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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Nickelbasis-Superlegierung,
die nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Gewichts-% im Wesentlichen
aus 9,3-10,0% Co, 6,4-6,8% Cr, 0,5-0,7% Mo, 6,2-6,6% W, 6,3-6,7%
Ta, 5.45-5.75% Al,
0,8-1,2% Ti, 0,07-0,12% Hf, 2,8-3,2% Re, und als Rest zumindest
Ni und Kohlenstoff, besteht. Allgemeiner gesprochen bezieht sich
die Erfindung auf Superlegierungen von erhöhter Reinheit (d.h. mit einem
reduzierten Grad an nichtmetallischen Einschlüssen).
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Reine,
fehlerfreie Superlegierungs-Gussteile sind in der Gasturbinenindustrie
ein Ziel gewesen, denn es ist wohlbekannt, dass vorzeitige mechanische
Fehler bei Superlegierungsgussteilen vorwiegend der Anwesenheit
von nicht-metallischen
Einschlüssen
in der Mikrostruktur des Gussteils zuzuschreiben sind. Über die Jahre
sind innengekühlte
Hochtemperaturguss-Turbinenschaufeln zur Verwendung im Turbinensegment
der Gasturbine entwickelt worden. Infolgedessen sind die Turbinenschaufeln
komplexer geworden, und die Querschnitte der Profilwände sind
dünner
und dünner
geworden. Unglücklicherweise
sind mikroskopische Einschlüsse,
die in einfacheren, relativ dickwandigen Schaufelgussteilen relativ
harmlos waren, zu einem begrenzenden Faktor beim Entwurf der neuen,
komplexen, innengekühlten
Turbinenschaufelgussteile mit dünnen
Wänden
geworden.
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Im
gleichen Zeitabschnitt haben Fachleute auch dadurch zum Stand der
Technik beigetragen, dass sie einseitig gerichtete Gusstechniken
entwickelten, um Einkristall-Turbinenschaufelgussteile herzustellen,
die aufgrund der Ausmerzung der Korngrenzen, die bekanntlich der
Grund für
Hochtemperatur-Isometriegussfehler
waren, bei hohen Temperaturen verbesserte mechanische Eigenschaften
aufweisen. Daher werden Einkristall-Turbinenschaufelgussteile heute
verbreitet eingesetzt.
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Da
Einkristallgussteile keine Korngrenzen beinhalten, glaubten die
den Stand der Technik erarbeitenden Fachleute ursprünglich,
dass Elemente wie Kohlenstoff, die Korngrenzen verstärkende Ausfällungen
in der Mikrostruktur bilden, in Einkristall-Superlegierungen nicht
notwendig seien. Daher war die Konzentration von Kohlenstoff in
Einkristall-Superlegierungen in der Weise beschränkt, dass sie relativ niedrige
Maximalpegel nicht überschreiten
durfte. Der Kohlenstoffgehalt bestimmter Nickelbasis-Superlegierungen,
wie MAR-M200 und
UDIMET 700, wurde beispielsweise im
US-Patent
3 567 526 so geregelt, dass er 100 Teile auf die Million
(0,01 Gewichts-%) nicht überschritt,
um die Bildung von Karbiden vom MC-Typ zur vermeiden, von denen
geglaubt wurde, dass sie die Widerstandsfähigkeit der Legierungsgussteile
gegen Ermüdung
und Kriechen verringern würden.
In entsprechender Weise offenbart das
US-Patent
4 643 782 die Regelung von Spurenelementen, wie C, B, Zr,
S und Si, in der Weise, dass sie in der als CMSX-4 bekannten, Hafnium/Rhenium enthaltenden
Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung 60 Teile auf die Million
(0,006 Gewichts-%) nicht überschreiten.
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Die
Verringerung der Kohlenstoffkonzentration bei Einkristall-Superlegierungen
auf die oben genannten niedrigen Pegel berücksichtigte aber die Rolle
nicht, die Kohlenstoff bekanntlich bei mittels Vakuuminduktion erschmolzenen
Superlegierungen spielt, wo es bekannt war, dass Sauerstoff eine
Hauptquelle der Verunreinigung ist. Sauerstoff ist beispielsweise
in den Rohmaterialien, aus denen die Legierungen hergestellt werden,
und in den Materialien der Keramiktiegel, in denen die Legierungen
geschmolzen werden, vorhanden. Insbesondere werden Superlegierungsgussteile
im Allgemeinen durch Vakuuminduktionsschmelzen einer Superlegierungscharge
und dann Vakuumfeingießen
der Schmelze in geeigneten Feingussformen hergestellt. In diesen beiden
Verarbeitungsstufen werden Keramiktiegel zur Aufnahme der Superlegierungsschmelze
verwendet, und es ist bekannt, dass sie zur Verunreinigung der Legierung
mit Sauerstoff beitragen. Sauerstoff reagiert mit in den Superlegierungen
vorhandenen Elementen wie Aluminium und bildet schädliche Schlacke, die
als Einschluss ihren Weg in das Gussteil finden kann.
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Die
Hauptrolle von Kohlenstoff während
des Vakuuminduktionsschmelz- und Frischprozesses (während der
Haupt-Legierungsbildung) bestand insbesondere darin, Sauerstoff
aus der Schmelze zu entfernen. Dieser Frischvorgang wird durch das
sogenannte "Kohlenstofffrischen" (carbon boil) durchgeführt, wobei
sich der Kohlenstoff mit dem Sauerstoff in der Schmelze vereinigt,
um Kohlenmonoxid zu bilden, welches durch das während des Induktionsschmelzvorgangs
vorhandene Vakuum entfernt wird. Die bei Einkristall-Superlegierungen
in der Stufe der Hitzeformung vorhandenen niedrigen Kohlenstoffpegel
vernachlässigten
jedoch im Wesentlichen das Kohlenstofffrischen, das vorher bei der
Herstellung von Superlegierungen vorhanden gewesen war.
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Es
wurde festgestellt, dass sich bei der Herstellung einer einzelnen
Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung für Anwendungen bei Einkristall-Turbinenschaufelgussteilen
ein Reinheitsproblem ergab. Diese Superlegierung ist in den
US-Patenten 4 116 723 und
4 209 348 beschrieben (und
wird im Nachfolgenden als LEGIERUNG A bezeichnet) und enthielt zu
dem Zeitpunkt, zu dem das Reinheitsproblem beobachtet wurde, in
Gewichts-% ungefähr
5,0% Co, 10,0% Cr, 4,0% W, 1,4% Ti, 5,0% Al, 12,0% Ta, 0,003% B,
0,0075% Zr, 0,00-0,006% C und Rest-Ni. Als Antwort auf das Reinheitsproblem
wurde der Kohlenstoffgehalt der Superlegierung in einem Versuch,
ein Kohlenstofffrischen während
der Stufe der Hitzeeinstellung zu erzeugen, in der Stufe der Hitzeeinstellung
auf 200 Teile auf die Million (0,02 Gewichts-%) erhöht. Es hat sich
herausgestellt, dass diese Maßnahme
die Reinheit von Einkristall-Superlegierungsgussteilen, die aus
der abgeänderten
Legierungseinstellung hergestellt wurden, verbesserte. Ein Kohlenstoffgehalt
der Legierung von 400 ppm (Teilen auf die Million) ergab eine weitere
Verbesserung der Legierungsreinheit. Der Kohlenstoffgehalt des Legierungsgussblocks
und des Feingussteils dieser Superlegierung wird nun von dem Gasturbinenhersteller
als annehmbar spezifiziert, wenn er im Bereich zwischen 0 und einem
Maximum von 500 ppm liegt. Die obere oder Maximalgrenze an Kohlenstoff
wird von dem Hersteller auf der Grundlage, dass die Bildung von
Karbidausfällungen
oder -teilchen in dem Einkristall-Feingussteil verhindert wird,
spezifiziert.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Nickelbasis-Superlegierungsmischungen
mit für
die betroffenen Legierungsmischungen optimierten Kohlenstoffkonzentrationen
bereitzustellen, insbesondere hinsichtlich der Konzentrationen der
in einer bestimmten Legierungsmischung vorhandenen starken Karbidformer Titan,
Tantal und Wolfram.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer
wie oben beschriebenen Nickelbasis-Superlegierung durch eine Kohlenstoffkonzentration
von 0,04 bis 0,06% Gewichts-% gelöst, was zu einer erhöhten Reinheit eines
daraus hergestellten Einkristall-Gussteils führt.
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Die
vorliegende Erfindung ist mit der Entdeckung verbunden, dass die
Kohlenstoffkonzentration in einem bestimmten Wertebereich in Abhängigkeit
von einer Kombination von Faktoren, die bisher nicht erkannt wurden,
geregelt werden sollte, um optimale Reinheit (d.h. verminderte Pegel
von nichtmetallischen Einschlüssen)
von vakuuminduktionsgeschmolzenen Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungsschmelzen
und den daraus hergestellten Gussteilen zu erreichen. Insbesondere
wird die Kohlenstoffkonzentration in Abhängigkeit von der Notwendigkeit,
eine Kohlenstofffrischen zu bewirken, um Sauerstoff aus der Schmelze
zu entfernen, und von der Notwendigkeit, eine Überreaktion des Kohlenstoffs
mit keramischen Tiegelmaterialien, was das übermäßige Einbringen von Sauerstoff
in die Schmelze zur Folge haben könnte, zu verhindern, sowie
von der Menge der in der Superlegierung vorhandenen starken Karbidformer,
insbesondere Ti, Ta und W, geregelt. Die Kohlenstoffkonzentration
wird daher so geregelt, dass nicht nur das Kohlenstofffrischen und
die Begrenzung von übermäßigen Kohlenstoff-/Tiegelkeramikreaktionen
bewirkt wird, sondern auch die Reaktion zwischen Kohlenstoff und
den oben erwähnten
in der Superlegierung vorhandenen starken Karbidformern. Die Regelung
des Kohlenstoffgehalts der Superlegierung in Abhängigkeit von diesen Faktoren
ist angesichts der vorhandenen relativ niedrigen Kohlenstoffpegel
insbesondere für
Einkristall-Superlegierungen wichtig.
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Erfindungsgemäß wird die
Kohlenstoffkonzentration einer bestimmten Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung
so geregelt, dass für
einen minimalen Kohlenstoffgehalt gesorgt wird, um das Kohlenstofffrischen
einzuleiten, und für
einen maximalen Kohlenstoffgehalt, bei dem die Reaktionen zwischen
Kohlenstoff und Tiegelkeramik die Frischwirkung des Kohlenstoffrischens überwiegen
würde,
wobei diese minimalen und maximalen Kohlenstoffgehalte von der Menge
der in der Superlegierung vorhandenen starken Karbidformer beeinflusst
werden, und entsprechend festgelegt und geregelt werden. Innerhalb
der minimalen und maximalen Kohlenstoffgehalte gibt es einen optimalen
Kohlenstoffgehalt für
die Reinheit, der von der Menge der in der Superlegierung vorhandenen
starken Karbidformer abhängt.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung hat eine Re und Ti enthaltende Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung
eine Zusammensetzung, die in Gewichts-% im Wesentlichen aus 9,3-10,0%
Co, 6,4-6,8% Cr, 0,5-0,7% Mo, 6,2-6,6% W, 6,3-6,7% Ta, 5.45-5.75%
Al, 0,8-1,2% Ti, 0,07-0,12% Hf, 2,8-3,2% Re, und als Rest im Wesentlichen
Ni und Kohlenstoff besteht, wobei der Kohlenstoff im Bereich von
ungefähr
0,01 bis ungefähr
0,08 Gewichts-% (100 bis 800 Teile auf die Million) liegt, um die
Reinheit eines daraus hergestellten Einkristall-Feingussteils zu
erhöhen.
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Diese
Superlegierung kann in einem Umschmelzgussblock bereitgestellt werden,
so dass das Vakuuminduktions-Umschmelzen des Gussblocks ein Kohlenstofffrischen
bewirkt, um den Sauerstoffgehalt der Umschmelze zu vermindern. Diese
Superlegierung kann auch in einem aus dem umgeschmolzenen Gussblock
hergestellten Feingussteil bereitgestellt werden.
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Für einen
Gussblock mit dieser Superlegierungs-Zusammensetzung ergibt die
Regelung des Kohlenstoffgehalts innerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs
eine zehnfache Verbesserung der Reinheit; das heißt eine
zehnfache Verminderung der in dem umgeschmolzenen Gussblock vorhandenen
nichtmetallischen Einschlüsse.
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Der
Kohlenstoffgehalt und der Gehalt an den starken Karbidformern Ti,
Ta und W in einer Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung können auch
der folgenden Beziehung entsprechen: %Ti + %Ta + %W = 3,8 + (10,5 × %C), um
die Reinheit der Legierung zu verbessern, wobei die % Atomprozent
sind.
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Die
vorgenannten Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
aus den folgenden Zeichnungen und der Detailbeschreibung leichter
ersichtlich werden.
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In
den Zeichnungen ist
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1 ein
Schaubild des Kohlenstoffgehalts (ppm – Teile auf die Million) über den
Einschluss-N.O.R.A.-Werten (cm2/kg auf einer
logarithmischen Skala) für
eine als CMSX-4 bezeichnete, Re und Ti enthaltende Nickelbasis-Superlegierung;
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2 ein
Schaubild des Kohlenstoffgehalts (ppm) über den Einschluss-N.O.R.A.-Werten (cm2/kg auf einer linearen Skala) für eine andere,
als AM1 bezeichnete Nickelbasis-Superlegierung;
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3 ein
Schaubild des Kohlenstoffgehalts (Atomprozent) für maximale Reinheit über der
Summe (Atomprozent) der starken Karbidformer Ti, Ta und W.
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Die
Kohlenstoffkonzentration für
eine bestimmte Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung wird erfindungsgemäß so geregelt,
dass ein minimaler Kohlenstoffgehalt bereitgestellt wird, um das
Kohlenstofffrischen einzuleiten, und ein maximaler Kohlenstoffgehalt,
bei dem die Reaktionen zwischen Kohlenstoff und Tiegelkeramik die
Frischwirkung des Kohlenstofffrischens überwiegen würde, wobei diese minimalen
und maximalen Kohlenstoffgehalte auch in Abhängigkeit von der Menge der
in der Superlegierung vorhandenen starken Karbidformer geregelt
werden. Innerhalb der minimalen und maximalen Kohlenstoffgehalte
gibt es einen optimalen Kohlenstoffgehalt für die Reinheit, der von der
Menge der in der Superlegierung vorhandenen starken Karbidformer
abhängt.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden umgehend mit Bezug auf die
Veränderung
der Kohlenstoffpegel zweier Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen,
die kommerziell als CMSX-4 und AM1 bekannt sind, erläutert werden.
Die CMSX-4-Superlegierung ist eine Re und Ti enthaltende Legierung,
auf die die Erfindung insbesondere anwendbar ist. Die Zusammensetzungen
von CMSX-4 und AM1 werden im Folgenden in Gewichts-% angegeben:
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CMSX-4
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9,3-10,0%
Co, 6,4-6,8% Cr, 0,5-0,7% Mo, 6,2-6,6% W, 6,3-6,7% Ta, 5.45-5.75% Al, 0,8-1,2%
Ti, 0,07-0,12% Hf, 2,8-3,2% Re, maximal 0,0025% B, maximal 0,0075%
Zr, und als Rest im Wesentlichen Ni und C, wobei C als maximal 0,006%
(60 Teile auf die Million) spezifiziert ist.
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AM1
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6,0-7,0%
Co, 7,0-8,0% Cr, 1,8-2,2% Mo, 5,0-6,5% W, 7,5-8,5% Ta, 5.1-5.5% Al, 1,0-1,4%
Ti, maximal 0,01% B, maximal 0,01% Zr, und als Rest im Wesentlichen
Ni und C, wobei C als maximal 0,01% (100 Teile auf die Million)
spezifiziert ist.
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Es
wurden vier Chargen von CMSX-4 und vier Chargen von AM1 mit entsprechenden
Kohlenstoff-Zielpegeln von weniger als 60 (was der Spezifikation
der kommerziellen Legierung entspricht), 200, 500 und 1000 Teilen
auf die Million angesetzt, um die Wirkung höherer Kohlenstoffgehalte zu
erproben. Jede Charge wurde in Stahlrohrformen mit einem Durchmesser
von ungefähr
8,89 cm (3,5 Zoll) gegossen, was aus jeder Stahlform einen Legierungsblock
von 80 Pfund (pound) erzeugte. Jede Charge wurde in einem Aluminiumkeramiktiegel bei
einem Vakuum von 5 Mikrometern unter Verwendung von 100% Altmaterial
vakuuminduktionsgeschmolzen.
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Die
analysierten chemischen Zusammensetzungen jedes Gussblocks (Charge)
werden im Folgenden in den Tabellen 1 bis 8 dargestellt. TABELLE 1
| C .0052% | Si
.02% | Mn .01% | Co 9.49% | Ni
Bal. | Cr 6.22% | Fe .05% | Mo .58% | W 6.42% | P .002% |
| Ti
97% | Al 5.70% | Cb < .01% | Ta 6.49% | V
.02% | B .0022% | S .0007% | Zr < .01% | Cu < .01% | Hf
.08% |
| Pb | Bi | Ag | Se | Te | Tl | Mg .0005% | N | O | Nv |
| Al
+ Ti | Cb
+ Ta | Ni
+ Co | W
+ Mo | Sn | Sb | Re 2.89% | Y .001% | Pt
.02% | Zn |
| Cd | As | Ga | Th | In | H | Al
+ Ta 12.18% | | | |
TABELLE 2
| C .0193% | Si
.02% | Mn .01% | Co 9.52% | Ni
Bal. | Cr 6.20% | Fe .06% | Mo .58% | W 6.52% | P .002% |
| Ti
.95% | Al 5.65% | Cb .01% | Ta 6.40% | V
.02% | B .0022% | S .0003% | Zr < .01% | Cu < .01% | Hf
%.08 |
| Pb | Bi | Ag | Se | Te | Tl | Mg < .0005 % | N | O | Nv |
| Al
+ Ti | Cb
+ Ta | Ni
+ Co | W
+ Mo | Sn | Sb | Re 2.94% | Y .001% | Pt | Zn |
| Cd | As | Ga | Th | In | H | | | | |
TABELLE 3
| C .0560% | Si
.02% | Mn .01% | Co 9.47% | Ni
Bal. | Cr 6.21% | Fe .04% | Mo .58% | W 6.38% | P .002% |
| Ti
.97% | Al 5.69% | Cb < .01% | Ta 6.48% | V
.02% | B .0021% | S .0003% | Zr < .01% | Cu < .01% | Hf
.09% |
| Pb | Bi | Ag | Se | Te | Tl | Mg < .0005 % | N | O | Nv |
| Al
+ Ti | Cb
+ Ta | Ni
+ Co | W
+ Mo | Sn | Sb | Re 2.89% | Y < .001 % | Pt
.01% | Zn |
| Cd | As | Ga | Th | In | H | Al
+ Ta 12.17% | | | |
TABELLE 4
| C .0970% | Si
.02% | Mn .01% | Co 9.47% | Ni
Bal. | Cr 6.26% | Fe .05% | Mo .58% | W 6.28% | P
.001 % |
| Ti 1.00% | Al 5.75% | Cb < .01% | Ta 6.61% | V
.02% | B .0021% | S .0004% | Zr < .01% | Cu < .01 % | Hf
.09% |
| Pb | Bi | Ag | Se | Te | Tl | Mg .0005% | N | O | Nv |
| Al
+ Ti | Cb
+ Ta | Ni
+ Co | W
+ Mo | Sn | Sb | Re 2.80% | Y < .001% | Pt
.02% | Zn |
| Cd | As | Ga | Th | In | H | Al
+ Ta 12.36% | | | |
TABELLE 5
| C .0131% | Si
.04% | Mn .01% | Co 6.43% | Ni
BAL. | Cr 7.44% | Fe .08% | Mo
2.01 % | W 5.40% | P < .002% |
| Ti 1.29% | Al 5.30% | Cb < .01% | Ta 8.19% | V
.01% | B .002% | S < .001% | Zr .005% | Cu < .001% | Hf < .01% |
| Pb | Bi | Ag | Se | Te | Tl | Mg < .0005% | N | O | Nv |
| Al
+ Ti | Cb
+ Ta | Ni
+ Co | W
+ Mo | Sn | Sb | Re .01% | Y .001% | Pt
.24% | Zn |
| Cd | As | Ga | Th | In | H | | | | |
TABELLE 6
| C
.0332% | Si
.04% | Mn
.01% | Co
6.60% | Ni
BAL. | Cr
7.39% | Fe
.09% |
| Ti
1.23% | Al
5.27% | Cb < .01% | Ta
7.89% | V
.01% | B
.002% | S < .001% |
| Pb | Bi | Ag | Se | Te | Tl | Mg < .0005% |
| Al
+ Ti | Cb
+ Ta | Ni
+ Co | W
+ Mo | Sn | Sb | Re
.04% |
| Cd | As | Ga | Th | In | H | |
TABELLE 7
| C .0558% | Si
.04% | Mn .01% | Co 6.58% | Ni
BAL. | Cr 7.34% | Fe .09% | Mo 1.98% | W 5.66% | P < .002% |
| Ti 1.23% | Al 5.28% | Cb < .01% | Ta 7.87% | V
.01% | B .002% | S < .001% | Zr .003% | Cu < .001% | Hf < .01% |
| Pb | Bi | Ag | Se | Te | Tl | Mg < .0005% | N | O | Nv |
| Al
+ Ti | Cb
+ Ta | Ni
+ Co | W
+ Mo | Sn | Sb | Re < .01% | Y .002% | Pt
.02% | Zn |
| Cd | As | Ga | Th | In | H | | | | |
TABELLE 8
| C .0862% | Si
.04% | Mn .01% | Co 6.55% | Ni
BAL. | Cr
7.37 | Fe .10% | Mo 1.98% | W 5.59% | P < .002% |
| Ti 1.24% | Al 5.27% | Cb < .01% | Ta 7.90% | V
.01% | B .002% | S < .001% | Zr .003% | Cu < .001% | Hf < .01% |
| Pb | Bi | Ag | Se | Te | Tl | Mg < .0005% | N | O | Nv |
| Al
+ Ti | Cb
+ Ta | Ni
+ Co | W
+ Mo | Sn | Sb | Re .01% | Y .001% | Pt
.07% | Zn |
| Cd | As | Ga | Th | In | H | | | | |
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Es
ist offensichtlich, dass die Zusammensetzung jeder Charge nahe bei
dem Kohlenstoff-Zielpegel lag, mit Ausnahme der AM1-Charge wie erhalten,
deren Analyse 131 Teile C auf die Million ergab, anstatt dem kommerziell
spezifizierten Maximum von 100 Teilen auf die Million.
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Von
jedem der acht Gussblöcke
(Chargen) von CMSX-4 und AM1 wurden vier Proben (von denen jede ungefähr 650 Gramm
wog) entnommen, um EB-(Elektronenstrahl-)
Knopfschmelzen durchzuführen
und den Einschlussgehalt zu bestimmen. Dadurch wurden vier Datenpunkte
für die
Einschlüsse
erhalten, für
jeden Kohlenstoffpegel für
jede Legierung. Ingesamt wurden 32 Knöpfe geschmolzen und auf ihren
Einschlusspegel getestet.
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Der
Elektronenstrahlknopftest umfasste das Tropfenschmelzen jeder über einem
wassergekühlten Kupferherd
aufgehängten
650 Gramm-Probe in den Herd bei einem Vakuum von 0,1 Mikrometer
und dem Schmelzen der Probe bei einem Leistungspegel von 11,5 Kilowatt.
Das Schmelzprogramm wurde für
ungefähr 8
Minuten geregelt und erzeugte eine 450-Gramm-Probe in der Form eines
großen,
halbkugelförmigen
Knopfs.
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Die
Analyse der Elektronenstrahlknöpfe
wurde mittels der Aufnahme optischer Fotografien und der Messung
der Fläche
nichtmetallischer Einschlüsse,
die an die Oberfläche
des Knopfes aufschwimmen, da sie leichter als die Legierung sind,
durchgeführt.
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Die
Ergebnisse der CMSX-4- und AM1-Knopfproben werden als normalisierte
(NORA) Oxid-Floßflächenwerte
(die auf ein konstantes Gewicht normalisiert sind) ausgedrückt und
werden in den folgenden Tafeln 9 und 10 dargestellt. TABELLE 9
| "Wie vorhanden" | 52
pp C Aktuell |
| | |
| Seriennummer | Nora × 10–3 (cm2/kg) |
| | |
| 1 | 4499,02 |
| 2 | 722,50 |
| 3 | 484,80 |
| 4 | 592,49 |
| | |
| Durchschnittlicher
Nora-Wert | 1574,70 |
| Standardabweichung | 1690,45 |
| | |
| "200" ppm C | 193
ppm C Aktuell |
| | |
| Seriennummer | Nora × 10–3 (cm2/kg) |
| | |
| 1 | 232,72 |
| 2 | 57,75 |
| 3 | 86,21 |
| 4 | 333,31 |
| | |
| Durchschnittlicher
Nora-Wert | 177,50 |
| Standardabweichung | 111,81 |
| | |
| "500" ppm C | 560
ppm C Aktuell |
| | |
| Seriennummer | Nora × 10–3 (cm2/kg) |
| | |
| 1 | 205,76 |
| 2 | 11,97 |
| 3 | 56,57 |
| 4 | 37,14 |
| | |
| Durchschnittlicher
Nora-Wert | 77,86 |
| Standardabweichung | 75,52 |
| "1000" ppm C | 970
ppm C Aktuell |
| | |
| Seriennummer | Nora × 10–3 (cm2/kg) |
| | |
| 1 | 409,57 |
| 2 | 258,81 |
| 3 | 1708,46 |
| 4 | 241,47 |
| | |
| Durchschnittlicher
Nora-Wert | 654,58 |
| Standardabweichung | 611,96 |
TABELLE 10
| "Wie vorhanden" | 131
ppm C Aktuell |
| | |
| Seriennummer | Nora × 10–3 (cm2/kg) |
| | |
| 1 | 1385,93 |
| 2 | 1160,62 |
| 3 | 933,73 |
| 4 | 388,77 |
| | |
| Durchschnittlicher
Nora-Wert | 967,26 |
| Standardabweichung | 370,28 |
| "200" ppm C | 332
ppm C Aktuell |
| | |
| Seriennummer | Nora × 10–3 (cm2/kg) |
| | |
| 1 | 903,97 |
| 2 | 1249,98 |
| 3 | 638,85 |
| 4 | 387,82 |
| | |
| Durchschnittlicher
Nora-Wert | 795,15 |
| Standardabweichung | 319,78 |
| | |
| "500" ppm C | 558
ppm C Aktuell |
| | |
| Seriennummer | Nora × 10–3 (cm2/kg) |
| | |
| 1 | 637,24 |
| 2 | 1066,03 |
| 3 | 341,29 |
| 4 | 154,32 |
| | |
| Durchschnittlicher
Nora-Wert | 549,72 |
| Standardabweichung | 344,24 |
| | |
| "1000" ppm C | 862
ppm C Aktuell |
| | |
| Seriennummer | Nora × 10–3 (cm2/kg) |
| | |
| 1 | 951,28 |
| 2 | 841,46 |
| 3 | 1266,96 |
| 4 | 262,16 |
| | |
| Durchschnittlicher
Nora-Wert | 830,46 |
| Standardabweichung | 363,39 |
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Die
durchschnittlichen NORA-Werte sowie die maximalen Höchst- und
Tiefstwerte sind für
die CMSX-4- und AM1-Proben jeweils in den 1 bzw. 2 gezeigt.
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Mit
Bezug auf die 1 zeigen die CMSX-4-Elektronenstrahlknopfproben
mit zunehmenden Kohlenstoffkonzentrationen eine Tendenz zu zunehmender
Reinheit. Es ist wichtig, dass zwischen der 113 ppm C-Probe und
der 560 ppm C-Probe eine Verbesserung (Abnahme der durchschnittlichen
NORA-Werte) um eine Größenordnung
(zehnfach) beobachtet wird. Andererseits zeigt die 970 ppm C-Probe
eine Erhöhung
der durchschnittlichen NORA-Werte, aber der durchschnittliche NORA-Wert
ist immer noch leicht unter demjenigen für die 113 ppm C-Probe. Die
Erhöhung
des durchschnittlichen NORA-Werts für die 970 ppm C-Probe kann
der Reaktion zwischen Kohlenstoff und dem Keramiktiegel, die mit
der Kohlenstofffrischreaktion in Wettbewerb steht und ihre Wirksamkeit
vermindert, zugerechnet werden.
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Aus
der 1 scheint sich zu ergeben, dass der Kohlenstoffbereich
für erhöhte Reinheit
von ungefähr 400
Teilen auf die Million (0,04 Gewichts-%) bis ungefähr 600 Teilen
auf die Million (0,06 Gewichts-%) reicht. Dieser Bereich des Kohlenstoffgehalts
für optimale
Reinheit steht im Gegensatz zu der kommerziellen Kohlenstoffspezifikation
von maximal 60 Teilen auf die Million für die CMSX-4-Legierung.
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Mit
Bezug auf die 2 zeigen die AM1-Knopfproben
eine ähnliche
Tendenz von mit zunehmenden Kohlenstoffkonzentrationen zunehmender
Reinheit. Es ist wichtig, dass bei der 558 ppm C-Probe im Vergleich zu
der 131 ppm C-Probe
eine 50%-ige Abnahme der durchschnittlichen NORA-Werte beobachtet
wird. Die beobachtete Wirkung des Kohlenstoffgehalts auf die Reinheit
ist bei den AM1-Proben geringer als die bei den CSMX-4-Proben beobachtete
Wirkung. Die weniger günstige
Wirkung des Kohlenstoffs auf die Reinheit kann dem viel höheren Kohlenstoffpegel
(131 Teile auf die Million) der kommerziell erhaltenen Probe zugerechnet werden.
Aber sogar dann wird eine 50%-ige Verminderung der durchschnittlichen
NORA-Werte bei den 558 ppm C-Proben erreicht.
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Die
862 ppm C-Probe von AM1 zeigt eine Zunahme der durchschnittlichen
NORA-Werte, aber der durchschnittliche NORA-Wert ist immer noch
leicht unter demjenigen für
die 131 ppm C-Probe. Die Zunahme des durchschnittlichen NORA-Werts
der 862 ppm-Probe kann der Reaktion zwischen Kohlenstoff und dem
Keramiktiegel zugeschrieben werden, die die Wirksamkeit des Kohlenstofffrischens
vermindert, wie dies schon bei der CMSX-4-Legierung beobachtet wurde.
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Aus
der 2 scheint sich zu ergeben, dass der Kohlenstoffbereich
für erhöhte Reinheit
von ungefähr 500
Teilen auf die Million (0,05 Gewichts-%) bis ungefähr 600 Teilen
auf die Million (0,06 Gewichts-%) reicht. Dieser Bereich des Kohlenstoffgehalts
für optimale
Reinheit steht im Gegensatz zu der kommerziellen Kohlenstoffspezifikation
von maximal 100 Teilen auf die Million für die AM1-Legierung.
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In
den Tabellen 11 und 12 sind die nominellen chemischen Zusammensetzungen
von Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen und der Kohlenstoffgehalt
für maximale
Reinheit, wie er durch Elektronenstrahl-Knopfproben und die oben
für die
CMSX-4- und AM1-Legierungen beschriebenen Analyseverfahren bestimmt
wurde, jeweils in Gewichts-% bzw. in Atomprozent gezeigt. TABELLE 11 (Chemische Zusammensetzung in Gewichts-%)
| | LEGIERUNG
A* | LEGIERUNG
B* | CMSX-4 |
| | | | |
| C | 600
ppm | 200
ppm | 400
ppm |
| Co | 5,0 | 10,0 | 9,6 |
| Ni | Rest | Rest | Rest |
| Cr | 10,0 | 5,0 | 6,6 |
| Mo | – | 1,9 | ,6 |
| W | 4,0 | 5,9 | 6,5 |
| Ti | 1,4 | – | 1,0 |
| Al | 5,0 | 5,7 | 5,6 |
| Ta | 12,0 | 8,7 | 6,5 |
| Re | – | 3,0 | 3,0 |
| Hf | – | ,10 | ,10 |
TABELLE 12 (Chemische Zusammensetzung in Atomprozent) | | LEGIERUNG
A | LEGIERUNG
B | CMSX-4 |
| | | | |
| C | ,3 | ,1 | ,2 |
| Co | 5,2 | 10,5 | 9,9 |
| Ni | Rest | Rest | Rest |
| Cr | 11,7 | 6,0 | 7,7 |
| Mo | – | 1,2 | ,4 |
| W | 1,3 | 2,0 | 2,1 |
| Ti | 1,8 | – | 1,3 |
| Al | 11,2 | 13,1 | 12,6 |
| Ta | 4,0 | 3,0 | 2,2 |
| Re | – | 1,0 | 1,0 |
| Hf | – | ,1 | ,1 |
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Wie
oben erwähnt,
wird der Kohlenstoffgehalt erfindungsgemäß in Abhängigkeit von der Menge der
in der Legierungszusammensetzung vorhandenen starken Karbidformer
Ti, Ta und W geregelt. Die Wirkung ist am klarsten erkennbar, wenn
die Zusammensetzungen der Superlegierung in Atomprozent wie in Tabelle
12 dargestellt ausgedrückt
werden, und wenn der Kohlenstoffgehalt für maximale Reinheit über den
Atomprozent Kohlenstoff aufgetragen wird, wie in 3 für die oben
erwähnten
Einkristall-Superlegierungen gezeigt. Man erkennt, dass es eine
direkte Beziehung zwischen der Menge der starken Karbidformer Ti,
Ta und W und dem Kohlenstoffgehalt für maximale Reinheit der Legierung
gibt. Folglich brauchen Superlegierungen mit relativ hohen Gehalten
an starken Karbidformern (Gesamtheit starker Karbidformer) höhere Kohlenstoffgehalte,
um das Kohlenstofffrischen für
maximale Reinheit aufrechtzuerhalten. Der Kohlenstoffgehalt sollte
aber dennoch begrenzt werden, um übermäßige Kohlenstoff-/Keramikreaktionen
zu vermeiden, die der Schmelze Sauerstoff zuführen können. Für jede Superlegierungs-Zusammensetzung gibt
es daher einen Bereich von Kohlenstoffgehalten für das Verbessern der Reinheit.
Die obigen 1 und 2 erläutern diese
Wirkungen für
die Re und Ti enthaltenden CMSX-4- und AM1-Legierungen.
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Insbesondere
wird der Kohlenstoffgehalt für
eine bestimmte Nickelbasis-Superlegierung
mit Ti, Ta und W als starken Karbidformern gemäß der Beziehung %Ti + %Ta +
%W = 3,8 + (10,5 × %C)
bereitgestellt, um die Reinheit der Legierung zu verbessern, wobei
die Prozente in Atomprozent angegeben sind.
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Die 1 veranschaulicht,
dass die Erfindung die Reinheit der Re, Hf und Ti enthaltenden CMSX-4-Legierung
wirksam verbessert. Wie oben erwähnt,
hat diese Legierung zur Zeit ein spezifiziertes Kohlenstoffmaximum
von lediglich 60 Teilen auf die Million, im Vergleich zu den 400
Teilen auf die Million, die die Erfindung für maximale Reinheit bereitstellt;
d.h. eine zehnfache Verringerung des NORA-Werts.
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Obwohl
das Schmelzen der Legierung in den oben beschriebenen Beispielen
in keramischen Tiegeln durchgeführt
wurde, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt und kann unter Verwendung
anderer Schmelztechniken ausgeführt
werden wie dem Elektronenstrahl-Kaltherdschmelzen (-frischen), bei
dem wassergekühlte
Metallschmelzgefäße (z.B.
aus Kupfer) verwendet werden. Die erfindungsgemäße Regelung des Kohlenstoffgehalts
der Legierung ist bei der Ausführung
solcher Schmelztechniken nützlich,
um die Legierungsreinheit zu verbessern.