DE1219236B - Verfahren zur Herstellen von Gussstuecken, insbesondere von Gasturbinenlaeufern mit an die Nabe angegossenen Schaufeln, aus einer Nickel-Chrom-Legierung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

C22c

Deutsche Kl.: 40 b -19/04

Nummer: 1219 236

Aktenzeichen: J 24337 VI a/40 b

Anmeldetag: 29. August 1963

Auslegetag: 16. Juni 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Gußstücken, insbesondere von Gasturbinenläufern mit an die Nabe angegossenen Schaufeln, aus einer Nickel-Chrom-Legierung.

Es ist bekannt, daß Nickellegierungen in gegossenem oder geschmiedetem Zustand besonders gut als Werkstoff für Turbinenschaufeln geeignet sind, die bei sehr hohen Temperaturen bis etwa 980° C beansprucht werden. Derartige Schaufeln für Flugzeugturbinen wurden bislang gesondert angefertigt ίο und dann an einer aus einer anderen Legierung bestehenden Läufernabe befestigt. Da die Läufernabe nicht einer so hohen Temperaturbeanspruchung unterliegt wie die Schaufeln, braucht sie auch nur bei Temperaturen bis 540 oder 650° C von genügender Festigkeit und Zähigkeit zu sein.

Läufer für Automobilturbinen sind jedoch wesentlich kleiner und können billiger hergestellt werden, so daß es unwirtschaftlich wäre, die Schaufeln getrennt anzufertigen und danach an der Läufernabe zu befestigen. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, solche Turbinenläufer einstückig, d. h. mit an die Nabe angegossenen Schaufeln herzustellen. Da die Schaufeln und die Nabe des Läufers im Betrieb jedoch völlig verschiedenen Belastungen und Temperaturen ausgesetzt sind, stellt die einstückige Fertigung ein schwieriges metallurgisches Problem dar. Es sind daher hierfür Nickel-Gußlegierungen erforderlich, die sich sowohl für eine gegossene Läufernabe als auch für gegossene Schaufeln eignen.

Es ist bereits eine Nickel-Gußlegierung für einstückig zu gießende Läufer von Automobilturbinen bekannt, die 0,1% Kohlenstoff, 12% Chrom, 1,0% Titan, 6,2% Aluminium, 4,5% Molybdän, bekannt, die 0,1 % Kohlenstoff, 12 % Chrom, 2,0% Niob, 0,1% Zirkonium, 0,01% Bor und als Rest Nickel enthält (»Metal Progress«, Bd. 80 [1961], Heft 4, S. 86 bis 90). Dise Legierung besitzt zwar eine ausreichende Warmfestigkeit, doch beträgt ihre Dehnung bei Raumtemperatur, gemessen an kleinen laboratoriumsmäßig hergestellten Gußstücken, nur 6 bis 8 %. Sie ist bei großen Wanddicken im allgemeinen noch geringer, so daß die Legierung sich nicht zum Herstellen von Gasturbinenläufern mit an die Nabe angegossenen Schaufeln eignet.

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß die Dehnung der aus Legierungen der vorgenannten Art hergestellten Gußstücke bei Raumtemperatur durch Senkung des Kohlenstoffgehaltes erheblich gesteigert werden kann, sofern die Legierungen bei wesentlich höheren Temperaturen als bisher vergossen werden. Die auf diese Weise erzielte Ver-Verfahren zum Herstellen von Gußstücken,
insbesondere von Gasturbinenläufern mit an die Nabe angegossenen Schaufeln, aus einer
Nickel-Chrom-Legierung

Anmelder":

International Nickel Limited, London

Vertreter: ·

Dr.-Ing. G. Eichenberg

und Dipl.-Ing. H. Sauerland, Patentanwälte,

Düsseldorf, Cecilienallee 76

Als Erfinder benannt:
Clarence George Bieber,
Roselle Park, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 31. August 1962 (220 857)

besserung der Dehnung ist deshalb überraschend, als keine der beiden Maßnahmen für sich allein zu dem erstrebten Ziel führt.

Der Gegenstand der Erfindung bezieht sich deshalb auf ein Verfahren zum Herstellen von Gußstücken, insbesondere von Gasturbinenläufern mit an die Nabe angegossenen Schaufeln, aus einer Nickel-Chrom-Legierung, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Legierung aus 0,03 bis 0,06 % Kohlenstoff, bis 18 % Chrom, 0 bis 15 % Kobalt, 5 bis 8 % Aluminium, dessen Anteil bei einem Kobaltgehalt von weniger als 10 % höchstens 7 % beträgt, 0,5 bis % Molybdän, das ganz oder teilweise durch Wolfram ersetzt sein kann, einem Gesamtgehalt an Chrom, Molybdän und Wolfram von 15 bis 20%, 0 bis 1,5 % Titan, 1 bis 3 % Niob einschließlich der üblichen Verunreinigungen und der Reste von Desoxydationszusätzen bei einer Temperatur vergossen wird,

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die mindestens 165° C, vorzugsweise aber 220° C über dem Erstarrungspunkt der Legierung liegt.

Die handelsüblichen Nioblegierungen enthalten im allgemeinen eine geringe Menge Tantal, so daß die zu verwendenden Vorlegierungen auch Tantal bis zu 10% ihres nominellen Niobgehaltes aufweisen können. Insoweit gilt das Tantal als Teil des Niobs.

Der Kohlenstoffgehalt der Legierung darf 0,06% nicht überschreiten und soll vorzugsweise nicht mehr als 0,05 % betragen, wenn die Legierung im Gußzustand die geforderte hohe Dehnung bei Raumtemperatur aufweisen soll, und zwar selbst bei Wanddicken von 75 mm oder darüber. Praktisch enthalten die Legierungen stets etwas Kohlenstoff. Ein. Kohlenstoffgehalt von 0,03 % ist für eine Grundlegierung vorteilhaft, aus der die Gußstücke durch Umschmelzen hergestellt werden. Zur Erzielung von Bestwerten an Festigkeit und Brüchdehnung empfiehlt es sich, den Chromgehalt der Legierung im Bereich von 10 bis 14 % zn halten.

Bedeutsam ist der Gesamtgehalt der Legierung an Chrom, Molybdän und Wolfram. Um Bestwerte an Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Bruchdehnung bei höheren Temperaturen zu gewährleisten, soll-er im Bereich von 15 bis 20% gehalten werden. Besonders vorteilhafte Eigenschaften erreicht man mit Legierungen, die 0,5 bis 6% Molybdän, aber kein Wolfram enthalten. Aluminium ist für die Härte und die Festigkeit der Legierung: wesentlich. Ein zu niedriger Gehalt der Legierung an Aluminium geht zu Lasten der Festigkeit, während zu hohe Aluminiumgehalte die Bruchdehnung der Legierung beeinträchtigen. Der Höchstgehalt an Aluminium hängt vom Kobaltgehalt ab: Bei Kobaltgehalten von 10 % und mehr kann der Aluminiumgehalt bis 8% betragen. Wenn die Legierung aber Kobalt nicht oder in einem Anteil von weniger als 10 % enthält, dann darf der Aluminiumgehalt der Legierung 7 % nicht überschreiten. Vorzugsweise enthält die Legierung Titan, das selbst im Anteil von 0,5 % die Härte und . Festigkeit der Legierung steigert. Der Titangehalt soll aber 1,5 % nicht überschreiten, da höhere Titangehalte zur Verschlechterung der Bruchdehnung sowie der Vergießbarkeit führen. Auch-Niob spielt für die Festigkeit der Legierung eine bedeutsame Rolle. Sie leidet, wenn die Legierung weniger als 1 % Niob enthält^ währendbei einem Niobgehalt über 3% die Bruchdehnung der Legierung verringert wird. Bor und Zirkonium tragen merklich zur Verbesserung der Festigkeit und Bruchdehnung der Legierung bei, so daß sie vorzugsweise beide Elemente enthalten sollte. Die Anwesenheit einer geringen Menge, etwa von 0,005 % Bor sowie von mindestens etwa 0,02% Zirkonium, führt- bei Temperaturen im Bereich von 535 bis 650° C zu.guten Dehnungswerten.

Wenn die Legierung an Luft geschmolzen wird* dann wird sie vorzugsweise mit Calcium so desoxydiert, daß bis zu 0,05% Calcium im Fertigguß verbleiben. Beim Schrnelzen im Vakuum kann der Zusatz von Calcium entfallen. Silizium und Mangan sind in Legierungen auf Basis Nickel unerwünscht. Mehr als 0,2 bzw. 0,1 % von ihnen sollte die Legierung nicht enthalten. Das gleiche gilt für Eisen, von dem die Legierung- nicht mehr als 0,5 % enthalten soll. Andere Verunreinigungen, wie Schwefel, Phosphor, Blei, Antimon, Zinn, Selen, Tellur und Wismut sollten.- möglichst ausgeschlossen Werden. Wichtig ist, daß die aus der Legierung bestehende Schmelze überhitzt vergossen wird. Deshalb soll· sie eine Gießtemperatur', aufweisen, die mindestens 165° C, vorzugsweise mindestens 220° C über ihrem Erstarrungspunkt liegt. Praktisch sollte eine Gießtemperatur zur Anwendung kommen, die um mehr als 275° C überhitzt ist. So ist beispielsweise eine Gießtemperatur von 1620° C sehr geeignet. Die Anwendung derart hoher Gießtemperaturen steht der für Nickel-Gußlegierungen üblichen Praxis völlig ίο entgegen. Hier wird die Gießtemperatur gerade so hoch gehalten, daß das Metall alle Teile der Form ausfüllt, damit eine übermäßige Schrumpfung und ein Poröswerden des Gusses vermieden werden. So beträgt die übliche Gießtemperatur der vorstehend erwähnten bekannten Legierungen, die bei 1340° C erstarren, üblicherweise 1450 bis 1500⁰C.

Die nach.der Erfindung hergestellten Gußstücke haben ■ besonders gute Eigenschaften, wenn die Legierungen im Vakuum erschmolzen wurderU Sie können aber auch mit guter 'Gießbarkeit und nur geringer Beeinträchtigung ihfer* Eigenschaften, verglichen mit den. Eigenschaften 'der- im Vakuum ^geschmolzenen -Legierungen, unter" Argon/und selbst unter Luft geschmolzen werden. -'■' -v ■ ■ ' "' Die Festigkeit der Legierungen sowohl bei ■Räum-' temperatur als auch bei höheren Temperaturen !sann durch eine Wärmebehandlung der 'Gußstücke verbessert worden. Sie besteht in einem Erhitzen der Teile bei 1175°C 15Minuten bis 24 Stunden,: bet spielsweise zwei' Stunden lang,¹ und anschließendem Abkühlen auf Raumtemperatur. Gegebenenfalls kann sich" eine Stabilisieningsbehahdlüng "durch ein 1- 'bis 24stündiges, beispielsweise. 4stündiges Erhitzen bei 928° C anschließen. .:■-■""" " ' ^l?

Das- erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Gußstücken eignet sich* insbesondere für :GäSr turbinenläufer, deren Schaufehl an die Nabe angegossen sind, d."h. für Gußstücke, die- mindestens einen Abschnitt aufweisen, der einer großen BeIastung bei ~ hohen ' Temperaturen, beispielsweise bei einer Temperatur von 925° C und mehr' unterliegt und mindestens noch einen weiteren Abschnitt be*^ sitzen, der bei hoher Belastung weniger hohen Temperaturen, beispielsweise einer Temperatur von 5.40° C ausgesetzt ist.· Solche, nach der Erfindung hergestellte Gußstücke besitzen beste Eigenschaften", obwohl Teile davon Gebrauchstemperaturen ausgesetzt sind, die von denen der anderen Teile erheblich abweichen. Die Gußstücke weisen im übrigen auch eine gute Dauerstandfesfigkeit auf. -■ ■ ,

Die Eigenschaften der nach der Erfindung hergestellten Gußstücke werden an" Versuchsergebnissen erläutert, die mit drei in der Zahlentafel 1 äufge^ führten Legierungen erhalten wurden. Die drei Legierungen wurden im Vakuum erschmolzen sowie im Vakuum vergossen, und zwar bei einer Gießtemperatur von 1620° C, d." h. bei einer Temperatur,- die 275°.C über dem Erstarrungspunkt der Legierungen liegt. Zahlentafel 2 zeigt die Zeitstandfestigkeit und die Dehnungswerte der Legierungen, die bei 928° C unter einer Belastung von 21,1kg/mm² ermittelt wurden, während aus Zahlentafel 3 die Zugfestigkeit der Legierung bei Raumtemperatur erkenntlich ist. Die Legierungen 1 und 2'mit Kohlenstoffgehalten nach der Erfindung besitzen bei Raumtemperatur eine Dehnung, die mehr als. doppelt so groß ist wie die Dehnung der einen höheren Kohlenstoffgehalt aufweisenden Legierung3. · - ..-,

Zahlentafel 1

Legierung	%	°/o	%	Vo	Vo	Vo	Vo	Vo	Vo
Nr.	Cr	Mo	Nb	Al	Ti	C	B	Zr	Ni
1	12	5	2	6	0,6	0,008	0,01	0,10	Rest
2	12	5	2	6	0,6	0,05	0,01	0,10	Rest
3	12	5	2	6	0,6	0,12	0,01	0,10	Rest

Zahlentafel 2

Zeitstandfestigkeit bei 928° C und einer
Belastung von 21,1 kg/mm²

Legierung Nr.	Standzeit Stunden	Dehnung Vo
1 2 3	57,2 74,0 64,0	12,4 24

Zahlentafel 3

Legierung Nr.	Streckgrenze kg/mm2	Zugfestigkeit kg/mm2	Dehnung °/o
1 2 3	66,8 71,7 73,1	82,9 92,1 88,5	29 14 6

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Gußstücken, insbesondere von Gasturbinenläufern mit an die Nabe angegossenen Schaufeln, aus einer Nickel-Chrom-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung aus 0,03 bis 0,06% Kohlenstoff, 10 bis 18 % Chrom, 0 bis 15 % Kobalt, 5 bis 8% Aluminium, dessen Anteil bei einem Kobaltgehalt von weniger als 10% höchstens 7% beträgt, 0,5 bis 6% Molybdän, das ganz oder teilweise durch Wolfram ersetzt sein kann, einem Gesamtgehalt an Chrom, Molybdän und Wolfram von 15 bis 20 %, 0 bis 1,5 % Titan, 1 bis 3% Niob, 0 bis 0,05% Bor, 0 bis 0,15% Zirkonium, Rest Nickel einschließlich der üblichen Verunreinigungen und der Reste von Desoxydationszusätzen bei einer Temperatur vergossen wird, die mindestens 165° C, vorzugsweise 220° C, über dem Erstarrungspunkt der Legierung liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Legierung aus höchstens 0,05% Kohlenstoff, 10 bis 14% Chrom, 5 bis 7 % Aluminium, 0,5 bis 1,5 % Titan, 1 bis 3% Niob, 0,5 bis 6% Molybdän, einem Gesamtgehalt an Chrom und Molybdän von 15 bis 20 %, 0,005 bis 0,05 % Bor, 0,02 bis 0,15 % Zirkonium, Rest Nickel einschließlich der üblichen Verunreinigungen und der Reste von Desoxydationszusätzen.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Legierung mit höchstens 0,05% Kohlenstoff, 12% Chrom, 6% Aluminium, 0,6% Titan, 2% Niob, 5% Molybdän, 0,01% Bor, 0,1% Zirkonium, Rest Nickel einschließlich der üblichen Verunreinigungen und der Reste von Desoxydationszusätzen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Metal Progress«, 80 (1961), Heft 4, S. 86 bis 90; A. J. Murphy, »Non-Ferrous Foundry Metallurgy«, London, 1954, S. 390.

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