DE3934409A1 - Oxydations- und korrosionsbestaendige hochtemperaturlegierung fuer gerichtete erstarrung auf der basis einer intermetallischen verbindung des typs nickelaluminid - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

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.

Stand der Technik

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.

Darstellung der Erfindung

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

und daß sie zumindest 90 Vol.-% aus einer Mischung der intermetallischen Phasen Ni₃Al, Ni₃Si und Ni₃Ta besteht.

Weg zur Ausführung der Erfindung

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.

Ausführungsbeispiel 1

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

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.

Ausführungsbeispiel 2

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

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

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.

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

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.