CH676125A5

CH676125A5 -

Info

Publication number: CH676125A5
Application number: CH4230/88A
Authority: CH
Inventors: Mohamed Y Dr Nazmy; Markus Staubli
Original assignee: Asea Brown Boveri
Priority date: 1988-11-15
Filing date: 1988-11-15
Publication date: 1990-12-14
Also published as: GB8925701D0; US4990199A; JPH02182851A; GB2224746A; DE3934409A1; GB2224746B

Description

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CH 676 125 A5

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Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

Hochtemperaturlegierungen mit hohem Oxydations- und Korrosionswiderstand auf der Basis von intermetallischen Verbindungen, welche sich für gerichtete Erstarrung eignen und die konventionellen Nickelbasis-Superlegierungen ergänzen.

Die Erfindung bezieht sich auf die Weiterentwicklung und Verbesserung der auf der intermetallischen Verbindung NÌ3AI basierenden Legierungen mit weiteren, die Warmfestigkeit und die Oxydationsbeständigkeit erhöhenden Zusätzen.

Insbesondere betrifft sie eine oxydations- und korrosionsbeständige Hochtemperaturlegierung für gerichtete Erstarrung auf der Basis einer intermetallischen Verbindung des Typs Nickelaluminid.

STAND DER TECHNIK

Die intermetallische Verbindung NÌ3AI hat einige interessante Eigenschaften, welche sie als Konstruktionswerkstoff im mittleren Temperaturbereich als attraktiv erscheinen lassen. Dazu gehört unter anderem ihre gegenüber Superlegierungen niedrige Dichte. Ihrer technischen Verwendbarkeit in der vorliegenden Form stehen allerdings ihre Sprödig-keit und ihr ungenügender Korrosionswiderstand entgegen. Erstere kann zwar durch Zusätze von Bor verbessert werden, wobei auch höhere Festigkeitswerte erreicht werden (vgl. C.T. Liu et al, «Nickel Aluminides for structural use», Journal of Metals, May 1986, pp. 19-21). Nichtsdestoweniger hat dieses Verfahren, selbst unter Anwendung hoher Abkühlungsgeschwindigkeiten bei der Erzeugung von Bändern zu keinen praktisch brauchbaren Ergebnissen geführt.

Die Korrosions- und Oxydationsbeständigkeit derartiger, auf NÌ3AI beruhender Legierungen kann durch Zusätze von Silizium oder Chrom verbessert werden (vgl. M.W. Grünling und R. Bauer, «The role of Silicon in corrosion résistant high temperature coatings», Thin Films, Vol. 95, 1982, pp. 3-20). Im allgemeinen ist das Zulegieren von Silizium der gangbarere Weg als dasjenige von Chrom, da die gleichzeitig auftretende intermetallische Verbindung NÌ3SÌ in NÌ3AI vollständig mischbar ist. Es handelt sich also um isomorphe Zustände, wobei keine weiteren, unerwünschten Phasen gebildet werden (vgl. Shouichi Ochiai et al, «Alloying behaviour of NÌ3AI; NÌ3Ga, NÌ3SÌ and NisGe», Acta Met. Vol. 32, No. 2, pp. 289,1984).

Die Warmfestigkeit des NÌ3AI sowie der obigen modifizierten Legierungen ist indessen noch ungenügend, wie aus Veröffentlichungen über intermetallische Verbindungen hervorgeht (vgl. N.S. Sko-loff, «Ordered alloys-physical metallurgy and structural applications», International metals re-view, Vol. 29, No. 3,1984, pp. 123-135).

Es ist bekannt, dass unter anderen Silizium den Korrosions- und Oxydationswiderstand von Schutzoxyde bildenden Oberflächenschichten in Überzügen von Hochtemperaturlegierungen erhöht. Darüber wurden ausgedehnte Untersuchungen gemacht (vgl. F. Fitzer and J. Schlichting, «Coatings containing chromium, aluminium, and Silicon for high temperature alloys», High temperature corrosion, National association of corrosion engineers, Houston Texas, San Diego California, March 2-6, 1981, pp. 604-614).

Die Eigenschaften dieser bekannten modifizierten Ni3AI-Werkstoffe genügen den technischen Anforderungen im allgemeinen noch nicht, um daraus brauchbare Werkstücke herzustellen. Dies gilt insbesondere bezüglich Warmfestigkeit und Hoch-temperatur-Korrosionsfestigkeit (Widerstand gegen Sulfidation). Es besteht daher ein Bedürfnis nach Weiterentwicklung und Verbesserung derartiger Werkstoffe.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Legierung mit hohem Oxydations- und Korrosionswiderstand, insbesondere gegen Sulfidation bei hohen Temperaturen und gleichzeitig hoher Warmfestigkeit im Temperaturbereich von 400 bis 800°C anzugeben, die sich gut für gerichtete Erstarrung eignet und auf der Basis einer intermetallischen Verbindung des Typs Nickelaluminid mit weiteren Zusätzen besteht. Die Legierung soll im Temperaturbereich von 400 bis 800°C eine Warmfliessgrenze von mindestens 1000 MPa haben.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die eingangs erwähnte Hochtemperaturlegierung die nachfolgende Zusammensetzung aufweist:

AI = 10-160 At.-%

Si = 0,5-8 At.-%

Ta = 0,5-9 At.-%

Hf = 0,1-2 At.-%

B = 0,1-2 At.-%

Ni = Rest und dass sie zu mindestens 90 Vol.-% aus einer Mischung der intermetallischen Phasen NÌ3AI, NÌ3SÌ und NisTa besteht.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch eine Figur näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.

Dabei zeigt: Die Fig. eine graphische Darstellung der Fliessgrenze in Funktion der Temperatur für verschiedene Legierungen auf der Basis einer intermetallischen Verbindung des Typs Nickelaluminid.

Die Figur bezieht sich auf eine Darstellung der Fliessgrenze o0,2 (0,2%-Dehngrenze) in MPa in Funktion der Temperatur T in °C. Als Vergleich ist der Verlauf der Streckgrenze einiger bekannter Legierungen dargestellt. Die Kurve 1 gilt für die reine intermetallische Verbindung NÌ3AI, d.h. eine Legierung mit 25 At.-% AI; Rest Ni. Die Fliessgrenze erreicht ein Maximum von ca. 600 MPa bei ca. 750°C. Die Kurve 2 bezieht sich auf eine Legierung mit 14,5 At.-% AI; 10,5 At.-% Ti; Rest Ni, d.h. auf 10,5 At.-% Ti dotiertem NÌ3AI. Die Eigenschaften sind deutlich

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besser. Die Warmfliessgrenze erreicht ein Maximum von ca. 1100 MPa bei einer Temperatur von ca. 850°C. Beim Dotieren von ca. 6 At.-% Nb zu NÌ3AI ergibt sich die Kurve 3. Dies entspricht einer Zusammensetzung von 19 At.-% AI; 6 At.-% Nb; Rest Ni. Das Maximum der Fliessgrenze erreicht den gleichen Wert wie bei Kurve 2, befindet sich jedoch bei einer etwas tieferen Temperatur von ca. 750°C. Die Kurve 4 (Beispiel 1) stellt den Verlauf der Fliessgrenze für eine neue Legierung mit 13,3 At.-% AI; 7 At.-% Si; 3 At.-% Ta; 0,5 At.-% Hf; 0,2 At.-% B; Rest Ni dar. Sie erreicht ein Maximum von über 1300 MPa bei einer Temperatur von ca. 550°C. Ihr Wert sinkt im interessierenden Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 800°C nie unter 1000 MPa. Die Kurve 5 (Beispiel 2) bezieht sich auf eine neue Legierung mit 15,4 At.-% AI; 1 At.-% Si; 7 At.-% Ta; 0,5 At.-% Hf; 0,1 At.-% B; Rest Ni. Das Maximum der Fliessgrenze erreicht einen Wert von über 1300 MPa bei einer Temperatur von ca. 700°C. Im Bereich von Raumtemperatur bis ca. 1000°C werden Werte von mindestens 1000 MPa erreicht.

Ausführunasbeispiel 1 :

Im Vakuumofen wurde eine Legierung der nachfolgenden Zusammensetzung erschmolzen:

AI = 13,3 At.-%

Si = 7 At.-%

Ta = 3 At.-%

Hf = 0,5 At.-%

B = 0,2 At.-%

Ni = Rest

Die Schmelze wurde zu einem Gussrohling von ca. 120 mm Durchmesser und ca. 120 mm Höhe abgegossen. Der Rohling wurde unter Vakuum wieder aufgeschmolzen und unter Vakuum zu gerichteter Erstarrung in Form von Stäben mit ca. 12 mm Durchmesser und ca. 120 mm Länge gezwungen.

Die Stäbe wurden ohne anschliessende Wärmebehandlung direkt zu Zugproben verarbeitet. Die damit erreichten Fliessgrenzen in Funktion der Prüftemperatur sind in Kurve 4 wiedergegeben.

Eine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch eine geeignete Wärmebehandlung liegt im Bereich des Möglichen.

Ausführunasbeispiel 2:

Analog Beispiel 1 wurde die nachfolgende Legierung unter Vakuum erschmolzen:

AI = 15,4 At.-%

Si = 1 At.-%

Ta = 7 At.-%

Hf = 0,5 At.-%

B = 0,1 At.-%

Ni = Rest

Die Schmelze wurde analog zum Ausführungsbeispiel 1 abgegossen, unter Vakuum wieder aufgeschmolzen und in Stabform zur gerichteten Erstarrung gezwungen. Das gerichtete Erstarren und die Dimensionen der Stäbe entsprachen dem Ausführungsbeispiel 1. Die Stäbe wurden ohne anschliessende Wärmebehandlung direkt. zu Zugproben verarbeitet. Die damit erreichten Werte der Streckgrenze in Funktion der Prüftemperatur entsprachen der Kurve 5. Diese Werte können durch eine Wärmebehandlung weiter verbessert werden.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Grundsätzlich weist die oxydations* und korrosionsbeständige Hochtemperaturlegierung für gerichtete Erstarrung auf der Basis einer intermetallischen Verbindung des Typs Nickelaluminid die nachfolgende Zusammensetzung auf:

AI = 10-16 At.-%

Si = 0,5 — 8 At.-%

Ta = 0,5 — 9 At.-%

Hf = 0,1 - 2 At.-%

B = 0,1 - 2 At.-%

Ni = Rest

Sie enthält mindestens 90 Vol.-% einer Mischung der intermetallischen Phasen NÌ3AÌ, NÌ3SÌ und NisTa. Das Si wirkt sich günstig auf die Hochtemperatur-Korrosionsfestigkeit insbesondere gegenüber Schwefel aus, während das Ta die Warmfestigkeit weiter steigert und dessen Maximum gegen höhere Temperaturen verschiebt.

Claims

Patentansprüche

1. Oxydations- und korrosionsbeständige Hochtemperaturlegierung für gerichtete Erstarrung auf der Basis einer intermetallischen Verbindung des Typs Nickelaluminid, dadurch gekennzeichnet, dass sie die nachfolgende Zusammensetzung aufweist:

AI = 10 — 16 At.-%

Si = 0,5-8 At.-%

Ta = 0,5 - 9 At.-%

Hf = 0,1 - 2 At.-%

B = 0,1 - 2 At.-%

Ni = Rest und dass sie zumindestens 90 Vol.-% aus einer Mischung der intermetallischen Phasen NÌ3AI, NÌ3SÌ und NisTa besteht.

2. Hochtemperaturlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie die nachfolgende Zusammensetzung aufweist:

AI = 13,3 At.-%

Si = 7 At.-%

Ta = 3 At.-%

Hf = 0,5 At.-%

B = 0,2 At.-%

Ni = Rest

3. Hochtemperaturlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie die nachfolgende Zusammensetzung aufweist:

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Al = 15, 4 At.-% Si = 1 At.-% Ta = 7 At.-% Hf = 0,5 At.-% B = 0,1 At.-% Ni = Resi.

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