EP2076616B1 - Nickelbasis-superlegierungen - Google Patents

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EP2076616B1
EP2076616B1 EP07803558.1A EP07803558A EP2076616B1 EP 2076616 B1 EP2076616 B1 EP 2076616B1 EP 07803558 A EP07803558 A EP 07803558A EP 2076616 B1 EP2076616 B1 EP 2076616B1
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nickel
base superalloy
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superalloy
alloy
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Magnus Hasselqvist
Gordon Mccolvin
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Siemens AG
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Siemens AG
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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
    • C22C19/056—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 nickel-base superalloys and to components containing these alloys.
  • Nickel-base superalloys are used in applications where a combination of high strength and a strong resistance to chemical attacks at high temperatures is needed. They are employed for the production of components of gas turbines such as blades and vanes. These parts are arranged in the hot section of a turbine and thus have to withstand high temperatures and an aggressive atmosphere.
  • Nickel-base superalloys and components of the above mentioned kind are disclosed for example in US 6,818,077 , US 6,419,763 , US 6,177,046 , EP 0 789 087 and EP 0 637 474 .
  • Nickel-base superalloy which basically consists of 4.75 to 5.25% Co, 15.5 to 16.5% Cr, 0.8 to 1.2% Mo, 3.75 to 4.25% W, 3.75 to 4.25% A1, 1.75 to 2.25% Ti, 4.75 to 5.25% Ta, the remaining part being Nickel beside other constituents in traces.
  • Nickel-base superalloys are described in EP 0 560 296 A1 .
  • a composition containing 7.3 to 9% Cr, 4.7 to 5.5% A1, 5 to 6.3% W, 5 to 7.5% Ta, 0.5 to 1.8% Mo, 0.5 to 1.5% Co, 1.3 to 1.8% Nb, 1.3 to 1.65% Re, not more than 0.13% Hf and the balance Ni is proposed.
  • the nickel-base superalloy of the invention comprises in wt%: Co + Fe + Mn 0 - 20 Al 4 - 6, especially from 4.3 to 6 Cr >12 - 20 Ta >7.5 - 15 Ti 0 - ⁇ 0.45 V 0 - 1 Nb 0 - ⁇ 0.28 Mo 0 - 2.5 Mo + W + Re + Rh 2 - 8 Ru + Os + Ir + Pt + Pd 0 - 4 Hf 0 - 1.5 C + B + Zr 0 - 0.5 Ca + Mg + Cu 0 - 0.5 Y + La + Sc + Ce + Actinides + Lanthanides 0 - 0.5 Si 0 - 0.5 Ni balance and unavoidable impurities.
  • the superalloy consists of these elements. Especially one, several or all optionally listed elements are present in the alloy. "Present” means that the amount of this element is measurable higher than the known impurity level of this element in a nickel based super alloy. That means that the amount of this element is at least twice the impurity level of this element in a nickel powder based alloy.
  • the alloy contains significant levels of Al, Cr and Ta to provide a combination of high strength, high oxidation resistance and high corrosion resistance.
  • the amount of matrix strengthening elements Mo, W, Re and Rh is between 2 and 8 wt%.
  • Hf, C, B, Zr, Ca, Mg, Cu, Y, La, Sc, Ce, actinides and lanthanides, and Si can be present in the superalloy in order to adapt its properties to special needs such as grain boundary strengthening, oxide scale fortification, and compatibility with specific coating systems.
  • the content of Ti can be in the range (in wt%) of 0-0.40. Preferably it can be 0-0.35, more preferably 0-0.30 and most preferably 0-0.20.
  • the content of Nb (in wt%) can be in the range of 0-0.25, preferably 0-0.20, more preferably 0-0.15 and most preferably 0-0.10.
  • the content of C (in wt%) can be in the range of 0-0.15, preferably 0-0.08, more preferably 0.01-0.06 and most preferably 0.02-0.04.
  • the superalloy of the invention can also contain B in the range (in wt%) of 0-0.02, preferably 0-0.01, more preferably 0.001-0.008 and most preferably 0.003-0.007.
  • a conventional cast component, directionally solidified component and a single crystal component, which comprise the super alloy are provided.
  • a conventional cast or a single crystal component consisting of a superalloy which comprises in wt%: Co + Fe + Mn 0 - 20 Al 4 - 6 Cr >12 - 20 Ta >7.5 - 15 Ti 0 - 1.5 V 0 - 1 Ti + Nb + V 0-2 Mo 0 - 2.5 Mo + W + Re + Rh 2 - 8 Ru + Os + Ir + Pt + Pd 0-4 Hf 0 - 1.5 C + B + Zr 0 - 0.5 Ca + Mg + Cu 0 - 0.5 Y + La + Sc + Ce + Actinides + Lanthanides 0 - 0.5 Si 0 - 0.5 Ni balance and unavoidable impurities.
  • the components of the invention can especially be part of a gas turbine, for example a turbine blade or vane, or as filler material, for example for laser welding of gas turbine components.
  • the superalloy comprises the elements Ni, Co, Cr, Mo, W, Al, Ta, Hf, C and B and very especially consists only of these elements.
  • Ta supported by moderate levels of Mo and W is will also have a high strength, as Ta is a very potent strengthening element. Consequently it satisfies our requirements on high strength, high oxidation resistance, high corrosion resistance, microstructural stability and a large heat treatment window.
  • Table 2 shows a further preferred embodiment of the invention.
  • Table 2 Element wt% Ni balance Co 3 Cr 16 Mo 1.7 W 2.3 Al 4.5 Ta 10 Hf 0.1 Zr 0.02 C 0.06 B 0.01
  • the superalloy comprises the elements Ni, Co, Cr, Mo, W, Al, Ta, Hf, Zr, C and B and very especially consists only of these elements.
  • composition in Table 2 had an average content of sulphur (S) estimated to be ⁇ 30ppm, at which it should be severely detrimental, and the Al content is a comparatively moderate 4.5%.
  • the composition in Table 2 has a lower particle content than the composition in Table 1, about 45 vol% rather than about 60vol%, and should therefore have a larger heat treatment window, and be at least as stable.
  • the composition in Table 2 With 16%Cr and a low level of the detrimental element Mo it will also have a high corrosion resistance.

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Claims (26)

  1. Nickelbasis-Superlegierung, umfassend (in Gew.-%): Co + Fe + Mn 0 - 20 Al 4 - 6, insbesondere von 4,3 bis 6, Cr >12 - 20 Ta >7,5 - 15 Ti 0 - <0,45 V 0 - 1 Nb 0 - <0,28 Mo 0 - 2,5 Mo + W + Re + Rh 2 - 8 Ru + Os + Ir + Pt + Pd 0 - 4 Hf 0 - 1,5 C + B + Zr 0 - 0,5 Ca + Mg + Cu 0 - 0,5 Y + La + Sc + Ce + Actinoide + Lanthanoide 0 - 0,5 Si 0 - 0,5 Ni Rest
    und unvermeidbare Verunreinigungen.
  2. Nickelbasis-Superlegierung nach Anspruch 1, wobei Titan (Ti) im Bereich (in Gew.-%) von
    0 - 0,40, vorzugsweise 0 - 0,35,
    noch mehr bevorzugt 0 - 0,30 und
    am meisten bevorzugt 0 - 0,20 vorhanden ist.
  3. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei Niob (Nb) im Bereich (in Gew.-%) von
    0 - 0,25,
    vorzugsweise 0 - 0,20,
    noch mehr bevorzugt 0 - 0,15 und
    am meisten bevorzugt 0 - 0,10 vorhanden ist.
  4. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der
    vorhergehenden Ansprüche,
    wobei Kohlenstoff (C) im Bereich (in Gew.-%) von 0 - 0,15,
    vorzugsweise 0 - 0,08,
    noch mehr bevorzugt 0,01 - 0,06 und
    am meisten bevorzugt 0,02 - 0,04 vorhanden ist.
  5. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei Bor (B) im Bereich (in Gew.-%) von
    0 - 0,02,
    vorzugsweise 0 - 0,01,
    noch mehr bevorzugt 0,001 - 0,008 und am meisten bevorzugt 0,003 - 0,007 vorhanden ist.
  6. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei Molybdän (Mo) in der Legierung mit
    1,0 Gew.-% bis 2,4 Gew.-%,
    vorzugsweise 1,7 Gew.-% bis Mo vorhanden ist.
  7. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei das Element Hafnium (Hf) mit mehr als 0,1 Gew.-% in der Legierung vorhanden ist.
  8. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die maximale Menge an Hf 0,5 Gew.-% beträgt.
  9. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei Co in der Legierung mit 2 Gew.-% bis 4 Gew.-%, vorzugsweise mit 3 Gew.-% vorhanden ist.
  10. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei Kobalt (Co) und Eisen (Fe) in der Legierung vorhanden sind und
    wobei die Menge an Fe kleiner als die Menge an Co ist.
  11. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei Kobalt (Co) und Mangan (Mn) in der Legierung vorhanden sind und
    wobei die Menge an Mn kleiner als die Menge an Co ist.
  12. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei Kobalt (Co), Mangan (Mn) und Eisen (Fe) in der Legierung vorhanden sind und
    wobei die Menge an Fe und Mn kleiner als die Menge an Co ist.
  13. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Gehalt an Chrom (Cr) höher als 14 Gew.-% ist.
  14. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Gehalt an Chrom (Cr) höher als 16 Gew.-% ist.
  15. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
    wobei die Menge an Chrom (Cr) zwischen
    14 Gew.-% und 18 Gew.-% Cr,
    vorzugsweise bei 16 Gew.-% liegt.
  16. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Menge an Wolfram (W) zwischen
    1,7 Gew.-% und 2,8 Gew.-%,
    insbesondere bei 2,3 Gew.-% liegt.
  17. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Menge an Aluminium (Al) gleich oder höher als 4,5 Gew.-% ist.
  18. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
    wobei die Menge an Aluminium (Al) zwischen 4,0 Gew.-% und
    4,3 Gew.-% liegt.
  19. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Menge an Tantal (Ta) zwischen 9 Gew.-% und 11 Gew.-% liegt,
    die Menge an Ta vorzugsweise 10 Gew.-% beträgt.
  20. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
    wobei die Menge an Tantal (Ta) höher als 10 Gew.-% ist.
  21. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Menge an Zirconium (Zr) höher oder gleich 0,02 Zr, insbesondere 0,02 Gew.-% ist.
  22. Nickelbasis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Superlegierung aus
    Ni, Co, Cr, Mo, W, Al, Ta, Hf, Zr, C und B besteht.
  23. Im konventionellen Gießverfahren hergestellte Komponente, umfassend eine Superlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 22.
  24. Gerichtet erstarrte Komponente, umfassend eine Superlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 22.
  25. Einkristallkomponente, umfassend eine Superlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 22.
  26. Komponente nach einem der Ansprüche 23 bis 25, wobei die Komponente Bestandteil einer Gasturbine ist.
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