BEREICH DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Superlegierungen, welche eine hervorragende
Festigkeit bei hoher Temperatur und niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen und sich als Verbundwerkstoffe zusammen mit Keramik, Sinterkarbiden und
Gasturbinenkomponenten verwenden lassen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Fe-36%-Ni-System-Legierung aus Invar, eine 42-Nickel-Legierung aus einer
Fe-42%-System-Legierung, eine Koval-Legierung aus einer Fe-29%-Ni-17%-Co-
System-Legierung und weitere Typen von Legierungen waren bis jetzt als Legierungen
zur Verwendung als Komponenten mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten
bekannt. Dadurch, daß sie niedrige Koeffizienten aufweisen, weisen diese Legierungen
einen niedrigen Festigkeitsgrad bei Raumtemperatur und höheren Temperaturen auf;
folglich können sie nicht als Komponenten verwendet werden, welche eine hohe
Festigkeit bei Raumtemperatur und höheren Temperaturen erfordern.
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Ein Incoloy 903 entsprechender Legierungstyp ist in JP-B-41-2767 offenbart, und
über Incoloy 903 hinaus verbesserte Legierungen sind in JP-A-50-30729, 50-30730, 59-
56563, 60-128243, U. S.-Patent-Nr. 4200459 etc. offenbart. Diese Legierungstypen sind
für ihre durch Hinzufügen von Ausscheidungsfestigungselementen, wie Al, Ti und Nb,
verbesserte Festigkeit bei hoher Temperatur und ferner für ihre niedrigen
Wärmeausdehnungskoeffizienten bekannt, die kleiner als die Wärmeausdehnungskoeffizienten
gewöhnlicher austenitischer Legierungen, jedoch viel größer als die
Wärmeausdehnungskoeffizienten der anfänglich erwähnten Legierungen sind.
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In JP-A-61-231138, 2-70040 etc. offenbarte Legierungen weisen Festigkeiten
und Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, die zwischen jenen von Incoloy-903-System-
Legierungen und Koval-System-Legierungen liegen.
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Mit einer Zunahme der Betriebstemperatur von Gasturbinenkomponenten werden
in den letzten Jahren jedoch zunehmend höhere Festigkeiten von Raumtemperatur bis
erhöhte Temperaturen, Materialien, die in der Lage sind, einen konstanten Abstand
zwischen Komponenten bzw. Elementen von Raumtemperatur bis erhöhte Temperatur
beizubehalten, und verbesserte Eigenschaften verbindender metallischer Materialien hin zu
Materialien, welche niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, wie Keramik
und Sinterkarbide, gefordert.
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Derartige Legierungen werden zum Beispiel als Ringe zum Verbinden der
Rotorwelle von Turboladern von Kraftfahrzeugen mit den Keramikschaufeln verwendet.
Die Legierungen werden ferner als Komponenten von Gasturbinen, wie
Kompressorgehäuse, Abgasleitungen und Dichtungsmedien; als Eingußbuchsen zum Druckgießen von
Aluminium, die jeweils aus einem keramischen Innenzylinder und einem Außenzylinder,
hergestellt aus einer Superlegierung mit einem niedrigen
Wärmeausdehnungskoeffizienten, bestehen; und als Schneidwerkzeuge, als Dämpfungsmaterialien aus Sinterkarbiden
und Legierungen, hergestellt aus Sinterkarbiden unter Verwendung von Legierungen mit
geringer Wärmeausdehnung, verwendet.
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Die in JP-B-41-2767 offenbarte Incoloy 903 wurde für derartige Anforderungen
eingesetzt. Sie weist jedoch eine hohe Kerbempfindlichkeit bei Betriebstemperaturen von
etwa 500ºC auf, und es existiert ein deutlicher Unterschied zwischen der
Kerbbruchfestigkeit und der Glattbruchfestigkeit im Zeitstandfestigkeitsversuch bei 500ºC, was zu
einem Problem führt.
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Die in den oben erwähnten Schriften JP-A-50-30729, 50-30730, 59-56563, 60-
128243, U. S.-Patent-Nr.-4200459 etc. offenbarten Legierungen sind als verbesserte
Legierungen zum Lösen des Problems vorgeschlagen. Von den verbesserten Legierungen
wurde lediglich die Incoloy 909 zur praktischen Anwendung gebracht. Obwohl sie der
Incoloy 903 hinsichtlich der Kerbbruchfestigkeit überlegen ist, weist sie jedoch einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der im wesentlichen gleich dem
Wärmeausdehnungskoeffizienten von Incoloy 903 ist, so daß die Wärmeausdehnung nicht
wunschgemäß vermindert wird.
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Hingegen weisen in JP-A-61-231138 und 20-70040 offenbarte Legierungen,
obwohl sie niedrigere Wärmeausdehnungskoeffizienten als Incoloy 909 aufweisen,
Festigkeiten bei hoher Temperatur auf, die kleiner sind als die von Incoloy 909.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Angesichts der obengenannten Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, Superlegierungen mit niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu schaffen,
welche in der Lage sind, der Förderung nach der größten Festigkeit bei hoher
Temperatur und den niedrigsten Wärmeausdehnungskoeffizienten sämtlicher herkömmlicher
Superlegierungen mit geringer Wärmeausdehnung zu genügen.
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Diese Aufgabe ist durch eine Superlegierung gemäß Anspruch 1 gelöst. Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist im Unteranspruch 2 offenbart.
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Der Erfinder der vorliegenden Erfindung führte Experimente an Fe-Co-Ni-
System-Legierungen durch und ermittelte als Ergebnis Fe-Co-Ni-Verhältnisse, bei
welchen sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten auf den niedrigsten Wert verringern
lassen, und geeignete Bereiche, innerhalb welcher Ti, Nb und Al als
Ausscheidungsfestigungselemente hinzugegeben werden können, um die Festigkeit bei hoher Temperatur zu
erhöhen. Dies führte zur Erfindung von Superlegierungen, welche der Forderung nach
höherer Festigkeit bei hoher Temperatur und nach niedrigen
Wärmeausdehnungskoeffizienten genügen.
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Erfindungsgemäß ist eine Superlegierung mit niedrigem
Wärmeausdehnungskoeffizienten geschaffen, welche in Gewichtsprozent folgendes enthält: 0,1% oder
weniger C (Kohlenstoff), 1,0% oder weniger Si, 1,0% oder weniger Mn, 0,5-2,5% Ti, mehr
als 3,0% und nicht mehr als 6,0% Nb oder Nb und Ta in einem Bereich von
3,0 <
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≤ 6, 0,01% oder weniger B (Bor), 20 bis 32% Ni und mehr als 16% und
nicht mehr als 30% Co in einem Bereich von 48,8 < [1,235 · Ni + Co] < 55,8, optional 1,0%
oder weniger Al, wobei Fe und zufällige Verunreinigungen den Rest bilden.
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Erfindungsgemäß ist ferner eine Superlegierung mit niedrigem
Wärmeausdehnungskoeffizienten geschaffen, welche in Gewichtsprozent folgendes enthält: 0,1% oder
weniger C, 1,0% oder weniger Si, 1,0% oder weniger Mn, 0,5 bis 2,5% Ti, mehr als
3,0% und nicht mehr als 6,0% Nb, 0,01% oder weniger B, 1,0% oder weniger Al, 20 bis
32% Ni und mehr als 16% und nicht mehr als 30% Co in einem Bereich von 48,8 ≤
[1,235 · Ni + Co] < 55,8, wobei Fe und zufällige Verunreinigungen den Rest bilden. Die
Superlegierung mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten weist einen mittleren
Wärmeausdehnungskoeffizienten von 7,0 · 10&supmin;&sup6;/ºC oder weniger von Raumtemperatur bis
400ºC, eine Zugfestigkeit von 10&sup4; bar (1 kg/mm² = 98,0 bar = 9,81 N/mm²) oder mehr
bei 500ºC und eine Kerbbruchfestigkeit auf, die höher ist als eine Glattbruchfestigkeit bei
einem Zeitstandfestigkeitsversuch bei 500ºC.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nachfolgend werden die Gründe für eine Begrenzung von Gehalten von
Legierungselementen in erfindungsgemäßen Legierungen dargelegt.
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Solange nicht anders dargelegt, handelt es sich bei den nachfolgend verwendeten
Prozentgehalten um Gewichtsprozentgehalte.
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Kohlenstoff verbindet sich mit Ti und Nb zum Bilden eines Karbids, um ein
Grobkörnigwerden von Kristallkörnern zu verhindern, und trägt zum Erhöhen der
Festigkeit bei. Wird jedoch mehr als 0,1% Kohlenstoff hinzugegeben, so kommt es zu
einer übermäßigen Entstehung von Karbiden von Ti und Nb. Kohlenstoff verringert die
Mengen von gelöstem Ti und Nb, die beide als Ausscheidungsfestigungselemente dienen,
und erhöht die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Legierungen. Daher sollte der
Kohlenstoffgehalt 0,1% oder weniger betragen.
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Silizium ist ein unverzichtbares, den Legierungen der Erfindung hinzuzugebendes
Element, da es als Reduktionsmittel wirkt und es eine Ausscheidung einer Laves-Phase
fördert, welche einem Verfeinern der Kristallkörner und einem Verbessern der Form von
Korngrenzen dienlich ist. Die Zugabe von Si über 1% vermindert jedoch die
Warmformbarkeit und die Festigkeit bei hoher Temperatur; daher sollte der Si-Gehalt auf 1,0%
oder weniger begrenzt sein.
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Mangan ist als Reduktionsmittel hinzugefügt und in den Legierungen enthalten.
Es ist nicht erwünscht, daß Mn die Wärmeausdehnungskoeffizienten bei dessen
übermäßiger Zugabe erhöht. Daher sollte der Mangangehalt auf 1,0% oder weniger begrenzt
sein.
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Wie oben erwähnt, verbinden sich zuerst Teile von Ti und Nb mit Kohlenstoff,
um Karbide zu bilden, und anschließend verbinden sich, wie unten beschrieben, das
restliche Ti und Nb mit Ni und Co, um eine intermetallische Verbindung zu bilden, wodurch
den Legierungen Festigkeit verliehen wird.
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Durch eine Aushärtungsbehandlung der Legierung scheidet Ti zusammen mit Ni,
Co und Nb feine Gamma-Grundphasen-Teilchen von mehreren zehn Nanometer ab,
welche aus (Ni, Co)&sub3;(Ti, Nb) bestehen, wodurch sich die Zugfestigkeit der Legierung bei
erhöhten Temperaturen deutlich vergrößert. Ein Titangehalt muß mindestens 0,5%
betragen, um eine derartige Zugfestigkeit zu erhöhen. Übersteigt er jedoch 2,5%, so
erhöht er den Wärmeausdehnungskoeffizienten, verringert aber eine Warmformbarkeit.
Daher sollte ein Ti-Gehalt auf 0,5 bis 2,5% begrenzt sein.
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Niob, wie Ti, zusammen mit Ni und Co, scheidet durch die
Aushartungsbehandlung Gamma-Grundphasen-Teilchen ab, wodurch sich die Wärmefestigkeit deutlich
erhöht. Ein Teil des Niobs scheidet die Laves-Phase mit einem Durchmesser von
mehreren Mikrometer (um) innerhalb von Körnern und an Korngrenzen ab. Das Niob macht
die Kristallkörner fein und erhöht die Festigkeit von Korngrenzen, die Zugfestigkeit bei
hohen Temperaturen und die Kerbfestigkeit bei etwa 500ºC erheblich. Aus diesem Grund
muß der Nb-Gehalt höher als 3,0% sein, jedoch erhöht er, wenn mehr als 6,0%
hinzugefügt wird, den Wärmeausdehnungskoeffizienten und vermindert eine Warmformbarkeit.
Der Niobgehalt sollte daher innerhalb der Grenzen 3,0% und 6,0% liegen.
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Tantal ist ein Element, welches zur gleichen Gruppe gehört wie Nb, und weist ein
Atomgewicht auf, das das Zweifache des Atomgewichts von Nb beträgt. Ein Teil von Nb
ist innerhalb eines Bereichs von 3,0 <
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≤ 6,0 durch Ta ersetzbar.
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Titan und Niob sind unverzichtbare, bei Legierungen der Erfindung
hinzuzugebende Elemente. Aluminium kann ebenfalls als
Ausscheidungsfestigungselement sowie als Stabilisatorelement für die Gamma-Grundphase hinzugegeben werden.
Aluminium, wie Ti und Nb, zusammen mit Ni und Co, scheidet durch die
Aushärtungsbehandlung feine Gamma-Grundphasen-Teilchen ab, welche aus einer flächenzentrierten,
kubischen Gitterstruktur aus (Ni, Co)&sub3;(Al, Ti, Nb) von mehreren zehn Nanometer
bestehen, wodurch sich die Festigkeit bei erhöhter Temperatur vergrößert. Übermäßig viel
Aluminium verhindert jedoch eine Warmformbarkeit und erhöht den
Wärmeausdehnungskoeffizienten. Daher sollte ein Aluminiumgehalt auf 1,0% oder weniger begrenzt
sein.
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Bor sondert sich an Kristallkorngrenzen ab und erhöht die Festigkeit von
Korngrenzen, wodurch es zum Verbessern einer Warmformbarkeit und einer Kerbstandzeit-
Bruchfestigkeit bei einem Temperaturniveau von 500ºC beiträgt. 0,01% überschreitendes
Bor bildet jedoch Borid, wodurch die Liquiduslinie der Legierungen gesenkt und somit
eine Warmformbarkeit verschlechtert wird. Daher sollte der Bor-Gehalt auf 0,1% oder
weniger begrenzt sein.
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Nickel bildet zusammen mit Co und Fe eine Matrix. Das Fe-Co-Ni-Verhältnis hat
eine erhebliche Wirkung auf die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Legierungen und
eine Form von Präzipitaten einer intermetallischen Verbindung. Die Legierungen der
Erfindung können Legierungselemente, wie Ti, Nb und Al, enthalten, um eine Festigkeit bei
hoher Temperatur zu erreichen, welche die größtmögliche Festigkeit herkömmlicher
Legierungen darstellt. Aufgrund der Tatsache, daß das Fe-Co-Ni-Verhältnis, welches bei
den herkömmlichen Legierungen nicht ermittelt wurde, bei der vorliegenden Erfindung
ermittelt ist, wird es möglich, eine hohe Zugfestigkeit bei Hochtemperaturen und einen
niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu erhalten. Ferner scheidet sich die Laves-
Phase bei dem Fe-Co-Ni-Verhältnis der vorliegenden Erfindung in einer Menge ab, die
viel größer ist als bei den herkömmlichen Legierungen, was zum Festigen von
Kristallkorngrenzen und zum Erhöhen der Kerbzeitstand-Bruchfestigkeit bei etwa 500ºC
beiträgt.
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Aus diesem Grund sollte ein Ni-Gehalt 20% oder mehr betragen. Beträgt er
weniger als 20%, so wird eine Austenitphase instabil, was eine Martensitumwandlung, eine
Verringerung der Festigkeit bei hoher Temperatur und eine Vergrößerung der
Wärmeausdehnungskoeffizienten bewirkt. Überschreitet hingegen der Ni-Gehalt 32%, so erhöht
er die Wärmeausdehnungskoeffizienten und verringert die Abscheidungsmenge der
Laves-Phase, welche zum Festigen von Kristallkorngrenzen beiträgt. Der Nickelgehalt
sollte daher zwischen 20 und 32% liegen.
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Kobalt, wie Ni, bildet zusammen mit Fe die Matrix und trägt zum Verringern der
Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Abscheidung der Laves-Phase bei. Das
hinzugegebene Kobalt muß 16% überschreiten. Beträgt der Kobalt-Gehalt 16% oder weniger,
so wird die Austenitphase instabil, was eine Martensitumwandlung, eine Verringerung
der Festigkeit bei hoher Temperatur und eine Vergrößerung der
Wärmeausdehnungskoeffizienten bewirkt. Wird jedoch mehr als 30% Kobalt hinzugegeben, so vergrößert es
die Koeffizienten, und daher sollte es mehr als 16% und nicht mehr als 30% ausmachen.
Der niedrigste Wärmeausdehnungskoeffizient läßt sich in Abhängigkeit vom
Gleichgewicht zwischen den Gehalten an Ni und Co erhalten, und die Summe der beiden
Gehalte stellt einen sehr wesentlichen Wert dar.
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Wie in JP-B-41-2767 offenbart, trägt Kobalt zum Verringern der
Wärmeausdehnungskoeffizienten bei einem 1,235mal größeren Verhältnis als das Verhältnis, bei
welchem Ni einen Beitrag leistet, bei. Der Experimentator der vorliegenden Erfindung hat
diese Tatsache experimentell untersucht und festgestellt, daß Co, was den Beitrag zu
einer Herabsetzung der Wärmeausdehnungskoeffizienten anbelangt, 1,235mal wirksamer
ist als Ni. Niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten der erfindungsgemäßen
Legierungen liegen in einem Bereich unterhalb des Wärmeausdehnungskoeffizienten der in JP-B-
41-2767 offenbarten Legierung mit der Summe aus 1,235 Ni und Co. Beträgt die Summe
aus 1,235 Ni und Co 55,8 oder mehr, so steigen die Wärmeausdehnungskoeffizienten
stark an, wohingegen dann, wenn sie weniger als 48,8 beträgt, eine
Martensitumwandlung leicht auftreten kann. Daher sollten Ni und Co innerhalb eines durch die folgende
Gleichung ausgedrückten Bereichs beschränkt sein.
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48,8 ≤ [1,235 Ni + Co] < 55,8
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Die Legierungen der vorliegenden Erfindung weisen niedrige
Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen während
Aushärtungs- und Festlösungsbehandlungen auf. Werden die Legierungen als
Gasturbinenkomponenten, Verbindungskomponenten aus Keramik bzw. Sinterkarbid etc. verwendet und
sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Legierungen größer als 7,0 · 10&supmin;&sup6;/ºC bei
Temperaturen von Raumtemperatur bis 400ºC, so ist es unmöglich, einen Abstand und
eine Verbindungsfestigkeit zu gewährleisten, die zur Verwendung bei hohen
Temperaturen ausreichend sind. Daher sollten die Wärmeausdehnungskoeffizienten im
obengenannten Temperaturbereich auf 7,0 · 10&supmin;&sup6;/ºC begrenzt sein.
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Ist eine Zugfestigkeit bei 500ºC kleiner als 10&sup4; bar, so können die Legierungen
einer Verbindungsspannung, wie bei einer Schrumpfverbindung, oder einer Verbindung
während einer Hochrotation bei hohen Temperaturen nicht standhalten. Daher ist eine
Zugfestigkeit bei 500ºC auf 10&sup4; bar oder mehr begrenzt.
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In vielen Fällen weisen solche Superlegierungen mit niedrigen
Wärmeausdehnungskoeffizienten, wenn sie tatsächlich als Produkte verwendet werden,
mehrere Spannungskonzentrationen auf. Ist die Kerbfestigkeit der
Spannungskonzentrationen niedriger als die von Glattflächen, so können die Legierungen viel früher brechen
als gemäß der ausgelegten Lebensdauer bis zum Bruch. Diese Verminderung der
Kerbfestigkeit ist bei etwa 500ºC am ausgeprägtesten. Bricht ein Kerbabschnitt früher als eine
Glattfläche eines Materials bei einem kombinierten Glatt-/Kerb-Standzeitbruchversuch
bei etwa 500ºC, so sind die Bedingungen, unter welchen sich ein derartiges Material
tatsächlich verwenden läßt, begrenzt. Es ist wichtig, daß eine Kerbbruchfestigkeit größer ist
als eine Glattbruchfestigkeit beim kombinierten Glatt-/Kerb-Standzeitbruchversuch bei
500ºC, und daß das Material nicht an dessen Kerbabschnitt bricht.
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Tabelle 1 stellt chemische Zusammensetzungen der herkömmlichen Legierungen
und der Legierungen der Erfindung dar. Die Legierungen der Erfindung und die
herkömmlichen Legierungen wurden in einem Vakuuminduktions-Schmelzofen geschmolzen
und zu Blöcken von 10 kg geformt. Anschließend wurden die Legierungen während
einer Homogenisierbehandlung für 20 Stunden auf 1150ºC gehalten, bei einer
Glühtemperatur von 1100ºC geschmiedet und zu einer Quadratprobe von 30 mm geformt. Daher
wurden, abgesehen von einer herkömmlichen Legierung Nr. 11, sämtliche Legierungen
einer Lösungsbehandlung unterzogen, bei welcher diese Legierungen für eine Stunde auf
982ºC gehalten und anschließend luftgekühlt wurden. Die Legierung Nr. 11 wurde einer
anderen Lösungsbehandlung unterzogen, bei welcher sie für eine Stunde auf 930ºC
gehalten und anschließend luftgekühlt wurde. Sämtliche Legierungen wurden einer
zweistufigen Aushärtungsbehandlung unterzogen, bei welcher die Legierungen zuerst für 8
Stunden auf 720ºC gehalten und bei einer Kühlungsrate von 55ºC/Std. auf 620ºC
gekühlt und anschließend für 8 Stunden auf 620ºC gehalten und luftgekühlt wurden.
Tabelle 1
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Die herkömmliche Legierung Nr. 11 ist eine Incoloy 903 entsprechende
Legierung, die Legierung Nr. 12 ist eine Incoloy 909 entsprechende Legierung, und die
Legierung Nr. 13 ist eine in JP-A-2-70040 offenbarte Legierung. Sämtliche Legierungen der
vorliegenden Erfindung und die herkömmlichen Legierungen Nr. 12 und Nr. 13, nicht
jedoch die Legierung Nr. 11, wurden der gleichen Standard-Wärmebehandlung
unterzogen, wie sie für die der herkömmlichen Legierung Nr. 12 entsprechende Incoloy 909
verwendet wird.
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Da die Incoloy 903 entsprechende herkömmliche Legierung Nr. 9 eine niedrige
Rekristallisationstemperatur aufweist, welche ein leichtes Wachstum der Kristallkörner
bewirkt, wurde sie einer Lösungsbehandlung bei einer Temperatur von 930ºC
unterzogen, welche niedriger ist als die bei den anderen Legierungen verwendete Temperatur.
Tabelle 2
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Die Tabelle 2 stellt Zugeigenschaften bei Normaltemperaturen und bei 500ºC,
kombinierte Glatt-/Kerb-Zeitstandbruch-Eigenschaften bei 500ºC und den mittleren
Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Temperaturen von 30 bis 400ºC dar. Eine
reduzierte Probe A370 mit einem Parallelabschnitt von 6,35 mm Durchmesser und einer
Distanz von 25,4 mm zwischen Marken wurde als Zugprobe verwendet. Ein Zugversuch
wurde unter Anwendung des ASTM-Testverfahrens bei Normaltemperaturen und bei
500ºC durchgeführt. Eine Versuchsprobe Nr. 9 aus A453 mit Glatt- und Kerbabschnitten
eines Durchmessers von 4,52 mm und einer Distanz von 18,08 mm zwischen Marken auf
dem Glattabschnitt wurde in einem kombinierten Glatt-/Kerb-Zeitstandbruchversuch
verwendet. Dieser Zeitstandbruchversuch wurde unter Anwendung des
ASTM-Verfahrens unter Bedingungen durchgeführt, bei welchen die Versuchstemperatur 500ºC
betrug, und eine Anfangsspannung von 5 kbar wurde lediglich bei den Legierungen Nr. 11
und Nr. 13 angewandt, während bei den anderen Legierungen eine Anfangsspannung von
8 kbar angewandt wurde. Legierungen, welche in der Zeitspanne von bis zu 200 Stunden
nicht brachen, wurden danach alle 8 bis 16 Stunden mit einer Spannung von 500 bar
beaufschlagt, bis die Legierungen gewaltsam brachen.
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Die Tabelle 2 stellt ferner (in der Spalte der Lebensdauer bis zum Bruch) den
Gesamtwert der Versuchszeit dar, bei welcher es sich um diejenige Zeit handelt, die
zwischen der Anwendung der Anfangsspannung bis zu der (in der Spalte der Bruchspannung
angegebenen) Endspannung, welche zum Bruch führt, verstreicht. Brechen Legierungen
an den Glattabschnitten, so sind in den Spalten der Dehnung Dehnungswerte angegeben,
und es ist in den gleichen Spalten das Symbol "N" angegeben, wenn Legierungen an den
Kerbabschnitten brechen. Zum Bestimmen des mittleren
Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Temperaturen von 30 bis 400ºC wurde eine Versuchsprobe mit einem
Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 19,5 mm verwendet.
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Wie aus den Tabellen 1 und 2 ersichtlich, weisen sämtliche Legierungen der
vorliegenden Erfindung eine hervorragende Zugfestigkeit bei 500ºC und bei
Raumtemperaturen auf; sie weisen eine Kerbfestigkeit auf, die höher ist als die Festigkeit des
Glattabschnitts bei Brechen der Legierungen an deren Glattabschnitten im kombinierten Glatt-
/Kerb-Zeitstandbruchversuch bei 500ºC; und sie weisen eine höhere Bruchspannung auf.
Ferner weisen sämtliche Legierungen einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 7,0 · 10&supmin;&sup6;/ºC oder weniger von Normaltemperaturen bis 400ºC auf.
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Die herkömmliche Legierung Nr. 11 (Incoloy 903) kann hingegen eine
Zugfestigkeit bei 500ºC und Raumtemperaturen aufweisen, die im wesentlichen gleich der
Zugfestigkeit der Legierungen der Erfindung ist. Die Legierung Nr. 11 weist hingegen eine
extrem niedrige Kerbfestigkeit bei 500ºC und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf,
welcher um 20% (nicht Gewichtsprozent) oder mehr größer ist als die
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Legierungen der vorliegenden Erfindung. Der Grund für die
abnormal hohe Kerbempfindlichkeit von Incoloy 903 besteht offensichtlich darin, daß der
Nb-Gehalt verhältnismäßig niedrig ist und Incoloy 903 keine Struktur ausbildet, die zum
Abscheiden der Laves-Phase von Fe, Co, Ni und Nb ausreichend ist, was dazu führt, daß
die Festigkeit der Korngrenzen nicht vollkommen beibehalten wird.
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Die herkömmliche Legierung Nr. 12 (Incoloy 909) ist eine unter Vermindern des
Al-Gehalts und Erhöhen des Nb-Gehalts in Incoloy 903 hergestellte Legierung. Selbst
bei gleichem Fe-Co-Ni-Verhältnis scheidet sich die Laves-Phase ab, und die
Kerbbruchfestigkeit der Legierung Nr. 12 steigt an. Es läßt sich jedoch keine Verringerung des
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Legierung Nr. 12 beobachten, da das Fe-Co-Ni-
Verhältnis der Legierung Nr. 12 das gleiche ist wie bei Incoloy 903, so daß die
Legierung Nr. 12 einen hohen "1,235 Ni + Co"-Wert aufweist. Die Legierung Nr. 12 weist einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der größer ist als die
Wärmeausdehnungskoeffizienten der erfindungsgemäßen Legierungen.
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Gegenüber den Legierungen der vorliegenden Erfindung weist die Legierung Nr.
13 einen "1,235 Ni + Co"-Wert auf, der innerhalb des Bereichs der erfindungsgemäßen
Legierungen liegt, so daß sie einen günstigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
Die Legierung Nr. 13 enthält jedoch eine kleine Menge von Ti, welches ein
Ausscheidungsfestigungselement darstellt, so daß es zu einer unvollständigen Aushärtung kommt.
Ferner weist sie eine Zugfestigkeit auf, die offensichtlich kleiner ist als die der
Legierungen der vorliegenden Erfindung.
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Werden die Legierungen der vorliegenden Erfindung als
Gasturbinenkomponenten, mit Keramik oder Sinterkarbiden verbundene Elemente etc. verwendet, so sind sie in
der Lage, gleichzeitig der Forderung nach einer hohen Festigkeit bei hoher Temperatur
und nach einer geringen Wärmeausdehnung zu genügen, wobei sich beide Eigenschaften
bei den herkömmlichen Legierungen nicht erhalten lassen. Die Legierungen der
vorliegenden Erfindungen sind auf Baustoffe anwendbar, welche eine hohe Festigkeit erfordern
und von Normaltemperatur bis hoher Temperatur einen konstanten Abstand zwischen
den Elementen bzw. Komponenten beibehalten. Ferner können die Legierungen der
vorliegenden Erfindung zuverlässig mit Materialien mit geringer Wärmeausdehnung, wie
Keramik und Sinterkarbiden, welche als Baustahl dienen, verbunden werden, und die
Legierungen weisen eine hohe Festigkeit auf.