DE60108037T2

DE60108037T2 - Legierung auf Nickel-Basis und deren Verwendung bei Schmiede- oder Schweissvorgängen

Info

Publication number: DE60108037T2
Application number: DE2001608037
Authority: DE
Inventors: Jon Raymond Loveland Groh; Edward Lee Maineville Raymond
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2021-10-03
Also published as: EP1197570A3; DE60108037D1; EP1197570B1; EP1197570A2

Description

Die Erfindung betrifft eine Nickelbasislegierung und deren Verwendung bei der Herstellung von Schmiedestücken und geschweißten Gegenständen.
Je höher die Betriebstemperatur eines Gasturbinentriebwerks ist, desto größer ist dessen Wirkungsgrad. Es besteht deshalb ein stetiges Bestreben, die Betriebstemperatur zu erhöhen, mit der Folge, dass viele Komponenten des Gasturbinentriebwerks, einschließlich geschmiedeter Komponenten auf immer höhere Betriebstemperaturen gebracht werden. Die für jede geschmiedete Komponente gewählte Metalllegierung muss sowohl in wirtschaftlicher, brauchbarer Weise in die jeweils geforderte Gestalt schmiedbar sein, als sie auch bei erhöhten Betriebstemperaturen geeignete mechanische Eigenschaften aufweisen muss.
Die Nickelbasis-Legierung 718 („Alloy 718") wird bei Luft- und Raumfahrt- und anderen Anwendungen zur Herstellung von Schmiedestücken und bei Konstruktionen in weitem Umfang verwendet, die bei erhöhten Betriebstemperaturen von bis zu etwa 621°C (1150°F) und während einer Zeitdauer eingesetzt werden, die eine Funktion der Betriebstemperatur ist. Der hauptsächliche Festigkeitsmechanismus von Alloy 718 beruht auf Delta (δ)-Phase (Ni₃Nb) – und raumzentrierter, tetragonaler Gamma-Doppeltstrich(γ'')-Phase (Ni₃(Nb,Ta,Al,Ti))-Ausscheidung. Alloy 718 hat aber für viele Betriebsanwendungen höherer Temperatur keine ausreichenden mechanischen Eigenschaften und mikrostrukturelle Stabilität.
In der üblichen Praxis werden, wenn der geschmiedete Gegenstand bei höheren Betriebstemperaturen eingesetzt werden soll, Legierungen verwendet, die durch geordnete flächenzentrierte, kubische Gamma-Strich(γ')-Phase (Ni₃(Al,Ti))-Ausscheidungen verfestigt sind. Beispiele sind Waspaloy und Rene'41-Legierungen. Diese Gamma-Strich verfestigten Legierungen haben die für hohe Temperatur erforderliche mechanische Festigkeit, sie sind aber schwer auf wirtschaftlich akzeptable Weise zu schmieden. Die Gamma-Strich verfestigten Legierungen neigen zur Oberflächenrissbildung während des Schmiedevorgangs. Die Oberflächenrisse können durch Abschleifen nach dem Schmiedevorgang entfernt werden. Solche Nacharbeiten sind aber teuer wegen der dazu erforderlichen Arbeitskraft und auch deswegen, weil das Schmiedestück in Übergröße hergestellt und eine beträchtliche Materialmenge in den Abfall geworfen werden muss. Diese Legierungen sind beim Kauf in Gestalt großer Barren (Rohblöcke), wie sie zur Herstellung großer Schmiedstücke verwendet werden, teuer, und das Abfallmaterial kann einen erheblichen Anteil der Kosten des fertigen geschmiedeten Gegenstandes ausmachen. Darüberhinaus ist die Herstellung von Teilen durch Schmelzschweißung bei Gamma-Strich verfestigten Legierungen wegen der Reckalterungsrissbildung schwierig.
Zusammengefasst zeigen Legierungen, wie die Alloy 718, gute Schmiede- und Schweißeigenschaften, sie haben aber bei Betriebstemperaturen oberhalb ca. 621°C (1150°F) nur ungenügende mechanische Eigenschaften und Festigkeit. Legierungen wie Waspaloy und Rene'41 sind schwierig und teuer zu schmieden und zu schweißen, haben aber bei höheren Betriebstemperaturen brauchbare mechanische Eigenschaften. Es besteht ein Bedürfnis nach einer Legierung, die bei einer Produktion im wirtschaftlichen Rahmen sowohl schmiedbar als auch schweiß bar ist und zwar ohne der Notwendigkeit teurer Nacharbeiten beim Schmieden und die außerdem brauchbare mechanische Eigenschaften bei erhöhten Betriebstemperaturen aufweist. Die vorliegende Erfindung stillt dieses Bedürfnis und ergibt noch weitere damit im Zusammenhang stehende Vorteile.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Legierung, die mit wirtschaftlichen Verfahrensweisen einfach schmiedbar ist, ohne der Notwendigkeit ausgedehnter Nacharbeiten von Oberflächenrissen und ohne dass der Barren (Rohblock) mit übermäßiger Übergröße angeliefert werden müsste, um der Nacharbeit von Oberflächenrissen Rechnung zu tragen. Das Ergebnis sind wesentlich niedrigere Produktionskosten für geschmiedete Gegenstände als sie bei Gamma-Strich-Phasen verfestigten, geschmiedeten Gegenständen möglich wären. Das Legierungsmaterial ist auch einfach verschweißbar. Zu einem fertigen Schmiedestück verarbeitet, zeigt das Material eine ausgezeichnete Stabilität und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften bei erhöhten Betriebstemperaturen von bis zu etwa 704°C (1300°F).
Eine Stoffzusammensetzung weist eine Zusammensetzung auf, die, in Gewichtsprozent, besteht aus 16 bis 21 Prozent Chrom, 6 bis 12 Prozent Eisen (bevorzugt 8 bis 9,5 Prozent Eisen und noch weiter bevorzugt 9 Prozent Eisen), 6 bis 12 Prozent Kobalt (und vorzugsweise mit einem konstanten Eisen- und Kobaltgehalt von 18 Prozent), 2,8 bis 3,3 Prozent Molybdän, 5 bis 5,4 Prozent Niobium, 0,2 bis 2 Prozent Tantal (bevorzugt 0,8 bis 1,2 Prozent Tantal und noch weiter bevorzugt 1 Prozent Tantal), 0,65 bis 1,15 Prozent Titan, 0,2 bis 0,8 Prozent Aluminium, 0,01 bis 0,05 Prozent Kohlenstoff, 0,005 bis 0,01 Prozent Bor, weniger als 0,1 Prozent Zirkonium, der Rest Nickel und Verunreinigungen, wobei die Zusam mensetzung Gamma-Doppelstrich (γ'')-Phase (Ni₃(Nb,Ta,Al,Ti))-Ausscheidungen enthält. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, im Wesentlichen aus: 17,84 Prozent Chrom, 9,03 Prozent Kobalt, 8,93 Prozent Eisen, 2,97 Prozent Molybdän, 5,15 Prozent Niobium, 0,99 Prozent Tantal, 0,99 Prozent Titan, 0,48 Prozent Aluminium, 0,033 Prozent Kohlenstoff, 0,007 Prozent Bor, weniger als 0,1 Prozent Zirkonium, der Rest Nickel und Verunreinigungen.
Ein geschmiedeter Gegenstand wird in der Weise erzeugt, dass zunächst ein Barren (Rohblock) bereit gestellt wird, der Barren auf eine Anfangsschmiedetemperatur von 982°C (1800°F) bis 1149°C (2100°F) erwärmt wird, und der Barren, beginnend mit der Schmiedeanfangstemperatur, geschmiedet wird. Typischerweise wird der geschmiedete Barren nach dem Schmieden wärmebehandelt und zur Formgebung des geschmiedeten Gegenstandes spanabhebend bearbeitet. Der geschmiedete Gegenstand ist über einen weiten Bereich von Betriebstemperaturen einsetzbar; er erzielt aber seine größten Vorzüge vor anderen Legierungen, wenn er bei einer Betriebstemperatur von 593°C (1100°F) bis 704°C (1300°F) eingesetzt wird.
Während des Schmiedens der vorliegenden Legierung tritt nur eine geringe Oberflächenrissbildung auf. Es geben sich ein verbessertes Schmieden und eine höhere Effizienz bei der Materialausnutzung. Das Schmiedestück kann im Vergleich mit dem fertigen Gegenstand mit lediglich geringer Übergröße hergestellt werden, so dass der Materialabfall im Vergleich zu dem der bei anderen Legierungen auftritt, die für Anwendungen bei den hohen Betriebstemperaturen einsetzbar wären, verringert ist. Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, mehr ins Detail gehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung veranschaulicht. Der Schutzbereich der Erfindung ist aber nicht auf diese bevorzugte Ausführungsform beschränkt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine Längsschnittansicht eines Niederdruck-Turbinengehäuses eines Gasturbinentriebwerks,
2 ist ein Flussdiagramm in Blockform einer bevorzugten Vorgangsweise bei der Ausführung der Erfindung durch Schmieden,
3 ist ein Flussdiagramm in Blockform einer bevorzugten Vorgangsweise bei der Ausführung der Erfindung durch Schweißen,
4 ist eine schematische Schnittdarstellung eines geschmiedeten und oberflächengeschweißten Gegenstandes,
5 ist eine schematische Schnittdarstellung von zwei miteinander verschweißten Gegenständen,
6 ist ein Diagramm zu der spezifischen Zugfestigkeit von drei Legierungen bei 535°C (1000°F) und bei 704°C (1300°F),
7 zeigt eine idealisierte Mikrostruktur der Alloy 718 nach dem Festigkeitstest und
8 zeigt eine idealisierte Mikrostruktur der Legierung 991 nach dem Festigkeitstest.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 ist eine perspektivische Darstellung eines fabrikmäßig hergestellten geschmiedeten Gegenstands, der als ein Niederdruckturbinengehäuse 20 eines Gasturbinentriebwerks veranschaulicht ist. Das Niederdruckturbinengehäuse 20 ist ein verhältnismäßig dünnwandiger Hohlkörper, der bezüglich seiner Mittellinie im Wesentlichen zylindersymmetrisch ist. Das Niederdruckturbinengehäuse 20 ist einer maximalen Betriebstemperatur von etwa 704°C (1300°F) ausgesetzt, was eine zu hohe Temperatur für die Verwendung von Alloy 718 als Konstruktionsmaterial ist. Nach gebräuchlicher Praxis würde das Niederdruck-Turbinengehäuse 20 aus einer höhertemperaturfesten Legierung wie Waspaloy oder Rene'41 geschmiedet werden. Diese höhertemperaturfesten Legierungen sind aber schwierig und teuer zu schmieden und zu schweißen, was zu einem übermäßigen Kostenaufwand für das Niederdruckturbinengehäuse 20 führt.
Bei der vorliegenden Lösung weist der Gegenstand eine Zusammensetzung auf, die, in Gewichtsprozent, besteht aus 16 bis 21 Prozent Chrom, 6 bis 12 Prozent Eisen (bevorzugter 8 bis 9,5 Prozent Eisen und am meisten bevorzugt 9 Prozent Eisen), 6 bis 12 Prozent Kobalt (wobei aber vorzugsweise der Gesamtanteil von Eisen und Kobalt 18 Prozent beträgt), 2,8 bis 3,3 Prozent Molybdän, 5 bis 5,4 Prozent Niobium, 0,2 bis 2 Prozent Tantal (vorzugsweise 0,8 bis 1,2 Prozent Tantal und weiter bevorzugt 1 Prozent Tantal), 0,65 bis 1,15 Prozent Titan, 0,2 bis 0,8 Prozent Aluminium, 0,01 bis 0,05 Prozent Kohlenstoff, 0,005 bis 0,01 Prozent Bor, weniger als 0,1 Prozent Zirkonium, der Rest Nickel und Verunreinigungen, wobei die Zusammensetzung Gamma-Doppelstrich(γ'')-Phase (Ni₃(Nb,Ta,Al,Ti))-Ausscheidungen enthält. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, aus 17,84 Prozent Chrom, 9,03 Prozent Kobalt, 8,93 Prozent Eisen, 2,97 Prozent Molybdän, 5,15 Prozent Niobium, 0,99 Prozent Tantal, 0,99 Prozent Titan, 0,48 Prozent Aluminium, 0,033 Prozent Kohlenstoff, 0,007 Prozent Bor, weniger als 0,01 Prozent Zirkonium, der Rest Nickel und Verunreinigungen.
Diese Elemente wirken zur Erzielung des erforderlichen Abgleichs der Eigenschaften zusammen und können nicht individuell verändert werden, ohne die Eigenschaften der Legierung als Ganzes zu beeinflussen.
Die Legierung ist nickelbasiert, weil sie mehr Nickel als irgend ein anderes Element enthält. Nach der Verarbeitung weist die Legierung eine Mikrostruktur auf, die raumzentrierte, tetragonale Gamma-Doppelstrich (Ni₃(Nb,Ta,Al,Ti)) Ausscheidungen aufweist, die die Nickelbasis-Feststofflösungslegierungsmatrix härten.
Das Chrom, Eisen, Kobalt und Molybdän sind vor allem der Nickelbasis-Legierungsmatrix zugeordnet.
Chrom verleiht der Matrix Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit. Wenn der Chromgehalt größer ist als der angegebene Maximalwert, können Alpha-Chrom und Sigma-Phase auftreten, wodurch Sprödigkeit hervorgerufen wird. Wenn der Chromgehalt geringer als das angegebene Minimum ist, ist die Oxidationsbeständigkeit herabgesetzt, bei gleichzeitiger Erhöhung der zeitabhängigen Rissbildungsraten.
Eisen ist in der Matrix als ein Festlösungsverfestigungselement enthalten. Ein hoher Eisengehalt löst aber auch örtliches Schmelzen der Legierung aus und beschleunigt die Ausscheidungskinetik der raumzentrierten, tetragonalen Gamma-Doppelstrich-Phase bei erhöhter Temperatur. Die Verringerung von Eisen im Vergleich zu Alloy 718 erhöht die Solidus-Temperatur, so dass die Legierung bei höherer Betriebstemperatur als die Alloy 718 einsetzbar ist. Das Eisen verringert auch die Oberflächenrissbildung der Legierung, womit es die Schmiedbarkeit verbessert. Wenn der Eisengehalt größer als der angegeben Maximalwert ist, kann örtliches Anschmelzen mit der Ausscheidung von spröden Laves-Phasen auftreten. Wenn der Eisengehalt kleiner als der angegebene Minimalwert ist, leidet darunter die Schmiedbarkeit und die Elementarkosten nehmen zu.
Kobalt tritt an die Stelle von Eisen in der Matrix ohne wesentlich die Morphologie der raumzentrierten, tetragonalen Gamma-Doppelstrich-Ausscheidung zu beeinflussen. Es verringert aber wesentlich die Ausscheidungskinetik, was zu Verbesserungen der Stabilität bei höherer Temperatur im Vergleich zur Alloy 718 führt. Kobalt plus Eisen macht deshalb insgesamt vorzugsweise etwa 17 bis 19, bevorzugt 18 Gewichtsprozent aus.
Molybdän ist ein starkes Festlösungshärtungsmittel in der Matrix. Wenn der Molybdängehalt größer ist als der angegebene Maximalwert, kann eine versprödende Laves-Phase ausgeschieden werden. Wenn der Molybdängehalt kleiner ist als der angegeben Minimalwert, sind die Matrixfestigkeitseigenschaften unzulänglich.
Kohlenstoff trägt dazu bei, Korngrenzen zu verfeinern, um eine übermäßige Vergröberung durch Bildung von Karbiden mit Niobium und Tantal an den Korngrenzen zu verhüten. Wenn der Kohlenstoffgehalt größer ist als der angegebene Maximalwert, leidet darunter die Ermüdungsfestigkeit bei niedriger Lastspielzahl. Wenn der Kohlenstoffgehalt kleiner ist als der angegeben Minimalwert ergibt sich ein schlechtes Kriech(Dauerstandfestigkeits-)verhalten.
Bor erzeugt Boride, die zur Erzielung von Duktilität bei erhöhten Temperaturen beitragen. Wenn der Borgehalt größer als der angegeben Maximalwert ist, kann örtliches Schmelzen der Boride auftreten. Wenn der Borgehalt kleiner als der angegebene Minimalwert ist, ist die Duktilität im heißen Zustand unzureichend.
Unter geeigneten Verarbeitungsbedingungen verbinden sich Titan und Aluminium mit Nickel, um vor allem eine geordnete, flächenzentrierte kubische Gamma-Strich-Ausscheidung zu bilden, die allgemein als Ni₃(Al,Ti) bezeichnet wird. Wenngleich die Verbindung vor allem durch eine grobkörnige, raumzentrierte, tetragonale Gamma-Doppelstrich-Ausscheidung verfestigt wird, scheidet sich auch feines Gamma-Strich in der Matrix aus, um diese zu verfestigen.
Titan gehört vorzugsweise zu der Gamma-Strich- und der Gamma-Doppelstrich-Ausscheidung. Wenn der Titangehalt größer ist als der angegeben Maximalwert, kann sich eine nadelförmige Eta-Phase (Ni₃Ti) ausscheiden, die zur Versprödung führt. Wenn der Titangehalt kleiner ist als der angegebene Minimalwert, können die verfestigenden Gamma-Strich- und Gamma-Doppelstrich-Ausscheidungen weniger wirksam sein, und die Oxidationsbeständigkeit leidet.
Aluminium gehört vor allem zu der Gamma-Strich- und der Gamma-Doppelstrich-Phase. Wenn der Aluminiumgehalt größer ist als der angegebene Maximalwert, kann sich zu viel Gamma-Strich-Phase bilden, was zu einer Reduktion der Schmiedbarkeit und der Duktilität führt. Wenn der Aluminiumgehalt kleiner ist als der angegebene Minimalwert, scheidet sich wenig oder keine Gamma-Strich-Phase aus und die Oxidationsbeständigkeit ist vermindert.
Unter zweckentsprechenden Verarbeitungsbedingungen vereinigen sich Niobium mit Nickel, Tantal, Aluminium und Titan, zur Bildung einer raumzentrierten, tetragonalen Gamma-Doppelstrich-Ausscheidung, die allgemein als Ni₃(Nb,Ta,Al,Ti) bezeichnet wird. Wenn der Niobiumgehalt größer ist als der angegebene Maximalwert, tritt eine unzulässig Makrosegregation auf, die die Schmiedbarkeit und die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt. Wenn der Niobiumgehalt kleiner ist als der angegebene Minimalwert, ergibt sich eine unzulängliche Stabilität bei erhöhter Temperatur, die zu einer verminderten Festigkeit über die Zeit führt.
Es ist unbedingt wesentlich, dass die raumzentrierte, tetragonale Gamma-Doppelstrich-Ausscheidung in der vorliegenden Erfindung bei erhöhten Betriebstemperaturen thermodynamisch stabiler ist als bei der Alloy 718. Tantal ist ein großes Atom, das an der Bildung der raumzentrierten, tetragonalen Gamma-Doppelstrich-Phase teilnimmt. Tantal diffundiert auch langsam, so dass die sich ergebende raumzentrier te, tetragonale Gamma-Doppelstrich-Phase thermodynamisch stabiler ist, wenn Tantal vorliegt als wenn es fehlt. Tantal muss deshalb in einem Anteil von mehr als 0,2 Prozent vorliegen, sonst hat die raumzentrierte, tetragonale Gamma-Doppelstrich-Ausscheidung keine erhöhte Stabilität bei höheren Temperaturen. Wenn aber Tantal in einem Anteil von mehr als etwa 2 Prozent vorhanden ist, tritt eine Makrosegregation auf, ähnlich jener, die bei übermäßigem Niobium festgestellt wird und es ergibt sich eine übermäßige Steigerung der Elementarkosten.
Bei der Beschreibung von nickelbasierten Legierungen wird gelegentlich die Summe von Nb + Ta angegeben. Eine solche Angabe beinhaltet die implizite Vorstellung, dass Niobium und Tantal einander ersetzen können, ohne dass dies einen wesentlichen Einfluss auf die endgültigen Eigenschaften der Legierung hätte. Dies ist bei der vorliegenden Zusammensetzung nicht der Fall. Niobium und Tantal müssen jeweils für sich in den hier angegebenen Grenzen liegen.
2 veranschaulicht eine Möglichkeit zur Herstellung und Verwendung eines Gegenstandes, wie etwa des Niederdruckturbinengehäuses 20. Eine Bramme (Rohblock) der hier erläuterten Legierung wird bei dem Bezugszeichen 30 bereitgestellt. Um die Bramme auf dem üblichen Wege bereitzustellen, wird eine Charge der Legierung geschmolzen und in eine Form gegossen. Der sich ergebende Gussblock wird seiner Größe nach thermomechanisch auf eine Bramme verkleinert, die eine verkleinerte und gleichmäßigere Korngröße als der Gussblock aufweist; ein Verfahren, das „Blockumwandlung" (ingot conversion) genannt wird.
Die Bramme wird bei dem Bezugszeichen 32, üblicherweise in einem Ofen, auf eine Schmiedeanfangstemperatur erwärmt. Die Schmiedeanfangstemperatur von Brammen aus der vorliegenden Erfindung liegt vorzugsweise zwischen 982°C (1800°F) und 1149°C (2100°F). Bei dem Bezugszeichen 34 wird die Bramme dann, beginnend mit der Schmiedeanfangstemperatur, geschmiedet. Beim Schmieden der Bramme kühlt diese zunehmend ab. Wenn das Schmieden so lange andauert, dass die Bramme sich während des Schmiedens unter die angegebene minimale Schmiedetemperatur abkühlt, können die Schritte 32, 34 wiederholt werden, wie dies durch den „Wiedererwärmen"-Pfeil in 2 angedeutet ist.
Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wird die geschmiedete Bramme bei dem Schritt 36 optional wärmebehandelt und bei dem Schritt 38 spanabhebend bearbeitet, um den fertigen, geschmiedeten Gegenstand herzustellen. Eine typische Wärmebehandlung zur Ausscheidung vor allem von Gamma-Doppelstrich-Phase zur Verfestigung des Gegenstandes, wird bei einer Temperatur von 704°C (1300°F) bis 788°C (1450°F) während einer Zeit von 4 Stunden bis 16 Stunden durchgeführt. Die jeweils gewählte Anlasstemperatur wird maßgerecht so gewählt, dass sich der jeweils geforderte Abgleich der Eigenschaften ergibt, wobei die Anlasstemperatur am Ende vorzugsweise nicht geringer als die Anwendungstemperatur von minus 28°C (50°F) ist. Bei diesem Legierungssystem kann auch ein doppelter Anlasszyklus in zwei Schritten verwendet werden.
Bei dem Bezugszeichen 40 wird der Gegenstand in Gebrauch genommen. Der auf dem vorliegenden Weg hergestellte Gegenstand kann bei Raumtemperatur und bei Zwischentemperaturen eingesetzt werden, doch kommen seine Vorzüge am Besten zur Geltung, wenn er für einen längeren Gebrauch bei höheren Temperaturen eingesetzt wird als dies bei der Alloy 718 möglich wäre, etwa bei 621°C (1150°F) bis 704°C (1300°F).
Die vorliegende Legierungszusammensetzung ist auch zusätzlich zu ihrer hervorragenden Schmiedbarkeit leicht verschweißbar. 3 veranschaulicht einen Weg zum Schweißen der Legierung, während die 4 bis 5 geschweißte Gebilde wiedergeben. Bei dem Bezugszeichen 50 wird ein Stück 60 der im Vorstehenden erörterten Legierung bereitgestellt. Das Stück 60 aus der Legierung kann ein Schmiedestück, wie in 4 veranschaulicht, oder sonst ein Gegenstand sein. Das Stück 60 aus der Legierung kann z. B. beim Abschluss einer der Schritte 30, 32, 34, 36, 38 oder selbst 40 des Verfahrens nach 2 hergestellt sein oder er mag auf irgendeinem anderen geeigneten Weg erzeugt worden sein. Das Stück 60 wird bei dem Bezugszeichen 52 verschweißt. Das Schweißen kann bei dem Bezugszeichen 52 auf irgendeinem zweckentsprechenden Weg mit oder ohne Zusatz (Füllmaterial) geschehen. Falls verwendet, ist das Füllmaterial vorzugsweise von der gleichen Zusammensetzung wie das Stück 60. Beispiele für brauchbare Schweißvorgangsweisen sind Plasmaschweißen und TIG-Schweißen. In 4 sind Oberflächenrisse 62 in dem Einzelstück 60 aus der Legierung durch Schweißen mit einem Füllmaterial der gleichen Legierungszusammensetzung wie das Stück 60 geschlossen, so dass ein ausgefüllter Riss 64 hergestellt wird. In 6 ist das Stück 60 an ein zweites Stück 66 an einer Schweißnaht 68 des Füllmaterials angeschweißt. Das zweite Stück 66 kann die gleiche Zusammensetzung wie das Stück 60 oder eine davon verschiedene Zusammensetzung aufweisen.
Die vorliegende Erfindung wurde praktisch erprobt und vergleichweise beurteilt mit der Alloy 718 und mit Waspaloy als den am nächsten kommenden vergleichbaren Legierungen. Wie im Vorstehenden erörtert, weist die Alloy 718 eine ausgezeichnete Schmiedbarkeit und Schweißbarkeit auf, sie hat aber oberhalb von 621°C (1150°F) ungenügende mechanische Eigenschaften. Waspaloy hat gute mechanische Eigenschaften bis zu 704°C (1300°F) ist aber lediglich mit Schwierigkeiten schmiedbar und schweißbar.
Bei der praktischen Ausführung und bei den Vergleichsversuchen hatte die bei den Versuchen als „Alloy 991" bezeichnete vorliegende Legierung eine Nennzusammensetzung von, in Gewichtsprozent, 17,84 Prozent Chrom, 9,03 Prozent Kobalt, 8,93 Prozent Eisen, 2,97 Prozent Molybdän, 5,15 Prozent Niobium, 0,99 Prozent Tantal, 0,99 Prozent Titan, 0,48 Prozent Aluminium, 0,033 Prozent Kohlenstoff, 0,007 Prozent Bor, weniger als 0,01 Prozent Zirkonium, der Rest Nickel und Verunreinigungen. Die Bezeichnung „991" beruht auf einer bevorzugten Zusammensetzung der Legierung von 9 Prozent Kobalt, 9 Prozent Eisen und 1 Prozent Tantal.
Die Alloy 718 hatte eine Nennzusammensetzung, in Gewichtsprozent von 17,86 Prozent Chrom, 0,01 Prozent Kobalt, 18,06 Prozent Eisen, 2,99 Prozent Molybdän, weniger als 0,01 Prozent Wolfram, 0,03 Prozent Kupfer, 5,28 Prozent Niobium, weniger als 0,01 Prozent Mangan, 0,02 Prozent Vanadium, weniger als 0,01 Prozent Tantal, 0,99 Prozent Titan, 0,49 Prozent Aluminium, 0,03 Prozent Kohlenstoff, weniger als 0,1 Prozent Zirkonium, der Rest Nickel und Verunreinigungen.
Das Waspaloy Grundmaterial hatte eine Nennzusammensetzung, in Gewichtsprozent, von 19,02 Prozent Chrom, 13,13 Prozent Kobalt, 0,55 Prozent Eisen, 4,18 Prozent Molybdän, 0,01 Prozent Niobium, 0,02 Prozent Tantal, weniger als 0,01 Prozent Wolfram, weniger als 0,01 Prozent Kupfer, 0,01 Prozent Mangan, 0,01 Prozent Vanadium, weniger als 0,01 Prozent Silizium, 2,98 Prozent Titan, 1,41 Prozent Aluminium, 0,03 Prozent Kohlenstoff, weniger als 0,06 Prozent Zirkonium, der Rest Nickel und Verunreinigung.
Bei Schmiedbarkeits- und Schweißbarkeitsversuchen hatten, qualitativ gesehen, die Alloy 991 und die Alloy 718 eine ausgezeichnete Schmiedbarkeit und Schweißbarkeit. Die Waspaloy Grundlegierung war schwierig zu schmieden und zu schweißen und zeigte während des Schmiedens eine starke Oberflächenrissbildung.
Die Legierungen wurden bei 538°C (1000°F) und 704°C (1300°F) auf Zugfestigkeit geprüft und die Ergebnisse sind in 6 veranschaulicht. Die Alloy 991 zeigte die besten Ergebnisse der drei Legierungen bei 704°C (1300°F).
Die Legierungen wurden hinsichtlich ihres Kriechverhaltens bei 649°C (1200°F) und 9384,5 MPa (98000 Pds/square inch) Belastung geprüft. Die übliche Messung des Verhaltens ist die Zeit für eine Kriechverformung von 0,2 Prozent, wobei längere Zeiten besser sind. Die Alloy 718 hatte Kriechzeiten von 40 bis 105 Stunden. Die Alloy 991 zeigte Kriechzeiten in dem Bereich von 155 bis mehr als 210 Stunden (Versuche wurden bei 210 Stunden abgebrochen). Die Waspaloy hatte Kriechzeiten in dem Bereich von 155 bis mehr als 215 Stunden (die Versuche wurden bei 215 Stunden abgebrochen). Die Alloy 718 ist zum Einsatz bei dieser Temperatur nicht geeignet, während die Alloy 991 Eigenschaften aufwies, die mit jenen der Waspaloy vergleichbar waren.
Die thermodynamische Stabilität der Legierungen bei den jeweils geforderten Einsatztemperaturen ist ein wesentlicher Gesichtspunkt. Um die thermodynamische Stabilität abzuschätzen, wurden Proben einer Kriechbeanspruchung bei 649°C (1200°F) während 212 Stunden, bei einer Belastung von 9384,5 MPa (98.000 Pds/square inch) unterworfen und anschließend während 100 Stunden einer Temperatur von 750°C (1400°F) ausgesetzt. Die Proben wurden daraufhin hinsichtlich ihrer Zugfestigkeit bei 704°C (1300°F) getestet. Vergleichsproben wurden nicht den Kriechtests unterworden und auch nicht 760°C (1400°F) ausgesetzt, sondern sie wurden bei 704°C (1300°F) auf Zugfestigkeit getestet. Im jeden Fall ist das UTS-Verhältnis das Verhältnis der Zerreißfestigkeit der (der Temperatur) ausgesetzten Proben zu der Zerreißfestigkeit der (der Temperatur) nicht ausgesetzten Proben. Das YS-Verhältnis ist das Verhältnis der 0,2 Dauerstandsfestigkeit der (der Temperatur) ausgesetzten Proben zu der 0,2 Prozent Dauerstandsfestigkeit der (der Temperatur) nicht ausgesetzten Proben. In jedem Fall ist ein Verhältnis nahe 1 erwünscht. Bei der Alloy 718 liegt das UTS-Verhältnis bei etwa 0,8 und das YS-Verhältnis beträgt etwa 0,66. Bei der Alloy 991 beträgt das UTS-Verhältnis etwa 0,91 und das YS-Verhältnis liegt bei etwa 0,87. Bei Waspaloy ist das UTS-Verhältnis etwa 1,05 und das YS-Verhältnis liegt bei etwa 1,04. Die Alloy 718 zeigt eine deutliche Verschlechterung der Eigenschaften bei diesen Tests, die Alloy 991 zeigt eine moderate, aber akzeptable Verschlechterung der Eigenschaften und Waspaloy weist tatsächlich eine Verbesserung der Eigenschaften auf.
Die Proben der Stabilitätstests wurden metallographisch untersucht, und die 7, 8 zeigen die Mikrostrukturen von Alloy 718 und der Alloy 991. Die Alloy 718 weist eine wesentliche Verschlechterung der Ausscheidung von Delta- Phasen Blättchen 80 auf, während die Alloy 991 eine sehr geringfügige, aber akzeptable Ausscheidung von Delta-Phasen-Blättchen 80 zeigt. Es wird angenommen, dass die einzigartige Kombination guter Schmiedbarkeit und Schweißbarkeit und außerdem brauchbarer mechanischer Eigenschaften in dem Bereich von 621°C (1150°F) bis 704°C (1300°F) des vorliegenden Materials auf der quaternären Ni-Cr-Fe-Co Legierungschemie und der sich daraus ergebenden Ausscheidungskinetik beruht. Diese quaternäre Legierungschemie basiert ihrerseits auf der gegenseitigen Abstimmung von Kobalt und Eisen und zusätzlich auf dem Vorhandensein eines optimalen Anteils von Tantal. Diese Legierung verwendet die raumzentrierte, tetragonale Gamma-Doppelstrich-Phase der ternären Ni-Fe-Cr-Systems als Basis ihrer quaternären Ni-Cr-Fe-Co-Verfestigungsphase, sie altert aber wesentlich langsamer als eine Ni-Fe-Cr-Legierung, wie die Alloy 718, was teilweise vom Vorhandensein des optimalen Anteils von Tantal herrührt. Die Alloy 718 neigt dazu, rasch zu altern und hat bei höheren Temperaturen eine geringe Dauerstandfestigkeit. Ternäre NI-Cr-Co-Legierungen, wie Waspaloy, sind durch die geordnete flächenzentrierte, kubische Gamma-Strich Ni₃(Al,Ti)-Phase verfestigt. Dieser Verfestigungsmechanismus verleiht ihr bessere Kriecheigenschaften mit geringerem Altern bei erhöhten Temperaturen, dafür haben aber die Legierungen eine beschränkte Schmiedbarkeit und eine beschränkte Schweißbarkeit wegen einer Reckalterungs-Rissbildung, die von einer schnellen Wiederausscheidung von Gamma-Strich während der Verfestigung und der Wärmebehandlung nach dem Schweißen herrührt. Die langsamere Alterungskinetik der vorliegenden NI-Cr-Fe-Co-Legierungen mit einem optimalen Anteil von Tantal ergibt eine geringere Sprödigkeit bei den Schmiede- und Schweißvorgängen als diese bei ternären Ni-Cr-Co-Legierungen angetroffen wird, es wird aber eine ausreichende Festigkeit bei den Betriebstemperaturen erzielt und die Verfestigungsausscheidung ist stabil.

Claims

Nickelbasislegierung mit einer Zusammensetzung bestehend aus, in Gewichtsprozent, von 16 Prozent bis 21 Prozent Chrom, von 6 Prozent bis 12 Prozent Eisen, von 6 Prozent bis 12 Prozent Kobalt, von 2,8 Prozent bis 3.3 Prozent Molybdän, von 5 Prozent bis 5,4 Prozent Niob, von 0,2 Prozent bis 2 Prozent Tantal, von 0,65 Prozent bis 1,15 Prozent Titan, von 0,2 Prozent bis 0,8 Prozent Aluminium, von 0,01 Prozent bis 0,05 Prozent Kohlenstoff, von 0,005 Prozent bis 0,01 Prozent Bor, weniger als 0,1 Prozent Zirkon, Rest Nickel und Verunreinigungen, wobei die Zusammensetzung Gamma-Doppelstrich(γ'')-Phase (Ni₃(Nb,Ta,Al,Ti)) Ausscheidungen enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der Gesamtgehalt von Eisen plus Kobalt 17 bis 19 Prozent beträgt.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der Eisengehalt von 8 Prozent bis 9,5 Prozent beträgt.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der Eisengehalt 9 Prozent beträgt.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der Tantalgehalt von 0,8 bis 1,2 Prozent beträgt.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der Tantalgehalt 1 Prozent beträgt.
Nickelbasislegierung nach Anspruch 1 mit einer Zusammensetzung bestehend aus, in Gewichtsprozent, 17,84 Prozent Chrom, 9,03 Prozent Kobalt, 8,93 Prozent Eisen, 2,97 Prozent Molybdän, 5,15 Prozent Niob, 0,99 Prozent Tantal, 0,99 Prozent Titan, 0,48 Prozent Aluminium, 0,033 Prozent Kohlenstoff, 0,007 Prozent Bor, weniger als 0,01 Prozent Zirkon, Rest Nickel und Verunreinigungen.
Verfahren zum Bereitstellen eines geschmiedeten Gegenstandes (20), enthaltend die Schritte: Bereitstellen eines Barrens mit einer Zusammensetzung bestehend aus, in Gewichtsprozent, von 16 Prozent bis 21 Prozent Chrom, von 6 Prozent bis 12 Prozent Eisen, von 6 Prozent bis 12 Prozent Kobalt, von 2,8 Prozent bis 3.3 Prozent Molybdän, von 5 Prozent bis 5,4 Prozent Niob, von 0,2 Prozent bis 2 Prozent Tantal, von 0,65 Prozent bis 1,15 Prozent Titan, von 0,2 Prozent bis 0,8 Prozent Aluminium, von 0,01 Prozent bis 0,05 Prozent Kohlenstoff, von 0,005 Prozent bis 0,01 Prozent Bor, weniger als 0,1 Prozent Zirkon, Rest Nickel und Verunreinigungen, Erwärmen des Barrens auf eine Anfangsschmiedetemperatur von 982°C (1800°F) bis 1149°C (2100°F). Schmieden des Barrens bei der Anfangsschmiedetemperatur.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Bereitstellens des Barrens den Schritt enthält Bereitstellen des Barrens mit einem Eisengehalt von 8 Prozent bis 9,5 Prozent.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Bereitstellens des Barrens den Schritt enthält Bereitstellen des Barrens mit einem Eisengehalt von 9 Prozent.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Bereitstellens des Barrens den Schritt enthält Bereitstellen des Barrens mit einem Tantalgehalt von 0,8 Prozent bis 1,2 Prozent.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Bereitstellens des Barrens den Schritt enthält Bereitstellen eines Tanatlgehaltes von 1 Prozent.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Bereitstellens des Barrens den Schritt enthält Bereitstellen eines Barrens mit einer Zusammensetzung bestehend aus, in Gewichtsprozent, 17,84 Prozent Chrom, 9,03 Prozent Kobalt, 8,93 Prozent Eisen, 2,97 Prozent Molybdän, 5,15 Prozent Niob, 0,99 Prozent Tantal, 0,99 Prozent Titan, 0,48 Prozent Aluminium, 0,033 Prozent Kohlenstoff, 0,007 Prozent Bor, weniger als 0,01 Prozent Zirkon, Rest Nickel und Verunreinigungen.
Verfahren nach Anspruch 8, enthaltend die zusätzlichen Schritte nach dem Schmiedeschritt Wärmebehandeln des geschmiedeten Barrens und Bearbeiten des geschmiedeten Barrens zum Formen des fertigen Gegenstandes.
Verfahren nach Anspruch 14, enthaltend einen zusätzlichen Schritt nach dem Bearbeitungsschritt Einbringen des geschmiedeten Gegenstandes in Betrieb bei einer Betriebstemperatur von etwa 704°C (1300°F).
Verfahren nach Anspruch 8, enthaltend einen zusätzlichen Schritt nach dem Schmiedeschritt Schweißen des geschmiedeten Gegenstandes.
Verfahren zum Herstellen eines geschmiedeten Gegenstandes, enthaltend die Schritte: Bereitstellen eines Materialstückes (60) mit einer Zusammensetzung bestehend aus, in Gewichtsprozent, von 16 Prozent bis 21 Prozent Chrom, von 6 Prozent bis 12 Prozent Eisen, von 6 Prozent bis 12 Prozent Kobalt, von 2,8 Prozent bis 3.3 Prozent Molybdän, von 5 Prozent bis 5,4 Prozent Niob, von 0,2 Prozent bis 2 Prozent Tantal, von 0,65 Prozent bis 1,15 Prozent Titan, von 0,2 Prozent bis 0,8 Prozent Aluminium, von 0,01 Prozent bis 0,05 Prozent Kohlenstoff, von 0,005 Prozent bis 0,01 Prozent Bor, weniger als 0,1 Prozent Zirkon, Rest Nickel und Verunreinigungen, und Schweissen des Materialstückes (60).
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schweißschritt den Schritt enthält, dass das Materialstück (60) oberflächengeschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schweißschritt den Schritt enthält, dass das Materialstück (60) mit einem zweiten Materialstück (66) verbunden wird.