DE2165582A1

DE2165582A1 - Wärmefeste Ni-Al-Be- Legierungen

Info

Publication number: DE2165582A1
Application number: DE19712165582
Authority: DE
Inventors: Noboru; Suzuki Takatoshi; Ito Takuo; Nagoya Aichi Komatsu (Japan)
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1970-12-27
Filing date: 1971-12-27
Publication date: 1972-07-20
Also published as: US3807992A; GB1344858A; JPS4925086B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Zusammensetzung von wärmefesten Legierungen, die bei hohen Temperaturen eine ausgezeichnete Oxidation- und Dehnungsfestigkeit aufweisen, wobei die Hauptbestandteile dieser Legierungen Nickel (Ni), Aluminium (Al) und Beryllun (Be) sind.

Mit der Entwicklung der neuzeitlichen Technik und Industrie hat sich der Bedarf für hochwärmefeste Materialien, insbesondere für solche, die bei wesentlich über 100O⁰C liegenden Temperaturen beständig sind, fortlaufend gesteigert. Diese Materialien werden jetzt für die verschiedensten Zwecke und Einrichtungen benötigt, die hohen Temperaturen

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und starken Belastungen ausgesetzt sind, zum Beispiel Raketengeschosse, Wärmekraftmaschinen auf der Basis von Atomenergie, Verbrennungskammern und Düsenrohren von Düsentriebwerken, Teile von Gasturbinen, mit hoher Temperatur und hohem Druck betriebene Apparate für chemische Fabriken, Hochtemperaturventile usw,

Auf dem Gebiet der wärmefesten Materialien sind aus diesem Grunde bereits ausführliche Forschungen angestellt worden» Die verschiedensten Arten wärmefester Legierungen werden verwendet, wobei jedoch noch viele Schwierigkeiten und Unzulänglichkeiten vorhanden sind und eine Verbesserung erfordern,, Es ist zum Beispiel bekannt, daß die praktischen Temperaturbereiche wärmefester Stähle und wärmefester Legierungen, die Ni oder Go als Hauptbestandteile enthalten, unter 800°C bzw. 1000°C liegen. Sie können deshalb nicht bei über diesen genannten Temperaturen liegenden Temperaturbereichen über eine längere Zeit benutzt werden, da sie eine geringe Dehnfestigkeit und verhältnismäßig wenig oxidationsfest sind. Stark wärmefeste Legierungen, wie Legierungen, die Mo, Nb und Ta enthalten, und Keramik kann über längere Einsatzzeiten bei höheren Temperaturen als 1000 C benutzt werden_e Jedoch haben auch diese stark wärmefesten Legierungen eine sehr geringe Oxidationsfestigkeit„ Sie können deshalb nur begrenzt oder nach besonderen Oberflächenbehandlungen eingesetzt werden, um eine Oxidation zu verhindern. Die keramischen Stoffe haben die Neigung zum Brechen unter schnellen und merklichen Temperaturschwankungen· Ihnen fehlt auch eine Widerstandsfähigkeit

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BAD ORiGINAU ~ ~~

gegenüber Wärmestoßen und bei jeder Temperatur eine entsprechende Biegsamkeit. Daraus ergibt sich, daß für die Anforderungen der Technik solche wärmefesten Legierungen entwickelt oder die bekannten Materialien stark verbessert werden so11ten_o

Als Material mit einer ausgezeichneten Oxidationsfestigkeit und Dehnungsfestigkeit bei hohen Temperaturen sind bereits Ni-Al-Be-Legierungen vorgeschlagen worden in der deutschen Patentanmeldung P 20 38 509.5. Die Erfindung betrifft weitere Verbesserungen dieser Legierungen. Insbesondere wird ihre Biege- und Dehnungsfestigkeit bei hohen Temperaturen verbessert, ohne die Oxidationsfestigkeit dadurch zu beeinträchtigen.

Die Verbesserung nach der Erfindung wird durch Zusatz kleiner Mengen besonders ausgewählter Elemente zu den bereits vorgeschlagenen Ni-Al-Be-Legierungen erreicht.

Mit der Erfindung werden dadurch wärmebeständige Legierungen geschaffen, die bei über 1000 G lieg gezeichnete Biegefestigkeiten haben«

geschaffen, die bei über 1000 G liegenden Temperaturen aus-

Die erfindungsgemäßen Legierungen zeichnen sich außer durch die ausgezeichnete Bruchfestigkeit auch noch durch ihre Oxidationsfestigkeit aus«,

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_ 4· —

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele

der Erfindung erläutert und dargestellt sind.

Es zeigen :

Fig. 1 ein Ni-Al-Be-Dreieckkoordinatensystem, das auf Gewichtsprozente als Einheit bezogen ist und die Bestandteile an Ni, Al und Be für die er— findungsgemäßen wärmefesten Legierungen zeigt, und

Figo 2 ein Ni-Al-Be-Dreieckkoordinatensystem, das die Anteile der Komponenten in Atomprozenten zeigte

Aus den Ergebnissen einer großen Anzahl von Versuchen sind drei Arten atark verbesserter wärmefester Legierungen gefunden worden, die sich durch bemerkenswert große Dehnungsfestigkeiten bei Temperaturen im Bereich von 1000 - 1200⁰G auszeichnen«, Diese wärmefesten Legierungen enthalten Ni, Al und Be als Hauptbestandteile und eine kleine Menge wenigstens eines besonders ausgewählten Elementes. Die Hauptbestandteile, Ni, Al und Be, haben miteinander ein solches spezifisches Verhältnis, daß die Bestandteile eine Legierung bilden, die innerhalb des Bereiches A-B-G-D des Dreieckkoordinatensystems Spur 1 liegt. Die Verhältnisse oder Prozentsätze an den Punkten A, B, C und D sind in Tabelle 1 in Atom— undGewichtsprozenten angegeben. Mit anderen Worten, die drei Arten wärmefester Legierungen werden von Legierungen gebildet, die innerhalb des Bereiches A-B-C-D liegen,

·— 5 —f

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sowie von einer kleinen Menge wenigstens eines der spezifischen Elemente,, Nachfolgend werden die Hauptbestandteile Ni, Al und Be als Grundkomponenten bezeichnet, wenn sie im Verhältnis zueinander wie in einer Ni-Al-Be-Legierung stehen, die durch das Gebiet A-B-G-D in Figo 1 definiert istο Das Verhältnis oder der Prozentsatz aller enthaltenen Elemente wird in Gewichtsprozenten (Gew.^) angegeben, wenn nicht ausdrücklich anderes erwähnt ist₀ Weiter ist das Dreieckkoordinatensystem in Figo 1 in Gestalt eines gleichseitigen Dreiecksystems dargestellt. Die Grundlinie des Dreieckkoordinatensystems gibt die Prozentsätze an Al, die rechte und linke Seite die von Be bzw„ Ni an_o Daher sind die Prozentsätze an Al durch Linien parallel zur linken Seite und die an Ni und Be durch Linien parallel zur rechten Seite und zur Grundlinie angegeben,, Zum Beispiel stellt der Punkt Y in Fig. 1 ein Bestandteilverhältnis von Ni = 70#, Al = 20$ und Be » 10# dar.

Eine der drei Arten wärmefester Legierungen wird gebildet aus 0,01 - 4$ wenigstens eines Elementes aus einer Gruppe, die aus Mo (Molybdän), Cr (Chrom) und Co (Kobalt) besteht, wobei der Rest von 96 - 99_}99# von den Grundkomponenten gebildet wird. Legierungen dieser Art werden nachstehend als wärmefeste Legierungen des ersten Bereiches erwähnte

Die zweite Art wärmefester Legierungen enthält 0,01 —1# wenigstens eines Elementes, das aus einer Gruppe gewählt ist, die aus Ti (Titan), Zr (Zirkon), V (Vanadium),

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Nb (Niob), Ta (Tantal), W (Wolfram), Mn (Mangan) und Gu (Kupfer) besteht; der Rest von 99 - 99,99$ besteht aus den Basiskomponenten_o Legierungen dieser Art bilden die wärmefesten Legierungen eines zweiten Bereiches„

In der oben erwähnten älteren Anmeldung sind die Ni-Al-BeProzentsätze als Atomprozente wie hier in Figo 2 veranschaulicht· In der Figo 1 werden außerdem Gew.# angegeben, um das erfindungsgemäße Verhältnis der Elemente in den neuen Legierungen darzustellen.

Die dritte Art wärmefester Legierungen enthält von 0,01 wenigstens eines der Elemente, das aus der Gruppe gewählt

die
ist,/aus Mo, Cr und Co besteht, ferner 0,01 - 1$ wenigstens eines Elementes aus der Gruppe, die aus Ti, Zr, V, Nb, Ta, W, Mn und Cu besteht, wobei der Rest von 95 - 99,98$ aus den Basiskomponenten besteht« Legierungen dieser Art wer— den als wärmefeste Legierungen des dritten Bereiches erwähnt *

Au3ä den Grundkomponenten Ni, Al und Be sind gemäß dem oben erwähnten älteren Vorschlag ternäre Ni-Al-Be-Legierungen entwickelt worden, die in den Bereich A'-E'-F'-B'-C'-D¹ der Fig. 2 fallen. Der in Fig. 2 gezeigte Bereich A'-E'-B'-C-D¹ entspricht dem Bereich A-B -C-D in Fig. 1 und veranschaulicht die hier verwendeten Grund- oder B_asiskomponenten« Im vorliegenden Fall ist aus dem Bereich A'-E'-F'-B'-C'-D¹ der Bereich E'-F'-B¹ fortgelassen worden, der die Legierungen mit einem hohen Gehalt an Nickel angibt«,

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Es ist auch zu beachten, daß das Verhältnis der Elemente nach Figo 1 das unter den Grundkomponenten herrschende Verhältnis ist, d.h_o nicht das Verhältnis in der Legierung, das die Zusatzelemente enthält. Zum Beispiel kann eine Legierung aus 98% der Grundkomponenten bestehen, die ihrerseits aus 60$ Ni, 30$ Al und 10$ Be bestehen«, Die übrigen 2$> sind Mo als Zusatzelement· Dann besteht die Gesamt— legierung aus 58,8 Ni (=60x0,98), 29,4$ Al (=30x0,98), 9,8$ BB (=10x0,98) und 2?/o Mo₀

Die Menge der zugesetzten Elemente wird bei dem ersten Bereich wärmefester Legierungen als zwischen 0,01 und. 4$ liegend angegeben. Der Grund für die Annahme einer untersten Grenze von 0,01$ besteht darin, daß ein Zusatz von weniger als 0m01$ dieser Elemente wenig zur Verbesserung der Biegefestigkeit der Legierung bei hohen Temperaturen beiträgt,, Die Höchstgrenze ist mit 4$ aus dem Grund angegeben, daß keine weitere Verbesserung der Biegefestigkeit zu erwarten ist, wenn diese Elemente in Mengen von mehr als 4# zugesetzt werden» Ein Zusatz von einem oder mehreren Elementen, die aus der aus Mo, Gr und Go bestehenden Gruppe gewählt worden sind, kann zu der gewünschten Verbesserung so lange beitragen, wie die Menge des Elementes oder der Elemente im Bereich von 0,01 - 4$ liegt.

Die erfindungsgemäßen wärmeüesten Legierungen des zweiten Bereiches enthalten die gleichen Grundkomponenten wie die des ersten Bereiches«, Die untere Grenze für einen Zusatz

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aus der Gruppe der acht Elemente Ti, Zr, V, Nb, Ta, W, Mn und Gu ist mit 0,Q1$ angegeben worden. Der Grund ist der, daß eine Verwendung, von weniger als 0,01?o eines Zusatzes aus diesen Elementen nur eine sehr geringe Verbesserung in der Biegefestigkeit der Legierungen bei hohen Temperaturen, bringt. Bie oberste Grenze Λ% ist aus dem Grund angegeben worden, daß keine weitere Verbesserung für die Biegefestigkeit erwartet werden kann, wenn diese Elemente irr. Mengen von mehr als 1$* zugesetzt werden. Ein Zusatz van eine© oder mehreren Element esa. _t die aus der Gruppe der; achvfe Elemente einschließlich Ti, V und Cu gewählt warden siad, kann zu der gewünschten Wirkung solange beitragen,, wie er im Bereich von 0,01 - 1$ liegt»

Die erfindungsgemäß wärmefesten Legierungen: des dritten Bereiches enthalten dieselben Grundkomponenten. wie die des ersten und des zweiten Bereiches. Die Zusatzmenge, die den Grundkomponenten beigefügt wird, ist für diesen Bereich mit 0,01 - 4$ eines oder mehrerer der· Elemente der aus Mo, Cr und Co bestehenden Gruppe und mit 0,01 - 1$ eines oder mehrerer Elemente der aus den acht Elementen bestehenden Gruppe angegeben, die/m zweiten Bereich verwendet werden. Die Grenzangaben sind in gleicher Weise wie für den ersten und zweiten Bereich begründete Demnach sind die wärmefesten Elemente des dritten Bereiches aus 0,02 - 5$ der Zusatzelemente und 95 - 99>98$ der Grundkomponenten zusammengesetzt«

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Tabelle Λ

in FIG- 2	At #	Ni	Al	Be	Gew	Al	Be	Punlrb
.A¹	50.1	0.1	49.8	Ni	0.1·	13.2	.in FIG. 1
B''	74.0	24.0	2.0	86.7	12.9	0.4	A
C	48.0	50'. 0	2.0	86.7	32.2	0.4	B
D¹	'48.0	0.1	'51.9	67.3	0.1	14.2	C
E'	61.0	11.0	28.0	85.7	7.2	6.1	D
F'	87.0	11.0	2.0	86.7	5.5	0.3	—
94.2		—

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■JO-

Ausführungsformen ;

Alle Legierungen der Ausführungsformen wurden durch Zusammenschmelzen der Bestandteile mit Hilfe des Hc-chfrequenzheiz— Verfahrens hergestellt, wobei die sich ergebende geschmolzene Legierung dann in eine Graphitform gegossen wurde» Die Güßprodukte wurden einem Oxidationswiderstandstest und einem Dehnungs- oder Biegefestigkeitstest unterworfene Der Oxidationstest wurde in der Weise ausgeführt, daß die Gewichtszunahme eines Musters von 10 mm Durchmesser und 5 mm Höhe nach Erwärmen des Musters in der offenen Atmosphäre über fünf Stunden bei 1200 C gemessen wurde,, Die Oxidationsfest igk'eit ist als Verhältnis der Gewichtszunahme in mg zu

der gesamten Oberfläche des Musters in cm angegeben. Dementsprechend bedeuten geringere Verhältniszahlen eine bessere Oxidationsfestigkeit.

Zur Ausführung der Zugfestigkeitsprüfung wurden die Guß— legierungsprodukte zunächst zehn Stunden lang auf 1200°C erwärmt und dann in einem Ofen zur Homogenisierung der Struktur abgekühlt. Danach wurden sie spanabhebend bearbeitet, um Prüfkörper herzustellen, die eine Länge von. 35 mm und einen 17 mm zentralen prallelen Teil mit 4- mm. Durchmesser aufwiesen. Die Prüfkörper wurden bei einer Prüftemperatur von 1000 - 1200⁰C und bei einer Zuggeachwindigkeit von 2,5 mm/min geprüft, nal^cdem die Prüfkörper auf der gleichen Prüf temperatur zehn Minuten lang gehalten worden waren. Die Prüfergebnisse sind als Zugfestigkeit in kg/mm angegeben. Auch die Ausläagung der Prüfkörper ist

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zur Bezugnahme aufgeführte Beide Prüfungen wurden auch an Legierungen ausgeführt, die ausschließlich aus den Grundkomponenten bestanden.

1. Es wurden zwölf Arten von Legierungen geprüft. Eine von ihnei (nu) war eine Legierung, die im wesentlichen aus den Grundkomponenten bestand, etwa 78,5$ Ni, 15»5$ und 6,25ό Be. Die anderen Legierungen 1—11 bestanden zu 99% aus den gleichen Grundkomponenten wie m^. und zu Λ% einem der elf Elemente Mo, Cr, Co,Ti, Zr, Nb, V, Ta,

W, Mn und Cu_e Die Zugfestigkeitsprüfung bei 1100°C und die Oxidationsfestigkeitsprüfung wurden an jedem Prüfkörper ausgeführt«, Die Prüfergebnisse und die Prozentzahlen der Bestandteile jedes Prüfkörpers sind in Tabelle 2 angegeben

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Tabelle 2

Muster	Zusatz-' element .....Σ	Bestandteile (Gew$ )	Al	. Be	X	Oxiäa- tions- festigk. m^/cra	Zug- festigk. kg/mm	Aus-; läng.
Nr.		Ni	15.5	6.2	—	0.15	16.6	• ^
mi	Mo	78.3	14.8	6.5	i.o	" 0.20	19.6	27
1	Cr	77.7	14.4	6.3	1.0	0. 12	24,0	23
2	Co	78.3	14.4	6.3	1.0	0. 19	' 22.0	49
3	Ti	78.3*	15.4	6.5	1.0	0.36 -	21.3	31
4	Zr	77. 1	15.3	6.2	1.0	0.69	20.5	25
5 .	V	77.5	14.4	6.1	1.0	* 0.23	19.0	0
. 6	Nb	78.5	1.4.6	6.4	1.0	0.24	22.4	0 i
7	Ta	78.0	14.0	6.6	1.0	0. 15	25.0	4
* 8	W	78.4	14.5	6.3	1.0	0.36	22.0	0
9	Mn	78.2	14.5	6.4	1.0	0. 12 .	21.0	0 I
10	Cu	78. 1	14.5	6.4	1.0	0. 13	25.0.	0
11	78. 1	0 I

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Wie die Tabelle zeigt, ist der schlechteste Wert der Oxidationsfestigkeit für die Muster 1-11, welche erfin— dungsgemäße Legierungen verkörpern, nur 0,7 mg/cm beim Beispiel Nr. 5» das ein zusätzliches Element Zr enthalte Die anderen Muster Nr₀ 1-4 und 6-11 zeigen nahezu dieselbe oder geringfügig geringere Oxidationsfestigkeit im Vergleich zur Oxidationsfestigkeit von m^ auf, das ausschließlich aus den Grundkomponenten entsprechend dem älteren Vorschlag besteht. Da eine "Nimonic 90"-Legierung, die für ihre ausgezeichnete Oxidationsfestigkeit bekannt

ρ ist, bei der gleichen Prüfung einen Wert von 3>0 mg/cm erreichte, ist nachgewiesen, daß die Muster Nr₀ 1 — 11 eine außerordentlich gute Oxidationsfestigkeit im Vergleich mit der von "Nimonic 90" haben«,

ο Im Vergleich zu der Zugfestigkeit von 60,6 kg/mm des

Musters m^ zeigen die erfindungsgemäßen Legierungen, siehe die Muster 1 - 11, eine 15 - ^QPf₀ höhere Zugfestigkeit _o Demnach hat sich ein Zusatz aus den genannten elf Elementen als hoch wirksam zur Verbesserung der Zugfestigkeit einer Legierung erwiesen, die im wesentlichen aus den Gröundelementen besteht,

2. Legierungen aus denselben Grundkomponenten wie in der vorhergehenden Ausführungsform 1 und mit einem Gehalt von 0,1 - 4# Mo oder 0,1 - 2.% Ti wurden Oxidationsf estigkeits- und Zugfestigkeitsprüfungen von 1100°C unterworfene Die

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Prüfungsergebnisse und die Prozentsätze der Bestandteile jeder Legierung sind in Tabelle 3 angegeben.

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Tabelle 3

Muster	Zusatz ele ment X	Bestandteile (Gew.#)	Al	Be	X	Oxida- tions- festig-k. mg/cm	Zug- festigk. kg/mm	Aus läng
Nr.	, ' —	Ni	15.5	6.2	—	0. 15	16.6	27
m₂	Mo	78.3	15.2	6.3	0. 1	0.16	18. 1	25
12	Mo	78.4	14.8	6.2	1.0.	0.20	19.6	23
13	Mo	78.0	14.7	6.2	2.0	' 0.14	23.5	25
14	Mo	77. Γ	13.3	*5.9	4.0	0. 14	19.2	23
15	Ti	76.8	14.9	6.2	0. 1	0. 18	18.8	25
16	Ti	78.8	15.4	6.5	¹J?'	6.36	21.3	25
17	Ti	77. 1	15.7	6. 1	2.0	0 23	10.3	0
18	76.2

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.. AS ~

Wie Tabelle 3 zeigt, zeichneten sich die Muster Nr. 12 die Molybdän enthielten und Nr. 16 - 18, die Ti enthielten, durch ausgezeichnete Oxidationsfestigkeiten im Bereich von 0,14 - 0,36 mg/cm aus«. Es wurde auch beobachtet, daß nur sehr geringe Änderungen in der Oxidationsfestigkeit durch Schwankungen in der Menge des zugesetzten Elementes Mo oder Ti auftraten. Mit Bezug auf ihre Zugfestigkeit ergab ein Zusatz an Mo eine merkliche Verbesserung aller Zugfestigkeiten gegenüber dem Vergleichswert m₂ von 16,6 kg/mm. _o Der Zusatz von 2# Mo lieferte den höfahsten Wert von 23,5 kg/mm , und ein Zusatz von 1$ Mo bzw. 4$ Mo führte zu etwas geringeren Werten als den vorstehend angegebenen Höchstwert.

Durch Zusatz an Ti bis wenigstens Λ% wurde die Zugfestigkeit erhöht. Jedoch ergab sich bei Zusatz von 2$ Ti eine Zugfestigkeit, die geringer als im Fall des Vergleichsmusters m₂ war, das keinen Zusatz an Ti enthielt.

Wie weitere Versuche mit Legierungen zeigten, die andere Zusatzelemente enthielten, führten die Elemente Cr und Co zu den gleichen Verbesserungen wie Mo, und die Elemente Cr, V, Nb, Ta, W, Mn und Cu zu den gleichen Verbesserungen wie Ti«

3. Prüfungen wurden auch mit Legierungen angestellt, denen zwei Elemente zugesetzt worden war«, D.h., es wurden Legierungen geprüft, die aus 99# der Grundkomponenten.

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und zwei zusätzlichen Elementen bestanden, wie jeweils Λ% Mo und Gr, Cr und Cu usw. Diese Legierungen wurden auf Zugfestigkeit und Oxidationsfest'igkeit bei 110O⁰C geprüft. Die Prozentsätze der Bestandteile und die Prüfergebnisse sind für diese Legierungen in Tabelle 4- dargestellt«, Die Tabelle 4- zeigt auch die Ergebnisse von Vergleichsversuchen mit einem Muster nw, entsprechend den Mustern m^ und m₂ bei den vorhergehend besprochenen Versuchen.

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Tabelle M-

IO O (O 00 COi

Muster Nr.	Zugefügtes Zu satzelement	*2	. Bestandteile (Gew	Al	Be	Xi	^X2	Oxidations- festigkeit mg/cm	Zug- festigk. kg/mm^ *	Aus- · läng. %
	Xi	—	Ni	15. 5>	6.2	—	—	0. 15	16.6	27
na3	—	Cr	78.3	15.0	5.8	1.0	1.0	0.21	22.9	0
19	Mo	Co	77.2	15.1	5.8	1.0	1.0	.0.21	23.7	9
20	Mo	.Co	77.1	15.0	5.6	1.0	1.0	0.18	20.2	38
21	Cr	Nb	77. 4	15.5	6.0	1.0	1.0'	' 0.30	17.8	0
22	Cr	Cu .	76^5	15,1	5.8	1.0	ι·, ο	0. 17	23.4	0
23	Cr	Nb	'77,1	12. "4	6.5	1.0	1.0	0.28	25.8	• 1 '
24 ·	Mo	79.1

cn cn in oo

Wie die Tabelle 4- zeigt, weisen Legierungen, denen zwei zusätzliche Elemente zugefügt worden sind, ausgezeichnete Oxidationsfestigkexten wie Legierungen mit nur einem Zusatzelement auf. Außerdem führt ein weiteres Zusatzelement zu einer wirksamen Verbesserung der Zugfestigkeit. Insbesondere führt ein Zusatz der Elemente Mo und Nb zu einer 50$igen Steigerung der Zugfestigkeit.

4-, Legierungen, die aus Λ% Nb, Λ% Mo und dem Rest Basiskomponenten wie in dem Ausführungsbeispiel 1 zusammengesetzt waren, und Legierungen aus Λ% Cu und dem Rest aus denselben Basiskomponenten wurden Zugfestigkeitsprüfungen bei Prüftemperaturen von 1000, 1100 und 1200⁰C ausgesetzte Die Prozentsätze der Bestandteile und die Prüfergebnisse sind für diese Legierungen in Tabelle 5 angegebene

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Tabelle 5

• Muster Nr.	Bestandteile @ew.#)	Ni	Al	Be	Zusatz- elemen^e	Prüf- temper*	Zug- festigk, kg/mm	Aus
m₄	78.3	S, 15.5	6.2	—	1000	37	läng. %
	79. 1 '	■ 12.4.·	6.5	Mo 1% + Nb 1%	1100	16.6	0
'^m6	78.1	14.5	6.4	Cu 1% I	1200	5.7	27
25	1000	38	138
26	1100	25.8	0
27	1200	13.5	1
28	1100	25.0	20
29	1200	11.7	0
40.5

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Vergleichsweise wurden Bernäre Ni-Al-Be-Legierungen, die ausschließlich aus den Basiskoraponenten bestanden, jeweils bei der gleichen Prüftemperatur untersucht und die Ergebnisse und Prozentsätze der Bestandteile ebenfalls in Tabelle 5 angegebene

Wie Tabelle 5 zeigt, weisen die Legierungen, denen ein odaa? mehrere der zusätzlichen Elemente zugefügt worden sind, eine merkliche Erhöhung in der Zugfestigkeit bei jeder Prüftemperatur im Vergleich zu den entsprechenden Zugfestigkeiten der Legierungen auf, die ausschließlich aus den Basiskomponenten bestehen. Besonders bei der hohen Prüftemperatur von 1200°G zeigt die nur aus den Grundkomponenten bestehende Legierung eine Zugfestigkeit von 5>,7 kg/mm . Bei Zusatz von Nb und Mo zur Legierung ergibt sich eine Steigerung um 130$, und bei Zusatz von Cu zur Legierung eine Steigerung um 100$. Der Einfluß dieser Zusatzelemente ist besonders bei hohen Temperaturen erheblich ο

5ο Legierungen, die zu 99$ aus den Basiskomponenten in verschiedenen Anteilmengen der Bestandteile und zu Λ% aus Gu oder Mo bestanden, wurden bei 1100°C auf Zug- und Oxidationsfestigkeit geprüft. Die Prozentsätze der Bestandteile und die Prüfergebnisse sind für diese Legierungen in Tabelle 6 angegeben. Jedes Muster aus den Grundkomponenten ist mit derselben Musternummer wie der entsprechende Punkt in den Fig. 1 und 2 bezeichnet. Die Muster m^ bis m^ sind

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ausschließlich aus den Grundkomponenten zusammengesetzte Das Muäber 7 enthält angenähert dieselben Raumteile an beta und delta-Phase_o Die Muster m _Q und m^ enthalten als Hauptphase die beta-ghase bzw. die gamma-Phase, Die Muster ^m1O H^nd· ^m11 ^{hat)en eine} Struktur mit der delta-Phase als Hauptphase« Die beta-Phase bedeutet eine Phase, die aus einer int ermetallis(4hen Verbindung NiAl zusammengesetzt ist, in der in fester Lösung Be, Be und Al oder Be und Wi enthalten ist. Die beta-Phase hat eine solche Legierungsstruktur, daß sie dem Punkt G in S¹Xg₀ 1 und/dessen unmittelbarer Nachbarschaft entspricht. Die gamma-Phase ist eine Phase, die aus einer intermetallischen Verbindung Ni^Al mit Be, Be und Al oder Be und Ni in fester Lösung besteht» Die gamma-Phase hat eine solche Struktur, wie Legierungen entsprechend dem Punkt B in Fig„ 1 oder seiner näheren Umgebungο Die delta-Phase ist eine Phase, die aus einer intermetallischen Verbindung NiBe besteht, die in fester Lösung Al, Al und Be oder Al und Ni enthält. Die delta-Phase hat eine Legierungsstruktur, die den Punkten A und D in Fig. 1 oder ihrer engeren Umgebung entspricht_o

Wie Tabelle 6 zeigt, führt bei einer aus den Grundkomponenten zusammengesetzten Legierung der Zusatz an Mo oder Cu zu einer merklichen Vergrößerung der Zugfestigkeit, ohne daß die Oxidationsfestigkeit verringert wird» Daraus ist ersichtlich, daß hochwärmefeste Legierungen mit hoher Oxidations— und Zugfestigkeit durch Zusatz von Mo oder Gu zur beta-, gamma- oder delta-Phase erzeugt werden können.

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2.5 -

Tabelle 6

Muster Nr.	Zusatz- elernend fc» X	Bestandteile	Al	i (Gew	X	Oxidations festigk. rag/cm	Zug- festigte kg/mm	Aus läng
m.7	—	Ni	15.5	Be	—	0.15	16.6	27
30	Cu	78.3	14.5	6.2	1.0	0.13	25.0	0
3113	—	' 78. 1	22.5	6.4	—	0.20	11.3	0
31	Cu	74.3	22..9	3.2	1.0	0.26	14.1	ο
mg	—	73.1	11.7	3.0	—	0.89	4. 2	ι.10
32	Cu	85.2.	10.6	3.1	1.0	0.9.6	10.5	H
^m10	—	85.4	7.2	. 3.0	—	0.39	11.7	O
33	Cu	85.3	7.1	7.5	1.0	♦ 0.42	15.3	3
*Zn₁₁*	—	84.5	12.7	7.4	—	0. 11	22.9	5
. 34	Mo	79.7	9.4	7.6	1.0	* 0.23	24.7	O
81.2	8.4

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Bei weiteren Versuchen ist festgestellt worden, daß jede Legierung mit 99$ der Grundkomponenten in denselben relativen Mengen der Bestandteile wie beim Muster m_Q und mit

1$ eines der Elemente Mo, Ti und Ta eine Zugfestigkeit

im Bereich von etwa 12 - 15 kg/mm und angenähert dieselbe Oxidationsfestigkeit wie das Muster mg aufwies, das ausschließlich aus den Grundkomponenten bestand» In ähnlicher Weise zeigte jede der Legierungen, die aus 99$ der Grundbestandteile in denselben relativen Mengen wie beim Muster m_q und aus 1$ eines der Elemente Cr, Nb und W be-

stand, eine Zugfestigkeit zwischen etwa 5 und 11 kg/mm _o Jede der Legierungen aus 99$ der Grundkomponenten im selben relativen Mengenverhältnis wie beim Muster m^_Q und aus einem % eines der Elemente Co, V und Mn wies eine Zugfestigkeit im Bereich zwischen etwa 13 und 16 kg/mm= auf. Jede der Legierungen, die aus 99# der Grundkomponenten in denselben relativen Mengen wie beim Muster m.. und aus 1$ eines der Elemente Cr, Zr und Cu bestand, wies eine Zugfestigkeit zwischen etwa 22 und 25 kg/mm auf«, Die Oxidationsfestigkeit jeder der Legierungen war angenähert die gleiche wie bei der Legierung aus den entsprechenden Basiskomponenten_e Es wurde gezeigt, daß der Zusatz der Elemente zuj^ irgendeiner der Basiskomponenten zur Erhöhung der Zugfestigkeit beitragen konnte. Weiter wurde die metallurgische Struktur der Legierungen mit dem gleichen Mengenverhältnis der Basiskomponenten wie beim Muster m₇ und einem Rest, der aus einem der Zusatzelemente Co, Ti und Cu bestand, untersucht, wobei Röntgenstrahlen und

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Elektronenstrahlstreuung angewendet wurde. Nach den Versuchsergebnissen ist Co in fester Lösung hauptsächlich in der delta-Phase und Ti und Gu in fester Lösung hauptsächlich in der beta-Phase. Diese Pestlösungen tragen vermutlich zur Verstärkung der Grundkomponenten bei„

Wie oben erwähnt, zeichnen sich die drei erfindungsgemäßen Arten wärmefester Legierungen durch besonders gute Festigkeit und Widerstand gegen Oxidation bei hohen Temperaturen aus. Obwohl mit Bezug auf die Oxidationsfestigkeit die Ni-Al-Be-Legierungen nach dem älteren Vo^scnlag bekannten Legierungen in gleicher oder sogar noch geringfügig besserer Weise überlegen sind, sind die erfindungsgemäßen Legierungen den bekannten oxidationsfesten Legierungen, wie "Nimonic 90" weiter überlegen, und die erfindungsgemäßen Legierungen sind außerdem den Ni-Al-Be-Legierungen in ihrer Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen weit überlegene Daher übertreffen die erfindungsgemäßen Legierungen die Ni-Al-Be-Legierungen und sind den üblichen Legierungen in der gesamten Oxidationsfestigkeit und der Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen weit überlegen.

Mit Bezug auf die Bestandteile der Legierungen brauchen die Grundkomponenten oder Hauptbestandteile, Ni, Al und Be nicht notwendig rein zu sein«, Handelsüblich erhältliches Ni, Al und Be, handelsübliche Ni-Be-, Al-Be-Legierungen und ähnliches können als Material zur Herstellung der er— findungsgemäßen Legierung verwendet werden«. Selbst weniL

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Selbst wenn eine geringe Menge an Verunreinigungen, wie Fe und Si in die Legierungen eingeführt wird, werden durch die se Verunreinigungen nicht die ausgezeichneten Eigenschaften der Legierungen abträglich beeinflußt, solange die Verunreinigungsraenge annehmbar klein bleibt,. Auch wenn die Verunreinigungen mit den elf Zusatzelementen eingeführt werden, wirken sie sich nicht abträglich aus, da die Menge der Zusatzelemente in der Legierung so gering ist, daii die Verunreinigungen dieser Elemente in den Legierungen eine sehr kleine Menge bilden. Falls während der Herstellung und des Schmelzens der Legierungen aus einem Schmelzofen usw. Kohlenstoff in die Legierungen gelangt, hat das solange keine abträglichen Einwirkungen, wie die Menge des Kohlenstoffes klein bleibte

Die erfindungsgemäßen Legierungen weisen eine etwas gelbliche Metallfarbe als geringfügige Abwandlung zur normalen Metallfarbe des frischen. Stahls oder Eisens; auf.

Die Dichte in g/cnr dieser Legierungen wird nachstehend zur Veranschaulichung angegeben:

Muster Dichte

HL, 6,0

12 - 18 5,93 -,6,08

Die Härte H_v wird nachstehend für einige Muster angegeben: Muster Härte H_y

m₂ 517

12 517

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Sf-

Muster Härte

13 520

14 521

15 522

16 520

17 555 ■ 18 5OO

Für den Schmelzpunkt wurden die folgenden Repräsentativwerte gefunden:

Schmelzbereich in G

Muster Beginn der Verfestigung Ende der Verfestigung In₁ 1418 1383

13 1400 1382

Der Wärmeausdehnungskoeffizient in°C χ 10~ als zwischen Raumtemperatur und 900°C gemessenem Mittel hat folgenden Repräsentativwert:

Muster Wärmeausdehnungskoeffizient Hi₁ 15,3

Der Wärmeleitungskoeffizient in kcal/mh C hat folgenden Repräsentativwert:

Muster Wärmeleitungskoeffizient

In₁ 28,9

Herstellungsbeispiel

Für dieses Beispiel wurden 1,55 kg Al, 0,67 kg Be und 7,778 kg Ni verwendet. Ni und Al wurden zuerst in einen Tiegel eingebracht, der aus MgO hergestellt war, und unter

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Verwendung einer üblichen Hochfrequenzinduktionsheizvorridhtung geschmolzen«» Be-Pellets wurden gesondert vorgeheizt und der Schmelze zugefügt, wobei gründlich während des Heizens die Schmelze durchbewegt wurde, bis alle Bestandteile eine einheitliche Phase bildeten_e Sodann wurde das ZusatzeJanent bzwo wurden die Zusatzelemente zugefügte Schließlich wurde die geschmolzene Legierung in die gewünschten Formen gegossen. Alle Bestandteile hatten Industriequalität. Die oben erwähnten Schmelzvorgänge wurden während des ganzen Verfahrens in der offenen Atmosphäre ausgeführte Die Ausbeute an dem Bestandteil Be betrug etwa 9Q&, während die Ausbeute an Ni und Al nahezu jeweils 100$ betrug.

Wie erwähnt, können die erfindungsgemäßen wärmefesten Legierungen in der offenen Atmosphäre hergestellt werden. Hierbei ist zu beachten, daß eine schwimmende Schicht aus Berylloxid sich während des Schmelzvorganges auf der Schmelze bildet, so daß ein Eindringen von N₂ und O₂ in die Schmelze im wesentlichen verhindert wird» Die Legierungen adsorbieren oder okkludieren auf diese Weise die geringst möglichen Mengen von diesen sich nachteilig auswirkenden Gasen·

Die vorstehenden Erläuterungen zeigen ferner, daß die erfindungsgemäßen Legierungen eine allgemein geringere Dichte haben und daher vorteilhaft für die Herstellung von Läuferschaufeln für Gasturbinen verwendet werden können.

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Aufgrund der höheren spezifischen Festigkeit können Schaufeln, die von erfindungsgeraäßen Legierungen hergestellt worden sind, höhere Zentrifugalkräfte während des Betriebes ertragene

- PATENTANSPRÜCHE ~

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Wärmefeste Legierung, die als Hauptbestandteile Ni, Al und Be enthält, deren Mengen durch die Fläche eines Polygons in einem Ni-Al-Be-Dreieckkoordinatensystems definiert sind, wobei in dem mit Gewichtsprozenten als Einheit aufgestellt en Dreieckkoordinatensystem das Polygon die folgenden vier Eckpunkte hat:

Ni Al Be 86,7 0,1 13,2 86,7 12,9 0,4 67,3 32,3 0,4 85,7 0,1 14,2

und die ferner von 0,01 - 4 Gew.% eines oder mehrerer Elemente aus einer aus Mo, Cr und Co bestehenden Gruppe enthält.
2. Wärmefeste Legierung, die als Hauptbestandteile Ni, Al und Be enthält, deren Mengen durch die Fläche eines Polygons in einem Ni-Al-Be-Dreieckkoordinabensystems definiert sind, wobei in dem mit Gewichtsprozenten als Einheit aufgestellten Dreieckkoordinatensystem das Polygon die folgenden vier Eckpunkte hat:

Ni 7 Al Be ,2 86, 7 0,1 13 86, 3 12,9 0 7 32,3 0 ,2 85, 0,1 14

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und die ferner 0,01 - 1 Gewichtsprozente eines oder mehrerer Elemente aus einer aus Ti, Cr, V, Nb, Ta, W, Mn und Cu bestehenden Gruppe enthält,

Wärmefeste Legierung, die als Hauptbestandteile Ni, Al und Be enthält, deren Mengen durch die Fläche eines Polygons in einem Ni-Al-Be-Dreieckkoordinatensystem definiert sind, wobei in dem mit Gew_e# als Einheit aufgestellten Dreieckkoordinatensystem das Polygon die folgenden vier Eckpunkte hat: Ni Al Be

86,7 0,1 13,2 86,7 12,9 0,4 67,3 32,3 0,4 85,7 0,1 14,2

und die ferner 0,01 — 4 Gew_o# eines oder mehrerer Elemente aus einer aus Mo, Cr und Co bestehenden Gruppe und von 0,01 - 1 Gew.# eines oder mehrerer Elemente aus einer aus Ti, Zr, V, Nb, Ta, W, Mn und Cu bestehenden Gruppe enthält.

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