DE102016221470A1

DE102016221470A1 - Superlegierung ohne Titan, Pulver, Verfahren und Bauteil

Info

Publication number: DE102016221470A1
Application number: DE102016221470.5A
Authority: DE
Inventors: Magnus Hasselqvist; Christoph Heinze; Britta Laux; Michael Ott
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2016-11-02
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2018-05-03
Also published as: KR102274865B1; PL3512974T3; EP3512974B1; EP3512974A1; CA3042312C; JP2019537665A; US11414727B2; US20190249277A1; CN109906279A; KR20190080903A; WO2018083065A1; HUE056732T2; JP6833029B2; CA3042312A1

Abstract

Durch eine nickelbasierte Superlegierung ohne Titan oder ein entsprechendes Pulver liegt eine Legierung bzw. ein Pulver vor, das sich sehr gut verarbeiten lässt und dabei insbesondere für additive Fertigungsverfahren besonders bevorzugt verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Superlegierung ohne Titan, ein Pulver sowie ein Fertigungsverfahren, das die Legierung und das Pulver benutzt sowie ein Bauteil.
Alloy 247 ist eine Nickelbasis-Gusslegierung, die breite Anwendung im Bereich der Hochtemperaturturbinenkomponenten findet. Diese Legierung verfügt über einen hohen γ`-Anteil und dadurch gute Kriecheigenschaften in Kombination mit einer guten Oxidationsbeständigkeit. Allerdings tendiert die Legierung im gegossenen Zustand zu Seigerungen, die dazu führen, dass sich in den dendritischen und den interdendritischen Bereichen eine deutlich unterschiedliche γ/γ`-Struktur einstellt. Wünschenswert ist eine Morphologie wie sie in den dendritischen Bereichen vorliegt.
Die Seigerungen während der Erstarrung führen dazu, dass sich in den interdendritischen Bereichen hohe Konzentrationen an γ`-bildenden Elementen wie Titan (Ti) und Tantal (Ta) anreichern, die die γ`-Solvustemperatur lokal stark erhöhen. Dies kann auch durch ein anschließendes Lösungsglühen nicht behoben werden, da die γ`-Solvustemperatur in den interdendritischen Bereichen so hoch sein kann, dass kein Lösungsglühen ohne Anschmelzungen (Incipient melting) mehr möglich ist.
Die Bruttozusammsetzung der Legierung Alloy 247 ist so angelegt, dass sich in den dendritischen Bereichen eine optimale Struktur ergibt. Die vergröberten γ`-Ausscheidungen in den interdendritischen Bereichen nimmt man dabei als unvermeidbar in Kauf.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
Im Rahmen von ersten Versuchen, den Alloy 247 mittels additiver Verfahren zu verarbeiten, ist aufgefallen, dass sich auch nach vollständiger Wärmebehandlung (identisch zum Gussmaterial) kein optimales γ/γ`-Gefüge einstellt. Der Grund dafür liegt darin, dass nach dem additiven Auftrag eine weitgehend homogene Elementverteilung vorliegt. Die Seigerungseffekte, wie sie bei Gussmaterial auftreten, kommen bei dem additiv aufgebauten Material nicht vor. Allerdings zeigt sich, dass das Gefüge, das sich in dem additiv aufgebauten Material einstellt, nicht optimal ist. Der Vergleich mit dem Gussmaterial zeigt, dass die γ/γ`-Struktur ähnlich der in den Übergangsbereichen (dendritisch/interdendritisch) im Gussmaterial ist. Dies lässt darauf schließen, dass in der Bruttozusammensetzung der momentan genutzten Alloy247-Legierungen zu hohe Anteile an γ`-Bildnern vorliegen.
Bisher wurde für additive Fertigungsverfahren die gleiche chemische Zusammensetzung verwendet, wie sie auch im Gussmaterial vorliegt. Aufgrund des hohen γ`-Anteils ist diese Legierung jedoch nur sehr schlecht schweißbar und damit mittels additiver Verfahren schlecht verarbeitbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1, ein Pulver gemäß Anspruch 3, ein Verfahren gemäß Anspruch 4 und ein Bauteil gemäß Anspruch 5.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es wird vorgeschlagen, eine modifizierte Zusammensetzung des Alloy 247 zu verwenden. Dieser Werkstoff weist vorzugsweise kein Titan (Ti) bis auf Verunreinigungen auf sowie einen reduzierten Anteil an Tantal (Ta) (γ`-Bildner).
Weiterhin wurde der Anteil an Chrom (Cr) erhöht, so dass die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit noch weiter verbessert wird.
Optional können dem Werkstoff bis 0,03 Gew.-% Yttrium (Y) zur Verbesserung der zyklischen Oxidationsbeständigkeit zulegiert werden.
Vorteilhaft ist folgender Zusammensetzungsbereich (in Gew.- %): Ni: Rest, Cr: 9-16%, Co: 9-11,5%, W: 6,5-10,5%, Ta: 1-3%, Al: 4-6%, C: 0,03-0,1%, B: 0,005 - 0,015%, Hf: 0,3-1,5%, Zr: 0,005-0,015%, Y: 0-0,03%.
Vorteile für die nickelbasierte Superlegierung ergeben sich auch für folgende Bereiche (in Gew.-%):

Chrom (Cr): 12% - 14%,
Kobalt (Co): 9,5% - 11,0%,
Wolfram (W): 7,5% - 9,5%,
Tantal (Ta): 1,5% - 2,5%,
Aluminium (Al): 4,5% - 5,5%,
Kohlenstoff (C): 0,04% - 0,08%,
Bor (B): 0,007% - 0,01%,
Hafnium (Hf): 0,4% - 1,2%,
Zirkon (Zr): 0,007% - 0,01%,
optional Yttrium (Y): 0,01% - 0,03%.

Besondere Vorteile ergeben sich für die nickelbasierte Superlegierung mit diesen Werten (in Gew.-%):

Chrom (Cr): 12,5%,
Kobalt (Co): 10,5%,
Wolfram (W): 8,5%,
Tantal (Ta): 2%,
Aluminium (Al): 5%,
Kohlenstoff (C): 0,05%,
Bor (B): 0,009%,
Hafnium (Hf): 0,5%,
Zirkon (Zr): 0,009%,
optional Yttrium (Y):0% - 0,03%.

Vorteilhaft ist eine abschließende Legierungsauflistung von Ni, Cr, Co, W, Ta, Al, C, B, Hf, Zr und optional Y.
Der hier vorgeschlagene Werkstoff ist vollständig neu. Er kombiniert folgende Vorteile:

- bessere Schweißbarkeit und ist damit besser geeignet für additive Verfahren sowie zum Auftragsschweißen im Zuge von Reparaturen,
- optimierte γ`-Struktur durch Vergrößerung des Wärmebehandlungsfensters, dadurch optimierte Kriechbeständigkeit (γ/γ`-Struktur nach additivem Aufbau und vollständiger Wärmebehandlung sollte sich wie in den dendritischen Bereichen im Gussgefüge einstellen),
- verbesserte Wirtschaftlichkeit bei additiven Verfahren,
- wirtschaftliche Verarbeitbarkeit des Alloy 247 mittels additiver Verfahren,
- verbesserte Oxidationsbeständigkeit.

Das Pulver aus der Legierung kann optional Schmelzpunkterniedriger wie Gallium (Ga), Germanium (Ge), Silizium (Si), ... und/oder Hartstoff- oder Keramikpartikel aufweisen.

Claims

Nickelbasierte Superlegierung, die zumindest aufweist (in Gew.-%): Chrom (Cr): 9% - 16%, insbesondere 12% - 14%, ganz insbesondere 12,5%, Kobalt (Co): 9% - 11,5%, insbesondere 9,5% - 11,0%, ganz insbesondere 10,5%, Wolfram (W): 6,5% - 10,5%, insbesondere 7,5% - 9,5%, ganz insbesondere 8,5%, Tantal (Ta): 1% - 3%, insbesondere 1,5% - 2,5%, ganz insbesondere 2%, Aluminium (Al): 4% - 6%, insbesondere 4,5% - 5,5%, ganz insbesondere 5%, Kohlenstoff (C): 0,03% - 0,1%, insbesondere 0,04% - 0,08%, ganz insbesondere 0,05%, Bor (B): 0,005% - 0,015%, insbesondere 0,007% - 0,01%, ganz insbesondere 0,009%, Hafnium (Hf): 0,3% - 1,5%, insbesondere 0,4% - 1,2%, ganz insbesondere 0,5%, Zirkon (Zr): 0,005% - 0,015%, insbesondere 0,007% - 0,01%, ganz insbesondere 0,009%, optional Yttrium (Y):0% - 0,03%, insbesondere 0,01% - 0,03%, und insbesondere aus diesen Legierungselementen und Nickel als Matrix (Ni) besteht.
Nickelbasierte Legierung nach Anspruch 1, aufweisend kein Titan (Ti).
Pulver, zumindest aufweisend eine Legierung gemäß Anspruch 1 oder 2, insbesondere bestehend aus einer Legierung gemäß Anspruch 1 oder 2.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, bei dem oben genannte Legierung gemäß Anspruch 1 oder 2 oder ein Pulver gemäß Anspruch 3 verwendet wird, insbesondere ein Verfahren zur additiven Fertigung, ganz insbesondere Selektives Lasersintern oder Selektives Laseraufschmelzen.
Bauteil, aufweisend eine Legierung nach Anspruch 1 oder 2, oder hergestellt aus einem Pulver gemäß Anspruch 3, oder hergestellt durch ein Verfahren gemäß Anspruch 4.