WO1995032314A1

WO1995032314A1 - Intermetallische nickel-aluminium-basislegierung

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Publication number: WO1995032314A1
Application number: PCT/EP1995/001921
Authority: WO
Inventors: Gerhard Sauthoff; Benedikt Zeumer
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft; H.C. Starck Gmbh & Co. Kg
Priority date: 1994-05-21
Filing date: 1995-05-19
Publication date: 1995-11-30
Also published as: JPH10500453A; EP0760869A1; KR100359187B1; CZ342696A3; CN1044493C; DE59509221D1; KR970703438A; CN1150826A; RU2148671C1; DE4417936C1; EP0760869B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine intermetallische Nickel-Aluminium-Basislegierung, deren Gefüge überwiegend aus der binären Phase NiAl besteht und weiterhin die Elemente Chrom und Tantal aufweist. Der Anteil der Elemente Chrom und Tantal beträgt insgesamt maximal 12 at.-%. Die bevorzugten Gehaltsbereiche liegen bei 0,3 bis 3,8 at.-% Tantal und 1,0 bis 9,0 at.-% Chrom. Die intermetallische Nickel-Aluminium-Basislegierung zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, wie beispielsweise 1350 °C, aus. Sie eignet sich daher zur Herstellung von Bauteilen, welche einer hohen Temperatur-Dauerbelastung ausgesetzt sind, wie beispielsweise Gasturbinenschaufeln. Aufgrund der hohen Oxidationsbeständigkeit kann je nach Anforderung von zusätzlichen Oxidationsschutzschichten abgesehen werden.

Description

Beschreibung

Intermetallische Nickel-Aluminium-Basislegierung

Die Erfindung betrifft eine intermetallische Nickel-Alumini¬ um-Basislegierung, die die binäre Phase NiAl aufweist. Wei¬ terhin betrifft die Erfindung eine Verwendung der intermetal¬ lischen Nickel-Aluminium-Basislegierung.

In der DE-AS 18 12 144 ist ein Verfahren zur Herstellung ei¬ nes hochfesten Nickel-Aluminium-Werkstoffs mit guter Oxidati¬ onsbeständigkeit beschrieben. Bei dem Verfahren wird Nickel¬ pulver mit Aluminiumpulver gemischt und anschließend gepreßt und kalt verformt, so daß ein selbsttragender und zuεammen- hängender Formkörper mit einer faserigen oder lamenaren

Struktur entsteht. Der Anteil des Nitkels liegt bei minde¬ stens 80 % und der des Aluminiums bei maximal 20 %. Der zu¬ sammenhängende Formkörper wird anschließend nacheinander bei jeweils erhöhten Temperaturen warmverformt. Neben einer fe- sten Lösung des Aluminiums in dem Nickel entsteht zusätzlich hierbei vor allem die Verbindung NißAl. Diese feste Lösung sowie die Verbindung Ni3Al konnten mit Röntgenstrahlenanalyse nachgewiesen werden. Inwieweit andere Verbindungen zwischen Nickel und Aluminium mit dem Verfahren erreichbar sind, ist der Auslegungsschrift nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die thermo-mechani¬ schen Eigenschaften einer Nickel-Aluminium-Legierung zu ver¬ bessern. Hierzu zählen insbesondere die Warmfestigkeit, der Oxidationswiderstand und die Thermoschockbeständigkeit. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verwendung einer so verbesserten Nickel-Aluminium-Legierung anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die auf eine Nickel-Aluminium-Legierung gerichtete Aufgabe durch eine intermetallische Nickel-Alumi¬ nium-Basislegierung gelöst, welche überwiegend die binäre Phase NiAl sowie zusätzlich Chrom und Tantal aufweist, wobei der gesamte Anteil an Chrom und Tantal maximal 12 at.-% be¬ trägt. Der Anteil der binären Phase NiAl liegt vorzugsweise zwischen 70 bis 95 at.-%, insbesondere zwischen 85 und 90 a^*t.-%. Die bevorzugten Gehaltsbereiche für Tantal bzw. Chrom liegen bei 0,3 bis 3,8 at.-% bzw. 1,0 bis 9,0 at.-%. Innerhalb dieser Bereiche werden bevorzugt 0,3 bis 0,9 at.-% Tantal und 1,0 bis 3 at.-% Chrom bzw. 1,7 bis 3,0 at.-% Tan¬ tal und 6,0 bis 9,0 at.-% Chrom verwendet.

Das Verhältnis von Tantal zu Chrom beträgt dabei vorzugsweise 1 : 3 oder kleiner. Bei einem derartigen Verhältnis erreicht die Konzentration von Substituierungsele enten im NiAl ein Maximum. Durch Zugabe von Tantal und Chrom treten in der in¬ termetallischen Nickel-Aluminium-Basislegierung auf den -Korn- grenzen der binären Phase NiAl Ausscϊieidungen in grober mul- tinärer Laves-Phase auf, an der die 'Elemente Ni, AI, Cr und Ta beteiligt sein können. Zudem sind innerhalb der NiAl-Kör- ner Ausscheidungen feinteiliger Laves-Phase und α-Chrom. Da¬ bei wird bevorzugt, daß das Gefüge aus 5 bis 11 Vol.-% Laves- Phase, 3 bis 10 Vol.-% Ausscheidungen im NiAl sowie einem

Rest aus NiAl besteht. Besonders vorteilhaft hat sich ein Ge¬ füge erwiesen, das etwa 11 Vol.-% Laves-Phase auf den Korn¬ grenzen und etwa 10 Vol.-% Ausscheidungen im NiAl sowie NiAl als Rest umfaßt.

Eine weitere Verbesserung bestimmter Eigenschaften ergibt sich, wenn zusätzlich mindestens ein Element aus der Gruppe Eisen, Molybdän, Wolfram und Hafnium in einer Menge von je¬ weils bis 1 at.-%, insgesamt jedoch nicht mehr als 3 at.-% in der Legierung enthalten sind. Die Legierung kann darüber hin¬ aus Spurenelemente wie Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen aufweisen.

Durch Zusatz von Tantal und Chrom in den vorstehend jeweils angegebenen Gehaltsbereichen werden die bereits erwähnten groben bzw. feinteiligen multinären Laves-Phasen und α-Chrom gebildet. Diese Ausscheidungen sind in der Regel auf Zwickel- punkten verschiedener NiAl-Körnern zu finden. Höhere als die angegebenen Mengen an Legierungselementen Tantal bzw. Chrom können dazu führen, daß die Menge der Ausscheidungen in uner¬ wünschter Weise zunimmmt. Bei einer zu starken Zunahme der Volumenanteile an Laves-Phase entsteht eine zellulare Struk¬ tur, in der die Laves-Phase die Funktion der Matrix über¬ nimmt. Ein zu großer Anteil an Laves-Phase im Gefüge macht die intermetallische Legierung spröde und schlechter verar¬ beitbar.

Durch Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Ei¬ sen, Molybdän, Wolfram, Niob und Hafnium von jeweils bis 1 at.-%, insgesamt jedoch nicht mehr als 3 at.-%, kann eine Festigkeitssteigerung bei Kurzzeitbelastung erreicht werden. Allerdings wird die Kriechfestigkeit.^'1verringert. Durch Zusatz von Hafnium wird nach erster Korrosi n eine verbesserte Haf¬ tung der Oxidschicht bewirkt.

Die auf eine Verwendung der Legierung gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit der NiAl-Basislegie- rung Bauteile einer Gasturbine, insbesondere hochtemperatur- belastete Bauteile wie Gasturbinenschaufeln, hergestellt wer¬ den. Ein aus der Basislegierung hergestelltes Bauteil einer Gasturbine, insbesondere eine Turbinenschaufel, ist aufgrund des hohen Oxidationswiderstandes für den Dauereinsatz bei ho¬ hen Temperaturen beispielsweise von über 1100° C, insbeson¬ dere bei 1350° C, besonders geeignet. Je nach Anforderung kann bei einem solchen Bauteil im Gegensatz zu Superlegierun- gen von einer zusätzlichen Beschichtung mit Schutzschichten abgesehen werden. Eine so hergestellte Turbinenschaufel be¬ stehend aus einer einheitlichen Legierung ohne zusätzlich darauf anzubringende Schichten ist wesentlich einfacher her¬ stellbar und gegenüber den aus mehereren Schichten bestehen¬ den Turbinenschaufeln um die Problematik der Verbindung zwi- sehen den einzelnen Schichten befreit. Die intermetallische Nickel-Aluminium-Basislegierung eignet sich allgemein auch als Werkstoff für die Herstellung von Ge¬ genständen, die eine hohe Festigkeit, eine hohe Warmfestig¬ keit, eine gute Zähigkeit, einen guten Oxidationswiderstand und eine gute Thermoschockbeständigkeit besitzen müssen. Die Festigkeit liegt hierbei mit einer 0,2 %-Dehngrenze bei Raum¬ temperatur von über 600 MPa. Die Warmfestigkeit liegt bei der 0,2 %-Dehngrenze bei über 200 MPa bei 800° C und bei über 90 MPa bei 1000° C. Die Zähigkeit beträgt mindestens 7 MPa /m und der Oxidationswiderstand liegt in der Größenordnung von

10 -14 g²c -4«

Anhand der folgenden Beispiele wird die intermetallische Nik- kel-Aluminium-Basislegierung näher erläutert.

Die Zusammensetzung (in at.-%) von uYitersuchten Legierungen ist in der folgenden Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

Die Ausbildung des Gefüges, d.h. die Korngröße, die Ausschei- dungsverteilung und die Ausscheidungsgröße variiert stark mit dem Herstellungsprozeß. Durch thermodynamische Behandlungen, Strangpressen (SP) oder Ausnutzung der pulvermetallurgischen Herstellungsroute (PM) wird die Verteilung der Laves-Phasen- Partikel homogenisiert. Auch die mechanischen Eigenschaften der Legierungen sind stark vom ausgewählten Herstellungsprozeß abhängig. Es wurden folgende Herstellungsrouten für diese Legierungen verfolgt:

- gerichtete Erstarrung als Möglichkeit, fehlerarme Gefüge durch Gießtechnologie zu erzeugen. Die Prozeßparameter ent¬ sprechen denen der Superlegierungen (vgl. U. Paul, VDI- Fortschrittsbericht Nr. 264, VDI-Verlag) ,

- Pulvermetallurgie: durch Inertgasverdüsung und anschließen¬ des heißisostatisches Pressen bei 1250° C,

- Strangpressen zur Gefügehomogenisierung und Einstellung de¬ finierter Korndurchmessergrößen bei 1250° C,

- Heißpressen bei einem mehrachsigen' Spannungszustand und 1100° C.

Gerichtet erstarrte Proben besitzen eindeutig höhere Festig- keit, während beispielsweise stranggepreßtes Material eine verringerte oder sehr geringe Festigkeit besitzt. In der fol¬ genden Tabelle 2 wird die 0,2 %-Dehngrenze im Stauchversuch für die verschiedenen Legierungen sowie für NiAl dargestellt.

Tabelle 2:

Der Kriechwiderstand (in MPa) der untersuchten Legierungen im Druckversuch (sekundäre stationäre Kriechfestigkeit als Funk¬ tion der Dehngeschwindigkeit [in 1/s] bei 1000° C und 1100^*° C) ist in Tabelle 3 dargestellt.

Tabelle 3:

Die Kriechfestigkeiten dieser Legierung sind höher als die Kriechfestigkeiten vergleichbarer intermetallischer Phasen, beispielsweise höher als die Kriechfestigkeit von binärem NiAl bzw. NiAlCr-Legierungen.

Tabelle 4a gibt einen Vergleich der 0,2 %-Dehngrenze (in MPa) im Druckversuch einer konventionellen Superlegierung, einer binären NiAl-Legierung und einer NiAl-Ta-Cr-Legierung an.

Tabelle 4a:

In bezug auf die 0,2 %-Dehngrenze erweist sich die Überlegen¬ heit der erfindungsgemäßen Legierung bei Temperaturen ober¬ halb 1000° C.

Einen Vergleich des stationären Kriechwiderstands bei έ = 10"⁷ 1/s (in MPa) im Druckversuch einer Superlegierung, einer binären NiAl-Legierung und der entwickelten NiAl-Ta-Cr- Legierung vermittelt die folgende Tabelle 4b:

Tabelle 4b:

Temperatur : NiAl-Ta-Cr NiAl-Ta-Cr

^Ni50^Al50 2823 / 2922 PM75 / SP75

1000 ° C 13 79 /89 23 /19

1100° C n .b . 3-3 /33 10/ 6

1200° C n .b . ^f /21

Hierin bedeutet die Abkürzung n.b. daß der entsprechende Wert nicht bestimmt wurde.

Gegenüber konventionellen Superlegierungen besitzt die NiAl- Ta-Cr-Legierung den Vorteil, daß sie auch oberhalb von 1050° C bis 1150° C eine ausreichende Festigkeit besitzt. Es gibt in dieser Legierung keinen plötzlichen Festigkeitsab¬ fall, der auf ein Auflösen der verfestigten Phase zurückzu¬ führen ist.

Tabelle 5 zeigt einen Vergleich der aus Industrieangaben be¬ kannten Werte von K ^-Werten verschiedener Keramiken sowie der hergestellten pulvermetallurgischen prozessierten NiAl- Ta-Cr-Legierung .

Tabelle 5 :

NiAl NiAl-Ta-Cr NiAl-Ta-Cr NiAl -Ta-Cr Sie Guß Guß PM SP

K_τ /MPa 4-5 * 4 , 5 8 8-11 4 , 6

* Reuß, Disertation, RWTH Aachen Die Zähigkeit der intermetallischen NiAl-Basislegierung ist deutlich besser als die gemessenen Daten für binäres NiAl und SiC.

Die Legierung besitzt einen guten Oxidationswiderstand der Größenordnung 5 • lO--^ g²c^"^s, welcher somit gleich oder besser als der Oxidationswiderstand von binärem NiAl ist. Im Gegensatz zur Superlegierung sind somit bei hohen Temperatu¬ ren keine Schutzschichten, beispielsweise aus keramischem Ma- terial, nötig. Hierdurch entfällt die Problematik der Verbin¬ dung zwischen keramischen und metallischen Komponenten.

Eine ausreichende Thermoschockbeständigkeit ist gegeben. Bei 1350° C werden von der Legierung 500 Temperaturzyklen ohne eine Schädigung des Werkstoffes erreicht.

Claims

Patentansprüche

1. Intermetallische Nickel-Aluminium-Basislegierung, deren Gefüge überwiegend aus der binären Phase NiAl besteht und Chrom und Tantal aufweist, wobei die beiden Elemente Chrom und Tantal bis zu einem Gehalt von maximal 12 at.-% enthalten sind.

2. Legierung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die binä¬ re Phase NiAl 70 at.-% bis 95 at.-%, insbesondere 85 at.-% bis 90 ät.-%, an dem Gefüge ausmacht.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie

0,3 at.-% bis 3,0 at.-% Tantal und 1,0 at.- % bis 9,0 at.-% Chrom enthält.

4. Legierung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie 0,3 at.-% bis 0,9 at.-% Tantal und 1,0 at.- % bis 3,0 at Chrom enthält.

5. Legierung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie

0,7 at.-% bis 3,0 at.-% Tantal und 6,0 at.- % bis 9,0 at.-% Chrom enthält.

6. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie Tan¬ tal und Chrom im Verhältnis von 1 : 3 oder kleiner enthält.

7. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß auf zu- mindest einigen NiAl-Korngrenzen Ausscheidungen grober Laves- Phase und innerhalb zumindest einiger Nickel-Aluminium-Körner Ausscheidungen feinteiliger Laves-Phase und α-Chrom vorhan¬ den sind.

8. Legierung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ihr Ge¬ füge aus 5 bis 11 Vol.-% Ausscheidungen grober Laves-Phase, 3 bis 10 Vol.-% Ausscheidungen feinteiliger Laves-Phase und α- Chrom im NiAl enthält.

9. Legierung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ihr Ge¬ füge etwa 11 Vol.-% Laves-Phase auf den Korngrenzen und etwa 10 Vol.-% Ausscheidungen im binären NiAl aufweist.

10. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie zu¬ mindest ein Element aus der Gruppe Eisen, Molybdän, Wolfram, Niob und Hafnium in einer Menge von jeweils bis 1 at.-%, insgesamt jedoch nicht mehr als 3 at.-% enthält.

11. Verwendung einer intermetallischen Nickel-Aluminium-Ba¬ sislegierung, die überwiegend die binäre Phase NiAl sowie die Elemente Tantal und Chrom aufweist, wobei der gesamte Anteil an Tantal und Chrom bis maximal 12 at.-% beträgt, als Werk- stoff für die Herstellung von Gasturbinenbauteilen, wie Gasturbinenlaufschaufeln und Gasturbinenleitschaufeln.

12. Verwendung einer Legierung der Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als Werkstoff für die Herstellung von Gegenständen, mit einer hohen Festigkeit (0,2 %-Dehngrenze bei Raumtemperatur von über 600 MP) , eine hohe Warmfestigkeit (0,2 %-Dehngrenze von über 200 MP bei 800° C und über 90 MP bei 1000° C) , eine gute Zähigkeit (K_κ mindestens 7 MP/m) , ei¬ nen guten Oxidationswiderstand (ca. 5 • 10^"^-^ g²c^~^s) und ei- ne gute Thermoschockbeständigkeit aufweist.