DE1238672B

DE1238672B - Verwendung einer Nickel-Kobalt-Chrom-Legierung fuer bei hohen Temperaturen kriechfeste Gussstuecke

Info

Publication number: DE1238672B
Application number: DEM47782A
Authority: DE
Inventors: Clarence George Bieber; Colfax Manor Gardens
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1960-02-01
Filing date: 1961-01-25
Publication date: 1967-04-13
Also published as: CH403307A; SE208441C1; NL260545A; BE599751A; IT644011A; GB920551A; NO102807L; US3061426A; FR1280924A

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

Deutsche Kl.: 40 b-19/04

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1 238 672

Aktenzeichen: M 47782 VI a/40 b

1238 672 Anmeldetag: 25.Januar 1961

Auslegetag: 13. April 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Legierung zur Herstellung von Gußstücken und Teilen, die bei hohen, 925 ⁰C und mehr betragenden Temperaturen großen Belastungen ausgesetzt sind, insbesondere von Gasturbinenteilen, wie Rotor- und Statorschaufeln, Düsenleitschaufeln und Turbinenläufer.

Für Gußstücke dieser Art, die bei Temperaturen zwischen 600 und 900° C von ausreichender Festigkeit sein sollen und dem Angriff durch Oxydation und Korrosion widerstehen müssen, ist schon eine Nickel-Chrom-Legierung mit 1 bis 23% Chrom und 2 bis 14°/o Aluminium vorgeschlagen worden mit der Maßgabe, daß der Gesamtgehalt an Aluminium +Chrom 10 bis 25% beträgt. Der aus Nickel bestehende Legierungsrest kann durch bis zu 10% *5 Eisen und/oder Kobalt, bis zu 5 % Mangan und/oder Kupfer und bis zu 7 % Molybdän und/oder Wolfram ersetzt sein. Auch kann die Legierung noch jeweils bis zu 1 % und insgesamt bis zu 2 % Silizium, Titan, Vanadium, Zirkonium, Tantal, Beryllium, Niob, Silber, Antimon und Zinn sowie bis 0,5% Bor ^un(i bis 0,5% Kohlenstoff enthalten.

Für Turbinenschaufeln ist eine Legierung mit 10 bis 25% Chrom, 0 bis 25°/_? Kobalt, 0,5 bis 4,0% Aluminium, 1,08 bis 4% Titan, bis 0,05 % Bor, bis 0,3 % Zirkonium und 0,10 bis 0,15% Kohlenstoff, Rest Nickel bekannt. Diese Legierung kann auch bis zu 10 % Molybdän, bis zu 10 %Wolf ram sowie insgesamt bis zu 5 % Vanadium, Niob und/oder Tantal enthalten. Sie soll bei Temperaturen von 600°C und mehr kriechfest und gegen Korrosion widerstandsfähig sein.

Mit den stets wachsenden Belastungen der Gußstücke steigen auch die Anforderungen an die Güteeigenschaften der Legierungen und insbesondere die Anforderungen für ihre Verwendung in hohen, 925 ⁰C und mehr betragenden Temperaturbereichen. Wolframhaltige Legierungen besitzen zwar eine ausreichende Festigkeit bei hohen Temperaturen, doch ist ihre Dichte wesentlich größer als die der wolframfreien Legierungen. Bei Teüen, wie Gasturbinenschaufeln, deren Beanspruchung durch Zentrifugalkräfte erhöht wird, die wiederum mit dem Gewicht der Teile zunehmen, wird der Vorteil der gesteigerten Festigkeit teüweise oder sogar vollständig durch die mit der größeren Masse des Teiles zunehmende größere Beanspruchung aufgehoben.

Es wurde nun gefunden, daß Legierungen auf Basis Nickel—Kobalt—Chrom bei hohen Temperaturen bemerkenswert gute Eigenschaften aufweisen, wenn sie bei bestimmten Gehalten an Aluminium und Titan sowie an Aluminium+Titan einen kritischen Gehalt an Vanadium enthalten.

Verwendung einer Nickel-Kobalt-Chrom-Legierung für bei hohen Temperaturen
kriechfeste Gußstücke

Anmelder:

International Nickel Limited, London
Vertreter:

Dr.-Ing. G. Eichenberg

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

Düsseldorf, Cecilienallee 76

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

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 1. Februar 1960 (6001)

Gegenstand der Erfindung ist deshalb die Verwendung einer Nickel-Kobalt-Chrom-Legierungder Zusammensetzung 5 bis 30 % Kobalt, 6 bis 12 % Chrom, 1 bis 8% Molybdän, 0,2 bis 2% Vanadium, 4 bis 9% Aluniinium, 0,5 bis 6,5 % Titan, 8 bis 12% Aluminium + Titan, 0,001 bis 0,1% Bor, 0,01 bis 0,25% Zirkonium, 0,01 bis 0,5 ⁰A, Kohlenstoff, 0 bis 5 % Niob, 0 bis 4% Tantal, Rest im wesenthchen Nickel zum Herstellen von Gußstücken, insbesondere Präzisionsgußstücken, die im Gebrauch bei hohen, 925 ⁰C und mehr betragenden Temperaturen und großer Belastung kriechfest, von guter Zähigkeit und gegen raschen Temperaturwechsel widerstandsfähig sein sollen, wie Turbinenteile, beispielsweise Rotor- und Statorschaufeln, Düsenleitschaufeln und Turbinenläufer sowie Ziehsteine, Ventile und Ventilsitze.

Insbesondere eignet sich für die gekennzeichnete Verwendung folgende Legierung: 10 bis 20% Kobalt, 8 bis 12% Chrom, 2 bis 5% Molybdän, 0,25 bis 1,50% Vanadium, 5 bis 8% Aluminium, 1 bis 6% Titan, 9 bis 11% Aluminium+Titan, 0,005 bis 0,05% Bor, 0,05 bis 0,1% Zirkonium, 0,1 bis 0,3% Kohlenstoff, Rest im wesentlichen Nickel.

Der Gehalt der Legierung an Vanadium soll mindestens dem zweifachen des Kohlenstoffgehaltes

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entsprechen. Zweckmäßig beträgt der Gehalt der Legierung an Aluminium 5 bis 6°/„ und der Gehalt an Titan 4,5 bis 6%·

Der Anteil an Verunreinigungen in den Legierungen soll so gering wie möglich sein. Der Gehalt an Silizium und Mangan soll 0,5 % nicht überschreiten, der Eisengehalt 1 % ^un^ der Kupfergehalt 0,5 % und vorzugsweise 0,25% betragen. Bis 0,2% Calcium können in den Legierungen als zurückgebliebene Desoxydationsmittel zugelassen werden.

Es ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen, daß sie nur die ohne weiteres zur Verfügung stehenden und die vorstehend genannten Legierungselemente benötigen. Diese Legierungen gehören zu der Gruppe, bei denen beim Altern nach vorangegangenem Lösungsglühen eine härtende Ausscheidungsphase auftritt.

Es ist wesentlich, daß sich die Zusammensetzung der Legierungen in den angegebenen Grenzen hält. Bei geringeren Gehalten an Chrom, Titan und Aluminium wird die Oxydationsbeständigkeit der Legierungen beeinträchtigt. Bei Chromgehalten von mehr als 12 % fällt die Zugfestigkeit der Legierungen bei hohen Temperaturen merklich ab. Mit 12% Aluminium + Titan haben die Legierungen ein aus zwei Phasen bestehendes Gefüge mit grober Ausscheidungsphase, die beim Härten erheblich weniger wirksam wird, und außerdem nimmt die Festigkeit bei hohen Temperaturen weiter ab. Wenn die Legierung zuwenig Kolbalt enthält, so ist ihre Zähigkeit bei hohen Temperaturen ungenügend. Mit steigendem Kobaltgehalt nimmt die Zähigkeit zu, aber bei einem hohen Anteil an Kobalt verringert sich die Zeitstandfestigkeit der Legierung. Bor und Zirkonium in den vorstehend angegebenen Anteilen sind gleichfalls für

eine ausgleichende Zähigkeit der Legierung wesentlich. Molybdän ist ein lösungshärtendes Element. Wenn es aber in zu großen Anteilen vorhanden ist, wird die Festigkeit der Legierungen verringert. Zur Erzielung der besten Eigenschaften der Legierungen sollen die Gehalte an Molybdän und Chrom dergestalt in Beziehung zueinander gebracht werden, daß der Anteil an Molybdän erhöht wird, wenn derjenige an Chrom abnimmt, und umgekehrt. Übermäßig hohe Gehalte an Kohlenstoff machen die Legierung spröde. Vanadium fördert die Festigkeit der Legierung. In zu hohem Anteil geht jedoch deren Widerstand gegen Oxydation erheblich zurück.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen sind leicht vergießbar. Sie besitzen ein ausgezeichnetes Formfüllvermögen, so daß sie vornehmlich für die Herstellung von Präzisionsgußstücken brauchbar sind. Die Legierungen können im Gußzustand verwendet werden; vorteilhafterweise werden sie einer ¹I₂- bis 4stündigen Wärmebehandlung bei Temperaturen von 1150 bis 1205°C in inerter Atmosphäre, beispielsweise in Helium und Argon, mit anschließender rascher Abkühlung in inerter Atmosphäre auf eine Temperatur unter 925 ⁰C unterzogen. Die Legierungen und die daraus hergestellten Gegenstücke können im Betrieb oder vorher durch ein 1- bis 20stündiges Erhitzen in einem Temperaturgebiet von etwa 760 bis 925 ⁰C gealtert werden.

In nachstehende Zahlentafel I sind zum Vergleich dreizehn nach der Erfindung aufgebaute Legierungen (Legierungen 1 bis 13) und zwei Legierungen X und Y eingetragen, die den Vorschriften nach der Erfindung nicht entsprechen. Dabei stellen die Angaben für die Legierungen 1 bis 9 sowie X und Y die Sollzusammensetzung der Legierungen dar.

Zahlentafel I

Legie	/0	%	%	%	%	7o	%	/0	/0	%	/0
rung Nr.	Cr	Co	Mo	Al	V	Ti	*Nb)**	C	B	Zr	Ni)**
1	10	15	3	5,5	1	4,5		0,18	0,02	0,05	Rest
2	10	20	3	5,5	1	4,5		0,18	0,02	0,05	Rest
3	10	20	3	5,5	1	5,0		0,18	0,02	0,05	Rest
4	10	15	3	5,5	1	5,0		0,18	0,02	0,05	Rest
5	12	15	2	5,5	1	4,5		0,18	0,02	0,05	Rest
6	10	15	3	5,5	1	5,5		0,18	0,02	0,05	Rest
7	10	15	3	5,7	1	4,5		0,18	0,02	0,05	Rest
8	10	15	3	5,5	0,5	5,0		0,18	0,02	0,05	Rest
9	10	15	3	5,5	1	4,5	1	0,18	0,02	0,05	Rest
10	9,37	8,41	2,99	5,95	0,97	5,06		0,14	0,014	0,04	Rest
11	9,78	14,54	3,0	6,10	1,01	5,36		0,15	0,018	0,05	Rest
12	10,03	8,8	3,13	6,0	0,97	5,5		0,15	0,023	0,04	Rest
13	9,92	14,74	3,03	5,96	0,94	3,33		0,19	0,017	0,04	Rest
X	12		5	6		0,6	2	0,18	0,02	0,05	Rest
Y	15	15	5,2	4,4		3,5		0,06	0,03		Rest

*) Einschließlich geringer gelegentlich vorkommender An- **) Einschließlich geringer gelegentlicher Anteile an Mangan,

teile an Tantal. Silizium und Eisen.

In ZahlentafelII sind die Ergebnisse von an den Legierungen 1 bis 9 bei hohen Temperaturen durchgeführten Zeitstandversuchen verzeichnet. Die Art des Erschmelzens und eine etwaige Wärmebehandlung sind für jeden Fall vermerkt. Der Durchmesser der Proben betrug 6,35 mm und die Probenlänge 25,4 mm. Die Alterung wurde jeweils vor Beginn einer jeden Untersuchung durchgeführt.

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Zahlentafel II

Legie rung "ΜΊ- IN Γ.	Frschmel7urii? J— Ji OvAll 1 Iwli- Ul *Atmosphäre)**	Wärme behandlung)**	Versuchsbedingungen Belastung I Temperatur kg/mm² j ⁰C	Zeit bis zum Bruch in Stunden	TDehminiT X-SwJlll Ullt^ %
1 X	V V		24,6	928	146 9	7 /
Δ	V V		94 f\		199 4	8 fl
3	ν		94. 6		128 3	7
4	A		24,6	928	119,8	44
4	A	Η. T. 1	17,6	980	122,3	10,6
4	A	Η. T. 1	14,05	1010	95,1	11,5
ⁱT	A	T-T T 1	10,55	1038	XJX₃VJ	10 6 JHJ₅VJ
J	V	TT T 1 rx. χ. ι	14,05	1010	77 0	4 S
V V	TT T 1 Xl.. X . X	14,05	980	413 O	Q 8
6	V	Η. T. 1	24,6	928	183,2	4,4
6	V	Η. T. 1	24,6	928	153,0	4,4
6	V	Η. T.l	28,1	928	92,5	2,2
7	A	Η. T. 1	14,05	1010	99,4	9,7
7	A	Η. T. 1	42,2	870	79,4	3,5
8	V	Η. T. 1	24,6	928	192,6	4,4
8	V	Η. T. 1	11,25	1038	82,4	4,0
X	A		24,6	928	24	6
Y	V	Η. T.2	14,05	980	130,1 78,7
Y	V	Η. T.2	15,5	980	31,3 39,7

*) A = Argon; V = Vakuum. **) H.T.I = Wärmebehandlung 2 Stunden bei 1175°C.

H.T.2 = Wärmebehandlung 2 Stunden bei 1150° C

Die bei lOOstündigen Zeitstandversuchen ermittelten Werte der aus den Legierungen 10 und 13 abgegossenen Proben sind in ZahlentafelIII zusammengestellt. Jede dieser Legierungen war im Valcuum erschmolzen. Die Probestücke wurden vor dem Versuch 2 Stunden lang bei 1175°C wärmebehandelt.

Zahlentafel III

Legierung Nr.	Temperatur ⁰C	Zeitstandfestigkeit in kg/mm² bei 100 Stunden Versuchsdauer
10	1038	9,84
11	1038	9,15
12	1092	6,33
13	1038	11,25

In dem in der Zeichnung abgebildeten Diagramm sind die den Bruch in 100 Stunden verursachenden Werte der Zeitstandfestigkeit (kg/mm²) auf der Ordinate und die zugehörigen Temperaturen auf der Abszisse aufgetragen. Die in der Zeichnung mit »4« bezeichnete Kurve kennzeichnet die tatsächlichen Werte der beim lOOstündigen Versuch ermittelten Zeitstandfestigkeit der Legierung 4 bei verschiedenen Temperaturen. Zum Vergleich sind entsprechende Kurven aus für eine Reihe von Präzisionsgußlegierungen bester Eigenschaften veröffentlichten Angaben eingetragen und mit den Buchstaben P, Q, R, S und T bezeichnet. Die Zusammensetzung und die Dichten dieser Legierungen sind in Zahlentafel IV eingetragen. Das spezifische Gewicht der Legierung 4 wie auch der übrigen Legierungen nach dieser Erfindung beträgt ungefähr 7,9. Wo es notwendig war, sind die Festigkeiten der anderen Legierungen auf dieser Basis korrigiert worden, um einen einwandfreien Vergleich zu ermöglichen.

Die Prüfung auf Zeitstandfestigkeit ist nämlich eine statische Prüfung. Im Gebrauch sind die aus den Legierungen hergestellten Teile jedoch Rotationsbewegungen unterworfen und deshalb Zentrifugalkräften ausgesetzt. Nun ist die Zentrifugalkraft bei Teilen gleicher geometrischer Gestalt bekanntlich ihrer Dichte proportional, so daß bei gleicher Winkelgeschwindigkeit Teile mit hoher Dichte entsprechend höher belastet werden als Teile geringerer Dichte. Zum Vergleich des Gebrauchsverhaltens der in der nachstehenden Zahlentafel angeführten Legierungen wurden deshalb die statisch gemessenen Zeitstandfestigkeiten mit einem Korrekturfaktor multipliziert, der sich als Verhältnis des spezifischen Gewichtes der erfindungsgemäßen Legierung 4 von 7,9 g/cm³ zum spezifischen Gewicht der betreffenden Vergleichslegierungen P bis T nach der ZahlentafelIV ergibt.

Diese »korrigierte« Zeitstandfestigkeit ist in der Zeichnung als Ordinate aufgetragen.

Zahlentafel IV

Legie rung Nr.	/0 Cr	/0 Co	0/ /0 Mo	⁰I la W	/0 Al	% V	/0 Ti	/0 Nb	/0 C	Io B	% Zr	/0 Fe	/0 Ni	Spezi fisches Gewicht
4	10	15	3		5,5	1	5,0		0,18	0,02	0,05		Rest	7,9
P	13			9	6,2		0,7	2	0,1	0,07	0,07		Rest	8,35
Q	15		5,2		4,6		3,5		0,05	0,07		5	Rest	7,9
R	12	10		8	4		4		0,1	0,05	0,05		Rest	8,3
S	11		3	4	6			2	0,12	0,25			Rest	8,0
T	12		4,5		6		1	2	0,1	0,01	0,1		Rest	7,9

Claims

Für die Legierungen nach der Erfindung ist charakteristisch, daß sie mit großer Festigkeit bei hohen Temperaturen einen sehr guten Widerstand gegen Temperaturstöße verbinden. Bei der Untersuchung von Turbinenschaufeln mit aerodynamischem Flügelprofil, die einem intermittierenden Erhitzungs- und Abkühlungszyklus unterworfen wurden, der aus einem lminütigen Erhitzen in einer 980°C heißen Flamme und einer lminütigen Abkühlung in Luft bestand, widerstanden die Schaufeln ohne Beeinträchtigung mehreren tausend Versuchen. So überstand eine der Legierungen 5850 der beschriebenen Behandlungszyklen, bevor sie durch einen ersten 3,2 mm langen Riß schadhaft wurde. Unter den gleichen Bedingungen fallen die zur Zeit üblichen Legierungen bereits nach 1000 bis 2000 Behandlungszyklen aus. Neben der außerordentlich guten Zeitstandfestigkeit weisen die Legierungen nach der Erfindung ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften bei kurzzeitiger Einwirkung von Temperaturen im Gebiet von Raumtemperatur bis einschließlich einer Temperatur von 9800C auf. Die Festigkeitseigenschaft bei einer solchen kurzzeitigen Einwirkung sind für die Legierung 1 in Zahlentafel V angegeben. Zahlentafel V Prüftemperatur0C0,2%- Streck grenze kg/mm2Zugfestigkeitkg/mmaDehnung %Einschnürung %Raumtemperatur ...80,995,510,813,1Raumtemperatur ...95,18,0650 83,0102,19,010,9650 74,687,07,011,6820 89,695,13,04,1820 86,895,97,03,3870 68,480,25,05,5870 71,185,64,43,1980 39,954,04,48,7980 42,253,64,48,4 Für die Verwendung bei Temperaturen oberhalb 900° C werden die aus der Legierung hergestellten Gußstücke Gegenstände oder Teile davon vorzugsweise mit einem gegen Oxydation widerstandsfähigen Überzug versehen, beispielsweise mit einem Überzug aus Chrom oder Aluminiumoxyd. Patentansprüche:

1. Verwendung einer Nickel-Kobalt-Chrom-Legierung der Zusammensetzung 5 bis 30% Kobalt, 6 bis 12% Chrom, 1 bis 8% Molybdän, 0,2 bis 2% Vanadium, 4 bis 9% Aluminium, 0,5 bis 6,5% Titan, 8 bis 12% Aluminium + Titan, 0,001 bis 0,1% Bor, 0,01 bis 0,25% Zirkonium, 0,01 bis 0,5% Kohlenstoff, 0 bis 5% Niob, 0 bis 4% Tantal, Rest im wesentlichen Nickel zum Herstellen von Gußstücken, insbesondere Präzisionsgußstücken, die im Gebrauch bei hohen, 925° C und mehr betragenden Temperaturen und großer Belastung kriechfest, von guter Zähigkeit und gegen raschen Temperaturwechsel widerstandsfähig sein sollen, wie Turbinenteile, beispielsweise Rotor- und Statorschaufeln, Düsenleitschaufeln und Turbinenläufer sowie Ziehsteine, Ventile und Ventilsitze.

2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, die jedoch aus 10 bis 20% Kobalt, 8 bis 12% Chrom, 2 bis 5% Molybdän, 0,25 bis 1,50% Vanadium, 5 bis 8 % Aluminium, 1 bis 6 % Titan, 9 bis 11% Aluminium + Titan, 0,005 bis 0,05% Bor, 0,05 bis 0,1% Zirkonium, 0,1 bis 0,3% Kohlenstoff, Rest im wesentlichen Nickel besteht, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 2, deren Aluminiumgehaltjedoch 5 bis 6 % und deren Titangehalt 4,5 bis 6% beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 3, deren Gehalt an Vanadium mindestens dem Zweifachen des KohlenstofFgehaltes entspricht, für den Zweck nach Anspruch 1.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 583 807;
französische Patentschrift Nr. 1 071 278.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen