DE1608182C

DE1608182C - Chromlegierungen

Info

Publication number: DE1608182C
Authority: DE
Inventors: Alan Lichfield Stafford Woolcock (Großbritannien)
Original assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Current assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Publication date: 1972-02-10

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Chromlegierungen.

Chrom besitzt einen Schmelzpunkt von über 1800° C und hat eine ausgezeichnete Oxydationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen, so daß es für Anwendungszwecke bei hohen Temperaturen, wie beispielsweise Gasturbinenschaufeln, besonders geeignet ist. Nun hat jedoch Chrom den Nachteil, daß es nur eine geringe Duktilität bei niedrigen Temperaturen besitzt und darüber hinaus brüchig wird durch Stickstoff absorption bei höheren Temperaturen. Darüber hinaus ist die mögliche Gebrauchstemperatur von Chromlegierungen anscheinend niedriger als das von Legierungen, die auf stärker hitzebeständigen Elementen, wie Niob und Molybdän, aufgebaut sind. Hinsichtlich der Kosten ist Chrom jedoch besonders interessant und liefert ein potentielles Material für Anwendungstemperaturen über denjenigen von Nickellegierungen und unter denjenigen von Nioblegierungen.

Es ist schon vorgeschlagen worden, Yttrium Chrom zuzusetzen, um hierdurch die Stickstoffabsorption zu verringern, wobei die Festigkeit der Legierungen durch Dispersionen von Titan-, Zirkonium- oder Hafniumcarbiden verbessert werden kann.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 210 567 sind Chromlegierungen bekannt, welche 0,005 bis 0,55 °/₀ ^a5 Kohlenstoff, 0,001 bis 0,5 °/₀ Yttrium und mindestens eines der Elemente Titan, Zirkonium und Hafnium enthalten, wobei das Atomverhältnis der. Gesamtprozentgehalte an Titan, Zirkonium und Hafnium zu Kohlenstoff innerhalb des Bereiches von 0,4 bis 15:1 liegt. In der Beschreibung ist angegeben, daß diese Legierungen gute mechanische Eigenschaften und eine gute Beständigkeit gegenüber Oxydation besitzen sollen.

Die französische Patentschrift 1 433 214 beschreibt Chromlegierungen, welche 0,01 bis weniger als 0,5% Yttrium, 0,03 bis weniger als 0,7 °/₀ Thorium und 0,1 bis 0,3 % Hafnium enthalten und in denen auch noch bis zu 10°/₀ Rhenium zugegen sein kann. Diese Legierungen sollen ebenfalls zäh und wärmebeständig sein.

Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß Chromlegierungen, welche Titan, Zirkonium und Hafnium enthalten, mit gutem Erfolg hinsichtlich der Verbesserung ihrer Eigenschaften Bor zugesetzt werden kann. Unter der Voraussetzung, daß eine genügende Menge Hafnium in den Legierungen zugegen ist, wird hierbei Hafniumborid gebildet, welches als Dispersionshärtungsphase wirkt.

Gemäß der Erfindung wird eine Chromlegierung vorgeschlagen, welche aus 0,05 bis 5,0 °/₀ Yttrium, 0,001 bis 1,0 % Bor und insgesamt 0,1 bis 6 % an einem oder mehreren folgender Getterelemente, nämlich bis 4,0% Hafnium, bis 6,0% Titan und/oder bis 4,0% Zirkonium und dem Rest von nicht weniger als 50% Chrom neben unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.

Gewünschtenfalls kann eine Legierung gemäß der Erfindung auch noch eines oder mehrere der folgenden Legierungselemente bis zu einer Gesamtmenge von 30% enthalten: bis 20% Molybdän, bis 20% Vanadium, bis 15% Rhenium, bis 5% Wolfram, bis 5% Tantal und bis 2% Silicium. ₍

Bevorzugte Mengenbereiche der hauptsächlichen

Legierungselemente sind folgende: 0,1 bis 1,5% Hafnium, 0,1 bis 2,0% Yttrium und 0,01 bis 0,1 % Bor.

Eine Legierung, welche die angegebenen Mengen

der drei Legierungselemente neben Chrom und unvermeidlichen Verunreinigungen enthält, ist eine bevorzugte Legierungszusammensetzung gemäß der Erfindung.

Die Atomverhältnisbereiche von Hafnium zu Bor liegen bei diesen bevorzugten Legierungszusammensetzungen von 0,07 bis 10,4:1. Es wird angenommen, daß das Optimum des Atomverhältnisses von Hafnium zu Bor innerhalb des Bereiches von 0,25 bis 3,5: 1 liegt. Molybdän wird vorzugsweise in einer Menge von 5 bis 15% zugesetzt und eine bevorzugte Legierung besteht aus 8% Molybdän, 1% Hafnium, 1,5% Yttrium, 0,05% Bor, Rest Chrom.

Legierungen gemäß der Erfindung besitzen gute Festigkeitswerte bei hohen Temperaturen mit einer guten Beständigkeit gegenüber Oxydation und Stickstoffaufnahme. Molybdän, Vanadium, Rhenium und Wolfram liegen in den angegebenen Bereichen in einer festen Lösung mit Chrom vor. Von diesen Elementen ist Molybdän der bevorzugte Zusatz, da es einen hohen Schmelzpunkt besitzt und demgemäß die Kriechbeständigkeit verbessert und es darüber hinaus nicht die Oxydationseigenschaften der Legierung schädlich beeinflußt. Die obere Grenze des Molybdängehalts wird durch die Erfordernisse der Fertigfabrikation bestimmt.

Durch die Zusätze von Yttrium und Hafnium wird die Legierung in zweifacher Hinsicht verbessert. Yttrium entfernt Sauerstoff und bis zu einem gewissen Ausmaß auch Stickstoff, indem es in der Schmelze als Getter wirkt, und es verhindert die Stickstoffaufnahme der Legieurng, wenn sie in Luft auf Temperaturen von 1100⁰C erwärmt wird. Hafnium wirkt ebenfalls als Stickstoffgetter, jedoch besteht seine wichtigste Funktion darin, daß es mit Bor Verbindungen bildet, wodurch die Legierung eine Dispersionshärtung erfährt, so daß die Legierung gute Festigkeitswerte bei hohen Temperaturen aufweist. Hinsichtlich dieser Funktionen kann Hafnium durch Titan und Zirkonium ersetzt werden. Tantal bildet wohl auch mit Bor cine Boriddispersion, jedoch wirkt es nicht als Getter. Von den angegebenen Boriden sind die Hafniumboride HfB und HfB, am stabilsten, und infolgedessen ist Hafnium der bevorzugte Legierungszusatz der angegebenen Gruppe von Elementen. Eine überschüssige Menge an Hafnium in der Legierung führt zur Bildung eines kontinuierlichen Bandes einer brüchigen, einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisenden Phase an den Korngrenzen, was für die mechanischen Eigenschaften der Legierung nachteilig ist.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht in der Kombination der Getterelemente Hafnium und Yttrium und der Anwendung eines Überschusses an Hafnium als eine Komponente einer dispersen Härtungsphase in Kombination mit Bor.

Ein Teil des Borgehaltes kann durch Kohlenstoff ersetzt werden, ohne daß die günstigen Eigenschaften des Vorhandenseins von Bor beeinträchtigt werden. So kann Kohlenstoff innerhalb des Bereiches von 0,001 bis 0,08% und beispielsweise in einer Menge von 0,01% Bor mit 0,02% Kohlenstoff vorliegen. In diesem Falle sind sowohl die Boride als auch die Carbide in der Legierung in Form von Dispersionen vorhanden.

Claims

Patentansprüche:

1. Chromlegierung, bestehend aus 0,05 bis 5,0% Yttrium, 0,001 bis 1,0% Bor und insgesamt 0,1 bis 6% an einem oder mehreren der folgenden Getter-

elemente, nämlich bis 4,0 % Hafnium, bis 6,0 °/o Titan und/oder bis 4,0 °/₀ Zirkonium und dem Rest aus nicht weniger als 50°/₀ Chrom neben unvermeidlichen Verunreinigungen.

2. Chromlegierung nach Anspruch 1, bestehend aus 0,1 bis 1,5% Hafnium, 0,1 bis 2,0% Yttrium, 0,01 bis 1,0 % Bor, Rest Chrom neben unvermeidlichen Verunreinigungen.

3. Chromlegierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Atomverhältnis von Hafnium zu Bor innerhalb des Bereiches von 0,07 bis 10,4:1 und vorzugsweise von 0,25 bis 3,5:1 liegt.

4. Chromlegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie noch zusätzlich bis zu 30% insgesamt an einem

oder mehreren folgender Elemente enthält: bis 20% Molybdän, bis 20% Vanadium, bis 15% Rhenium, bis 5% Wolfram, bis 5% Tantal, und bis 2% Silicium.

5. Chromlegierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Molybdängehalt 5 bis 15% beträgt.

• 6. Chromlegierung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 8% Molybdän, 1,5% Yttrium, l°/o Hafnium, 0,05 °/o Bor, Rest Chrom und unvermeidliche Verunreinigungen Besteht.

7. Chromlegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Borgehaltes durch 0,001 bis 0,08% Kohlenstoff ersetzt ist.