DE2830946A1 - NICKEL BASED SUPER ALLOY AND OBJECT FROM THEREOF - Google Patents
NICKEL BASED SUPER ALLOY AND OBJECT FROM THEREOFInfo
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Description
— "X _- "X _
Superlegierung auf Wickelbasis und Gegenstand darausCoil-based superalloy and article therefrom
Die Erfindung betrifft eine Superlegierung auf Nickelbasis sowie einen daraus gegossenen Gegenstand und sie betrifft im besonderen einen solchen Gegenstand mit einer gerichtet orientierten Kornstruktur und einer verbesserten Kombination aus Gießbarkeit und mechanischen Eigenschaften, insbesondere in der Querrichtung.The invention relates to a nickel-based superalloy as well an object cast therefrom, and it relates in particular to such an object with a directionally oriented one Grain structure and an improved combination of castability and mechanical properties, especially in the transverse direction.
Um die gestiegenen Anforderungen an Legierungsgußkörper in neueren Gasturbinen zu erfüllen, ist die gerichtete Orientierung der Kornstruktur in einem Gegenstand für erforderlich angesehen worden. Eine solche Struktur kann nach verschiedenen Verfahren erhalten werden, die allgemein als gerichtetes Erstarren bezeichnet sind. Verglichen mit dem üblichen Gießen führen Gegenständey die durch gerichtetes Erstarren aus Legierungen erhalten worden sind, zu einer verlängerten Lebensdauer, einer verbesserten Duktilität in der Längsrichtung und einer deutlichen Verbesserung hinsictfcLich der Beständigkeit gegenüber thermischer Ermüdung. Bei Versuchen, die Festigkeit solcher Legierungen zu verbessern, haben sich jedoch Probleme hinsichtlich.der Gießbarkeit und gewisser mechanischer Eigenschaften, insbesondere in einer Querrichtung ergeben.In order to meet the increased demands on cast alloy bodies in newer gas turbines, the directional orientation of the grain structure in an object has been considered necessary. Such a structure can be obtained by various processes commonly referred to as directional solidification. Compared with conventional casting, articles y obtained by directional solidification from alloys lead to an extended life, an improved ductility in the longitudinal direction and a marked improvement in terms of resistance to thermal fatigue. Attempts to improve the strength of such alloys, however, have given rise to problems with regard to castability and certain mechanical properties, particularly in a transverse direction.
Obwohl eine Anzahl von Superlegierungen auf Nickelbasis bekannt ist, die besonders brauchbar ist zum gerichteten Erstarren, haben sich bei ihnen doch gewisse unerwünschte Charakteristika für ausgewählte Höchtemperaturanwendungen unter schwierigen Belastungsbedingungen ergeben. So erwiea sich die in der US-PS 3 887 363 beschriebene Legierung, die eine hohe Festigkeit in der Wachstumsrichtung aufweist, aufgrund von Korngrenzenschwäche als in der Querrichtung beschränkt belastbar. Diese Legierung erwies sichAlthough a number of nickel-based superalloys are known which is particularly useful for directional solidification, they have certain undesirable characteristics for selected ones High temperature applications under difficult load conditions result. For example, those disclosed in US Pat. No. 3,887,363 alloy described, which has a high strength in the growth direction, due to grain boundary weakness than in limited load capacity in the transverse direction. This alloy turned out to be
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daher als besonders anwendbar in Form einkristalliner Gegenstände, nicht jedoch als gerichtet erstarrter Gußkörper mit einer Vielzahl von Säulenkristallen in Form komplexer, einen Kern aufweisender Turbinenschaufeln für Strahltriebwerke, da zu viele Korngrenzenrisse auftraten. Nach Entfernung der Kerne weisen diese Turbinenschaufeln komplexe innere Kühlluft-Durchgänge oder Hohlräume auf. Es waren daher deutliche Verbesserungen hinsichtlich der Gießbarkeit erforderlich.therefore as particularly applicable in the form of single-crystalline objects, but not as a directionally solidified cast body with a large number of columnar crystals in the form of complex turbine blades with a core for jet engines, as there are too many grain boundary cracks occurred. After the cores are removed, these turbine blades have complex internal cooling air passages or cavities on. There were therefore significant improvements in terms of the castability required.
Gemäß -einer Ausführungsform besteht die erfindungsgemäße Legierung, aus der der verbesserte luftgekühlte gegossene Gegenstand hergestellt wird, im wesentlichen aus folgenden Bestandteilen in Gew.-?:According to one embodiment, the alloy according to the invention consists from which the improved air-cooled cast article is made, consisting essentially of the following components by weight:
3 -10 Cr, 10 - 13 Co, 5-6 Al, 5 - 7 Ta, bis zu etwa 2 Ti, bis zu etwa 2,5 V, 0,5 - 10 Re, etwa 3 - 7 W, 0,5 - 2 Mo, etwa 0,5 2 Hf, etwa 0,01 - 0,15 C, etwa 0,005 - 0,05 B, bis zu etwa 0,1 Zr, bis zu etwa 1 Nb und der Rest sind im wesentlichen Nickel und' zufällige Verunreinigungen, wobei der Kobaltgehalt im Bereich von 11 bis 13 Gew.-? liegt, wenn Aluminium in einer Menge von mehr als 5,5 ? vorhanden ist oder wenn der Wolframgehalt mindestens etwa 5 % beträgt, und die Legierung schließt etwa 64 Vol.-? an Gamma'-Phase ein.3 -10 Cr, 10-13 Co, 5-6 Al, 5-7 Ta, up to about 2 Ti, up to about 2.5 V, 0.5-10 Re, about 3-7 W, 0.5 - 2 Mo, about 0.5 2 Hf, about 0.01-0.15 C, about 0.005-0.05 B, up to about 0.1 Zr, up to about 1 Nb and the remainder are essentially nickel and 'Incidental impurities, the cobalt content being in the range from 11 to 13% by weight? lies when aluminum is in an amount greater than 5.5? is present or when the tungsten content is at least about 5 % and the alloy includes about 64 vol.? at gamma 'phase.
Für weniger komplexe luftgekühlte Gegenstände besteht die Legierung im wesentlichen aus folgenden Bestandteilen in Gew.-?:The alloy exists for less complex air-cooled items essentially of the following components in weight?:
4-9 Cr, 10 - 13 Co, 5-6 Al, 5-7 Ta, bis zu etwa 2 Ti, bis zu etwa 2,5 V, 2-6Re, 3-6 W, 0,5-2Mo, etwa 0,5 - 2 Hf, etwa 0,01 - 0,1 C, etwa 0,005 - 0,05 B, bis zu etwa 0,1 Zr, bis zu etwa 1 Nb und der Rest sind Nickel und zufällige Verunreinigungen, wobei der Kobaltgehalt zwischen etwa 11 und 13 % liegt, wenn Aluminium mit mehr als 5S5 % oder wenn Wolfram mit mindestens 5 % vorhanden ist und die Legierung etwa 64-68 Vol.-? an Gamma'-Phase enthält.4-9 Cr, 10-13 Co, 5-6 Al, 5-7 Ta, up to about 2 Ti, up to about 2.5 V, 2-6Re, 3-6 W, 0.5-2Mo, about 0.5-2 Hf, about 0.01-0.1 C, about 0.005-0.05 B, up to about 0.1 Zr, up to about 1 Nb and the remainder are nickel and incidental impurities, with the cobalt content is between about 11 and 13% when aluminum with more than 5 S 5 or, if tungsten is present at at least 5%% and the alloy is about 64-68 percent by volume? contains on gamma 'phase.
Für komplexere luftgekühlte Gußgegenstände, wie Turbinenschaufeln mit sehr komplexen inneren Durchgängen besteht eine besonders bevorzugte Legierung innerhalb des weiten Bereiches im wesentlichen aus folgenden Bestandteilen in Gew.-?:For more complex air-cooled cast objects such as turbine blades with very complex internal passages, a particularly preferred alloy consists essentially of the wide range from the following components by weight:
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4,5 - 5,5 Cr, 11,5 - 12,5 Co, 5,3 - 5,8 Al, 5,5 - 6,5 Ta, 1,5 2,5 V, 2,5 - 3,5 Re, 4,5 - 5,5 W, 0,5 - 1,5 Mo, 1,0 - 1,7 Hf, 0,04 - 0,08 C, 0,01 - 0,02 B, 0,01 - 0,05 Zr und der Rest and in wesentlichen Nickel und zufällige Verunreinigungen, wobei maximal ■ etwa 0,1 Gew,-$ Ti vorhanden ist und die Legierung4.5 - 5.5 Cr, 11.5 - 12.5 Co, 5.3 - 5.8 Al, 5.5 - 6.5 Ta, 1.5 2.5 V, 2.5 - 3, 5 Re, 4.5 - 5.5 W, 0.5 - 1.5 Mo, 1.0 - 1.7 Hf, 0.04-0.08 C, 0.01-0.02 B, 0.01-0.05 Zr and the remainder and in Substantial nickel and incidental impurities, with a maximum of about 0.1% by weight Ti being present and the alloy
etwa 64 - 68 Vol.-% an Gamma1-Phase einschließt.includes about 64-68 % by volume of gamma 1 phase.
In der Zeichnung sind dargestellt:The drawing shows:
In Figur 1 ein graphischer Vergleich der Belastungsbrucheigenschaften einer bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung mit der Bezeichnung DS 392 mit Gegenständen, die aus Legierungen aus dem Stand der Technik gegossen wurden undIn FIG. 1, a graphical comparison of the load rupture properties a preferred form of the present invention designated DS 392 with articles made from alloys the prior art were cast and
in Figur 2 eine graphische Darstellung der Zugfestigkeit einer bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung mit der Bezeichnung DS 392.in Figure 2 is a graph of the tensile strength of a preferred embodiment of the present invention with the Designation DS 392.
Bei der Auswertung einer Vielfalt von Legierungen zur Verwendung für die Herstellung von Turbinenschaufeln für Gasturbinen wurde das Problem der Verschlechterung der Gießbarkeit mit zunehmender Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erkannt. Im besonderen wurden bei einigen festeren Legierungen, die mittels gerichteter Erstarrung gegossen waren3 das Auftreten von Rissen an Korngrenzen beobachtet. Als Ergebnis einer Reihe von Untersuchungen wurde ein System zur Bewertung der Gießbarkeit' ausgewählt, wie es in der folgenden Tabelle I gezeigt ist.In evaluating a variety of alloys for use in the manufacture of turbine blades for gas turbines, the problem of the deterioration in castability as the mechanical properties improve has been recognized. In particular, with some of the stronger alloys cast by directional solidification 3, the occurrence of cracks at grain boundaries was observed. As a result of a series of studies, a castability evaluation system as shown in Table I below was selected.
Tabelle I Bewertung der GießbarkeitTable I. Assessment of castability
A - keine Risse bzw. BrücheA - no cracks or breaks
B - kleiner Riß bzw. Bruch an der Spitze, der weniger alsB - small crack or break at the tip less than
etwa 13 mm lang ist oder in der Startzone C - ein großer Riß bzw. Bruch, der mehr als etwa 13 mm lang ist,is about 13 mm long or in the starting zone C - a large crack or break that is more than about 13 mm long,
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Tabelle I (Portsetzung) Bewertung der Gießbarkeit Table I (Port Setting) Evaluation of Castability
D - zwei oder drei Risse oder Brüche E - mehrere Risse oder Brüche, und zwar mehr als drei undD - two or three cracks or fractures E - several cracks or fractures, more than three and
weniger als acht und
P - viele Risse oder Brüche - an den meisten Korngrenzen.less than eight and
P - many cracks or breaks - at most of the grain boundaries.
Der Gießbarkeitstest für das vorgenannte Bewertungssystem wurde in einem rohrförmigen Tiegel ausgeführt, in dem ein Keramikrohr geringeren Durchmessers angeordnet war, von dem die unteren etwa 2,5 cm geschlitzt waren. Dieses Keramikrohr wurde mit geeigneten Abstandshaltern innerhalb des äußeren Kegels gehalten. Die zu untersuchende Legierung wurde in Form eines Stabes mit einem Durchmesser von etwa 11,1 mm (entsprechend 7/16 Zoll) innerhalb des Keramikrohres angeordnet und das Ganze in einer Vorrichtung angeordnet, in der man ein gerichtetes Erstarren ausführen konnte. Das Schmelzen des Legierungsstabes führte zur Ausfüllung des Raumes zwischen dem äußeren Rohr oder Tiegel und dem Keramikrohr mit flüssiger Legierung und während des gerichteten Erstarrens verfestigte sich die Legierung auf dem Keramikrohr. Nach Entfernung des Keramikrohres mit der darauf befindlichen Legierung wurden die Beobachtungen durchgeführt und die Bewertungen gemäß Tabelle I vorgenommen.The castability test for the aforementioned rating system was executed in a tubular crucible in which a ceramic tube of smaller diameter was arranged, of which the lower approximately 2.5 cm slit. This ceramic tube was held inside the outer cone with suitable spacers. The too The alloy under investigation was in the form of a rod approximately 11.1 mm (7/16 inch) in diameter within the Ceramic tube arranged and the whole arranged in a device in which you could run a directional solidification. The melting of the alloy rod filled the space between the outer tube or crucible and the ceramic tube with liquid alloy and during directional solidification, the alloy solidified on the ceramic tube. After removal of the ceramic tube with the alloy thereon, the observations were made and the evaluations were made according to Table I made.
Während der Auswertung der vorliegenden Erfindung wurde eine weite Vielfalt von Legierungszusammensetzungen erschmolzen und auf die Gießbarkeit und die verschiedenen mechanischen Eigenschaften sowie Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit untersucht. In der folgenden Tabelle II sind die nominellen Zusammensetzungen der Legierungen aufgeführt, die als typisch für die erschmolzenen und untersuchten Legierungen ausgewählt sind, In der danach folgenden Tabelle III ist der Nominalgehalt an Gamma1-Phase mit der Gießbarkeit und der Belastungsbruchfestigkeit verglichen. Der angegebene Gehalt an Gamma1-Phase wurde durch Phasenextraktionen bestimmt, die zu verbesserten Berechnungen zur Bestimmung derDuring the evaluation of the present invention, a wide variety of alloy compositions were melted and tested for castability and various mechanical properties, as well as oxidation and corrosion resistance. In the following table II the nominal compositions of the alloys are listed, which are selected as typical for the melted and examined alloys. In the following table III the nominal content of gamma 1 phase is compared with the castability and the load rupture strength. The stated content of gamma 1 phase was determined by phase extractions, which lead to improved calculations for determining the
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Gamma'-Phase unter Verwendung eines Computerprogrammes führten, das auf der Elementverteilung beruhte.Gamma 'phase using a computer program, which was based on the element distribution.
5 Cr, 0,06 C, 0,015 B, 0,02 bis 0,03 Zr, Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen5 Cr, 0.06 C, 0.015 B, 0.02 to 0.03 Zr, Balance nickel and incidental impurities
rungLegie
tion
Nominal- Tf'
. Phase
Tl (±i voi.-sncalculated
Nominal Tf '
. phase
Tl (± i voi.-sn
It sowohl nach Phasenextraktion als auch Berechnung.It both after phase extraction and calculation.
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42,2 kg/mm90O 0 C and ?
42.2 kg / mm
VnI -1 nominal
VnI -1
Hl·1 -PhaseV \ J JL · / U
Hl · 1 phase
gerichtet erstarrte Legierung directionally solidified alloy
391 392 394 397 398 399 423 424391 392 394 397 398 399 423 424
392A392A
^Zustand A - vollständiges Lösungsglühen bei 129O°C^ Condition A - complete solution heat treatment at 129O ° C
B - partielles Lösungsglühen für 1/2 Stunde bei 1205°C D-S gerichtet erstarrtB - partial solution heat treatment for 1/2 hour at 1205 ° C D-S directionally solidified
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In dieser Gruppe von Legierungen, die vorgesehen waren für ein Giessen mit gerichteter Erstarrung, wurden die Korngrenzenverfestiger C, B, Zr und Hf in folgenden Gewichtsbereichen gehalten: In this group of alloys intended for directional solidification casting, the grain boundary strengtheners C, B, Zr and Hf were kept in the following weight ranges:
1 bis 2 % Hf, 0,01 bis 0,2 % C, 0,01 bis 0,05 % B und bis zu 0,05 % Zr, um ein Korngrenzenreissen bzw. -brechen zu verhindern. Für diese Auswertungsphase wurde besonders der nominelle Bereich von etwa 0,06 % C, 0,015 % B und 0,03 * Zr ausgewählt, wobei Hf zwischen 1,0 und 1,5 % variiert wurde. In solchen Legierungen wurde Cr im Bereich von 3 bis 10 % und mehr im besonderen bei etwa 5 % gehalten, Re wurde im Bereich von bis zu 10 % und mehr im besonderen bei etwa 3 % gehalten. 1 to 2 % Hf, 0.01 to 0.2 % C, 0.01 to 0.05 % B and up to 0.05 % Zr to prevent grain boundary cracking. For this evaluation phase, the nominal range of about 0.06 % C, 0.015 % B and 0.03 * Zr was selected, with Hf being varied between 1.0 and 1.5%. In such alloys, Cr was kept in the range of 3 to 10 % and more, especially about 5 % , Re was kept in the range of up to 10 % and more, especially about 3 % .
Ein Vergleich der Pestigkeits- und Gießbarkeitsdaten der Tabelle III zeigt die kritische Wirkung des Kobalts auf die Gießbarkeit. So schließen z. B. die Legierungen von 31Il bis 391 Kobalt im Bereich von bis zu 7 Gew.-% ein, während die anderen Legierungen Kobalt in größeren Mengen aufweisen. In den schwächeren Legierungen 381, 383, 385 und 399 ist ein höherer Grad der Gießbarkeit vorhanden. Wenn jedoch in diesen Legierungen der Gehalt an gamma'-Phase auf über 63 % erhöht wird, um die Legierung zu verfestigen, wie sich durch die verlängerte Lebensdauer beim Belastungsbruchtest zeigt, dann tritt eine deutliche Veränderung bei der Gießbarkeit auf. Die kri/tische Bedeutung des Kobalts beim Verfestigungsmechanismus nach der'vorliegenden Erfindung zeigt sich durch einen Vergleich der Legierungen 391, 392 und 392A, bei denen der einzige Unterschied in der Zusammensetzung der ist, daß die Legierung 391 7 % Co, die Legierung 392 10 % Co-und die Legierung 392A 12 % Co enthält. Obwohl die Legierung 391 eine längere Lebensdauer beim Belastungsbruchtest hat, ist ihre Gießbarkeit nicht annehmbar. Der ungewöhnliche und unerwartet kritische Bereich des Kobalts in der vorliegenden Erfindung ergibt sich deutlich aus einem Vergleich der Legierungen 428, 433 und 434 in den Tabellen II und III. In der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß die Gießbarkeit durch eine geringe Änderung im Aluminiumgehalt beeinflußt werden kann, wäh-A comparison of the pestibility and castability data in Table III shows the critical effect of cobalt on castability. So close z. B. the alloys from 3 1 II to 391 cobalt in the range of up to 7 wt. % , While the other alloys contain cobalt in larger amounts. There is a higher degree of castability in the weaker alloys 381, 383, 385 and 399. However, if the gamma prime phase content in these alloys is increased above 63% in order to strengthen the alloy, as shown by the extended life in the stress fracture test, then there is a marked change in the castability. The critical importance of cobalt in the strengthening mechanism according to the present invention is shown by a comparison of the alloys 391, 392 and 392A, in which the only difference in the composition is that the alloy 391 7 % Co, the alloy 392 10 % Co and the alloy 392A contains 12 % Co. Although alloy 391 has a longer life in the stress fracture test, its castability is unacceptable. The unusual and unexpectedly critical range of cobalt in the present invention is evident from a comparison of alloys 428, 433 and 434 in Tables II and III. In the present invention it was found that the castability can be influenced by a small change in the aluminum content, while
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rend der Gehalt an gamma1-Phase im wesentlichen unverändert gehalten wird, z.B. durch Einstellung des V-Gehaltes. Um die Empfindlichkeit im Hinblick auf das Kobalt zu veranschaulichen,wird auf die Legierungen 428, 433 und 434 hingewiesen, bei denen eine Grundlegierung mit 538 % Al und 1,6 % V benutzt wurde, während die anderen Elemente in Übereinstimmung mit der Legierung 392 gehalten wurden, einschließlich eines Nominal-Gamma1-Phasengehaltes von etwa 66 Vol.-%. Wie sich aus den Ergebnissen der Tabelle III ergibt, muß der Kobaltgehalt größer als 10 % sein, wenn der Aluminiumgehalt größer als etwa 5,5 % ist, um die zur Herstellung komplexer luftgekühlter Gegenstände, wie Turbinenschaufeln erforderliche Gießbarkeit aufrechtzuerhalten. Wie sich aus den genannten Daten der Tabelle III ergibt, beträgt ein bevorzugter Nominalgehalt an Kobalt etwa 12 %, wobei der Gehalt an Kobalt von 14 % in der Legierung 434 zu einer deutlich verschlechterten Gießbarkeit geführt hat. Die vorliegende Erfindung definiert daher den kritischen Kobaltgehalt als 11 - 13 %» wenn der Aluminiumgehalt größer als etwa 5,5 % ist. Eine derart drastische Veränderung in der Gießbarkeit aufgrund einer geringen Änderung im Kobalt- oder Aluminiumgehalt war vor der vorliegenden Erfindung nicht vorhersagbar. rend the content of gamma 1 phase is kept essentially unchanged, for example by adjusting the V content. To illustrate the sensitivity to cobalt, reference is made to alloys 428, 433 and 434, in which a base alloy of 5 3 8 % Al and 1.6 % V was used, while the other elements were in accordance with the alloy 392, including a nominal gamma 1 phase content of about 66 % by volume. As can be seen from the results in Table III, when the aluminum content is greater than about 5.5% , the cobalt content must be greater than 10% in order to maintain the castability required to manufacture complex air-cooled articles such as turbine blades. As can be seen from the cited data in Table III, a preferred nominal content of cobalt is about 12%, the cobalt content of 14 % in alloy 434 having resulted in a markedly impaired castability. The present invention therefore defines the critical cobalt content as 11-13 % when the aluminum content is greater than about 5.5 % . Such a drastic change in castability due to a small change in cobalt or aluminum content was unpredictable prior to the present invention.
Wenn Wolfram im Bereich von 5 bis 7 Gew.-% zusammen mit 1 Gew.-% Molybdän vorhanden ist, ist eine deutlich größere Kobaltmenge erforderlich. Aus diesem Grunde ist wegen der Anwesenheit von Molybdän in der Legierungszusammensetzung das Kobalt im Bereich von 11 - 13 % für verbesserte Gießbarkeit mit 5 ~ 7 % W vorhanden. Aber selbst bei den höheren Kobaltanteilen im Rahmen der vorliegenden Erfindung führt der Einschluß großer Mengen von die Gamma1-Phase verstärkenden Elementen, wie Al, Ta und V, um einen Gehalt an Gamma1-Phase von etwa 68 % oder mehr zu erzeugen, zu einer Legierung sehr schlechter Gießbarkeit, wie sich aus einem Vergleich der Legierungen 392 und 394 ergibt. Das Element Wolfram wird im Bereich von 3 bis 7 Gew.-% eingesetzt, weil mindestens etwa 3 % für die Festigkeit erforderlich sind und Mengen von mehr als 7 % die Gießbarkeit bei Anwesenheit von 5 bis 7 % Ta in unannehmbarer Weise verschlechtern und außerdem zu einer instabilen Legierung führen.When tungsten is present in the range of 5 to 7 weight percent along with 1 weight percent molybdenum, a significantly larger amount of cobalt is required. For this reason, because of the presence of molybdenum in the alloy composition, the cobalt is present in the 11-13 % range for improved castability at 5-7 % W. However, even at the higher levels of cobalt in the present invention, the inclusion of large amounts of gamma 1 phase enhancing elements such as Al, Ta and V to produce a gamma 1 phase content of about 68 % or more will result an alloy with very poor castability, as can be seen from a comparison of alloys 392 and 394. The element tungsten is in the range of 3 to 7 wt - inserted% because at least about 3% is required for the strength and castability in the presence of 5 to 7% Ta deteriorate amounts of more than 7% in an unacceptable manner, and also to. an unstable alloy.
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Eine Betrachtung einiger der Daten der Tabellen II und III könnte zu der Schlußfolgerung führen, daß es wegen seiner nachteiligen Wirkung auf die Gießbarkeit besser sei, das Molybdän wegzulassen. Ein Vergleich zwischen den Legierungen 392, 398 und 399 zeigt jedoch die merkliche Wirkung, die eine geringe Menge Molydän auf die Belastungsbrucheigenschaften der Legierungen haben kann. Deshalb wird das Molybdän in einer Menge von 0,5 bis 2 Gew.-% und vorzugsweise von 0,5 bis 1,5 % eingesetzt, solange Kobalt im Rahmen von etwa 10 bis 13 % vorhanden ist.Examination of some of the data in Tables II and III might lead to the conclusion that it is better to omit the molybdenum because of its detrimental effect on castability. However, a comparison between alloys 392, 398 and 399 shows the significant effect that a small amount of molybdenum can have on the stress fracture properties of the alloys. The molybdenum is therefore used in an amount of 0.5 to 2% by weight , and preferably 0.5 to 1.5 % , as long as cobalt is present in the range from about 10 to 13 % .
Das Element Kohlenstoff wird in der vorliegenden Erfindung in einer Menge von etwa 0,02 bis 0,15 Gew.-% eingesetzt, da höhere Kohlenstoffgehalte zur starken Bildung sogenannter "script"· artiger Carbide führen und die Ermüdungseigenschaften verschlechtern können. Kohlenstoff wirkt als Korngrenzenverfestiger und verbessert die Gießbarkeit. Scriptartige Karbide sehen bei großer Vergrößerung wie chinesische Schriftzeichen aus. Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß hinsichtlich der Kombination aus Festigkeit und Gießbarkeit für Legierungen, die zur Herstellung gerichtet erstarrter, säulenförmige Körner aufweisender Gußkörper, die aufgrund komplexer innerer Hohlräume Risse bekommen können, eingesetzt werden sollen, eine ungewöhnliche und unerwartete Reihe kritischer Faktoren existiert. Durch die vorliegende Erfindung wird ein gerichtet erstarrter Gußkörper aus einer Legierung auf Nickelbasis definiert, der eine verbesserte Kombination von Gießbarkeit und mechanischen Eigenschaften als Ergebnis der Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.The element carbon is in the present invention in an amount of about 0.02 to 0.15 wt -% used, since higher carbon contents to strong form so-called "script" · lead-like carbides and may deteriorate the fatigue properties.. Carbon acts as a grain boundary strengthener and improves castability. Script-like carbides look like Chinese characters when enlarged. From the foregoing, it can be seen that there are an unusual and unexpected number of critical factors with respect to the combination of strength and castability for alloys to be used in the manufacture of directionally solidified, columnar-grain castings which can be cracked due to complex internal voids. The present invention defines a directionally solidified nickel-based alloy casting which has an improved combination of castability and mechanical properties as a result of the composition of the present invention.
Für gerichtet erstarrte Gußkörper einer komplexen, einen Kern aufweisenden Konfiguration ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die folgende Nominalzusammensetzung in Gew.-% besonders bevorzugt.für die die Legierung 392A ein Beispiel ist:For directed solidified casting of a complex, a core having configuration is the following nominal composition in weight in the present invention - particularly% bevorzugt.für the alloy 392A is an example.:
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4,5 bis 5,5 Chrom, 11,5 bis 12,5 Kobalt, 5,3 bis 5,8 Aluminium, 5,5 bis 6,5 Tantal, 1,5 bis 2,5 Vanadium, 2,5 bis 3,5 Rhenium, 4,5 bis 5,5 Wolfram, 0,5 bis 1,5 Molybdän, 1,0 bis 1,7 Hafnium, 0,04 bis 0,08 Kohlenstoff, 0,01 bis 0,02 Bor, 0,01 bis 0,05 Zirkonium und der Rest sind im wesentlichen Nickel und zufällige Verunreinigungen, wobei die Legierung weiter durch einen Gehalt an gamma'-Phase im Bereich von 64 bis 68 Vol.-? charakterisiert ist. 4.5 to 5.5 chromium, 11.5 to 12.5 cobalt, 5.3 to 5.8 aluminum, 5.5 to 6.5 tantalum, 1.5 to 2.5 vanadium, 2.5 to 3 .5 rhenium, 4.5 to 5.5 tungsten, 0.5 to 1.5 molybdenum, 1.0 to 1.7 hafnium, 0.04 to 0.08 carbon, 0.01 to 0.02 boron, 0 .01 to 0.05 zirconium and the remainder are essentially nickel and incidental impurities, the alloy being further characterized by a gamma'-phase content in the range of 64 to 68 vol. is characterized.
Die verbesserten Belastungsbrucheigenschaften eines gerichtet erstarrten Gegenstandes im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind in der graphischen Darstellung der Figur 1 gezeigt, in der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (D.S. 392) mit gerichtet erstarrten Gegenständen aus zwei kommerziell erhältlichen Legierungen (MAR-M200 + Hf und Rene'80) verglichen ist, die bei der Herstellung von Gasturbinen eingesetzt werden. Die erstgenannte — . The improved load fracture properties of a directionally solidified object within the scope of the present invention are shown in the graph in FIG. 1, in which an embodiment of the present invention (DS 392) with directionally solidified objects made of two commercially available alloys (MAR-M200 + Hf and Rene '80) that are used in the manufacture of gas turbines. The former - .
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kommerziell erhältliche Legierung hat die folgende nominelle Zusammensetzung in Gew.-#:Commercially available alloy has the following nominal composition in wt .- #:
0,15 C, 9 Cr, 10 Co, 12 W, 5 Al, 2 Ti, 1 Nb, 2 Hf, 0,015 B, 0,05 Zr und der Rest ist im wesentlichen Nickel, während die zweite kommerziell erhältliche Legierung die folgende Zusammensetzung in Gew.-% hat:0.15 C, 9 Cr, 10 Co, 12 W, 5 Al, 2 Ti, 1 Nb, 2 Hf, 0.015 B, 0.05 Zr and the remainder is essentially nickel, while the second commercially available alloy has the following composition . in weight -% has:
0,17 C, 14 Cr, 9,5 Co, 4 Mo, 4 W, 5 Ti, 3 Al, 0,015 B, 0,03 Zr und als Rest im wesentlichen Nickel. Wie sich der Figur 1 entnehmen lässt, hat ein gerichtet erstarrter Gegenstand aus der in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallenden Legierung 392 deutlich bessere Belastungsbrucheigenschaften als Gegenstände, die durch gerichtete Erstarrung oder übliches Giessen aus den vorgenannten kommerziell erhältlichen Legierungen erhalten wurden. In der Darstellung der Figur 1 ist der übliche Larsen-Miller-Parameter benutzt worden.0.17 C, 14 Cr, 9.5 Co, 4 Mo, 4 W, 5 Ti, 3 Al, 0.015 B, 0.03 Zr and the remainder essentially nickel. As can be seen from Figure 1, a directionally solidified object has Alloy 392, which falls within the scope of the present invention, has significantly better load fracture properties as objects made by directional solidification or customary casting from the aforementioned commercially available Alloys were obtained. In the illustration in FIG. 1, the usual Larsen-Miller parameter has been used.
Auf Grund einer ungewöhnlichen und unerwarteten Zusammenstellung von Elementen schafft die vorliegende Erfindung eine Legierung, die zu einem gerichtet erstarrten Gusskörper verarbeitet werden kann, der eine ungewöhnliche Kombination von Giessbarkeit und Belastungsbrucheigenschaften aufweist. Gleichzeitig weist er andere angemessene Eigenschaften, z.B. Zugeigenschaf ten,auf, wie sich aus der graphischen Darstellung der Figur 2 ergibt. Die Elemente Hf, C, B und Zr werden innerhalb ihrer angegebenen Bereiche eingesetzt wegen ihrer Wir~ kung auf die Korngrenzeneigenschaften. Der Kohlenstoff wird z.B. verwendet, um die Korngrenzen und die Eigenschaften in der Querrichtung zu verbessern. Bor wird verwendet, um die Korngrenzen zu festigen, hafnium setzt man wegen seiner Wirkung auf die Korngrenzenerstarrung ein und Zirkonium wegen seiner Wirkung auf die Korngrenzeneigenschaften, obwohl seine Wirkung weniger ausgeprägt ist als die von Hafnium, Kohlenstoff und Bor.Due to an unusual and unexpected combination of elements, the present invention provides an alloy which which can be processed into a directionally solidified cast body which is an unusual combination of Has pourability and load fracture properties. At the same time, he has other appropriate properties, e.g. traits ten, as can be seen from the graph in FIG. The elements Hf, C, B and Zr are within their specified ranges are used because of their effect on the grain boundary properties. The carbon will e.g. used to improve grain boundaries and properties in the transverse direction. Boron is used to make the To strengthen grain boundaries, hafnium is used because of its effect on grain boundary solidification and zirconium because of it its effect on grain boundary properties, although its effect is less pronounced than that of hafnium, carbon and boron.
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Kobalt wird in einem besonders kritischen Bereich eingesetzt wegen seiner Wirkung auf die Gießbarkeit in Kombination mit den verfestigenden Elementen Wolfram und Molybdän. Wolfram, von dem sich etwa diu Hälfte als Gamma1-Phasenbildner abteilt, verbessert die Gießbarkeit und sorgt für eine äquivalente Festigkeit. Im Gegensatz dazu verschlechtert Molybdän die Gießbarkeit, obwohl es die Festigkeit beizubehalten hilft, da es sich auch etwa -zur Hälfte als Gamma'-Phasenbildner abteilt. Die ungewöhnliche und unerwartete Wechselbeziehung zwischen den Mengen von Wolfram, Molybdän und Kobalt, die unter Bezugnahme auf die Tabellen II und III diskutiert wurde, sorgt für die ungewöhnlichen Eigenschaften der Legierungen bzw. Gegenstände gemäß der vorliegenden Erfindung.Cobalt is used in a particularly critical area because of its effect on castability in combination with the strengthening elements tungsten and molybdenum. Tungsten, about half of which is a gamma 1 phase former, improves castability and provides equivalent strength. In contrast, molybdenum degrades castability, although it helps maintain strength, since it also divides about halfway as a gamma'-phase former. The unusual and unexpected correlation between the amounts of tungsten, molybdenum and cobalt discussed with reference to Tables II and III provides the unusual properties of the alloys and articles of the present invention.
Das Element Niob kann al3 teilweiser Ersatz für Tantal in einer Menge bis zu etwa 1 Gew.-ί eingesetzt werden, obwohl die Anwesenheit von Niob nicht bevorzugt ist, da es die Schmelztemperatur rascher verringert als Tantal.The element niobium can be used as a partial substitute for tantalum in an amount up to about 1 weight-ί, though the presence of niobium is not preferred because it lowers the melting temperature more rapidly than tantalum.
Wie in der US-PS 3 887 363 ausgeführt, wirkt Rhenium als Verfestiger der festen Lösung in der Art von Superlegierung auf Nickelbasis, auf die sijh die vorliegende Erfindung bezieht. Rhenium wird in einer Menge von 0,5 bis 10 Gew.-J in der Legierung bzw. den Gegenständen der vorliegenden Erfindung eingesetzt. As set out in U.S. Patent 3,887,363, rhenium acts as a solid solution strengthener in the type of nickel-based superalloy to which the present invention relates. Rhenium is used in an amount of 0.5 to 10 percent by weight in the alloy or articles of the present invention.
Die Zunahme der Menge an Gamma1-Phase führt zu einer Zunahme der Festigkeit, da die Gamma1-Phase die Ausscheidungshärtung bewirkt. In dem Maße, wie die Gamma1-Phase zunimmt, steigt jedoch die Menge an Eutektikum und die Gießbarkeit verringert sich, so daß der Anteil an Gamma'-Phase gemäß der vorliegenden Erfindung im Bereich von etwa 64 - 68 Vol.-? gehalten wird, obwohl für viele moderne Superlegierungen der Trend dahin geht, denThe increase in the amount of gamma 1 phase leads to an increase in strength because the gamma 1 phase causes precipitation hardening. However, as the gamma 1 phase increases, the amount of eutectic increases and the pourability decreases, so that the proportion of gamma ′ phase according to the present invention is in the range of about 64-68 vol. is maintained, although the trend for many modern superalloys is that
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Anteil an Gamma1-Phase über diese Grenze hinaus zu erhöhen. Viele moderne Superlegierungen weisen auch beträchtliche Mengen an Chrom wegen seiner Wirkung auf die Oxidationsbeständigkeit auf. In der vorliegenden Erfindung ist jedoch erkannt worden, daß, obwohl weniger als etwa 3 Gew.-% Chrom zu wenig für eine angemessene Oxydationsbeständigkeit sind, mehr als 10 Gew,-# Chrom die Stabilität beeinflussen und die Festigkeit in den Legierungen bzw. Gegenständen der vorliegenden Erfindung verringern.To increase the proportion of gamma 1 phase beyond this limit. Many modern superalloys also contain significant amounts of chromium because of its effect on oxidation resistance. In the present invention, however, it has been recognized that although less than about 3 weight percent chromium is too little for adequate oxidation resistance, more than 10 weight percent chromium affects the stability and strength in the alloys or articles of the invention present invention.
Die .hauptsächlichen Gamma1-Phasenbildner in der Legierung sind Al, Ta, V und höchstens sehr geringe Mengen Ti. Der Aluminiumgehalt muß hoch genug sein, um die Ni,Al(Gamma')-Struktur zu stabilisieren. Zusätze von Ta, V und Ti können das Aluminium ersetzen und festigen daher die Struktur. Tantal und Vanadium sind Titan gegenüber bevorzugt, weil Titan mehr als Tantal und Vanadium zur Segregation von Dendriten führt und somit zur Bildung großer Mengen von Eutektikum. Dies führt zu einer verschlechterten Gießbarkeit. Der Einsatz von Titan anstelle von Vanadium in der Legierung verursacht eine Verschlechterung der Gießbarkeit und bei hohem Titangehalt (2 %) eine Verringerung der Festigkeit, wie die folgende Tabelle IV zeigt. Titan ist daher nicht bevorzugt als Zusatz. Wird der Vanadiumgehalt verringert, dann können bis zu etwa 2 Gew.-% Titan für einige Anwendungen, wie weniger komplexe Gußkörper, toleriert werden.The main gamma 1 phase formers in the alloy are Al, Ta, V and at most very small amounts of Ti. The aluminum content must be high enough to stabilize the Ni, Al (gamma ') structure. Additions of Ta, V and Ti can replace the aluminum and therefore strengthen the structure. Tantalum and vanadium are preferred over titanium because titanium, more than tantalum and vanadium, leads to the segregation of dendrites and thus the formation of large amounts of eutectic. This leads to a deteriorated castability. The use of titanium instead of vanadium in the alloy causes a deterioration in castability and, if the titanium content is high (2 %), a reduction in strength, as shown in Table IV below. Titanium is therefore not preferred as an additive. If the vanadium content is reduced, then up to about 2 wt. % Titanium can be tolerated for some applications, such as less complex castings.
Vanadium wird auf etwa 2 1/2 Gew.-% in der Legierung begrenzt, weil größere Mengen die Beständigkeit gegenüber Oxydation und Hitzekorrosion verringern.Vanadium is limited to about 2 1/2 wt. % In the alloy because larger amounts reduce the resistance to oxidation and heat corrosion.
Es wurde auch ein Vergleich der Belastungsbruchfestigkeit und der Giessbärkeit für variierende Mengen von Wolfram und Rhenium ausgeführt, um Rhenium durch mehr Wolfram zu ersetzen. Die Ergebnisse der Tabelle V von Gusskörpern der gerichtet erstarrten Legierung 423 mit 8 Gew.-Ϊ Wolfram und ohne Rhenium haben jedoch schlechte Belastungsbrucheigenschaften und eine schlechte Giessbärkeit, verglichen mit Gusskörpern aus gerichtet erstarrter Legierung 392, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist*There was also a comparison of the load rupture strength and the castability for varying amounts of tungsten and rhenium designed to replace rhenium with more tungsten. The results of Table V for castings of the directionally solidified However, alloy 423 with 8 weight percent tungsten and no rhenium has poor stress fracture properties and poor Castability, compared to cast bodies made of directionally solidified alloy 392, which is preferred in the context of the present invention *
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bei 980 0,724,6 kg/mm
nach StundenStress fracture
at 980 0.724.6 kg / mm
after hours
124
87130
124
87
1,1 1,1
2,12.2
1.1 1.1
2.1
E
D-EAWAY
E.
DE
H2H
425392
H 2 H
425
bei 900 C//42,2 kg/ mm
nach StundenLoad break P
at 900 C // 42.2 kg / mm
after hours
Giessbarkeit %
Castability
112234
112
85
8th
6666
66
EAWAY
E.
423392
423
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Claims (3)
Nickelbasis mit einem komplexen Innendurchgang, einer säulenförmigen Kornstruktur und verbesserter Gießbarkeit sowie verbesserten Belastungsbrucheigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß
er aus einer Legierung nach Anspruch 1-3 hergestellt ist.Cast object made of a superalloy
Nickel-based with a complex internal passage, a columnar grain structure and improved castability and improved load fracture properties, characterized in that
it is made from an alloy according to claims 1-3.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3719902A1 (en) * | 1986-01-02 | 1997-05-22 | United Technologies Corp | Columnar grain nickel superalloy compsn. |
| DE3719902C2 (en) * | 1986-01-02 | 2001-11-08 | United Technologies Corp | Nickel-based superalloy with columnar crystal grain shape |
Also Published As
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| JPS5458621A (en) | 1979-05-11 |
| GB1562082A (en) | 1980-03-05 |
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Legal Events
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