NL8204493A - Nikkelbasis-superlegering. - Google Patents

Description

-1- i *

Nikkelbasis-superlegering.

De uitvinding heeft betrekking op nikkelbasis-super-legeringan die zowel exceptionele bestendigheid tegen oxydatie hebben, alsook exceptionele raechanische eigen-schappen bij hoge temperatuur.

5 Eerdere onderzoekers hebben gewerkt met legeringen, gebaseerd op het Ni-Al-Mo systeem. Dit werk wordt behan-deld in de Amerikaanse octrooischriften 2.542.962 en 3.933.483.

Het Amerikaanse octrooischrift 3.904.403 stelt de 10 toevoeging voor van 0,1-3 atoom % (totaal) van §£n of meer elementen uit de groep, welke omvat Cr, Ta, en W, aan de Ni-Ai-Mo type legeringen.

Volgens de onderhavige uitvinding wordt een klasse nikkelbasis superlegeringen verschaft met aanzienlijk ver-15 hoogde oxydatiebestendigheid door de toevoeging van ge-coordineerde hoeveelheden van Cr, Ta en Y. Een verbeterd oxydatiegedrag wordt verkregen zonder merkbare achteruit-gang in mechanische eigenschappen.

Hat brede samenstellingsgebied is 5,8-7,8% Al, 20 8-12% Mo, 4-8% W, 2-4% Cr, 1-2% Ta, 0-0,3% Hf, 0,01-0,1% Y, balans ir^wezen nikkel. Een voorkeursgebied is 6,3-7,3% Al, 8,5-11,5% Mo, 5-7% W, 2,5-3,5% Cr, 1-2% Ta, 0,05-0,2% Hf, 0,01-0,07% Y.

Legeringen binnen deze gebieden kunnen worden gefa-25 briceerd tot bruikbare voorwerpen onder toepassing van poedermetallurgy-technieken of door vorm te gieten en ver-volgens een warmtebehandeling te geven.

Dienovereenkomstig is het een doel van de uitvinding om oxydatiebestendiop nikkelbasis-superlegeringen van hoge 30 sterkte te verschaffen.

Dit en andere doeleinden, kenmerken en voordelen van de uitvinding zullen thans nader worden toegelicht aan de hand van de volgende beschrijving van voorkeursuitvoeringen onder verwijzing naar de tekening.

35 -...a Daarin toont fig.l het effect van het varieren van het yttriumgehalte op het oxydatiegedrag.

De fig. 2A, 2B en 2C zijn aftastingselectronernnicro- 8204493 V k * ώ grafen, waarin de oxydemcrf ologie, verkregen met verschil-lende yttriumgehaltes.

Fig.3 illustreert het effect van het varieren van het chroomgehalte op het oxydatiegedrag bij 1093°C.

5 Fig.4 illustreert het effect van het varieren van het chroomgehalte op het oxydatiegedrag bij 1149°C.

Fig.5 illustreert het breukbelastingsgedrag van verschillende legeringen.

De uitvinding heeft betrekking op een nikkelbasis 10 superlegering met een specifiek en nauw samenstellingsge-bied, dat een exceptionele combinatie verschaft van oxydatiebestendigheid en mechanische eigenschappen bij hoge temperatuur.

De brede en geprefereerde samenstellingsgebieden 15 zijn gegeven in de tabellen A en B. Deze tabellen zijn gegeven in gewichtspercentage evenals alle andere percen-tagewaarden in de onderhavige beschrijving, tenzij anders aangegeven. Tabel A geeft tevens de equivalentwaarden in atoom %-ten. De bijzondere combinatie van de Ni-Al-Mo 20 constituenten is in bepaalde opzichten overeenkomstig aan die, beschreven in de Amerikaanse octrooischriften 2.542.962, 3.655.462, 3.904.403 en 3.933.483. Het is bekend, dat Ni-Al-Mo legeringen exceptionele mechanische eigenschappen bezitten, tot nog toe was evenwel hun oppervlaktesta-25 biliteit en oxydatiebestendigheid onvoorspelbaar en margi^-naal voor langdurige toepassingen.

Het wezen van de onderhavige uitvinding is de toe-voeging van zorgvuldig gecoordineerde hoeveelheden Cr, Ta, Y en desgewenst Hf aan deze Ni-Al-Mo legeringen,teneinde 30 de oxydatiebestendigheid drastisch te verbeteren, terwijl tegelijk de mechanische eigenschappen worden bewaard of verbeterd.

Het doel van de Cr toevoeging met het oog op de oxydatiebestendigheid is het bevorderen van de vorming van 35 a^2°3 oxy^e“ in plaats van een oxyde, gebaseerd op NiO.

Voor dit doel blijkt tenminste ongeveer 2% Cr nodig te zijn. Het verhogen van het Cr niveau boven ongeveer 4% blijkt geen merkbare verbeteringen te geven boven die, verkregen met ongeveer 3% Cr.

40 8204493 * * -3-

Tabel A

BREDE SAMENSTELLING

5 Eaag Hoog (gew.%) (at %) (gew.%) (at %) NX (Bal (78/20) (78,65) (66,1) (66,15)

Al 5,8 12,8 7,8 17,3 10 Mo 8,0 4,7 12,0 7,8 W 4,0 1,2 8,0 2,4

Cr 2,0 2,3 4,0 4,8

Ta 1,0 0,35 2,0 1,2 Y 0,01 0,01 0,1 0,05 15 Hf 0,0 0,0 0,0 0,3

Tabel B

VOORKEURSSAMENSTELLING (gew.%) 20

Laag Hoog

Ni Bal. Bal.

Al 6,3 7,3

Mo 8,3 11,5 25 W 5,0 7,0

Cr 2,5 3,5

Ta 1,0 2,0

Hf 0,0 0,2' Y 0,01 0,7 30

Aangezien Cr tegelijk de mechanische eigenschappen omlaag brengt, zijn toevoegingen van Cr in overmaat van on-geveer 4% ongewenst. Er wordt Ta toegevoegd voor het stabi-liseren van ean microstructuur, en Ta in gehaltes, zoals aan-35 gegeven, komt de afbrexik aan mechanische eigenschappen, het-geen resulteert van de Cr toevoegingen, te boven. Zodoende zijn de Cr en Ta gehaltes tot een zekere mate gerelateerd en optimale legeringskwaliteit kan worden verkregen door de Ta en Cr gehaltes zodanig te coordineren, dat voor hoge Cr 8204493 -4- gehaltes hoge Ta gehaltes worden gebruikt en voor lage Cr gehaltes lage Ta gehaltes.

Tenminste §£n materiaal, gekozen uit de groep, be-staande uit Y en Hf, moet tevens worden toegevoegd. Derge-5 lijke elementen verbeteren de aanhechting van het opper-vlakoxyde aan superlegeringen, waardoor afbladdering wordt verminderd, en het gewichtsverlies als gevolg van oxydatie tot een minimum wordt teruggebracht. Het blijkt, dat 0,1 tot 0,3 (totaal) gew..% van deze elementen zorgt voor de 10 vereiste funktie met het voorkeursgebied gelegen in 0,02-% (totaal) , terwijl Y bij voorkeur aanwezig is in een hoeveelheid van tenminste 0,01-0,07%.

De fig.l, 2 en 3 kunnen helpen om de in het voor-gaande uiteengezette effecten der elementen te illustreren. 15 De figuren geven de onderzochte legeringssamenstellingen en tonen de gewichtsverandering gedurende v.de oxydatie-testen. Het zal duidelijk zijn, dat, wanneer een legering wordt geox£deerd, deze aanvankelijk aan gewicht wint als gevolg van de vorming van een oxydelaag. Vervolgens zal, 20 indien deze oxydelaag afbladdert, een gewichtsverlies resulteren, en de oxydelaag zal zich opnieuw vormen. Oxyde-afbladdering en resulterend gewichtsverlies zijn ongewenst, aangezien dit resulteert in de verarming van de oxyde-vormende elementen in het ondergelegen substraat. Oxyde-25 afbladdering kan voortgaan tot het punt, waarbij de legering niet meer in staat is om de gewenste beschermende oxydelaag opnieuw te vormen tot dat punt, waar diegene, welke gevormd is een niet-beschermende oxydelaag is. Op dit punt aangekomen gaat de oxydatie in toenemende mate 30 snel en onbeheerst en uiteindelijk zal het specimen worden vernietigd. Aangezien de meeste legeringen hun oxydebesten-digheid ontlenen aan de vorming van een beschermende oxydelaag, is het gewenste gewichtsveranderingsgedrag een aan-vankelijke geringe toename in gewicht, hetgeen de vorming 35 van een beschermende oxydelaag aangeeft, gevolgd door in wezen geen gewichtsverandering (of een zeer geringe toename).

Het kritische en onverwachte resultaat van de toe-voegingen van yttrium zijn getoond in fig.l. Deze figuur toont het gewichtsverlies, ondervonden door verschillende 40 legeringen met verschillende yttriumgehaltes na cyclisch 8204493 -5- . J <u*.~ > - -ϊ.».· *'- '-»?«* - ' — "*» ;_ ;·.?·

A

testen bij 1204°C gedurende 50 SSn-ums cycli. Het is duide-lijk, dat voor de geteste basislegering (10% Mo, 6,7% AX, 6% W, 3% Cr, 1,5% Ta, 1% Hf, bal Ni) toevoegingen van onge-veer 0,01 tot ongeveer 0,06% Y een opmerkelijke verbete-5 ring in oxydatiegedrag geven. Hoewel het eerder is waarge-nomen, dat Y de, oxydatiewerking van bekledingen (Amerikaan-se octrooischriften 3.676.085 en 3.754.903) en legeringen (Amerikaanse octrooischrift 3.754.903) kan verbeteren, werd nog nooit eerder aangetoond, dat Y gehaltes in over-10 maat van ongeveer 0,1% ’sch’adeXijk waren.

De resultaten, getoond in fig.l, kunnen worden ver-klaard onder verwijzing naar de figuren 2A, 2B en 2C, welke SEM foto’s (3000 x) zijn van het geoxydeerde opper-vlak van drie monsters. De nominaie monstersamensteXXing 15 is die, getoond in fig.2. Fig.2A is van een monster, dat 0,1% Hf bevat en minder dan 0,002% Y. Fig.2B is van een monster, dat 0,1% Hf en 0,029% Y bevat. Fig.2C is van een monster/ dat 0,1% Hf en 0,073% Y bevat.

De fig.2A en 2C tonen beide een ruwe onregeimatige 20 oxydemorfoXogie en geven bewijs van oxjde afbXaddering, terwijX fig.2B bewijs geeft van een aanhechtende oxyde-morfologie. Zodoende tonen de fig.l, 2A, 2B en 2C duide-lijk aan, dat een beperkte kritische hoeveeiheid Y een aanzienXijke verbetering geeft in het oxydatiegedrag.

25 De fig.3 en 4 iliustreren, dat een kritisch chroom- gehalte nodig is voor optimaie oxydatiebestendigheid.

Fig.3 toont het effect van varierend chroomgehaite op het oxydatiegedrag van een basislegering, weike 10% Mo, 7,4% AX, 6% W, 1,5% Ta, 0,1% Y,bal Ni.bevat. Er vaXt te zien, 30 dat onder de testcondities (500 Sen-uur-.cycXi van oven- oxydatie bij 1093°C) de gewenste minimaie gewichtsverande-ring wordt verkregen met Cr niveau*s van ongeveer 3%.

Fig.4 toont dit zeifde onder gebruikmaking van cyciische oxidatiegegevens, voortgebracht bij 1149°C. De 35 figuur laat een verandering in gewicht zien ais funktie van de onderzoekstijd. Vier krommen zijn uitgezet voor een basis-legering, die 10% Mo, 6,6% AX, 1,5% Ta, 0,1% Y, baX Ni (met varierende Cr gehaXtes) bevat, Het effect van het ver-hogen van de Cr is, dat de krommen bovenwaarts worden gero-40 teerd naar de horizontaai (of nuigewichtsverandering).

8204493 ft -6-

De figuren 3 en 4 illustreren, dat een gehalte aan chroom van ongeveer 3% nodig is om een goed ox^datiegedrag te geven in deze klasse van legeringen.

De mechanische eigenschappen van de Al-Mo legeringen 5 zijn bij eerdere onderzoeken in de meeste opzichten superieur gebleken aan die van gebruikelijke superlegeringen. De on-derhavige uitvinding, in wezen gebalanceerde toevoegingen van Cr, Ta, Y en/of Hf, bereikt een aanzienlijk verbeterde oxydatiegedrag in combinatie met mechanische eigenschappen, 10 die tenminste equivalent en in sommige gevallen zelfs superieur zijn aan de eigenschappen van de basislijn Al-Mo-Ni-legeringen. Dit'vormt een opmerkelijke tegenstelling met kenmerkende legeringen, waarin de verbeteringen van §en eigen-schap zonder uitzondering vergezeld gaat van een afname 15 in andere eigenschappen.

Fig.5 geeft een grafiek van de breukbelasting voor verschillende legeringen, waaronder de eerder beschreven bekende superlegering MAR-M200 en een legering, die valt binnen het kader van de uitvinding. De gegevens in fig.5 20 zijn voor breukbelastingseigenschappen van de verschillende samenstellingen getest in monokristalvorm in de <111> orientatie. Zoals te zien is in de figuur, heeft de gemodificeerde Ni-Al-Mo samenstelling een verbeterde breuk-belastingslevensduur in vergelijking met de andere onder-25 zochte legeringen. Het blijkt, dat de gemodificeerde legering een temperatuurverbetering van ongeveer 105°C heeft in vergelijking met de bekende superlegeringen. Dit betekent, dat onder equivalente belastingscondities de legering vol-gens de uitvinding kan werken bij een 105°C hogere tempera-30 tuur en toch nog dezelfde levensduur bereiken. Deze hoge temperatuur zou het gevolg kunnen zijn van de hogere motor-werktemperatuur of een gereduceerde luchtkoelstroom, indien de motortemperatuur niet zou veranderen. Elk van deze alter-natieve geeft een verhoging van kosten. Een andere mogelijk-35 heid is het handhaven van de werkcondities inclusief.,:- temperatuur op hetzelfde niveau en het verkrijgen van een aanzienlijk verhoogde levensduur voor het onderdeel. Tenslotte zou men dezelfde temperatuur kunnen handhaven, maar door het verhogen van de werkbelasting een verhoogde prestatie 40 verkrijgen voor hetzelfde brandstofverbruik en onderdeel- 8204493 ► ·'' *< i -7- levensduur.

De in het voorafgaande beschreven samenstellingen kunnen worden gebruikt in gegoten SSnkristalvorm of alter-natief worden vervaardigd tot onderdelen onder gebruikma-5 king van metallurgische poedertechnieken, gevolgd door ge-richte rekristallisatie voor het verkrijgen van een gerichte kristalstructuur, welke in het grensgeval een e^nkristal zijn kan.

In het geval, dat de gegoten SSnkristalweg wordt 10 gevolgd, is het nodig, dat het gegoten onderdeel wordt ge-homogeniseerd en warm behandeld zoals uiteengezet in de Amerikaanse octrooiaanvrage 177.047. Indien het onderdeel moet worden vervaardigd via de metallurgische poedermethode, kan de sauaenatelling worden gevormd tot poeder door ver-15 schillende technieken, hoewel een techniek resulterende in een snelle verstijvingsgraacL· ' gewenst is vanwege de daar-uit resulterende verhoogde homogeniteit. Een dergelijk pro-ces wordt beschreven in de Amerikaanse octrooischriften 4.025.249, 4.053.264 en 4.078.873. Het resulterende poeder 20 wordt dan verstevigd en gericht gerekristalliseerd voor het voortbrengen van een gewenste structuur. Gerichte rekristal-lisatie wordt beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3.975.219, en de specifieke methodes voor het bereiken van verschillende kristallografische orienteringen in de eind-25 structuur worden beschreven in de samenhangende Amerikaanse octrooiaanvrage 325.248 van dezelfde indieningsdatum.

De resulterende produkten vinden in het bijzonder toepassing in gasturbinemotoren. Indien de gietmethode wordt gevolgd, kan een gietstuk direkt op de gewenste grote 30 worden gemaakt. Indien evenwel de metallurgische poedermethode wordt gevolgd, kan met voordeel de schoepvervaar-digingstechniek, beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3,872.563 worden gevolgd, teneinde uit te komen tot een schoep met een maximale koelcapaciteit. Hoewel de 35 hier beschreven samenstellingen uitzonderlijk oxjdatiebe-stendig zijn, zullen zij ongetwijfeld worden gebruikt in beklede vorm, en dergelijke bekledingen kunnen de alumi-nidebekledingen of de MCrAlY type bekledingen omvatten.

Hoewel de uitvinding in het bovenstaande is beschre-40 ven en toegelicht aan de hand van een voorkeursuitvoering, 8204493 -8- zal het de vakman duidelijk zijn, dat tal van veranderin-gen in vorm en detail mogelijk zijn zonder daardoor te treden buiten het kader van de uitvinding.

5 -conclusies- 8204493

Claims (2)

1. Nikkelbasis superleger'ing met hoge sterkte en oxydatie-bestendigheid, met h e t kenmerk, dat deze 5 in wezen bestaat uit: 5,8 - 7,8% Al 8 -12 % Mo 4 - 8 % W 2 - 4 % Cr 10 1

- 2 % Ta 0 - 0,3% Hf 0,01- 0,1% Y balans Ni. 15 2. Oxydatiebestendig nikkelbasis superlegering volgens·. con- clusie 1, met het kenmerk, dat deze in wezen bestaat uit: 6,3 - 7,3 % Al 8.5 -11,5 % Mo 20 5 - 7 % W 2.5 - 3,5 % Cr 1-2 % Ta 0 - 0,2 % Hf 0,01- 0,07% Y 25 balans Ni. 8204493