NO155449B - Nikkelsuperlegering med hoey fasthet og oksydasjonsbestandighet. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en nikkelsuperlegering som har både særlig god oksydasjonsbestandighet og særlig gode mekaniske egenskaper ved høy temperatur.

Det er tidligere kjent legeringer basert på Ni-Al-Mo-systemet, f.eks. fra US-patentskrifter 2.542.962 og

3.933.483.

I US-patentskrift 3.904.403 forslås det tilsetning av

0,1-3 atomprosent (totalt) av ett eller flere av grunnstoffene Cr, Ta og W til legeringer av Ni-Al-Mo-typen.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse er det frembrakt en klasse nikkelsuperlegeringer med særlig høy oksydasjonsbestandighet ved tilsetning av samordnete mengder Cr, Ta og Y.

Økt oksydasjonsbestandighet oppnås uten vesentlig tap av mekaniske egenskaper.

Legeringen kjennetegnes ved at den inneholder i vekt% 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 mens resten er nikkel. En foretrukket sammen-

setning er 6,3-7,3% Al, 8,5-11,5% Mo, 5-7% W, 2,5-3,5$ Cr,

1-2% Ta, 0,05-0,2% Hf, 0,01-0,07% Y mens resten er nikkel.

Legeringer med disse sammensetninger kan bearbeides til anvendbare gjenstander under anvendelse av pulvermetallurgimetoder eller støpes og deretter varmebehandles.

Oppfinnelsen vil fremgå klarere av den etterfølgende beskrivelse av foretrukne utførelsesformer under henvisning til de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser virkningen av variasjon av yttriumnivået på oksydasjonsbestandigheten. Fig. 2A, 2B og 2C viser elektronmikrofotografier som illu-strerer den oksydmorfologi som oppnås med forskjellige yttrium-

nivåer.

Fig. 3 viser virkningen av variasjon av kromnivået på oksydasjonsbestandigheten ved 1093°C. Fig. 4 viser virkningen av variasjon av kromnivået på oksydasjonsbestandigheten ved 1149°C. Fig. 5 viser spenningsbrudd for forskjellige legeringer.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en nikkelsuperlegering med et spesielt og snevert sammensetningsintervall, som gir en særlig god kombinasjon av oksydasjonsbestandighet og mekaniske egenskaper ved høy temperatur.

Henholdsvis de vide og de foretrukne sammensetningsinter-valler er angitt i tabell 1 og 2. De i tabellene angitte prosen-ter er vekt%, liksom alle øvrige prosent-verdier med mindre noe annet er angitt. Tabell 1 inneholder også ekvivalente verdier i atomprosent. Den spesielle kombinasjon av Ni-Al-Mo-bestand-delene likner i visse henseender den som er kjent fra US-patentskrifter 2.542.962, 3.655.462, 3.904.403 og 3.933.483. Ni-Al-Mo-legeringene er kjent for å ha særlig gode mekaniske egenskaper, men hittil har deres overflatebestandighet og oksydasjonsbestandighet ikke kunnet forutsies og vært marginal for langtidsanven-delser.

Kjernen i oppfinnelsen er tilsetningen av nøye samordnete mengder Cr, Ta, Y og eventuelt Hf til disse Ni-Al-Mo-legeringer for sterk økning av oksydasjonsbestandigheten samtidig som de mekaniske egenskaper bibeholdes eller bedres.

Cr tilsettes for oksydasjonsbestandighet ved å fremme dan-nelsen av et Al203~oksyd istedenfor et oksyd basert på NiO. For dette formål synes minst 2% Cr å være nødvendig. Økning av Cr-nivået til over 4% synes ikke å gi noen betydelig forbedring i forhold til det som oppnås med ca. 3% Cr.

Idet Cr samtidig reduserer de mekaniske egenskaper, er Cr-tilsetninger på over 4% uønskete. Ta tilsettes for sta-bilisering av mikrostrukturen, og Ta på de angitte nivåer kom-penserer den svekkelse i mekaniske egenskaper som resulterer av Cr-tilsetningene. således henger Cr- og Ta-nivåene til en viss grad sammen, og optimale legeringsegenskaper oppnås ved at man samordner Ta- og Cr-nivåene slik at man ved høye Cr-nivåer anvender høye Ta-nivåer og ved lave Cr-nivåer anvender lave Ta-nivåer.

Minst ett av elementene Y og Hf må tilsettes. Disse elementer bedrer overflateoksydets adhesjon til superlegeringene, noe som resulterer i minsket avskalling og minimale vekttap som følge av oksydasjon. Det viser seg at fra 0,1 til 0,3 vekt%

(totalt) av disse elementer bevirker den ønskete funksjon, hvor-ved det foretrukne intervall er 0,02-0,2% (totalt), mens Y for-trinnsvis foreligger i en mengde på minst 0,01-0,07%.

Fig. 1, 2 og 3 hjelper til å illustrere de ovenfor angitte virkninger av elementene. Figurene angir de testede legerings-sammensetninger og viser vektforandringen ved oksydasjonstesting. Man innser at når en legering oksyderes øker den i begynnelsen

i vekt som følge av at det dannes et oksydsjikt. Deretter fore-

går det, dersom dette oksydsjikt skalles av, et vekttap,Qpg oksyd-sjiktet gjendannes. Oksydavskall/ng og resulterende vekttap er ikke ønskelig, idet dette resulterer i utarming av de oksyddan-nende elementer i underlaget. Oksydavskallmgen kan fortsette til et punkt hvor legeringen mangler evne til å gjendanne det ønskete beskyttende oksydsjikt, slik at det ikke dannes et beskyttende oksydsjikt. På dette punkt blir oksydasjonen stadig hurtigere og mer ukontrollert, og til slutt ødelegges prøve-legemet. Idet de fleste legeringer oppnår sin oksydasjonsbestandighet ved dannelse av et beskyttende oksydsjikt, er det ønske-

lige vektforandringsbeteende en lett vektøkning i begynnelsen,

noe som indikerer at det er dannet et beskyttende oksydsjikt, etterfulgt av stort sett ingen vektforandring (eller en meget ubetydelig økning).

Det kritiske og uventede resultat av yttriumtilsetning

er vist i fig. 1. Denne figur viser det vekttap som viser seg hos forskjellige legeringer med forskjellige yttriumnivåer etter cyklisk testing ved 1204°C i løpet av 50 entimers sykluser. Det er åpenbart at for den testede basislegering (10% Mo, 6,7% Al,

6% W, 3% Cr, 1,5% Ta, 1% Hf, resten Ni) gir tilsetningen på fra 0,01 til 0,06% Y en bemerkelsesverdig forbedring av oksydasjonsbeteendet. Selv om det tidligere er iakttatt at Y kan bedre oksydasjonsegenskapene for belegg (US-patentskrifter 3.676.085,

og 3.754.903) og legeringer (US-patentskrift 3.754.903) har det tidligere så vidt en vet ikke vært vist at Y-nivåer på over 0,1% skulle være skadelige.

De i fig. 1 viste resultater kan forklares under henvis-

ning til fig. 2A, 2B og 2C, som er elektronmikrofotografier (ved 3000 X) av den oksyderte overflate av tre prøver. Den nominelle prøvesammensetning er den som er vist i fig. 2. Fig. 2A er av en prøve som inneholder 0,1% Hf og mindre enn 0,002% Y. Flg.

2B er av en prøve som inneholder 0,1% Hf og 0,029% Y. Fig. 2C

er av en prøve som inneholder 0,1% Hf og 0,073% Y.

Fig. 2A og 2C viser begge en grov uregelmessig oksydmorfologi og viser tegn på oksydavskalling, mens fig. 2B viser tegn til fasthengende oksydmorfologi. Således viser fig. 1, 2A, 2B

og 2C klart at en begrenset, kritisk mengde av Y gir en betydelig forbedring av oksydasjonsbeteendet.

Fig. 3 og 4 viser at et kritisk kromnivå er nødvendig for optimal oksydasjonsbestandighet. Fig. 3 viser virkningen av varierende Cr-innhold på oksydasjonsbeteendet for en basislegering som inneholder 10% Mo, 7,4% Al, 6% W, 1,5% Ta, 0,1% Y

og resten Ni. Man kan se at under testbetingelsene (500 entimers sykluser med oksydasjon i ovn ved 1093°C) oppnås den ønskete minimale vektforandring med Cr-nivået på ca. 3%. Fig. 4 viser tilsvarende under anvendelse av cykliske oksydasjonsdata frembrakt ved 1149°C. Figuren viser vektforandringen som funksjon av tiden ved testen. Fire kurver er inntegnet for en basislegering som inneholder 10% Mo, 6,6% Al, 1,5% Ta, 0,1% Y og resten Ni (med varierende Cr-nivåer) og som derved ligger utenfor rammen av oppfinnelsen. Virkningen av økning av Cr er å dreie kurvene opp mot horisontallinjen (eller ingen vektforandring). Fig. 3 og 4 viser at et Cr-nivå på ca. 3% er nødvendig for å gi godt oksydasjonsbeteende i denne klasse av legeringer.

De mekaniske egenskaper for Al-Mo-legeringene har i tidligere arbeider i de fleste henseender vist seg å være overlegen egenskapene til konvensjonelle superlegeringer. Ifølge den foreliggende oppfinnelse, dvs. ved avveide tilsetninger av Cr, Ta, Y og/eller Hf, oppnås det betydelig bedre oksydasjonsbeteende i kombinasjon med mekaniske egenskaper som i det minste er like gode og som i visse tilfeller overlegen egenskapene til Al-Mo-Ni-grunnlegeringene. Dette er en markant forskjell i forhold til typiske legeringer hvor forbedring av én egenskap alltid følges av en svekkelse av andre egenskaper.

Fig. 5 viser en spenningsbruddkurve for forskjellige legeringer, inklusive den ovenfor beskrevne konvensjonelle MAR-M200-superlegering og en legering som faller innenfor rammen av den foreliggende oppfinnelse. Verdiene i fig. 5 vedrører spennings-bruddegenskapene for de forskjellige sammensetninger testet i enkeltkrystallform i 111 -orientering. Som det fremgår av figuren har den modifiserte Ni-Al-Mo-sammensetning lengre livslengde til spenningsbrudd sammenliknet med de andre testede legeringer. Det fremgår at den modifiserte legering har en temperaturforbed-ring på ca. 105°C sammenliknet med de konvensjonelle superlegeringer. Dette innebærer at ved samme spenningsbetingelser vil legeringen ifølge oppfinnelsen kunne anvendes ved 105°C høyere temperatur og likevel oppnå samme levetid hos en del. Denne høye temperatur skulle kunne være følgene av høyere motordrifttem-peratur eller nedsatt kjøleluftstrøm ved uforandret motor-temperatur. Begge disse alternativer gir bedre økonomi. En annen mulighet er å holde driftsbetingelsene og temperaturen på samme nivå og oppnå en betydelig økt levetid hos delen. Endelig skulle man kunne bibeholde samme temperatur, men ved å øke driftspå-kjenningen oppnå økte ytelser ved samme brennstoff-forbruk og levetid.

De ovenfor beskrevne legeringer kan anvendes i støpt enkeltkrystallform eller kan alternativt bearbeides til deler under anvendelse av pulvermetallurgimetoder etterfulgt av-retningsbestemt rekrystallisasjon for å oppnå en linjeinnrettet korn-struktur som i grensetilfellet kan være et enkeltkrystall.

Dersom man følger metoden med støpt enkeltkrystall er det nøvendig at den støpte del homogeniseres og varmebehandles slik som beskrevet i US-patentrkrift 4.328.045.

Dersom delen skal fremstilles ifølge pulvermetallurgi-metoden, kan materialet formes til pulver på forskjellige måter, selv om det er ønskelig med en metode som resulterer i hurtig størkningshastighet på grunn av den økte homogenitet som oppnås. Slike fremgangsmåter er kjent fra US-patentskrifter 4.025.249, 4.053.264 og 4.078.873. Det resulterende pulver komprimeres deretter og underkastes retningsbestemt rekrystallisasjon for å

gi den ønskete struktur. Retningsbestemt rekrystallisasjon er kjent fra US-patentskrift 3.975.219, og de spesielle metoder for å oppnå forskjellige krystallografiske innretninger i den endelige struktur er kjent fra norsk patentsøknad 823951.

De resulterende produkter er spesielt anvendbare i gass-turbinmotorer. Dersom støpemetoden følges, kan et støpestykke fremstilles direkte i et ønsket format. Dersom man imidlertid følger den pulvermetallurgiske metode kan man med fordel følge den bladfremstillingsmetode som er kjent fra US-patentskrift 3.872.563 for å oppnå et blad med maksimal kjøleevne. Selv om de her beskrevne sammensetninger er særlig oksydasjonsbestandige, vil de utvilsomt anvendes i belagt form, og slike belegg kan omfatte aluminidbelegg eller overtrekksbelegg av MCrAlY-type.

Claims (2)

1. Nikkelsuperlegering med høy fasthet og oksydasjonsbestandighet,karakterisert vedat den inneholder i vekt%

2. Nikkelsuperlegering i samsvar med krav 1,karakterisert vedat den inneholder i vekt%