IT8224403A1 - Superlega a base di nichel - Google Patents
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Description
DOCUMENTAZIONE
RILEGATA
SUPERLEGA A BASE DI NICHEL
R I A S S U N T O
Le superleghe a base di nichel contenenti Ni, Al, Mo e W sono dotate di resistenza migliorata all'ossidazione attraverso l'aggiunta di quantit? coordinate di Cr, Ta ed Y. Le leghe risultanti hanno resistenza all'ossidazione e propriet? meccaniche ad elevata temperatura che sono superiori a quelle delle altre superleghe.
TESTO DELLA DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda il campo delle superleghe a base di nichel che hanno sia resistenza eccezionale all'ossidazione che eccezionali propriet? meccaniche ad alta temperatura.
Precedenti ricercatori hanno lavorato con le leghe basate sul sistema Ni-Al-Mo. Questo lavoro viene tipificato dai brevetti U.S.A N? 2.542.962 e 3.933.483.
Il brevetto U.S.A. N? 3.904.4G3 suggerisce l'aggiunta di 0,l-3? atomico (totale) di uno o pi? elementi scelti da un gruppo che include Cr, Ta e W al tipo Ni-Al-Mo di leghe.
Secondo la presente invenzione una classe di superleghe a base di nichel viene dotata di resistenza all'ossidazione sostanzialmente incrementata attraverso l'aggiunta di quantit? coordinate di Cr, Ta ed Y. Il comportamento migliorato all'ossidazione viene ottenuto senza detrimento notevole delle propriet? meccaniche.
L'ampia gamma di composizione ?5,8-7,8% Al, 8-12% Mo, 4-8% W, 2-4% Cr,
1-2% Ta, 0-D,3% Hf, 0,01-0,1% Y,'il resto essendo essenzialmente nichel. Una gamma preferita ? 6,3-7,3% Al, 8,3-11,3% Mo, 5-7% W, 2,5-3,5% Cr, 1-2% Ta, 0,05-0,2% Hf, 0,01-0,07% Y.
Le leghe entro queste gamme possono essere fabbricate in articoli utili usando tecniche di metallurgia delle polveri o possono essere colate alla dimensione e quindi trattate a caldo.
Di conseguenza ? uno scopo della presente invenzione quello di fornire superleghe a base di nichel resistenti all'ossidazione e con alta resistenza meccanica.
I precedenti ed altri scopi, caratteristiche e vantaggi della presente invenzione diverranno pi? chiari dalla seguente descrizione di forme di realizzazione preferite e dai disegni annessi in cui:
la Fig. 1 illustra l'effetto di variare il livello di ittrio sul comportamento all'ossidazione.
Le Figg. 2A, 2B e 2C sono microfotografie elettroniche di scansione illustranti la morfologia di ossido ottenuta con vari livelli di ittrio.
L? Fig. 3 illustra l'effetto di variare il livello di cromo sul comportamento all'ossidazione a 1093?C.
La Fig. 4 illustra l'effetto di variare il livello di cromo sul comportamento all'ossidazione a 1149?C.
La Fig. 5 illustra il comportamento di rottura per sollecitazione di diverse leghe.
La presente invenzione riguarda una superlega a base di nichel avente una gamma di composizione specifica e stretta che fornisce un'eccezionale combinazione di resistenza all'ossidazione e propriet? meccaniche ad alta temperatura. Le ampie e preferite gamme di composizione vengono riportate nelle tabelle 1 e 2 .Le tabelle sono in percentuali in peso come lo sono tutti gli altri valori percentuali in questa descrizione a meno di ove altrimenti specificato. La tabella 1 contiene anche i valori equivalenti in percentuale atomica. La particolare combinazione di costituenti Ni-Al-Mo ? simile sotto certi aspetti a quella descritta nei brevetti U.5.A. ND 2.542.962, 3.655.462, 3.094.403 e 3.933.483. Le leghe Ni-Al-Mo sono note per avere eccezionali propriet? meccaniche, tuttavia finora la loro stabilit? superficiale e resistenza all'ossidazione erano state imprevedibili e marginali per applicazioni a lungo termine.
Il nocciolo della presente invenzione risiede nell'aggiunta di quantit? attentamente coordinate di Cr, Ta, Y e facoltativamente Hf a queste leghe Ni-Al-Mo per migliorare in modo imprevedibilmente grande la resistenza all'ossidazione mentre contemporaneamente si mantiene o addirittura migliora le propriet? meccaniche.
Cr viene aggiunto per la resistenza all'ossidazione promuovendo la formazione di un ossido Al^O^ piuttosto che di un ossido basato su NiO. Per questo scopo almeno circa 2% Cr appare essere necessario. Aumentare il livello di Cr al di sopra di circa il 4? non appare fornire miglioramenti sostanziali rispetto a quelli ottenuti con circa 3% Cr.
Poich? il Cr riduce concomitantemente le propriet? meccaniche, aggiunte di Cr superiori a circa il 4? sono indesiderabili. Ta viene aggiunto per stabilizzare la microstruttura e Ta nei livelli indicati supera il deficit di propriet? meccaniche che risulta dalle aggiunte di Cr. Cos? i livelli di Cr e Ta sano in certa misura correlati ed un'ottima prestazione di lega verr? ottenuta coordinando i livelli Ta e Cr in modo tale che per elevati livelli di Cr, vengono impiegati elevati
livelli di Ta e per bassi livelli di Cr vengono impiegati bassi livelli di Ta
TABELLA I
COMPOSIZIONE AMPIA
Bassa Alta
(SS in peso) (% atomico) (? in peso) (% atomico) Ni (resto) (78,20) (78,65) (66,1) (66,15) Al 5,8 12,8 8 17,3
Mo 8,0 4,7 7,0
IAI 4.0 1,2 8,0 4
Cr 2.0 2,3 4,0 4,8
Ta 1,0 35 2,0 1,2
Y 0,01 0,01 0,1 0,03
Hf 0,0 0,0 0,0 ? 9
TABELLA 2
COMPOSIZIONE PREFERITA (? in peso)
Bassa Alta
1 resto resto
Al 6,3 7,3
Mo 8,3 11,5
5,,0 7.0
/
r 2,5 3,5
Ta 1Jn 2.0
Hf 0,0 0,2
0,01 0,7
Almeno un materiale scelto dal gruppo consistente in Y ed Hf deve anche essere
aggiunto. Tali elementi migliorano l'aderenza dell'ossido superficiale alle super-
leghe, in modo da ridurre lo sfaldamento e minimizzare la perdita di peso dovuta
all'ossidazione. Appare che da 0,1 a 0,3? in peso (totale) di questi elementi reaTa e Cr in modo tale che per elevati livelli di Cr, vengono impiegati elevati
livelli di Ta e per bassi livelli di Cr vengono impiegati bassi livelli di Ta.
TABELLA I
COMPOSIZIONE AMPIA
_ Bassa Alta
(? in peso) (? atomico) (? in peso) (S*? atomico) Al 5,80000 12,54857 7,80000 17,31859
Mo 8,00000 4,86768 12,00000 7,49317
W? 4.00000 1,27007 8,00000 2,60682
Cr 2.00000 2,24539 4.00000 4,60865
Ta 1,00000 0,32261 2.00000 0,66216
Y 0,01000 0,00657 0,10000 0,06738
Hf 0,00000 0,00000 0,30000 0,10069
Ni 79,19002 78,73912 65,80003 67,14255 Totale 100,00000 99,99998 100,00000 99,99997
TABELLA 2
COMPOSIZIONE PREFERITA (K in peso)
Bassa Alta
Ni resto resto
Al 6,3 7,3
Mo 8,3 11,5
W 5 , 0 7.0
Cr 2 , 5 3 ,5
Ta 1 , 0 2.0
Hf 0 ,0 0, 2
Y 0 ,01 0 , 7
Almeno un materiale scelto dal gruppo consistente in Y ed Hf deve anche essere
aggiunto. Tali elementi migliorano l'aderenza dell'ossido superficiale alle super-
leghe, in modo da ridurre lo sfaldamento e minimizzare la perdita di peso dovuta
all'ossidazione. Appare che da 0,1 a 0,3?? in peso (totale) di questi elementi realizzer? la funzione richiesta con la gamma preferita che ? da 0,02 a 0,2% (totale) ed V essendo preferibilmente presente in una quantit? di almeno 0,01-0,07%.
Le Figg. 1, 2 e 3 aiuteranno ad illustrare gli effetti degli elementi precedentemente riportati. Le figure elencano le composizioni di lega provate e mostrano la variazione di peso durante la prova all'ossidazione. Si comprender? che quando una lega si ossida, essa inizialmente guadagna peso come risultato della formazione di uno strato di ossido. Successivamente, se questo strato di ossido si sfalda, ne risulter? una perdita di peso e lo strato di ossido di si riformer?. Lo sfaldamento dell'ossido e la perdita di peso risultante sono indesiderabili poich? ci? risulta nello svuotamento degli elementi formatori di ossido nel substrato sottostante. Lo sfaldamento dell'ossido pu? procedere fino al punto in cui la lega ? incapace di riformare lo strato di ossido protettivo desiderato in ci? che forma uno strato di ossido non protettivo. A questopunto l'ossidazione diventa sempre pi? rapida ed incontrollata ed infine il campione verr? distrutto. Poich? la maggior parte delle leghe derivano la loro resistenza all'ossidazione dalla formazione di uno strato di ossido protettivo, il comportamento desiderabile di cambiamento di peso ? un leggero aumento iniziale nel peso indicante la formazione di uno strato di ossido protettivo seguito essenzialmente da nessuna variazione di peso (oppure un aumento molto leggero).
Il risultato critico ed inaspettato delle aggiunte di ittrio viene illustrato in Fig. 1. Questa figura mostra la perdita di peso subita da diverse leghe con differenti livelli di ittrio, dopo prova ciclica a 1204?C per 50 cicli di un'ora. E' chiaro che per la lega di base provata (10% Mo, 6,7% Al, 6? W, 3% Or, 1,5515 Ta, 1% Hf, il resto Ni) le aggiunte da circa 0,01 a circa 0,06% di Y producono un miglioramento notevole nel comportamento all'ossidazione. Bench? ? stato in precedenza osservato che Y pu? migliorare le prestazioni all'ossidazione di rivestimenti (brevetti U.5.A. N? 3.676.085 e 3.754.903) e di leghe (brevetto U.S.A.
N? 3.754.903) non era mai stato mostrato per quanto si sappia che i livelli di Y superiori a circa 0,1% fossero dannosi.
I risultati mostrati nella Fig. 1 possono essere spiegati attraverso il rifer?-, mento alle Figg. 2A, 2B e 20 che sono fotografie SEM (a 3000 ingrandimenti) della superficie ossidata di tre campioni. La composizione di campione nominale ? quella mostrata in Fig. 2. La Fig. 2A ? di un campione contenente 0,1% Hf e meno di 0,002% Y. La Fig. 2B ? di un campione contenente 0,1% Hf e 0,029% Y. La Fig. 20 ? di un campione contenente 0,1% Hf e 0,073% Y.
Le Figg. 2A e 2C mostrano entrambe una morfologia di ossido irregolare grossolana e mostrano evidenza di sfaldamento dell'ossido mentre la Fig. 2B mostra evidenza di una morfologia di ossido aderente. Cos? le Figg. 1? 2A, 2B e 2C chiaramente mostrano che una quantit? critica limitata di Y produce un miglioramento sostanziale del comportamento all'ossidazione.
Le Figg. 3 e 4 illustrano che un livello di cromo critico ? necessario per una ottima resistenza all'ossidazione. La Fig. 3 mostra l'effetto di variare il contenuto di Cr sul comportamento all'ossidazione di una lega di base contenente 10% Mo, 7,4% Al, 6% W, 1,5% Ta, 0,1% Y ed il resto Ni. Si pu? vedere che nelle condizioni di prova (500 cicli di un'ora di ossidazione al forno a 1093?C) si ottiene la desiderata variazione minima di peso con livello di Cr di circa 3%.
La Fig. 4 raggiunge lo stesso punto usando dati di ossidazione ciclica generati a 1149<D>C. La Figura mostra la variazione in peso come funzione del tempo nella prova. Quattro curve vengono tracciate per una lega di base contenente
10% Mo, 6,6% Al, 1,5% Ta, 0,1% Y ed il resto Ni (con livelli di Cr variabili).
L'effetto di aumentare il Cr ? quello di far ruotare le curve verso l'alto verso l'orizzontale (o variazione zero del peso).
Le Figg. 3 e 4 illustrano che un livello di Cr di circa 3?i ? necessario per fornire buon comportamento all'ossidazione in questa classe di leghe.
Le propriet? meccaniche delle leghe Al-Mo sono state mostrate nella precedente letteratura di essere superiori sotto molto aspetti a quelle delle superleghe convenzionali. La presente invenzione con le aggiunte equilibrate di Cr, Ta, Y e/o Hf raggiunge un comportamento all'ossidazione sostanzialmente migliorato in combinazione con propriet? meccaniche che sono almeno equivalenti ed in alcuni casi superiori alle propriet? delle leghe Al-Mo-Ni della linea base. Ci? ? un contrasta netto rispetto alle leghe tipiche in cui il miglioramento di una propriet? viene invariabilmente accompagnato da una diminuzione nelle altre propriet?.
La Fig. 5 ? un tracciato di rottura per sollecitazione per diverse leghe includenti la superlega convenzionale MAR-M200 precedentemente descritta ed una lega che ricade entro l'ambito della presente invenzione. I dati nella Fig. 5 sono per le propriet? di rottura alla sollecitazione delle varie composizioni provate in forma di monocristallo nell'orientamento <111^ . Come si pu? vedere nella figura, la composizione modificata Ni-Al-Mo ha una durata migliorata di rottura alla sollecitazione quando confrontata con le altre leghe provate. Appare che la lega modificata ha un miglioramento di temperatura di circa 1D3?C quando confrontata con le superleghe convenzionali. Ci? significa che nelle condizioni equivalenti di sollecitazione, la lega della presente invenzione potrebbe essere fatta operare a temperature di 105?C pi? elevate e raggiungere ancora la stessa durata delle parti. Questa elevata temperatura potrebbe essere il risultato di una temperatura operativa del motore superiore o di un flusso ridotto di aria di raffreddamento se la temperatura del motore rimanesse invariata.
Entrambe queste alternative danno un'economica migliorata. Un'altra possibilit? ? quella di mantenere le condizioni operative includenti la temperatura allo stesso livello ed ottenere una durata delle parti sostanzialmente aumentata. Infine si potrebbe mantenere la stessa temperatura, ma aumentando la sollecitazione operativa ottenere prestazioni migliorate per lo stesso consuma di combustibile e durata delle parti.
Le composizioni in precedenza descritte possono essere usate in forma di monocristallo colato o alternativamente possono essere fabbricate in parti usando tecniche metallurgiche delle polveri seguite da ricristallizzazione direzionale per ottenere una struttura di grana allineata che nel caso limite pu? essere un monocristallo.
Nel caso che si scelga la strada del monocristallo colato, ? necessario che la parte colata venga omogeneizzata e trattata a caldo come viene discusso nel brevetto U.S.A. N? di Serie 177.047. Se la parte deve essere fabbricata attraverso il sistema metallurgico delle polveri, la composizione pu? essere formata in polvere mediante diverse tecniche bench? una tecnica risultante in un rapido regime di solidificazione sia desiderabile a causa dell'omogeneit? migliorata che ne risulta. Un tale processo viene descritto nei brevetti U.S.A. N? 4.025.249, 4.053.264 e 4.078.873. La polvere risultante viene quindi consolidata e ricristallizzata direzionalmente per produrre la struttura desiderata. La ricristallizzazione direzionale viene descritta nel brevetto U.5.A. N? 3.975.219 e sistemi specifici per ottenere diversi allineamenti cristallografici nella struttura finale vengono descritti nella domanda di brevetto depositata in pari data dalla stessa richiedente dal titolo "Metodo per la produzione di materiale in superlega a
Claims (21)
1. Superlega a base di nichel avente elevata resistenza meccanica e resistenza all'ossidazione, consistente essenzialmente in : 5, 8 - 7,88 Al, 8 - 128 Mo, 4 - 88 W, Z - 48 Cr, 1 - 28 Ta, 0 - 0,38 Hf, 0,01 - 0,18 Y, il resto Ni.
2. Superlega a base di nichel resistente all'ossidazione e ad elevata resistenza meccanica consistente essenzialmente in : 6,3 - 7,38 Al, 8,5 - 11,58 Mo, 3 - 78 W, 2,5 - 3,58 Cr, 1 - 28 Ta, 0 - 0,28 Hf 0,01 - 0,078 Y, il resto Ni.
ALLEGATO A' rettifiche alla descrizione della domanda di brevetto
N? 24403 A/82 contenute in N? 1 postilla, richieste con istanza
depositata il 21 LUGLIO 1986
Postilla 1 4 - Tabella I
Sostituire l ' originaria Tabella I con la seguente:
TABELLA I COMPOSIZIONE AMPIA
_ Bassa Alta
(? in peso) (% atomico) (? in peso) (K atomico) Al 5,80000 12,54857 7,80000 17,31859 Mo 8,00000 4,86768 12,00000 7 ,49317 W 4.00000 1,27007 8,00000 2 ,60682 Cr 2.00000 2,24539 4.00000 4 , 60865 Ta 1,00000 0,32261 2.00000 0 , 66216 Y 0,01000 0,00657 0,10000 0, 06738 Hf 0,00000 0,00000 0,30000 0, 10069 Ni 79,19002 78,73912 65,80003 67 , 14255 Totale 100,00000 100,00000 99 ,99997 Ta e Or in modo tale che per elevati livelli di Cr, vengono impiegati elevati
livelli di Ta e per bassi livelli di Cr vengono impiegati bassi livelli di Ta Postill?-1 - vedi Alleqato A ?
- a- TABELLA I
COMPOSIZIONE AMPIA
Bassa Alta
(? in so) (?? atomico) in pe so) ('D atomico^ i (resto 20) (7B 65 66 (66,15) Al 5,8 12 17,3
Mo 8,0 12,0 7 , 0
4,0 1, 8 , 0 2,4
Cr 2,0 4 ,0 4,8 a 1,Q 35 2,0 2
01 01 0,05
Hf" 0,3
21 LUG.1986 TABELLA 2
UFFICI VETTI RICCAR LO. s.R.i COMPOSIZIONE PREFERITA (% in peso)
Bassa Alta
Ni resto resto
Al 6.3 7,3
Ho 8.3 11,5
W 5.0 7.0
Cr 2,5 3,5
Ta 1.0 2.0
Hf 0,0 0,2
V 0,01 0,7
Almeno un materiale scelto dal gruppo consistente in Y ed Hf dev/e anche essere
aggiunto. Tali elementi migliorano l'aderenza dell'ossido superficiale alle super-
leghe, in modo da ridurre lo sfaldamento e minimizzare la perdita di peso dovuta
all'ossidazione. Appare che da 0,1 a 0,3?? in peso (totale) di questi elementi rea
DESCRIZIONE
Campo della tecnica
La presente invenzione riguarda il campo delle superleghe a base di nichel che hanno sia resistenza eccezionale all'ossidazione che eccezionali propriet? meccaniche ad alta temperatura.
Fondamento della tecnica
Precedenti ricercatori hanno lavorato con le leghe basate sul sistema Ni-Al-Mo. Questo lavoro viene tipificato dai brevetti U.5.A N? 2.542.962 e 3.933.483.
Il brevetto U.5.A. N<D >3.904.403 suggerisce l'aggiunta di 0,l-3? atomico (totale) di uno o pi? elementi scelti da un gruppo che include Cr, Ta e W al tipo Ni-Al-Mo di leghe.
Secondo la presente invenzione una classe di superleghe a base di nichel viene dotata di resistenza all'ossidazione sostanzialmente incrementata attraverso l'aggiunta di quantit? coordinate di Cr, Ta ed Y. Il comportamento migliorata all'ossidazione viene ottenuto senza detrimento notevole delle propriet? meccaniche.
L'ampia gamma di composizione ?5,8-7,8% Al, 8?12?? Mo, A-8% W, 2-A% Cr,
1-2% Ta, 0-0,3% Hf, 0,01-0,1% Y, il resto essendo essenzialmente nichel. Una gamma preferita ? 6,3-7,3% Al, 8,5-11,5% Mo, 5-7% W, 2,5-3,5% Or, 1-2% Ta, 0,05-0,2% HF, 0,01-0,07% Y.
Le leghe entro queste gamme possono essere fabbricate in articoli utili usando tecniche di metallurgia delle polveri o possono essere colate alla dimensione e quindi trattate a caldo.
Di conseguenza ? uno scopo della presente invenzione quello di fornire superleghe a base di nichel resistenti all'ossidazione e con alta resistenza meccanica.
I precedenti ed altri scopi, caratteristiche e vantaggi della presente invenzione diverranno pi? chiari dalla seguente descrizione di forme di realizzazione preferite e dai disegni annessi in cui:
la Fig. 1 illustra l'effetto di variare il livello di ittrio sul comportamento all'ossidazione.
Le Figg. 2A, 2B e 2C sono microfotografie elettroniche di scansione illustranti la morfologia di ossido ottenuta con vari livelli di ittrio.
La Fig. 3 illustra l'effetto di variare il livello di cromo sul comportamento all'ossidazione a 1093?C.
La Fig. A illustra l'effetto di variare il livello di cromo sul comportamento all'ossidazione a 11A9?C.
La Fig. 5 illustra il comportamento di rottura per sollecitazione di diverse leghe.
La presente invenzione riguarda una superlega a base di nichel avente una gamma di composizione specifica e stretta che fornisce un'eccezionale combinazione di resistenza all'ossidazione e propriet? meccaniche ad alta temperatura. Le ampie e preferite gamme di composizione vengono riportate nelle tabelle 1 e 2 . Le tabelle sono in percentuali in peso come lo sono tutti gli altri valori percentuali in questa descrizione a meno di ove altrimenti specificato. La tabella 1 contiene anche i valori equivalenti in percentuale atomica. La particolare combinazione di costituenti Ni-Al-Flo ? simile sotto certi aspetti a quella descritta nei brevetti U.S.A. N? 2.542.962, 3.655.462, 3.094.403 e 3.933.483. Le leghe Ni-Al-Mo sono note per avere eccezionali propriet? meccaniche, tuttavia finora la loro stabilit? superficiale e resistenza all'ossidazione erano state imprevedibili e marginali per applicazioni a lungo termine.
Il nocciolo della presente invenzione risiede nell'aggiunta di quantit? attentamente coordinate di Cr, Ta, Y e facoltativamente Hf a queste leghe Ni-Al-Mo per migliorare in modo imprevedibilmente grande la resistenza all'ossidazione mentre contemporaneamente si mantiene o addirittura migliora le propriet? meccaniche.
Cr viene aggiunto per la resistenza all'ossidazione promuovendo la formazione di un ossido Al^O^ piuttosto che di un ossido basato su NiO. Per questo scopo almeno circa 2% Cr appare essere necessario. Aumentare il livello di Cr al di sopra di circa il 4% non appare fornire miglioramenti sostanziali rispetto a quelli ottenuti con circa 3% Cr.
Poich? il Cr riduce concomitantemente le propriet? meccaniche, aggiunte di Cr superiori a circa il 4% sono indesiderabili. Ta viene aggiunto per stabilizzare la microstruttura e Ta nei livelli indicati supera il deficit di propriet? meccaniche che risulta dalle aggiunte di Cr. Cos? i livelli di Cr e Ta sono in certa misura correlati ed un'ottima prestazione di lega verr? ottenuta coordinando i livelli Ta e Cr in modo tale che per elevati livelli di Cr, vengono impiegati elevati
livelli di Ta e per bassi livelli di Cr vengono impiegati bassi livelli di Ta.
TABELLA I
COMPOSIZIONE AMPIA
Bassa Alta
(? in peso) (? atomico) (?? in peso) (? atomico) Ni (resto) (78,20) (78,65) (66,1) (66,15) Al 5,8 12,8 7,8 17,3
Mo 8,0 4,7 12,0 7,0
W 4.0 1,2 8,0 2,4
Cr 2.0 2,3 4.0 4,8
Ta 1,0 0,35 2.0 1,2
Y 0,01 0,01 0,1 0,05
Hf 0,0 0,0 0,0 0,3
TABELLA 2
COMPOSIZIONE PREFERITA (?i in peso)
Bassa Alta
Ni resto resto
Al 6.3 7,3
Mo 8.3 11,5
W 5.0 7.0
Or 2,5 3,5
Ta 1.0 2.0
Hf 0,0 0,2
Y 0,01 0,7
Almeno un materiale scelto dal gruppo consistente in Y ed Hf deve anche essere
aggiunto. Tali elementi migliorano l'aderenza dell'ossido superficiale alle super-
leghe, in modo da ridurre lo sfaldamento e minimizzare la perdita di peso dovuta
all'ossidazione. Appare che da 0,1 a 0,3?? in peso (totale) di questi elementi realizzer? la funzione richiesta con la gamma preferita che ? da 0,02 a 0,2? (totale) ed Y essendo preferibilmente presente in una quantit? di almeno 0,01-0,07?.
Le Figg, 1, 2 e 3 aiuteranno ad illustrare gli effetti degli elementi precedentemente riportati. Le figure elencano le composizioni di lega provate e mostrano la variazione di peso durante la prova all'ossidazione. Si comprender? che quando una lega si ossida, essa inizialmente guadagna peso come risultato della formazione di uno strato di ossido. Successivamente, se questo strato di ossido si sfalda, ne risulter? una perdita di peso e lo strato di ossido di si riformer?. Lo sfaldamento dell'ossido e la perdita di peso risultante sono indesiderabili poich? ci? risulta nello svuotamento degli elementi formatori di ossido nel substrato sottostante. Lo sfaldamento dell'ossido pu? procedere fino al punto in cui la lega ? incapace di riformare lo strato di ossido protettivo desiderato in ci? che forma uno strato di ossido non protettivo. A questopunto l'ossidazione diventa sempre pi? rapida ed incontrollata ed infine il campione verr? distrutto. Poich? la maggior parte delle leghe derivano la loro resistenza all'ossidazione dalla formazione di uno strato di ossido protettivo, il comportamento desiderabile di cambiamento di peso ? un leggero aumento iniziale nel peso indicante la formazione di uno strato di ossido protettivo seguito essenzialmente da nessuna variazione di peso (oppure un aumento molto leggero).
Il risultato critico ed inaspettato delle aggiunte di ittrio viene illustrato in Fig. 1. Questa figura mostra la perdita di peso subita da diverse leghe con differenti livelli di ittrio, dopo prova ciclica a 12D4?C per 3Q cicli di un'ora. F<1 >chiaro che per la lega di base provata (10? Ma, 6,7?? Al, 6? W, 3?? Cr, i,5? Ta, 1% Hf, il resto Ni) le aggiunte da circa 0,01 a circa 0,06?? di Y producono un miglioramento notevole nel comportamento all'ossidazione. Bench? ? stato in precedenza osservato che Y pu? migliorare le prestazioni all'ossidazione di rivestimenti (brevetti U.S.A. N? 3.676.085 e 3.754.903) e di leghe (brevetto U.5.A.
N<D >3.754.903) non era mai stato mostrato per quanto si sappia che i livelli di Y superiori a circa 0,1% fossero dannosi.
I risultati mostrati nella Fig. 1 possono essere spiegati attraverso il riferimento alle Figg. 2A, 2B e 2C che sono fotografie SEM (a 3000 ingrandimenti) della superficie ossidata di tre campioni. La composizione di campione nominale ? quella mostrata in Fig. 2. La Fig. 2A ? di un campione contenente 0,1% Hf e meno di 0,002% Y. La Fig. 2B ? di un campione contenente 0,1% Hf e 0,029% Y. La Fig. 2C ? di un campione contenente 0,1% Hf e 0,073% Y. <
Le Figg. 2A e 2C mostrano entrambe una morfologia di ossido irregolare grossolana e mostrano evidenza di sfaldamento dell'ossido mentre la Fig. 2B mostra evidenza di una morfologia di ossido aderente. Cos? le Figg. 1? 2A, 2B e 2C chiaramente mostrano che una quantit? critica limitata di Y produce un miglioramento sostanziale del comportamento all'ossidazione.
Le Figg. 3 e 4 illustrano che un livello di cromo critico ? necessario per una ottima resistenza all'ossidazione. La Fig. 3 mostra l'effetto di variare il contenuto di Cr sul comportamento all'ossidazione di una lega di base contenente 10% Mo, 7,4% Al, 6% W, 1,5% Ta, 0,1% Y ed il resto Ni. Si pu? vedere che nelle condizioni di prova (500 cicli di un'ora di ossidazione al forno a 1093?C) si ottiene la desiderata variazione minima di peso con livello di Cr di circa 3%.
La Fig. 4 raggiunge lo stesso punto usando dati di ossidazione ciclica generati a 1149?C. La Figura mostra la variazione in peso come funzione del tempo nella prova. Quattro curve vengono tracciate per una lega di base contenente
1G% Mo, 6,6% Al, 1,5% Ta, 0,1% Y ed il resto Ni (con livelli di Cr variabili).
L'effetto di aumentare il Cr ? quello di far ruotare le curve verso l'alto verso l'orizzontale {o variazione zero del peso).
Le Figg. 3 e 4 illustrano che un livello di Cr di circa 3? ? necessario per fornire buon comportamento all'ossidazione in questa classe di leghe.
Le propriet? meccaniche delle leghe Al-Mo sono state mostrate nella precedente letteratura di essere superiori sotto molto aspetti a quelle delle superleghe convenzionali. La presente invenzione con le aggiunte equilibrate di Cr, Ta, Y e/o Hf raggiunge un comportamento all'ossidazione sostanzialmente migliorato in combinazione con propriet? meccaniche che sono almeno equivalenti ed in alcuni casi superiori alle propriet? delle leghe Al-Mo-Ni della linea base. Ci? ? un contrasto netto rispetto alle leghe tipiche in cui il miglioramento di una propriet? viene invariabilmente accompagnata da una diminuzione nelle altre propriet?.
La Fig. 5 ? un tracciato di rottura per sollecitazione per diverse leghe includenti la superlega convenzionale MAR-M2D0 precedentemente descritta ed una lega che ricade entro l'ambito della presente invenzione. I dati nella Fig. 5 sono per le propriet? di rottura alla sollecitazione delle varie composizioni provate in forma di monocristallo nell'orientamento <111^ . Come si pu? vedere nella figura, la composizione modificata Ni-Al-Mo ha una durata migliorata di rottura alla sollecitazione quando confrontata con le altre leghe provate. Appare che la lega modificata ha un miglioramento di temperatura di circa 105?C quando confrontata con le superleghe convenzionali. Ci? significa che nelle condizioni equivalenti di sollecitazione, la lega della presente invenzione potrebbe essere fatta operare a temperature di 1D5?C pi? elevate e raggiungere ancora la stessa durata delle parti. Questa elevata temperatura potrebbe essere il risultata di una temperatura operativa del motore superiore o di un flusso ridotto di aria di raffreddamento se la temperatura del motore rimanesse invariata.
Entrambe queste alternative danno un'economica migliorata. Un'altra possibilit? ? quella di mantenere le condizioni operative includenti la temperatura allo stesso livello ed ottenere una durata delle parti sostanzialmente aumentata. Infine si potrebbe mantenere la stessa temperatura, ma aumentando la sollecitazione operativa ottenere prestazioni migliorate per lo stesso consumo di combustibile e durata delle parti.
Le composizioni in precedenza descritte possono essere usate in forma di monocristallo colato o alternativamente possono essere fabbricate in parti usando tecniche metallurgiche delle polveri seguite da ricristallizzazione direzionale per ottenere una struttura di grana allineata che nel caso limite pu? essere un monocristallo.
Nel caso che si scelga la strada del monocristallo colato, ? necessario che la parte colata venga omogeneizzata e trattata a caldo come viene discusso nel brevetto U.S.A. N<D >di Serie 177.047. Se la parte deve essere fabbricata attraverso il sistema metallurgico delle polveri, la composizione pu? essere formata in polvere mediante diverse tecniche bench? una tecnica risultante in un rapido regime di solidificazione sia desiderabile a causa dell'omogeneit? migliorata che ne risulta. Un tale processo viene descritto nei brevetti U.S.A. N? 4.025.249, 4.053.264 e 4.078.873. La polvere risultante viene quindi consolidata e ricristallizzata direzionalmente per produrre la struttura desiderata. La ricristallizzazione direzionale viene descritta nel brevetto U.S.A. N? 3.975.219 e sistemi specifici per ottenere diversi allineamenti cristallografici nella struttura finale vengono descritti nella domanda di brevetto depositata in pari data dalla stessa richiedente dal titolo "Metodo per la produzione di materiale in superlega a
RIVENDICAZIONI
1. Superlega a base di nichel avente elevata resistenza meccanica e resistenza all'ossidazione, consistente essenzialmente in : 5, 8 - 7,8% Al, 8 - 12% Mo, 4 - 8% W, 2 - 4% Cr, 1 - 2% Ta, 0 - 0,3% Hf, 0,01 - 0,1% Y, il resto Ni.
2. Superlega a base di nichel resistente all'ossidazione e ad elevata resistenza meccanica consistente essenzialmente in : 6,3 - 7,3% Al, 8,5 - 11,5% Mo, 5 - 7% W, 2,5 - 3,5% Cr, 1 - 2% Ta, 0 - 0,2% Hf 0,01 - 0,07% Y, il resto Ni.
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