DE102017113780A1

DE102017113780A1 - Gegenstand und additives Fertigungsverfahren für die Herstellung

Info

Publication number: DE102017113780A1
Application number: DE102017113780.7A
Authority: DE
Inventors: Laura Cerully Dial; Srikanth Chandrudu Kottilingam
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2018-01-04
Also published as: US20180002785A1; US10221468B2

Abstract

Es sind hierin additive Fertigungsverfahren und Gegenstände, die unter Verwendung additiver Fertigungsverfahren hergestellt werden, beschrieben. Eine Ausführungsform ist ein Gegenstand, der eine hafniumhaltige Superlegierung aufweist. Die Superlegierung enthält wenigstens etwa 50 Gew.-% Nickel, von etwa 0,015 Gew.-% bis etwa 0,06 Gew.-% Kohlenstoff und bis zu etwa 0,8 Gew.-% Hafnium. Der Gegenstand enthält ferner mehrere primäre Karbidphasenpartikel, die innerhalb der Legierung angeordnet sind; die mehreren Partikel weisen eine Mediangröße von weniger als etwa 1 Mikrometer auf. Ein Verfahren enthält ein Aufschmelzen und Erstarren von Partikeln eines Metallpulverausgangsmaterials, um einen Zwischengegenstand herzustellen, der eine Reihe von Schichten aus erstarrtem Material aufweist. Das Ausgangsmaterial enthält die vorstehend beschriebene Superlegierungszusammensetzung. Das Verfahren enthält ferner ein Erwärmen des Zwischengegenstands auf eine Temperatur von wenigstens etwa 950°C, um einen verarbeiteten Gegenstand zu bilden. Der verarbeitete Gegenstand enthält ferner mehrere primäre Karbidphasenpartikel, die in dem erstarrten Material angeordnet sind, wobei die mehreren Partikel eine Mediangröße von weniger als etwa 1 Mikrometer aufweisen.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Gegenstände, die aus nickelbasierten Superlegierungen hergestellt sind, und Verfahren zur Herstellung derartiger Gegenstände. Insbesondere betrifft die Erfindung additiv gefertigte Gegenstände, die unter Verwendung nickelbasierter Superlegierungen hergestellt werden, sowie Verfahren zur Herstellung derartiger Gegenstände.
Superlegierungen auf Nickelbasis sind weit verbreitete Legierungen, die beträchtliche Kriech- und Oxidationswiderstände bei hohen Temperaturen, häufig über 0,7 ihrer absoluten Schweißtemperaturen, aufweisen. Eine besonders interessierende Form einer Hochtemperatur-Nickelbasislegierung ist eine gegossene Form, die für gewünschte Kriech- und Umgebungseigenschaften, wie z.B. Oxidationsbeständigkeit und Heißkorrosionsbeständigkeit, ausgelegt ist. Eine der Superlegierungszusammensetzungen auf Nickelbasis, die weit verbreitet ist, insbesondere bei Gasturbinenkomponenten, die in Heißgaspfadanwendungen eingesetzt werden, ist unter dem Handelsnamen „Rene 108“, einer Handelsmarke der General Electric Company, bekannt.
Additive Fertigung ist eine Reihe von sich entwickelnden Technologien, die dreidimensionale Objekte unmittelbar aus digitalen Modellen über einen additiven Prozess, gewöhnlich durch schichtweise Auftragung eines Materials und eine Verbindung aufeinanderfolgender Schichten an einer Stelle fertigen. Anders als herkömmliche Herstellungsprozesse, die eine Wegnahme (z.B. Schneiden und Abscheren) und ein Formen (z.B. Stanzen, Biegen und Umformen) umfassen, verbindet additive Fertigung Materialien zusammen, um Produkte zu bauen.
Bestimmte Komponenten, wie z.B. Heißgaspfadkomponenten von Turbinen, die aus Superlegierungen auf Nickelbasis hergestellt sind, können von der Konstruktionsflexibilität, die durch den Einsatz additiver Fertigungstechniken ermöglicht ist, profitieren. Jedoch neigen Superlegierungen dazu, eine große Anzahl von Legierungselementen zu enthalten, was zu einer etwas komplizierten physikalischen Metallurgie führt, die dafür sensibel sein kann, wie das Material thermisch und mechanisch verarbeitet wird. Diese Materialien stellen oft eine Herausforderung dar, wenn sie in additiven Fertigungsverfahren eingesetzt werden, weil die schnelle Erwärmung und Abkühlung, die in diesen Prozessen mit umfasst ist, häufig eine suboptimale Legierungsmikrostruktur und suboptimale Materialeigenschaften zur Folge hat. Deshalb ist es erwünscht, eine Superlegierungszusammensetzung auf Nickelbasis zu gestalten, die in additiven Fertigungsverfahren eingesetzt werden kann, um Teile mit Eigenschaften, die ihren gegossenen Entsprechungen ähnlich sind, zu produzieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung widmen sich diesen und anderen Bedürfnissen. Ein Aspekt ist ein Gegenstand, der eine hafniumhaltige Superlegierung aufweist. Die Superlegierung enthält wenigstens etwa 50 Gew.-% Nickel, von etwa 0,015 Gew.-% bis etwa 0,06 Gew.-% Kohlenstoff und bis zu etwa 0,8 Gew.-% Hafnium. Der Gegenstand enthält ferner mehrere primäre Karbidphasenpartikel, die innerhalb der Superlegierung angeordnet sind; die mehreren Partikel weisen eine Mediangröße kleiner etwa 1 Mikrometer auf.
In dem zuvor erwähnten Gegenstand kann die Superlegierung ferner eine Gamma-Strich-Phase aufweisen, die bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 700°C bis etwa 800°C in einer Konzentration von wenigstens etwa 50 Vol.-% der Superlegierung vorhanden ist.
Insbesondere kann die Konzentration wenigstens etwa 60 Vol.-% der Superlegierung betragen.
In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Gegenstand kann die Mediangröße der mehreren Partikel vorzugsweise weniger als etwa 300 Nanometer betragen.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Gegenstands kann die Superlegierung ferner Kobalt, Chrom, Molybdän, Zirkonium, Wolfram, Aluminium, Titan, Bor, Tantal oder eine Kombination von zwei oder mehreren von diesen aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Superlegierung von etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Kobalt, von etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Chrom, bis zu etwa 3 Gew.-% Molybdän, von etwa 8 Gew.-% bis etwa 12 Gew.-% Wolfram, von etwa 3 Gew.-% bis etwa 7 Gew.-% Aluminium, von etwa 0,3 % bis etwa 2 % Titan, bis zu etwa 0,03 Gew.-% Zirkonium, von etwa 0,015 Gew.-% bis etwa 0,06 Gew.-% Kohlenstoff, bis zu etwa 0,03 Gew.-% Bor, von etwa 1 % bis etwa 4 % Tantal, bis zu etwa 0,8 Gew.-% Hafnium und wenigstens etwa 50 Gew.-% Nickel aufweisen.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Gegenstands kann die Superlegierung polykristallin sein, und sie kann eine Nennkorngröße von mehr als 60 Mikrometern haben.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Gegenstands können die mehreren primären Karbidphasenpartikel in der Superlegierung in einer Konzentration von weniger als etwa 0,5 Vol.-% der Legierung vorhanden sein.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Gegenstands kann die Superlegierung weniger als etwa 0,2 Gew.-% Hafnium aufweisen.
Eine weitere Ausführungsform ist ein Gegenstand, der aufweist: eine hafniumhaltige Superlegierung, die wenigstens etwa 50 Gew.-% Nickel, von etwa 0,015 Gew.-% bis etwa 0,06 Gew.-% Kohlenstoff, von etwa 0,02 Gew.-% bis etwa 0,2 Gew.-% Hafnium und eine Gamma-Strich-Phase aufweist, die in einer Konzentration von wenigstens etwa 50 Vol.-% der Superlegierung bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 700°C bis etwa 800°C vorhanden ist; wobei der Gegenstand ferner mehrere primäre Karbidphasenpartikel aufweist, die in der Legierung angeordnet sind, wobei die mehreren Partikel eine Mediangröße aufweisen, die kleiner als etwa 300 Nanometer ist.
Ein weiterer Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands mittels einer additiven Fertigungstechnik. Das Verfahren enthält ein Aufschmelzen und Erstarren von Partikeln eines Metallpulverausgangsmaterials, um einen Zwischengegenstand zu bilden, der eine Reihe von Schichten eines erstarrten Materials aufweist. Das Metallpulverausgangsmaterial enthält eine hafniumhaltige Superlegierung, die wenigstens etwa 50 Gew.-% Nickel, von etwa 0,015 Gew.-% bis etwa 0,06 Gew.-% Kohlenstoff und bis zu etwa 0,8 Gew.-% Hafnium aufweist. Das Verfahren enthält ferner ein Erwärmen des Zwischengegenstands auf eine Temperatur von wenigstens etwa 950°C, um einen verarbeiteten Gegenstand zu bilden. Der verarbeitete Gegenstand enthält ferner mehrere primäre Karbidphasenpartikel, die in dem erstarrten Material angeordnet sind, wobei die mehreren Partikel eine Mediangröße haben, die kleiner als etwa 1 Mikrometer ist.
In dem zuvor erwähnten Verfahren kann das Aufschmelzen und Erstarren wahlweise gemäß einem computercodierten Modell des Zwischengegenstands durchgeführt werden.
Zusätzlich kann das Aufschmelzen durch Bestrahlen des Ausgangsmaterials mit einem Laser durchgeführt werden.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann das Aufschmelzen und Erstarren durch einen direkten Metall-Laser-Schmelz(DMLM, direct metal laser melting)-Prozess durchgeführt werden.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann die Mediangröße der mehreren Partikel kleiner als etwa 300 Nanometer sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens weist die Superlegierung von etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Kobalt, von etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Chrom, bis zu etwa 3 Gew.-% Molybdän, von etwa 8 Gew.-% bis etwa 12 Gew.-% Wolfram, von etwa 3 Gew.-% bis etwa 7 Gew.-% Aluminium, von etwa 0,3 % bis etwa 2 % Titan, bis zu etwa 0,03 Gew.-% Zirkonium, von etwa 0,015 Gew.-% bis etwa 0,06 Gew.-% Kohlenstoff, bis zu etwa 0,03 Gew.-% Bor, von etwa 1 % bis etwa 4 % Tantal, bis zu etwa 0,8 Gew.-% Hafnium und wenigstens etwa 50 Gew.-% Nickel auf.
In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Verfahren kann das Erwärmen ein Erwärmen des Zwischengegenstands auf eine Temperatur in dem Bereich von etwa 950°C bis etwa 1200°C für eine Zeit, die wirksam ist, um Spannungen innerhalb des Zwischengegenstands deutlich zu reduzieren, aufweisen.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann das Erwärmen heißisostatisches Verpressen des Zwischengegenstands bei einer Temperatur und einem Druck aufweisen, die wirksam sind, um eine Porosität innerhalb des Zwischengegenstands wesentlich zu schließen.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann das Erwärmen eine Lösungsglühbehandlung und eine Alterungswärmebehandlung aufweisen, um eine Gamma-Strich-Ausscheidungsphase innerhalb des verarbeiteten Gegenstands zu bilden.
Eine weitere Ausführungsform ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands mittels einer additiven Fertigungstechnik. Das Verfahren enthält ein Anwenden eines direkten Metall-Laser-Schmelz(DMLM)-Prozesses, um einen Zwischengegenstand zu bilden, der eine Reihe von Schichten eines erstarrten Materials aus einem Metallpulverausgangsmaterial aufweist, und Erwärmen des Zwischengegenstands, um einen verarbeiteten Gegenstand zu bilden. In dieser Ausführungsform weist das Erwärmen ein Erwärmen des Zwischengegenstands auf eine Temperatur in dem Bereich von etwa 950°C bis etwa 1200°C für eine Zeit auf, die wirksam ist, um eine Spannung innerhalb des Zwischengegenstands wesentlich zu reduzieren, heißisostatisches Verpressen des Zwischengegenstands bei einer Temperatur und einem Druck, die wirksam sind, um eine Porosität innerhalb des Zwischengegenstands wesentlich zu schließen; und Durchführen einer Lösungsglühbehandlung und einer Alterungswärmebehandlung, um eine Gamma-Strich-Ausscheidungsphase innerhalb des verarbeiteten Gegenstands zu bilden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine Näherungssprache, wie sie hierin überall in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, kann angewandt werden, um jede quantitative Darstellung zu modifizieren, die in zulässiger Weise variieren könnte, ohne zu einer Änderung der Grundfunktion, mit der sie in Beziehung steht, zu führen. Demgemäß soll ein Wert, der durch einen Ausdruck oder durch Ausdrücke wie beispielsweise „etwa“ und „im Wesentlichen“ modifiziert ist, nicht auf den genauen angegebenen Wert beschränkt sein. In einigen Fällen kann die Näherungssprache der Genauigkeit eines Instrumentes zur Messung des Wertes entsprechen. Hier und überall in der Beschreibung und den Ansprüchen können Bereichsbeschränkungen miteinander kombiniert und/oder gegeneinander ausgetauscht werden, wobei derartige Bereiche identifiziert sind und all die Teilbereiche umfassen, die darin enthalten sind, sofern aus dem Kontext und der Formulierung nicht etwas anderes hervorgeht.
In der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen enthalten die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“ und „das“ auch mehrere Bezugsobjekte, sofern aus dem Kontext nicht deutlich etwas anderes hervorgeht. Wie hierin verwendet, ist der Ausdruck „oder“ nicht dazu gedacht, ausschließlich zu sein, und er bezieht sich darauf, dass wenigstens eine der in Bezug genommenen Komponenten vorhanden ist, und enthält Fälle, in denen eine Kombination der in Bezug genommenen Komponenten vorhanden sein kann, sofern aus dem Kontext nicht deutlich etwas anderes hervorgeht.
In dem hierin verwendeten Sinne können die Ausdrücke „kann“ und „kann sein“ eine Möglichkeit eines Auftritts innerhalb eines Satzes von Umständen, einen Besitz einer bestimmten Eigenschaft, Charakteristik oder Funktion anzeigen und/oder ein anderes Verb durch Ausdrücken einer/eines oder mehrerer von einer Fähigkeit, eines Könnens oder einer Möglichkeit relativieren, die/das dem relativierten Verb zugeordnet ist. Demgemäß zeigt die Verwendung von „kann“ und „kann sein“ an, dass ein modifizierter Ausdruck für eine angezeigte Fähigkeit, Funktion oder Nutzung offensichtlich passend, fähig oder geeignet ist, während sie berücksichtigt, dass in einigen Fällen der modifizierte Ausdruck manchmal nicht passend, fähig oder geeignet sein kann.
Wie vorstehend erwähnt, bezieht sich „additive Fertigung“ auf einen Prozess, durch den digitale dreidimensionale (3D)-Konstruktionsdaten verwendet werden, um eine Komponente durch zunehmendes Aufbauen von Schichten eines Materials zu produzieren. Ein Material kann in einer Pulverform zur Bildung einer Komponente in einer schichtweisen Weise verwendet werden. Additive Herstellungstechniken können mit einem oder mehreren Namen, denen man in der Technik üblicherweise begegnet, bezeichnet werden, zu denen z.B. dreidimensionales („3D“)-Drucken, schnelle Prototypenentwicklung (RP, rapid prototyping), direkte digitale Herstellung (DDM, direct digital manufacturing), geschichtete Herstellung und additive Fertigung gehören. Vorteilhafterweise ist additive Fertigung ein konstruktionsgetriebener Herstellungsprozess, der eine Herstellung von Strukturen mit komplexer Gestaltung ermöglicht. Ferner bietet additive Fertigung einen hohen Grad an Gestaltungsfreiheit, Optimierung und Integration von Funktionsmerkmalen und einen relativ hohen Grad an kundenspezifischer Produktanpassung.
Additive Fertigung kann bestimmte spezifische Prozesse enthalten, die ein pulverförmiges Metallausgangsmaterial verarbeiten, das gezielt verschmolzen wird, um aufeinanderfolgende Schichten eines erstarrten Materials zu bilden; derartige Prozesse werden häufig mit einem oder mehreren Ausdrücken bezeichnet, von denen einige in der Technik in austauschbarer Weise verwendet werden können. Diese Ausdrücke umfassen selektives Lasersintern, direktes Metall-Lasersintern, selektives Laserschmelzen, direktes Metall-Laser-Schmelzen und dergleichen. Der Zweckdienlichkeit wegen sind die hierin offenbarten Ausführungsform in veranschaulichender Weise in Bezug auf den direkten Metall-Laser-Schmelz(DMLM)-Prozess beschrieben; andere additive Fertigungstechniken können mit den erforderlichen Konstruktions- und Prozessvariationen ebenfalls angewandt werden.
In bestimmten Ausführungsformen beginnt der DMLM-Prozess mit der Aufbringung einer dünnen Schicht eines pulverförmigen Materials auf eine Aufbauplattform. Ein Laserstrahl wird verwendet, um das Pulver an einem oder mehreren definierten Abschnitten aufzuschmelzen oder zu verschmelzen. In einem Beispiel können die Abschnitte durch durch einen Computer erzeugte Komponentenkonstruktionsdaten, wie bspw. ein computergestütztes Entwurfs(CAD, computer-aided design)-Modell definiert werden. Nachfolgend wird eine zweite Pulverschicht auf die vorherige Schicht des Pulvers aufgetragen. Optional kann die Aufbauplattform eingestellt (z.B. abgesenkt) werden, bevor die zweite Pulverschicht aufgebracht und aufgeschmolzen wird. Ferner kann Material in der zweiten Schicht an- oder aufgeschmolzen werden, um so das Material in der zweiten Pulverschicht mit der Schicht darunter an einem oder mehreren vordefinierten Abschnitten zu verbinden. In ähnlicher Weise können nachfolgende Schichten eines aufgeschmolzenen Pulvers auf die zweite Schicht aufgetragen werden, und ein oder mehrere Abschnitte dieser aufeinanderfolgenden Schichten können aufgeschmolzen und erstarrt werden, um Verbindungen zwischen benachbarten Schichten zu schaffen. Aufeinanderfolgende Materialschichten werden somit auf vorherigen Schichten entsprechend dem leitenden CAD-Modell aufgebracht und aufgebaut, bis die gewünschte Gestalt erreicht ist. Darüber hinaus können die resultierenden Komponenten in einigen Ausführungsformen einer weiteren Wärmebehandlung unterworfen werden, um den Komponenten gewünschte Eigenschaften, wie z.B. eine erforderliche Mikrostruktur und hohe Temperaturstabilität, zu verleihen.
Ein DMLM-Prozess oder ein ähnlicher additiver Fertigungsprozess ist durch hohe Wärmeflüsse in das Ausgangsmaterial hinein und aus diesem heraus gekennzeichnet, was zu einer schnellen Anschmelzung und Erstarrung des Metalls führt. Wenn das Ausgangsmaterial eine komplexe Legierungszusammensetzung, wie bspw. eine Superlegierung, enthält, kann die schnelle Erstarrung die Bildung unerwünschter Phasen und/oder Phasenmorphologien, hoher Niveaus an chemischer Segregation und hoher Niveaus an Restspannung zur Folge haben. Zum Beispiel werden nickelbasierte Superlegierungen in Anwendungen verwendet, in denen eine hohe Festigkeit und Temperaturbeständigkeit erforderlich ist; derartige Anwendungen erfordern häufig eine Superlegierungszusammensetzung, in der der Volumenanteil der primären verfestigenden Phase, einer intermetallischen Ausscheidung der nominellen Zusammensetzung Ni₃(Al, Ti) (die in der Technik als „Gamma-Strich“ bezeichnet wird), größer als etwa 50% ist. Wenn herkömmliche Legierungen, die diese Anforderungen erfüllen, mittels DMLM verarbeitet werden, werden sie von einer Mikrorissbildung geplagt, die diese unbrauchbar macht.
US-Patentschrift Nr. 9,352,421 offenbart, dass in bestimmten Legierungssystemen, wie beispielsweise der nickelbasierten Superlegierung MAR M 247, einer Rissbildung begegnet werden kann, indem unter anderem eine kohlenstoffarme Variante der Legierung gewählt wird (oder indem Kohlenstoff an dem unteren Ende seines spezifizierten Bereiches für die gegebene Legierungszusammensetzung gehalten wird), um die Neigung der Legierung, Ketten von Karbidphasen entlang von Korngrenzen in dem erstarrten Material zu bilden, zu reduzieren. Jedoch haben die vorliegenden Erfinder festgestellt, dass für wenigstens einige Superlegierungszusammensetzungen eine Kontrolle des Kohlenstoffgehalts keine hinreichende Bedingung in der Legierungschemie darstellt, um das Mikrorissproblem zu vermeiden. Zum Beispiel wurde eine beträchtliche Mikrorissbildung in Versuchen zur additiven Fertigung unter Verwendung einer Variante der Superlegierung RENE 108 (Handelsmarke der General Electric Company) als Ausgangsmaterial beobachtet, bei der die Legierungschemie modifiziert wurde, um die Karbidbildung zu reduzieren.
Die vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, dass die Quelle für das Problem in den Legierungssystemen, die studiert wurden, die hohen Segregationsniveaus bestimmter Elemente, insbesondere von Hafnium (Hf), war. Wenn der Hafniumgehalt reduziert wurde, wurden Legierungszusammensetzungsvarianten identifiziert, die erwünscht hohe Niveaus der Gamma-Strich-Phase behielten, während die Bildung von Mikrorissen während der DMLM-Verarbeitung drastisch reduziert wurde. Aus diesen bemerkenswerten Beobachtungen heraus wurden somit die hierin beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung abgeleitet, zu denen einschließlich, ohne Beschränkung, Legierungszusammensetzungen und ihre Verwendung in additiven Fertigungsverfahren gemeinsam mit Gegenständen, die unter Verwendung dieser Legierungszusammensetzungen gefertigt werden, gehören.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Gegenstand. Der Gegenstand ist in einigen Ausführungsformen eine Komponente für eine Gasturbinenanordnung, wie beispielsweise ein Mantel, eine Laufschaufel, eine Leitschaufel, eine Brennkammerkomponente, Dichtungen oder eine andere Komponente, die in Gasturbinenanordnungen verwendet wird. Der Gegenstand enthält eine hafniumhaltige Superlegierung, was eine nickelbasierte Legierung bedeutet, die eine Hafniumkonzentration enthält, die oberhalb dessen liegt, was üblicherweise in der Technik als eine zufällige Verunreinigung akzeptiert wird, z.B. etwa 0,02 Gew.-%. Die Superlegierung enthält ferner Kohlenstoff in einer Menge von etwa 0,015 Gew.-% bis etwa 0,06 Gew.-%. Das Halten des Kohlenstoffs in diesem Bereich hilft, die Bildung kontinuierlicher Karbidketten zu begrenzen, die als Fehlerpfade in dem gefertigten Teil dienen können. Der Hafniumgehalt der Superlegierung wird unterhalb von etwa 0,8 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen unterhalb von etwa 0,2 Gew.-% gehalten. Das Halten des Hafniums innerhalb dieses Bereiches bewältigt das Segregationsproblem, das vorstehend erwähnt wurde, während es dennoch zulässt, dass ein gewisser Anteil an Hafnium wegen seiner vorteilhaften Effekte vorhanden ist. Zum Beispiel ist Hafnium in Superlegierungszusammensetzungen häufig enthalten, um eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit, Karbidbildung und/oder Gamma-Strich-Verfestigung zu verleihen.
Der Gegenstand enthält ferner mehrere primäre Karbidphasenpartikel. Hier wird der Ausdruck „primär“ in seinem üblichen metallurgischen Sinne verwendet: eine „primäre“ Phase wird während der Erstarrung gebildet, im Gegensatz zu sekundären Phasen, die sich während nachfolgender Verarbeitungsschritte, wie beispielsweise einer Wärmebehandlung, bilden. Diese primären Karbidphasenpartikel sind nützliche verfestigende Phasen, wenn ihre Größe, Morphologie und ihr Phasenanteil in einem geeigneten Bereich gehalten werden. In einigen Ausführungsformen weisen die mehreren primären Karbidphasenpartikel eine Mediangröße, die kleiner als etwa ein Mikrometer ist, und in bestimmten Ausführungsformen ist diese Mediangröße kleiner als etwa 300 Nanometer. Die schnelle Erstarrung und die schnellen Abkühlraten, die für DMLM und andere additive Fertigungsverfahren charakteristisch sind, helfen, eine feine Karbidpartikelgröße zu erhalten.
Die Zusammensetzung der Superlegierung enthält ferner andere Elemente, um für die Bildung der gewünschten Mikrostruktur, insbesondere die Bildung einer adäquaten Menge an Gamma-Strich, zu sorgen, um die erforderliche Stärke bei erhöhten Temperaturen zu erzielen. Zum Beispiel weist die Superlegierung in manchen Ausführungsformen ferner eine Gamma-Strich-Phase auf, die bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 700°C bis etwa 800°C in einer Konzentration von wenigstens etwa 50 Vol.-% der Superlegierung vorhanden ist. In einigen Ausführungsformen beträgt diese Konzentration wenigstens etwa 60 Vol.-%. Es wird erkannt, dass der Temperaturbereich von 700°C bis 800°C lediglich als eine Referenz angegeben ist, um konsistente und sinnvolle Vergleiche zu ermöglichen, da der Anteil der Gamma-Strich-Phase in einer gegebenen Legierung etwas als Funktion der Temperatur variiert. Höhere Gamma-Strich-Volumenanteile haben gewöhnlich eine höhere Festigkeit, jedoch häufig bei einer Reduktion der Verformbarkeit zur Folge.
In einigen Ausführungsformen weist die Superlegierung ferner Kobalt, Chrom, Molybdän, Zirkonium, Wolfram, Aluminium, Titan, Bor, Tantal oder eine Kombination aus zwei oder mehreren von diesen auf. Einige oder alle von diesen Elementen sind gewöhnlich in verschiedenen Mengen in herkömmlichen Superlegierungen vorhanden, und im Allgemeinen erfüllen die Elemente in den hierin offenbarten Legierungen ähnliche Funktionen wie diejenigen, die sie in herkömmlichen Legierungen erfüllen. Zum Beispiel nehmen das Titan und Aluminium stark an der Bildung der Gamma-Strich-Phase teil. In einem bestimmten Beispiel enthält die Superlegierung des hierin offenbarten Gegenstands Folgendes: von etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Kobalt, von etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Chrom, bis zu etwa 3 Gew.-% Molybdän, von etwa 8 Gew.-% bis etwa 12 Gew.-% Wolfram, von etwa 3 Gew.-% bis etwa 7 Gew.-% Aluminium, von etwa 0,3 % bis etwa 2 % Titan, bis zu etwa 0,03 Gew.-% Zirkonium, von etwa 0,015 Gew.-% bis etwa 0,06 Gew.-% Kohlenstoff, bis zu etwa 0,03 Gew.-% Bor, von etwa 1 % bis etwa 4 % Tantal, bis zu etwa 0,8 Gew.-% Hafnium und wenigstens etwa 50 Gew.-% Nickel. Experimente und thermodynamische Berechnungen zeigen an, dass Legierungen mit einer Zusammensetzung in diesem Bereich die erforderliche Balance der Eigenschaften haben können, um eine Fertigung von Gegenständen mit gewünschten Festigkeitsniveaus durch additive Fertigungsverfahren ohne übermäßige Mikrorissniveaus zu ermöglichen, die für auf diese Weise verarbeitete herkömmliche Legierungen beobachtet werden.
Die Korngröße der Superlegierung in dem Gegenstand kann bestimmte Eigenschaften des Materials, wie beispielsweise die Kriechfestigkeit, beeinflussen, und somit werden verschiedene Verarbeitungsschritte, wie beispielsweise Temperatur und Länge von Wärmebehandlungen, um Allgemeinen gesteuert, um eine Korngröße in einem gewünschten Größenbereich zu erzielen. In einigen Ausführungsformen ist die Superlegierung polykristallin, und sie weist eine Nennkorngröße größer als 60 Mikrometer auf.
Um Aspekte der vorstehenden Beschreibung weiter zu veranschaulichen, ist eine bestimmte Ausführungsform, die mehrere der vorstehenden Vorteile enthält, ein Gegenstand, der eine hafniumhaltige Superlegierung enthält. Die Superlegierung enthält wenigstens etwa 50 Gew.-% Nickel. Der Kohlenstoffgehalt der Superlegierung liegt in einem Bereich von etwa 0,015 Gew.-% bis etwa 0,06 Gew.-%, um die Karbidbildung zu kontrollieren, wie dies vorstehend erwähnt ist. Um das vorstehend erwähnte Segregationsproblem zu bewältigen, liegt der Hafniumgehalt der Legierung in einem Bereich von etwa 0,02 Gew.-% bis etwa 0,2 Gew.-%. Die gesamte Legierungschemie und die Verarbeitung, die zur Erzeugung des Gegenstands verwendet wird, sind somit so, dass eine Gamma-Strich-Phase in einer Konzentration von wenigstens etwa 50 Vol.-% der Superlegierung bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 700°C bis etwa 800°C vorhanden ist. Der Gegenstand enthält ferner mehrere primäre Karbidphasenpartikel, die innerhalb der Legierung angeordnet sind; aufgrund der schnellen Erstarrungs- und Abkühlratencharakteristik des additiven Fertigungsprozesses, der gewöhnlich verwendet wird, um den Gegenstand zu bilden, weisen diese Partikel eine Mediangröße von weniger als etwa 300 Nanometer auf.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten ein Verfahren zur Herstellung des vorstehend beschriebenen Gegenstands. Gewöhnlich wird die vorstehend beschriebene Superlegierung als ein Pulverausgangsmaterial in einem additiven Fertigungsprozess verwendet, was natürlich ein Aufschmelzen und Erstarren des Superlegierungspulverausgangsmaterials umfasst, um einen Zwischengegenstand in einer schichtweisen Weise aufzubauen, so dass der Zwischengegenstand eine Reihe von Schichten eines erstarrten Materials aufweist. Gewöhnlich werden die Anschmelz- und Erstarrungsschritte gezielt, d.h. in speziellen vorbestimmten Regionen, entsprechend einem computercodierten Modell (beispielsweise einem CAD-Modell) des Zwischengegenstands, durchgeführt. Zum Beispiel kann ein CAD-Modell eines Zwischengegenstands auf ein additives Fertigungssystem angewandt werden, um eine fokussierte Wärmequelle auf spezielle Regionen eines das Superlegierungspulver enthaltenden Bettes zu richten, wobei das Pulver aufgeschmolzen und erstarrt wird, um eine Reihe von erstarrten Materialschichten zu bilden, die dem CAD-Modell entsprechen. In einigen Ausführungsformen wird das Aufschmelzen des Pulvers durch Bestrahlung des Pulvers mit einem Laser durchgeführt. In bestimmten Ausführungsformen wird das Aufschmelzen und Erstarren durch einen direkten Metall-Laser-Schmelz(DMLM)-Prozess durchgeführt. Der DMLM-Prozess und Systeme, die diesen Prozess nutzen, um Gegenstände herzustellen, sind in der Technik allgemein bekannt und sind hier nicht im Einzelnen beschrieben.
Wie vorstehend erwähnt, wird die hierin beschriebene Superlegierung mit ihren kontrollierten Konzentrationen von Hafnium und Kohlenstoff in Pulverform als ein Ausgangsmaterial in einem additiven Fertigungsprozess verwendet. Es kann jede beliebige Ausführungsform der Superlegierung in dem Ausgangsmaterial verwendet werden. Wie zuvor erwähnt, wird der Gehalt an Hafnium kontrolliert, um eine schädliche Segregation während einer Erstarrung des geschmolzenen Pulvers zu reduzieren, und der Kohlenstoffgehalt wird kontrolliert, um die Bildung unerwünschter Karbidphasen-„Ketten“ zu reduzieren. Diese Eigenschaften können eine Rissbildung in Teilen, die durch DMLM oder andere additive Fertigungsprozesse erzeugt werden, deutlich reduzieren.
Nachdem der Zwischengegenstand hergestellt ist, werden gewöhnlich weitere Verarbeitungsschritte verwendet, um seine Eigenschaften weiter zu verbessern. Typischerweise wird der Zwischengegenstand erwärmt, um irgendeine Veränderung an der Mikrostruktur und/oder Makrostruktur des Zwischengegenstands zu bewirken, um einen verarbeiteten Gegenstand zu bilden. Der verarbeitete Gegenstand kann beliebige der vorstehend beschriebenen Merkmale für auf einen Gegenstand gerichtete Ausführungsformen aufweisen. Der Erwärmungsschritt kann eine oder mehrere Behandlungen für verschiedene Funktionen umfassen. In einer Ausführungsform enthält das Erwärmen einen Ausglühschritt – d.h. eine Wärmebehandlung, die ausgelegt ist, um Spannungen in dem Zwischengegenstand zu reduzieren. In bestimmten Ausführungsformen enthält dies ein Erwärmen des Zwischengegenstands auf eine Temperatur in dem Bereich von etwa 950°C bis etwa 1200°C für eine Zeit, die wirksam ist, um eine Spannung innerhalb des Zwischengegenstands deutlich zu reduzieren. In einigen Ausführungsformen enthält das Erwärmen ein Anwenden von Wärme und Druck, um eine Porosität innerhalb des Zwischengegenstands zu reduzieren. Zum Beispiel kann der Zwischengegenstand heißisostatischem Verpressen (HIP, hot isostatic pressing) bei einer Temperatur und einem Druck ausgesetzt werden, die wirksam sind, um eine Porosität innerhalb des Zwischengegenstands wesentlich zu schließen. In einigen Ausführungsformen kann das HIP bei einer Temperatur in dem Bereich von etwa 950°C bis etwa 1250°C mit einem Druck von bis zu etwa 30 ksi (etwa 210 MPa) durchgeführt werden. Ein veranschaulichendes Beispiel umfasst einen HIP-Schritt, der bei einer Temperatur von 1200°C und einem Druck von 15 ksi (etwa 105 MPa) durchgeführt wird. Schließlich enthält das Erwärmen in einigen Ausführungsformen eine Lösungsglüh- und Alterungswärmebehandlung, die für Superlegierungen und andere ausscheidungsgehärtete Legierungen typisch ist. Diese umfasst ein Erwärmen des Gegenstands auf eine Temperatur unterhalb einer anfänglichen Schmelztemperatur für die spezielle Legierung, jedoch oberhalb der Lösungstemperatur (Solvus-Temperatur) der Ausscheidung, hier Gamma-Strich, um einen Teil oder die gesamte Ausscheidung zu lösen, gefolgt von einer zweiten Wärmebehandlung bei einer niedrigeren Temperatur, bei der dem Gamma-Strich ermöglicht wird, mit der gewünschten Größe und Morphologie auszuscheiden („zu altern“). Bestimmte geeignete Wärmebehandlungstemperaturen können für einzelne Legierungszusammensetzungen durch experimentelle Beobachtung und/oder durch thermodynamische Berechnung bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen wird das Lösungsglühen bei einer Temperatur in dem Bereich von 1050°C bis 1250°C vorgenommen. In einigen Ausführungsformen wird die Alterungswärmebehandlung bei einer Temperatur in dem Bereich von 800°C bis 900°C vorgenommen.
Um die vorstehende Beschreibung weiter zu veranschaulichen, ist eine Ausführungsform ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands mittels einer additiven Fertigungstechnik. Das Verfahren weist ein Anwenden eines direkten Metall-Laser-Schmelz(DMLM)-Prozesses zur Bildung eines Zwischengegenstands, der eine Reihe von Schichten eines erstarrten Materials aus einem Metallpulverausgangsmaterial aufweist, und Erwärmen des Zwischengegenstands, um einen verarbeiteten Gegenstand zu bilden, auf. In dieser veranschaulichenden Ausführungsform [weist] der Erwärmungsschritt bei allen drei der verschiedenen vorstehend beschriebenen Aspekte zur Erwärmung auf: (a) Erwärmen des Zwischengegenstands auf eine Temperatur in dem Bereich von etwa 950°C bis etwa 1200°C für eine Zeitdauer, die wirksam ist, um eine Spannung innerhalb des Zwischengegenstands wesentlich zu reduzieren; (b) heißisostatisches Verpressen des Zwischengegenstands bei einer Temperatur und einem Druck, die wirksam sind, um eine Porosität innerhalb des Zwischengegenstands wesentlich zu verschließen; und (c) Durchführen einer Lösungsglühbehandlung und einer Alterungswärmebehandlung, um eine Gamma-Strich-Ausscheidungsphase innerhalb des verarbeiteten Gegenstands zu bilden.
BEISPIELE
Um Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weiter zu veranschaulichen, jedoch nicht zu beschränken, wird das folgende Beispiel bereitgestellt:
Eine Reihe von Pulverzusammensetzungen auf der Basis einer RENE 108 Legierung wurden erzeugt und als experimentelles Ausgangsmaterial in DMLM-Prozessversuchen verwendet. Die Aufbauparameter waren für die verschiedenen Materialien die gleichen. All die Pulver waren Gamma-Strich-verfestigte Zusammensetzungen mit Gamma-Strich-Volumenanteilen von 50 Vol.-% oder mehr. Es wurden sechs verschiedene Zusammensetzungen getestet. Drei der Zusammensetzungen hatten einen Hafniumgehalt von 0,8 Gew.-% oder mehr. Bemerkenswerterweise scheiterten alle diese Zusammensetzungen, indem sie Gegenstände ergaben, die extrem rissig waren, selbst eine Zusammensetzung, die mit geringem Kohlenstoffanteil entwickelt wurde, um die Karbidbildung stark zu begrenzen. Die anderen drei Zusammensetzungen mit Hafniumzusammensetzungen unterhalb von 0,8 Gew.-% zeigten ein viel besseres Verhalten.
Die vorliegende Erfindung ist anhand einiger spezieller Ausführungsformen beschrieben worden. Diese sind lediglich zur Veranschaulichung gedacht und sollten nicht als in irgendeiner Weise beschränkend aufgefasst werden. Somit sollte verstanden werden, dass daran Modifikationen vorgenommen werden können, die innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung und der beigefügten Ansprüche liegen. Außerdem sind alle Patente, Patentanmeldungen, Artikel und Texte, die vorstehend erwähnt sind, hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen.
Es sind hierin additive Fertigungsverfahren und Gegenstände, die unter Verwendung additiver Fertigungsverfahren hergestellt werden, beschrieben. Eine Ausführungsform ist ein Gegenstand, der eine hafniumhaltige Superlegierung aufweist. Die Superlegierung enthält wenigstens etwa 50 Gew.-% Nickel, von etwa 0,015 Gew.-% bis etwa 0,06 Gew.-% Kohlenstoff und bis zu etwa 0,8 Gew.-% Hafnium. Der Gegenstand enthält ferner mehrere primäre Karbidphasenpartikel, die innerhalb der Legierung angeordnet sind; die mehreren Partikel weisen eine Mediangröße von weniger als etwa 1 Mikrometer auf. Ein Verfahren enthält ein Aufschmelzen und Erstarren von Partikeln eines Metallpulverausgangsmaterials, um einen Zwischengegenstand herzustellen, der eine Reihe von Schichten aus erstarrtem Material aufweist. Das Ausgangsmaterial enthält die vorstehend beschriebene Superlegierungszusammensetzung. Das Verfahren enthält ferner ein Erwärmen des Zwischengegenstands auf eine Temperatur von wenigstens etwa 950°C, um einen verarbeiteten Gegenstand zu bilden. Der verarbeitete Gegenstand enthält ferner mehrere primäre Karbidphasenpartikel, die in dem erstarrten Material angeordnet sind, wobei die mehreren Partikel eine Mediangröße von weniger als etwa 1 Mikrometer aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9352421 [0032]

Claims

Gegenstand, der aufweist: eine hafniumhaltige Superlegierung, die wenigstens etwa 50 Gew.-% Nickel, von etwa 0,015 Gew.-% bis etwa 0,06 Gew.-% Kohlenstoff und bis zu etwa 0,8 Gew.-% Hafnium aufweist; wobei der Gegenstand ferner mehrere primäre Karbidphasenpartikel aufweist, die innerhalb der Superlegierung angeordnet sind, wobei die mehreren Partikel eine Mediangröße von weniger als etwa 1 Mikrometer aufweisen.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Superlegierung ferner eine Gamma-Strich-Phase aufweist, die bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 700°C bis etwa 800°C in einer Konzentration von wenigstens etwa 50 Vol.-% der Superlegierung vorhanden ist; wobei die Konzentration vorzugsweise wenigstens etwa 60 Vol.-% der Superlegierung beträgt.
Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mediangröße der mehreren Partikel weniger als etwa 300 Nanometer beträgt.
Gegenstand nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Superlegierung ferner Kobalt, Chrom, Molybdän, Zirkonium, Wolfram, Aluminium, Titan, Bor, Tantal oder eine Kombination von zwei oder mehreren von diesen aufweist; wobei die Superlegierung vorzugsweise aufweist: a. von etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Kobalt, b. von etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Chrom, c. bis zu etwa 3 Gew.-% Molybdän, d. von etwa 8 Gew.-% bis etwa 12 Gew.-% Wolfram, e. von etwa 3 Gew.-% bis etwa 7 Gew.-% Aluminium, f. von etwa 0,3 % bis etwa 2 % Titan, g. bis zu etwa 0,03 Gew.-% Zirkonium, h. von etwa 0,015 Gew.-% bis etwa 0,06 Gew.-% Kohlenstoff, i. bis zu etwa 0,03 Gew.-% Bor, j. von etwa 1 % bis etwa 4 % Tantal, k. bis zu etwa 0,8 Gew.-% Hafnium und l. wenigstens etwa 50 Gew.-% Nickel
Gegenstand nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Superlegierung polykristallin ist und eine Nennkorngröße von mehr als 60 Mikrometern aufweist.
Gegenstand nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren primären Karbidphasenpartikel in der Superlegierung in einer Konzentration von weniger als etwa 0,5 Vol.-% der Legierung vorhanden sind.
Gegenstand nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Superlegierung weniger als etwa 0,2 Gew.-% Hafnium aufweist.
Gegenstand, der aufweist: eine hafniumhaltige Superlegierung, die wenigstens etwa 50 Gew.-% Nickel, von etwa 0,015 Gew.-% bis etwa 0,06 Gew.-% Kohlenstoff, von etwa 0,02 Gew.-% bis etwa 0,2 Gew.-% Hafnium und eine Gamma-Strich-Phase aufweist, die in einer Konzentration von wenigstens etwa 50 Vol.-% der Superlegierung bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 700°C bis etwa 800°C vorhanden ist; wobei der Gegenstand ferner mehrere primäre Karbidphasenpartikel aufweist, die innerhalb der Legierung angeordnet sind, wobei die mehreren Partikel eine Mediangröße von weniger als etwa 300 Nanometern aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands mittels einer additiven Fertigungstechnik, wobei das Verfahren aufweist: Aufschmelzen und Erstarren von Partikeln eines Metallpulverausgangsmaterials, um einen Zwischengegenstand herzustellen, der eine Reihe von Schichten aus erstarrtem Material aufweist, wobei das Metallpulverausgangsmaterial eine hafniumhaltige Superlegierung aufweist, die wenigstens etwa 50 Gew.-% Nickel, von etwa 0,015 Gew.-% bis etwa 0,06 Gew.-% Kohlenstoff und bis zu etwa 0,8 Gew.-% Hafnium aufweist; und Erwärmen des Zwischengegenstands auf eine Temperatur von wenigstens etwa 950°C, um einen verarbeiteten Gegenstand zu bilden; wobei der verarbeitete Gegenstand ferner mehrere primäre Karbidphasenpartikel aufweist, die innerhalb des erstarrten Materials angeordnet sind, wobei die mehreren Partikel eine Mediangröße von weniger als etwa 1 Mikrometer aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Aufschmelzen und Erstarren gemäß einem computercodierten Modell des Zwischengegenstands durchgeführt wird; wobei das Aufschmelzen vorzugsweise durch Bestrahlen des Ausgangsmaterials mit einem Laser durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Aufschmelzen und Erstarren durch einen direkten Metall-Laser-Schmelz(DMLM)-Prozess durchgeführt wird.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 9–11, wobei das Erwärmen ein Erwärmen des Zwischengegenstands auf eine Temperatur in dem Bereich von etwa 950°C bis etwa 1200°C für eine Zeit aufweist, die wirksam ist, um eine Spannung innerhalb des Zwischengegenstands wesentlich zu reduzieren.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 9–12, wobei das Erwärmen heißisostatisches Verpressen des Zwischengegenstands bei einer Temperatur und einem Druck aufweist, die wirksam sind, um eine Porosität innerhalb des Zwischengegenstands wesentlich zu schließen.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 9–13, wobei das Erwärmen eine Lösungsglühbehandlung und eine Alterungswärmebehandlung aufweist, um eine Gamma-Strich-Ausscheidungsphase innerhalb des verarbeiteten Gegenstands zu bilden.
Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands mittels einer additiven Fertigungstechnik, wobei das Verfahren aufweist: Anwenden eines direkten Metall-Laser-Schmelz(DMLM)-Prozesses, um einen Zwischengegenstand herzustellen, der eine Reihe von Schichten eines erstarrten Materials aus einem Metallpulverausgangsmaterial aufweist; und Erwärmen des Zwischengegenstands, um einen verarbeiteten Gegenstand zu bilden, wobei das Erwärmen aufweist: Erwärmen des Zwischengegenstands auf eine Temperatur in dem Bereich von etwa 950°C bis etwa 1200°C für eine Zeit, die wirksam ist, um eine Spannung innerhalb des Zwischengegenstands wesentlich zu reduzieren; heißisostatisches Verpressen des Zwischengegenstands bei einer Temperatur und einem Druck, die wirksam sind, um eine Porosität innerhalb des Zwischengegenstands wesentlich zu schließen; und Durchführen einer Lösungsglühbehandlung und einer Alterungswärmebehandlung, um eine Gamma-Strich-Ausscheidungsphase innerhalb des verarbeiteten Gegenstands zu bilden.