DE1921359B2

DE1921359B2 - Verfahren zur Erhöhung der Duktilität bei hohen Temperaturen von Gußlegierungen auf Nickelbasis

Info

Publication number: DE1921359B2
Application number: DE1921359A
Authority: DE
Inventors: John Palatine Hockin; Carl Howard Arlington Heights Lund; Michael John Schaumburg Woulds
Original assignee: Martin Marietta Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1968-04-29
Filing date: 1969-04-26
Publication date: 1980-04-24
Also published as: GB1261403A; IL32110A0; DE1966949B2; CA935674A; DE1921359A1; BE732244A; FR2007199B1; CH555891A; DE1966949A1; IL32110A; DE1966949C3; DE1921359C3; FR2007199A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung der Duktilität im Bereich von 704 bis 871°C von Gußlegierungen auf Nickelbasis, die aus einer Charge mit nicht mehr als 5% Rücklaufschrott erschmolzen werden, bei denen die /-Phase als Grundphase in der kristallinen Matrix vorliegt und die zur Verwendung unter Beanspruchung bei Temperaturen bis zu 1038⁰C geeignet sind.

Es ist eine Anzahl von Legierungen auf Nickelbasis von ausreichender Festigkeit zur Verwendung bei Temperaturen im Bereich von 926° C bis 1067° C bereits bekannt Diese Legierungen wurden für die Verwendung in Heißstufen-Gasturbinen vorgeschlagen und sind dieser 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 Bor enthielten, im Mittelpunkt der Entwicklung von Legierungen auf diesem Gebiet. Im allgemeinen umfaßt die Morphologie solcher Legierungen ein Gruridgefüge mit bestimmten in der Masse von jedem Kristall und an den Kristallgrenzen dispergierten Phasen. Bei den kürzlich entwickelten Legierungen auf der Grundlage von Nickel zur Anwendung bei extrem hohen Temperaturen besteht die, Grundphase des kristallinen Grundgefüges aus einer /-Phase, die wahrscheinlich im wesentlichen aus NijAl besteht, wobei Nickel teilweise durch Kobalt, Chrom, Eisen usw. und Aluminium teilweise durch Titan, Niob und anderen Elementen ersetzt werden kann. Hauptsächlich unter den innergranularen und Konegrenzphasen gibt es verschiedene Formeln von Carbidphasen, allgemein definiert durch die Formeln MC, M₂SC₆ und M₆C. 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.

Im allgemeinen nimmt mit zunehmender Stärke der Legierungen (gewöhnlich durch Erhöhung der Zusatzelemente) die Duktilität ab. 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 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 Nickelbasis Festigkeitseigenschäften in ausreichendem Maße aufweisen, daß die Legierungen bei Temperaturen von etwa 926°C und höher verwendet werden können, daß sie aber — wie es gewöhnlich ausgedrückt wird — eine Duktilitätsmulde bei etwas niedrigerer Temperatur, gewöhnlich etwa um 760° C, aufweisen. Wenn man die Zugdehnung gegen die Temperatur graphisch aufträgt, zeigt die übliche Kurve nur eine geringe Veränderung zwischen Zimmertemperatur bis etwa 7O4°C. Zwischen 704⁰C und etwa 871°C

zeigt die Kurve für die Duktilität ein Minimum, und dieses Minimum hat gewöhnlich einen Wert, der unter dem für die bei Zimmertemperatur gemessenen prozentualen Dehnung liegt Einer der Kompromisse, die die Metallurgen gezwungenermaßen schließen mußten, war eine Legierung, die sogar am tiefsten Punkt der Duktüitätsmulde eine technisch annehmbare Dehnung erreicht

In jüngster Zeit wurde eine sehr überraschende Erscheinung bei einer bestimmten Hochtemperatur-Legieruug, insbesondere in Bezug auf die Duktilität bei 760°C gefunden. In üblicher Weise wurde diese spezielle Legierung auf der Grundlage von Versuchsergebnissen, die unter Verwendung normaler auf Größe gegossener Prüflinge erhalten wurden, ausgewählt und entwickelt Nach der Untersuchung mit den normalen, technisch üblichen Prüfungsverfahren zeigten diese auf Größe gegossenen Proben alle Anzeichen einer technisch annehmbaren Duktilität im Bereich von etwa 760° C. Wenn jedoch Turbinenmetallteile, wie z. B. Turbinenschaufeln, in herkömmlicher Weise einem Formguß unterworfen werden, zeigten die erhaltenen Gußteile oft eine Duktilität bei etwa 760° C, die schlechter als gewünscht war.

Weitere Untersuchungen der von Metallteilen abgetrennten Proben ergaben, daß ein Masseneffekt auftritt, der sich nachteilig auf die Duktilität in dem kritischen Bereich bei etwa 760°C 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 Kriech versuch bei 760° C 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 Duktüitätsmulde bei etwa 760⁰C verursacht ist.

In der FR PS 12 27 686 wird beschrieben, daß, wenn gewisse Nickellegierungen so vergossen werden, daß die Formen schlecht gespeist werden, was insbesondere bei dem Vergießen von hochwarmfesten Legierungen der FaI! sein kann, die Gußstücke porös werden und die Festigkeit der Legierung herabgesetzt wird. Dieses Problem wurde nur bei schlecht gespeisten Gußstücken wahrgenommen. Gemäß der französischen Patentschrift soll durch Zusatz von Zirkonium in Mengen von 0,2 bis 1 % und insbesondere 0,5% zu den Legierungen der Verlust an Festigkeit aufgehoben und die Porosität beseitigt werden. Es handelt sich dabei um Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen mit einem Gehalt von 11 bis 15% Chrom, 5 bis 15% Kobalt, 5 bis 10% Wolfram, 3 bis 6% Aluminium, 1,5 bis 5% Titan, 0,05 bis 0,20% Kohlenstoff, 0,003 bis 0,08% Bor und 0,2 bis 1,0%, vorzugsweise 0,5%, Zirkonium. Das Zirkonium kann durch Hafnium ganz oder teilweise gemäß der Gleichung 1.0%>Zr + Hf/2>0,2% ersetzt werden. Bei Versuchen wurde gemäß der französischen Pateniischrift festgestellt, daß e^:n Zusatz von 5% Zirkonium die Duktilität selbst bei gut gespeisten Gußstücken aus der Legierung herabsetzt, so daß derartige Legierungen für die Herstellung hochwarmfester Gußstücke, die eine angemessene Kriechdehnung unter Last haben, ungeeignet ist.

Die britische Patentschrift 9 43141 betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Nickel-Knetlegierungen, die u. a. für die Herstellung von Gasturbinenmaschinen verwendet werden sollen. Die Wärmebehandlung soll auf Nickel-Knetlegierungen angewendet werden, die folgende Zusammensetzung haben können:

Aluminium	0,1 bis 9,0%
Titan	0,1 bis 64%
Kobalt	0 bis 30%
Chrom	5 bis 30%
Molybdän	1,0 bis 15%
Wolfram	0 bis 15%
Niob	0 bis 7%
Hafnium	0bis8%
Tantal	0bis5%
Vanadium	0 bis 6%
Bor	0 bis 03%
Zirkonium	Obis 1,2%
Kohlenstoff	0,01 bis 0,3«
Mangan	Obis 1,0%
Silicium	Obis 1,5%
Eisen	0 bis 5,0%
Beryllium	0 bis 0,5%
Stickstoff	Obis 0,15%
Kupfer	0 bis 0,9%
Seltene Erden	0 bis 0,2%
Schwefel	0,01 max.
Phosphor	0,02 max.
Calcium	0,08 max.
Magnesium	0,15 max.
Rest Nickel (wenigstens 35%)

Der britischen Patentschrift ist nicht die Lösung der Aufgabe der Verbesserung der Duktilität von Nickellegierungen zu entnehmen. Durch die Wärmebehandlung der bekannten Knetlegierungen sollen diese durch Herabsetzung der Wanderung der Intermetallverbindungen an den Kristallgrenzen der Legierung beim Altern stabilisiert werden. Die Schaffung von Gußlegierungen für die Herstellung hochwarmfester Gußstücke, die besonderen Anforderungen hinsichtlich der Kriechdehnung bei einer Temperatur von 760⁰C unter Last entsprechen, kann der britischen Patentschrift nicht entnommen werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Erhöhung der Duktilität bei hohen Temperaturen bei Legierungen auf Nickelbasis, die nicht mehr als 5% Rücklaufschrott enthalten und unmittelbar zu hochwarmfesten Gußstücken verarbeitbar und insbesondere zur Herstellung von Hochtemperatur-Gasturbinenteilen geeignet sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zur Erhöhung der Duktilität bei Temperaturen im Bereich von 704 bis 871⁰C von Gußlegierungen auf Nickelbasis, die aus einer Charge mit nicht mehr als 5% Rücklaufschrott erschmolzen werden, bei denen die y'-Phase als Grundphase in der kristallinen Matrix vorliegt und die zur Verwendung unter Beanspruchung bei Temperaturen bis zu 1038⁰C g.-eignet sind, bestehend aus 0,02 bis 0,20% Kohlenstoff, 7 bis 13% Chrom, bis 8% Molybdän, bis 6% Tantal, bis 14% Wolfram, bis 35% Kobalt, 4 bis 7% Aluminium, 0,5 bis 6% Titan, bis 3% Niob, bis 1,5% Vanadium, 0,002 bis 0,02% Bor, 0,01 bis 0,20%

Zirkonium, Rest mindestens 36% Nickel sowie bis 2% an herstellungsbcdingten üblichen Verunreinigungen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der erschmolzenen Charge 0,5 bis 4% Hafnium nach der Desoxydation zugegeben werden.

Im vorliegenden Zusammenhang sind samtliche Prozentangaben auf das Gewicht bezogen.

Aus der US-Patentschrift 30 05 705 sind Nickel-Chrom-Eisen-Legierung und Kobalt-Nickel-Chrom-Legierungen bekannt. Es handelt sich dabei um Knetlegierungen, die bei der Herstellung von Schmiedewaren Anwendung finden.

In der US-Patentschrift 30 05 705 werden diese Legierungen als Hochtemperatur-Legierungen bezeichnet, die bei Temperaturen von etwa 650 bis 870°C verwendet werden können. Aus der US-Patentschrift ««Κ» ΙΐΛΐ-ιιηι· eAnfX /-ti nc· η I omarimnon Ar-ktoKlioKn Μαπιτοπ

an Eisen oder Chrom enthalten, die beträchtlich höher als die bei den erfindungsgemäß erhaltenen Legierungen zulässigen Mengen sind. Wenn bei den bekannten Legierungen Aluminium vorhanden ist, liegt es in wesentlich geringeren Mengen als bei den erfindungsgemäßen Gußlegierungen vor.

Aufgrund dieser Unterschiede sind die in der US-Patentschrift 30 05 705 beschriebenen Legierungen ungeeignet für die Verwendung bei wesentlich höhereren Temperaturen, d. h. Temperaturen bis zu 1038° C, für welche die erfindungsgemäß erhaltenen Legierungen jedoch sehr gut geeignet sind. Selbst bei niedrigen Temperaluren, wie z.B. 815°C, liegen die Festigkeitswerte für die bekannten Legierungen wesentlich unter denjenigen für die erfindungsgemäßen Gußlegierungen. Die Grenzwerte der Bereiche der Zusammensetzungen sowie die Erfordernisse für die Gußlegierungen auf Nickelbasis gemäß der Erfindung unterscheiden sich grundsätzlich von denjenigen für die bekannten Knetlegierungen. Diese Unterschiede führen zu verschiedenen Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten der bekannten Legierungen gegenüber den erfindungsgemäßen. Wegen dieser grundsätzlichen Unterschiede der Zusammensetzungen und der Eigenschaften war — selbst bei Kenntnis der US-Patentschrift 30 05 705 — der Effekt des Zusatzes von Hafnium zu den Legierungen gemäß der Erfindung nicht vorhersehbar.

Aus der US-Patentschrift 30 05 705 sind Angaben über den Effekt des Zusatzes von Hafnium nur für eine Legierung zu entnehmen, welche große Mengen an Kobalt, Chrom und Eisen und nur 30% Nickel, jedoch kein Aluminium, enthält und keine /-Phase aufweist.

Aufgrund dieses einzigen Beispiels wird in der US-Patentschrift behauptet, jedoch weder gezeigt noch nachgewiesen, daß der Zusatz von Hafnium die Diktilität auch von anderen Legierungen, wie z. B. von der in der US-Patentschrift 30 05 705 offenbarten Legierung C, weiche jedoch in keiner Weise den Erfordernissen bezüglich der Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Legierungen gerecht werden, verbessern würde.

Es wurde jedoch gefunden, daß der Zusatz von 1 % Hafnium zu einer Legierung, weiche die Zusammensetzung der Legierung C gemäß der US-Patentschrift hatte, einen Verlust an Bruchlebensdauer sowie eine Verringerung eier Duktilität bei 750⁰C bewirkte und eine Festigkeit von 45,7 kg/mm² ergab.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird die Zusammensetzung der Gußlegierungen insbesondere so gesteuert, daß sich neben der üblichen /-Phase auch eutektische oder primäre /-Phase bildet. Diese eutektischen Ausscheidungen sind ineinander vernetzt und verhindern so die Ausbildung von Rissen an den Korngrenzen. Gleichzeitig wird bei den erfindungsgemäß zu verwendenden Gußlegierungen die Ausbildung von chinesischen Schriftzeichen ähnelnden Carbidausscheidungen der Konstitution MeC verhindert und diese vielmehr in einer mehr kugeligen Konstitution ausgeschieden.

Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung der Erfindung, und zwar zeigt

F i g. 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,

C · rr T ntrtn D Anrn^

linn ninnr· KA t\f rAnkrt tnnri r\Y\ i i

von einer Legierung, die außerhalb der Erfindung liegt,

F i g. 2A eine Reproduktion einer Mikrophotographie einer erfindungsgemäßen Legierung (vergleichbar mit der in F i g. 2 gezeigten Legierung),

Fig. 3 eine Reproduktion einer Mikrophotographie von einer anderen, außerhalb der Erfindung liegenden Legierung,

Fig. 3A eine Darstellung einer Mikrophotographie eine^r Rrfindungsgemäßen Legierung (vergleichbar mit der in F i g. 3 gezeigten Legierung).

Die Gußlegierungen auf Nickelbasis, deren Duktilität bei Temperaturen im Bereich "on 704 bis 871⁰C durch das erfindungsgemäße Verfahren erhöht wird, sind zur Verwendung unter Beanspruchung bei Temperaturen bis zu 1038°C im Feinguß für z. B. Turbinenschaufeln, -flügel, einstückig gegossene Turbinenräder und Düsenschaufeln geeignet. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Legierungen derart modifiziert, daß ihnen so viel Hafnium zugesetzt wird, daß sie im festen Zustand 0,5 bis 4% Hafnium enthalten. In den erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen kann das Hafnium als Ersatz für eine gleiche Menge in Gewichtsprozent an Nickel, Tantal und gegebenenfalls anderen refraktären Elementen in der Legierung verwendet werden. Vorzugsweise wird Hafnium in Mengen von etwa 0,7% bis etwa 1,2% für die gleiche Menge in Gewichtsprozent Tantal verwendet, wenn Tantal in der Grundlegierung anwesend ist. Allgemein kann gesagt werden, daß es möglich ist, daß die Festigkeitseigenschaften der Grundlegierung nicht wesentlich verändert werden, wenn Hafnium für Elemente, wie z. B. Tantal, in einer Legierung e^: gesetzt wird, jedoch wird zur gleichen Zeit die Duktilität der Legierung bedeutend erhöht. Wenn Hafnium anstelle von Legierungszusätzen, wie z. B. Nickel, verwendet wird, wird die Duktilität der Legierung bedeutend verbessert, während es zur gleichen Zeit möglich ist, daß die Festigkeitseigenschaften der Grundlegierung verbessert werden Es ist jedoch zu beachten, daß der Zusatz von Hafnium zu einer Legierung auf Nickelbasis, die 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 technisch annehmbaren Wert bei Temperaturen der »Mulde« führt

Die chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozenten einiger bekannter Legierungen auf Nickelbasis, die erfindungsgemäß modifiziert werden können, wird in der folgenden Tabelle I angegeben.

Tabelle I

Cr

Co

Mo

Ta

Ti

ΛΙ

Zr

Cb

Ni

0,15

9,0
10,0
10,0

2,5

1,5

5,5

0,015

0,05

Rest

0,10	0,15	-	0,12	0,18	3.0	1,0
8,0	9,0	Rest	12,5	10,0	-	Rest
10,0	10,0	-	15,0	4.7
-	12.5	-	-	5.5
6,0	-	4,2	0.014
4,25	-	-	0.06
1,0	2,0	0,8	-
6,0	5,0	6,1
0,015	0.015	0,012
0,10	0,05	0,10
-	1,0	2,0
-	-
Rest	Rest

Die Legierungen können auch bis zu insgesamt etwa 2% an zufälligen Elementen wie z. B. Mangan, Silicium, Eisen usw., enthalten. Nicht-Metalle, wie z. B. Schwefel, Sauerstoff und Stickstoff, und schädliche Metalle, wie z. *\ Blei, Wismut, Arsen usw., werden in Übereinstimmung mit der technischen Praxis auf einen so niedrigen Wert wie möglich gehalten. Vorzugsweise werden alle in Tabelle 1 genannten Legierungen und die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen durch Vakuumschmelzen hergestellt und noch unter Vakuum in eine Feingußform fiirz. B. Gasturbinenmetallteile gegossen.

Tabelle II

0,02 bis 0,20%
7 bis 13%
bis zu 35%
bis zu 14%
bis zu 8%
bis zu 6%

Ti

Al

Zr

Nb

0.5 bis 6%
4 bis 7%
0.002 bis 0,02% 0,01 bis 0,2%
bis zu 3%
bis zu 1,5%

Erfindungsgemäß werden insbesondere Legierungszusammensetzungen verwendet, wie sie in der folgenden Tabelle 111 angegeben sind.

Tabelle III

Ni - Rest (nicht weniger als etwa 36%) im wesentlichen

Die Zugabe von Hafnium oder vorzugsweise der Austausch von Hafnium in Mengen von etwa 0,5% bis etwa 1,5% oder sogar 4% in ausgeglichenen Legierungszusammensetzungen innerhalb des in Tabelle II angegebenen Bereichs erhöht die Duktilität der Legierung bei Temperaturen im Bereich von 704 bis 87 Γ C, insbesondere in dem Bereich der »Mulde« bei etwa 760⁰C, ohne nachteilige Auswirkungen auf andere wichtige technische Eigenschaften der Legierungen. Die Hafniumzugabe zu der Legierung geschieht ohne Schwierigkeiten nach der Desoxydation 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 Aufrechterhaltung des Wolframgehalts über etwa 8 Gew.-% und des Gesamtgehalts von Tantal plus Wolfram unter etwa 13 oder sogar 10 Gew.-% ausgeglichen werden.

Legierung I

Legierung 2

C	0.10-0.18%	0,03-0,13%
Cr	7-11%	7-10%
Co	6-13%	6-13%
W	8-12%	bis zu 2%
Mo	2-3%	4-8%
Ta	bis zu 3%	2,5-4,5%
Ti	1-2%	0.5-1.5%
Al	5-6%	5,5-6,5%
B	0,004-0,02%	0,004-0,02%
Zr	0,02-0,2%	0,02-0,2%
Hf	0,5-4%	0,5-4%

Ni

im wesentlichen der Rest

Die Legierungen 1 und 2 wurden geschmolzen und unter Vakuum zu Probebarren, Teilen und Probestük- !:en für die chemische Analyse gegossen. Aus den zuvor angegebenen Legierungen A und B 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 der Legierung 1 und die Beispiele 2-1, 2-2, usw. verschiedene Proben der Legierung 2 dar (vgl.Tabelle VIII).

Die Angaben in Tabelle IV zeigen die Eigenschaften von Legierungen 2 gegenüber der Legierung B bei auf Größe gegossenen Probestücken mit Bezug auf Zugfestigkeitswerte bei Zimmertemperatur.

Zur Anpassung an die technische Praxis wurden sämtliche in den Tabellen IV bis VI beschriebenen Versuche mit vakuumgeschmolzenen und gegossenen Proben durchgeführt, die einer Wärmebehandlung für 4 Stunden bei 1080° C mit folgender, 10 Stunden anhaltender Erwärmung auf 900" C unterworfen wurden.

Tabelle IV

Beispiel
Nr.

7. Hf

"W

bei RT

"02

bei RT

(N/mm²) (N/mm²)

Legierung B	0	940	707	8,0
2-1	0,5	913	760	8,5
2-2	1	932	795	6,0
2-3	1.5	1000	798	14,0

Tabelle V enthält die Zeitstandswerte, die bei 760⁰C und einer Belastung von 66,1 kg/mm-' erhalten wurden.

Tabelle V

Beispiel % Uf

Nr.

Zeit bis zum Bruch

(Stunden)

Kriechbetrag*)

Legierung B

2-1

2-2

2-3

0,5

I
1,5

48
58,3
86,0
130,6

1,9 2,9 4,27 6,39

*) Kricchbetraf! /eigl das Kriechen innerhalb 2 Stunden vor Bruch.

Die Angaben in Tabelle IV und V zeigen, daß die mechanischen Eigenschaften von Legierungen B und 2 zumindest gleich sind, mit der Ausnahme, daß bei 760°C die Hafnium enthaltenden Legierungen eine viel größere Duktilität bei Bedingungen, die ein Kriechen verursachen, zeigen, wobei die Bruchzeit wesentlich erhöht ist.

Fi g. 1 zeigt in graphhiher Darstellung die Zugfestig

10

keitseigenschaften von Legierungen B und 2 (Beispiele 2-6) bei Temperaturbereichen von Zimmertemperatur bis etwa 982°C. Die Kurven 11, 13 und 14 zeigen dabei die äußerste 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 F i g. 1 ist die Verbesserung der Duktilität durch die Einverleibung von 1,5% Hafnium in die Legierung 2-6 ersichtlich, was aus der Verbesserung 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.

Fig. 2, 2A, 3 und 3A sind Reproduktionen von Mikrophotographien von Legierungsproben innerhalb und außerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs. Jedes

VJl CSC Γ LfIIUW

500facher Vergrößerung, die nach dem Polieren mit einer Ätzflüssigkeit, die man durch Zugabe von je 20 ml Fluorwasserstoff und Salpetersäure zu 60 ml Glycerin herstellte, geätzt wurde. F i g. 2 zeigt die Legierung B und Fig.2A zeigte eine erfindungsgemäß hergestellte Legierung, die im wesentlichen aus der Zusammensetzung von Legierung B zuzüglich 1,5% Hafnium anstelle der gleichen Menge an Nickel bestand. Es ist ersichtlich, daß die schriftähnlichen Carbidphasen, wie sie in F i g. 2 zu sehen sind, nicht in Fig.2A erscheinen. Weiterhin scheint in Fig. 2A viel mehr primäre /-Phase als in F i g. 2 zu sein. Die gleiche Situation ist in Bezug auf die primäre /-Phase bei einem Vergleich von F i g. 3 und 3A ersichtlich. Diese Figuren stellen Mikrostrukturen der Legierung A und einer erfindungsgemäß hergestellten Legierung (Beispiel 1 bis 3) der, die mit der Legierung A mit der Ausnahme identisch ist, daß 3,3% Hafnium für das gesamte Tantal und einen Teil des Nickels (insgesamt 3,3%) der Legierung A gesetzt sind.

Die Werte in Tabelle Vl zeigen die Ergebnisse beim Austausch von einem Teil des Tantals durch Hafnium in Legierung B. Die Werte wurden mit auf Größe gegossenen Versuchsbarren erhalten.

Tabelle VI Beispiel

Nr.

7.,Hl"

"H
bei RT

(N/mm²)

"(12

bei RT (N/mm²)

*) Kriechbetrag zeigt das Kriechen innerhalb 2 Stunden vor Bruch.

Zeitstandverhalten Kriechbetrag*) 760 C", 598 N/mm²

(Std.)

Legierung B	0	940	771	8,0	-
2-4	0,5	933	763	8,0	65,3
2-5	I	967	778	11,0	90,5
2-6	1,5	1078	785	14,5	101,2

2,56
3,67
3,64

Aus Tabelle V(I sind ähnliche Werte für die Legierung A und ähnliche erfindungsgemäß hergestellte Legierungen ersichtlich. Diese Werte wurden mit auf Größe gegossenen Versuchsbarren erhalten, die einer 50stündigen Wärmebehandlung bei 843°C unterworfen wurden. In den erfindungsgemäß hergestellten Legierungen wurde Hafnium anstelle des gesamten Tantals und eines Teiles des Nickels bis zu einem Gesamtgewichtsprozentwert an Nickel plus Tantal, der dem Gewichtsprozentwert des Hafniums entsprach, verwendet.

Tabelle VII	% nr	bei RT	<7(I2	(%)	Zeitslandverhalten	δ	Zeitstandverhalten
Beispiel		(N/mm²)	bei RT	4,3	760 C, 740 N/mm²		982 Γ, ni N/mm²
Nr.		1008	(N/mm²)	5,0	(Std.)	(%)	(SId.)
	O	1110	901	7.0	48	3,75	35
Legierung A	1,5	1241	959	4.0	113,9	9	25,9
1-1	2,2	1145	1005		69,9	9.5	18,4
1-2	3,3		1018	123,1	9	11,9
1-3

Tabelle VII zeigt die Anwendbarkeit der Erfindung auf Legierung A und beweist insbesondere, daß die gewünschte Verbesserung der Duktilität bei Verwenwerden kann.

Die Analysen einiger Legierungen, die zur Bestimmung der angegebenen Testergebnisse verwendet

Λ VJUIIg VVJI	ti rv 1.HIgI-I ου	l-l	-	1-2	"·" '" ' IUlIlIl.	2-1	•.vurucn,	sind in der Tabelle	λ/ΙΜ _a	u.ge.ü..rt.	2-6
Tabelle	VIII	5,48		5,70		5,83					6,15
(Gewichtsprozent)	0,017		0,017		0,015					0,016
	0,12		0,14	1-3	0,09	2-2	2 -.1	2-4	2-5	0.07
Al	8,78	8,60	5,60	7,78	6.03	6,03	6.13	6.06	7.98
B	10,1	10,0	0.017	9,88	0.018	0.017	0,018	0.015	9.72
C	2,52	2,47	0,14	6,00	0.10	0.10	0,05	0,07	6,12
Cr	Rest	Rest	8,55	Rest	7.82	7.73	8.05	7,95	Rest
Co	1,50	1,54	9,85	1,08	9.80	9.78	9,79	9.79	1.08
Mo	9,90	9,80	2,43	<0,l	5,77	5.75	6,05	6,10	-
Ni	0,12	0,11	Rest	0,09	Rest	Rest	Rest	Rest	0,16
Ti	1,50	2,20	1.59	0.49	1,06	1.05	1.03	1.08	1.55
W	-	9,55	4.40	<0.l	<0.l	-	-	2.73
Zr.	0,14	0.07	0.13	0,13	0.15
Hf	3,30	1.10	1.40	0,53	1.03
Ta	-	4.27	4.32	3,88	3.25

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Hafnium enthaltenden Legierungen und insbesondere bei der Behandlung der Rücklaufschrott enthaltenden Chargen wurde Hafnium im wesentlichen als Element oder in Form einer Verbindung, die sich unter den Legierungsbedingungen zu metallischem Hafnium zersetzt, zugegeben. Somit kann Hafnium als metallisches Hafnium, Hafniumvorlegierung oder möglicherweise als intermetallische Hafniumverbindungen zugegeben werden. Das Hafnium sollte der geschmolzenen Legierung zugegeben werden, nachdem die Schmelze im Vakuum durch Zugabe von Kohlenstoff vollständig desoxidiert wurde (Carbon-Boiling), 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 schädliche Mengen an Sauerstoff, Stickstoff, usw., in der Legierung zu vermeiden. Unter bestimmten Bedingungen können jedoch die hierin beschriebenen Legierungen unter Inertgas geschmolzen und an Luft gegossen werden.

Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erhaltenen Gußlegierungen auf Nickelbasis mit einer erhöhten Duktilität gegenüber anderen Gußlegierungen tragen im wesentlichen Maß dazu bei, daß die Herstellung ausgezeichneter Hochtemperatur-Gasturbinentcile, die äußerst großen Belastungen bei hohen Temperaturen ausgesetzt werden können, möglich ist.

Hierzu 3 Blatt Zcichnurmcn

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erhöhung der Duktilität bei Temperaturen im Bereich von 704 bis 87 Γ C von Gußlegierungen auf Nickelbasis, die aus einer Charge mit nicht mehr als 5% Rücklaufschrott erschmolzen werden, bei denen die /-Phase als Grundphase in der kristallinen Matrix vorliegt und die zur Verwendung unter Beanspruchung bei Temperaturen bis zu 1038° C geeignet sind, bestehend aus 0,02 bis 0,20% Kohlenstoff, 7 bis 13% Chrom, bis 8% Molybdän, bis 6% Tantal, bis 14% Wolfram, bis 35% Kobalt, 4 bis 7% Aluminium, 0,5 bis 6% Titan, bis 3% Niob, bis 13% Vanadium, 0,002 bis 0,02% Bor, 0,01 bis 0,20% Zirkonium, Rest mindestens 36% Nickel sowie bis 2% an herstellungsbedingten üblichen Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß der erschmolzenen Charge 03 bis 4% Hafnium nach der Desoxydation zugegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Gußlegierung auf Nickelbasis aus 0,10 bis 0,18% Kohlenstoff, 7 bis 11% Chrom, 6 bis 13% Kobalt 8 bis 12% Wolfram, 2 bis 3% Molybdän, bis 3% Tantal, 1 bis 2% Titan, 5 bis 6% Aluminium, 0,004 bis 0,02% Bor, 0,02 bis 0,2% Zirkonium, Rest Nickel besteht dadurch gekennzeichnet daß der Legierung so viel Hafnium zugesetzt wird, daß sie im festen Zustand 0,5 bis 4% Hafnium enthält.

3. Verfahren nach Anspruch I, bei dem die Gußlegierung auf Nickelba*iS aus 0,03 bis 0,13% Kohlenstoff, 7 bis 10% Chrom, 6 bis 13% Kobalt, bis 2% Wolfram, 4 bis 8% Molybdän, 23 bis 4,5% Tantal, 03 bis 13% Titan, 5,5 bis 6,5% Aluminium, π 0,004 bis 0,02% Bor, 0,02 bis 0,2% Zirkonium, Rest Nickel besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung so viel Hafnium zugesetzt wird, daß sie im festen Zustand 0,5 bis 4% Hafnium enthält.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet daß das Hafnium als Ersatz für die gleiche Menge eines oder mehrerer refraktärer Elemente der Charge zugegeben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung in an -n sich bekannter Weise unter hohem Vakuum oder in inerter Atmosphäre geschmolzen wird und daß vor der Zugabe von oder dem Ersatz durch Hafnium die Schmelze z. B. durch eine Zugabe von Kohlenstoff im Vakuum vollständig desoxydiert wird. ->o

6. Verwendung der gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellten Gußlegierung auf Nickelbasis für Gasturbinenteile, die für Temperaturen bis 1038⁰C geeignet sind und bei Temperaturen von 704 bis 871^CC eine erhöhte Duktilität, nämlich eine Kriech- r, dehnung von mindestens 2,56% bei einer Belastung von 59,8 kp/mm² bei 760⁰C, aufweisen.