DE69007853T2

DE69007853T2 - Ausscheidungshärtende Einkristallegierung auf Nickelbasis.

Info

Publication number: DE69007853T2
Application number: DE69007853T
Authority: DE
Inventors: Junji Hoshi; Akira Mitsuhashi; Toshiyuki Shimamura; Saburo Wakita; Toshio C O Takasago K Yonezawa
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1989-05-16
Filing date: 1990-05-15
Publication date: 1994-11-03
Anticipated expiration: 2010-05-16
Also published as: US5122206A; EP0398264A1; EP0398264B1; DE69007853D1; CA2016794A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gegossene ausscheidungshärtende Einkristallegierung auf Nickelbasis, die einen geringen Abstand zwischen der Solidus- und der Liquiduskurve, d.h. einen engen Bereich (dieser wird anschließend als Erstarrungstemperaturbereich bezeichnet), in dem die festen und flüssigen Metalle koexistieren, und dementsprechend eine Neigung zur leichten Bildung einer Einkristall-Gußstruktur aufweist.
Insbesondere besteht diese Einkristallegierung auf Nickelbasis aus der γ-Phasen-Matrix und intermetallischen Phasen wie der γ '-Phase Ni&sub3;(Al,Ti) und der γ"-Phase Ni&sub3;Nb, die in die Matrix eingelagert sind, und zeigt eine einheitliche mikroskopische Struktur und Orientierung.
Die Legierung auf Nickelbasis besitzt eine ausgezeichnete Zugfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit und außerdem eine hervorragende Spannungsriß-Korrosionsbeständigkeit bei ihrer Verwendung beispielsweise für Schrauben und Bolzen, die Verbindungselemente in der Konstruktion von Leichtwasserreaktoren in Kernkraftwerken darstellen und dort einer korrosiven Umgebung ausgesetzt sind.
Eine Legierung auf Nickelbasis, die 12 bis 30 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 3 Gew.-% Niob, 1 bis 5 Gew.-% Titan, 0,2 bis 3 Gew.-% Aluminium, den Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen enthält, ist beispielsweise in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 170445/87 als ein Beispiel der Legierung auf Nickelbasis vorgeschlagen worden, die im wesentlichen die γ- Phasen-Matrix und intermetallische Phasen wie die γ'-Phase Ni&sub3;(Al,Ti) und die γ"-Phase Ni&sub3;Nb umfaßt die in die Matrix eingelagert sind, und eine einheitliche mikroskopische Struktur und Orientierung und auch eine ausgezeichnete Zugfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Spannungsriß-Korrosionsbeständigkeit aufweist.
Diese Legierung ist bei der Herstellung oben erwähnter Schrauben und Bolzen verwendet worden, da sie eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und hohe Zugfestigkeit besitzt, beides dafür erforderliche Eigenschaften.
Obwohl diese herkömmliche ausscheidungshärtende Einkristalllegierung auf Nickelbasis über eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und hohe Zugfestigkeit verfügt, wenn sie unter gewöhnlichen Bedingungen einer korrosiven Umgebung ausgesetzt ist, zeigt sie keine befriedigende Korrosionsbeständigkeit, wenn die legierten Teile, wie beispielsweise Schrauben, einer Spannung unterliegen, da die herkömmliche Nickellegierung auf Grund von Spannungsrißkorrosion zur Rißbildung neigt. Da andererseits die Nickellegierung einen relativ breiten Erstarrungstemperaturbereich aufweist, muß die Absenkgeschwindigkeit einer Schmelze in ihrer Korm bei der Herstellung einer einteiligen Gußstruktur, bei der ein in einer Richtung wirkender Verfestigungsofen eingesetzt wird, relativ gering bleiben. Das bedeutet, daß die Steuerung der Absenkgeschwindigkeit bei der Erzeugung von Gußteilen mit Einkristallstruktur, insbesondere großdimensionierter Gußteile, sehr schwierig ist.
Um der herkömmlichen ausscheidungshärtenden Legierung auf Nickelbasis eine ausgezeichnete Spannungskorrosionsbeständigkeit unter Beibehaltung hoher Zugfestigkeit und hervorragender Korrosionsbeständigkeit zu verleihen, sind Versuche unternommen worden, eine neue ausscheidungshärtende Einkristallegierung auf Nickelbasis zu entwickeln. Als ein Ergebnis dieser Bemühungen ist von den Erfindern festgestellt worden, daß die Spannungsriß-Korrosionsbeständigkeit der herkömmlichen Nickellegierung durch Zugabe kleiner Kupfermengen und weiter durch Zugabe kleiner Hafnium- und/oder Rheniummengen und daß die Korrosionsbeständigkeit der Legierung durch Zugabe kleiner Molybdän- und/oder Wolframmengen zur Legierung erhöht werden kann. Als ein Ergebnis der Untersuchungen, die mit dem Ziel durchgeführt wurden, den Erstarrungstemperaturbereich der herkömmlichen ausscheidungshärtenden Einkristallegierung auf Nickelbasis einzuengen, ist von den Erfindern auch festgestellt worden, daß der Erstarrungstemperaturbereich durch Zugabe einer kleinen Tantalmenge zur Legierung merklich verringert werden kann und daher große Gußteile mit Einkristallstruktur hergestellt werden können.
Die erste erfindungsgemäße Ausführungsform ist auf der Grundlage dieser Feststellungen hergestellt worden; durch sie wird eine ausscheidungshärtende Einkristallegierung auf Nickelbasis bereitgestellt, die in Gewichtsteilen aus
10 bis 30 % Chrom,
0,1 bis 5 % Niob,
0,1 bis 8 % Titan,
0,1 bis 8 % Aluminium,
0,05 bis 0,5 % Kupfer,
gegebenenfalls 0,05 bis 3 % Hafnium und/oder Rhenium,
gegebenenfalls 0,05 bis 3 % Molybdän und/oder Wolfram und
gegebenenfalls 0,05 bis 0,5 % Bor und/oder Zirkonium besteht, wobei der Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen sind, und die eine hohe Zugfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Spannungs-Korrosionsbeständigkeit aufweist.
Die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform ist ebenfalls auf der Grundlage oben genannter Feststellungen hergestellt worden und stellt eine weitere ausscheidungshärtende Einkristallegierung auf Nickelbasis bereit, die in Gewichtsteilen aus
10 bis 30 % Chrom,
0,1 bis 5 % Niob,
0,1 bis 8 % Titan,
0,1 bis 8 % Aluminium,
0,1 bis 3 % Tantal,
gegebenenfalls einer oder mehreren Komponente/n, die aus der aus 0,05 bis 0,5 % Kupfer, 0,05 bis 3 % Hafnium und 0,05 bis 3 % Rhenium bestehenden Gruppe ausgewählt ist/sind, wobei die Summe aus Kupfer, Hafnium und Rhenium nicht mehr als 3 % betragen darf,
gegebenenfalls 0,05 bis 3 % Molybdän und/oder Wolfram und
gegebenenfalls 0,05 bis 0,5 % Bor und/oder Zirkonium besteht,
wobei der Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen sind, und die einen engen Erstarrungstemperaturbereich aufweist.
Nachfolgend werden die kritischen Punkte des Gewichtszusammensetzungsbereichs jedes Legierungselements der gegossenen Einkristallegierungen auf Nickelbasis der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform beschrieben.

(a) Chrom

Chrom trägt zu einer Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der Legierung bei. Liegt sein Anteil unter 10 %, kann die gewünschte Korrosionsbeständigkeit nicht sichergestellt werden, übersteigt er andererseits 30 %, neigt der Erstarrungstemperaturbereich der Legierung zur Verbreiterung, wodurch die Herstellung der Einkristallstruktur schwierig wird und als Folge davon die erhaltene Legierung zur Ausbildung einer polykristallinen Struktur neigt. Da die Spannungsriß-Korrosionsbeständigkeit einer polykristallinen Legierung unter der einer Einkristall-Legierung liegt, ist der Chromgehalt auf 10 bis 30 % begrenzt.

(b) Niob

Niob verbindet sich mit Nickel, wobei eine die intermetallische Verbindung Ni&sub3;Nb enthaltende γ"-Phase gebildet wird, die sich in die Matrix der Legierung einlagert und deren Zugfestigkeit erhöht. Liegt der Niobanteil unter 0,1 %, stellt sich die gewünschte Festigkeit der Legierung nicht ein, übersteigt er 5 %, verbessert sich die Zugfestigkeit der erhaltenen Legierung nicht weiter. Deshalb ist der Niobgehalt auf 0,1 bis 5 % begrenzt.

(c) Titan und Aluminium

Diese Elemente verbinden sich mit Nickel, wobei eine die komplexe intermetallische Verbindung Ni&sub3;(Ti,Al) enthaltende γ'- Phase gebildet wird, die sich zusammen mit der obengenannten γ"-Phase in die Matrix der Legierung einlagert und deren Zugfestigkeit merklich erhöht. Liegt der Gehalt an Titan bzw. Aluminium unter 0,1 %, stellt sich die gewünschte Erhöhung der Zugfestigkeit der erhaltenen Legierung nicht ein. Übersteigt andererseits der Gehalt an Titan bzw. Aluminium 8 %, verbreitert sich der Erstarrungstemperaturbereich, wodurch die Herstellung der Einkristallstruktur, ähnlich wie bei der Zugabe einer überschüssigen Chrommenge zur Legierung, schwierig wird. Deshalb sind sowohl der Titan- als auch der Aluminiumgehalt auf 0,1 bis 8 % begrenzt.

(d) Kupfer

Kupfer erhöht die Beständigkeit der Einkristall-Nickelbasislegierung gegenüber Spannungsrißkorrosion. Liegt der Kupferanteil unter 0,05 %, kann der Beständigkeitswert der Legierung gegenüber Spannungsrißkorrosion nicht erreicht werden; übersteigt er andererseits 0,5 %, verringert sich die Zugfestigkeit der erhaltenen Legierung. Deshalb ist der Kupfergehalt auf 0,05 bis 0,5 % begrenzt.

(e) Hafnium und Rhenium

Diese Elemente bewirken zusammen mit Kupfer eine merkliche Erhöhung der Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit der Legierung auf Nickelbasis. Dementsprechend können erforderlichenfalls eines dieser oder beide Elemente zur Legierung zugegeben werden. Liegt der Anteil an Hafnium oder Rhenium oder beiden zusammen jeweils unter 0,05 % kann der gewünschte Beständigkeitswert gegenüber Spannungsrißkorrosion nicht erreicht werden; während über 3 % Anteil an Hafnium oder Rhenium oder beiden zu einem Verspröden der erhaltenen Legierung führt. Deshalb ist der Hafnium- und/oder Rheniumgehalt auf 0,05 bis 3 % begrenzt.

(f) Molybdän und Wolfram

Diese optionalen Elemente bewirken zusammen mit Chrom eine merkliche Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der Einkristall- Legierung auf Nickelbasis. Erforderlichenfalls werden deshalb eines dieser oder beide Elemente zur Legierung auf Nickelbasis zugegeben. Liegt der Anteil an Molybdän oder Wolfram oder beiden unter 0,05 %, kann die gewünschte Korrosionsbeständigkeit der Nickellegierung nicht erreicht werden; übersteigt er andererseits 3 %, neigt die erhaltene Nickellegierung zur Versprödung. Deshalb ist der Molybdän- und/oder Wolframgehalt auf 0,05 bis 3 % begrenzt.

(g) Bor und Zirkonium

Wird/werden eines dieser oder beide Elemente in eine Einkristallegierung auf Nickelbasis der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform eingebaut, wird/werden das/die Element/e auf der Oberfläche von Dendriten abgeschieden, wodurch sich die maschinelle Verarbeitbarkeit der erhaltenen Legierung deutlich verbessert. Diese Elemente werden deshalb dann der Legierung bewußt zugefügt, wenn besonders deren gute Zerspanbarkeit erforderlich ist. Liegt der Anteil an Bor oder Zirkonium unter 0,005 %, wird die gewünschte maschinelle Verarbeitbarkeit nicht erreicht, übersteigt der Anteil an Bor oder Zirkonium oder beiden 0,5 %, neigt die Zugfestigkeit der Legierung zur Verringerung. Deshalb ist der Bor- und/oder Zirkoniumgehalt auf 0,005 bis 0,5 % begrenzt.
Nachfolgend werden die kritischen Punkte des Gewichtszusammensetzungsbereichs jedes Legierungselements der erfindungsgemäßen gegossenen Einkristallegierungen auf Nickelbasis beschrieben.

(a) Chrom, Niob und "Titan und Aluminium"

Der Grund für die Begrenzung des Anteils jedes dieser Elemente auf die oben genannten beanspruchten Bereiche ist derselbe wie der bezüglich der ersten gegossenen Einkristallegierung auf Nickelbasis erläuterte.

(b) Tantal

Tantal verengt den Erstarrungstemperaturbereich und erleichtert die Herstellung eines Gußteils als Einkristall. Liegt der Tantalanteil unter 0,1 %, können diese Effekte nicht in gewünschtem Maße erzielt werden; übersteigt er jedoch 3 %, neigt der Tantaleinfluß zur Sättigung und man kann keine weitere Steigerung dieser Effekte erreichen. Deshalb ist der Tantalgehalt auf 0,1 bis 3 % begrenzt.

(c) Kupfer, Hafnium und Rhenium

Diese optionalen Elemente erhöhen die Spannungsriß-Korrosionsbeständigkeit der Nickellegierung merklich. Liegt der Anteil eines dieser Elemente unter 0,05 %, kann die erhaltene Legierung die gewünschte Spannungsriß-Korrosionsbeständigkeit nicht aufweisen; übersteigt jedoch der Kupferanteil 0,5 %, der Hafnium- bzw. Rheniumanteil 3 % und die Summe dieser Elemente 3%, verringert sich die Zugfestigkeit der erhaltenen Legierung. Deshalb ist der Kupfergehalt auf 0,05 bis 0,5 %, der Hafnium- bzw. Rheniumgehalt auf 0,05 bis 3 % und die Summe aus diesen Elementen auf höchstens 3 % begrenzt.

(d) Molybdän und Wolfram

Der Grund für die Begrenzung des Anteils jedes dieser Elemente auf die oben genannten Bereiche ist derselbe wie der bezüglich der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Legierung erläuterte.

(e) Bor und Zirkonium

Der Grund für die Begrenzung des Anteils jedes dieser Elemente auf die oben genannten Bereiche ist derselbe wie der bezüglich der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Legierung erläuterte.
Die erste und zweite erfindungsgemäße Ausführungsform wird anschließend an Hand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

In diesem Beispiel wird die erste Ausführungsform einer Einkristallegierung auf Nickelbasis näher beschrieben.
In einem herkömmlichen Hochfrequenz-Induktionsofen wurde eine Anzahl von Legierungen mit der in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzung geschmolzen und die erhaltenen Schmelzen zu Gußteilen geformt, die jeweils einen Durchmesser von 80 mm und eine Länge von 100 mm aufwiesen. Anschließend wurden die Gußteile im Schmelztiegel eines Vakuumofens erneut geschmolzen und im selben Vakuumofen in eine Keramikform gegossen. Die Keramikform wurde durch eine Erwärmungszone, die aus einer um sie an ihrer Ausgangsstelle gewickelten Hochfrequenzinduktions-Heizspule bestand, mit einer Absenkgeschwindigkeit von 100 bis 300 mm/h nach unten gezogen, wodurch runde stabförmige Gußteile entstanden, die jeweils einen Außendurchmesser von 10 mm und eine Länge von 100 mm aufwiesen. Danach wurden die Gußteile einer Lösungsbehandlung einschließlich eines 60- bis 180 minütigen Erhitzens auf 900 bis 1300 ºC und einer 100- bis 200 stündigen Alterung bei 500 bis 900 ºC unterzogen. Als Ergebnis dieser Wärmebehandlungen wurde eine Reihe von Prüfkörpern Nr. 1 bis 29 aus der Legierung der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform und eine weitere Reihe von Vergleichsprüfkörpern Nr. 1 bis 9 aus Nickelbasislegierung hergestellt. Jeder Vergleichsprüfkörper 1 bis 9 aus Nickelbasislegierung wies einen Legierungselementanteil auf, der außerhalb des Erfindungsumfangs lag und in Tabelle 1 durch Sternchen gekennzeichnet ist.
Zur Bestimmung ihrer kristallinen Struktur wurden die erhaltenen Prüfkörper aus Nickelbasislegierung mikroskopisch untersucht und zur Ermittlung ihrer Festigkeit bei Raumtemperatur einem Zugversuch unterworfen. Zusätzlich dazu wurden aus jedem Prüfkörper kleinere Prüfkörper mit einem Durchmesser von 5 mm, verringertem Querschnitt und einer Nennlänge von 20 mm herausgeschnitten. Die kleineren Prüfkörper wurden zunächst in eine in einem Druckofen befindliche wäßrige Lösung getaucht, die etwa 500 ppm H&sub3;BO&sub3; (für B), etwa 2 ppm LiOH (für Li), etwa 30 cm³ H&sub2;/kg H&sub2;O unter Druck- und Temperatur-Standardbedingungen, weniger als 5 ppb gelösten Sauerstoff und weniger als 0,1 ppm Cl&supmin; enthielt und einen pH- Wert von etwa 7 hatte. Diese Umgebung, der die Prüfkörper ausgesetzt waren, ist einer Umgebung sehr ähnlich, die sich im Leichtwasserreaktor eines Kernkraftwerks bildet und mit der Schrauben und Bolzen in Berührung kommen. Anschließend wurden diese Prüfkörper einem Langzeitzugversuch bei einer Temperatur von 320 ºC, einer Spannung von 157 kg/cm² und einer Spannungsgeschwindigkeit von 0,5 um/min unterworfen. Nach erfolgtem Bruch wurde an jedem Prüfkörper der Bruchanteil der Spannungsrißkorrosion durch Untersuchung der Bruchfläche gemessen.
Zur Bestimmung der Korrosionsbeständigkeit der Prüfkörper wurde eine Korrosionsprüfung durchgeführt, indem jeder von ihnen 500 Stunden lang in die obengenannte, auf Raumtemperatur gehaltene wäßrige Lösung eingetaucht und der Korrosions-Gewichtsverlust gemessen wurde. Die Prüfergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 1 Zusammensetzung/ Gew. % Prüfkörper Nr. Ni und Verunreinigungen Gußteile aus erfindungsgemässen Nickelbasislegierungen Rest Tabelle 1 (Fortsetzung) Zusammensetzung/ Gew. % Prüfkörper Nr. Ni und Verunreinigungen Gußteile aus erfindungsgemässen Nickelbasislegierungen Rest Tabelle 1 (Fortsetzung) Zusammensetzung/ Gew. % Prüfkörper Nr. Ni und Verunreinigungen Gußteile aus erfindungsgemässen Nickelbasislegierungen Gußteile aus Vergleichsnickelbasislegierungen Rest *außerhalb des Erfindungsumfangs Tabelle 2 Prüfkörper Nr. Kristallstruktur Zugfestigkeit (kg/mm²) Bruchanteil Spannungsrißkorrosion (%) Korrosionsverlust (mg/cm²) Gußteile aus erfindungsgemäßen Nickelbasislegierungen Einkristall Tabelle 2 (Fortsetzung) Prüfkörper Nr. Kristallstruktur Zugfestigkeit (kg/mm²) Bruchanteil Spannungsrißkorrosion (%) Korrosionsverlust (mg/cm²) Gußteile aus Vergleichs-Nickelbasislegierungen Einkristall Polykristall
Wie aus den Prüfergebnissen der Tabelle 1 ersichtlich, haben die Prüfkörper Nr. 1 bis 29 aus erfindungsgemäßer Nickelbasislegierung eine Einkristallstruktur, die aus der γ-Phasen-Matrix und den intermetallischen Verbindungen der γ'- und γ"-Phase, die in der Matrix verteilt und eingelagert sind, besteht und weisen eine hohe Zugfestigkeit und insbesondere eine ausgezeichnete Spannungsriß-Korrosionsbeständigkeit, verglichen mit den Prüfkörpern, einschließlich des Prüfkörpers Nr. 8, aus herkömmlicher Einkristallegierung auf Nickelbasis, auf.
Auf der anderen Seite besitzen die Vergleichsprüfkörper Nr. 1 bis 9 aus herkömmlicher Einkristallegierung auf Nickelbasis, bei denen sich ein Legierungselementgehalt außerhalb des erfindungsgemäßen Umfangs befindet, deutlich schlechtere Eigenschaften, verglichen mit denen der erfindungsgemäßen Nickellegierung. Zusätzlich dazu ist die Spannungsriß-Korrosionsbeständigkeit der Nickelbasislegierung durch den Zusatz von Hafnium und/oder Rhenium und die Korrosionsbeständigkeit durch die Zugabe von Molybdän und Wolfram zu ihr verbessert worden. Die erhaltene Nickelbasislegierung kann deshalb auf Grund ihrer über einen langen Zeitraum guten, beständigen und zuverlässigen Funktionskennwerte für Bau- und Verbindungsteile für beispielsweise den Leichtwasserreaktor eines Kernkraftwerks eingesetzt werden, der mit korrosiven Medien betrieben wird.

Beispiel 2

In diesem Beispiel wird die zweite Ausführungsform einer Einkristallegierung auf Nickelbasis näher beschrieben.
In einem herkömmlichen Hochfrequenz-Induktionsofen wurde eine Anzahl von Legierungen mit der in Tabelle 3 gezeigten Zusammensetzung geschmolzen und die erhaltenen Schmelzen zu Gußteilen geformt, die jeweils einen Durchmesser von 80 mm und eine Länge von 100 mm aufwiesen. Anschließend wurden die Gußteile im Schmelztiegel eines Vakuumofens erneut geschmolzen und im selben Vakuumofen in eine Keramikform gegossen. Die Keramikform wurde durch eine Erwärmungszone, die aus einer um sie an ihrer Ausgangsstelle gewickelten Hochfrequenzinduktions-Heizspule bestand, mit einer Absenkgeschwindigkeit von 100 bis 300 mm/h nach unten gezogen, wodurch runde stabförmige Gußteile entstanden, die jeweils einen Außendurchmesser von 20 mm und eine Länge von 100 mm aufwiesen. Danach wurden die Gußteile einer Lösungsbehandlung einschließlich eines 60- bis 180minütigen Erhitzens auf 900 bis 1300 ºC und einer 100- bis 200stündigen Alterung bei 500 bis 900 ºC unterzogen. Als Ergebnis dieser Wärmebehandlungen wurde eine Reihe mit den Prüfkörpern Nr. 30 bis 65 aus der Legierung der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform und eine weitere Reihe mit Vergleichsprüfkörpern Nr. 10 bis 17 aus Nickelbasislegierung hergestellt. Jeder Vergleichsprüfkörper Nr. 10 bis 17 aus Nickelbasislegierung wies einen Legierungselementanteil auf, der außerhalb des Erfindungsumfangs lag und in Tabelle 3 durch Sternchen gekennzeichnet ist.
Zur Bestimmung ihrer kristallinen Struktur wurden die erhaltenen Prüfkörper aus Nickelbasislegierung mikroskopisch untersucht und zur Ermittlung ihrer Festigkeit bei Raumtemperatur einem Zugversuch unterworfen. Zusätzlich dazu wurden aus jedem Prüfkörper kleinere Prüfkörper mit einem Durchmesser von 5 mm, verringertem Querschnitt und einer Nennlänge von 20 mm herausgeschnitten. Die kleineren Prüfkörper wurden zunächst in eine in einem Druckofen befindliche wäßrige Lösung getaucht, die etwa 350 ppm H&sub3;BO&sub3; (für B), etwa 2 ppm LiOH (für Li), etwa 30 cm³ H&sub2;/kg H&sub2;O unter Standardbedingungen, weniger als 5 ppb gelösten Sauerstoff und weniger als 0,1 ppm Cl&supmin; enthielt und einen pH-Wert von etwa 7 hatte. Diese Umgebung, der die Prüfkörper ausgesetzt waren, ist einer Umgebung sehr ähnlich, die sich im Leichtwasserreaktor eines Kernkraftwerks bildet und mit der Schrauben und Bolzen in Berührung kommen. Anschließend wurden diese Prüfkörper einem Langzeitzugversuch bei einer Temperatur von 320 ºC, einer Spannung von 157 kg/cm² und einer Spannungsgeschwindigkeit von 0,5 um/min unterworfen. Nach erfolgtem Bruch wurde an jedem Prüfkörper der Bruchanteil der Spannungsrißkorrosion durch Untersuchung der Bruchfläche gemessen.
Zur Bestimmung der Korrosionsbeständigkeit der Prüfkörper wurde eine Korrosionsprüfung durchgeführt, indem jeder von ihnen 500 Stunden lang in die obengenannte, auf Raumtemperatur gehaltene wäßrige Lösung eingetaucht und der Korrosions-Gewichtsverlust gemessen wurde. Die Prüfergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt.
Außerdem wurde aus jedem der obengenannten Prüfkörper aus Nickelbasislegierung ein kleiner würfelförmiger 0,7 mm x 0,7 mm × 0,7 mm großer Prüfkörper geschnitten und sein Erstarrungstemperaturbereich durch Differentialthermoanalyse gemessen. Tabelle 3 Zusammensetzung/ Gew. % Prüfkörper Nr. Ni und Verunreinigungen Gußteile aus erfindungsgemässen Nickelbasislegierungen Rest Tabelle 3 (Fortsetzung) Zusammensetzung/ Gew. % Prüfkörper Nr. Ni und Verunreinigungen Gußteile aus erfindungsgemässen Nickelbasislegierungen Rest Tabelle 3 (Fortsetzung) Zusammensetzung/ Gew. % Prüfkörper Nr. Ni und Verunreinigungen Gußteile aus erfindungsgemässen Nickelbasislegierung Rest Tabelle 3 (Fortsetzung) Zusammensetzung/ Gew. % Prüfkörper Nr. Ni und Verunreinigungen Gußteile aus Vergleichsnickelbasislegierungen Rest *außerhalb des Erfindungsumfangs Tabelle 4 Prüfkörper Nr. Kristallstruktur Zugfestigkeit (kg/mm²) Bruchanteil Spann. rißkorros. (%) Korrosionsverlust (mg/cm²) Erstarrungstemp.-bereich (ºC) Gußteile aus erfindungsgemässen Ni-basislegierungen Einkristall Tabelle 4 (Fortsetzung) Prüfkörper Nr. Kristallstruktur Zugfestigkeit (kg/mm²) Bruchanteil Spann. rißkorros. (%) Korrosionsverlust (mg/cm²) Erstarrungstemp.-bereich (ºC) Gußteile aus erfindungsgemässen Ni-basislegierungen Gußteile aus Vergleich Nickel basis legierung Einkristall Polykristall
Wie aus den Prüfergebnissen der Tabelle 4 ersichtlich, haben die Prüfkörper Nr. 30 bis 65 aus erfindungsgemäßer Nickelbasislegierung eine Einkristallstruktur, die aus der γ-Phasen-Matrix und den intermetallischen Verbindungen der γ'- und γ"-Phase, die in der Matrix verteilt und eingelagert sind, besteht und weisen eine hohe Zugfestigkeit, Spannungsriß-Korrosionsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit zusätzlich zu einem extrem engen Erstarrungstemperaturbereich, verglichen mit den Vergleichsprüfkörpern aus herkömmlicher Einkristallegierung auf Nickelbasis, auf.
Außerdem sind Spannungsriß-Korrosionsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Nickellegierung durch Zugabe eines oder mehrerer Elemente verbessert worden, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Kupfer und entweder Hafnium oder Rhenium oder beiden besteht.
Auf der anderen Seite besitzen die Vergleichsprüfkörper Nr. 10 bis 17 aus herkömmlicher Einkristallegierung auf Nickelbasis, bei denen sich ein Legierungselementgehalt außerhalb des Erfindungsumfangs bef ndet, deutlich schlechtere Eigenschaften, verglichen mit denen der erfindungsgemäßen Nickellegierung.
Da die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform der Nickelbasislegierung, wie zuvor erläutert, ausgezeichnete Eigenschaften und einen engen Erstarrungstemperaturbereich aufweist, der die leichte Ausbildung einer Einkristallstruktur ermöglicht, wird dadurch eine Erhöhung der Absenkgeschwindigkeit des Gußteils und die Herstellung größer dimensionierter Gußteile möglich, was zu einer verbesserten Arbeitsproduktivität und anderen wirtschaftlichen Vorteilen bei der Herstellung der Einkristalllegierung auf Nickelbasis führt.

Claims

1. Ausscheidungshärtende Einkristallegierung auf Nickelbasis mit hoher Zugfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Spannungs-Korrosionsbeständigkeit, welche, bezogen auf Gewichtsprozent, aus

10 - 30 % Chrom,

0,1 - 5 % Niob,

0,1 - 8 % Titan,

0,1 - 8 % Aluminium,

0,05 - 0,5 % Kupfer,

gegebenenfalls 0,05 - 3 % Hafnium und/oder Rhenium,

gegebenenfalls 0,05 - 3 % Molybdän und/oder Wolfram,

gegebenenfalls 0,05 - 0,5 % Bor und/oder Zirkonium besteht,

wobei der Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen sind.

2. Legierung gemäß Anspruch 1, welche 0,05 bis 3 % Hafnium und/oder Rhenium enthält.

3. Legierung gemäß Anspruch 2, welche 0,05 bis 3 % Molybdän und/oder Wolfram enthält.

4. Legierung gemäß Anspruch 1, welche 0,005 bis 0,5 % Bor und/oder Zirkonium enthält.

5. Ausscheidungshärtende Einkristallegierung auf Nickelbasis mit einem engen Bereich der Erstarrungstemperatur, welche, bezogen auf Gewichtsprozent, aus

10 - 30 % Chrom,

0,1 - 5 % Niob,

0,1 - 8 % Titan,

0,1 - 8 % Aluminium,

0,1 - 3 % Tantal,

gegebenenfalls einer oder mehreren aus der Gruppe bestehend aus 0,05 - 0,5 % Kupfer,

0,05 - 3 % Hafnium und

0,05 - 3 % Rhenium ausgewählten Komponenten,

wobei die Summe an Kupfer, Hafnium und Rhenium auf einen Bereich von nicht mehr als 3 % beschränkt ist,

gegebenenfalls 0,05 - 3 % Molybdän und/oder Wolfram,

gegebenenfalls 0,005 - 0,5 % Bor und/oder Zirkonium besteht,

und der Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen sind.

6. Legierung gemäß Anspruch 5, welche eine oder mehrere aus der Gruppe bestehend aus 0,05 - 0,5 % Kupfer, 0,05 - 3 % Hafnium und 0,05 - 3 % Rhenium ausgewählte Komponenten enthält, wobei die Summe an Kupfer, Hafnium und Rhenium auf den Bereich von nicht mehr als 3 % beschränkt ist.

7. Legierung gemäß Anspruch 5, welche 0,05 bis 3 % Molybdän und/oder Wolfram enthält.

8. Legierung gemäß Anspruch 6, welche 0,05 bis 3 % Molybdän und/oder Wolfram enthält.

9. Legierung gemäß Anspruch 5, welche 0,005 bis 0,5 % Bor und/oder Zirkonium enthält.