DE1801594C3 - High-temperature anisotropically solidified cast body with aligned filamentary or lamellar carbide precipitations - Google Patents
High-temperature anisotropically solidified cast body with aligned filamentary or lamellar carbide precipitationsInfo
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Description
großem Maße von dem Volumenanteil und den Eigenschaften der in einer Richtung verlaufenden faserartigen Verstärkung ab, wobei die kontinuierliche Metallmatrix als BelastungsübertragungsYnedium dient und dem Verbundstoff Zähigkeit verleiht. Beträchtliehe Festigkeiten bei hohen Temperaturen werden erzielt, wenn die Verstärkungsphase stark ist und die MikroStruktur des Verbundstoffes bei erhöhten Temperaturen stabil ist.depends largely on the volume fraction and properties of the unidirectional fibrous Reinforcement, with the continuous metal matrix serving as a stress transmission medium and imparts toughness to the composite. Considerable Strengths at high temperatures are achieved when the reinforcement phase is strong and the The microstructure of the composite is stable at elevated temperatures.
Die Einbettung einer Verstärkung mit hohem Elastizitätsmodul in eine Metallmatrix mit niedrigerem Elastizitätsmodul ergibt einen Gußkörper höherer Festigkeit, insbesondere was Ermüdungsbrüche angeht, wie es beispielsweise auch bei mit Borfasern verstärkten Aluminiumtegierungen beobachtet wurde.The embedding of a reinforcement with a high modulus of elasticity in a metal matrix with a lower The modulus of elasticity results in a cast body of higher strength, especially with regard to fatigue fractures, as has also been observed, for example, with aluminum alloys reinforced with boron fibers.
Es ist bekannt, daß Systeme aus besonderem Material, einschließlich bestimmter einseitig gerichtet erstarrter Eutektika, geordnete Mikrostrukturen bilden, in welchen eine Phase aus der Schmelze in Form paralleler Stäbchen erstarrt, die in eine Matrixphase so eingebettet sind. Wenn die faserartige Phase des auf diese Weise erstarrten geregelten Eutektikums so ausgewählt wird, daß die gewünschte Verstärkung mit hoher Festigkeit und hohem Modul in der Matrix mit niedrigerem Modul erhalten wird, können die sich as ergebenden Verbundstoffe sofortige Verwendung finden. Es ist bekannt, daß die vorstehend erwähnten geregelten Eutektika bevorzugte kristallografische Grenzschichten mit niedriger freier Energie und somit stabile Mikrostrukturen aufweisen. Wenn daher diese Mikrostrukturen während langer Zeiträume hohen Temperaturen ausgesetzt werden, ergibt sich keine wesentliche Vergröberung. Da sich ferner alle Phasen im Gleichgewicht befinden, sind die Eutektika nicht der chemischen Unverträglichkeit ausgesetzt, die bei nach anderen Verfahren hergestellten Verbindungen auftreten, was zu einer starken Beeinträchtigung ihrer mechanischen Eigenschaften führen kann.It is known that systems are made of particular material, including certain unidirectional solidified eutectics that form ordered microstructures in which a phase is formed from the melt parallel rods that solidify in a matrix phase like that are embedded. When the fibrous phase of the regulated eutectic solidified in this way is so selected will have the desired high strength, high modulus reinforcement in the matrix lower modulus is obtained, the resulting composites can be used immediately. It is known that the aforementioned regulated eutectics are preferred crystallographic ones Have boundary layers with low free energy and thus stable microstructures. Therefore, if this Exposing microstructures to high temperatures for long periods of time does not result substantial coarsening. Furthermore, since all phases are in equilibrium, the eutectics are not exposed to chemical incompatibility with compounds produced by other processes occur, which can lead to a severe impairment of their mechanical properties.
Um die wünschenswerte ausgerichtete MikroStruktur durch eine geregelte Erstarrung des Eutektikums zu erhalten, muß die Erstarrung längs einer ebenen Front erzielt werden. Überraschenderweise wurde gefunden, daß dies bei den Legierungen, aus denen die erfindungsgemäßen Gußkörper bestehen, eintritt. Bei diesen Legierungen dienen Carbide als Verstärkungsmedium, obwohl sie thermodynamisch weniger stabil sind als die Oxide. Die Schmelzpunkte der Carbide sind im allgemeinen die höch^en aller in Betracht kommenden Verbindungen, und Carbide können durch Schmelzverfahren leicht in die obenerwähnte Metallmatrix eingebettet werden, so daß die Schwierigkeiten vermieden werden, die sich bei der für Oxide üblichen Pulververarbeitung ergeben.In order to obtain the desirable aligned microstructure through a regulated solidification of the eutectic, solidification must be achieved along a flat front. Surprisingly, it was found that this is the case with the alloys from which the invention Cast body exist, occurs. In these alloys, carbides serve as a reinforcement medium, although they are thermodynamically less stable than the oxides. The melting points of the carbides are im generally the highest of all possible compounds, and carbides can be obtained by melting processes can easily be embedded in the above-mentioned metal matrix, so that the troubles are avoided resulting from the powder processing customary for oxides.
Die relativen thermodynami-schen Stabilitäten der Carbide sind sehr wichtig, und die normalen freien Energien der Bildung einiger Carbide sind in F i g. 3 als eine Funktion der Temperatur in einem Diagramm eingezeichnet. Es wurde beobachtet, daß die Carbide mit den kleinsten negativen freien Bildung>>energien in Nickel und Kobalt graphitisieren. Siliciumcarbid graphitisiert beispielsweise mit Nickel, Kobalt oder Chrom, und Bormonocarbid graphitisiert entweder mit Nickel oder Kobalt. Die anderen in F i g. 3 angegebenen Monocarbide sind jedoch sowohl in Nickel als auch in Kobalt thermodynamisch stabil, und es gibt Eutektika zwischen diesen Metallen und diesen Monocarbiden.The relative thermodynamic stabilities of the Carbides are very important, and the normal free energies of formation of some carbides are shown in FIG. 3 plotted as a function of temperature in a diagram. It was observed that the carbides with the smallest negative free education >> energies in Graphitize nickel and cobalt. Silicon carbide graphitizes, for example, with nickel, cobalt or Chromium and boronocarbide are graphitized with either nickel or cobalt. The others in Fig. 3 specified However, monocarbides are thermodynamically stable in both nickel and cobalt, and so is it gives eutectics between these metals and these monocarbides.
Verschiedene Forscher haben die Eutektika nach bestimmten Faktoren klassifiziert, einschließlich der Schmelzentropie. Geht man von den latenten Schmelzwärmen der Carbide und ihren Schmelzpunkten aus, insbesondere des Niobcarbids, Titancarbids, Tantal« carbids und Zirkoniumcarbids, kann eine ebene Ers'arrung an der Front der aus Metall und Monocarbid bestehenden Eutektika nicht erwartet werden und die gewünschte feinfaserige Struktur erscheint daher unerreichbar. Trotz der theoretischen Erwägungen wurde jedoch ebenes Wachstum an der Front der beschriebenen Systeme durchgeführt und eine Anzahl von anisotropen Gegenständen aus diesen Systemen hergestellt. Various researchers have classified the eutectics based on certain factors, including the Entropy of fusion. If one proceeds from the latent heats of fusion of the carbides and their melting points, In particular of niobium carbide, titanium carbide, tantalum carbide and zirconium carbide, flat solidification can occur at the front of the eutectics consisting of metal and monocarbide are not expected and which the desired fine-fiber structure therefore appears unattainable. Despite the theoretical considerations, it was however, even growth is carried out at the front of the systems described and a number of anisotropic objects made from these systems.
Die erfindungsgemäß untersuchten Systeme sind in der nachstehenden Tabelle I angegeben.The systems investigated according to the invention are given in Table I below.
In dem für eine Analyse ausgewählten Ni — NbC-System wurde, wie F i g. 4 zeigt, ein Eutektikum bei ungefähr 10 Gewichtsprozent (13 Volumprozent) NbC bei 1330° C gefunden. Bei einer Schmelze von Ni-0,5-12-Gewichtsprozent NbC wurde eine einseitig gerichtete Erstarrung mit Geschwindigkeiten von 1 bis 9,8 cm/h — wie in Tabelle II genauer angegeben ist — festgestellt. In the Ni - NbC system selected for analysis became, as Fig. Figure 4 shows a eutectic at about 10 weight percent (13 volume percent) NbC found at 1330 ° C. With a melt of Ni-0.5-12 percent by weight NbC underwent unidirectional solidification at speeds of 1 to 9.8 cm / h - as specified in more detail in Table II - found.
Von den Ni — NbC-Barren, die in Tonerdetiegeln mit geschlossenen Enden wuchsen, zeigten nur jeneOf the Ni - NbC ingots that grew in closed-ended alumina crucibles, only those showed
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eine ausgerichtete MikroStruktur, die mit Geschwin- Bruchdehnungsversuche wurden ferner mit Eutek-an aligned microstructure, which was tested with speed and elongation at break with Eutek
digkeiten von weniger als 3 cm/h erstarrten. Ver- tika mit einem Faserabstand des Carbids von ungefährat a rate of less than 3 cm / h solidified. Vertica with a carbide fiber spacing of approximately
schiedene Barren wurden jedoch in einem einer direk- 7,5 Mikron ausgeführt; die Ergebnisse sind in F i g. 7however, several ingots were executed in one direct 7.5 micron; the results are shown in FIG. 7th
ten Wasserabkühlung unterworfenen Block erzeugt, dargestellt.th block subjected to water cooling generated, shown.
der ein ebenes, von der Front ausgehendes Wachstum 5 Im Ni — TiC-System wurde ein Eutektikum bei bei Geschwindigkeiten ermöglichte, die über jenen in ungefähr 11,3 Gewichtsprozent Titan und 0,9 GeTiegeln mit geschlossenem Ende lagen. wichtsprozent Kohlenstoff mit ternären Eutektika aufa flat growth starting from the front 5 In the Ni - TiC system, a eutectic became at at speeds above those in approximately 11.3 weight percent titanium and 0.9 Ge crucibles with the end closed. weight percent carbon with ternary eutectics
Der Faserabstand des Carbids in einem Barren, der jeder Seite des pseudobinären Eutektikums, das Gra-The fiber spacing of the carbide in an ingot, which is located on either side of the pseudobinary eutectic, the
mit 3 cm/h erstarrte, betrug ungefähr 7,3 Mikron, wo- phit bei 1271°C und Ni?Ti bei 1296°C mit TiC und Nisolidified at 3 cm / h was approximately 7.3 microns, whiphite at 1271 ° C and Ni ? Ti at 1296 ° C with TiC and Ni
bei der Abstand bei zunehmender Erstarrungs- io enthält, festgestellt. Bei der eutektischen Temperaturat the distance contains with increasing solidification io. At the eutectic temperature
geschwindigkeit abnahm. Es wurde gefunden, daß die besteht das pseuso-binäre Eutektikum aus einer anspeed decreased. It has been found that the pseuso-binary eutectic consists of an an
mechanischen Eigenschaften der faserverstärkten Le- Titanium reichen festen Lösungsmatrix aus Nickelmechanical properties of the fiber-reinforced Le-Titanium range from solid solution matrix of nickel
gierungen nicht nur von dem Volumenanteil der in der und ungefähr 5,5 Volumprozent Titaniumcarbid. EineAlloys not only from the volume fraction of in the and about 5.5 volume percent titanium carbide. One
Legierung vorhandenen Faserverstärkung, sondern einseitig gerichtete Erstarrung mit 2,3 cm/h war erfolg-Alloy existing fiber reinforcement, but unidirectional solidification at 2.3 cm / h was successful.
auch von dem Faserabstand abhängig sind. So wurde 15 reich, obwohl sich eine ausgeprägte Verästelung deralso depend on the fiber spacing. So 15 got rich, although there was a pronounced ramification of the
festgestellt, daß bei Verringerung des Faserabstandes faserartigen Struktur zeigte. Im allgemeinen kann je-found that when the fiber spacing was reduced, it showed a fibrous structure. In general, each
um den Faktor 2 durch eine Erhöhung der Erstarrungs- doch das gerichtet erstarrte Eutektikum trotz der ver-by a factor of 2 by increasing the solidification but the directionally solidified eutectic despite the
geschwindigkeit die Zeitstandfestigkeit bei 2500C und wickeiteren Geometrie als feinfaserig bezeichnetspeed, the creep rupture strength at 250 0 C and winding geometry referred to as fine-fiber
1050 kg/cm* von weniger als vier Stunden auf mehr als werden. Dieses Eutektikum scheint jedoch für die1050 kg / cm * from less than four hours to more than will be. However, this eutectic seems to be for the
54 Stunden zunahm, während die Mindestkriech- 20 Anwendung bei Turbinen wegen des niedrigen Vo-54 hours increased, while the minimum creep 20 application in turbines because of the low vol-
geschwindigkeit um mehr als zwei Stellenwerte ver- lumenanteils der dispergierten Phase weniger wertvollspeed is less valuable by more than two places, the lumen portion of the dispersed phase
mindert wurde. Eine Abnahme des Faserabstandes als das Ni — NbC-Eutektikum (13 Volumprozent) zuwas reduced. A decrease in fiber spacing as the Ni - NbC eutectic (13 percent by volume) increases
ergibt sich aus einer Zunahme der Erstarrungs- sein.arises from an increase in solidification.
geschwindigkeit. Die Erstarrungsgeschwindigkeit soll Das Co — NbC-Eutektikum mit ungefähr 11 Gedaher
hoch sein. Die Erstarrungsgeschwindigkeit ist 25 wichtsprozent Carbid wurde bei 1366°C festgestellt,
jedoch begrenzt durch die Neigung des Systems, von Eine aus Stäbchen und Plättchen bestehende auseiner
planaren auf eine zellenförmige Grenzschicht gerichtete MikroStruktur wurde durch gerichtete Erzwischen
Flüssigkeit und festem Metall überzugehen, starrung mit 2,9 cm/h erzeugt. Versuche zeigten ein
wenn die Geschwindigkeit zu hoch ist. Dies ist auf Verstärkungsverhalten der Fasern mit einer Festigkeit
eine Zustandsunterkühlung der Flüssigkeit unmittelbar 30 von 7030 kp/cm2 und einer Dehnung von 0,65 %.
auf der Vorderseite der erstarrenden Grenzschicht Das Co — VC-Eutektikum mit ungefähr 10 Gezurückzuführen,
die durch eine kombinierte Wirkung wichtsprozent Carbid hat einen 20% übersteigenden
einer Anhäufung von Verunreinigungen und des nie- Volumenanteil an Vanadiumcarbid. Eine einseitig gedrigen
Wärmegradienten in der Flüssigkeit verursacht richtete Erstarrung ergab primäres Kobalt. Im
wird. 35 Co —- VC-System bestehen, wie festgestellt wurde,speed. The rate of solidification of the Co - NbC eutectic is said to be about 11 degrees. The solidification rate is 25 percent by weight. Carbide was determined at 1366 ° C, but was limited by the tendency of the system to change from a microstructure consisting of rods and platelets to a planar to a cellular boundary layer directed between liquid and solid metal, rigidification with 2, 9 cm / h generated. Tests showed when the speed is too high. This is due to the reinforcement behavior of the fibers with a state of subcooling of the liquid immediately 30 of 7030 kg / cm 2 and an elongation of 0.65%.
on the front side of the solidifying boundary layer The Co-VC eutectic with about 10 attributed, by a combined effect, weight percent carbide has an accumulation of impurities exceeding 20% and the never-volume fraction of vanadium carbide. A one-sided thermal gradient caused directional solidification in the liquid resulted in primary cobalt. Im will. 35 Co-VC system exist, as has been established,
Die mechanischen Eigenschaften eines Ni — NbC- zwei Eutektika; das höher schmelzende EutektikumThe mechanical properties of a Ni - NbC- two eutectics; the higher melting eutectic
Eutektikums, das mit 3 cm/h gerichtet erstarrte, sind ist der pseudo-binäre Teil des ternären EutektikumsThe eutectic that solidified at a directional rate of 3 cm / h is the pseudo-binary part of the ternary eutectic
folgende: Zugfestigkeit 9000 kp/cm2, Elastizitätsmodul zwischen Co und VC mit 10 Gewichtsprozent Va-the following: tensile strength 9000 kp / cm 2 , modulus of elasticity between Co and VC with 10 percent by weight Va-
3,02 ■ 10" kp/cm2 und eine Bruchdehnung von mehr nadium und 1,7 Gewichtsprozent Kohlenstoff. Aus3.02 · 10 "kp / cm 2 and an elongation at break of more nadium and 1.7 percent by weight carbon
als9°/0. 40 dem binären eutektischen Bereich des Barrens ent-than 9 ° / 0 . 40 the binary eutectic range of the bar
Unter der Annahme, daß die Festigkeit der Matrix nommene Fasern wurden durch Röntgenstrahlenungefähr
2460 kp/cm2 beträgt, vergleiche F i g. 5, untersuchung als Vanadiumcarbid identifiziert,
zeigt die Mischungsregel, daß die durchschnittliche Bei der Erstarrung der Proben wurden Muster-Beanspruchung
der Carbidphase wenigstens 0,6 · gußstücke der eutektischen Systeme durch Induktions-10s
kp/cm1 beträgt, wenn für die Carbidphase ein an- 45 Schmelzung der Komponenten unter einer Argongemessener
Elastizitätsmodul von 3,52 · 10" kp/cm2 atmosphäre hergestellt. Für alle Eutektika wurden Tonangenommen wird. erdetiegel verwendet; jeder Barren wurde in kleinere
Assuming that the strength of the matrix taken fibers by X-rays is about 2460 kgf / cm 2 , see FIG. 5, investigation identified as vanadium carbide,
shows the mixing rule that the average load on the carbide phase when the samples were solidified is at least 0.6 castings of the eutectic systems by induction 10 s kp / cm 1 if the components for the carbide phase begin to melt An argon measured elastic modulus of 3.52 x 10 "kgf / cm 2 atmosphere was produced. All eutectics were assumed to be clay. Ground crucibles were used; each ingot was broken into smaller ones
Die Mischungsregel kann ausgedrückt werden durch: Stücke zerschnitten und in langen zylinderförmigenThe rule of mixing can be expressed by: pieces cut up and into long cylindrical pieces
Tiegeln angeordnet, in welchen die Eutektika wiederCrucibles arranged in which the eutectics again
"e = Kw + (1 — Vf)Om, 50 geschmolzen wurden und unter einer Argonatmo-"e = Kw + (1 - Vf) Om, 50 were melted and under an argon atmosphere
. Sphäre einseitig gerichtet erstarrten, indem der Tiegel. Sphere directed unilaterally solidified by the crucible
worin bedeutet: nach unten aus einer Hitzezone herangezogen wurde,wherein means: th to un was used from a heat zone,
δα die Zugfestigkeit der faserverstärkenden Legie- die wenn η°ι«& entweder durch Induktionsheizung δα the tensile strength of the fiber-reinforcing alloy - if η ° ι «& either by induction heating
rung oder in einem widerstandsbeheizten Graphitofen tion or in a resistance heated graphite furnace
Vf der Volumenanieil der faserartigen Phase, 55 erzeugt wurde. Vf is the volume of the fibrous phase that was generated.
if die durchschnittliche Festigkeit der faserartigen Die Zugprüfung der einseitig gerichtet erstarrten i f the average strength of the fibrous The tensile test of the unidirectional solidified
Phase und Legierungen wurde nut Probestucken durchgeführt,Phase and alloys were carried out using test pieces,
dm die Festigkeit der Matrix bei der Belastungs- die so bearbeitet waren, daß die Belastungsrichtung d m the strength of the matrix at the time of loading, which were machined in such a way that the loading direction
grenze der Legierung. zar Wachstumsnchtung parallel war. Die Probestuckelimit of the alloy. zar growth direction was parallel. The specimens
60 wurden unter Verwendung einer Tinios-Olsen-Ver-60 were made using a Tinios-Olsen method
Gerichtet erstarrte Ni — NbC-Eutektika und TD- suchsmaschine bis zum Bruch mit einer Belastungs-Nickel wurden auch unter Spannung bei erhöhten geschwindigkeit von 0,25 mm/Min, bei Raumtempe-Temperaturen in Luft untersucht; die Versuchsergeb- ratur und einer Geschwindigkeit von 1,78 mm/Min, nisse sind in F i g. 6 dargestellt, die zeigt, daß das bei erhöhter Temperatur belastet Die Kriechgrenze eutektische Material bei allen Versuchstemperaturen 65 wurde in einem Kriechbruchprüfer von Satec Modell D stärker als TD-Nickel ist und auch die Zugdehnung bei verschiedenen Belastungen unter dem Schutz von des Ni — NbC-Eutektikums viel größer als die des Argon gemessen und die Dehnung wurde durch K reuz-TD-Nickels bei erhöhten Temperaturen. kopfausschlag gemessen.Directionally solidified Ni - NbC eutectics and TD search engine to break with a stress nickel were also under tension at increased speed of 0.25 mm / min, at room temperature examined in air; the test result and a speed of 1.78 mm / min, nits are in Fig. 6, which shows that the stressed at elevated temperature The creep limit Eutectic material at all test temperatures 65 was tested in a Satec Model D creep rupture tester is stronger than TD-Nickel and also the tensile elongation at various loads under the protection of of the Ni - NbC eutectic was measured to be much larger than that of argon and the elongation was measured by K reuz-TD nickel at elevated temperatures. head rash measured.
Kontinuierliche Bestimmungen der Gewichtszunahme wurden an Plattenmustern in Sauerstoff unter atmosphärischem Druck im Bereich von 700 bis 950° C unter Verwendung einer Thermowaage von A i η s w ο r t h ausgeführt.Continuous determinations of weight gain were made on plate samples in oxygen atmospheric pressure in the range of 700 to 950 ° C using a thermal balance of A i η s w ο r t h carried out.
Die Festigkeit der Carbidfasern in den Legierungen nähert sich der theoretischen Zeitbruchdehnung. DieThe strength of the carbide fibers in the alloys approaches the theoretical elongation at break. the
Eutektika zeigen eine Reckspannung, die größer ist als die elastische Dehnungsfähigkeit der Carbidfasern. Die Mikrostrukturen sind '^ei den erhöhten Temperaturen stabil, die sowohl hinsichtlich der metallurgischen Verarbeitung wie auch der chemischen Verhaltens der Eutektika von praktischer Bedeutung sind.Eutectics show a stretching stress that is greater than the elastic extensibility of the carbide fibers. The microstructures are stable at the elevated temperatures, which are of practical importance both with regard to metallurgical processing and the chemical behavior of the eutectics.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
309 «9/2©309 «9/2 ©
Claims (2)
mit einem Monocarbid des Titans oder Niobs in Was mechanischen Beanspruchungen angeht, verquasibinärer eutektischer Zusammensetzung bzw. aus sagen die üblichen Legierungen auf der Basis von Legierungen des Kobalts mit einem Monocarbid des 55 Nickel und Kobalt häufig bei den Betriebsbedingungen Vanadiums oder Niobs in quasibinärer eutektischer der Gasturbinen, weil schon 93 C und weniger unter-Zusammenset/ung besteht. halb ihres Schmelzpunktes liegende Betriebstempe-Rigid cast body with aligned filamentary or 5 ° Fig. A comparison of the tensile strength of a TD-Nik lamellar carbide precipitate, which according to the tapered alloy and the Ni - NbC eutectic in the present invention from alloys of nickel depends on the temperature,
With a monocarbide of titanium or niobium in a quasi-binary eutectic composition or from say the usual alloys based on alloys of cobalt with a monocarbide of nickel and cobalt often with the operating conditions of vanadium or niobium in a quasi-binary eutectic gas turbine , because there is already 93 C and less under-composition. operating temperature half of its melting point
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