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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein Metalle und Metalllegierungen, die
bei Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden. Mehr im Einzelnen
betrifft die Erfindung Niob-Silizium-Zusammensetzungen,
die für
verschiedene Turbinentriebwerkskomponenten zweckmäßig sind.
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Verschiedene
Arten von Metallen und Metalllegierungen werden für Hochtemperatureinrichtungen, z.B.
Triebwerksturbinen und andere Maschinen verwendet. Die Wahl eines
speziellen Metalls hängt
zum großen
Teil von der erwarteten Temperaturbeanspruchung der jeweiligen Komponente
gemeinsam mit anderen speziellen Anforderungen an die Komponente
ab – wie
Festigkeit, Kriechfestigkeit, Oxidationsfestigkeit, Widerstandsfestigkeit
gegen Umwelteinflüsse,
Gewichtsanforderungen und dergleichen.
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Gasturbinentriebwerke
bieten ein gutes Beispiel dafür,
wie Anforderungen an Komponenten innerhalb eines einzigen (wenngleich
komplexen) Gerätes
variieren können.
Bei einem typischen Gasturbinentriebwerk wird Luft in einem Kompressor
verdichtet und mit Brennstoff vermischt und sodann in einer Brennkammer
gezündet,
um heiße
Verbrennungsgase zu erzeugen. Die Gase strömen stromabwärts durch
eine Hochdruckturbine (HPT) mit einer oder mehreren Stufen, einschließlich einer
Turbinendüse
und Rotorschaufeln. Sodann strömen
die Gase in eine Niederdruckturbine (LPT), die typischerweise mehrstufig ausgebildet
ist, mit zugehörigen
Turbinendüsen
und Rotorschaufeln. Oft sind nickelbasierte Superlegierungen (superalloys)
die Materialien der Wahl für
die „heißen" Abschnitte der Turbine,
in denen Metalltemperaturen bis zur etwa 1150°C typisch sind. Titanlegierungen,
die oftmals leichter als die Nickellegierungen sind, werden häufig in
den Kompressor-(Verdichter)abschnitten der Turbinentriebwerke eingesetzt,
in denen die Temperaturen niedriger sind, d.h. unter etwa 600°C liegen.
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Mit
steigenden Turbinentriebwerkstemperaturen zur Befriedigung höherer Ansprüche an den
Wirkungsgrad wurden neue Materialen für Umgebungen mit höheren Temperaturen
entwickelt. Beispiele sind die hitzebeständigen Metall/ Intermetallverbundwerkstoffe
(RMIC). Viele dieser Materialen sind auf Niob (Nb)) und Silizium
(Si) basiert und sind beispielsweise in den US-Patentschriften 5,932,033
(Jackson and Bewlay); 5,942,055 (Jackson and Bewlay); und 6,419,765
(Jackson, Bewlay und Zhao) beschrieben.
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Die
RMIC-Verbundwerkstoffe haben in der Regel eine Mehrphasenmikrostruktur.
Die Mikrostruktur kann z.B. eine metallische Nb-Basis-Phase und
eine oder mehrere intermetallische Metallsilizidphasen aufweisen.
Wie in der US-Patentschrift 5,833,773 (Bewlay and Jackson) beschrieben,
beinhaltet die Metallsilizidphase gelegentlich ein M3Si-Silizid
und ein M5Si3-Silizid,
wobei M Nb, Ti oder Hf bedeutet. Die Materialien werden als Verbundwerkstoffe
betrachtet, die Silizide hoher Festigkeit und niedriger Zähigkeit
mit einer Nb-basierten Metallphase
niedriger Festigkeit und höherer
Zähigkeit
kombinieren. Sie weisen häufig
eine Schmelztemperatur von bis zu 1700°C auf und verfügen im Vergleich
zu vie len Nickellegierungen über
eine verhältnismäßig niedere
Dichte. Diese charakteristischen Eigenschaften machen derartige
Materialien vielversprechend für den
möglichen
Einsatz bei Anwendungen, bei denen die Temperaturen die normalen
Einsatzgrenzen der nickelbasierten Superlegierungen übersteigen.
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Wie
oben erwähnt,
erfordern einige Abschnitte des Turbinentriebwerks nicht die besonderen
Hochtemperatureigenschaften, wie sie viele der Niob-Silizium Legierungen
aufweisen. Beispielsweise die Niederdruckturbinentriebwerkabschnitte
sind häufig
nur Temperaturen in dem Bereich von etwa 600°C-1000°C ausgesetzt. Wenngleich diese
Temperaturanforderungen nicht so anspruchsvoll sind, wie dies im
Falle der heißen
Abschnitte der Turbine der Fall ist, können andere Eigenschaften der
Komponenten eine größere Bedeutung
gewinnen. Zum Beispiel können
die Niederdruck-Turbinenkomponenten höhere Schadentoleranzanforderungen stellen,
als sie durch Verwendung der typischen Niob-Silizid Legierungen
erfüllt
werden können,
die für
die Anwendungen in den heißen
Abschnitten vorgesehen sind. Darüberhinaus
können
die Niedertemperaturkomponenten zusammen mit anderen Eigenschaften
wie Oxidationsfestigkeit und Kriechfestigkeit eine mechanische Festigkeit
auf verhältnismäßig hohem
Niveau erfordern.
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Es
ergibt sich somit, dass neue Niob-Silizid Legierungen, die einen
zweckentsprechenderen Abgleich der Eigenschaften für ausgewählte temperaturabhängige Anwendungen
aufweisen, erwünscht
wären.
Die Zusammensetzungen sollten hinsichtlich einer oder mehrerer Eigenschaften,
wie Festigkeit, Duktilität
und Kriechfestigkeit, gute Ergebnisse bei Zwischenbetriebstemperaturen,
z.B. bei etwa 600°C-1000°C aufweisen.
Darüberhinaus
sollten die Zusammensetzungen leichter sein als viele der nickelbasierten
Superlegierungen, die bei den LPT und HPT Betriebstemperaturen eingesetzt
werden.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung betrifft eine hitzebeständige Zusammenstellung, die
Niob und Silizium enthält.
Die Menge des vorliegenden Silizium ist kleiner als etwa 9 Atom%,
bezogen auf Gesamtatom% für
die Zusammensetzung. Bei einigen Ausführungsformen ist die Zusammensetzung
durch eine Mikrostruktur gekennzeichnet, die eine metallische Nb-basierte
Phase und wenigstens eine Metallsilizidphase der Formel M3Si oder M5Si3 aufweist, wobei M wenigstens ein Element
ist, das aus der Gruppe ausgewählt
ist, die aus Nb, Hf, Ti, Mo, Ta, W, einem Metall der Platingruppe
und Kombinationen davon besteht.
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Eine
andere Ausführungsform
bezieht sich auf eine Turbinentriebwerkskomponente (z.B. eine Gasturbine,
wie sie hier beschrieben ist). Die Komponente weist eine Legierung
aus Niob und Silizium auf, wobei der Anteil des vorliegenden Silizium
kleiner ist als etwa 9 Atom%, bezogen auf Gesamtatom%. (So wie hier
verwendet, soll „Legierung" eine feste oder
flüssige
Mischung von zwei oder mehreren Metallen oder von einem oder mehreren
Metallen mit einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen bedeuten).
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Weitere
Einzelheiten bezüglich
der verschiedenen Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der übrigen Beschreibung.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße hitzebeständige Zusammensetzung
enthält
Niob und Silizium. Silizium liegt mit weniger als etwa 9 Atom%,
bezogen auf Gesamtatom%, in der Zusammensetzung vor. Bei einigen
Ausführungsformen
beträgt
der Anteil des vorliegenden Siliziums wenigstens etwa 0,5 Atom%.
Darüberhinaus
liegt bei anderen bevorzugten Ausführungsformen Silizium in dem
Bereich von etwa 1 Atom% bis etwa 8,5 Atom% und meistens etwa 5
Atom% bis etwa 8,5 Atom% vor. Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen
liegt das Silizium aber in einem Bereich von etwa 1 Atom% bis etwa
5 Atom% vor. Im Allgemeinen scheint das Vorliegen dieser verhältnismäßig kleinen
Siliziumanteile bei ausgewählten
Turbinenkomponentenanwendungen zu beträchtlichen Verbesserungen in
der Duktilität
und der „Schadenstoleranz" der Komponenten
zuführen,
wenn diese in Zwischentemperaturbereichen, z.B. etwa 600°C bis etwa
1000°C eingesetzt
werden.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
enthält
die hitzebeständige
Zusammensetzung außerdem
wenigstens ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist,
die aus Titan, Hafnium, Chrom und Aluminium besteht. Die Auswahl
und die jeweils gewählte
Menge jedes dieser Elemente hängt
von verschiedenen Faktoren ab. In der Regel sind aber die Leistungsanforderungen
bei einem bestimmten Endgebrauch von ausschlaggebender Bedeutung.
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Titan
wird üblicherweise
verwendet, um die Oxidationsfestigkeit bei hohen Temperaturen zu
verbessern. Das Vorliegen von Ti kann auch die intrinsische Duktilität der Metallphase
verbessern. Wenn vorhanden, liegt das Niveau von Ti üblicherweise
in dem Bereich von etwa 5 Atom% bis etwa 45 Atom%, basierend auf Gesamtatom%
bei der Zusammensetzung. In einigen bevorzugten Ausführungsformen
liegt Ti in einem Maß in
dem Bereich von etwa 10 Atom% bis etwa 30 Atom% vor. Darüberhinaus
liegt bei einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen Ti in einem Maß in dem
Bereich von etwa 15 Atom% bis etwa 25 Atom% vor.
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Hafnium
kann als Mischkristallverstärker
der Nb-basierten Metallphase dienen. Hf kann außerdem die innere Oxidation
der Metallphase reduzieren und außerdem die Kriecheigenschaften
verbessern. Wenn vorhanden, liegt das Maß von Hf normalerweise in dem
Bereich von etwa 1 Atom& bis
etwa 20 Atom%, bezogen auf Gesamtatom% bei der Zusammensetzung.
Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen
liegt Hf in einem Maß in
dem Bereich von etwa 2 Atom% bis etwa 15 Atom% vor. Bei einigen
besonders bevorzugten Ausführungsformen
liegt das Maß von
Hf zwischen etwa 2 Atom% bis etwa 10 Atom%.
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Chrom
ist normalerweise zur Verbesserung der Oxidationsfestigkeit vorhanden.
Bei diesen Niob-Silizium Zusammensetzungen kann das Vorliegen von
Cr die Ausbildung einer siliziummodifizierten chrombasierten Laves-Phase
befördern,
wie dies in der US-Patentschrift 5,942,055 (Jackson et al) beschrieben
ist, die durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist. Das Vorhandensein
der Laves-Phase kann hinsichtlich der Oxidationsfestigkeit eine
gewünschte
Eigenschaft sein.
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Wenn
es vorliegt, liegt das Maß von
Cr üblicherweise
in dem Bereich von etwa 1 Atom% bis etwa 25 Atom%, bezogen auf Gesamtatom%
bei der Zusammensetzung. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen liegt
Cr in einem Maß in
dem Bereich von etwa 5 Atom% bis etwa 15 Atom% vor. Darüberhinaus
liegt bei einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen Cr in einem Maß in dem
Bereich von etwa 5 Atom% bis etwa 10 Atom% vor.
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Wie
oben erwähnt,
kann auch Aluminium in den Niob-Silizium Zusammensetzungen vorhanden
sein. Al kann ebenfalls die Oxidationsfestigkeit verbessern. Wenn
vorhanden, liegt das Maß von
Al üblicherweise
in dem Bereich von etwa 1 Atom% bis etwa 20 Atom%, bezogen auf Gesamtatom%
bei der Zusammensetzung. In einigen bevorzugten Ausführungsformen
liegt Al in einem Maß in
dem Bereich von etwa 5 Atom% bis etwa 15 Atom% vor. Bei einigen
der besonders bevorzugten Ausführungsformen
liegt Al in einem Maß in
dem Bereich von etwa 5 Atom% bis etwa 10 Atom% vor.
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In
einigen Fällen
weist die hier beschriebene hitzebeständige Zusammensetzung außerdem wenigstens
ein Metall der Platingruppe auf. So wie hier verwendet, bedeutet
der Ausdruck „Metall
der Platingruppe" das
Folgende: Rhenium (Re), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platin (Pt),
Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh) und Palladium (Pd). Die Metalle der
Platingruppe können
zur Verbesserung verschiedener Eigenschaften verwendet werden, wie
Festigkeit (z.B. Zugfestigkeit, Oxidationsfestigkeit), Verformbarkeit,
Duktilität,
Zähigkeit,
Ermüdungsfestigkeit
und Kriechfestigkeit.
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Der
Anteil des Metalls der Platingruppe kann signifikant variieren,
abhängig
von den Anforderungen der Endverwendung, bspw. hinsichtlich der
oben erwähnten
Eigenschaften. Das Metall der Platingruppe liegt üblicherweise
in dem Bereich von etwa 1 Atom% bis etwa 30 Atom% vor. Bei einigen
bevorzugten Ausführungsformen
ist das Metall der Platingruppe in einem Maß von etwa 1 Atom% bis etwa
25 Atom% vorhanden. Bei einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen
liegt der Bereich zwischen etwa 1 Atom% bis etwa 15 Atom%.
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Eine
bevorzugte Gruppe der Metalle der Platingruppe enthält Pt, Re
und Ru. Re und Ru sind gelegentlich von besonderem Interesse und
zwar wegen ihrer Fähigkeit
diese Niedrigsilizium-Zusammensetzungen in ihrer Festigkeit wesentlich
zu verbessern, wobei sie eine akzeptable Duktilität ergeben.
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Rhenium
ist ein besonders bevorzugtes Metall der Platingruppe für einige
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Ein zweckentsprechendes Maß von Rhenium
hängt von
den im Vorstehenden erläuterten Faktoren
ab. Wenn verwendet, liegt Re normalerweise in einem Maß von bis
zu etwa 20 Atom% vor, bezogen auf Gesamtatom%, bei der hitzebeständigen Zusammensetzung.
Ein bevorzugter Bereich von Re liegt bei vielen Ausführungsformen
bei etwa 1 Atom% bis etwa 15 Atom%. Ein besonders bevorzugter Bereich
erstreckt sich von etwa 1 Atom% bis etwa 12 Atom%.
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Bei
einigen Ausführungsformen
enthält
die hitzebeständige
Zusammensetzung außerdem
wenigstens ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist,
die aus Wolfram (W), Tantal (Ta) und Molybdän (Mo) besteht. Diese Elemente
sind oft hilfreich zur Verbesserung der Zugfestigkeit der metallischen
Phase und der Kriechfestigkeit sowohl der metallischen Phase als
auch der intermetallischen Phase. Ihr Vorhandensein kann aber auch
zu einem schwereren Legierungsprodukt, insbesondere im Fall von
Tantal und Wolfram, führen.
Davon abgesehen, können
diese Legierungen aber bei bestimmten Anteilen die Oxidationsfestigkeit
ungünstig
beeinflussen. Demgemäß hängt der
richtige Anteil dieser Elemente von einer Anzahl verschiedener Anforderungen beim
Endgebrauch ab.
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W,
Ta und Mo liegen üblicherweise
jeweils in einem Einzelanteil von weniger als etwa 30 Atom%, bezogen
auf Gesamtatom% bei der Zusammensetzung vor. Bei bevorzugten Ausführungsformen
sind sie in einem Anteil in dem Bereich von etwa 1 Atom% bis etwa
25 Atom% vorhanden. Bei einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen
liegen sie einzeln jeweils in einem Anteil in dem Bereich von etwa
1 Atom% bis etwa 20 Atom% vor. Als Gruppe beträgt ihr Gesamtanteil üblicherweise
weniger als 40 Atom% und häufiger weniger
als etwa 30 Atom%.
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Bei
einigen Ausführungsformen
enthält
die hitzebeständige
Zusammensetzung außerdem
wenigstens ein Element der seltenen Erden, d.h. Lanthan, Cer, Praseodym,
Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium,
Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium. (Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung
wird Yttrium auch als Teil der Gruppe der seltenen Erden betrachtet).
Die Elemente der seltenen Erden können die Oxidationsfestigkeit
weiter verbessern (d.h. die innere Oxidationsfestigkeit) ebenso
wie das Haftvermögen
des Oxidbelags an der Stammkomponente. Sie können außerdem die Duktilität verbessern.
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Die
Elemente der seltenen Erden werden üblicherweise in verhältnismäßig kleinen
Anteilen verwendet, z.B. mit weniger als etwa 10 Atom% bezogen auf
Gesamtatom% bei der Zusammensetzung. Bei bevorzugten Ausführungsformen
liegt jedes seltene Erdenelement, wenn es vorhanden ist, in einem
Anteil in dem Bereich von etwa 0,1 Atom% bis etwa 5 Atom% vor. Für einige
Ausführungsformen
bevorzugte seltene Erdenelemente sind Yttrium, Terbium, Dysprosium
und Erbium.
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Auch
weitere Elemente können
in der hitzebeständigen
Zusammensetzung enthalten sein. Zu Beispielen dafür gehören wenigstens
ein Element aus Bor (B), Kohlenstoff (C), Germanium (Ge), Zirkonium
(Zr), Vanadium (V), Zinn (Sn), Stickstoff (N), Eisen (Fe) oder Indium
(In). Diese Elemente werden üblicherweise
(individuell) in Anteilen in dem Bereich von etwa 0,1 Atom% bis
etwa 15 Atom% bezogen auf Gesamtatom% bei der Zusammensetzung verwendet,
wenngleich der Anteil von Zr eine Größe von etwa 20 Atom% erreichen kann.
Das Vorliegen dieser Elemente verbessert eine oder mehre Eigenschaften.
Beispielweise kann ein Interstitialelement wie B die Oxidationsfestigkeit
verbessern, wie dies auch V kann. Darüberhinaus kann C die Kriechfestigkeit
ebenso wie die Zugfestigkeit verbessern. Die Zugabe von N kann zur
Stabilisierung einer Nb5Si3-Phase
in der Legierung beitragen, wie dies in der anhängigen US-Patentanmeldung S.N.
10/932,128 (RD-27,311-1)
beschrieben ist. (Diese Patentanmeldung wurde am 1. September 2004
für Bernard
Bewlay et al eingereicht und wird durch Bezugnahme hier mit aufgenommen).
Einige diese Elemente können
auch den Temperatur-Stabilitätsbereich
einer oder mehrerer Phasen in dem hitzebeständigen Produkt anheben.
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Nicht
beschränkende
beispielhafte Bereiche können
für diese
Elemente, basiert auf Gesamtatomgewicht in der Zusammensetzung,
angegeben werden:
B: Bis zu etwa 9 Atom%;
C: Bis zu etwa
9 Atom%;
Ge: Bis zu etwa 12 Atom%;
Zr: Bis zu etwa 15
Atom%;
V: Bis zu etwa 7 Atom%;
Sn: Bis zu etwa 6 Atom%;
N:
Bis zu etwa 10 Atom%;
Fe: Bis zu etwa 12 Atom%; und
In:
Bis zu etwa 6 Atom%;
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Es
liegt auf der Hand, dass geringfügige
Mengen anderer Elemente als Verunreinigungsanteile unvermeidbar
vorhanden sind, z.B. in handelsüblich
gelieferten Legierungen oder zufolge von Verarbeitungstechniken.
Diese Zusätze
auf dem Verunreinigungsniveau können
auch als Teil der Erfindung betrachtet werden so lange sie nicht
die Eigenschaften der hier beschriebenen Zusammensetzungen verschlechtern.
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Die
Tabelle 1 listet einige der spezielleren Zusammensetzungen auf,
die im Rahmen der Erfindung liegen und die bei einigen Ausführungsformen
bevorzugt sind. Alle Mengen sind in Atom% angegeben, basierend auf
100 Atom% für
die gesamte Zusammensetzung. (Darüberhinaus können die Zusammensetzungen
auch andere Elemente enthalten). Tabelle
1
| (I)
Si- | etwa
1% bis etwa 8,5% |
| Ti- | etwa
10% bis etwa 30% |
| Cr- | etwa
1% bis etwa 25% |
| Al- | etwa
1% bis etwa 20% |
| PGM | etwa
1% bis etwa 15% (Gesamtheit der PGM) |
| W,
Ta, Mo- | etwa
2% bis etwa 10% (Gesamtheit W, Ta, Mo) |
| Nb- | Rest |
| (II)
Si- | etwa
1% bis etwa 8,5% |
| Ti- | etwa
10% bis etwa 30% |
| Hf- | etwa
1% bis etwa 10% |
| Cr- | etwa
1% bis etwa 25% |
| Al- | etwa
1% bis etwa 20% |
| PGM | etwa
1% bis etwa 15% (Gesamtheit der PGM) |
| W,
Ta, Mo- | etwa
2% bis etwa 10% (Gesamtheit W, Ta, Mo) |
| Nb- | Rest |
| (III)
Si- | etwa
1% bis etwa 8,5% |
| Ti- | etwa
15% bis etwa 25% |
| Cr- | etwa
2% bis etwa 15% |
| Al- | etwa
2% bis etwa 15% |
| PGM | etwa
1% bis etwa 12% |
| Nb- | Rest |
| (IV)
Si- | etwa
2% bis etwa 8,5% |
| Ti- | etwa
12% bis etwa 30% |
| Cr- | etwa
5% bis etwa 10% |
| Al- | etwa
5% bis etwa 10% |
| Zr- | etwa
2% bis etwa 15% |
| Fe- | etwa
0,1% bis etwa 5% |
| Re- | etwa
1% bis etwa 12% |
| Sn- | etwa
0,1% bis etwa 6% |
| C- | etwa
0,1% bis etwa 5% |
| Nb- | Rest |
| (V)
Si- | etwa
2% bis etwa 8,5% |
| Ti- | etwa
12% bis etwa 30% |
| Hf- | etwa
1% bis etwa 10% |
| Cr- | etwa
5% bis etwa 10% |
| Al- | etwa
5% bis etwa 10% |
| Zr- | etwa
2% bis etwa 15% |
| Fe- | etwa
0,1% bis etwa 5% |
| Re- | etwa
1% bis etwa 12% |
| Sn- | etwa
0,1% bis etwa 6% |
| C- | etwa
0,1% bis etwa 5% |
| Nb- | Rest |
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Wie
im Vorstehenden erwähnt,
sind die erfindungsgemäßen hitzebeständigen Zusammensetzungen (d.h.
in Legierungsform) gelegentlich durch eine Mehrphasenmikrostruktur
gekennzeichnet. Die Mikrostruktur enthält allgemein eine metallische
Nb-Basisphase und wenigstens eine Metallsilizidphase der Formel
M3Si oder M5Si3, worin M wenigstens ein Element ist, das
aus der Gruppe ausgewählt
ist, die aus Nb, Hf, Ti, Mo Ta, W, einem Metall der Platingruppe
und deren Kombinationen besteht. Häufig enthält die Metallsilizidphase eine Nb3Si-Phase
oder eine Nb5Si3-Phase
oder eine Kombination der beiden Phasen. Einige der hier beschriebenen
Legierungen beinhalten auch außerdem
weitere Phasen. Beispielsweise können
sie außerdem
eine mit Silizium modifizierte chrombasierte Laves-Typ-Phase enthalten.
Eine solche Phase fördert
die Oxida tionsfestigkeit, wie dies in der US-Patentschrift 5,932,033
(Jackson und Bewlay) beschrieben ist, die durch Bezugnahme hier
mit aufgenommen ist.
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Die
Auswahl von Phasen und Elementbestandteilen in aus hitzebeständigen Zusammensetzungen hergestellten
Legierungen zielt darauf, einen Abgleich von Eigenschaften zu erreichen,
die für
eine spezielle Endgebrauchsanwendung wichtig sind. Die wichtigsten
Eigenschaften wurden im Vorstehenden erwähnt, z.B. Festigkeit (Bruchfestigkeit
und Reißfestigkeit),
Zähigkeit,
Dichte, Oxidationsfestigkeit und Kriechfestigkeit. Wie in der US-Patentschrift
5,833,773 beschrieben, teilen sich alle der vorerwähnten Elemente
in jeweils unterschiedlichem Maße
zwischen verschiedenen Phasen der Legierung auf.
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Verfahren
zur Zubereitung der erfindungsgemäßen hitzebeständigen Zusammensetzungen
und Legierungen sind an sich im Allgemeinen bekannt. Nicht beschränkende Darstellungen
von Zubereitungstechniken sind bspw. in den folgenden Patentschriften
enthalten:
US 6,419,765 (Jackson
et al);
US 5,833,773 (Bewlay
et al) und
US 5,741,376 (Subramanian
et al), die alle durch Bezugnahme hiermit aufgenommen sind. Häufig werden
die Legierungsbestandteile in elementarer Form durch Schmelzen in
einem Tiegel mittels einer geeigneten Technik miteinander kombiniert,
wie etwa durch Lichtbogenschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen, Plasmaschmelzen
und Induktionsbrammenbärschmelzen
(skull melting). Es können
jedoch auch andere Techniken (oder Kombinationen von Techniken)
zur Zubereitung der Legierungszusammensetzungen verwendet werden.
So können
z.B. Pulvermetallurgietechniken, wie Mahlen oder Zerstäuben (z.B.
Gasatomisierung), wie auch Dampfablagerung eingesetzt werden.
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Das
Legierungsprodukt kann mittels einer Anzahl unterschiedlicher Techniken
weiterverarbeitet und in einen jeweils gewünschten Gegenstand umgeformt
werden. So kann z.B. ein geschmolzenes Legierungsprodukt in eine
geeignete Vorrichtung gegossen werden. Formeinrichtungen zum Gießen sind
an sich bekannt. Ein Beispiel dafür liefert die US-Patentschrift
6,676,381 (Subramanian et al), die durch Bezugnahme hiemit eingeschlossen
ist. Es können
auch viele Gusstechniken angewandt werden. Darüberhinaus stehen dem Fachmann
viele verschiedene Durchführungsdetails
für eine
spezielle Gusstechnik zur Verfügung.
Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen
wird das geschmolzene Metall durch eine gerichtete Erstarrungstechnik
(DS) in den festen Zustand überführt. DS
Techniken sind an sich bekannt (z.B. die Bridgman Technik) und bspw.
in den US-Patentschriften 6,059,015 und 4,213,497 (Sawyer) beschrieben,
die durch Bezugnahme hier mit eingeschlossen sind.
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Außerdem kann
eine Vielzahl verschiedener anderer Techniken (jeweils allein oder
in Kombination) zur Weiterverarbeitung der Legierungsprodukte verwendet
werden. Zu nicht beschränkenden
Beispielen gehören
Extrusion (z.B. Heißextrusion),
Schmieden, isostatisches Heißpressen
und Walzen. Der Fachmann kennt Einzelheiten zu zweckentsprechenden
Wärmebehandlungen
der Legierungen.
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Die
hitzebeständigen
Zusammensetzungen mit niedrigem Siliziumanteil können zu einer Vielzahl verschiedener
Komponenten geformt werden. Viele davon können auch in Turbinen, z.B.
ortsfesten Turbinen, Schiffsturbinen und Flugzeugturbinen verwendet
werden, wenngleich auch Anwendungen auf dem Nichtturbinengebiet
möglich
sind. Diese Komponenten können
in großem
Maße Vorteil
aus den Verbesserungen hinsichtlich der Festigkeit, der Duktilität und der
Kriechfestigkeit bei ausgewählten
Betriebstemperaturen ziehen. Demgemäß betrifft eine weitere Ausführungsform
der Erfindung solche Komponenten. Spezielle nicht beschränkende Beispiele
der Turbinenkomponenten sind Laufschaufeln, Düsen, Schaufelblätter, Rotoren,
Leitschaufeln, Statoren, Gehäuse
und Brennkammern.
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Wenngleich
zum Zwecke der Veranschaulichung bevorzugte Ausführungsformen erläutert wurden,
so ist die vorstehende Beschreibung doch nicht als eine Beschränkung des
Rahmens der Erfindung zu verstehen. Demgemäß kann der Fachmann verschiedene
Abwandlungen, Anpassungen und Alternativen auffinden ohne den Bereich
des in den Patentansprüchen
beanspruchten erfinderischen Konzepts zu verlassen. Alle Patente, Patenanmeldungen
(einschließlich
vorläufiger
Patentanmeldungen), Artikel und Texte, die im Vorstehenden erläutert wurden,
werden durch Bezugnahme hiermit mit eingeschlossen.