SE450392B - Superlegering pa nickelbas - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 450 592 2 såvida inte annat speciellt anges. Tabell 1 innehåller även ekvivalenta värden i atom-96. Den speciella kombinationen av Ni-Al-Mo-beståndsdelarna liknar i vissa avseenden den som beskrivs i US-patenten 2 542 962, 3 655 462, 3 904 403 och 3 933 483. Ni-Al-Mo-legeringarna är kända för att ha exceptionella mekaniska egenskaper, men hittills har deras ytstabilitet och oxidationsbeständighet varit oförutsägbar och marginell för lângtidsapplikationer.

Kärnan l uppfinningen är tillsatsen av omsorgsfullt samordnade kvanti- teter av Cr, Ta, Y och eventuellt Hf till dessa Ni-Al-Mo-legeringar för att dramatiskt förbättra oxidationsbeständigheten, samtidigt som de mekaniska egenskaperna bibehålls eller förbättras.

Cr tillsätts för oxidationsbeständighet genom att främja bildningen av en AIZOB-oxid i stället för en oxid baserad på NiO. För detta ändamål förefaller åtminstone ca 296 Cr vara nödvändigt. Ökning av Cr-nivân över ca 496 förefaller inte ge någon betydande förbättring i förhållande till vad som erhålls med ungefär 3% Cr.

Tabell 1 BRED sAMMANsÄTTNING Låg Hög i (1396) (Atom-as) (vikt-vs) (Atom-se) Ni (återstod) 09,19) 08,73) (622) (6210) A1 5,8 12,5 7,3 17,3 Mo 2,0 0,9 12,0 7,5 w 0,0 1,3 2,0 2,6 cr 2,0 2,2 4,0 0,6 'ra 1,0 0,32 2,0 0,66 Y 0,01 0,01 0,1 0,07 Hi 0,0 0,0 0,3 0,1 Tabell 2 FÖREDRAGEN SAMMANSÄTTNING (vikt-ve) l-.ëå Eëš Ni Återstod Återstod Al 6,3 7,3 Mo 3,5 ll,5 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 l0 li 20 25 30 35 450 392 a Eftersom Cr samtidigt reducerar de mekaniska egenskaperna, är Cr-tillsatser som överstiger ca 496 oönskade. Ta tillsätts för Stabilisering av mikrostrukturen, och Ta vid de angivna nivåerna kompenserar den försämring i mekaniska egenskaper som resulterar av Cr-tillsatserna. Således är Cr- och 'fa-nivåerna i viss utsträckning relaterade, och optimala legeringsprestanda erhålls genom att man samordnar Ta- och Cr-nivåerna så att man för höga Cr-nivåer använder höga Ta-nivâer och för låga Cr-nivåer använder låga Ta-nivåer. Åtminstone ett material valt bland Y och Hf måste tillsättas. Sådana element förbättrar ytoxidens vidhäftning till superlegeringarna, varigenom ytsplittringen reduceras och viktförlusterna på grund av oxidation reduceras till ett minimum. Det förefaller som 0,1 till 0,3 (totalt) vikt-96 av dessa grundämnen åstadkommer den önskade funktionen, varvid det föredragna intervallet är 0,02-O,296 (totalt) och Y företrädesvis föreligger i en mängd på åtminstone 0,01~0,07%.

Fig. l, 2 och 3 hjälper till att illustrera de tidigare angivna grundämnes- effekterna. Figurerna upptar de testade legeringssammansättningarna och visar viktförändringen vid oxidationstestning. Man inser, att när en legering oxideras, så ökar den initialt i vikt till följd av att ett oxidskikt bildas. Därefter sker, om detta oxidskikt skalas av, en viktförlust och oxidskiktet återbildas. Oxidskalning och resulterande viktförlust är inte önskvärt, eftersom detta resulterar i utarmning av de oxidbildande grundämnena i det underliggande substratet.

Oxidskalningen kan fortgå till en punkt där legeringen saknar förmåga att återbilda det önskade skyddande oxidskiktet, så att ett icke skyddande oxidskikt bildas. Vid denna punkt blir oxidationen allt snabbare och mer okontrollerad och till sist förstörs provet. Eftersom de flesta legeringar erhåller sin oxidations- beständlghet genom bildning av ett skyddande oxidskikt, är det önskvärda viktändringsbeteendet en initial lätt viktökning som indikerar att ett skyddande oxidskikt bildats följt av i huvudsak ingen viktförändring (eller en mycket obetydlig ökning). ' Det kritiska och oväntade resultatet av yttriumtillsatser illustreras i Figur l. Denna figur visar den viktförlust som visar sig vid olika legeringar med skilda yttriumnivåer efter cyklisk testning vid IZOHOC (ZZOOOF) under 50 entimmarscykler. Det är uppenbart att för den testade baslegeringen (1096 Mo, 6,796 Al, 6% W, 396 Cr, 1,596 Ta, 196 Hf, resten Ni) så ger tillsatser på från ca 0,01 till ca 0,06% Y en anmärkningsvärd förbättring av oxidationsbeteendet. Även om det tidigare observerats att Y kan förbättra oxidationsegenskaperna för beläggningar (US-patenten 3 676 085 och 3 751! 903) och legeringar (US-patentet 3 754 903), har det aldrig tidigare så vitt vi vet visats att Y-nivåer överstigande ca 0,196 skulle vara skadliga. 10 15 20 25 30 35 450 392 De i Fig. l visade resultaten kan förklaras genom hänvisning till Figur 2A, 2B och 2C, som är svepelektronmikrofotografier (vid 3000 X) av den oxiderade ytan av tre prov. Den nominella provsammansättningen är den som visas i Figur 2. Figur 2A är av ett prov som innehåller 0,196 Hf och mindre än 0,00296 Y. Figur 2B är av ett prov som innehåller 0,196 Hf och 0,02996 Y. Figur 2C är av ett prov som innehåller 0,196 Hf och 0,07396 Y.

Fig. 2A och 2C visar båda en grov oregelbunden oxidmorfologi och visar tecken på oxidytsplittring, medan Figur 28 visar tecken på vidhäftande oxidmorfologi. Således visar Figur 1, 2A, 2B och 2C klart att en begränsad kritisk mängd av Y ger en betydande förbättring av oxidationsbeteendet.

Figur 3 och li illustrerar, att en kritisk kromnivå är nödvändig för optimal oxidationsbeständighet. Figur 3 visar effekten av* varierande Cr-halt på oxida- tionsbeteendet för en baslegering som innehåller 1096 Mo, 7,496 Al, 696 W, 1,596 Ta, 0,196 Y och resten Ni. Man kan se att under testbetingelserna (500 entimmescykler av ugnsoxidation vid l093°C (2000°F)) så erhålls den önskade minimala viktförändringen med (Ir-nivåer på ca 396.

Figur li tjänar samma syfte med användning av cykliska oxidationsdata genererade vid llli9°C (2l00oF). Figuren visar förändringen i vikt som funktion av tiden vid testet. Fyra kurvor är avsatta för en baslegering som innehåller l096 Mo, 6,696 Al, 1,596 Ta, 0,196 Y och resten Ni (med varierande Cr-nivåer).

Effekten av ökning av Cr är att vrida kurvorna upp mot horisontallinjen (eller viktändring noll).

Fig. 3 och 4 visar att en Cr-nivå på ca 396 är nödvändig för att ge bra oxidationsbeteende inom denna klass av legeringar.

De mekaniska egenskaperna för Al-Mo-legeringarna har vid tidigare arbeten i de flesta avseenden visats vara överlägsna egenskaperna hos konventio- nella superlegeringar. Föreliggande uppfinning, dvs. avvägda tillsatser av Cr, Ta, Y och/eller Hf, uppnår avsevärt förbättrat oxidationsbeteende i kombination med mekaniska egenskaper som är åtminstone likvärdiga med och i vissa fall överlägsna egenskaperna för Al-Mo-Ni-grundlegeringarna. Detta är en markant skillnad i förhållande till typiska legeringar, där förbättring av en egenskap alltid åtföljs av en försämring av andra egenskaper.

Figur 5 är en spänningsbrottkurva för olika legeringar inklusive den tidigare beskrivna konventionella MAR-M200-superlegeringen och en legering som faller inom ramen för föreliggande uppfinning. Värdena i Figur 5 avser spänningsbrottegenskaperna för de olika sammansättningarna testade i enkristall- form i -orienteringem Som framgår av figuren har den modifierade Ni-Al-Mo-kompositionen förbättrad livslängd till spänningsbrott jämfört med de andra testade legeringarna. Det framgår att den modifierade legeringen har en 10 15 20 25 30 35 450 392 5 temperaturförbättring på ca IOSOC (I9OOF) jämfört med de konventionella superlegeringarna. Detta innebär att vid ekvivalenta spänningsbetíngelser, så skulle uppfinningslegeringen kunna användas vid IOSOC (I9OOF) högre temperatur och ändå uppnå samma detaljlivslängd. Denna höga temperatur skulle kunna vara följden av högre motordriftstemperatur eller reducerat kylluftsflöde om motor- temperaturen vore oförändrad. Båda dessa alternativ ger förbättrad ekonomi. En annan möjlighet är att upprätthålla driftsbetingelserna inklusive temperaturen vid samma nivå och erhålla en väsentligt ökad detaljlivslängd. Slutligen skulle man kunna upprätthålla samma temperatur men genom att öka driftspåkänningen uppnå ökade prestanda för samma bränsleförbrukning och detaljlivslängd.

De tidigare beskrivna kompositionerna kan användas i gjuten enkristall- form eller kan alternativt bearbetas till detaljer med användning av pulver- metallurgimetoder följt av riktad rekristallisation för att uppnå en linjeinriktad kornstruktur som i det begränsande fallet kan vara en enkristall.

För det fall att man följer metoden med gjuten enkristall är det nöd- vändigt att den gjutna detaljen homogeniseras och värmebehandlas såsom beskrivs i US-patentansökningen l77 0l+7.

Om detaljen skall tillverkas genom pulvermetallurgimetoden, kan kompo- sitionen formas till pulver med olika tekniker, även om en teknik som resulterar i snabb stelningshastighet är önskvärd på grund av den ökade homogenitet som blir följden. Ett sådant förfarande beskrivs i US-patenten ll 025 249, 4 053 264 och 14 078 873. Det resulterande pulvret komprimeras sedan och rekristalliseras med styrd inriktning till att ge den önskade strukturen. Riktad rekristallisation beskrivs US-patentet 3 975 219, och de speciella metoderna för att uppnå olika kristallografiska inriktningar i den slutliga strukturen beskrivs i den samtidigt inlämnade svenska patentansökningen 8206694-5.

De resulterande produkterna har speciell användbarhet i gasturbin- motorer. Om gjutningsmetoden följs kan ett gjutgods direkt produceras till önskat format. Om man emellertid följer den pulvermetallurgiska metoden, kan man med fördel följa den bladtillverkningsteknik som beskrivs i US-patentet 3 872 563 för att nå fram till ett blad med maximal kylförmåga. Fastän de här beskrivna kompositionerna är exceptionellt oxidationsbeständiga, kommer de otvivelaktigt att användas i belagd form, och sådana beläggningar kan innefatta aluminidbeläggning eller överlagringsbeläggningar av MCrAlY-typ. Även om uppfinningen visats och beskrivits med avseende på en föredragen utföringsform, är det självklart för fackmannen på omrâdet att olika förändringar vad gäller dess form och detaljer kan göras utan att man avviker från omfattningen av den patentsökta uppfinningen.

Claims (1)

450 592 s PATENTK RAV l. Nickelbassuperlegering med hög hållfasthet och oxidationsbeständíghet, k ä n n e t e c k n a d av att den väsentligen består av: 5,8 - 7,896 Al 5 8 -1296 Mo 4 - 896 W 2 - 496 Cr 1 - 2% Ta 0 - 0,396 Hi 10 0,01- 0,196 Y återstod Ni 2. Höghållfast oxidationsbeständíg nickelbassuperlegering enligt patent- kravet I, k ä n n e t e c k n a d av att den väsentligen består av: 15 6,3 - 7,396 AI 8,5 ~ 11,596 Mo 5 - 796 W 2,5 - 3,596 Cr

1. - 2% Ta 20 0 - 0,296 Hf 0,01- 0,07% Y återstod Ni