JPH10500453A - Nickel-aluminum-base alloy between metals - Google Patents
Nickel-aluminum-base alloy between metalsInfo
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Abstract
(57)【要約】 本発明は、組織が主として二相NiAl相から成り更に元素クロム及びタンタルを有する金属間ニッケル‐アルミニウム‐ベース合金に関する。元素タンタル及びクロムの含有量は総計が最大で12原子%である。好適な含有量は0.3〜3.8原子%のタンタル及び1.0〜9.0原子%のクロムである。この金属間ニッケル‐アルミニウム‐ベース合金は特に例えば1350℃の高温での高い耐酸化性ですぐれている。この合金はそれ故例えばガスタービン羽根などの高温の連続負荷にさらされる部品の製造に適している。高い耐酸化性に基づき要求次第では付加的な酸化保護膜を省略できる。 (57) [Summary] The present invention relates to an intermetallic nickel-aluminum-based alloy whose structure consists mainly of a two-phase NiAl phase and further has the elements chromium and tantalum. The total content of elemental tantalum and chromium is at most 12 atomic%. Preferred contents are 0.3 to 3.8 atomic% tantalum and 1.0 to 9.0 atomic% chromium. This intermetallic nickel-aluminum-based alloy is distinguished by a high oxidation resistance, especially at high temperatures, for example of 1350 ° C. This alloy is therefore suitable for the production of components which are subjected to high-temperature continuous loads, for example gas turbine blades. Due to the high oxidation resistance, an additional oxidation protection film can be omitted if required.
Description
【発明の詳細な説明】 金属間ニッケル‐アルミニウム‐ベース合金 本発明は、二相NiAlを有する金属間ニッケル‐アルミニウム‐ベース合金 に関する。更に本発明はこの金属間ニッケル‐アルミニウム‐ベース合金の用途 に関する。 ドイツ特許出願公告第1812144号公報には耐酸化性の良好な高強度のニ ッケル‐アルミニウム‐材料の製造方法が記載されている。この方法ではニッケ ル粉末がアルミニウム粉末と混合され、続いてプレス及び冷間加工され、繊維状 又は薄層状の構造を有する自己担持性の一体に成っている成形体が作られる。ニ ッケル成分は少なくとも80%、アルミニウム成分は最大で20%である。一体 成形体は続いて順次高められた温度で熱間加工される。この場合ニッケル中のア ルミニウムの固溶体の他に付加的に特に化合物Ni3Alが生ずる。この固溶体 並びに化合物Ni3AlはX線分析により確かめられた。この方法でニッケルと アルミニウムの間に他の化合物が得られるかどうかはこの公告公報からは明らか でない。 本発明の課題は、ニッケル‐アルミニウム合金の熱・機械的特性を改良するこ とにある。これには特に耐熱性、耐酸化性及び耐熱衝撃性が挙げられる。本発明 の別の課題は、このように改良されたニッケル‐アルミニウム‐合金の用途を提 示することにある。 本発明によれば、ニッケル‐アルミニウム‐合金に向けられた課題は、主とし て二相NiAl並びに付加的にクロム及びタンタルを有し、、その際クロム及び タンタルの全成分量が最大で12原子%になる金属間ニッケル‐アルミニウム‐ ベース合金により解決される。二相NiAlの成分量は好適には70〜95原子 %、特に85〜90原子%である。タンタルないしクロムの好適な含有量は0. 3〜3.8原子%ないし1.0〜9.0原子%である。この範囲内において0. 3〜0.9原子%のタンタル及び1.0〜3.0原子%のクロムないし1.7〜 3.0原子%のタンタル及び6.0〜9.0原子%のクロムを使用すると有利で ある。 この場合タンタルとクロムとの比は好適には1:3以下にする。このような比 でNiAl中の置換元素の濃度が最大になる。タンタル及びクロムの添加により 金属間ニッケル‐アルミニウム‐ベース合金の二相NiAlの粒界に元素Ni、 Al、Cr及びTaが関与し得る粗大多層ラーヴェス相の析出物が生ずる。その 上NiAl粒子内には微細ラーヴェス相及びαクロムの析出物が加わる。この場 合組織は5〜11容積%のラーヴェス相、NiAl中の3〜10容積%の析出物 及び残りNiAlから成ると有利である。特に、粒界上に約11容積%のラーヴ ェス相及びNiAl中の約10容積%の析出物並びに残りNiAlを有する組織 が有利であることが判明している。 特定の特性の更なる改良は、付加的に鉄、モリブデン、タングステン及びハフ ニウムの群からの少なくとも一つの元素を合金中にそれぞれ1原子%まで、総計 でも3原子%を越えない量で含有するときに達成される。更に合金は酸素、窒素 及び硫黄などの痕跡元素並びに製造上生ずる不純物を有することがある。 上述のそれぞれの含有量でタンタル及びクロムを添加することにより、上述の 粗大ないし微細な多層ラーヴェス相及びαクロムが形成される。これらの析出物 は通常種々のNiAl粒子のくさび点上に見出される。合金元素タンタルないし クロムの量が上述の量より多くなると、析出物の成分量が好ましくない程度に増 大するおそれがある。ラーヴェス相の容積成分量が著しく増大すると、ラーヴェ ス相がマトリクス機能を引受ける細胞構造が生ずる。組織中のラーヴェス相の過 大な成分量は金属間合金を脆弱化し劣化させる。 鉄、モリブデン、タングステン、ニオブ及びハフニウムの群からの一つ又は複 数の元素をそれぞれ1原子%まで、総計でも3原子%を越えない程度まで添加す ることにより短時間負荷の際の強度の向上を達成することができる。勿論耐クリ ープ性は低減する。ハフニウムの添加により最初の腐食後酸化膜の粘着性の改良 が生ずる。 合金の用途に向けられた課題は本発明によれば、NiAl‐ベース合金により ガスタービンの部品、特にガスタービン羽根などの高温負荷を受ける部品を製造 することにより解決される。ベース合金から製造されたガスタービンの部品、特 にタービン羽根は高耐酸化性に基づき例えば1100℃以上、特に1350℃の 高温における連続使用に特に好適である。それぞれ要求に応じてこの種の部品に おいては超合金とは異なり保護膜による付加的な被層を省略することができる。 このようにその上に付加的な膜を施すことなく一元的な元素から製造されるター ビン羽根は極めて製造が容易であり、複数の膜から成るタービン羽根に比して個 々の膜間の結合の問題が解消される。 金属間ニッケル‐アルミニウム‐ベース合金は一般に、高強度、高耐熱性、良 好な強靭性、良好な耐酸化性及び良好な耐熱衝撃性を示す必要のある物品の製造 用材料としても好適である。この場合の強度は室温で0.2%の伸張限度で60 0MPa以上を示す。耐熱性は200MPa以上0.2%の伸張限度で800℃ 及び90MPa以上で1000℃である。強靭性は少なくとも7MPa/m及び 耐酸化性は5・10-14g2c-4sのオーダーである 以下の例により金属間ニッケル‐アルミニウム‐ベース合金を詳細に説明する 。 検査した合金の組成(単位原子%)は次表1に示されている。 組織の形成、即ち粒度、析出物分布及び析出物の大きさは製造プロセスにより 著しく変動する。熱力学的処理、押出しプレス(SP)又は粉末冶金学的製造ル ート(PM)の利用によりラーヴエス相粒子の分布は均質化される。 合金の機械的特性も選択された製造プロセスに著しく左右される。これらの合 金に対して以下の製造ルートが行われた。 − 鋳造技術による欠陥のない組織を作るための可能性としての指向的硬化。プ ロセスパラメータは超合金のそれに相応する(ウー・パウル著「ファウデーイー ・フォルトシュリッツベリヒト」第264号、ファウデーイー出版社参照)。 − 1250℃での不活性ガスの希釈及び引続いての熱間静水圧焼結による粉末 冶金。 − 1250℃での組織の均質化及び一定の粒径の大きさの調整のための押出し プレス。 − 多軸応力状態及び1100℃での加圧焼結。 指向的に硬化された試料は明らかに高い強度を有するのに対し、例えば押出し プレスされた材料は減少した又は著しく僅かな強度を示す。次表2には種々の合 金並びにNiAlの圧搾試験における0.2%の伸張限度を示す。 加圧試験における検査された合金の耐クリープ性(単位MPa)(1000℃ 及び1100℃での伸張速度(蛍位l/s)の関数としての二次定常的耐クリー プ性)を表3に示す。 これらの合金の耐クリープ性は比較対象の金属間相の耐クリープ性より高く、 例えば二相NiAlないしNiAlCr合金の耐クリープ性より高い。 表4aは従来の超合金、二相NiAl合金及びNiAl‐Ta‐Cr合金の加 圧試験における0.2%の伸張限度(単位MPa)の比較を示す。 0.2%の伸張限度に関しては1000℃以上の温度での本発明による合金の 優位性が明らかである。 超合金、二相NiAl合金及び開発されたNiAl‐Ta‐Cr合金の加圧試 次表4bに示す。 従来の超合金に比してNiAl‐Ta‐Cr合金は、1050℃〜1150℃ 以上でも十分な強度を有するという利点を有する。この合金には硬化相の溶解に 起因するような突然の強度の減少は生じない。 表5は種々のセラミックス並びに粉末冶金で処理され製造されたNiAl‐T a‐Cr合金の工業データ上公知の値の比較を示す。 金属間NiAl‐ベース合金の強靭性は二相NiAl及びSiCの測定データ より明らかに良好である。 本発明による合金は5・1014g2c-4sのオーダーの良好な耐酸化性を有す る。これは従って二相NiAlの耐酸化性に等しいか又はこれより良好である。 従って超合金に比して高温においても例えばセラミックス材料から成る保護膜 は不要である。これによりセラミックス成分及び金属成分間の結合の問題は解消 される。 また十分な耐熱衝撃性が示されている。1350℃においてこの合金により5 00回の温度サイクルが材料の損傷なく達成されている。The present invention relates to an intermetallic nickel-aluminum-based alloy having two-phase NiAl. The invention further relates to the use of this intermetallic nickel-aluminum-based alloy. German Patent Application Publication No. 182,144 describes a method for producing a high strength nickel-aluminum material with good oxidation resistance. In this method, nickel powder is mixed with aluminum powder, followed by pressing and cold working to produce a self-supporting monolithic body having a fibrous or lamellar structure. The nickel component is at least 80% and the aluminum component is at most 20%. The monolith is subsequently hot worked at an elevated temperature. In this case, in addition to a solid solution of aluminum in nickel, in particular the compound Ni 3 Al is formed. The solid solution and the compound Ni 3 Al were confirmed by X-ray analysis. It is not clear from this publication whether other compounds can be obtained between nickel and aluminum in this way. An object of the present invention is to improve the thermo-mechanical properties of a nickel-aluminum alloy. This includes, in particular, heat resistance, oxidation resistance and thermal shock resistance. It is another object of the present invention to provide an application of such an improved nickel-aluminum alloy. According to the invention, the problem addressed by nickel-aluminum alloys is mainly that of two-phase NiAl and additionally chromium and tantalum, with the total content of chromium and tantalum being up to 12 at. The solution is an intermetallic nickel-aluminum-based alloy. The component amount of the two-phase NiAl is preferably 70 to 95 atomic%, especially 85 to 90 atomic%. The preferred content of tantalum or chromium is 0.1. It is 3 to 3.8 atomic% to 1.0 to 9.0 atomic%. Within this range, 0. It is advantageous to use 3 to 0.9 at% tantalum and 1.0 to 3.0 at% chromium to 1.7 to 3.0 at% tantalum and 6.0 to 9.0 at% chromium. is there. In this case, the ratio of tantalum to chromium is preferably less than 1: 3. With such a ratio, the concentration of the substitution element in NiAl becomes maximum. The addition of tantalum and chromium results in the deposition of coarse multilayer Laves phases in which the elements Ni, Al, Cr and Ta can participate in the grain boundaries of the two-phase NiAl of the intermetallic nickel-aluminum-based alloy. In addition, fine Laves phase and α-chromium precipitates are added in the NiAl particles. In this case, the structure advantageously consists of 5 to 11% by volume of Laves phase, 3 to 10% by volume of precipitates in NiAl and the balance NiAl. In particular, a structure with about 11% by volume of Laves phase and about 10% by volume of precipitates in NiAl and the balance of NiAl on the grain boundaries has been found to be advantageous. A further improvement of the specific properties is additionally when the alloy contains at least one element from the group of iron, molybdenum, tungsten and hafnium in an amount of up to 1 at.% Each and not more than 3 at. Is achieved. In addition, the alloy may have trace elements such as oxygen, nitrogen and sulfur, as well as manufacturing-related impurities. By adding tantalum and chromium at the respective contents described above, the above-mentioned coarse or fine multilayer Laves phase and α-chromium are formed. These precipitates are usually found on wedge points of various NiAl particles. If the amount of the alloying element tantalum or chromium is larger than the above-mentioned amount, the amount of the components of the precipitate may increase to an undesirable extent. Significant increases in the volume content of the Laves phase result in a cellular structure in which the Laves phase assumes the matrix function. Excessive amounts of Laves phase in the structure weaken and degrade the intermetallic alloy. By adding one or more elements from the group of iron, molybdenum, tungsten, niobium and hafnium to 1 at% each, and not exceeding 3 at% in total, the strength in the case of short-time loading is improved. Can be achieved. Of course, the creep resistance is reduced. The addition of hafnium results in an improved adhesion of the oxide film after the initial corrosion. The problem directed to the use of the alloys is solved according to the invention by producing components of gas turbines, in particular components subjected to high temperature loads, such as gas turbine blades, with NiAl-based alloys. Components of gas turbines, especially turbine blades, made from the base alloy are particularly suitable for continuous use at high temperatures, for example above 1100 ° C., in particular 1350 ° C., due to their high oxidation resistance. In each case, unlike a superalloy, an additional coating with a protective film can be omitted, if desired. Thus, turbine blades made from a unitary element without an additional film thereon are extremely easy to manufacture, and the coupling between the individual films is less than that of a turbine blade consisting of multiple films. The problem is solved. Intermetallic nickel-aluminum-based alloys are also generally suitable as materials for the manufacture of articles that need to exhibit high strength, high heat resistance, good toughness, good oxidation resistance and good thermal shock resistance. The strength in this case is 600 MPa or more at room temperature with a 0.2% elongation limit. The heat resistance is 800 ° C. at an extension limit of 200 MPa or more and 0.2%, and 1000 ° C. at 90 MPa or more. The toughness is at least 7 MPa / m and the oxidation resistance is of the order of 5 · 10 −14 g 2 c −4 s The following examples illustrate the intermetallic nickel-aluminum-base alloy in detail. The composition of the tested alloys (atomic%) is shown in Table 1 below. Texture formation, ie, particle size, precipitate distribution and precipitate size, varies significantly with the manufacturing process. The distribution of Laves phase particles is homogenized by the use of thermodynamic processing, extrusion presses (SP) or powder metallurgy production routes (PM). The mechanical properties of the alloy also depend significantly on the manufacturing process chosen. The following production routes were performed for these alloys. -Directional hardening as a possibility to create a defect-free structure by casting techniques. The process parameters correspond to those of the superalloys (see Faudey Förtschlitzbergicht, No. 264, Waud Paul, Faudey Publishing). Powder metallurgy by dilution of the inert gas at 1250 ° C. and subsequent hot isostatic pressing. Extrusion press at 1250 ° C. for homogenizing the tissue and adjusting the size of the constant particle size. -Multiaxial stress conditions and pressure sintering at 1100 ° C. Directional cured samples have a distinctly higher strength, whereas, for example, extruded materials exhibit reduced or significantly lower strength. Table 2 below shows the 0.2% elongation limits in the squeeze tests for various alloys and NiAl. Table 3 shows the creep resistance (in MPa) of the tested alloys in the pressure test (second-order stationary creep resistance as a function of the elongation rate at 1000 ° C. and 1100 ° C. (fluorescent l / s)). . The creep resistance of these alloys is higher than the creep resistance of the intermetallic phase to be compared, for example higher than that of the two-phase NiAl or NiAlCr alloy. Table 4a shows a comparison of the 0.2% elongation limit (in MPa) in a pressure test of a conventional superalloy, a two-phase NiAl alloy and a NiAl-Ta-Cr alloy. The advantage of the alloy according to the invention at temperatures above 1000 ° C. is clearly evident for the 0.2% elongation limit. Pressurization test of superalloy, two-phase NiAl alloy and developed NiAl-Ta-Cr alloy It is shown in the following Table 4b. Compared to conventional superalloys, NiAl-Ta-Cr alloys have the advantage of having sufficient strength even at 1050 ° C to 1150 ° C or higher. The alloy does not experience a sudden loss of strength due to the dissolution of the hardened phase. Table 5 shows a comparison of the values known from the industrial data for various ceramics and NiAl-Ta-Cr alloys processed and produced by powder metallurgy. The toughness of the intermetallic NiAl-based alloy is clearly better than the measured data for two-phase NiAl and SiC. The alloy according to the invention has good oxidation resistance on the order of 5.10 14 g 2 c -4 s. This is therefore equal to or better than the oxidation resistance of the two-phase NiAl. Therefore, a protective film made of, for example, a ceramic material is unnecessary even at a high temperature as compared with a superalloy. This solves the problem of bonding between the ceramic component and the metal component. In addition, sufficient thermal shock resistance is shown. At 1350 ° C., 500 temperature cycles have been achieved with this alloy without material damage.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ザウトホフ、ゲルハルト ドイツ連邦共和国 デー−40880 ラチン ゲン ハーゼルヌスヴエーク 1 (72)発明者 ツオイマー、ベネデイクト ドイツ連邦共和国 デー−40211 デユツ セルドルフ シユツエンシユトラーセ 49────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventors Sauthof, Gerhard Germany Day 40880 Latin Gen Haselnusweg 1 (72) Inventor Tuoimer, Benedict Federal Republic of Germany Day-40211 Deutz Seldorf Schützienstraße 49
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