DE3234264A1

DE3234264A1 - Legierung fuer den einkristallguss

Info

Publication number: DE3234264A1
Application number: DE19823234264
Authority: DE
Inventors: Roger Phillip Melbourne Derby Arthey; Michael James Mickleover Derby Goulette; Geoffrey William Allestree Derby Meetham; Roger Graham Mickleover Derby Roome
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1981-09-19
Filing date: 1982-09-15
Publication date: 1983-04-07
Also published as: FR2513269B1; JPS6214205B2; FR2513269A1; DE3234264C2; JPS5864331A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Legierung, die zur Herstellung von Einkristallgußstücken geeignet ist und auf ein Gußstück, welches daraus hergestellt ist.

Bei der Herstellung von Gußwerkstücken aus Nickellegierungen, die hohen Temperaturen unter schwierigen Bedingungen von mechanischen Beanspruchungen und Korrosions angriffen ausgesetzt sind, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Gußstücke als Einkristallgußstücke herzustellen, weil diese in Bezug auf ihre Kombination von Lebensdauer und Widerstand gegenüber hohen Temperaturen wesentliche Vorteile gewährleisten. Der Hauptanwendungsbereich, in dem diese Eigenschaften erforderlich sind, liegt in den heißeren Teilen von Gasturbinentriebwerken, beispielsweise im Bereich der Düsenleitschaufein und der Turbinenrotorschaufeln. Die hierfür gewöhnlich benutzten Nickel-Superlegierungen besitzen Bereiche von Bestandteilen, die im Hinblick auf die Eigenschaften eines Einkristallgußstückes des Materials nicht zweckmäßig sind, obgleich sie sich als geeignet erwiesen haben als Materialien für Gußstücke mit einer Einkristallachsausrichtung.

Ausgehend von einer modernen Nickel-Superlegierung als Basis liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Bereich von Legierungszusammensetzungen zu schaffen, die sehr gute Eigenschaften ergeben, wenn sie in Form eines Einkristallgußstückes benutzt werden.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe gelöst durch eine Legierung für den Einkristallguß, indem diese Legierung die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozenten aufweist:

8-10% Chrom

0-15% Kobalt

1,5-3% Totan + 1/2 Niob

5-6,5% Aluminium

3-10,5% Wolfram

0-3,5% Molybdän

0-3,5% Tantal

0-0,5% Hafnium

0-1,5% Vanadium 0,015-0,05% Kohlenstoff '

0-0,01% Bor

0-0,05% Zirkonium

wobei der Rest von Nickel und zufälligen Verunreinigungen gebildet wird.

Vorzugsweise ist die Legierung in Gewichtsprozenten wie folgt zusammengesetzt:

8-10% Chrom

2-11% Kobald

1 ,7-2,6% Titan + 1/2 Niob

5,25-5,75 % Aluminium

8,5-10,5% Wolfram

1,5-3,2% Tantal

0,015-0,05% Kohlenstoff

0-0,01% Bor

0-0,05% Zirkonium

Q 9 O / '^r-/

ύ ζ ο η ^ ο 4

wobei der Rest von Nickel und zufälligen Verunreinigungen gebildet wird.

Die Legierung kann einer Lösungswärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 1300⁰C unterworfen werden. In speziellen Anwendungsfällen lag die Wärmebehandlung im Bereich zwischen 1260 bis1320°C, und zwar wurde die Behandlung vier Stunden lang durchgeführt und dann erfolgte eine Gasgebläseabkühlung und anschließend eine Wärmebehandlung bei 1090⁰C während einer Stunde, und dann wurde die Wärmebehandlung fortgesetzt bei 87O⁰C für 16 Stunden.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Gußstück in Einkristallform, welches aus der Legierung besteht, und insbesondere auf ein Gußstück in Form einer Gasturbinenrotorschaufel in Einkristallform hergestellt aus der Legierung.

Es wurden Versuche durchgeführt, um die Eigenschaften der Legierungen gemäß der Erfindung zu sichern und diese Versuche werden nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnung erörtert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Balkendiagramm der Lebensdauer verschiedener Legierungsprüf 1inge unter Beanspruchung bei einer ersten niedrigeren Temperatur und

Fig. 2 ein der Fig. 1 entsprechendes Balkendiagramm der Ergebnisse, die bei einer zweiten höheren Temperatur erlangt wurden.

Um die Legierungen gemäß der Erfindung zu prüfen, wurden Prüflinge aus den verschiedenen Legierungen in Einkristallform hergestellt. Es gibt zwei Basismethoden, durch die ein Einkristallgußstück hergestellt werden kann. Diese sind dem Fachmann bekannt ■ und sie umfassen entweder die Benutzung eines Einkristal lkeimes oder es wird eine gerichtete Erstarrung bewirkt, und danach wird ein Labyrinth-Kanal benutzt, der dazu dient ein Einkristall der Legierung auszuwählen, welches wächst um den Prüfkörper zu bilden.

Es hätten beide Verfahren zur Herstellung der Prüflinge benutzt werden können, jedoch wurde bei den Versuchen aus Zweckmäßigkeitsgründen die letztgenannte Technik zur Herstellung der verschiedenen Prüflinge benutzt, die in Einkristallform erzeugt wurden. Um eine Kontrolle zu gewährleisten, wurde ein ähnlicher Prüfling in Form eines gerichtet erstarrten Materials gegossen. Das gerichtet erstarrte Material besteht aus einer Vielzahl von Einzelkörnern, die sämtlich parallel liegen und diese Typen von Materialien haben gewähnlich bessere Eigenschaften als herkömmliche Gußstücke mit gleichen Achsen.

In der Zeichnung werden die Ergebnisse bei 10 Einkristallprüflingen und einem richtungserstarrten Kontrollprüfling verglichen, und sie wurden im Hinblick auf ihre Belastungs-Bruch-Lebensdauer bei einer niedrigeren Temperatur (760⁰C) und einer höheren Temperatur (1040⁰C) überprüft.

Die jeweiligen Zusammensetzungen ergeben sich ausder nachfolgenden Tabelle I, wobeijedoch zu beachten ist, daß im Falle der Legierung 9 die tatsächliche Analyse etwas von den Zielvorstellungen abweicht.

TABELLE I	Chrom	Kobalt	Titan	Aluminium	Wolfram	Tantal	Hafnnium	Karbon	Bor Zirkonium	0.038
Legierung										0.038
Nr.										O*
Kontroll-	8.7	9.8	1.6	5.4	9.9	2.5	1.23	0.166	0.014	*O ·····>**
Legierung	8.7	9.8	1.6	5.4	9.9	2.5	1.23.	0.166	0.014	*°Ln**
1	8.6	10	1.6	5.3	10	2.6	0.51	0.015	O*	0.035
2	8.5	10	1.6	5.3	9.9	2.55	0.94	0.015	O*	*o: :** »»» *
3	8.7	10	1.6	5.5	9.7	2.4	1.16	0.015	O*	*o · >"»**
4	8.6	9.9	1.6	5.4	10	2.55	1.15	0.015	*O ■**	k » I » *o .**
5	8.5	10.2	1.6	5.2	9.8	2.6	1.18	0.15	O*	O*: : :
6	8.8	9.9	1.6	5.5	9.7	2.6	1.15	o.a.5	0.015	*0 :. '.**
7	8.6	5*1	1.74	5.45	9.9	2.35	O* .	0.015	O*
8	9	O*	1.5	5.5	10	2.5	O*	0.015	O*
. 9	8.75	10	1.71 .	• 5.23	9.84	2.73	O*	0.015	O*
10

Es ist dabei zu berücksichtigen, daß es nicht möglich ist, alle Spuren von Elementen zu entfernen und deshalb können unabsichtlich Spuren dieser Elemente in der Legierung verbleiben.

Es ist ersichtlich, daß die Legierung 1 identisch mit der Kontroll-Legierung ist. Irgendwelche Unterschiede in den Eigenschaften sind daher eine Folge von strukturellen Unterschieden zwischen einem Einkristallguß (Legierung Nr. 1) und einem Guß mit gerichteter Erstarrung (Kontrol1-Legierung). Die übrigen Legierungen demonstrieren jeweils die Wirkung einer Veränderung in der Zusammensetzung des Materials. Es ist ersichtlich, daß die Legierungen 2, 8, 9 und 10 in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallen, während die Legierung 1 und 3 bis 7 außerhalb der Erfindung 1iegen .

In allen Fällen, die in den Figuren 1 und 2 dargestellt sind, wurden die voll ausgezogen dargestellten Legierungen einer Lösungswärmebehandlung mit einer Temperatur von 87O⁰C 16 Stunden lang unterworfen.

Die gemäß der Erfindung aufgebauten Legierungen können sämtlich einer Wärmebehandlung bei einer höheren Temperatur ausgesetzt werden als die anderen Legierungen des Diagramms. Sie können beispielsweise einer Lösungswärmebehandlung bei 1320⁰C, d.h. über der Solvus-Linie und kurz unter dem Anfangsschmelzpunkt ausgesetzt werden. Beim Vergleich der Ergebnisse für die verschiedenen Legierungen muß berücksichtigt werden, daß die voll ausgezogenen Linien die bestmöglichen Ergebnisse für die Legierungen außerhalb der Erfindung liefern, nicht aber für die Legierungen 2, 8, 9 und 10, die erfindungsgemäß aufgebaut sind. Die optimalen Ergebnisse für die Legierungen 8, 9 und 10 sind strichliert angedeutet, aber

O Δ O ■■} ^o H. 11 -

jene für die Legierung 2 sind nicht verfügbar. Es ist jedoch klar, daß die Legierung 2 in der Lage ist, noch bessere Ergebnisse zu liefern als die dargestellten.

Die Figur 1 veranschaulicht die Lebensdauer von Prüflingen unterschiedlicher Legierungen, wenn diese einer Beanspruchung von 730 MPa bei einer Temperatur von 760⁰C ausgesetzt werden. Dies stellt eine Standard-Testmethode dar, um die Beanspruchungs-Bruch-Eigenschaften einer Legierung festzustellen. Es ist ersichtlich, daß die Kontroll-Legierung eine Lebensdauer von weniger als 80 Stunden hat. Während die gleiche Legierung in Kristallform (Legierung 1) schon die doppelte Lebensdauer von 145 Stunden aufweist. Die erste Legierung gemäß der Erfindung (Legierung 2) besitzt eine Lebensdauer von bereits 260 Stunden, was eine drastische Verbesserung darstellt. Die Legierungen 3 und 4 und 5, die außerhalb der Erfindung liegen, erreichen nicht diesen Spitzenwert, obgleich sie eine Verbesserung der Lebensdauer von über 200 bzw. über 200 bzw. über 230 Stunden demonstrieren.

Die Legierungen 6 und 7 liegen außerhalb der Erfindung infolge des hohen KohlenstoffanteiIs bei der Legierung 6 und im Falle der Legierung 7 infolge des hohen Borgehaltes. Keine dieser Legierungen ist so gut wie die Legierung 1, und im Falle der Legierung 7 ist die Lebensdauer fast so niedrig wie bei der Kontroll-Legierung. Die Legierungen 8 und 10 kehren wiederum auf die Pegel der Legierungen 3 und 4, d.h. über 200 Stunden Lebensdauer zurück, während die Legierung 9 an der Grenzlinie der Erfindung infolge des sehr niedrigen Kobaltgehaltes

nicht besser ist als die Kontroll-Legierung. Es ist interessant festzustellen, daß diese Legierung etwas unstabil wird, nachdem sie 500 Stunden lang bei erhöhter Temperatur zwischen 850° und 1050⁰C durchgewärmt wurden. Die besseren Ergebnisse, die nach einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung erlangt wurden (strichliert dargestellt) werden weiter unten diskutiert.

Figur 2 zeigt die Ergebnisse, die durch ein ähnliches Testverfahren - wie oben erläutert - erhalten wurden, jedoch bei einer höheren Temperatur von 1040⁰C und einer entsprechend geringeren Beanspruchung von 128MPa. Es ist ersichtlich, daß das Verhalten in der Tendenz sich größtenteils wiederholt. So entspricht die Einkristall-Legierung 1 etwa der Kontrol1-Legierung, und die Legierungen 2 bis 5 zeigen eine beträchtliche Verbesserung gegenüber diesen beiden. Die Legierung 6 ist sehr viel weniger wirksam und die Legierung 9 ist noch besser, während die Legierung 8 eine beträchtliche Verbesserung unter diesen Bedingungen zeigt und tatsächlich ergibt sich hier ein guter Gesamtausgleich der Eigenschaften, insbesondere wenn eine Wärmebehandlung durchgeführt wird (unten erläutert). Die Legierung 7 ist ähnlich der Legierung 5. bei diesen hohen Temperaturen, aber natürlich spricht das sehr schlechte Ergebnis bei niedrigen Temperaturen gegen diese Legierung.

Obgleich die Bruchbeanspruchungslebensdauer sehr wichtig für die Nützlichkeit einer Legierung ist, stellt dies nicht den einzigen Parameter dar, der betrachtet werden sollte. Die Änderungen, die gemäß der Erfindung erlangt werden, führen jedoch nicht zu schädlichen Beeinflussungen

O Δ kj ι .. U 4 - 13 -

irgendwelcher wichtigen Legierungsparameter und gewisse Parameter werden, wie sich gezeigt hat, sogar verbessert.

So wird der anfängliche Schmelzpunkt erhöht durch die geringeren Mengen von Bor und Zirkonium und Hafnium, die den Schmelzpunkt allgemein erniedrigen. Dies ist sowohl vorteilhaft, weil dadurch die Möglichkeit geschaffen wird, die Betriebstemperatur der Legierung zu erhöhen und weil eine höhere Temperatur der Lösungswärmebehandlung angewandt werden kann. Durch Erhöhung der Temperatur der Wärmebehandlung wird das Ausmaß,auf das die #* ' Verstärkungsphase in Lösung geht, erhöht und die Beanspruchungs-Bruch-Lebensdauer wird sogar noch mehr erhöht. Demgemäß besitzen die erfindungsgemäßen Legierungen allgemein ein "Fenster" von Temperaturen über der Solvus-Linie, aber unter dem anfänglichen Schmelzpunkt, in welchem die Wärmebehandlung durchgeführt werden kann. Eine herkömmliche allgemeine Technik für diese Wärmebehandlung besteht darin, eine Erhitzung auf 1260 bis 1320° C während 4 Stunden durchzuführen, wonach die Temperatur 16 Stunden lang auf 870⁰C gehalten wird.

Die folgende Tabelle II veranschaulicht das Ansteigen des anfänglichen Schmelzpunktes und die Beanspruchungs-Bruch-Ergebnisse, die durch diese Wärmebehandlung bei höherer Temperatur mit den erfindungsgemäßen Legierungen erlangt wurde. Es ergibt sich, daß die Beanspruchungs-Bruch-Lebensdauer wiederum bei Bedingungen bestimmt wird, die eingehalten wurden, um die Ergebnisse gemäß Fig. 1 und 2 zu erlangen, und die Ergebnisse sind demgemäß vergleichbar. Die modifizierte Wärmebehandlung umfaßt eine Abkühlung aus der Lösungsbehandlungstemperatur auf Raumtemperatur und eine nachfolgende Alterungswärmebehandlung bei einer niedrigeren Temperatur.

TABELLE II

Material	Anfangs- Schmelzpunkt	Wärme behandlung	Lebensdauer unter einer Beanspruchung von 730 MPa und einer Temperatur von 760⁰C	Lebensdauer unter einer Beanspruchung von 128 MPa und einer Temperatur von 1040⁰C
Legierung 1	1180⁰C	16 Stunden bei 870⁰C	145 Std.	104 Std.
Legierung 9	132O⁰C	16 Stunden bei 870⁰C 1 Std.bei 1320⁰C + 16 Std.bei 870⁰C	75 Std. 187 Std.	109 Std. 284 Std.
Legierung 8	1320⁰C	16 Std.bei 870⁰C 1 Std.bei 1320⁰C + 16 Std.bei 870⁰C	216 Std. 435 Std.	203 Std. 325 Std.
Legierung 10	1300⁰C	16 Std.bei 870⁰C 1 Std.bei 1300⁰C + 16 Std.bei 870⁰C	210 Std.	177 Std.

Il « ( C C C

ο ζ ο 4 ζ υ 4 15 -

Diese Ergebnisse für die Legierungen 8, 9 und 10 sind strichliert in den Diagrammen 1 und 2 dargestellt und sämtliche drei Legierungen zeigen Eigenschaften, die besser sind als jene bei Legierungen, die außerhalb des Rahmens der Erfindung liegen. Die Legierung 2, die auch in den Schaufeln einer Wärmebehandlung unterworfen werden kann, würde eine gleiche Verbesserung erwarten lassen, obgleich in diesem Fall der Grenzlinienpegel von Hafnium dazu führt, daß der Anfangsschmelzpunkt sehr dicht an die Wärmebehandlungstemperatur herangerückt wird, Deshalb muß die Temperatursteuerung sehr genau vorgenommen werden.

Zwischen der anfänglichen Hochtemperaturlösungsbehandlung und der späteren Alterungswärmebehandlung, die bei geringerer Temperatur stattfindet, wird das Werkstück auf Raumtemperatur abgekühlt. Es hat sich gezeigt, daß diese Kühlung und die Geschwindigkeit, mit der sie durchgeführt wird, zu beträchtlichen Unterschieden des Enderzeugnisses führen kann. So kann eine Abkühlungsrate von 70 bis 200⁰C pro Minute während dieser Stufe zu einer merklichen Verbesserung der Eigenschaften führen. Aus der obigen Tabelle ergibt sich, daß eine beträchtliche Erhöhung der Beanspruchungs-Bruch-Lebensdauer durch Anwendung einer Lösungswärmebehandlung mit hoher Temperatur erreicht werden kann. Dies gilt insbesondere für die Legierung 8, die einer bevorzugten Legierung nahekommt.

Im Falle der Legierungen 8 und 10 ist der Titanpegel relativ hoch und er liegt bei 1,7% oder mehr. Es wird angenommen, daß dieser Pegel sehr wichtig ist und die

folgende Tabelle III zeigt das Ergebnis von Versuchen, die durchgeführt worden sind, um dies zu beweisen.

Es hat sich außerdem gezeigt, daß die Eigenschaften nach der Wärmebehandlung weiter durch eine Zwischenstufe zwischen der Lösungsbehandlung und der Alterungswärmebehandlung verbessert werden kann. Diese Stufe wird in der Weise durchgeführt, daß die Legierung etwa eine Stunde lang zwischen den erwähnten Behandlungen auf einer Temperatur zwischen 1080° bis 1120⁰C gehalten wird. Bei Versuchen, bei denen eine Legierung benutzt wurde, die nominell der Legierung 8 entspricht, hat sich gezeigt, daß die Lösungswärmebehandlung bei 1300⁰C während vier Stunden gefolgt von einer Gasstromabkühlung auf Raumtemperatur und einer Wärmebehandlung bei 1080⁰C und 16 Stunden bei 87O⁰C eine Beanspruchungs-Bruch-Lebens· dauer von 180° bei Betriebstemperaturen von 75O⁰C ergibt, wenn eine Belastung von 850 MPa vorhanden ist. Die gleiche Legierung mit der gleichen Wärmebehandlungsfolge und einer Zwischenerwärmungsst.ufe von 1090⁰C eine Stunde lang ergab eine Lebensdauer von 200 Stunden unter den gleichen Bedingungen, während bei einem dritten Versuch, bei dem die Zwischenstufe bei 1100⁰C während einer Stunde durchgeführt wurde, eine Lebensdauer von 170 Stunden erlangt wurde. Diese Ergebnisse sind nicht direkt vergleichbar mit jenen der Tabelle II, da die Versuchsbedingungen unterschiedlich waren, jedoch beweisen sie eine Verbesserung der Eigenschaften.

TABLE III

Legte- - rung	Cr	Legierungszusammensetzung in Gew.-%	Ti	Co	¥	Ta	C	Wärme behandlungs- fenster (⁰C)	Lösungs- behandlung	Beanspruchungs- Bruch- Bedingung (MPa/RC)	teanspru- hungs-Bruch- .ebens- auer in h
11	8.7	Al	1.77	5.14	9.65	2.36	.01	1260-1320	1 h 132O⁰C, Luft kühlung+ 16 h 870°C	730/760 128/1050	435 325
12	8.57	5.32	1.48	5.02	8.86	2.12	.015	1260-1320	1 h 132O⁰C, Luftküh lung +16 h 870°C	730/760 128/1040.	110;'··:· 103: :·: » » >
13	8.40	5.44	1.45	5.04	9.3	3.01	.01	1280-1310	2 h 1300°C, Luftküh lung + 16 h .87O⁰C	1730/760 128/1040	268^:-"^: 241: V; » t J Z
14	8.38	5.41	2.13	4.91	9.24	2.98	0.015	1290/1300	4 h 130O⁰C ,Luftküh lung + 16 h 870⁰C >	730/760 128/1040	■ ti 598!··';' *497:· :** » »*
	5.43

Es ist ersichtlich, daß eine Reihe von Legierungen geprüft wurde. Die Legierung 11 nähert sich der bevorzugten Legierung 8 gemäß Tabelle I an. Der wesentliche Unterschied zwischen den Legierungen 11 und 12 liegt in der Verminderung des Titangehaltes von 1,77% auf 1,48% und in dem verminderten Tantalgehalt von 2,36 auf 2,12%. Es ist ersichtlich, daß die Bean-. spruchungs-Bruch-Eigenschaften der Legierung 12 beträchtlich vermindert sind im Vergleich mit den Eigenschaften der Legierung 11.

Bei der Legierung 13 wurde der Tantalgehalt auf 3,01% erhöht, und obgleich dies einen gewissen Einfluß auf die Eigenschaften hat, wird nicht wieder der Vorteil der Legierung 11 erreicht. Die Legierung 14 jedoch, die einen hohen Titan.gehalt von 2,13% besitzt, weist Eigenschaften auf, die nicht nur gleich sind den Eigenschaften der Legierung 11, sondern diese Eigenschaften wesentlich übertreffen.

Diese und weitere Versuche führten zu dem Schluß, daß eine sctiarfe Änderung der Eigenschaften bei einem Titanpegel von 1,5 ibis 1,6% eintritt. Bei 1,5% oder darüber sind die Eigenschaften adäquat, jedoch bei 1,6% oder darüber werden die Eigenschaften außerordentlich gut. Es wird eingenommen, daß dies eine Folge ist der Änderung im Deformationsmechanismus, die als Ergebnis der Änderung der Bestandteile zustande kommt.

Die Legierungen gemäß der Erfindung werden dadurch definiert, daß sie einen Titangehalt + 1/2 Niob größer als 1,5% statt Titan allein aufweisen. Der Grund dafür

liegt darin weil angenommen wird, daß Niob benutzt werden kann, um Titan in äquivalenten Atomanteilen zu ersetzen und dies wiederum bewirkt, daß etwa 2 Gewichtsteile Niob einen Gewichtsteil Titan ersetzen können. Die Forderung Titangehalt + 1/2 Gehalt von Niob liegt daher innerhalb der beschriebenen Grenzen.

Diese Annahme strahlt auf die Zusammensetzung der ersten drei Legierungen aus, die als Legierungen 15 bis 17 einschließlich in der folgenden Tabelle IV bezeichnet sind, in der die Anteile der Bestandteile in Gewichtsprozent angegeben sind.

TABELLE IV

ierung	I Chrom	Kobalt	Titan	Aluminium	Wolfram	Tantal	Molyb
15	8,5	5	2,2	5,5	9,5	2,8	-
16	8,5	5	1,1	5,5	9,5	2,8	-
17	8,5	5	-	5,5	9,5	2,8	-
18	8,5	5	2,6	5,5	9,5	1,4	-
19	8,5	5	2,9	5,5	9,5	-	-
20	8,5	5	2,2	5,5	7,75	2,8	-
21	8,5	5	2,2	5,5	6,5	2,8	-
22	8,5	5	2,2	5,5	6,6	2,8	1,5
23	8,5	5	2,2	5,5	3,8	2,8	3,0
24	8,5	5	2,5	6,25	3,2	2,8	-
25	8,5	-	2,2	5,5	9,5	2,8	-
26	8,5	10	2,2	5,5	9,5	2,8	-
27	8,5	15	2,2	5,5	9,5	2,8	_

Niob Vanadium Kohlenstoff

0,015

2,1 - 0,015

0,3 - 0,015

0,015 0,015

0,5 0,015

1,0 0,015

' 0,015

0,015

ISO CO

··" -·" "-"·^:" 323/f2G4

Die Legierung 15 stellt eine optimale Zusammensetzung dar, während die Legierungen 16 und 17 Versionen sind, bei denen der Titangehalt teilweise bzw. vollständig durch Niob ersetzt ist. Dieser Ersatz ergibt eine potentielle Härtung der 3"'-Phase des Materials.

Ein ähnlicher Effekt wird bei den Legierungen 18 und 19 erlangt, indem Titan das Tantal zum Teil bzw. ganz ersetzt. Die £r*-Phase wird bei den Legierungen 20 und 21 dadurch erhärtet, daß Wolfram teilweise durch Vanadium ersetzt wird. Dadurch ergibt sich eine festere Legierung, aber ein etwas verminderter Oxydationswiderstand. Die gleiche Wirkung wird bei den Legierungen 22 und 23 dadurch erlangt, daß Wolfram teilweise durch Molybdän ersetzt wird. Bei der Legierung 24 wird der Ausgleich der Legierung durch Ersatz von Wolfram durch Aluminium + Titan erreicht, wobei die ar-Phase erweicht, jedoch eine Verbesserung der anderen Eigenschaften der Legierung erreicht wird.

Schließlich wird bei den Legierungen 25, 26 und 27 der Legierungsausgleich durch veränderung des Kobaltgehaltes erreicht.

Dabei muß berücksichtigt werden, daß bei einigen Legierungen absichtlich Bor oder Zirkon zugesetzt würde.

Obgleich sich die vorgenannten Versuche auf Beanspruchungs-Bruch-Eigenschaften konzentrieren hat es sich gezeigt, daß auch andere Parameter verbessert wurden.

So wurde gefunden, daß durch Benutzung von Tantal zum

teilweisen Ersatz von Wolfram und Molybdän, die die Festlösung verstärken, ein verbesserter Korrosionswiderstand und Oxydationswiderstand erreicht werden kann. Vergleichsversuche mit Legierungen, die Tantal enthielten und die frei von Tantal waren, wurde bewiesen, wie wichtig der Tantalzusatz war. Bei der Legierung 10 betrug die Beanspruchungs-Bruch-Lebensdauer bei einer Beanspruchung von 730 MPa und einer Temperatur von 76O⁰C 210 Stunden, während die Lebensdauer bei 128 MPa und 1040⁰C 177 Stunden betrug (vgl. Tabelle). Die Prüflinge wurden aus einer Legierung hergestellt, die nominell identisch war mit Ausnahme von Tantal, und die entsprechende Lebensdauer betrug 67 bzw. 51 Stunden. Der Tantalgehalt ist offensichtlich in den geprüften Mengen erforderlich und tatsächlich wird angenommen, daß Zusätze bis vielleicht kurz über 3% nützlich sein können. Weitere Versuche im Hinblick auf den Oxydationswiderstand der Legierung bestätigten die Wichtigkeit des Tantalzusatzes. So wurden drei Prüflinge einer aus der Kontrollegierung, einer aus der Legierung 8, aber ohne Tantal und einer aus der Legierung 8, bei der Tantal durch Wolfram ersetzt war, 90 Stunden lang einer Temperatur von 1050⁰C in einer Atmosphäre ausgesetzt, die Luft + 4 ppm Salz enthielt. Nach diesem Zeitraum zeigte die Kontroll-Legierung einen Angriff von 140 um, während die anderen Prüflinge mit 200 um stärker angegriffen waren.

Außerdem geben die niedrigen Anteile von Kohlenstoff Anlaß zu relativ kleinen Karbidpartikeln, wodurch die großen skriptik-morphologischen Karbide vermieden

wurden, die das Oxydationsverhalten von mit Aluminiden überzogenen Nickelsuperlegierungen verschlechtern können. Als Beispiel wurde ein Korrosionsversuch bei einem mit Aluminid überzogenen isotropischen Material durchgeführt, welches im übrigen gleich der Kontroll-Legierung, die oben beschrieben wurde, war, und es hat sich gezeigt, daß mit feinen Karbiden die Lebensdauer im Vergleich mit einem normalen Zustand mehr als verdoppelt werden konnte.

Es hat sich auch gezeigt, daß die Stoßfestigkeit der Materialien gemäß der Erfindung beträchtlich verbessert wird im Vergleich mit Materialien mit einfacher Richtungserstarrung. Es wird angenommen, daß diese Wirkung auf einem Fehlen skriptischer Karbide beruht.

Die Stabilität der Legierung, die durch den Aluminium-Titan-Chrom-Wolfram- und Kobaltgehalt bestimmt wird, wird dabei nicht merklich beeinträchtigt, wenn die beschriebenen Abwandlungen getroffen werden, jedoch zeigt sich, daß bei Verwendung von Legierungen, deren Bestandteile am Ende der beanspruchten Bereiche liegen die Möglichkeit besteht, Legierungen verminderter Stabilität zu erhalten, die natürlich dennoch nützliche Legierungen darstellen können.

Es zeigt sich daher, daß die Legierungen gemäß der Erfindung Eigenschaften ergeben, die geeignet für Werkstücke sind, die unter hoher Beanspruchung bei

hohen Temperaturen arbeiten müssen, beispielsweise Turbinen, Rotorschaufeln von Gasturbinentriebwerken. Die Eigenschaften sind jedoch derart, daß diese Legierungen auch anderweitig Anwendung finden können, beispielsweise für andere Teile eines Gasturbinentriebwerks.

ι -

Leer

Claims

Patentanwälte....^: * ^:'..^: *--^: *--*-"-Dipl.-Ing. Cu rt Wal lach Europäische Patentvertreter Dipl.-lng. QüntherKoch

European Patent Attorney^ 234264 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

_Datum: 15. September 1982

Rolls-Royce Limited Unser Zeichen: 17 515 - K/Ap

65 Buckingham Gate London SW1E 6AT England

Legierung für den Einkristallguß Patentansprüche:

1. Legierung für den Einkristallguß,

dadurch gekennzeichnet, daß sie in Gewichtsprozent
folgende Zusammensetzung aufweist:

8-10% Chrom 0-15% Kobalt 1,5-3% Titan + 1/2 Niob 5-6,5% Aluminium 3-10,5% Wolfram 0-3,5% Molybdän 0-3,5% Tantal 0-0,5% Hafnium 0-1,5% Vanadium 0,015-0, 05%Kohlenstoff 0-0,01% Bor 0-0,05% Zirkonium

wobei der Rest von Nickel und zufälligen Verunreinigungen gebildet wird.

2. Legierung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß sie in Gewichtsprozent die folgende Zusammensetzung aufweist:

8-10% Chrom

2-11% Kobalt

1 ,7-2,6% Titan + 1/2 Niob

5,25-5,75% Aluminium

8,5-10,5% Wolfram

2,5-3,2% Tantal

0,015-0,05% Kohlenstoff

0-0,01% Bor

0-0,5% Zirkonium

wobei der Rest von Nickel und zufälligen Verunreinigungen gebildet wird.

3. Legierung nach Anspruch 2,

8-10% Chrom

3-7% Kobalt

1,7-2,6% Titan + 1/2 Niob

5,25-5,75% Aluminium

8,5-10,5% Wolfram

2,5-3,2% Tantal

0,015-0,05% Kohlenstoff

0-0,01% Bor

0-0,05% Zirkonium

wobei der Rest von Nickel und zufälligen Verunreinigungen gebildet wird.

NACHQEREIOHT

Legierung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß sie in Gewichtsprozent

die folgende Zusammensetzung aufweist:

8,5% Chrom 5% Kobalt 2,2% Titan 5,5% Aluminium 9,5% Wolfram 2,8% Tantal 0.015% Kohlenstoff

wobei der Rest von Nickel und zufälligen Verunreinigungen gebildet wird.

5. Lösungswärmebehandlung für eine Legierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 1260 und 1320° C erhitzt wird. ·

6. Lösungswärmebehandlung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung von dem genannten Temperaturbereich auf Raumtemperatur mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 70 bis 200⁰C pro Minute abgekühlt wird.

7. Wärmebehandlung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung anschließend auf eine Temperatur von etwa 870⁰C erhitzt wird.

8. Lösungswärmebehandlung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung auf eine Temperatur von 1300⁰C vier Stunden lang erwärmt wird, daß dann die Legierung auf Raumtemperatur abgekühlt und danach auf 870⁰C erwärmt und auf dieser Temperatur 16 Stunden lang gehalten wird.

9. Wärmebehandlung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenerhitzung stattfindet, bei der die Legierung, auf eine Temperatur zwischen 1080 und 1120⁰C für etwa eine Stunde erhitzt wird.

10. Einkristallgußstück,

dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Legierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt ist.