DE3016027C2

DE3016027C2 -

Info

Publication number: DE3016027C2
Application number: DE3016027A
Authority: DE
Inventors: Michael Francis Xavier Scotia N.Y. Us Gigliotti; Melvin Robert Niskayuna N.Y. Us Jackson; Michael Francis Henry; David Aubrey Schenectady N.Y. Us Woodford; Sherwin Swe-Wong Clifton Park N.Y. Us Yang; Charles Andrew Cincinnati Ohio Us Bruch
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-04-27
Filing date: 1980-04-25
Publication date: 1988-12-29
Also published as: FR2455090B1; DE3016027A1; US4292076A; IT1141492B; JPH0323613B2; FR2455090A1; IT8021614A0; GB2047741B; GB2047741A; JPS565943A

Description

Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer Nickellegierung gemäß Patentanspruch 1.

Die verwendete Legierung ist eine eutektische Superlegierung auf Nickelbasis mit einem Borgehalt von 0,001 bis 0,2%, die durch ein Monokarbid aus einem hochschmelzenden Metall, in Form einer ausgerichteten, faserförmigen Karbidphase verstärkt ist.

Eutektische Nickellegierungen, die durch Monokarbide hochschmelzender Metalle (Titan, Vanadium, Niob, Hafnium, Zirkonium, Tantal) verstärkt sind, sind in den US-PS 35 28 808, 39 04 402, 37 99 769, 37 93 012, 39 44 416 und 38 71 835 beschrieben. Allgemein offenbaren diese US-PS hochfeste Superlegierungen aus faserverstärkten Nickellegierungen. Die Festigkeitsverbesserungen dieser Legierungen finden sich hauptsächlich in Richtungen parallel zur Richtung der Faserausrichtung, und sie weisen keine Beziehung zu den Legierungseigenschaften auf, die erforderlich sind, um eine angemessene Zugfestigkeit und Bruchduktilität in Richtungen außerhalb der Achse der Faserausrichtung zu erzielen.

So ist zum Beispiel in der US-PS 39 04 402 eine ausführliche Beschreibung der eutektischen Nickellegierungen mit einem Rheniumgehalt und einer verstärkenden Karbidfaserphase enthalten, die verbesserte Spannungsbrucheigenschaften bei hoher Temperatur aufweisen. In dieser US-PS ist die bevorzugte Verwendung von 4-7 Gew.-% Vanadium zur Verbesserung der Festigkeit sowohl der Karbidfaser als auch der Matrix sowie die Verwendung von bis zu 3 Gew.-% Molybdän, wobei Molybdän jedoch vorzugsweise nicht eingesetzt wird, und der bevorzugte Einsatz von etwa 2-4 Gew.-% Wolfram in Superlegierungen auf Nickelbasis vorgeschlagen. Insgesamt wird in dieser US-PS 39 04 402 der zusätzliche Einsatz von Vanadium und der beschränkte Einsatz von Molybdän und Wolfram empfohlen.

Kürzlich durchgeführte Auswertungen der Legierungen nach der US-PS 39 04 402 haben eine allgemein beschränkte Querfestigkeit gezeigt, wobei sich diese Legierungen als in Querrichtung brüchig (nicht duktil) erwiesen. So haben z. B. Zugfestigkeitsprüfungen an Proben aus der Legierung des Beispiels 13 nach der vorgenannten US-PS, die senkrecht zur Richtung der Faserausrichtung durchgeführt wurden, die folgenden Ergebnisse erbracht:

Ergebnisse der Querfestigkeitsprüfung an der Legierung des Beispiels 13 nach der US-PS 39 04 402 im erstarrten Zustand

Gegenstand der US-PS 35 26 499 sind Nickellegierungen mit verbesserten Spannungsbrucheigenschaften, die zwar Bor in einer Menge von 0,005 bis 0,200 enthalten, aber keine Verbundwerkstoffe sind und daher keinerlei Anregungen hinsichtlich der Eigenschaften von Verbundwerkstoffen in Querrichtung geben können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verwendung der Superlegierungen mit der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, die durch Monocarbide hochschmelzender Metalle verstärkt sind, zu schaffen.

Die erfindungsgemäß verwendete Nickelbasislegierung gestattet die Herstellung von Gegenständen, die eine hohe Querduktilität, Beständigkeit gegen cyclische Oxidation und gute Festigkeitseigenschaften bei hoher Temperatur aufweisen.

Der erfindungsgemäß verwendete Gegenstand ist vorzugsweise ein gerichtet erstarrter, anisotroper Metallkörper aus der im Anspruch 1 genannten Superlegierung auf Nickelbasis mit einer Matrix aus gamma/gamma′, wobei die Matrix eine gamma-Phase als feste Lösung und eine geordnete gleichachsige Ausscheidungs-gehärtete gamma′-Phase enthält und in der Matrix aus gamma/gamma′ eine ausgerichtete eutektische, verstärkende Karbidphase eingebettet ist.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Querzugfestigkeit bzw. Biegefestigkeit einer Reihe gerichtet erstarrter Superlegierungen auf Nickelbasis mit Karbidfaserverstärkung der Zusammensetzung der nicht für die erfindungsgemäße Verwendung geeigneten Legierung "A" sowie die Wirkungen kleiner Zusätze von Hafnium, Zirkonium, Lanthan oder Bor, die häufig zur Korngrenzenverfestigung von Nickellegierungen eingesetzt werden.

Fig. 1 zeigt, daß Hafnium, Zirkonium, Lanthan oder Bor den Charakter der Legierung, bei der eine angemessene Korngrenzenverfestigung in der Matrix auftritt, nicht modifiziert, was anhand des Verhaltens hinsichtlich der Querzugfestigkeit erkennbar wäre. Bor scheint zu einem gewissen Maße die Korngrenzenfestigkeit der Legierung zu verbessern, wie sich aus einer Zunahme der Zugfestigkeit der borhaltigen Legierung ergibt.

Fig. 2 eine grafische Darstellung der Zugfestigkeit in Querrichtung einer gerichtet erstarrten Superlegierung auf Nickelbasis mit Karbidfaserverstärkung mit der Zusammensetzung der Legierung "B", die in den Legierungsbereich der US-PS 39 04 402 fällt und die im wesentlichen nicht duktil ist, da sie bei erhöhten Temperaturen von etwa 900 bis etwa 1040°C eine Querdehnung von maximal 0,2% oder weniger zeigt.

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Zugfestigkeit in Querrichtung der gerichtet erstarrten Superlegierung "B" auf Nickelbasis mit Karbidfaserverstärkung und einem Borzusatz von etwa 0,015 Gew.-%. Wie sich aus der Fig. 3 entnehmen läßt, zeigt diese borhaltige Legierung eine verbesserte Duktilität bei Querdehnung von mehr als 1% bei geringen Temperaturen, d. h. bei Temperaturen im Bereich von Zimmertemperatur bis etwa 900°C. Oberhalb von etwa 900°C nimmt die Querdehnung leicht ab, doch verbessert der Borzusatz bei allen Temperaturen die Zugfestigkeit in Querrichtung.

Fig. 4 eine grafische Darstellung des Querzugverhaltens einer gerichtet erstarrten Superlegierung auf Nickelbasis mit Karbidfaserverstärkung der Zusammensetzung der nicht für die erfindungsgemäße Verwendung geeigneten Legierung "C". Auch diese Legierung zeigt, wie Fig. 4 zu entnehmen, eine Querdehnung von weniger als 1% bei erhöhten Temperaturen.

Fig. 5 eine grafische Darstellung des Querzugverhaltens der Legierung "C" mit einem Borzusatz von 0,01 Gew.-%. Diese borhaltige Legierung zeigt eine Querdehnung von mehr als 1% bei allen Untersuchungstemperaturen.

Fig. 6, 7, 8 Schliffbilder von Quer- und Längsrichtungen des ausgerichteten Karbidfasergefüges, das sich während der gerichteten Erstarrung der Legierung "C" bildet.

Die in den Fig. 1-5 veranschaulichten Ergebnisse beruhen auf der Auswertung einer Reihe von Legierungen verschiedener Zusammensetzungen, wie sie bei den Figuren angegeben sind, die man in einer inerten Argonatmosphäre in Tiegeln aus Al₂O₃ oder MgO erschmolzen und dann in Kupferstabformen hartgegossen hat. Die Probegußkörper wurden an einer Seite planar verfestigt, um die gerichtet erstarrten Gegenstände zu erhalten, die man für die folgenden Untersuchungen benutzte. Zur Bestimmung der Längseigenschaften wurden mechanische Testproben maschinell aus Barren parallel zur Wachstumsrichtung herausgearbeitet. Um die Quereigenschaften zu bestimmen, arbeitete man maschinell Proben senkrecht zur Wachstumsrichtung heraus.

In der folgenden Tabelle I sind die Testergebnisse der Bestimmung der Quereigenschaften zusammengefaßt, die die Grundlage der in den Fig. 1-5 veranschaulichten Daten bilden.

Tabelle I

Ergebnisse der im erstarrten Zustand ausgeführten Querbelastungsversuche

Die in der folgenden Tabelle II zusammengefaßten Daten sind die Ergebnisse der Spannungsbruchuntersuchungen in Längsrichtung der Legierungen, deren Zusammensetzungen in den Fig. 1-5 angegeben sind.

Tabelle II

Versuchsergebnisse der Spannungsbruch-Untersuchungen der angegebenen Legierungen in Längsrichtung im erstarrten Zustand

Durch die Zugabe von Bor in einer Verunreinigungsmengen übersteigenden Menge, d. h. von mehr als etwa 0,001 Gew.-% Bor, erhält man gerichtet erstarrte Superlegierungen auf Nickelbasis mit Karbidfaserverstärkung, die eine stark verbesserte Zugfestigkeit in Querrichtung aufweisen.

Die erfindungsgemäß verwendete Legierung gemäß Anspruch 1 enthält Tantalkarbidfasern als verstärkende Phase.

Claims

1. Verwendung einer Legierung aus 0,001 bis 0,02% Bor, 0,5 bis 7% Rhenium, weniger als 0,8% Titan, 2 bis 8% Titan, 2 bis 8% Chrom, 4 bis 7% Aluminium, 5 bis 13% Tantal, 0,1 bis 0,7% Kohlenstoff, weniger als 5% Kobalt, weniger als 6% Wolfram, weniger als 0,2% Vanadium, weniger als 5% Molybdän, weniger als 1% Niob, weniger als 0,15% Hafnium, weniger als 0,15% Zirkonium, Rest Nickel und übliche Verunreinigungen, als Werkstoff für die Herstellung von Gegenständen, die neben hoher Querfestigkeit eine hohe Querduktilität besitzen.

2. Verwendung nach Anspruch 1, wobei die Legierung die folgenden Bestandteile in Gew.-% enthält:
0,01 Bor, 6,44 Rhenium, 3,84 Chrom, 5,34 Aluminium, 11,37 Tantal, 0,43 Kohlenstoff, 3,8 Kobalt, 4,33 Wolfram, 3,01 Molybdän, 61,44 Nickel, Rest übliche Verunreinigungen.