DE102022211589A1

DE102022211589A1 - Kobaltbasislegierung, Pulver, Verfahren und Bauteile

Info

Publication number: DE102022211589A1
Application number: DE102022211589.9A
Authority: DE
Inventors: Bernd Burbaum; Henning Hanebuth; Heiko Lammers
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2022-11-02
Filing date: 2022-11-02
Publication date: 2024-05-02
Also published as: WO2024094412A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kobalt-Superlegierung, aufweisend (in Gew.%):

Description

Die Erfindung betrifft eine Kobaltbasislegierung, ein Pulver, Verfahren sowie Bauteile.
Für Turbinenlaufschaufeln von Gasturbinen der nächsten Generation wird aufgrund einer hohen Temperaturbelastung (> 1373K) ein oxidationsbeständigerer Werkstoff an den Spitzen der Turbinenlaufschaufeln benötigt.
Dabei kann die Spitze einer Turbinenschaufel schon als Neuteil auch einen anderen Werkstoff als das Material (Substrat) des Schaufelblattes aufweisen.
Kobaltbasis-Superlegierungen zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit werden derzeit schon als Zusatzwerkstoff für Reparaturen von Schaufelspitzen eingesetzt ( EP 3,077,572 A1 ).
Eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Oxidationsbeständigkeit bei gleichzeitig guter Schweißbarkeit wird angestrebt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kobaltbasislegierung gemäß Anspruch 1, ein Pulver gemäß Anspruch 3, Bauteile gemäß Ansprüche 4, 5 sowie Verfahren nach Ansprüchen 6, 7.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Beschreibung stellt nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.

Die Idee besteht in einer Kobaltbasislegierung, die insbesondere schweißbar ist und aufweist,
insbesondere besteht aus (in Gew. %):

Kohlenstoff (C):	0,4% bis 0,5%
Chrom (Cr):	21,0% bis 23,0%
Wolfram (W):	7,2% bis 8,2%
Titan (Ti):	0,05% bis 0,14%
Aluminium (Al):	1,7% bis 2,7%
Tantal (Ta):	2,9% bis 3,6%
Yttrium (Y):	0,01% bis 0,03%
Nickel (Ni):	11,5% bis 13,5%
Hafnium (Hf):	0,45% bis 0,65%
Kobalt (Co): optional	49,0% bis 53,0%,
Zirkon (Zr):	bis 0,02%
Bor (B):	bis 0,0014%
Silizium (Si):	bis 0,018ö.

Eine weitere vorteilhafte Legierung weist dabei auf, insbesondere besteht aus (in Gew. %):

Kohlenstoff (C):	0,45%
Chrom (Cr):	22,0%
Wolfram (W):	8, 0%
Titan (Ti):	0,1%
Aluminium (Al):	2,2%
Tantal (Ta):	3,25%
Yttrium (Y):	0, 02%
Kobalt (Co):	50,93%
Nickel (Ni):	12,5%
Hafnium (Hf):	0,55%.

Kohlenstoff (C) wird zugesetzt, der, zusätzlich zu seiner Funktion als desoxidierendes Element, weitere Funktionen zur Verbindung mit Titan (Ti) 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.
Silizium (Si) kann vorzugsweise optional 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.
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.
Wolfram (W) ist ein Zusatzelement, das im Wesentlichen den austenitischen Mischkristall bis zu hohen Temperaturen verfestigt.
Aluminium (Al) ist ein Zusatzelement, das zur Bildung einer stabilen γ'-Phase nach einer Anlassbehandlung wesentlich ist.
Ein Teil des Titans (Ti) wird mit Kohlenstoff (C) zur Bildung eines stabilen MC-Typ-Primärkarbids verbunden und hat eine festigkeitserhöhende Funktion bei nicht γ'-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.
Weiterhin 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.
Gleichartig wie Titan (Ti) wird ein Teil von sowohl Tantal (Ta) als auch Kohlenstoff (C) unter Bildung stabiler MC-Typ-Primärkarbide verbunden, und sie haben festigkeitssteigernde Funktionen, vor allem für nicht γ'-gehärtete Legierungen.
Zirkon (Zr) und Bor (B) sind zur optionalen Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit und Duktilität durch ihre Korngrenzen aktive 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.
Durch die Zugabe von Hafnium (Hf) werden die Korngrenzen stabilisiert und damit die mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen verbessert.
Die Legierung oder das Pulver kann bei der Neuteilherstellung von massiven Bauteilen, bei Reparaturen oder bei der modularen Herstellung von Neubauteilen, bei denen zumindest ein Abschnitt eine andere chemische Zusammensetzung aufweist, verwendet werden.
Beschichtungen werden ebenso mit der Legierung oder dem Pulver durchgeführt.
Ein komplettes Bauteil, insbesondere ein Turbinenbauteil, kann mit der Legierung oder dem Pulver hergestellt werden.
Ebenso kann die Legierung oder das Pulver verwendet werden, um ein modulares Neubauteil, insbesondere ein Turbinenbauteil, oder auch insbesondere ein zu reparierendes Bauteil, herzustellen.
Dabei wird auf ein insbesondere metallisches Substrat, das verschieden ist von der Legierung oder dem Pulver, das insbesondere eine nickelbasierte Legierung darstellt, die erfindungsgemäße Legierung oder das erfindungsgemäße Pulver aufgetragen, insbesondere mittels Auftragsschweißung.
Verschiedene Legierung bedeutet allgemein, dass zumindest ein Legierungselement mehr oder weniger vorhanden ist und/oder dass sich der Anteil zumindest einer Legierungskomponente um mindestens 10%, insbesondere mindestens um 20%, unterscheidet.
Dabei können Verfahren (Neuteil, Reparatur) wie Auftragsschweißen, insbesondere Laserauftragsschweißen, ganz insbesondere Laserpulverauftragsschweißen mit oder ohne abrasive Partikel sowie additive Verfahren (3D-Druck), insbesondere Pulverbettverfahren, d.h. auch mit Binder möglich, oder Sprühverfahren (APS, HVOF, ...) verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3077572 A1 [0004]

Claims

Kobalt-Superlegierung, aufweisend, insbesondere bestehend aus (in Gew.%): Kohlenstoff (C): 0,4% bis 0,5% Chrom (Cr): 21,0% bis 23,0% Wolfram (W): 7,2% bis 8,2% Titan (Ti): 0,05% bis 0,14% Aluminium (Al): 1,7% bis 2,7% Tantal (Ta): 2,9% bis 3,6% Yttrium (Y): 0,01% bis 0,03% Nickel (Ni): 11,5% bis 13,5% Hafnium (Hf): 0,45% bis 0,65% Kobalt (Co): optional 49,0% bis 53,0%, Zirkon (Zr): bis 0,02% Bor (B): bis 0,0014% Silizium (Si): bis 0,018%.
Legierung nach Anspruch 1, aufweisend, insbesondere bestehend aus (in Gew. %): Kohlenstoff (C): 0,45% Chrom (Cr): 22,0% Wolfram (W): 8, 0% Titan (Ti): 0,1% Aluminium (Al): 2,2% Tantal (Ta): 3,25% Yttrium (Y): 0, 02% Kobalt (Co): 50, 9% Nickel (Ni): 12,5% Hafnium (Hf): 0,55.
Pulver, aufweisend eine Legierung, insbesondere bestehend aus einer Legierung, nach einem der Ansprüche 1 oder 2, optional mit Binder und/oder mit abrasiven Partikel.
Bauteil, insbesondere ein Turbinenbauteil, aufweisend eine Legierung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, insbesondere bestehend aus einer Legierung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2 oder hergestellt mittels einem Pulver nach Anspruch 3.
Bauteil, insbesondere ein Turbinenbauteil, ganz insbesondere ein repariertes Bauteil, aufweisend ein metallisches Substrat, insbesondere ein nickelbasiertes Substrat, das verschieden ist von einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2 und ein Teil des Bauteils auf dem Substrat, insbesondere eine Schaufelspitze einer Turbinenschaufel, das oder die eine Legierung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2 aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Turbinenbauteils, bei dem durch Auftragsschweißen, insbesondere durch Laserauftragsschweißen, oder durch additive Verfahren, insbesondere mittels Pulverbettverfahren, eine Legierung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2 oder ein Pulver nach Anspruch 3 verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere zur Reparatur eines Bauteils, bei dem durch Auftragsschweißen, insbesondere durch Laserauftragsschweißen, oder durch additive Verfahren, insbesondere durch Pulverbettverfahren, eine Legierung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2 oder ein Pulver nach Anspruch 3 auf ein Substrat, insbesondere auf ein nickelbasiertes Substrat, des Bauteils aufgetragen wird.