Legierung, Verfahren zur Herstellung der Legierung und deren Verwendung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Legierung und ein Verfahren zur Herstellung dieser Legierung.
Bei der Herstellung der Innenwände von Düsenrohren moderner Gasturbinen wurden Schwierigkeiten angetroffen. Diese Wände müssen aus einer Legierung hergestellt sein, die dem vielfach wiederholten schnellen Erhitzen auf etwa 800 C und Abkühlen standhalten können. Die Legierung muss sehr oxydationsfest und leicht schweissbar sein, eine hohe Kriechfestigkeit und gute Zugfestigkeit und Duktilität aufweisen, um den in solchen Rohren von bis zu 100 cm Durchmesser und 600 cm Länge auftretenden Spannungen wiederstehen zu können.
Die Wirkung der höheren Temperaturen bestand in einer Verkürzung der Lebensdauer der früher verwendeten Materialien ; bessere bekannte Legierungen, welche ausprobiert wurden, wiesen trotz der Anwendung verschiedener Wärmebehandlungen bei oder nahe bei der Naht eine schlechte Duktilität auf. Zudem ist die Wärmebehandlung eines fertig verschweiss- ten Rohres wegen seiner Dimensionen schwierig.
Die erfindungsgemässe Legierung auf der Grundlage von Nickel ist gekennzeichnet durch einen Gehalt an :
19, 0-23 Gew."/. Chrom
12, 0-25 Kobalt
3, 0- 8, 6 Molybdän
1, 7- 2, 45 ¯ Titan
0, 3- 0, 74 Aluminium
0, 2- 0, 6 Mangan
0, 1-0, 5 Silizium gegebenenfalls bis zu 0, 06 /a Kohlenstoff, gegebenenfalls bis zu 1,0 %Eisen und gegebenenfalls bis zu 0, 5 /o Zirkonium.
Vorzugsweise beträgt der Molybdän-Titan-Alumi- niumfaktor, der nachstehend definiert ist, weniger als 16.
Der Ausdruck Molybdän-Titan-Aluminium- faktor > , wie er im nachfolgenden verwendet wird, bezeichnet einen Wert, der durch Addition des Molybdänprozentsatzes, zweimal des Aluminiumund viermal des Titanprozentsatzes der Legierung erhalten wird.
Wenn z. B. eine Legierung 6, 1 /o Molybdän, 0, 4 /o Aluminium und 2, 2 /o Titan enthält, beträgt ihr Mo-Ti-Al-Faktor :
6, 1 + 2 X 0, 4. + 4 X 2, 2 = 15, 7.
Solche Legierungen können geschmiedet oder z. B. zu Stangen stranggepresst werden. Sie sind aber ganz besonders geeignet, in Blechform hergestellt zu werden, welche Bleche zu Gegenständen, wie z. B.
Gasturbinenrohren und Verbrennungskammerflammrohren zusammengeschweisst werden. Diese Legierun- gen weisen sowohl eine hohe Duktilität, welche ihr Zusammenschweissen erlauben, als auch eine hohe Festigkeit und Dehnungscharakteristik, verbunden mit einer guten Kriechfestigkeit auf.
Vorzugsweise beträgt der Aluminiumgehalt der Legierungen 0, 35-0, 6 /o, der Titangehalt 1, 9-2, 45 o/o. und der vereinigte Aluminium-Titangehalt 2, 5-2, 8"/o..
Zirkonium kann in der Legierung bis zu 0, 5 1/o enthalten sein, wobei weniger oder überhaupt kein Zirkonium anwesend sein kann. Schwefel kann bis zu 0, 01 /o enthalten sein, ist aber vorzugsweise unter 0, 005 11/o, gehalten.
Kohlenstoff und Eisen werden anwesend sein, wenn handelsübliche Legierungen zur Herstellung der erfindungsgemässen Legierung verwendet werden.
Der Kohlenstoff-und Eisengehalt soll jedoch so niedrig als möglich gehalten werden.
Falls gewünscht, kann die Legierung 3, 0-6, 1 /o Molybdän enthalten, wobei aber der gewünschte Molybdängehalt 5, 5-6, 5 /o beträgt.
Der Kobaltgehalt der Legierung beträgt vorzugsweise 17-21 /o.
Der Aluminium-, Mangan-und Siliziumgehalt der Legierung ist von beträchtlicher Wichtigkeit.
Wenn daher der Aluminiumgehalt der Legierung 0, 74 O/o übersteigt, fällt die Duktilität der Legierung und ihre Schweisseigenschaften verschlechtern sich wegen der Ausbildung einer Haut, besonders, wenn Bleche, bestehend aus der genannten Legierung, verschweisst werden. Wenn anderseits der Aluminiumgehalt der Legierung weniger als 0, 3 /o beträgt, sinkt die Kriechfestigkeit und sie ändert sprunghaft.
0, 2-0, 6 /o Mangan und 0, 1-0, 5"/o Silizium werden zur Verstärkung der Legierung und zur Verbesserung ihrer Schweissbarkeit beigegeben. Diese Prozentsätze an Mangan und Silizium verbessern die Fliessfähigkeit der Legierung und verhindern die Blasenbildung beim Argonbogenschweissen. Solche Blasen haben die Neigung, sich beim Argonbogenschweissen zu bilden und vermindern dadurch die Festigkeit der Naht.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der neuen Legierung, das dadurch gekennzeichnet ist, dal3 die Legierung erzeugt, lösungsbehandelt und nachher gealtert wird.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Verwendung der erfindungsgemässen Legierung zur Herstellung eines Düsenrohres, gemäss welcher die Legierung zu Blechen geformt wird und diese ver schweisst werden.
Anhand der beiliegenden Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand näher erläutert ; es zeigen :
Fig. 1 eine schematische Perspektive einer Vorrichtung zur Prüfung der erfindungsgemässen Legierung, und
Fig. 2 ein Diagramm der Legierungszusammensetzung.
Versuche l. Erhitzen und Abkuhlen :
Ein geschweisstes Blech der für den Versuch vorbereiteten Legierung wird in der Schweisszone während 10 Sekunden erhitzt und nachher während 50 Sekunden abgekühlt, wobei es einer konstanten Last von 1, 25 t/cm2 ausgesetzt ist. Die Schweisszone sollte mindestens 500 Heizzyklen bis zu 800 C und Abkühlen ohne Versagen aushalten.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Versuches ist schematisch in Fig. 1 dargestellt, worin 10 ein Versuchsstück von 10 cm Breite bezeichnet, welches aus zwei an der Stelle 11 verschweissten Blechen besteht. Das Ver suchsstück 10 ist an einem Stab 12 aufgehängt und trägt ein an einem Stab 13 aufgehängtes Gewicht 14.
Ein Brenner 15, welchem durch ein Rohr 16 ein Gemisch von aus dem Rohr 17 herkommende Luft und aus dem Rohr 18 herkommendem Gas zugeführt wird, richtet eine Anzahl von Flammen auf die Schweisszone. Um den Brenner 15 herum ist ein Zylinder 19 mit einer Aussparung 20 angeordnet.
Der Zylinder 19 wird so rotieren gelassen, dass die Schweissnaht der Flamme während 10 Sekunden ausgesetzt ist, während bei der übrigen Rotation, die 50 Sekunden dauert, die Schweissnaht von der Flamme durch den Zylinder abgeschirmt ist. Ein Thermoelement 21 misst die Temperatur der Schweiss- naht. In dieser Weise kann das Versuchsstück auf die gewünschte Temperatur gebracht, natürlich abkühlen gelassen und wieder schnell auf die Versuchstemperatur gebracht werden.
2. Duktilität :
Die Duktilität des geschweissten Versuchsstückes nach dem Altern und nach dem Beanspruchen der Schweissnaht in rechten Winkeln zu der Zugachse sollte nicht mehr als 5, 0 /o Verlängerung nach dem Bruch eines Standardzugversuchsstückes bei einer Versuchstemperatur von 775 betragen, gemessen in kaltem Zustand auf 25, 4 mm Eichlänge der Schweiss- naht.
Unter Standardversuchsstück wird ein Stück von 19 mm Breite mit parallelem Querschnitt und 7, 5 bis 9 cm Länge, das an den Enden langsam auf 32 mm Breite anwächst, verstanden.
3. Kriechen :
Bei einem Dauerbelastungsversuch sollte das Material nicht mehr als l"/o Formänderung nach 100 Stunden bei 775 C unter einer Belastung von 1, 25 t/cm2 aufweisen.
4. Zugfestigkeit :
Die Zugfestigkeit nach 30minutiger Behandlung in Lösung bei 775 C Versuchstemperatur sollte nicht weniger als 4800 kg/cm2 mit einer 0, 1 Versuchsbelastung von mindestens 2300 kg/cm2 betragen.
Die oben beschriebenen Legierungen bestehen alle vier genannten Versuche.
In Fig. 2 begrenzt das Rechteck A-B-C-D den Bereich des Aluminium-und Titangehaltes der beschriebenen Legierungen.
Die gestrichelte Linie E-F wurde so eingezeichnet, dal3 alle Legierungen, deren Aluminium-und Titangehalt innerhalb des Trapezes A-E-F-D liegt und deren Molybdängehalt 3, 0-6, 1 o/o beträgt, notwendigerweise einein Mo-Ti-Al-Faktor von weniger als 16 aufweisen.
Legierungen jedoch, deren Aluminium-und Titangehalt innerhalb dem Trapez E-B-C-F liegt, und deren Molybdängehalt 3, 0-8, 6 Gew. /o beträgt, weisen einen Mo-Ti-Al-Faktor von mehr oder weniger als 16 auf, je nach der in der Legierung enthaltenen Molybdänmenge.
Besonders zufriedenstellende Legierungen zur Verwendung bei der Düsenrohrherstellung werden er halten, wenn die Legierungen einen im Rhombus G-H-I-J liegenden Aluminium-Titangehalt aufweisen, wobei der Punkt G 0, 6 /o Al und 1v9 /o Ti, H 0, 6 /o Al und 2, 2 % Ti, I 0, 35 11/o A1 und 2, 45 O/o Ti und J 0, 35 O/o A1 und 2, 15 11/o Ti entsprechen. Der kombinierte Aluminium-und Titangehalt aller in den Rhombus G-H-I-J fallenden Legierungen liegt vorzugsweise innerhalb dem Bereich von 2, 5-2, 8 /o.
Solche Legierungen werden vorzugsweise einer Lösungsbehandlung während 10-15 Minuten bei 1060 bis 1080 C unterworfen.
Die Legierungen können bei Luft oder im Vakuum erschmolzen und dann in normaler Weise zu einem Blech gewalzt werden, worauf sie lösungs- behandelt und während 4-16 Stunden bei 700 bis 800 C gealtert werden können. Bei Legierungen, deren Aluminium-Titangehalt in das Rechteck A-E-K-D fallen, das heisst, deren Titangehalt 1, 7 bis 2, 1 % betrÏgt, wird die Lösungsbehandlung wÏhrend 10-30 Min. bei 1080-1120 C vorgenommen.
Legierungen, deren Aluminium-Titangehalt in das Rechteck E-B-C-K fallen, das heisst, deren Titangehalt 2, 1 bis 2, 450/o beträgt, können während 10 bis 15 Min. bei 1050-1100 C einer Lösungsbehandlung unterzogen werden.
Solche Legierungen können argonbogengeschweisst oder nahtgeschweisst und dicke Bleche k¯nnen stumpfgeschweisst werden. Wenn ein Füllstab benötigt wird, wie es bei relativ dicken Blechen (z. B. mehr als 0, 7 mm) der Fall ist, kann dieser aus der gleichen Legierung bestehen.
Eine beschriebene Legierung, bezeichnet als Legierung A, mit einem MO-Ti-Al-Faktor von 13, 9 sei nachstehend mit einer handelsüblichen Blechlegierung, bezeichnet als Legierung S verglichen, wie sie für die Innenwände von Düsenrohren verwendet wird.
Zusammensetzung der Legierungen in /o
Legierung A Legierung S
Chrom 21, 00 19, 80
Titan 1, 75 2, 30
Aluminium 0, 45 1, 20
Kobalt 20, 00 0, 60
Mangan 0, 40 0, 30
Silizium 0, 30 0, 50
Molybdän 6, 00
Eisen 0, 50 0, 90
Kohlenstoff 0, 04 0, 10
Schwefel 0, 005 0, 007
Nickel Rest Rest
Die Legierung A wurde während 10-15 Minuten bei 1120 einer Lösungsbehandlung unterworfen, argonbogengeschweisst und während 16 Stunden bei 780 gealtert.
Die Legierung S wurde während 10-15 Minuten bei 1080 einer Lösungsbehandlung unterzogen, argonbogengeschweisst und während 4 Stunden bei 750 gealtert.
Die Schweissstellen wurden darauf den obigen vier Versuchen unterworfen. Beide bestanden die Versuche 3 und 4. Versuche 1 und 2 ergaben jedoch die folgenden Resultate :
Legierung %-Dehnung bei 775¯C WÏrmezyklus bis Versagen 20 bis 775¯C (Versuch 2) (Versuch 1) A 11 1020 B 1 8
Vier weitere Legierungen B, C, D und E wurden auch den Versuchen unterworfen, wobei diese Legierungen die gleiche Zusammensetzung aufweisen wie die Legierung A, ausser dass sie den folgenden Molyb dän-Titan-Aluminiumgehalt haben :
Legierung B C D E
Molybdän /o 6, 0 5, 86 6, 0 6, 1 Titan"/. 2, 41 2, 38 2, 12 2, 12
Aluminium /o 0, 51 0, 30 0, 30 0, 45 Diese Legierungen ergaben bei den Versuchen 1 und 2 die folgenden Resultate:
Legierung Mo-Ti-Al-Faktor %-Dehnung bei 775¯ C WÏrmezyklus bis Versagen
20 bis 775o C
B 16, 66 8 510
C 15, 98 6 840
D 15, 08 11 960
E 15, 48 23 1410
Demgemäss widerstanden die Legierungen A, C und D, deren Mo-Ti-Al-Faktor weniger als 16 beträgt, wiederholtem Erhitzen und Abkühlen merklich besser als die Legierung B, deren Mo-Ti-Al-Faktor grösser als 16 ist.
Die Legierung E schnitt am besten ab, und diese Legierung, unähnlich den Legierungen A-D, wies einen in das Parallelogramm G-H-I-J (Fig. 2) fallenden Al-Ti-Gehalt auf.
Die in den beschriebenen Legierungen zulässigen Mengen an Aluminium und Titan liegen in einem sehr engen Bereich. Eine Legierung F wurde hergestellt, um zu zeigen, wie kritisch dieser Bereich ist.
Diese Legierung F (nicht erfindungsgemäss) hat die gleiche Zusammensetzung wie die Legierung A, ausser dass ihr Mo-Ti-Gehalt der folgende war :
Molybdän 6, 07 /o
Titan 1, 51010
Aluminium 0, zoo
Die Legierung F wurde den vier beschriebenen Versuchen unterworfen und befriedigte in bezug auf die Versuche 1 und 2 sehr, da sie nach 3250 Wärme- zyklen noch nicht gebrochen war und 20 Q/o Deh- nung bei 775 aufwies. Versuche 3 und 4 wurden jedoch nicht bestanden, und die Legierung F war daher in bezug auf Kriechfestigkeit und Zugfestigkeit ungenügend.