Hintergrund der Erfindung
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Es ist bekannt, daß Superlegierungen auf
Nickelbasis in Umgebungen hoher Leistungsfähigkeit
vielseitig eingesetzt werden. Solche Legierungen wurden
vielseitig in landgestützten Gasturbinen und anderen
Maschinen eingesetzt, wo sie eine hohe Festigkeit und andere
physikalisch erwünschte Eigenschaften bei erhöhten
Temperaturen von 538ºC (1000ºF) oder mehr beibehalten müssen.
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Viele dieser Legierungen enthalten eine
γ'-Ausscheidung in variierenden Vol.-%. Die γ'-Ausscheidung
trägt zu den Hochleistungs-Eigenschaften solcher
Legierungen bei erhöhten Einsatztemperaturen bei. Rene' 95 ist
eine kommerziell erhältliche Superlegierung, die durch
γ'-Ausscheidung gehärtet ist, und die eine der
widerstandsfähigsten der auf dem Markt erhältlichen derartigen
Superlegierungen ist.
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Eine detailliertere Charakterisierung der
Phasenzusammensetzung von γ' ist in "Phase Chemistries in
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Precipitation-Strengthening Superalloy', von E.L. Hall,
Y.M. Kouh und K.M. Chang [Proceedings of 4lst Annual
Meeting of Electron Microscopy Society of America, August
1983 (Seite 248)] angegeben.
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Die folgenden US-PSn offenbaren verschiedene
Legierungszusammensetzungen auf Nickelbasis: 2,570,193;
2,621,122; 3,046,108; 3,061,426; 3,151,981; 3,166,412;
3,322,534; 3,343,950; 3,575,734; 3,576,681; 4,207,098 und
4,336,312. Die vorgenannten PSn sind repräsentativ für
die vielen Legierungsentwicklungen, über die bisher
berichtet wurde, bei denen viele der gleichen Elemente
kombiniert sind, um deutlich unterschiedliche funktionelle
Beziehungen zwischen den Elementen zu erzielen, wie, daß
Phasen gebildet werden, die das Legierungssystem mit
unterschiedlichen physikalischen und mechanischen
Eigenschaften versehen. Trotz der verfügbaren großen Anzahl
von Daten bezüglich Legierungen auf Nickelbasis ist es
für den Fachmann auf diesem Gebiet noch immer nicht
möglich, mit irgendeinem merklichen Grad von Genauigkeit,
die physikalischen und mechanischen Eigenschaften
vorherzusagen, die durch gewisse Konzentrationen bekannter
Elemente, die zur Bildung solcher Legierungen in Kombination
benutzt werden, hervorgebracht werden, obwohl solche
Kombinationen in weite allgemeine Lehren im Stande der
Technik fallen mögen, insbesondere, wenn die Legierungen
unter Anwendung von Wärmebehandlungen verarbeitet sind, die
sich von früher angewendeten unterscheiden.
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Ein Problem, das bei vielen solcher
Superlegierungen auf Nickelbasis zu einem größeren und größeren
Grade erkannt worden ist, ist, daß sie der Bildung von
Rissen oder beginnender Risse, entweder bei der
Herstellung oder im Gebrauch, unterliegen, und daß die Risse
sich tatsächlich ausbreiten oder wachsen können, wahrend
das Material unter Spannung steht, wie während des
Gebrauches der Legierungen in solchen Strukturen, wie
Gasturbinen und Strahltriebwerken. Die Ausbreitung oder
Vergrößerung von Rissen kann zu einem Bruch des Teiles
oder einem anderen Versagen führen. Die Folge des
Versagens
des sich bewegenden mechanischen Teiles aufgrund von
Rißbildung und Rißausbreitung ist gut verstanden. In
Strahltriebwerken kann sie besonders gefährlich sein.
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Das US Patent 4,685,977 mit dem Titel "Fatique-
Resistant Nickel-Base Superalloy and Method" ist auf die
gleiche Anmelderin übertragen wie die vorliegende
Anmeldung. Die genannte US-PS offenbart eine Legierung mit
einer hervorragenden Beständigkeit gegen Ermüdungsriß-
Ausbreitung auf der Grundlage der
Legierungszusammensetzung, des Gehaltes an γ'-Ausscheidung und der
Kornstruktur. Ein Verfahren zur Legierungsherstellung wird
auch gelehrt.
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Es wurde jedoch bis zu kürzlich ausgeführten
Untersuchungen wenig verstanden, daß die Bildung und die
Ausbreitung von Rissen in Strukturen, die aus
Superlegierungen bestehen, keine monolithische Erscheinung ist, bei
der alle Risse nach dem gleichen Mechanismus und mit der
gleichen Geschwindigkeit und gemäß den gleichen Kriterien
gebildet werden und sich ausbreiten. Im Gegensatz ist die
Komplexizität der Rißerzeugung und Rißausbreitung und der
Rißerscheinung allgemein, und die gegenseitige
Abhängigkeit einer solchen Ausbreitung mit der Art und Weise, in
der Spannung ausgeübt wird, ein Gebiet, auf dem wichtige
neue Informationen in den letzten Jahren gesammelt
wurden. Die Variabilität der Wirkung der Dauer bzw. Periode,
während der Spannung auf ein Teil ausgeübt wird, um einen
Riß zu entwickeln oder auszubreiten, der Intensität der
angelegten Spannung, der Rate der Anlegung und Entfernung
von Spannung an das und von dem Teil und des Zeitplanes
dieses Anlegens von Legierung zu Legierung war in der
Industrie nicht gut verstanden, bis eine Untersuchung unter
einem Vertrag mit der National Aeronautics and Space
Administration ausgeführt wurde. Diese Untersuchung wird in
einem technischen Report mit dem Titel "Evaluation of the
Cyclic Behavior of Aircraft Turbine Disk Alloys", Teil
II, Abschlußbericht von B.A. Cowles, J.R. Warren und F.K.
Hauke, der als NASA CR-165 123 bezeichnet ist und von der
National Aeronautics and Space Administration, NASA Lewis
Research Center, Vertrag NAS3-21379 im August 1980
herausgegeben wurde, berichtet.
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Eine Hauptfeststellung der von der NASA
geförderten Untersuchung war, daß die Ausbreitungsrate, die
auf Ermüdungserscheinungen beruht, oder in anderen
Worten, die Rate der Ermüdungsriß-Ausbreitung (FCP) weder
für alle angewendeten Spannungen noch für alle Arten der
Anwendung von Spannung gleichmäßig war. Noch wichtiger
wurde festgestellt, daß die Ermüdungsriß-Ausbreitung
tatsächlich mit der Frequenz der Spannungsanwendung an das
Teil variierte, wo die Spannung in einer Weise angelegt
wurde, um den Riß zu vergrößern. Noch überraschender war
die Feststellung der von der NASA geförderten
Untersuchung, daß die Anwendung von Spannung geringerer
Frequenzen, als sie früher in Untersuchungen angewendet worden
waren, die Geschwindigkeit der Rißausbreitung tatsächlich
erhöht. In anderen Worten stellte die NASA-Untersuchung
fest, daß es eine Zeitabhängigkeit bei der Ermüdungsriß-
Ausbreitung gibt. Weiter wurde festgestellt, daß die
Zeitabhängigkeit der Ermüdungsriß-Ausbreitung nicht von
der Frequenz allein abhängt, sondern auch von der Zeit,
während der das Teil unter Spannung gehalten wird oder
einer sogenannten Haltezeit.
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Nach der Dokumentation dieses ungewöhnlichen
Grades erhöhter Ermüdungsriß-Ausbreitung bei geringeren
Spannungsfrequenzen gab es eine gewisse Überzeugung in
der Industrie, daß diese neu entdeckte Erscheinung eine
letztendliche Beschränkung der Fähigkeit von
Superlegierungen auf Nickelbasis repräsentieren würde, in
spannungstragenden Teilen der Turbinen und Flugzeugtriebwerke
eingesetzt zu werden, und daß alle Entwürfe dahingehend
auszuführen wären, dieses Problem zu umgehen.
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Es wurde jedoch festgestellt, daß es möglich
ist, Teile aus Superlegierungen auf Nickelbasis zum
Einsatz bei hoher Spannung in Turbinen und Flugzeugturbinen
mit stark verringerten Rißausbreitungsraten und guter
Festigkeit bei hoher Temperatur zu konstruieren.
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Es ist bekannt, daß die beanspruchendsten Sätze
von Eigenschaften für Superlegierungen solche sind, die
im Zusammenhang mit der Konstruktion von
Strahltriebwerken erforderlich sind. Von den Sätzen von Eigenschaften,
die erforderlich sind, sind solche, die für sich
bewegende Teile des Triebwerkes benötigt werden, üblicherweise
höher als sie für statische Teile benötigt werden, obwohl
die Sätze der erforderlichen Eigenschaften für die
verschiedenen Komponenten eines Triebwerkes verschieden
sind.
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Da einige Sätze von Eigenschaften in gegossenen
Legierungsmaterialien nicht erzielbar sind, muß man
manchmal Teile nach Techniken der Pulvermetallurgie
herstellen. Eine der Beschränkungen der Anwendung von
Techniken der Pulvermetallurgie zur Herstellung sich
bewegender Teile für Strahltriebwerke ist jedoch die Reinheit
des Pulvers. Enthält das Pulver Verunreinigungen, wie
einen Fleck aus Keramik oder Oxid, dann wird die Stelle, wo
der Fleck in dem sich bewegenden Teil vorkommt, ein
latenter Schwachpunkt, wo ein Riß beginnen mag. Ein solcher
Schwachpunkt ist im wesentlichen ein latenter Riß. Die
mögliche Anwesenheit solcher latenter Risse macht die
Probleme der Verringerung und Behinderung der
Rißausbreitungsrate um so wichtiger. Es wurde festgestellt, daß es
möglich ist, die Rißausbreitung sowohl durch die
Kontrolle der Zusammensetzung von Legierungen als auch die
Verfahren zur Herstellung solcher Metall-Legierungen zu
behindern.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine
Superlegierung geschaffen, die durch Techniken der
Pulvermetallurgie hergestellt werden kann. Es wird auch ein
Verfahren zum Behandeln dieser Superlegierung geschaffen,
um Materialien mit einem hervorragenden Kombinationssatz
von Eigenschaften zur Verwendung für moderne
Triebwerksscheiben herzustellen. Die Eigenschaften, die
konventionell für Materialien erforderlich sind, die in Scheiben
eingesetzt werden sollen, schließen eine hohe
Zugfestigkeit und eine hohe Spannungsrißfestigkeit ein. Zusätzlich
hat die Legierung der vorliegenden Erfindung eine
erwünschte Eigenschaft, der zeitabhängigen Rißausbreitung
zu widerstehen. Eine solche Fähigkeit, dem Rißwachstum zu
widerstehen, ist wesentlich für die niederzyklische
Ermüdungs (LCF)-Lebensdauer der Komponente.
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Mit der Entwicklung von Legierungsprodukten zum
Einsatz in Turbinen und Strahltriebwerken wurde deutlich,
daß unterschiedliche Sätze von Eignschaften für Teile
erforderlich sind, die in unterschiedlichen Bereichen des
Triebwerkes oder der Turbine eingesetzt werden. Für
Strahltriebwerke werden die Materialanforderungen für die
fortgeschritteneren Flugzeugturbinen strikter, da die
Leistungsanforderugen der Flugzeugturbinen erhöht wurden.
Die unterschiedlichen Anforderungen werden zum Beispiel
durch die Tatsache deutlich, daß viele
Schaufellegierungen sehr gute Eigenschaften bei hoher Temperatur in
gegossener Form haben. Die direkte Umwandlung gegossener
Schaufellegierungen in Scheibenlegierungen ist jedoch
sehr unwahrscheinlich, weil Schaufellegierungen eine
unangemessene Festigkeit bei mittleren Temperaturen haben.
Weiter wurde festgestellt, daß die Schaufellegierungen
sehr schwierig zu schmieden sind, und das Schmieden hat
sich als bei der Herstellung von Scheiben aus
Scheibenlegierungen als erwünscht erwiesen. Außerdem wurde die
Rißwachstum-Beständigkeit von Scheibenlegierungen nicht
untersucht. Um daher eine erhöhte Triebwerkswirksamkeit und
eine größere Leistungsfähigkeit zu erzielen, werden
dauernd Forderungen nach Verbesseungen hinsichtlich der
Festigkeits- und Temperatureigenschaften von
Scheibenlegierungen als einer speziellen Gruppe von Legierungen zur
Verwendung in Flugzeugtriebwerken erhoben.
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Bei den Arbeiten, die zur vorliegenden
Erfindung führten, sollte daher eine Scheibenlegierung mit
geringer oder minimaler Zeitabhängigkeit der Ermüdungsriß-
Ausbreitung und außerdem einer hohen Beständigkeit
gegenüber Ermüdungsrissen entwickelt werden, die trotzdem das
sehr hohe Festigkeitsniveau bei erhöhten Temperaturen
aufwies, das für die Rene'95-Superlegierung
charakteristisch
ist. Weiter wurde ein Ausgleich der Eigenschaften
und insbesondere der Zug-, Kriech- und
Ermüdungseigenschaften angestrebt. Weiter wurde eine Verbesserung
eingeführter Legierungssysteme im Hinblick auf die
Behinderung des Rißwachstums angestrebt.
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Die Entwicklung der Zusammensetzungen von
Superlegierungen und von Verfahren zu ihrer Verarbeitung
gemäß dieser Erfindung ist auf die Ermüdungseigenschaft
konzentriert und richtet sich insbesondere auf die
Zeitabhängigkeit des Rißwachstums.
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Das Rißwachstum, d.h. die Rißausbreitungsrate
bzw. -geschwindigkeit in Legierungskörpern hoher
Festigkeit hängt bekanntermaßen sowohl von der angewendeten
Spannung (α) als auch der Rißlänge (a) ab. Diese beiden
Faktoren werden durch die Bruchmechanik zur Bildung einer
einzigen Triebkraft für das Rißwachstum, nämlich dem
Spannungsintensitätsfaktor K, der proportional α a ist,
kombiniert. Unter Ermüdungsbedingungen kann die
Spannungsintensität in einem Ermüdungszyklus aus zwei
Komponenten bestehen, der zyklischen und der statischen. Die
erstere repräsentiert die maximale Variation der
zyklischen Spannungsintensität (ΔK), d.h. den Unterschied
zwischen Kmax und Kmin. Bei mäßigen Temperaturen ist das
Rißwachstum in erster Linie durch die zyklische
Spannungsintensität (ΔK) bestimmt, bis die statische
Bruchzähigkeit KIC erreicht ist. Die Rißwachstumsrate wird
mathematisch als da/dN=(ΔK)n ausgedrückt. N repräsentiert
die Anzahl der Zyklen und n ist materialabhängig. Die
zyklische Frequenz und die Gestalt der Wellenform sind
die wichtigen Parameter, die die Rißwachstumsrate
bestimmen. Für eine gegebene zyklische Spannungsintensität kann
eine kleinere zyklische Frequenz zu einer größeren
Rißwachstumsrate führen. Dieses unerwünschte zeitabhängige
Verhalten der Ermüdungsriß-Ausbreitung kann in den
meisten existierenden Superlegierungen hoher Festigkeit
auftreten. Um die Komplexizität dieser zeitabhängigen
Erscheinung zu vergrößern, kann der Riß unter einer
statischen Spannung einer gewissen Intensität K, ohne daß
irgendeine zyklische Komponente angelegt wird (d.h. ΔK=0)
wachsen, wenn die Temperatur über einen gewissen Punkt
erhöht wird. Die Aufgabe des Designers ist es, den Wert
von da/dN so gering und so wenig zeitabhängig als möglich
zu machen. Komponenten der Spannungsintensität können in
einem gewissen Temperaturbereich derart miteinander in
Wechselwirkung treten, daß das Rißwachstum eine Funktion
sowohl der zyklischen als auch statischen
Spannungsintensitäten, d.h. sowohl ΔK als auch K, wird.
Kurze Beschreibung der Erfindung
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Es ist demgemäß eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, Produkte aus Superlegierung auf Nickelbasis zu
schaffen, die rißbeständiger sind.
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Eine andere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur
Verringerung der Neigung bekannter und eingeführter
Superlegierungen auf Nickelbasis zu reißen, zu schaffen.
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Eine andere Aufgabe ist die Schaffung von
Gegenständen zum Einsatz unter hoher zyklischer Spannung,
die beständiger gegen Ermüdungsriß-Ausbreitung sind.
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Eine andere Aufgabe ist die Schaffung einer
Zusammensetzung und eines Verfahrens, die es
Superlegierungen auf Nickelbasis gestatten, eine Beständigkeit
gegen Reißen unter Spannung zu haben, die zyklisch über
einen Bereich von Frequenzen angewendet wird.
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Andere Aufgaben werden teilweise deutlich und
sind teilweise in der folgenden Beschreibung angegeben.
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In ihren breitesten Aspekten können die
Aufgaben der Erfindung durch Schaffung einer Legierung
gelöst werden, die die folgenden Bestandteile in den
folgenden Anteilen enthält:
Konzentration in Gew. -%
Bestandteil
Rest
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In der folgenden Beschreibung wird zum klaren
Verstehen auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen, in
der zeigen:
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Figur 1 eine graphische Darstellung, in der das
Emüdungsriß-Wachstum in um (Zoll) pro Zyklus in einem
logarithmischen Maßstab gegen die Zugfestigkeit in MPa
(ksi) aufgetragen ist,
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Figur 2 eine graphische Darstellung ähnlich der
von Figur 1, bei der auf der Abszisse jedoch der
Chromgehalt in Gew.-% aufgetragen ist,
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Figur 3 ist eine graphische Darstellung des
Logarithmus der Rißwachstumsrate gegenüber der Haltezeit in
Sekunden für eine zyklische Anwendung von Spannung auf
eine Testprobe,
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Figur 4 eine graphische Darstellung, bei der
die Ausbreitungsrate von Ermüdungsrissen, da/dN, in um
(Zoll) pro Zyklus gegen die Kühlrate in ºC (ºF) pro
Minute aufgetragen ist,
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Figur 5 eine graphische Darstellung, bei der
die Streckgrenze in MPa (ksi) bei 399ºC (750ºF) gegen die
Abkühlrate in ºC(ºF)/min in einem logarithmischen Maßstab
aufgetragen ist,
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Figur 6 eine graphische Darstellung, bei der
die Zugfestigkeit in MPa (ksi) bei 399ºC (750ºF) gegen
die Abkühlrate in ºC(ºF)/min in einem logarithmischen
Maßstab aufgetragen ist,
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Figur 7 eine graphische Darstellung, bei der
die Streckgrenze in MPa (ksi) bei 760ºC (1400ºF) gegen
die Abkühlrate in ºC (ºF) in einem logarithmischen
Maßstab aufgetragen ist,
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Figur 8 eine graphische Darstellung, bei der
die Zugfestigkeit in MPa (ksi) bei 760ºC (1400ºF) gegen
die Abkühlrate in ºC (ºF) in einem logarithmischen
Maßstab aufgetragen ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Es wurde durch Untersuchen der derzeitigen
kommerziellen Legierungen, die in Strukturen eingesetzt
werden, die hohe Festigkeit bei hoher Temperatur erfordern,
festgestellt, daß die konventionellen Superlegierungen in
ein Muster fallen. Dieses Muster beruht auf dem Auftragen
der im Endbericht NASA CR-165 123 veröffentlichten Daten,
auf den oben Bezug genommen wurde, in einer vom
vorliegenden Erfinder entworfenen Weise. Dabei wurden die Daten
des NASA-Berichtes von 1980 mit den Parametern in einer
Anordnung aufgetragen, wie sie in Figur 1 angegeben ist.
Es ergibt sich eine allgemein diagonal ausgerichtete
Reihe von Datenpunkten, wie sich bei einer Untersuchung der
Figur 1 der Zeichnung ergibt.
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In Figur 1 ist die Rißwachstumsrate in um
(Zoll) pro Zyklus gegen die Zugfestigkeit in MPa (ksi)
aufgetragen. Die in der graphischen Darstellung durch
+-Zeichen markierten einzelnen Legierungen, die die
jeweiligen Rißwachstumsraten in um (Zoll) pro Zyklus
identifizieren,
sind charakteristisch für die Legierung bei
einer Zugfestigkeit in MPa (ksi), die entsprechend
ebenfalls charakteristisch für die bezeichnete Legierung ist.
Wie festgestellt werden wird, zeigt eine Linie, die als
"900 Sekunden Aufenthaltszeit"-Linie bezeichnet ist, die
charakteristische Beziehung zwischen der Rißwachstumsrate
und der Zugfestigkeit für diese konventionellen und gut
bekannten Legierungen. Ähnliche Punkte, die solchen der
angegebenen +-Zeichen entsprechen, sind am Boden der
graphischen Darstellung für Tests der Rißausbreitungs-
Geschwindigkeit gezeigt, die bei 0,33 Hz oder, in anderen
Worten, bei einer höheren Frequenz, ausgeführt wurden.
Ein rautenförmiger Datenpukt erscheint in dem Bereich
längs der mit 0,33 Hz bezeichneten Linie für jede
angegebene Legierung, die im oberen Teil der graphischen
Darstellung gezeigt ist.
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Aus Figur 1 wurde deutlich, daß es keine
Legierungszusammensetzung gibt, die Koordinaten hat, die in
die Figur 1 fallen, die bei einer langen Aufenthaltszeit
in die untere rechte Ecke der graphischen Darstellung
fiel. Da alle Datenpunkte für die längere Aufenthaltszeit
beim Testen des Rißwachstums in den Bereich entlang der
diagonalen Linie der graphischen Darstellung fielen,
schien es möglich, daß irgendeine
Legierungszusammensetzung, die gebildet war, irgendwo längs der diagonalen
Linie der graphischen Darstellung liegen würde. In
anderen Worten schien es möglich, daß keine
Legierungszusammensetzung gefunden werden könnte, die bei langen
Aufenthaltszeiten, gemäß den in Figur 1 aufgetragenen
Parametern, sowohl eine hohe Zugfestigkeit als auch eine
geringe Rißwachstumsrate haben würde.
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Es wurde jedoch festgestellt, daß es möglich
ist, eine Legierung herzustellen, deren Zusammensetzung
es erlaubt, die einzigartige Kombination hoher
Zugfestigkeit und geringer Rißwachstumsrate zu erzielen.
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Eine der Schlußfolgerungen, die auf einer
vorläufigen Basis gezogen wurden, war, daß es einen gewissen
Einfluß der Chromkonzentration auf die -Rißwachstumsrate
der verschiedenen Legierungen geben könnte. Aus diesem
Grunde wurde, unter Verwendung der Daten des
NASA-Berichtes von 1980, der Chromgehalt in Gew.-% gegen die
Rißwachstumsrate aufgetragen, und die Ergebnisse dieser
graphischen Darstellung sind in Figur 2 gezeigt. Wie in
dieser Figur ersichtlich, variiert der Chromgehalt zwischen
etwa 9 bis 19%, und die entsprechenden Messungen der
Rißwachstumsrate zeigen an, daß im allgemein mit steigendem
Chromgehalt die Rißwachstumsrate abnimmt. Auf der
Grundlage dieser graphischen Darstellung schien es, daß es
sehr schwierig oder unmöglich sein könnte, eine
Legierungszusammensetzung zu entwerfen, die einen geringen
Chromgehalt aufweist und auch eine geringe
Rißwachstumsrate bei langen Aufenthaltszeiten hat.
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Es wurde jedoch festgetellt, daß es durch
richtiges Legieren der kombinierten Bestandteile einer
Superlegierungszusammensetzung möglich ist, eine
Zusammensetzung zu bilden, die sowohl einen geringen Chromgehalt als
auch eine geringe Rißwachstumsrate bei langen
Aufenthaltszeiten hat.
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Eine Art der Beziehung zwischen der Haltezeit
beim Aussetzen einer Testprobe gegenüber Spannung und der
Rate, mit der das Rißwachstum variiert, ist in Figur 3
gezeigt. In dieser Figur ist der Logarithmus der
Rißwachstumsrate als die Ordinate und die Aufenthaltszeit
oder Haltezeit in Sekunden als die Abszisse aufgetragen.
Eine Rißwachstumsrate von 5 x 10&supmin;&sup5; könnte als eine ideale
Rate für zyklische Spannungsintensitätsfaktoren von
67,86 MPa/cm (25 ksi/Zoll) angesehen werden. Wäre eine
ideale Legierung gebildet worden, dann hätte die
Legierung diese Rate für irgendeine Haltezeit, während der der
Riß oder die Probe Spannung ausgesetzt ist. Eine solche
Erscheinung würde durch die Linie (a) der Figur 3
repräsentiert werden, die anzeigt, daß die Rißwachstumsrate im
wesentlichen unabhängig von der Halte- oder
Aufenthaltszeit ist, während der die Probe Spannung ausgesetzt ist.
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Im Gegensatz dazu ist eine nicht ideale
Rißwachstumsrate, die der tatsächlichen Erscheinung des
Reißens
besser angepaßt ist, in Figur 3 durch die Linie
gezeigt, die als Linie (b) aufgetragen ist. Für sehr kurze
Haltezeiten von einer Sekunde oder wenigen Sekunden ist
ersichtlich, daß die Ideallinie (a) und die praktische
Linie (b) um einen relativ geringen Betrag voneinander
getrennt sind. Bei diesen hohen Frequenzen oder dem
Aussetzen der Probe gegenüber Spannung für eine kurze
Haltezeit ist die Rißwachstumsrate relativ gering.
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Mit steigender Haltezeit, während der Spannung
auf eine Probe ausgeübt wird, folgen die Ergebnisse, die
für konventionelle Legierungen aus Experimenten erhalten
werden, der Linie (b). Es ist daher ersichtlich, daß es
mit abnehmender Frequenz der Spannungsausübung eine
Zunahme mit einer größeren als einer linearen Rate gibt,
und daß die Haltezeit für die Spannungsausübung zunimmt.
Bei einer willkürlich ausgewählten Haltezeit von etwa 500
Sekunden ist aus Figur 3 ersichtlich, daß eine
Rißwachstumsrate um zwei Größenordnungen von 5 x 10&supmin;&sup5; bis auf
5 x 10&supmin;³ ober-halb der Standardrate von 5 x 10&supmin;&sup5; zunehmen
kann.
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Es wäre erwünscht, eine Rißwachstumsrate zu
haben, die unabhängig von der Zeit ist, und dies würde
idealerweise durch den Pfad der Linie (a) repräsentiert
werden, während die Haltezeit zunimmt und die Frequenz der
Spannungsausübung abnimmt.
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Bemerkenswerterweise wurde festgestellt, daß es
durch Ausführung geringer Änderungen in den Bestandteilen
von Superlegierungen möglich ist, die Beständigkeit der
modifizierten Legierung gegenüber einem Rißwachstum bei
langer Aufenthaltszeit stark zu verbessern. In anderen
Worten wurde es als möglich festgestellt, die
Rißwachstumsrate durch Legierungsmodifikation der Legierungen zu
vermindern. Eine Zunahme kann ebenso durch die Behandlung
der Legierung erhalten werden. Eine solche Behandlung ist
prinzipiell eine thermische Behandlung.
Beispiel
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Eine als HK-101 bezeichnete Legierung wurde
hergestellt. Die Zusammenstzung der Legierung war im
wesentlichen folgende:
Bestandteil
Konzentration in Gew.-%
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Die Legierung wurde verschiedenen Tests
unterworfen, und die Ergebnisse dieser Tests sind in den
Figuren 4 bis 8 aufgetragen. Hierin sind Legierungen mit
einem Anhang "-SS" versehen, wenn die Daten der Legieung
von einem Material stammen, das "super-solvus" behandelt
wurde, d.h. das Material wurde bei einer Temperatur im
festen Zustand, bei der sich die härtende γ'-Ausscheidung
auflöst und unterhalb des beginnenden Schmelzpunktes
wärmebehandelt. Dies führt üblicherweise zu einer
Kornvergröberung im Material. Die härtende γ'-Phase fällt bei
nachfolgendem Abkühlen und Altern wieder aus.
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In Figur 4 ist eine graphische Darstellung
gezeigt, bei der die Rate der Rißausbreitung in um (Zoll)
pro Zyklus gegen die Abkühlrate in ºC/min (ºF/min)
aufgetragen ist. Die Proben von Rene'95-SS und HK101-SS
wurden in Luft bei 649ºC (1200ºF) mit einer 1000 Sekunden
dauernden Haltezeit beim maximalen
Spannungsintensitätsfaktor getestet. Wie deutlich wird, hat HK101-SS eine
bemerkenswert geringere Rißwachstumsrate als die Rene'95-
SS über den gesamten getesteten Bereich von
Abkühlgeschwindigkeiten,
und daß die Risse von HK101-SS um das
2- bis 20-fache langsamer wachsen. Es ist zu bemerken,
daß ein Bereich von Abkühlgeschwindigkeiten zur
Herstellung solcher Superlegierungen erwartungsgemäß im Bereich
von 56ºC (100ºF)/min bis 336ºC (600ºF)/min liegt.
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Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß die
Erfindung eine Legierung mit einer einzigartigen
Kombination von Bestandteilen auf der Grundlage sowohl der
Bestandteile als auch deren relativen Konzentrationen
schafft. Es wird auch deutlich, daß die gemäß der
vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Legierungen eine neue
und einzigartige Fähigkeit zum Hemmen der Rißausbreitung
aufweisen. Die geringe Rißausbreitungs-Rate, da/dN, für
die HK101-SS-Legierung, die sich aus Figur 4 ergibt, ist
ein einzigartig neues und bemerkenswertes Ergebnis.
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Dies ist überraschend, da sich die Bestandteile
der vorliegenden Erfindung nur leicht von den in der
Rene'95-Legierung gefundenen Bestandteilen unterscheiden,
obwohl dieser geringe Unterschied in kritischer Weise
wichtig ist, die dramatischen Unterschiede und spezifisch
Verbesserungen hinsichtlich der Festigkeit ohne Zunahme
der Rißausbreitungs-Raten bei langen cyclischen
Ermüdungstests zu ergeben. Es ist dieser geringe Unterschied
in den Bestandteilen und Anteilen, der zu den
überraschend und unerwartet geringen
Ermüdungsriß-Ausbreitungsraten, gekoppelt mit einem hocherwünschten Satz von
Festigkeits und anderen Eigenschaften führt, wie auch die
graphischen Darstellungen der Figuren der vorliegenden
Anmeldung zeigen.
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Die anderen Eigenschaften der vorliegenden
Erfindung werden hier unter Bezugnahme auf die Figuren 5,
6, 7 und 8 beschrieben.
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Die Legierung dieser Erfindung ist in gewissen
Hinsichten der Rene'95 ähnlich. Vergleichendes Testen der
vorliegenden Legierung und von Proben von Rene'95-SS
wurden ausgeführt, um eine Grundlage zum Vergleich der
vorliegenden Legierung mit der Rene'95-Legierung zu
schaffen, der sie sehr ähnelt. Die erhaltenen Testergebnisse
bei 399ºC (750ºF) sind in den Figuren 5 und 6
aufgetragen, und die bei 760ºC (1400ºF) erhaltenen Testergebnisse
sind in den Figuren 7 und 8 aufgetragen.
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Es wird zuerst auf die in Figur 5 aufgetragenen
Testergebnisse Bezug genommen. In Figur 5 ist eine
Beziehung zwischen der Streckgrenze in MPa (ksi) und der
Abkühlrate inºC (ºF) pro Minute für zwei Legierungsproben,
HK101-SS und Rene"-95-SS, aufgetragen, an denen Tests bei
399ºC (750ºF) ausgeführt wurden. In dieser graphischen
Darstellung zeigt sich, daß die HK101-SS-Legierung
hinsichtlich der Streckgrenze bei 399ºC (750ºF) der R'95-SS,
einer für ihre hohe Festigkeit bekannten Legierung, im
wesentlichen äquivalent ist.
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Die Proben aus HK101-SS und Rene"-95-SS wurden
beide durch Techniken der Pulvermetallurgie hergestellt,
und sie sind daher sehr vergleichbar miteinander.
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In Figur 6 findet sich eine graphische
Darstellung der Zugfestigkeit in MPa (ksi) gegenüber der
Abkühlrate in ºC (ºF) pro Minute für eine Probe, die gemäß
dem obigen Beispiel aus HK101-SS hergestellt ist und zu
Vergleichszwecken auch für eine Probe aus Rene'95-SS. Die
Proben wurden bi 399ºC (750ºF) getestet. Es ist bekannt,
daß Rene'95 eine der widerstandsfähigsten bekannten
kommerziell erhältlichen Superlegierungen ist. Aus Figur 6
wird deutlich, daß die Zugfestigkeiten, die an
entsprechenden Proben aus HK101-SS-Legierung und der Rene'95-SS-
Legierung gemessen wurden, zeigen, daß die
HK101-SS-Legierung in der Tat eine Zugfestigkeit hat, die im
wesentlichen äquivalent der des Rene'95-SS-Materials ist.
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In den Figuren 7 und 8 sind die Beziehung der
Streckgrenze und der Zugfestigkeit bei 760ºC (1400ºF)
gegenüber der Abkühlrate in ºC (ºF) pro Minute für zwei
Legierungen aufgetragen, von denen die eine Rene'95-SS
und die andere HK101-SS war, die beide bei 760ºC (1400ºF)
getestet wurden. Die HK101-SS ist im wesentlichen
äquivalent der Rene'95-SS.
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Die in den Figuren 5, 6, 7 und 8 aufgetragenen
Daten zeigen auf einer Vergleichsbasis-zusätzlich,
daß
die Legierung dieser Erfindung einen Satz von
Zugfestigkeitseigenschaften aufweist, die denen von Rene'95 sehr
ähnlich sind.
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Hinsichtlich der Hemmung der Ausbreitung von
Ermüdungsrissen sind die vorliegenden Legierungen sehr
viel besser als andere Legierungen, die bei Abkühlraten
von 56ºC (100ºF)/min bis 336ºC (600ºF)/min hergestellt
wurden, was die Raten sind, die für die industrielle
Herstellung der vorliegenden Legierung zu benutzen sind.
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Bemerkenswert für die vorliegende Erfindung ist
die herausragende Verbesserung, die in der Beständigkeit
gegenüber Ermüdungsrißausbreitung mit einer relativ
geringen Änderung in den Bestandteilen der HK101-Legierung,
verglichen mit solchen der Rene'95-Legierung, erzielt
wurde.
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Um die geringe Änderung in der
Legierungszusammensetzung zu veranschaulichen, sind die Bestandteile
sowohl von Rene'95 als auch HK101 im folgenden aufgeführt.
TABELLE I
Bestandteil
Rene'95
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Aus der obigen Tabelle 1 wird deutlich, daß der
einzige bemerkenswerte Unterschied zwischen der
Zusammensetzung der Legierung Rene'95, verglichen mit der
Legierung HK101 der ist, daß die vorliegende Legierung 3,5
Gew.-% Wolfram und 1,6 Gew.-% Niob wegläßt und 5,6 Gew.-%
Tantal hinzufügt.
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Es wird als ziemlich bemerkenswert angesehen,
betrachtet man die Lehre der Figur 1, daß diese Änderung
der Zusammensetzung zu grundlegenden
Festigkeitseigenschaften der Legierung führen, die im wesentlichen die
gleichen sind wie die von Rene'95, und gleichzeitig die
Ermüdungsrißhemmung der Legierung bei langer
Aufenthaltszeit ergeben kann. Dies ist jedoch genau das Ergebnis der
Änderung der Zusammensetzung, wie sich aus den Daten
ergibt, die in den Figuren angegeben und oben ausführlich
diskutiert worden sind.
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Es können andere Änderungen in den
Bestandteilen vorgenommen werden, die solche bemerkenswerte
Änderung der Eigenschaften nicht verursachen, insbesondere
geringere Änderungen einiger Bestandteile. So können zum
Beispiel geringe Zusätze von Rhenium, wie sie in Anspruch
1 angegeben sind, zu dem Ausmaß vorgenommen werden, daß
es die einzigartig nützliche Kombination von
Eigenschaften, die für die HK101-Legierung gefunden wurden, nicht
ändert und insbesondere nicht beeinträchtigt.
-
Während die Legierung in Bezug auf die
Bestandteile und die Prozentsätze der Bestandteile beschrieben
worden ist, die die einzigartig vorteilhaften Anteile
ergeben, insbesondere hinsichtlich der Hemmung der
Rißausbreitung, wird klar sein, daß Rhenium und Hafnium, zu der
Zusammensetzung in Prozentsätzen gemäß Anspruch 1
hinzugegeben werden können, die die neue Hemmung der
Rißausbreitung nicht beeinträchtigen. Ein geringer Prozentsatz
von Yttrium zwischen 0 und 0,1% kann in die vorliegende
Erfindung eingebracht werden, ohne die einzigartige und
wertvolle Kombination von Eigenschaften der vorliegenden
Legierung zu beeinträchtigen.