DE60008116T2 - Superlegierung mit optimiertem Hochtemperatur-Leistungsvermögen in Hochdruck-Turbinenscheiben - Google Patents

Superlegierung mit optimiertem Hochtemperatur-Leistungsvermögen in Hochdruck-Turbinenscheiben Download PDF

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf Nickelbasis-Superlegierungen und insbesondere auf eine solche Superlegierung, die für eine Verwendung in Hochtemperaturkomponenten von Strahltriebwerken, wie beispielsweise Turbinenscheiben, optimiert ist.
  • In einem Flugzeug-Gasturbinen-(Strahl)Triebwerk wird Luft in das Vorderende von dem Triebwerk eingesaugt, durch einen auf der Welle angebrachten Verdichter komprimiert und mit Brennstoff gemischt. Das Gemisch wird verbrannt, und heiße Verbrennungsgase werden durch eine Turbine geleitet, die auf der gleichen Welle angebracht ist. Die Turbine enthält einen Scheibenabschnitt, der auf der Welle angebracht ist und eine Reihe von Turbinenschaufeln, die auf dem Rand der Scheibe gehaltert sind. Die Strömung des heißen Abgases trifft auf die Turbinenscheiben auf und bewirkt, dass sich die Turbinenscheibe dreht, die ihrerseits die Welle dreht und Leistung an den Verdichter liefert. Die heißen Verbrennungsgase strömen aus der Rückseite des Triebwerkes, treiben es und das Flugzeug in Vorwärtsrichtung an.
  • Je heißer die Abgase, desto effizienter ist der Betrieb des Strahltriebwerkes. Somit besteht ein Anreiz, die Temperatur des Verbrennungsabgases zu erhöhen, was seinerseits zu höheren Betriebstemperaturanforderungen von vielen Komponenten führt, aus denen das Triebwerk aufgebaut ist. Als Antwort auf diese Anforderungen sind Legierungen mit sorgfältig maßgeschneiderten, verbesserten mechanischen Eigenschaften zur Verwendung in den verschiedenen Abschnitten der Triebwerke entwickelt worden.
  • Im Betrieb treffen die Turbinenscheiben in radialer Richtung von dem Mittel- oder Nabenabschnitt zum Außen- oder Randabschnitt unterschiedliche Betriebsbedingungen an. Der Rand ist heißer als die Narbe und im Allgemeinen sind alle Betriebstemperaturen für fortgeschrittenere Triebwerke höher. Die Beanspruchungsbedingungen variieren ebenfalls in radialer Richtung, wobei die kleineren Beanspruchungen am Rand und die höheren Beanspruchungen an der Narbe auftreten. Als eine Folge der unterschiedlichen Betriebsbedingungen muss das Material am Rand der Scheibe gute hohe Temperatur-Kriech- und Spannungsrissbeständigkeit und auch Hochtemperaturfestigkeit und Haltezeit-Ermüdungsriss-Wachstumsbeständigkeit aufweisen. Der Nabenbereich von der Scheibe muss hohe Zugfestigkeit bei mehr mittleren Temperaturen und Beständigkeit gegenüber Langzeit-Ermüdungsrisswachstum aufweisen. In der verbreitesten Konstruktion ist die gesamte Turbinenscheibe aus einem einzigen geschmiedeten und wärmebehandelten Materialstück hergestellt. Die gewählte Legierung, die in der Scheibe verwendet wird, muss deshalb alle oben angegebenen Materialerfordernisse erfüllen.
  • Die Materialien, die in der Turbinenscheibe verwendet werden, sind auch in Relation zu den erforderlichen Aufgaben bzw. Missionen des Flugzeugs gewählt. Im allgemeinen erfordern die Missionszyklen von Hochleistungs-Militärflugzeug-Triebwerken höhere Betriebstemperaturen, aber sie haben kürzere Zeiten bei den maximalen Temperaturen im Vergleich zu denjenigen von zivilen Flugzeug-Triebwerken. Ein gegenwärtiges Ziel in einigen Militärflugzeuganwendungen ist eine Hochdruck-Turbinenscheibe, die bei Temperaturen bis zu 1500°F (815°C) für relativ kurze Zeitperioden arbeiten.
  • Gegenwärtige Nickelbasis-Superlegierungen, die in Turbinenscheiben verwendet werden, wie beispielsweise Rene 88DT, Rene 95 und IN 100, haben eine Betriebstemperaturgrenze von 1200–1300°F (649–704°C). Diese Legierungstypen können nicht das Betriebstemperaturziel von 1500°F (815°C) für die Militärflugzeugtriebwerke erfüllen. Neue Legierungen befinden sich in der Entwicklung, die Betriebstemperaturgrenzen nahe etwa 1400°F (760°C) unter gewissen Missionszyklen haben, aber diese Legierungen haben üblicherweise hohe Gamma-Strich Lösungstemperaturen und sie sind dementsprechend schwierig zu bearbeiten. Bei einigen von ihnen ist beobachtet worden, dass sie eine unerwünschte, thermisch-induzierte Porösität haben.
  • Eine Legierung, die bei 815°C arbeiten kann, ist aus EP-A-0421229 bekannt.
  • Somit stehen zwar zufriedenstellende Legierungen für eine Verwendung in Turbinenscheiben für bestehende Triebwerke zur Verfügung und es laufen Ent wicklungsbemühungen für Legierungen mit sogar noch höheren Betriebstemperaturen, aber besteht immer ein Bedürfnis für verbesserte Materialien, die in Anwendungen, wie beispielsweise Flugzeugturbinenscheiben, bei höheren Temperaturen von bis zu 1500°F (815°C) arbeiten können, stabil sind und produzierbar sind. Die vorliegende Erfindung stellt ein derartiges verbessertes Material bereit.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Stoffzusammensetzung bereitgestellt enthaltend in Kombination, in Gewichtsprozent, von etwa 16,0 Prozent bis etwa 22,4 Prozent Kobalt, von etwa 6,6 Prozent bis etwa 14,3 Prozent Chrom, von etwa 1,4 Prozent bis etwa 3,5 Prozent Tantal, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 4,0 Prozent Wolfram, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 3,9 Prozent Molybdän, von etwa 0,03 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Zirkon, von etwa 0,9 Prozent bis etwa 3,0 Prozent Niob, von etwa 2,4 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Titan, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,8 Prozent Aluminium, von 0 bis etwa 2,5 Prozent Rhenium, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Kohlenstoff, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen.
  • Die Stoffzusammensetzung kann enthalten von etwa 16,0 Prozent bis etwa 20,2 Prozent Kobalt, von etwa 6,6 Prozent bis etwa 12,5 Prozent Chrom, von etwa 1,5 Prozent bis etwa 3,5 Prozent Tantal, von etwa 2.0 Prozent bis etwa 4,0 Prozent Wolfram, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 3,9 Prozent Molybdän, von etwa 0,04 Prozent bis etwa 0,06 Prozent Zirkon, von etwa 1,0 Prozent bis etwa 3,0 Prozent Niob, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Titan, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Aluminium, von 0 bis etwa 2,5 Prozent Rhenium, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,04 Prozent Kohlenstoff, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,04 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen.
  • Die Stoffzusammensetzung kann enthalten von etwa 16,2 Prozent bis etwa 20,2 Prozent Kobalt, von etwa 6,6 Prozent bis etwa 10,6 Prozent Chrom, von etwa 1,5 Prozent bis etwa 3,5 Prozent Tantal, von etwa 2,0 Prozent bis etwa 4,0 Prozent Wolfram, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 3,9 Prozent Molybdän, von etwa 0,04 Prozent bis etwa 0,06 Prozent Zirkon, von etwa 1,0 Prozent bis etwa 3,0 Prozent Niob, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Titan, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Aluminium, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,04 Prozent Kohlenstoff, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,04 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen.
  • Die kann im wesentlichen bestehen aus von etwa 18,4 Prozent bis etwa 22,4 Prozent Kobalt, von etwa 10,3 Prozent bis etwa 14,3 Prozent Chrom, von etwa 1,4 Prozent bis etwa 3,4 Prozent Tantal, von etwa 2,0 Prozent bis etwa 4,0 Prozent Wolfram, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 3,9 Prozent Molybdän, von etwa 0,03 Prozent bis etwa 0,05 Prozent Zirkon, von etwa 1,0 Prozent bis etwa 3,0 Prozent Niob, von etwa 2,4 Prozent bis etwa 4,4 Prozent Titan, von etwa 2,8 Prozent bis etwa 4,8 Prozent Aluminium, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,04 Prozent Kohlenstoff, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,04 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen.
  • Die Stoffzusammensetzung kann bestehen aus im wesentlichen etwa 20,4 Prozent Kobalt, etwa 12,3 Prozent Chrom, etwa 2,4 Prozent Tantal, etwa 2,9 Prozent Wolfram, etwa 2,9 Prozent Molybdän, etwa 0,038 Prozent Zirkon, etwa 1,9 Prozent Niob, etwa 3,4 Prozent Titan, etwa 3,8 Prozent Aluminium, etwa 0,032 Prozent Kohlenstoff, etwa 0,029 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen.
  • Die Stoffzusammensetzung kann enthalten von etwa 16,0 Prozent bis etwa 20,0 Prozent Kobalt, von etwa 8,5 Prozent bis etwa 12,5 Prozent Chrom, von etwa 1,5 Prozent bis etwa 3,5 Prozent Tantal, von etwa 2,0 Prozent bis etwa 4,0 Prozent Wolfram, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 3,9 Prozent Molybdän, von etwa 0,04 Prozent bis etwa 0,06 Prozent Zirkon, von etwa 1,0 Prozent bis etwa 3,0 Prozent Niob, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Titan, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Aluminium, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,04 Prozent Kohlenstoff, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,04 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen.
  • Die Stoffzusammensetzung kann bestehen aus im wesentlichen etwa 18,0 Prozent Kobalt, etwa 10,5 Prozent Chrom, etwa 2,5 Prozent Tantal, etwa 3,0 Prozent Wolfram, etwa 2,9 Prozent Molybdän, etwa 0,050 Prozent Zirkon, etwa 2,0 Prozent Niob, etwa 3,6 Prozent Titan, etwa 3,6 Prozent Aluminium, etwa 0,030 Prozent Kohlenstoff, etwa 0,030 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen.
  • Die Soffzusammensetzung kann wenigstens ein zusätzliches Element enthalten, das aus der aus von 0 bis etwa 2 Prozent Vanadium, von 0 bis etwa 2 Prozent Eisen, von 0 bis etwa 2 Prozent Hafnium und von 0 bis etwa 0,1 Prozent Magnesium bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  • Gemäss einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Nickelbasis-Superlegierungs-Gegenstand mit einer Zusammensetzung bereitgestellt, die, in Gewichtsprozent, enthält von etwa 16,0 Prozent bis etwa 22,4 Prozent Kobalt, von etwa 6,6 Prozent bis etwa 14,3 Prozent Chrom, von etwa 1,4 Prozent bis etwa 3,5 Prozent Tantal, von etwa 1,9 Pro zent bis etwa 4,0 Prozent Wolfram, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 3,9 Prozent Molybdän, von etwa 0,03 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Zirkon, von etwa 0,9 Prozent bis etwa 3,0 Prozent Niob, von etwa 2,4 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Titan, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,8 Prozent Aluminium, von 0 bis etwa 2,5 Prozent Rhenium, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Kohlenstoff, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen.
  • Der Gegenstand kann eine Flugzeug-Gasturbinenscheibe sein.
  • Der Gegenstand kann eine Korngrösse von etwa ASTM 2 bis etwa ASTM 8 haben.
  • Der Gegenstand kann eine Korngrösse von etwa ASTM 9 bis etwa ASTM 12 haben.
  • Der Gegenstand kann eine Zusammensezung haben von etwa 16,0 Prozent bis etwa 20,2 Prozent Kobalt, von etwa 6,6 Prozent bis etwa 12,5 Prozent Chrom, von etwa 1,5 Prozent bis etwa 3,5 Prozent Tantal, von etwa 2,0 Prozent bis etwa 4,0 Prozent Wolfram, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 3,9 Prozent Molybdän, von etwa 0,04 Prozent bis etwa 0,06 Prozent Zirkon, von etwa 1,0 Prozent bis etwa 3,0 Prozent Niob, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Titan, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Aluminium, von 0 bis etwa 2,5 Prozent Rhenium, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Kohlenstoff, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,04 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen.
  • Gemäss einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Verfahren bereitgestellt zum Herstellen eines Gegenstandes enthaltend die Schritte, dass eine Masse mit einer Zusammensetzung bereitgestellt wird, die enthält, in Gewichtsprozent, von etwa 16,0 Prozent bis etwa 22,4 Prozent Kobalt, von etwa 6,6 Prozent bis etwa 14,3 Prozent Chrom, von etwa 1,4 Prozent bis etwa 3,5 Prozent Tantal, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 4,0 Prozent Wolfram, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 3,9 Prozent Molybdän, von etwa 0,03 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Zirkon, von etwa 0,9 Prozent bis etwa 3,0 Prozent Niob, von etwa 2,4 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Titan, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,8 Prozent Aluminium, von 0 bis etwa 2,5 Prozent Rhenium, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Kohlenstoff, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen; die Masse wärmebehandelt wird durch die Schritte Lösungsbehandeln der Masse über ihrer Solvustemperatur und Abkühlen der lösungsbehandelten Masse auf eine Temperatur unter ihrer Solvustemperatur.
  • Der Wärmebehandlungsschritt kann einen zusätzlichen Schritt, nach dem Abkühlschritt, des Alterns der lösungsbehandelten und gelöschten Masse bei einer Alterungstemperatur unter ihrer Solvustemperatur enthlaten.
  • Der Alterungsschritt kann den Schritt des Erhitzens der Masse auf eine Alterungstemperatur von etwa 1350°F bis etwa 1500°F enthalten.
  • Das Verfahren kann einen zusätzlichen Schritt, nach dem Abkühlschritt, des Entspannens des Gegenstandes durch Erhitzen des Gegenstandes auf eine Entspannungstemperatur von etwa 1500°F bis etwa 1800°F enthalten.
  • Der Lösungsbehandlungsschritt kann den Schritt enthalten, dass die Masse auf eine Lösungsbehandlungstemperatur von etwa 2100°F bis etwa 2225°F erhitzt wird.
  • Gemäss einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Herstellen eines Gegenstandes enthaltend die Schritte, dass eine Masse mit einer Zusammensetzung bereitgestellt wird, die enthält, in Gewichtsprozent, von etwa 16,0 Prozent bis etwa 22,4 Prozent Kobalt, von etwa 6,6 Prozent bis etwa 14,3 Prozent Chrom, von etwa 1,4 Prozent bis etwa 3,5 Prozent Tantal, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 4,0 Prozent Wolfram, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 3,9 Prozent Molybdän, von etwa 0,03 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Zirkon, von etwa 0,9 Prozent bis etwa 3,0 Prozent Niob, von etwa 2,4 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Titan, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,8 Prozent Aluminium, von 0 bis etwa 2,5 Prozent Rhenium, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Kohlenstoff, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen; die Masse wärmebehandelt wird durch die Schritte Lösungsbehandeln der Masse bei einer Lösungsbehandlungstemperatur unter ihrer Solvustemperatur und Abkühlen der lösungsbehandelten Masse auf eine Temperatur unter ihrer Solvustemperatur.
  • Der Lösungsbehandlungsschritt kann den Schritt der Erhitzung der Masse auf eine Teilsubsolvus-Lösungsbehandlungstemperatur von etwa 2000°F bis etwa 2100°F enthalten.
  • Der Gegenstand kann eine Flugzeug-Gasturbinenscheibe sein und der Wärmebehandlungsschritt kann den Schritt enthalten, dass die Masse wärmebehandelt wird, um eine Korngrösse von etwa ASTM 2 bis etwa ASTM 8 zu haben.
  • Der Gegenstand kann eine Flugzeug-Gasturbinenscheibe sein und der Wärmebehandlungsschritt kann den Schritt enthalten, dass die Masse wärmebehandelt wird, um eine Korngrösse von etwa ASTM 9 bis etwa ASTM 12 zu haben.
  • Somit stellt die vorliegende Erfindung eine Nickelbasis-Superlegierungs-Zusammensetzung bereit, die in Heissabschnitt-Komponenten von Flugzeug-Gasturbinen-Triebwerken brauchbar ist. Die Legierung ist insbesondere brauchbar in Turbinenscheiben für die Hochdruck-Turbinenstufen des Triebwerkes, die den höchsten Betriebstemperaturen ausgesetzt sind. Die Legierung ist optimiert für ein überlegenes mechanisches Leistungsvermögen in Betriebszyklen, die 1500°F erreichen, und sie ist ausgewählt für gute Fertigungs- und Produzierbarkeits-Eigenschaften. Die Dichte der Legierung beträgt etwa 0,301 Pfund pro Kubikzoll (8,33 g/cm3), was akzeptabel ist und nicht zu übermässig hohen Zentrifugalbeanspruchungen während des Betriebs führt. Die Phasenstabilität und chemische Stabilität der Legierung sind gut, was eine wichtige Überlegung ist für eine Legierung, die bei Temperaturen von sogar 1500°F, wenn auch für relativ kurze Zeiten, verwendet werden soll.
  • Eine Stoffzusammensetzung enthält in Kombination, in Gewichtsprozent, von etwa 16,0 Prozent bis etwa 22,4 Prozent Kobalt, von etwa 6,6 Prozent bis etwa 14,3 Prozent Chrom, von etwa 1,4 Prozent bis etwa 3,5 Prozent Tantal, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 4,0 Prozent Wolfram, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 3,9 Prozent Molybdän, von etwa 0,03 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Zirkon, von etwa 0,9 Prozent bis etwa 3,0 Prozent Niob, von etwa 2,4 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Titan, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,8 Prozent Aluminium, von 0 bis etwa 2,5 Prozent Rhenium, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Kohlenstoff, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen. Optional können auch die folgenden Elemente vorhanden sein: von 0 bis etwa 2 Prozent Vanadium, von 0 bis etwa 2 Prozent Eisen, von 0 bis etwa 2 Prozent Hafnium und von 0 bis etwa 0,1 Prozent Magnesium.
  • Eine bevorzugte Stoffzusammensetzung kann enthalten von etwa 16,0 Prozent bis etwa 20,2 Prozent Kobalt, von etwa 6,6 Prozent bis etwa 12,5 Prozent Chrom, von etwa 1,5 Prozent bis etwa 3,5 Prozent Tantal, von etwa 2.0 Prozent bis etwa 4,0 Prozent Wolfram, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 3,9 Prozent Molybdän, von etwa 0,04 Prozent bis etwa 0,06 Prozent Zirkon, von etwa 1,0 Prozent bis etwa 3,0 Prozent Niob, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Titan, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Aluminium, von 0 bis etwa 2,5 Prozent Rhenium, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,04 Prozent Kohlenstoff, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,04 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen.
  • Diese Legierungen und ihre am stärksten bevorzugten Ausführungsbeispiele sind sorgfältig optimiert für ein exzellentes Kriechvermögen in Turbinenscheiben, die bei Temperaturen nahe 1500°F arbeiten. Das Langzeit-Ermüdungsrisswachstumsvermögen ist gut und in einigen Fällen exzellent, aber die Hauptbetonung liegt auf dem Erhalten des guten Kriechvermögens, das in diesem Betriebstemperaturbereich gefordert wird. Das Langzeit-Ermüdungsrisswachstumsvermögen ist relativ weniger wichtig als das Kriechvermögen aufgrund der relativ kürzeren Betriebszeiten, die bei der erhöhten Maximaltemperatur in Hochleistungs-Militär-riebwerken verbracht werden, im Vergleich zu beispielsweise zivilen Triebwerken. Ein gewisses Langzeit-Ermüdungsrisswachstumsvermögen bei niedriger Temperatur wird deshalb bei der optimierten Legierung gemäß der Erfindung absichtlich geopfert, um ein weiter verbessertes Kriechvermögen zu erzielen. Die vorliegenden Legierungen erzielen auch eine verminderte Gamma-Strich-Solvustemperatur, die für einen breiteren Temperaturbereich für Wärmebehandlungen zwischen den Gamma-Strich-Solvus- und den Solidus-Temperaturen sorgen. Dieser breitere Temperaturbereich verbessert die Bearbeitbarkeit der Legierung. Die Korngrenzenelemente unterstützen die Beibehaltung von einer gewünschten Korngröße.
  • Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden, detaillierteren Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich, die anhand von Ausführungsbeispielen die Prinzipien der Erfindung darstellen. Der Schutzumfang der Erfindung ist jedoch durch dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel nicht eingeschränkt.
  • Die Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht von einer Gasturbinenscheibe ist;
  • 2 ein Blockdiagramm für eine Lösung der Herstellung von Gegenständen ist, die die Superlegierung gemäß der Erfindung verwenden, und
  • 3 eine graphische Darstellung der Langzeit-Ermüdungsrisswachstumsrate als eine Funktion der Zeit ist, um 0,2 Prozent zu kriechen.
  • 1 zeigt eine Turbinenscheibenanordnung 20 zur Verwendung in einem Flugzeug-Gasturbinentriebwerk. Die Einrichtung 20 enthält eine Turbinenschei be 22, die auf einer Welle (nicht gezeigt) angebracht ist. Die Turbinenscheibe 22 weist einen Nabenabschnitt 26 nahe der Mitte und einen Rand 28 nahe dem Umfang der Scheibe 22 auf. Eine Reihe von radial nach außen verlaufenden Turbinenschaufeln (nicht gezeigt) erstreckt sich von Nuten 30 in dem Rand 28 nach außen. Die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung sind besonders brauchbar bei der Fertigung der Turbinenscheibe 22, während die Turbinenschaufeln und die Welle aus anderen Materialien hergestellt sind.
  • 2 zeigt eine bevorzugte Lösung gemäß der Erfindung zum Herstellen von Gegenständen, wie beispielsweise der Turbinenscheibe 22.
  • Es wird eine Legierung hergestellt, Bezugszahl 30. Die Legierung gemäss der Erfindung enthält, in Kombination, in Gewichtsprozent, von etwa 16,0 Prozent bis etwa 22,4 Prozent Kobalt, von etwa 6,6 Prozent bis etwa 14,3 Prozent Chrom, von etwa 1,4 Prozent bis etwa 3,5 Prozent Tantal, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 4,0 Prozent Wolfram, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 3,9 Prozent Molybdän, von etwa 0,03 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Zirkon, von etwa 0,9 Prozent bis etwa 3,0 Prozent Niob, von etwa 2,4 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Titan, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,8 Prozent Aluminium, von 0 bis etwa 2,5 Prozent Rhenium, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Kohlenstoff, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,10 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen. Alle hier angegebenen Legierungszusammensetzungen sind in Gewichtsprozent, wenn nichts Gegensätzliches angegeben ist.
  • Bei richtiger Wärmebehandlung weist diese Legierung eine Mikrostruktur von geordneten Gamma-Strich-Ausscheidungen in einer Gamma-Festlösungsmatrix plus kleineren Mengen von anderen Phasen, wie beispielsweise Boriden und Carbiden, auf. Die Zusammensetzung ist deshalb optimiert für diese Mikrostruktur, ihr Leistungsvermögen, insbesondere beim Kriechen mit akzeptablen Dauerrisswachstum, und ihrer Produzierbarkeit.
  • Die Typen und Mengen der Elemente in der Legierungszusammensetzung sind in Kooperation miteinander gewählt, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen, auf der Basis von Prüfen und Analyse, die von den Erfindern vorgenommen wurden. Aufgrund der Interaktion zwischen den Elementen definierten die experimentellen Zusammensetzungen die Trends für die Legierungsbildung, aber nur begrenzte Bereiche der Legierungszusammensetzungen weisen die endgültigen Wirkungen der durch die Zusammensetzung bedingten Einflüsse, Mikrostrukturen und daraus resultierenden Eigenschaften auf. Zusammen definieren die legierenden Trends und die absoluten Elementenwerte die bevorzugten Bereiche der Zusammensetzungen. Die Wirkungen der einzelnen Elemente und die Ergebnisse ihrer Menge in den Legierungen, die außerhalb der angegebenen Bereiche fallen, können wie folgt zusammengefasst werden.
  • Der Kobaltgehalt der Legierung beträgt von etwa 16,0 Prozent bis etwa 22,4 Prozent, am bevorzugten von etwa 16,0 Prozent bis etwa 20,2 Prozent. Ein Vergrößern der Kobaltmengen, ein Festlösungselement, senkt die Gamma-Strich-Solvustemperatur, ein wünschenswertes Ergebnis, um das Fenster der Bearbeitungstemperaturen zwischen der Gamma-Strich-Solvus und der Solidus-Temperatur zu verbreitern. Wenn der Kobaltgehalt wesentlich kleiner als diese Mengen ist, ist die Gamma-Strich-Solvustemperatur zu hoch für eine praktische Produzierbarkeit und es besteht ein Risiko des einsetzenden Schmelzens oder einer thermisch induzierten Porösität. Wenn der Kobaltgehalt wesentlich höher als diese Mengen ist, bestehen erhöhte Elementenkosten des Gegenstandes und ein Verlust an Hochtemperatur-Kriechvermögen.
  • Der Chromgehalt der Legierung beträgt von etwa 6,6 Prozent bis etwa 14,3 Prozent, am bevorzugten von etwa 6,6 Prozent bis etwa 12,5 Prozent Chrom. Chrom ist primär ein Festlösungs-Verstärkungselement, kann aber auch sekundäre Carbide bilden, wie beispielsweise M23C6 Carbide. Chrom trägt auch zu verbesserter Oxidationsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsriss-Wachstumsbeständigkeit bei. Wenn der Chromgehalt wesentlich niedriger als diese Mengen ist, ist die Ermüdungsriss-Wachstumsrate erhöht und die Umgebungsbeständigkeit kann leiden. Wenn der Chromgehalt wesentlich höher als diese Mengen ist, wird die Kriechbeständigkeit der Legierung bei erhöhten Temperaturen gesenkt und es kann eine Tendenz zur Legierungs-, chemischen oder Phaseninstabilität auftreten. Die Kriechbeständigkeit dieses Legierungssystems ist für ein Leistungsvermögen in Turbinenscheiben optimiert, die bei bis zu 1500°F arbeiten, und deshalb ist es besonders wichtig, dass der Chromgehalt nicht zu hoch ist.
  • Der Tantalgehalt der Legierung beträgt von etwa 1,4 Prozent bis etwa 3,5 Prozent, am bevorzugten von etwa 1,5 bis etwa 3,5 Prozent. Tantal, dessen Gegenwart und Prozentgehalt besonders wichtig für die vorteilhaften Ergebnisse ist, die für die Legierungen gemäß der Erfindung erhalten werden, tritt primär in die Gamma-Strich-Phase ein und hat die Wirkung, die Stabilität der Gamma-Strich-Phase zu verbessern und die Kriechbeständigkeit und die Dauerriss-Wachstumsgeschwindigkeit der Legierung zu verbessern. Wenn der Tantalgehalt wesentlich kleiner als diese Mengen ist, ist die Kriech-Lebensdauer der Legierung verkürzt und die Dauerermüdungsriss-Wachstumsbeständigkeit ist unzureichend. Eine Erhöhung des Tantals wesentlich über die angegebenen Mengen hinaus hat die unerwünschte Wirkung, die Gamma-Strich-Solvus Temperatur zu erhöhen, um so die Bearbeitbarkeit der Legierung zu senken und ihre Dichte zu erhöhen.
  • Der Wolframgehalt der Legierung beträgt von etwa 1,9 Prozent bis etwa 4,0 Prozent am bevorzugten von etwa 2,0 Prozent bis etwa 4,0 Prozent. Wolfram tritt in die Matrix als ein Festlösungs-Verstärkungselement ein und unterstützt auch die Bildung von Gamma-Strich-Ausscheidungen. Wenn der Wolframgehalt wesentlich kleiner als diese Mengen ist, wird die Risswachstumsgeschwindigkeit bei der Ermüdung gesenkt, aber die Kriechgeschwindigkeit wird erhöht. Die Beibehaltung eines relativ hohen Wolframgehaltes unterstützt die Erzielung einer guten Kriechbeständigkeit bei erhöhter Temperatur. Wenn der Wolframgehalt wesentlich höher als diese Mengen ist, kann eine Instabilität in der Mikrostruktur entstehen, die Duktilität kann gesenkt werden und die Dichte der Legierung wird übermäßig hoch.
  • Der Molybdängehalt der Legierung beträgt von etwa 1,9 bis etwa 3,9 Prozent. Molybdän ist ein weniger teurer, ein geringeres Gewicht aufweisender Ersatz für Wolfram, aber es ist nicht so wirksam bei der Festkörper-Verstärkung wie Wolfram. Wenn der Molybdängehalt kleiner als die angegebene Menge ist, wird die Kriechbeständigkeit der Legierung zu klein. Wenn der Molybdängehalt die angegebene Menge wesentlich überschreitet, wird die Legierungsstabilität verringert und die Legierungsdichte über den gewünschten Wert hinaus erhöht.
  • Der Zirkongehalt der Legierung beträgt von etwa 0,03 Prozent bis etwa 0,10 Prozent, am bevorzugten von etwa 0,04 Prozent bis etwa 0,06 Prozent. Das Vorhandensein von Zirkon in gesteuerten kleinen Mengen verbessert die Elongation und Duktilität der Legierung und verkleinert auch die Risswachstumsrate.
  • Der Niobgehalt der Legierung beträgt von etwa 0,9 Prozent bis etwa 3,0 Prozent, am bevorzugten von etwa 1,0 Prozent bis 3,0 Prozent. Eine Erhöhung der Niobmengen hat eine schwache Wirkung bei der Verbesserung des Kriechverhaltens. Wenn der Niobgehalt wesentlich unter der angegebenen Menge ist, leiden die Kriecheigenschaften. Eine Niobmenge wesentlich über den angegebenen Mengen hat die Tendenz, den Gamma-Strich-Solvus zu erhöhen und die Bearbeitbarkeit der Legierung nachteilig zu beeinflussen. Übermäßiges Niob erhöht auch die Dichte der Legierung, senkt die Duktilität, vergrößert die Tendenz zu chemischer Instabilität und verkleinert das Langzeit-Ermüdungsriss-Wachstumsvermögen.
  • Die Titan- und Aluminiumgehalte sind paarig angeordnet, um etwa gleich zu sein bei der Bildung der Ni3(Al,Ti) Gamma-Strich-Phase. Der Titangehalt beträgt von etwa 2,4 Prozent bis etwa 4,6 Prozent, am bevorzugten von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,6 Prozent. Der Aluminiumgehalt beträgt von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,8 Prozent, am bevorzugten von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,6 Prozent. Wenn Titan und Aluminium in Mengen vorhanden sind, die wesentlich niedriger als die angegebenen sind, wird der Volumenanteil der Gamma-Strich-Phase auf einen unakzeptabel niedrigen Wert gesenkt. Wenn sie in wesentlich größeren Mengen als den angegebenen vorhanden sind, haben sie die Tendenz, die Gamma-Strich-Solvus Temperatur um einen unakzeptablen Betrag zu erhöhen, wodurch der Bereich von Temperaturen für eine erfolgreiche Wärmebehandlung verkleinert wird.
  • Der Rheniumgehalt beträgt von 0 bis etwa 2,5 Prozent, am bevorzugten 0 oder nahe 0. Das Rhenium hat wenig Wirkung in der Legierung der Erfindung, obwohl es eine leichte vorteilhafte Wirkung auf das Kriechvermögen in den angegebenen Mengen haben kann. Wesentlich höhere Mengen als die angegebenen führen zu einer Erhöhung in der Gamma-Strich-Solvustemperatur und auch zu höherer Dichte und höheren Kosten.
  • Der Kohlenstoffgehalt beträgt von etwa 0,02 Prozent bis 0,10 Prozent, am bevorzugten von etwa 0,02 Prozent bis 0,04 Prozent. Der Kohlenstoff bildet Karbide mit verschiedenen anderen Elementen. Eine Erhöhung der Kohlenstoffmengen innerhalb der angegebenen Bereiche unterstützt eine Steuerung der Korngröße der Legierung während einer Aussetzung bei erhöhten Temperaturen. Jedoch führt eine Kohlenstoffmenge, die wesentlich größer als die angegebene ist, zu höheren Ermüdungsriss-Wachstumsraten und ist dementsprechend unerwünscht.
  • Der Borgehalt beträgt von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,010 Prozent, am bevorzugten von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,04 Prozent und beträgt am bevorzugten etwa 0,030 Prozent. Das Bor bildet Boride mit verschiedenen anderen Elementen. Wenn der Borgehalt wesentlich niedriger als die angegebenen Mengen ist, hat die Dauerermüdungs-Risswachstumsrate die Tendenz, anzusteigen. Wenn der Borgehalt wesentlich höher als die angegebenen Mengen ist, wird eine Tendenz für ein einsetzendes Schmelzen während der Bearbeitung und ein Grad an Porösität in der Legierung beobachtet, die zu einem verkleinerten Kriechvermögen führt.
  • Andere Elemente können optional in begrenzten Mengen zugesetzt sein, ohne die Eigenschaften der entstehenden Zusammensetzung nachteilig zu beeinflussen. Magnesium in einer Menge bis zu etwa 0,1 Gewichtsprozent, Vanadium in einer Menge bis zu etwa 2 Gewichtsprozent, Eisen in einer Menge bis zu etwa 2 Gewichtsprozent und Hafnium in einer Menge bis zu etwa 2 Gewichtsprozent können vorhanden sein, ohne die Eigenschaften nachteilig zu beeinflussen. Hafnium kann die Dauerermüdungs-Risswachstumsrate verbessern, aber mit einer leichten negativen Wirkung auf die Dauerermüdungseigenschaften.
  • Der Rest der Legierung, bis zu einer Gesamtmenge von 100 Gewichtsprozent, sind Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen, die gewöhnlich in Nickelbasis-Legierungen als eine Folge ihres Vorhandenseins in den ursprünglichen Bestandteilen vorhanden sind oder während des Schmelz- und Herstellungsvorganges eingeführt werden. Der Charakter und kleinere Mengen dieser Verunreinigungen haben keine nachteilige Auswirkung auf die Vorteile, die mit der vorliegenden Erfindung erzielt werden.
  • Im Laufe der Untersuchungen, die zu der Erfindung führen, sind drei Zusammensetzungen als besonders wünschenswert identifiziert worden. Eine bevorzugste Legierung hat von etwa 16,0 Prozent bis etwa 20,0 Prozent Kobalt, von etwa 8,5 Prozent bis etwa 12,5 Prozent Chrom, von etwa 1,5 Prozent bis etwa 3,5 Prozent Tantal, von etwa 2,0 Prozent bis etwa 4,0 Prozent Wolfram, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 3,9 Prozent Molybdän, von etwa 0,04 Prozent bis etwa 0,06 Prozent Zirkon, von etwa 1,0 Prozent bis etwa 3,0 Prozent Niob, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Titan, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Aluminium, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,04 Prozent Kohlenstoff, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,04 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen. Eine bevorzugte Legierung in diesem Bereich , die NF3 genannt ist, hat eine Zusammensetzung von etwa 18,0 Prozent Kobalt, etwa 10,5 Prozent Chrom, etwa 2,5 Prozent Tantal, etwa 3,0 Prozent Wolfram, etwa 2,9 Prozent Molybdän, etwa 0,050 Prozent Zirkon, etwa 2,0 Prozent Niob, etwa 3.6 Prozent Titan, etwa 3,6 Prozent Aluminium, etwa 0,030 Prozent Kohlenstoff, etwa 0,030 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen.
  • Eine zweite bevorzugte Legierung, aber weniger bevorzugt als die bevorzugste, hat von etwa 18,4 Prozent bis etwa 22,4 Prozent Kobalt, von etwa 10,3 Prozent bis etwa 14,3 Prozent Chrom, von etwa 1,4 Prozent bis etwa 3,4 Prozent Tantal, von etwa 2,0 Prozent bis etwa 4,0 Prozent Wolfram, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 3,9 Prozent Molybdän, von etwa 0,03 Prozent bis etwa 0,05 Prozent Zirkon, von etwa 1,0 Prozent bis etwa 3,0 Prozent Niob, von etwa 2,4 Prozent bis etwa 4,4 Prozent Titan, von etwa 2,8 Prozent bis etwa 4,8 Prozent Aluminium, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,04 Prozent Kohlenstoff, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,04 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen. Eine bevorzugte Legierung in diesem Bereich, genannt NF2, hat eine Zusammensetzung von etwa 20,4 Prozent Kobalt, etwa 12,3 Prozent Chrom, etwa 2,4 Prozent Tantal, etwa 2,9 Prozent Wolfram, etwa 2,9 Prozent Molybdän, etwa 0,038 Prozent Zirkon, etwa 1,9 Prozent Niob, etwa 3.4 Prozent Titan, etwa 3,8 Prozent Aluminium, etwa 0,032 Prozent Kohlenstoff, etwa 0,029 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen.
  • Ein dritte bevorzugte Legierung, aber weniger bevorzugt als jede der anderen zwei bevorzugten Legierungen, hat von etwa 16,2 Prozent bis etwa 20,2 Prozent Kobalt, von etwa 6,63 Prozent bis etwa 10,6 Prozent Chrom, von etwa 1,5 Prozent bis etwa 3,5 Prozent Tantal, von etwa 2,0 Prozent bis etwa 4,0 Prozent Wolfram, von etwa 1,9 Prozent bis etwa 3,9 Prozent Molybdän, von etwa 0,04 Prozent bis etwa 0,06 Prozent Zirkon, von etwa 1,0 Prozent bis etwa 3,0 Prozent Niob, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Titan, von etwa 2,6 Prozent bis etwa 4,6 Prozent Aluminium, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,04 Prozent Kohlenstoff, von etwa 0,02 Prozent bis etwa 0,04 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen. Eine bevorzugte Legierung in diesem Bereich, genannt NF1, hat eine Zusammensetzung von etwa 18,2 Prozent Kobalt, etwa 8,6 Prozent Chrom, etwa 2,5 Prozent Tantal, etwa 3 Prozent Wolfram, etwa 2,9 Prozent Molybdän, etwa 0,052 Prozent Zirkon, etwa 2 Prozent Niob, etwa 3.6 Prozent Titan, etwa 3,6 Prozent Aluminium, etwa 0,032 Prozent Kohlenstoff, etwa 0,03 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen.
  • Die vorteilhaften Ergebnisse, die mit den vorliegenden Zusammensetzungen erzielt werden, sind ein Ergebnis der Auswahl der Kombination von Elementen, nicht von irgendeinem Element isoliert. Die bevorzugteren und am bevorzugsten Zusammensetzungen erzielen progressiv verbesserte Ergebnisse als die breite Zusammensetzung innerhalb des Betriebsbereiches, aber es ist auch möglich, verbesserte Ergebnisse zu erreichen, indem die eingeengten Zusammensetzungsbereiche von einigen Elementen kombiniert werden, die verbesserte Ergebnisse mit den breiteren Zusammensetzungsbereichen von anderen Elementen erzeugen.
  • Indem nun mit dem Verfahren fortgefahren wird, das in 2 angegeben ist, wird die Legierungszusammensetzung durch irgendeine betriebsfähige Technik zu einem Pulver geformt, Bezugszahl 32. Eine Gasatomisierung oder Vakuumatomisierung ist bevorzugt. Die Pulverteilchen sind vorzugsweise feiner als –60 Mesh und am bevorzugten –140 Mesh oder –270 Mesh.
  • Das Pulver wird zu einem Barren oder einer Schmiedevorform verfestigt und dann anschließend zu einer Endform deformiert, Bezugszahl 34. Die bevorzugte Lösung zur Verfestigung ist die Extrusionsbearbeitung bei einer Extrusionstemperatur von etwa 1850°F bis etwa 2025°F und ein 3:1 bis 6:1 Extrusionsverhältnis. Nach dem Verfestigen (Konsolidation) zu einem Barren oder einer Schmiedevorform wird die Legierung deformiert zu einer geformten Kontur-Übergröße, aber näherungsweise der Außenlinie von dem Endteil. Der Deformationsschritt wird vorzugsweise durch isothermisches Schmieden in einem Spannungs-gesteuerten Modus ausgeführt.
  • Die Konsolidation, Deformation und eine anschließende Supersolvus-Lösungs-Wärmebehandlung werden vorzugsweise gewählt, um eine Korngröße von etwa ASTM 2 bis etwa ASTM 8, vorzugsweise von etwa ASTM 2 bis ASTM 5, zu erzielen. Für weniger anspruchsvolle Anwendungen werden die Konsolidation, Deformation und eine anschließende Subsolvus-Lösungs-Wärmebehandlung gewählt, um eine Korngröße von etwa ASTM 9 bis etwa ASTM 12, vorzugsweise von etwa ASTM 10 bis etwa ASTM 12, zu erzielen.
  • Der extrudierte Gegenstand wird wärmebehandelt, Bezugszahl 36, um die gewünschte Mikrostruktur zu erzeugen. In einer bevorzugten Wärmebehandlung wird der Gegenstand lösungswärmebehandelt durch Erhitzen auf eine Supersolvus-Temperatur, wie beispielsweise von etwa 2100°F bis etwa 2225°F, für eine ausreichende Zeitperiode, damit der gesamte Gegenstand diesen Temperaturbereich erreicht. Der lösungswärmebehandelte Gegenstand wird durch eine Lüfterluftkühlung auf Raumtemperatur gelöscht, optional gefolgt von einer Öllöschung. Der lösungswärmebehandelte- und -gelöschte Gegenstand wird dann gealtert durch Wiedererhitzen auf eine Temperatur unter der Solvustemperatur, vorzugsweise von etwa 1350°F bis etwa 1500°F, für eine Zeit von etwa 8 Stunden. Optional kann der Gegenstand entspannt werden, indem er auf eine entspannende Temperatur von etwa 1500°F bis etwa 1800°F, am bevorzugten etwa 1550°F, für vier Stunden, entweder nach dem Lösungsschritt oder vor dem Alterungsschritt oder nach dem endgültigen Alterungsschritt.
  • In einer alternativen Wärmebehandlung wird der Gegenstand lösungsbehandelt bei einer Teilsubsolvus-Lösungs-Behandlungstemperatur von etwa 2000°F bis etwa 2100°F, gelöscht wie oben beschrieben und gealtert oder entspannt und gealtert, wie es oben beschrieben ist.
  • In einer noch anderen Lösung für die Wärmebehandlung wird der Gegenstand langsam gekühlt von einer Supersolvus-Lösungstemperatur bei Geschwindigkeiten von weniger als 500°F pro Stunde auf eine Subsolvus-Temperatur. Der Gegenstand wird dann gelöscht, wie oben beschrieben, und gealtert oder entspannt und gealtert, wie es oben beschrieben ist.
  • Es können noch alternative Betriebsverfahren verwendet werden. Beispielsweise kann Sprühformen anstelle von Atomisierung verwendet werden, um das Metallpulver zu erzeugen. Walzformen kann vor der Wärmebehandlung anstelle von isothermischen Schmieden verwendet werden.
  • Durch die bevorzugte Lösung wurden Proben innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung und Vergleichsproben hergestellt. Diese Proben wurden verwendet, um die Daten gemäß 3 zu entwickeln. 3 stellt Daten für Dauerermüdungs-Risswachstumsraten dar, die bei einer Temperatur von 1500°F mit einem Verhältnis R von minimaler zu maximaler Beanspruchung während einer Ermüdung von 0,1, einer maximalen Beanspruchungsintensität Kmax von 30 KSI (Zoll)1/2 und einer Verweilperiode von 90 Sekunden zwischen einer Reduktion unter Spannung auf die minimale Spannung und Wiederbelastung auf die maximale Spannung ausgeführt wurden. 3 stellt auch Kriechdaten für die Zeit vor dem Erreichen von 0,2Prozent Kriechen dar, gemessen bei 1500°F und einer Beanspruchung von 50.000 Pounds pro Quadratzoll.
  • Es ist für Anwendungen, wie beispielsweise Turbinenscheiben, wichtig, dass ein gutes Leistungsvermögen erzielt wird für sowohl das Dauerermüdungs-Risswachstum als auch für Kriechen. Für das vorliegende Legierungssystem, das für Leistungsvermögen in relativ kurzzeitigen Triebwerkszyklen, die sich Temperaturen von etwa 1500°F nähern, optimiert ist, ist die Erzielung einer hohen Kriechbeständigkeit mit akzeptabler Dauerermüdungs-Risswachstumsvermögen die Hauptaufgabe.
  • Die Zusammensetzung NF1 erzielt das beste Kriechvermögen. Die Zusammensetzung NF2 erzielt das beste Dauerermüdungs-Risswachstumsvermögen. Die Zusammensetzung NF3 ist ausgelegt, um ein Kriechvermögen nahezu so gut wie dasjenige der Zusammensetzung NF1 und ein Dauerermüdungs-Risswachstumsvermögen nahezu so gut wie dasjenige der Zusammensetzung NF2 zu haben, und ist deshalb zur vorliegenden Zeit das am stärksten bevorzugte. Die Wahl der Legierung für eine Anwendung würde jedoch von spezifischen Triebwerkszyklen und -temperaturen abhängen.
  • Die Zusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung erzielen signifikant verbesserte Dauerermüdungs-Risswachstumsraten und verbesserte Kriechzeiten im Vergleich zu üblichen Legierungen. In 3 sind Vergleichsdaten für Rene 88DT, eine Standard-Scheibenlegierung, und für CH98 dargestellt, die bevorzugte Zusammensetzung, die in dem US-Patent 5,662,749 beschrieben ist. Die NF1, NF2 und NF3 Legierungen gemäß der Erfindung erzielen eine Verbesserung gegenüber Renee 88DT in der Dauerermüdungs-Risswachstumsrate und eine Verbesserung gegenüber Renee 88DT in der Kriechlebensdauer. Die vorliegenden Legierungen sind nicht ganz so gut wie die Legierung CH98 in der Dauerermüdungs-Risswachstumsrate, aber ihr Kriechvermögen ist etwa vier Mal besser. Wie bereits hervorgehoben wurde, wurden die vorliegenden Legierungen absichtlich optimiert für Kriechvermögen mit akzeptablem Dauerermüdungs-Risswachstumsvermögen zur Verwendung in Turbinenscheiben in Triebwerken, die bei hohen Temperaturen für relativ kurze Zeiten arbeiten.

Claims (10)

  1. Stoffzusammensetzung enthaltend in Kombination, in Gewichtsprozent, von 16,0 Prozent bis 22,4 Prozent Kobalt, von 6,6 Prozent bis 14,3 Prozent Chrom, von 1,4 Prozent bis 3,5 Prozent Tantal, von 1,9 Prozent bis 4,0 Prozent Wolfram, von 1,9 Prozent bis 3,9 Prozent Molybdän, von 0,03 Prozent bis 0,10 Prozent Zirkon, von 0,9 Prozent bis 3,0 Prozent Niob, von 2,4 Prozent bis 4,6 Prozent Titan, von 2,6 Prozent bis 4,8 Prozent Aluminium, von 0 bis 2,5 Prozent Rhenium, von 0,02 Prozent bis 0,10 Prozent Kohlenstoff, von 0,02 Prozent bis 0,10 Prozent Bor, optional 0 bis 2 Prozent Vanadium, 0 bis 2 Prozent Eisen, 0 bis 2 Prozent Hafnium, 0 bis 0,1 Prozent Magnesium, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen.
  2. Stoffzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Stoffzusammensetzung enthält von 16,0 Prozent bis 20,2 Prozent Kobalt, von 6,6 Prozent bis 12,5 Prozent Chrom, von 1,5 Prozent bis 3,5 Prozent Tantal, von 2.0 Prozent bis 4,0 Prozent Wolfram, von 1,9 Prozent bis 3,9 Prozent Molybdän, von 0,04 Prozent bis 0,06 Prozent Zirkon, von 1,0 Prozent bis 3,0 Prozent Niob, von 2,6 Prozent bis 4,6 Prozent Titan, von 2,6 Prozent bis 4,6 Prozent Aluminium, von 0 bis 2,5 Prozent Rhenium, von 0,02 Prozent bis 0,04 Prozent Kohlenstoff, von 0,02 Prozent bis 0,04 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen.
  3. Stoffzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Stoffzusammensetzung enthält von 16,2 Prozent bis 20,2 Prozent Kobalt, von 6,6 Prozent bis 10,6 Prozent Chrom, von 1,5 Prozent bis 3,5 Prozent Tantal, von 2,0 Prozent bis 4,0 Prozent Wolfram, von 1,9 Prozent bis 3,9 Prozent Molybdän, von 0,04 Prozent bis 0,06 Prozent Zirkon, von 1,0 Prozent bis 3,0 Prozent Niob, von 2,6 Prozent bis 4,6 Prozent Titan, von 2,6 Prozent bis 4,6 Prozent Aluminium, von 0,02 Prozent bis 0,04 Prozent Kohlenstoff, von 0,02 Prozent bis 0,04 Prozent Bor, Rest Nickel und kleinere Mengen an Verunreinigungen.
  4. Nickelbasis-Superlegierungs-Gegenstand, der eine Zusammensetzung nach Anspruch 1 enthält.
  5. Gegenstand nach Anspruch 4, wobei der Gegenstand eine Flugzeug-Gasturbinenscheibe (22) ist.
  6. Gegenstand nach Anspruch 4 oder 5, der Gegenstand eine Korngröße von ASTM 2 bis ASTM 8 hat.
  7. Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes, enthaltend die Schritte: Herstellen einer Masse mit einer Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, Wärmebehandeln der Masse durch die Schritte Lösungsbehandeln der Masse bei einer Lösungsbehandlungstemperatur über ihrer Löslichkeitstemperatur und Kühlen der lösungsbehandelten Masse auf eine Temperatur unter ihrer Löslichkeitstemperatur.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Wärmebehandlungsschritt, nach dem Kühlschritt, einen zusätzlichen Schritt des Alterns der lösungsbehandelten und gelöschten Masse bei einer Alterungstemperatur unter ihrer Löslichkeitstemperatur enthält.
  9. Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes, enthaltend die Schritte: Herstellen einer Masse mit einer Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, Wärmebehandeln der Masse durch die Schritte Lösungsbehandeln der Masse bei einer Lösungsbehandlungstemperatur unter ihrer Löslichkeitstemperatur und Kühlen der lösungsbehandelten Masse auf eine Temperatur unter ihrer Löslichkeitstemperatur.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Lösungsbehandlungsschritt den Schritt enthält Erhitzen der Masse auf eine Teilsubsolvus-Lösungsbehandlungstemperatur von 1093°C bis 1149°C (2000°F bis 2100°F).
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Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6974508B1 (en) 2002-10-29 2005-12-13 The United States Of America As Represented By The United States National Aeronautics And Space Administration Nickel base superalloy turbine disk
US7138020B2 (en) * 2003-10-15 2006-11-21 General Electric Company Method for reducing heat treatment residual stresses in super-solvus solutioned nickel-base superalloy articles
US20100008790A1 (en) 2005-03-30 2010-01-14 United Technologies Corporation Superalloy compositions, articles, and methods of manufacture
US7708846B2 (en) 2005-11-28 2010-05-04 United Technologies Corporation Superalloy stabilization
US20070141374A1 (en) * 2005-12-19 2007-06-21 General Electric Company Environmentally resistant disk
US7553384B2 (en) * 2006-01-25 2009-06-30 General Electric Company Local heat treatment for improved fatigue resistance in turbine components
US9783873B2 (en) 2012-02-14 2017-10-10 United Technologies Corporation Superalloy compositions, articles, and methods of manufacture
US9752215B2 (en) 2012-02-14 2017-09-05 United Technologies Corporation Superalloy compositions, articles, and methods of manufacture
CN103341586B (zh) * 2013-06-07 2015-07-22 中国石油天然气集团公司 一种实现gh4738镍基高温合金涡轮盘成形方法
GB201400352D0 (en) 2014-01-09 2014-02-26 Rolls Royce Plc A nickel based alloy composition
EP3042973B1 (de) 2015-01-07 2017-08-16 Rolls-Royce plc Nickellegierung
GB2539957B (en) 2015-07-03 2017-12-27 Rolls Royce Plc A nickel-base superalloy
US20170291265A1 (en) 2016-04-11 2017-10-12 United Technologies Corporation Braze material for hybrid structures
US10718041B2 (en) 2017-06-26 2020-07-21 Raytheon Technologies Corporation Solid-state welding of coarse grain powder metallurgy nickel-based superalloys
US20190063256A1 (en) * 2017-08-31 2019-02-28 United Technologies Corporation High yield strength nickel alloy with augmented precipitation hardening
GB202015106D0 (en) 2020-08-20 2020-11-11 Rolls Royce Plc Alloy
CN112981186B (zh) * 2021-04-22 2021-08-24 北京钢研高纳科技股份有限公司 低层错能的高温合金、结构件及其应用
CN114672696B (zh) * 2022-03-21 2023-03-14 钢铁研究总院有限公司 一种Ni-Co基高温合金及其制备方法和应用

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2593830B1 (fr) * 1986-02-06 1988-04-08 Snecma Superalliage a matrice a base de nickel notamment elabore en metallurgie des poudres et disque de turbomachine constitue en cet alliage
US4769087A (en) * 1986-06-02 1988-09-06 United Technologies Corporation Nickel base superalloy articles and method for making
US5143563A (en) * 1989-10-04 1992-09-01 General Electric Company Creep, stress rupture and hold-time fatigue crack resistant alloys

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EP1201777A1 (de) 2002-05-02
EP1201777B1 (de) 2004-02-04
DE60008116D1 (de) 2004-03-11

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