DE4417936C1

DE4417936C1 - Nickel-Aluminium-Legierung

Info

Publication number: DE4417936C1
Application number: DE4417936A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Sauthoff; Benedikt Zeumer
Original assignee: Max Planck Institut fuer Eisenforschung
Current assignee: Max Planck Institut fuer Eisenforschung
Priority date: 1994-05-21
Filing date: 1994-05-21
Publication date: 1995-12-07
Anticipated expiration: 2014-05-22
Also published as: CN1150826A; CN1044493C; EP0760869B1; RU2148671C1; JPH10500453A; KR970703438A; DE59509221D1; KR100359187B1; EP0760869A1; WO1995032314A1; CZ342696A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Nickel-Aluminium-Legierung, deren Gefüge hauptsächlich aus der binären Phase NiAl besteht.

Aus der DE-AS 18 12 144 ist ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Nickel-Aluminium-Werkstoffs mit guter Oxidationsbeständigkeit bekannt. Nach diesem bekannten Verfahren wird eine Pulvermischung aus 2 bis 20% Aluminium, Rest Nickel zu Formkörpern gepreßt, die im Temperaturbereich von 600 bis 1000°C zur exothermen Reaktion gebracht und anschließend warmverformt werden. Nach der Verdichtung liegen die beiden Metallelemente faserförmig vor. Nach der exothermen Reaktion ist eine Struktur entstanden, die im wesentlichen aus verschränkten polykristallinen Fasern besteht. Bei der Warmformgebung löst sich ein geringer Anteil des Aluminiums im Nickel und wird anschließend in disperser Form als Ni₃Al ausgeschieden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mechanischen Eigenschaften einer Nickel-Aluminium-Legierung und ihr thermisches Verhalten (Warmfestigkeit, Oxidationswider stand, Thermoschockbeständigkeit) zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Nickel-Aluminium-Legierung aus 0,3 bis 3,0 at.-% Ta und 1,0 bis 9,0 at.-% Cr, insgesamt jedoch bis max. 11 at.-% Chrom und Tantal, Rest binäre Phase NiAl besteht. Innerhalb dieses Bereichs werden bevorzugt 0,3 bis 0,9 at.-% Ta und 1,0 bis 3,0 at.-% Cr bzw. 1,7 bis 3,0 at.-% Ta und 6,0 bis 9,0 at.-% Cr. Dabei sollte das Tantal:Chrom-Verhältnis im Bereich von

liegen, weil bei einem Verhältnis in diesem Bereich die Konzentration der Substituierungselemente im NiAl ein Maximum erreicht.

Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Gehalte an Tantal und Chrom besitzt die Nickel-Aluminium-Legierung auf den NiAl-Korngrenzen Ausscheidungen grober Laves-Phase und innerhalb der NiAl-Körner Ausscheidungen feinteiliger Laves-Phase und α-Chrom. Dabei wird bevorzugt, daß das Gefüge aus 5 bis 11 Vol.-% Laves-Phase, 3 bis 10 Vol.-% Ausscheidungen im NiAl, Rest NiAl besteht. Besonders vorteilhaft hat sich ein Gefüge erwiesen, das etwa 11 Vol.-% Laves-Phase auf den Korngrenzen und etwa 10 Vol.-% Ausscheidungen im NiAl sowie NiAl als Rest umfaßt.

Eine weitere Verbesserung bestimmter Eigenschaften ergibt sich, wenn zusätzlich mindestens ein Element aus der Gruppe Eisen, Molybdän, Wolfram, Niob und Hafnium in einer Menge von jeweils bis 1 at.-%, insgesamt jedoch nicht mehr als 3 at.-% in der Legierung enthalten sind.

Durch Zusatz von Tantal und Chrom in den vorstehend jeweils angegebenen Gehaltsbereichen werden die bereits erwähnten groben bzw. feinteiligen Laves-Phasen und α-Chrom gebildet. Diese Lavesphasen-Ausscheidungen sind in der Regel auf Zwickelpunkten verschiedener NiAl-Körner zu finden. Höhere als die angegebenen Mengen an Legierungselementen Tantal bzw. Chrom führen dazu, daß die Menge der Ausscheidungen in unerwünschter Weise zunimmt. Bei einer zu starken Zunahme der Volumenanteile an Laves-Phase entsteht eine zellulare Struktur, in der die Laves-Phase die Funktion der Matrix übernimmt. Ein zu großer Anteil an Laves-Phase im Gefüge macht die Legierung spröde und schlechter verarbeitbar.

Durch Zusatz eines oder mehrerer Elemente Eisen, Molybdän, Wolfram, Niob und Hafnium von jeweils bis 1 at.-%, insgesamt jedoch nicht mehr als 3 at.-%, kann eine Festigkeitssteigerung bei Kurzzeitbelastung erreicht werden. Allerdings wird die Kriechfestigkeit verringert. Durch Zusatz von Hafnium wird nach erster Korrosion eine verbesserte Haftung der Oxidschicht bewirkt.

Anhand der folgenden Beispiele wird die Erfindung näher erläutert.

Die Zusammensetzung (in at.-%) der untersuchten Legierungen ist in der folgenden Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

Die Ausbildung des Gefüges, d. h. die Korngröße, die Ausscheidungsverteilung und die Ausscheidungsgröße variiert stark mit dem Herstellungsprozeß. Durch thermomechanische Behandlungen, Strangpressen (SP) oder Ausnutzung der pulvermetallurgischen Herstellungsroute (PM) wird die Verteilung der Laves-Phasen-Partikel deutlich homogener.

Auch die mechanischen Eigenschaften der Legierungen sind stark vom ausgewählten Herstellungsprozeß abhängig. Es wurden folgende Herstellungsrouten für diese Legierungen optimiert:

- gerichtete Erstarrung als Möglichkeit fehlerarme Gefüge durch Gießtechnologie zu erzeugen. Die Prozeßparameter entsprechen denen der Superlegierungen (vgl. U. Paul, VDI-Fortschrittsbericht Nr. 264, VDI-Verlag)
- Pulvermetallurgie: durch Inertgasverdüsung und anschließendes heißisostatisches Pressen bei 1250°C
- Strangpressen zur Gefügehomogenisierung und Einstellung definierter Korndurchgrößen bei 1250°C
- Heißpressen bei einem mehrachsigen Spannungszustand und 1100°C

Gerichtet erstarrte Proben besitzen eindeutig höhere Festigkeit, während beispielsweise stranggepreßtes Material eine verringerte oder sehr geringe Festigkeit besitzt. In der folgenden Tabelle 2 wird die 0,2%-Dehngrenze in MPa im Stauchversuch für die verschiedenen Legierungen sowie für NiAl dargestellt.

Tabelle 2

Der Kriechwiderstand (in MPa) der untersuchten Legierungen im Druckversuch (sekundäre stationäre Kriechfestigkeit als Funktion der Dehngeschwindigkeit [in 1/s] bei 1100°C) ist in Tabelle 3 mitgeteilt.

Tabelle 3

Die Kriechfestigkeiten dieser Legierung sind höher als die Kriechfestigkeiten vergleichbarer intermetallischer Phasen, beispielsweise höher als die Kriechfestigkeit von binärem NiAl bzw. NiAlCr-Legierungen.

Tabelle 4a gibt einen Vergleich der 0,2%-Dehngrenze (in MPa) im Druckversuch einer konventionellen Superlegierung, einer binären NiAl-Legierung und der erfindungsgemäßen NiAl-Ta-Cr-Legierung.

Tabelle 4a

In bezug auf die 0,2%-Dehngrenze erweist sich die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Legierung bei Temperaturen oberhalb 1000°C.

Einen Vergleich des stationären Kriechwiderstandes in MPa bei einer Verformungsgeschwindigkeit ε = 10^-7 1/s (in MPa) im Druckversuch einer Superlegierung, einer binären NiAl- Legierung und der entwickelten NiAl-Ta-Cr-Legierung vermittelt die folgende Tabelle 4b:

Tabelle 4b

Gegenüber konventionellen Superlegierungen besitzt die NiAl-Ta-Cr-Legierung den Vorteil, daß sie auch oberhalb von 1050-1150°C eine ausreichende Festigkeit besitzt. Es gibt in dieser Legierung keinen plötzlichen Festigkeitsabfall, der auf ein Auflösen der verfestigenden Phase zurückzuführen ist.

Tabelle 5 zeigt einen Vergleich der aus Industrieangaben bekannten Werte von K_rc-Werten verschiedener Keramiken sowie der hergestellten pulvermetallurgisch prozessierten NiAl-Ta-Cr-Legierung.

Tabelle 5

Die Zähigkeit der erfindungsgemäßen Legierung ist deutlich besser als die gemessenen Daten für binäres NiAl und SiC. Die Legierung besitzt einen guten Oxidationswiderstand der Größenordnung 5 × 10^-14 g²cm^-4s bei 1100°C und ist somit gleich oder besser als binäres NiAl. Im Gegensatz zu Superlegierungen sind somit keine Schutzschichten nötig.

Eine ausreichende Thermoschockbeständigkeit ist gegeben. Bei 1350°C werden von der Legierung 500 Temperaturzyklen ertragen, ohne daß eine Schädigung des Werkstoffes auftritt.

Claims

1. Nickel-Aluminium-Legierung, bestehend aus 0,3 bis 3,0 at.-% Ta und 1,0 bis 9,0 at.-% Cr, insgesamt jedoch bis max. 11 at.-% Chrom und Tantal, Rest binäre Phase NiAl.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,3 bis 0,9 at.-% Ta und 1,0 bis 3,0 at.-% Cr enthält.

3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 1,7 bis 3,0 at.-% Ta und 6,0 bis 9,0 at.-% Cr enthält.

4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie Tantal und Chrom in einem Verhältnis innerhalb des Bereiches von enthält.

5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf den NiAl-Korngrenzen Ausscheidungen grober Laves-Phase und innerhalb der NiAl-Körner Ausscheidungen feinteiliger Laves-Phase und α-Cr vorhanden sind.

6. Legierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Gefüge aus 5 bis 11 Vol.-% Ausscheidungen grober Laves- Phase, 3 bis 10 Vol.-% Ausscheidungen feinteiliger Laves- Phase und α-Cr im NiAl enthält.

7. Legierung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß ihr Gefüge aus etwa 11 Vol.-% Laves-Phase auf den Korngrenzen und etwa 10 Vol.-% Ausscheidungen im NiAl, Rest NiAl besteht.

8. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben Spurenelementen, wie O, N und S, zusätzlich mindestens ein Element aus der Gruppe Eisen, Molybdän, Wolfram, Niob und Hafnium in einer Menge von jeweils bis 1 at.-%, insgesamt jedoch nicht mehr als 3 at.-% enthält.

9. Verwendung einer Legierung der Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Werkstoff für die Herstellung von Gegenständen, die hohe Festigkeit (0,2%- Dehngrenze über 600 MPa bei Raumtemperatur), hohe Warmfestigkeit (0,2%-Dehngrenze von über 200 MPa bei 800°C und über 90 MPa bei 1000°C), gute Zähigkeit (K_ic mindestens 7 MPa/m), guten Oxidationswiderstand in der Größenordnung von 5 · 10^-14 g² · cm^-4 · s und gute Thermoschockbeständigkeit besitzen müssen.