DE2801157A1

DE2801157A1 - Nickel-chrom-superlegierung

Info

Publication number: DE2801157A1
Application number: DE19782801157
Authority: DE
Inventors: Stuart Walter Ker Shaw
Original assignee: Inco Europe Ltd
Current assignee: Inco Europe Ltd
Priority date: 1977-01-13
Filing date: 1978-01-12
Publication date: 1978-07-20
Also published as: SE7800352L; GB1544720A; JPS6053100B2; FR2377456B1; FR2377456A1; JPS5389820A; SE443158B; DE2801157C2; CH627788A5; CA1098736A; IT1103112B; IT7847590A0

Description

Thames House, Millbank, London, S.W. 1, Großbritannien

"Nickel-Chrom-Superlegierung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Niekel-Chrom-Superlegierung, die sich insbesondere als Gußlegierung zum Herstellen von Gegenständen eignet, die wie Gasturbinenteile bei hohen Temperaturen korrodierenden Medien ausgesetzt sind.

Trotz beachtlicher Fortschritte fordern die Gasturbinenhersteller nach wie vor Werkstoffe mit besseren technologischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen. Dem trägt ein Vorschlag Rechnung, bei Nickel-Superlegierungen den Kohlenstoffgehalt verhältnismäßig niedrig zu halten und den Borgehalt auf o,o5 bis 0,3%, vorzugsweise höchstens 0,2596 oder auch auf höchstens 0,15% einzustellen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Nickel-Chrom-Legierung mit weiter verbesserten Hochtemperatureigenschaften zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe basiert darauf, daß sich bei in bestimmter Weise zusammengesetzten Nickel-Chrom-Superlegierungen eine Verbesserung

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der Hochtemperatureigenschaften bei Borgehalten über 0,3 bis 1,296 einstellt. Im einzelnen besteht die Erfindung aus einer Nickel-Chrom-Superlegierung mit 14 bis 22% Chrom, 5 bis 25% Kobalt, 1 bis 5% Wolfram, 0,5 bis 3% Tantal, 2 bis 596 Titan, 1 bis 4,596 Aluminium bei einer Wirksumme von Titan und Aluminium von 4,5 bis 9%, 0 bis 2% Niob, über 0,3 bis 1,296 Bor, ο bis 3,5% Molybdän, 0 bis 0,596 Zirkonium, 0 bis 0,296 Yttrium und/oder Lanthan und 0 bis 0,1% Kohlenstoff, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel.

Im Hinblick auf eine hohe Korrosionsbeständigkeit enthält die Legierung mindestens 14%, jedoch höchstens 22% Chrom, um die Gefahr eines Auftretens von Sigma-Phase bei hohen Betriebstemperaturen zu vermeiden. Vorzugsweise beträgt der Chromgehalt 15 bis 21%, beispielsweise 15 bis 17% oder auch 19 bis 21%. Kobaltgehalte von 5 bis 25% wirken verfestigend, während über 25% Kobalt die Gefahr eines Auftretens von Sigma-Phase mit sich bringen. Vorzugsweise beträgt der Kobaltgehalt 5 bis 22%, beispielsweise 7 bis 20%.

Auch Tantal, Titan, Aluminium und Niob wirken verfestigend. Die Legierung muß daher mindestens 0,5% Tantal enthalten, wenngleich der Tantalgehalt vorzugsweise 0,8 bis 2,5%, beispielsweise 1,0 bis 2,0% beträgt und über 3% Tantal versprödend wirken. Die Legierung kann bis 2% Niob enthalten. Vorzugsweise beträgt der Niobgehalt jedoch mindestens 0,2% oder auch mindestens 0,5%. Über 2% Niob wirken versprödend, weswegen der Niobgehalt vorzugsweise 1,5% nicht übersteigt. Die Legierung muß 2 bis 5% Titan und 1 bis 4,5% Aluminium bei einem Gesamtgehalt von 4,5 bis 9%, vorzugsweise höchstens 8,5% enthalten. Höhere Gehalte dieser Elemente führen zu einer Versprödung. Vorzugsweise enthält die Legierung je-

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doch 2,5 bis 4,596, beispielsweise 3 bis 4% Titan und 1,5 bis 4%, beispielsweise 1,8 bis 3,8% Aluminium.

Ein optimales Zeitstandverhalten setzt eine Korrelation der Gehalte an Titan, Aluminium, Niob, Tantal und Chrom entsprechend der folgenden Bedingung voraus:

(96Ti) + (%A1) + (JQSSb) + 0,5 (96Ta) + 0,2 (%Cr) = 11,2 bis 12,4

Der Borgehalt erweist sich als kritisch bezüglich der angestrebten technologischen Eigenschaften und muß daher über 0,3% liegen und darf 1,2% nicht übersteigen. Andernfalls wird die Zeitstandfestigkeit beeinträchtigt. Vorzugsweise enthält die Legierung jedoch 0,4 bis 1%, beispielsweise mindestens 0,5% Bor. Unter Berücksichtigung des Borgehaltes sollte der Kohlenstoffgehalt so gering wie möglich sein. Er darf 0,1% nicht übersteigen und beträgt vorzugsweise höchstens 0,05%, besser noch höchstens 0,03%, da der Kohlenstoff die Zeitstandfestigkeit beeinträchtigt.

Auch die Legierungsbestandteile Wolfram und Molybdän verbessern die Festigkeit der Legierung, die 1 bis 5%, vorzugsweise 1,5 bis 4%, beispielsweise 1,8 bis 3% Wolfram sowie gegebenenfalls höchstens 3,5%, vorzugsweise 0,2 bis 2% Molybdän enthält. Zirkonium verbessert die Festigkeit und Duktilität der Legierung, die fakultativ höchstens 0,5% Zirkonium und vorzugsweise 0,01 bis 0,3%, beispielsweise 0,02 bis 0,2% Zirkonium enthält.

Des weiteren kann die Legierung zur Verbesserung ihrer Duktilität bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan enthalten. Höhere Gehalte beeinträchtigen hingegen die Duktilität.

Eine optimale Eigenschaftskombination besitzt eine Legierung

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mit höchstens 0,6% Bor, 15 bis 17% Chrom und 7 Ms 10% Kobalt oder mit 19 bis 21% Chrom und 13 bis 17% Kobalt sowie jeweils

2.1 bis 2,8% Wolfram, 1,4 bis 2,0% Tantal, 3,2 bis 4,0% Titan,

2.2 bis 3,8% Aluminium, 0,5 bis 1,5% Niob, 0,6 bis 1,0% Bor, 0,2 bis 2,0% Molybdän, 0,03 bis 0,08% Zirkonium, 0 bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan und 0 bis 0,03% Kohlenstoff, Rest einschließlich erschmelzungsbedxngter Verunreinigungen Nickel, insbesondere wenn sie der obenerwähnten Abstimmungsregel genügt.

Von den Verunreinigungen beeinträchtigt das Silizium die Korrosionsbeständigkeit, weswegen die Legierung weniger als 1%, vorzugsweise unter 0,5% Silizium enthalten sollte. Weiterhin zählen zu den Verunreinigungen bis 1% Mangan und bis 3% Eisen.

Zur weiteren Verbesserung der Zeitstandfestigkeit kann die Legierung lösungsgeglüht und anschließend ausgehärtet werden. Hierfür eignet sich ein ein- bis zwölfstündiges Lösungsglühen bei 1100 bis 1180°C und ein anschließendes acht- bis achtundvierzigstündiges Aushärten bei 800 bis 900⁰C. Stattdessen kommt aber auch ein zweistufiges Aushärten, d.h. ein vier- bis vierundzwanzigstündiges Glühen bei 900 bis 1000⁰C und ein acht- bis achtundvierzigstündiges Glühen bei 700 bis 800⁰C infrage. Die Abkühlungsgeschwindigkeit nach dem jeweiligen Glühen ist nicht entscheidend, weswegen das Abkühlen im allgemeinen an Luft erfolgt.

Zur Entwicklung der mechanischen Eigenschaften eignen sich jedoch auch andere für diesen Typ Legierung bekannte Wärmebehandlungen. Außerdem kann die Legierung besonderen Gießbedingungen unterworfen werden, beispielsweise einem gerichteten Erstarren.

Im wärmebehandelten Zustand nimmt die minimale Standzeit der

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Legierung mit zunehmendem Chromgehalt teilweise at». So besitzt eine 15 bis 1796 enthaltende Legierung bei einer Belastung von 550 N/mm und einer Temperatur von 760 C eine Mindeststandzeit von 260 Stunden, die sich bei Chromgehalten von 19 Ms 21% auf mindestens 200 Stunden verringert. Andererseits besitzt die obenerwähnte besonders bevorzugte Legierung die beste Zeitstandfestigkeit bei höheren Chromgehalten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.

Im Vakuum wurden die aus der nachfolgenden Tabelle I ersichtlichen Legierungen erschmolzen und zu Probeteilen vergossen, aus denen nach einer Wärmebehandlung einzelne Proben herausgearbeitet wurden. Der Legierungsrest bestand in allen Fällen aus Nickel. Die Wärmebehandlung bestand im Falle der Legierung A und 1 bis 4 aus einem zweistündigen Lösungsglühen bei 1121⁰C mit Luftabkühlen sowie einem vierundzwanzigstündigen Aushärten bei 843⁰C sowie bei den Legierungen B, 5 und 6 aus einem vierstündigen Lösungsglühen bei 1160⁰C mit Luftabkühlen und einem sechzehnstündigen Aushärten bei 850⁰C, jeweils mit Luftabkühlen. Die Ergebnisse von Zeitstandversuchen mit diesen Proben sind in der nachfolgenden Tabelle II zusammengestellt. Darin fallen die Legierungen 1 bis 6 unter die Erfindung, während es sich bei den Legierungen A und B um außerhalb der Erfindung liegende Vergleichslegierungen handelt.

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O) H H Φ ,Ω co

	O CvJ	v- ro	d	O VO	d	O CV]	O -Ct	O VO
pqg	d	d	0.054	d	0.054	d	d	d
N>R	0,055	0.054	LA -Ct	0.050	ro -Cf	50*0	50*0	50*0
	VO ro	<f ro	ro	ro -Cf	ro	-Cf IA	-Cf LA	LA
^g	ro	ro	ro LA	ro	ro VO	cvj	CvJ	Cvj
	Ο ΙΑ	VO IA	ro	ro VO	ro	cvj O-	VO	VO
Sg	ro	ro	ro C-	ro	ro C-	ro	ro	ro
	LA o-	IA C-	V"	o- C-	v-	O IA	Ch -Cf	IA
E-i 9l		V-	VO 00	v-	IA CO		T~
	IA CO	LA 00	O	-Cf 00	O	ω	VO Ch	O
	O	O	ro o-	O	CvI 0-	d	d	V-
	IA LA	Ch LA	CvJ	ro VO	CvI	CvJ ro	O -Ct	CvJ
	CvJ	CvJ	ro O-	CvJ	VO o-	cvj	Cvj	Cvj
	0-	ro o-	v-	VO o-	V-	Ch -Cf	CVl IA	LA
		v-	-Cf	v-	LA	d	d	d
	LA	<t	ω	VO	00	ω	O	O
	oo	ω	O-	ω	ro	<t V-	LA V-	ν-
	ro	Ch	O	CvJ	v~ O	-Cf	00
	O	O	O	O	O	0.01	O • O	0.01
	O	O	ro	O	LA	-Ct	IA
	ω	O	VO v-	LA	VO v-	d CvJ	d CVl	O co
φ .—1	IA ν-	VO		VO v-
Leg:			CvJ			pq	LA	VO
<!	ν-	ro

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Tabelle II

QO O CD

N) co

N>

Legierung	550 N/mm² Standzeit W	/760⁰C Dehnung 00	330 N/mm Standzeit (h)	²/8i6°C Dehnung CJi)	228 N/mm Standzeit (h)	²/927°C Dehnung (%)
A	250	6,3	1001	5,0	62	13,3
1	267	5,9	1007	10,3	71	11,9
2	321	7,1	1067	8,7	62	13,8
3	363	5,8	1735	10,0	58	14,6
4	454	4,8	1173	7,2	80	11,3
B	185	3,3			33	7,4
5	217	4,0	^ 504	-	39	14,8
6	658	2,6	910	2,5	61;9O	5,1;5,4

CX) CD

cn

Die Daten der Tabelle II zeigen, daß die niedrigeren Chromgehalte der Legierungen 1 bis 4 im Vergleich zu der Legierung A eine bessere Standzeit und Dehnung ergeben. In ähnlicher Weise besitzen aber auch die Legierungen 5 und 6 mit höherem Chromgehalt eine bessere Standzeit und Dehnung als die Legierung B.

Des weiteren ergibt sich aus der Tabelle II, daß die Zeitstandfestigkeiten der nominell 16% Chrom enthaltenden Legierungen 1 bis 4 bei 76O°C und einer Belastung von 55O⁰C mit dem Borgehalt zunehmen und bei einem Borgehalt von 0,60% sowie 816⁰C und einer Belastung von 330 N/mm ein Optimum erreichen, während sich für alle Legierungen bei 927°C und einer Belastung von 228 N/mm hohe Zeitstandfestigkeiten ergeben. Bei den höhere Chromgehalte aufweisenden, d.h. nominell 20% Chrom enthaltenden Legierungen 5 und 6, erhöht sich die Zeitstandfestigkeit mit zunehmendem Borgehalt bis 0,80%. Daraus erklären sich die bevorzugten Borgehalte von 0,4%, vorzugsweise 0,5% bis 1,0%.

Bei weiteren Versuchen standen sich zwei nach der Erfindung besonders bevorzugte Legierungen 7 und 8 sowie eine unter der Bezeichnung IN-792 bekannte Legierung C mit den aus der nachfolgenden Tabelle III ersichtlichen Zusammensetzungen gegenüber. In allen Fällen enthielten die Legierungen Nickel als Rest. Die Proben wurden in der bereits beschriebenen Weise vorbereitet, zunächst jedoch lösungsgeglüht und vier Stunden bei 1150°C und sechzehn Stunden bei 850⁰C, jeweils mit Luftabkühlung ausgehärtet. Anschließend wurden mit den Versuchslegierungen Zeitstandversuche angestellt, deren Ergebnisse die nachfolgende Tabelle IV wiedergibt.

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Tabelle III

Legierung	Cr (Ji)	5	0	C (Ji)	1	Co (Ji)	Mo (Ji)	W (Ji)	31	Nb (Ji)	98	Ta (Ji)	63	Ti (Ji)	70	Al (Ji)	Zr (Ji) (	B :jo	79
7	20.	0	0	.021	1	5.0	0.53	2.	2	0.	0	1.	5	3.	6	2.64	0.065	0.	80
8	20.	6	0	.01		5.0	0.50	2.	91	1.		1.	95	3.	30	2.5	0.05	0.	018
C	12.		.125	9.0	1.98	3.	-	3.	4.	3.62	0.08	0.

Tabelle IV

'. ielastung	Temp,	Legierung 7	2.7	Legierung C	Dehnung (Ji)
N/mm^)	C^uc)	Standzeit Dehnung (H) (Ji)	2.5	Standzeit (h)	5.2
620	760	498		161	5.2
550	Il	1797	x _2>5x	499	2.6
500	Il	>2089	3.1	1668	_
545	816	133	5.2		6.0
414	816	581	3.6	543	4.4
400	tt	873	x _1>?x	917	3.7
345	Il	2461		2085	-
330	If	3404	8.2	-
300	It	>2785	4.7	A1439	8.2
269	927	97	6.2	133
228	ti	199			8.2
200	It	516	^x 6.8^X	692
154	Il	>1336	>985
152	980	185

x) 8

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Die Daten der Tabelle IV zeigen, daß die unter die Erfindung fallenden Legierungen 7 und 8 eine Zeitstandfestigkeit besitzen, die mindestens der der bekannten Legierung C entspricht, in einigen Fällen, insbesondere jedoch bei niedrigeren Temperaturen, beispielsweise bei 760⁰C, wesentlich besser ist. Ähnliches gilt für die Dehnung, die für die Legierungen 7 und 8 bei 760⁰C erheblich besser ist.

Ein Vergleich der Zeitstandfestigkeiten der Legierungen 7 und 8 mit den bekannten Daten einer anderen herkömmlichen Nickel-Chrom-Legierung IN-100 erweist ebenfalls ihre Überlegenheit bei einer Temperatur von 760⁰C und mindestens eine Gleichwertigkeit bei 816⁰C, 927°C und 980⁰C.

Außer einer hohen Zeitstandfestigkeit besitzt die Legierung eine bessere Korrosionsbeständigkeit, wie Versuche mit zylindrischen, in eine Schmelze aus 25% Natriumchlorid und 75% Natriumsulfat tauchenden Proben ergaben. So führte ein dreihundert Stunden dauernder Versuch bei 900⁰C, während dessen die Salzschmelze nach einhundertfünfzig Stunden wieder aufgefüllt wurde, zu einem an der entzunderten Probe gemessenen Gewichtsverlust von nur 2 mg/cm . Ein weiterer Versuch unter erschwerten Bedingungen bei derselben Temperatur und einem Wiederauffüllen nach je vierundzwanzig Stunden ergab einen Gewichtsverlust von nur 16 mg/cm .

Hingegen betrug der Gewichtsverlust bei einer Probe der Vergleichslegierung C nach einer Tauchzeit von nur 48 Stunden bei 850⁰C schon 562 mg/cm².

Die Legierung eignet sich als Knet- und Gußlegierung für Gegenstände, die wie Rotor- und Statorschaufein und einstückigen beschaufelten Läufern von Gasturbinen bei hohen Temperaturen belastet werden und korrodierenden Medien ausgesetzt sind.

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Claims

Thames House, Millbank, London, S.W. 1, Großbritannien. Patentansprüche:

1. Warmfeste Nickel-Chrom-Superlegierung mit 14 bis 22% Chrom,

5 bis 25% Kobalt, 1 bis 5% Wolfram, 0,5 bis 3% Tantal, 2 bis 5% Titan, 1 bis 4,5% Aluminium bei einem Gesamtgehalt von Titan und Aluminium von 4,5 bis 9%, 0 bis 2% Niob, über 0,3 bis 1,2% Bor, 0 bis 3,5% Molybdän, 0 bis 0,5% Zirkonium, 0 bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan, 0 bis 0,1% Kohlenstoff, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel.

2. Legierung nach Anspruch 1, deren Borgehalt jedoch mindestens 0,4% beträgt.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, deren Börgehalt jedoch höchstens 1% beträgt.

4. Legierung nach Anspruch 2 oder 3, deren Borgehalt jedoch mindestens 0,5% beträgt.

5. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, deren Kohlenstoffgehalt jedoch höchstens 0,05% beträgt.

6. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5» deren Chromgehalt jedoch 15 bis 21% beträgt.

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7. Legierung nach Anspruch 6, deren Chromgehalt jedoch höchstens 1796 beträgt.

8. Legierung nach Anspruch 6, deren Chromgehalt jedoch mindestens 19% beträgt.

9. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, deren Kobaltgehalt jedoch 5 bis 22% beträgt.

10. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9» deren Tantalgehalt jedoch 0,8 bis 2,5% beträgt.

11. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, die jedoch mindestens 0,5% Niob enthält.

12. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, die jedoch 2,5 bis 4,5% Titan enthält.

13. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, die jedoch 1,5 bis 4% Aluminium enthält.

14. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, deren Gehalte an Titan, Aluminium, Niob, Tantal und Chrom die folgende Abstimmungsregel erfüllen:

(%Ti) + (%A1) + (%Nb) +0,5 (%Ta) +0,2 (%Cr) = 11,2 bis 12,4.

15. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, deren Wolframgehalt jedoch 1,5 bis 4% beträgt.

16. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, die jedoch 0,2 bis 2% Molybdän enthält.

17. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16,

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die jedoch 0,01 bis 0,3% Zirkonium enthält.

18. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 15 bis 1796 Chrom,

7 bis 10% Kobalt, 2,1 bis 2,8% Wolfram, 1,4 bis 2,0% Tantal, 3,2 bis 4,0% Titan, 2,2 bis 3,8% Aluminium, 0,5 bis 1,5% Niob, 0,6 bis 1,0% Bor, 0,2 bis 2,0% Molybdän, 0,03 bis 0,08% Zirkonium, 0 bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan und 0 bis 0,03% Kohlenstoff enthält.

19. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 19 bis 21% Chrom,

13 bis 17% Kobalt, 2,1 bis 2,8% Wolfram, 1,4 bis 2,0% Tantal, 3,2 bis 4,0% Titan, 2,2 bis 3,8% Aluminium, 0,5 bis 1,5% Niob, 0,6 bis 1,0% Bor, 0,2 bis 2,0% Molybdän, 0,03 bis 0,08% Zirkonium, 0 bis 0,2% Yttrium und/oder Lanthan und 0 bis 0,03% Kohlenstoff enthält.

20. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 19 als Werkstoff für Gegenstände, die wie Gasturbinenteile eine hohe Zeitstandfestigkeit, Dehnung und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen besitzen müssen.

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