CH677497A5

CH677497A5 -

Info

Publication number: CH677497A5
Application number: CH4651/86A
Authority: CH
Inventors: Dennis Christopher Stewart; David William Anderson; Carol Marie Crowe
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1985-11-26
Filing date: 1986-11-20
Publication date: 1991-05-31
Also published as: JPS62167835A; KR930004478B1; DE3638855A1; IL80732A0; JPH0430447B2; FR2592062B1; KR870005112A; GB2183675A; FR2592062A1; AU6558086A; CA1284592C; CN86107041A; GB2183675B; AU591198B2; GB8627438D0; IL80732A

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

CH 677 497 A5

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Superlegierung auf Nickelbasis gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Legierung, die durch die vorliegende Erfindung weiterentwickelt wird, wird als «Waspaloy» bezeichnet und ist eine Legierung, die in den frühen 50er Jahren für eine Verwendung in Gasturbinentriebwerken entwickelt wurde. Die Nominalzusammensetzung der erforderlichen Legierungselemente sind, in Gew.-%, 19,5% Ghrom, 13,5% Kobalt, 3,75% Molybdän, 3,0% Titan, 1,12% Aluminium, 0,005% Bor, 0,06% Kohlenstoff, Rest Nicket. Zusätzlich können in begrenzten Mengen bestimmte Verunreinigungen vorhanden sein. Die hervorstechendste dieser Verunreinigungen ist Eisen, das in Mengen von bis zu 2Gew.-% zugelassen ist (einige frühe Veröffentlichungen bezeichnen Eisen sogar als erforderlichen Bestandteil von «WaspaIoy»-Legierungen, und zwar in einer Menge von etwa 3%).

Nickel, das «Rest»-Element in einer «Waspaioy»-Legierung hat einen beträchtlichen Preis, während Eisen nur einen Bruchteil davon kostet. Es besteht daher ein wirtschaftlicher Anreiz bei den Herstellern von «WaspaIoy»-Legierungen, zur Verminderung der Rohmaterialkosten Eisen zuzusetzen. Ein weiterer Anreiz wird dadurch gegeben, daß sehr viel Superlegierungsschrott durch Eisen verunreinigt ist, das ein schwer von einem derartigen Schrott zu entfernendes Element darstellt. Die Verfügbarkeit eines derartigen eisenreichen Schrotts macht die Anwesenheit von Eisen in einer «Waspaioy»-Legierung noch wahrscheinlicher.

Beim Anmelder der vorliegenden Erfindung wurden die Eisengehalte von 13 verschiedenen «Waspaloy»-Legïerungen analysiert, die in jüngster Zeit bezogen worden waren. Der durchschnittliche Eisengehalt lag bei 1,16%, während der kleinste Eisengehalt 0,70% betrug. Diese in der Praxis erhaltenen Größen erhärten die obige Aussage, daß in nahezu jedem beliebigen handelsüblichen «Waspaloy»-Material Eisen in Mengen von mehr als etwa 1% vorliegt.

«Waspaloy»-Legierungen haben in der Gasturbinentriebwerks-Industrie eine weitgefächerte Anwendung gefunden, und zwar vor allem als Knetlegierung und gelegentlich in gegossener Form. «Waspaloy»-Legierungen sind fester, insbesondere im Bereich von 538 bis 816°C, als die meisten als Alternativen zur Verfügung stehenden Zusammensetzungen.

In der Vergangenheft wurde diese Legierung entweder als Knetlegierung verwendet, in welchem Falle sie in nützliche Formen gebogen oder auf andere Weise verformt werden kann, oder in Gußform, in welchem Falle die Grundgeometrie des Teils durch den Gußprozeß festgelegt wird. Die Erzeugung komplizierter Profite und enger Toleranzen bei den Abmessungen kann sowohl im Falle der Knetlegierungen ats auch bei gegossenen Teilen spanabhebend erfolgen. Moderne Gasturbinentriebwerke enthalten Teile von einer beträchtlichen Komplexität. Zusätzlich geht ein starkes Bestreben dahin, das Gewicht der Triebwerke zu vermindern, so daß bei den gegenwärtigen Triebwerken der Wunsch besteht, alles überflüssige Material zu entfernen, während bei den Triebwerken der Vergangenheit Materialüberschüsse bei Gußstücken toleriert wurden. Gleichzeitig damit wurden in der Gießereitechnik große Fortschritte erzielt, so daß Teile einer erhöhten Kompliziertheit nunmehr direkt fast in ihre Endform oder Nettoform gegossen werden können, und die Gußstücke erfordern nur noch eine minimale spanabhebende Endbearbeitung. Gleichzeitig kam es auch zu einer Steigerung der Verwendungstemperatur und der angelegten Spannungen, so daß Veranlassung bestand, zu festeren Materialien überzugehen. Alle diese Faktoren führten den Konstrukteur von Gasturbinentriebwerken dazu, die Verwendung komplizierter Gußteile aus Legierungen wie beispielsweise einer «Waspaloy»-Legierung anzustreben. Das bei der Herstellung derartiger Teile auftretende Hauptproblem besteht darin, daß die Legierung eine gewisse Neigung zeigt, während des Gußverfahrens zu reißen. Das führte dazu, daß das Gießen der «WaspaIoy»-Legierung bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt nur eine relativ geringe Ausbeute an rißfreien Teilen lieferte. Somit hängt die praktische Verwendung gegossener Teile aus der «Waspaloy»-Legierung davon ab, daß Gußstücke, die kleine Risse und ähnliche Fehler aufweisen, zu Reparaturzwecken geschweißt werden können. Es wäre ferner nützlich, die Möglichkeit zu haben, kleinere Fehler der spanabhebenden Bearbeitung in unkritischen Bereichen der Teile dadurch zu reparieren, daß man unter Verwendung eines Schweißverfahrens Material aufträgt, wenn das Material unbeabsichtigt zu stark abgetragen worden war. Obwohl eine Legierung mit der Zusammensetzung der «Waspaloy»-Legierung unter anderen Aspekten sehr wünschenswert erscheint, weist sie den historischen Nachteil auf, daß sie nicht schweißbar ist. Die Zusammensetzung von Legierungen vom «Waspaloy»-Typ ist in zahlreichen US-Patentschriften beschrieben, wobei anscheinend das erste derartige Patent die US-PS 2 570193 (angemeldet 1946) ist, und derartige Patente werden bis zum heutigen Tag veröffentlicht. Eine unvollständige Liste dieser Patente umfaßt die US-PSen 2 570 193; 2 977 222; 3 166 412; 3 207 599; 3 512 963; 3 625 678; 3 723 107; 3 850 624; 4110 110; 4 213 026 und 4 456 481.

Angesichts der erheblichen Anzahl der erteilten US-Patente auf dem begrenzten Bereich von Legierungen der angegebenen Art ist es nicht überraschend, daß zahlreiche Elemente für verschiedene Zwecke zu der Grundzusammensetzung hinzugefügt und/oder entfernt wurden. Insbesondere befaßt sich die US-PS 3 166 412 mit einem Gußstück aus einer Legierung vom Waspaloy-Typ und erklärt u.a., daß Eisen in der Legierung ein unerwünschtes Element darstellt und daher nicht in Mengen über 0,5% und vorzugsweise nicht in Mengen über 0,25% vorliegen sollte. Die Art der Probleme, die auf die Anwesenheit von Eisen zurückzuführen sind, und/oder die Vorteile, die durch eine Begrenzung des Eisens

2

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

CH677 497A5

auf die angegebenen Bereiche erzielt werden, sind nicht erläutert. Das Patent erwähnt mit keinen Worten das Schweißen oder die Schweißbarkeit.

In ähnlicher Weise lehren einige Patente die Zugabe von Mangan zu Superlegierungen für Zwecke im Zusammenhang mit einer Verbesserung der Schweißbarkeit, beispielsweise empfiehlt US-PS 4 213 026 die Zugabe von 0,5 bis 3% Mangan zu Schweißdrähten aus einer Superlegierung auf Nickelbasis, um das Schweißverfahren zu verbessern und das Auftreten von Rissen in der durch die Wärme beeinflußten Zone zu vermeiden. Die Fig. 2 und 3 und die Tabelle 4 dieses Patents zeigen dem Fachmann jedoch, daß Waspaloy, selbst wenn diese Legierung mit Mangan modifiziert ist, für das Schweißen ein eher ungeeigneter Kandidat ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine schweißbare Legierung mit der Grundzusammensetzung der «Waspaloy»-Legierungen für die Herstellung von gegossenen Teilen von Gasturbinentriebwerken anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Legierung gemäß Patentansprüche 1 gelöst. Weiter verbesserte Schweißbarkeit erhält man unter den engeren Formulierungsbedingungen, wie sie in den abhängigen Patentansprüchen angegeben sind. Zusammensetzungen vom Typ der «Waspaloy»-Legierungen werden dadurch modifiziert und in Form von Gußstücken schweißbar gemacht, daß man ihren Eisengehalt, der in handelsüblichen Zusammensetzungen einen unverändert hohen Wert aufweist, auf weniger als etwa 0,2% und vorzugsweise weniger als 0,1% begrenzt. Die Schweißbarkeit läßt sich weiter dadurch verbessern, daß man ferner 0,3% bis 0,5% Mangan zusetzt, den Zirkoniumgehalt begrenzt, den Schwefel*, Wismut- und Bleigehalt auf die niedrigst möglichen Werte begrenzt und vorzugsweise außerdem die Gehalte an Aluminium und Molybdän im unteren Bereich der üblichen «Waspaloy»-Zusammensetzungen hält.

Daß durch diese Maßnahmen überhaupt eine Verbesserung der Schweißbarkeit erreicht werden konnte, war nicht vorauszusehen, so daß das erhaltene Ergebnis einen überraschenden Fortschritt bedeutet.

Nachfolgend werden die in kurzer Form oben erläuterten Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung noch näher erläutert.

Die handelsübliche Spezifikation für «Waspaloy» erlaubt die Anwesenheit von bis zu 2% Eisen. Obwohl die Anwesenheit von Eisen in verschiedenen Superlegierungen zugelassen ist, insbesondere bei frühentwickelten Superlegierungen, ist die Zusammensetzung der «Waspaloy»-Legierung unter den heutzutage in nennenswertem Umfange verwendeten Superlegierungen ungewöhnlich, indem sie die Anwesenheit von Eisen in dieser Menge zuläßt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß die Anwesenheit von Eisen in Mengen von mehr als etwa 0,2 Gew.-% in der Zusammensetzung der «Waspaloy»-Legierung eine dramatische Auswirkung auf die Schweißbarkeit eines derartigen Materials aufweist. Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung einer Vielzahl gegossener Waspaloy-Teite, die in den Produktionsstätten des Anmelders durch Schweißen repariert wurden. Die Zusammensetzungen 1 bis 6 erwiesen sich dabei als im wesentlichen unschweißbar, während die Zusammensetzungen 7 bis 12, die gemäß der vorliegenden Erfindung formuliert wurden, sich als zuverlässig schweißbar erwiesen. Die Schweißbarkeit wurde dadurch ermittelt, daß man die mit einer GTA-Schweißausrüstung hergestellte Schweißnaht auf Risse und andere Fehler untersucht. Der hervorstechendste Unterschied zwischen den schweißbaren und den nichtschweißbaren Zusammensetzungen ist der Eisengehalt. Es ist zu erkennen, daß alle schweißbaren Zusammensetzungen weniger als 0,2% Eisen enthalten, während die unschweißbaren Zusammensetzungen alle im Handel bezogene Materiallieferungen waren, die mehr als 1 Gew.-% Eisen enthielten. Demzufolge ist ein primäres Merkmal der vorliegenden Erfindung die Lehre, die Schweißbarkeit von Legierungen des «Waspaloy»-Typs dadurch dramatisch zu erhöhen, daß man den Eisengehalt auf weniger als 0,2% und vorzugsweise weniger als 0,1% vermindert (in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen sind Prozentangaben stets Gew.-%).

Vorzugsweise werden zusätzlich zur Begrenzung des Eisengehalts absichtlich Zusätze von Mangan in Mengen von 0,3 bis 0,5 Gew.-% gemacht. Zusätzlich ist eine Begrenzung des Zirkoniumgehalts auf weniger als 0,02 Gew.-% bevorzugt, wobei der Verzicht auf jeden absichtlichen Zirkoniumzusatz bevorzugt wird. Zirkonium wurde historisch einer «Waspaloy» in dem Glauben zugesetzt, daß es die Spannungsrißeigenschaften verbessert; ein gründliches Testen hat jedoch keinerlei Hinweis auf irgendeinen Unterschied bei den Spannungsriß-Eigenschaften zwischen «Waspaloy»-Legierungen ergeben, die die herkömmlichen Zirkoniummengen enthalten oder keinerlei absichtlichen Zirkoniumzusatz.

Zusätzlich gibt es bestimmte Elemente, die vom Fachmann generell als schädlich für die Schweißbarkeit angesehen werden, zu denen Schwefel, Wismut und Blei gehören. Es ist bekannt, daß sich derartige Elemente an den Korngrenzen ausscheiden und entweder selbst niedrigschmelzende Materialien sind oder an den Korngrenzen niedrigschmeizende Phasen bilden, wodurch eine erhebliche Rißbildung bewirkt wird. So bildet Schwefel niedrigschmelzende Nickelsulfidphasen, Während das bereits erwähnte Mangan die Wirkung des Schwefels unter Bildung von Mangansulfiden an den Korngrenzen vermindert, die einen erheblich höheren Schmelzpunkt aufweisen als die Eisensulfide, die sich sonst bilden würden, ist es nichtsdestoweniger wünschenswert, den Schwefelgehalt auf so niedrige Werte wie möglich zu begrenzen. Außerdem sind Wismut und Blei von Haus aus niedrig schmelzende Materialien, die zu den Korngrenzen ausseigern, so daß es ebenfalls erwünscht ist, den Gehalt an diesen Elementen auf so

3

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

CH 677 497 A5

niedrigen Niveaus wie möglich zu halten. Eine Kontrolle der Menge dieser Elemente kann dadurch erreicht werden, daß man die Legierung aus frischen Materialien (d.h. reinen Formen der Legierungselemente) formuliert, anstatt Schrott oder ein zurückgeführtes Material zu verwenden.

Eine abschließende Legierungsmodifikation, die zur Verbesserung der Schweißbarkeit des Materials eingeführt werden kann, besteht darin, die Gehalte an Aluminium und Molybdän etwa in der unteren Hälfte ihres üblichen Bereichs in «WaspaIoy»-Legierungen zu halten. Die Anmelder haben gefunden, daß trotz der Tatsache, daß Aluminium und Molybdän beide festigende Elemente sind, eine Begrenzung dieser Elemente auf die untere Hälfte ihres normalen Anwesenheitsbereichs (z.B. auf 1 bis 1,125% AI und 3,5 bis 4,25% Mo) die Festigkeit nicht nennenswert beeinträchtigt, jedoch die Schweißbarkeit zu verbessern scheint. Folglich besteht die am stärksten bevorzugte Form der vorliegenden Erfindung darin, die Gehalte der genannten Elemente in der unteren Hälfte ihres üblichen Bereichs zu halten. Tabelle 2 gibt die Nominalzusammensetzung für ein herkömmliches (gegossenes) «WaspaIoy»-MateriaI wieder sowie den Zusammensetzungsbereich für die Verwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wobei ein breiter Bereich, ein bevorzugter Bereich und ein besonders bevorzugter Bereich angegeben sind. Wir glauben, daß die Reihenfolge der gemäß der vorliegenden Erfindung erzielten Vorteile so ist, daß die Begrenzung des Eisengehalts der wichtigste Faktor zur Verbesserung der Schweißbarkeit ist, daß der Zusatz von Mangan in der Bedeutung an nächster Stelle kommt, daß an dritter Stelle die Entfernung des Zirkoniums folgt, an vierter Stelle die Begrenzung der Gehalte an Schwefel, Wismut und Blei und an fünfter Stelle die Begrenzung der Gehalte an Aluminium und Molybdän auf das untere Ende ihrer normalen Bereiche.

Superlegierungen auf Nickelbasis des als «Waspaloy» bekannten Typs werden dadurch schweißbar gemacht, daß man den Eisengehalt auf etwa 1/20 des üblicherweise vorhandenen Werts begrenzt, geringe Mengen Mangan zu der Legierung zusetzt und das Zirkonium entfernt, das üblicherweise vorhanden ist. Zusätzlich werden die Gehalte an Schwefel, Wismut und Blei auf den niedrigst möglichen Werten gehalten, und außerdem werden vorzugsweise das Aluminium und das Molybdän in der unteren Hälfte ihres üblichen Bereichs gehalten.

Indem bei der Herstellung der Legierung diese Maßnahmen befolgt werden, wird die Schweißbarkeit des gegossenen Materials drastisch verbessert, so daß erstmals Gußstücke aus Legierungsmaterialien der angegebenen Art im industriellen Maßstab gleichbleibend schweißbar gemacht werden.

4

o> Ol

Ol Ol

Ol o

è

4^ O

cd 01

CD o

PO Ol ro o

Tabelle!

Probe

C

Cr

Co

Ti

B

Cu

Ni

Mn •

Si

S

Mo

Al

Zr

Fe

Bi

Pb

1

0.05

19.4

13.6

3.1

0.002

0.078

Rest

0.5

0.17

0.027

3.9

1.09

0.093

1.17

<0.3 ppm

1.6 ppm )

2

0.06

19.5

13.6

3.1

0.008

0.081

Rest

0.46

0,17

0.017

3.9

1.13

0.091

1.16

<0.3 ppm

1.2 ppm )

3

0.07

19.4

13.6

3,2

0.01

0.086

Rest

1.1

0.17'

0,017

3.9

1.12

0.092

1.18

<0.3 ppm

1.7 ppm )

4

0.03

18.9

14.6

2.85

0.005

0.025

Rest

0.02

0.03

0.007

4.3

1.04

0.03

0.85

* \

5

18.7

12.8

2.9

*

0.05

0.04

*

4.4

1.1

0.1

1.2

*

* \

6

*

★

■*

0.22

0.1

3.56

1.65

0.8

1.99

<0.5 ppm

<2.0 ppm )

7

0.06

19.2

12.3

3.1

0.005

<0.05

Rest

0.43

<0.016

0.0017

3.7

1.15

0.02

0.067

<0.2 ppm

<0.5 ppm )

8

0.059

18.9

12.3

3.0

0.01

<0.05

Rest

0.39

0.014

0,0008

3.7

1.16

<0.02

0.066

<0.2 ppm

<1.0 ppm )

9

0.06

19.65

13.51

2.99

0.006

0,02

Rest

0.45

0.02

0,003

3.8

1.11

0.01

0.09

<0,1 ppm

<0,2 ppm ) ***

10

0.06

19.85

13.5

2.98

0.004

0.01

Rest

0.46

0,02

0,003

3.8

1.08

0.01

0.09

<0.1 ppm

0.3 ppm )

11

0.07

19.67

13,44

2.99

0.005

0.02

Rest

0,5

0.02

0.002

3.77

1.09

0,01

0.1

<0.1 ppm

0.2 ppm )

12

0.06

19,65

13.51

2.99

0.006

0.02

Rest

0.45

0.02

0.003

3.8

1.11

0,01

0,09

0.2 ppm

<0.1 ppm )

* nicht analysiert ** nicht schweissbar *** schweissbar

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

CH677 497A5

Tabelle II

Standard

Breiter "

Bevorzugter

Besonders bevor

Waspaloy

Bereich

Bereich zugter Bereich

Cr

18-21

Co

12-15

-12-15

12-15

Ti

2.75-3.25

2.75-3.25 .

2.75-3.25

B

0.002-0.008

0.002-0.008 .

0.002-0.008

C

0.03-0.1

0.03HD.1

Cu

0.1 max

P

0.015

. 0.015

0.015

0,015

Se

0.5 ppm max

Te

0.2 ppm mäx

0.2 ppm max

Th

0.2 ppm max

Fe.

2.0 max

0.2 max

0,1 max

0.1 max

Mn

0,5 max

0.3-0.5

Zr

0.12 max

0.02 max

S

0.03 max

0.005 max

At

1.0-1.5

1.0-1.125

Mo

3.5-5.0

3.5-4,25

Ni

Rest

Resi

Rest

Claims

Patentansprüche

1. Superlegierung auf Nickelbasis mit einer Zusammensetzung von 18%-21% Cr, 12%-15% Co, 3,5%-5,0% Mo, 2,75%—3,25% Ti, 1,0%-1,5% AI, 0,002%-0,01% B, 0,03-0,1% 0 und einem Gehalt an Fe, gekennzeichnet dadurch, daß der Eisengehalt auf einen Wert von nicht mehr als 0,2% begrenzt wird, wodurch die Schweißbarkeit von aus dieser Legierung hergestellten Gußstücken wesentlich verbessert wird.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 19,5% Cr, 13,5% Co, 3,5%-4,25% Mo, 3,0% Ti, 1,12% AI, 0,005% B und 0,06% C enthält.

3. Legierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Verbesserung der Schweißbarkeit der Eisengehalt auf einen Wert von nicht mehr als 0,1 % begrenzt wird.

4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur weiteren Verbesserung der Schweißbarkeit einen Zusatz von 0,3 bis 0,5% Mn enthält.

5. Legierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Verbesserung der Schweißbarkeit der Zr-Gehalt auf einen Wert von nicht mehr als 0,02% begrenzt ist.

6. Legierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur noch weiteren Verbesserung der Schweißbarkeit die Gehalte an Schwefel auf 0,003%, an Wismut auf 0,2 ppm und an Blei auf 1,0 ppm begrenzt sind.

7. Legierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur noch weiteren Verbesserung der Schweißbarkeit der Aluminiumgehalt auf einen Wert von 1,12% und der Molybdängehalt auf einen Wert von 3,75% begrenzt sind.

6