EP1319729A1 - Pièce résistante à des températures élevées réalisé en superalliage polycristallin ou monocristallin à base de nickel - Google Patents

Pièce résistante à des températures élevées réalisé en superalliage polycristallin ou monocristallin à base de nickel Download PDF

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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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Winfried Dr. Esser
Joern Dr. Grossmann
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    • 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
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    • 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%
    • 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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