NO129535B - - Google Patents

Description

Utskillingsherdet legering på nikkelbasis.

Oppfinnelsen angår utskillingsherdede, varmbearbeidbare legeringer på nikkelbasis, og mer spesielt utskillingsherdede, tantalholdige legeringer på nikkelbasis.

Utskillingsherdede, varmbearbeidbare legeringer på nikkel-

basis som av og til innen teknikken betegnes som eldningsherdbare legeringer, anvendes forst og fremst ved hoye temperaturer, dvs. 537-871°C, som f.eks. i smilegeringskomponenter for jetmotordeler. Legeringene fremstilles som regel som smidde komponenter, stenger, platematerialer, somlose ror eller i andre smidde former dannet ved anvendelse av vanlige metallbearbeidelsesprosesser, f.eks„ varm-eller kaldbearbeidelse, ekstrudering og trekking etcD

De fleste hittil foreslåtte utskillingsherdede, varmbearbeidbare legeringer på nikkelbasis er basert på dannelsen av den vel-kjente aluminium-titanrike Y-Primærfase. Denne herdemekanisme kre-ver at aluminium og titan er tilstede i en samlet mengde av 0,<*>+ - 8,0$. ;Det er innen teknikken i meget begrenset omfang blitt overveid ;å anvende tantalholdige legeringer på nikkelbasis, men det er aldri blitt foreslått å anvende tantal alene som herdende element. Når Ta er blitt foreslått anvendt som en del av en gruppe av herdende elementer, er Ta-innholdet dessuten blitt begrenset til maksimalt ca„ h%, tilsynelatende for å unngå tap av duktilitet ved forhoyede temperaturer. Det er dessuten innen teknikken blitt satt som krav at når Ta anvendes som et medlem av en gruppe av utskillingsherdende elementer, må det anvendes sammen med Al og Ti som angitt ovenfor for at den ovenfor angitte Y~Primær:1'ase skal kunne danne s 0 ;Selv om de fleste kjente legeringer er meget godt egnet for an--vendelse ved en temperatur av 760-871°C, er de ikke helt tilfredsstillende ved anvendelse ved en temperatur av 537-6<l>h9°C på grunn av at de ikke har tilstrekkelig fasthet og duktilitet. Dessuten gjor den nodvendige anvendelse av Al + Ti som en del av de utskillingsherdende midler det nodvendig å utfore smeltingen enten under, vakuum eller en inert gass for at dannelse av oxydinneslutninger skal unn-gås. Selv om vakuum og inert gass kan anvendes ved fremstillingen av de foreliggende legeringer, medforer dette selvfolgelig en betraktelig okning av produksjonsomkostningene sammenlignet med smelting under luft som lett kan anvendes med tilfredsstillende resultater. ;Det tas ved oppfinnelsen sikte på å tilveiebringe utskillingsherdede legeringer som er spesielt egnede for anvendelse ved en temperatur av 537-6<1>+9°C, som ikke gjor det nodvendig å anvende Al og Ti som en del av de herdende midler, som inneholder tantal og som kan smeltes under luft uten at det dannes vesentlige oxydinneslutninger. ;Oppfinnelsen er basert på den oppdagelse at en fase som heri ;er betegnet som A^M, hvor A i det vesentlige består av nikkel og M ;i det vesentlige av tantal, kan utskilles for å herde en varmbe-arbeidbar legering på nikkelbasis. Det har dessuten vist seg at denne fase kan utskilles uten at aluminium og titan er tilstede i legeringen. Det bor bemerkes at denne utskillingsfase er forskjellig fra den ovenfor, angitte y-^ Timæv<H>ase som dannes ved samtidig anvendelse av aluminium og titan. Det er kjent at y-primær-fasen har en krystallstruktur av den ordnede flatesen- ;trerte kubiske type (FCC). I sterk motsetning til dette har den i de foreliggende legeringer dannede A^M-fase en ikke-kubisk krystallstruktur. Selv om den nbyaktige krystallstruktur for den utskillingsherdende fase 1 de foreliggende legeringer ikke er blitt entydig fast-slått, tyder krystallografiske undersokelser på at den er tetragonal med forskjellig lengde for enhetscellens akser i krystallstrukturen som derfor ikke kan være av den kubiske type. ;I den tilgjengeliggjorte norske patentsøknad nr. 2379/70 er beskrevet en legering på nikkelbasis og en fremgangsmåte ved fremstilling derav, bestående av 15-22 vekt% Cr, 3-12 vekt$ Mo eller W eller en blanding derav, minst ett av 7-10 vekt$ Ta, 6~9 vekt$ Nb og 6-9 vekt$ V idet det samlede innhold av Ta + Nb + V ikke er over 10 vekt$, og 0,03-0,15 vekt% C idet resten er nikkel og vanlige forurensninger som ikke inneholder over 7 vekt$ Fe og ikke over 8 vekt$ Co, idet legeringen har en intermetallisk A^M-fase og en MC-carbid-fase hvori A i det vesentlige er Ni og M-i det vesentlige minst ett av elementene Ta, Nb og V, og MC-fasen er dispergert som findelte partikler med en storrelse av under 250 Å og er utskilt samtidig med A^M-fasen såvel som primære MC-carbidpartikler med en storrelse under 5 Mm. ;I den tilgjengeliggjorte norske patentsoknad nr. 2380/70 er krevet et utskillingsherde^ formet konstruksjonsmateriale av en legering.på nikkelbasis, spesielt egnet som konstruksjonsmateriale ;for kritiske komponenter i kjernekraftanlegg, og en fremgangsmåte ved fremstilling derav, og konstruksjonsmaterialet er særpreget ved at det er herdet av monocarbidpartikler av minst ett av elementene Ta, No, V, Zr, Ti og Hf, og at det har sammensetningen 15-22 vekt$ Cr, 3-12 vekt% Mo eller W eller en blanding derav, minst ett av 6-9 vekt$ Ta, 3-5 vekt$ Nb,3 - 6 vekt$ V, 3-5 vekt$ Zr, 3-6 vekt$ Ti og 6-8 vekt$ Hf, idet den samlede mengde av Ta, Nb, V, Zr, Ti og Hf ikke er over 9 vekt$, 0,03-0,15 vekt$ C og resten nikkel og beslektede gjenværende forurensninger som inneholder ikke over 7 vekt$ Fe og ikke over 8 vekt% Co, idet legeringen inneholder dispergerte primære monocarbider med en partikkelstorrelse under 5 Mm sammen med findelte utskilte monocarbidpartikler med en storrelse under 250 Å. ;Oppfinnelsen angår en utskillingsherdet, varmefast legering ;på nikkelbasis, spesielt egnet for konstruksjonsmateriale for kritiske komponenter i kjernekraftanlegg,og legeringen er særpreget ved ;at den består av 15-22 vekt% Cr, 3-12 vekt$ Mo eller W eller en blanding derav, 5-10 vekt$ Ta eventuelt erstattet med vanadium i en mengde under 50 vekt% av Ta-innholdet og/eller med niob i en mengde inntil 25 vekt$ av Ta-innholdet, forutsatt at innholdet av Ta + V + Nb er ;hoyst 10 vekt$, og resten nikkel og gjenværende forurensninger som er vanlig forekommende i legeringer på nikkelbasis, idet legeringen som gjenværende forurensninger ikke inneholder over 20 vekt% Fe, ikke over 10 vekt% Co og ikke over 0,15 vekt$ C og i det vesentlige består av ;en grunnmasse av en fast opplosning inneholdende en dispergert intermetallisk fase med sammensetningen A^M, hvor M i det vesentlige består av Ta og A i det vesentlige av Ni. ;Krom må være tilstede i legeringen innen det ovenfor'angitte område for å gi leger ingen fasthet og korrosjonsmotstandsdyktighet.' Under 15 vekt$ Cr gir en legering med meget liten' korrosjonsmotstands-dyktighet og over 22 vekt% Cr én legering mednedsatt duktilitet. ;Molybden er tilstede i legeringen innen det ovenfor angitte område for å gi ytterligere opplosningsherding og korrosjonsmotstands-dyktighet som er et krav til legeringer av denne gruppe. Det fore-trekkes at molybden er tilstede i legeringen selv om wolfram helt eller delvis kan erstatte molybden, f.eks. i et forhold av ca. 2:10 For at den skal få optimale fysikalske egenskaper skal legeringen inneholde en effektiv mengde,molybden og wolfram av ikke under 3 vekt%. Et innhold av over 12 vektfo wolfram eller 12 vekt% molybden gir legeringer som kan inneholde uonskede sprohetsdannende faser. Tantal må være ' tilstede i legeringen i en mengde av mir.st 5 vekt$ for å fremme en tilstrekkelig utskilling av'den ovenfor angitte A^M-fase, og et tan-talinnhold over 10 vekt% er tilboyelig til å nedsétte"legeringens vanlige varmbearbeidbarhet. Niob som ofte forekommer sammen med - tantal, kan være"tilstede i legeringen i en mengde av inntil 25 vekt% av tantalinnholdet. Vanadium kan om onskes erstatte en del av tantalet inntil maksimalt 50 vekt% av tantalinnholdet. ;Da kobolt har en ugunstig radioaktiv halveringstid, foretrek-kes det at kobolt ikke er til stede i legeringen hvis denne skal anvendes for konstruksjonsmateriale for kritiske komponenter i kjernekraftanlegg. ;Som angitt ovenfor er det ikke nodvendig å anvende aluminium og titan i de foreliggende legeringer. Det er onskelig at det samlede innhold av aluminium" og titan er så lavt som mulig og fortrinns-vis under 1,<!>+ vekt%. Dersom det samlede innhold av aluminium og titan er lavt, er det mulig å fremstille en legering med god kvali-tet ved smelting under luft. ;Bor, silicium, mangan, magnesium og kobber i en samlet mengde av inntil ca0 2,5 vekt$ kan være tilstede i legeringen innen de om-råder som det innen teknikken er kjent effektivt fremmer visse egenskaper som er forbundet med disse elementer, dvs. desoxydasjonstrin-net, stopeflytbarheten og duktiliteten etc0;Resten av legeringen består av nikkel og tilfeldige forurensninger som er vanlig forekommende i denne gruppe av legeringer. ;Eksempel 1 ;En 2,27 kg charge med folgende sammensetning ble smeltet med elektronstråle og stbpt. Det dannede stopestykke ble kaldbearbeidet efter homogenisering ved 120<1>+°C, og- derefter- opplosningsvarmebehandlet ved 1177°C. Materialet ble derefter kaldbearbeidet med mellomlig-gende anlbpningsbehandlinger til et 0,102 mm bånd. Dette bånd ble opplosningsvarmebehandlet ved 1177°C, bråkjolt og .derefter eldnet ved en temperatur av 871-593°C for utskilling av den ovenfor angitte 'A^M-fase. Det eldnede materiale ble omfattende undersokt med transmi-, sjonselektronmikroskopi og diffraksjon. Disse undersøkelser viste at den ovenfor angitte A^M-fase forekom i en homogent kjernedannet, jevnt dispergert, sammenhengende intragranulær morfologi i alle de undersokte tilstander. ;Eksempel 1 sammensetning ;;Eksempel. 2_ .. - ;En 22,68'kg charge med den folgende sammensetning ble induk-sjonssmeltet under vakuum og stopt. Efter homogenisering i 2h timer ved en temperatur av ca. 120<1>+°C ble stbpestykket smidd til en 5,08 cm kvadratstang: ;Eksempel 2 sammensetning ;;Materialet blo i den smidde tilstand maskinbearbo i.det til standard AS TM 2,5<!>+ cm lange provo stenger for både strokkfas the t- og spenningsbruddundorsokeIser. Disse stenger ble deretter varmebehandlet i argon i overensstemmelse med de folgende skjemaer: Varmebehandlingsbetingelse " A"; I den smidde tilstand pluss 1 time ved 95Lt-°C, bråkjolt i vann, derefter eldnet i 3,6 timer ved 777°C, derefter avkjolt i ovn til 652°C og eldnet i 86 timer ved 652°C. ;Varmebehandlingsbetingelse " B": I den smidde tilstand pluss 1 time ved 1250 C, bråkjolt i vann og derefter eldnet i 86 timer ved 663°C. ;Varmebehandlingsbetingelse " C": I den smidde tilstand pluss 20 minutter ved 1250°C, bråkjolt i vann og derefter eldnet i 2h timer ved 677°C. ;Strekkfasthetsegenskapene til materialet ifolge eksempel 2 ;er gjengitt i tabell 1 efter varmebehandling under de ovenfor angitte betingelser: ;;De i tabell 1 angitte data viser tydelig den meget gode fysikalske styrke efter den fullstendige varmebehandlingsbetingelse "A". De meget gode duktilitetsegenskaper fremgår også av denne tabell. Det tok som regel ca. 98 timer for legeringen ifolge eksempel 2 efter varmebehandling under betingelsen "A" som angitt ovenfor for det oppsto brudd ved 6<l>+9°C og en belastning av 773<*>+ kg/cm20 Foruten de fysikalske undersøkelser som ble utfort som angitt ovenfor, ble en del av materialet i den smidde tilstand kaldbearbeidet til en 0,102 mm tykk plate» Prøvestykker fra denne plate ble varmebehandlet under forskjellige betingelser, omfattende dem som er betegnet ovenfor som "A", "B" og "C". I alle tilfeller viste elektronmikroskopiunder-sokelser og diffraksjonsundersokelser av tynn folie at den onskede A^M-fase var blitt dannet som beskrevet i forbindelse med eksempel 1„

Claims (2)

1. Utskillingsherdet, varmefast legering på nikkelbasis, spesielt egnet for konstruksjonsmateriale for kritiske komponenter i kjernekraftanlegg, karakterisert ved at den består av 15-22 vekt% Cr,. 3-12 vekt$ Mo eller W eller en blanding derav, 5-10 7ekt% Ta eventuelt erstattet med vanadium i en mengde under 50 vekt% av Ta-innholdet og/eller med niob i en mengde inntil 25 vekt% av Ta-innholdet, forutsatt at innholdet av Ta+V+Nb er hoyst 10 vekt$, og resten nikkel og gjenværende forurensninger som er vanlig forekommende i legeringer på nikkelbasis, idet legeringen som gjenværende forurensninger ikke inneholder over 20 vekt% Fe, ikke over 10 vekt$ Co og ikke over 0,15 vekt$ C og i det vesentlige består av en grunnmasse av en fast opplosning inneholdende en dispergert jntarmetallisk fase med sammensetningen A^M, hvor M i det vesentlige består av Ta og A i det vesentlige av Ni„

2. Legering ifolge krav 1,karakterisert ved at det samlede innhold av aluminium og titan- er under 1,<!>+ vekt%.