DE3016028C2

DE3016028C2 -

Info

Publication number: DE3016028C2
Application number: DE3016028A
Authority: DE
Inventors: Michael Francis Schenectady N.Y. Us Henry
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-04-27
Filing date: 1980-04-25
Publication date: 1988-12-29
Also published as: GB2048305B; JPH0323612B2; GB2118970B; DE3016028A1; FR2455089A1; GB2118970A; US4284430A; IT8021613A0; IT1141491B; FR2455089B1; JPS55145136A; GB2048305A

Description

Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer Nickelle gierung gemäß Patentanspruch 1.

In der US-PS 39 04 402 sind eutektische Nickelbasislegierungen mit Rhenium und einer verstärkenden faserförmigen Karbidphase beschrieben, die verbesserte Spannungsbrucheigenschaften bei hoher Temperatur aufweisen. In diesen Legierungen werden vor zugsweise 4-7 Gew.-% Vanadium eingesetzt, um sowohl die Festigkeit der Karbidfasern als auch der Matrix zu verbessern. Molybdän wird bei diesen Legierungen nur in begrenztem Maße eingesetzt, d. h. bis zu etwa 3 Gew.-%, vorzugsweise ist es jedoch nicht vorhanden. In den Legierungen nach der US-PS 39 04 402 werden vorzugsweise 2-4 Gew.-% Wolfram eingesetzt. Zusammenfassend lehrt diese US-PS die zusätzliche Verwendung von Vanadium und den beschränkten Einsatz von Molybdän und Wolfram.

Kürzlich durchgeführte Untersuchungen der Legierungen nach der US-PS 39 04 402 zeigten, daß diese Legierungen eine relativ geringe Festigkeit in Querrichtung aufwiesen, d. h. sie erwie sen sich als brüchig bzw. nicht duktil beim Biegeversuch, und ihre Beständigkeit gegenüber zyklischer Oxidation und Wärme korrosion war beschränkt.

Die US-PS 39 85 582 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines verbesserten temperaturbeständigen metallischen Ver bundmaterials, das durch gerichtetes Erstarrenlassen einer Legierungsschmelze erhalten wird, die, soweit es sich um eine Nickellegierung handelt, 10 bis 20% Chrom, 0 bis 30% Kobalt, 0 bis 6% Aluminium, 0 bis 18% Tantal, 0 bis 9% Niob, 0,4 bis 0,9% Kohlenstoff, Rest Nickel enthält. Die Erfindung nach der US-PS 39 85 582 besteht nun darin, daß man zusätz lich eine wirksame Menge mindestens eines Härtungselementes hinzugibt, das ausgewählt ist aus Wolfram, Molybdän und Rhenium, wobei Wolfram in einer Menge bis zu 10%, Molybdän in einer Menge bis zu 5% und Rhenium in einer Menge bis zu 5%, jeweils bezogen auf das Gewicht des Verbundmaterials, hinzugegeben wird und daß man an schließend das gerichtet erstarrte Material auf eine Temperatur erhitzt, die etwa 50°C unterhalb des Schmelz punktes des Matrixmaterials liegt, um eine oberflächliche Auflösung der Fasern in der Matrixphase zu erhalten, und man das Material dann 4 bis 20 Stunden bei einer Temperatur von 700 bis 1100°C altert, um das zuvor aufgelöste Karbid in fein zerteilter Form in der Matrixphase auszufällen, was zu einer größeren Härte des Verbundmaterials führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verwendung einer Nickellegierung mit der im Anspruch 1 angegebenen Zu sammensetzung zu schaffen.

Der erfindungsgemäß verwendete Gegenstand hat eine Matrix, in der eine ausgerichtete verstärkende faserförmige Karbidphase eingebettet ist, die vorzugsweise hauptsächlich aus Tantalkarbid TaC besteht.

In der vorliegenden Erfindung wurde die wechselseitig ab hängige Beziehung verschiedener Elemente, z. B. Vanadium, Molybdän und Wolfram, für eutektische Nickellegierungen mit Rheniumgehalt und Karbidfaserverstärkung erkannt.

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

Fig. 1 eine grafische Darstellung der Zugfestigkeit in Quer richtung einer gerichtet erstarrten, eutektischen Superlegierung auf Nickelbasis mit Rhenium, die karbid faserverstärkt ist und die Zusammensetzung der für die erfindungsgemäße Verwendung nicht geeigneten Legierung "A" aufweist. Diese Legierung "A" hat in dem darge stellten Temperaturbereich nur eine geringe Dehnung in Querrichtung bzw. keine.

Fig. 2 eine grafische Darstellung des Zugverhaltens in Quer richtung einer gerichtet erstarrten, eutektischen Superlegierung auf Nickelbais mit Rheniumgehalt, die karbidfaserverstärkt ist und die Zusammensetzung der Legierung "B" aufweist. Diese Legierung "B" liegt innerhalb des Bereiches der Legierung nach der US-PS 39 04 402 und sie ist im wesentlichen nicht duktil und weist bei erhöhten Temperaturen, d. h. bei Tempe raturen von etwa 900 bis etwa 1040°C eine geringe Duktilität in Querrichtung von maximal 0,2% auf.

Fig. 3 eine grafische Darstellung des Zugverhaltens in Quer richtung einschließlich der Duktilität (Dehnung) in Querrichtung einer gerichtet erstarrten, eutektischen Superlegierung auf Nickelbasis, die Rhenium enthält und mit Karbidfasern verstärkt ist. Die Legierung hat die erfindungsgemäß verwendbare Zusammensetzung "C" sowie eine verbesserte Dukti lität in Querrichtung von mehr als 1% unterhalb von etwa 790°C sowie eine Dehnung in Querrichtung im Be reich von 0,2-1% bei allen oberhalb von etwa 790°C untersuchten Temperaturen.

Fig. 4 eine grafische Darstellung der zyklischen Oxidation einer Reihe gerichtet erstarrter, eutektischer Super legierungen auf Nickelbasis mit Rheniumgehalt und Karbidfaserverstärkung der Zusammensetzung "AA", "BB" sowie "C", wobei die beiden letzteren erfin dungsgemäß verwendbar sind, und

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Larsen-Miller-Parameter der Legierungen "AA", "BB" und "C" in Abhängigkeit von der angewendeten Spannung in "6,9 N/mm²", wobei der Larsen-Miller-Parameter P durch die folgende Gleichung gegeben ist:
P = T(C + log t _f) × 10^-3, [°R,h],
worin "T" die Temperatur in Grad Rankine angegeben ist, d. h. es ist die absolute Temperatur in Grad F,
"C" gleich 20 ist und
"t" die zum Bruch erforderliche Zeit in (h) ist, wie sie mehr im einzelnen in den American Society of Engineers Transactions (1952), 74, Seiten 765-771, beschrieben ist.

Die Zusammensetzungen der vorgenannten Legierungen "A" usw. sind der besseren Übersichtlichkeit halber nur auf den Figuren angegeben und sie werden ausdrücklich als Bestandteil der vor liegenden Beschreibung angesehen.

Die Daten der Fig. 1-3 beruhen auf der Auswertung einer Reihe von Legierungen der in den Figuren angegebenen Zusammen setzungen, die in einer inerten Argonatmosphäre in Tiegeln aus Al₂O₃ oder MgO geschmolzen und unter Kühlen in Kupferstabformen gegossen wurden. Die Gießproben ließ man mit einer planaren Front erstarren, um die gerichtet erstarrten Gegenstände zu erhalten, die für das nachfolgende Untersuchungsprogramm ein gesetzt wurden. Die für die Ermittlung der Eigenschaften in Längsrichtung benutzten Probekörper wurden maschinell parallel zur Wachstumsrichtung aus den Barren herausgearbeitet. Die Proben zur Ermittlung der Eigenschaften in Querrichtung wurden mittels elektrischer Entladung senkrecht zur Wachstumsrichtung aus den Barren herausgearbeitet und zu der erwünschten Konfi guration geschliffen.

In der folgenden Tabelle I sind die Ergebnisse der Spannungs tests in Querrichtung zusammengefaßt, die die Grundlage der Darstellungen der Fig. 1-3 bilden.

Tabelle I

Ergebnisse der im erstarrten Zustand ausgeführten Querbelastungsversuche

In der folgenden Tabelle II sind die bei den Spannungstests ermittelten Eigenschaften in Längsrichtung zusammengefaßt.

Tabelle II

Versuchsergebnissae der Spannungsbruch-Untersuchungen der angegebenen Legierungen in Längsrichtung im erstarrten Zustand

Bei den in Fig. 4 gezeigten Ergebnissen der cyclischen Oxida tion hat die Legierung "AA" eine Zusammensetzung wie die Le gierung nach der US-PS 39 04 402 sowie eine hohe Empfindlich keit gegenüber der nachteiligen Wirkung der zyklischen Oxida tion.

Die erfindungsgemäß verwendbaren Legierungen "BB" und "C" zeigen dagegen eine geringe Empfindlichkeit gegenüber der nachteiligen Wirkung der zyklischen Oxidation.

In der folgenden Tabelle III sind die Ergebnisse der Unter suchung der Beständigkeit gegenüber zyklischer Oxidation der handelsüblichen Nickelsuperlegierungen Ren´ 77 und Ren 80, und der Legierung "AA" nach der US-PS 39 04 402 mit der er findungsgemäß verwendbaren Legierung "BB" unter analogen Bedingungen verglichen. Wie sich der Tabelle III entnehmen läßt, ist die Beständigkeit der erfindungsgemäß verwendbaren Legierung "BB" gegenüber der zyklischen Oxidation sehr viel besser als die der Legie rungen Ren 77, 80 und "AA".

Tabelle III

Ergebnisse der Untersuchungen der Beständigkeit gegenüber zyklischer Oxidation bei einer Temperatur im Bereich von etwa 90°C (oder 20°C) bis zu etwa 1090°C

In der folgenden Tabelle IV ist eine Reihe von Legierungen zu sammengefaßt, die Korrosionstests in der Wärme unter Verwendung eines Dieselbrennstoffes mit 1 Gew.-% Schwefel und 460 ppm Seesalz bei einer Temperatur von etwa 870°C während 109 Stun den unterworfen wurden. Die Korrosionstiefe, die während des 109stündigen Tests auftrat, ist in Tabelle V zusammengefaßt.

Tabelle IV

LegierungKorrosionstiefe (in 0,025 mm)

Ren 80 (Vergleichsbeispiel) 1,0 Ren 100 (Vergleichsbeispiel)23 Legierung des Beispiels 13 der US-PS 39 04 402 (Vergleichsbeispiel) 8 Legierung "A" (Vergleichsbeispiel)18 Legierung "C" (Vergleichsbeispiel) 2,5

Die erfindungsgemäß verwendbaren Legierungszusammensetzungen mit Fasern aus Tantalkarbid als verstärkender Phase haben die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

Legierungszusammensetzungen

Claims

1. Verwendung einer Legierung bestehend aus 2-9 Gew.-% Rhenium, weniger als 0,8% Titan, 0-10% Chrom, 0-10% Aluminium, 3-15% Tantal, 0,1-1% Kohlenstoff, 0-10% Kobalt, 0-10% Wolfram, 0-1,0% Vanadium, 3,1-10% Molybdän, 0-3% Niob, Rest Nickel und üblichen Verunreinigungen, zur Herstellung von Gegenständen mit ge richtet erstarrtem und ausscheidungsgehärtetem Gefüge, die neben guter Beständigkeit gegenüber cyclischer Oxida tion und Wärmekorrosion und guter Festigkeit bei hoher Temperatur, eine gute Querduktilität besitzen.

2. Verwendung nach Anspruch 1 für eine Legierung bestehend aus 2-9% Rhenium, weniger als 0,8% Titan, 2-10% Chrom, 2-9% Aluminium, 3-15% Tantal, 0,2-0,8% Kohlenstoff, 0-10% Kobalt, 0-10% Wolfram, 0-0,5% Vanadium, 3,01-8% Molybdän, 0-2% Niob, Rest Nickel und üblichen Verunreinigungen.

3. Verwendung nach Anspruch 1 für eine Legierung bestehend aus 5-8% Rhenium, weniger als 0,8% Titan, 3-8% Chrom, 4-7% Aluminium, 5-13% Tantal, 0,3-0,7% Kohlen stoff, 2-6% Kobalt, 3,5-6% Wolfram, weniger als 0,2% Vanadium, 3,01-5,5% Molybdän, 0-1% Niob, Rest Nickel und üblichen Verunreinigungen.

4. Verwendung nach Anspruch 1 für eine Legierung bestehend aus 6,44% Rhenium, 3,84% Chrom, 5,34% Aluminium, 11,37% Tantal, 0,43% Kohlenstoff, 3,8% Kobalt, 4,33% Wolfram, 3,01% Molybdän, 61,43% Nickel, Rest übliche Verunreini gungen.

5. Verwendung nach Anspruch 1 für eine Legierung bestehend aus 6,63% Rhenium, 3,87% Chrom, 5,37% Aluminium, 5,85% Tan tal, 0,39% Kohlenstoff, 3,81% Kobalt, 4,46% Wolfram, 4,66% Molybdän, 64,96% Nickel, Rest übliche Verunreini gungen.