EP1223229A1 - Nickel-Basislegierung für die giesstechnische Herstellung einkristallin erstarrter Bauteile - Google Patents

Nickel-Basislegierung für die giesstechnische Herstellung einkristallin erstarrter Bauteile Download PDF

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EP1223229A1
EP1223229A1 EP01129921A EP01129921A EP1223229A1 EP 1223229 A1 EP1223229 A1 EP 1223229A1 EP 01129921 A EP01129921 A EP 01129921A EP 01129921 A EP01129921 A EP 01129921A EP 1223229 A1 EP1223229 A1 EP 1223229A1
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tungsten
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Thomas Dr. Mack
Silke Dr. Wöllmer
Jürgen Dr. Wortmann
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MTU Aero Engines GmbH
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    • 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%

Definitions

  • the invention relates to a nickel-based alloy for casting production monocrystalline solidified components, according to the preamble of claim 1.
  • Alloys of this type belong to a group of so-called super alloys, which can be used under high temperatures and under high mechanical stresses are and therefore used in particular as turbine blade materials in gas turbines become.
  • Second and third generation Ni-base alloys for single-crystalline components contain approximately 3% and 6% by weight of the refractory element rhenium and have better creep properties than corresponding alloys of the first generation with no Re content.
  • the refractory element Re affects the properties of superalloys in different ways. Re has a large atomic radius, diffuses very slowly due to this and seeps into the matrix. In addition to the effect of solid solution hardening of the matrix, the rhenium atoms tend to form clusters that hinder dislocation movement. Tungsten contributes significantly to solidification. The W content influences the distribution of Re on the matrix and the ⁇ '-excretion phase.
  • the alloying element tantalum (Ta) contributes to solid solution strengthening and improves the cyclic oxidation behavior, but is mainly used in W- and Re-containing Ni-based alloys added to the so-called solidification in the direction of solidification Counteract Freckle formation.
  • Negative properties of Ta sharp increase in density; it promotes the unwanted TCP phase formation and increases the ⁇ '-solution annealing temperature.
  • the increase in creep resistance is accompanied by a simultaneous increase in density up to 9 g cm -3 for certain alloys with 6% by weight of Re. With Re-free alloys, the density can be reduced to 8 g cm -3 .
  • Ni-based alloys with a high specific weight are only suitable to a limited extent for use in modern, fast-rotating aircraft turbines.
  • CMSX-6 Re-free, low density superalloy
  • this alloy Apart from the mechanical advantage of a relatively low density of 7.98 g cm -3 , this alloy also has disadvantages, such as a small heat treatment window and a strong tendency to recrystallize.
  • the object of the invention is nickel-based alloys for the cast-technical manufacture of solidified components specify that by optimizing the proportions of rhenium and tungsten particularly Favorable material and thus component properties, such as low density, high mechanical strength including low tendency to creep and high Temperature resistance.
  • component properties such as low density, high mechanical strength including low tendency to creep and high Temperature resistance.
  • it is easy to cast and inexpensive Required heat treatment properties of the alloy.
  • the rhenium content should be at least 2.3 percent by weight.
  • the weight ratio of tungsten to rhenium should be at least 1.1 and at most 1.6 his.
  • the respective alloy always contains more tungsten than rhenium and this in a defined ratio range.
  • This material which internally as “L judges in E k ristall 94" is designated (LEK94), thus has the following composition in percent by weight: al from 6.2 to 6.8 Co from 7.2 to 7.8 Cr from 5.8 to 6.4 Hf from 0.05 to 0.15 Mo from 1.7 to 2.3 re from 2.3 to 2.6 Ta from 2.0 to 2.6 Ti from 0.9 to 1.1 W from 3.0 to 3.7 Ni Rest that means from 66.55 to 70.85
  • any impurities in the form of other elements or compounds are here not taken into account and individual numerical values, e.g. the Ni content, yet change slightly.
  • the proportions of the above elements can e.g. two decimal places (hundredths of a percent) have deviations that are self-evident for the specialist and have no relevant influence on the Have material properties.
  • This special material "LEK94” is a high-alloy single crystal alloy Density developed for use in high-speed turbines. For optimization the detrimental requirements of high heat resistance and low density the alloy contents of elements Re and W were varied.
  • LEK94 is a Re-containing single crystal alloy of low density in the range from 8.1 to 8.3 g cm -3 and high heat resistance. This material is characterized by good castability and a significantly large heat treatment window.

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Abstract

Nickel-Basislegierung für die gießtechnische Herstellung einkristallin erstarrter Bauteile, welche die Elemente Rhenium und Wolfram sowie weitere Elemente wie Aluminium, Chrom und Kobalt enthält. Der Anteil an Rhenium beträgt mindestens 2,3 Gewichtsprozent, das Gewichtsverhältnis des Anteils an Wolfram zu dem Anteil an Rhenium beträgt mindestens 1,1 bis höchstens 1,6.

Description

Die Erfindung betrifft eine Nickel-Basislegierung für die gießtechnische Herstellung einkristallin erstarrter Bauteile, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Legierungen dieser Art gehören zu einer Gruppe von sogenannten Superlegierungen, die unter hohen Temperaturen und unter hohen mechanischen Spannungen einsetzbar sind und daher insbesondere als Turbinenschaufelwerkstoffe in Gasturbinen verwendet werden.
Die zukünftige Generation der Luftfahrttriebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis und schnelldrehender Niederdruckturbine verspricht signifikante Verbesserungen hinsichtlich spezifischen Kraftstoffverbrauchs und Emissionen. Das Gewicht des Triebwerks, seine Größe und die Unterhaltskosten fallen ebenso unter die heutigen Werttreiber.
Triebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis sind mit einem Untersetzungsgetriebe ausgerüstet, das zwischen den Fan auf der einen Seite und den Niederdruckverdichter und die Niederdruckturbine auf der anderen Seite geschaltet ist. Das Getriebe ermöglicht den Betrieb des Fans im optimalen Bereich bei langsamen Drehzahlen und bietet das Potenzial, den Verdichter und die Turbine bei höheren Drehzahlen und damit höheren Druckverhältnissen zu betreiben, als dies bei konventionellen Turbinen der Fall ist. Durch die höheren Umfangsgeschwindigkeiten steigen jedoch auch die mechanischen Lasten der Beschaufelung und der Scheiben der Niederdruckturbine.
Ni-Basislegierungen der 2. und 3. Generation für einkristalline Bauteile enthalten etwa 3 Gew.-% bzw. 6 Gew.-% des Refraktärelementes Rhenium und besitzen bessere Kriecheigenschaften als entsprechende Legierungen der ersten Generation ohne Re-Gehalt. Das Refraktärelement Re wirkt sich in unterschiedlicher Weise auf die Eigenschaften von Superlegierungen aus. Re besitzt einen großen Atomradius, diffundiert aufgrund dessen sehr langsam und seigert in die Matrix. Zusätzlich zum Effekt der Mischkristallhärtung der Matrix, neigen die Rhenium-Atome zur Bildung von Clustern, die eine Versetzungsbewegung behindern.
Wolfram trägt erheblich zur Mischkristallverfestigung bei. Der W-Gehalt beeinflusst die Verteilung des Re auf die Matrix und die γ'-Ausscheidungsphase.
Der hohe Schmelzpunkt und der geringe Diffusionskoeffizient sowohl von Re als auch von W führen zu einem Ansteigen der Solidustemperatur der Superlegierungen. Darüber hinaus wird die Morphologieänderung der Ausscheidungsphase γ' unter Last verzögert.
Das Legierungselement Tantal (Ta) trägt zwar zur Mischkristallverfestigung bei und verbessert das zyklische Oxidationsverhalten, wird aber in erster Linie in W- und Re-haltige Ni-Basislegierungen zugegeben, um bei gerichteter Erstarrung der sogenannten Freckle-Bildung entgegenzuwirken.
Negative Eigenschaften von Ta: starke Erhöhung der Dichte; es fördert die unerwünschte TCP-Phasenbildung und erhöht die γ'-Lösungsglühtemperatur.
Der Anstieg der Kriechfestigkeit geht einher mit einer gleichzeitigen Steigerung der Dichte bis auf 9 g cm-3 für gewisse Legierungen mit 6 Gew.-% Re. Bei Re-freien Legierungen kann die Dichte bis auf 8 g cm-3 abgesenkt werden. Ni-Basislegierungen mit einem hohen spezifischen Gewicht sind jedoch nur bedingt geeignet für den Einsatz in modernen, schnelldrehenden Flugturbinen.
Eine Re-freie Superlegierung mit niedriger Dichte ist beispielsweise aus der US-Patentschrift 4,721,540 bekannt, die Handelsbezeichnung dieses Werkstoffes ist "CMSX-6". Abgesehen von dem mechanischen Vorteil einer relativ niedrigen Dichte von 7,98 g cm-3 weist diese Legierung aber auch Nachteile auf, wie ein kleines Wärmebehandlungsfenster und starke Rekristallisationsneigung.
Aus der internationalen Offenlegungsschrift WO 93/24683 sind einkristalline Gussteile bekannt, deren Legierung 0 bis 8 Gewichtsprozent Rhenium, 3 bis 10 Gewichtsprozent Wolfram (tungsten) sowie u.a. Magnesium oder Kalzium zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit enthält. Bei einer speziellen Legierungszusammensetzung soll der Re-Anteil bei 2,8 bis 3,2 Gewichtsprozent, der W-Anteil bei 5,6 bis 6,2 Gewichtsprozent liegen. Da Rhenium und Wolfram schwere Metalle sind, ist hier mit einer relativ hohen Bauteildichte zu rechnen, insbesondere dann, wenn die oberen Grenzwerte von 8 Gewichtsprozent Rhenium und 10 Gewichtsprozent Wolfram benutzt werden. Rhenium ist außerdem ein sehr teueres Element, das sich spürbar auf den Bauteilpreis auswirkt. Die untere Grenze für Re ist hier mit 0 Gewichtsprozent angegeben. Kleine Re-Anteile reduzieren zwar Gewicht und Preis, führen aber auch zu einer deutlichen Verschlechterung wichtiger Werkstoffeigenschaften.
Angesichts dieser Nachteile besteht die Aufgabe der Erfindung darin, Nickel-Basislegierungen für die gießtechnische Herstellung einkristallin erstarrter Bauteile anzugeben, die durch Optimierung der Anteile an Rhenium und Wolfram besonders günstige Werkstoff- und somit Bauteileigenschaften ermöglichen, wie niedrige Dichte, hohe mechanische Festigkeit einschließlich geringer Kriechneigung sowie hohe Temperaturbeständigkeit. Darüber hinaus ist eine leichte Vergießbarkeit und günstige Wärmebehandlungseigenschaften der Legierung gefordert.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.
Erfindungsgemäß soll der Rheniumanteil mindestens 2,3 Gewichtsprozent betragen, das Gewichtsverhältnis Wolfram zu Rhenium soll mindestens 1,1 und höchstens 1,6 sein. Somit enthält die jeweilige Legierung stets mehr Wolfram als Rhenium und dies in einem definierten Verhältnisbereich.
Im Unteranspruch 2 wird zusätzlich eine Obergrenze für den Rheniumanteil angegeben im Hinblick auf Gewichts- und Kostenbegrenzung bei sehr guten Werkstoffeigenschaften. Der Gewichtsverhältnisbereich W zu Re aus Anspruch 1 wird beibehalten.
In Unteranspruch 3 ist eine konkrete Legierung mit allen relevanten Elementen und deren Anteilsbereichen gekennzeichnet. Das Verhältnis W zu Re ist hier in Relation zu den vorgenannten Ansprüchen 1 und 2 eingeschränkt, d.h. noch enger begrenzt.
Dieser Werkstoff, der intern auch als "Leichter Einkristall 94"(LEK94) bezeichnet wird, hat somit folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent:
Al von 6,2 bis 6,8
Co von 7,2 bis 7,8
Cr von 5,8 bis 6,4
Hf von 0,05 bis 0,15
Mo von 1,7 bis 2,3
Re von 2,3 bis 2,6
Ta von 2,0 bis 2,6
Ti von 0,9 bis 1,1
W von 3,0 bis 3,7
Ni Rest, das bedeutet
von 66,55 bis 70,85
Etwaige Verunreinigungen in Form weiterer Elemente bzw. Verbindungen sind hier nicht berücksichtigt und können einzelne Zahlenwerte, wie z.B. den Ni-Anteil, noch geringfügig verändern. Ebenso können die Anteile der obengenannten Elemente z.B. zwei Stellen hinter dem Komma (hundertstel Prozent) Abweichungen aufweisen, die für den Fachmann selbstverständlich sind und keinen relevanten Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften haben.
Dieser spezielle Werkstoff "LEK94" ist eine hochlegierte Einkristalllegierung geringer Dichte, die für den Einsatz in schnelldrehenden Turbinen entwickelt wurde. Zur Optimierung der detrimentalen Anforderungen Hochwarmfestigkeit und geringe Dichte wurden die Legierungsgehalte der Elemente Re und W variiert.
Die Entwicklung des "LEK94" erfolgte mit folgenden Zielsetzungen (Ausgangspunkt CMSX-6 gemäß US-Patent 4,721,540)
  • 1. verbessertes Rekristallisationsverhalten
  • 2. Low Density Alloy mit Dichte ρ≈8 g/cm3
  • 3. Vermeidung einer niedrig schmelzenden Diffusionszone bei Beschichtung
  • 4. Verbessertes Kriechverhalten
  • 5. Erfüllung allgemeiner Vergießbarkeitskriterien und ausreichendes Lösungsglühfenster
  • 6. geringe Neigung zur TCP-Phasenbildung (Sprödphasen, Nv-Kriterium)
    • Ansatz:
  • Zugabe von W und Re
  • aber in geringeren Gehalten als in bekannten Ni-Basislegierungen der 2. Generation
  • Optimierung des W- und Re-Gehaltes (i.e. Minimierung, aber Bestimmung eines Mindestwertes)
    • Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik
    "LEK94" ist eine Re-haltige Einkristalllegierung geringer Dichte im Bereich von 8,1 bis 8,3 g cm-3 und hoher Warmfestigkeit. Gute Vergießbarkeit und ein signifikant großes Wärmebehandlungsfenster zeichnen diesen Werkstoff aus.

    Claims (3)

    1. Nickel-Basislegierung für die gießtechnische Herstellung einkristallin erstarrter Bauteile, insbesondere von Schaufeln für schnelllaufende Turbinenstufen in Gasturbinen, welche die Elemente Rhenium (Re) und Wolfram (W) sowie weitere Elemente wie Aluminium, Chrom und Kobalt enthält, gekennzeichnet durch
      einen Anteil an Rhenium (Re) von mindestens 2,3 Gewichtsprozent sowie ein Gewichtsverhältnis des Anteils an Wolfram (W) zu dem Anteil an Rhenium (Re) von mindestens 1,1 bis höchstens 1,6.
    2. Nickel-Basislegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Anteil an Rhenium (Re) von mindestens 2,3 bis höchstens 2,6 Gewichtsprozent.
    3. Nickel-Basislegierung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Anteil an Wolfram (W) von mindestens 3,0 bis höchstens 3,7 Gewichtsprozent sowie folgende Anteile an weiteren Legierungselementen neben Nickel, Rhenium und Wolfram:
      Aluminium (Al) von mindestens 6,2 bis höchstens 6,8 Gewichtsprozent; Kobalt (Co) von mindestens 7,2 bis höchstens 7,8 Gewichtsprozent; Chrom (Cr) von mindestens 5,8 bis höchstens 6,4 Gewichtsprozent; Hafnium (Hf) von mindestens 0,05 bis höchstens 0,15 Gewichtsprozent; Molybdän (Mo) von mindestens 1,7 bis höchstens 2,3 Gewichtsprozent; Tantal (Ta) von mindestens 2,0 bis höchstens 2,6 Gewichtsprozent; Titan (Ti) von mindestens 0,9 bis höchstens 1,1 Gewichtsprozent.
    EP01129921A 2001-01-10 2001-12-15 Nickel-Basislegierung für die giesstechnische Herstellung einkristallin erstarrter Bauteile Expired - Lifetime EP1223229B1 (de)

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