DE69215931T2 - Hochduktile Nial-intermetallische Verbindungen mikrolegiert mit Gallium - Google Patents
Hochduktile Nial-intermetallische Verbindungen mikrolegiert mit GalliumInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf intermetallische Verbindungen auf der Grundlage von NiAl, das mit Gallium mikrolegiert ist.
- Es gibt einen konstanten Bedarf an verbesserten Materialien für hohe Temperatur mit geringem Gewicht zum Einsatz in Gasturbinen, die typischerweise in Flugzeugen benutzt werden. Viel Anstrengung wurde auf Superlegierungen auf der Grundlage von Eisen, Nickel und Cobalt gerichtet. Ein anderer Bereich, der ein großes Potential aufweist, ist jedoch der der intermetallischen Verbindungen.
- Intermetallische Verbindungen, die im Englischen häufig einfach als "Intermetallics" bezeichnet werden, sind Verbindungen von Metallen mit besonderen Kristalistrukturen, die sich von denen der Metallkomponenten unterscheiden. Intermetallische Verbindungen haben eine geordnete Atomverteilung. Obwohl die Bindung der intermetalischen Verbindungen noch immer vorherrschend eine Metallbindung ist, was sie weniger spröde macht als Keramiken, sind sie bei Umgebungstemperatur noch immer spröde. Diese geordneten Strukturen existieren Über spezifische Zusammensetzungs-Bereiche, und sie weisen hohe Schmelzpunkte auf, während sie, trotz der geringen Duktilitäten oder Bruchzähigkeiten bei Umgebungs-Temperatur, das Potential für eine gute Festigkeit haben. Typische intermetallische Verbindungen schließen TiAl, Ti&sub3;Al, Ni&sub3;Al und NiAl ein.
- Das NiAl-System ist von besonderem Interesse. Es ist besonders attraktiv zum Einsatz als eine Turbinenschaufel. Diese Schaufeln werden typischerweise aus Superlegierungen auf Nickelbasis hergestellt. Intermetallische NiAl-Verbindungen bieten jedoch häufig eine bis zu 33% verringerte Dichte und eine bis zu 300% höhere Wärmeleitfähigkeit, verglichen mit Superlegierungen auf Nickelbasis. Die geringe Duktilität der intermetallischen NiAl-Verbindungen, weniger als 1% zwischen Raumtemperatur und 315ºC (600ºF), hat den Einsatz intermetallischer NiAl-Verbindungen als einen brauchbaren Ersatz für Nickelbasis-Legierungen jedoch verhindert.
- Obwohl viele Untersuchungen auf Verbesserungen und Verfeinerungen in Ni&sub3;Al- gerichtet wurden, waren Untersuchungen hinsichtlich Verbesserungen in NiAl etwas begrenzt. So haben, z.B., Liu et al. in den US-PSn 4,612,165 und 4,731,221 Duktilitäts-Verbesserungen in Ni&sub3;Al mit weniger als 26,5 Gew.-% Aluminium durch Zugaben wirksamer Mengen von Bor plus Zugaben von 0,35 bis 1,5% von Hafnium, Zirkonium, Eisen und deren Kombinationen untersucht. In ähnlicher Weise haben Huang et in der US-PS 4,478,791 Verbesserungen hinsichtlich der Duktilität von intermetallischen Ni&sub3;Al-Verbindungen durch Zugaben geringer Mengen von Bor erforscht.
- Das intermetallische NiAl-System wurde auch untersucht. Die meiste Arbeit wurde auf die Verbesserung der Duktilität von NiAl bei Umgebungs-Temperatur gerichtet. Law et al. haben in der US-PS 4,961,905 Verbesserungen in der Duktilität der intermetallischen Verbindung bei tiefen Temperaturen durch Zugaben von mindestens 10 Atom-% Cobalt untersucht, um die Bildung der martensitischen Ll&sub0;-Phase zu verursachen. Rudy und Sauthoff diskutieren in ihrer Veröffentlichung "Creep Behaviour of the Ordered Intermetallic (Fe,Ni)Al Phase", Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Band 39 (1985) das Kriechverhalten von intermetallischen NiAl-Verbindungen, die mindestens 10 Atom-% Eisen enthalten, und sie ziehen den Schluß, daß-die Kriechbeständigkeit dieser spröden Legierungen bei 10 Atom-% Eisen maximal ist.
- Law und Blackburn haben die Wirkungen von Gallium-Zugaben in polykristallinem NiAl untersucht. In ihrem Final Air Force Report AFWAL-TR-87-4102 (Dezember 1987) mit dem Titel "Rapidly Solidified Lightweight Durable Disk Material" wurden Galliummengen von nur 0,5% zu β- NiAl hinzugegeben, wobei keine Duktilitäts-Verbeserungen in polykristallinem NiAl beobachtet wurden.
- Barrett et al., US-PS 4,610,736, gaben geringe Mengen von Zirkonium, 0,05 bis 0,25 Gew.-%, zu NiAl hinzu, um die cyclische Oxidations-Beständigkeit von NiAl als ein Überzug zu verbessern. Grala et al. berichten in "Investigations of NiAl and Ni&sub3;Al ", Mechanical Properties of Intermetallic Compounds (1960), daß Zugaben von 0,5 Gew.-% Molybdän zu starken Korngrenzen-Ausscheidungen führten, aber die Übergangstemperatur von spröde zu duktil von NiAl zu Raumtemperatur verringerten, wodurch die Duktilität auf etwa 1,9% verbessert wurde.
- Es wäre erwünscht, wenn intermetallische Verbindungen in einer Weise legiert werden könnten, daß die Duktilität intermetallischer NiAl-Verbindungen bei Raumtemperatur verbessert wird, während die geordnete Atomstruktur der intermetallischen Verbindung aufrechterhalten wird, die zu solch erwünschten Eigenschaften, wie Zugfestigkeit bei hoher Temperatur, hoher Schmelzpunkt und ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, beiträgt.
- Die Legierung der vorliegenden Erfindung ist eine galliumhaltige NiAl Nickelaluminid- Legierung. Die Legierung ist eine intermetallische β-Phasen-Verbindung, und Gallium wird als mikrolegierende Zugaben zu einer intermetallischen NiAl-Verbindung hinzugegeben, die etwa äquiatomare Mengen an Aluminium und Nickel aufweist. NiAl, enthaltend von 45 Atom-% bis 59 Atom-% Ni, bildet eine einphasige, intermetallische Verbindung, die als β-Phase bezeichnet wird. Dieses Phasengebiet existiert bis zum Schmelzpunkt, etwa 1.621,1 bis 1.648,9ºC (2.950ºF-3.000ºF), obwohl die Zusammensetzungs-Grenzen des Nickels und Aluminiums etwas mit der Temperatur variieren.
- In ihrer weitesten Ausführungsform umfaßt die Legierung der vorliegenden Erfindung, in Atom-%, 48-57% Nickel, 0,01-0,25% Gallium, 0,0-0,1% Zirkonium, Rest Aluminium plus Übliche Verunreinigungen. Der Nickelgehalt liegt vorzugsweise zwischen 50 und 53 Atom-% Nickel, während Gallium in einer Menge von 0,01 Atom-% bis 0,25 Atom-%, vorzugsweise von 0,05 Atom-% bis 0,2 Atom-% vorhanden ist und Zirkonium, falls vorhanden, bis zu 0,1 Atom-% ausmacht, Rest sind Aluminium und übliche Verunreinigungen. Eine mikrolegierte, galliumhaltige NiAl der vorliegenden Erfindung weist eine verbesserte Duktilität bei Raumtemperatur und eine verbesserte plastische Dehnung auf.
- Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist eine signifikant verbesserte Duktilität bei Raumtemperatur gegenüber konventionellen NiAl-Legierungen, die nicht diese Mikrozugaben von Gallium enthalten oder die Gallium in mehr Atom-% enthalten, als gemäß der vorliegenden Erfindung.
- Ein anderer Vorteil der Legierung der vorliegenden Erfindung ist ihre geringe Dichte, etwa 0,6 g/cm³ (0,210 lbs/in³), was sie wegen der signifikanten Verringerung der Dichte gegenüber gegenwärtigen Legierungen sehr geeignet zum Einsatz als eine Schaufel oder eine Turbinenscheibe in einem Turbinentriebwerk macht.
- Andere Vorteile schließen eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und eine einfache, geordnete Kristallstruktur ein, wobei die Kristallstruktur eine raumzentrierte, kubische Kristallstruktur vom CsCl-Typ ist, die eine potentiell bessere plastische Deformation aufweist, verglichen mit anderen intermetallischen Verbindungen. Die Oxidationsbeständigkeit kann durch die Zugabe geringer Mengen von Zirkonium, z.B. 0,1 Atom-%, weiter verbessert werden.
- Der Begriff "Rest sind Aluminium und Übliche Verunreinigungen", wie er hier benutzt wird, schließt zusätzlich zu Aluminium im Rest der Legierung geringe Mengen von Verunreinigungen und Üblichen Elementen ein. Diese Verunreingungen sind im allgemeinen in Mengen von weniger als jeweils 100 ppm vorhanden. Typische Verunreinigungen schließen Kohlenstoff von 15 bis 60 ppm; Sauerstoff von 40 bis 100 ppm; Schwefel von etwa 1 bis etwa 2 ppm; Bor von etwa 5 bis etwa 6 ppm und Stickstoff von etwa 1 bis etwa 3 ppm ein. andere Verunreinigungen können Silicium, Kupfer und Cobalt einschließen.
- Die Streckgrenze ("Y.S."), wie sie hier benutzt wird, ist die 0,2%-Streckgrenze, entsprechend der Spannung, die zur Erzeugung einer plastischen Dehnung von 0,2% in einer Zugprobe erforderlich ist, die gemäß der ASTM Spezifikation E8 ("Standard Methods of Tension Testing of Metallic Materials", Annual Book of ASTM Standards, Band 03.01, Seiten 130-150, 1984) odere einem äquivalenten Verfahren getestet wird. Der Begriff "ksi" repräsentiert eine Spannungseinheit, die 70 kg/cm² (1.000 pounds per square inch) gleich ist. Die plastische Dehnung ist als inelastische Dehnung vor dem Zugversagen bei Raumtemperatur definiert, wenn in Übereinstimmung mit der ASTM Spezifikation E8 getestet wird.
- Die intermetallischen Verbindungen der vorliegenden Erfindung können nach irgendeinem geeigneten Verfahren zur Einkristall-Züchtung verarbeitet werden, das nicht zu zu vielen Verunreinigungen führt, die die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen würden. Die intermetallischen Verbindungen der vorliegenden Erfindung können zum Herstellen von Schaufeln zum Einsatz in Gasturbinen benutzt werden. Diese Schaufeln schließen sowohl rotierende Kompressorschaufeln als auch Turbinenschaufeln ein, die auf Turbinenscheiben montiert sind, sowie statische Leitschaufeln.
- Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, die die Prinzipien der Erfindung veranschaulicht.
- Figur 1 ist eine graphische Darstellung der plastischen Dehnung in Prozent in Abhängigkeit von den Atom-% Gallium in der intermetallischen NiAl-Verbindung.
- Durch die vorliegende Erfindung werden mit Gallium mikrolegierte, intermetallische ß-Phasen NiAl-Verbindungen offenbart, die eine verbesserte Duktilität bei Raumtemperatur aufweisen. Die verbesserten intermetallischen β-Phasen-Verbindungen sind Einkristalle, die mindestens 50 Atom-% Nickel 0,1 Atom-% bis 0,25 Atom-% Gallium einschließen. Diese intermetallischen β-Phasen-Verbindungen und einkristallinen Gegenstände, die aus solchen intermetalischen Verbindungen gezüchtet sind, haben bei Raumtemperatur eine plastische Dehnung von mindestens etwa 1,5%.
- Eine der potentiellen Anwendungen der intermetallischen Verbindungen der vorliegenden Erfindung ist als eine Schaufel für eine Gasturbine. Die Vorteile von NiAl schließen eine geringe Dichte ein. Die intermetallische NiAl-Verbindung der vorliegenden Erfindung hat eine Dichte von 0,6 g/cm³ (0,210 lbs/in³). Diese Dichte ist etwa 2/3 der Dichte der gegenwärtigen Superlegierungen auf Nickelbasis. Diese geringere Dichte resultiert in einem leichteren Teil. Ist, z.B., die Schaufel eine rotierende Turbinenschaufel, dann ist durch den Einsatz einer intermetallischen NiAl-Verbindung nicht nur das Gewicht der Turbinenschaufel verringert, sondern das Gewicht der Turbinenschaufel ist auch verringert aufgrund der geringeren Spannungen, die auf die Scheibe wirken.
- Die Wärmeleitfähigkeit des NiAl der vorliegenden Erfindung repräsentiert auch eine Verbeserung gegenüber der Wärmeleitfähigkeit der derzeit benutzten Superlegierungen. Diese Eigenschaft ist wichtig, wenn der Teil bei erhöhten Temperaturen eingesetzt wird, z.B., als eine Hochdruck-Turbinenschaufel. Die verbesserte Wärmeleitfähigkeit gestattet eine bessere Wärmeverteilung und beseitigt potentiell die die Lebensdauer begrenzenden heißen Flecken.
- Das intermetallische β-Phasen-Nickelaluminid der vorliegenden Erfindung ist eine einfache, geordnete Struktur auf der Grundlage einer raumzentrierten, kubischen Struktur, bei der Nickel an den Ecken und Aluminium an der raumzentrierten Stelle sitzt. Bei den intermetallischen Verbindungen der vorliegenden Erfindung hat Gallium im allgemeinen Aluminium ersetzt. Für stöchiometrisches NiAl wird davon ausgegangen, daß der Ersatz von Aluminium durch Gallium zu einem Ersatz von Al in der Struktur führt.
- Die Legierungen der vorliegenden Erfindung werden hergestellt durch Kombinieren hochreinen Elementmaterials in den geeigneten Mengen und durch Induktionsschmelzen unter einer Argon-Atmosphäre. Die induktionsgeschmolzene Ladung wird dann in einem Ofen mit gerichteter Erstarrung unter einer Argon-Atmosphäre nochmals geschmolzen, um das Verdampfen von Al zu verhindern, und unter Anwendung des bekannten Bridgman-Ziehverfahrens als Einkristalle verfestigt, obwohl irgendein anderes Verfahren zum Züchten von Einkristallen benutzt werden kann.
- Verunreinigungen werden bei geringen Niveaus gehalten, die in Teilen pro Million ("ppm") gemessen werden, sodaß deren Anwesenheit als Spuren charakterisiert werden kann. Diese Spurenelemente sind im allgemeinen Zwischengitter-Elemente, wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Schwefel und Bor, und sie sind in Mengen von weniger als 100 ppm, bezogen auf das Gewicht, für jede Verunreingung vorhanden. Silicium ist bis zu 1.000 ppm vorhanden.
- Ein bevorzugte Ausführungsform des einkristallinen Nickelaluminids der vorliegenden Erfindung besteht aus 50 Atom-% bis 53 Atom-% Ni, 0,01 Atom-% bis 0,25 Atom-% Gallium, Rest Aluminium plus Übliche Verunreinigungen. Für eine maximale Duktilität wird das Gallium-Niveau im Bereich von 0,05 Atom-% bis 0,2 Atom-% gehalten.
- In einer am meisten bevorzugten Ausführungsform besteht das einkristalline Nickelaluminid der vorliegenden Erfindung in Atom-% im wesentlichen aus 50% bis 51% Nickel, nominell 0,1% Gallium, Rest Aluminium plus Übliche Verunreingungen. Die nominelle Gallium-Zusammensetzung dieser bevorzugtesten Ausführungsform hat eine Schmelztoleranz von 0,05% bis 0,15 Gallium. Von einkristallinen Gegenständen dieser bevorzugten Zusammensetzung wird erwartet, daß sie die beste Duktilität haben und eine plastische Dehnung bei Raumtemperatur von mindestens etwa 2% bei Zug zeigen.
- Einkristalline, intermetallische NiAl-Legierungen, mit Gallium mikrolegiert und gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt, weisen unerwarteterweise eine ungewöhnlich hohe plastische Dehnung bei Raumtemperatur in der < 110> Orientierung unterhalb eines Galliumgehaltes von etwa 0,25 Atom-% auf. Eine graphische Darstellung der plastischen Dehnung bis zum Bruch in Abhängigkeit vom Gallium-Niveau ist in Figur 1 gezeigt. Unterhalb etwa 0,2% Gallium steigt die plastische Dehnung bei Raumtemperatur schnell auf etwa 4,5%. Bei etwa 0,25% Gallium fällt die plastische Dehnung auf akzeptable 1,5%, und eine plastische Dehnung oberhalb 1% bei einem Galliumgehalt von 0,5% oder weniger, nimmt jedoch mit steigendem Galliumgehalt schnell ab, wobei eine einkristalline Legierung mit etwa 2 Atom-% Gallium eine plastische Dehnung bei Raumtemperatur von etwa 0,8% aufweist.
- Die Zusammensetzungen der intermetallischen NiAl-Verbindungen der vorliegenden Erfindung sowie anderer NiAl-Verbindungen sind beispielhaft in der folgenden Tabelle I angegeben. Die etsprechenden mechanischen Eigenschaften jeder dieser Legierungen sind in der weiter unten folgenden Tabelle II angegeben, und diese Eigenschaften wurden erhalten durch Testen der Zusammensetzungen der Tabelle 1 auf Zug bei Raumtemperatur, derart, daß die kristallographische < 110> -Richtung parallel zur Spannungsachse der Testprobe ausgerichtet war. TABELLE I Chemische Zusammensetzungen¹
- Bemerkung 1: Die Zusammensetzungen sind in Atom-% angegeben TABELLE II Mechanische Eigenschaften 1,2
- Bemerkung 1: Ergebnisse der Tests bei Raumtemperatur
- Bemerkung 2: Spannungen (Zugfestigkeit, Streckgrenze) sind in
- Einheiten von ksi angegeben
- 1 ksi = 6,875 MPa
- Zusätzlich zur verbesserten Duktilität verbessert sich auch die Bruchzähigkeit der intermetallischen Verbindungen der vorliegenden Erfindung. Die Bruchzähigkeit ist auch anisotrop und sie nimmt auch aufgrund zunehmender Plastizität an der Spitze des wachsenden Risses mit zunehmender Temperatur zu.
- Die verbesserte Duktilität der intermetallischen NiAl-Verbindungen der vorliegenden Erfindung bei Raumtemperatur, die mit Gallium mikrolegiert sind, machen sie, insbesondere in den bevorzugten und am meisten bevorzugten Zusammensetzungs-Bereichen, zu attraktiven Ersatzmaterialien für Superlegierungen auf Nickelbasis in Gegenständen, wie Scheiben, duktilen Matrices für verstärkte intermetallische Verbundstoffe in polykristalliner Form und als einkristalline Schaufeln für Turbinen-Anwendungen.
Claims (10)
1. Intermetallisches β-Phasen-Nickelaluminid, umfassend, in Atom-%, mindestens
50% Nickel, 0,0 bis 0,1% Zirkonium und 0,01 bis 0,25% Gallium, Rest Aluminium und
übliche Verunreinigungen.
2. β-Phasen-Nickelaluminid-Legierung, umfassend, in Atom-%, 48 bis 57% Nickel,
0,01 bis 0,25% Gallium, 0,0 bis 0,1% Zirkonium, Rest Aluminium und übliche
Verunreinigungen.
3. Einkristalline β-Phasen-Nickelnluminid, Legierung, umfassend, in Atom-%, 50 bis
53% Nickel, 0,01 bis 0,25% Gallium, 0,0 bis 0,1% Zirkonium, Rest Aluminium und
übliche Verunreinigungen.
4. Einkristalline β-Phasen-Nickelaluminid-Legierung nach Anspruch 3, worin die
Atom-% Gallium im Bereich von 0,05 bis 0,2% liegen.
5. Einkristalline β-Phasen-Nickelaluminid-Legierung, umfassend, in Atom-%, 50 bis
51% Nickel, 0,05 bis 0,15% Gallium, 0,0 bis 0,1% Zirkonium, Rest Aluminium und
übliche Verunreinigungen.
6. Gegenstand aus Nickelaluminid, umfassend, in Atom-%, 50 bis 53% Nickel, 0,01
bis 0,25% Gallium, 0,0 bis 0,1% Zirkonium, Rest Aluminium und übliche
Verunreinigungen.
7. Gegenstand nach Anspruch 6, der eine Turbinenscheibe ist.
8. Verstärkter Verbundgegenstand mit einer intermetallischen Matrix, der Fasern
innerhalb einer intermetallischen Matrix umfaßt, wobei die Matrix, in Atom-%, 50 bis
53% Nickel, 0,01 bis 0,25% Gallium, 0,0 bis 0,1% Zirkonium, Rest Aluminium und
übliche Verunreinigungen umfaßt, und der Gegenstand durch eine plastische Dehnung bei
Raumtemperatur von mindestens 1,5% charakterisiert ist.
9. Einkristalliner Gegenstand aus β-Phasen-Nickelaluminid, umfassend, in Atom-%,
50 bis 53% Nickel, 0,01 bis 0,25% Galijum, 0,0 bis 0,1% Zirkonium, Rest Aluminium und
übliche Verunreinigungen.
10. Gegenstand nach Anspruch 9, der ein Stromlinienkörper bzw. ein Flügel, bzw.
eine Schaufel ist.
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