DE4010076A1 - Materialsysteme fuer den einsatz in bei hoeherer temperatur einsetzbaren strahltriebwerken - Google Patents

Description

Die Anmeldung steht in Beziehung zu den folgenden EP-Patentanmeldungen:
EP 03 45 599, EP 03 47 614, EP 03 48 858, EP 89 121 768.9, EP 89 121 687.1, EP 89 121 693.9, EP 89 121 770.5, EP 89 121 772.1 und EP 89 121 624.4, wobei auch in den vorgenannten noch nicht veröffentlichten EP-Patentanmeldungen die Bundesrepublik Deutschland jeweils als Bestimmungsland genannt ist. Die in diesen EP-Anmeldungen beschriebenen Zusammensetzungen gehören zu denen, die in den Materialsystemen der vorlie­ genden Erfindung genutzt werden können. Es wird daher auf die vorgenannten EP-Patentanmeldungen ausdrücklich Bezug genommen.

Seit der Entwicklung von Strahltriebwerken unmittelbar nach dem 2. Weltkrieg hat sich die Betriebstemperatur der Triebwerke durch verschiedene technische Entwicklungen um etwa 8°C/Jahr erhöht. Die vorliegende Erfindung be­ zieht sich auf eine Verbesserung der Temperaturfähig­ keiten der Materialien, die in Strahltriebwerken benutzt werden, um etwa 230°C. Dies repräsentiert eine Verbes­ serung hinsichtlich der Betriebstemperatur von Strahl­ triebwerken entsprechend einer 30jährigen Entwicklung. Die Gewinne, die diese Materialien bieten, sind etwa den Gewinnen äquivalent, die von 1959 bis 1989 erzielt wurden.

Dieser Grad der Verbesserung bei der Leistungsfähigkeit von Strahltriebwerken macht die vorliegende Erfindung und die in den oben genannten EP-Patentanmeldungen be­ schriebenen Erfindungen geeignet zur Anwendung bei der Verdopplung des Verhältnisses von Schub zu Gewicht einer neuen Generation von Strahltriebwerken, verglichen mit den fortgeschrittensten Triebwerken, die derzeit ver­ fügbar sind.

Das wirksamste Triebwerk, das derzeit im Flugbetrieb befindlich ist, hat ein Schub-zu-Gewicht-Verhältnis von etwa 10 : 1. Dieses Verhältnis soll auf etwa 20 : 1 gebracht werden.

Die maximalen Metalltemperaturen derzeit benutzter Strahltriebwerke liegen bei etwa 1200°C. Materialien, die derzeit in Strahltriebwerken eingesetzt werden, die in der Gegend von etwa 1200°C benutzt werden, sind bei Temperaturen oberhalb von etwa 1345°C geschmolzen. Die Maximaltemperatur der Strahltriebwerke, die die Materia­ lien der vorliegenden Erfindung benutzen, kann sich etwa 1480°C annähern.

Ein weiterer Faktor, der die Brauchbarkeit des Material­ systems der vorliegenden Erfindung erkennen läßt, be­ steht darin, daß einige der Materialien eine um mehr als 20% verringerte Dichte haben, verglichen mit den der­ zeit zur Herstellung von Triebwerken benutzten Materia­ lien. Die derzeit benutzten Nickel-Superlegierungen haben Dichten im Bereich von 8,17 bis 8,86 g/cm³ und im Mittel mehr als 8,3 g/cm³. Verschiedene Materialien des Materialsystems der vorliegenden Erfindung haben Dichten von weniger als etwa 6,5 g/cm³.

In anderen Worten gibt es bei den Materialsystemen der vorliegenden Erfindung Materialien, die eine geringere Dichte haben als das Nickel-Superlegierungs-Material, das derzeit zur Herstellung von Strahltriebwerken be­ nutzt wird, und es gibt Materialien in diesem System, die bei beträchtlich höherer Temperatur betrieben wer­ den und tatsächlich oberhalb der Temperatur, bei der Nickelbasis-Legierungen geschmolzen sind.

Die geringere Dichte der Materialien zur Herstellung des Triebwerks ist eine sehr erwünschte Eigenschaft dieser Materialien, da der Einsatz von Materialien ge­ ringerer Dichte zu einem Triebwerk führt, das mit dem erwünschten höheren Verhältnis von Schub zu Gewicht betrieben werden kann, verglichen mit den derzeitigen Triebwerken. Der Einsatz von Materialien geringerer Dichte ist besonders wichtig bei den rotierenden Teilen der Triebwerke. Solche rotierenden Teile rotieren mit etwa 12 000 U/min und entwickeln daher sehr hohe Zentri­ fugalkräfte in den rotierenden Teilen. Durch Vermindern der Dichte der Materialien in den rotierenden Teilen des Triebwerkes ohne Verminderung ihrer Festigkeit und Zähigkeit kann die tatsächliche Materialmenge, die für ein solches rotierendes Teil benutzt werden muß, stark vermindert werden. Die Zunahme des Verhältnisses von Schub zu Gewicht kann daher entsprechend größer sein als es einer einfachen proportionalen Verminderung der Dichte entspricht, wobei die Dichte des Materials, aus dem das Triebwerk hergestellt wird, aufgrund der Dichte der erfindungsgemäß eingesetzten Materialien vermindert ist.

Die rotierenden Teile der derzeit hergestellten Trieb­ werke werden normalerweise nicht bei Temperaturen ober­ halb von 1040°C eingesetzt. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Materialien zu schaffen, die in rotierende Teile eingebaut werden können, die bei deut­ lich höheren Temperaturen in der Größenordnung von 1260°C betrieben werden können und/oder die bei geringeren Dichten betrieben werden können und deutliche Gewichts­ einsparungen gestatten.

Die höhere Betriebstemperatur eines Strahltriebswerkes, das das Materialsystem der vorliegenden Erfindung be­ nutzt, hat eine Anzahl von Vorteilen.

Ein Vorteil besteht darin, daß das Verbrennen des Brenn­ stoffes im Triebwerk vollständiger ist und daher wirk­ samer. Das Verbrennen ist vollständiger, weil es bei einer höheren Temperatur stattfindet. Ein vollständiges oder stöchiometrisches Verbrennen von Brennstoff kann eine Flammentemperatur oberhalb von 2200°C erzeugen. Ein stöchiometrisches Verbrennen wird vermieden, weil eine in dem Triebwerk erzeugte derart hohe Temperatur ein zu starkes Kühlen erfordern würde, um zu vermeiden, daß die Materialtemperaturen so hoch werden, daß im wesentlichen alle Materialien der derzeit hergestellten Triebwerke schmelzen würden. Während die potentielle Flammentemperatur eines zukünftigen Strahltriebwerkes etwa 2200°C erreichen mag, beträgt die tatsächliche Betriebstemperatur der heißeren metallischen Teile der derzeit hergestellten Strahltriebwerke etwa 1090°C bis etwa 1200°C. Diese geringere Metalltemperatur wird aufrechterhalten, obwohl die tatsächliche Flammen­ temperatur höher ist, indem man einen komplexen Satz von Kühlluft/Strömungsschemata innerhalb des Triebwerks benutzt, um die Metallteile vor den höheren Temperaturen zu schützen. Diese Luftströmung zum Kühlen der Trieb­ werksteile erfordert eine Menge spezieller Installations­ arbeiten und vermindert die Wirksamkeit des Triebwerks sowohl wegen der geringeren Betriebstemperaturen als auch wegen der Notwendigkeit für eine starke Kühlluft­ strömung und der dazu gehörigen das Gewicht erhöhenden Installationsarbeiten. Ein Triebwerk, das mit heißeren Metallteilen betrieben werden kann, gewinnt hinsicht­ liche der Wirksamkeit sowohl aufgrund der erhöhten Be­ triebstemperatur als auch aufgrund der verminderten Kühlluftströmung und der verminderten Rohrleitungen.

Die in der vorliegenden Erfindung benutzten Materialien sind Komponenten eines Materialsystems. Der projizierte Gewinn hinsichtlich der Betriebstemperatur eines Strahl­ triebwerkes gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Ergebnis des Einsatzes eines anderen Materialsystems, als es bisher benutzt worden ist. Das System schließt zwei oder mehr unterschiedliche Elemente ein, von denen jedes eine andere Zusammensetzung hat und jedes eine andere Funktion beim Betrieb des Systems innerhalb der Materialstrukturen des Strahltriebwerkes ausübt. Die zwei Grundelemente des Systems sind einmal ein metalli­ sches Substrat geringeren Gewichtes, das für die struk­ turellen Fähigkeiten des Systems sorgt und zum anderen ein metallisches Überzugsmaterial, das das Substrat bzw. Bauteil vor dem Angriff durch die Umgebung schützt. Andere Elemente können vorhanden sein. Ein solches Element des Systems kann ein nicht-metallisches Deck­ überzug sein.

Verschiedene Teile eines Triebwerkes arbeiten bei ver­ schiedenen Temperaturen. Die Kombination aus Substrat bzw. Bauteil und Überzug wird gemäß der vorliegenden Erfindung ausgewählt, um den Anforderungen der spezifi­ schen Triebwerksteile zu genügen.

Nicht alle Materialien eines Triebwerkes müssen sich auf der höchsten Temperatur befinden. Die Überzugsmateria­ lien der EP 03 48 858 und insbesondere das RuFeCrAlY-Material kann in Luft ohne beträchlichen Verlust an Überzugs­ material für längere Zeiten bei Temperaturen von etwa 1510°C und mehr benutzt werden. In anderen Worten ist das metallische Überzugsmaterial der vorgenannten EP- Veröffentlichung in der Lage, metallische Substrate vor einem oxidativen Angriff bis zu Temperaturen von etwa 1510°C und mehr zu schützen. Dies ist eine Bezugstem­ peratur für den Einsatz der Materialien der Material­ systeme der vorliegenden Erfindung.

Eine weite Vielfalt von Substratmaterialien ist in den oben genannten Anmeldungen offenbart und diese Substrat­ materialien können mit den Überzugsmaterialien der EP 03 48 858 überzogen werden.

Einzelne Substratmaterialien und ihre jeweiigen Eigen­ schaften sind in den oben genannten Anmeldungen offenbart, und diese Materialien können in Verbindung mit Schutzüber­ zugsmaterialien benutzt werden, wie den RuCrAlY- und RuFeCrAlY-Materialien der oben genannten EP 03 48 858. Diese Substratmaterialien sind alle duktile Legierungsmaterialien, und sie sind keine spröden intermetallischen Verbindungen, wie es viele Hochtemperaturmaterialien sind.

Es gibt mehrere Substratmaterialien unterschiedlicher Zusammensetzung, die zum Einsatz mit Überzügen, wie den RuCrAlY- und RuFeCrAlY-Überzügen der EP 03 48 858, geeignet sind. Nicht alle Substrate haben die gleiche Zusammensetzung oder die gleiche Dichte oder den gleichen Schmelzpunkt oder die gleichen Zugfestigkeits-Eigenschaften bei hohen Einsatztemperaturen. Bei der Behandlung dieser Kombina­ tionen von Materialien als einem System kann man Nutzen ziehen aus der Vielfalt von bei hoher Temperatur einsetz­ baren Legierungsmaterialien, die in den oben genannten EP-Patentanmeldungen offenbart sind, um eine Kombination aus Substrat- und Überzugsmaterialien zu schaffen, die für einen spezifischen Einsatzzweck, z. B. ein bestimmtes Teil, wie eine Leitschaufel, innerhalb eines Strahltrieb­ werkes geeignet ist. So ermöglicht die Vielfalt der in den oben genannten EP-Patentanmeldungen offenbarten Materialien die Schaffung von Materialien und Material­ kombinationen, die einer Anzahl verschiedener Temperatur-, Dichte-, Festigkeits- und anderer Kriterien genügen. Die Materialkriterien zur Verwendung in rotierenden Teilen sind nicht die gleichen wie die Kriterien zum Einsatz in stationären Teilen. Die Temperatur, bei dem ein Material eingesetzt werden soll, beeinflußt sowohl die Auswahl des Substrates als auch die Auswahl eines Überzuges für das Substrat, wenn ein solcher benutzt werden soll. Darüber hinaus wird festgestellt, daß die Materialien des erfindungsgemäßen Systems besonders ge­ eignet sind für die bei höherer Temperatur eingesetzten Teile eines Strahltriebwerkes. Andere Materialien, wie Titanbasis-Legierungen, werden bevorzugt zum Einsatz in Teilen des Triebwerkes mit geringerer Temperatur, wie den Kompressorschaufeln des Triebwerkes in den ersten Stufen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Materialsystem zu schaffen, das brauchbar ist bei der Herstellung von Gasturbinen. Weiter sollen die zu schaffenden Gasturbinen geeignet sein für den Betrieb bei höheren Temperaturen.

Eine weitere Aufgabe ist die Kombination von Komponenten aus verschiedenen Materialsystemen, um den Einsatz eines bei hoher Temperatur brauchbaren Überzugs mit einem bei hoher Temperatur brauchbaren Substrat zu gestatten.

Gemäß einem ihrer weiteren Aspekte werden diese Aufgaben durch die vorliegende Erfindung gelöst durch Schaffung einer Verbundstruktur, die ein strukturelles Metallsub­ strat und einen metallischen Schutzüberzug einschließt. Das strukturelle Substrat ist ein Metallsubstrat mit einer guten Duktilität und einer hohen Festigkeit bei hoher Temperatur. Ein solches Substratmetall kann ausge­ wählt werden aus einer Gruppe, die aus den folgenden Niobbasis-Legierungen besteht:

A Niob, 31-48 Atom-% Titan, 8 bis 21 Atom-% Aluminium;
B Niob, 32-48 Atom-% Titan, 8 bis 16 Atom-% Aluminium, 2 bis 12 Atom-% Chrom mit der Maß­ gabe, daß die Summe (Al+Cr) 22 Atom-% ist und, wenn Titan weniger als 37 Atom-% ausmacht, die Summe (Al+Cr) 16 Atom-% ist;
C Niob, 40-48 Atom-% Titan, 12 bis 22 Atom-% Aluminium, 0,5 bis 6 Atom-% Hafnium;
D Niob, 32 bis 45 Atom-% Titan, 8 bis 15 Atom-%, Hafnium, 3 bis 18 Atom-% Aluminium;
E Niob, 35 bis 45 Atom-% Titan, 8 bis 15 Atom-%, Hafnium;
F Niob, 4 bis 10 Atom-% Hafnium, 4 bis 10 Atom-% Aluminium, 5 bis 18 Atom-% Titan, 3 bis 8 Atom-% Chrom;
G Niob, 5 bis 18 Atom-% Hafnium, 5 bis 22 Atom-% Aluminium.

Das Substratmetall wird zu einer konfigurierten Struktur, wie einer Scheibe oder einer Leitschaufel, verarbeitet, die zum Einsatz in einem Strahltriebwerk geeignet ist. Mindestens ein Teil der Struktur wird mit einer hoch­ temperaturfesten, metallischen Oberflächenschicht ver­ sehen, die metallurgisch mit der Oberfläche des Substrates verbunden ist.

Die Zusammensetzung der Oberflächenschicht kann im wesent­ lichen aus Chrom, Ruthenium und Aluminium in den Anteilen bestehen, die sich innerhalb der Grenzen der Kurve A der Fig. 3 befinden.

Eine bevorzugte Zusammensetzung einer Oberflächenschicht ist eine Zusammensetzung mit den Anteilen, die sich im wesentlichen innerhalb der Grenzen der Kurve B der Fig. 3 befinden.

Hinsichtlich der Zusammensetzung der Oberflächenschicht können gewisse Modifikationen der oben genannten Zusammen­ setzung vorgenommen werden, indem man andere Metalle für zumindest einen Teil des Rutheniums und/oder Chroms ein­ setzt. Metalle, die für Ruthenium in der obigen Zusammen­ setzung eingesetzt werden können, schließen Eisen, Nickel und Kobalt ein. Die Elemente Eisen, Nickel und Kobalt haben alle eine sehr große Löslichkeit in der hexagonalen dichtgepackten Kristallstruktur des Rutheniums, insbesondere bei hohen Temperaturen. Die drei Elemente Eisen, Nickel und Kobalt bilden Aluminide der raumzentrierten, kubischen Struktur vom B2-Typ. Dies ist die gleiche Struktur wie die von RuAl der obigen Zusammensetzung und die Löslich­ keit der drei Ersatzmetalle Eisen, Nickel und Kobalt, im RuAl-Aluminid wird daher als beträchlich angesehen.

Die Ersatzmetalle Eisen, Nickel und Kobalt nehmen in den obigen Zusammensetzungen die Stelle von Ruthenium ein. Darüber hinaus kann Chrom zu einem begrenzten Grade durch Eisen ersetzt werden.

Eisen, Nickel und Kobalt können, entweder einzeln oder in irgendeiner Kombination, in CrRuAl bis zu 15 Atom-% für Nickel und Kobalt und bis zu 20% für Eisen einge­ führt werden.

Die erhaltene Zusammensetzung läßt sich dann folgender­ maßen schreiben:

Ru_{(19-x) bis (34-x)} (ΣFe+Ni+Co) _x -
Al_{(19) bis (34)} Cr_{(62-y) bis (32-y)} Fe _y

worin Σ ein Symbol ist, das anzeigt, daß die Summe der Konzentrationen des vorhandenen Eisens, Nickels und Kobalts zusammen die Konzentration x in Atom-% ergeben, und der Wert von x zwischen 0 und 15 und der Wert von y zwischen 0 und 5 Atom-% liegt, und wobei der Gesamtwert des Ausdrucks in Atom-% 100 beträgt.

Eine andere alternative Zusammensetzung kann folgender­ maßen ausgedrückt werden:

Ru_{(22-x) bis (28-x)} (ΣFe+Ni+Co) _x -
Al_{(22) bis (28)} Cr_{(56-y) bis (44-y)} Fe _y ,

worin Σ die oben genannte Bedeutung hat,
x einen Wert zwischen 0 und 10,
y einen Wert zwischen 0 und 5 hat und der Gesamtwert des Ausdrucks in Atom-% 100 beträgt.

Für jede dieser Zusammensetzungen gilt, daß untergeordnete Einschlüsse anderer Elemente als Verunreinigung bei der üblichen Herstellung der Zusammensetzungen auftreten.

Der Ausdruck "bestehend im wesentlichen aus" schließt solche untergeordneten Einschlüsse anderer Elemente ein, die die offenbarte Fähigkeit der Zusammensetzung, ihre beabsichtigte Funktion zu erfüllen, nicht beeinträchtigen. In diesem Falle erfüllt der Überzug aus Chrom, Ruthenium und Aluminium, mit oder ohne den angegebenen Ersatz für Ruthenium und Chrom, die Funktion des Schutzes eines Sub­ strates vor Oxidation und anderem atmosphärischem Abbau. Es können auch andere Elemente, die die Eigenschaften der Zusammensetzungen nicht beeinträchtigen, vorhanden sein.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung der ungefähren Beziehung zwischen Dichte und Einsatztemperatur für eine Anzahl von Legierungen, die als Sub­ strate in Strukturen nach der vorliegenden Er­ findung dienen können,

Fig. 2 eine halbschematische Darstellung einer Struktur, wie sie gemäß der vorliegenden Erfindung ge­ schaffen ist, und die eine Substratstruktur und eine Oberflächenschutzschicht zeigt, und

Fig. 3 eine dreiachsige graphische Darstellung der Zusammensetzungen aus Ruthenium, Aluminium und Chrom.

Die Ausführung der vorliegenden Erfindung schließt die Kombination eines konfigurierten Metallsubstrates mit einem schützenden Metallüberzug zur Bildung eines Artikels mit einer hohen Einsatztemperatur ein. Es ist die Kombi­ nation aus Substrat und Überzug, wie sie zum Beispiel in Fig. 2 veranschaulicht ist, die das Wesen der vor­ liegenden Erfindung ausmacht.

In einem Strahltriebwerk gibt es Anforderungen für die verschiedenen Teile, die unterschiedlichen Leistungs­ kriterien genügen müssen. Wie oben bereits erwähnt, sind einige Teile stationär, während andere rotieren. Einige Teile kommen mit Hochtemperaturgasen und andere mit Gasen geringerer Temperatur in Berührung. Einige Trieb­ werksteile stehen unter Belastung und sind einem Be­ triebsdruck ausgesetzt, während andere keinem merklichen Druck ausgesetzt sind. Darüber hinaus rotieren einige Teile mit sehr hohen Geschwindigkeiten, während andere dies nicht tun.

Wegen dieser unterschiedlichen Betriebskriterien sind verschiedene Legierungscharakteristika für die Vielfalt von Teilen erforderlich, die sich innerhalb eines Trieb­ werks befinden. Viele der Niobbasis-Legierungen der oben genannten Anmeldungen erfordern einen gewissen Schutz vor Oxidation und anderem atmosphärischem Angriff, und dieser Schutz kann durch metallurgisches Verbinden der Oberfläche des gebildeten Teiles mit einem Metallüberzug gewährt werden, wie er in der EP 03 48 858 beschrieben ist.

Es gibt eine Anzahl von Wegen, auf denen der Oberflächen­ überzug auf ein Substrat aufgebracht werden kann, um ein Materialsystem zu schaffen, das geeignet ist zum Einsatz für Teile eines Strahltriebwerkes. Ein solches Verfahren der Aufbringung ist das Plasmaspritzen. Nach diesem Verfahren werden feinzerteilte Partikel des auf das Substratteil des Triebwerkes aufzubringenden Überzug­ materials kontinuierlich in eine Plasmakanone eingeführt, und die geschmolzenen Metalltröpfchen, die sich beim Pas­ sieren des Materials durch die Flamme der Kanone bilden, werden auf den exponierten Oberflächen des Substrates des Triebwerkteils abgeschieden. Eine metallurgische Bindung zwischen dem Überzug und dem Substrat kann entweder auf diese Weise oder durch ein separates Diffusionsverbinden durch Erhitzen gebildet werden. Alternativ kann man das Substrat vorerhitzen, zum Beispiel in einer bei geringem Druck betriebenen Plasmaabscheidevorrichtung, so daß beim Auftreffen der Tröpfchen des Überzugsmaterials auf der Oberfläche des Substratteils ein Verbinden zwischen der Oberfläche und dem Überzug erfolgt, um den Überzug innig mit der Oberfläche des Teiles zu verbinden und den Zugang der Atmosphäre zum geschützten Substrat zu verhindern.

Nach dem Abscheiden eines Schutzüberzugmetalles auf einem Teil können das Teil und sein Überzug einem Heiß­ isostatischen-Pressen unterworfen werden, um den Über­ zug teilweise zu verdichten und die metallurgische Bindung zwischen Teil und Überzug zu verbessern.

Wie in der EP 03 48 858 erläutert, gibt es eine Vielfalt von Materialien, die zur Bildung eines Überzugs geeignet sind. Ein solches Material ist eine Legierung aus Ruthenium, Chrom und Aluminium und spezifisch ist es ein Überzug mit einer Zusammensetzung, die einer solcher entspricht, die sich innerhalb der Kurve A der Fig. 3 befindet. Ein bevorzugtes Material ist ein Überzug mit einer Zusammen­ setzung, die einer solchen entspricht, die sich inner­ halb der engeren Kurve B der Fig. 3 befindet.

Wie oben bereits im einzelnen ausgeführt, können Ru und/oder Cr durch Fe, Ni und Co ersetzt werden.

Eine bevorzugte Zusammensetzung eines Überzugs ist eine Legierung mit der folgenden Zusammensetzung: 55 Atom-% Cr, 20 Atom-% Al, 14 Atom-% Ru, 11 Atom-% Fe. Diese Legierung erleidet keinen Gewichtsverlust bei einem über 100stündigen Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 1500°C.

Jeder dieser Zusammensetzungen kann untergeordnete Ein­ schlüsse anderer Elemente als Verunreinigung aufgrund der üblichen Herstellung der Zusammensetzungen enthalten. Es können auch andere Elemente vorhanden sein, die die Eigenschaften der Zusammensetzungen nicht beeinträchtigen.

Die Überzüge werden auf ein geformtes und konfiguriertes Substrat aufgebracht. Das Substrat muß in der Lage sein, die erforderlichen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, Duktilität, Zähigkeit und ähnliche zu haben.

Hinsichtlich der verwendbaren Substratlegierungen gibt es eine Familie von Legierungen auf Niobbasis, die ein Spektrum von Dichte und Temperatur-Eigenschaften hat, wie es in Fig. 1 veranschaulicht ist. Sieben spezifische Legierungen mit bestimmten Legierungszusammensetzungen, wie sie in den eingangs genannten sieben EP-Anmeldungen offenbart sind, sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:

Tabelle

Familie von duktilen Hochtemperatur-Legierungen auf Niobbasis

Wie sich aus der Tabelle ergibt, sind in den genannten EP-Patentanmeldungen die verschiedenen Legierungen der angegebenen Zusammensetzungen offenbart. Der einfacheren Bezugnahme wegen sind den sieben Legierungen der vorstehenden Tabelle die Buchstaben A bis G zugeordnet. Diese Buchstaben sind auch den angegebenen Bereichen einer schuhförmigen Kurve in Fig. 1 zugeordnet, die eine Kombination von Tempe­ ratur- und Dichte-Eigenschaften einschließt, die in etwa jenen entsprechen, bei denen die Familie von Niob-Legierungen brauchbare strukturelle Eigenschaften hat. Die genannten Buchstaben sind verschiedenen Zonen der schuhförmigen Figur zugeordnet, und sie bezeichnen in etwa die kleine­ ren Bereiche der Temperatur- und Dichte-Eigenschaften für die entsprechend bezeichnete Legierung.

Betrachtet man nun jede einzelne Legierung, dann wird die Legierung "A" von einer Kurve umhüllt, die sich über einen weiten Temperaturbereich von etwa 425°C bis etwa 1040°C erstreckt, in dem die Legierung brauchbare struk­ turelle Eigenschaften hat. Die strukturellen Substrat­ legierungen "A" bis "G" haben eine gute Duktilität über den gesamten Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zur höchsten angegebenen Gebrauchstemperatur in Fig. 1. Fig. 1 betont jedoch den Temperatur- und Dichtebereich, der für die Herstellung von Teilen für Strahltriebwerke am vorteilhaftesten ist. Der Dichtebereich der Legierungen der Umhüllung A erstreckt sich von einer Dichte von weniger als 6 bis zu einer Dichte von etwa 6,6 g/cm³. Die Umhüllung der Temperatur- und Dichte-Eigenschaften ist jedoch nicht ein Rechteck innerhalb der zahlen­ mäßigen Grenzen von etwa 425°C bis etwa 1040°C und von etwa 6 bis etwa 6,6 g/cm³, sondern die Umhüllung hat die in Fig. 1 am untersten Teil der schuhförmigen Figur angegebene Gestalt.

In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß die Legierung "A" aufgrund der Zugabe von Aluminium zu einer Titan-Niobbasis-Legierung einer beträchtlich verbesserte Streckgrenze aufweist, und diese Zugabe vermindert natürlich auch die Dichte der Legierung.

Die weitere Zugabe von Chrom zur Legierung "A" zur Bil­ dung einer Legierung "B" entsprechend der in der Tabelle für die Legierung "B" angegebenen Zusammensetzung führt zu einer weiteren Zunahme der Zugfestigkeit in einem tieferen Temperaturbereich in der Nähe von etwa 425°C, zu einer Abnahme der Zugfestigkeit bei etwa 870°C und zu einer Zunahme der Zugfestigkeit oberhalb von etwa 1200°C. Ist das Verhältnis von Titan zu Niob geringer, dann ist die Festigkeit bei tieferer Temperatur unter­ halb etwa 760°C geringer, doch die Festigkeit bei höherer Temperatur, bis zu 1200°C und darüber, ist höher als bei Legierungen, die ein höheres Verhältnis von Titan zu Niob aufweisen.

Es ist daher deutlich, daß die Kriterien zum Einsatz einer bestimmten Legierung von der vorgesehenen Einsatz­ temperatur und den Eigenschaften abhängen müssen, die in der Legierung bei dieser Einsatztemperatur erforder­ lich sind. Die in der Tabelle aufgeführten Legierungen, die als Substratmaterialien bei dem erfindungsgemäßen Materialsystem benutzt werden, haben nicht einfach Eigen­ schaften, die lineare Funktionen der Zugabe des einen oder anderen Legierungsbestandteils sind. Die Eigenschaften bestimmter Legierungen unter bestimmten Betriebsbedingungen können durch Versuch bestimmt werden, da die Legierungszu­ sammensetzungen sowohl in der Tabelle als auch in den Ansprüchen angegeben sind.

Die Legierung "B" unterscheidet sich von der Legierung "A" dadurch, daß sie einen Chromzusatz enthält und be­ stimmte Grenzen hinsichtlich der Konzentration der kom­ binierten Zusätze aus Aluminium und Chrom aufweist. Die Umhüllung für die Legierung "B" (Fig. 1) nimmt fast den gleichen Teil der schuhförmigen Darstellung der Fig. 1 wie die Legierung "A" ein, erstreckt sich jedoch über die ganze Länge der Umhüllung, die den Boden des Schuhs bildet. Aus diesem Grund erstrecken sich in den "Zehen"- teil des unteren Abschnitts der Umhüllung sowohl die Legierung "A" als auch die Legierung "B". Die Legierung "B" hat bei Temperaturen unterhalb von etwa 205°C eine größere Festigkeit als die Legierung "A".

Eine mit "C" bezeichnete Legierung enthält Niob, Titan, Aluminium und Hafnium in Mengen, wie sie in der obigen Tabelle angegeben sind und nimmt eine Zone ein inner­ halb der unteren Umhüllung der schuhförmigen Darstellung der Fig. 1. Die hafnium-haltige Legierung hat eine höhere Streckgrenze als die Legierung ohne Hafnium bei einer Temperatur von etwa 705°C, und tatsächlich ist die Streckgrenze um etwa 50% größer als die der hafnium­ freien Legierungen "A" oder "B" der Fig. 1.

Die Legierung "D" befindet sich in der Darstellung der Fig. 1 unmittelbar oberhalb des rechten Endteils der unteren Umhüllung, die die Werte der Dichte gegen die Temperatur für die Legierung "B" repräsentiert. Wie sich aus der obigen Tabelle ergibt, ist die Legierung "D" eine Legierung, die Niob, Titan, Aluminium und Hafnium in den in der genannten Tabelle angegebenen Anteilen enthält. Die Legierung "D" hat daher höhere Hafniumkonzentrationen als die Legierung "C". Es wurde festgestellt, daß die Meßwerte der Einsatzfestigkeit der Legierung "D" mit zunehmender Aluminiumkonzentra­ tion bis etwa 760°C zunehmen, doch findet bei höheren Temperaturen eine Umkehr dieses Trends statt, so daß bei 980 und 1200°C der zunehmende Aluminiumgehalt nicht zu zunehmenden Zugeigenschaften führt. Diese Umkehr einer Eigenschaft mit einer Veränderung der Konzentration eines der Zusätze ist bei den Legierungen dieser Familien nicht unüblich. Aus diesem Grund ist es wichtig, die hier gegebene Information zur Bestimmung der Legierungs­ zusammensetzung zu nutzen, die ausgewählt werden sollte, doch ist es auch wichtig, die ausgewählte Legierung für die bestimmte Eigenschaft, die in einer Legierung dieser Familie angestrebt wird, zu testen, um festzustellen, welche Legierung für ein bestimmtes Teil eines Strahl­ triebwerkes und für eine bestimmte Einsatztemperatur am geeignetsten ist.

So wurde zum Beispiel in diesem Zusammenhang festgestellt, daß die Duktilität der Legierungen bei hohen Temperaturen gut ist. Es wurde jedoch auch festgestellt, daß bei höherem Aluminiumgehalt die Duktilität mit zunehmendem Aluminiumgehalt abnimmt. Aus diesem Grund sollten Tests für die bei Raumtemperatur vorhandene Duktilität einer bestimmten ausgewählten Legierung der Zusammensetzung "D" ausgeführt werden. Proben der Legierung "D" mit unterschiedlichen Konzentrationen an Aluminium wurden Oxidationstests bei Temperaturen von 800°C und 1200°C unterworfen. Diese Substratlegierungen haben eine weit bessere Oxidationsbeständigkeit als im Handel übliche Legierungen, wie die Legierung CB752, die gleichzeitig mit den in der vorliegenden Erfindung benutzten Legie­ rungen getestet wurde. Es wurde festgestellt, daß je höher der Aluminiumgehalt in der Substratlegierung "D" ist, je geringer die Gewichtszunahme einer Legierungs­ probe aufgrund der Oxidation ihrer nicht geschützten Oberfläche ist.

Die Fähigkeit der Substratlegierungen, einem oxidativen Angriff zu widerstehen, ist eine sehr brauchbare Eigen­ schaft, insbesondere bei Temperaturen unterhalb von etwa 1200°C. Der Gebrauch eines Überzuges, wie er oben im Zusammenhang mit einer Legierung der Zusammensetzung der "D"-Proben beschrieben ist, die in der obigen Tabelle aufgeführt sind, ist für einen Einsatz bei noch höherer Temperatur jedoch erforderlich. Auch hier zeigt die Beziehung zwischen der Zusammensetzung einer Legierung und den Betriebskriterien zum Einsatz der Legierung in einem Strahltriebwerk, daß es in hohem Maße erwünscht ist, das richtige Substrat auszuwählen, und es mit einem bevorzugten Überzug zu kombinieren, um ein Triebwerks­ teil zu bilden, das optimale Leistungscharakteristika aufweist. So wird zum Beispiel davon ausgegangen, daß die Legierungen der Zusammensetzung "D" gute Kombinationen von Eigenschaften aufweisen zum Einsatz in Form von Blechen. Solche Bleche haben hervorragende Eigenschaften, einschließlich einer Festigkeit bei hoher Temperatur, und Bleche, die aus Legierung "D" hergestellt und wie oben beschrieben überzogen sind, sind geeignet zum Ein­ satz in Triebwerksstrukturen, die eine hohe Festigkeit in Blechen bei hohen Temperaturen erfordern.

Die Zusammensetzung der Legierung "E" ist in der obigen Tabelle angegeben. Die Beziehung der Temperaturfähigkeiten und der Dichte der Legierung "E" ist in Fig. 1 darge­ stellt, und diese Darstellung läßt eine etwas höhere Dichte und noch größere Temperaturfähigkeiten als bei der Legierung der Zusammensetzung "D" erkennen.

Die Eigenschaften der Legierung "E" wurden mit einer handelsüblichen Legierung (HS-188) verglichen, die eine Knetlegierung auf Kobaltbasis ist, die für Bleche zum Einsatz bei hoher Temperatur benutzt wird. Die Legie­ rung der Zusammensetzung "E" hatte bei allen Testtempe­ raturen von Zimmertemperatur bis etwa 650°C eine bessere Streckgrenze als die handelsübliche HS-188 Legierung. Darüber hinaus ist die Legierung "E" um 20% leichter als die handelsübliche Legierung HS-188. Es wurden auch Vergleichstests ausgeführt zwischen der Legierung der Zusammensetzung "E" und der handelsüblichen Legie­ rung CB-752, und zwar mit Bezug auf die Oxidationsbe­ ständigkeit. Diese Tests zeigten, daß die Legierung "E" deutlich besser ist, wie in der oben genannten EP 89 121 624.4 angegeben.

Wie die Fig. 1 zeigt, hat die Legierung "F" eine höhere Dichte und etwas höhere Temperaturfähigkeit als die Le­ gierung "E". Einige Legierungen der Zusammensetzung "F" mit einer relativ geringeren Duktilität bei Raumtempera­ tur können gefunden werden. Dies kann man der Anwesen­ heit relativ hoher Aluminiumkonzentrationen zuschreiben. Es gibt eine enge Beziehung zwischen der Titankonzentra­ tion in einer Legierung und der Konzentration an Alumi­ nium, die in der Legierung vorhanden sein kann, ohne eine Verminderung oder einen Verlust der Duktilität zu verursachen. Ist die Duktilität gering, dann sollte man den Titangehalt vergrößern und den Aluminiumgehalt ver­ mindern.

Legierungen der Zusammensetzung "F" haben eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen. Ein Wert von etwa 125 N/mm² wurde bei etwa 650°C für eine Legierung be­ obachtet, die Niob, 5 Atom-% Hafnium, 15 Atom-% Aluminium, 15 Atom-% Titan und 8 Atom-% Chrom enthielt. Dies ist eine sehr bemerkenswerte Festigkeit bei 650°C. Diese Legierung hatte eine Drehung von 26% bei etwa 650°C, jedoch keine meßbare Duktilität bei Raumtemperatur. Bevorzugte Legierungen der Zusammensetzung "F" haben höhere Titan- als Aluminium-Konzentrationen, da es das Titan ist, das das Aluminium löst und die Verminderung und den Verlust an Legierungsduktilität vermeidet.

Die Legierung "G" ist die letzte der Legierungen auf Niobbasis, deren Dichte- und Temperaturfähigkeiten in Fig. 1 aufgetragen sind. Die Legierung "G" hat den höchsten Bereich der Dichten und den höchsten Bereich der Temperaturfähigkeiten der in Fig. 1 aufgetragenen Familie von Legierungen.

Der Fig. 1 läßt sich entnehmen, daß der Bereich der Dichten der Legierung "G" sich stark dem Dichtebereich der Superlegierungen auf Eisen-, Nickel- und Kobalt­ basis nähert, deren Dichte- und Temperaturbereiche eben­ falls in Fig. 1 aufgetragen sind. Die Legierungen der Zusammensetzungen "G" haben gute Eigenschaften bei den geringeren Temperaturbereichen innerhalb der Umhüllung der Superlegierungen. Ohne Nutzung der höheren Tempera­ turfähigkeiten der Legierung "G" oberhalb von etwa 1200°C oder ohne daß die überzogenen Legierungen des erfindungsgemäßen Systems einen erwünschten Satz von Eigenschaften haben, die bei Superlegierungen nicht er­ hältlich sind, mag der Einsatz der üblicheren Super­ legierungen für Anwendungen bei Temperaturen unterhalb von etwa 1200°C bevorzugt sein.

Die schraffierte Umhüllung der Fig. 1 gibt daher die Dichte- und Temperaturbereiche wieder, bei denen die überzogenen Legierungen des erfindungsgemäßen Systems besonders vorteilhaft sind, auf der Grundlage einer Kombination der Dichte- und Temperatureigenschaften.

Die Legierungen der Gruppe "G" enthalten 5 bis 18 Atom-% Hafnium und 5 bis 22 Atom-% Aluminium, Rest Niob. Der Dichtebereich erstreckt sich von etwa 7,9 bis 8,8 g/cm³. Eine Legierung mit 15 Atom-% Hafnium, 20 Atom-% Aluminium und etwa 65 Atom-% Niob hat eine Dichte von etwa 7,9 g/cm³ und eine Zugfestigkeit von etwa 315 N/mm² bei 1200°C. Die Testvorrichtung zum Bestimmen der Zugfestig­ keit war auf ein Testen bei 1200°C beschränkt. Vom bei 900°C ermittelten Zugfestigkeitswert (427 N/mm²) wurde jedoch geschätzt, daß die Legierung eine brauchbare Festigkeit bei Temperaturen von mehr als etwa 1430°C, und zwar bis zu etwa 1480°C und möglicherweise sogar noch höher hat.

Die überzogenen Legierungen der in der vorliegenden An­ meldung beschriebenen Materialsysteme können bei Ein­ sätzen bei hoher Temperatur in Kombination mit nicht­ überzogenen Legierungen benutzt werden. Eine solche nicht-überzogene Legierung, die für den Einsatz bei Temperaturen oberhalb von etwa 1260°C geeignet ist, ist die Legierung mit einer FeCrAlY-Basis, die jedoch einen RuAl-Zusatz enthält, wie in der oben genannten EP 03 47 614 beschrieben. Diese Legierung ist im wesentlichen eine Legierung auf Eisenbasis mit Zusammensetzungen innerhalb der folgenden Bereiche:

Claims (5)

1. Verbundstruktur mit hoher Festigkeit bei hohen Temperaturen umfassend ein geformtes metallisches Bauteil aus mindestens einem Metall, das ausgewählt ist aus der aus den folgenden Niob-Legierungen bestehenden Gruppe: A Niob, 31-48 Atom-% Titan, 8 bis 21 Atom-% Aluminium;
B Niob, 32-48 Atom-% Titan, 8 bis 16 Atom-% Aluminium, 2 bis 12 Atom-% Chrom, mit der Maßgabe, daß die Summe (Al+Cr) 22 Atom-% ist und, wenn Ti weniger als 37 Atom-% beträgt, die Summe (Al+Cr) 16 Atom-% ist;
C Niob, 40-48 Atom-% Titan, 12 bis 22 Atom-% Aluminium, 0,5 bis 6 Atom-% Hafnium;
D Niob, 32 bis 45 Atom-% Titan, 8 bis 15 Atom-% Hafnium, 3 bis 18 Atom-% Aluminium;
E Niob, 35 bis 45 Atom-% Titan, 8 bis 15 Atom-% Hafnium;
F Niob, 4 bis 10 Atom-% Hafnium, 4 bis 10 Atom-% Aluminium, 5 bis 18 Atom-% Titan, 3 bis 8 Atom-% Chrom;
G Niob, 5 bis 18 Atom-% Hafnium, 5 bis 22 Atom-% Aluminium.und sich ein metallischer Schutzüberzug auf mindestens einem Teil der Bauteiloberflächen befindet, um das Bauteil vor einem Angriff durch die Umgebung zu schützen, wobei dieser Überzug eine Zusammensetzung hat, wie sie durch den Bereich A in Fig. 3 gegeben ist.

2. Struktur nach Anspruch 1, bei der die Zusammen­ setzung durch den Bereich B der Fig. 3 definiert ist.

3. Verbundstruktur nach Anspruch 1, bei der die Zusammensetzung des Überzuges die folgende ist: Ru_{(19-x) bis (34-x)} (ΣFe+Ni+Co) _x -
Al_{(19) bis (34)} Cr_{(62-y) bis (32-y)} Fe _y worin Σ ein Symbol ist, das anzeigt, daß die Summe der Konzentrationen des vorhandenen Eisens, Nickels und Kobalts zur Konzentration x in Atom-% addieren und worin der Wert von x zwischen 0 und 15 und der Wert von y zwischen 0 und 5 Atom-% liegt, und wobei der Gesamtwert des Ausdrucks in Atom-% 100 beträgt.

4. Verbundstruktur nach Anspruch 1, worin die Zusammensetzung des Überzuges die folgende ist: Ru_{(22-x) bis (28-x)} (ΣFe+Ni+Co) _x -
Al_{(22) bis (28)} Cr_{(56-y) bis (44-y)} Fe _y ,worin Σ die obige Bedeutung hat und
x einen Wert zwischen 0 und 10 und
y einen Wert zwischen 0 und 5 hat und der Gesamtwert des Ausdrucks in Atom-% 100 beträgt.

5. Verbundstruktur nach Anspruch 1, worin der Überzug die folgende Zusammensetzung hat: 55 Atom-% Chrom, 20 Atom-% Aluminium, 14 Atom-% Ruthenium und 11 Atom-% Eisen.