DE102018208736A1 - Y, Y' gehärtete Kobalt-Nickel-Basislegierung, Pulver, Komponente und Verfahren - Google Patents

Abstract

Durch erhöhte Titan- und Tantalwerte sowie hohe Wolframanteile wird eine Legierung vorgeschlagen, die insbesondere für die Anwendung bei additiven Fertigungsverfahren verwendet werden kann.

Description

• Die Erfindung betrifft eine γ γ' gehärtete Kobalt-Nickel-Basislegierung, Pulver Komponente und Verfahren.
• Turbinenleit- und Laufschaufeln oder Strukturbauteile im Heißgasbereich werden aus hochwarmfesten Nickelbasis-oder Kobaltbasis-Superlegierungen hergestellt.
• Je nach Belastungsprofil der Komponente werden generell:
• 1.) γ` Ausscheidungsgehärtete Nickelbasislegierungen
• 2.) Nickel-Knetlegierungen
• 3.) oder Kobalt-Knetlegierungen
eingesetzt.
• Die Festigkeit resultiert in erster Näherung vom γ' Volumenanteil. Dieser wiederum beeinflusst maßgeblich die mögliche Fertigungsroute der Komponenten. Hochwarmfeste Superlegierungen mit hohen γ' Anteilen können nur noch über das Feingussverfahren hergestellt werden. Sie zeichnen sich durch eine hohe γ' Solvustemperatur und eine tiefe Anschmelztemperatur aus. Die Schweißbarkeit dieser Legierungsklasse ist in der Regel nicht gegeben.
• Generativ können diese Legierungen wegen Heißrissbildung nur über Umwege hergestellt werden. Die Knetlegierungen (Ni- oder Co-Basis) können geschmiedet werden, weisen jedoch geringere Festigkeiten auf.
• Die übliche Herstellroute erfolgt bei ausscheidungsgehärteten Komponenten über das Feingussverfahren. Mithilfe generativer Fertigungsverfahren lassen sich komplexere Bauteile realisieren, die Legierungsauswahl ist jedoch auf die weniger warmfesten Legierungen beschränkt. Nur diese lassen sich mit sinnvollen Aufbauraten rissarm verarbeiten.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, oben genanntes Problem zu lösen.
• Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kobaltbasis-Superlegierung gemäß Anspruch 1, ein Pulver gemäß Anspruch 14, eine Komponente gemäß Anspruch 15 und ein Verfahren gemäß Anspruch 17.
• In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
• Es wird vorgeschlagen, eine neue Materialgruppe für Heißgasbauteile, insbesondere Lauf und Leitschaufeln, Ringsegmente, Brennerteile, Scheibenwerkstoffe für kleine Turbinen oder Blisks einzusetzen. Zum Einsatz kommt eine γ, γ'-ausscheidungsgehärtete Kobaltbasislegierung mit hohem Nickel (Ni) und Chrom (Cr) Anteil.
• Innerhalb dieses Rahmens werden die Eigenschaften der Legierungsklasse entsprechend der Anforderungen angepasst:
• Titan (Ti) und Tantal (Ta) erhöhen die γ' Anteile und γ' Solvustemperatur und senken die Liquidustemperatur.
• Wolfram erhöht den γ'-Anteil, hohe Anteile an Wolfram (W) sind erforderlich um die γ' verarmte Zone in Korngrenzennähe zu verringern.
• Titan (Ti) und Tantal (Ta) verbessern die Kriechbeständigkeit aber erhöhen Gitterfehlpassung.
• Nickel (Ni) erweitert das Phasenfeld für L12 Struktur und ermöglicht höhere Chromgehalte für besseren Korrosionsschutz, nicht zu viel, wegen des Verteilungskoeffizienten Wolfram (W) und Chrom (Cr) ermöglicht Korrosionsschutz und verbessert die Bildung einer inneren Al₂O₃ Schicht und reduziert Gitterfehlpassung.
• - Silizium (Si) verbessert Oxidationseigenschaften
• - Bor (B) und Kohlenstoff (C) sind Korngrenzen-Verfestiger
• - Hafnium (Hf) und Zirkon (Zr) ermöglichen bessere Schichtanbindung
• Bevorzugte Legierungen:
• Bevorzugtes Beispiel in Gew.-%

Co

40,0

Ni

29,0

Al

2,6

W

9,0

Ta

4,4

Ti

2,0

Cr

12,8

Si

0,18

Hf

0,29

Zr

0,015

B

0,014

C

0,016

• Der Vorteil liegt in einer hohen Korrosionsbeständigkeit.
• Bevorzugtes Beispiel in Gew.-%

Co

40,0

Ni

30,0

Al

2,6

W

8,8

Ta

7,2

Ti

1,1

Cr

10,0

Si

0,18

Hf

0,28

Zr

0,015

B

0,014

C

0,015

• Der Vorteil liegt bei einer mittleren Korrosionsbeständigkeit.
• Besonderheiten:
• - Die hohe Fließgrenze verbessert auch TMF-Eigenschaften
• - Eine hohe Festigkeit bei mittleren Temperaturen
• - Bessere Prozessierbarkeit als übliche Nickelbasislegierungen mit vergleichbaren Eigenschaften
• Eine Lösungsglühung erfolgt beispielsweise bei 1523K und einer Auslagerung bei 1023K - 1173K zwecks Einstellung der γ/ γ' Gefügestruktur.
• Die möglichen Herstellrouten lauten:
• • Komponente wird im Guss oder als Schmiedeteil oder als AM Bauteil (Pulverbett, Laserpulver-Auftragschweißen) hergestellt.
• • Eine Verfahrenskombination ist ebenso denkbar, z.B. durch AM (Aufschweißen von weiteren Strukturen).
• • Ebenso denkbar ist die Nutzung von AM gefertigten Bauteilen im Guss als Einlegeteile.
• • Ebenso kann ein Formkörper (z.B. Ringsegment) im Metallpulverspritzguss verarbeitet werden, ggf. in Kombination der anderen Verfahren.
• • Ebenso kann ein auf dem Pulver basierendes Lot verwendet werden, um mehrere Teile zu verbinden.
• • Ebenso kann eine schweißtechnologische Verbindung hergestellt werden, z.B. mit artgleichem Schweißzusatzwerkstoff.
• Vorzugsweise enthält die Legierung kein Molybdän (Mo), kein Niob (Nb), kein Yttrium (Y), kein Rhenium (Re) und oder/ kein Ruthenium (Ru).

Claims (18)

1. Kobaltbasislegierung, zumindest aufweisend, insbesondere bestehend aus (in Gew.-%): 27% - 32% Nickel, insbesondere 28% - 31% Nickel, 2,4% - 2,8% Aluminium, insbesondere 2,5%- 2,7% Aluminium, 8,3% - 9,5% Wolfram (W), insbesondere 8,6% - 9,2% Wolfram, 4,0% - 7,6% Tantal (Ta), insbesondere 4,2% - 7,4% Tantal, 0,7% - 2,4% Titan (Ti), insbesondere 0,9% - 2,2% Titan (Ti), 9,5% - 13,3% Chrom (Cr), 0,16% - 0,20% Silizium (Si), insbesondere 0,18% Silizium (Si), 0,27% - 0,31% Hafnium (Hf), insbesondere 0,28% - 0,29% Hafnium (Hf), 0,013% - 0,017% Zirkon (Zr), insbesondere 0,015% Zirkon (Zr), 0,012% - 0,016% Bor (B), insbesondere 0,014% Bor (B), 0,013% - 0,018% Kohlenstoff (C), insbesondere 0,015% - 0,016% Kohlenstoff (C), Rest Kobalt (Co).
2. Kobaltbasislegierung nach Anspruch 1, aufweisend 29% Nickel (Ni).
3. Kobaltbasislegierung nach Anspruch 1, aufweisend 30% Nickel (Ni).
4. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, aufweisend 2,6% Aluminium (Al).
5. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, aufweisend 8,8% Wolfram (W).
6. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, aufweisend 9,0% Wolfram (W).
7. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, aufweisend kein Molybdän (Mo) und/oder kein Niob (Nb) und/oder kein Yttrium (Y).
8. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, aufweisend 4,4% Tantal (Ta).
9. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, aufweisend 7,2% Tantal (Ta).
10. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, aufweisend 1,1% Titan (Ti).
11. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, aufweisend 2,0% Titan (Ti).
12. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder 11, aufweisend 10% Chrom (Cr).
13. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, aufweisend 12,8% Chrom (Cr).
14. Pulver, zumindest aufweisend, insbesondere bestehend, aus einer Legierung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13.
15. Komponente aufweisend, insbesondere bestehend, aus einer Legierung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 und/oder hergestellt aus einem Pulver gemäß Anspruch 14.
16. Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils, bei dem eine Legierung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 oder ein Pulver gemäß Anspruch 14 verwendet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem ein additives Verfahren verwendet wird, insbesondere Auftragschweißen, Pulverbettschweißen (SLM) oder -sintern (SLS).
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem eine Lösungsglühung erfolgt, insbesondere bei 1523K, und eine Auslagerung bei 1023K - 1173K zwecks Einstellung einer γ/ γ' Gefügestruktur.