EP1054072A1 - Nickel-Basis-Superlegierung - Google Patents

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EP1054072A1
EP1054072A1 EP99810443A EP99810443A EP1054072A1 EP 1054072 A1 EP1054072 A1 EP 1054072A1 EP 99810443 A EP99810443 A EP 99810443A EP 99810443 A EP99810443 A EP 99810443A EP 1054072 A1 EP1054072 A1 EP 1054072A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
ppm
nickel
based superalloy
single crystal
weight
Prior art date
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EP99810443A
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English (en)
French (fr)
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EP1054072B1 (de
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John Dr. Fernihough
Maxim Dr. Konter
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General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
ABB Alstom Power Switzerland Ltd
Alstom Schweiz AG
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Publication date
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Priority to EP99810443A priority patent/EP1054072B1/de
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/057—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being less 10%
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/056—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 10% but less than 20%

Definitions

  • the invention relates to the field of materials technology. It affects one Nickel-based superalloy, especially for the production of single crystal components (SX alloy) or components with a directionally solidified structure (DS alloy), such as blades for gas turbines.
  • SX alloy single crystal components
  • DS alloy directionally solidified structure
  • Such components made of nickel-based superalloys show high Temperatures have a very good material strength. This allows the Inlet temperature of gas turbines can be increased, increasing the efficiency of the Gas turbine rises.
  • Grain boundaries are areas of high local disorder of the crystal lattice, because in In these areas the neighboring grains collide and thus a certain one Disorientation exists between the crystal lattices.
  • Nitrogen is considered to be a harmful contaminant, one counteracting effect on the grain area and the formation of leads to non-metallic inclusions, for example titanium or tantalum nitrides. Grain defects can form on these inclusions (Metals Handbook, 10. Edition, 1990, ASM International, Vol. 1, p. 1000), which negatively affects the Properties of the alloys.
  • the invention tries to avoid all these disadvantages. You have the task based on a nickel-based superalloy (SX or DS alloy) for Manufacture to create single crystal components that differ from the known prior art due to a larger small angle grain size tolerance distinguished and yet very good fatigue properties has low number of cycles and high stress temperatures.
  • SX or DS alloy nickel-based superalloy
  • the essence of the invention is that the nickel-based superalloy essentially from (measured in% by weight) 3.0-13.0% Cr, 5.0-15.0% Co, 0-3.0% Mo, 3.5-9.5% W, 3.2-6.0% Al, 0-3.0% Ti, 2.0-10.0% Ta, 0-6.0% Re, 0.002-0.08% C, 0-0.04% B, 0-1.4% Hf, 0-0.005% Zr, 10-60 ppm N, balance nickel with There is contamination or that the nickel-based superalloy essentially from (measured in% by weight) 6.0-6.8% Cr, 8.0-10.0% Co, 0.5-0.7% Mo, 6.2-6.7% W, 5.4-5.8% Al, 0.6-1.2% Ti, 6.3-7.0% Ta, 2.7-3.2% Re, 0.02-0.04% C, 40-100 ppm B, 0.15-0.3% Hf, 15-50 ppm Mg, 0-400 ppm Y, 10-60
  • the advantages of the invention can be seen, inter alia, in that the controlled slight addition of nitrogen to DS or SX nickel based superalloys the carbides have a favorable block-like morphology exhibit. This allows the carbon content to be compared to that known State of the art can be increased without this with a deterioration of Fatigue behavior at low load cycles and high temperatures connected is. The increased carbon content has a positive impact on the Small angle grain boundaries.
  • Another advantage is that the block-like morphology of the Carbide the well-known phenomenon of long character-like carbides is eliminated, which oxidize very quickly along its length and therefore the Increase the degree of oxidation of the alloy, this long character-like carbides are often the places where there is a crack start shows.
  • the alloy according to the invention is thus characterized by an increased Oxidation resistance of the small-angle grain boundaries as well as improved longitudinal and transverse mechanical properties.
  • an advantage of the invention is that in contrast to the reactive elements such as Mg, Ce or other rare earths Nitrogen does not react with the mask shape during casting, so the Composition of the alloy over the length of the casting always is constant.
  • the nickel-based superalloy consists of (in% by weight) 6% Cr, 9% Co, 0.5% Mo, 8% W, 5.7% Al, 0.7% Ti, 3% Ta, 3% Re, 0.07% C, 0.015% B, 1.4% Hf, 0.005% Zr, 10-60ppm N, rest of nickel with impurities.
  • a nickel-based superalloy is also advantageous (measured in % By weight) 3.0-13.0% Cr, 5.0-15.0% Co, 0-3.0% Mo, 3.5-9.5% W, 3.2-6.0% Al, 0-3.0% Ti, 2.0-10.0% Ta, 0-6.0% Re, 0.002-0.08% C, 0-0.04% B, 0-0.5% Hf, 10-60 ppm N, balance nickel with impurities.
  • These alloys are in themselves known nickel-based superalloys, the composition of which by targeted addition of nitrogen was modified.
  • nickel-based superalloys described above a nitrogen content of 15 to 50 ppm, preferably 20 to 40 ppm. Above 60 ppm N, agglomerates of TiN particles form, which lead to a deterioration in properties, so this limit should not be exceeded.
  • the invention also relates to single crystal components, for example Buckets of gas turbines made from those described above Alloys according to the invention are produced.
  • FIG. 1 and 2 are micrographs of a DS alloy with directionally solidified Structure shown.
  • Fig. 1 shows the alloy with 5 ppm nitrogen
  • Fig. 2 shows the Alloy with 20 ppm nitrogen.
  • nickel-based superalloys SX and DS alloys, i.e. Single crystal alloys and alloys with directed solidified structure controlled with small additions of nitrogen.
  • a nickel-based superalloy according to the invention in particular for Manufacture of single crystal components or directionally solidified components consists of (measured in% by weight) 3.0-13.0% Cr, 5.0-15.0% Co, 0-3.0% Mo, 3.5-9.5% W, 3.2-6.0% Al, 0-3.0% Ti, 2.0-10.0% Ta, 0-6.0% Re, 0.002-0.08% C, 0-0.04% B, 0-1.4% Hf, 0-0.005% Zr, and 10-60 ppm N, the rest nickel with Impurities.
  • Another nickel-based superalloy according to the invention consists for example of (measured in% by weight) 6.0-6.8% Cr, 8.0-10.0% Co, 0.5-0.7% Mo, 6.2-6.7% W, 5.4-5.8% Al, 0.6-1.2% Ti, 6.3-7.0% Ta, 2.7-3.2% Re, 0.02-0.04% C, 40-100 ppm B, 0.15-0.3% Hf, 15-50 ppm Mg, 0-400 ppm Y, 10-60 ppm N, balance nickel with impurities.
  • Such an alloy, but without the specified nitrogen content is known from US Pat. No. 5,759,301.
  • the invention also relates to a nickel-based superalloy with (measured in Wt%) 6% Cr, 9% Co, 0.5% Mo, 8% W, 5.7% Al, 0.7% Ti, 3% Ta, 3% Re, 0.07% C, 0.015% B, 1.4% Hf, 0.005% Zr, 10-60 ppm N, balance Ni with impurities.
  • CM186 LC nickel-based superalloy with (measured in Wt%) 6% Cr, 9% Co, 0.5% Mo, 8% W, 5.7% Al, 0.7% Ti, 3% Ta, 3% Re, 0.07% C, 0.015% B, 1.4% Hf, 0.005% Zr, 10-60 ppm N, balance Ni with impurities.
  • Such an alloy, but without the specified nitrogen content, is under known as the CM186 LC.
  • a further nickel-based superalloy according to the invention comprises (measured in% by weight) 3.0-13.0% Cr, 5.0-15.0% Co, 0-3.0% Mo, 3.5-9.5% W, 3.2-6.0% Al, 0-3.0% Ti, 2.0-10.0% Ta, 0-6.0% Re, 0.002-0.08% C, 0-0.04% B, 0-0.5% Hf, 10-60 ppm N, balance nickel with impurities.
  • C is a grain boundary element that has a positive impact on the Has small angle grain boundaries.
  • Figures 1 and 2 illustrate this using an example. They show Micrographs of nickel-based superalloys with a directionally solidified structure (DS alloy) for single crystal components.
  • DS alloy directionally solidified structure
  • the alloys differ only in their carbon content and nitrogen content, as can be seen in the table below. The values are given in% by weight or in ppm (*). Cr Co W Al Ti Ta C. O 2 * N 2 * L1 11.95 8.95 8.95 3.60 2.00 5.65 0.076 10.0 20.0 VL2 11.89 8.96 8.95 3.75 2.01 5.81 0.064 10.0 5.0
  • the alloys according to the invention are characterized by an increased Oxidation resistance of the small-angle grain boundaries as well as improved longitudinal and transverse mechanical properties.
  • the vulnerability to crack start is reduced and the alloys are characterized by a very good fatigue behavior at high temperatures. Because the nitrogen during casting and solidification, which is relatively long with DS alloys lasts, does not react with the mask shape, is the chemical composition along the cast part advantageously constant and thus also the properties.
  • the nitrogen content in the SX and DS alloys according to the invention is advantageously 15 to 50 ppm or 20 to 40 ppm.
  • a maximum of 60 ppm N should not be exceeded, because then TiN agglomerates form, so that TiN is no longer finely divided and the carbides that form are consequently again adversely their morphology similar to larger Chinese characters Change carbides.
  • N (in ppm) (0.01-0.2)
  • C (in ppm) N (in ppm) (1.0-5.0)
  • wt% Cr N (in ppm) (1.0-4.0)% by weight C + 3% by weight Ti + 0.7% by weight Ta + 0.11 (% by weight W +% by weight Re) + 0.6% by weight % Co - 0.682% by weight Al.
  • the nitrogen can be added to the alloy in various forms, for example in solid form as TiN, ZrN, TaN, CrN, BN or other solid Nitride, but also as liquid nitrides.
  • the alloy according to the invention can also nitrogen enriched material, e.g. B. Cr, Ti can be produced. Conceivable are still the production in a nitrogen atmosphere or nitrogen containing atmosphere or the injection or blowing over of this gas in or over the alloy as well as pouring the molten Alloy in a nitrogen atmosphere or a nitrogen-containing one The atmosphere.
  • the alloy according to the invention is used in particular for the production of Single crystal components (single crystals or directionally solidified structure), for example, turbine blades used by gas turbines.
  • Single crystal components single crystals or directionally solidified structure
  • turbine blades used by gas turbines.
  • Size Components made from the alloy according to the invention can also be divided into others Machines are installed where a stable structure at high temperatures and very good mechanical properties are needed.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nickel-Basis-Superlegierung, insbesondere zur Herstellung von Einkristall-Komponenten oder gerichtet erstarrten Komponenten, umfassend (gemessen in Gew.-%): 3.0-13.0% Cr, 5.0-15.0% Co, 0-3.0% Mo, 3.5-9.5% W, 3.2-6.0% Al, 0-3.0% Ti, 2.0-10.0% Ta, 0-6.0% Re, 0.002-0.08% C, 0-0.04% B, 0-1.4% Hf, 0-0.005% Zr, 10-60 ppm N, Rest Nickel mit Verunreinigungen. Durch den Zusatz von Stickstoff in definierten Mengen wird während des Erstarrens TiN gebildet und es bilden sich Karbide mit blockförmiger Morphologie. Der Kohlenstoffgehalt kann somit erhöht werden, ohne dass es zu einer Verschlechterung des Ermüdungsverhaltens bei niedrigen Lastspielzahlen und hoher Beanspruchungstemperatur kommt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstofftechnik. Sie betrifft eine Nickel-Basis-Superlegierung, insbesondere zur Herstellung von Einkristall-Komponenten (SX-Legierung) oder Komponenten mit gerichtet erstarrtem Gefüge (DS-Legierung), wie beispielsweise Schaufeln für Gasturbinen.
Stand der Technik
Derartige Komponenten aus Nickel-Basis-Superlegierungen weisen bei hohen Temperaturen eine sehr gute Materialfestigkeit auf. Dadurch kann die Einlasstemperatur von Gasturbinen erhöht werden, wodurch die Effizienz der Gasturbine steigt.
Das Giessen einer perfekten, relativ grossen gerichtet erstarrten EinkristallKomponente aus einer Nickel-Basis-Superlegierung ist aber extrem schwierig, weil die meisten dieser Komponenten Fehler aufweisen, z. B. Korngrenzen, "Frecklen" (das sind Fehlstellen bedingt durch eine Kette von gleichgerichteten Körnern mit einem hohem Gehalt an Eutektikum), äquiaxiale Streugrenzen, Mikroporositäten u. a. Diese Fehler schwächen die Komponenten bei hohen Temperaturen, so dass die gewünschte Lebensdauer bzw. die Betriebstemperatur der Turbine nicht erreicht werden. Da aber eine perfekt gegossene EinkristallKomponente extrem teuer ist, tendiert die Industrie dazu, so viele Defekte wie möglich zuzulassen ohne dass die Lebensdauer oder die Betriebstemperatur beeinträchtigt werden.
Einer der häufigsten Fehler sind Korngrenzen, welche besonders schädlich für die Hochtemperatureigenschaften der Einkristall-Artikel sind.
Korngrenzen sind Gebiete hoher örtlicher Fehlordnung des Kristallgitters, da in diesen Gebieten die Nachbarkörner zusammenstossen und somit eine bestimmte Desorientierung zwischen den Kristallgittern vorhanden ist. Je grösser die Desorientierung ist, desto grösser ist die Fehlordnung, d. h. desto grösser ist die Anzahl der Versetzungen in den Korngrenzen, die notwendig sind, damit die beiden Körner zusammenpassen. Diese Fehlordnung steht in direktem Zusammenhang zum Verhalten des Materials bei hohen Temperaturen. Sie schwächt das Material, wenn sich die Temperatur über die äquikohäsive Temperatur (= 0,5 x Schmelzpunkt in K) erhöht.
Aus GB 2 234 521 A ist dieser Effekt bekannt. So sinkt bei einer konventionellen Nickel-Basis-Einkristall-Legierung beispielsweise bei einer Prüftemperatur von 871 °C die Bruchfestigkeit extrem ab, wenn die Desorientierung der Körner grösser als 6° ist. Dies wurde auch bei Einkristall-Komponenten mit gerichtet erstarrtem Gefüge festgestellt, so dass allgemein die Ansicht vertreten wurde, Desorientierungen grösser als 6° nicht zuzulassen.
Aus der genannten GB 2 234 521 A ist auch bekannt, dass durch die Anreicherung von Nickel-Basis-Superlegierungen mit Bor oder Kohlenstoff bei einer gerichteten Erstarrung Gefüge erzeugt werden, welche eine äquiaxiale oder prismatische Kornstruktur aufweisen. Kohlenstoff und Bor festigen die Korngrenzen, da C und B die Ausscheidung von Karbiden und Boriden an den Korngrenzen verursachen, welche bei hohen Temperaturen stabil sind. Ausserdem verringert die Anwesenheit dieser Elemente in den und entlang der Korngrenzen den Diffusionsprozess, der eine Hauptursache der Korngrenzenschwäche ist. Es ist daher möglich, die Desorientierungen auf 12° zu erhöhen und trotzdem gute Eigenschaften des Materials bei hohen Temperaturen zu erzielen, wenn man den Kohlenstoffgehalt höher macht als in konventionellen Einkristall-Legierungen (250 bis 700 ppm), aber niedriger als bei früheren DS-Legierungen (700 bis1600 ppm). Eine obere Grenze ist gegeben durch die wachsende Karbidgrösse, welche das Ermüdungsverhalten bei niedrigen Lastspielzahlen (Low Cycle Fatigue - LCF) verschlechtert.
Die neuesten SX-Legierungen weisen einen Kohlenstoffgehalt von 500 ppm auf. Dieser Wert wird bezüglich der Defekttoleranz (Toleranz in Bezug auf Kleinwinkelkorngrenzen) als optimal angesehen ("Rene N4: A First Generation Single crystal Turbine Airfoil Alloy", Superalloys, S. 19-26, und "Rene N6: Third Generation Single Crystal Superalloy" , S. 27-34, The Minerals Metals and Materials Society, 1996).
Für alle diese Nickel-Basis-Superlegierungen gilt, dass der Kohlenstoffgehalt durch die Grösse der Karbide, die sich während der Erstarrung bilden, begrenzt wird. Grosse, chinesischen Schriftzeichen ähnliche (chinese script like) Karbide senken die Lebensdauer bei geringen Lastspielzahlen auf etwa die Hälfte der Lebensdauer, wie sie für die gleiche Legierung mit kleinen blockförmigen Karbiden erreicht wird (Metals Handbook, 10. Ausgabe, 1990, ASM International, Vol. 1, S. 991).
Es ist auch bekannt, dass konventionell gegossene Nickel-Basis-Superlegierungen (äquiaxial oder CC= conventinal cast) mit Zusätzen von Magnesium, Kalzium, Cer oder anderen Seltenen Erden versehen werden können, die die Karbidmorphologie beeinflussen. Diese genannten Elemente weisen eine hohe Reaktivität auf, so dass sie zwar für CC-Legierungen aufgrund der kurzen Kontaktzeiten mit der Maskenform geeignet sind, aber für das Giessen von DS- und SX-Legierungen, bei dem die geschmolzene Legierung lange Zeit mit der Maskenform bei hohen Temperaturen in Kontakt steht, ungeeignet sind, weil diese Zusätze den Siliziumgehalt in der Maskenform reduzieren und zu Schlackenbildung an der Gussoberfläche führen. Ausserdem variieren nachteilig die Mengenanteile dieser Zusätze über der Höhe des Gusses, wobei geringere Anteile im zuletzt erstarrten Teil des Gussstückes vorhanden sind. Dies ist unerwünscht, weil sich dadurch die Karbidmorphologie über die Länge des Gusstückes verändert ist.
Weiterhin ist es bekannter Stand der Technik, den Stickstoffgehalt bei SX- und DS-Nickel-Basis-Superlegierungen auf einem absoluten Minimum zu halten. Stickstoff wird als eine schädliches Verunreinigung angesehen, die einen gegenwirkenden Effekt auf den Kornbereich bewirkt und zur Bildung von nichtmetallischen Einschlüssen, beispielsweise Titan- oder Tantal-Nitriden führt. An diesen Einschlüssen können sich Korndefekte bilden (Metals Handbook, 10. Ausgabe, 1990, ASM International, Vol. 1, S. 1000), was sich negativ auf die Eigenschaften der Legierungen auswirkt.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nickel-Basis-Superlegierung (SX- oder DS-Legierung) zur Herstellung von Einkristall-Komponenten zu schaffen, die sich gegenüber dem bekannten Stand der Technik durch eine grössere Kleinwinkelkorngrenzen-Toleranz auszeichnet und trotzdem sehr gute Ermüdungseigenschaften bei niedrigen Lastspielzahlen und hohen Beanspruchungstemperaturen aufweist.
Unter Einkristall-Komponenten sollen Artikel aus Einkristallen und Artikel mit gerichtet erstarrtem Gefüge verstanden werden.
Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder 4 erreicht. Kern der Erfindung ist, dass die Nickel-Basis-Superlegierung im wesentlichen aus (gemessen in Gew.-%) 3.0-13.0% Cr, 5.0-15.0% Co, 0-3.0% Mo, 3.5-9.5% W, 3.2-6.0% Al, 0-3.0% Ti, 2.0-10.0% Ta, 0-6.0% Re, 0.002-0.08% C, 0-0.04% B, 0-1.4% Hf, 0-0.005% Zr, 10-60 ppm N, Rest Nickel mit Verunreinigungen besteht oder dass die Nickel-Basis-Superlegierung im wesentlichen aus (gemessen in Gew.-%) 6.0-6.8% Cr, 8.0-10.0% Co, 0.5-0.7% Mo, 6.2-6.7% W, 5.4-5.8% Al, 0.6-1.2% Ti, 6.3-7.0% Ta, 2.7-3.2% Re, 0.02-0.04% C, 40-100 ppm B, 0.15-0.3% Hf, 15-50 ppm Mg, 0-400 ppm Y, 10-60 ppm N, Rest Nickel mit Verunreinigungen besteht.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass durch die kontrollierte geringfügige Zugabe von Stickstoff zu DS- oder SX-Nickel-Basis-Superlegierungen die Karbide eine günstige blockähnliche Morphologie aufweisen. Dadurch kann der Kohlenstoffgehalt im Vergleich zum bekannten Stand der Technik erhöht werden, ohne das dies mit einer Verschlechterung des Ermüdungsverhaltens bei niedrigen Lastspielzahlen und hohen Temperaturen verbunden ist. Der erhöhte Kohlenstoffgehalt hat einen positiven Einfluss auf die Kleinwinkelkorngrenzen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die blockähnliche Morphologie der Karbide das bekannte Phänomen der langen schriftzeichenähnlichen Karbide beseitigt wird, welche sehr schnell entlang ihrer Länge oxidieren und daher den Oxidationsgrad der Legierung erhöhen, wobei diese langen schriftzeichenähnlichen Karbide oftmals die Orte sind, an denen sich ein Rissstart zeigt. Die erfindungsgemässe Legierung zeichnet sich somit durch eine erhöhte Oxidationsbeständigkeit der Kleinwinkelkorngrenzen sowie verbesserte longitudinale und transversale mechanische Eigenschaften aus.
Schliesslich besteht ein Vorteil der Erfindung auch noch darin, dass im Gegensatz zu den reaktiven Elementen wie Mg, Ce oder anderen Seltenen Erden der Stickstoff nicht mit der Maskenform während des Giessens reagiert, so dass die Zusammensetzung der Legierung über die Länge des Gussstückes immer konstant ist.
Es ist vorteilhaft, wenn die Nickel-Basis-Superlegierung aus (in Gew.-%) 6% Cr, 9% Co, 0.5% Mo, 8% W, 5.7% Al, 0.7% Ti, 3% Ta, 3% Re, 0.07% C, 0.015% B, 1.4% Hf, 0.005% Zr, 10-60ppm N, Rest Nickel mit Verunreinigungen besteht.
Von Vorteil ist auch eine Nickel-Basis-Superlegierung umfassend (gemessen in Gew.-%) 3.0-13.0% Cr, 5.0-15.0% Co, 0-3.0% Mo, 3.5-9.5% W, 3.2-6.0% Al, 0-3.0% Ti, 2.0-10.0% Ta, 0-6.0% Re, 0.002-0.08% C, 0-0.04% B, 0-0.5% Hf, 10-60 ppm N, Rest Nickel mit Verunreinigungen. Diese Legierungen sind an sich bekannte Nickel-Basis-Superlegierungen, deren Zusammensetzung durch die gezielte Zugabe von Stickstoff modifiziert wurde.
Es ist besonders zweckmässig, wenn die oben beschriebenen Nickel-Basis-Superlegierungen einen Stickstoffgehalt von 15 bis 50 ppm, vorzugsweise 20 bis 40 ppm, hat. Oberhalb von 60 ppm N bilden sich Agglomerate von TiN-Teilchen, die zu einer Verschlechterung der Eigenschaften führen, so dass diese Grenze nicht überschritten werden soll.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung betrifft ausserdem Einkristallkomponenten, beispielsweise Schaufeln von Gasturbinen, die aus den oben beschriebenen erfindungsgemässen Legierungen hergestellt sind.
Kurze Beschreibung der Figuren
In den Fig. 1 und 2 sind Schliffbilder einer DS-Legierung mit gerichtet erstarrtem Gefüge dargestellt. Fig. 1 zeigt die Legierung mit 5 ppm Stickstoff, Fig. 2 zeigt die Legierung mit 20 ppm Stickstoff.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Gemäss vorliegender Erfindung werden Nickel-Basis-Superlegierungen (SX- und DS-Legierungen, d.h. Einkristall-Legierungen und Legierungen mit gerichtet erstarrtem Gefüge) kontrolliert mit geringen Zugaben von Stickstoff versehen.
Bisher wurde Stickstoff in derartigen Legierungen immer als unerwünschtes Fremdelement betrachtet, dessen Anteil minimiert werden muss. Obwohl aus dem Stand der Technik ein Zusammenhang zwischen erhöhtem Kohlenstoffgehalt und erhöhter Kleinwinkelkorngrenzen- Toleranz bekannt ist, ist bisher nichts zur Lösung des Problems der Karbidgrösse unternommen worden.
Eine erfindungsgemässe Nickel-Basis-Superlegierung, insbesondere zur Herstellung von Einkristall-Komponenten oder gerichtet erstarrten Komponenten besteht aus (gemessen in Gew.-%) 3.0-13.0% Cr, 5.0-15.0% Co, 0-3.0% Mo, 3.5-9.5% W, 3.2-6.0% Al, 0-3.0% Ti, 2.0-10.0% Ta, 0-6.0% Re, 0.002-0.08% C, 0-0.04% B, 0-1.4% Hf, 0-0.005% Zr, sowie 10-60 ppm N, Rest Nickel mit Verunreinigungen. Eine weitere erfindungsgemässe Nickel-Basis-Superlegierung besteht beispielsweise aus (gemessen in Gew.-%) 6.0-6.8% Cr, 8.0-10.0% Co, 0.5-0.7% Mo, 6.2-6.7% W, 5.4-5.8% Al, 0.6-1.2% Ti, 6.3-7.0% Ta, 2.7-3.2% Re, 0.02-0.04% C, 40-100 ppm B, 0.15-0.3% Hf, 15-50 ppm Mg, 0-400 ppm Y, 10-60 ppm N, Rest Nickel mit Verunreinigungen. Eine derartige Legierung, aber ohne den angegebenen Stickstoffanteil, ist aus der Patentschrift US 5 759 301 bekannt.
Die Erfindung betrifft auch eine Nickel-Basis-Superlegierung mit (gemessen in Gew.-%) 6% Cr, 9% Co, 0.5% Mo, 8% W, 5.7% Al, 0.7% Ti,3% Ta,3 % Re, 0.07% C,0.015% B,1,4% Hf,0.005% Zr, 10-60 ppm N, Rest Ni mit Verunreinigungen. Eine derartige Legierung, aber ohne den angegebenen Stickstoffanteil, ist unter dem Namen CM186 LC bekannt.
Schliesslich umfasst eine weitere erfindungsgemässe Nickel-Basis-Superlegierung (gemessen in Gew.-%) 3.0-13.0% Cr, 5.0-15.0% Co, 0-3.0% Mo, 3.5-9.5% W, 3.2-6.0% Al, 0-3.0% Ti, 2.0-10.0% Ta, 0-6.0% Re, 0.002-0.08% C, 0-0.04% B, 0-0.5% Hf, 10-60 ppm N, Rest Nickel mit Verunreinigungen.
Durch Zugabe von Stickstoff wird eine Ausscheidung von in während der Erstarrung bewirkt. Dies führt dazu, dass sich die Morphologie der Karbide verändert. Die Bildung schädlicher, chinesischen Schriftzeichen ähnlicher länglicher Karbide wird unterdrückt, dagegen bilden sich kleine Karbide mit blockförmiger Morphologie, selbst dann, wenn der Kohlenstoffgehalt bei sonst gleicher chemischer Zusammensetzung innerhalb bestimmter Grenzen erhöht wird. C ist ein Korngrenzen-Element, das einen positiven Einfluss auf die Kleinwinkelkorngrenzen aufweist.
Die Figuren 1 und 2 machen dies an einem Beispiel deutlich. Sie zeigen Schliffbilder von Nickel-Basis-Superlegierungen mit gerichtet erstarrtem Gefüge (DS-Legierung) für Einkristallkomponenten.
Die Legierungen unterscheiden sich in ihrer Zusammensetzung lediglich im Kohlenstoffgehalt und im Stickstoffgehalt, wie nachfolgender Tabelle zu entnehmen ist. Die Werte sind in Gew.-% bzw. in ppm (*) angegeben.
Cr Co W Al Ti Ta C O2* N2 *
L1 11.95 8.95 8.95 3.60 2.00 5.65 0.076 10.0 20.0
VL2 11.89 8.96 8.95 3.75 2.01 5.81 0.064 10.0 5.0
Wie in den Fig. 1 und 2 deutlich zu erkennen ist, bilden sich bei der gerichteten Erstarrung in der ersten Legierung L1 (mit höherem Stickstoffgehalt) kleine Karbide mit blockförmiger Morphologie und das, obwohl diese Legierung einen höheren Kohlenstoffgehalt aufweist als die zweite Legierung VL2, während in der zweiten Legierung (Vergleichslegierung VL2) bei der gerichteten Erstarrung grosse Karbide mit schriftzeichenähnlicher Morphologie gebildet werden.
Die erfindungsgemässen Legierungen zeichnet sich durch eine erhöhte Oxidationsbeständigkeit der Kleinwinkelkorngrenzen sowie verbesserte longitudinale und transversale mechanische Eigenschaften aus. Die Anfälligkeit zum Rissstart ist herabgesetzt und die Legierungen zeichnen sich durch ein sehr gutes Ermüdungsverhalten bei hohen Temperaturen aus. Da der Stickstoff während des Giessens und Erstarrens, welches bei DS-Legierungen relativ lange dauert, nicht mit der Maskenform reagiert, ist die chemische Zusammensetzung entlang des Gussteiles vorteilhaft konstant und somit auch die Eigenschaften.
Der Stickstoffgehalt in den erfindungsgemässen SX- und DS-Legierungen beträgt vorteilhaft 15 bis 50 ppm bzw. 20 bis 40 ppm. Ein Maximum von 60 ppm N sollte nicht überschritten werden, weil sich dann TiN-Agglomerate bilden, so dass das TiN nicht mehr fein verteilt ist und die sich bildenden Karbide demzufolge wieder nachteilig ihre Morphologie zu grösseren chinesischen Schriftzeichen ähnlichen Karbiden ändern.
Die Stickstoffzugabe kann auch gemäss der folgenden Formeln entweder allein oder in Kombination erfolgen, wobei die endgültige Stickstoffzugabe die Summe der Kombinationsergebnisse ist:
N (in ppm) = (0.01-0.2) C (in ppm)
N (in ppm) = (1.0-5.0) Gew.-% Cr
N (in ppm) = (1.0-4.0) Gew.-% C + 3 Gew.-% Ti + 0.7 Gew.-% Ta + 0.11 (Gew.-% W + Gew.-% Re) + 0.6 Gew.-% Co - 0.682 Gew.-% Al.
Der Stickstoff kann der Legierung in unterschiedlichster Form zugegeben werden, beispielsweise in fester Form als TiN, ZrN, TaN, CrN, BN oder anderes festes Nitrid, aber auch als flüssige Nitride. Die erfindungsgemässe Legierung kann auch mit Stickstoff angereichertem Material, z. B. Cr, Ti hergestellt werden. Denkbar sind weiterhin die Herstellung in einer Stickstoffatmosphäre bzw. einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre oder das Eindüsen oder Darüberblasen dieses Gases in oder über die Legierung ebenso wie das Vergiessen der geschmolzenen Legierung in einer Stickstoffatmosphäre bzw. einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre.
Die erfindungsgemässe Legierung wird insbesondere zur Herstellung von Einkristallkomponenten (Einkristalle oder gerichtet erstarrte Gefüge), beispielsweise Turbinenschaufeln von Gasturbinen verwendet. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Grosse Komponenten aus der erfindungsgemässen Legierung können auch in andere Maschinen eingebaut werden, wo bei hohen Temperaturen eine stabile Struktur und sehr gute mechanische Eigenschaften benötigt werden.

Claims (16)

  1. Nickel-Basis-Superlegierung, insbesondere zur Herstellung von Einkristall-Komponenten oder gerichtet erstarrten Komponenten, umfassend (gemessen in Gew.-%):
    3.0-13.0% Cr
    5.0-15.0% Co
    0-3.0% Mo
    3.5-9.5% W
    3.2-6.0% Al
    0-3.0% Ti
    2.0-10.0% Ta
    0-6.0% Re
    0.002-0.08% C
    0-0.04% B
    0-1.4% Hf
    0-0.005% Zr
    10-60 ppm N
    Rest Nickel mit Verunreinigungen.
  2. Nickel-Basis-Superlegierung nach Anspruch 1, umfassend (gemessen in Gew.-%):
    6% Cr
    9% Co
    0.5% Mo
    8% W
    5.7% Al
    0.7 % Ti
    3% Ta
    3% Re
    0.07% C
    0.015% B
    1.4% Hf
    0.005% Zr
    10-60 ppm N
    Rest Nickel mit Verunreinigungen.
  3. Nickel-Basis-Superlegierung nach Anspruch 1, umfassend (gemessen in Gew.-%):
    3.0-13.0% Cr
    5.0-15.0% Co
    0-3.0% Mo
    3.5-9.5% W
    3.2-6.0% Al
    0-3.0% Ti
    2.0-10.0% Ta
    0-6.0% Re
    0.002-0.08% C
    0-0.04% B
    0-0.5% Hf
    10-60 ppm N
    Rest Nickel mit Verunreinigungen.
  4. Nickel-Basis-Superlegierung, insbesondere zur Herstellung von Einkristall-Komponenten oder gerichtet erstarrten Komponenten, umfassend (gemessen in Gew.-%):
    6.0-6.8% Cr
    8.0-10.0% Co
    0.5-0.7% Mo
    6.2-6.7% W
    5.4-5.8% Al
    0.6-1.2% Ti
    6.3-7.0% Ta
    2.7-3.2% Re
    0.02-0.04% C
    40-100 ppm B
    0.15-0.3% Hf
    15-50 ppm Mg
    0-400 ppm Y
    10-60 ppm N
    Rest Nickel mit Verunreinigungen.
  5. Nickel-Basis-Superlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 gekennzeichnet durch einen Stickstoffgehalt von 15-50 ppm.
  6. Nickel-Basis-Superlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Stickstoffgehalt von 20-40 ppm.
  7. Nickel-Basis-Superlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass N (in ppm)=(0.01-0.2) ppm C.
  8. Nickel-Basis-Superlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass N (in ppm)=(1.0-5.0) Gew.-% Cr.
  9. Nickel-Basis-Superlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass N (in ppm)=(1.0-4.0) Gew.-% C + 3 Gew.-% Ti + 0.7 Gew.-% Ta + 0.11 (Gew.-% W + Gew.-% Re) + 0.6 Gew.-% Co - 0.682 Gew.-% Al.
  10. Nickel-Basis-Superlegierungs-Einkristallkomponente, bestehend aus (gemessen in Gew.-%):
    3.0-13.0% Cr
    5.0-15.0% Co
    0-3.0% Mo
    3.5-9.5% W
    3.2-6.0% Al
    0-3.0% Ti
    2.0-10.0% Ta
    0-6.0% Re
    0.002-0.08% C
    0-0.04% B
    0-1.4% Hf
    0-0.005% Zr
    10-60 ppm N
    Rest Nickel mit Verunreinigungen.
  11. Nickel-Basis-Superlegierungs-Einkristallkomponente bestehend aus (gemessen in Gew.-%):
    6% Cr
    9% Co
    0.5% Mo
    8% W
    5.7% Al
    0.7% Ti
    3% Ta
    3% Re
    0.07% C
    0.015% B
    1.4% Hf
    0.005% Zr
    10-60 ppm N
    Rest Nickel mit Verunreinigungen.
  12. Nickel-Basis-Superlegierungs-Einkristallkomponente, bestehend aus (gemessen in Gew.-%):
    3.0-13.0% Cr
    5.0-15.0% Co
    0-0.3% Mo
    3.5-9.5% W
    3.2-6.0% Al
    0-3.0% Ti
    2.0-10.0% Ta
    0-6.0% Re
    0.02-0.08% C
    0-0.04% B
    0-0.5% Hf
    10-60 ppm N
    Rest Nickel mit Verunreinigungen.
  13. Nickel-Basis-Superlegierungs-Einkristallkomponente, bestehend aus (gemessen in Gew.-%):
    6.0-6.8% Cr
    8.0-10.0% Co
    0.5-0.7% Mo
    6.2-6.7% W
    5.4-5.8% Al
    0.6-1.2% Ti
    6.3-7.0% Ta
    2.7-3.2% Re
    0.02-0.04% C
    40-100 ppm B
    0.15-0.3% Hf
    15-50 ppm Mg
    0-400 ppm Y
    10-60 ppm N
    Rest Nickel mit Verunreinigungen.
  14. Nickel-Basis-Superlegierungs-Einkristallkomponente nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch einen Stickstoffgehalt von 15 bis 50 ppm, vorzugsweise 20 bis 40 ppm.
  15. Nickel-Basis-Superlegierungs-Einkristallkomponente nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass N (in ppm) =(0.01-0.2) ppm C oder N (in ppm)=(1.0-5.0) Gew.-% Cr oder N (in ppm)=(1.0-4.0) Gew.-% C + 3 Gew.-% Ti + 0.7 Gew.-% Ta + 0.11 (Gew.-% W + Gew.-% Re) + 0.6 Gew.-% Co - 0.682 Gew.-% Al.
  16. Nickel-Basis-Superlegierungs-Einkristallkomponente nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkristallkomponente eine Schaufel einer Gasturbine ist.
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