DE4423118C1 - Nickel-Aluminium-Legierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Nickel-Aluminium-Legierung, deren Gefüge hauptsächlich aus der binären Phase NiAl mit 50 At.% Al und Ni besteht und eine Verwendung derselben für Komponenten von Motoren und Triebwerken.

NiAl-Basislegierungen zeichnen sich durch hohe Warmfestigkeit, Thermoschockbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit aus. Die intermetallische Verbindung NiAl mit einem Schmelzpunkt über 1600°C ist sehr stabil und eignet sich daher besonders gut für Anwendungen im Hochtemperaturbereich.

Es wurde nun nach Möglichkeiten gesucht, die bekanntermaßen guten Hochtemperatureigenschaften dieses Legierungstyps noch weiter zu verbessern.

Gemäß der Erfindung ist dies durch Zusatz von Chrom in einer Menge von 24 bis 34 At.% zu der binären Phase NiAl möglich. Derart chromlegiertes NiAl zeichnet sich durch ein ungewöhnliches Duktilitätsmaximum sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen aus. Bei 1100°C wird eine signifikant höhere Kriechfestigkeit im Vergleich zum unmodifizierten NiAl erreicht. Bei Thermoschockunter­ suchungen im Temperaturbereich von 1380°C bis Raumtemperatur wurde festgestellt, daß die chromlegierte NiAl-Basislegierung sogar dispersionsgehärtete ferritische Superlegierungen, beispielsweise PM 2000, in der Thermoschockresistenz übertrifft. Gleichzeitig wird durch den erfindungsgemäßen Chromgehalt eine Erhöhung der Korrosionsfestigkeit erreicht.

Ein bevorzugter Chromgehalt liegt im Bereich von 26 bis 28 At.%.

Eine Erhöhung der mechanischen Festigkeit der chromlegierten NiAl-Basislegierungen kann durch Zusatz von Magnesium erreicht werden. Auch der Oxidationswiderstand der Legierung wird durch Zusatz von Magnesium erhöht. Dieses Mikrolegierungselement kann bevorzugt bis zur Löslichkeitsgrenze zugesetzt werden, die bei etwa 0,01 At.% liegt und abhängig ist von dem Erzeugungsverfahren. Bei der Herstellung einer Legierung im Tammannofen lag die Löslichkeitsgrenze bei 0,006 At.% (= 32 ppm).

Besonders günstige Festigkeits- und Duktilitäts­ eigenschaften zeigt die im Feinguß mit feinkörnigem Gefüge (mittlere Phasenabstände des Mischkristalls etwa 1 bis 2 µm) erzeugte Legierung. Bei pulvermetallurgischer Erzeugung können noch geringere Phasenabstände erreicht werden.

Fig. 1 zeigt die plastische Verformung bei Raumtemperatur von unterschiedlich hergestellten NiAlCr-Legierungen in Abhängigkeit vom Chromgehalt. Die Stauchrate betrug ∈ = 10^-4s^-1. Auf der unteren Kurve in Fig. 1 liegen die Meßpunkte für eine im Tiegel erstarrte Legierung, während auf der oberen Kurve die Meßwerte für eine im Feinguß­ verfahren erzeugte Probe liegen. In beiden Fällen erreicht die plastische Verformung in dem erfindungsgemäß vorgesehenen Bereich von 24 bis 32 At.% Cr ein deutliches Optimum mit dem Maximum bei etwa 27 At.% Cr. Die plastische Verformung im Stauchversuch ist ein Maß für die Zähigkeit der Legierung. Die maximale plastische Verformung erreicht die im Feinguß erzeugte Legierung mit 27 At.% Cr bei ∈_dB= 31,5% bei einer maximalen Spannung von 2750 MPa.

In Fig. 2 ist die im Stauchversuch bei Raumtemperatur ermittelte Fließspannung über dem Chromgehalt der NiAl- Basislegierung aufgetragen. Auch hier erreichen die im Feinguß erzeugten Proben wieder bessere Meßergebnisse als die im Tiegel erstarrten. Die Stauchgrenze der mit 27 At.% Cr legierten NiAl-Basislegierung erreicht ein Maximum von 770 MPa. Die Stauchrate betrug ∈ = 10^-4s^-1.

Die im Vergleich zu den langsam erstarrten NiAlCr-Proben erhöhte Zähigkeit und Festigkeit der im Feingußverfahren erzeugten Proben resultiert aus ihrem feineren Gefüge und reduziertem Seigerungseffekt.

In Fig. 3 sind die wahren Fließspannungen im Zugversuch in Abhängigkeit von der Temperatur aufgetragen. Die für eine im Feinguß erzeugte NiAl-Basislegierung mit 27 At.% Cr ermittelten Spannungswerte liegen deutlich über denen einer unlegierten NiAl-Legierung. Die erfindungsgemäße Legierung erreicht bei 110°C immerhin noch einen Spannungswert von 170 MPa und damit signifikant höhere Warmfestigkeitswerte als eine NiAl-Legierung ohne Chrom.

Fig. 4 verdeutlicht die festigkeitssteigernde Wirkung eines Magnesiumzusatzes. Aufgetragen ist die plastische Verformung und die Stauchgrenze bei Raumtemperatur über dem Magnesiumgehalt. Die Meßergebnisse wurden an langsam erstarrten Proben ermittelt. Fig. 4 macht deutlich, daß mit zunehmender Magnesiumkonzentration eine deutliche Erhöhung der plastischen Verformbarkeit bei Raumtemperatur von 17% bei den undotierten Legierungen auf 22% bei einer Probe aus der erfindungsgemäßen NiAl-Basislegierung mit 27 At.% Cr auftritt, was einer Erhöhung um 30% entspricht. Durch einen Zusatz von Magnesium bis zur Löslichkeitsgrenze kann außerdem eine geringe Erhöhung der Stauchgrenze erreicht werden. Auch ein verbesserter Oxidationswiderstand wurde an den mit Magnesium mikrolegierten NiAlCr- Legierungen ermittelt.

Das erwähnte Eigenschaftsspektrum macht die NiAlCr- Legierung besonders geeignet für alle Maschinen und Anlagen, bei denen hohe Betriebstemperaturen erreicht werden. So eignet sie sich besonders zur Herstellung von Komponenten für Motoren, Gasturbinen, Chemie- und Verfahrenstechnischeanlagen, beispielsweise für den Einspritzkopf und den Verteilerstift in Vorkammern von Dieselmotoren oder für Laufschaufeln und Scheiben in Strahltriebwerken.

Claims (8)

1. Nickel-Aluminium-Legierung, bestehend aus 24 bis 34% At.% Chrom, Rest die binäre Phase NiAl.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 26 bis 28 At.% Chrom enthält.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Magnesium mikrolegiert ist.

4. Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Magnesium bis maximal zur Löslichkeitskgrenze zulegiert ist.

5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein im Feingußverfahren erzeugtes feines Gefüge aufweist.

6. Legierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischkristall in feindisperser Verteilung mit mittleren Phasenabständen von etwa 1 bis 2 µm in der Matrix liegt.

7. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine plastische Verformung im Stauchversuch von über 12% bei einer maximalen Spannung von 2750 MPa bei Raumtemperatur erreicht.

8. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, als Werkstoff zur Herstellung von Komponenten für Maschinen und Anlagen mit hohen Betriebstemperaturen, insbesondere für Motoren, Gasturbinen, Chemie- und Verfahrenstechnischeanlagen.