DE102018208736A1 - Y, Y 'hardened cobalt-nickel base alloy, powder, component and process - Google Patents
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Abstract
Durch erhöhte Titan- und Tantalwerte sowie hohe Wolframanteile wird eine Legierung vorgeschlagen, die insbesondere für die Anwendung bei additiven Fertigungsverfahren verwendet werden kann.Increased titanium and tantalum values as well as high tungsten contents suggest an alloy which can be used in particular for use in additive manufacturing processes.
Description
Die Erfindung betrifft eine γ γ' gehärtete Kobalt-Nickel-Basislegierung, Pulver Komponente und Verfahren.The invention relates to a γ γ 'hardened cobalt-nickel base alloy, powder component and method.
Turbinenleit- und Laufschaufeln oder Strukturbauteile im Heißgasbereich werden aus hochwarmfesten Nickelbasis-oder Kobaltbasis-Superlegierungen hergestellt.Turbine vanes and blades or structural components in the hot gas region are made of high temperature nickel base or cobalt base superalloys.
Je nach Belastungsprofil der Komponente werden generell:
- 1.) γ` Ausscheidungsgehärtete Nickelbasislegierungen
- 2.) Nickel-Knetlegierungen
- 3.) oder Kobalt-Knetlegierungen
- 1.) γ` Precipitation-hardened nickel-base alloys
- 2.) nickel-wrought alloys
- 3.) or cobalt-wrought alloys
Die Festigkeit resultiert in erster Näherung vom γ' Volumenanteil. Dieser wiederum beeinflusst maßgeblich die mögliche Fertigungsroute der Komponenten. Hochwarmfeste Superlegierungen mit hohen γ' Anteilen können nur noch über das Feingussverfahren hergestellt werden. Sie zeichnen sich durch eine hohe γ' Solvustemperatur und eine tiefe Anschmelztemperatur aus. Die Schweißbarkeit dieser Legierungsklasse ist in der Regel nicht gegeben.The strength results in a first approximation from the γ 'volume fraction. This in turn significantly influences the possible production route of the components. High-temperature superalloys with high γ 'content can only be produced by investment casting. They are characterized by a high γ 'solvus temperature and a low melting temperature. The weldability of this alloy class is usually not given.
Generativ können diese Legierungen wegen Heißrissbildung nur über Umwege hergestellt werden. Die Knetlegierungen (Ni- oder Co-Basis) können geschmiedet werden, weisen jedoch geringere Festigkeiten auf.Generatively, these alloys can only be made by detours because of hot cracking. The wrought alloys (Ni or Co base) can be forged, but have lower strengths.
Die übliche Herstellroute erfolgt bei ausscheidungsgehärteten Komponenten über das Feingussverfahren. Mithilfe generativer Fertigungsverfahren lassen sich komplexere Bauteile realisieren, die Legierungsauswahl ist jedoch auf die weniger warmfesten Legierungen beschränkt. Nur diese lassen sich mit sinnvollen Aufbauraten rissarm verarbeiten.The usual manufacturing route takes place with precipitation-hardened components via the investment casting process. Generative manufacturing techniques can be used to create more complex parts, but alloy selection is limited to less heat-resistant alloys. Only these can be processed with reasonable build-up rates.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, oben genanntes Problem zu lösen.It is therefore an object of the invention to solve the above-mentioned problem.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kobaltbasis-Superlegierung gemäß Anspruch 1, ein Pulver gemäß Anspruch 14, eine Komponente gemäß Anspruch 15 und ein Verfahren gemäß Anspruch 17.The object is achieved by a cobalt-based superalloy according to claim 1, a powder according to claim 14, a component according to claim 15 and a method according to claim 17.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.In the dependent claims further advantageous measures are listed, which can be combined with each other in order to achieve further advantages.
Es wird vorgeschlagen, eine neue Materialgruppe für Heißgasbauteile, insbesondere Lauf und Leitschaufeln, Ringsegmente, Brennerteile, Scheibenwerkstoffe für kleine Turbinen oder Blisks einzusetzen. Zum Einsatz kommt eine γ, γ'-ausscheidungsgehärtete Kobaltbasislegierung mit hohem Nickel (Ni) und Chrom (Cr) Anteil.It is proposed to use a new material group for hot gas components, in particular running and guide vanes, ring segments, burner parts, disk materials for small turbines or blisks. A γ, γ'-precipitation-hardened cobalt-based alloy with a high nickel (Ni) and chromium (Cr) content is used.
Innerhalb dieses Rahmens werden die Eigenschaften der Legierungsklasse entsprechend der Anforderungen angepasst:
- Titan (Ti) und Tantal (Ta) erhöhen die γ' Anteile und γ' Solvustemperatur und senken die Liquidustemperatur.
- Wolfram erhöht den γ'-Anteil, hohe Anteile an Wolfram (W) sind erforderlich um die γ' verarmte Zone in Korngrenzennähe zu verringern.
- Titan (Ti) und Tantal (Ta) verbessern die Kriechbeständigkeit aber erhöhen Gitterfehlpassung.
- Nickel (Ni) erweitert das Phasenfeld für L12 Struktur und ermöglicht höhere Chromgehalte für besseren Korrosionsschutz, nicht zu viel, wegen des Verteilungskoeffizienten Wolfram (W) und Chrom (Cr) ermöglicht Korrosionsschutz und verbessert die Bildung einer inneren Al2O3 Schicht und reduziert Gitterfehlpassung.
- - Silizium (Si) verbessert Oxidationseigenschaften
- - Bor (B) und Kohlenstoff (C) sind Korngrenzen-Verfestiger
- - Hafnium (Hf) und Zirkon (Zr) ermöglichen bessere Schichtanbindung
- Titanium (Ti) and tantalum (Ta) increase the γ 'fractions and γ' solvus temperature and lower the liquidus temperature.
- Tungsten increases the γ 'content, high levels of tungsten (W) are required to reduce the γ' depleted zone near the grain boundary.
- Titanium (Ti) and Tantalum (Ta) improve creep resistance but increase lattice mismatch.
- Nickel (Ni) extends the phase field for L12 structure and allows higher chromium contents for better corrosion protection, not too much, because of the distribution coefficient tungsten (W) and chromium (Cr) allows corrosion protection and improves the formation of an inner Al 2 O 3 layer and reduces lattice mismatch ,
- - Silicon (Si) improves oxidation properties
- Boron (B) and carbon (C) are grain boundary strengtheners
- - Hafnium (Hf) and zirconium (Zr) allow better layer bonding
Bevorzugte Legierungen:Preferred alloys:
Bevorzugtes Beispiel in Gew.-%Preferred example in% by weight
- CoCo
- 40,040.0
- NiNi
- 29,029.0
- Alal
- 2,62.6
- WW
- 9,09.0
- TaTa
- 4,44.4
- TiTi
- 2,02.0
- CrCr
- 12,812.8
- SiSi
- 0,180.18
- HfHf
- 0,290.29
- ZrZr
- 0,0150,015
- BB
- 0,0140,014
- CC
- 0,0160.016
Der Vorteil liegt in einer hohen Korrosionsbeständigkeit.The advantage is a high corrosion resistance.
Bevorzugtes Beispiel in Gew.-%Preferred example in% by weight
- CoCo
- 40,040.0
- NiNi
- 30,030.0
- Alal
- 2,62.6
- WW
- 8,88.8
- TaTa
- 7,27.2
- TiTi
- 1,11.1
- CrCr
- 10,010.0
- SiSi
- 0,180.18
- HfHf
- 0,280.28
- ZrZr
- 0,0150,015
- BB
- 0,0140,014
- CC
- 0,0150,015
Der Vorteil liegt bei einer mittleren Korrosionsbeständigkeit.The advantage is a medium corrosion resistance.
Besonderheiten:Particularities:
- - Die hohe Fließgrenze verbessert auch TMF-Eigenschaften- The high yield point also improves TMF properties
- - Eine hohe Festigkeit bei mittleren Temperaturen- High strength at medium temperatures
- - Bessere Prozessierbarkeit als übliche Nickelbasislegierungen mit vergleichbaren Eigenschaften- Better processability than conventional nickel-based alloys with comparable properties
Eine Lösungsglühung erfolgt beispielsweise bei 1523K und einer Auslagerung bei 1023K - 1173K zwecks Einstellung der γ/ γ' Gefügestruktur.Solution annealing takes place, for example, at 1523K and outgrowth at 1023K-1173K to adjust the γ / γ 'microstructure.
Die möglichen Herstellrouten lauten:
- • Komponente wird im Guss oder als Schmiedeteil oder als AM Bauteil (Pulverbett, Laserpulver-Auftragschweißen) hergestellt.
- • Eine Verfahrenskombination ist ebenso denkbar, z.B. durch AM (Aufschweißen von weiteren Strukturen).
- • Ebenso denkbar ist die Nutzung von AM gefertigten Bauteilen im Guss als Einlegeteile.
- • Ebenso kann ein Formkörper (z.B. Ringsegment) im Metallpulverspritzguss verarbeitet werden, ggf. in Kombination der anderen Verfahren.
- • Ebenso kann ein auf dem Pulver basierendes Lot verwendet werden, um mehrere Teile zu verbinden.
- • Ebenso kann eine schweißtechnologische Verbindung hergestellt werden, z.B. mit artgleichem Schweißzusatzwerkstoff.
- • Component is produced by casting or as a forged part or as an AM component (powder bed, laser powder build-up welding).
- • A process combination is also conceivable, eg by AM (welding on of further structures).
- • Equally conceivable is the use of AM manufactured components in castings as inserts.
- • Likewise, a shaped body (eg ring segment) can be processed in the metal powder injection molding, possibly in combination of the other methods.
- • Similarly, powder based solder can be used to join multiple parts.
- • Similarly, a welding technology connection can be made, for example with matching welding filler material.
Vorzugsweise enthält die Legierung kein Molybdän (Mo), kein Niob (Nb), kein Yttrium (Y), kein Rhenium (Re) und oder/ kein Ruthenium (Ru).Preferably, the alloy contains no molybdenum (Mo), no niobium (Nb), no yttrium (Y), no rhenium (Re) and / or ruthenium (Ru).
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