EP1319729A1 - Hochtemperaturbeständiges Bauteil aus einkristalliner oder polykristalliner Nickel-Basis-Superlegierung - Google Patents

Hochtemperaturbeständiges Bauteil aus einkristalliner oder polykristalliner Nickel-Basis-Superlegierung Download PDF

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EP1319729A1
EP1319729A1 EP01129743A EP01129743A EP1319729A1 EP 1319729 A1 EP1319729 A1 EP 1319729A1 EP 01129743 A EP01129743 A EP 01129743A EP 01129743 A EP01129743 A EP 01129743A EP 1319729 A1 EP1319729 A1 EP 1319729A1
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superalloy
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    • 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
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    • 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%
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion

Definitions

  • the invention relates to a high temperature resistant component made of a nickel-based superalloy.
  • the nickel alloy consists of up to 0.3% carbon, 11-15% chromium, 8-12% cobalt, 1-2.5% molybdenum, 3-10% tungsten, 3.5-10% tantalum, 3.5- 4.5% titanium, 3-4% aluminum, 0.005-0.025% boron, 0.05-0.4% zirconium and the balance nickel. Further, 0.01-3% of hafnium is additionally contained in the alloy, and by a suitable heat treatment, a block-like carbide formation and a finely dispersed precipitation of a Ni 3 (Al, Ti) phase. An addition of rhenium or ruthenium is not addressed.
  • US-PS-5,611,670 discloses a blade for a gas turbine.
  • the blade has a single crystal platform region and a single crystalline airfoil.
  • An attachment region of the blade is designed with a directionally solidified structure.
  • the blade is cast from a superalloy having in percent by weight the following composition: up to 0.2% carbon, 5-14% chromium, 4-7% aluminum, 2-15% tungsten, 0.5-5% titanium, bis to 3% niobium, up to 6% molybdenum, up to 12% tantalum, up to 10.5% cobalt, up to 2% hafnium, up to 4% rhenium, up to 0.035% boron, up to 0.035% zirconium and the rest Nickel.
  • These broad range data serve to indicate alloy compositions which are basically suitable for the proposed gas turbine blade, but do not show any with respect to a particular oxidation and Corrosion resistance or strength suitable composition range.
  • EP 0 297 785 B1 discloses a nickel-base superalloy disclosed for single crystals.
  • the superalloy points in Percent by weight of the following composition: 6-15% chromium, 5-12% tungsten, 0.01-4% rhenium, 3-9% tantalum, 0.5-2% Titanium, 4-7% aluminum and optionally 0.5-3% molybdenum.
  • This superalloy will be both a High temperature crack resistance as well as a Corrosion resistance achieved. To the Corrosion resistance may not affect the Titanium content does not exceed two percent by weight.
  • U.S. Patent No. 5,122,206 discloses a nickel-base superalloy given a particularly narrow coexistence zone for the has solid and liquid phase and thus especially for a single crystal casting process is suitable.
  • the alloy has the following composition in weight percent: 10-30 % Chromium, 0.1-5% niobium, 0.1-8% titanium, 0.1-8% aluminum, 0.05-0.5% copper or instead of copper 0.1-3% tantalum, where in first case also hafnium or rhenium with a content of 0.05-3% may be present and in the second Fall also instead of rhenium or hafnium 0.05-0.5% copper.
  • optionally 0.05-3% molybdenum or tungsten be provided.
  • WO 01/09403 A1 shows a nickel-based alloy with 11-13 % Chromium, 3-5% tungsten, 0.5-2.5% molybdenum, 3-5% aluminum 3 - 5% titanium, 3 - 7% tantalum, 0 - 12% cobalt, 0 - 1% niobium 0 - 2% hafnium, 0 - 1% zirconium, 0 - 0.05% boron, 0 - 0.2% Carbon, 1 - 5% rhenium, 0 - 5% ruthenium, balance nickel.
  • the education promoted by rhenium embrittles intermetallic phases (Cr- and / or Re-containing Excretions) leads to a reduction in the lifetime, because the brittle phases promote the formation of cracks.
  • the invention is based on the object of a component To specify a nickel-based superalloy, the particular favorable properties in terms of a High temperature strength, oxidation and Corrosion resistance and stability against ductility-reducing formation of intermetallic phases has a long life.
  • the object directed to a component is achieved by specifying a high-temperature-resistant component made of a nickel-based superalloy whose composition comprises the following elements in percent by weight: 9 - 11% chromium, 3-5% tungsten, 0.5-2.5% molybdenum, 3-5% aluminum, 3-5% titanium, 3-7% tantalum, 1-5% rhenium, Balance nickel and impurities.
  • the superalloy-specified component is in their Composition specified for the first time for the Component particularly favorable properties in terms of its High-temperature strength, its oxidation and Corrosion resistance and stability against the formation of ductile reducing intermetallic Phases exists.
  • the specified special composition be determined with the desired, above Properties are met to a surprisingly high degree.
  • the invention is of a chromium rich Superalloy which gives increased strength through the Addition of rhenium receives.
  • the promoted by rhenium Formation of embrittling intermetallic phases (Cr and / or Re-containing precipitates) is due to a chromium content controlled below 11%.
  • the rhenium content is at least two Weight.
  • the super alloy preferably contains ruthenium.
  • ruthenium By the Addition of ruthenium may in particular have a tendency to Formation of embrittling intermetallic phases continues be reduced.
  • the addition of Ruthenium as favorable.
  • the maximum is Ruthenium content three percent by weight and the minimum Ruthenium content 0.1 weight percent weight percent.
  • the cobalt content of the superalloy is preferred at up to 12 weight percent.
  • the superalloy contains at most one Weight percent niobium.
  • the superalloy optionally contains at least one of the following elements: 0-2% by weight hafnium, 0-1 wt% zircon, 0-0.05 wt% boron, 0-0.2% by weight of carbon.
  • the object directed to a component is also achieved by specifying a high-temperature-resistant component made of a nickel-based superalloy whose composition comprises the following elements in percent by weight: 9-11% chromium, 3-5% tungsten, 0.5-2.5% molybdenum, 3-5% aluminum, 3-5% titanium, 3-7% tantalum, 0.1-5% ruthenium, Balance nickel and impurities.
  • a high-temperature-resistant component made of a nickel-based superalloy whose composition comprises the following elements in percent by weight: 9-11% chromium, 3-5% tungsten, 0.5-2.5% molybdenum, 3-5% aluminum, 3-5% titanium, 3-7% tantalum, 0.1-5% ruthenium, Balance nickel and impurities.
  • the cobalt content of the superalloy is preferred less than 12 weight percent, while the niobium content is at at most one percent by weight.
  • the superalloy 0-2 weight percent hafnium and / or 0-1 Percent by weight zirconium and / or 0-0.05 weight percent boron and / or 0-0.2 weight percent carbon.
  • the component has a directionally solidified Grain structure on.
  • a directionally frozen Structure are the grain boundaries substantially along one Axis aligned. This results in a particularly high Strength along this axis.
  • the component has a monocrystalline Structure on. Due to the monocrystalline structure strength-reducing grain boundaries avoided in the component and it results in a particularly high strength.
  • the component is a gas turbine blade educated.
  • a gas turbine bucket is special high requirements in terms of high-temperature strength and an oxidation / corrosion resistance exposed.
  • the invention is in an embodiment with reference to the Fgiur explained in more detail.
  • the figure shows in a view High temperature resistant component, designed as Gas Turbine Blade 1.
  • the gas turbine blade 1 has a Airfoil 3, a platform 5 and a Attachment 7 on.
  • the gas turbine blade 1 is in made directionally solidified a casting process, resulting in Grain boundaries 9 directed along a blade axis 8 result.
  • the gas turbine blade 1 is made of a nickel-base superalloy having one of the compositions listed in Table 1.
  • a proportion of cobalt between 6 and 10% and a content of zirconium between 0 and 0.1% is advantageous.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein hochtemperaturbeständiges Bauteil (1) aus einer Nickel-Basis-Superlegierung in folgender Zusammensetzung in Gewichtsprozent: 9-11 % Cr, 3-5 % W, 0,5-2,5 % Mo, 3-5 % Al, 3-5 % Ti, 3-7 % Ta, 1-5 % Re, Rest Nickel. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Bauteil (1) mit einer Legierungszusammensetzung entsprechend der oben angegebenen Zusammensetzung bis auf ein Ersetzen des Rheniumanteils mit 0,1-5 Gew.-% Ruthenium.

Description

Die Erfindung betrifft ein hochtemperaturbeständiges Bauteil aus einer Nickel-Basis-Superlegierung.
In der DE 23 33 775 B2 ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Nickellegierung beschrieben. Die Nickellegierung besteht aus bis zu 0,3 % Kohlenstoff, 11-15 % Chrom, 8-12 % Kobalt, 1-2,5 % Molybdän, 3-10 % Wolfram, 3,5-10 % Tantal, 3,5-4,5 % Titan, 3-4 % Aluminium, 0,005-0,025 % Bor, 0,05-0,4 % Zirkon und den Rest Nickel. Weiterhin sind 0,01-3 % Hafnium zusätzlich in der Legierung enthalten, wobei durch eine geeignete Wärmebehandlung eine blockartige Carbid-Ausbildung und eine feindisperse Ausscheidung einer Ni3(Al,Ti)-Phase. Ein Zusatz von Rhenium oder Ruthenium wird nicht angesprochen.
Die US-PS-5,611,670 offenbart eine Laufschaufel für eine Gasturbine. Die Laufschaufel weist einen einkristallinen Plattformbereich und ein einkristallines Schaufelblatt auf. Ein Befestigungsbereich der Schaufel ist mit einer gerichtet erstarrten Struktur ausgeführt. Die Schaufel ist aus einer Superlegierung gegossen, die in Gewichtsprozent folgende Zusammensetzung aufweist: bis zu 0,2 % Kohlenstoff, 5-14 % Chrom, 4-7 % Aluminium, 2-15 %Wolfram, 0,5-5 % Titan, bis zu 3 % Niob, bis zu 6 % Molybdän, bis zu 12 % Tantal, bis zu 10,5 % Kobalt, bis zu 2 % Hafnium, bis zu 4 % Rhenium, bis 0,035 % Bor, bis zu 0,035 % Zirkon und den Rest Nickel. Diese weiten Bereichsangaben dienen der Angabe von Legierungszusammensetzungen, die grundsätzlich für die vorgeschlagene Gasturbinenschaufel geeignet sind, zeigen aber keinen hinsichtlich einer besonderen Oxidations- und
Korrosionsbeständigkeit oder Festigkeit geeigneten Zusammensetzungsbereich auf.
9
In der EP 0 297 785 B1 ist eine Nickel-Basis-Superlegierung für Einkristalle offenbart. Die Superlegierung weist in Gewichtsprozent folgende Zusammensetzung auf: 6-15 % Chrom, 5-12 % Wolfram, 0,01-4 % Rhenium, 3-9 % Tantal, 0,5-2 % Titan, 4-7 % Aluminium und optional 0,5-3 % Molybdän. Mit dieser Superlegierung wird sowohl eine Hochtemperaturrissfestigkeit als auch eine Korrosionsbeständigkeit erreicht. Um die Korrosionsbeständigkeit nicht zu beeinträchtigen, darf der Titangehalt zwei Gewichtsprozent nicht überschreiten.
In der US-PS-5,122,206 ist eine Nickel-Basis-Superlegierung angegeben, die eine besonders schmale Koexistenzzone für die feste und flüssige Phase aufweist und damit besonders für einen Einkristallgießprozess geeignet ist. Die Legierung weist in Gewichtsprozent folgende Zusammensetzung auf: 10-30 % Chrom, 0,1-5 % Niob, 0,1-8 % Titan, 0,1-8 % Aluminium, 0,05-0,5 % Kupfer oder statt Kupfer 0,1-3 % Tantal, wobei im erstgenannten Fall optional auch Hafnium oder Rhenium mit einem Gehalt von 0,05-3 % vorhanden sein kann und im zweiten Fall auch statt Rhenium oder Hafnium 0,05-0,5 % Kupfer. Weiterhin können optional 0,05-3 % Molybdän oder Wolfram vorgesehen sein.
Die WO 01/09403 A1 zeigt eine Nickelbasislegierung mit 11 -13 % Chrom, 3 - 5% Wolfram, 0,5-2,5% Molybdän, 3 - 5% Aluminium 3 - 5 % Titan, 3 - 7% Tantal, 0 - 12 % Kobalt, 0 - 1% Niob 0 - 2 % Hafnium, 0 - 1% Zirkon, 0 - 0.05% Bor, 0 - 0.2 % Kohlenstoff, 1 - 5% Rhenium, 0 - 5% Ruthenium, Rest Nickel. Die durch Rhenium geförderte Bildung versprödender intermetallischer Phasen (Cr- und/ oder Re-haltige Ausscheidungen) führt zu einer Reduzierung der Lebensdauer, weil die Sprödphasen die Rissbildung fördern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil aus einer Nickel-Basis-Superlegierung anzugeben, das besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich einer Hochtemperaturfestigkeit, Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit und Stabilität gegen duktilitätsmindernde Bildung intermetallischer Phasen über eine lange Lebensdauer aufweist.
Erfindungsgemäß wird die auf ein Bauteil gerichtete Aufgabe gelöst durch Angabe eines hochtemperaturbeständigen Bauteils aus einer Nickel-Basis-Superlegierung, deren Zusammensetzung folgende Elemente in Gewichtsprozent umfaßt:
9 - 11 % Chrom,
3-5 % Wolfram,
0,5-2,5 % Molybdän,
3-5 % Aluminium,
3-5 % Titan,
3-7 % Tantal,
1-5 % Rhenium,
Rest Nickel und Verunreinigungen.
Die Superlegierung-des angegebenen Bauteils ist in ihrer Zusammensetzung erstmalig so spezifiziert, daß für das Bauteil besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich seiner Hochtemperaturfestigkeit, seiner Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit und hinsichtlich einer Stabilität gegen die Bildung duktilitätsmindernder intermetallischer Phasen besteht. Über umfangreiche Versuche, die der Erfindung vorausgingen, konnte die angegebene spezielle Zusammensetzung ermittelt werden, mit der die gewünschten, oben genannten Eigenschaften in überraschend hohem Maße erfüllt werden. Insbesondere geht die Erfindung dabei von einer chromreichen Superlegierung aus, die eine erhöhte Festigkeit durch den Zusatz von Rhenium erhält. Die durch Rhenium geförderte Bildung versprödender intermetallischer Phasen (Cr- und/oder Re-haltige Ausscheidungen) wird durch einen Chromgehalt unterhalb 11% kontrolliert.
Vorzugsweise beträgt der Rheniumgehalt mindestens zwei Gewichtsprozent.
Bevorzugt enthält die Super-Legierung Ruthenium. Durch die Zugabe von Ruthenium kann insbesondere die Tendenz zur Ausbildung versprödender intermetallischer Phasen weiter verringert werden. Gerade bei einem Rheniumgehalt oberhalb von zwei Gewichtsprozent erweist sich die Zugabe von Ruthenium als günstig. Vorzugsweise ist dabei der maximale Rutheniumgehalt drei Gewichtsprozent und der minimale Rutheniumgehalt 0,1 Gewichtsprozent Gewichtsprozent. Bevorzugtermassen liegt der Kobaltgehalt der Superlegierung bei bis zu 12 Gewichtsprozent.
Vorzugsweise enthält die Superlegierung höchstens ein Gewichtsprozent Niob.
Bevorzugtermassen ist in der Superlegierung optional mindestens eines der folgenden Elemente enthalten:
0-2 Gew.-% Hafnium,
0-1 Gew.-% Zirkon,
0-0,05 Gew.-% Bor,
0-0,2 Gew.-% Kohlenstoff.
Erfindungsgemäß wird die auf ein Bauteil gerichtete Aufgabe ebenso gelöst durch Angabe eines hochtemperaturbeständigen Bauteils aus einer Nickel-Basis-Superlegierung, deren Zusammensetzung folgende Elemente in Gewichtsprozent umfaßt:
9-11 % Chrom,
3-5 % Wolfram,
0,5-2,5 % Molybdän,
3-5 % Aluminium,
3-5 % Titan,
3-7 % Tantal,
0,1-5 % Ruthenium,
Rest Nickel und Verunreinigungen.
Die Vorteile für ein solches Bauteil ergeben sich entsprechend den obigen Ausführungen zu den Vorteilen des Rhenium aufweisenden Bauteils. Überraschenderweise läßt sich auch durch Zugabe von Ruthenium und ohne einen Rheniumgehalt eine besonders hohe Hochtemperaturfestigkeit erreichen, wobei in der angegebenen Zusammensetzung gleichzeitig die Oxidations-/Korrosionsbeständigkeit ebenfalls hoch ist.
Bevorzugtermassen ist der Kobaltgehalt der Superlegierung geringer als 12 Gewichtsprozent, während der Niobgehalt bei höchstens einem Gewichtsprozent liegt. Vorzugsweise sind in der Superlegierung 0-2 Gewichtsprozent Hafnium und/oder 0-1 Gewichtsprozent Zirkon und/oder 0-0,05 Gewichtsprozent Bor und/oder 0-0,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthalten.
Vorzugsweise weist das Bauteil eine gerichtet erstarrte Kornstruktur auf. In einer solchen gerichtet erstarrten Struktur sind die Korngrenzen im wesentlichen entlang einer Achse ausgerichtet. Damit ergibt sich eine besonders hohe Festigkeit entlang dieser Achse.
Bevorzugtermassen weist das Bauteil eine einkristalline Struktur auf. Durch die einkristalline Struktur werden festigkeitsmindernde Korngrenzen im Bauteil vermieden und es ergibt sich eine besonders hohe Festigkeit.
Vorzugsweise ist das Bauteil als eine Gasturbinenschaufel ausgebildet. Gerade eine Gasturbinenschaufel ist besonders hohen Anforderungen hinsichtlich einer Hochtemperaturfestigkeit und einer Oxidations-/Korrosionsbeständigkeit ausgesetzt.
Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel anhand der Fgiur näher erläutert.
Die Figur zeigt in einer Ansicht ein hochtemperaturbeständiges Bauteil, ausgeführt als Gasturbinenschaufel 1. Die Gasturbinenschaufel 1 weist ein Schaufelblatt 3, eine Plattform 5 und einen Befestigungsbereich 7 auf. Die Gasturbinenschaufel 1 ist in einem Gießprozeß gerichtet erstarrt hergestellt, wodurch sich entlang einer Schaufelachse 8 gerichtete Korngrenzen 9 ergeben.
Die Gasturbinenschaufel 1 ist aus einer Nickel-Basis-Superlegierung gefertigt, die eine der Zusammensetzungen aufweist, die in Tabelle 1 aufgeführt sind.
Insbesondere ist ein Anteil von Cobalt zwischen 6 und 10% und ein Gehalt von Zirkonium zwischen 0 und 0.1% von Vorteil.
Vorteilhafte Zusammensetzung sind bspw. gegeben durch:
  • Cr: 10.25%, Mo: 1.85%, W:4.70, Co: 6.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Re: 1.5%, Rest Ni.
  • Cr: 9.00%, Mo: 1.85%, W:4.70, Co: 6.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Re: 3.5%, Rest Ni.
  • Cr: 10.75%, Mo: 1.85%, W:4.70, Co: 6.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Re: 1.5%, Ru: 2.0% Rest Ni.
  • Cr: 10.25%, Mo: 1.85%, W:4.70, Co: 8.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Ru: 1.5%, Rest Ni.
  • Cr: 10.75%, Mo: 1.85%, W:4.70, Co: 8.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Ru: 3.75%, Rest Ni.
  • Cr: 10.25%, Mo: 1.85%, W:4.70, Co: 8.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Re: 2.00%, Ru: 2.5, Rest Ni.

Claims (9)

  1. Hochtemperaturbeständiges Bauteil (1) aus einer Nickel-Basis-Superlegierung, deren Zusammensetzung folgende Elemente in Gewichtsprozent umfaßt:
    9 -11 % Chrom
    3 - 5 % Wolfram
    0,5-2,5 % Molybdän
    3 - 5 % Aluminium
    3 - 5 % Titan
    3 - 7 % Tantal
    0 - 12 % Kobalt
    0 - 1 % Niob
    0 - 2 % Hafnium
    0 - 1 % Zirkon
    0 - 0.05% Bor
    0 - 0.2 % Kohlenstoff
    1 - 5 % Rhenium
    0 - 5 % Ruthenium
    Rest Ni und Verunreinigungen.
  2. Bauteil (1) nach Anspruch 1, bei dem der Rhenium-Gehalt mindestens zwei Gewichtsprozent beträgt.
  3. Bauteil (1) nach Anspruch 1, mit einem maximalen Ruthenium-Gehalt der Superlegierung von 3 Gewichtsprozent.
  4. Bauteil (1) nach Anspruch 1 oder 3, mit einem minimalen Ruthenium-Gehalt der Superlegierung von 0,1 Gewichtsprozent, insbesondere 0,5 Gewichtsprozent.
  5. Hochtemperaturbeständiges Bauteil (1) aus einer Nickel-Basis-Superlegierung, deren Zusammensetzung folgende Elemente in Gewichtsprozent umfaßt:
    9- 11 % Chrom
    3 - 5 % Wolfram
    0,5-2,5 % Molybdän
    3 - 5 % Aluminium
    3 - 5 % Titan
    3 - 7 % Tantal
    0 - 12 % Kobalt
    0 - 1 % Niob
    0 - 2 % Hafnium
    0 - 1 % Zirkon
    0 - 0.05% Bor
    0 - 0.2 % Kohlenstoff
    0.1 - 5 % Ruthenium
    Rest Ni und Verunreinigungen.
  6. Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine gerichtet erstarrte Kornstruktur (9) aufweist.
  7. Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das eine einkristalline Struktur aufweist.
  8. Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das eine isotrope Verteilung der Orientierungen der Kornstruktur aufweist.
  9. Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als Gasturbinenschaufel ausgebildet ist.
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