DE60301158T2

DE60301158T2 - Werkstoff aus Superlegierung mit verbesserter Schweissbarkeit

Info

Publication number: DE60301158T2
Application number: DE60301158T
Authority: DE
Inventors: David Burton Allen; Brij B. Seth; Gregg P. Wagner
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2002-03-06
Filing date: 2003-01-22
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2023-01-23
Also published as: EP1342803A2; EP1342803A3; DE60301158D1; EP1342803B1; US20030170489A1; US6696176B2

Description

Hinweis zu Rechten der Regierung der USA an dieser Erfindung
Gemäß den Bestimmungen des vom Energieministerium der USA vergebenen Auftrags mit der Vertragsnummer DE-FC21-95MC32267 stehen der Regierung der USA bestimmte Rechte an dieser Erfindung zu.
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein den Werkstoffbereich, insbesondere Superlegierungswerkstoffe für den Einsatz in Hochtemperaturanwendungen und speziell Superlegierungswerkstoffe mit verbesserter Schweißbarkeit.
Hintergrund der Erfindung
Nickellegierungen mit Chrom-, Aluminium-, Titan- und anderen Legierungsbestandteilen werden häufig für Hochtemperaturanwendungen eingesetzt. Derartige Legierungen werden üblicherweise als Superlegierungen bezeichnet. Der Massenanteil des Grundwerkstoffs Nickel beträgt in solchen Werkstoffen in der Regel zumindest 45%. Superlegierungen werden allgemein für die Herstellung von Gasturbinenkomponenten verwendet, die Verbrennungsgasen mit sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind, z. B. für Laufschaufeln und feststehende Leitschaufeln. Superlegierungen zeichnen sich durch hohe Festigkeit und gute Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit bei sehr hohen Temperaturen aus, neigen aber bei der Schmelzschweißung zur Rissbildung.
Die Schweißbarkeit ist eine wesentliche Werkstoffanforderung, die Einfluss auf die Gesamtkosten einer Superlegierungskomponente hat. Die Anschaffungskosten für die Komponentenherstellung werden davon beeinflusst, wie leicht Reparaturen von Gießfehlern durchgeführt und mehrteilige Komponentenbaugruppen, an denen Schweißarbeiten ausgeführt werden müssen, hergestellt werden können. Die langfristigen Betriebskosten werden dadurch beeinflusst, ob es möglich ist, eine beschädigte Komponente zu reparieren, statt sie auszutauschen. Mit dem Begriff Schweißbarkeit wird allgemein beschrieben, wie gut ein Werkstoff ohne Bildung von Rissen schmelzgeschweißt werden kann. Ein Maß für die Schweißbarkeit ist der Sigmajig-Test, mit dem der Belastungsschwellenwert für die Entstehung von Wärmerissen gemessen wird. Dieser Test wurde im Oak Ridge National Laboratory entwickelt, um die Schweißbarkeit von Legierungen, die zu Wärmerissen neigen, quantitativ zu bewerten. Bei diesem Test wird während des Auftragens einer Schweißnaht durch autogenes Wolframgas-Lichtbogenschweißen auf ein rechteckiges Probeblech eine Scherspannung angelegt. Wenn die vorangelegte Belastung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, kommt es zur Bildung von Rissen im Probestück. Je höher der Wert dieser Schwellenwertbelastung ist, desto besser ist der Werkstoff schweißbar.
Um die Schweißbarkeit von Superlegierungen zu verbessern, sind spezielle Prozesse entwickelt worden, die im Allgemeinen ein kostenintensives Vorheizen und/oder eine Wärmenachbehandlung der Schweißnaht erfordern. Um eine gute Schweißbarkeit zu erreichen, ohne auf die anderen positiven Eigenschaften eines Superlegierungsmaterials verzichten zu müssen, sind viele verschiedene Zusammensetzungen von Superlegierungswerkstoffen entwickelt worden. Eine solche Zusammensetzung wird im US-amerikanischen Patent Nr. 6.284.392 beschrieben. Dabei handelt es sich um eine Legierung auf Nickel-Basis, die eine bestimmte Kombination geringer Mengen von Bor und Zirkonium enthält.
In Superlegierungszusammensetzungen nach dem bisherigen Stand der Technik wurde Scandium verwendet. Im US-amerikanischen Patent Nr. 4.662.920 wird Scandium als eines von mehreren Elementen genannt, die einer Legierung auf Nickel-Basis für den Einsatz in Verarbeitungsanlagen von geschmolzenem Glas hinzugefügt werden können, um eine Dispersionsverfestigung und weitere Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit zu erzielen. Allerdings enthält keines der in diesem Patent beschriebenen Vergleichsbeispiele Scandium. Im US-amerikanischen Patent Nr. 4.261.742 wird eine Superlegierung mit Scandium für die Verbesserung der Oxidations-/Korrosionsbeständigkeit beschrieben, die einen hohen Chromgehalt hat, auf Nickel basiert und Elemente der Platingruppe enthält. Legierungen mit Platinanteil sind im Allgemeinen kostenintensiv. Im US-amerikanischen Patent Nr. 6.007.645 wird eine Einkristall-Legierung beschrieben, die Scandium oder andere Elemente für die Erhöhung der Zeitstandfestigkeit und der Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit enthalten kann. Es ist allgemein bekannt, dass Einkristall-Legierungen schlecht schweißbar sind, insbesondere wenn die Einkristallstruktur erhalten bleibt. Nach dem bisherigen Stand der Technik steht keine Beschreibung der Beziehung zwischen Scandium und der Schweißbarkeit einer Superlegierung zur Verfügung. Auch Angaben hinsichtlich der Beziehung zwischen Scandium und anderen Elementen und der Schweißbarkeit sucht man in der Literatur vergebens.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Das Ziel ist die Verbesserung der Schweißbarkeit von Superlegierungswerkstoffen. Verbesserte Werkstoffe sollten eine erhöhte Beständigkeit gegen Wärmerisse haben und gleichzeitig soll die Hitzebeständigkeit der bekannten Superlegierungen erhalten bleiben. Verbesserte Werkstoffe sollten ohne die Verwendung der teuren Elemente der Platingruppe auskommen.
Dementsprechend wird in diesem Dokument eine schmelzschweißbare Legierung beschrieben, die im Wesentlichen aus den folgenden Bestandteilen besteht (Angaben in Massenanteil): Chrom 22,0 bis 22,8%, Kobalt 18,5 bis 19,5%, Titan 3,6 bis 3,8%, Aluminium 1,8 bis 2,0%, Wolfram 1,8 bis 2,2%, Niob 0,9 bis 1,1%, Tantal 1,3 bis 1,5%, Kohlenstoff 0,13 bis 0,17%, Zirkonium 0,005 bis 0,040%, Bor 0,004 bis 0,014%, Eisen max. 0,5%, Schwefel max. 0,005%, Silber max. 0,0005%, Wismut max. 0,00005%, Silizium max. 0,2%, Mangan max. 0,2%, Blei max. 0,005%, Stickstoff max. 0,005%, Scandium 0,005 bis 1,0% und der Rest Nickel. Die Superlegierung auf Nickelbasis kann mehr als 0,100% oder mehr als 0,300% oder 0,005 bis 0,5% Scandium enthalten.
Zumindest ein Teil der Oberfläche der schmelzschweißbaren Legierung kann mit einer MCrAlY-Bindungsschicht versehen sein.
In diesem Dokument wird eine Turbinenkomponente beschrieben, die aus einer der oben angegebenen Legierungen besteht. Die Turbinenkomponente kann eine auf die Oberfläche der Legierung aufgetragene MCrAlY-Bindungsschicht enthalten. Weiterhin kann die Turbinenkomponente einen per Schmelzschweißung reparierten Legierungsbereich enthalten.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen weiter verdeutlicht.
1 zeigt eine Gasturbinenleitschaufel aus einer Superlegierung mit Scandium-Bestandteilen
2 zeigt eine Querschnittsteilansicht einer Gasturbinenkomponente und ein Substrat aus Superlegierung mit Scandium-Bestandteilen mit überlagerter MCrAlY-Bindungsschicht.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Wie allgemein bekannt ist, wird für konventionelle Superlegierungen Zirkonium genutzt, um Schwefel in der Schmelze durch die Bildung einer Sulfidphase zu binden (Getterabscheidung), was die Schwefelausfällung auf den Korngrenzen in der festen Legierung vermindert. Dies ist wünschenswert, weil Schwefel die Zeitdehnwerte einer Superlegierung bekanntlich negativ beeinflusst. Zirkonium kann auch durch die Verringerung der Korngrenzendiffusion in der Legierung eine vorteilhafte Wirkung ausüben.
Die Autoren der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass durch den Zusatz geringer Mengen von Scandium die Schweißbarkeit von Superlegierungen verbessert und gleichzeitig die Festigkeit der Legierung erhalten werden kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Scandium mit einer verringerten oder begrenzten Menge von Zirkonium eingesetzt wird. Scandium kann einer Superlegierungsschmelze entweder als elementares Scandium oder als eine Aluminium-Scandium-Vorlegierung zugesetzt werden. Auch das Hinzufügen von Scandium über die Vorlegierung mit anderen Grundmetallelementen wie Nickel oder Chrom sollte möglich sein. Durch das Hinzufügen von Scandium bildet sich eine Scandiumsulfidphase in der Hochtemperaturschmelze. Während der Erstarrung kommt es zur Ausfällung der Scandiumsulfidphase aus der Schmelze, was den Restschwefelgehalt der Schmelze verringert und die Legierung entschwefelt. Durch die Verringerung des Schwefelgehalts wird das Auftreten der eutektischen Nickel-Nickelsulfid-Reaktion verhindert, die bei sehr niedrigen Temperaturen auftritt. Dadurch wird der Erstarrungsbereich der Legierung verringert und die Schweißbarkeit verbessert.
Scandium und Zirkonium ähneln sich stark in ihren physikalischen Eigenschaften. Beide Elemente besitzen eine hexagonale, dichtgepackte Kristallstruktur. Auch die Atomradien von Scandium und Zirkonium unterscheiden sich mit 2,09 bzw. 2,16 Angström nur geringfügig. Die Autoren der vorliegenden Erfindung haben jedoch einen wichtigen Unterschied zwischen diesen beiden Elementen festgestellt. Scandium hat in Nickel eine maximale Löslichkeit von etwa 0,5% Atommassenanteil (0,4% Massenanteil), während Zirkonium in Nickel praktisch unlöslich ist. Aufgrund dieser Eigenschaft wird Zirkonium von der Legierungsmatrix ausgeschieden und während der Werkstofferstarrung an den Korngrenzen angereichert. Es wurde festgestellt, dass dieser Vorgang deutliche Auswirkungen auf die Schweißbarkeit der Legierung hat, was vermutlich durch Wärmerisse aufgrund der Präsenz mehrerer Nickel/Zirkonium-Niedrigtemperatur-Eutektikums bei 808 bis 1.470°C verursacht wird. Scandium mit seiner größeren Löslichkeit in Nickel wird während der Erstarrung in die Nickel-Matrix eingebaut und daher nicht an den Korngrenzen angereichert. Den meisten üblichen Superlegierungen und einigen Nickel-Eisen-Legierungen wird Zirkonium zugesetzt, um die mechanischen Eigenschaften bei höheren Temperaturen zu verbessern und die Warmformbarkeit zu ermöglichen. Scandium sollte als Austauschstoff für zumindest einen Teil des Zirkoniums in diesen Legierungen oder als Zusatz zum Zirkonium in diesen Legierungen geeignet sein, um die Schweißbarkeit der Legierung zu verbessern.
Scandiumzusätze sollten auch für die Erhöhung der Festigkeit von Superlegierungen vorteilhaft sein, insbesondere bei höheren Temperaturen, und zwar sowohl durch die Mischkristallhärtung als auch über die Bildung von Karbiden ähnlich der Wirkung von Zirkonium in derartigen Legierungen. Im US-amerikanischen Patent Nr. 6.284.392 ist beschrieben, dass Zirkonium zusammen mit Bor einen synergistischen Effekt hat, was auf Scandium möglicherweise ebenso zutrifft.
Scandium sollte effektiv für die Erhöhung der zyklischen Oxidationsbeständigkeit von Nickel-Superlegierungen einsetzbar sein. Bei den meisten modernen Gasturbinenanwendungen ist eine Superlegierung auf Nickel-Basis mit einer MCrAlY-Bindungsschicht überzogen. Das Aluminium im MCrAlY bildet eine Aluminiumoxidschutzschicht, die eine Verbesserung der Oxidations-/Korrosionsbeständigkeit der Komponente bewirkt. Es wurde festgestellt, dass die Aluminiumoxidschutzschicht durch Schwefel zersetzt wird. Durch die Reaktion mit Schwefel und damit dem Abbau von freiem Schwefel in der Legierung sollte Scandium eine verbesserte Haftung der Aluminiumoxidschicht und damit eine höhere zyklische Oxidationsbeständigkeit bewirken können.
In einer Ausführungsform werden die Eigenschaften einer häufig verwendeten Superlegierung auf Nickel-Basis, die unter der Bezeichnung IN-939 im Handel angeboten wird, durch die Substitution eines Teils des enthaltenen Zirkoniums durch Scandium verbessert. Die Spezifikation für IN-939 hat die folgenden Legierungsbestandteile (in % Massenanteil): Chrom 22,0 bis 22,8%, Kobalt 18,5 bis 19,5%, Titan 3,6 bis 3,8%, Aluminium 1,8 bis 2,0%, Wolfram 1,8 bis 2,2%, Niob 0,9 bis 1.1%, Tantal 1,3 bis 1,5%, Kohlenstoff 0,13 bis 0,17%, Zirkonium max. 0,14%, Bor 0,004 bis 0,014%, Eisen max. 0,5%, Schwefel max. 0,005%, Silber max. 0,0005%, Wismut max. 0,00005%, Silizium max. 0,2%, Mangan max. 0,2%, Blei max. 0,005%, Stickstoff max. 0,005% und der Rest Nickel. Eine neue Superlegierungszusammensetzung kann durch Hinzufügen von mindestens 0,005% oder mindestens 0.100% oder mindestens 0,300% oder 0,005 bis 0,5% oder 0,005 bis 0,1% Massenanteil Scandium zu den Legierungsbestandteilen der IN-939-Spezifikation hergestellt werden, wobei die Zirkonium-Menge oder die Nickel-Menge um den gleichen Betrag verringert wird oder die Menge von sowohl Zirkonium als auch Nickel um den gleichen Gesamtbetrag verringert wird. Die Zirkoniummenge in der neuen Zusammensetzung kann von 0,14% der IN-939-Spezifikation auf weniger als 0,04% oder auf einen Bereich von 0,005 bis 0,040% Massenanteil verringert werden, wobei der Nickelanteil entsprechend anzupassen ist. Weiterhin kann die neue Zusammensetzung Bor mit einem verringerten Bereich von 0,001 bis 0,005% Massenanteil enthalten, wobei der Nickelrest entsprechend anzupassen ist. Die Kombination von Zirkonium, Bor und Scandium in der neuen Superlegierung kann in einem Bereich von 0,005 bis 0,06% Massenanteilen liegen. Eine derartige Legierung enthält keine Elemente der Platingruppe. Andere Ausführungsformen einer solchen neuartigen Superlegierung mit Scandiumanteil kann weniger als 3% Massenanteil der Platingruppenmetalle Platin, Palladium, Rhodium, Iridium, Osmium und Ruthenium enthalten.
Eine Probe der IN-939-Superlegierung nach dem bisherigen Stand der Technik wurde einem Sigmajig-Test unterzogen, wobei ein Belastungsschwellenwert von 10 ksi gemessen wurde. Die IN-939-Basisprobe enthielt die folgende Stoffzusammensetzung (in Massenanteil): Chrom 22,5%, Kobalt 19,0%, Titan 3,7%, Wolfram 2,0%, Aluminium 1,9%, Niob 1,0%, Tantal 1,4%, Kohlenstoff 0,15%, Zirkonium 0,10%, Bor 0,010% und der Rest Nickel.
Eine Probe der oben beschriebenen neuen Superlegierungszusammensetzung wurde ebenfalls einem Sigmajig-Test unterzogen, wobei ein Belastungsschwellenwert von 15 ksi gemessen wurde. Das entspricht einer Verbesserung der Beständigkeit gegen Wärmerisse um 50% gegenüber der IN-939-Basislegierung. Die Probe der neuen Superlegierung enthielt die folgende Stoffzusammensetzung (in % Massenanteil): Chrom 22,3%, Kobalt 18,7%, Titan 3,8%, Aluminium 1,9%, Wolfram 1,9%, Niob 1,0%, Tantal 1,3%, Kohlenstoff 0,14%, Zirkonium unter 0,001%, Bor 0,005%, Schwefel 0,0006%, Scandium 0,023% und der Rest Nickel. Dabei ist zu beachten, dass diese Probe praktisch kein Zirkonium enthielt. Es wird davon ausgegangen, dass durch den Zusatz von 0,005 bis 0,040% Zirkonium zu einer derartigen Zusammensetzung (bei entsprechend verringertem Nickelanteil) eine weitere Erhöhung des Belastungsschwellenwerts im Sigmajig-Test erreicht werden kann, möglicherweise um weitere 25 bis 50%. Diese Annahme basiert auf durchgeführten Tests mit einer Legierung auf Nickelbasis, die eine ähnliche Zusammensetzung hatte, aber kein Scandium enthielt. Bei diesen Tests wurden bei 0,01 bis 0,02% Zirkonium-Massenanteil im Sigmajig-Test die höchsten Belastungsschwellenwerte gemessen. Bei Erhöhung des Zirkoniumgehalts über etwa 0,040% Massenanteil gingen die Belastungsschwellenwerte auf etwa den Wert zurück, der ohne Zirkoniumanteil gemessen wurde. Um ein hinlängliches Fließen der Schweißraupe zu ermöglichen, sollte zumindest ein geringer Zirkoniumanteil zur Gewährleistung einer Mindestliquidität zugesetzt werden. Scandium ist in der Gammaphase besser löslich und verteilt sich daher während der Erstarrung der Schweißraupe weniger stark auf die Endflüssigkeit, daher wird durch einen geringen Scandiumanteil nicht die gewünschte Liquidität erreicht. Somit kann eine entsprechend der Beschreibung in diesem Dokument verbesserte Superlegierung mindestens 0,005% oder weniger als 0,040% oder zwischen 0,005 und 0,040% Massenanteil Zirkonium enthalten.
Durch den Zusatz von Scandium zu der oben beschriebenen neuen Superlegierungsprobe ergaben sich im Vergleich mit einer IN-939-Legierung mit geringem Zirkoniumgehalt auch verbesserte mechanische Eigenschaften. Die Lebensdauer bis zum Bruch bei 1.600°F (871°C) und 37 ksi verbesserte sich von einem Durchschnittswert von 55 Stunden auf mehr als 160 Stunden. Diese Verbesserungen werden von den Autoren auf mehrere Faktoren zurückgeführt: Eine Verringerung des Gehalts an freiem Schwefel der Legierung über die Bildung von Scandiumsulfid- oder Carbosulfidphasen, die Bildung von Scandiumkarbidphasen, Mischkristallhärtung, eine Veränderung der Korngrenzenstruktur und/oder der Diffusionsgeschwindigkeiten und/oder einer synergistischen Interaktion mit dem in der Legierung enthaltenen Bor.
Bei einigen Superlegierungen nach dem bisherigen Stand der Technik, z. B. dem im Handel erhältlichen Werkstoff mit der Bezeichnung GTD-222, wurde die Schweißbarkeit durch die Verringerung der Zusammensetzung aus Gamma Prime-bildenden Elementen wie Titan und Aluminium verbessert. Mit diesen Verringerungen geht jedoch auch eine Verringerung der Warmfestigkeit der Legierung einher, da die Gamma Prime-Phase für die Warmfestigkeit verantwortlich ist. Durch Zusatz von Scandium lässt sich die Schweißbarkeit einer Superlegierung verbessern, ohne die Eigenschaften bei höheren Temperaturen negativ zu beeinflussen. Die oben beschriebene verbesserte Superlegierungsprobe wurde ohne Änderung der Spezifikationswerte für Titan und Aluminium hergestellt.
Bekanntlich lässt sich durch eine Übervergütung einer Legierung in dem Temperaturbereich, in dem sich die Gamma Prime-Phase zuerst bildet, die Schweißbarkeit einer Superlegierung verbessern. Durch eine derartige Übervergütung kommt eine grobkörnige Gamma Prime-Morphologie zustande. Durch diese grobkörnige Gamma Prime-Morphologie wird die Schweißbarkeit durch die Verzögerung der Bildung einer zusätzlichen Gamma Prime-Phase während der schnellen Erstarrung nach dem Schmelzschweißen verbessert. Diese Übervergütung ist zwar wirkungsvoll, gleichzeitig aber auch wegen der langen Schmelzofenzeiten teuer. Durch den Zusatz von Scandium kann das Schweißen einer Superlegierung erleichtert werden, ohne dass es einer längeren Wärmebehandlung bedarf. Das verringert die Bearbeitungszeit und die Kosten.
Die oben beschriebene Superlegierung mit Scandiumzusatz auf Nickelbasis kann mit einer aluminiumhaltigen Bindungsschicht überzogen werden, z. B. nach dem bisherigen Stand der Technik mit MCrAlY. Durch das Scandium wird die Oxidationsbeständigkeit der MCrAlY-Bindungsschicht verbessert, indem freier Schwefel aus der Legierung entfernt wird, was die effektive Lebensdauer einer auf die Legierung aufgetragenen Wärmesperre-Beschichtung erhöht.
1 zeigt eine Komponente aus Superlegierung mit Scandiumzusatz (Gasturbinenleitschaufel, 10). Die Leitschaufel besteht aus einem Flügelquerschnitt 12, der mit zwei Schaufelversteifungsbändern 14 verbunden ist. Der Flügel 12 besteht aus einer Flügelvorderkante 18, die während des Betriebs wegen des Zusammenprallens mit Feuchtigkeits- und Feststoffpartikeln, die in den über den Flügel 12 streichenden heißen Verbrennungsgasen mitgeführt werden, Erosionsschäden ausgesetzt sein kann. Die Leitschaufel 10 kann im Modellausschmelzverfahren mit einer neuen Guss-Superlegierung entsprechend der obigen Beschreibung hergestellt werden. Die Legierung enthält mindestens 0,005% oder mindestens 0,100% oder mindestens 0,300% oder zwischen 0,005 und 0,5% oder zwischen 0,005 und 0,1% Massenanteil Scandium. Die Superlegierung kann eine beliebige Zusammensetzung aus Superlegierung auf Nickel-Basis sein, wobei aber zu der bekannten Legierungszusammensetzung die oben angegebene Menge Scandium als Ersatz für die gleiche Menge Zirkonium, oder die gleiche Menge Nickel-Basiswerkstoff oder als Ersatz für Teile von sowohl Zirkonium als auch Basiswerkstoff der bekannten Zusammensetzung hinzugefügt wird. Die Superlegierung kann weiterhin mindestens 0,005% oder zwischen 0,005 und 0,04% oder weniger als 0,04% Massenanteil Zirkonium enthalten. Sie kann außerdem Boron im Bereich zwischen 0,001 und 0,005% Massenanteil enthalten. Die Kombination von Zirkonium, Bor und Scandium im Superlegierungsmaterial kann im Bereich zwischen 0,005 und 0,060% Massenanteil liegen. Eine derartige Zusammensetzung ermöglicht die Herstellung einer schmelzschweißbaren Komponente mit den gewünschten mechanischen Hochtemperatureigenschaften und der angestrebten Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit.
Die aus der Superlegierung hergestellte Turbinenleitschaufel 10 kann aus einer intakten Region 20 ohne Beschädigung bestehen und kann eine reparierte Region 22 enthalten. Da die in diesem Dokument beschriebene neue Superlegierung im Vergleich mit ähnlichen Zusammensetzungen nach dem bisherigen Stand der Technik eine verbesserte Schweißbarkeit aufweist, kann die reparierte Region 22 mittels eines Schmelzschweißprozesses hergestellt werden. Eine Komponentenregion kann je nach Bedarf aufbereitet und gereinigt werden, um beschädigtes Material und Verunreinigungen zu entfernen, und mit einer Schmelzschweißung kann Werkstoff aufgetragen und so die reparierte Region 22 hergestellt werden. Der Schmelzschweißprozess kann mittels Wolfram-Inertgas(WIG)-Schweißen erfolgen, wobei je nach Bedarf Zusatzwerkstoff für die Erzielung der gewünschten Kontur aufgetragen wird. Als Zusatzwerkstoff kann Nimonic 263 oder IN-625 verwendet werden, wenn eine Legierung ähnlich IN-939 aber mit zusätzlichem Scandium eingesetzt wird. Die Prozessanforderungen würden dann eine geringe Wärmezufuhr während des Schweißens und eine intensive Vorwärmung beinhalten.
Superlegierungskomponenten, die bereits in Betrieb waren, sind oft nicht schweißbar, obwohl der ursprüngliche Werkstoff nach dem Guss akzeptable Schweißeigenschaften hatte. Der Grund dafür kann die Bildung eines kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Karbidphasenstrangs an den Korngrenzen des Werkstoffs sein. Diese Karbide können viel Zirkonium enthalten und bieten während des Schmelzschweißens eine Zirkoniumquelle für das geschmolzene Metall der Schweißstelle. Zirkonium bildet mit Nickel eine eutektische Phase mit niedrigem Schmelzpunkt, wodurch der Erstarrungsbereich des Schweißmetalls vergrößert wird und Aufschmelzrisse der Schweißstelle verursacht werden. Durch die Verringerung des Zirkoniumanteils oder dessen Ersatz durch Scandium entsprechend der obigen Beschreibung kann die Schweißreparaturproblematik bei Teilen, die bereits in Betrieb waren, durch akzeptable mechanische Eigenschaften bei verringertem Zirkoniumanteil im Werkstoff verringert oder ganz beseitigt werden.
2 zeigt eine Querschnittsteilansicht einer Gasturbinenkomponente 26 mit einem Guss-Superlegierungssubstrat 28 und einer überlagerten aluminiumhaltigen Schicht 30 aus MCrAlY-Werkstoff. Das Superlegierungssubstrat 28 kann im Modellausschmelzverfahren mit einer Superlegierung mit einem Scandiumgehalt wie oben dargestellt gebildet werden. Diese schmelzschweißbare Legierung kann weiterhin enthalten: 0,005 bis 0,040% Massenanteil Zirkonium und mindestens 0,100% oder mindestens 0,300% oder 0,005 bis 0,5% oder 0,005 bis 1,0% Massenanteil Scandium. Durch das Scandium im Substratwerkstoff 28 wird die Oxidationslebensdauer der MCrAlY-Beschichtung 30 durch Verringerung des freien Schwefels in der Legierung verbessert.
In diesem Dokument wurden die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgezeigt und beschrieben. Natürlich können derartige Ausführungsformen nur Beispiele sein. Von Fachleuten können zahlreiche Variationen, Änderungen und Substitutionen vorgenommen werden, ohne von der hier dargelegten Erfindung grundsätzlich abzuweichen. Daher soll die Erfindung nur durch den Umfang der nachfolgenden Patentansprüche begrenzt sein.

Claims

Eine Superlegierung auf Nickel-Basis bestehend aus folgender Zusammensetzung (in Massenanteilen): Chrom 22,0 bis 22,8%, Kobalt 18,5 bis 19,5%, Titan 3,6 bis 3,8%, Aluminium 1,8 bis 2,0%, Wolfram 1,8 bis 2,2%, Niob 0,9 bis 1,1%, Tantal 1,3 bis 1,5%, Kohlenstoff 0,13 bis 0,17%, Zirkonium 0,005 bis 0,040%, Bor 0,004 bis 0,014%, Eisen max. 0,5%, Schwefel max. 0,005%, Silber max. 0,0005%, Wismut max. 0,00005%, Silizium max. 0,2%, Mangan max. 0,2%, Blei max. 0,005%, Stickstoff max. 0,005%, Scandium 0,005 bis 1,0% und der Rest Nickel sowie unvermeidliche Verunreinigungen.
Die Superlegierung auf Nickelbasis gemäß Patentanspruch 1 mit mehr als 0,100% Massenanteil Scandium.
Die Superlegierung auf Nickelbasis gemäß Patentanspruch 1 mit mehr als 0,300% Massenanteil Scandium.
Die Superlegierung auf Nickelbasis gemäß Patentanspruch 1 mit einem Massenanteil von Scandium, der zwischen 0,005 und 0,5% liegt.
Eine Turbinenkomponente, die aus der Superlegierung auf Nickelbasis gemäß Patentanspruch 1 hergestellt ist.
Die Turbinenkomponente aus Patentanspruch 5, die zusätzlich eine auf die Oberfläche der Superlegierung auf Nickelbasis aufgetragene MCrAlY-Bindungsschicht enthält.
Die Turbinenkomponente aus Patentanspruch 5, die zusätzlich einen durch Schmelzschweißung reparierten Bereich innerhalb der Superlegierung auf Nickelbasis enthält.