DE102019213214A1 - Nickelbasissuperlegierung, geeignet auch zur additiven Fertigung, Verfahren und Produkt - Google Patents

Nickelbasissuperlegierung, geeignet auch zur additiven Fertigung, Verfahren und Produkt Download PDF

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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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Abstract

Durch gezielte Auswahl der Elemente Silicium, Bor, Zirkon und Hafnium einer Nickelbasissuperlegierung können rissfreie Proben auch im additiven Verfahren hergestellt werden.Nickelbasissuperlegierung, zumindest aufweisend, insbesondere bestehend aus (in Gew.-%):Kohlenstoff (C) 0,04% - 0,08%Chrom (Cr) 9,8% - 10,2%Cobalt (Co) 10,3% - 10,7%Molybdän (Mo) 0,4% - 0,6%Wolfram (W) 9,3% - 9,7%Aluminium (Al) 5,2% - 5,7%Tantal (Ta) 1,9% - 2,1%Bor (B) 0,0025% - 0,01%Zirkonium (Zr) 0,0025% - 0,01%Hafnium (Hf) 0,1% - 0,3%optional Yttrium (Y)Rest Nickel (Ni).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Legierung, die besondere Vorteile bietet bei der additiven Fertigung von metallischen Bauteilen, ein Verfahren und ein Produkt.
  • Die Produkte sind vorzugsweise für den Einsatz in einer Strömungsmaschine, vorzugsweise im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen.
  • Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren (PBF) das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS) oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM).
  • Weitere additive Verfahren sind beispielsweise „Directed Energy Deposition (DED)“-Verfahren, insbesondere Laserauftragschweißen, Elektronenstrahl- oder Plasma-Pulverschweißen, Drahtschweißen, metallischer Pulverspritzguss, sogenannte „sheet lamination“-Verfahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS, GDCS).
  • Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispielsweise bekannt aus EP 2 601 006 B1 .
  • Additive Fertigungsverfahren (englisch: „additive manufacturing“) haben sich weiterhin als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfolgen kann, und damit eine vorteilhafte Alternative - beispielsweise gegenüber der konventionellen gießtechnischen Herstellung von Hochleistungsbauteilen mit den bekannten nachteiligen Prozessschritten - gegeben ist.
  • Bislang gibt es bei mittels additiver Fertigung, insbesondere Laser beam powder bed fusion (LB-PBF) oder selektivem Laserschmelzen oder electron beam powder bed fusion (EB-PBF)) einer Nickelbasislegierung oft keinen rissfreien Strukturaufbau, so dass eine Optimierung diesbezüglich Gegenstand aktueller Entwicklung ist.
  • Nickelbasislegierungen des Standes der Technik sind beispielsweise bekannt aus DE 10 2017 113780 A1 , EP 3 034 639 A1 und DE 10 2016 221470 A1 .
  • Diese Problematik wurde durch die vorliegende Erfindung aufgegriffen und eine Legierung mit engeren Spezifikationen von entscheidenden Elementen definiert, die den rissfreien oder für den bestimmungsgemäßen Betrieb tolerierbar rissarmen additiven Strukturaufbau zur Folge hat.
    Gerade bei additiven Fertigungstechnologien, insbesondere bei pulverbett-basierten Verfahren (PBF), treten prozessinhärent lokal sehr hohe Temperaturgradienten von teilweise mehr als 106 K/s auf, die die beschriebenen Heiß- oder Erstarrungsrisse verursachen.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung das oben genannte Problem zu lösen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 3 und ein Produkt gemäß Anspruch 7.
  • Die Legierungselemente wurden gezielt angepasst, um rissfreie Proben fertigen zu können.
  • Dabei sind die Elemente Silizium (Si), Bor (B), Zirkon (Zr) und Hafnium (Hf) von besonderer Bedeutung und Kohlenstoff (C) ist ebenfalls zu beachten, aber vor allem Modifikationen von Hafnium (Hf) waren relevant.
  • Die Erstarrungsrissneigung bei der Herstellung eines Produktes aus der oder umfassend die beschriebene Legierung kann durch die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise gemindert bzw. gänzlich vermieden werden. Dies beruht auf einer Reduzierung des Anteils an Flüssigphase/Eutektikum im Temperaturbereich von 1273K bis Solidustemperatur bei gleichzeitiger Einstellung eines kleineren Erstarrungsintervalls.
  • Auch durch die Reduzierung der γ'-Solvustemperatur über die vorliegende Anpassung oder Wahl des Hf-Gehalts kann die Verarbeitbarkeit verbessert bzw. die Rissneigung vorteilhafterweise reduziert werden.
  • Die Fertigung erfolgt vorzugsweise mittels LB-PBF.
  • Die Legierung hat vorzugsweise folgende Zusammensetzung (in Gew.-%):
    • Kohlenstoff (C) 0,04% - 0,08%
    • Chrom (Cr) 9,8% - 10,2%
    • Cobalt (Co) 10,3% - 10,7%
    • Molybdän (Mo) 0,4% - 0,6%
    • Wolfram (W) 9,3% - 9,7%
    • Aluminium (Al) 5,2% - 5,7%
    • Tantal (Ta) 1,9% - 2,1%
    • Bor (B) 0,0025% - 0,01%
    • Zirkonium (Zr) 0,0025% - 0,01%
    • Hafnium (Hf) 0,1% - 0,3%
    • Nickel (Ni) optional
    • Yttrium (Y) 0,005% - 0,015% weiterhin optional, jeweils maximal:
      • Silizium (Si) 0,02%
      • Mangan (Mn) 0,05%
      • Phosphor (P) 0,005%
      • Schwefel (S) 0,001%
      • Titan (Ti) 0,01%
      • Eisen (Fe) 0,05%
      • Kupfer (Cu) 0,01%
      • Vanadium (V) 0,1%
      • Silber (Ag) 0,0005%
      • Blei (Pb) 0,0002%
      • Selen (Se) 0,0010%
      • Sauerstoff (O) 0,0200%
      • Gallium (Ga) 0,0030%
      • Bismut (Bi) 0,0010%
      • Stickstoff (N) 0,0050%
      • Magnesium (Mg) 0,0070%.
  • Die erfindungsgemäßen Vorteile lassen sich weiter optimieren durch eine weiterhin geeignete Wahl von Prozessparametern für die additive Herstellung wie die Scan- oder Bestrahlungsgeschwindigkeit, die Laserleistung oder den Spur- Streifen- oder „Hatch“-Abstand‟.
  • Bei dem Produkt, welches die beschriebene Legierung aufweist, handelt es sich vorzugsweise um ein Bauteil, welches im Heißgaspfad einer Strömungsmaschine, beispielsweise einer Gasturbine eingesetzt wird. Insbesondere kann das Bauteil eine Lauf- oder Leitschaufel, ein Segment oder Ringsegment, ein Brennerteil oder eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Resonator, Stempel oder einen Wirbler bezeichnen oder einen entsprechenden Übergang, Einsatz oder ein entsprechendes Nachrüstteil.
  • 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
    • EP 2601006 B1 [0005]
    • DE 102017113780 A1 [0008]
    • EP 3034639 A1 [0008]
    • DE 102016221470 A1 [0008]

Claims (7)

  1. Nickelbasissuperlegierung zumindest aufweisend, insbesondere bestehend aus (in Gew.-%): Kohlenstoff (C) 0,04% - 0,08% Chrom (Cr) 9,8% - 10,2% Cobalt (Co) 10,3% - 10,7% Molybdän (Mo) 0,4% - 0,6% Wolfram (W) 9,3% - 9,7% Aluminium (Al) 5,2% - 5,7% Tantal (Ta) 1,9% - 2,1% Bor (B) 0,0025% - 0,01% Zirkonium (Zr) 0,0025% - 0,01% Hafnium (Hf) 0,1% - 0,3% Nickel (Ni) optional Yttrium (Y) 0,005% - 0,015%, weiterhin optional, jeweils maximal: Silizium (Si) 0,02% Mangan (Mn) 0,05% Phosphor (P) 0,005% Schwefel (S) 0,001% Titan (Ti) 0,01% Eisen (Fe) 0,05% Kupfer (Cu) 0,01% Vanadium (V) 0,1% Silber (Ag) 0,0005% Blei (Pb) 0,0002% Selen (Se) 0,0010% Sauerstoff (O) 0,0200% Gallium (Ga) 0,0030% Bismut (Bi) 0,0010% Stickstoff (N) 0,0050% Magnesium (Mg) 0,0070%.
  2. Legierung nach Anspruch 1, die Yttrium (Y) aufweist.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, bei dem eine Legierung gemäß Anspruch 1 oder 2 verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein Pulverbettverfahren oder ein Auftragsschweißverfahren verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein Selektives Sinter Verfahren (SLS) oder ein Selektives Schmelzverfahren (SLM), insbesondere mittels Laser oder Elektronenstrahlung, verwendet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein Pulverauftragsschweißen, insbesondere ein Laserpulverauftragsschweißverfahren verwendet wird.
  7. Produkt, aufweisend eine Legierung nach Anspruch 1 oder 2 oder hergestellt nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 3 bis 6.
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