DE68909930T2 - Ermüdungsrissbeständige Nickelbasissuperlegierung und hergestelltes Erzeugnis. - Google Patents

Ermüdungsrissbeständige Nickelbasissuperlegierung und hergestelltes Erzeugnis.

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DE68909930T2 DE89111451T DE68909930T DE68909930T2 DE 68909930 T2 DE68909930 T2 DE 68909930T2 DE 89111451 T DE89111451 T DE 89111451T DE 68909930 T DE68909930 T DE 68909930T DE 68909930 T2 DE68909930 T2 DE 68909930T2
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Description

    Hintergrund der Erfindung
  • Es ist bekannt, daß Superlegierungen auf Nickelbasis in Umgebungen hoher Leistungsfähigkeit vielseitig eingesetzt werden. Solche Legierungen wurden vielseitig in Strahltriebwerken, in landgestützten Gasturbinen und anderen Maschinen eingesetzt, wo sie eine hohe Festigkeit und andere physikalisch erwünschte Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen von 538ºC (1000ºF) oder mehr beibehalten müssen.
  • Viele dieser Legierungen enthalten eine γ'-Ausscheidung in variierenden Vol.-%. Die γ'-Ausscheidung trägt zu den Hochleistungs-Eigenschaften solcher Legierungen bei erhöhten Einsatztemperaturen bei.
  • Eine detailliertere Charakterisierung der Phasenzusammensetzung von γ' ist in "Phase Chemistries in Precipitation-Strengthening Superalloy" von E.L. Hall, Y.M. Kouh und K.M. Chang [Proceedings of 41st Annual Meeting of Electron Microscopy Society of America, August 1983 (Seite 248)] angegeben.
  • Die folgenden US-PSn offenbaren verschiedene Legierungszusammensetzungen auf Nickelbasis: 2,570,193; 2,621,122; 3,046,108; 3,061,426; 3,151,981; 3,166,412; 3,322,534; 3,343,950; 3,575,734; 3,576,681; 4,207,098 und 4,336,312. Die vorgenannten PSn sind repräsentativ für die vielen Legierungsentwicklungen, über die bisher berichtet wurde, bei denen viele der gleichen Elemente kombiniert sind, um deutlich unterschiedliche funktionelle Beziehungen zwischen den Elementen zu erzielen, wie, daß Phasen gebildet werden, die das Legierungssystem mit unterschiedlichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften versehen. Trotz der verfügbaren großen Anzahl von Daten bezüglich Legierungen auf Nickelbasis ist es für den Fachmann auf diesem Gebiet noch immer nicht möglich, mit irgendeinem merklichen Grad von Genauigkeit, die physikalischen und mechanischen Eigenschaften vorherzusagen, die durch gewisse Konzentrationen bekannter Elemente, die zur Bildung solcher Legierungen in Kombination benutzt werden, hervorgebracht werden, obwohl solche Kombinationen in weite allgemeine Lehren im Stande der Technik fallen mögen, insbesondere, wenn die Legierungen unter Anwendung von Wärmebehandlungen verarbeitet sind, die sich von früher angewendeten unterscheiden.
  • Ein Problem, das bei vielen solcher Superlegierungen auf Nickelbasis zu einem größeren und größeren Grade erkannt worden ist, ist, daß sie der Bildung von Rissen oder beginnender Risse, entweder bei der Herstellung oder im Gebrauch, unterliegen, und daß die Risse sich tatsächlich ausbreiten oder wachsen können, während das Material unter Spannung steht, wie während des Gebrauches der Legierungen in solchen Strukturen, wie Gasturbinen und Strahltriebwerken. Die Ausbreitung oder Vergrößerung von Rissen kann zu einem Bruch des Teiles oder einem anderen Versagen führen. Die Folge des Versagens des sich bewegenden mechanischen Teiles aufgrund von Rißbildung und Rißausbreitung ist gut verstanden. In Strahltriebwerken kann sie besonders gefährlich sein.
  • Es wurde jedoch bis zu kürzlich ausgeführten Untersuchungen wenig verstanden, daß die Bildung und die Ausbreitung von Rissen in Strukturen, die aus Superlegierungen bestehen, keine monolithische Erscheinung ist, bei der alle Risse nach dem gleichen Mechanismus und mit der gleichen Geschwindigkeit und gemäß den gleichen Kriterien gebildet werden und sich ausbreiten. Im Gegensatz ist die Komplexizität der Rißerzeugung und Rißausbreitung und der Rißerscheinung allgemein, und die gegenseitige Abhängigkeit einer solchen Ausbreitung mit der Art und Weise, in der Spannung ausgeübt wird, ein Gebiet, auf dem wichtige neue Informationen in den letzten Jahren gesammelt wurden. Die Variabilität der Wirkung der Dauer bzw. Periode, während der Spannung auf ein Teil ausgeübt wird, um einen Riß zu entwickeln oder auszubreiten, der Intensität der angelegten Spannung, der Rate der Anlegung und Entfernung von Spannung an das und von dem Teil und des Zeitplanes dieses Anlegens von Legierung zu Legierung war in der Industrie nicht gut verstanden, bis eine Untersuchung unter einem Vertrag mit der National Aeronautics and Space Administration ausgeführt wurde. Diese Untersuchung wird in einem technischen Report, der als NASA CR-165 123 bezeichnet ist und von der National Aeronautics and Space Administration, NASA Lewis Research Center, Vertrag NAS3- 21379 herausgegeben wurde, berichtet.
  • Eine Hauptfeststellung der von der NASA geförderten Untersuchung war, daß die Ausbreitungsrate, die auf Ermüdungserscheinungen beruht, oder in anderen Worten, die Rate der Ermüdungsriß-Ausbreitung (FCP) weder für alle angewendeten Spannungen noch für alle Arten der Anwendung von Spannung gleichmäßig war. Noch wichtiger wurde festgestellt, daß die Ermüdungsriß-Ausbreitung tatsächlich mit der Frequenz der Spannungsanwendung an das Teil variierte, wo die Spannung in einer Weise angelegt wurde, um den Riß zu vergrößern. Noch überraschender war die Feststellung der von der NASA geförderten Untersuchung, daß die Anwendung von Spannung geringerer Frequenzen, als sie früher in Untersuchungen angewendet worden waren, die Geschwindigkeit der Rißausbreitung tatsächlich erhöht. In anderen Worten stellte die NASA-Untersuchung fest, daß es eine Zeitabhängigkeit bei der Ermüdungsriß- Ausbreitung gibt. Weiter wurde festgestellt, daß die Zeitabhängigkeit der Ermüdungsriß-Ausbreitung nicht von der Frequenz allein abhängt, sondern auch von der Zeit, während der das Teil unter Spannung gehalten wird oder einer sogenannten Haltezeit.
  • Nach der Dokumentation dieses ungewöhnlichen Grades erhöhter Ermüdungsriß-Ausbreitung bei geringeren Spannungsfrequenzen gab es eine gewisse Überzeugung in der Industrie, daß diese neu entdeckte Erscheinung eine letztendliche Beschränkung der Fähigkeit von Superlegierungen auf Nickelbasis repräsentieren würde, in spannungstragenden Teilen der Turbinen und Flugzeugtriebwerke eingesetzt zu werden, und daß alle Entwürfe dahingehend auszuführen wären, dieses Problem zu umgehen.
  • Es wurde jedoch festgestellt, daß es möglich ist, Teile aus Superlegierungen auf Nickelbasis zum Einsatz bei hoher Spannung in Turbinen und Flugzeugturbinen mit stark verringerten Rißausbreitungsraten und guter Festigkeit bei hoher Temperatur zu konstruieren.
  • Es ist bekannt, daß die beanspruchendsten Sätze von Eigenschaften für Superlegierungen solche sind, die im Zusammenhang mit der Konstruktion von Strahltriebwerken erforderlich sind. Von den Sätzen von Eigenschaften, die erforderlich sind, sind solche, die für sich bewegende Teile des Triebwerkes benötigt werden, üblicherweise höher als sie für statische Teile benötigt werden, obwohl die Sätze der erforderlichen Eigenschaften für die verschiedenen Komponenten eines Triebwerkes verschieden sind.
  • Da einige Sätze von Eigenschaften in gegossenen Legierungsmaterialien nicht erzielbar sind, muß man manchmal Teile nach Techniken der Pulvermetallurgie herstellen. Eine der Beschränkungen der Anwendung von Techniken der Pulvermetallurgie zur Herstellung sich bewegender Teile für Strahltriebwerke ist jedoch die Reinheit des Pulvers. Enthält das Pulver Verunreinigungen, wie einen Fleck aus Keramik oder Oxid, dann wird die Stelle, wo der Fleck in dem sich bewegenden Teil vorkommt, ein latenter Schwachpunkt, wo ein Riß beginnen mag. Ein solcher Schwachpunkt ist im wesentlichen ein latenter Riß. Die mögliche Anwesenheit solcher latenter Risse macht die Probleme der Verringerung und Behinderung der Rißausbreitungsrate um so wichtiger. Es wurde festgestellt, daß es möglich ist, die Rißausbreitung sowohl durch die Kontrolle der Zusammensetzung von Legierungen als auch die Verfahren zur Herstellung solcher Metall-Legierungen zu behindern.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Superlegierung geschaffen, die durch Techniken der Pulvermetallurgie hergestellt werden kann. Es wird auch ein Verfahren zum Behandeln dieser Superlegierung geschaffen, um Materialien mit einem hervorragenden Kombinationssatz von Eigenschaften zur Verwendung für moderne Triebwerksscheiben herzustellen. Die Eigenschaften, die konventionell für Materialien erforderlich sind, die in Scheiben eingesetzt werden sollen, schließen eine hohe Zugfestigkeit und eine hohe Spannungsrißfestigkeit ein. Zusätzlich hat die Legierung der vorliegenden Erfindung eine er wünschte Eigenschaft, der zeitabhängigen Rißausbreitung zu widerstehen. Eine solche Fähigkeit, dem Rißwachstum zu widerstehen, ist wesentlich für die niederzyklische Ermüdungs (LCF)-Lebensdauer der Komponente.
  • Mit der Entwicklung von Legierungsprodukten zum Einsatz in Turbinen und Strahltriebwerken wurde deutlich, daß unterschiedliche Sätze von Eignschaften für Teile erforderlich sind, die in unterschiedlichen Bereichen des Triebwerkes oder der Turbine eingesetzt werden. Für Strahltriebwerke werden die Materialanforderungen für die fortgeschritteneren Flugzeugturbinen strikter, da die Leistungsanforderugen der Flugzeugturbinen erhöht wurden. Die unterschiedlichen Anforderungen werden zum Beispiel durch die Tatsache deutlich, daß viele Schaufellegierungen sehr gute Eigenschaften bei hoher Temperatur in gegossener Form haben. Die direkte Umwandlung gegossener Schaufellegierungen in Scheibenlegierungen ist jedoch sehr unwahrscheinlich, weil Schaufellegierungen eine unangemessene Festigkeit bei mittleren Temperaturen haben. Weiter wurde festgestellt, daß die Schaufellegierungen sehr schwierig zu schmieden sind, und das Schmieden hat sich als bei der Herstellung von Scheiben aus Scheibenlegierungen als erwünscht erwiesen. Außerdem wurde die Rißwachstum-Beständigkeit von Scheibenlegierungen nicht untersucht. Um daher eine erhöhte Triebwerkswirksamkeit und eine größere Leistungsfähigkeit zu erzielen, werden dauernd Forderungen nach Verbesseungen hinsichtlich der Festigkeits- und Temperatureigenschaften von Scheibenlegierungen als einer speziellen Gruppe von Legierungen zur Verwendung in Flugzeugtriebwerken erhoben.
  • Bei den Arbeiten, die zur vorliegenden Erfindung führten, sollte daher eine Scheibenlegierung mit geringer oder minimaler Zeitabhängigkeit der Ermüdungsriß- Ausbreitung und außerdem einer hohen Beständigkeit gegenüber Ermüdungsrissen entwickelt werden. Weiter wurde ein Ausgleich der Eigenschaften und insbesondere der Zug-, Kriech- und Ermüdungseigenschaften angestrebt. Weiter wurde eine Vebesserung eingeführter Legierungssysteme im Hinblick auf die Behinderung des Rißwachstums angestrebt.
  • Die Entwicklung der Zusammensetzungen von Superlegierungen und von Verfahren zu ihrer Verarbeitung gemäß dieser Erfindung ist auf die Ermüdungseigenschaft konzentriert und richtet sich insbesondere auf die Zeitabhängigkeit des Rißwachstums.
  • Das Rißwachstum, d.h. die Rißausbreitungsrate bzw. -geschwindigkeit in Legierungskörpern hoher Festigkeit hängt bekanntermaßen sowohl von der angewendeten Spannung (a) als auch der Rißlänge (a) ab. Diese beiden Faktoren werden durch die Bruchmechanik zur Bildung einer einzigen Triebkraft für das Rißwachstum, nämlich dem Spannungsintensitätsfaktor K, der propörtional α a ist, kombiniert. Unter Ermüdungsbedingungen kann die Spannungsintensität in einem Ermüdungszyklus aus zwei Komponenten bestehen, der zyklischen und der statischen. Die erstere repräsentiert die maximale Variation der zyklischen Spannungsintensität (ΔK), d.h. den unterschied zwischen Kmax und Kmin. Bei mäßigen Temperaturen ist das Rißwachstum in erster Linie durch die zyklische Spannungsintensität (ΔK) besimmt, bis die statische Bruchzähigkeit KIC erreicht ist. Die Rißwachstumsrate wird mathematisch als da/dN=(ΔK)n ausgedrückt. N repräsentiert die Anzahl der Zyklen und n ist materialabhängig. Die zyklische Frequenz und die Gestalt der Wellenform sind die wichtigen Parameter, die die Rißwachstumsrate bestimmen. Für eine gegebene zyklische Spannungsintensität kann eine kleinere zyklische Frequenz zu einer größeren Rißwachstumdrate führen. Dieses unerwünschte zeitabhängige Verhalten der Ermudungsriß-Ausbreitung kann in den meisten existierenden Superlegierungen hoher Festigkeit auftreten. Um die Komplexizität dieser zeitabhängigen Erscheinung zu vergrößern, kann der Riß unter einer statischen Spannung einer gewissen Intensität K, ohne daß irgendeine zyklische Komponente angelegt wird (d.h. ΔK=0) wachsen, wenn die Temperatur über einen gewissen Punkt erhöht wird. Die Aufgabe des Designers ist es, den Wert von da/dN so gering und so wenig zeitabhängig als möglich zu machen. Komponenten der Spannungsintensität können in einem gewissen Temperaturbereich derart miteinander in Wechselwirkung treten, daß das Rißwachstum eine Funktion sowohl der zyklischen als auch statischen Spannungsintensitäten, d.h. sowohl ΔK als auch K, wird.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Es ist demgemäß eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Produkte aus Superlegierung auf Nickelbasis zu schaffen, die rißbeständiger sind.
  • Eine andere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Verringerung der Neigung bekannter und eingeführter Superlegierungen auf Nickelbasis zu reißen, zu schaffen.
  • Eine andere Aufgabe ist die Schaffung von Gegenständen zum Einsatz unter hoher zyklischer Spannung, die beständiger gegen Ermüdungsriß-Ausbreitung sind.
  • Eine andere Aufgabe ist die Schaffung einer Zusammensetzung und eines Verfahrens, die es Superlegierungen auf Nickelbasis gestatten, eine Beständigkeit gegen Reißen unter Spannung zu haben, die zyklisch über einen Bereich von Frequenzen angewendet wird.
  • Eine andere Aufgabe ist die Schaffung einer Legierung, die beständig ist gegen Ermüdungsriß-Ausbreitung bei erhöhten Temperaturen von 649ºC (1200ºF), 760ºC (1400ºF) und bei höheren Temperaturen.
  • Andere Aufgaben werden teilweise deutlich und sind teilweise in der folgenden Beschreibung angegeben.
  • In ihrem breitesten Aspekt können die Aufgaben der Erfindung durch Schaffung der folgenden Zusammensetzung gelöst werden: Konzentration in Gew.-% Beanspruchte Zusammensetzung Bestandteil von Rest
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • In der folgenden Beschreibung wird auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen, in der zeigen:
  • Figur 1 eine graphische Darstellung, in der das Emüdungsriß-Wachstum in um (Zoll) pro Zyklus in einem logarithmischen Maßstab gegen die Zugfestigkeit in MPa (ksi) aufgetragen ist,
  • Figur 2 eine graphische Darstellung ähnlich der von Figur 1, bei der auf der Abszisse jedoch der Chromgehalt in Gew.-% aufgetragen ist,
  • Figur 3 ist eine graphische Darstellung des Logarithmus der Rißwachstumsrate gegenüber der Haltezeit in Sekunden für eine zyklische Anwendung von Spannung auf eine Testprobe,
  • Figur 4 eine graphische Darstellung, bei der die Wachstumsrate von Ermüdungsrissen, da/dN, in um (Zoll) pro Zyklus in einem logarithmischen Maßstab gegen die Kühlrate in ºC (ºF) pro Minute in einem logarithmischen Maßstab aufgetragen ist,
  • Figur 5 eine graphische Darstellung, bei der die Wachstumsrate von Ermüdungsrissen, da/dN, in um (Zoll) in einem logarithmischen Maßstab gegen die Kühlrate in ºC (ºF) pro Minute in einem logarithmischen Maßstab aufgetragen ist,
  • Figur 6 eine graphische Darstellung, bei der die Wachstumsrate von Ermüdungsrissen, da/dN, in um (Zoll) pro Zyklus in einem logarithmischen Maßstab gegen die zyklische Periode in einem logarithmischen Maßstab aufgetragen ist,
  • Figur 7 eine graphische Darstellung, bei der die Wachstumsrate von Ermüdungsrissen, da/dN, in um (Zoll) pro Zyklus in einem logarithmischen Maßstab gegen die zyklische Periode in einem logarithmischen Maßstab aufgetragen ist,
  • Figur 8 eine graphische Darstellung, bei der die Streckgrenze in MPa (ksi) gegen die Testtemperatur aufgetragen ist,
  • Figur 9 eine graphische Darstellung, bei der die Zugfestigkeit in MPa (ksi) gegen die Testtemperatur aufgetragen ist,
  • Figur 10 eine graphische Darstellung, bei der die Streckgrenze und die Zugfestigkeit in MPa (ksi) gegen die Abkühlrate in ºC (ºF) in einem logarithmischen Maßstab aufgetragen sind,
  • Figur 11 eine graphische Darstellung, bei der die Streckgrenze und die Zugfestigkeit in MPa (ksi) gegen die Abkühlrate in ºC (ºF) in einem logarithmischen Maßstab aufgetragen sind und
  • Figur 12 eine graphische Darstellung, bei der die Streckgrenze und die Zugfestigkeit in MPa (ksi) gegen die Abkühlrate in ºC (ºF) in einem logarithmischen Maßstab aufgetragen sind.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Es wurde durch Untersuchen der derzeitigen kommerziellen Legierungen, die in Strukturen eingesetzt werden, die hohe Festigkeit bei hoher Temperatur erfordern, festgestellt, daß die konventionellen Superlegierungen in ein Muster fallen. Dieses Muster beruht auf dem Auftragen der im Endbericht NASA CR-165 123 veröffentlichten Daten, auf den oben Bezug genommen wurde, in einer vom vorliegenden Erfinder entworfenen Weise. Dabei wurden die Daten des NASA-Berichtes von 1980 mit den Parametern in einer Anordnung aufgetragen, wie sie in Figur 1 angegeben ist. Es ergibt sich eine allgemein diagonal ausgerichtete Reihe von Datenpunkten, wie sich bei einer Untersuchung der Figur 1 der Zeichnung ergibt.
  • In Figur 1 ist die Rißwachstumsrate in um (Zoll) pro Zyklus gegen die Zugfestigkeit in MPa (ksi) aufgetragen. Die in der graphischen Darstellung durch +-Zeichen markierten einzelnen Legierungen, die die jeweiligen Rißwachstumsraten in um (Zoll) pro Zyklus identifizieren, sind charakteristisch für die Legierung bei einer Zugfestigkeit in MPa (ksi), die entsprechend ebenfalls charakteristisch für die bezeichnete Legierung ist. Wie festgestellt werden wird, zeigt eine Linie, die als "900 Sekunden Aufenthaltszeit"-Linie bezeichnet ist, die charakteristische Beziehung zwischen der Rißwachstumsrate und der Zugfestigkeit für diese konventionellen und gut bekannten Legierungen. Der Datenpunkt für die IN-100-Legierung, die eine gut bekannte kommerzielle Legierung ist, erscheint in Figur 1 auf der linken Seite der Linie für die 900 Sekunden Aufenthaltszeit und unterhalb des Mittelpunktes der Linie.
  • Ähnliche Punkte, die solchen der angegebenen +-Zeichen entsprechen, sind am Boden der graphischen Darstellung für Tests der Rißausbreitungs-Geschwindigkeit gezeigt, die bei 0,33 Hz oder, in anderen Worten, bei einer höheren Frequenz, ausgeführt wurden. Ein rautenförmiger Datenpukt erscheint in dem Bereich längs der mit 0,33 Hz bezeichneten Linie für jede angegebene Legierung, die im oberen Teil der graphischen Darstellung gezeigt ist.
  • Aus Figur 1 wurde deutlich, daß es keine Legierungszusammensetzung gibt, die Koordinaten hat, die in die Figur 1 fallen, die bei einer langen Aufenthaltszeit trotzdem in die untere rechte Ecke der graphischen Darstellung fiel. Da alle Datenpunkte für die längere Aufenthaltszeit beim Testen des Rißwachstums in den Bereich entlang der diagonalen Linie der graphischen Darstellung fielen, schien es möglich, daß irgendeine Legierungszusammensetzung, die so gebildet war, daß sie eine hohe Festigkeit bei hoher Temperatur aufwies, wie für den Gebrauch von Superlegierungen erforderlich, irgendwo längs der diagonalen Linie der graphischen Darstellung liegen würde. In anderen Worten schien es möglich, daß keine Legierungszusammensetzung gefunden werden könnte, die bei langen Aufenthaltszeiten, gemäß den in Figur 1 aufgetragenen Parametern, sowohl eine hohe Zugfestigkeit als auch eine geringe Rißwachstumsrate haben würde.
  • Es wurde jedoch festgestellt, daß es möglich ist, eine Legierung herzustellen, deren Zusammensetzung es erlaubt, die einzigartige Kombination hoher Zugfestigkeit und geringer Rißwachstumsrate zu erzielen.
  • Eine der Schlußfolgerungen, die auf einer vorläufigen Basis gezogen wurden, war, daß es einen gewissen Einfluß der Chromkonzentration auf die Rißwachstumsrate der verschiedenen Legierungen geben könnte. Aus diesem Grunde wurde der Chromgehalt in Gew.-% -gegen die Rißwachstumsrate aufgetragen, und die Ergebnisse dieser graphischen Darstellung sind in Figur 2 gezeigt. Wie in dieser Figur ersichtlich, variiert der Chromgehalt zwischen etwa 9 bis 19%, und die entsprechenden Messungen der Rißwachstumsrate zeigen an, daß im allgemein mit steigendem Chromgehalt die Rißwachstumsrate abnimmt. Auf der Grundlage dieser graphischen Darstellung schien es, daß es sehr schwierig oder unmöglich sein könnte, eine Legierungszusammensetzung zu entwerfen, die einen geringen Chromgehalt aufweist und auch eine geringe Rißwachstumsrate bei langen Aufenthaltszeiten hat.
  • Es wurde jedoch festgetellt, daß es durch richtiges Legieren der kombinierten Bestandteile einer Superlegierungszusammensetzung möglich ist, eine Zusammensetzung ähnlich einer IN-100-Legierung sowohl in der Zusammensetzung als auch den kritischen Eigenschaften zu bilden, die sowohl einen geringen Chromgehalt als auch eine geringe Rißwachstumsrate bei langen Aufenthaltszeiten hat.
  • Eine Art der Beziehung zwischen der Haltezeit beim Aussetzen einer Testprobe gegenüber Spannung und der Rate, mit der das Rißwachstum variiert, ist in Figur 3 gezeigt. In dieser Figur ist der Logarithmus der Rißwachstumsrate als die Ordinate und die Aufenthaltszeit oder Haltezeit in Sekunden als die Abszisse aufgetragen. Eine Rißwachstumsrate von 5 x 10&supmin;&sup5; könnte als eine ideale Rate für zyklische Spannungsintensitätsfaktoren von 172 MPa 2,54 cm (25 ksi Zoll) angesehen werden. Wäre eine ideale Legierung gebildet worden, dann hätte die Legierung diese Rate für irgendeine Haltezeit, während der der Riß oder die Probe Spannung ausgesetzt ist. Eine solche Erscheinung würde durch die Linie (a) der Figur 3 repräsentiert werden, die anzeigt, daß die Rißwachstumsrate im wesentlichen unabhängig von der Halte- oder Aufenthaltszeit ist, während der die Probe Spannung ausgesetzt ist.
  • Im Gegensatz dazu ist eine nicht ideale Rißwachstumsrate, die der tatsächlichen Erscheinung des Reißens besser angepaßt ist, in Figur 3 durch die Linie gezeigt, die als Linie (b) aufgetragen ist. Für sehr kurze Haltezeiten von einer Sekunde oder wenigen Sekunden ist ersichtlich, daß die Ideallinie (a) und die praktische Linie (b) um einen relativ geringen Betrag voneinander getrennt sind. Bei diesen hohen Frequenzen oder dem Aussetzen der Probe gegenüber Spannung für eine kurze Haltezeit ist die Rißwachstumsrate relativ gering.
  • Mit steigender Haltezeit, während der Spannung auf eine Probe ausgeübt wird, folgen die Ergebnisse, die für konventionelle Legierungen, wie konventionelle IN-100, aus Experimenten erhalten werden, einer Linie wie (b). Es ist daher ersichtlich, daß es mit abnehmender Frequenz der Spannungsausübung eine Zunahme mit einer größeren als einer linearen Rate gibt, und daß die Haltezeit für die Spannungsausübung zunimmt. Bei einer willkürlich ausgewählten Haltezeit von etwa 500 Sekunden ist aus Figur 3 ersichtlich, daß eine Rißwachstumsrate um zwei Größenordnungen von 5 x 10&supmin;&sup5; bis auf 5 x 10&supmin;³ oberhalb der Standardrate von 5 x 10&supmin;&sup5; zunehmen kann.
  • Es wäre erwünscht, eine Rißwachstumsrate zu haben, die unabhängig von der Zeit ist, und dies würde idealerweise durch den Pfad der Linie (a) repräsentiert werden, während die Haltezeit zunimmt und die Frequenz der Spannungsausübung abnimmt.
  • Bemerkenswerterweise wurde festgestellt, daß es durch Ausführung geringer Änderungen in den Bestandteilen von IN-100-artigen Superlegierungen möglich ist, die Beständigkeit der modifizierten Legierung gegenüber einem Rißwachstum bei langer Aufenthaltszeit stark zu verbessern. In anderen Worten wurde es als möglich festgestellt, die Rißwachstumsrate durch Legierungsmodifikation der Legierungen zu vermindern. Eine Zunahme kann ebenso durch die Behandlung der Legierung erhalten werden. Eine solche Behandlung ist prinzipiell eine thermische Behandlung.
  • Beispiel
  • Eine als HK36 bezeichnete Legierung gemäß der Erfindung wurde hergestellt. Die Zusammenstzung der Legierung war folgende: Bestandteil Konzentration in Gew.-%
  • Die Legierung wurde verschiedenen Tests unterworfen, und die Ergebnisse dieser Tests sind in den Figuren 4 bis 10 aufgetragen. Hierin sind Legierungen mit einem Anhang "-SS" versehen, wenn die Daten der Legieung von einem Material stammen, das "super-solvus" behandelt wurde, d.h. das Material wurde bei einer Temperatur im festen Zustand, bei der sich die härtende γ'-Ausscheidung auflöst und unterhalb des beginnenden Schmelzpunktes wärmebehandelt. Dies führt üblicherweise zu einer Kornvergröberung im Material. Die härtende γ'-Phase, die während der super-solvus-Wärmebehandlung gelöst wird, fällt bei nachfolgendem Abkühlen und Altern wieder aus. Die Daten ohne den Anhang "-SS" wurden an Material ermittelt, bei dem die gesamte Behandlung nach der Metallpulver-Zerstäubung unterhalb dieser γ'-Lösungstemperatur ausgeführt wurde. Es wurde festgestellt, daß die Abkühlrate die Legierungseigenschaften beeinflußt.
  • In Figur 4 ist eine graphische Darstellung gezeigt, bei der die Rate der Rißausbreitung in um (Zoll) pro Zyklus gegen die Abkühlrate in ºC/min (ºF/min) aufgetragen ist. Die Proben von R'95 und HK36, die zu einer feineren Korngröße behandelt wurden, wurden in Luft bei 649ºC (1200ºF) mit einer 500 Sekunden dauernden Haltezeit beim maximalen Spannungsintensitätfaktor getestet. Wie deutlich wird, hat HK36 eine bemerkenswert geringere Rißwachstumsrate als die R'95 über den gesamten getesteten Bereich von Abkühlgeschwindigkeiten. Es ist zu bemerken, daß ein Bereich von Abkühlgeschwindigkeiten zur Herstellung solcher Superlegierungen erwartungsgemäß im Bereich von 56ºC (100ºF)/min bis 336ºC (600ºF)/min liegt.
  • In Figur 5 sind Daten von Material, das zu einer größeren Korngröße behandelt wurde, R'95-SS und HK36- SS, für die gleichen Testbedingungen wie in Figur 4 aufgetragen. Bemerkenswerterweise hat HK36-SS nicht nur eine sehr viel geringere Rißwachstumsrate, sondern die Rate ist im wesentlichen unabhängig von der Abkühlgeschwindigkeit nach der Wärmebehandlung bei hoher Temperatur. Dieser zusätzliche Nutzen der HK36-SS gestattet mehr Flexibilität bei der Behandlung hergestellter Teile, da bekannt ist, daß solche Superlegierungen Zug- und Kriecheigenschaften aufweisen, die sich mit der Abkühlgeschwindigkeit ändern.
  • Der Trend bei Gasturbinen und Strahltriebwerken ist es, die Betriebstemperatur zu erhöhen und damit die Metalltemperatur ihrer rotierenden Komponenten, um die thermische Wirksamkeit zu erhöhen. Figur 6 ist eine graphische Darstellung, ähnlich der Figur 3, der Wachstumsrate von Ermüdungsrissen in um (Zoll) pro Zyklus in einem logarithmischen Maßstab, gegen die zyklische Periode in Sekunden in einem logarithmischen Maßstab für R'95-SS, getestet in Luft bei Testtemperaturen von 649ºC (1200ºF), 704ºC (1300ºF) und 760ºC (1400ºF). Bei allen drei Temperaturen zeigt die R'95-SS eine starke Zeitabhängigkeit, d.h. die Rate, mit der Ermüdungsrisse wachsen, ist sehr abhängig von der zyklischen Periode. Figur 7 ist eine graphische Darstellung von Daten der HK36-SS für die gleichen Testbedingungen wie in Figur 6. Bemerkenswerterweise zeigt HK36 selbst bis zu 760ºC (1400ºF) für Haltezeiten bis zu 3.000 Sekunden keine Zeitabhängigkeit. Es ist keine andere Legierung bekannt, die eine derartige Unempfindlichkeit gegenüber dem zeitabhängigen Ermüdungsrißwachstum bei derart extremen Temperaturen zeigt. Es ist auch zu bemerken, daß die Daten der Figur 7 von Proben stammen, die mit 748ºC (1335ºF)/min abgekühlt wurden, was für jede andere Legierung als HK36-SS eine außerordentlich starke Abkühlung wäre.
  • Aus dem Vorhergehenden wird deutlich, daß die Erfindung eine Legierung schafft, die eine einzigartige Kombination von Bestandteilen auf der Grundlage sowohl der Art der Bestandteile als auch deren relativen Konzentrationen aufweist. Es ist auch deutlich, daß die Legierungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen werden, eine neue und einzigartige Fähigkeit haben, das Rißwachstum zu hemmen. Die geringe Rißausbreitungsrate, da/dN, für die HK36-SS-Legierung, die sich aus Figur 7 ergibt, ist ein einzigartig neues und bemerkenswertes Ergebnis. Die da/dN von etwa 0,15 um (0,6 x 10&supmin;&sup5;) bis 0,5 um (2,0 x 10&supmin;&sup5;), die für Proben gefunden wurde, die mit etwa 748ºC (1335ºF) pro Minute abgekühlt wurden, ordnen die Legierung, wenn sie in Figur 1 aufgetragen wird, in die untere rechte Ecke der graphischen Darstellung der Figur 1 und unterhalb der dort gezeichneten 0,33 Hz-Linie ein.
  • In ähnlicher Weise ordnen die 10% Chrom und die da/dN den Datenpukt für die HK36-SS-Legierung weit unterhalb der Linie für die lange Aufenthaltszeit in Figur 2 und näher bei der, aber unterhalb der Linie für die Ermüdungsrißrate für den 0,33 Hz-Test an. Dies ist recht überraschend, da die Bestandteile dieser Legierung sich nur wenig von den Bestandteilen unterscheiden, die in der IN 100-Legierung gefunden werden, obwohl dieser geringe Unterschied in kritischer Weise wichtig ist, dramatische Unterschiede und insbesondere Verringerungen in den Rißausbreitungsraten bei Ermüdungstests mit langem Zyklus zu ergeben. Es ist dieser geringe Unterschied in den Bestandteilen und Anteilen, der zu den überraschend und unerwartet geringen Ausbreitungsraten von Ermüdungsrissen führt, gekoppelt mit einem hoch erwünschten Satz von Festigkeits- und anderen Eigenschaften, wie sich aus den graphischen Darstellungen der Figuren der vorliegenden Anmeldung ergeben.
  • Die anderen Eigenschaften der vorliegenden Legierung werden unter Bezugnahme auf die Figur 8, 9, 10, 11 und 12 beschrieben.
  • Die Figuren 8 und 9 zeigen die Streckgrenze bzw. die Zugfestigkeit für HK36 für Material, das sowohl oberhalb als auch unterhalb der γ'-Lösungstemperatur behandelt worden ist. Die Wirkung auf die Korngröße ist gezeigt, um HK36 für geringere Testtemperaturen und HK36-SS für höhere Testtemperaturen zu begünstigen. Die Figuren 10, 11 und 12 zeigen die Wirkung der Abkühlgeschwindigkeit auf die Streckgrenze und die Zugfestigkeit von HK36- SS für Testtemperaturen von 399ºC (750ºF), 649ºC (1200ºF) und 760ºC (1400ºF). Die Zugeigenschaftwerte sind typisch für solche Superlegierungen. Die einzigartige und neue Beständigkeit von HK36-SS gegenüber zeitabhängigem Ermüdungsrißwachstum gestattet jedoch die Behandlung mit höheren Abkühlraten, um Nutzen zu ziehen aus den höheren Festigkeiten, die bei solchen Abkühlraten erzielt werden.
  • Hinsichtlich der Hemmung der Ausbreitung von Ermüdungsrissen sind die vorliegenden Legierungen sehr viel besser als andere Legierungen, die bei Abkühlraten von 56ºC (100ºF)/min bis 336ºC (600ºF)/min hergestellt wurden, was die Raten sind, die für die industrielle Herstellung der vorliegenden Legierung zu benutzen sind.
  • Bemerkenswert für die vorliegende Erfindung ist die herausragende Verbesserung, die in der Beständigkeit gegenüber Ermüdungsrißausbreitung mit einer relativ geringen Änderung in den Bestandteilen der HK36-Legierung, verglichen mit solchen der IN 100-Legierung, erzielt wurde.
  • Um die geringe Änderung in der Legierungszusammensetzung zu veranschaulichen, sind die Bestandteile sowohl von IN 100 als auch HK36 im folgenden aufgeführt. TABELLE I Bestandteil
  • Aus der obigen Tabelle 1 wird deutlich, daß der einzige bemerkenswerte Unterschied zwischen der Zusammensetzung der Legierung IN 100, verglichen mit der Legierung HK36 der ist, daß die IN 100 eine höhere Konzentration von Titan, aber kein Tantal oder Niob enthält, während die HK36 nur etwa die Hälfte des Titans der IN 100 enthält, aber Tantal und Niob in merklichen Mengen.
  • In anderen Worten ist die IN 100-Zusammensetzung geändert worden durch Weglassen der 2,45 Gew.-% Titan und Hinzugeben von 2,70 Gew.-% Tantal und 1,35 Gew.-% Niob. Es wird als ziemlich bemerkenswert angesehen, daß diese Änderung der Zusammensetzung eine Beibehaltung oder Verbesserung der grundlegenden Festigkeitseigenschaften der IN 100-Legierung bewirken und gleichzeitig die Ermüdungsrißhemmung der Legierung bei langer Aufenthaltszeit stark verbessern kann. Dies ist jedoch genau das Ergebnis der Änderung der Zusammensetzung, wie sich aus den Daten ergibt, die in den Figuren angegeben und oben ausführlich diskutiert worden sind.
  • Die Änderung der Titan-, Tantal- und Niob-Zusätze ist verantwortlich für die bemerkenswerten Änderungen bei der Hemmung der Ermüdungsrißausbreitung.
  • Es können andere Änderungen in den Bestandteilen vorgenommen werden, die solche bemerkenswerte Änderung der Eigenschaften nicht verursachen, insbesondere geringere Änderungen einiger Bestandteile. So können zum Beispiel geringe Zusätze von Rhenium, bis zu 1 Gew.-%, zu dem Ausmaß vorgenommen werden, daß es die einzigartig nützliche Kombination von Eigenschaften, die für die HK36-Legierung gefunden wurden, nicht ändert und insbesondere nicht beeinträchtigt.
  • Während die Legierung in Bezug auf die Bestandteile und die Prozentsätze der Bestandteile beschrieben worden ist, die die einzigartig vorteilhaften Anteile ergeben, insbesondere hinsichtlich der Hemmung der Rißausbreitung, wird klar sein, daß andere Bestandteile, wie Yttrium, Rhenium, Hafnium, Zirkonium und Wolfram, in die Zusammensetzung in Prozentsätzen gemäß den beanspruchten hinzugegeben werden können, die die neue Hemmung der Rißausbreitung nicht beeinträchtigen. Ein geringer Prozentsatz von Yttrium zwischen 0 und 0,1% kann in die vorliegende Erfindung eingebracht werden, ohne die einzigartige und wertvolle Kombination von Eigenschaften der vorliegenden Legierung zu beeinträchtigen.

Claims (6)

1. Eine Legierung enthaltend die folgenden Bestandteile in den folgenden Anteilen: Konzentration in Gew.-% Beanspruchte Zusammensetzung Bestandteil von bis Rest
2. Die Legierung nach Anspruch 1, die mit einer Rate von etwa weniger als 280ºC (500ºF) pro Minute oder weniger abgekühlt worden ist.
3. Die Legierung nach Anspruch 1, die mit einer Rate zwischen 28ºC (50ºF) und 336ºC (600ºF) pro Minute abgekühlt worden ist.
4. Eine Legierung, enthaltend die folgenden Bestandteile in den folgenden Anteilen: Bestandteil Konzentration in Gew.-% Beanspruchte Zusammensetzung Rest
5. Die Legierung nach Anspruch 4, die mit einer Rate von etwa weniger als 336ºC (600ºF) pro Minute oder weniger abgekühlt worden ist.
6. Die Legierung nach Anspruch 4, die mit einer Rate zwischen 28ºC (50ºF) und 336ºC (600ºF) pro Minute abgekühlt worden ist.
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