DE102017007106A1 - Hochtemperatur-Nickelbasislegierung - Google Patents
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Abstract
Hochtemperatur-Nickelbasislegierung bestehend aus (in Gew.-%):C 0,04 - 0,1 %S max. 0,01 %N max. 0,05 %Cr 19-28%Mn max. 0,6 %Si max. 0,3 %Mo > 0 - 6%Ti 0,5 - 3 %Nb max. 0,1 %Cu max. 0,2 %Fe max. 0,7 %P max. 0,015 %Al 0,5 - 2 %Mg max. 0,01 %Ca max. 0,01 %V max. 0,5 %Zr max. 0,1 %W > 0 - 2%Co 17 - 21 %B max. 0,01 %O max. 0,01 %Ni Rest sowie erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Nickelbasislegierung.
- Der Werkstoff C263 (Nicrofer 5120 CoTi) kommt unter anderem als Werkstoff für Hitzeschilde in Turboladern oder Automotoren zur Anwendung. Der Hitzeschild trennt innerhalb des Turboladers die Verdichte- von der Turbinenseite und wird direkt vom heißen Abgas angeströmt. Da die Abgastemperaturen, insbesondere in den Otto-Motoren, immer höher werden, kann es zum Versagen der Bauteile, beispielsweise in Form von Deformationen kommen, was zu einem beträchtlichen Leistungsabfall des Turboladers führt.
- Die Abgastemperaturen können bis zu 1.050°C betragen, wobei die am Hitzeschild ankommenden Temperaturen bei etwa 900 bis 950°C liegen. Bei diesen Temperaturen ist der C263-Werkstoff nicht mehr kriechfest. Die allgemeine Zusammensetzung des Werkstoffs C263 wird wie folgt (in Gew.-%) widergegeben: Cr 19,0 - 21,0 %, Fe max. 0,7 %, C 0,04 - 0,08 %, Mn max. 0,6 %, Si max. 0,4 %, Cu max. 0,2 %, Mo 5,6 - 6,1 %, Co 19,0 - 21,0 %, Al 0,3 - 0,6 %, Ti 1,9 - 2,4 %, P max. 0,015 %, S max. 0,007 %, B max. 0,005 %.
- Der
DE 100 52 023 C1 ist eine austenitische Nickel-Chrom-Kobalt-Molybdän-Wolfram-Legierung zu entnehmen, beinhaltend (in Masse-%) C 0,05 - 0,10 %, Cr 21 - 23 %, Co 10 -15 %, Mo 10 - 11 %, Al 1,0 - 1,5 %, W 5,1 - 8,0 %, Y 0,01-0,1 %, B 0,001 - 0,01 %, Ti max. 0,5 %, Si max. 0,5 %, Fe max. 2 %, Mn max. 0,5 %, Ni Rest einschließlich unvermeidbarer erschmelzungsbedingter Verunreinigungen. Der Werkstoff kann eingesetzt werden für Verdichter und Turbolader von Verbrennungskraftmaschinen, Bauteilen von Dampfturbinen, Bauteilen von Gas- und Dampfturbinenkraftwerken. - Die
EP 1 466 027 B1 offenbart eine hochtemperaturfeste und korrosionsbeständige Ni-Co-Cr-Legierung, beinhaltend (in Gew.-%): Cr 23,5 - 25,5 %, Co 15,0 - 22,0 %, Al 0,2 - 2,0 %, Ti 0,5 - 2,5 %, Nb 0,5 - 2,5 %, bis zu 2,0 % Mo, bis zu 1,0 % Mn, Si 0,3 - 1,0 %, bis 3,0 % Fe, bis zu 0,3 % Ta, bis 0,3 % W, C 0,005 - 0,08 %, Zr 0,01 - 0,3 %, B 0,001 bis 0,01 %, bis zu 0,05 % Seltene Erden als Mischmetall, Mg + Ca 0,005 - 0,025 %, optional bis 0,05 % Y, Rest Ni und Verunreinigungen. Der Werkstoff ist im Temperaturbereich zwischen 530 und 820°C einsetzbar als Auspuffventil für Dieselmotoren sowie Rohre für Dampfkessel. - In der
US 6,258,317 B1 wird eine für Bauteile von Gasturbinen für Temperaturen bis 750°C einsetzbare Legierung beschrieben, beinhaltend (in Gew.-%): Co 10 - 24 %, Cr 23,5 - 30 %, Mo 2,4 - 6 %, Fe 0 - 9 %, Al 0,2 - 3,2 %, Ti 0,2 - 2,8 %, Nb 0,1 - 2,5 %, Mn 0 - 2 %, bis 0,1 % Si, Zr 0,01 - 0,3 %, B 0,001 - 0,01 %, C 0,005 - 0,3 %, W0 - 0,8 %, Ta 0 - 1 %, Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff auf Basis von C263 hinsichtlich seiner Zusammensetzung so zu verändern, dass die Stabilität der festigkeitssteigernden Phase zu höheren Temperaturen hin verschoben wird. Gleichzeitig ist darauf zu achten, dass die Stabilitätsgrenzen anderer Phasen (z.B. Eta-Phase) zu geringeren Temperaturen verschoben wird. Des Weiteren soll versucht werden, zusätzliche Härtungsmechanismen zu aktivieren.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Hochtemperatur-Nickelbasislegierung bestehend aus (in Gew.-%):
C 0,04 - 0,1 % S max. 0,01 % N max. 0,05 % Cr 19-28% Mn max. 0,6 % Si max. 0,3 % Mo > 0 - 6 % Ti 0,5 - 3 % Nb max. 0,1 % Cu max. 0,2 % Fe max. 0,7 % P max. 0,015 % Al 0,5 - 2% Mg max. 0,01 % Ca max. 0,01 % V max. 0,5 % Zr max. 0,1 % W > 0 - 2% Co 17 - 21 % B max. 0,01 % O max. 0,01 % Ni Rest sowie erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. - Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Legierung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Die erfindungsgemäße Nickelbasislegierung soll bevorzugt einsetzbar sein für Bauteile, die Bauteiltemperaturen oberhalb von 700°C, vorzugsweise > 900°C, insbesondere > 950°C, ausgesetzt sind. Das Ziel, nämlich die Gamma-Prime-Phase hin zu höheren Temperaturen zu verschieben, wird erreicht, wobei gleichzeitig die Stabilität anderer Phasen, geringer als Gamma-Prime, und hin zu niedrigen Temperaturen ebenfalls realisiert werden kann.
- Im Folgenden werden wesentliche Anwendungsfälle der Legierung angesprochen:
- Automotive
- - Abgasanlagen
- - Turbolader
- - Sonden
- - Ventile
- - Rohre
- - Hochtemperatur-Filter oder Teile davon
- - Dichtungen
- - Federelemente
- Fliegende oder stationäre Turbinen
- - Schaufeln
- - Leitflächen
- - Sonden
- - Rohre
- - Cones
- - Gehäuse
- Kraftwerke
- - Rohre
- - Sonden
- - Ventile
- - Schmiedeteile
- - Turbinen
- - Turbinengehäuse
- Die genannten Bauteile werden samt und sonders in heißen und hochbelasteten Atmosphären eingesetzt, wobei dauerhafte Bauteiltemperaturen, zum Teil oberhalb von 900°C, gegeben sind. Darüber hinaus sind sauerstoffhaltige Atmosphären, beispielsweise aus Pkw- oder Lkw-Motoren, Triebwerken oder Gasturbinen, gegeben.
- Die erfindungsgemäße Legierung hat eine hohe Warm- und Zeitstandsfestigkeit, wobei gleichzeitig auch eine hohe Temperaturkorrosionsbeständigkeit (z.B. bei Abgasen) gegeben ist.
- Die erfindungsgemäße Legierung ist darüber hinaus ermüdungsfest bei hohen Temperaturen, insbesondere oberhalb von 900°C.
- Mögliche Produktformen sind:
- - Band
- - Blech
- - Draht
- - Stange
- - Schmiedeteile
- - Pulver für additive Fertigung (z.B. 3D-Druck) und klassische Pulver (z.B. Sintern)
- - Rohre (geschweißt oder nahtlos)
- Folgende Elemente können zur Optimierung der gewünschten Parameter, wie nachstehend angegeben, variiert werden (in Gew.-%):
Cr 24 - 26 % Mo 1 - 6 %, insbesondere 1,5 - 2,5 % Mo 2 - 6 %, insbesondere 4 - 6 % Ti 0,5 - 2,5 %, insbesondere 1,5 - 2,5 % Al 0,5 - 1,5% V 0,01 - 0,5 %, insbesondere 0,01 - 0,2 % W 0,01 - 1,5 %, insbesondere 0,5 - 1,5 % - Von Vorteil ist, wenn die Summe Ti + Al (in Gew.-%) min. 1 % beträgt. In bestimmten Einsatzfällen kann es zweckmäßig sein, wenn die Summe Ti + Al (in Gew.-%) min. 1,5 %, insbesondere min. 2 %, beträgt.
- Das Verhältnis Ti/Al soll, einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, max. 3,5, insbesondere max. 2,0, betragen.
- Durch Reduzierung des Ti/Al-Verhältnisses kann sich kein oder nur wenig Eta-Ni3 Ti bilden.
- Anhand von Beispielen werden die Vorteile der erfindungsgemäßen Legierung näher erläutert:
- In Tabelle 1 ist der Stand der Technik (Nicrofer 5120 CoTi - großtechnisch erzeugt) einer gleichartigen Referenzcharge (Labor) sowie mehreren erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzungen gegenübergestellt: Tabelle 1
250571 250573 250574 Nicrofer 5120 CoTi Charge 413297 großtechn. erzeugt Referenzcharge (Labor) New Design work0 New Design work1 Soll Ist Soll Ist Soll Ist C 0,049 0,05 0,054 0,055 0,051 0,055 0,061 S 0,002 0,002 0,002 0,002 0,0027 0,002 0,0027 N 0,004 0,0018 0,0018 0,004 0,005 0,004 0,006 Cr 19,99 20,00 20,14 25,00 24,46 25,00 25,00 Ni Rest 51,3313 Rest 51,3385 Rest 46,6903 Rest 51,5683 Mn 0,07 0,07 0,01 0,07 0,01 0,07 0,01 Si 0,04 0,04 0,02 0,04 0,02 0,04 0,05 Mo 5,85 5,85 5,78 5,85 5,79 3,00 2,73 Ti 2,09 2,10 2,05 1,60 1,56 1,20 1,16 Nb 0,01 0,01 0,015 0,01 0,01 0,01 0,02 Cu 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Fe 0,23 0,23 0,26 0,23 0,25 0,23 0,23 P 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 Al 0,46 0,46 0,42 0,53 0,51 0,70 0,65 Mg 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,002 Pb 0,0002 Sn 0,001 Ca 0,01 V 0,01 0,01 0,01 0,05 0,01 0,05 0,05 Zr 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 W 0,01 0,01 0,01 0,50 0,47 0,50 0,50 Co 19,81 19,80 19,86 20,00 20,13 18,00 17,93 B 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 As 0,001 SE 0,0003 Te 0,0001 Bi 0, Ag 0,0001 O 0,005 0,005 0,0027 0,005 0,005 0,005 0,005 Ti + Al 2,55 2,56 2,47 2,13 2,07 1,90 1,81 Ti/Al 4,5435 4,5652 4,881 3,0189 3,0588 1,7143 1,7846 250575 250576 250577 Nicrofer 5120 CoTi Charge 413297 großtechn. erzeugt New Design work2 New Design work3 New Design work4 Soll Ist Soll Ist Soll Ist C 0,049 0,055 0,058 0,055 0,056 0,055 0,056 S 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,003 N 0,004 0,004 0,005 0,004 0,006 0,004 0,004 Cr 19,99 25,00 24,57 25,00 24,52 25,00 24,83 Ni Rest 51,3313 Rest 51,796 Rest 51,885 Rest 46,298 Mn 0,07 0,07 0,01 0,07 0,01 0,07 0,01 Si 0,04 0,04 0,02 0,04 0,04 0,04 0,03 Mo 5,85 2,008 1,96 2,00 1,92 5,85 5,58 Ti 2,09 1,68 1,62 1,78 1,77 1,60 1,69 Nb 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 Cu 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Fe 0,23 0,23 0,23 0,23 0,24 0,23 0,23 P 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 Al 0,46 0,95 0,96 1,00 0,98 0,95 1,04 Mg 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 Pb 0,0002 Sn 0,001 Ca 0,01 V 0,01 0,05 0,08 0,05 0,08 0,05 0,04 Zr 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 W 0,01 1,00 0,92 1,00 0,94 0,50 0,54 Co 19,81 18,00 17,73 18,00 17,51 20,00 19,60 B 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,002 As 0,001 SE 0,0003 Te 0,0001 Bi 0, Ag 0,0001 O 0,005 0,005 0,003 0,005 0,005 0,005 0,004 Ti + Al 2,55 2,63 2,58 2,78 2,75 2,55 2,73 Ti/Al 4,5435 1,7684 1,6875 1,78 1,8061 1,6842 1,625 - Es wurden jeweils 8 kg pro Schmelze an Ausgangsmaterialien eingesetzt. Nach dem Abgießen wurden an den Proben Spektralanalysen vorgenommen. Die Proben wurden anschließend auf 6 mm Dicke gewalzt. Durch weiteres Walzen (mit Zwischenglühung) auf einer Laborwalze wurden die Proben auf 0,4 mm Enddicke gewalzt.
- Die Lösungsglühung erfolgte bei 1.150°C für 30 Min. mit anschließendem Wasserabschrecken.
- Eine Ausscheidungshärtung wurde bei Temperaturen von 800, 850, 900 bzw. 950°C für 4/8/16 h mit anschließendem Wasserabschrecken durchgeführt.
- Die Varianten 250575 bis 250577 zeigten hierbei gegenüber dem Stand der Technik, respektive den Varianten 250573 und 250574, ein sehr hohes Härteniveau. Das bedeutet, dass die festigkeitssteigernde Phase (hier Gamma-Prime) noch stabil ist.
- Für großtechnische Anwendungen wird der Werkstoff in einem Mittelfrequenz-Induktionsofen erzeugt, dann als Strangguss in Brammenform abgegossen. Anschließend werden die Brammen im Elektroschlacke-Umschmelzofen zu weiteren Brammen (respektive Stangen) umgeschmolzen. Danach wird die jeweilige Bramme warmgewalzt, zur Erzeugung von Bandmaterial an Dicken von ca. 6 mm. Daran schließt sich ein Kaltwalzvorgang des Bandmaterials an Enddicke von ca. 0,4 mm an.
- Somit liegt nun ein Ausgangsmaterial für Tiefzieh- oder Stanzprodukte vor. Bedarfsweise kann noch produktabhängig ein thermischer Prozess vorgenommen werden.
- Zur Erzeugung von Bauteilen für die Luftfahrt bietet sich folgender Herstellungsweg an:
- VIM - VAR
- Die Produktform nach dem VAR kann eine Bramme oder eine Stange sein.
- Die Umformung kann durch Walzen oder Schmieden erfolgen.
- Zur Erzeugung von Bauteilen für Kraftwerke oder Automobile bietet sich auch folgender Herstellweg an:
- VIM - ESU
- Auch hier sind Umformungen durch Schmieden oder Walzen denkbar.
-
- Bei der Standardversion ist erkennbar, dass bei vorgegebener Temperatur und Belastung der Werkstoff nach weniger als 100 h versagt.
- Die beiden anderen Varianten zeigen beide Standzeiten von ca. 400 h, respektive ca. 550 h.
- Die Varianten 76 und 77 zeigen verbesserte Standzeiten, die im Betriebszustand zu einem höheren Kriechwiderstand und somit zu wesentlich geringerer Bauteilverformung führen.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
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- US 6258317 B1 [0006]
Claims (20)
- Hochtemperatur-Nickelbasislegierung bestehend aus (in Gew.-%):
C 0,04 - 0,1 % S max. 0,01 % N max. 0,05 % Cr 19-28% Mn max. 0,6 % Si max. 0,3 % Mo > 0 - 6 % Ti 0,5 - 3 % Nb max. 0,1 % Cu max. 0,2 % Fe max. 0,7 % P max. 0,015 % Al 0,5 - 2 % Mg max. 0,01 % Ca max. 0,01 % V max. 0,5 % Zr max. 0,1 % W > 0 - 2% Co 17 - 21 % B max. 0,01 % O max. 0,01 % Ni Rest sowie erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. - Nickelbasislegierung nach
Anspruch 1 , mit (in Gew.-%)Cr 24 - 26 %. - Nickelbasislegierung nach
Anspruch 1 oder2 , mit (in Gew.-%) Mo 1 - 6 %, insbesondere 2 - 6 %. - Nickelbasislegierung nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , mit (in Gew.-%)Mo 1,5 - 2,5 %. - Nickelbasislegierung nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , mit (in Gew.-%)Mo 4-6%. - Nickelbasislegierung nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , mit (in Gew.-%)Ti 0,5 - 2,5 %. - Nickelbasislegierung nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , mit (in Gew.-%)Ti 1,5-2,5%. - Nickelbasislegierung nach einem der
Ansprüche 1 bis7 , mit (in Gew.-%)Al 0,5-1,5%. - Nickelbasislegierung nach einem der
Ansprüche 1 bis8 , mit (in Gew.-%)V 0,01 - 0,5 %, insbesondere 0,01 - 0,2 %. - Nickelbasislegierung nach einem der
Ansprüche 1 bis9 , mit (in Gew.-%)W 0,01 - 1,5 %, insbesondere 0,5 - 1,5 %. - Nickelbasislegierung nach einem der
Ansprüche 1 bis10 , wobei die Summe Ti + Al (in Gew.-%) min. 1 % beträgt. - Nickelbasislegierung nach einem der
Ansprüche 1 bis11 , wobei die Summe Ti + Al (in Gew.-%) min. 1,5 %, insbesondere min. 2 %, beträgt. - Nickelbasislegierung nach einem der
Ansprüche 1 bis12 , wobei das Verhältnis Ti/Al max. 3,5, insbesondere max. 2,0, beträgt. - Nickelbasislegierung nach einem der
Ansprüche 1 bis13 , einsetzbar für Bauteile, die Bauteiltemperaturen > 700°C, insbesondere > 900°C, respektive > 950°C, ausgesetzt sind. - Nickelbasislegierung nach einem der
Ansprüche 1 bis14 , einsetzbar für Bauteile in Verbrennungskraftmaschinen. - Nickelbasislegierung nach einem der
Ansprüche 1 bis15 , einsetzbar als Bauteile von Turboladern. - Nickelbasislegierung nach einem der
Ansprüche 1 bis14 , einsetzbar für Bauteile in fliegenden oder stationären Turbinen, insbesondere Gasturbinen. - Nickelbasislegierung nach
Anspruch 17 , einsetzbar für Schaufeln oder Leiterelemente in fliegenden oder stationären Turbinen, insbesondere Gasturbinen. - Nickelbasislegierung nach einem der
Ansprüche 1 bis14 , einsetzbar für Bauteile in Kraftwerken. - Nickelbasislegierung nach
Anspruch 19 , einsetzbar für Rohre oder Sonden in Kraftwerken.
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