DE1921359A1 - Casting alloys - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung "bezieht sich auf Gußlegierungen, insbesondere auf Legierungen auf der Grundlage von Nickel für den Formguß ("investment-cast")» die besonders für Heißstufen-Gasturbinenmetallteile ("hot-stage gas turbine hardware"), geeignet ist.The present invention "relates to cast alloys, in particular on alloys based on nickel for casting ("investment cast") »the particularly for hot-stage gas turbine metal parts ("hot-stage gas turbine hardware "), is suitable.
Sine Anzahl von Legierung auf Nickelbasis von ausreichender Festigkeit zur Verwendung bei Temperaturen im Bereich von 9260C bis 1067 C sind bereits bekannt. Diese LegierungenA number of nickel-based alloys of sufficient strength for use at temperatures in the range of 926 ° C. to 1067 ° C. are already known. These alloys
-X*-X *
wurden für Heißstufen-Gasturbinen vorgeschlagen und sind für diese Anwendung angepaßt worden. In den früheren Jahren standen Legierungen auf der Grundlage von Nickel, die Chrom, Kobalt, Molybdän, Wolfram, Niob, Tantalum, Aluminium, Titan, Kohlenstoff, Zirkon und Box enthielten, ira Mittelpunkt der Entwicklung von Legierungen auf diesem Gebiet. Im allgemeinen umfaßt die Morphologie solcher Legierungen ein Grundgefüge mit bestimmten in der Masse von jedem Kristall und an den Kristallgrenzen dispergierten Phasen. Bei den kürzlich entwickelten Legierungen auf der have been proposed for hot stage gas turbines and have been adapted for this application. In the past few years, nickel-based alloys including chromium, cobalt, molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, aluminum, titanium, carbon, zirconium and box have been at the center of alloy development in this field. In general, the morphology of such alloys comprises a matrix with certain phases dispersed in the bulk of each crystal and at the crystal boundaries. The recently developed alloys on the
*üie Verwendung in 909846/ 07 2 A * for use in 909846/07 2 A
Grundlage von Nickel zur Anwendung bei extrem hohen Temperaturen, besteht die Grundphase des kristallinen Grundgefüges aus eutektischer Gamraa-Grundphase, die wahrscheinlich im wesentlichen aus Ni.*Al besteht, wobei Nickel teilweise durch Kobalt, Chrom, Eisen usw. und Aluminium teilweise durch Titan, Niob und anderen Elementen ersetzt werden kann. Hauptsächlich unter den innergranulären, und Korngrenzenphasen gibt es verschiedene Formen von Carbidphasen, allgemein definiert durch die Formeln MC, M25Cg und MgC. Als allgemeine Regel kann gesagt werden, daß die Carbidphase zur Verstärkung der Legierung beiträgt, ohne daß sie an einem Verlust der Duktilität "*) wesentlich beteiligt ist, wenn die Kohlenstoffphasen verhältnismäßig kleine Teilchen bilden und allgemein im ganzen Grundgefüge der Legierungskristalle verteilt sind. Ebenso ist es eine allgemeine Regel, daß die Carbide in beträchtlichem Maße zu einer ungünstigen Beeinflussung, wie z.B. Verlust der Duktilität, neigen, wenn die Carbidphasen in den Gebieten der Korngrenzen bevorzugt abgeschieden sind. Dieses Merkmal ist nicht auf "Carbidphasen beschränkt. Im allgemeinen kann gesagt werden, daß bei hohen Temperaturen die Korngrenzen die schwachen Teile jeder bestimmten Legierung darstellen und Phasen, die vorzugsweise in Gebieten der Korngrenzen abgeschieden sind, zu einem Verlust der Duktilität beitragen.Based on nickel for use at extremely high temperatures, the basic phase of the crystalline basic structure consists of eutectic Gamraa basic phase, which probably consists essentially of Ni. * Al, with nickel partly through cobalt, chromium, iron etc. and aluminum partly through titanium, Niobium and other elements can be replaced. Mainly among the intra-granular and grain boundary phases there are various forms of carbide phases, generally defined by the formulas MC, M 25 Cg and MgC. As a general rule it can be said that the carbide phase contributes to the reinforcement of the alloy without being significantly involved in a loss of ductility "*) if the carbon phases form relatively small particles and are generally distributed throughout the basic structure of the alloy crystals It is a general rule that if the carbide phases are preferentially deposited in the areas of grain boundaries, the carbides tend to be adversely affected, such as loss of ductility, to a considerable extent. This feature is not limited to "carbide phases". In general it can be said that at high temperatures the grain boundaries are the weak parts of any given alloy and phases which are preferentially deposited in regions of the grain boundaries contribute to a loss of ductility.
Im allgemeinen ist festzustellen, daß mit zunehmender Stärke der Legierungen (gewöhnlich durch Erhöhung der Zusatzelemente), die Duktilität abnimmt. Die Metallurgen haben es gelernt, einen Kompromiß zwischen Stärke und Duktilität zu akzeptieren. Die nachfolgend angegebenen und besonders beschriebenen Legierungen stellen handelsmäßig annehmbare Kompromisse zwischen Stärke und Duktilität dar. Die hier beschriebenen Legierungen stellen Jedoch *; Duktilität = Dehnbarkeit, Verformungsfähigkeit etc.In general, as the strength of the alloys increases (usually by increasing the Additional elements), the ductility decreases. The metallurgists have learned a compromise between strength and Accept ductility. The alloys specified and specifically described below are commercially available represent acceptable tradeoffs between strength and ductility. However, the alloys described here represent *; Ductility = ductility, deformability etc.
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keine einfachen Kompromisse in dem Sinne dar, daß für eine gegebene Festigkeit bei einer gegebenen Temperatur, mit einer verhältnismäßig gleichmäßigen Änderung an Duktilität gerechnet werden muß. Es ist bereits seit langem bekannt, daß die meisten Legierungen auf Mckelbasis Festigkeitseigenschäften in ausreichendem Maße aufweisen, daß die Legierungen bei Temperaturen von etwadoes not represent simple compromises in the sense that for indicates a given strength at a given temperature, with a relatively smooth change Ductility must be expected. It has long been known that most Mckel-based alloys Strength properties to a sufficient extent exhibit that the alloys at temperatures of about
ο aberο but
926 C und höher verwendet werden können, daß sie/- wie es gewöhnlich ausgedrückt wird - eine Duktilitätsmulde bei etwas niedrigerer Temperatur, gewöhnlich etwa um 7600C ,aufweisen. Wenn man die Zugdehnung gegen die Temperatur graphisch aufträgt, zeigt die übliche Kurve nur eine geringe Veränderung zwischen Zimmertemperatur bis etwa 7050C. Zwischen 705 0C und etwa 8430C zeigt die Kurve für die Duktilität ein Minimum,und dieses Minimum · hat gewöhnlich einen Viert, der unter dem für die bei Zimmertemperatur gemessene! prozentual en Dehnung liegt. Einer der Kompromisse, die die Metallurgen gezwungenermaßen schließen mußten, war eine Legierung, die sogar am tiefsten Punkt der Duktilitätsmulde eine handelsmäßigfannehmbare Dehnung erreicht.926 C and higher can be used that they / - as it is usually expressed - a ductility trough at a slightly lower temperature, usually around 760 0 C, have. When the tensile elongation is plotted against the temperature, the usual curve shows little change between room temperature and about 705 ° C. Between 705 ° C. and about 843 ° C. the ductility curve shows a minimum, and this minimum usually has a fourth, the one below that measured at room temperature! percentage elongation. One of the compromises the metallurgists have been forced to make has been an alloy that will achieve commercially acceptable elongation even at the lowest point of the ductility trough.
In verhältnismäßig jüngster Zeit wurde ein sehr überraschendes Phänomen bei einer bestimmten Hochtemperatur-Legierung, insbesondere in Bezug auf die Duktilität bei 76O0C gefunden. In üblicher Weise wurde diese spezielle Legierung auf der Grundlage von Versuchsergebnissen, die unter Verwendung normaler auf Größe gegossener (cast-tosize) Zug- und Kriechprüflinge erhalten wurden, ausgewählt und entwickelt. Each der Untersuchung mit den normalen, technisch üblichen Prüfungsverfahren zeig'ten diese auf Größe gegossenen Proben alle Anzeichen einer handeis-In relatively recent times, a very surprising phenomenon has been found with a certain high-temperature alloy, in particular with regard to the ductility at 76O 0 C. Conventionally, this particular alloy has been selected and developed on the basis of test results obtained using normal cast-to-size tensile and creep specimens. Each of the tests with the normal, technically customary test procedures, these samples, cast to size, showed all signs of a commercially available
* η* η
mäßig annehmbaren Duktilität im Bereich von etv/a 760 C. Wenn jedoch Turbinenmetallteile, wie z.B. Turbinenschaufeln in herkömmlicher, handelsmäßig annehmbarer Weise einem Formguß unterworfen v/erden, zeigen die erhaltenen Gußteilemoderately acceptable ductility in the range of etv / a 760 C. However, if turbine metal parts such as turbine blades in a conventional, commercially acceptable manner one The castings obtained show that they are subjected to molding
* d.h. technisch 90 9846/0724* i.e. technically 90 9846/0724
oft eine Duktilität, "bei etwa 7600C, die schlechter als gewünscht ist. Dieses Phänomen tritt "besonders "bei Gußteilen auf, die aus wiedereingeschraolzenen Ghargen, · d.h. bei Chargen, die mehr als etwa 5 $ an "bereits vorher geschmolzener und gegossener Legierung enthalten, hergestellt worden sind. Weitere Untersuchungen der von Metallteilen abgetrennten Proben ergaben, daß ein Masseneffekt auftritt, der sich nachteilig auf die Duktilität in dem kritischen Bereich bei etwa 76O0C auswirkt. Es wurde nämlich gefunden, daß Proben, die vom eigentlichen auf Größe gegossenen Teil abgetrennt wurden, sehr oft viel niedrigere Werte der prozentualen Dehnung und der prozentualen Querschnittsverminderung beim Zug- und Kriechversuch bei 7600C ergaben, als jene Werte, die bei Versuchen ähnlicher auf Größe gegossener Dehnungs- und Kriechproben erhalten wurden. Vom praktischen Standpunkt aus gesehen, ist es die Aufgabe eines Metallurgen, ein Metallteil herzustellen, welches gute technische Eigenschaften aufweist. Die Tatsache, daß die Eigenschaften, die bei normalen, auf Größe gegossenen Proben gemessen wurden, nicht für die Eigenschaften der eigentlichen Metallteile repräsentativ sind, ist ein unerfreuliches und schwieriges Problem, zu dem noch das Problem kommt, das durch das Vorhandensein der bekannten Duktilitätsmulde bei etwa 76O0C verursacht ist.often a ductility, "at about 760 ° C., which is worse than desired. This phenomenon occurs" especially "in castings which are made from re-melted batches, ie batches that are more than about 5 $ an" previously melted and cast Alloy containing, have been produced. Further investigation of the separated metal parts samples showed that a mass effect occurs that is detrimental to the ductility in the critical area at about 76o C 0. It was found that samples which were separated from the actual part cast to size very often gave much lower values for the percentage elongation and the percentage cross-sectional reduction in the tensile and creep tests at 760 ° C. than those values which were more similar in tests Size of cast strain and creep samples were obtained. From a practical point of view, it is the job of a metallurgist to make a metal part that has good technical properties. The fact that the properties measured on normal size cast samples are not representative of the properties of the actual metal parts is an unpleasant and difficult problem, to which is added the problem caused by the presence of the known ductility trough about 76O 0 C is caused.
Es wurde nun gefunden, daß durch leichtes Variieren der chemischen Zusammensetzungen von Legierungen, die eine handelsraäßig annehmbare Kombination von Pestigkeits- und Duktilitätseigenschaften zeigen, die Herstellung von Legierungen , die eine unterschiedliche tnikrοstrukturelle Morphologie und eine erhöhte Duktilität aufweisen, ermöglicht v/ird. Zur gleichen Zeit behalten die Legierungen im wesentlichen die gleiche oder eine verbesserte Kombination an Festigkeit und anderentechnischen Eigenschaften, die zu ihrer Anwendbarkeit auf dem Gebiete der Gasturbinen-It has now been found that by slightly varying the chemical compositions of alloys which have a Commercially acceptable combination of plague and Ductility properties show the manufacture of Alloys that have a different tnikrοstructural Having morphology and increased ductility enables v / ird. At the same time, the alloys keep in the essentially the same or an improved combination of strength and other technical properties that for their applicability in the field of gas turbine
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metallteile für hohe Temperaturen beitragen.metal parts contribute to high temperatures.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue Düsenmetallteile für hohe Temperaturen und ein Terfahren zu deren Herstellung zu schaffen.It is an object of the present invention to provide new Nozzle metal parts for high temperatures and driving to create them.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung neuer Legierungen mit verbesserten Duktilitätseigensehaften. - "Another object of the present invention is Creation of new alloys with improved ductility properties. - "
Die beiliegenden Zeichnungen dienen zur Erläuterung der Erfindung, und zwar zeigt:The accompanying drawings serve to explain the Invention, namely shows:
Fig. 1 eine graphische Darstellung der Zugfestigkeit, Streckgrenze und prozentualer Dehnung von zwei Legierungen, 'die gegenüber der Temperatur aufgetragen sind, wobei die eine im Bereich der Erfindung und die andere außerhalb liegt;1 shows a graph of the tensile strength, Yield strength and elongation percentage of two alloys, 'plotted against temperature are, one within the scope of the invention and the other outside;
Fig. 2 eine Reproduktion einer Mikrophotographie von einer Legierung, die außerhalb der Erfindung liegt;Figure 2 is a reproduction of a photomicrograph of a Alloy outside the invention;
Pig.2A eine Reproduktion einer Mikrophotographie einer erfindungsgemäßen Legierung (vergleichbar mit der in Pig, 2 gezeigten Legierung)\ Pig.2A a reproduction of a photomicrograph of an alloy according to the invention (comparable to the alloy shown in Pig, 2) \
pig. 3 eine Reproduktion einer Mirkophotographic von einer anderen, außerhalb der Erfindung liegenden Legierung; . 'pig. 3 a reproduction of a Mirkophotographic from another alloy outside the invention; . '
Pig,3A eine Darstellung einer Mikrophotographie einer erfindungsgemäßen Legierung (vergleichbar- mit der in Pig. 3 gezeigten Legierung); undPig, 3A is a representation of a photomicrograph of a alloy according to the invention (comparable to the alloy shown in Pig. 3); and
Pig. 4 eine graphische Darstellung* der Kriecheigenschaften von Metallteilen, innerhalb und außerhalb des Bereichs der Erfindung, wobei beide untersuchten Legierungen von wiedergeschmolzenen Chargen hergestellt undPig. Figure 4 is a graph * of the creep properties of metal parts, in and out of range of the invention, with both alloys studied being made from remelted batches and
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die Testproben von im Formguß hergestellten. Turbinenschaufeln erha.lten worden, sind,the test specimens from die cast. Turbine blades have been obtained,
Die vorliegende Erfindung umfaßt allgemein HoQh~Tempe.Ea,tur;« Tür hinenteile, wie z,B. Turbinen schau fein» -flügeln» einstückig gegossene Turbinenräder und Dusenleitsehaufeln.! hergestellt aus einer Legierung, die in ihrer ursprünglichen Form handelsmäßig annehmbare Festigkeits- und Duktilitätseigenschaften aufweist, wobei diese Legierung durch den Zusatz von etwa 0,1 Gew«$ bis etwa 4 Gew,?£ Hafnium zu der 'iegierungszusammensetzung modifiziert wurdQ Erfindungsgemäß verwendet, kann das Hafnium als Ersatz für eine gleich Menge in Gewichtsprozent an Nickel, Tantal und manchmal andere hitzebestän,dige Elemente in der Legierung verwendet werden. Vorzugsweise wird Hafnium in Mengen von etwa 0,3 $ bis etwa 1,2 # für die gleiche Menge in Gewichtsprozent Tantal verwendet, wenn Tantal in der Grundlegierung, welche erfindungsgemäß verbessert wird, anwesend ist. Allgemein kann gesagt werden, daß es möglich ist, daß die Festigkeitseigenschaften der Grundlegierung nicht beträchtlich verändert werden? wenn Hafnium für Elemente, wie ζ,Β, Tantal in einer Legierung verwendet wird, jedoch wird zur gleichen üeit die Duktilitat der Legierung bedeutend erhöht. Wenn Hafnium anstelle von Legierungszusätzen, wie z.B. Nickel? verwendet wird, wird die Duktilität der Legierung bedeutend verbessert, währed es zur gleichen Zieit möglij-eh ist» daß die Festigkeitseigenschaften der Grundlegierung verbessert werden. Ss ist jedoch zu beachten, daß der Zusatz von Hafnium zu einer Legierung auf ITickelbasis, d^e 'bereits weitgehend mit härtenden Elementen versehen ist und besonders'für höchste Festigkeitswerte bei höchsten Temperaturen bestimmt ist, ohne daß auf die Duktilität geachtet wurde, nicht unbedingt zu einer Erhöhung der Duktilität auf einen allgemein handelsmäßig annehmbarenThe present invention generally includes HoQh ~ Tempe.Ea, tur; « Parts of the door, such as Turbines look fine »-wings» One-piece cast turbine wheels and nozzle guide vanes.! Made from an alloy that is in its original Form commercially acceptable strength and Has ductility properties, this alloy by adding from about 0.1% by weight to about 4% by weight Hafnium has been modified to form the composition of the alloy. According to the invention, the hafnium can be used as a Substitute for an equal amount in percent by weight of nickel, tantalum and sometimes other refractory elements can be used in the alloy. Preferably will Hafnium in amounts from about $ 0.3 to about 1.2 # for that the same amount in percent by weight of tantalum is used if tantalum is used in the base alloy, which is improved according to the invention is present. In general it can be said that it is possible that the strength properties of the Base alloy cannot be changed considerably? if Hafnium is used for elements such as ζ, Β, tantalum in an alloy, but is used at the same time The ductility of the alloy is significantly increased. If hafnium instead of alloy additives such as nickel? is used, the ductility of the alloy becomes significant improved, while at the same time it is possible "that the strength properties of the base alloy are improved will. It should be noted, however, that the addition of hafnium to a nickel-based alloy 'd ^ e' already is largely provided with hardening elements and especially for the highest strength values at the highest Temperatures is determined without paying attention to the ductility, not necessarily to an increase in the Ductility to a generally commercially acceptable one
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Wert bei Temperaturen der "Mulde" führt. In anderen "Worten, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist kein Ersatz für das Handeln nach vernünftigen metallurgischen Überlegungen "beim Ausgleich der Legierungszusammensetzungen, um einen handelsmäßig vertretbaren Kompromiß zwischen Festigkeit und Duktilität zu erhalten. In den Frisch-Chargen ("virgin heats") ist es vorteilhaft, mindestens mehr als etwa 0,5 # Hafnium, z.B. wenigstens etwa 0,7 $> Hafnium zuzugeben, um eine beträchtliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Gußlegierungen zu erreichen.Value at temperatures that "trough" leads. In other "words, the subject matter of the present invention is not a substitute for acting on reasonable metallurgical considerations" in balancing alloy compositions to obtain a commercially acceptable tradeoff between strength and ductility. In the fresh batches ("virgin heats") it is advantageous to add at least more than about 0.5 # hafnium, for example at least about 0.7 $> hafnium, in order to achieve a considerable improvement in the mechanical properties of the cast alloys.
In vielen Legierungen, die der erfindungsgemäßen Behandlung der vorliegenden Erfindung angepaßt sind, scheinen die Mangel hinsichtlich der Duktilität bei wiedergeschmolzenen Chargen viel mehr hervorzutreten. Wenn Testproben, die von Turbinenschaufein gewonnen wurden, welche aus wiedergeschmolzene Anteile enthaltendenChargen hergestellt wurden, unter Kriechbedingungen "tei 760 C untersucht werden, ergeben möglicherweise solche Versuche, daß praktisch keine Duktilität vorliegt, wenn die Legierung kein Hafnium enthält. Auf der anderen Seite hat die Anmelderin gefunden, daß die wiedergeschmolzene Anteile enthaltende Charge Metallteile gewährleistet, deren Qualität zumindest völlig der Qualität der Metallteile entspricht, die aus Frischchargen gewonnen v/erden, wenn die Charge derart modifiziert wird, daß sie entsprechend der vorliegenden Erfindung etwa 0,15 £ bis etwa 1 % Hafnium enthält. Es sind die to hierbei maßgebenden Gründe noch nicht völlig geklärt, die ° erfindungs^ecäß zu der Verbesserung der Eigenschaften von oo aus wiedergeschmolzenen Chargen hergestellten ,Metallteilen cd führen. Wir wird jedoch angenommen, daß bei Verwendung der o wiedergeschmolzenen Chargen unbeabsichtigt bestimmte *° Arten von unerwünschten ^Verunreinigungen in sehr kleinen, **- analytisch nicht feststellbaren Mengen in das Metall gelangen. Hafnium hat offensichtlich die Fähigkeit sich entweder mit der. Verunreinigungen zu verbinden und diese wirksam zu entfernen oder den metallurgischen Ausgleich der LegierungenIn many alloys adapted to the treatment of the present invention in accordance with the present invention, the ductility deficiencies appear to be much more apparent in remelted batches. When test samples obtained from turbine blades made from batches containing remelted fractions are examined under creep conditions of "760 ° C, such tests may indicate that there is virtually no ductility when the alloy contains no hafnium. On the other hand, the Applicant has found that the batch containing remelted fractions ensures metal parts the quality of which is at least fully equivalent to the quality of the metal parts recovered from fresh batches when the batch is modified to be from about 0.15 to about £ 0.15 in accordance with the present invention 1 % hafnium. The decisive reasons have not yet been fully clarified which lead according to the invention to the improvement of the properties of metal parts produced from remelted batches. However, it is assumed that when using the o remelted batches unintentionally determined te * ° types of undesirable ^ impurities get into the metal in very small, ** - analytically undetectable amounts. Hafnium obviously has the ability to work with either. To connect impurities and to remove them effectively or the metallurgical balance of the alloys
BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
in der Weise zu modifizieren, daß die Legierung weniger empfindlich gegenüber den Verunreinigungen gemacht werden. . Unabhängig von dem Mechanismus durch den dies verursacht' .' wird, beruht die vorliegende Erfindung teilweise darauf, ' . daß die Behandlung von wiedergeschmolzenen Chargen/ Zuführung kleinen Mengen Hafnium die Eigenschaften solcher Chargen im wesentlichen den Eigenschaften von frischen Chargen der im wesentlichen gleichen Legierungen gleichstellt, wenn nicht -darüber hinaus verbessert.modify in such a way that the alloy is less be made sensitive to the impurities. . Regardless of the mechanism by which this causes this '.' the present invention is based in part on '. that the treatment of remelted batches / feed small amounts of hafnium the properties of such batches essentially the properties of fresh batches which equates to essentially the same alloys, if not further improved.
Die chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozenten einiger' bekannter Legierungen auf Nickelbasis, die erfindungsgemäß modifiziert werden können, wird in der folgenden Tabelle I angegeben.The chemical composition in percent by weight of some ' Known nickel-based alloys which can be modified according to the invention are shown in Table I below specified.
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Es ist zu "beachten, daß die in Tabelle I genannten Zusammensetzungen nominale Zusammensetzungen sind und die Prozentzahlen jeder der anwesenden Elemente um etwa - 10 $ von den angegebenen Mengen·variiert werden können. Die Legierungen können auch bis zu insgesamt etwa 2 Gew.$ an zufälligen Elementen wie z.B. Mangan, Silizium, Eisen usw. enthalten. Nicht-Metalle, wie z.B. Schwefel, Sauerstoff und Fitrogen und schädliche Metalle, wie z.B. Blei, Wismut, Arsen usw. werden in Übereinstimmung mit der technischen Praxis auf einen so niedrigen Wert wie möglich gehalten. Vorzugsweise werden alle in Tabelle I genannten Legierungen und die erfindungsgemäßen Legierungen durch Vakuumschmelzen hergestellt und noch unter Vakuum in die Gießform, die eine Gasturbinenmetallform aufweist, gegossen.It should be noted that the compositions given in Table I. nominal compositions are and the percentages of each of the elements present by about - $ 10 of the specified amounts · can be varied. The alloys can also contain up to a total of about 2% by weight of random elements such as manganese, silicon, iron, etc. Non-metals such as sulfur, oxygen and nitrogen and harmful metals such as lead, bismuth, arsenic etc. are kept as low as possible in accordance with technical practice. Preferably all alloys mentioned in Table I and the alloys according to the invention are made by vacuum melting and poured into the casting mold, which has a gas turbine metal mold, while still under vacuum.
Ein Fachmann kann der Tabelle I entnehmen, daß diejenigen Legierungen erfindungsgemäß vorteilhaft unter Einverleibung von Hafnium behandelt werden können, um technisch fortschrittliche Heißstufen-Gasturbinenmetallteile zu schaffen, die den in Tabelle II angegebenen Zusammensetzungsbereich in Gew.$ entsprechen.One skilled in the art can see from Table I that those Alloys according to the invention can advantageously be treated with the incorporation of hafnium in order to be technically advanced Create hot stage gas turbine metal parts, which correspond to the composition range in weight $ given in Table II.
JUIUJUIU
Ni - Ausgleich (nicht weniger als etwa 36$)/wesentlichen.Ni - balance (no less than about $ 36) / essential.
Die Zugabe von Hafnium oder vorzugsweise der Austauch von Hafnium in Mengen -von etwa 0,15 bis etwa 1,5 Gew.$ oder sogar 4 Gew.# in ausgeglichenen LegierungszusammensetzungenThe addition of hafnium or, preferably, the replacement of hafnium in amounts -from about 0.15 to about 1.5% by weight or even 4% by weight in balanced alloy compositions
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- ίο -- ίο -
innerhalb des in Tabelle II angegebenen Bereichs erhöht die Duktilität der Legierung, insbesondere in dem Bereich der "Mulde", bei etwa 76O0C, ohne nachteilige Auswirkungen auf andere, wichtige technischen Eigenschaften der Legierung. Die Hafniumzugabe zu der Legierung geschieht ohne Schwierigkeiten nach der Deoxydation und die modifizierte Legierung wird danach genauso behandelt, als wenn keine 'Modifikation stattgefunden hätte. Legierungen, die innerhalb des in !Tabelle II angegebenen Bereichs liegen, können, insbesondere in Bezug auf die Elemente Tantal und Wolfram (wenn Wolfram überhaupt anwesend ist) durch Aufrechterhai tung des Wolframgehalts über etwa 8 Gew.$ und des Gesamtgehalts von Tantal plus Wolfram unter etwa 13 oder sogar 10 Gew.% ausgeglichen werden.within the range given in Table II increases the ductility of the alloy, particularly in the area of the "trough", at about 76O 0 C, without adverse effects on other, important technical properties of the alloy. The addition of hafnium to the alloy occurs without difficulty after deoxidation and the modified alloy is then treated in the same way as if no modification had taken place. Alloys within the range given in Table II can, particularly with respect to the elements tantalum and tungsten (if tungsten is present at all), by maintaining the tungsten content above about 8% by weight and the total content of tantalum plus tungsten below about 13 or even 10 wt. % to be compensated.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere neue Legierungszusammensetzungen, wie sie in der folgenden Tabelle III (in Gewichtsprozent) angegeben sind.The present invention particularly relates to new ones Alloy compositions as given in Table III below (in percent by weight).
C 0,10 - Oi 18 jt, 0,03 - 0,13 #C 0.10 - Oi 18 jt, 0.03 - 0.13 #
Gr 7 - 11 # 7 - 10'?SGr 7 - 11 # 7 - 10 '? S
Oo 6 - 13 $> 6 - 13 f» Oo 6 - 13 $> 6 - 13 f »
W 8 - 12 Ji bis zu 2 "#W 8 - 12 Ji up to 2 "#
Mo 2 - 3 # 4-8$Mon 2-3 # 4-8 $
Ta bis zu 3 # 2,5 - 4,5 #Ta up to 3 # 2.5 - 4.5 #
Ti 1 - 2 Jfi 0,5 - 1,'5 fo Ti 1 - 2 Jfi 0.5 - 1, '5 fo
Al 5 - 6 ^ 5,5 - 6,5 % Al 5 - 6 ^ 5.5 - 6.5 %
B . 0,004 - 0,02 i> 0,004 - 0,02 fi B. 0.004 - 0.02 i> 0.004 - 0.02 fi
Zr 0,02 - 0,2 $> 0,02 - 0,2 ^ .-Zr 0.02 - 0.2 $> 0.02 - 0.2 ^ .-
Hf 0,.15 - 4 % 0,15 - 4 1> Hf 0.15-4 % 0.15-4 1>
Ni im wesentlich AusgleichNi essentially equalization
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Die in Tabelle III angegebenen Legierungen 1 und 2 wurden geschmolzen und unter Vakuum zu auf Größe gegossene Probebarren, Metallteilen und zufälligen Proben für die chemische Analyse gegossen. Aus.Legierungen A und B der Tabelle I wurden Vergleichsproben hergestellt, die mit Ausnahme von Hafnium den Legierungen 1 bzw. 2 im wesentlichen ähnlich waren. In den folgenden Tabellen stellen die Beispiele 1-1, 1-2 usw. verschiedene Proben von Legierung und die Beispiele 2-1, 2-2 usw. verschiedene Proben von Legierung 2 dar. (Vergl. Tabelle X).Alloys 1 and 2 listed in Table III were melted and cast into size under vacuum Sample bars, metal parts and random samples poured for chemical analysis. Made of alloys A and B of Table I, comparative samples were prepared which, with the exception of hafnium, essentially comprised alloys 1 and 2, respectively were similar. In the following tables, Examples 1-1, 1-2, etc. represent various samples of alloy and Examples 2-1, 2-2, etc. represent various samples of Alloy 2. (See Table X).
Die Angaben in Tabelle IV zeigen die Eigenschaften von Legierung 2 gegenüber der Legierung B bei auf Größe gegossenen Testproben bei Standacör-Zugfestiglceitstestsbei Zimmertemperatur. Zur Anpassung an die technische Praxis wurden alle der in Tabellen IV bis VIII beschriebenen Versuche mit vakuumgeschinolzenen und -gegossenen Proben durchgeführt, die einer Wärmebehandlung für 4 Stunden bei 108O0O mit folgender 10 Stunden anhaltender Erwärmung auf 9000C unterworfen wurden.The data in Table IV shows the properties of Alloy 2 versus Alloy B in test specimens cast to size in standard room temperature tensile strength tests. To adapt to the technical practice, all of the experiments described in Tables IV to VIII were carried out with vakuumgeschinolzenen and -gegossenen samples which were subjected to heat treatment for 4 hours at 108O 0 O with the following 10 hours prolonged heating to 900 0 C.
Beispiel fu'df Zimmertempera- Zimmertetnpera- Dehnung Nr. (nominal) tür U.T.S.* tür Y.S.* # (kg/mm2) (k^/mm2) Example for room temperature room temperature expansion no. ( Nominal) door UTS * door YS * # (kg / mm 2 ) (k ^ / mm 2 )
rung 3Legie
tion 3
* - U.T.S. = äusserste Zugfestigkeit in kg/mm* - U.T.S. = ultimate tensile strength in kg / mm
* - Y.S. = Streckgrenze (0,2 % Greilze) in kg/mm2 * - YS = yield point (0.2 % Greilze) in kg / mm 2
Tabelle V zeigt die Kriecheigenschaften der Legierungen BTable V shows the creep properties of alloys B.
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und 2 die "bei der Untersuchung von auf Größe gegossenen Standard-Prob en bei 76O0C und einer Belastung von 66.1 kg/mmerhalten wurden. , 'and 2 the "were obtained in the investigation of standard samples cast to size at 76O 0 C and a load of 66.1 kg / mm.,"
Beispiel $> Hf Zeit bis zum' vorheriges Kriechen Nr. . (nominal) Bruch (Stunden) (#) * ■Example $> Hf time to 'previous creep no. (nominal) fraction (hours) (#) * ■
Legierungalloy
B O 48 ^",9B O 48 ^ ", 9
2-1 0,5 58,3 2,92-1 0.5 58.3 2.9
2-2 1 86,0 4,272-2 1 86.0 4.27
2-3 1,5 130,6 6,392-3 1.5 130.6 6.39
* - Das vorherige Kriechen gibt das durch den Dehnungsmesser innerhalb von 2 Stunden vor dem Versagen gemessene Kriechen an.* - The previous creep indicates this by the strain gauge within 2 hours creep measured at failure.
Die Angaben in Tabelle 17 und V zeigen, daß die mechanischen Eigenschaften von Legierungen B und 2 zumindest gleich sind, mit der Ausnahme, daß bei 76O0C die Hafnium enthaltenden Legierungen eine viel größere Duktilität bei Bedingungen, die ein Kriechen verursachen, zeigen, v/ob ei die Bruchzeit v/esentlich erhöht ist.The data in Tables 17 and V show that the mechanical properties of alloys B and 2 are at least equal, with the exception that at 76O 0 C the hafnium-containing alloys show a much greater ductility under conditions which cause creep, v / whether the break time is significantly increased.
Fig. 1 zeigt in graphischer Darstellung die Zugfestigkeitseigenschaften von Legierungen B und 2 (Beispiele 2-6) bei Temperaturbereichen von Zimmertemperatur bis etwa 9820C. Die Kurven 11, 13 und 14 zeigen dabei die äuss^rste Zugfestigkeit, die Streckgrenze bzw. die prozentuale , " Dehnung der Legierung von Beispiel 2-6. Die Kurven 12 und 15 zeigen die äusserste Zugfestigkeit bzw. die prozentuale Dehnung der Legierung B. Aus Pig 1 ist die Verbesserung ; der Duktilität durch die Einverleibung von 1,5 % Hafnium in die Legierung 2-6 ersichtlich, was aus der VerbesserungFig. 1 is a graph showing the tensile properties of alloys B and 2 (Examples 2-6) at temperatures ranging from room temperature to about 982 0 C. The curves 11, 13 and 14 show the case Äuß ^ irst tensile strength, the yield strength or the percent elongation of the alloy of Example 2-6. Curves 12 and 15 show the ultimate tensile strength and the percent elongation, respectively, of alloy B. Pig 1 shows the improvement in ductility due to the incorporation of 1.5 % hafnium into the Alloy 2-6 can be seen from the improvement
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- der prozentualen Dehnung hervorgeht. Die zusätzlichen Zugfestigkeitswerte "bei 7600C für "beide Beispiele 2-1 und 2-3 zeigen 9 # Dehnung, was eine ausgezeichnete Duktilität bei der' Temperatur der "Mulde" "beweist.- the percentage elongation is evident. The additional tensile strength values "at 760 ° C. for" both Examples 2-1 and 2-3 show 9 # elongation, which proves excellent ductility at the "trough" temperature.
Pig. 2, 2A und 3 und 3A sind Reproduktionen von Mikrophotographien von Legierungen innerhalb und außerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs.* Jedes dieser Bilder zeigt die legierung in etwa 50Ofacher Vergrösserung, die nach dem Polieren mit einer Ä'tz flüssigkeit, die man durch Zugabe γόη je 20 ml Fluorwasserstoff und Salpetersäure zu 60 ml Glyzerin herstellte, geätzt wurde. Fig. 2 zeigt Legierung B und Pig. 2A zeigt eine erfindungsgemäße Legierung, die im wesentlichen aus der Zusammensetzung von Legierung B, zuzüglich 1,5 fo Hafnium anstelle der gleichen Gewichtsprozentmenge an Nickel "bestand. Es ist ersichtlich, daß die schriftähnliche Carbidphasen, wie sie in Pig. 2 zu sehen sind, nicht, in Pig. 2A erscheinen. Weiterhin scheint in Pig. 2A viel mehr primäre Gammagrundphase als in Pig.2 zu sein Die gleiche Situation ist in Bezug auf die primäre Gammagrundphase "bei einem Vergleich von Pig. 3 und 3A ersichtlich. Diese Figuren stellen Mikrostrukturen der Legierung A und einer erfindungsgemäßen Legierung (Beispiel 1-3) dar, die mit der Legierung A mit der Ausnahme identisch ist,-Pig. 2, 2A and 3 and 3A are reproductions of photomicrographs of alloys within and outside the inventive range. * Each of these pictures shows the alloy in about 50Ofacher magnification, the liquid after the polishing with a Ä'tz that one γόη by the addition of 20 ml of hydrogen fluoride and nitric acid to make 60 ml of glycerine was etched. Figure 2 shows Alloy B and Pig. 2A shows an alloy according to the invention which essentially consisted of the composition of alloy B plus 1.5 fo hafnium instead of the same weight percentage of nickel ". It can be seen that the writing-like carbide phases, as can be seen in Pig. does not appear in Pig. 2A. Furthermore, there appears to be much more primary gamma ground phase in Pig. 2A than in Pig.2 The same situation is with respect to the primary gamma ground phase "when comparing Pig. 3 and 3A can be seen. These figures represent microstructures of alloy A and an alloy according to the invention (example 1-3), which is identical to alloy A with the exception,
Λ r\ CJ Λ r \ CJ
daß 353/£ Hafnium anstelle/gesamten Tantals und ein Teil des Nickels (insgesamt 3,3 Gew.$) der Legierung anwesend ist.that 3 5 3 / £ hafnium instead of / all of the tantalum and part of the nickel (total 3.3 wt. $) of the alloy is present.
Die Duktilitätseigenschaften der wiedergeschmolzene Anteile enthaltenden Chargen von Legierung B und ähnlicher' erfindungsgemäßer Legierungen, die Hafnium enthalten, werden in Tabellen 71 und VII angegeben und in der Zeichnung Pig. 4 veranschaulicht. Die Werte der Tabellen VI und VII, düe in P.ig. 4 dargestellt werden, wurden von Testproben erhalten, die von Turbinenschaufeln gewonnen worden sind. Wie bereits ausgeführt, werden jetzt solche Testbeispiele angewendet, um eine sehr genaue Bestimmung der Duktilität der hergestell-The ductility properties of the remelted portion-containing batches of alloy B and similar alloys of the invention containing hafnium are given in Tables 71 and VII and in the drawing Pig. 4 illustrates. The values of Tables VI and VII, düe in P.ig. 4 were obtained from test samples obtained from turbine blades. As already stated, such test examples are now used in order to determine the ductility of the manufactured
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ten Metallteile zu gewährleisten. Tabelle VI enthält Zugfestigkeitswerte bei Zimmertemperatur. Tabelle VII enthält die Zeitstandswerte, die bei 76O0O und einerth metal parts. Table VI gives tensile strength values at room temperature. Table VII contains the creep values obtained at 76O 0 O and one
Belastung von 59,8 kg/mm erhalten wurden, und j?ig. 4 zeigt die Kriechkurven für Legierung B und Beispiel 2-1.Load of 59.8 kg / mm were obtained, and yy. 4th shows the creep curves for Alloy B and Example 2-1.
Beispiel $ Hf Zimraertem- Zimmertempe- DehnungExample $ Hf Zimraertem- room temperature- expansion
Nr. (nominal) peratur 0 ratur X.S. % No. (nominal) temperature 0 temperature X. S. %
ÜTS(ks/nmr) (kg/mmz) ' ÜTS (ks / nmr ) (kg / mm z ) '
Legierung B O 81,6 76,3 3,5Alloy B O 81.6 76.3 3.5
2-1 ' 0,5 83,6 75,7 6,02-1 '0.5 83.6 75.7 6.0
2-2 1 86,3 76,3 . 6,02-2,186.3 76.3. 6.0
2-3 1,5 91,9 76,7 9,52-3 1.5 91.9 76.7 9.5
Tabelle VI zeigt, daß die Einverleibung von Hafnium in die Zusammensetzung der Legierung B deutlich die Duktilität verbessert, was aus den Proben zu sehen ist, die von Schaufeln, welche aus wiedergeschmolzene: Anteile enthaltende Chargen hergestellt worden waren, gewonnen wurden.Table VI shows that the inclusion of hafnium in the composition of Alloy B significantly increased ductility improves what can be seen from the samples, that of blades made from remelted: containing fractions Batches produced were obtained.
Beispiel #Example #
H (nominal)H (nominal)
Legierung B OAlloy B O
2-1 0,52-1 0.5
2-2 12-2 1
2-3 1,52-3 1.5
Die Werte in Tabelle VII, insbesondere die Legierung BThe values in Table VII, particularly alloy B.
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, betreffenden Werte, zeigen einen Verlust der Duktil!tat "bei Verwendung von wiedergeschmolzene .Anteile enthaltenden Chargen und aus Gußsehaufein gewonnenen Proben. Die Kriechkurve für Legierung B ist in Pig. 4 der Zeichnung als Kurve 17 dargestellt. Die außerordentlich starke Verbesserung, die'durch Einverleibung von 0,5 # Hafnium in die Zusammensetzung der wiedergeschmolzene Anteile , enthaltendenChargen der Legierung B erreicht wird, ist durch' die Kurve 16 in Pig. 4 veranschaulicht. Die Kriechkurve 16 ist die Kurve von Beispiel 2-1. In diesem speziellen Pail wurde eine mehr als 100$ige Verbesserung der Bruchzeit und wenigstens eine achtfache Erhöhung des vorherigen prozentualen Kriechens erhalten, indem 0,5 Gew.% Hafnium zu der Zusammensetzung der Legierung B zugegeben wurde. Die Erfahrung hat allgemein gezeigt, daß die erfindungsgemäßen, wiedergeschmolzene Anteile enthaltenden Chargen der Hafnium enthaltenden Legierungen den Prischchargen von im wesentlichen aus derselben Legierung, jedoch ohne Hafnium, weitgehend gleichwertig ist.Values in question show a loss in ductility when using remelted batches containing fractions and samples obtained from cast iron. The creep curve for alloy B is shown in Pig. 4 of the drawing as curve 17. The extraordinarily strong improvement, the by incorporating 0.5 # hafnium in the composition of the remelted batches of Alloy B is illustrated by curve 16 in Figure 4. Creep curve 16 is the curve of Example 2-1, in this particular Pail a greater than 100% improvement in rupture time and at least an eight-fold increase in previous percent creep was obtained by adding 0.5 wt. % hafnium to the composition of alloy B. Experience has generally shown that the remelted fractions of the present invention batches of the hafnium-containing alloys containing batches of essentially the same alloy tion, but without hafnium, is largely equivalent.
Die Werte in Tabelle VIII zeigen die Ergebnisse beim Austausch von einem Teil des Tantals durch Hafnium in Legierung B. Die Vierte wurden mit auf Größe gegossenen Versuchsbarren erhalten.The values in Table VIII show the results when part of the tantalum was replaced by hafnium in Alloy B. The fourth was obtained with test ingots cast to size.
Beispiel # Hf RTUTSS RTYS* 2 Deh- Zeit- vorhe-Nr. (nominal) (kg/mm ) (kg/mm ) nung?a standver- rigesExample # Hf RTUTSS RTYS * 2 Deh- time advance no. (nominal) (kg / mm) (kg / mm) change?
halten Kriechenkeep crawling
* RTUTS = Ziramerteaperatur-Werie der äussersten Zugfestigkeit* RTUTS = Ziramer temperature value of the ultimate tensile strength
•RTY3 = Ziramerteraperatur-V/erte der Streckgrenze• RTY3 = Ziramer temperature value of the yield point
90 9846/Cf? 2 490 9846 / Cf? 2 4
ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED
Ähnliche Werte, die mit auf Größe gegossenen Versuchsbarren , * durch 50stündige Wärmebehandlung bei 84-30C erhalten wurden,·- sind aus Tabelle IX für legierung A und ähnliche, erfindungs* · gemäßer Legierungen ersichtlich. In den er findungs gern äßen Legierungen wurde Hafnium anstelle des gesamten !Tantals . · *j und eines Teils des Nickels bis zu einem Gesamtgewichts- · prozentwert an Nickel plus Tantal, das dem Gewichtsprozentwert des Hafniums ent spr ach, verwendet. ..·■".Similar values were obtained with * cast to size test bars, by 50stündige heat treatment at 84-3 0 C, · - are shown in Table IX for alloy A and the like, fiction, * · invention alloys. In the alloys of the invention, hafnium was used instead of all of the tantalum. * J and a part of the nickel up to a total weight percentage of nickel plus tantalum which corresponds to the weight percentage of the hafnium. .. · ■ ".
========= Zeitstandr- Zeits'tand-========= Zeitstandr- time status-
Beispiel ?S Hf RTUTS o RTYS o Dehnung Nr. (norn.) (kg/mm2) (kg/mm2) *Example? S Hf RTUTS o RTYS o Elongation No. (norn.) ( Kg / mm 2 ) (kg / mm 2 ) *
(Stdn) ($Dehng) mm 2 (Stdn) (Stdn) ($ elongation) mm 2 (Stdn)
rung A. 0 100,8 90,1 4,3 48 3,75 35 ·tion A. 0 100.8 90.1 4.3 48 3.75 35
1-1 1,5 111,0 95,9 5,0 113,9 9 25,91-1 1.5 111.0 95.9 5.0 113.9 9 25.9
1-2 2,2 124,1 · 100,5 7,0 69,9 9,5 18,41-2 2.2 124.1 x 100.5 7.0 69.9 9.5 18.4
1-3 3,3 114,5 101,8 4,0 123,1 9 11,91-3 3.3 114.5 101.8 4.0 123.1 9 11.9
Tabelle IX zeigt die Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung auf Legierung A und beweist insbesondere, daß die gewünschte Verbesserung der "Duktilität bei Verwendung von weniger als etv/a 2 Gew.fo Hafnium erreicht werden kann, wenn auch relativ große Mengen von Hafnium verwendet werden können.Table IX shows the applicability of the present invention to alloy A and demonstrates, in particular, that the desired improvement in ductility can be achieved using less than about 2 % by weight of hafnium, although relatively large amounts of hafnium can be used.
Die Analysen einiger verwendeter Legierungen, die zur Bestimmung der hier angegebenen Testergebnisse verwendet wurden, sind in Tabelle X aufgeführt. /The analyzes of some of the alloys used that are used for Determination of the test results given here are used are listed in Table X. /
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Ta - - - 4,40 4,27 4,32 3,88 3,25 2,73Ta - - - 4.40 4.27 4.32 3.88 3.25 2.73
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung γοη ' Hafnium enthaltenden Legierungen und insbesondere bei der Behandlung de'r die wiedergeschmolzene Anteile enthaltenden Chargen, wurde. Hafnium im wesentlichen als Element oder in 3?örm einer Verbindung, die sich unter den Legierungsbedingungen zu metallischem Hafnium zersetzt, zugegeben. Somit kann Hafnium als metallisches Hafnium, Hafnium-Reich-' metall oder möglicherweise als intermetallische Hafniumverbindungen zugegeben werden. Das Hafnium sollte der geschmolzenen Legierung zugegeben werden, nachdem die Schmelze z.B. durch eine "Carbon-boil"-Stufe gereinigt und praktisch beruhigt wurde, um die Bildung von übermäßigen Mengen des sehr beständigen Hafniumoxyds zu vermeiden. Wie der Fachmann weiß, ist es sehr vorteilhaft,/ das Schmelzen und Gießen von Legierungen der hier beschriebenen Art unter Hochvakuum durchzuführen, um die Einverleibung von schädlichen Mengen an Sauerstoff, Stickstoff usv/. in die Legierung zu vermeiden. Unter bestimmten Bedingungen können jedoch die hierin beschriebenen Legierungen unter Inertgas oder einem anderen Schutz geschmolzen und an der Luft * A = Ausgleich 9098 4 6/0724 In the method according to the invention for the production of alloys containing hafnium and in particular in the treatment of the batches containing the remelted portions. Hafnium is added essentially as an element or in the form of a compound which decomposes to metallic hafnium under the alloying conditions. Thus, hafnium can be added as metallic hafnium, hafnium-rich metal or possibly as intermetallic hafnium compounds. The hafnium should be added to the molten alloy after the melt has been cleaned, for example by a "carbon-boil" stage, and practically calmed, in order to avoid the formation of excessive amounts of the very stable hafnium oxide. As those skilled in the art know, it is very advantageous / to carry out the melting and casting of alloys of the type described here under high vacuum in order to incorporate harmful amounts of oxygen, nitrogen, etc. /. to avoid in the alloy. Under certain conditions, however, the alloys described herein can be melted under inert gas or some other protection and in air * A = balance 9098 4 6/0724
gegossen werden, wenn die notwendige Vorsicht angewendet wird. . .--....=■ ■■''- be poured if the necessary caution is used. . . - .... = ■ ■■ '' -
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