DE3248134C2

DE3248134C2 -

Info

Publication number: DE3248134C2
Application number: DE3248134A
Authority: DE
Inventors: David Noel Duhl; Maurice Louis Newington Conn. Us Gell
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1981-12-30
Filing date: 1982-12-27
Publication date: 1989-06-08
Also published as: GB2112812A; IL67502A0; CA1339811C; DE3248134A1; IT8225044A1; IT8225044A0; FR2519033A1; IL67502A; GB2112812B; JPS58120758A; IT1155093B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen Gegenstands aus einer Superlegierung auf Nickelbasis.

Die steigenden Ansprüche hinsichtlich des Leistungsfaktors bei Gasturbinen machen die Verwendung von Materialien erforderlich, die ständig zunehmenden Anforderungen hinsicht lich der vorgesehenen Betriebsbedingungen gewachsen sind. Insbesondere wird bei gewissen Anwendungen eine gesteigerte Temperaturbeständigkeit in Verbindung mit einer Korrosions beständigkeit gefordert.

In der DE-AS 12 32 756 wird als Stand der Technik eine Nickel legierung genannt, bestehend aus 10 bis 25% Chrom, 1,8 bis 4% Titan, 0,5 bis 4% Aluminium, 0 bis 25% Cobalt, 0 bis 10% Eisen, bis 10% Molybdän und/oder Wolfram, bis 5% Niob und/oder Tantal, bis 0,05% Bor, bis 0,3% Zirkonium, Rest Nickel, die für Gasturbinenteile verwendet wird. In der genannten Druckschrift werden alle abgehandelten Legierungen nur im Zusammenhang mit der Herstellung von poyl kristallinen Gegenständen diskutiert.

Es ist bekannt, daß sich beim Übergang von polykristallinen Gegenständen zu einkristallinen Gegenständen eine Reihe wichtiger Eigenschaften derartiger Gegenstände erheblich verbessert. In der US-PS 34 94 709 ist die Herstellung von Gasturbinenteilen in Einkristallform beschrieben, welche ein verbessertes Verhalten zeigen. Aus der US-PS 41 16 723 ist es ferner bekannt, Einkristallgegenstände aus einer im we sentlichen cobaltfreien Superlegierung, enthaltend 5 bis 18% Chrom, wenigstens 5% Aluminium und/oder Titan, wobei der Aluminiumgehalt im Bereich von 2 bis 8% und der Titangehalt im Bereich von 1 bis 5% liegt, sowie bis zu 10% Molybdän, bis zu 15% Wolfram, bis zu 12% Tantal, bis zu 3% Niob, bis zu 3,5% Hafnium, bis zu 7% Rhenium und deren Mischungen, wobei der Mindestgehalt der Legierung an einem der zuletzt genannten Elemente mindestens 5% beträgt, Rest Nickel, einer Wärmebehandlung zu unterwerfen, um deren Eigenschaften zu verbessern. Die Wärmebehandlung besteht in einem Lösungs glühen und einer anschließenden Temperaturbehandlung zur Ausscheidungshärtung.

Schließlich beschreibt die US-PS 36 19 182 eine Superlegierung mittlerer Festigkeit, die eine überlegene Korrosionsbeständig keit besitzt. Beim Übergang von polykristallinen zu ein kristallinen Gegenständen verbessern sich dabei die Kriech/ Bruch-Eigenschaften der bisher eingesetzten Superlegierungen um einen Faktor in der Größenordnung von maximal 6,5.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen Gegenstandes aus einer Superlegierung auf Nickelbasis anzugeben, das zu hochkorro sionsbeständigen und hinsichtlich ihrer mechanischen Eigen schaften erheblich verbesserten Einkristallgegenständen aus einer bisher für diesen Zweck noch nicht eingesetzten Legierungszusammensetzung führt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Eine bevorzugte Ausführungsform für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Anspruch 2 wiedergegeben.

Überraschenderweise zeigte sich, daß bei Einsatz einer Legierung mit der im Patentanspruch angegebenen Zusammensetzung die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften beim Über gang von der polykristallinen Form in die Einkristallform weitaus stärker zunimmt, als das bei bisher für diesen Zweck eingesetzten Legierungen der Fall war. Das ermöglicht es, die im Patentanspruch 1 angegebene Legierung für Anwendungen zu verwenden, für die sie aufgrund der Kenntnisse des Standes der Technik nicht als geeignet erscheinen mußte. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Einkristallgegenstände zeigen eine wenigstens 10fache Verbesserung der Bruchlebens dauer im Vergleich zu Legierungen ähnlicher Zusammensetzung, die in üblicher Weise so verfestigt wurden, daß sie eine äquiaxiale polykristalline Struktur aufweisen.

Die vorliegende Erfindung hat ihren Ursprung in einer über raschenden und unerwarteten Beobachtung. Eine Reihe von handelsüblichen Superlegierungen wurde in drei verschiedenen Formen untersucht. Proben wurden in polykristalliner (in üblicher Weise gegossener) Form, in säulenartiger (in richtungsverfestigter) Form und in einkristalliner (in richtungsverfestigter) Form hergestellt. Die getesteten Legierungen waren MAR-M200, MAR-M247, IN 939 und IN 792. Die ersten beiden Legierungen sind der Martin Metals Corporation und die letzteren beiden Legierungen der Inter national Nickel Corporation geschützt. Die Zusammensetzung dieser getesteten Legierungen ist in der folgenden Tabelle 1 angegeben. Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die in üblicher Weise gegossenen Materialien die Korngrenzenverfestiger Kohlenstoff, Bor und Zirconium enthielten, und zwar wie alle Materialien mit säulenartigem Korn. Die meisten Proben mit säulenartigem Korn enthielten auch Zugaben von Hafnium zur Verbesserung der Querduktilität. Die meisten dieser einkristallinen Proben enthielten keines der Elemente Kohlenstoff, Bor, Zirconium oder Hafnium.

Die gegossenen Legierungsproben wurden wie in Tabelle 2 beschrieben wärmebehandelt. Die dort beschriebenen Wärme behandlungen sind herkömmlicher Art, die typisch für solche sind, die von Fachleuten auf diesem Gebiet ausgewählt werden.

Diese Legierungsproben wurden unter verschiedenen Bedingungen auf ihre Kriechfestigkeit unter Belastung und Temperatur getestet, wobei die in Tabelle 3 angegebenen Resultate er halten wurden. Tabelle 3 zeigt die überraschenden und unerwarteten Vorteile, die sich durch Verarbeitung der modifizierten IN 792-Legierung in einkristalliner Form ergeben. Bei den Legierungen MAR-M200, MAR-M247 und IN 939 war das Verhältnis der Bruchlebensdauer der einkristallinen Proben zu den in herkömmlicher Weise gegossenen Proben im Mittel 4,1. Jedoch war im Falle der Legierung IN 792 das Verhält nis der Bruchlebensdauer der einkristallinen Proben zu den in herkömmlicher Weise gegossenen Proben mehr als 17 (Durchschnitt von Versuchen bei 870°C/344,75 MPa und 980°C/186,16 MPa). Dieser Grad von Verbesserung ist über raschend und unerwartet. Es scheint also, daß die Ver besserung (hinsichtlich der Kriech/Bruch-Lebensdauer) die durch Verarbeitung der (modifizierten) Legierung IN 792 in Einkristallform erhalten wird, ungefähr 370% größer ist als der Nutzen, den man aufgrund des Wissens über andere Superlegierungen vorhersagen würde. Für die Zwecke der Definierung der erfindungsgemäßen Resultate kann gesagt werden, daß eine mindestens 10fache Verbesserung der Kriechlebensdauer erhältlich ist.

Eine ähnliche Schlußfolgerung wird erreicht, wenn man die Zeit bis zu einem Kriechen von 1% betrachtet. Aufgrund der MAR M-Legierungen wäre eine durchschnittliche 5,4fache Verbesserung zu erwarten, wenn man von einer polykristallinen Macrostruktur auf eine einkristalline Struktur (gleich zeitig mit kleineren Änderungen bei der Zusammensetzung und der Wärmebehandlung) übergeht. In der Tat ergibt eine Ände rung bei der modifizierten Legierung IN 792 eine durch schnittliche 12,6fache Verbesserung. Auch hier handelt es sich um eine unproportionale und unerwartete Verbesserung, die aus dem Stand der Technik nicht vorhergesagt werden konnte.

Die wesentliche Verbesserung der Kriecheigenschaften ist um so ausgeprägter, als die in das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzte Zusammensetzung etwas weniger dicht ist als die anderen untersuchten Legierungen. Weiterhin wird die bemerkenswerte Korrosionsbeständigkeit der Legierung IN 792 gemäß der Erfindung voll aufrechterhalten.

Eine Wärmebehandlung, wie sie in der US-PS 41 16 723 be schrieben ist wird bevorzugt, um die maximale Zunahme der Eigenschaften zu erzielen. Eine solche Wärmebehandlung ergibt eine Lösung der γ-Phase und eine Homogenisierung der gegossenen Struktur bei einer Temperatur über der γ-Solvus- Temperatur (1232°C für die erfindungsgemäße Zusammensetzung). Daran schließen sich noch ein oder mehrere Alterungsbehand lungen bei einer niedrigeren Temperatur an. Die Angaben in der US-PS 41 16 723 sollen als in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen gelten.

Tabelle 1

Zusammensetzung der Legierungen (Gew.-%)

Tabelle 2

Wärmebehandlung der Legierungen

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen Gegen standes, dadurch gekennzeichnet, daß ein gegossener ein kristalliner Gegenstand, bestehend aus einer Superlegierung auf Nickelbasis aus 9,5 bis 14% Cr, 7 bis 11% Co, 1 bis 2,5% Mo, 3 bis 6% W, 3 bis 6% Ta, 3 bis 4% Al, 3 bis 5% Ti, 0 bis 1% Nb und im übrigen im wesentlichen aus Nickel, wobei die Summe aus Al+Ti ungefähr 6,5 bis 8% beträgt, bei einer Temperatur zwischen 1246°C und 1370°C 0,5 bis 8 h lang lösungsgeglüht und danach bei einer Temperatur zwischen 870°C und 1095°C ausscheidungsgehärtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierstündiges Lösungsglühen bei 1246°C und anschließend die Ausscheidungshärtung als vierstündige Wärmebehandlung bei 1080°C und anschließende 32stündige Wärmebehandlung bei 871°C durchgeführt werden.