DE102021203258A1 - Legierung, Pulver, Verfahren und Bauteil - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine nickelbasierte Legierung, die aufweist:Kohlenstoff (C): 0,05% - 0,09%,Chrom (Cr) : 9, 6% - 10,5%,Kobalt (Co): 14,7% - 15,3%,Molybdän (Mo): 2,8% - 3,2%,Titan (Ti): 3,8% - 4,2%,Aluminium (Al): 5,3% - 5,8%,Bor (B) : 0,015%,Zirkon (Zr): 0,004% - 0,006%,Vanadium (V): 0,9% - 1,0%,Hafnium (Hf): 0,5% - 2,0%,Tantal (Ta): max 0,14%,Niob (Nb): max 0,01%,Silizium (Si): max 0,009%,Magnesium (Mg): max 0,011%,Wolfram (W): max 0,09%,kein Rhenium (Re) oder kein Ruthenium (Ru).
Description
- Die Erfindung betrifft eine Legierung, ein Pulver, ein Verfahren zur Herstellung mittels der Legierung oder des Pulvers sowie ein Bauteil daraus.
- Nickelbasierte Superlegierung sind bekannt als Werkstoffe für Hochtemperaturanwendungen wie bei Gasturbinen für Hitzeschilde in Brennkammer oder auch für Turbinenschaufeln im Heißgaspfad.
- Diese Superlegierungen müssen bei hohen Temperaturen oxidationsbeständig sein sowie eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen.
- Zur Steigerung der Effizienz ist es von Vorteil, dass insbesondere bei rotierenden Bauteilen wie Turbinenschaufeln das Gewicht möglichst geringgehalten wird.
- Es ist Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen. Die Aufgabe wird gelöst durch
eine Legierung gemäß Anspruch 1,
ein Pulver gemäß Anspruch 2,
ein Verfahren gemäß Anspruch 3 und
ein Bauteil gemäß Anspruch 4. - Die Erfindung nutzt eine Verbesserung der chemischen Zusammensetzung von nickelbasierten Superlegierungen im Sinne einer Verbesserung der spezifischen mechanischen Eigenschaften durch Anpassung geeigneter Elemente, dabei wird die rissfreie Verarbeitbarkeit und Produktivität beibehalten.
- Die Erfindung wird im Folgenden nur exemplarisch beschrieben. Es wird nun die Funktion der einzelnen, in der hochhitzebeständigen Nickelbasislegierung enthaltenden Elemente zur Ausführung der oben beschriebenen Erfindung beschrieben werden.
- Kohlenstoff (C) wird zugesetzt, der, zusätzlich zu seiner Funktion als desoxidierendes Element, weitere Funktionen zur Verbindung mit Titan (Ti), Niob (Nb) und Tantal (Ta) zwecks Bildung stabiler MC-Typ-Primärkarbide hat, um die Vergröberung austenitischer Körner während einer Heißverformung zu unterdrücken und die Heißgleitfähigkeit zu verbessern. Die gewünschte Wirkung des Kohlenstoffs(C) wird erreicht, indem man eine Menge von wenigstens 0,09% zusetzt, doch bildet dessen Zusatz von mehr als 0,13% das Kettengefüge des MC-Typ-Karbids und verursacht die Entstehung von Warmrissen, die von diesem Teil ausgehen, so dass die Werkzeugstandzeit verringert wird.
- Demgemäß wird Kohlenstoff (C) in einer Menge von 0,05 Gew.-% bis 0,09 Gew.-%, vorzugsweise 0,07 Gew.-% zugesetzt.
- Silizium (Si) kann vorzugsweise als ein Desoxidationsmittel zugesetzt werden und wirkt gleichzeitig zur Verbesserung der Haftung einer sich bildenden Oxidschicht. Jedoch verursacht dessen übermäßiger Zusatz eine Verringerung sowohl der Heißverformbarkeit als auch der Duktilität bei Raumtemperaturen. Demgemäß kann Silizium (Si) in einer Menge bis zu 0,009 Gew.- % oder weniger zugesetzt werden.
- Chrom (Cr) bildet eine Oxidschicht mit einer hochgradig engen Haftung an der Oberfläche während einer Erhitzung auf hohe Temperaturen und verbessert die Oxidationsbeständigkeit. Zusätzlich kann Chrom (Cr) auch die Warmumformbarkeit verbessern.
- Diese Wirkung erfordert seinen Zusatz in einer Menge über 9,0 Gew.-%, doch dessen 12 Gew.-% überschreitender, übermäßiger Zusatz verursacht die Ausscheidung einer α-Phase, was von einer Verringerung der Duktilität begleitet wird.
- Demgemäß liegt die Menge an Chrom (Cr) in einem Bereich über 9,6 Gew.-%, jedoch nicht mehr als 10,5 Gew.-%, vorzugsweise bei 10,0 Gew.-%.
- Hafnium (Hf)verringert die Heißrissanfälligkeit beim Gießen und verbessert die Duktilität, insbesondere bei DS Werkstoffen mit Stängelkörnern in Querrichtung. Außerdem verbessert Hafnium (Hf) die Oxidationsbeständigkeit. Auf der anderen Seite erniedrigt Hafnium (Hf) die Anschmelztemperatur und kann aufgrund seiner hohen Reaktivität zu Reaktionen mit der Formschale beim Gießen führen. Hafnium (Hf) wird daher mit einer Konzentration bis max. 1,5 Gew.-% eingesetzt.
- Molybdän (Mo) ist ein Element der gleichen Gruppe wie Wolfram (W) und daher kann der Ersatz eines Teils von Wolfram (W) durch Molybdän (Mo) die gleiche Funktion wie die von Wolfram (W) vorsehen. Da jedoch seine Wirkung geringer ist als die von Wolfram (W), setzt man Molybdän (Mo) in einem Bereich von 2,8 Gew.-% bis 3,2 Gew.-% zu, insbesondere 3,0 Gew.-%.
- Aluminium (Al) ist ein Zusatzelement, das zur Bildung einer stabilen γ'-Phase nach einer Anlassbehandlung wesentlich ist und in einer Menge von wenigstens 2,2 Gew.-% zugesetzt werden soll. Dessen 6,0 Gew.-% übersteigender Zusatz verursacht jedoch eine Steigerung der γ'-Phase und senkt die Heißverformbarkeit. Demgemäß liegt Aluminium (Al) in einem Bereich von 5,3 Gew.-% bis 5,8 Gew.-%, vorzugsweise bei 5,5 Gew.-%.
- Ein Teil des Titans (Ti) wird mit Kohlenstoff (C) zur Bildung eines stabilen MC-Typ-Primärkarbids verbunden und hat eine festigkeitserhöhende Funktion bei nicht y'-gehärteten Legierungen.
- Der Rest von Titan (Ti) liegt in der γ'-Phase im Festlösungszustand vor, wodurch die γ'-Phase verfestigt wird, und dient zur Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit. Demgemäß muss Titan (Ti) in einer Menge von wenigstens 3,0 Gew.-% zugesetzt werden, doch dessen übermäßiger 4,5 Gew.-% übersteigender Zusatz senkt nicht nur die Heißverformbarkeit, sondern macht auch die γ'-Phase instabil und verursacht Verringerungen der Festigkeit nach langzeitiger Verwendung bei hohen Temperaturen. Demgemäß liegt Titan (Ti) vorzugsweise auch im Bereich von 3,8 Gew.-% bis 4,2 Gew.-%.
- Weiter haben Aluminium (Al), Tantal (Ta) und Titan (Ti) auch eine wichtige Funktion der Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit, vor allem in der Kombination der Elemente bilden sie stabile Oxidschichtsysteme.
- Zirkon (Zr) und Bor (B) sind zur Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit und Duktilität durch ihre korngrenzenaktive Funktion wirksam, und wenigstens eines von ihnen kann der Legierung der Erfindung in einer passenden Menge zugesetzt werden. Ihre Wirkung wird bei einer geringen Zusatzmenge erhalten.
- Zirkon- (Zr) und Bor- (B)-Mengen von mehr als 0,006 Gew.-% bzw. 0,017 Gew.-% senken die Solidustemperatur beim Erhitzen, wodurch die Heißverformbarkeit verschlechtert wird.
- Demgemäß sind die oberen Grenzen von Zirkon (Zr) und Bor (B) 0,006 Gew.-% bzw. 0,017 Gew.-%.
- Nickel (Ni) bildet eine stabile austenitische Phase und wird eine Matrix für sowohl die feste Lösung als auch die Ausscheidung der γ'-Phase.
- Abgesehen von den oben beschriebenen Elementen können bis zu 15,3 Gew.-% Kobalt (Co) der Legierung der Erfindung zugesetzt werden.
- Kobalt (Co) existiert im Austenit der Matrix im Festlösungszustand, wodurch eine gewisse Mischkristallverfestigung erreicht wird, und hat auch eine Wirkung zur Verbesserung der engen Haftung des Oxidfilms. Da Kobalt (Co) in der Ni-Matrix im Festlösungszustand vorliegt und da Kobalt (Co) die Ausscheidung der γ'-Phase kaum beeinträchtigt, ist Kobalt (Co) günstig. Da Kobalt (Co) jedoch ein teures Element ist, wird dessen Zusatz in großen Mengen nicht bevorzugt.
- Mit diesen Anpassungen wird die Verarbeitbarkeit für einen produktiven L-PBF-Prozess mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und gesteigerter Oxidationsbeständigkeit gewährleistet.
- Die nickelbasierte Legierung weist daher erfindungsgemäß auf, insbesondere bestehend aus (in Gew.-%):
- Kohlenstoff (C): 0,05% - 0,09%,
- insbesondere 0,07%,
- Chrom (Cr) : 9, 6% - 10,5%,
- insbesondere 10,0% bis 10,5%,
- ganz insbesondere 10,0%,
- Kobalt (Co): 14,7% - 15,3%,
- insbesondere 15,0%,
- Molybdän (Mo): 2,8% - 3,2%,
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- Titan (Ti): 3,8% - 4,2%,
- insbesondere 4,0%,
- Aluminium (Al): 5,3% - 5,8%,
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- Bor (B): 0,013% - 0,017%,
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- Zirkon (Zr): 0,004% - 0,006%,
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- Vanadium (V): 0,96% - 1,1%,
- insbesondere 1,0%,
- Hafnium (Hf): 0,5% - 2,0%,
- insbesondere 1,2% bis 1,6%,
- ganz insbesondere 1,4%,
- Tantal (Ta): max 0,14%,
- Niob (Nb): max 0,01%,
- Silizium (Si): max 0,009%,
- Magnesium (Mg): max 0,011%,
- Wolfram (W): max 0,09%,
- kein Rhenium (Re) oder Ruthenium (Ru),
- insbesondere restliche Verunreinigungen bis 0,1%,
- Nickel,
- insbesondere Rest Nickel (Ni).
- Das Bauteil ist vorzugsweise eine Komponente einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine und dort insbesondere im „heißen“ Bereich.
- Beispiele (EX1, EX2, EX3) für Nickelbasis sind:
EX1 EX2 EX3 C 0,05 0,09 0,07 Cr 9,6 9,9 10,3 Co 14,8 15,1 15,2 Mo 3,1 2,9 3,0 Ti 4,0 3,9 4,2 Al 5,3 5,5 5,7 B 0,015 0,015 0,015 Zr 0,005 0,005 0, 004 Hf 0,8 1,4 1,5 V 1,0 0,9 1,1 Ni
Claims (4)
- Nickelbasierte Legierung, aufweisend (in Gew.-%): Kohlenstoff (C): 0,05% - 0,09%, insbesondere 0,07%, Chrom (Cr): 9,6% - 10,5%, insbesondere 10,0% bis 10,5%, ganz insbesondere 10,0%, Kobalt (Co): 14,7% - 15,3%, insbesondere 15,0%, Molybdän (Mo): 2,8% - 3,2%, insbesondere 3,0%, Titan (Ti): 3,8% - 4,2%, insbesondere 4,0%, Aluminium (Al): 5,3% - 5,8%, insbesondere 5,5%, Bor (B): 0,013% - 0,017%, insbesondere 0,015%, Zirkon (Zr): 0,004% - 0,006%, insbesondere 0,005%, Vanadium (V): 0,96% - 1,1%, insbesondere 1,0%, Hafnium (Hf): 0,5% - 2,0%, insbesondere 1,2% bis 1,6%, ganz insbesondere 1,4%, Tantal (Ta): max 0,14%, Niob (Nb): max 0,01%, Silizium (Si): max 0,009%, Magnesium (Mg): max 0,011%, Wolfram (W): max 0,09%, kein Rhenium (Re) und/oder kein Ruthenium (Ru), insbesondere restliche Verunreinigungen bis 0,1%, Nickel, insbesondere Rest Nickel (Ni).
- Pulver, aufweisend eine nickelbasierte Legierung, welche enthält (in Gew.-%): Kohlenstoff (C): 0,05% - 0,09%, insbesondere 0,07%, Chrom (Cr) : 9, 6% - 10,5%, insbesondere 10,0% bis 10,5%, ganz insbesondere 10,0%, Kobalt (Co): 14,7% - 15,3%, insbesondere 15,0%, Molybdän (Mo): 2,8% - 3,2%, insbesondere 3,0%, Titan (Ti): 3,8% - 4,2%, insbesondere 4,0%, Aluminium (Al): 5,3% - 5,8%, insbesondere 5,5%, Bor (B): 0,013% - 0,017%, insbesondere 0,015%, Zirkon (Zr): 0,004% - 0,006%, insbesondere 0,005%, Vanadium (V): 0,96% - 1,1%, insbesondere 1,0%, Hafnium (Hf): 0,5% - 2,0%, insbesondere 1,2% bis 1,6%, ganz insbesondere 1,4%, Tantal (Ta): max 0,14%, Niob (Nb): max 0,01%, Silizium (Si): max 0,009%, Magnesium (Mg): max 0,011%, Wolfram (W): max 0,09%, kein Rhenium (Re) und/oder kein Ruthenium (Ru), insbesondere restliche Verunreinigungen bis 0,1%, Nickel, optional Binder oder Refraktärpartikel.
- Verfahren, bei dem eine Legierung auf Nickelbasis verwendet wird, insbesondere für Pulverbettverfahren, die zusammengesetzt ist aus (in Gew.-%): Kohlenstoff (C): 0,05% - 0,09%, insbesondere 0,07%, Chrom (Cr) : 9, 6% - 10,5%, insbesondere 10,0% bis 10,5%, ganz insbesondere 10,0%, Kobalt (Co): 14,7% - 15,3%, insbesondere 15,0%, Molybdän (Mo): 2,8% - 3,2%, insbesondere 3,0%, Titan (Ti): 3,8% - 4,2%, insbesondere 4,0%, Aluminium (Al): 5,3% - 5,8%, insbesondere 5,5%, Bor (B): 0,013% - 0,017%, insbesondere 0,015%, Zirkon (Zr): 0,004% - 0,006%, insbesondere 0,005%, Vanadium (V): 0,96% - 1,1%, insbesondere 1,0%, Hafnium (Hf): 0,5% - 2,0%, insbesondere 1,2% bis 1,6%, ganz insbesondere 1,4%, Tantal (Ta): max 0,14%, Niob (Nb): max 0,01%, Silizium (Si): max 0,009%, Magnesium (Mg): max 0,011%, Wolfram (W): max 0,09%, kein Rhenium (Re) und/oder kein Ruthenium (Ru), insbesondere restliche Verunreinigungen bis 0,1%, Nickel.
- Rohmaterial oder Bauteil, insbesondere aufweisend ein Substrat, aufweisend eine nickelbasierte Legierung, die zusammengesetzt ist aus (in Gew.-%): Kohlenstoff (C): 0,05% - 0,09%, insbesondere 0,07%, Chrom (Cr) : 9, 6% - 10,5%, insbesondere 10,0% bis 10,5%, ganz insbesondere 10,0%, Kobalt (Co): 14,7% - 15,3%, insbesondere 15,0%, Molybdän (Mo): 2,8% - 3,2%, insbesondere 3,0%, Titan (Ti): 3,8% - 4,2%, insbesondere 4,0%, Aluminium (Al): 5,3% - 5,8%, insbesondere 5,5%, Bor (B): 0,013% - 0,017%, insbesondere 0,015%, Zirkon (Zr): 0,004% - 0,006%, insbesondere 0,005%, Vanadium (V): 0,96% - 1,1%, insbesondere 1,0%, Hafnium (Hf): 0,5% - 2,0%, insbesondere 1,2% bis 1,6%, ganz insbesondere 1,4%, Tantal (Ta): max 0,14%, Niob (Nb): max 0,01%, Silizium (Si): max 0,009%, Magnesium (Mg): max 0,011%, Wolfram (W): max 0,09%, kein Rhenium (Re) und/oder kein Ruthenium (Ru), insbesondere restliche Verunreinigungen bis 0,1%, Nickel, insbesondere Rest Nickel (Ni).
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