 337 beschriebenen handels üblichen Einkristall-Werkstoff, für den in der US-Patent schrift 42 09 348 beschriebenen handelsüblichen Werkstoff mit säulenartiger Kornform und für den erfindungsgemäßen Werkstoff, die Belastung, die erforderlich ist, um in 300 h einen Bruch hervorzurufen, als Funktion der Temperatur. Man sieht, daß der erfindungsgemäße Werkstoff sogar fester als der Einkristall-Werkstoff ist, obwohl der Festigkeitsvorteil gegenüber dem Einkristall-Werkstoff nicht beträchtlich ist. Gegenüber dem bekannten Werkstoff mit säulenartiger Kornform ist der Festigkeitsvorteil des erfindungsgemäßen Werkstoffs jedoch beträchtlich, und er ist im Hinblick auf die gleich wertigen Kosten des bekannten Werkstoff mit säulenartiger Kornform und des erfindungsgemäßen Werkstoffs mit säulenar tiger Kornform bedeutsam.

Fig. 2 ist eine ähnliche graphische Darstellung für die Kriechgrenze, in der die Belastung, die erforderlich ist, um in 300 h ein 1%iges Kriechen hervorzurufen, als Funktion der Temperatur aufgetragen ist. Zwischen dem bekannten Werkstoff mit säulenartiger Kornform, dem bekannten Einkristall-Werk stoff und dem erfindungsgemäßen Werkstoff wird dieselbe all gemeine Beziehung beobachtet, wodurch wieder die allgemeine Überlegenheit des erfindungsgemäßen Werkstoffs über beide bekannte Werkstoffarten bestätigt wird.

Fig. 3A und 3B zeigen die Zugdehnungseigenschaften der verschiedenen Werkstoffarten als Funktion der Temperatur; Fig. 3A zeigt die Dehngrenze als Funktion der Temperatur, und Fig. 3B zeigt die Dehnung als Funktion der Temperatur. Es ist wieder offensichtlich, daß der erfindungsgemäße Werk stoff hinsichtlich der Streckgrenze bei erhöhten Temperatu ren sowohl dem bekannten Werkstoff mit säulenartiger Korn form als auch dem bekannten Einkristall-Werkstoff überlegen ist, und daß der erfindungsgemäße Werkstoff eine Dehnung zeigt, die der Dehnung der beiden bekannten Werkstoffe über legen ist.

Es wird ein Gegenstand beschrieben, der bei erhöhten Tempe raturen ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und eine hervorragende Beständigkeit gegen Oxidationskorrosion zeigt. Der Gegenstand ist von besonderem Nutzen für Gasturbinenmo tore und besteht aus einer Superlegierung auf Nickelbasis, die im wesentlichen aus 3 bis 10% Cr, 12,1 bis 16% Co, 1,0 bis 1,9% Mo, 3 bis 10% W, 0 bis 5% Re, 4 bis 7% Al, 0 bis 1,5% Ti, 0 bis 8% Ta, 0,5 bis 3% Hf, 0 bis 2% Nb, 0 bis 1% V, 0,02 bis 0,12% Zr, 0,03 bis 0,2% C, 0,005 bis 0,25% B, 0 bis 0,15% eines sauerstoffaktiven Elements wie z. B. Yttrium, Rest im wesentlichen Nickel, zusammengesetzt ist. Diese Zusammensetzung wird geschmolzen und in säulenar tiger Kornform gerichtet verfestigt, um brauchbare Gegenstän de zu erhalten.

Tabelle I

Tabelle II

Vergleich mit den Eigenschaften der Erfindung

Claims

1. Superlegierungs-Zusammensetzung, die zur Herstellung von Einkristall-Gegenständen geeignet ist, dadurch gekennzeich net, daß sie im wesentlichen aus: 3 bis 10% Cr,
12,1 bis 16,0% Co,
1,0 bis 1,9% Mo,
3 bis 10% W,
0 bis 5% Re,
4 bis 7% Al,
0 bis 1,5% Ti,
0 bis 8% Ta,
0,5 bis 3,0% Hf,
0 bis 2% Nb,
0 bis 1% V,
0,02 bis 0,12% Zr,
0,03 bis 0,20% C,
0,005 bis 0,25% B,
0 bis 10% reaktionsfähigem Element,
Rest Nibesteht.

2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ei ne Anfangs-Schmelztemperatur, die ausreichend hoch ist, um eine Wärmebehandlung zu ermöglichen, wobei die Zusammenset zung die folgende Beziehung erfüllt: 70 + 5 Cr + 3 Co - (25 Ti + 7 Ta + 15 Al) 0.

3. Zusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ei ne gute Warmkorrosionsbeständigkeit, wobei die folgende Be ziehung erfüllt ist: 2 Cr - 2 (Mo + W) 0.

4. Zusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ei ne gute Oxidationsbeständigkeit, wobei die folgende Bezie hung erfüllt ist: 3 Al + Ta - (5 Ti + W) 12%.

5. Zusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ei ne gute Kriechfestigkeit, wobei die folgende Beziehung er füllt ist: 455 Al - 37 Al² + 37 W - 2 W² + 22 Re + 10 (Mo + Ta) 1635.

6. Superlegierungs-Zusammensetzung, die zur Herstellung von Einkristall-Superlegierungs-Gegenständen geeignet ist, da durch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus: 5 bis 7% Cr,
12,5 bis 15% Co,
1,3 bis 1,9% Mo,
1,5 bis 3% Re,
4 bis 8% W,
3 bis 5% Ta,
1 bis 2% Hf,
5 bis 6,5% Al,
0 bis 1,0% (Ti + Nb),
0,02 bis 0,12% Zr,
0,03 bis 0,12% C,
0,005 bis 0,25% B,
0 bis 10% reaktionsfähigen Elementen,
Rest Nibesteht.

7. Einkristall-Superlegierungs-Gegenstand auf Nickelbasis, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus: 3 bis 10% Cr,
12,1 bis 16,0% Cb,
1,0 bis 1,9% Mo,
3 bis 10% W,
0 bis 5% Re,
4 bis 7% Al,
0 bis 1,5% Ti,
0 bis 8% Ta,
0,5 bis 3,0% Hf,
0 bis 2% Nb,
0 bis 1% V,
0,02 bis 0,12% Zr,
0,03 bis 0,20% C,
0,005 bis 0,25% B,
0 bis 10% reaktionsfähigem Element,
Rest Nibesteht.

8. Einkristall-Superlegierungs-Gegenstand auf Nickelbasis, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus: 5 bis 7% Cr,
12,5 bis 15% Co,
1,3 bis 1,9% Mo,
1,5 bis 3% Re,
4 bis 8% W,
3 bis 5% Ta,
1 bis 2% Hf,
5 bis 6,5% Al,
0 bis 1,0% (Ti + Nb),
0,02 bis 0,12% Zr,
0,03 bis 0,12% C,
0,005 bis 0,25% B,
0 bis 10% reaktionsfähigen Elementen,
Rest Nibesteht.