DE2020521A1

DE2020521A1 - Schmiedbare,schweissbare,gefuegehaertbare Kobaltlegierung und Verfahren zu ihrer Behandlung

Info

Publication number: DE2020521A1
Application number: DE19702020521
Authority: DE
Inventors: auf Nichtnennung. P Antrag
Original assignee: Societe des Forges et Ateliers du Creusot
Current assignee: Societe des Forges et Ateliers du Creusot
Priority date: 1969-05-09
Filing date: 1970-04-27
Publication date: 1971-02-11
Also published as: BE748716A; GB1270218A; FR2044126A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf schweißbare Legierungen, die für Anwendungsfälle verwendbar sind, bei denen es gleichzeitig auf Fließeigenschaften und Trockenkorrosionsbeständigkeit ankommt.

Für Anwendungsfälle des Typs von tiefgezogenen und geschweißten Einheiten für Gasturbinen hat das Bedürfnis, eine gute Schweißbarkeit, gute mechanische Eigenschaften bei hoher Temperatur und eine große Oxydationsbeständigkeit zu vereinen, zu einer weiten Verwendung von schweißbaren Legierungen auf Kobaltbasis geführt* Diese bekannten Legierungen sind von der Art, daß sie außer Kobalt etwa 20 $> Chrom, 10 % Nickel und 15 $> Wolfram enthalten. Sie

310-(PID 69/24)Tp-r (7)

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sind durch Dispersion von Karbiden verfestigt.

Ihr Niveau an mechanischen Eigenschaften führt indessen dazu, ihnen für eine Verwendung im Temperaturbereich von 650 bis 9OO ⁰C Legierungen auf Nickelbaais, die durch Ausscheidung gehärtet sind, vorzuziehen·

Das Bedürfnis an Legierungen, bei denen sich die Vorteile der Legierungen auf Nickelbasis und die der Legierungen auf Kobaltbasis kumulieren, wurde durch die Erhöhung der Temperaturen und das Maß des Druckes, die bei Turbinen benötigt werden, immer dringender. Beispielsweise erfordert die Konstruktion von Brennkammergehäusen für Gasturbinen mit großen Abmessungen die Bereitstellung von schmiedbaren und schweißbaren Legierungen, die gleichzeitig gute Eigenschaften des Fließverhaltens zwischen 700 und 1000 ⁰C und eine gute Beständigkeit gegen Schwefelaufnahme im gleichen Temperaturbereich zeigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Legierungen auf Kobaltbasis zu schaffen, die den genannten Bedingungen genügen und insbesondere ein hohes Niveau von mechanischen Eigenschaften in einem erweiterten Temperaturbereich aufweisen·

Die schmiedbare, schweißbare, gefügehärtbare Kobaltlegierung ist erfihdungsgemäß durchfolgende Gewichtsprozent-Zusammensetzung gekennzeichnet:

CO, 0,8 bis 0,15»

Cr, 18 bis 25,

Ni, 22 bia 28,

Mo + Ta + W, 5 bis 12,

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- 3 - ■■■ ■■■-■. ^: ---'I.. .-·

Ti +Al + Nb, 3 bis k. Co Rest.

Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf das Behandlungsverfahren einer solchen Legierung mit dem Kennzeichen, dnü die Legierung nach Homogenisierung einer Anlaßbehandlung von 12 bis Zk Stunden bei einer Temperatur von 700 bis 800 ⁰C unterworfen wird.

Die Überabschreckbehandlung muß bei einer Temperatur zwischen 1050 und 1225 °C während einer Dauer in der Größenordnung von 1 bis 2 Stunden durchgeführt werden, um gleichzeitig eine Feinkornkristallisation, eine regelmäßige intragranuläre Ausscheidung und ein Halten der Primärkarbide in Losung zu erzielen.

Die maximale Aushärtung durch Ausscheidung von Karbiden und der intermetallischen Gamma-Phase wird durch das Anlassen bei 700 bis 800 ⁰C für eine Dauer in der Größenordnung von 12 bis 2*4 Stunden erzielt. Dieses Halten ist durch die Entwicklung der Härte mit der Zeit begründet: Die Aushärtung erfolgt während der ersten Haltestunden schnell, und nach 50 Stunden ist die Härte allgemein mit einem geringen Gewinn in einer Größenordnung von 10 bis

2 *

1? kg/mm im Verhältnis zu einem Halten von 16 bis 2k Stunden stabilisiert, das in der Industrie leichter zu verwirklichen ist.

Diese Legierung beruht auf Kobaltbasis und enthält Zusätze, deren Gehalte kritisch sind. Der Chromgehalt ist wesentlich für die Trockenkorrosionsbeständigkeit. Der Nickelgehalt ermöglicht die Einstellung der Löslichkeit der Härtun^seleraente in der Weise, daß die Ausscheidung

BAOOBlQWAt

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bei den Verwendungstemperatüren erheblich bleibt. Die Summe der Gehalte an Mo, Ta und W erlaubt die Erzielung einer Härtung von fester Lösung, Der Gehalt an jedem dieser Elemente kann derart eingestellt werden, daß man je nach Fall einen Kompromiß zwischen der Aushärtungsintensität von fester Lösung und der Dichte der Legierung erreicht. Die härtenden Elemente Ti, Al und Nb können gleichzeitig anwesend sein, doch können Titan und Aluminium ebenfalls auch ohne Zusatz von Niob verwendet werden. Der Gehalt an Kohlenstoff Jet selbst kritisch für die Fließeigenschaften. Die Legierungen gemäß der Erfindung können Zusätze eines oder mehrere der Elemente B, Zr, Hf enthalten, wobei die Summe der Gehalte dieser Elemente zwischen O und 0,1 $ liegt.

Die Schmelzen von Legierungen gemäß der Erfindung können im Induktionsofen unter Vakuum oder auch an Luft hergestellt werden. Die Warmverformung bietet keine besondere Schwierigkeit, und das Kaltwalzen ermöglicht, Bleche von gleiehnäßiger und genauer Wandstärke zu erhalten.

Beispielet

Die Tabelle I gibt die Zusammensetzungen von zwei erfindungsgemäß hergestellten Legierungen an* Die Prozentsätze sind als Gewichtsangaben gegeben.

Tabelle I

-/ durch Ti und Al durch Ti, Al und Nb gehärtete Legierung gehärtete Legierung

C 0,09 0,095

Si 0,15 0,27

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* ■■■	durch Ti und Al ge	1
	härtete Legierung
S	0,0064
P	0,007
Mn	1,38
Ni	24,76
Cr	20,52
Co	39,98
Mo	10, Ok
Ti	2,02
Al	1,00
Fe	0,19
Nb	-
Bezeichnung

durch Ti, Al und Nb gehärtete Legierung

0,0078

0,007 1,46 24,90

20,52

.39,91

9,57

1 ,."0.1 · 1,00

0,17 1, 10 2

Die Differentialdilatometrie ermöglicht, die Ausscheidung im Lauf des Erhitzens einer intermetallischen Phase zu veranschauliche, wobei die Endtemperatur des Lösungsvorganges 875 °C für die Zusammensetzung 1 bzw. 810 ⁰C -für die Zusammensetzung 2 ist. Die Stabilisierung dieser Legierungen wird durch eine Wärmebehandlung erhalten, die vorzugsweise zwischen 700 und 800 C für eine Dauer von wenigstens 15 Stunden, z. B. 16 Stunden, durchgeführt wird. Im stabilisierten Zustand zeigen die beiden Zusammensetzungen Ausdehnungskoeffizienten gemäß Tabelle II.

Tabelle II

Mittlerer Wärmeausdehnungskoeffizient (1O~ C" ) zwischen 20 ⁰C und der angegebenen Temperatur

Legierung 1 Legierung 2

100 °C . 12,5 12,6

400 °C 13,8 13,8

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600 °C 700 °C 800 °C 900 °C 1000 °C

zwischen 900 und

Legierung 1	Legierung 2
15,3	15,5
16,2	16,5
17,3	17,1
17,8	17,5

1000 °C 22,3 22,3

Die elektronenmikroskopische Beobachtung des durch die Stabilisierungsbehandlung entwickelten Gefüges zeigt, daß die intermetallische Ausscheidung aus feinen kugelförmigen Ausscheidungen von 100 bis 300 A Durchmesser in gleichmäßiger Verteilung im Korninneren besteht.

Ein wesentlicher Punkt ist die Kinetik der Ausscheidung, die im Vergleich mit der von schweißbaren Legierungen auf Nickelbasis langsam ist.

Fig. 1 zeigt Kurven des Ansprechens von Legierungen der Zusammensetzungen 1 und 2 auf die Alterung bei einer Temperatur von 750 bis 76O °C· Als Abszisse sind die Zeitdauern T des Anlassens in Minuten und als Ordinate sind die Vickers-Härten D angegeben.

Die Kurve A entspricht der Zusammensetzung 1 und die Kurve B der Zusammensetzung 2.

Fig. 1 zeigt, daß keine merkliche Aushärtung vor Ablauf von 10 Minuten des Haltens bei 750 bis 76O ⁰C auftritt. Dieses Verhalten, das dank der Gehalte der Gesamtheit der die Legierung bildenden Elemente auftritt, be-

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grenzt im höchsten Grade die Rißbildungsgefahren während der Wärmebehandlung, die den Schweißvorgängen von aus diesen Legierungen hergestellten Teilen folgt. Das ermöglicht, ein homogenes Gefüge und eine gleichmäßige Beständigkeit der geschweißten Einheiten zu erzielen.

Diese härtende Ausscheidung in Kombination mit der Festlbsungshartung und dem Gehalt an Kohlenstoff, der eine Karbidausscheidung bestimmt, ermöglicht, im Vergleich mit den gegenwärtig verwendeten Legierungen auf Kobaltbasis verbesserte Fließeigenschaften zu erzielen. Die Tabelle III gibt beispieleweise die Ergebnisse, die mit den Zusammensetzungen 1 und 2 erhalten wurden, im Vergleich mit denen einer bekannten Legierung auf Kobaltbasis mit etwa 20 # Chrom, 10 # Nickel und 15 % Wolfram wi eder.

Tabelle III (s. Seite 8)

O O CD OO 00

Fließeigenschaften	ρ Druck kg/mm	Bruchzeit in Stunden	Legierung 1	Legierung 2	Druck kg/nun	Zeit in Stunden für Leg. = 0,2 #	Legierung 1	515	Legierung 2
Wärmebehandlung 1200 ⁰C 2 h Luftabschreckung + 65O °C Zk h, Luftabschreckung	35 35	bekannte Legierung	1180 über 1200	443 1000	8,5 15	bekannte Legierung	■- Λ 225	131
Fließbedingungen	150	Wärmebehandlung 1200 ⁰C 2 h Luftabschreckung + 800 °C i6 h, Luftabschreckung	82	Bruehzeit in Stunden
Temperatur C	Fließbedingungen	115	164
700 700 (Eingekerbte Probe Kt a 3,8)	Temperatur C
800 800

O K) O

Die Verbesserung der mechanischen Warmeigenschaften und insbesondere der Fließeigenschaften wird erhalten, ohne im Verhältnis zu den gegenwärtig bekannten Legierungen auf Kobaltbasis zu irgendeinem bemerkenswerten Verlust an Beständigkeit gegen Oxydation und SuIfuration für lange Haltezeiten in korrodierender Atmosphäre zu führen.

Fig. 2 zeigt beispielsweise, daß die Zusammensetzungen 1 und 2 der Oxydation in ruhiger Luft bei, 1000 °C gut widerstehen, wobei diese Figur gleichfalls den Vergleich mit einer bekannten Legierung auf Kobaltbasis mit etwa 20 # Chrom, 10 % Nickel und 15 # Wolfram veranschaulicht.

In Fig. 2 bedeuten die Abszissenwerte die Aussetzungsperioden gegenüber ruhiger Luft bei TOOO C ±n Stunden, und die Ordinatenwerte bezeichnen die Gewichtsgewinne Gp

in mg je cm ; Die Dreiecke E und F entsprechen den Legierungen 1 und 2 und die Punkte G der bekannten Legierung» Die Kurve H folgt genau dem durch die Dreiecke E und F bestimmten Weg, und die Kurve I folgt genau dem durch die Punkte G bestimmten Verlauf.

Man stellt fest, daß die bekannte Legierung schneller als die Legierungen 1 und 2 an Gewicht zunimmt, d. h. daß die bekannte Legierung weniger oxydationsbeständig ist.

Eintauchversuche in Na SOl bei 1000 ⁰C ermöglichten, die bemerkenswerte Beständigkeit der Legierungen 1 und 2 im Vergleich mit der bereits genannten bekannten Legierung zu zeigen.

Fig. 3ι iⁿ der die gleichen Zeichen wie in Fig. 2

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verwendet sind, zeigt beispielsweise in doppelt-logarithmi schein Maßstab den Gewichtsverlust P in mg/cm als Funktion der Haltezeit in Stunden. Man stellt tatsächlich fest, daß der durch die Kurve H gezeigte, den Legierungen 1 und 2 gemeinsame Gewichtsverlust erheblich niedriger als der durch die Kurve I der Bezugslegierung dargestellte liegt.

Die Fließ-, Trockenkorrosionsbeständigkeits- und SuI-furationsbeständigkeitseigenschaften, die die wahren Auswertungskriterien der Superlegierungen darstellen, sind außerdem von einem Zuwachs an spezifischem ¥iderstand begleitet. Die Tabelle IV läßt einen Dichteabfall um nahezu 10 <jt> im Verhältnis zu der bekannten Legierung auf Kobaltbasis der schon erwähnten Zusammensetzung erkennen.

Tabelle IV
Dichte der Legierungen im Behandlungszustand

Bekannte Legierung d = 9,17 g/cm

Legierung 1 d = 8,32 e/^cm

Legierung 2 d = 8,37 g/cm

Die Legierungen gemäß der Erfindung ermöglichen, dank einer Ausscheidung von intermetallischen Verbindungen in der Legierung auf Kobaltbasis gleiche oder bessere Fließ— eigenschaften als in den Legierungen auf Nickelbasis zu erreichen, wobei eine ausgezeichnete Troekenkorrosionsbeständigkeit erhalten bleibt. Andererseits sind die Schweißeigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen denen der schon bekannten Legierungen auf Kobaltbasis nicht unter-

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legen, was sich aus einer äußerst langsamen Ausscheidungskinetik der härtenden Phase ergibt.

Die Aushärtung der festen Lösung, die sich mit'Gehalten an den Elementen Mo, Ta und V ergibt, die im Bereich der schon genannten Grenzen eingestellt sind, führt auf fyl ei chem Niveau der mechanischen Eigenschaften zu Legierungen niedrigerer Dichte als der der vergleichbaren Handel siegierungen.

Zusätze eines oder mehrerer Elemente der Gruppe Bor, Zirkon undHafnium ermöglicht, die Duktilitat gegenüber dein Fließen der Legierungen zu erhöhen, ohne daß ihre Beständigkeit gegenüber Erstarrungsrissen beeinträchtigt wird, wobei die Summe der Gehalte an diesen Elementen erf indungsgeinäß zwischen 0 und .0,1 Gew.^b liegt und der Borf;ehalt vorzugsweise höchstens gleich 60 ppm ist.

Die erfindungsgemäßen Legierungen kommen für zahlreiche Anwendungen in Frage, insbesondere zur Herstellung von tiefgezogenen und geschweißten Einheiten, die bei hoher Temperatur in korrosiver Atmosphäre arbeiten, was bei Land-oder Seegasturbinen und Luftfahrtturbineneinheiten der Fall ist*

009887/1302 BADORlGiNAi.

Claims

Patentansprüche

1· Schmiedbare, schweißbare, gefügehärtbare Kobaltlegierung, gekennzeichne t durch folgende Gewichtsprozent-Zusammensetzung*

C 0,08 bis 0,15,

Cr 18 bis 25,

Ni 22 bis 28, Mo + Ta + ¥ 5 bis 12

Ti + Al + Nb 3 bis k,

Co R«st.
2. Kobaltlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens eines der Elemente B, Zr, Hf in einer Gesamtmenge von höchstens 0,1 Gew.$ enthält.
3· Kobaltlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 1 bia 2 Gew.# Mn enthält.
U. Kobaitlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie höchstens 0,5 Gew.% Si enthält.
5. Verfahren zur Behandlung einer Legierung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis h_t dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung nachHomogenisierung einer Anlaßbehandlung von 12 bis Zk Stunden bei einer Temperatur von 700 bie 800 °C unterworfen wird.

1)09887/1302

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