DE69106372T2

DE69106372T2 - Legierung mit niedrigem wärmeausdehnungskoeffizient und daraus hergestellter gegenstand.

Info

Publication number: DE69106372T2
Application number: DE69106372T
Authority: DE
Inventors: Daniel A. Leesport Pa 19533 Deantonio; Edward A. Leesport Pa 19533 Wanner
Original assignee: CRS Holdings LLC
Current assignee: CRS Holdings LLC
Priority date: 1990-08-21
Filing date: 1991-08-08
Publication date: 1995-07-13
Anticipated expiration: 2011-08-09
Also published as: KR930701630A; CA2088065A1; WO1992003584A1; KR960015219B1; ES2066489T3; EP0544836A1; DE69106372D1; EP0544836B1; JP2955778B2; JPH06500361A; US5283032A; ATE116378T1; CA2088065C; IL99184A0; IL99184A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft ausscheidungshärtbare, Chrom enthaltende Legierungen auf Ni-Co- Fe-Basis sowie daraus hergestellte Erzeugnisse und insbesondere eine Legierung und ein Erzeugnis, bei dem die einzelnen Elemente so ausgewogen sind, das sich eine einzigartige Kombination aus gesteuerter Wärmeausdehnung, Zunderbeständigkeit bei erhöhter Temperatur, Festigkeit und Duktilität ergibt.
Ausscheidungshärtbare Legierungen mit gesteuerter Wärmeausdehnung werden in Apparaturen verwendet, bei denen bei hohen Betriebstemperaturen enge Toleranzen eingehalten werden müssen, wie z.B. in Triebwerken für Düsenflugzeuge und Gasturbinen, da diese Legierungen eine Kombination von hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung gewährleisten, was für derartige Verwendungszwecke erforderlich ist. Es wird damit gerechnet, daß die hohen Temperaturen, denen die bekannten Legierungen mit gesteuerter Wärmeausdehnung bei ihrem Einsatz ausgesetzt sind, wie z.B. Temperaturen bis zu 538ºC (1000ºF), noch weiter wie z.B. auf 649ºC (1200ºF) und darüber ansteigen werden. Die Zunderbeständigkeit der bekannten Legierungen mit gesteuerter Wärmeausdehnung ist jedoch bei derartigen höheren Betriebstemperaturen unzureichend, was eine kürzere Gebrauchsdauer der aus den Legierungen hergestellten Teile bewirken kann.
Zur Verhinderung der überaus starken Oxidation der bekannten Legierungen mit gesteuerter Wärmeausdehnung bei Temperaturen über 538ºC (1000ºF) werden Schutzbeschichtungen verwendet. Diese haben jedoch den Nachteil, daß die bekannten Beschichtungen bei hohen Temperaturen wie z.B. bei 843 - 954ºC (1550 - 1750ºF) aufgebracht werden müssen und die Einwirkung dieser Temperaturen auf die Legierungen die Erzielung der gewünschten mechanischen Eigenschaften einschränkt, wenn die Legierungen nachfolgend kaltausgehärtet werden. Das Verfahren zur Aufbringung der Schutzbeschichtungen führt häufig infolge solcher Fehler wie Verwerfung oder Verwindung von Teilen während des Beschichtungsvorgangs zu einem Anfall unerwünschter Mengen an Schroumaterial.
Es besteht somit ein Bedarf an einer hochwarmfesten Legierung mit niedriger Wärmeausdehnung, hoher Festigkeit, guter Duktilität und insbesondere hoher Zugspannungsduktilität sowie guter Zunderbeständigkeit bei Temperaturen bis zu ca. 649ºC (1200ºF) ohne die Notwendigkeit der Aufbringung einer Schutzbeschichtung.
Die US-PS Nr. 4,066.447 betrifft eine Legierung auf Ni-Fe-Basis, die eine geringe Menge an Chrom für den genannten Zweck zur Beseitigung "bestimmter Schwierigkeiten bei der Erlangung zufriedenstellender Kerbschlagfestigkeit insbesondere Kerbbruchfestigkeit bei 649ºC (1200ºF) eines mit γ'-Ausscheidungen verfestigten Erzeugnisses auf der Basis einer hohe Festigkeit und niedrige Wärmeausdehnung aufweisenden Ni-Fe- Legierung ..." enthält. Der breite Bereich der Zusammensetzung der Legierung aus US- PS Nr. 4,066.447 ist nachfolgend in Gewichtsprozent angegeben:
wobei der Rest auf Eisen entfällt und mindestens 34 Gew. % ausmacht. Die Zusammensetzung der Legierung ist so eingestellt, daß sie den vier Verhältnissen A., B. C. und D. in Spalte 2, Zeile 52 bis 61 der Patentschrift genügt.
Die US-PS Nr. 4,200.459 beschreibt eine Legierung auf Ni-Fe-Basis, die bis zu 6,2 % Chrom enthalten kann. Wie in der Patentschrift angegeben, gewährleistet die Legierung einen "gesteuerten Wäremausdehnungskoeffizienten sowie eine gesteuerte Durchbiegungstemperatur und ... hohe Festigkeit im kaltausgehärteten Zustand und weist eine Zusammensetzung auf, die eigens beschränkt ist, um die negative Empfindlichkeit gegenüber spannungskonzentrierenden Geometrien zu beseitigen und die Beständigkeit gegenüber lang andauernder Spannung in erhitzter oxidierender Atmosphäre zu unterstützen." Der breite Bereich der Zusammensetzung der Legierung aus US-PS Nr. 4,200.459 ist nachfolgend in Gewichtsprozent angegeben: max.
wobei der Rest in einem Bereich von etwa 20 bis 55 % auf Eisen entfällt. Die Zusammensetzung der Legierung ist so eingestellt, daß sie den drei Verhältnissen A, B und C in Spalte 2, Zeile 32 bis 37 der Patentschrift genügt.
Obwohl die US-PS 4,066.447 und 4.200.459 Legierungen auf Ni-Fe-Basis beschreiben, die Chrom enthalten und auch Kobalt enthalten können, und obwohl sie sich auf niedrige Wärmeausdehnung und hohe Festigkeit beziehen, lassen sie dennoch vieles zu wünschen übrig, was die heutigen Forderungen nach einer günstigen Kombination aus niedriger Wärmeausdehnung, hoher Festigkeit, guter Duktilität sowie guter Zunderbeständigkeit bei Temperaturen bis zu 649ºC (1200ºF) und darüber betrifft.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Probleme im Zusammenhang mit den bekannten ausscheidungshärtbaren Legierungen mit gesteuerter Wärmeausdehnung und den daraus hergestellten Erzeugnissen unter den zu erwartenden höheren Betriebstemperaturen werden mit den erfindungsgemäßen breiten Bereichen der einzelnen Elemente der Legierung auf Ni-Co-Fe-Basis und den daraus hergestellten Erzeugnissen weitgehend gelöst, wobei die Bereiche so ausgewogen sind, daß sich eine einzigartige Kombination aus gesteuerter Wärmeausdehnung, Zunderbeständigkeit bei erhöhter Temperatur, hoher Festigkeit und Duktilität ergibt. Die besten Ergebnisse erzielt man mit den bevorzugten Bereichen für die einzelnen Elemente, die zusammen mit den breiten und mittleren Bereichen für die erfindungsgemäße Legierung in Tabelle I zusammengefaßt sind (in Gew.%): Tabelle I Breiter Bereich Mittlerer Bereich Bevorzugter Bereich max.
wobei der Rest auf Eisen und zufällige Verunreinigungen entfällt. Innerhalb der genannten Bereiche ergibt sich das Gleichgewicht zwischen den einzelnen Elementen aus den folgenden Verhältnissen: (Verh. 1) (Verh. 2)
Dabei beträgt das Verhältnis 1 wenigstens 0,3, jedoch höchstens 1,3 und das Verhältnis 2 wenigstens 47, jedoch höchstens 53. Die Menge an Niob, Titan und Aluminium zusammen genommen beträgt 3 - 7 Atom% der Legierung, wobei das Verhältnis von Niob, Titan und Aluminium in Gew. % so gewählt wird, daß das Verhältnis %Nb: %Ti = 3:1 bis 8:1 und das Verhältnis von %Ti:%Al ≥ 1:1 beträgt. Für die in den Tabellen I und II angegebene Legierung kann der Härtergehalt in Gewichtsprozent unter Verwendung der folgenden vereinfachten Beziehung mit angemessener Genauigkeit in Atomprozent umgerechnet werden: Atomprozent Härter 0,62(%Nb) + 1,20 (%Ti) + 2,13 (%Al). Molybdän und Chrom werden auf Gewichtsprozentbasis so bemessen, daß das Verhältnis %Mo : %Cr ≤ 1:2 beträgt, wenn mehr als ca. 0.5 % Molybdän vorliegen. Vorzugsweise beträgt die Summe %Mn + %V + %Cu + %W ≤ 2 und ist der Anteil des Molybdäns auf ca. höchstens 0,5 % beschränkt, beträgt die Summe %Mn + %Mo + %V + %Cu + %W ≤ 2. Außerdem können als Rückstände aus zugesetzten Desoxidations- und/oder Entschwefelungsmitteln noch bis zu ca. höchstens 0,01 % jeweils an Calcium, Magnesium und/oder Cer enthalten sein.
Die obige Tabelle dient als geeignete Zusammenfassung und ist nicht als Einschränkung der unteren oder oberen Werte der Bereiche der einzelnen Elemente der erfindungsgemäßen Legierung für die ausschließliche Kombination untereinander oder als Einschränkung der breiten, mittleren bzw. bevorzugten Bereiche der einzelnen Elemente für die ausschließliche Verwendung in Kombination untereinander aufzufassen. Einer oder mehrere der breiten, mittleren und bevorzugten Bereiche können somit zusammen mit einem oder mehreren der übrigen Bereiche der übrigen Elemente verwendet werden. Außerdem kann ein breiter, mittlerer oder bevorzugter minimaler oder maximaler Wert eines Elements zusammen mit dem maximalen oder minimalen Wert für dieses Element aus einem der übrigen Bereiche verwendet werden.
Hier und in der gesamten Anmeldung bedeuten "Prozente" (%) "Gewichtsprozente", sofern nichts anderes angegeben ist. Außerdem gilt für Niob die übliche Menge an Tantal, wie sie in handelsüblichen Rohstoffen enthalten ist, die für die Herstellung von Niob- Legierungszusätzen zu handelsüblichen Legierungen verwendet werden.

Genaue Beschreibung

Bei der erfindungsgemäßen Legierung wirken Nickel, Kobalt und Eisen zusammen und bilden ein austenitisches Basisgefüge, das gegenüber sehr tiefen Temperaturen wärmebeständig ist. Nickel und Kobalt tragen beide zum niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie zur erhöhten Durchbiegungstemperatur der Legierung bei. Hier und in der gesamten Anmeldung bedeutet der Ausdruck "Wärmeausdehnungskoeffizient" den Durchschnittskoeffizienten der linearen Wärmeausdehnung innerhalb eines angegebenen Temperaturbereichs gewöhnlich von Raumtemperatur bis zu einer erhöhten Temperatur. Nickel, Kobalt und Eisen reagieren ebenfalls mit einem oder mehreren Elementen der Gruppe Niob, Titan, Aluminium und Silizium unter Bildung von intermetallischen Phasen in Form von intra- und/oder intergranulären Ausscheidungen vorwiegend infolge der Wärmeaushärtung und außerdem - wenn auch in geringerem Maße - während der Abkühlung nach dem Losungsglühen, wobei diese Wärmebehandlungen weiter unten näher behandelt werden. Nickel ist demnach in einer Menge von wenigstens 15 %, besser jedoch in einer Menge von wenigstens 20 % und vorzugsweise von wenigstens 22 % enthalten. Kobalt ist in der Legierung in einer Menge von wenigstens 22 %, besser jedoch in einer Menge von wenigstesn 23 % und vorzugsweise von wenigstens 24 % enthalten. Die besten Ergebnisse lassen sich bei wenigstens 23 % Nickel und wenigstens 25 % Kobält erzielen.
Die Vorteile, welche Nickel und Kobalt bieten, verringern sich bei höheren Anteilen dieser Elemente, so daß dann die zusätzlichen Kosten für diese Elemente nicht mehr aufgewogen werden. Außerdem verursacht eine zu hohe Menge an Nickel und/oder Kobalt anstelle eines gewissen Eisenanteils eine Zunahme des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Legierung. Nickel wird daher auf einen Gehalt von höchstens 32,5 %, besser jedoch von höchstens 32 % und vorzugsweise auf höchstens 30 %, und Kobalt auf einen Gehalt von höchstens 46 %, besser jedoch von höchstens 40 % und vorzugsweise auf höchstens 34 % beschränkt. Die besten Ergebnisse werden bei einem Gehalt von maximal 28 % Nickel und maximal 30 % Kobalt in der Legierung erzielt.
Chrom begünstigt die Korrosions- und Zunderbeständigkeit der Legierung bei erhöhter Temperatur und in der Legierung sind mindestens 3,0 %, besser jedoch mindestens 4,0 % und vorzugsweise mindestens 5,0 % Chrom vorhanden. Chrom hat jedoch eine zunehmend negative Wirkung auf die niedrige Wärmeausdehnung der Legierung, da zunehmend höhere Chrommengen zu einer Verringerung der Durchbiegungstemperatur und zu einer Erhöhung des Wärmeausdehnungskoeffizienten bis zur Durchbiegungstemperatur führen. In der Legierung sind daher maximal 10 %, besser jedoch maximal 8 % und vorzugsweise maximal 7,5 % Chrom vorhanden.
Niob, Titan und Aluminium, wenn vorhanden, tragen in erster Linie zur hohen Festigkeii der Legierung bei. Anteile des Niob, Titans und Aluminiums reagieren mit einem bestimmten Anteil des Nickels, Eisens und/oder Kobalts unter Bildung von verfestigenden Phasen während der Wärmeaushärtung der Legierung. Je nach der konkreten Zusammensetzung kann ein gewisser Teil der Phasen, und zwar die bekannten γ-', γ"-, η- und/oder δ-Phasen in der Legierung ausfallen. Außerdem fällt während der Warmbearbeitung intra- und/oder intergranulär eine Nickel, Kobalt, Niob und Silizium enthaltende globulare intermetallische Phase aus. Die Ni-Co-Nb-Si-Phase hat eine höhere Solvus-Temperatur als den übrigen, oben beschriebenen intermetallischen Phasen entspricht. Aufgrund der relativ hohen Solvustemperatur verbleibt eine erhebliche Menge der Ni-Co-Nb-Si-Phase bei Erwärmung der Legierung auf ca. 1121ºC (2050ºF) außerhalb der Lösung.
Zur Gewährleistung der Ausfällung einer ausreichenden Menge der verfestigenden Phasen zur Erzielung der für diese Legierung kennzeichnenden Kombination aus hoher Festigkeit und guter Zugspannungsduktilität sind in dieser Legierung mindestens 3 % oder 3,0 %, besser jedoch mindestens 3,5 % und vorzugsweise mindestens 4,0 % Niob und mindestens 0,3 %, besser jedoch mindestens 0,5 % und vorzugsweise mindestens 0,6 % Titan enthalten. Die Legierung kann bis zu 1 % Aluminium enthalten, vorzugsweise enthält sie jedoch mindestens 0,1 und besser noch mindestens 0,3 % Aluminium.
Zu hohe Mengen an Niob, Titan und Aluminium zeigen eine negative Wirkung auf den geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und die hohe Durchbiegungstemperatur, die für diese Legierung kennzeichnend sind. Außerdem führt eine zu hohe Niobmenge während der Erstarrung zur Bildung einer unerwünschten Menge einer Laves-Phase, d.h. von (Fe,Ni,Co)&sub2;(Nb,Si). Der Niobgehalt ist daher auf maximal 7 %, besser jedoch auf maximal 6,5 % und vorzugsweise auf maximal 6,0 % beschränkt. Beste Ergebnisse werden bei einem Niobgehalt von maximal 5,5 % erzielt. Zu hohe Mengen an Aluminium und/oder Titan in dieser Legierung haben einen negativen Einfluß auf die Zugfestigkeit und die Zugspannungsduktilität der Legierung zusätzlich zur negativen Wirkung auf die Wärmeausdehnungseigenschaften. Der Aluminiumgehalt der Legierung beträgt daher maximal 1 %, besser jedoch maximal 0,8 % und vorzugsweise maximal 0,6 %. Zu viel Titan wirkt sich außerdem negativ auf die Zunderbeständigkeit der Legierung aus, weshalb der Titangehalt in der Legierung maximal 2 %, besser jedoch maximal 1,8 % und vorzugsweise maximal 1,5 % beträgt. Beste Ergebnisse werden bei einem Titangehalt von maximal 1,0 % erzielt.
Niob, Titan und Aluminium werden innerhalb ihrer Bereiche genau eingestellt, um die für diese Legierung einzigartige Kombination aus Festigkeit, Duktilität, niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und Zunderbeständigkeit zu gewährleisten. Die kombinierte Menge an Niob, Titan und Aluminium in der Legierung beträgt daher 3 bis 7 Atomprozent und vorzugsweise 4 bis 6 Atomprozent. Der Gewichtsprozentanteil an Niob, Titan und Aluminium wird außerdem so gewählt, daß das Verhältnis von %Nb zu %Ti 3:1 bis 8:1, besser jedoch 4:1 bis 8:1 und vorzugsweise 4:1 bis 7:1, und das Verhältnis %Ti zu %Al mindestens 1:1, vorzugsweise 1:1 bis 4:1 beträgt.
In dieser Legierung ist wenigstens auch eine geringe, jedoch wirksame Menge an Silizium enthalten, da dieses zur Lebensdauer bis zum Bruch und zur Kombination aus Glattbruch- und Kerbbruchduktilität der Legierung durch Reaktion mit Nickel, Kobalt und Niob, wie oben beschrieben, unter Bildung der Ni-Co-Nb-Si-Phase beiträgt. Silizium begünstigt auch die Zunderbeständigkeit dieser Legierung. Der Siliziumgehalt beträgt somit mindestens 0,1 %, besser jedoch mindestens 0,2 %. Zu viel Silizium beeinflußt die Zugfestigkeit und Streckgrenze der Legierung negativ und begünstigt die Bildung unerwünschter Mengen an Laves-Phase, d.h. (Fe,Ni,Co)&sub2;(Nb,Si) während der Erstarrung. Der Siliziumgehalt der Legierung beträgt daher höchstens 0,8 %, besser jedoch höchstens 0,7 % und vorzugsweise höchstens 0,5 %.
In der Legierung können auch noch andere Elemente als fakultative Zusätze enthalten sein. So kann z.B. wenigstens eine geringe, aber wirksame Menge an Bor in der Legierung enthalten sein. Sie beträgt vorzugsweise mindestens 0,002 %. Gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die Legierung 0,005 % Bor enthält. Man nimmt an, daß die geringe Bormenge die Ausscheidung unerwünschter Phasen an den Korngrenzen verhinden und dadurch die Lebensdauer unter Zugspannung bis zum Bruch und die Zugspannungsduktilität verbessert. Der Borgehalt ist jedoch auf einen maximalen Gehalt von 0,02 % und vorzugweise von 0,01 % beschränkt.
Aus denselben Gründen wie für Bor angeführt kann die Legierung bis zu 0,1 % und vorzugsweise bis zu 0,05 % Zirkonium enthalten.
Zur Verbesserung der Lochfraßbeständigkeit bei leicht korrodierender Atmosphäre wie z.B. in Klimaten mit hoher Luftfeuchtigkeit bzw. bei salzhaltigen Medien kann die Legierung bis zu 3 % Molybdän enthalten, wobei dadurch ein gewisser Teil des Chroms ersetzt wird, mit der Maßgabe, daß das Verhältnis von Molybdän : Chrom ein Gewichtsprozentverhältnis von 1 : 2 nicht überschreitet. Da Molybdän den niederen Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Legierung negativ beeinflußt, wird es vorzugsweise auf höchstens 0,5 % und besonders bevorzugt auf höchstens 0,2 % beschränkt.
Die Legierung kann auch noch andere von den Schmelzbedingungen herrührende Elemente in Restmengen enthalten. So kann z.B. maximal 1,0 %, besser jedoch max. 0,5 % und vorzugsweise maximal 0,2 % Mangan und jeweils bis zu maximal 0,5 %, vorzugsweise bis zu maximal 0,2 % Vanadin, Kupfer und/oder Wolfram in der Legierung vorhanden sein. Die Summe von %Mn + %V + %Cu + %W oder aber, wenn der Molybdängehalt auf maximal ca. 0,5 % beschränkt ist, die Summe von %Mn + %Mo + %V + %Cu + %W beträgt vorteilhafterweise nicht mehr als maximal 2 % und vorzugsweise nicht mehr als maximal 1 %, da diese Elemente eine negative Wirkung auf die Durchbiegungstemperatur der Legierung und den Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.
Jeweils bis zu maximal 0,01 % und vorzugsweise bis zu maximal 0,005 % Calcium, Magnesium und/oder Cer können als Rückstände aus Desoxidations- und/oder Entschwefelungsmitteln enthalten sein und ebenfalls die erwünschten mechanischen Eigenschaften wie Zugverformbarkeit bei erhöhter Temperatur und Zugspannungsduktilität begünstigen.
Abgesehen von den üblichen Verunreinigungen in handelsüblichen Legierungen für denselben oder einen ähnlichen Verwendungszweck entfällt der Restgehalt der Legierung auf Eisen. Die Mengen dieser Verunreinigungen müssen jedoch so eingestellt werden, daß sie die erwünschten Eigenschaften nicht negativ beeinflussen. In dieser Hinsicht ist der Kohlenstoffgehalt auf maximal 0,2 %, besser jedoch auf maximal 0,1 % und vorzugsweise auf maximal 0,05 % bschränkt. Der Phosphorgehalt ist auf maximal 0,015 %, besser jedoch auf maximal 0,010 % und vorzugsweise auf maximal 0,005 %, und der Schwefelgehalt auf maximal 0,010 % und vorzugsweise auf maximal 0,005 % begrenzt.
Ein Vorteil der vorliegenden Legierung besteht darin, daß Nickel, Kobalt, Chrom und Eisen so eingestellt werden, daß eine überaus wünschenswerte Kombination aus Zunderbeständigkeit und gesteuerter Wärmeausdehnung innerhalb eines weiten Temperaturbereichs z.B. von Raumtemperatur bis ca. 649ºC (1200ºF) erreicht wird. Wie bereits oben ausgeführt, weist die Legierung ein im wesentlichen austentisches Basisgefüge auf. Berücksichtigt man, daß die Ausscheidungsreaktionen, welche während der geeigneten Lösungsglüh- und Wärmeaushärtungsbehandlung die verfestigenden Phasen bilden, auch den Nickel- und Kobaltgehalt im Basisgefüge verringern, wird das Mengenverhältnis der Elemente entsprechend den nachfolgenden Verhältnissen eingestellt, um die erwünschte Kombination aus Zunderbeständigkeit und niederem Wärmeausdehnungskoeffizienten nach den genannten Wärmebehandlungen zu erreichen: (Verh. 1) (Verh. 2)
Die Elemente Ni, Co, Fe, Cr, Nb, Al und Ti werden gemäß den obengenannten Verhältnissen so eingestellt, daß das Verhältnis 1 0,3 - 1,3, besser jedoch 0,3 - 1,2 und vorzugsweise 0,4 - 1,0 und für beste Ergebnisse 0,4 - 0,7, und das Verhältnis 2 47 - 53, besser jedoch 47 - 52 und vorzugsweise 48 - 52 beträgt.
Die erfindungsgemäße Legierung wird unter Verwendung von Vakuumschmelztechniken rasch geschmolzen und in verschiedene Formen gegossen. Zur Erzielung bester Ergebnisse wird, wenn eine zusätzlich Feinung erwünscht ist, ein Mehrfachschmelzprozeß bevorzugt. So z.B. besteht die bevorzugte industrielle Praxis darin, daß man in einem Vakuuminduktionsofen (VIM) die Schmelze gewinnt und diese dann in Form einer Elektrode vergießt. Die Elektrode wird dann vorzugsweise in einem Vakuumlichtbogenofen (VAR) erneut geschmolzen und dann zu einem Block umgegossen. Eine zufriedenstellende Feinung ergibt sich auch beim Elektroschlackeumschmelzen (ESR). Blöcke aus dieser Legierung werden gewöhnlich zur Minimierung von Zusammensetzungsgradienten und zur Entfernung bzw. Verminderung der gegebenenfalls enthaltenen Laves- Phase homogenisiert. Die Homogenisierung der Legierung erfolgt vorzugsweise während 24 Stunden oder länger bei Temperaturen zwischen 1121 und 1232ºC (2050 - 2250ºF), um die Porosität des Blocks nicht zu erhöhen.
Die Legierung kann einer Warmumformung unterzogen werden, beginnend mit einer Temperatur von etwa 1204ºC (2200ºF) bis zu ihrer Rekristallisationstemperatur, jedoch vorzugsweise von etwa 1149 - 1038ºC (2100 - 1900ºF) an. Die Halbwarmumformung der Legierung kann bis zu einer Temperatur durchgeführt werden, die entsprechend unterhalb der Rekristallisationstemperatur liegt, wie z.B. bis zu einer Temperatur von etwa 927ºC (1700ºF). Das Lösungsglühen der Legierung wird vorzugsweise nach der Warm- oder Halbwarmumformung durchgeführt. Die Legierung wird vorzugsweise bei etwa 982 - 1149ºC (1800 - 2100ºF) während einer Zeitdauer lösungsgeglüht, die der Größe des warmumgeformten Erzeugnisses entspricht. Das Lösungsglühen erfolgt daher bei dieser Temperatur während etwa 1 Stunde pro Inch Metalldicke, mindestens aber während 1/4 Stunde. Auf das Lösungsglühen der Legierung folgt die Abkühlung des Erzeugnisses vorzugsweise an der Luft. Die Abkühlung der Legierung von der Lösungs-glühtemperatur kann, wenn erwünscht, auch schneller erfolgen z.B. durch Abschrecken mit Wasser.
Die Aushärtung der Legierung bei normaler Temperatur erfolgt vorzugsweise dadurch, daß man die Legierung mindestens ca. 4 Stunden auf etwa 677 - 843ºC (1250 - 1550ºF) erwärmt. Danach erfolgt eine kontrollierte Abkühlung z.B. durch Ofenabkühlung mit einer Geschwindigkeit, die vorzugsweise nicht höher ist als etwa 55,6ºC/h (100ºF/h), auf eine Temperatur im Bereich von 38 - 677ºC (1000 - 1250ºF), wonach diese Temperatur mindestens ca. 4 Stunden gehalten wird.

Beispiele

Als Beispiel wurden die Schmelzen 1 - 10 der erfindungsgemäßen Legierung hergestellt, deren Zusammensetzungen in Tabelle II (in Gew.%) angegeben sind. Die Schmelzen 1 - 10 wurden aus 7,7 kg (17 lb) vergossen. Die VIM-Schmelzen ergaben Quadratblöcke von 6,99 cm (2 3/4 Inch) Seitenlänge. Alle Schmelzen wurden durch Zusatz von 0,05 % Calcium desoxidiert. Die Schmelzen 1 - 4 unterscheiden sich erheblich in bezug auf die härtenden Legierungselemente Titan, Aluminium und Niob, die Schmelzen 5 - 8 in bezug auf Chrom und die Schmelzen 9 und 10 in bezug auf Silizium. Alle Blöcke wurden homogenisiert, danach bei 1121ºC (2050ºF) zu 3,81 cm (1 1/2 Inch)-Vierkantstäben preßgeschmiedet, erneut auf 1066ºC (1950ºF) erwärmt, zu 2,54 cm (1 Inch)-Vierkantstäben preßgeschmiedet, erneut auf 1066ºC (1950ºF) erwärmt und danach zu 1,91 cm (3/4 Inch)-Vierkantstäben preßgeschmiedet.
Aus jedem der gepreßten Vierkantstäbe wurden Rohlinge für die für den Zugversuch und den kombinierten Zeitstandglatt- und -kerbbruchversuch sowie für den Wärmeausdehnungs-, Korrosions- und Zunderbeständigkeitsversuch bestimmten Probestäbe geschnitten.
Sämtliche Rohlinge wurden in Längsrichtung ausgeschnitten. Die Rohlinge für die Schmelzen 1 und 9 wurden durch Lösungsglühen bei 1038ºC (1900ºF) während einer Stunde wärmebehandelt und dann an der Luft abgekühlt, anschließend bei 718ºC (1325ºF) Tabelle II Schm. Verh. Rest Der Rest umfaßt übliche Verunreinigungen wie z.B. < 0,01 % Cu, < 0,01 % W, < 15 ppm Ca, < 20 ppm O oder N. * Bezogen auf 0,62 (%Nb) + 1,20 (%Ti) + 2,13 (%Al).
8 Stunden lang gealtert, bei einer Geschwindigkeit von 55,6ºC/h (100ºF/h) auf 621ºC (1150ºF) und unter Halten bei dieser Temperatur während 8 Stunden ofenabgekühlt und danach an der Luft abgekühlt. Die Rohlinge für die Schmelzen 2 - 8 und 10 wurden durch Lösungsglühen bei 1093ºC (2000ºF) wärmebehandelt und dann ähnlich wie die Schmelzen 1 und 9 gealtert. Das Lösungsglühen wurde ausgewählt, um bei allen Probestäben zu einer ähnlichen Korngröße zu gelangen.
Nach der Wärmebehandlung wurden die Rohlinge aus jeder Schmelze, wenn nicht anders angegeben, einer spanabhebenden Endbearbeitung zu den nachfolgend aufgeführten Probestaben unterzogen: Gegenprobenprüfstäbe für den Zugversuch unterhalb der Normgröße mit einem Eichdurchmesser von 0,64 cm (0,252 Inch) entsprechend ASTM Spec. E8, A370; Gegenprobenstandardprüfstäbe für den kombinierten Zeitstandglatt- und -kerbbruchversuch gemäß ASTM Spec. E292 mit einem Eichdurchmesser von 0,452 cm (0,178 Inch) und einem Kerbdurchmesser von 0,452 cm (0,178 Inch) zur Gewährleistung eines Kt-Werts von 3,8, hergestellt durch Schleifen unter geringem Druck: Dilatometerprobestäbe mit einer Länge von 5,08 cm (2 Inch) und einem Durchmesser von 0,508 cm (0,2 Inch) für den Wärmeausdehnungsversuch; konische Probestäbe für die Korrosionsprüfung mit einem Spitzenwinkel von 60º; und zylindrische Probestäbe für die Zunderbeständigkeitsprüfung mit einem Durchmesser von 1,27 cm (1/2 Inch) und einer Länge von 1,27 cm (1/2 Inch). Die Kegelflächen der Prüfstäbe für die Korrosionsprüfung wurden poliert und die Enden der Probestäbe für die Zunderbeständigkeitsprüfung wurden parallel und flach geschliffen.
Die Ergebnisse der bei Raumtemperatur durchgeführten Zugversuche sind in Tabelle III zusammengefaßt. Die Ergebnisse der Zugversuche in Tabelle III umfassen die 0,2 %- Dehngrenze (Y.S.) und die Bruchfestigkeit (U.T.S.) in MPa (ksi) sowie die Dehnung in Prozenten (% El.) und die prozentuale Verminderung der Querschnittsfläche (% R.A.) für jeden der Gegenprobenprüfstäbe für den Zugversuch. Tabelle III Schm.Nr.
Der Zeitstandbruchversuch erfolgte anhand der kombinierten glatten/gekerbten Prüfstäbe durch Anlegen einer konstanten Belastung bei 649ºC (1200ºF) zur Erzeugung einer Anfangsspannung von 510 MPa (74 ksi). Die Ergebnisse des Zeitstandbruchversuchs sind in Tabelle IV zusammengefaßt und umfassen die Zeitdauer bis zum Bruch in Stunden (Rupt. Life) sowie die Dehnung in Prozent (% El.) für jeden der Gegenprobenprüfstäbe. Tabelle IV Schm.Nr. Rupt. Life Kerbbruch * Der Prüfstab war bereits beschädigt, bevor er geprüft werden konnte.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Durchbiegungstemperatur wurden bei jedem Beispiel ausgehend von den Ausdehnungsmessungen mit Hilfe eines Differentialdilatometers unter Anhebung der Temperatur bei jedem Prüfstab von Raumtemperatur auf die in den einzelnen Spalten von Tabelle V angeführte Temperatur bestimmt, wobei ungefähr alle 8,3ºC (15ºF) eine Messung durchgeführt wurde. Die Ergebnisse der Ausdehnungsprüfung sind der Durchschnittskoeffizient der linearen Wärmeausdehnung ausgehend von der Raumtemperatur bis zur angeführten Temperatur. Die Durchbiegungstemperaturen wurden nach der Tangentenschnittpunktmethode ermittelt. Die Ergebnisse der Ausdehnungsprüfung für die beispielhaften Schmelzen sind in Tabelle V zusammengefaßt und umfassen den Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie die Durchbiegetemperatur in Grad Celsius (ºC) (in Grad Fahrenheit /ºF/). Tabelle V Mittlerer Wärmeausdehnungskoeffizient X 10&supmin;&sup6;/ºC (X 10&supmin;&sup6;/ºF) von Raumtemperatur auf Schm.Nr. Durchbiegungstemp.
Die Prüflinge für die Korrosionsprüfung wurden in einem Salzsprühnebel mit 5 % NaCl bei 35ºC (95ºF) gemäß ASTM Standard Method B 117 geprüft. Die Ergebnisse der Salzsprühnebelprüfung für die Schmelzen 1 - 10 sind in Tabelle VI zusammengefaßt. Die Daten umfassen die Zeitdauer bis zum ersten Auftreten von Rost (1. Rost) in Stunden (h) und eine Bewertung des Korrosionsgrades nach 200 Stunden (Bew. nach 200 h). Es wurde dabei folgende Bewertungsskala verwendet: 1 = kein Rost, 2 = 1 bis 3 Rostflecken, 3 = ca. 5 % der Oberfläche rostig, 4 = 5 bis 10 % der Oberfläche rostig, 5 = 10 bis 20 % der Oberfläche rostig, 6 = 20 bis 40 % der Oberfläche rostig, 7 = 40 bis 60 % der Oberfläche rostig, 8 = 60 bis 80 % der Oberfläche rostig, 9 = mehr als 80 % der Oberfläche rostig. Es wurde jeweils nur die Kegelfläche jedes Prüflings auf Rost geprüft. Tabelle VI Schmelze Nr. 1. Rost Bew. nach 200 h *Nach 5 Stunden wurde kein Rost festgestellt, die nächste Bewertung erfolgte nach 24 Stunden.
Die Prüflinge für die Zunderbeständigkeitsprüfung für die Schmelzen 5 bis 10 wurden gereinigt, entfettet und dann in einen Ofen bei 104ºC (220ºF) gegeben, um die Feuchtigkeit zu entfernen. Die getrockneten Prüflinge wurden dann jeweils gewogen und in einen glasierten Porzellantiegel gegeben, wonach der Tiegel gewogen wurde. Die Tiegel wurden dann in einen Ofen mit unbewegter Luft gegeben und 100 Stunden lang bei einer Ofentemperatur von 677ºC (1250ºF) erwärmt. Nach ihrer Entfernung aus dem Ofen wurden die Tiegel auf Raumtemperatur abgekühlt. Danach wurden die Prüflinge erneut zusammen mit den Tiegeln und ohne diese gewogen.
Die Ergebnisse der Zunderbeständigkeitsprüfung in unbewegter Luft sind in Tabelle VII zusammengefaßt einschließlich der Gewichtszunahme durch die Oxidation (Gew. Zun.) in Milligram pro Quadratdezimeter (mg/dm²). Die Schmelzen 1 bis 4 wurden nicht auf Zunderbeständigkeit geprüft, da nicht angenommen wurde, daß die Unterschiede zwischen ihnen bezüglich des Härtergehalts einen erheblichen Unterschied in der Zunderbeständigkeit bewirken, verglichen mit den Unterschieden im Chromgehalt der Schmelzen 5 bis 8 und mit den Unterschieden im Si-Gehalt der Schmelzen 9 und 10. Tabelle VII Schm.Nr. Gew.Zun.
Die Ergebnisse in den Tabellen III bis VII zeigen die einzigartige Kombination von Eigenschaften, die durch die erfindungsgemaße Legierung, welche hohe Zugfestigkeit und Duktilität, hohe Zugspannungsfestigkeit und -duktilität, einen günstigen Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie eine hohe Korrosions- und Zunderbeständigkeit bei erhöhter Temperatur umfaßt, gewährleistet wird.
Die erfindungsgemäße Legierung kommt für die verschiedensten Verwendungszwecke in Frage, bei denen hohe Festigkeit, niedere Wärmeausdehnung und hohe Korrosionsbeständigkeit und/oder Zunderbeständigkeit gefordert sind. So z.B. ist die Legierung geeignet für Teile von Triebwerken von Düsenflugzeugen und Gasturbinen einschließlich - jedoch nicht darauf beschränkt - Abstandshaltern, Motorgehäusen, Diffusoren, Rohrleitungen, Scheiben, Ringen, Befestigungselementen und anderen Motorbauteilen. Außerdem ist die Legierung geeignet für Werkzeuge für das Fließpressen und/oder den Druckguß von Werkstoffen wie Aluminium und Al-Legierungen einschließlich von Erzeugnissen wie Matrizenblöcke und Preßscheiben für das Fließpressen, Preßbüchsen sowie Ziehdüsen für den Druckguß und Ziehdüsenteile. Die Legierung ist auch geeignet für Bauteile für die Herstellung von Teilen aus aushärtenden Verbundwerkstoffen, bei denen ein niedriger Wäremausdehnungskoeffizient erwünscht ist, um Warmrißbildung zu verhindern und eine Fehlanpassung an das herzustellende Teil bezüglich der Ausdehnung zu vermeiden. Die Legierung ist außerdem gut geeignet für die Herstellung von Teilen, die durch Heißverformungstechniken wie Loten oder Schweißen hergestellt werden müssen. Die Legierung ist natürlich auch für die Verwendung für eine Reihe von Erzeugnisformen wie Gußstücken, Blöcken, Stangen, Blechen, Bändern, Stäben, Drähten oder Pulvern geeignet.
Aus der obigen Beschreibung und den Beispielen geht hervor, daß die erfindungsgemäße Legierung eine einzigartige Kombination aus gesteuerter Wärmeausdehnung, Zugfestigkeits- und Zugspannungseigenschaften sowie Korrosions- und Zunderbeständigkeit bei erhöhter Temperatur gewährleistet. Außerdem kann die Legierung mit allgemein bekannten Tech-niken bearbeitet und wärmebehandelt werden und erfordert bei der Einwirkung von Betriebstemperaturen bis zu 649ºC (1200ºF) oder darüber keinerlei Schutzbeschichtung.

Claims

1. Ausscheidungsverfestigbare Legierung auf Nickel- Kobalt-Eisengrundlage, enthaltend, in Gewichtsprozent,

Kohlenstoff 0,2 max.

Mangan 1 max.

Silizium 0,1-0,8

Phosphor 0,015 max.

Schwefel 0,010 max.

Chrom 3,0-10

Nickel 15-32,5

Molybdän 3 max.

Kobalt 22-46

Titan 0,3-2

Aluminium 1 max.

Niob 3-7

Vanadium 0,5 max.

Zirkon 0,1 max.

Bor 0,02 max.

Kupfer 0,5 max.

Wolfram 0,5 max.,

Rest Eisen und zufällige Verunreinigungen, worin

c) die kombinierte Menge Niob, Titan und Aluminium 3-7 Atomprozent der Legierung beträgt,

d) Niob, Titan und Aluminium in solchen Gewichtsprozentanteilen vorliegen, daß das Verhältnis %Nb:%Ti = 3:1 bis 8:1 und das Verhältnis %Ti:%Al ≥ 1:1 beträgt, und

e) Molybdän und Chrom in solchen Gewichtsprozentanteilen vorliegen, daß das Verhältnis %Mo:%Cr ≤ 1:2 ist.

2. Legierung nach Anspruch 1, enthaltend höchstens 0,5% Molybdän, wobei %Mn + %Mo + %V + %Cu + %W ≤ 2 ist.

3. Legierung nach Anspruch 1, enthaltend nicht mehr als 8% Chrom.

4. Legierung nach Anspruch 3, enthaltend mindestens 4,0% Chrom.

5. Legierung nach Anspruch 1, worin

6. Legierung nach Anspruch 1, worin Niob, Titan und Aluminium in solchen Gewichtsprozentanteilen vorliegen, daß das Verhältnis %Nb:%Ti = 4:1 bis 8:1 und das Verhältnis %Ti:%Al = 1:1 bis 4:1 ist.

7. Ausscheidungsverfestigbare Legierung auf Nickel- Kobalt-Eisengrundlage nach Anspruch 1, enthaltend, in Gewichtsprozent,

Kohlenstoff 0,1 max.

Mangan 0,5 max.

Silizium 0,1-0,7

Phosphor 0,010 max.

Schwefel 0,010 max.

Chrom 3,0-8

Nickel 20-32

Molybdän 0,5 max.

Kobalt 23-40

Titan 0,3-1,8

Aluminium 0,8 max.

Niob 3,0-6,5

Vanadium 0,5 max.

Zirkon 0,1 max.

Bor 0,02 max.

Kupfer 0,5 max.

Wolfram 0,5 max.,

Rest Eisen und zufällige Verunreinigungen, worin

f) %Mn + %Mo + %V + %Cu + %W ≤ 2.

8. Legierung nach Anspruch 7, enthaltend mindestens 4,0% Chrom.

9. Legierung nach Anspruch 8, enthaltend nicht mehr als 7,5% Chrom.

10. Legierung nach Anspruch 7, worin

11. Legierung nach Anspruch 7, worin Niob, Titan und Aluminium in solchen Gewichtsprozentanteilen vorliegen, daß das Verhältnis %Nb:%Ti = 4:1 bis 8:1 und das Verhältnis %Ti:%Al = 1:1 bis 4:1 ist.

12. Ausscheidungsverfestigbare Legierung auf Nickel- Kobalt-Eisengrundlage nach Anspruch 7, enthaltend, in Gewichtsprozent,

Kohlenstoff 0,05 max.

Mangan 0,2 max.

Silizium 0,2-0,5

Phosphor 0,005 max.

Schwefel 0,005 max.

Chrom 4,0-7,5

Nickel 22-30

Molybdän 0,2 max.

Kobalt 24-34

Titan 0,5-1,5

Aluminium 0,1-0,8

Niob 3,5-6,0

Vanadium 0,2 max.

Zirkon 0,05 max.

Bor 0,002-0,01

Kupfer 0,2 max.

Wolfram 0,2 max.,

Rest Eisen und zufällige Verunreinigungen, worin

c) die kombinierte Menge an Niob, Titan und Aluminium 4-6 Atomprozent der Legierung beträgt,

d) Niob, Titan und Aluminium in solchen Gewichtsprozentanteilen vorliegen, daß das Verhältnis %Nb:%Ti = 4:1 bis 8:1 und das Verhältnis %Ti:%Al = 1:1 bis 4:1 ist, und

g) %Mn + %Mo + %V = %Cu + %W ≤ 1.

13. Gegenstand, gebildet aus einer ausscheidungsverfestigbaren Legierung auf Nickel-Kobalt-Eisengrundlage, enthaltend, in Gewichtsprozent,

Kohlenstoff 0,2 max.

Mangan 1 max.

Silizium 0,1-0,8

Phosphor 0,015 max.

Schwefel 0,010 max.

Chrom 3,0-10

Nickel 15-32,5

Molybdän 3 max.

Kobalt 22-46

Titan 0,3-2

Aluminium 1 max.

Niob 3-7

Vanadium 0,5 max.

Zirkon 0,1 max.

Bor 0,02 max.

Kupfer 0,5 max.

Wolfram 0,5 max.,

Rest Eisen und zufällige Verunreinigungen, worin

14. Gegenstand nach Anspruch 13, worin Niob, Titan und Aluminium in solchen Gewichtsprozentanteilen vorliegen, daß das Verhältnis %Nb:%Ti = 4:1 bis 8:1 und das Verhältnis %Ti:%Al = 1:1 bis 4:1 ist.