DE102005061790A1 - Werkstoff für Bauteile einer Gasturbine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Werkstoff für Bauteile einer Gasturbine, insbesondere für Bauteile eines Gasturbinenflugtriebwerks, mit einer Matrix aus einem Eisenbasislegierungswerkstoff, wobei die Matrix aus dem Eisenbasislegierungswerkstoff mit einem intermetallischen Werkstoff der Laves-Phase ausgehärtet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Werkstoff für Bauteile einer Gasturbine.
- Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. Bei der Entwicklung von Gasturbinen spielt die Werkstoffauswahl, die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen sowie die Suche nach neuen Fertigungsverfahren eine entscheidende Rolle. Die wichtigsten, heutzutage für Flugtriebwerke oder sonstige Gasturbinen verwendeten Werkstoffe sind Titanlegierungen, Nickellegierungen und hochfeste Stähle. Die hochfesten Stähle werden für Wellenteile, Getriebeteile, Verdichtergehäuse und Turbinengehäuse verwendet. Titanlegierungen sind typische Werkstoffe für Verdichterteile. Nickellegierungen sind für die heißen Turbinenteile eines Flugtriebwerks geeignet.
- Dann, wenn im Betrieb einer Gasturbine Bauteile derselben Temperaturen oberhalb von ca. 900°C ausgesetzt sind, finden nach der Praxis als Werkstoffe für die Bauteile üblicherweise sogenannte ODS Werkstoffe (oxiddispersionsverstärkte Superlegierungen) oder CMC Werkstoffe (Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe) oder auch intermetallische NiAl-Werkstoffe bzw. intermetallische TiAl-Werkstoffe Verwendung. Diese Werkstoffe sind jedoch relativ teuer, so dass ein Bedarf an einem neuartigen Werkstoff besteht, der für Gasturbinenbauteile geeignet ist, die Temperaturen von mehr als 900°C ausgesetzt sind.
- Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, einen neuartigen Werkstoff für Bauteile einer Gasturbine zu schaffen.
- Dieses Problem wird durch einen Werkstoff gemäß Anspruch 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Werkstoff verfügt über eine Matrix aus einem Eisenbasislegierungswerkstoff, wobei die Matrix aus dem Eisenbasislegierungswerkstoff mit einem intermetallischen Werkstoff der Laves-Phase ausgehärtet ist.
- Der erfindungsgemäße Werkstoff stellt eine kostengünstige Alternative für die aus dem Stand der Technik bekannten Werkstoffe dar und ist in erster Linie für Gasturbinenbauteile geeignet, die Temperaturen oberhalb von 900°C ausgesetzt sind. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Werkstoffs können Bauteilkosten von Gasturbinenbauteilen reduziert werden.
- Vorzugsweise umfasst der Werkstoff 70,0 bis 99,9 Vol.-% des Eisenbasislegierungswerkstoffs und 0,1 bis 30,0 Vol.-% des intermetallischen Werkstoffs der Laves-Phase.
- Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, nachfolgend näher erläutert.
- Die hier vorliegende Erfindung stellt einen neuartigen Werkstoff für Bauteile einer Gasturbine, nämlich für Bauteile von Gasturbinenflugtriebwerken, bereit, die im Betrieb Temperaturen von vorzugsweise mehr als 900°C ausgesetzt sind. Der erfindungsgemäße Werkstoff verfügt über eine Matrix aus einem Eisenbasislegierungswerkstoff, wobei die Matrix aus dem Eisenbasislegierungswerkstoff mit einem intermetallischen Werkstoff der Laves-Phase ausgehärtet ist. Bei einer Laves-Phase handelt es sich um eine hexagonale intermetallische Phase.
- Der intermetallische Werkstoff der Laves-Phase ist in die Matrix aus dem Eisenbasislegierungswerkstoff eingelagert bzw. eingebettet, wobei der erfindungsgemäße Werkstoff vorzugsweise über die folgende Zusammensetzung verfügt:
70,0 bis 99,9 Vol.-% des Eisenbasislegierungswerkstoffs, und
0,1 bis 30,0 Vol.-% des intermetallischen Werkstoffs der Laves-Phase. - Der Eisenbasislegierungswerkstoff der Matrix des erfindungsgemäßen Werkstoffs enthält zumindest Eisen (Fe), Aluminium (Al), Chrom (Cr), Yttrium (Y) und/oder Hafnium (Hf). Vorzugsweise verfügt der Eisenbasislegierungswerkstoff der Matrix des erfindungsgemäßen Werkstoffs über folgende Zusammensetzung:
31,0 bis 91,9 Gew.-% Eisen, und
6,0 bis 40,0 Gew.-% Aluminium, und
2,0 bis 25,0 Gew.-% Chrom, und
0,1 bis 2,0 Gew.-% Yttrium, und/oder
0,1 bis 2,0 Gew.-% Hafnium,
wobei die obigen Bestandteile so gewählt sind, dass die Summe 100 Gew.-% ergibt. - Der zur Aushärtung der Matrix dienende intermetallische Werkstoff der Laves-Phase enthält zumindest Eisen (Fe), Aluminium (Al), Niob (Nb) und/oder Tantal (Ta). Vorzugsweise verfügt dieser intermetallische Werkstoff der Laves-Phase über folgende Zusammensetzung:
15,0 bis 65,0 Gew.-% Eisen, und
1,0 bis 15,0 Gew.-% Aluminium, und
0,5 bis 55,0 Gew.-% Niob, und/oder
0,5 bis 65,0 Gew.-% Tantal enthält,
wobei sich die obigen Bestandteile in Abhängigkeit von der Matrix-Zusammensetzung so einstellen, dass die Summe 100 Gew.-% ergibt. - Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bauteil einer Gasturbine, vorzugsweise eines Gasturbinenflugtriebwerks, welches aus einem solchen Werkstoff hergestellt ist. So eignet sich der erfindungsgemäße Werkstoff insbesondere zur Herstellung von Gehäusen wie Brennkammergehäusen, Hochdruckverdichtergehäusen und Niederdruckturbinengehäusen. Weiterhin eignet sich der erfindungsgemäße Werkstoff zur Herstellung von Abgasführungen, Diffusorkomponenten, Bürstendichtungen sowie Dichtungselementen, die im Inner-Air-Seal-Bereich sowie Outer-Air-Seal-Bereich einer Turbine, insbesondere einer Niederdruckturbine, bzw. eines Verdichters eines Gasturbinenflugtriebwerks Verwendung finden.
Claims (8)
- Werkstoff für Bauteile einer Gasturbine, insbesondere für Bauteile eines Gasturbinenflugtriebwerks, mit einer Matrix aus einem Eisenbasislegierungswerkstoff, wobei die Matrix aus dem Eisenbasislegierungswerkstoff mit einem intermetallischen Werkstoff der Laves-Phase ausgehärtet ist.
- Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der intermetallische Werkstoff der Laves-Phase in die Matrix aus dem Eisenbasislegierungswerkstoff eingelagert bzw. eingebettet ist.
- Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch 70,0 bis 99,9 Vol.-% des Eisenbasislegierungswerkstoffs, und 0,1 bis 30,0 Vol.-% des intermetallischen Werkstoffs der Laves-Phase.
- Werkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenbasislegierungswerkstoff zumindest Eisen, Aluminium, Chrom, Yttrium und Hafnium enthält.
- Werkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenbasislegierungswerkstoff 31,0 bis 91,9 Gew.-% Eisen, und 6,0 bis 40,0 Gew.-% Aluminium, und 2,0 bis 25,0 Gew.-% Chrom, und 0,1 bis 2,0 Gew.-% Yttrium, und/oder 0,1 bis 2,0 Gew.-% Hafnium enthält.
- Werkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der intermetallische Werkstoff der Laves-Phase zumindest Eisen, Aluminium, Niob und/oder Tantal aufweist.
- Werkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der intermetallische Werkstoff der Laves-Phase 15,0 bis 65,0 Gew.-% Eisen, und 1,0 bis 15,0 Gew.-% Aluminium, und 0,5 bis 55,0 Gew.-% Niob, und/oder 0,5 bis 65,0 Gew.-% Tantal enthält.
- Bauteil einer Gasturbine, insbesondere eines Gasturbinenflugtriebwerks, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe aus einem Werkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 besteht.
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