NO175875B

NO175875B -

Info

Publication number: NO175875B
Application number: NO893913A
Authority: NO
Priority date: 1988-10-03
Filing date: 1989-10-02
Publication date: 1994-09-12
Also published as: EP0362661A1; JPH02153037A; GR3015341T3; IL91793A; JP3148211B2; AU4170089A; NO175875C; ES2070155T3; EP0362661B1; NO893913D0; IL91793A0; DE68921530D1; AU630623B2; NO893913L; DE68921530T2

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår støpte, retnings-orienterte størknede nikkelbaserte legeringsgjenstander med søylekorn og mer spesielt en slik gjenstand som har fremragende overflatestabilitet ved forhøyet temperatur som til-kjennegitt ved oxydasjonsmotstandsdyktighet, spesielt i tynnveggede hule gjenstander, og legeringen som sådan og varmebehandling for fremstilling av en slik gjenstand. The present invention relates to cast, directional solidified columnar grain nickel-based alloy articles, and more particularly to such an article having excellent surface stability at elevated temperature as indicated by oxidation resistance, particularly in thin-walled hollow articles, and the alloy as such and heat treatment for the production of a such object.

Oppfinnelsens bakgrunn The background of the invention

En betydelig mengde av den publiserte og velkjente støpeteknologi som angår gjenstander for anvendelse ved høye temperaturer, for eksempel turbinskovler for gassturbin-maskiner, har vært sentrert rundt forbedring av visse egenskaper ved å eliminere endel eller samtlige av korngrensene i sluttgjenstandens mikrostruktur. Slike strukturer er i alminnelighet blitt utviklet ved hjelp av de velkjente presisjonsstøpingsprosesser med størkning av et smeltet metall retningsorientert (retningsorientert størkning) for å bevirke at de størknende krystaller eller korn skal bli langstrakte. Hvis bare ett korn gis anledning til å vokse i gjenstanden under størkning, for eksempel ved sperring av andre eller ved anvendelse av et kimkrystall, fås en gjenstand av en enkeltkrystall, og i det vesentlige ingen korngrenser oppstår. Dersom imidlertid flere korn gis anledning til å størkne på et område av en støpeform og gis anledning til å vokse generelt i en enkelt retning i hvilken varme fjernes fra smeltet metall i en støpeform, forekommer flere langstrakte eller søyleformige korn i det størknede støpe-stykke. En slik struktur blir herefter av og til betegnet som "DS-multikorn" (DS = "directionally solidified") i forbindelse med en støpt gjenstand. Retningen for forleng-ingen betegnes som lengderetningen, og retningen som generelt står loddrett -på lengderetningen betegnes som tverretningen. A significant amount of the published and well-known casting technology relating to articles for high temperature applications, such as turbine blades for gas turbine engines, has centered around the improvement of certain properties by eliminating some or all of the grain boundaries in the microstructure of the final article. Such structures have generally been developed using the well-known precision casting processes of directionally solidifying a molten metal (directional solidification) to cause the solidifying crystals or grains to become elongated. If only one grain is given the opportunity to grow in the object during solidification, for example by blocking others or by using a seed crystal, an object is obtained from a single crystal, and essentially no grain boundaries occur. However, if multiple grains are allowed to solidify in one area of a mold and are allowed to grow generally in a single direction in which heat is removed from molten metal in a mold, multiple elongated or columnar grains occur in the solidified casting. Such a structure is hereinafter sometimes referred to as "DS-multigrain" (DS = "directionally solidified") in connection with a cast object. The direction of the extension is referred to as the longitudinal direction, and the direction which is generally perpendicular to the longitudinal direction is referred to as the transverse direction.

På grunn av at i det vesentlige alle korngrenser i en slik gjenstand er langsgående korngrenser, er det viktig i en støpt gjenstand at de langsgående mekaniske egenskaper, som sigefasthetslevetiden og duktiliteten, er meget gode sammen med gode mekaniske egenskaper i tverretningen og god overflatestabilitet for legeringen. Når denne egenskaps-balanse forekommer i gjenstanden, må legeringsgjenstanden være istand til å støpes og størknes retningsorientert til komplekse former og generelt med komplekse innvendige hulrom og forholdsvis tynne vegger uten sprekking. Såkalt hult "tynnveggs"-støpegods har bydd på vanskelige kvalitets-problemer for støpere av slike gjenstander under anvendelse av den velkjente "voksutsmeltnings"-type av presisjonsstøpe-metoder med legeringer utviklet for forbedrede egenskaper. Selv om legeringsegenskapene er gode og ligger innen ønskede grenser, sprakk tynnveggig støpegods, for eksempel med en veggtykkelse under 0,89 mm, i alminnelighet under retningsorientert størkning av flersøylekorn. Due to the fact that essentially all grain boundaries in such an object are longitudinal grain boundaries, it is important in a cast object that the longitudinal mechanical properties, such as the yield strength life and ductility, are very good together with good mechanical properties in the transverse direction and good surface stability for the alloy . When this property balance occurs in the object, the alloy object must be able to be cast and solidified directionally into complex shapes and generally with complex internal cavities and relatively thin walls without cracking. So-called hollow "thin wall" castings have presented difficult quality problems for casters of such articles using the well-known "wax melt" type of precision casting methods with alloys developed for improved properties. Although the alloy properties are good and within desired limits, thin-walled castings, for example with a wall thickness below 0.89 mm, commonly cracked during directional solidification of multi-columnar grains.

Oppsummering av oppfinnelsen Summary of the invention

Ved den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en støpt, retningsstørknet gjenstand av nikkelbasert superlegering med søyleformige korn og med fremragende oxydasjonsmotstandsdyktighet og sigefasthet ved forhøyet temperatur, og hvor superlege ri ngen kan støpes til en gjenstand med tynne vegger, og gjenstanden er særpreget ved at dens superlegering i det vesentlige består av, i vektprosenter, 0,1-0,15 C, 1,2-1,7 Hf, 11,7-12,3 Co, 6,2-6,5 Ta, 0-0,1 V, 0-0,03 Zr, 6,6-7 Cr, 1,3-1,7 Mo, 4,7-5,1 W, 0-0,02 Ti, 6-6,3 Al, 2,6-3 Re, 0,01-0,02 B, 0-0,1 Nb, 0-0,2 Y og resten Ni og tilfeldige forurensninger. The present invention provides a cast, directionally solidified article of nickel-based superalloy with columnar grains and with excellent oxidation resistance and creep strength at elevated temperature, and where the superalloy ring can be cast into a thin-walled article, and the article is characterized by its superalloy in the essential consists of, in weight percentages, 0.1-0.15 C, 1.2-1.7 Hf, 11.7-12.3 Co, 6.2-6.5 Ta, 0-0.1 V, 0-0.03 Zr, 6.6-7 Cr, 1.3-1.7 Mo, 4.7-5.1 W, 0-0.02 Ti, 6-6.3 Al, 2.6- 3 Re, 0.01-0.02 B, 0-0.1 Nb, 0-0.2 Y and the rest Ni and random impurities.

I henhold til én utførelsesform har gjenstanden minst According to one embodiment, the article has at least

ett innvendig hulrom og innbefatter en integrerende støpt vegg som er i det vesentlige fri for en større sprekk, idet veggen har en tykkelse av under 0,89 mm. one internal cavity and includes an integrally molded wall which is substantially free of a major crack, the wall having a thickness of less than 0.89 mm.

Hva gjelder legeringen for den foreliggende gjenstand, gir den spesielle kombinasjon av tilsetningen av elementene C, Hf, Co og Ta og en tilsiktet begrensning av elementene V, Zr og Ti fremragende oxydasjonsmotstandsdyktighet ved forhøyet temperatur, god støpbarhet og motstandsdyktighet mot korngrense-og utmattingssprekking i en Ni-basert legering som også innbefatter Cr, Mo, W, Al, Re og B og som tillater valgfrie mengder av Nb og Y. As for the alloy of the present article, the special combination of the addition of the elements C, Hf, Co and Ta and a deliberate restriction of the elements V, Zr and Ti provide excellent oxidation resistance at elevated temperature, good castability and resistance to grain boundary and fatigue cracking in a Ni-based alloy which also includes Cr, Mo, W, Al, Re and B and which allows optional amounts of Nb and Y.

Oppfinnelsen angår også en nikkelbasert superlegering The invention also relates to a nickel-based superalloy

med fremragende oxydasjonsmotstandsdyktighet og sigefasthet with excellent oxidation resistance and creep resistance

og i stand til å bli tynnveggutstøpt og retningsstørknet, and capable of being thin-walled and directional solidified,

og den nikkelbaserte superlegering er særpreget ved at den i det vesentlige består av, i vektprosent, 0,1-0,15 C, 1,2-. 1,7 Hf, 11,7-12,3 Co, 6,2-6,5 Ta, 0-0,1 V, 0-0,03 Zr, 6,6-7 Cr, 1,3-1,7 Mo, 4,7-5,1 W, 0-0,02 Ti, 6-6,3 Al, 2,6-3 Re, 0,01-0,02 B, 0-0,1 Nb, 0-0,2 Y og resten Ni og tilfeldige forurensninger. and the nickel-based superalloy is distinctive in that it essentially consists of, in weight percent, 0.1-0.15 C, 1.2-. 1.7 Hf, 11.7-12.3 Co, 6.2-6.5 Ta, 0-0.1 V, 0-0.03 Zr, 6.6-7 Cr, 1.3-1, 7 Mo, 4.7-5.1 W, 0-0.02 Ti, 6-6.3 Al, 2.6-3 Re, 0.01-0.02 B, 0-0.1 Nb, 0 -0.2 Y and the rest Ni and random impurities.

Videre angår den foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte ved varmebehandling som angitt i krav 7. En slik varmebehandling omfatter en kombinasjon av minst tre progressive oppvarmingstrinn, innbefattende et oppløseliggjørende trinn, et preliminært, første eldingstrinn, og et annet eldingstrinn, for å forbedre sigefasthetsegenskaper for gjenstanden. Furthermore, the present invention relates to a method of heat treatment as stated in claim 7. Such a heat treatment comprises a combination of at least three progressive heating steps, including a solubilizing step, a preliminary, first aging step, and a second aging step, in order to improve the seepage resistance properties of the object.

Kortfattet beskrivelse av tegningen Brief description of the drawing

Tegningen viser grafisk en sammenligning mellom oxydasjonsmotstandsdyktigheten for legeringene ifølge den foreliggende oppfinnelse og andre legeringer. The drawing graphically shows a comparison between the oxidation resistance of the alloys according to the present invention and other alloys.

Beskrivelse av de foretrukne utførelsesformer Description of the preferred embodiments

Den nikkelbaserte legering i henhold til oppfinnelsen er spesielt særpreget ved det forholdsvis høye C-inn-hold i kombinasjon med en forholdsvis stor mengde av Hf og tilsetninger av Co og Ta. Dette sammen med den tilsiktede regulering og begrensning av elementene V, Zr og Ti gjorde det mulig at legeringen, for en DS-struktur, hadde fremragende oxydasjonsmotstandsdyktighet og god DS-støpbarhet og motstandsdyktighet mot korngrense- og utmattingssprekking opp til det punkt ved hvilket tynne vegger av under 0,8 9 mm kan DS-støpes med langstrakte korn og i det vesentlige sprekkfrie. Andre elementer i legeringen som bidrar til dens unike mekaniske egenskaper og overflatestabilitet er, i en nikkelbase, Cr, Mo, W, Al, Re, B og, eventuelt, begrensede mengder av Nb og Y. Den er-holdte gjenstand med en uvanlig, unik kombinasjon av mekaniske egenskaper og overflatestabilitet er spesielt nyttig for fremstilling av hule, luftavkjølte komponenter for anvendelse ved høy temperatur, som skovldeler (skovler og blad) av den type som er anvendt i det sterkt påkjennende miljø i gassturbinmotorers turbinseksjon. I roterende turbinskovler som er utsatt for høy spenning såvel som høy-temperaturoxydasjon og varmkorrosjon, er den sprekkfrie tilstand for tynne vegger forbundet med innvendige kjøle-kanaler av vesentlig betydning for en sikker og effektiv motordrift. The nickel-based alloy according to the invention is particularly characterized by the relatively high C content in combination with a relatively large amount of Hf and additions of Co and Ta. This together with the deliberate control and limitation of the elements V, Zr and Ti enabled the alloy, for a DS structure, to have excellent oxidation resistance and good DS castability and resistance to grain boundary and fatigue cracking up to the point at which thin walls of less than 0.8 9 mm can be DS cast with elongated grains and essentially crack-free. Other elements in the alloy that contribute to its unique mechanical properties and surface stability are, in a nickel base, Cr, Mo, W, Al, Re, B and, optionally, limited amounts of Nb and Y. The is-held object with an unusual, unique combination of mechanical properties and surface stability is particularly useful for the manufacture of hollow, air-cooled components for high temperature applications, such as blade parts (vanes and blades) of the type used in the highly stressful environment of the turbine section of gas turbine engines. In rotating turbine blades that are exposed to high stress as well as high-temperature oxidation and hot corrosion, the crack-free condition for thin walls connected to internal cooling channels is of essential importance for safe and efficient engine operation.

Et mål på støpbarheten og sprekkdannelsesmotstanden til retningsstørkede, søylekornholdige, nikkelbaserte superlegeringer for høy temperatur er støpbarhetsprøvningen og bedømmelsesskalaen som er beskrevet i US patent nr. 4169742 Wukusick et al, bevilget 2. oktober 1979, spalte 2, linje 41 -spalte 3. Opplysningene som er gitt i dette patent, er her inkorporert ved henvisning. Bedømmelsen er her gjentatt i Tabell I. A measure of the castability and cracking resistance of directionally strengthened, columnar grained, high temperature nickel-based superalloys is the castability test and grading scale described in US Patent No. 4,169,742 Wukusick et al, granted October 2, 1979, column 2, line 41 -column 3. The information that is provided in this patent, is hereby incorporated by reference. The assessment is repeated here in Table I.

TABELL I TABLE I

Støpbarhetsbedømmelser Castability ratings

A - Ingen sprekker A - No cracks

B - Mindre sprekk ved spissen, mindre enn 1,27 cm B - Minor crack at the tip, less than 1.27 cm

lang eller i startersonen long or in the starting zone

C - En hovedsprekk større enn 1,27 cm lang C - A main crack greater than 1.27 cm long

D - To eller tre sprekker D - Two or three cracks

E - Flere sprekker, flere enn 3 og færre enn 8 E - Multiple cracks, more than 3 and fewer than 8

F - Mange sprekker - de fleste korngrenser F - Many cracks - most grain boundaries

Et utvalg av nikkelbaserte superlegeringer som av og til anvendes eller er utviklet for anvendelse i turbin-komponenter for gassturbinmotorer er presentert i den nedenstående Tabell II sammen med en utførelsesform av den spesielle legering ifølge den foreliggende oppfinnelse. Legeringen identifisert som Rene' N5 som er beregnet for anvendelse for fremstilling av enkeltkrystallegeringsgjen-stander, er beskrevet I US patent nr. 5100484. Legeringen som er identifisert som Rene<1> 150 og er beregnet for anvendelse som en DS-søylekorngjenstand, er beskrevet i det ovennevnte US patent 4169742. I Tabell II er også støpbarhetsbedømmel-sene for slike legeringer tatt med. A selection of nickel-based superalloys that are occasionally used or have been developed for use in turbine components for gas turbine engines is presented in the following Table II together with an embodiment of the special alloy according to the present invention. The alloy identified as Rene' N5 intended for use in the manufacture of single crystal alloy articles is described in US Patent No. 5100484. The alloy identified as Rene<1> 150 and intended for use as a DS columnar grain article is described in the above-mentioned US patent 4169742. In Table II, the castability ratings for such alloys are also included.

En bedømmelse ved å variere Hf, Co og B i legeringen identifisert i Tabell II som Rene' N5, ble utført for å forbedre støpbarheten. Resultatene av en slik bedømmelse er vist i Tabell III. An evaluation by varying Hf, Co and B in the alloy identified in Table II as Rene' N5 was carried out to improve castability. The results of such an assessment are shown in Table III.

Dataene i Tabell III viser primært fordelen og det kritiske ved å innbefatte Co i en konsentrasjon over 7,5 The data in Table III primarily show the advantage and the criticality of including Co in a concentration above 7.5

vekt% (for eksempel ca. 10 vekt%) og opp til 12 vekt% i kombinasjon med Hf innen området 0,3-1,6 vekt%. Selv med en slik forbedret støpbarhet hadde imidlertid legerings-modifikasjonen av legeringen Rene<1> N5 redusert longitudinal sigefasthet på grunn av fortynning av de herdende elementer fra tilsetningen av mer Co til den kjemiske sammensetning for legeringsbasen Rene<1> N5 i henhold til den ovenstående Tabell II, ved en C-konsentrasjon av ca. 0,05 vekt%. Med % by weight (for example approx. 10% by weight) and up to 12% by weight in combination with Hf within the range 0.3-1.6% by weight. However, even with such improved castability, the alloy modification of the alloy Rene<1> N5 had reduced longitudinal creep strength due to the dilution of the hardening elements from the addition of more Co to the chemical composition of the alloy base Rene<1> N5 according to the above Table II, at a C concentration of approx. 0.05% by weight. With

de nominelle 3% ytterligere Co til legeringssammenset-ningen Rene<1> N5 (for å få en samlet mengde på 10,5% Co) the nominal 3% additional Co to the alloy composition Rene<1> N5 (to obtain a total amount of 10.5% Co)

og nominelt 1% Hf var den longitudinale sigefasthetsleve- and nominally 1% Hf was the longitudinal yield strength life-

tid ca. 65% av den for legeringen Rene' N5. Med nominelt 4,5% ytterligere Co (for å få en samlet mengde av 12% Co) time approx. 65% of that for the alloy Rene' N5. With nominally 4.5% additional Co (to get a total amount of 12% Co)

og ved 0,5 Hf var den longitudinale sigefasthetslevetid 30% av den for legeringen Rene' N5. Dette antyder en kritisk balanse av elementer anvendt i henhold til den foreliggende oppfinnelse, med en legeringssammensetning innbefattende C innen området 0,1-0,15 vekt% sammen med Co innen området 11,7-12,3 vekt% og 1,2-1,7 vekt% Hf. and at 0.5 Hf the longitudinal yield strength life was 30% of that of the alloy Rene' N5. This suggests a critical balance of elements used according to the present invention, with an alloy composition comprising C in the range of 0.1-0.15 wt% together with Co in the range of 11.7-12.3 wt% and 1.2- 1.7 wt% Hf.

Hva gjelder balansen mellom støpbarhet og korngrense-og utmattingssprekking er det blitt erkjent at for lite Co fører til tap av støpbarhet og korngrenseforsterkning, mens over 12,3 vekt% Co kan fortynne virkningen av visse legeringsforsterkende elementer. Elementet Hf Øker, dersom mengden av dette er for lav, som under 0,3 vekt%, til-bøyeligheten til korngrensesprekking ved DS-støping og under bruk, og dersom mengden av dette er for høy, som over 1,7 vekt% kan Hf føre til problemer hva gjelder støpeaktivitet og begynnende smelting under varmebehandling. For mye Ta og Al kan påvirke støpbarheten ved at legeringen blir for sterk og kan forårsake korngrensesprekking. Det kan også dannes topologisk tettpakkede (TCP ="Topologically Close Packed") faser. Regarding the balance between castability and grain boundary and fatigue cracking, it has been recognized that too little Co leads to loss of castability and grain boundary strengthening, while over 12.3 wt% Co can dilute the effect of certain alloy strengthening elements. The element Hf Increases, if the amount of this is too low, such as below 0.3% by weight, the tendency to grain boundary cracking during DS casting and during use, and if the amount of this is too high, such as above 1.7% by weight, can Hf lead to problems in terms of casting activity and incipient melting during heat treatment. Too much Ta and Al can affect castability by making the alloy too strong and can cause grain boundary cracking. Topologically close packed (TCP ="Topologically Close Packed") phases can also form.

Ta-innholdet opprettholdes derfor innen The ta content is therefore maintained within

området 6,2-6,5 vekt% og Al-mengden innen området 6,0-6,3 vekt% i henhold til oppfinnelsen. Som kjent innen the range 6.2-6.5% by weight and the amount of Al within the range 6.0-6.3% by weight according to the invention. As known within

teknikkens stand kan små mengder Nb anvendes som erstatning for Ta. state of the art, small amounts of Nb can be used as a substitute for Ta.

Ved bedømmelsen av enkelte av legeringene i Tabell II ble det erkjent at vanadium kan gå ut over overflatestabiliteten, dvs. varmkorrosjons- og oxydasjonsresistensen. Zr kan øke sprekkbarheten, og Ti kan alvorlig redusere oxydasjonsresistensen. Disse elementer er derfor blitt regulert og begrenset til områder i vektprosent av under 0,1 V, 0,03 Zr og 0,02 Ti. Selv om yttrium er av nytte for å forbedre oxydasjonsresistensen, kan det forårsake svekkelse av korngrensene. Det begrenses derfor til mengder under 0,2% i legeringene When evaluating some of the alloys in Table II, it was recognized that vanadium can exceed the surface stability, i.e. the hot corrosion and oxidation resistance. Zr can increase crackability, and Ti can seriously reduce oxidation resistance. These elements have therefore been regulated and limited to ranges in weight percentage of below 0.1 V, 0.03 Zr and 0.02 Ti. Although yttrium is useful in improving oxidation resistance, it can cause weakening of grain boundaries. It is therefore limited to amounts below 0.2% in the alloys

ifølge oppfinnelsen. Cr er innbefattet primært på grunn av 'at det bidrar til oxydasjons- og varmkorrosjonsresistens. according to the invention. Cr is included primarily because it contributes to oxidation and hot corrosion resistance.

Mo, W og Re anvendes primært for grunnmasseforsterkning, og Mo, W and Re are used primarily for base material reinforcement, and

B for å forsterke korngrensestyrken. B to reinforce the grain boundary strength.

Selv om støpbarheten til slike legeringer som Rene'150 var meget god og innenfor det akseptable område for tynnveggig støpegods, var deres overflatestabiliteter uakseptable for visse høytemperaturanvendelser under betingelser med høy påkjenning. En sammenligning mellom overflatestabiliteten til Rene" 150-legering og legeringene ifølge oppfinnelsen ved forhøyet temperatur har vist at ved under 100 timers eksponering for luft av Mach 1 mistet legeringen Rene<1> 150 ved 1135°C 1,27-1,65 mm metall pr. prøvestykkeside, mens legeringen ifølge den foreliggende oppfinnelse, i den form som er vist i Tabell II, ved en høyere temperatur av 1177°C og en lengre eksponeringstid av 150 timer bare mistet 0,038 mm pr. prøvestykkeside, dvs. mindre enn 0,127 mm pr. side i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Ved en annen prøving som ble utført for ytterligere sammenlignings skyld, mistet Rene<1> 150 legeringen ved 1135°C og i en luftstrøm av Mach 1 1,02 mm pr. prøvestykkeside efter 82 timer. Although the castability of such alloys as Rene'150 was very good and within the acceptable range for thin wall castings, their surface stabilities were unacceptable for certain high temperature applications under high stress conditions. A comparison between the surface stability of Rene" 150 alloy and the alloys of the invention at elevated temperature has shown that in less than 100 hours of exposure to Mach 1 air, the Rene<1> 150 alloy at 1135°C lost 1.27-1.65 mm of metal per specimen side, while the alloy according to the present invention, in the form shown in Table II, at a higher temperature of 1177°C and a longer exposure time of 150 hours only lost 0.038 mm per specimen side, i.e. less than 0.127 mm per side according to the present invention In another test conducted for further comparison, Rene<1> 150 alloy at 1135°C and in an air flow of Mach 1 lost 1.02 mm per specimen side after 82 hours .

En nikkelbasert legering som ble ansett å ha fremragende oxydasjonsmotstand ved forhøyet temperatur er legeringen Ma 754 som er angitt i Tabell II. En slik legering er en smidd istedenfor støpt legering, men er her tatt med for ytterligere sammenligning med oxydasjonsmotstandsdyktigheten som kan oppnås ifølge den foreliggende oppfinnelse. Efter eksponering av et prøvestykke av MA 7 54 ved en luft-strøm på Mach 1 og ved 1177°C forekom et tap på 0,254 mm pr. prøvestykkeside efter 140 timers eksponering. Prøv-inger som ble utført med prøvestykker fra en 1350 kg tap-ping av legeringen ifølge den foreliggende oppfinnelse be-kreftet den fremragende oxydasjonsresistens ved forhøyet temperatur for legeringen ifølge den foreliggende oppfinnelse. Efter 170 timers eksponering ved 1177°C og en luftstrøm på Mach 1 viste et prøvestykke et metalltap på bare 0,041 mm A nickel-based alloy that has been found to have excellent oxidation resistance at elevated temperature is the Ma 754 alloy shown in Table II. Such an alloy is a forged rather than a cast alloy, but is included here for further comparison with the oxidation resistance that can be achieved according to the present invention. After exposure of a sample of MA 7 54 at an air flow of Mach 1 and at 1177°C, a loss of 0.254 mm per specimen side after 140 hours of exposure. Tests carried out with test pieces from a 1350 kg tapping of the alloy according to the present invention confirmed the excellent oxidation resistance at elevated temperature for the alloy according to the present invention. After 170 hours of exposure at 1177°C and an air flow of Mach 1, a sample showed a metal loss of only 0.041 mm

pr. side. Efter 176 timer under disse betingelser ble et tap på bare 0,051 mm metall pr. side iakttatt. per page. After 176 hours under these conditions, a loss of only 0.051 mm of metal per side observed.

En annen form for sammenligning av denne fremragende overflatestabilitet ved forhøyet temperatur, som representert ved oxydasjonsresistensen, for legeringene ifølge den foreliggende oppfinnelse med andre legeringer er vist ved den grafiske fremstilling på tegningen. Denne sammenligning viser overflatetap fra et prøvestykke uttrykt ved eksponer-ingstimer i luft med høy hastighet (HVO) som beveger seg med en hastighet på Mach 1 ved 1172°C. Prøvestykkene som ble anvendt for oxydasjonsprøvningen ved Mach 1 som det her er vist til, hadde en diameter av 0,58 cm og en lengde av 8,9 cm. 24 timers prøvestykker ble montert på en rund metallplate og prøvet i en ovn som oppvarmes med flyjet-brensel. Prøvestykkene ble undersøkt tilnærmet hver 2 4de time. Det fremgår at ved den foreliggende oppfinnelse fås en støpt gjenstand med bemerkelsesverdig overflatestabilitet. Another form of comparison of this excellent surface stability at elevated temperature, as represented by the oxidation resistance, of the alloys according to the present invention with other alloys is shown by the graphic representation in the drawing. This comparison shows surface loss from a sample expressed in hours of exposure in high velocity air (HVO) moving at a speed of Mach 1 at 1172°C. The test pieces used for the Mach 1 oxidation test shown here had a diameter of 0.58 cm and a length of 8.9 cm. 24 hour specimens were mounted on a round metal plate and tested in an oven heated with jet fuel. The test pieces were examined approximately every 2 4 hours. It appears that with the present invention a cast object with remarkable surface stability is obtained.

Som angitt ovenfor er en viktig karakteristikk ved As indicated above, an important characteristic of

den foreliggende oppfinnelse den oppnådde forbedrede sigefasthet i lengderetning og den forbedrede balanse mellom sigefasthetsegenskaper i lengderetning og tverretning sammen med den ovenfor omtalte fremragende overflatestabilitet. Den oppviser, i en DS-søylekorngjenstand, den gode sigefasthet til legeringen Rene' 150 og den fremragende oxydasjonsmotstandsdyktighet til enkeltkrystallgjenstanden av materialet Rene<1> N5 i den ovenstående tabell II. I the present invention achieved improved longitudinal creep resistance and the improved balance between longitudinal and transverse creep resistance properties together with the above-mentioned excellent surface stability. It exhibits, in a DS columnar grain article, the good seepage resistance of the alloy Rene' 150 and the excellent oxidation resistance of the single crystal article of the material Rene<1> N5 in the above Table II. IN

den nedenstående tabell IV sammenlignes visse sigefasthetsegenskaper : the table IV below compares certain creep resistance properties:

For legeringen ifølge oppfinnelsen var tverrsigefast-heten ved 982°C og 2250 kg/cm^ nominelt innen området 80-120 timer, som vist i den nedenstående tabell V. For the alloy according to the invention, the shear strength at 982°C and 2250 kg/cm^ was nominally within the range of 80-120 hours, as shown in Table V below.

Under bedømmelsen av den foreliggende oppfinnelse ble flere varmebehandlinger undersøkt. I en serie med varrae-behandlingsprøvinger ble legeringen i henhold til den foreliggende oppfinnelse og nominelt beskrevet i Tabell I retningsstørknings (DS)-støpt i form av 0,64 cm tykke x During the evaluation of the present invention, several heat treatments were examined. In a series of varrae treatment tests, the alloy according to the present invention and nominally described in Table I was directional solidification (DS) cast in the form of 0.64 cm thick x

5,1 cm brede x 10,2 cm lange plater med søylekorn fra hvilke standard sigefasthetsprøvestykker ble fremstilt maskinelt efter varmebehandling av platene (slabbene). Ved tidligere bedømmelser, for eksempel med gjenstander av legeringen Rene<1> 150 med søylekorn, var bare delvis oppløsning nød-vendig for å utvikle ønskede egenskaper, og full oppløsning (90-95%) reduserte sigefasthetsegenskapene i tverretningen alvorlig. Det viste seg imidlertid at for den foreliggende oppfinnelse, kreves full oppløsningsvarmebehandling (minst 90% oppløsning av -y-^-hovedeutektikumet og grovt sekundært Tf-primæreutektikumet med ikke mer enn 4% begynnende smelting) for å utvikle ønskede egenskaper. I tillegg til den opprinnelige i det vesentlige fullstendige oppløsning innbefatter en foretrukken utførelsesform av varmebehandlingen i henhold til den foreliggende oppfinnelse en ytterligere progressiv kombinasjon av eldingstrinn: en primær, første elding for å forbedre duktiliteten og sigefasthetsegenskapene i tverretning, og to ytterligere eldingsbe-handlinger med temperaturer som er fortløpende lavere enn for primæreldingen, for ytterligere å optimalisere den 5.1 cm wide x 10.2 cm long slabs with columnar grain from which standard yield strength test pieces were produced by machine after heat treatment of the slabs (slabs). In previous evaluations, for example with objects of the alloy Rene<1> 150 with columnar grains, only partial dissolution was necessary to develop desired properties, and full dissolution (90-95%) severely reduced the shear strength properties in the transverse direction. However, it was found that for the present invention, full solution heat treatment (at least 90% dissolution of the -y-^-main eutectic and coarse secondary Tf primary eutectic with no more than 4% incipient melting) is required to develop desired properties. In addition to the original substantially complete resolution, a preferred embodiment of the heat treatment according to the present invention includes a further progressive combination of aging steps: a primary, first aging to improve ductility and shear strength properties in the transverse direction, and two further aging treatments with temperatures that are continuously lower than for the primary annealing, to further optimize it

opprinnelige Y-utskilling. original Y secretion.

En skissering av en serie med varmebehandlinger bedømt sammen med erholdt sigefasthet er vist i den nedenstående Tabell V. Varmebehandlingene, identifisert som A, An outline of a series of heat treatments evaluated together with yield strength is shown in Table V below. The heat treatments, identified as A,

B, C og D, utgjordes at en sum av oppvarmingstrinn, først med en oppløsningstemperatur innen området 1260-1280°C i 2 timer. Dette efterfølges av en progressiv kombinasjon og serie med eldingstrinn identifisert på en måte som er ut-strakt anvendt og forstått innen det metallurgiske fagområde. Oppløsnings- og eldingstrinnene ble utført i en ikke-oxyderende atmosfære, dvs. vakuum, argon eller helium. Av-kjøling til under 649°C, utført mellom eldingstrinn, be-høver ikke å utføres i en slik atmosfære. Blant de bedømte varmebehandlinger innbefatter varmebehandling D et unikt forholdsvis langsomt avkjølingstrinn fra den første elding til den temperatur ved hvilken den annen elding skulle utføres, og dette førte til den beste kombinasjon av egenskaper. B, C and D, constituted a sum of heating steps, first with a solution temperature within the range 1260-1280°C for 2 hours. This is followed by a progressive combination and series of aging steps identified in a manner that is widely used and understood in the metallurgical field. The dissolution and aging steps were performed in a non-oxidizing atmosphere, ie vacuum, argon or helium. Cooling to below 649°C, carried out between aging steps, need not be carried out in such an atmosphere. Among the heat treatments evaluated, heat treatment D included a unique relatively slow cooling step from the first aging to the temperature at which the second aging was to be performed, and this resulted in the best combination of properties.

Ved varmebehandlingen ifølge den foreliggende oppfinnelse er et i det vesentlige fullstendig oppløsningstrinn innbefattet. Dette står i motsetning til den delvise opp-løsning som er vanlig anvendt i forbindelse med slike DS-gjenstander av legeringer i henhold til Tabell II, som Rene<1> 150, for hvilke visse egenskaper påvirkes skadelig ved en fullstendig oppløsningsvarmebehandling. I henhold til den foreliggende oppfinnelse er oppløsning av minst 90% av det opprinnelige -y-Y-eutektikum og det opprinnelige grove sekundære Y-eutektikum og med mindre enn 4% begynnende smelting viktig fordi sigefasthetslevetiden økes med øket opp-løsning av det opprinnelige 7-eutektikum og det opprinnelige grove sekundære -y-eutektikum. I den nedenstående Tabell VI sammenlignes mengden av oppløsning og sigefasthetslevetiden for legeringen i henhold til den foreliggende oppfinnelse. In the heat treatment according to the present invention, an essentially complete dissolution step is included. This is in contrast to the partial dissolution commonly used in connection with such DS articles of alloys according to Table II, such as Rene<1> 150, for which certain properties are adversely affected by a complete dissolution heat treatment. According to the present invention, dissolution of at least 90% of the original -y-Y eutectic and the original coarse secondary Y eutectic and with less than 4% incipient melting is important because the yield strength life is increased with increased dissolution of the original 7-eutectic and the original coarse secondary -y eutectic. In Table VI below, the amount of dissolution and the yield strength life of the alloy according to the present invention are compared.

Etter oppløsning foretas avkjølingen til en temperatur innen området 1107-1135°C fortrinnsvis med en hastighet på minst 55,6°C/min. Som beskrevet i det ovennevnte US patent nr. 5100484 har hurtigere avkjølingshastigheter en gunstig virkning på egenskapene, som sigefastheten. After dissolution, the cooling is carried out to a temperature within the range 1107-1135°C, preferably at a rate of at least 55.6°C/min. As described in the above-mentioned US patent no. 5100484, faster cooling rates have a beneficial effect on properties such as creep strength.

Varmebehandlingen i henhold til den foreliggende oppfinnelse er ytterligere særpreget ved en progressiv kombinasjon av eldingstrinn efter oppløsning. Den første eller primære elding utføres innen et temperaturområde av 1107-1135°C i en ikke-oxyderende atmosfære i 1-10 timer for å forbedre gjenstandens duktilitet og sigefasthet. Efter den første oppløsning foretrekkes det at avkjøling til området 1066 - 1093 foregår med en hastighet på ca. 41/7°C/time før ytterligere avkjøling. Et annet eldingstrinn med en temperatur som er lavere enn den første elding og ligger innen området 1066-1093°G,i 4-12 timer, The heat treatment according to the present invention is further characterized by a progressive combination of aging steps after dissolution. The first or primary aging is carried out within a temperature range of 1107-1135°C in a non-oxidizing atmosphere for 1-10 hours to improve the article's ductility and yield strength. After the first dissolution, it is preferred that cooling to the range 1066 - 1093 takes place at a rate of approx. 41/7°C/hour before further cooling. A second aging step with a temperature that is lower than the first aging and lies within the range 1066-1093°G, for 4-12 hours,

i alminnelighet 4-8 timer, gjør det mulig for den opprinnelige •y-fase å forbedre duktiliteten. Det fremgår av dataene i Tabell V at denne unike progressive kombinasjon av oppvarmingstrinn fører til en struktur med forbedrede mekaniske egenskaper og muliggjør varmebehandling av støpegods med tynne vegger uten skadelig virkning på slike vegger. generally 4-8 hours, allows the original •y phase to improve ductility. It appears from the data in Table V that this unique progressive combination of heating steps leads to a structure with improved mechanical properties and enables heat treatment of thin-walled castings without detrimental effects on such walls.

Efter de ovennevnte eldingstrinn er et avsluttende eldingstrinn i alminnelighet gunstig, for eksempel innen området 858-913°C i 2-10 timer, typisk 4-8 timer. After the above-mentioned aging steps, a final aging step is generally favorable, for example within the range 858-913°C for 2-10 hours, typically 4-8 hours.

Varmebehandlingen som utføres i henhold til den foreliggende oppfinnelse maksimerer i forbindelse med den DS-støpte gjenstand under anvendelse av legeringen ifølge The heat treatment carried out according to the present invention maximizes in connection with the DS cast article using the alloy according to

den foreliggende oppfinnelse den langsgående sigefasthet mens akseptabel tverrfasthet og duktilitet beholdes. Dette skyldes, i det minste delvis, den økede oppløsning av den opprinnelige -y-fase ved en forholdsvis høyere temperatur. Innføringen av en primær eller første elding innen området 1107-1135°C efterfulgt av en forholdsvis langsom avkjøling (for eksempel i ca. 1 time) til en temperatur innen om- the present invention the longitudinal yield strength while retaining acceptable transverse strength and ductility. This is due, at least in part, to the increased dissolution of the original -y phase at a relatively higher temperature. The introduction of a primary or first aging within the range 1107-1135°C followed by a relatively slow cooling (for example for approx. 1 hour) to a temperature within

rådet 1066-1093°C før ytterligere avkjøling førte til en ytterligere forbedring i sigefasthetslevetiden i lengderetningen sammen med forbedrede sigefastheter i tverr-retningen. range 1066-1093°C before further cooling led to a further improvement in longitudinal yield strength along with improved transverse yield strength.

Kombinasjonen av valget av legering, støpepraksis The combination of the choice of alloy, casting practice

og varmebehandling i henhold til den foreliggende oppfinnelse gjør det mulig å tilveiebringe en forbedret DS-gjenstand med søyleformige korn og med en tynn vegg på under 0,9 mm i det vesentlige fri for sprekker. I form av en gassturbinmotor-turbinskovl som har en radial senterlinje, er korngrensene and heat treatment according to the present invention makes it possible to provide an improved DS article with columnar grains and with a thin wall of less than 0.9 mm substantially free of cracks. In the form of a gas turbine engine turbine blade having a radial centerline, the grain boundaries are

og den primære dendrittiske orientering tilnærmet rette og parallelle. I tillegg foretrekkes det i en slik gjenstand, and the primary dendritic orientation approximately straight and parallel. In addition, it is preferred in such an object,

og dette er mulig ved hjelp av den foreliggende oppfinnelse, at ethvert frembrytende korn fra en slik skovls bæreflate skjærer bæreflatens fremre kant eller bakre kant med en vinkel på ikke over 15° i forhold til kanten og at alle andre and this is possible with the help of the present invention, that any emerging grain from the bearing surface of such a shovel cuts the front edge or rear edge of the bearing surface at an angle of not more than 15° in relation to the edge and that all other

korngrenser og primære dendritter ligger innenfor 15° i forhold til den radiale senterlinje. grain boundaries and primary dendrites lie within 15° of the radial centerline.

Claims

1. Cast, directionally solidified article of nickel-based superalloy with columnar grains and with excellent oxidation resistance and creep strength at elevated temperature, and where the superalloy can be cast into a thin-walled article, characterized in that the object's superalloy essentially consists of, in weight percentages, 0.1-0.15 C, 1.2-1.7 Hf, 11.7-12.3 Co, 6.2-6.5 Ta, 0-0.1 V,

0-0.03 Zr, 6.6-7 Cr, 1.3-1.7 Mo, 4.7-5.1 W, 0-0.02 Ti, 6-6.3 Al, 2.6- 3 Re, 0.01-0.02 B, 0-0.1 Nb, 0-0.2 Y and the rest Ni and random impurities.

2. Object according to claim 1 with an internal cavity in an external object surface, characterized in that the cavity includes an integral molded wall which is substantially free of cracks and has a wall thickness of less than 0.89 mm.

3. Item according to claim 2, characterized in that the internal cavity is separated from the external surface by means of an object wall over a thickness of less than 0.89 mm.

4. Object according to claim 2, in the form of a turbine blade part with a radial center line and including a support surface with a front edge and a rear edge, characterized in that grain boundaries and primary dentritic orientation in the object are approximately straight and parallel and in which any emerging grain that intersects the front or rear bearing surface edge forms an angle of above 15° with the edge, and in which all other grain boundaries and primary dendrites lie within 15° of the radial center line.

5. Nickel-based superalloy with excellent oxidation resistance and creep strength and capable of being thin-walled cast and directional solidified, characterized in that it essentially consists of, by weight percent, 0.1-0.15 C, 1.2-1.7 Hf, 11.7-12.3 Co, 6.2-6.5 Ta, 0-0.1 V, 0-0.03 Zr, 6.6-7 Cr, 1.3-1.7 Mo, 4, 7-5.1 W, 0-0.02 Ti, 6-6.3 Al, 2.6-3 Re, 0.01-0.02 B, 0-0.1 Nb,

0-0.2 Y and the rest Ni and random impurities.

6. Nickel-based superalloy according to claim 5, characterized in that it essentially consists of, in weight%, approx. 0.12 carbon, approx. 1.5 hafnium, approx. 12 cobalt, approx. 6.35 tantalum, approx. 6.8 chrome, approx. 1.5 molybdenum, approx.

4.9 tungsten, approx. 6.15 aluminium, approx. 2.8 rhenium, approx. 0.015 boron, possibly trace amounts of zirconium, titanium and vanadium, residual nickel and random impurities.

7. Procedure for heat treatment of a nickel-based alloy object produced by casting, preferably by precision casting with directional solidification of the casting, from an alloy consisting essentially of, in weight%, 0.1-0.15 C, 1.2- 1.7 Hf, 11.7-12.3 Co, 6.2-6.5 Ta, 0-0.1 V, 0-0.03 Zr, 6.6-7 Cr, 1.3-1, 7 Mo, 4.7-5.1 W, 0-0.02 Ti, 6-6.3 Al, 2.6-3 Re, 0.01-0.02 B, 0-0.1 Nb, 0 -0.2 Y and the remainder Ni and random impurities, the article preferably having an internal cavity which includes an integral casting wall with a wall thickness of less than 0.89 mm, characterized by the steps: (a) heating the alloy article by a dissolution-causing temperature in a non-oxidizing atmosphere for a time sufficient to dissolve at least 90 vol% of the primary y-Y eutectic and the coarse secondary primary y and such that no more than 4 vol% incipient melting occurs, followed by cooling in the atmosphere to a temperature within the range 1107-1135°C, (b) heating min g at a first aging temperature in the range of 1107-1135°C in a non-oxidizing atmosphere for 1-10 hours, followed by cooling in the atmosphere to a temperature in the range of 1066-1093°C, and (c) heating at a second aging temperature which is lower than the first aging temperature and lies within the range 1066-1093°C, for 4-12 hours.

8. Method according to claim 7, characterized in that the dissolution-causing temperature is within the range 1246-1293°C and that the heating time is at least 30 minutes.

9. Method according to claim 7 or 8, characterized in that it includes a third aging step of d) heating within a temperature range of 885-913°C for 2-10 hours.