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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine Legierung, die bei 815°C arbeiten
kann, ist aus EP-A-0421229 bekannt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Gegenstand kann eine Flugzeug-Gasturbinenscheibe
sein.
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Der Gegenstand kann eine Korngrösse von etwa
ASTM 2 bis etwa ASTM 8 haben.
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Der Gegenstand kann eine Korngrösse von etwa
ASTM 9 bis etwa ASTM 12 haben.
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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.
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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.
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Der Wärmebehandlungsschritt kann
einen zusätzlichen
Schritt, nach dem Abkühlschritt,
des Alterns der lösungsbehandelten
und gelöschten
Masse bei einer Alterungstemperatur unter ihrer Solvustemperatur
enthlaten.
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Der Alterungsschritt kann den Schritt
des Erhitzens der Masse auf eine Alterungstemperatur von etwa 1350°F bis etwa
1500°F enthalten.
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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.
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Der Lösungsbehandlungsschritt kann
den Schritt enthalten, dass die Masse auf eine Lösungsbehandlungstemperatur
von etwa 2100°F
bis etwa 2225°F
erhitzt wird.
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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.
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Der Lösungsbehandlungsschritt kann
den Schritt der Erhitzung der Masse auf eine Teilsubsolvus-Lösungsbehandlungstemperatur
von etwa 2000°F
bis etwa 2100°F
enthalten.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung wird nun mit weiteren
Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht von einer Gasturbinenscheibe ist;
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2 ein
Blockdiagramm für
eine Lösung der
Herstellung von Gegenständen
ist, die die Superlegierung gemäß der Erfindung
verwenden, und
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3 eine
graphische Darstellung der Langzeit-Ermüdungsrisswachstumsrate als
eine Funktion der Zeit ist, um 0,2 Prozent zu kriechen.
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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.
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2 zeigt
eine bevorzugte Lösung
gemäß der Erfindung
zum Herstellen von Gegenständen, wie
beispielsweise der Turbinenscheibe 22.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.