DE102020207910A1

DE102020207910A1 - Nickelbasislegierung, Pulver, Verfahren und Bauteil

Info

Publication number: DE102020207910A1
Application number: DE102020207910.2A
Authority: DE
Inventors: Christoph Heinze; Yves Küsters; Michael Ott
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2020-06-25
Filing date: 2020-06-25
Publication date: 2021-12-30
Also published as: CN115943006A; WO2021259750A1; US20230220518A1; EP4126425A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nickelbasislegierung, die zumindest folgende Legierungselemente in Gew. % aufweist:wobei der Rest Nickel sowie Verunreinigungen umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Nickelbasislegierung nach Patentanspruch 1, ein Pulver nach Patentanspruch 7, sowie ein Verfahren nach Patentanspruch 9 und ein Bauteil nach Patentanspruch 12.
Nickelbasislegierungen weisen eine hohe Korrosionsfestigkeit und eine hohe Temperaturfestigkeit, insbesondere eine hohe Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen auf. Legierungen, die letztere Eigenschaften aufweisen, werden auch als sogenannte Superlegierungen auf Nickelbasis bezeichnet. Diese Legierungen finden insbesondere im Triebwerksbau oder in Turbinen zur Energieerzeugung Anwendung. In der Regel werden die Bauteile, die aus den beschriebenen Nickelbasislegierung bestehen, durch ein Gießverfahren oder durch Sinterverfahren hergestellt. Ein Beispiel für eine entsprechende Legierung wird in der DE 10 2017 007 106 B4 gegeben.
Zunehmend finden jedoch auch additive Herstellungsverfahren unter Verwendung von Nickelbasislegierung Anwendung. Eine hierfür gut geeignete Legierung wird in der WO2018/083065A1 beschrieben. Ausgehend von dieser Legierung ist es die Aufgabe der Erfindung, die Kriechfestigkeit weiter zu erhöhen und dabei die Mikrorissbildung auf einem niedrigen Niveau zu bewahren oder diese auch noch zu reduzieren.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Nickelbasislegierung nach Patentanspruch 1, sowie in einem Pulver nach Patentanspruch 7, in einem Verfahren nach Patentanspruch 9 und in einem Bauteil nach Patentanspruch 12.
Die erfindungsgemäße Nickelbasislegierung weist dabei zumindest folgende Legierungselemente in Gew. % auf:

Kobalt (Co) 10,3 - 10,7,

Chrom (Cr) 9,8 - 10,2,

Wolfram (W) 9,3 - 9,7,

Aluminium (Al) 5,2 - 5,7,

Hafnium (Hf) 1,8 - 2,2,

Tantal (Ta) 1,9 - 2,1,

Molybdän (Mo) 0,4 - 0,6,

wobei der Rest Nickel sowie Verunreinigungen umfasst.
Gegenüber dem oben beschriebenen Stand der Technik unterscheidet sich die vorliegende Legierung insbesondere darin, dass der Anteil an Hafnium insofern erhöht wurde, dass dieser nun zwischen 1,8 und 2,2 Gewichtsprozent liegt. Die Erstarrungsrissneigung der Legierung wurde hierdurch merklich gemindert bzw. unter Anpassung der Prozessparameter vollständig verhindert. Die gezielte Erhöhung des Anteils an Hafnium verbessert zusätzlich die mechanischen Eigenschaften durch die Erhöhung des Anteils an sogenannten γ' Phasen im Gegensatz zu Legierungen mit einem niedrigeren Anteil an Hafnium. Auch der Anteil an Tantal liegt gegenüber dem Stand der Technik in einem leicht erhöhten Bereich.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung wird der jeweilige Anteil der Legierungselemente noch einmal in einem engeren prozentualen Bereich angegeben und umfassen zumindest wie folgt:

Kobalt (Co) 10,55 - 10,65,

Chrom (Cr) 9,8 - 10,9,

Wolfram (W) 9,35 - 9,45,

Aluminium (Al) 5,35 - 5,45,

Hafnium (Hf) 1,85 - 1,95,

Tantal (Ta) 1,95 - 2,05,

Molybdän (Mo) 0,4 - 0,6,

wobei der Rest Nickel sowie Verunreinigungen umfasst.
In diesem engeren Bereich liegt auch eine konkrete Legierungszusammensetzung, die als besonders vorteilhaft getestet ist. Dieser weist nach Messung der Zusammensetzung folgende Einzelanteile der entsprechenden Legierungsbestandteile auf:

Kobalt (Co) 10, 6,

Chrom (Cr) 9, 8,

Wolfram (W) 9,4,

Aluminium (Al) 5,4,

Hafnium (Hf) 1, 9,

Tantal (Ta) 2,0,

Molybdän (Mo) 0,5,

Kohlenstoff (C) 0,06,

wobei der Rest Nickel sowie Verunreinigungen ist.
Bei dieser speziellen Legierung hat sich herausgestellt, dass die Neigung zu Mikrorissen besonders gering ist und eine Hochtemperatur-Kriechfestigkeit zum Tragen kommt, die gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbessert ist.
Die bisher beschriebenen Legierungszusammensetzungen sind so formuliert, dass neben den Verunreinigungen auch noch weitere Bestandteile in geringen Umfang vorhanden sein können. Es hat sich dabei als vorteilhaft herausgestellt, einen Kohlenstoffanteil zu wählen, der nach Gewichtsprozent zwischen 0,04 und 0,08 liegt.
Ferner ist es zweckmäßig, dass die Legierung Bor und/oder Zirkon in geringen Bestandteilen umfasst, die bevorzugt zwischen 0,0025 und 0,01 Gewichtsprozent liegen.
Die Anteile weiterer Legierungsbestandteil von untergeordneter Bedeutung, die auch als Verunreinigungen angesehen werden können, nämlich Silizium, Mangan, Phosphor, Schwefel, Titan, Bor, Zirkon, Eisen, Kupfer, Silber, Blei, Selen, Bismut und Magnesium sollten jeweils weniger als 0,1 Gew. %. Insbesondere weniger als 0,05 Gew. %, bei Silizium bevorzugt weniger als 0,02 Gew% betragen.
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Pulver das eine Legierung nach einem der Patentansprüche 1-6 umfasst. Mit dem Begriff „umfasst“ ist damit gemeint, dass dieses Pulver zum wesentlichen aus der besagten Legierung besteht, dass es aber auch noch Zusatzstoffe aufweisen kann, die ein additives Herstellungsverfahren positiv beeinflussen. Hierbei kann es sich um bestimmte Bindemittel oder Trennstoffe handeln. Das bedeutet, dass sowohl die Legierung an sich als auch das hieraus resultierende Pulver insbesondere zur Herstellung von Bauteilen mit einem additiven Fertigungsverfahren einsetzbar ist.
In diesem Zusammenhang ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils Bestandteil der Erfindung, das unter Verwendung einer Legierung gemäß des Patentanspruchs 1-6 bzw. eines Pulvers nach den Patentansprüchen 7 oder 8 erfolgt. Dabei ist das Verfahren bevorzugt ein additives Herstellungsverfahren, insbesondere ein Laser-Sinterverfahren oder ein selektives Laseraufschmelzverfahren, z. B. LPBF.
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung besteht in einem Bauteil, das eine Legierung nach einem der Patentansprüche 1-6 oder ein Pulver nach einem der Ansprüche 7 oder 8 umfasst, wobei unter Vernachlässigung von geringfügigen Additiven das Bauteil aus dieser Legierung besteht. Unter dem Begriff Bauteil ist hierbei auch ein Halbzeug zu verstehen, dass durch weitere Verfahrensschritte in ein weiteres Bauteil integriert sein kann und somit dann im Endmontage-Zustand auch weitere Materialbestandteile aufweisen kann.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Legierung, des Pulvers des Verfahrens und somit auch des Bauteils in Turbinen die zum Erzeugen von elektrischen Strom dienen. Insbesondere in Gasturbinenbauteilen. Grundsätzlich kann die Erfindung auch Anwendung in Turbinen finden, die zum Antrieb von Fortbewegungsmittel dienen, insbesondere auch in Flugzeugturbinen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017007106 B4 [0002]
WO 2018/083065 A1 [0003]

Claims

Nickelbasislegierung, die zumindest folgende Legierungselemente in Gew. % aufweist: Kobalt (Co) 10,3 - 10,7, Chrom (Cr) 9,8 - 10,2, Wolfram (W) 9,3 - 9,7, Aluminium (Al) 5,2 - 5,7, Hafnium (Hf) 1,8 - 2,2, Tantal (Ta) 1,9 - 2,1, Molybdän (Mo) 0,4 - 0,6,

wobei der Rest Nickel sowie Verunreinigungen umfasst.
Nickelbasislegierung nach Anspruch 1, die zumindest folgende Legierungselemente in Gew. % aufweist: Kobalt (Co) 10,55 - 10,65, Chrom (Cr) 9,8 - 10,9, Wolfram (W) 9,35 - 9,45, Aluminium (Al) 5,35 - 5,45, Hafnium (Hf) 1,85 - 1,95, Tantal (Ta) 1,95 - 2,05, Molybdän (Mo) 0,40 - 0,6,

wobei der Rest Nickel sowie Verunreinigungen umfasst.
Nickelbasislegierung nach Anspruch 1 oder 2, die zumindest folgende Legierungselemente in Gew. % aufweist: Kobalt (Co) 10, 6, Chrom (Cr) 9, 8, Wolfram (W) 9,4, Aluminium (Al) 5,4, Hafnium (Hf) 1, 9, Tantal (Ta) 2,0, Molybdän (Mo) 0,5, Kohlenstoff (C) 0,06,

wobei der Rest Nickel sowie Verunreinigungen umfasst.
Nickelbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusätzlich Kohlenstoff (C) mit einem Anteil zwischen 0,04 und 0,08 Gew. % umfasst.
Nickelbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusätzlich Bor (B) und/oder Zirkon (Zr) mit einem Anteil zwischen 0,0025 und 0,01 Gew. % umfasst.
Nickelbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anteile an Silizium, Mangan, Phosphor, Schwefel, Titan, Bor, Zirkon, Eisen, Kupfer, Silber, Blei, Selen, Bismut und Magnesium jeweils weniger als 0,1 Gew. %., betragen, insbesondere weniger als 0,05 Gew. % betragen, bei Silizium bevorzugt weniger als 0,02 Gew% beträgt.
Pulver, das eine Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.
Pulver, nach Anspruch 7, das Zusatzstoffe zur additiven Fertigung umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils unter Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder eines Pulvers nach einem der Ansprüche 7 oder 8.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das das Verfahren ein additives Herstellungsverfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das das Verfahren ein selektives Lasersintern oder ein selektives Laseraufschmelzen ist.
Bauteil umfassend eine Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Bauteil bestehend aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Bauteil hergestellt aus einem Pulver nach Anspruch 7 oder 8.