SE444324B - Varmbearbetad nickelbaslegeringsprodukt samt forfarande for framstellning av densamma - Google Patents

Description

x 7805309-7 “ 2 innehåller dessa legeringar ca. 10% krom, primärt för oxidations- motstånd aluminium och titan på sammanlagt ca. 5% för bildning av den förstärkande X'-fasen samt svårsmälta metaller såsom molybden, volfram, tantal och niob i halter på ca. 5% i form av förstärkare_, i fast lösning. I princip alla varmhållfasta nickelbasleqeringar- innehåller också ca. 0,1% kol, som fungerar som kofngränsförstärkare och bildar karbider som förstärker legeringen. Bor och zirkonium _ * tillsättes också ofta i små mängder som korngränsförstärkare.

Vanligen framställes gasturbinblad genom gjutning och det mest använda gjutningsförfarandet åstadkommer delar med'likformiga,. icke-orienterade korn. Det är känt att metallers högtemperaturegen-. skaper vanligen är beroende av korngränsegenskaperna, och har således ansträngningar gjorts för att förstärka desamma (exempelvis genom ovannämnda tillsatser) eller för att reducera eller eliminera korn- gränserna vinkelräta mot delens huvudpåkänningsaxel. Ett sätt att eliminera dylika tvärgående gränser betecknas som riktad stelning och omtalas i US patentskrift 3 260 505. Effekten härav är att åstadkomma en orienterad mikrostruktur av pelarkorn, vilkas huvud- axlar är parallella med delens påkänningsaxel och som uppvisar minsta möjliga antal eller inga korngränser vinkelräta mot delens påkän- ningsaxel. En vidareutveckling härav är användningen av enkristall- delar i gasturbinblad (se US patentskrift 3 494 709). Den uppenbara fördelen med enkristallbladet är frånvaron av korngränser. I en- kristaller är därför korngränserna eliminerade såsom potentiella svagheter, och är således enkristallens mekaniska egenskaper helt avhängiga av materialets inneboende mekaniska egenskaper.

Tidigare lades stor möda ned på lösandet av problemen med korngränserna genom tillsättning av ämnen såsom kol, bor och zirkonium.

Ett annat problem som försökte undvikas var utvecklingen av skadliga faser efter lång påverkan av höga temperaturer (dvs. legeringsin- stabilitet). Dessa faser är av tvâ generella typer. En, såsom 0' är icke önskvärd på grund av sin sköra natur, medan den andra, såsom~ /L är, icke önskvärd enär fasen binder stora mängder svårsmälta för- stärkare i fast lösning, varvid återstående legeringsfaser försvagas.

Dessa faser benämnes TCP~faser, för topologiskt tätpackade (topo- logically closed packed) faser, och.en av deras gemensamma egenskaper I-~ är att de alla innehåller kobolt. Det finns TCP-faser som kan bildas 5 utan kobolt, men dessa faser innehåller andra ämnen, såsom kisel, _ ~ l I som normalt ej återfinns i varmhållfasta nickelbaslegeringar._Emedan I en uppenbar åtgärd för reglering av dessa skadliga faser är att be- gränsa eller avlägsna koboltinnehållet, har detta inte visat sig vara g 3 7805309-7 praktiskt genomförbart i tidigare legeringar för polykristallina 7 utföranden. Problemet är, att om koboltinnehållet reduceras eller avlägsnas, förenar sig kolet företrädesvis med de svårsmälta metal- lerna och bildar MGC-korbider, som är skadliga för materialets egen- skaper, då de utarmar legeringens svårsmälta förstärkningselement.

US patentskrift 3 567 526 anger att kol kan avlägsnas helt från enkristallprodukter av varmhållfasta legeringar och att detta ger förbättrade utmattningsegenskaper. I l enkristallprodukter utan kol finns två viktiga förstärknings- mekanismer.Den viktigaste är den intermetalliska X'-fasen, Ni3 _ (Al Ti). I nya varmhållfasta nickelbaslegeringar kan Y'-fasen före- komma i kvantiteter på 60 volym-%. Den andra förstärkningsmekanismen är den förstärkning i fast lösning som bildas i närvaro av svårsmälta metaller såsom volfram och molybden i matrisen av nickel i fast lös- ning. Vid en Ä'-fraktion med konstant volym, kan stora variationer i densammas förstärkningseffekt erhållas genom att variera X'-fäll- ningspartiklarnas storlek och morfologi. Y'-fasen kännetecknas av en lösningstemperatur över vilken fasen upplöses i matrisen¿ I många gjutna leggringar befinner sig emellertid X'-lösningstemperaturen över den inledande smälttemperaturen så att det är omöjligt att effektivt upplösa I'-fasen utan ett inledande smältförfarande. Upp- lösning av K' är det enda sätt med vilket Y'-fasens i gjuten form morfologi kan modifieras, varigenom i många kommersiella varmhåll- fasta nickelbaslegeringar Y'-morfologin är begränsad till den genom den ursprungliga gjutningsprocessen erhållna morfologin. Den andra förstärkningsmekanismen, förstärkning i fast lösning, är mest effektiv då förstärkningselementen i fast lösning är jämnt fördelade i matrisen i fast lösning av nickel. Återigen reduceras förstärk- ningens effekt pga. gjutnings- och stelningsförfarandets natur.

Praktiska varmhållfasta nickelbaslegeringar stelnar inom ett brett temperaturområde. Stelningsprocessen innefattar bildning av dendriter med hög smältpunkt och efterföljande stelning av den vid lägre temperatur smälta interdendritiska vätskan. Stelningsförfarandet leder till väsentliga strukturella inhomogeniteter i hela mikro- strukturen. Det är teoretiskt möjligt att homogenisera en dylik mikro- struktur genom uppvärmning så.att diffusion följer, men i praktiken är den maximala homogeniseringstemperaturen, som begränsas av den in-' ledande smälttemperaturen, alltför låg för att medge homogenisering i större utsträckning inom rimliga tidsintervall.

Föreliggande uppfinning innefattar tre sammanhörande aspekter, vsoszoà-7 A 4 Den första avser den legering som användes. Legeringen är en nickel- baslegering bestående av ca. 8-12% Cr, 4,5-5,5% Al, 1-2% Ti, 3-5% W och 10f14% Ta. Koboltinnehållet regleras till mellan 3 och 7% och resten är huvudsakligen nickel.Den i uppfinningen använda legeringen är fri från avsiktliga tillsatser av C, B och Zr, även om dessa ämnen kan förekomma såsom föroreningar. Legeringen kännetecknas av en inledande smälttemperatur över ca. 1260°C. Således kan legeringen varmbearbetas under förhållanden som medger upplösning av Y'-fasen utanwett första smältförfarande. Samtidigt medger den höga första smälttemperaturen i huvudsak fullständig homogenisering av legeringen inom rimlig tid. Legeringens inledningsvis höga smälttemperatur är ett resultat av frånvaron av C, B och Zr. Det lâga'Co-innehållet hämmar bildningen av skadliga TCP-faser. A _ Den andra viktiga aspekten är bildningen av ovannämnda legering till enkristallprodukter. ” 'Den tredje aspekten är varmbearbetningssekvensen medelst vilken X '-morfologin kan modifieras och renas samtidigt som väsentlig homogénisering av mikrostrukturen i gjuten form åstadkommes. Den er- hållna enkristallprodukten får en mikrostruktur, vars typiska Y"-partikelstorlek är ca. en tredjedel av Y'-partikelstorleken i materialet i gjuten form. Samtidigt är den varmbearbetade enkristall- mikrostrukturen i huvudsak fri från strukturella inhomogeniteter, och denna jämna mikrostruktur i kombination med den ökade X'-lösnings- ' temperaturen medger att produkten enligt föreliggande uppfinning ut- vecklar en värmemotstående förmåga, som vid lika mekaniska egenskaper ligger åtminstone 170°C högre än den värmemotstående förmågan för jämförbara tidigare kända enkristallprodukter, vilka framställts av konventionella legeringar med C, B och Zr och konventionellt kobolt- innehåll. Legeringarna uppvisar fördelar gentemot konventionella- legeringar även om ingen varmbearbetning sker, men är denna med i det föredragna utförandet.

Uppfinningen skall nedan närmare beskrivas i anslutning till ett föredraget utförande därav.

I följande beskrivning är alla procentsatser viktprocent, såvida ej annat anges.

Uppfinningen avser en produkt som framställts av en specifik legering som en kritisk serie av processförfaranden. Även om andra produkter kan framställas enligt uppfinningen, har denna speciell tillämpning för framställning av bärytor i form av blad och ledskovlar för gasturbinmotorer. Speciellt hållfastheten hos produkter, som fram- 5 7805309-7 ställts enligt uppfinningen, gör desamma lämpliga att användas som blad i gasturbinmotorer. 9 A Y Ett primärt grunddrag hos de i uppfinningen använda legeringarna är den huvudsakliga elimineringen av korngränsförstärkningsmedlen, kol, bor och zirkonium och reduktionen av koboltinnehållet relativt konventionella varmhållfasta legeringar. Legeringarna enligt upp- finningen är avsedda att användas för gasturbinkomponenter i en- kristallform. Inga avsiktliga tillsater C, B och Zr göres, men kan dessa ämnen förekomma som föroreningar. _ För att tillse att TCP-faser ej bildas i legeringen inom ett stort område av kompositioner och driftsförhållanden, regleras_ koboltinnehållet till mellan 3 och 7%.

Med hänsyn till korngränsförstärkningsmedlen C, B och Zr, göres ej heller några avsiktliga tillsättningar. Ifall maximalt utbyte av uppfinningen skall uppnås, får inget ämne i gruppen C, B och Zr förekomma i större mängder än 50 ppm, och företrädesvis understiger summan av föroreningarna 100 ppm. Allra helst är kolinnehâllet mindre än 30 ppm och övriga ämnen respektive mindre än 20 ppm. I alla händel- ser måste kolinnehâllet begränsas till under den mängd, som bildar karbider av"MCftyp. Det måste understrykas att ingen avsiktlig till- sättning av dessa ämnen sker och att deras förekomst i legeringen eller enkristallprodukten enligt uppfinningen är oavsiktlig och icke önskvärd. ' Legeringar som kan framställas för uppfinningen innefattar: ~1) 8~12% Cr 2) 4,5-5,5% Al och 1-2% Ti 3) 3w5% W och 10~14% Ta 4) 3-7% Co 5) resten huvudsakligen Ni. >Inom dessa gränser är vissa sammansättningar att föredra. Summan av W och Ta är företrädesvis minst 15,5% för att medge adekvat för- stärkning i fast lösning och förbättrad kryphållfasthet vid hög tem- peratur. Ett Ta-innehåll på minst 11% föredras för oxidationsresis- tansen. Ämnena Al, Ti och Ta deltager i formeringen av X'-fasen (Ni3A1, Ti, Ta) och för maximal förstärkning medelst W-fasen, är det sammanlagda innehållet av A1, Ti och Ta företrädesvis minst 17,5%.

Al och Ta är de element som i första hand bildar X'-fasen och för- hållandet Al/Ti måste vara > 2,5 och företrädesvis > 3,0 för att medge adekvat oxidationsresistans. Minst 9% Cr skall finnas ifall produkten skall användas under förhållanden där sulfidation är ett problem. 78Û5309-7. 5 Den mindre tillsättningen av Co förbättrar också sulfidations- resistansen.~ V V Legeringar som frmaställts enligt det föregående, innefattar NiCr i fast lösning med minst 30 volym-% av fasen bestående av Ni3M, där M utgör Al, Ti, Ta och W i mindre grad. ' _ Legeringarna inom ovannämnda gränser är termiskt stabila och skadliga mikrostrukturella instabiliteter såsom TCP-faserna inne- hållande kobolt bildas ej ens efter en längre tid vid hög temperatur exempelvis 500 timmar vid antingen 871, 982 eller 1093°C. Vidare uppvisar legeringarna goda utmattningsegenskaper enär bildningen av skadliga karbidpartiklar förhindras. De svårsmälta metaller som normalt förenar sig med kol eller utfälles vid TCP?fasformeringen förblir i fast lösning och resulterar i en legering med"exceptionella mekaniska egenskaper. A ' En viktig fördel som erhålles genom elimineringenfav B, C och Zr, är ökningen av den inledande smälttemperaturen. Normalt ökar vid föreliggande legeringar den inledande smälttemperaturen, dvs. den temperatur vid vilken legeringen först börjar smälta lokalt, med minst 28°C över den inledande smälttemperaturen för en liknande (tidigare känd) legering, vilken innehåller normala mängder C, B och Zr. Legeringens inledande smälttemperatur överstiger normalt 1260°C, medan konventionella högvärdiga, högfraktionsvolym uppvisande Y - Y'- elegeringar har inledande smälttemperaturer understigande 1260°C.

Denna ökade temperatur medger varmbearbetning för upplösning vid temperaturer där fullständig upplösning av den utfällda X' är möjlig samtidigt som homogenisering medges i stor utsträckning och inom rimlig tid. Legeringarna enligt föreliggande uppfinning bildar inte de karbider som visat sig vara nödvändiga för korngränsförstärk- ning i polykristallina varmhållfasta nickelbaslegeringar. Av denna anledning måste legeringarna enligt uppfinningen användas för en- kristallprodukter. Bildningen av legeringen till enkristallform är en kritisk aspekt av uppfinningen, men förfarandet för enkristall- formering är oviktig. Typiska produkter och stelningsförfarande framgår av US patentskrift 3 494 709.

Den slutliga aspekten på uppfinningen avser den specifika varm- bearbetning som påföres enkristallprodukten. Enkristallprodukten i gjuten form innehåller Y'-fasen i dispersion med en normal partikel- storlek på ca. 1,5 mikron. Kurvan för fast löslighet för Y'-fasen i legeringen kommer normalt att ligga mellan 1288 och 1316°C och den inledande smälttemperaturen överstiger ca. 1293°C. Varmbearbetning vid 1288-1316°C (men under den inledande smälttemperaturen) kommer att 7 vvsoszoe-7 upplösa den* utfällda X'~fasen utan skadlig lokaliserad smältning.

Tider på 1/2-8 timmar är normalt tillräckliga även om längre tider kan förekomma. Dylika varmbearbetningstemperaturer är ca. 5500 högre än vad som kan förekomma vid polykristallina produkter av konventionella varmhållfasta legeringar. Denna högre temperatur medger homogenisering i hög grad under upplösningsstegen.

Efter\upplösningsförfarandet kan en åldringsbearbetning ut- föras vid 871-1093°C för att åter utfälla X' i renad form.

U'-partiklarna är efter återutfällning normalt mindre än ca. 0,5 mikron. 9 V Ovanstående diskussion kring ett föredraget utförande klar- göres närmare nedan med hänvisning till följande exempel: Exempel 1 Legeringar med i tabell I angivna sammansättningar bereddes.

Legeringens 444 sammansättning är, som följer: kol max. 50 ppm, volfram 11,5-12,5, titan 1,75-2,25, niob 0,75-1,25 zirkonium max. 20 ppm, kobolt max. 0,1, krom 8,0-10,0, aluminium 4,75-5,25, bor max. 20 ppm och resten nickel. Legering 454 är legeringen enligt föreliggande uppfinning. Båda dessa legeringar stelnade i en- kristallform. Legering PWA 1422 framställdes genom ensriktad stel- ning i en form med lângsträckta pelarkorn. Legering 1455 är en kommersiell legering som används som material för gasturbinblad.

Den omnämnes här pga. sin oxidationsresistans vid höga temperaturer.

Legeringen framställdes genom ett konventionellt gjutförfarande med likformiga fria icke-orienterade korn. Experimentleqeringarna varmbearbetades enligt uppfinningen genom en 4 timmars upplösnings- behandling vid T288°C, följd av åldringsbearbetning vid 1080oC under 4 timmar och vid 87T°C under 32 timmar. Legering PWA 1422 bearbetades vid T204°C under 2 timmar följt av åldringsbearbetning vid 1080OC under 4 timmar och vid 871OC under 32 timmar och lege- ring PWA 1455 testades i gjuten form. Båda dessa konventionella legeringar testades i det tillstånd i vilket de vanligen användes.

Exempel 2 En del av legeringsproverna i exempel T testades för utvärdering av desammää krypbrottegenskaper. Testförhållanden och resultat fram- går av tabell II.

Med hänvisning till tabell II är det uppenbart att under ifråga- varande testförhållanden var uppfinningslegeringen (454) överlägsen legeringarna 444 och PWA 1422. överlägsenhetsgraden för legeringen enligt uppfinningen kan synas minska något med ökad temperatur. I 7805309-7 m | mfQo~f.o | Q., mFQo,f.o å å ml UI OP O._ Q o.~ m m.P m Q.~ m mm ._ Mm H Hflwnßa Afiwxuflz nwvmwnv m.w .mv « w ONF m w of NP m W mm www, msm wcfiuwmwn Nwww wmw mnflnwmwq www mnflummmà 9 7805309-7 Tabell II Legeringskrypbrotteqenskaper Legering Testför-É , Tid till Livslängd innan hållande krygning brott .454 9z7°c/3347.s bar 46.2 165.6 444 ~ " - 28.5 82.6 PwA 1422 - “ - ' 17 ' 76 454 982oC/1999.5 bar 143.9 350 444 - " ~ 110.0 310 PWA 1422 1093oC/827.4 bar 409.9 776.4 444 - " - 303.9 345.7 PWA 1422 - “ - 31 " 61 IO 7805309-7 om m.NoF o.om omr fumssflp mqf Hwpmw pumsmmøx xw.mow www N.moN Nw .«.Z www w.>>P mvm íw _ mm Qwn uvoun Gmnflfl nmEEfiu. wumcnwun vmfiwwwñ wmmfimn |>H«oofiz Qxmflfixwu uø>>F.

Auuoun CMGQH HMÉHHU mflOfiu. nmvflmflnmnmnmø uommm Anmäfiwu nom mm mQwnm:mæ\. mnmumflmmumnofiunwflxo ummfiwno uom«FF mumíwwofiflmwfiwo :oo |mn0fiumßwmfi§w HHH fiwwnma Nmwf 43m mmww 43m www www mcfluwmmfl

Claims (7)

7sosso9%7 I krypning däremot ökar den väsentligt med stigande temperatur. Vad gäller livslängden innan brott uppstår, synes överlägsen- heten öka relativt 1422-legeringen med stigande temperatur. Upp- finningslegeringen uppvisar överlägsna egenskaper under alla testade xförhållanden. Eftersom tendensen i gasturbinmotorer visar på ökad effektivitet vid högre temperaturer, är de förbättrade egenskaperna vid hög temperatur för uppfinningen signifikativa; Exempel 3 Prover av materialen i exempel 1 testades för resistansen mot sulfidation och oxidation vid förhöjd temperatur. Sulfidations- testet innefattade applicering av Na SO med en hastighet på 1 m /cmz 2 4 9 var tjugonde timme. Brottkriteriet var en viktförlust på 250 mg/omg. Oxidationstestet utfördes såväl på de oskyddade legeringarna vid 1149°§ under cykliska förhållanden som på legeringarna skyddade med en beläggning av NiCoCnAlY-typ vid 1177°C under cykliska för- hållanden. NiCoCnAlY är ett kommersiellt beläggningsmaterial med en nominell sammansättning på 18% Cr, 23% Co, 12,5% Al, 0,3% Y och resten Ni. Testen på belagda prover normaliserades för att minimera effekten av olika beläggningstjocklekar. Beläggningen omtalas i US patentskrift 3 928 026. Testresultaten framgår av tabell III. Sulfidationsresistansen hos legeringen enligt uppfinningen är klart överlägsen övriga legeringars resistans, Vid cyklisk oxidationsutvärdering av obelagda prover överträffar den upp- finningsenliga legeringen även legering 1455, vilken är känd för sin oxidationsresistans. Också då en skyddande beläggning före- kommer, uppvisar legeringen enligt uppfinningen större resistans mot cyklisk oxidation vid förhöjd temperatur. flDet är för fackmannen uppenbart att föreliggande uppfinning kan ändras och modifieras inom ramen för efterföljande patentkrav utan att frångâ uppfinningens idé och ändamål. Patentkrav

1. Varmbearbetad, varmhållfast nickelbaslegeringsprodukt för användning vid företrädesvis förhöjd temperatur, k ä n n e - t e c k n a d _ a v att produkten har följande sammansättning: a. 8-12% Cr b. 4,5-5,5% Al i c. 142% fri d. 3-5% W 7805309-71 e; 10-14% ra fä 3-7% Co och g, resten Ni samt att produkten är fri från inre korngränser och företer en medelstorlek hos X'-partiklar på < 0,5 mikron. V k

2. Produkt enligt patentkrav 1, k ä n n e t e cflk n a d a v att summan av W och Ta är minst 15,5%. \ a

3. Produkt enligt patentkrav 1, k ä n n e t e cvk n a d a v att Ta utgör minst 11%. Å

4. Produkt enligt patentkrav_1,. k ä n n e t e ç k n,a d a v att summan*av Al, Ti och Ta är minst 17,5%.

5. Produkt enligt patentkrav 1, k ä»n n e t e c k nga d a v att förhållandet A1/Ti är större än 2,5, företrädesvis större än 3,0.

6. Produkt enligt patentkrav 1, k ä n n e t e G k n a d _a v ; att Cr utgör mer än ca. 9%. K '

7. Förfarande för framställning av en varmbearbetad nrodukt av en varmhållfast nickelbaslegering enligt något av patentkrav Å 1 - 6 för användning vid företrädesvis förhöjd temperatur, k ä n n e t e c k n a d a v att A. en legering framställes innehållande ß _ _ É a. 8-12% cr 1 5 fb. 4,5-s,5% A1 c. 1-2% Ti d. 3-5% w fe. 10-14% Ta f. 3-7% Co och .g. resten Ni B. legeringen formas till en enkristallprodukt och C. produkten upplösningsbehandlas vid en temperatur på 1288r1316°C så att en medelstorlek hos K'-partiklar på < 0,5 mikron uppnås.