DE102009037622B4

DE102009037622B4 - Legierung für mechanisch höchst belastete Bauteile

Info

Publication number: DE102009037622B4
Application number: DE200910037622
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Rösler Joachim; Dr. Mukherji Debashis; Martin Heilmaier; Manja Krüger
Original assignee: TECH UNI CAROLO WILHELMINA ZU BRAUNSCHWEIG; Technische Universitaet Braunschweig; Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Carolo-Wilhelmina Zu B De; Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2029-08-15
Also published as: DE102009037622A1

Abstract

Legierung, die als Hauptbestandteil Kobalt (Co) und als weitere Bestandteile mindestens Rhenium (Re), Chrom (Cr) und Bor (B) aufweist, wobei für den Gehalt Ci der weiteren Bestandteile gilt: CRe = 17 bis 30 Atomprozent, CCr = 23 Atomprozent, CB = 0,007 bis 7 Atomprozent.

Description

Die Erfindung betrifft eine Legierung, die als Hauptbestandteil Kobalt (Co) und als weitere Bestandteile mindestens Rhenium (Re), Chrom (Cr) und Bor (B) aufweist, wie sie für thermisch und mechanisch höchst belastete Bauteile verwendet werden kann. Beispielsweise in Gasturbinen und insbesondere für die Turbinenschaufeln.
Die heißesten und mechanisch am höchsten belasteten Bauteile in Flugtriebwerken und stationären Gasturbinen für die Stromerzeugung beispielsweise werden heute ausschließlich aus Nickel-Basis-Superlegierungen hergestellt. Eine solche Legierung ist beispielsweise in der EP 0 803 585 B1 beschrieben.
Insbesondere die Turbinenschaufeln sind einer hohen Belastung ausgesetzt. Aufgrund ihrer hohen Festigkeit werden Nickel-Basis-Superlegierungen bis zu Temperaturen von etwa 1150°C eingesetzt. Bereits bei ca. 1300°C beginnen solche Legierungen aufzuschmelzen, so dass es nicht möglich ist, deren Einsatztemperatur noch erheblich zu steigern. Die Materialien für Superlegierungen besitzen wünschenswerte Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit, Beständigkeit gegenüber thermischer Ermüdungsrestbildung und hoher Festigkeit.
Aus der EP 1 004 684 A1 ist eine Nickel-Basis-Superlegierung bekannt, die bis zu 15 Atomprozent Kobalt, bis zu 30 Atomprozent Chrom und bis zu 0,05 Atomprozent Bor und 7 Atomprozent Rhenium sowie weitere Legierungselemente aufweist.
Es hat sich herausgestellt, dass weitere Legierungselemente sinnvoll bzw. erforderlich sind, um eine hinreichende Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit sicherzustellen. Chrom und Silizium sind für die Oxidationsbeständigkeit gut geeignet, Chrom, Kohlenstoff, Tantal usw. für die Festigkeit.
Die US 4,119,458 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Nickel- oder Kobalt-Basis-Superlegierung, die 2 bis 9 Gew% Rhenium und weniger als 0,8 Gew% Titan. Optional können auch Bor oder Chrom in der Legierung enthalten sein, wobei der Chromgehalt bei den beschriebenen Legierungen deutlich unter 5% liegt.
Aus der US 5,916,518 A ist eine Kobalt-Basis-Lötlegierung bekannt, mit der Gasturbinen und dergleichen repariert werden können. Diese Legierung kann 0,001 bis 15 Gew% Rhenium und 0,001 bis Gew% Bor enthalten.
Biegeversuche haben gezeigt, dass Legierungen auf Kobalt-Rhenium-Basis bis zu Temperaturen von ca. 800°C spröde sind und deshalb für den Einsatz in Gasturbinen eigentlich nicht in Frage kommen.
Von dieser Problemstellung ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kobalt-Rhenium-Basis-Legierung zu schaffen, mit der das vorgenannte Problem des spröden Werkstoffsverhaltens vermieden werden kann und die Bruchdehnung bei den vorgenannten Temperaturen entsprechend erhöht wird.
Zur Problemlösung zeichnet sich die eingangs beschriebene Legierung dadurch aus, dass für den Gehalt an C_ie in Atomprozent gilt:
C_Re = 17–30%,
C_Cr = 23%,
C_B = 0,007–7%.
Durch die Zugabe der geringen Menge Bor nimmt die Bruchdehnung bei Raumtemperatur zu. Gleichzeitig verdoppelt sich nahezu die Festigkeit. Völlig überraschend stellt sich eine doppelt so große Festigkeit gegenüber der heute eingesetzten Nickel-Basis-Superlegierungen ein.
Wenn der Borgehalt C_B auf 0,03–0,075 Atomprozent eingestellt wird, wird eine sehr hohe Dehnung ohne Bruch erreicht. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass mit einem Borgehalt von 0,36 Atomprozent eine Dehnung von 5% ohne Probenbruch erreichbar ist und die Duktilität das Niveau der heute eingesetzten Nickel-Basis-Superlegierungen übersteigt. Die Festigkeit ist dennoch deutlich größer als bei einer borfreien Vergleichslegierung.
Ein ähnlicher Vorteil ist erzielbar, wenn der Borgehalt C_B mit 0,14 Atomprozent und ein Zirkongehalt von 0,17 Atomprozent in der Legierung eingestellt wird. Dabei gilt vorzugsweise, dass der Zirkongehalt auf C_Zr = 0,001–2 Atomprozent, insbesondere vorzugsweise auf C_Zr = 0,005–05 Atomprozent eingestellt wird.
Es hat sich als positiv herausgestellt, wenn Nickel als Legierungselement mit verwendet wird und für den Nickelgehalt C_Ni in Atomprozent gilt:
C_Ni = 5–30%
und insbesondere wenn gilt:
C_Ni = 15 oder 25%.
Gute Eigenschaften für eine Legierung in der Praxis haben sich ergeben, wenn der Borgehalt C_B auf 0,146; 0,364 oder 0,725 Atomprozent eingestellt wurde. Bei einer Legierung mit einem Borgehalt C_B von 0,146 Atomprozent hat sich weiterhin vorteilhaft erwiesen, wenn der Zirkongehalt C_Zr auf 0,072 oder 0,287 Atomprozent eingestellt wurde.
Vorzugsweise besteht die Legierung aus einer Matrix mit dichtest gepackter Kristallstruktur gemäß Pearson Symbol hP2 oder cF4.
Wenn in die Matrix Teilchen einer weiteren intermetallischen Phase eingelagert sind, deren Kristallstruktur durch das Pearsons Symbol tP30 gekennzeichnet ist werden die Eigenschaften der Legierung weiter verbessert.
Die Eigenschaften der Legierung können durch viele weitere Elemente verbessert werden. Zugesetzt werden können beispielsweise Si, TaNi, Hf, Y, La, C, N, Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Cu, Zn, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, W, Os, Ir, Pt, Au, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu.
Mit Hilfe einiger Diagramme soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert werden.

Zur Durchführung zur Untersuchung der Verfestigungsmechanismen wurden die in der nachfolgenden Tabelle aufgelisteten experimentellen Legierungen hergestellt, deren Zusammensetzung in Atomprozenten angegeben ist. Der Bor- und Zirkongehalt ist bei B und Zr zusätzlich in Gewichtsanteilen (ppm = parts per million) in Klammern angegeben.

Legierung	Co	Re	Cr	C	Ta	Si	Ni	B (ppm)	Zr (ppm)
Referenzlegierung	Rest	17	23
CoRe1	Rest	17	23	2.6
CoRe2	Rest	17	23	2.6	1.2
CoRe3	Rest	17	23	2.6		1.4
CoRe4	Rest	31	23
CoRe5	Rest	17	23				15
CoRe6	Rest	17	23				25
CoRe7	Rest	17	23					0.146 (200)
CoRe8	Rest	17	23					0.364 (500)
CoRe9	Rest	17	23					0.725 (1000)
CoRe10	Rest	17	23					0.146 (200)	0.072 (500)
CoRe11	Rest	17	23					0.146 (200)	0.287 (2000)
CoRe12	Rest	17
CoRe13	Rest	25

Für die Referenzlegierung wurden die in 1 ermittelten Spannungs-Dehnungskurven bei Raumtemperatur (RT), 538°C, 816°C und 1050°C ermittelt.
Es hat sich gezeigt, dass nicht nur die Duktilität verbessert werden konnte, sondern dass sich auch enorme Festigkeitswerte ergeben. Dies eröffnet weitere Anwendungsmöglichkeiten, z. B. für Turbinenscheiben. Bei diesen sind sehr hohe Festigkeiten bei Einsatztemperaturen bis heute 700°C, und zukünftig bestimmt 800°C, besonders gefragt und die Daten für die Co-Re-B Legierungen sind diesbezüglich besonders viel versprechend.
2 zeigt die interkristalline Bruchfläche der Referenzlegierung nach Biegeversuchen bei Raumtemperatur. Die Stabilität der Korngrenzen ist für die Hochtemperaturfestigkeit polykristalliner Legierungen ausschlaggebend. Mit der Erfindung hat sich herausgestellt, dass die Korngrenzen in Co-Re-B Legierungen eher stabil sind. Die Referenzlegierung versagte im Laufe der Biegeversuche bei Raumtemperatur wegen interkristalliner Brüche, was aus 2 deutlich ersichtlich ist.
3 zeigt die Bruchoberfläche nach Biegeversuchen an der Legierung Co-Re-7 (+200 ppm Bor), also der Referenzlegierung, der 0,2 Gewichtsprozent Bor zugemischt wurde, bei Raumtemperatur. Ein transkristalliner Matrixbruch und Spaltbruch an der σ-Phase, sind deutlich zu erkennen.
Um die Gründe der interkristallinen Brüche heraus zu finden, wurden Bor und Zirkon in Anteilen bis zu 2000 ppm der Referenzlegierung zulegiert.
In 4 bis 7 sind die Spannungs-Dehnungskurven für die Biegeversuche bei Raumtemperatur und bei hohen Temperaturen für einen variierten Bor- und Zirkon-Anteil zusammengefasst, wobei die Angaben der Zugaben in Gewichtsanteilen erfolgen.
Es hat sich herausgestellt, dass durch das Zulegieren von Bor und Zirkon eine Korngrenzenverfestigung eintritt. Allein das Zulegieren von 200 ppm Bor ergibt eine bedeutende Erhöhung der Legierungsduktilität und verdoppelt fast ihren Fließwiderstand bei Raumtemperatur. Diese Tendenz bleibt auch bei hohen Temperaturen bestehen. Bei 816°C und 1050°C spielt aber auch der Zirkongehalt C_Zr eine bedeutende Rolle.

Claims

Legierung, die als Hauptbestandteil Kobalt (Co) und als weitere Bestandteile mindestens Rhenium (Re), Chrom (Cr) und Bor (B) aufweist, wobei für den Gehalt C_i der weiteren Bestandteile gilt: C_Re = 17 bis 30 Atomprozent, C_Cr = 23 Atomprozent, C_B = 0,007 bis 7 Atomprozent.
Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Bor von C_B = 0,03 bis 0,075 Atomprozent.
Legierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Zirkon von C_Zr = 0,001 bis 2 Atomprozent.
Legierung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Zirkon von C_Zr = 0,005 bis 0,5 Atomprozent.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Nickel von C_Ni = 5 bis 30 Atomprozent.
Legierung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Nickel von C_Ni = 15 Atomprozent.
Legierung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Nickel von C_Ni = 25 Atomprozent.
Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Bor von C_B = 0,146 Atomprozent.
Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Bor von C_B = 0,364 Atomprozent.
Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Bor von C_B = 0,725 Atomprozent.
Legierung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Zirkon von C_Zr = 0,072 Atomprozent.
Legierung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Zirkon von C_Zr = 0,287 Atomprozent.
Legierung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, bestehend aus einer Matrix mit dichtest gepackter Kristallstruktur gemäß Pearson Symbol hP2.
Legierung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, bestehend aus einer Matrix mit dichtest gepackter Kristallstruktur gemäß Pearson Symbol cF4.
Legierung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass in die Matrix Teilchen einer weiteren intermetallischen Phase eingelagert sind, deren Kristallstruktur durch das Pearson Symbol tP30 gekennzeichnet ist.