DE102019213990A1

DE102019213990A1 - Nickelbasislegierung für additive Fertigung, Verfahren und Produkt

Info

Publication number: DE102019213990A1
Application number: DE102019213990.6A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2019-09-13
Publication date: 2021-03-18
Also published as: WO2021047979A1; CN114391048A; EP3999341A1; US20220341003A1

Abstract

Durch die spezielle Auswahl von Elementen und Anpassungen wird eine verbesserte Legierung zum Gießen und zur additiven Fertigung dargelegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Nickelbasislegierung und ein Verfahren sowie ein Produkt, wobei die Legierung bzw. das Produkt verbesserte Eigenschaften beim Gießen und bei einer additiven Herstellungsroute aufweist.
Die beschriebenen 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: „AM“ for „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.
Im Bereich der stationären Gasturbinen gibt es Anforderungen an Werkstoffe, die durch die bestehenden Werkstoffe oft gleichzeitig nicht abgedeckt werden können. Diese Anforderungen umfassen eine zweckmäßige bzw. vorteilhafte Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit, Beschichtungsfähigkeit bzw. Lebensdauer der Beschichtung auf dem Substrat, vorteilhafte mechanische Eigenschaften, wie Kriechbeständigkeit und TMF („thermo-mechanical fatigue“)-Beständigkeit und eine bezüglich Heiß- oder Erstarrungsrissen rissfreie oder rissarme Verarbeitbarkeit mit verschiedenen Fertigungsprozessen, wie Gießen, Laser-Pulver-Auftrag-Schweißen und selektivem Laser- oder Elektronenstrahl-Schmelzen aus dem Pulverbett. 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.
Bisher werden in der Regel weniger optimale Legierungen genutzt und entsprechende, beispielsweise strukturelle, Nachteile der einzelnen Legierungen umgangen oder in Kauf genommen, da man mittels Auslegung und Beschichtung sowie entsprechenden Wartungsintervallen entsprechende Probleme lösen oder tolerieren konnte.
Es ist die Aufgabe der Erfindung die oben genannten Probleme zu lösen bzw. den genannten Anforderungen zu genügen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1 in einem Verfahren gemäß Anspruch 8 und ein Produkt gemäß Anspruch 11.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Legierung zeichnet sich durch folgende Aspekte aus:

- Hoher Chromgehalt für die Korrosionsbeständigkeit
- Geeignete Verarbeitbarkeit in vielseitigen Fertigungsprozessen durch gezielte Begrenzung der Elemente (Si, Mn, B, Zr) und gezielte Auswahl des Elements Hf
- Moderater Al-Gehalt für die Kriechbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit
- Hoher Tantalgehalt für die Kriechbeständigkeit
- Co-Reduzierung teilweise bis auf 0 wt% und gezielter Ersatz durch Eisen (Fe) verbessert
- Hoher Hf-Gehalt verbessert Beschichtung von PtAl und stärkt beta-Phase in einer optionalen Wärmedämmschicht
- Spezifizierte Zusammensetzung ermöglicht großes Wärmebehandlungsfenster für weniger aufwendiger Wärmebehandlungen und geringes Auftreten von Imperfektionen während der Wärmebehandlung

Die Legierung weist auf (Angaben in Gew.-%):

Kohlenstoff (C): 0,03% - 0,13%
Chrom (Cr): 12,5% - 16,0%
Molybdän (Mo): 1,0% - 2,0%
Wolfram (W): 2,0% - 4,0%
Aluminium (A1): 4,0% - 5,5%
Bor (B): 0,0025% - 0,015%
Zirkon (Zr): 0,0025% - 0,015%
Tantal (Ta): 3,0% - 7,0%,
insbesondere: 4,0% - 7,0%,
Eisen (Fe): 3,0% - 7,0%
Hafnium (Hf): 1,4% - 2,2%,

Kobalt (Co): 0,0% - 5,0%,
insbesondere: 0,0% - 4,0%,
ganz insbesondere: 0,0% - 3,0%,
Niob (Nb): max. 1,0%,
insbesondere: 0,5% - 1,0%
ganz insbesondere: 0,1% bis 0,5%
Rhenium (Re): max. 1,0%
insbesondere: 0,5% - 1,0%
ganz insbesondere: 0,1% bis 0,5%
Silicium (Si): max. 0,02%
Mangan (Mn): max. 0,05%
Phosphor (P): max. 0,005%
Schwefel (S): max. 0,001%
Titan (Ti): max. 0,2%
Kupfer (Cu): max. 0,01%
Vanadium (V): max. 0,1%
Silber (Ag): max. 0,0005%
Blei (Pb): max. 0,0002%
Selen (Se): max. 0,0010%
Sauerstoff (O): max. 0,0200%
Gallium (Ga): max. 0,0030%
Bismut (Bi): max. 0,0010%
Stickstoff (N): max. 0,0050%
Magnesium (Mg): max. 0,0070%
Yttrium (Y): max. 0,02%
Cer (Ce): max. 0,02%.

Die technischen Vorteile der vorliegend beschriebenen Legierung betreffen die:
- • Fertigung von Gasturbinenbauteilen, welche über verschiedene Fertigungsrouten rissarm oder -frei möglich ist, insbesondere über Gusstechnik, Laser-Pulver-Auftragsschweißen und selektive Pulverbett-Schmelzverfahren;
- • Effizienzsteigerung einer Gasturbine, aufweisend die beschriebenen Bauteile bzw. die beschriebene Legierung, und AM-Design;
- • Kostenreduzierung durch geringe Kobalt-Anteile;
- • Anpassung der Legierungselemente Si, B, Zr, Hf auf die Prozessbedingungen, sowie von Al, Fe, Ta, Hf an die mechanischen und thermophysikalischen Anforderungen des Produkts, insbesondere hinsichtlich seiner Kriech-, TMF-, Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit;
- • Fertigung von hochwertigen Gasturbinenbauteilen mit neuer, kosteneffizienter Legierung, so dass zukünftige Produkt-/Bauteil-Anforderungen abgedeckt werden können und ein Beitrag zur Effizienzsteigerung von Gasturbinen geleistet wird.

Einige, aber nicht einschränkende Beispiele sind:

	C	Cr	Mo	Al	Hf	Co	Ta	Fe
1	0,04	12,5	1,2	4,1	1,4	0	3,1	7,0
2	0,06	13, 1	1,6	4,6	1,7	1	3,5	7, 0
3	0,1	14, 0	1,8	5,2	1,9	2	4,7	7, 0
4	0,12	15, 5	2, 0	5,5	2,2	3	5,1	7, 0
5	0, 04	12,5	1,2	4, 1	1,4	0	5,5	7, 0
6	0, 06	13, 1	1, 6	4, 6	1,7	1	6, 1	7, 0
7	0, 1	14,0	1,8	5,2	1,9	2	6, 6	7, 0
8	0,12	15, 5	2, 0	5,5	2,2	3	7, 0	7, 0
9	0, 04	12,5	1,2	4,1	1,4	0	3,1	6,4
10	0, 06	13, 1	1, 6	4, 6	1,7	1	3,5	5, 8
11	0,1	14,0	1, 8	5,2	1,9	2	4,7	4, 9
12	0,12	15, 5	2, 0	5,5	2,2	3	5,1	4,0
13	0, 04	12,5	1,2	4,1	1,4	0	5, 5	6,4
14	0, 06	13, 1	1,6	4, 6	1,7	1	6, 1	5, 8
15	0,1	14,0	1,8	5,2	1,9	2	6, 6	4, 9
16	0,12	15, 5	2, 0	5,5	2,2	3	7, 0	4,0
17	0, 04	12,5	1,2	4,1	1,4	0	3,1	6,4
18	0, 06	13, 1	1, 6	4, 6	1,7	1	3,5	5, 8
19	0,1	14,0	1,8	5,2	1,9	2	4,7	4,9
20	0,12	15, 5	2, 0	5,5	2,2	3	5,1	4,0
21	0, 04	12,5	1,2	4,1	1,4	0	5,5	6,4
22	0, 06	13, 1	1,6	4, 6	1,7	1	6, 1	5, 8
23	0,1	14,0	1,8	5,2	1,9	2	6, 6	4,9
24	0,12	15, 5	2, 0	5, 5	2,2	3	7, 0	4,0

Die Werte für die nicht gelisteten Legierungselemente W, C, B, Zr, etc. entsprechen denen gemäß obiger Auflistung.
Vorteile mit Kobalt werden erzielt durch mindestens 0,5% Kobalt (Co), insbesondere 0,5% bis 4,0%, ganz insbesondere 0,5% bis 3,0%.
Weitere Vorteile werden erzielt durch mindestens 0,5% Kobalt (Co), insbesondere 0,5% bis 2,0%, ganz insbesondere 0,5% bis 1,0% in der Legierung.
Vorteile mit Tantal werden erzielt durch mindestens 3,0 bis 5,0% Tantal (Ta), insbesondere 4,0% bis 5,0%, ganz insbesondere 4,5%.
Weitere Vorteile werden erzielt mit mindestens 5,1 bis 7,0% Tantal (Ta), insbesondere 6,0% bis 7,0%, ganz insbesondere 6,5% in der Legierung.
Vorteile mit Eisen (Fe) werden erzielt durch mindestens 3,0 bis 5,0%, insbesondere 4,0% bis 5,0%, ganz insbesondere 4,5%.
Weitere Vorteile werden erzielt mit mindestens 5,1 bis 7,0% Eisen (Fe), insbesondere 6,0% bis 7,0%, ganz insbesondere 6,5% in der Legierung.
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]

Claims

Nickelbasissuperlegierung, die zumindest aufweist, insbesondere besteht aus (in Gew.-%): Kohlenstoff (C) 0,03% - 0,13% Chrom (Cr) 12,5% - 16,0% Molybdän (Mo) 1,0% - 2,0% Wolfram (W) 2,0% - 4,0% Aluminium (Al) 4,0% - 5,5% Bor (B) 0,0025% - 0,015% Zirkon (Zr) 0,0025% - 0,015% Tantal (Ta) 3,0% - 7,0%, insbesondere 4,0% - 7,0%, Eisen (Fe) 3,0% - 7,0% Hafnium (Hf) 1,4% - 2,2%,

und optional weitere Elemente Kobalt (Co) 0,0% - 5,0%, insbesondere 0,0% - 4,0%, ganz insbesondere 0,0% - 3,0%, Niob (Nb) max. 1,0%, insbesondere 0,5% - 1,0% ganz insbesondere 0,1% bis 0,5% Rhenium (Re) max. 1,0% insbesondere 0,5% - 1,0% ganz insbesondere 0,1% bis 0,5% Silicium (Si) max. 0,02% Mangan (Mn) max. 0,05% Phosphor (P) max. 0,005% Schwefel (S) max. 0,001% Titan (Ti) max. 0,2% Kupfer (Cu) max. 0,01% Vanadium (V) max. 0,1% Silber (Ag) max. 0,0005% Blei (Pb) max. 0,0002% Selen (Se) max. 0,0010% Sauerstoff (0) max. 0,0200% Gallium (Ga) max. 0,0030% Bismut (Bi) max. 0,0010% Stickstoff (N) max. 0,0050% Magnesium (Mg) max. 0,0070% Yttrium (Y) max. 0,02% Cer (Ce) max. 0,02%.
Legierung nach Anspruch 1, die mindestens 0,5% Kobalt (Co) aufweist, insbesondere 0,5% bis 4,0%, ganz insbesondere 0,5% bis 3,0%.
Legierung nach Anspruch 1, die mindestens 0,5% Kobalt (Co) aufweist, insbesondere 0,5% bis 2,0%, ganz insbesondere 0,5% bis 1,0%.
Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, die mindestens 3,0 bis 5,0% Tantal (Ta) aufweist, insbesondere 4,0% bis 5,0%, ganz insbesondere 4,5%.
Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, die mindestens 5,1 bis 7,0% Tantal (Ta) aufweist, insbesondere 6,0% bis 7,0%, ganz insbesondere 6,5%.
Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, die mindestens 3,0 bis 5,0% Eisen (Fe) aufweist, insbesondere 4,0% bis 5,0%, ganz insbesondere 4,5%.
Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, die mindestens 5,1 bis 7,0% Eisen (Fe) aufweist, insbesondere 6,0% bis 7,0%, ganz insbesondere 6,5%.
Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils, bei dem eine Legierung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein Pulverbettverfahren verwendet wird, insbesondere selektives Schmelzen (SLM) oder selektives Sintern (SLS) durch Laserstrahl oder Elektronenstrahlen.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein Pulverauftragsschweißen, insbesondere ein Laserpulverauftragsschweißen, verwendet wird.
Produkt, aufweisend eine Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 oder hergestellt nach Anspruch 8, 9 oder 10.