IT9019977A1

IT9019977A1 - Superleghe contenenti tantalio

Info

Publication number: IT9019977A1
Application number: IT019977A
Authority: IT
Inventors: Thomas Joseph Kelly
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1989-04-10
Filing date: 1990-04-10
Publication date: 1991-10-10
Also published as: GB2230274A; CA2010147A1; CN1046944A; IT1240749B; DE4011129A1; IL93341A0; GB2230274B; GB9001431D0; FR2646171A1; IT9019977A0; AU4765290A; AU624463B2; JPH0317243A

Description

DESCRIZIONE

dell’ invenzione industriale avente per titolo: "Superleghe contenenti tantalio

RIASSUNTO

Superleghe a base di nichel che contengono niobio (colombio) per favorire rinforzo da fase gamma doppio primo, sono migliorate sostituendo il niobio con tantalio su una base di atomo per atomo e quindi trattando a caldo la nuova lega a temperature superiori a quelle convenzionalmente usate per superleghe che contengono niobio. Si trova che le risultanti leghe contenenti tantalio mostrano migliore robustezza e maggiore stabilità di fase rispetto alle corrispondenti leghe contenenti niobio.

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda perfezionate leghe a base di nichel che hanno una combinazione particolarmente alta di proprietà di robustezza e duttilità rispetto alla gamma di tenmperatura che si estende da circa la temperatura ambiente a circa 815 % (1500 °F). il perfezionamento viene fornito incorporando una quantità sostanziale di tantalio nella lega, generalmente come sostituzione atomo per atomo di niobio e quindi trattando a caldo la lega a temperature molto alte per periodi prolungati.

Superleghe a base di nichel di tecnica anteriore benché vengano costantemente migliorate, hanno degli svantaggi sia dal punto di vista della robustezza o duttilità, particolarmente ad alte temperature, cioè al di sopra di circa 649 ° (1200 °F). Queste leghe sono generalmente basate su nichel in combinazione con una o più tra cromo, ferro e cobalto. Inoltre, possono contenere una varietà di elementi in un grande numero di combinazioni per produrre effetti desiderati. Alcuni degli elementi che sono stati utilizzati in superleghe a base di nichel per fornire o migliorare una o più delle seguenti proprietà sono: per la robustezza <Mo, Ta, W, Re), per la resistenza all’ossidazione (Cr, Al), per la stabilità di fase (Ni) o frazioni in volume crescenti di precipitati secondari favorevoli <Co). Altri elementi vegno aggiunti per formare precipitati indurenti, come di fasi gamma primo (Al, Ti) e di fasi gamma doppio primo (Cb). L’elementi minori (C, B) vengono aggiunti per formare carburi e boruri e altri (Ce, Mg) vegono aggiunti per scopi di controllo di elementi vaganti. Alcuni elementi (B, Zr, Hf) vengono aggiunti per consentire favorevoli effetti ai contorni dei grani. Parecchi elementi (per esempio Co, Mo, W, Cr) benché aggiunti per le loro favorevoli qualità leganti, possono precipitare, in alcune circostanze, nella formazione di fasi indesiderabili (per esempio sigma, mu, Laves).

La fase gamma doppio primo è generalmente considerata un precipitato rinforzante di Ni^Nb ordinato in forma tetragonale a corpo centrato che viene formata quando il niobio è presente in superleghe a base di nichel. Una superlega nella quale capita una fase rinforzante gamma doppio primo è la lega Inconel 718 che è entro il campo del brevetto USA No. 3.046.108 (Eiselstein). Eiselstein insegna che la lega deve contenere da circa il 4 a circa l'8% in peso di colombio e che il colombio nella lega può essere sostituito in parte con tantalio nella quantità fino al 4% della lega. Nel sostituire parzialmente il contenuto di colombio -della lega con tantalio, Eiselstein insegna che si dovrebbe usare il doppio di peso di tantalio per ottenere il medesimo effetto sulle proprietà. Insegna anche che solo leghe esenti da tantalio e/o leghe nelle puali non più -del 50% -del colombio è sostituito da tantalio sono duttili in presenza di intaccatura ad alte temperature. Eiselstein quindi insegna che tantalio e niobio agiscono nelle medesime leghe a base di nichel a condizione che sia presente solo una quantità limitata di tantalio. La fase gamma doppio primo non e normalmente una fase stabile poiché si può convertire in fase gamma primo o in fase delta per esposizione prolungata ad alte temperature. Leghe indurite con fase gamma doppio primo ottengono grande resistenza alla trazione e buonissime proprietà di rottura per scorrimento a temperature minori, ma la conversione della fase gamma doppio primo in fase gamma primo o detta al di sopra di 677 °C (1250 F) provoca una netta riduzione di robustezza. (Donachie, M.J., "Relationship of Properties to Microstructure in Superalloys” in Superalioys Source Book, American Society for Metals, 1984).

Si è ora scoperto che il tantalio non agisce nello stesso modo del niobio in superleghe a base di nichel. Piuttosto si è trovato che il tantalio produce una lega che ha maggiore stabilità di fase e differenti relazioni di fase rispetto alla corrispondente lega contenente niobio. Questa differenza di stabilità di fase rende le leghe contenenti tantalio molto forti a temperature molto più alte delle leghe contenenti Nb. In aggiunta, la fase gamma doppio primo delle leghe dell'invenzione non si converte facilmente in fase delta come capita nelle corrispondenti leghe contenenti niobio.

La presente invenzione considera in particolare una lega a base di nichel che comprende almeno circa il 30% in peso di nichel, circa dall'8 al 16% in peso di tantalio e che è sostanzialmente priva di niobio. Addizionali elementi contenuti nella lega sono principalmente scelti dal gruppo consistente di cromo, ferro, cobalto, molibdeno, titanio, zirconio, tungsteno, afnio, alluminio, boro e carbonio e loro combinazioni. In aggiunta, altri elementi come manganese, silicio, fosforo, zolfo, piombo, bismuto, tellurio, selenio, niobio e argento possono essere presenti come impurezze accidentali.

L'invenzione si estende largamente al metodo per migliorare le proprietà di robustezza ad alta temperatura di superleghe a base di nichel contenenti niobio sostituendo sostanzialmente tutto il niobio qui contenuto con tantalio su una base di atomo per atomo.

L'invenzione comprende anche un metodo per migliorare (e proprietà di robustezza ad alta temperatura di superleghe a base di nichel contenenti tantalio dell’invenzione mediante trattamenti termici a temperature maggiori e per una durata maggiore di quelle usate per le corrispondenti leghe contenenti niobio.

Le leghe della presente invenzione contengono almeno circa il 30% di nichel (tutte le percentuali espresse qui e nelle rivendicazioni sono in peso, a meno che altrimenti specificato) e da circa ali'8 a circa il 16% di tantalio. Il resto della lega consisterà di altri elementi che sono legati convenzionalmente con nichel per formare superleghe, come elementi scelti dal gruppo consistente di cromo, ferro, cobalto, molibdeno, titanio, zirconio, tungsteno, afnio, alluminio, boro, carbonio e loro combinazioni. Inoltre, altri elementi come manganese, silicio, fosforo, zolfo, piombo, bismuto, tellurio, selenio e argento possono pure essere trovati nella lega come impurezze accidentali. Queste leghe saranno sostanzialmente prive di niobio, cioè conterranno meno di circa l'i%, e di preferenza meno di circa io 0,5% e maggiormente di preferenza meno di circa lo 0,1% di Nb.

In generale, la lega conterrà, in aggiunta al nichel e tantalio, fino a circa il 25% di cromo, fino a circa il 40% di ferro, fino a circa il 25% di cobalto, fino a circa Γ8% di molibdeno, fino a circa il 3% di titanio, fino a circa il 2% di alluminio, fino a circa il 7% di tungsteno, da circa 30 a 150 ppm di boro e fino a circa lo 0,1% di carbonio. Altri elementi, come altri elementi leganti sopra indicati, possono essere presenti in quantità fino a circa Γ1% ciascuno, con un massimo totale fino a circa il 5%.

Una lega preferità consiste essenzialmente da circa Γ8% al circa il 16% di tantalio, da circa il 17% a circa il 22% di cromo, fino a circa il 25% di ferro, fino a circa il 16% di cobalto, ma non meno del 12% di un totale di Fe più Co, da circa il 2 a circa il 6% di molibdeno, da circa Γ1 a circa il 5% di titanio, da circa lo 0,1 a circa il 5% di alluminio, da circa 30 a circa 150 ppm di boro, da circa 0,01 a circa lo 0,1% di carbonio, con il resto nichel (contenente impurezze accidentali), in cui la quantità totale di ferro più cobalto è da circa il 12 a circa il 25%.

Una seconda lega preferita consiste essenzialmente da circa Γ8,5 a circa il 10% di tantalio, da circa il 18 a circa il 20% di cromo, da circa il 17 a circa il 19% di ferro, da circa il 2,5 a circa il 4% di molibdeno, da circa 0,75 a circa il 2,5% di titanio, da circa lo 0,25 a circa lo 0,75% di alluminio, da circa 30 a circa 60 ppm di boro, se la lega deve essere colata, o da circa 80 a circa 150 ppm di boro se la lega deve essere lavorata, da circa lo 0,03 a circa lo 0,05% di carbonio, con il resto nichel. Una versione massimamente preferita di questa lega consiste -essenzialmente di circa il 9% di tantalio, di circa il 19% di cromo, di circa il 18% di ferro, di circa il 3% di molibdeno, di circa Γ1% di titanio, -di circa lo 0,5% di alluminio da circa 30 a circa 60 ppm di boro se la lega deve essere colata, o da circa 80 a circa 100 ppm di boro se la lega deve essere lavorata, da circa lo 0,05% di carbonio, con il resto nichel.

Una terza lega preferita consiste essenzialmente da circa il 30 a circa il 40% di nichel, da circa il 30 a circa il 40% di ferro, da circa il 15 a circa il 23% di cobalto, da circa Γ8 a circa il 16% di tantalio e da circa 30 a circa 150 ppm di boro. Una versione maggiormente preferita di questa lega consiste essenzialmente da circa il 35 a circa il 38% di nichel, da circa il 35 a circa il 38% ferro, da circa il 17 a circa il 20% di cobalto, da circa Γ8 a circa il 10% di tantalio e da circa il 30 a circa 60 ppm di boro se la lega deve essere colata, o da circa 80 a circa 100 ppm di boro se la lega deve essere lavorata. Una versione massimamente preferita di questa lega consiste essenzialmente da circa il 36 a circa il 37% di nichel, da circa il 36 a circa il 37 di ferro, da circa il 17 a circa il 18% di cobalto, da circa Γ8,5 a circa 9,5% di tantalio e da circa 30 a circa 60 ppm di boro, se la lega deve essere colata, o da circa 80 a circa 100 ppm di boro, se la lega deve essere lavorata.

Le leghe di questa invenzione possono essere colate o lavorate e possono essere prodotte mediante metodi convenzionali.

Le leghe dell'invenzione per sviluppare le loro migliorate proprietà ad alta temperatura necessitano di essere trattate termicamente. Il trattamento termico è eseguito a temperature maggiori per un periodo sostanzialmente più lungo di quanto viene convenzionalmente usato per simili leghe contenenti niobio.

Il -ciclo 'di trattamento termico presentemente preferito per la seconda lega preferita comprende riscaldamento a circa 1093°C (2000 °F) per circa un’ora, seguito da pressatura isostatica a caldo a circa 1121 °C (2050 °F) ad una pressione da circa 82,74 a circa 103,42 MPa (da circa 12 a circa 15 ksi) per da circa 3 a circa 5 ore, seguito da riscaldamento a circa 1052% (1925†) per circa 4 ore e seguita da riscaldamento a 871°C (1600°F) per circa 2 ore. Un addizionale riscaldamento (stagionatura) a circa 732% (1350°F) per circa 8 ore può essere utile per produrre proprietà ottime con certe leghe. Il convenzionale trattamento termico per questa lega nella sua versione contenente niobio non dovrebbe comprendere la fase a 871 % (1600°F) e conterebbe una fase di stagionatura a temperatura minore a circa 621 % (1150° F) per un tempo da circa 4 a 8 ore.

Mediante l’uso di tantalio in assenza sostanziale di niobio in combinazione con le più alte condizioni di trattamento termico, si producono leghe che possono fare maggior uso di fase rinforzante gamma doppio primo rispetto a convenzionali leghe contenenti niobio. Le leghe dell’invenzione sono induribili per stagionatura, malleabili e sono caratterizzate da un’alta combinazione di robustezza e duttilità, particolarmente ad alte temperature. In aggiunta, si crede che la quantità di alluminio più titanio, se contenuta nella lega, può essere aumentata al di sopra di quanto trovato convenzionalmente in leghe contenenti niobio senza indurre incrinature per invecchiamento sotto sforzo di saldature. Un altro beneficio di usare tantalio al posto di niobio nelle leghe è una migliorata saidabilità. Questo è dovuto a maggiore resistenza alla microincrinatura di zone alterate da calore dovuta alla maggiore temperatura di eutettico Ta-Ni rispetto a quella dell’eutettico Nb-Ni.

I seguenti esempi non limitativi sono forniti per dimostrare la preparazione di leghe -della presente invenzione e le loro migliorate proprietà, specialmente ad alte temperature.

ESEMPIO I

Una lega -contenente tantalio come la lega 718 venne prodotta fondendo una composizione del 48,6% di nichel, del 19,2% di cromo, del 18,0% di ferro, dello 0,02% di niobio, del 9,1% di tantalio, del 3,0% di molibdeno, dell’ 1,04% di titanio, dello 0,47% di alluminio, dello 0,043% di boro, dello 0,044% di carbonio, e dello 0,02% di silicio, in un forno ad induzione sotto vuoto. La lega fusa venne colata in stampi ceramici per formare lingotti di 50,8 x 101,6 x 6,35 mm (2 pollici x 4 pollici x 1/4 pollice). Dei campioni provenienti dai lingotti vennero sottoposti a trattamento termico come segue: 1093<e>C (2000 *F) per 1 ora, 1121% (2050 °F) di pressatura isostatica a caldo a 101,3 MPa (14,7 ksi) per 3 ore, 1052% (1925Ϊ) per 4 ore, 871°c (1600°F) per 2 ore e quindi 732% (1350%) per 8 ore. ;Una convenzionale lega 718 della medesima composizione non contenente essenzialmente tantalio, ma circa il 4,6% di niobio, venne prodotta nello stesso modo come sopra e trattata a caldo per la pratica convenzionale della lega 718 (come notato nella nota a piè di tabella I qui sotto). ;Si è trovato che la microstruttura della lega contenente tantalio ha uguale o minore fase Laves stabile alla solidificazione rispetto alla convenzionale lega 718. In aggiunta, la lega contenente tantalio non produce fase delta dopo esposizione nella gamma da 871% (1600%) a 982 % (1800<*>F); un trattamento termico che è usato per determinare segregazioni di elementi in leghe 718 (separazione di fase delta). La microstruttura -della lega contenente tantalio ha un'eccellente distribuzione di fasi gamma primo e gamma doppio primo di dimensioni che producono un ragionevole effetto di rinforzo. La fase precipitata gamma primo e gamma doppio primo nella lega contenente tantalio è distribuita molto più uniformemente attraverso i nuclei di dentriti e gli interstizi che in una convenzionale lega 718 colata.

Campioni di due leghe vennero valutati per determinare le loro proprietà meccaniche a temperatura ambiente (RT) e ad aita temperatura. I risultati sono:

Come si può notare dalla tabella I, la superlega di tipo 718 contenente tantalio mostrava migliorate proprietà di robustezza ad alta temperatura rispetto alla sua corrispondente lega contenente niobio e queste proprietà vennero ulteriormente migliorate dall’uso del preferito trattamento termico.

ESEMPIO II

Il procedimento dell’esempio I venne ripetuto con una lega la cui composizione era dei 36,6% di nichel, del 36,6% di ferro, del 17,7% di cobalto, dei 9,1% di tantalio e di 45 ppm di boro. La corrispondente lega convenzionale nella quale il tantalio è sostituito con niobio su una base di atomo per atomo, cioè il contenuto di niobio è di circa il 4,5%, venne pure preparata per scopi di paragone. Le leghe sono valutate per le proprietà meccaniche come nell'esempio 1. 1 risultati sono:

Come è evidente, la lega contenente tantalio della presente invenzione mostra resistenza massima e resistenza con snervamento alla trazione sostanzialmente maggiori, minore riduzione di area e simile allungamento rispetto alla medesima lega contenente niobio.

Valutazioni delie svariate leghe dimostrano ancora la superiorità della lega contenente tantalio di questa invenzione rispetto alla lega paragonabile contenente niobio.

ESEMPIO III

Benché la convenzionale lega 718 dell'esempio I sia altamente resistente ad incrinature per invecchaiamento sotto sforzo durante alleviamento di sollecitazioni di saldatura, la lega può essere suscettibile a incrinature per liquazione nella zona alterata da calore (HAZ) e sotto condizioni di forte incastro, a incrinatura da solidificazione nella zona di fusione delle saldature. Per valutare l’effetto della sostituzione di tantalio a niobio della presente invenzione, le fasi di formazione dell’esempio I sono ripetute per produrre campioni di prova di saldabilità colati a dimensioni dello spessore di S mm. Prima della prova saldabilità, tutti i campioni vennero trattati a caldo sotto vuoto a 1093°C (2000“F) per un ora e raffreddati a 649°C (1200°F) in venti minuti. Prove di saldatura Varestraint a punti e di saldatura Mini Varestraint vennero utilizzate per valutare suscettibilità di incrinatura per liquidazione HAZ e per solidificazione di zone di fusione. Nella prova di saldatura Varestraint a punti, la sollecitazione è applicata ad una saldatura a punti ad arco in gas tra elettrodi di tungsteno immediatamente dopo l’estinzione dell’arco, restringendo perciò ('incrinatura alla saldatura HAZ. Durante una prova di saldatura Mini Varestraint, capita sollecitazione durante la generazione di una saldatura contìnua ad arco in gas tra elettrodi di tungsteno, con formazione di incrinature principalmente nella zona di fusione precedentemente solidificata. Si utilizza la lunghezza totale di incrinature come misura quantitativa -della suscettibilità al’incrinatura.

Come mostrato in tabella III, la lega contenente tantalio mostra la minima suscettibilità a incrinatura da saldature HAZ rispetto all’intera gamma di livelli provati di sollecitazione, cioè da circa lo 0,25 a circa il 3% di maggiore sollecitazione per la prova di saldatura a punti Varestraint.

Benché la presente invenzione sia stata descritta con particolari esempi e realizzazioni, si capirà da parte degli esperti nel ramo interessati che la presente invenzione è capace di modifica senza allontanarsi dal suo vero spirito e dal campo rappresentato dalle seguenti rivendicazioni.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Lega a base di nichel che comprende almeno circa il 30% in peso di nichel, da circa 1*8 a circa il 16% in peso di tantalio, da circa 30 a circa 150 ppm di boro e che é sostanzialmente priva di niobio.
2. La lega di rivendicazione 1, nella quale il resto della lega comprende uno o più elementi scelti dal gruppo comprendente cromo, ferro, cobalto, molibdeno, titanio, alluminio, tungsteno e carbonio.
3. La lega di rivendicazione 2, nella quale la lega contiene inoltre uno o più elementi scelti dal gruppo comprendente zirconio e afnio.
4. Superlega a base di nichel che consiste essenzialmente da circa Γ8 a circa il 16% di tantalio, da circa il 17 a circa il 22% di cromo, fino a circa il 25% di ferro, fino a circa il 16% di cobalto, da circa il 2 a circa il 6% di molibdeno, da circa Γ1 a circa il 5% di titanio, da circa lo 0,1 a circa il 5% di alluminio, da circa 30 a circa 150 ppm di boro, da circa lo 0,01 a circa Io 0,1% di carbonio, con il resto nichel, e in cui la quantità totale di ferro più cobalto non è minore di circa il 12%.
5. Superlega a base di nichel che consiste essenzialmente da circa Γ8.5 a circa il 10% di tantalio, da circa il 18 a circa il 20% di cromo, da circa il 17 a circa il 19% di ferro, da circa il 2,5 a circa il 4% di molibdeno, da circa lo 0,75 a circa il 2,5% di titanio, da circa lo 0,25 a circa lo 0,75% di alluminio, da circa 30 a circa 60 ppm di boro se la lega deve essere colata o da circa 80 a circa 100 ppm di boro se la lega deve essere lavorata e da circa lo 0,03 a circa lo 0,05% di carbonio e il resto nichel. -
6. La lega di rivendicazione 5, nella quale la lega consiste essenzialmente di circa 9% di tantalio, di circa il 19% di cromo, di circa il 18% di ferro, di circa il 3% -di molibdeno, di circa l'l% di titanio, di circa lo 0,5% di alluminio, da circa 30 a circa 60 ppm di boro se la lega deve essere colata o da circa 80 a circa 100 ppm di boro se la lega deve essere lavorata, e circa lo 0,05% di carbonio e il resto nichel.
7. Superlega a base di nichel che consiste essenzialmente da circa il 30 a circa il 40% di nichel, da circa il 30 a circa il 40% di ferro, da circa il 15 a circa il 23% di cobalto, da circa Γ8 a circa il 16% di tantalio e da circa 30 a circa 150 ppm di boro.
8. La lega di rivendicazione 7, nella quale la lega consiste essenzialmente da circa il 35 a circa il 38% di nichel, da circa il 35 a circa il 38% di ferro, da circa il 17 a circa il 20% di cobalto, da circa Γ8 a circa il 10% di tantalio e da circa 30 a circa 60 ppm di boro se la lega deve essere colata o da circa 80 a circa 100 ppm di boro se la tega deve essere lavorata.
9. La lega di rivendicazione 8, nella quale la lega consiste essenzialmente da circa il 36 a circa il 37% <li nichel, da circa il 36 a circa il 37% di ferro, da circa il 17 a circa il 19% di cobalto, da circa Γ8.5 a circa 9,5% di tantalio, e da circa 30 a circa 60 ppm di boro se la lega deve essere colata o da circa 80 a circa 100 ppm di boro se la lega deve essere lavorata.
10. Metodo per migliorare le proprietà di robustezza ad alta temperatura dì una superlega a base di nichel contenente niobio, sostituendo sostanzialmente tutto il niobio qui contenuto con tantalio su una base di atomo per atomo.
11. Il metodo di rivendicazione 10, nel quale la lega comprende almeno circa il 30% in peso di nichel, da circa Γ8 a circa il 16% in peso di tantalio e uno o più elementi scelti dal gruppo consistente di cromo, ferro, cobalto, molibdeno, titanio, alluminio, tungsteno, boro e carbonio.
12. Il metodo di rivendicazione 11, nel quale la lega contiene inoltre uno o più elementi scelti dal gruppo consistente di zirconio e afnio.
13. Il metodo di rivendicazione 11, nel quale la lega è stata trattata a caldo a circa 1093°c (2000°F) per circa un'ora, seguita da pressatura isostatica a caldo a circa 1121°C (2050°f) ad una pressione tra circa 82,74 e 103,42 MPa (da circa 12 a circa 15 ksi) per un tempo da circa 3 a circa 5 ore, seguito da riscaldamento a circa 1052°C (1925 °F) per circa 3 ore e seguita da riscaldamento a circa 871°C(1600°F) per circa 2 ore.
14. Il metodo di rivendicazione 13, nel quale la lega è inoltre trattata a caldo a circa 732°C(1350°F ) per circa 8 ore.
15. Il metodo di trattamento termico di una superlega a base di nichel contenente tantalio e sostanzialmente priva di niobio, comprendente le fasi di riscaldare detta superlega a circa 1093°C (2000F) per circa un'ora, seguito da pressatura isostatica a caldo a circa 1121 °C (2050 °F) con una pressione da circa 82,74 a circa 103,42 MPa (da circa 12 a circa 15 ksi) per un tempo da circa 3 a circa 5 ore, seguita da riscaldamento a circa 1052°C (1925°F) per circa 4 ore e seguita da riscaldamento a circa 871°C (1600°F) per circa 2 ore.
16. Il metodo di rivendicazione 15, nel quale la lega è inoltre trattata termicamente a circa 732°C (1300°F) per circa 8 ore.