DE3934409A1 - Oxydations- und korrosionsbestaendige hochtemperaturlegierung fuer gerichtete erstarrung auf der basis einer intermetallischen verbindung des typs nickelaluminid - Google Patents
Oxydations- und korrosionsbestaendige hochtemperaturlegierung fuer gerichtete erstarrung auf der basis einer intermetallischen verbindung des typs nickelaluminidInfo
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Description
Hochtemperaturlegierungen mit hohem Oxydations- und Korrosionswiderstand
auf der Basis von intermetallischen Verbindungen,
welche sich für gerichtete Erstarrung eignen und die konventionellen
Nickelbasis-Superlegierungen ergänzen.
Die Erfindung bezieht sich auf die Weiterentwicklung und
Verbesserung der auf der intermetallischen Verbindung Ni₂Al
basierenden Legierungen mit weiteren, die Warmfestigkeit
und die Oxydationsbeständigkeit erhöhenden Zusätzen.
Insbesondere betrifft sie eine oxydations- und korrosionsbeständige
Hochtemperaturlegierung für gerichtete Erstarrung auf
der Basis einer intermetallischen Verbindung des Typs Nickelaluminid.
Die intermetallische Verbindung Ni₃Al hat einige interessante
Eigenschaften, welche sie als Konstruktionswerkstoff
im mittleren Temperaturbereich als attraktiv erscheinen lassen.
Dazu gehört unter anderem ihre gegenüber Superlegierungen niedrige
Dichte. Ihrer technischen Verwendbarkeit in der vorliegenden
Form stehen allerdings ihre Sprödigkeit und ihr ungenügender
Korrosionswiderstand entgegen. Erstere kann zwar durch Zusätze
von Bor verbessert werden, wobei auch höhere Festigkeitswerte
erreicht werden (vgl. C. T. Liu et. al, "Nickel Aluminides for structural
use", Journal of Metals, May 1986, pp. 19-21). Nichtdestoweniger
hat dieses Verfahren selbst unter Anwendung hoher Abkühlungsgeschwindigkeiten
bei der Erzeugung von Bändern zu keinen
praktisch brauchbaren Ergebnissen geführt.
Die Korrosions- und Oxydationsbeständigkeit derartiger auf Ni₃Al
beruhender Legierungen kann durch Zusätze von Silizium oder Chrom
verbessert werden (vgl. M. W. Grünling und R. Bauer, "The role of
Silicon in corrosion resistant high temperature coatings", Thin
Films, Vol. 95, 1982, pp. 3-20). Im allgemeinen ist das Zulegieren
von Silizium der gangbarere Weg als dasjenige von Chrom, da die
gleichzeitig auftretende intermetallische Verbindung Ni₃Si in
Ni₃Al vollständig mischbar ist. Es handelt sich also um isomorphe
Zustände, wobei keine weiteren unerwünschten Phasen gebildet
werden (vgl. Shouichi Ochiai et. al, "Alloying behaviour of
Ni₃Al, Ni₃Ga, Ni₃Si and Ni₃Ge", Acta Met. Vol. 32, No. 2, pp. 289,
1984).
Die Warmfestigkeit des Ni₃Al sowie der obigen modifizierten Legierungen
ist indessen noch ungenügend, wie aus Veröffentlichungen
über intermetallische Verbindungen hervorgeht (vgl. N. S. Stoloff,
"Ordered alloys-physical metallurgy and structural applications",
International metals reviews, Vol. 29, No. 3, 1984, pp. 123-135).
Es ist bekannt, daß unter anderen Silizium den Korrosions- und
Oxydationswiderstand von Schutzoxyde bildenden Oberflächenschichten
in Überzügen von Hochtemperaturlegierungen erhöht. Darüber
wurden ausgedehnte Untersuchungen gemacht (vgl. F. Fitzer and
J. Schlichting, "Coatings containing chromium, aluminium, and
silicon for high temperature alloys", High temperature corrosion,
National association of corrosion engineers, Houston Texas, San
Diego California, March 2-6, 1981, pp. 604-614).
Die Eigenschaften dieser bekannten modifizierten Ni₃Al-Werkstoffe
genügen den technischen Anforderungen im allgemeinen noch nicht,
um daraus brauchbare Werkstücke herzustellen. Dies gilt insbesondere
bezüglich Warmfestigkeit und Hochtemperatur-Korrosionsfestigkeit
(Widerstand gegen Sulfidation).
Es besteht daher ein
Bedürfnis nach Weiterentwicklung und Verbesserung derartiger
Werkstoffe.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Legierung mit
hohem Oxidations- und Korrosionswiderstand, insbesondere gegen
Sulfidation bei hohen Temperaturen und gleichzeitig hoher Warmfestigkeit
im Temepraturbereich von 400 bis 800°C anzugeben,
die sich gut für gerichtete Erstarrung eignet und im wesentlichen
aus einer intermetallischen Verbindung des Typs Nickelaluminid
mit weiteren Zusätzen besteht. Die Legierung soll im Temperaturbereich
von 400 bis 800°C eine Warmfließgrenze von mindestens
1000 MPa haben.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die eingangs erwähnte
Hochtemperaturlegierung die nachfolgende Zusammensetzung aufweist:
Al = 10-16 At.-%
Si = 0,5-8 At.-%
Ta = 0,5-9 At.-%
Hf = 0,1-2 At.-%
B = 0,1-2 At.-%
Ni = Rest
Si = 0,5-8 At.-%
Ta = 0,5-9 At.-%
Hf = 0,1-2 At.-%
B = 0,1-2 At.-%
Ni = Rest
und daß sie zumindest 90 Vol.-% aus einer Mischung der intermetallischen
Phasen Ni₃Al, Ni₃Si und Ni₃Ta besteht.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden durch eine Figur
näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.
Dabei zeigt
die Figur eine graphische Darstellung der Fließgrenze in Funktion
der Temperatur für verschiedene Legierungen auf der
Basis einer intermetallischen Verbindung des Typs Nickelaluminid.
Die Figur bezieht sich auf eine Darstellung der Fließgrenze σ 0,2
(0,2%-Dehngrenze) in MPa in Funktion der Temperatur T in %. Als
Vergleich ist der Verlauf der Streckgrenze einiger bekannter
Legierungen dargestellt. Die Kurve 1 gilt für die reine intermetallische
Verbindung Ni₃Al, d. h. eine Legierung mit 25% At.-% Al;
Rest Ni. Die Fließgrenze erreicht ein Maximum von ca. 600 MPa
bei ca. 750°C. Die Kurve 2 bezieht sich auf eine Legierung mit
22,4 At.-% Al, 10,5 At.-% T; Rest Ni, d. h. auf Ni₃Al, dem ca.
10,5 At.-% Ti zulegiert wurden. Die Eigenschaften sind deutlich
besser. Die Warmfließgrenze erreicht ein Maximum von ca. 1100
MPa bei einer Temperatur von ca. 850°C. Bei Zulegierung von ca.
6 At.-% Nb zu Ni₃Al ergibt sich die Kurve 3. Dies entspricht
einer Zusammensetzung von 23,5 At.-% Al; 6 At.-% Nb; Rest Ni.
Das Maximum der Fließgrenze erreicht den gleichen Wert wie bei
Kurve 2, befindet sich jedoch bei einer etwas tieferen Temperatur
von ca. 750°C. Die Kurve 4 stellt den Verlauf der Fließgrenze
für eine neue Legierung mit 13,3 At.-% Al; 7 At.-% Si; 3 At.-% Ta;
Rest Ni dar. Sie erreicht ein Maximum von über 1300 MPa bei einer
Temperatur von ca. 550°C. Ihr Wert sinkt im interessierenden
Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 800°C nie unter 1000
MPa. Die Kurve 5 bezieht sich auf eine neue Legierung mit 15,4
At.-% Al; 1 At.-% Si; 7 At.-% Ti; Rest Ni. Das Maximum der Fließgrenze
erreicht einen Wert von über 1300 MPa bei einer Temperatur
von ca. 700°C. Im Bereich von Raumtemperatur bis ca. 1000°C werden
Werte von mindestens 1000 MPa erreicht.
Im Vakuumofen wurde eine Legierung der nachfolgenden Zusammensetzung
erschmolzen:
Al = 13,3 At.-%
Si = 7 At.-%
Ta = 3 At.-%
Hf = 0,5 At.-%
B = 0,2 At.-%
Ni = Rest
Si = 7 At.-%
Ta = 3 At.-%
Hf = 0,5 At.-%
B = 0,2 At.-%
Ni = Rest
Die Schmelze wurde zu einem Gußrohling von ca. 120 mm Durchmesser
und ca. 120 mm Höhe abgegossen. Der Rohling wurde unter Vakuum
wieder aufgeschmolzen und unter Vakuum zu gerichteter Erstarrung
in Form von Stäben mit ca. 12 mm Durchmesser und ca. 120 mm Länge
gezwungen.
Die Stäube wurden ohne anschließende Wärmebehandlung direkt zu
Zugproben verarbeitet. Die damit erreichten Zugfestigkeitswerte
in Funktion der Prüftemperatur sind in Kurve 4 wiedergegeben.
Eine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch
eine geeignete Wärmebehandlung liegt im Bereich des Möglichen.
Analog Beispiel 1 wurde die nachfolgende Legierung unter Vakuum
erschmolzen:
Al = 15,4 At.-%
Si = 1 At.-%
Ta = 7 At.-%
Hf = 0,5 At.-%
B = 0,1 At.-%
Ni = Rest
Si = 1 At.-%
Ta = 7 At.-%
Hf = 0,5 At.-%
B = 0,1 At.-%
Ni = Rest
Die Schmelze wurde analog zum Ausführungsbeispiel 1 abgegossen,
unter Vakuum wieder aufgeschmolzen und in Stabform zur gerichteten
Erstarrung gezwungen. Das gerichtete Erstarren und die
Dimensionen der Stäbe entsprachen dem Ausführungsbeispiel 1.
Die Stäbe wurden ohne anschließende Wärmebehandlung direkt zu
Zugproben verarbeitet. Die damit erreichten Werte der Streckgrenze
in Funktion der Prüftemperatur entsprachen der Kurve 5.
Diese Werte können durch eine Wärmebehandlung weiter verbessert
werden.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
Grundsätzlich weist die oxydations- und korrosionsbeständige
Hochtemperaturlegierung für gerichtete Erstarrung auf der Basis
einer intermetallischen Verbindung des Typs Nickelaluminid die
nachfolgende Zusammensetzung auf:
Al = 10-16 At.-%
Si = 0,5-8 At.-%
Ta = 0,5-9 At.-%
Hf = 0,1-2 At.-%
B = 0,1-2 At.-%
Ni = Rest
Si = 0,5-8 At.-%
Ta = 0,5-9 At.-%
Hf = 0,1-2 At.-%
B = 0,1-2 At.-%
Ni = Rest
Sie enthält mindestens 90 Vol.-% einer Mischung der intermetallischen
Phasen Ni₃Al, Ni₃Si und Ni₃Ta. Das Si wirkt sich günstig
auf die Hochtemperatur-Korrosionsfestigkeit insbesondere gegenüber
Schwefel aus, während das Ta die Warmfestigkeit weiter steigert
und dessen Maximum gegen höhere Temperaturen verschiebt.
Claims (3)
1. Oxidations- und korrosionsbeständige Hochtemperaturlegierung
für gerichtete Erstarrung auf der Basis einer intermetallischen
Verbindung des Typs Nickelaluminid, dadurch gekennzeichnet,
daß sie die nachfolgende Zusammensetzung aufweist:
Al = 10-16 At.-%
Si = 0,5-8 At.-%
Ta = 0,5-9 At.-%
Hf = 0,1-2 At.-%
B = 0,1-2 At.-%
Ni = Restund daß sie zumindest 90 Vol.-% aus einer Mischung der intermetallischen Phasen Ni₃Al, Ni₃Si und Ni₃Ta besteht.
Si = 0,5-8 At.-%
Ta = 0,5-9 At.-%
Hf = 0,1-2 At.-%
B = 0,1-2 At.-%
Ni = Restund daß sie zumindest 90 Vol.-% aus einer Mischung der intermetallischen Phasen Ni₃Al, Ni₃Si und Ni₃Ta besteht.
2. Hochtemperaturlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sie die nachfolgende Zusammensetzung aufweist:
Al = 13,3 At.-%
Si = 7 At.-%
Ta = 3 At.-%
Hf = 0,5 At.-%
B = 0,2 At.-%
Ni = Rest
Si = 7 At.-%
Ta = 3 At.-%
Hf = 0,5 At.-%
B = 0,2 At.-%
Ni = Rest
3. Hochtemperaturlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sie die nachfolgende Zusammensetzung aufweist:
Al = 15,4 At.-%
Si = 1 At.-%
Ta = 7 At.-%
Hf = 0,5 At.-%
B = 0,1 At.-%
Ni = Rest.
Si = 1 At.-%
Ta = 7 At.-%
Hf = 0,5 At.-%
B = 0,1 At.-%
Ni = Rest.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE3934409A Withdrawn DE3934409A1 (de) | 1988-11-15 | 1989-10-14 | Oxydations- und korrosionsbestaendige hochtemperaturlegierung fuer gerichtete erstarrung auf der basis einer intermetallischen verbindung des typs nickelaluminid |
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---|---|
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JP (1) | JPH02182851A (de) |
CH (1) | CH676125A5 (de) |
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1989
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GB2224746A (en) | 1990-05-16 |
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GB8925701D0 (en) | 1990-01-04 |
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GB2224746B (en) | 1992-11-18 |
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