DE69711724T2

DE69711724T2 - Superlegierungszusammensetzungen

Info

Publication number: DE69711724T2
Application number: DE69711724T
Authority: DE
Inventors: Alan D. Cetel; David N. Duhl
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1997-12-11
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2017-12-12
Also published as: US6007645A; EP0848071A1; JPH10195565A; KR19980063623A; KR100391736B1; JP3958850B2; EP0848071B1; DE69711724D1

Description

Diese Erfindung betrifft Superlegierungs-Zusammensetzungen auf Nickelbasis, die dazu geeignet sind, in gegossener Einkristallform und als Einkristall-Gegenstände verwendet zu werden.
Superlegierungen auf Nickelbasis werden in breitem Umfang bei Anwendungen verwendet, wo hohe Belastungen bei erhöhten Temperaturen ausgehalten werden müssen. Eine solche Anwendung ist in der Gasturbinenmaschinen-Industrie, insbesondere für Turbinen- Laufschaufeln und -Leitschaufeln. Forderungen nach verbesserter Effizienz und Leistung führten zum Betrieb von Gasturbinenmaschinen bei zunehmend höheren Temperaturen, was an die darin verwendeten Gegenstände aus Superlegierung extreme Anforderungen stellt.
Konventionell hergestellte metallische Materialien sind aus einer Vielzahl von Körnern zusammengesetzt, die durch Korngrenzen getrennt sind. Die Korngrenzen sind bei erhöhten Temperaturen schwach, viel schwächer als das Material innerhalb der Körner. Derartige Korngrenzen sind hervorragende Stellen zur Rißeinleitung bei erhöhten Temperaturen. Dementsprechend verringert die Beseitigung steilwinkliger Korngrenzen die Neigung zur Rißbildung, was wiederum die Bauteil-Lebensdauer bei erhöhten Temperaturen erhöht.
Ein Weg, der erfolgreich verwendet wurde, ist, die metallischen Materialien in der Form von Einkristallen herzustellen. Durch spezielle Gießtechniken können Superlegierungen auf Nickelbasis in Einkristallform hergestellt werden, d. h., in der Form von Gegenständen, die keine inneren Korngrenzen haben. Das US-Patent Nr. 3,260,505 beschreibt Einkristall-Gegenstände aus Superlegierung auf Nickelbasis. Das US-Patent Nr. 4,116,723 beschreibt ein Wärmebehandlungsverfahren, das auf eine Klasse von Einkristall- Gegenständen aus Nickel anwendbar ist. Das US-Patent Nr. 4,209,348 beschreibt eine speziellere Klasse von Einkristall-Gegenständen und ein Verfahren zur Wärmebehandlung derartiger Gegenstände, um ihre mechanischen Eigenschaften bei erhöhter Temperatur zu verbessern. Die in dem Patent Nr. 4,209,348 offenbarte nominelle Zusammensetzung ist, in Gewichtsprozent, 10% Chrom, 5% Aluminium, 1,5% Titan, 4% Wolfram, 12% Tantal, 5% Kobalt, Rest im wesentlichen Nickel. Eine andere Einkristall-Superlegierungs-Zusammensetzung ist jene, die in dem US-Patent Nr. 4,402,772 beschrieben ist, mit einer nominellen Zusammensetzung von, in Gewichtsprozent, 6% Tantal, 9% Chrom, 5% Kobalt, 1% Titan, 1% Molybdän, 7% Wolfram, 5,5% Aluminium, 0,15% Hafnium, Rest im wesentlichen Nickel. Noch eine andere Zusammensetzung ist jene, die in dem US-Patent Nr. 4,222,794 beschrieben ist, mit einer nominellen Zusammensetzung von, in Gewichtsprozent, 5,2% Chrom, 5,4% Aluminium, 1,1% Titan; 2% Molybdän, 4,9% Wolfram, 6,4% Tantal, 3% Rhenium, 0,4% Vanadium, Rest im wesentlichen Nickel. Noch eine weitere Zusammensetzung ist jene, die in dem US-Patent Nr. 4,719,080 und in EP-A-0 208 645 beschrieben ist, mit einer beispielhaften und bevorzugten Zusammensetzung von, in Gewichtsprozent, 5% Chrom, 2% Molybdän, 6% Wolfram, 3% Rhenium, 9% Tantal, 5,6% Aluminium, 10% Kobalt, 0,1% Hafnium, Rest im wesentlichen Nickel. Es ist auch aus EP-A-0 577 316 bekannt, eine Superlegierung auf Nickelbasis bereitzustellen, welche aufweist: 5,0 bis 7,0 Gewichtsprozent Rhenium, 1,8 bis 4,0 Gewichtsprozent Chrom, 1,5 bis 9,0 Gewichtsprozent Kobalt, 7,0 bis 10,0 Gewichtsprozent Tantal, 3,5 bis 7,5 Gewichtsprozent Wolfram, 5,0 bis 7,0 Gewichtsprozent Aluminium, 0,1 bis 1,2 Gewichtsprozent Titan, 0 bis 0,5 Gewichtsprozent Niob, 0,25 bis 2,0 Gewichtsprozent Molybdän, 0 bis 0,15 Gewichtsprozent Hafnium und Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen.
Die Erfindung umfaßt eine Superlegierungs-Zusammensetzung auf Nickelbasis, die zu Einkristall-Gegenständen mit einer außergewöhnlichen Kombination von Eigenschaften gefertigt werden kann. Der breite Zusammensetzungsbereich ist, in Gewichtsprozent, 3,0 bis 20,0% Kobalt, 5,0 bis 10,0% Wolfram, 5,0 bis 7,0% Aluminium, 0,4 bis 1,75% Chrom, 4,0 bis 8,0% Tantal, 0 bis 1,0% Vanadium, 0 bis 8,5% Rhenium, 0 bis 1,5% Titan, 0 bis 3,0% Hafnium, 0 bis 4,0% Molybdän, 0 bis 2,0% Niob, 0 bis 10,0% eines oder mehrerer Elemente, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus Metallen der Gruppe III, Perioden 2 und 3 (Ruthenium, Palladium, Platin, Rhodium, Iridium und Osmium), 0 bis 1% eines oder mehrerer Elemente, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus Yttrium, Lanthan, Scandium, Cer, der Lanthanoiden- oder Actinoiden-Reihe der Elemente, Rest im wesentlichen Nickel. Es wird eine bevorzugte Zusammensetzungs- Beziehung beschrieben, die einen Fachmann zur Auswahl einer optimalen Zusammensetzung innerhalb des breiten Bereichs führen kann.
Eine einzigartige Eigenschaft der hierin beschriebenen Legierung ist die ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und gute Heißkorrosionsbeständigkeit trotz eines niedrigen Chromgehalts. Der niedrige Chromgehalt ermöglicht auch, daß die Legierung eine hohe Zeitstandfestigkeit und eine gute mikrostrukturelle Stabilität hat.
Dementsprechend ist die Erfindung insbesondere geeignet für Gasturbinenmaschinen-Bauteile wie Laufschaufeln und Leitschaufeln.
Einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun, nur beispielhaft, beschrieben werden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 ein Graph ist, der für die erfindungsgemäße Legierung und eine Legierung des Stands der Technik die Spannung, die zur Erzeugung von 1% Kriechen in 300 Stunden erforderlich ist, als eine Funktion der Temperatur veranschaulicht.
Fig. 2 ein Graph ist, der für die erfindungsgemäße Legierung und eine Legierung des Stands der Technik die Spannung, die zur Erzeugung eines Bruchs in 300 Stunden erforderlich ist, als eine Funktion der Temperatur zeigt.
Fig. 3 ein Graph ist, der für die erfindungsgemäße Legierung und eine Legierung des Stands der Technik die Spannung, die zur Erzeugung von 1% Kriechen in 100 Stunden erforderlich ist, als eine Funktion der Temperatur veranschaulicht.
Fig. 4 ein Graph ist, der für die erfindungsgemäße Legierung und eine Legierung des Stands der Technik die Spannung, die zur Erzeugung eines Bruchs in 100 Stunden erforderlich ist, als eine Funktion der Temperatur zeigt.
Fig. 5 ein Larson-Miller-Diagramm der Zeit bis zu 1% Kriechen im Vergleich mit einer Legierung des Stands der Technik ist.
Fig. 6 ein Larson-Miller-Diagramm der Zeit bis zum Bruch im Vergleich mit einer Legierung des Stands der Technik ist.
Fig. 7 eine grafische Darstellung ist, die das Oxidationsverhalten der erfindungsgemäßen Legierung mit demjenigen einer Legierung des Stands der Technik vergleicht.
Fig. 8 ein Diagramm ist, das das thermo-mechanische Ermüdungsverhalten bei 1900ºF (1038ºC) der erfindungsgemäßen Legierung (unbeschichtet) im Gegensatz zu demjenigen der Legierung des Stands der Technik (beschichtet) veranschaulicht.
Fig. 9 ein Diagramm ist, das das thermo-mechanische Ermüdungsverhalten bei 2000ºF (1093ºC) der erfindungsgemäßen Legierung (unbeschichtet) im Gegensatz zu demjenien der Legierung des Stands der Technik (beschichtet) veranschaulicht.
Fig. 10 ein Diagramm ist, das den Metalltemperatur-Vorteil der erfindungsgemäßen Legierung (unbeschichtet) im Gegensatz zu demjenigen der Legierung des Stands der Technik (beschichtet) im thermo-mechanischen Ermüdungsversuch veranschaulicht.
Fig. 11 ein Diagramm ist, das die Auswirkung des Chromgehalts auf die Oxidationsbeständigkeit veranschaulicht.
Tabelle 1 listet mehrere Zusammensetzungsbereiche verschiedenen Umfangs für die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Einkristall- Superlegierungen auf Nickelbasis auf. Die Superlegierungen der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen werden mit bestimmten Erfordernissen im Sinn, wie Oxidationsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften, um die aus ihnen hergestellten Gegenstände zu befähigen, der rauhen Umgebung des Gasturbinenmaschinen-Betriebs standzuhalten, entwickelt.
Die Beständigkeit gegen Oxidation und Korrosion wird weitgehend bestimmt durch die Art der Oxidschicht, die sich an der Oberfläche der Legierung bildet. Die Schicht enthält wesentliche Mengen an Aluminium, das während des Maschinenbetriebs bei erhöhten Temperaturen einen äußeren Aluminiumoxid-Belag bildet. Das Aluminiumoxid kann, abhängig von den Testbedingungen, mit anderen Oxiden gemischt sein. Yttrium oder andere reaktive Elemente können in der erfindungsgemäßen Legierung vorhanden sein, um die Unversehrtheit des Aluminiumoxid- Belags aufrechtzuerhalten, was die Oxidationsbeständigkeit erhöht.
Zusätzlich dazu, daß es für Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit sorgt, dient das Aluminium in der Legierungszusammensetzung als das primäre γ'-bildende Element. Die γ'-Phase, Ni&sub3;Al, ist die Phase, die beträchtlich zur Festigkeit der Superlegierungen auf Nickelbasis beiträgt.
Zusätzlich zu Aluminium als einen γ'-Bildner enthält die Erfindung Tantal, das ein anderer starker γ'-Bildner ist. Diese γ'-Bildner, hauptsächlich Tantal und Aluminium, sind in einer ausreichenden Menge vorhanden, um etwa 60 bis 70 Volumenprozent einer γ'-Festigungsphase zu bilden.
Andere Elemente wie Titan und Vanadium sind γ'-Bildner, aber ihre Menge in der erfindungsgemäßen Legierung ist minimiert. Die Verwendung von Titan oder Vanadium wird die Menge an Aluminium, die als γ'-Bildner verwendet werden kann, begrenzen und dadurch tatsächlich die Oxidationsbeständigkeit des Materials verringern. Die Menge an verwendetem Vanadium und Titan wird ebenfalls bei einem Minimum gehalten, weil Vanadium für die Heißkorrosionsbeständigkeit schädlich sein kann und Titan für die Oxidationsbeständigkeit schädlich sein kann.
Platin, Palladium, Ruthenium und Osmium sind, wenn anwesend, ebenfalls wirksam bei der Erhöhung der Zeitstandfestigkeit und Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit des Materials.
Eine einzigartige Eigenschaft der erfindungsgemäßen Legierung ist die hervorragende Oxidationsbeständigkeit, die diese Legierung zeigt, in Kombination mit guter Heißkorrosionsbeständigkeit, trotz eines niedrigen Chromgehalts. Eine Einkristallegierung mit solchen Eigenschaften bei Chromgehalten von nur 0,4 Gewichtsprozent war nach dem Wissen der Erfinder vorher nicht bekannt. Der Chromgehalt kann, in Gewichtsprozent, zwischen etwa 0,4% bis 1,75%, und besonders bevorzugt zwischen etwa 1,0% bis 1,75%, liegen. Ein beträchtlicher Nutzen eines derartigen niedrigen Chromgehalts ist, daß er den Zusatz von mehr hitzebeständigen Elementen ermöglicht, wie Wolfram, Rhenium und Molybdän, die für Hochtemperatur-Kriechfestigkeit benötigt werden, unter Beibehaltung mikrostruktureller Stabilität. Die hitzebeständigen Elemente, Molybdän, Wolfram und Rhenium, sind anwesend, um als Mischkristallverfestiger in der Gamma-Matrix zu wirken, was die Hochtemperatur-Kriechfestigkeit verbessern hilft.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung wird auf konventionelle Weise gemäß den Lehren verschiedener Patente des Stands der Technik, zu denen die US-Patente Nr. 3,700,023, Nr. 3,763,926 und Nr. 4,190,094 gehören, in Einkristallform gegossen. Den Zusammensetzungen und Einkristall-Gegenständen der vorliegenden Erfindung kann eine Wärmebehandlung gemäß den Lehren des US-Patents Nr. 4,116,723 zuteil werden. Eine bevorzugte Wärmebehandlung ist ein Lösungsglühen zwischen etwa 0,5 Stunden und etwa 4 Stunden bei einer Temperatur zwischen etwa 2375ºF (1302ºC) und etwa 2425 F (1330ºC), gefolgt von schneller Luftkühlung auf Umgebungstemperatur, dann eine 4 Stunden lange Wärmebehandlung bei 1975ºF (1079ºC). Der letzte Schritt ist eine Wärmebehandlung bei etwa 1300ºF (704ºC) für etwa 24 Stunden.
Innerhalb des breiten Bereichs, der in Tabelle I angegeben ist, sollte eine bestimmte Beziehung befolgt werden, um optimale Eigenschaften zu erhalten. Die Beziehung ist:
P = -200Cr + 80Mo - 20Mo² + 200W - 14W² + 30Ta - 1,5Ta² + 2,5Co + 1200Al - 100Al² + 100Re + 1000Hf - 2000Hf² + 700Hf³, wobei P ≥ 4500 ist.
Alle Elementwerte in dieser Gleichung sind Gewichtsprozent-Werte. Der durch die Gleichung gegebene Wert P ist ein Parameter, der den Gesamtvorzug der Zusammensetzung, insbesondere die Hochtemperaturzeitstandfestigkeit, vorhersagt. Zusammensetzungen mit P-Werten größer als oder gleich 4500, und die innerhalb die in Tabelle I angegebenen Bereiche fallen, werden überlegene Eigenschaften hoher Kriechfestigkeit in Kombination mit Stabilität, Aushärtbarkeit und Beständigkeit gegen Oxidation und Korrosion haben.
Legierungen in dem mittleren Bereich A, und die einen P-Wert größer als oder gleich 4700 haben, sind besonders vorteilhaft. In ähnlicher Weise sind Legierungen in dem mittleren Bereich B, und die einen P- Wert größer als oder gleich 4800 haben, besonders vorteilhaft, wie es Legierungen in dem bevorzugten Bereich, und die einen P-Wert größer als oder gleich 4900 haben, sind. TABELLE I (Gewichtsprozent)
Tabelle II gibt eine Reihe beispielhafter Zusammensetzungen innerhalb des breiten Zusammensetzungsbereichs der Erfindung an, die in Einkristallform untersucht wurden. Ebenfalls in Tabelle II gezeigt sind die von der vorher beschriebenen Gleichung abgeleiteten P-Werte für die darin angegebenen beispielhaften Zusammensetzungen. Tabelle II (Gewichtsprozent)
** Legierung des Stands der Technik des US-Patents Nr. 4,719,080
* zum Vergleich
Tabelle III gibt einige der bedeutsameren Eigenschaften einiger der in Tabelle II beschriebenen Einkristall-Zusammensetzungen an. TABELLE III Temperatur-Vorteil gegenü. dem Stand der Technik* (ºF)
* Bezogen auf Legierung des Stands der Technik des US-Patents Nr. 4,719,080
Eine Legierung der Erfindung innerhalb des in Tabelle I offenbarten, am meisten bevorzugten Zusammensetzungsbereichs wird den Eigenschaften einer Legierung des Stands der Technik, beschrieben in dem US-Patent Nr. 4,719,080, gegenübergestellt werden. Diese Legierung des Stands der Technik, in Gewichtsprozent, 5,0 Cr, 10,0 Co, 1,9 Mo, 5,9 W, 3,0 Re, 8,7 Ta, 5,65 Al, 0,10 Hf, Rest Ni, wird hinsichtlich der Gesamteigenschaften als eine unter den besten der Einkristallegierungen (des Stands der Technik) betrachtet.
Die Fig. 1 und 2 zeigen die Spannung, die erforderlich ist, um 1% Kriechen bzw. Bruch in 300 Stunden hervorzurufen, als eine Funktion der Temperatur. In den Fig. 1 und 2 kann man sehen, daß die erfindungsgemäße Legierung gegenüber der Zusammensetzung des Stands der Technik einen Temperatur-Vorteil von etwa 35 bis 40ºF (19- 22ºC) hat. Dies bedeutet, daß bei einer Anwendung, bei der die Lebensdauer bis zum Bruch oder Kriechen der bestimmende Faktor ist, die erfindungsgemäße Legierung bei einer etwa 35-40ºF (19-22ºC) höheren Temperatur als die Legierung des Stands der Technik verwendet werden konnte, während eine entsprechende Lebensdauer erhalten wird. Diese Verbesserung bei der Temperatur-Tauglichkeit kann auf verschiedene Weise ausgenutzt werden. Beispielsweise kann ein Betrieb · bei erhöhter Temperatur erhöhten Schub oder erhöhte Leistung bewirken. Auch kann man bei einer gegebenen Betriebstemperatur eine beträchtliche Verbesserung der Lebensdauer gegenüber der Legierung des Stands der Technik sehen. Beispielsweise hat die Legierung des Stands der Technik unter den Bedingungen, die oben in Tabelle III aufgelistet sind (1900ºF/36 ksi) (1038ºC/248 Pa), eine Lebensdauer bis zum Bruch von näherungsweise 40 Stunden und eine Lebensdauer bis zu 1% Kriechen von näherungsweise 14 Stunden. So haben die in Tabelle III aufgelisteten erfindungsgemäßen Legierungen verglichen mit der Legierung des Stands der Technik näherungsweise eine dreifache Verbesserung bei der Zeit bis zu 1% Kriechen und näherungsweise eine 2,5fache Verbesserung bei der Lebensdauer bis zum Bruch. Diese Ergebnisse sind bedeutsam, insbesondere weil es eine Verbesserung gegenüber einer Legierung des Stands der. Technik ist, die als eine unter den besten hinsichtlich den Gesamteigenschaften betrachtet wird.
Die Fig. 3 und 4 zeigen die Spannung, die erforderlich ist, um in 100 Stunden 1% Kriechen bzw. Bruch hervorzurufen, als eine Funktion der Temperatur. In Fig. 3 kann man sehen, daß die erfindungsgemäße Legierung gegenüber der Legierung des Stands der Technik einen Temperatur-Vorteil von bis zu etwa 45ºF (25ºC) hat, wobei man in Fig. 4 sehen kann, daß die erfindungsgemäße Legierung gegenüber der Legierung des Stands der Technik bei der Lebensdauer bis zum Bruch einen Temperatur-Vorteil von etwa 40ºF (22ºC) hat. Dies bedeutet, daß bei einer Anwendung, bei der die Lebensdauer bis zum Bruch oder Kriechen der bestimmende Faktor ist, die erfindungsgemäße Legierung bei einer etwa 40-45ºF (22-25ºC) höheren Temperatur als die Legierung des Stands der Technik verwendet werden kann, wobei eine entsprechende Lebensdauer erhalten wird. Wie es in den Figuren gezeigt ist, würde ein Fachmann erkennen, daß der Temperatur-Vorteil in Abhängigkeit von Temperatur- und Spannungsbedingungen, bei denen die Vergleiche gemacht werden, variiert.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm der Spannung, die erforderlich ist, um 1% Kriechen hervorzurufen, als eine Funktion des Larson-Miller-Parameters, der Zeit- und Temperatur-Auswirkungen auf die Kriech-Lebensdauer kombiniert. Für einen Fachmann ist ersichtlich, daß die Erfindung in dem Temperaturbereich von 1750-1900ºF (954-1038ºC) den größten Temperatur-Vorteil gegenüber dem Stand der Technik hat. Auch in dem Temperaturbereich von 1650-2000ºF (899-1093ºC) kann man einen Temperatur-Vorteil sehen, obwohl er in dem Bereich von 1750-1900ºF (954-1038ºC) am stärksten ausgeprägt ist. Die Fig. 1-4 zeigen außerdem diesen Temperatur-Vorteil. Die gleichen Anmerkungen können hinsichtlich Fig. 6 gemacht werden, welche die Spannung, die erforderlich ist, um einen Bruch hervorzurufen, als eine Funktion des vorher erwähnten Larson-Miller-Parameters zeigt.
Fig. 7 ist ein Graph, der das Oxidationsverhalten in unbeschichtetem Zustand der Zusammensetzung des Stands der Technik und dasjenige der Erfindung veranschaulicht. Die grafische Darstellung zeigt die Zeit, die erforderlich ist, um an bei 2100ºF (1149ºC) getesteten Proben einen 3 mil tiefen Oxidationsangriff hervorzurufen. Die Daten auf der Darstellung wurden aus zyklischen Brenner-Prüfstandversuchen gewonnen, bei denen Proben einer Hochtemperaturflamme, die durch die Verbrennung von Turbinentreibstoff erzeugt wurde im Wechsel mit einem Kühlzyklus, ausgesetzt wurden. Dies erzeugt eine rauhe Umgebung, die repräsentativ ist für Turbinenschaufeln, die in Gasturbinenmaschinen arbeiten. Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß die Erfindung gegenüber dem Stand der Technik hinsichtlich der Temperatur, bei der ein identischer Metallverlust beobachtet werden würde, einen Vorteil von bis zu etwa 225ºF (125ºC) hat. Andererseits würde die Zusammensetzung des Stands der Technik für eine gegebene Temperatur, d. h. 2100ºF (1149ºC), etwa 3 mil (0,08 mm) Metall in etwa 70-75 Stunden verlieren, während die erfindungsgemäße Zusammensetzung jene Menge an Material in etwa 400 Stunden verlieren würde. Mit anderen Worten, die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Legierung hinsichtlich Oxidationsverhalten würde verglichen mit der Legierung des Stands der Technik um einen Faktor von etwa 5x erhöht werden. Diese hervorragende Oxidationsbeständigkeit bedeutet, daß die Legierung der Erfindung während des Einsatzes bei bestimmten Anwendungen ohne das Erfordernis einer Schutzbeschichtung Gutes leisten kann.
Noch eine weitere Materialeigenschaft ist die Heißkorrosionsbeständigkeit. In dieser Hinsicht hat die Erfindung eine Leistungsfähigkeit, die derjenigen der Zusammensetzung des Stands der Technik vergleichbar ist. Einige relative Daten, die bei Brenner- Prüfstandversuchen bei 1650ºF (899ºC) erhalten wurden, wobei synthetisches Seesalz in die Verbrennungsflamme eingeführt wurde, sind in Tabelle III zu finden.
Um in allen der oben diskutierten Bereiche ein zufriedenstellendes Niveau der Eigenschaften zu erreichen, werden die jetzigen Superlegierungen auf Nickelbasis (Legierungen des Stands der Technik) typischerweise mit einem Material wie einer Aluminid-Beschichtung oder einer MCrAlY-Beschichtung beschichtet, um die Oxidationsbeständigkeit und Heißkorrosionsbeständigkeit der Superlegierung zu verbessern. · Jedoch der zu diesen verbesserten Eigenschaften führende Kompromiß, der gegengerechnet werden muß, ist ein Soll in der Lebensdauer bis zur Ermüdung der Bestandteile, weil die Beschichtungen eine niedrigere Duktilität haben als die Basis-Einkristallegierungen.
Die Fig. 8 und 9 veranschaulichen die Überlegenheit der Erfindung hinsichtlich Lebensdauer bis zum thermischen Ermüden in einem unbeschichteten Zustand gegenüber der Legierung des Stands der Technik, die bei erhöhten Temperaturen zum Schutz gegen Oxidation eine Beschichtung braucht. Die Versuche wurden unter Verwendung eines Zyklus außer Phase durchgeführt, bei dem die Proben bei der maximalen Zyklus-Temperatur unter Druck gesetzt wurden und bei der minimalen Zyklus-Temperatur von 800ºF (427ºC) unter Zug gesetzt wurden. Die Legierung des Stands der Technik wurde an ihrer Außenoberfläche mit einer Schicht von 2,5 mil (0,06 mm) einer Aluminid-Beschichtung (Aluminium-Gehalt, in Gewichtsprozent, näherungsweise 25%), wie in dem US-Patent Nr. 4,132,816 beschrieben, beschichtet. Es sollte beachtet werden, daß Aluminid-Beschichtungen eine inhärent größere Ermüdungs-Beständigkeit haben als die meisten anderen geeigneten metallischen Beschichtungen.
Die Fig. 8 und 9 zeigen den Gesamt-Verformungsbereich, der von der Testprobe in jedem Zyklus durchgemacht wurde, als eine Funktion der Zyklen, die erforderlich waren, um den Bruch hervorzurufen. Aus den Figuren ist ersichtlich, daß die Erfindung beim Durchlaufen von Zyklen zwischen 800ºF (427ºC) und der maximalen Temperatur etwa 40% mehr Zyklen, so wohl bei 1900ºF (1038ºC) als auch bei 2000ºF (1093ºC) erfordert, um ein Versagen hervorzurufen, wenn man sie mit der beschichteten Zusammensetzung des Stands der Technik vergleicht. Dies entspricht beim Auftragen auf der Basis von Zyklen bis zum Versagen gegen die maximale Testtemperatur bei einem konstanten Verformungsbereich von 0,5% einem Temperatur-Vorteil gegenüber der Zusammensetzung des Stands der Technik von etwa 40-45ºF (22-25º C), wie es in Fig. 10 gezeigt ist. So besitzt die erfindungsgemäße Superlegierung eine optimale Kombination von Oxidationsbeständigkeit, Zeitstandfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit in Kombination mit guter Heißkorrosionsbeständigkeit, was daraus hergestellte Bauteile befähigen kann, ohne eine metallische Beschichtung für Oxidationsbeständigkeit darauf verwendet zu werden, beispielsweise bei erhöhten Maschinen- Betriebstemperaturen wie 1800ºF (982ºC) bis etwa 2100ºF (1149ºC).
Ein anderer Vorteil der Erfindung ist die hervorragende Oxidationsbeständigkeit, die dieses Material in unbeschichtetem Zustand zeigt, in Kombination mit guter Heißkorrosionsbeständigkeit trotz eines niedrigen Chromgehalts. Wie in Fig. 11 gezeigt ist, erhöhten Chrom- Zusätze von bis zu 2,8% zu chromfreien Basislegierungen (B94 und B96) beträchtlich die Oxidationsbeständigkeit dieser Legierungen. Was unerwartet war, war, daß ein minimaler Chromgehalt von 0,4% notwendig war, bevor eine bedeutsame Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit erreicht wurde. Einige relative Daten sind in Tabelle IV zu finden, wo die Legierungen auf der Basis der Zeit (Stunden) bis zum Beginn des Oxidationsangriffs bei 2100ºF (1149ºC) verglichen werden (alle Elementwerte sind in Gewichtsprozent ausgedrückt, wenn nichts anderes angegeben ist). TABELLE IV
Noch ein weiterer Vorteil ist, daß Gegenstände aus Superlegierung gemäß der Erfindung selbst nach Langzeit-Exposition bei erhöhten Temperaturen wie etwa 1900ºF (1038ºC) gute mikrostrukturelle Stabilität zeigen.

Claims

1. Superlegierungs-Zusammensetzung auf Nickelbasis aufweisend, in Gewichtsprozent, 3,0-20,0% Kobalt, 5,0-10,0% Wolfram, 5,0-7,0% Aluminium, 0,4-1,75% Chrom, 4,0-8,0% Tantal, 0-1,0% Vanadium, 0-8,5% Rhenium, 0-1,5% Titan, 0-3,0% Hafnium, 0-4,0% Molybdän, 0-2,0% Niob, 0-10,0% eines oder mehrerer Elemente, die ausgewählt sind aus Ruthenium, Palladium, Platin, Rhodium, Iridium und Osmium, 0-1,0% eines oder mehrerer Elemente, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus Yttrium, Lanthan, Scandium, Cer, der Lanthanoiden- oder Actinoiden-Reihe der Elemente, Rest im wesentlichen Nickel.

2. Einkristall-Gegenstand aus Superlegierung auf Nickelbasis aufweisend, in Gewichtsprozent, 3,0-20,0% Kobalt, 5,0-10,0% Wolfram, 5,0-7,0% Aluminium, 0,4-1,75% Chrom, 4,0-8,0% Tantal, 0- 1,0% Vanadium, 0-8,5% Rhenium, 0-1,5% Titan, 0-3,0% Hafnium, 0- 4,0% Molybdän, 0-2,0% Niob, 0-10,0% eines oder mehrerer Elemente, die ausgewählt sind aus Ruthenium, Palladium, Platin, Rhodium, Iridium und Osmium, 0-1,0% eines oder mehrerer Elemente, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus Yttrium, Lanthan, Scandium, Cer, der Lanthanoiden- oder Actinoiden- Reihe der Elemente, Rest im wesentlichen Nickel.

3. Gegenstand nach Anspruch 2, wobei der Gegenstand ein beim Gasturbinentriebwerks- Betrieb verwendetes Gasturbinentriebwerks- Bauteil ist, auf dem sich keine metallische Beschichtung für Oxidationsbeständigkeit befindet.

4. Zusammensetzung oder Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch P = -200Cr + 80Mo - 20Mo² + 200W - 14W² + 30Ta - 1,5Ta² + 2,5Co + 1200Al - 100Al² + 100Re + 1000Hf - 2000Hf² + 700Hf³, wobei P ≥ 4500 ist, worin alle Elementwerte in Gewichtsprozent sind.

5. Zusammensetzung oder Gegenstand nach einem vorangehenden Anspruch, aufweisend, in Gewichtsprozent, 5,0-15,0% Kobalt, 6,0- 8,0% Wolfram, 5,3-6,3% Aluminium, 0,8-1,75% Chrom, 5,0-7,0 % Tantal, 0-1,0% Vanadium, 5,0-7,5% Rhenium, 0-1,0% Titan, 0,1-1,5 % Hafnium, 0,5-3,0% Molybdän, 0-1,0% Niob, 0-10,0% eines oder mehrerer Elemente, die ausgewählt sind aus Ruthenium, Palladium, Platin, Rhodium, Iridium und Osmium, 0-0,1% eines oder mehrerer Elemente, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus Yttrium, Lanthan, Scandium, Cer, der Lanthanoiden- oder Actinoiden- Reihe der Elemente, Rest im wesentlichen Nickel.

6. Zusammensetzung oder Gegenstand nach Ansprach S. gekennzeichnet durch P = - 200Cr + 80Mo - 20 Mo² + 200W - 14W² + 30Ta - 1,5Ta² + 2,5Co + 1200Al - 100Al² + 100Re + 1000Hf - 2000Hf² + 700Hf³, wobei P ≥ 4700 ist, worin alle Elementwerte in Gewichtsprozent sind.

Zusammensetzung oder Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 1,0-1,75 Gewichtsprozent Chrom aufweisend.

8. Zusammensetzung oder Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 5,5-6,5 Gewichtsprozent Tantal aufweisend.

9. Zusammensetzung oder Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 0,3-0,5 Gewichtsprozent Hafnium aufweisend.

10. Zusammensetzung oder Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend, in Gewichtsprozent, 7,0-13,0% Kobalt, 6,3-7,3% Wolfram, 5,7-6,3% Aluminium, 1,0-1,75% Chrom, 5,5-6,5% Tantal, 0- 0,5% Vanadium, 6,0-7,0% Rhenium, 0-1,0% Titan, 0,3-0,5% Hafnium, 1,5-2,5% Molybdän, 0-1,0% Niob, 0-10,0% eines oder mehrerer Elemente, die ausgewählt sind aus Ruthenium, Palladium, Platin, Rhodium, Iridium und Osmium, 0-0,1% eines oder mehrerer Elemente, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus Yttrium, Lanthan, Scandium, Cer, der Lanthanoiden- oder Actinoiden-Reihe der Elemente, Rest im wesentlichen Nickel.

11. Zusammensetzung oder Gegenstand nach Anspruch 10, außerdem gekennzeichnet durch P = -200Cr + 80Mo - 20Mo² + 200W - 14W² + 30Ta - 1,5Ta² + 2,5Co + 1200Al - 100Al² + 100Re + 1000Hf - 2000Hf² + 700Hf³, wobei P ≥ 4800 ist, worin alle Elementwerte in Gewichtsprozent sind.

12. Zusammensetzung oder Gegenstand nach einem vorangehenden Anspruch, die oder der insbesondere geeignet ist zu Herstellung von Einkristall-Gegenständen, aufweisend, in Gewichtsprozent, 7,0-13,0% Kobalt, 6,3-7,3% Wolfram, 5,7-6,3% Aluminium, 1,0-1,75% Chrom, 5,5-6,5% Tantal, 0% Vanadium, 6,0-7,0% Rhenium, 0% Titan, 0,3- 0,5% Hafnium, 1,5-2,5% Molybdän, 0% Niob, 0-10,0% eines oder mehrerer Elemente, die ausgewählt sind aus Ruthenium, Palladium, Platin, Rhodium, Iridium und Osmium, 0-0,1% eines oder mehrerer Elemente, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus Yttrium, Lanthan, Scandium, Cer, der Lanthanoiden- oder Actinoiden-Reihe der Elemente, Rest im wesentlichen Nickel.

13. Zusammensetzung oder Gegenstand nach Anspruch 12, außerdem gekennzeichnet durch P = -200Cr + 80Mo - 20Mo² + 200W - 14W² + 30Ta - 1,5Ta² + 2,5Co + 1200Al - 100Al² + 100Re + 1000Hf - 2000Hf² + 700Hf³, wobei P ≥ 4900 ist, worin alle Elementwerte in Gewichtsprozent sind.

14. Zusammensetzung oder Gegenstand nach einem vorangehenden Anspruch, aufweisend, in Gewichtsprozent, 0,001-0,05% eines oder mehrerer Elemente, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus Yttrium, Lanthan, Scandium, Cer, der Lanthanoiden- oder Actinoiden- Reihe der Elemente.