DE2801157C2 - Nickel-Chrom-Superlegierung - Google Patents
Nickel-Chrom-SuperlegierungInfo
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Classifications
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Description
(% Ti) + (% Al) + (% Nb) + 0,5 (% Ta) + 0,2 (% Cr) = 11,2 bis 12,4.
15. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, deren Wolframgehalt jedoch 1,5 bis 4%
beträgt.
16. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, die jedoch 0,2 bis 2% Molybdän enthält.
17. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, die jedoch 0,01 bis 0,3% Zirkonium enthält
18. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 15 bis 17% Chrom, 7 bis 10% Kobalt, 2,1 bis 2,8% Wolfram, i,4
bis 2,0% Tantal, 3,2 bis 4,0% Titan, 2,2 bis 3,8% Aluminium, 0,5 bis 1,5% Niob, 0,6 bis 1,0% Bor, 0,2 bis 2,0%
Molybdän, 0,03 bis 0,08% Zirkonium, 0 bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan und 0 bis 0,03% Kohlenstoff enthält
19. Legierung nach Anspruch !,diejedoch 19 bis 21% Chrom, 13 bis 17% Kobalt, 2,1 bis 2,8% Wolfram, 1,4
bis 2,0% Tantal, 3,2 bis 4,0% Titan, 2,2 bis 3,8% Aluminium, 0,5 bis 1,5% Niob, 0,6 bis 1,0% Bor, 0,2 bis 2,0%
Molybdän, 0,03 bis 0,08% Zirkonium, 0 bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan und 0 bis 0,03% Kohlenstoff enthält.
20. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 19 als Werkstoff für Gegenstände, die wie
20. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 19 als Werkstoff für Gegenstände, die wie
•45 Gasturbinenteile eine hohe Zeitstandfestigkeit, Dehnung und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen
besitzen müssen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Nickel-Chrom-Superlcgierung, die sich insbesondere als Gußlegierung
zum Herstellen von Gegenständen eignet, die wie Gasturbinenteile bei hohen Temperaturen korrodierenden
Medien ausgesetzt sind.
Trotz beachtlicher Fortschritte fordern die Gasturbinenhersteller nach wie vor Werkstoffe mit besseren technologischen
Eigenschaften bei hohen Temperaturen. Dem trägt ein Vorschlag Rechnung, bei Nickel-Superlegicrungen
den Kohlenstoffgehalt verhältnismäßig niedrig zu halten und den Borgehalt auf 0,05 bis 0,3%, vorzugsweise
höchstens 0,25% oder auch auf höchstens 0,15% einzustellen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Nickel-Chrom-Legierung mit weiter verbesserten Hochtemperatureigenschaften
zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe basiert darauf, daß sich bei in bestimmter
wi Weise zusammengesetzten Nickel-Chrom-Superlegierungen eine Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften
bei Borgehalten über 0,3 bis 1,2% einstellt. Im einzelnen besteht die Erfindung aus einer Nickel-Chrom-Superlegierung
mit 14 bis 22% Chrom, 5 bis 25% Kobalt, I bis 5% Wolfram, 0,5 bis 3% Tantal, 2 bis 5%
Titan, 1 bis 4,5% Aluminium bei einer Wirksumme von Titan und Aluminium von 4,5 bis 9%, 0 bis 2% Niob, über
0,3 bis 1,2% Bor, 0 bis 3,5% Molybdän, 0 bis 0,5% Zirkonium, 0 bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan und 0 bis 0,1%
Kohlenstoff, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel.
Im Hinblick auf eine hohe Korrosionsbeständigkeit enthält die Legierung mindestens 14%, jedoch höchstens
22% Chrom, um die Gefahr eines Auftretens von Sigma-Phase bei hohen Betriebstemperaturen zu vermeiden.
Vorzugsweise beträgt der Chromgehalt 15 bis 21%, beispielsweise 15 bis 17% oder auch 19 bis 21%. Kobaltgehaltc
28 Ol157
von 5 bis 25% wirken verfestigend, während über 25% Kobalt die Gefahr eines Auftretens von Sigma-Phase mit
sich bringen. Vorzugsweise beträgt der Kobaltgehalt 5 bis 22%, beispielsweise 7 bis 20%.
Auch Tantal, Titan, Aluminium und Niob wirken verfestigend. Die Legierung muß daher mindestens 0,5%
Tantal enthalten, wenngleich der Tantalgehalt vorzugsweise 0,8 bis 2,5%, beispielsweise 1,0 bis 2,0% beträgt und
über 3% Tantal versprödend wirken. Die Legierung kann bis 2% Niob enthalten. Vorzugsweise beträgt der Niobgehalt
jedoch mindestens 0,2% oder auch mindestens 0,5%. Über 2% Niob wirken versprödend, weswegen der
Niobgehalt vorzugsweise 1,5% nicht übersteigt. Die Legierung muß 2 bis 5%Titan und 1 bis 4,5% Aluminium bei
einem Gesamtgehalt von 4,5 bis 9%, vorzugsweise höchstens 8,5% enthalten. Höhere Gehalte dieser Elemente
fuhren zu einer Versprödung. Vorzugsweise enthält die Legierung jedoch 2,5 bis 4,5%, beispielsweise 3 bis 4%
Titan und 1,5 bis 4%, beispielsweise 1,8 bis 3,8% Aluminium.
Ein optimales Zeitstandverhalten setzt eine Korrelation der Gehalte an Titan, Aluminium, Niob, Tantal und
Chrom entsprechend der folgenden Bedingung voraus:
(% Ti) + (% Al) + (% Nb) + 0,5 (% Ta) + 0,2 (% Cr) = 11 2 bis 12,4
Der Borgehalt erweist sich als kritisch bezüglich der angestrebten technologischen Eigenschaften und muß
daher über 0,3% liegen und darf 1,2% nicht übersteigen. Andernfalls wird die Zeitstandfestigkeit beeinträchtigt
Vorzugsweise enthält die Legierung jedoch 0,4 bis 1%, beispielsweise mindestens 0,5% Bor. Unter Berücksichtigung
des Borgehaltes sollte der Kohlenstoffgehalt so gering wie möglich sein. Er darf 0,1% nicht übersteigen una
betrügt vorzugsweise höchstens 0,05%, besser noch höchstens 0,03%, da der Kohlenstoff die Zeitstandfestigkeit
beeinträchtigt
Auch die Legierungsbestandteile Wolfram und Molybdän verbessern die Festigkeit der Legierung, die I bis
5%, vorzugsweise 1,5 bis 4%, beispielsweise 1,8 bis 3% Wolfram sowie gegebenenfalls höchstens 3,5%, vorzugsweise
0,2 bis 2% Molybdän enthält. Zirkonium verbessert die Festigkeit und Duktilität der Legierung, die fakultativ
höchstens 0,5% Zirkonium und vorzugsweise 0,01 bis 0,3%, beispielsweise 0,02 bis 0,2% Zirkonium enthält.
Des weiteren kann die Legierung zur Verbesserung lnrer Duktilität bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan enthalten.
Höhere Gehalte beeinträchtiget, hingegen die Duktilität.
Eine optimale Eigenschaftskombination besitzt eine Legierung mit höchstens 0,6% Bor, 15 bis 17% Chrom
und 7 bis 10% Kobalt oder mit 19 bis 21% Chrom und 13 bis 17% Kobalt sowiejeweils 2,1 bis 2,8% Wolfram, 1,4 bis
2,0% Tantal, 3,2 bis 4,0% Titan, 2,2 bis 3,8% Aluminium, 0,5 bis 1,5% Niob, 0,6 bis 1,0% Bor, 0,2 bis 2,0% Molybdän,
0,03 bis 0,08% Zirkonium, 0 bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan und 0 bis 0,03% Kohlenstoff, Rest einschließlich
erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel, insbesondere wenn sie der obenerwähnten
Abstimmungsregel genügt.
Von den Verunreinigungen beeinträchtigt das Silizium die Korrosionsbeständigkeit, weswegen die Legierung
weniger als 1%, vorzugsweise unter 0,"1A Silizium enthalten sollte. Weiterhin zählen zu den Verunreinigungen
bis 1% Mangan und bis 3% Eisen.
Zur weiteren Verbesserung der Zeitstanrifestigkeii kann die Legierung lösungsgeglüht und anschließend ausgehärtet
werden. Hierfür eignet sich ein ein- bis zwölfstündiges Lösungsglühen bei 1100 bis 11800C und ein
anschließendes acht- bis achtundvierzigstündiges Aushärten bei 800 bis 900°C. Stattdessen kommt aber auch
ein zweistufiges Aushärten, d. h. ein vier- bis vierundzwanzigstündiges Glühen bei 900 bis 10000C ir.ui ein achtbis
achtundvierzigstündiges Glühen bei 700 bis 8000C infrage. Die Abkühlungsgeschwindigkeit nach dem 4<j
jeweiligen Glühen ist nicht entscheidend, weswegen das Abkühlen im allgemeinen an Luft erfolgt.
Zur Entwicklung der mechanischen Eigenschaften eignen sich jedoch auch andere für diesen Typ Legierung
bekannte Wärmebehandlungen. Außerdem kann die Legierung besonderen Gießbedingungen unterworfen
werden, beispielsweise einem gerichteten Erstarren.
Im wärmebehandelten Zustand nimmt die minimale Standzeit der Legierung mit zunehmendem Chromgehalt
teilweise ab. So besitzt eine 15 bis 17% enthaltende Legierung bei einer Belastung von 550 N/mm2 und einer
Temperatur von 7600C eine Mindeststandzeit von 260 Stunden, die sich bei Chromgehalten von 19 bis 21% auf
mindestens 200 Stunden verringert. Andererseits besitzt die obenerwähnte besonders bevorzugte Legierung die
beste Zeitstandfestigkeit bei höheren Chromgehalten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausfuhrungsbeispielen des näheren erläutert.
Im Vakuum wurden die aus der nachfolgenden Tabelle I ersichtlichen Legierungen erschmolzen und zu Probeteilen
vergossen, aus denen nach einer Wärmebehandlung einzelne Proben herausgearbeitet wurden. Der
Legierungsrest bestand in allen Fällen aus Nickel. Die Wärmebehandlung bestand im Falle der Legierung A und
1 bis 4 aus einem zweistündigen Lösungsglühen bei 1121°C mit Luftabkühlen sowie einem vierundzwanzigstündigen
Aushärten bei 8430C sowie bei den Legierungen B, 5 und 6 aus einem vierstündigen Lösungsglühen bei
116O°C mit Luftabkühlen und einem sechzehnstündigen Aushärten bei 8500C, jeweils mit Luftabkühlen. Die
Ergebnisse von Zeitstandversuchen mit diesen Proben sind in der nachfolgenden Tabelle II zusammengestellt.
Darin fallen die Legierungen 1 bis 6 unter die Erfindung, während es sich bei den Legierungen A und B um
außerhalb der Erfindung liegende Vergleichslegierungen handelt.
28 Ol 157
| Legierung 5 |
»0 | Cr | 550 | C | Co | Dehnung | Mo | W | Nb | Ta | Dehnung | Ti | Al | Zr | B | 228 N/mm2/927°C | Λ Dehnung |
| A | 15,8 | 0,013 | 8,5 | (%) | 1,74 | 2,55 | 0,85 | 1,75 | 3,57 | 3,36 | 0,055 | 0,20 | Stand. | ||||
| 1 | 16,0 | 0,009 | 8,4 | 1,73 | 2,59 | 0,85 | 1,75 | 3,56 | 3,34 | 0,054 | 0,31 | (h) | >) | ||||
| 2 | 16,3 | 0,017 | 8,4 | 1,73 | 2,73 | 0,86 | 1,73 | 3,53 | 3,45 | 0,054 | 0,48 | ||||||
| ίο 3 | 16,5 | 0,012 | 8,6 | 1,76 | 2,63 | 0,84 | 1,77 | 3,63 | 3,43 | 0,050 | 0,60 | ||||||
| 4 | 16,5 | 0,013 | 8,5 | 1,76 | 2.72 | 0.85 | 1,73 | 3,63 | 3,43 | 0,054 | 0,7! | ||||||
| B | 20,4 | 0,014 | 14,8 | 0,49 | 2,32 | 0,98 | 1,50 | 3,72 | 2,54 | 0,05 | 0,20 | ||||||
| 5 | 20,5 | 0,008 | 15,0 | 0,52 | 2,40 | 0,96 | 1,49 | 3,67 | 2,54 | 0,05 | 0,40 | ||||||
| 15 6 | 20 | 0,01 | 15,0 | 0,5 | 2,2 | 1,0 | 1,5 | 3,6 | 2,5 | 0,05 | 0,60 | ||||||
| Tabelle II | |||||||||||||||||
| Legierung | N/mrrr/760°C | 330 N/mm-V816°C | |||||||||||||||
| Standzeit | Standzeit | ||||||||||||||||
| (hl | (h) | ||||||||||||||||
5
6
6
250
267
321
363
454
267
321
363
454
185
217
658
217
658
1001
1007
1067
1735
1173
1007
1067
1735
1173
>504
910
910
5.0 10,3
8,7 10,0
7,2
2,5
62 7! 62 58 80
33 39 61; 90
!3,3 11,9 13,8 14,6 11,3
7,4 14,8 5,1; 5,4
Die Daten der Tabelle II zeigen, daß die niedrigeren Chromgehalte der Legierungen 1 bis 4 im Vergleich zu der
Legierung A eine bessere Standzeit und Dehnung ergeben. In ähnlicher Weise besitzen aber auch die Legierungen
5 und 6 mit höherem Chromgehalt eine bessere Standzeit und Dehnung als die Legierung B.
Des weiteren ergibt sich aus der Tabelle II, daß die Zeitstandfestigkeiten der nominell 16% Chrom enthaltenden
Legierungen 1 bis 4 bei 7600C und einer Belastung von 5500C mit dem Borgehalt zunehmen und bei einem
Borgehalt von 0,60% sowie 816°C und einer Belastung von 330 N/mm2 ein Optimum erreichen, während sich für
alle Legierungen bei 9270C und einer Belastung von 228 N/mm2 hohe Zeitstandfestigkeiten ergeben. Bei den
höhere Chromgehalte aufweisenden, d. h. nominell 20% Cb om enthaltenden Legierungen 5 und 6, erhöht sich
die Zeitstandfestigkeit mit zunehmendem Borgehalt bis 0,80%. Daraus erklären sich die bevorzugten Borgehalte
von 0,4%, vorzugsweise 0,5% bis 1,0%.
Bei weiteren Versuchen standen sich zwei nach der Erfindung besonders bevorzugte Legierungen 7 und 8
sowie eine unter der Bezeichnung IN-792 bekannte Legierung C mit den aus der nachfolgenden Tabelle III
ersichtlichen Zusammensetzungen gegenüber. In allen Fällen enthielten die Legierungen Nickel als Rest. Die
Proben wurden in der bereits beschriebenen Weise vorbereitet, zunächst jedoch lösungsgeglüht und vier Stunden
bei 11500C und sechzehn Stunden bei 85ß°C, jeweils mit Luftabkühlung ausgehärtet. Anschließend wurden
mit den Versuchslegierungen Zeitstandversuche angesteiit, deren Ergebnisse die nachfolgende Tabelle IV wiedergibt.
Legierung
Cr
Mo
Nb
Ta
Al
Zr
7
8
8
6(1 Q
| 20,5 | 0,021 | 15,0 | 0,53 | 2,31 | 0,98 | 1,63 | 3,70 | 2,64 | 0,065 | 0,79 |
| 20,0 | 0,01 | 15,0 | 0,50 | 2,2 | 1,0 | 1,5 | 3,6 | 2,5 | 0,05 | 0,80 |
| 12,6 | 0,125 | 9,0 | 1,98 | 3,91 | - | 3,95 | 4,30 | 3,62 | 0,08 | 0,018 |
| Temperatur | 28 01 | 498 | 157 | Legierung C | 161 | - | 543 | - | Dehnung | 5 | |
| Tabelle IV | 1797 | Standzeit | 499 | 917 | > 1439 | (%. | |||||
| Belastung | (0C) | Legierung 7 | >2089 | (h) | 1668 | 2085 | 133 | 5,2 | |||
| 760 | Standzeit | 133*) | Dehnung | 5,2 | |||||||
| (N/mm-) | 760 | (h) | 581 | (%) | 692 | 2,6 | II) | ||||
| 620 | 760 | 873 | 2,7 | >985 | - | ||||||
| 550 | 816 | 2461 | 2,5 | 6,0 | |||||||
| 500 | S16 | 3404*) | 4,4 | ||||||||
| 545 | 816 | >2785 | 2,5*) | 3,7 | 15 | ||||||
| 414 | 816 | 97 | 3,1 | - | |||||||
| 400 | 816 | 199 | 5,2 | ||||||||
| 345 | 816 | 516 | 3,6 | 8,2 | |||||||
| 330 | 927 | > 1336 | 1,7*) | 20 | |||||||
| I 300 | 927 | 185*) | 8,2 | ||||||||
| 269 | 927 | 8,2 | |||||||||
| 228 | 927 | 4,7 | |||||||||
| 200 | 980 | 6,2 | 25 | ||||||||
| 154 | |||||||||||
| 152 | 6,8*) | ||||||||||
| ·) X. | |||||||||||
Die Daten der Tabelle IV zeigen, daß die unter die Erfindung fallende N Legierungen 7 und 8 eine Zeitstandfestigkeit
besitzen, die mindestens der der bekannten Legierung C entspricht, in einigen Fällen, insbesondere
jedoch bei niedrigeren Temperaluren, beispielsweise bei 7600C, wesentlich besser ist. Ähnliches gilt für die
Dehnung, die für die Legierungen 7 und 8 bei 7600C erheblich besser ist.
Ein Vergleich der Zeitstandfestigkeiten der Legierungen 7 und 8 mit den bekannten Daten einer anderen herkömmlichen
Nickel-Chrom-Legierung IN-100 erweist ebenfalls ihre Überlegenheit bei einer Temperatur von
7600C und mindestens eine Gleichwertigkeit bei 816°C, 9270C und 98O0C.
Außer einer hohen Zeitstandfestigkeit besitzt die Legierung eine bessere Korrosionsbeständigkeit, wie Versuche
mit zylindrischen, in eine Schmelze aus 25% Natriumchlorid und 75% Natriumsulfat tauchenden Proben
ergaben. So fiihrte ein dreihundert Stunden dauernder Versuch bei 9000C, während dessen die Salzschmelze
nach einhundertfünfzig Stunden wieder aufgefüllt wurde, zu einem an der entzunderten Probe gemessenen
Gewichtsverlust von nur 2 mg/cm2. Ein weiterer Versuch unter erschwerten Bedingungen bei derselben Temperatur
und einem Wiederauffüllen nach je vierundzwanzig Stunden ergab einen Gewichtsverlust von nur 16
mg/env.
Hingegen betrug der Gewichtsverlust bei einer Probe der Vergleichslegierung C nach einerTauchzeit von nur
48 Stunden bei 85O°C schon 562 mg/cm:.
Die Legierung eignet sich als Knet- und Gußlegierung für Gegenstände, die wie Rotor- und Statorschaufeln
und einstückigen beschaufelten Läufern von Gasturbinen bei hohen Temperaturen belastet werden und korrodierenden
Medien ausgesetzt sind.
Claims (14)
- 28 Ol157Patentansprüche:l-WarmfesteNickel-Chrom-Superlegierungmit 14 bis 22% Chrom, 5 bis 25% Kobalt, 1 bis 5% Wolfram, 0,5bis 3% Tantal, 2 bis 5% Titan, 1 bis 4,5% Aluminium bei einem Gesamtgehalt von Titan und Aluminium von 4,5 bis 9%, 0 bis 2% Niob, über 0,3 bis 1,2% Bor, 0 bis 3,5% Molybdän, 6 bis 0,5% Zirkonium, 0 bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan, 0 bis 0,1% Kohlenstoff, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel.
- 2. Legierung nach Anspruch 1, deren Borgehalt jedoch mindestens 0,4% beträgt
- 3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, deren Borgehalt jedoch höchstens 1% beträgt
- ίο 4. Legierung nach Anspruch 2 oder 3, deren Borgehalt jedoch mindestens 0,5% beträgt
- 5. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, deren Kohlenstoffgehalt jedoch höchstens 0,05% beträgt
- 6. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, deren Chromgehalt jedoch 15 bis 21% beträgt
- 7. Legierung nach Anspruch 6, deren Chromgehalt jedoch höchstens 17% beträgt.
- 8. Legierung nach Anspruch 6, deren Chromgehalt jedoch mindestens 19% beträgt.
- 9. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, deren Kobaltgehalt jedoch 5 *j.;s 22% beträgt.
- 10. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, deren Tantalgehalt jedoch 0,8 bis 2,5% 2Q beträgt.
- 11. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, die jedoch mindestens 0,5% Niob enthält
- 12. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, die jedoch 2,5 bis 4,5% Titan enthält.
- 13. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, die jedoch 1,5 bis 4% Aluminium enthält
- 14. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13,deren Gehalte an Titan, Aluminium, Niob, Tantal und Chrom die folgende Abstimmungsregel erfüllen:
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