EP2832872A2 - Hochwarmfeste Leichtbaulegierung aus NiAl - Google Patents

Hochwarmfeste Leichtbaulegierung aus NiAl Download PDF

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EP2832872A2 EP20140176757 EP14176757A EP2832872A2 EP 2832872 A2 EP2832872 A2 EP 2832872A2 EP 20140176757 EP20140176757 EP 20140176757 EP 14176757 A EP14176757 A EP 14176757A EP 2832872 A2 EP2832872 A2 EP 2832872A2
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    • F05D2300/17—Alloys
    • F05D2300/177—Ni - Si alloys

Definitions

  • the present invention relates to a material which can be used in particular for applications in which a high heat resistance is required. Moreover, the present invention relates to a component of a turbomachine, in particular of an aircraft engine, of a corresponding material.
  • turbomachines such as stationary gas turbines or aircraft engines
  • certain components such as blades of the turbine area and in particular the low-pressure turbine area operating conditions that place high demands on the corresponding materials prevail.
  • the materials have to endure high temperatures in the range of, for example, 800.degree. C. to 1200.degree. C. and, in addition, have to endure high mechanical loads, such as, for example, moving blades, which are moved at high rotational speeds.
  • high operating temperatures and high mechanical forces places special demands on the heat resistance and creep resistance of corresponding materials.
  • the nickel base superalloys currently used in such applications such as MAR M 247 (trade name of Martin Marietta), IN 100 (trade name of Special Metals) or CMSX 4 (trade name of Cannon Muskegon), have the disadvantage that the specific weight is relatively high, so that corresponding components have a high weight, which is disadvantageous for applications in aircraft engine construction.
  • a suitable material is nickel - aluminum alloys based on the intermetallic compound NiAl. Examples are in the US 5,935,349 as well as in the scientific articles B. Zeumer, G.Sauthoff, Intermetallic NiAl-Ta alloys with strengthening Laves phase for high-temperature applcations I. Basic properties, Intermetallics 5 (1997) 563-577 and B. Zeumer, G. Sauthoff, Deformation behavior of intermetallic NiAl-Ta alloys with strengthening Laves phase for high-temperature applications II. Effects of alloying with Nb and other elements, Intermetallics 5 (1997) 641-649 , given. The alloys described therein have up to 50 at.% Ni and ternary Laves phases.
  • the material should be simple and easy to manufacture and process.
  • the invention is based on the recognition that the Ni-Al alloys described in the prior art can be further improved in terms of their property profile for high temperature applications and in particular for applications in the field of turbomachines, such as aircraft engines, if the nickel content exceeds 50% at.% Ni is increased. Accordingly, a material is proposed which comprises more than 50 at.% Ni and ternary Laves phases based on intermetallic nickel aluminides.
  • the intermetallic nickel aluminides can be formed by NiAl and / or Ni 3 Al, wherein the ternary Laves phases can be formed on the basis of Ni, Al and Ta and / or Nb.
  • the material may comprise ternary Laves phases in the form of NiAlTa, NiAINb and / or NiAl (Ta, Nb), wherein the constituents tantalum and niobium may be mixed in the ternary Laves phase NiAl (Ta, Nb) and, since tantalum and niobium can replace each other, the respective proportions of tantalum and niobium can vary in a wide range of different compositions.
  • the ternary phases based on Ni, Al and Ta and / or Nb provide a corresponding increase in the strength and creep resistance of the material due to the presence of the corresponding grain boundaries of the NiAl crystallites and / or the Ni 3 Al crystallites.
  • Such ternary Laves phases may be in the form of the hexagonal C14 structure while NiAl is in the B2 structure.
  • the material may be 50.1 to 70 at.% Ni, preferably 51 at.% To 60 at.% Ni and 0.5 at.% To 10 at.% Ta, in particular 1 at.% To 5 at.% Ta exhibit.
  • the material may have 0.5 at.% To 10 at.% Nb, in particular 1 at.% To 5 at.% Nb, the remainder being formed by aluminum. Tantalum and niobium can be interchanged in the material so that the sum of tantalum and niobium can be in the range of 0.5 at.% To 10 at.% And especially 1 at.% To 5 at.%.
  • the material may contain other alloying constituents, such as chromium, iron, hafnium, molybdenum, carbon, silicon, titanium, vanadium, zirconium, as well as impurities and accompanying elements.
  • components from turbomachines and preferably from aircraft engines may be formed from or contain the corresponding material.
  • the material according to the invention for running or guide vanes in the turbine of a turbomachine, in particular the low-pressure turbine.
  • a material with 60 at.% Nickel, 2.5 at.% Tantalum and 2.5 at.% Niobium and 35 at.% Aluminum can be used, which by the structure formation with NiAl and Ni 3 Al, as well as ternary Laves phases at the grain boundaries of the NiAl and Ni 3 Al grains, has high heat resistance and creep resistance at a low specific gravity.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkstoff für Anwendungen, die eine hohe Warmfestigkeit erfordern, auf Basis von intermetallischen Nickelaluminiden, wobei der Werkstoff mehr als 50 at.% Nickel und ternäre Laves - Phasen umfasst, sowie ein daraus hergestelltes Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks.

Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkstoff, der insbesondere für Anwendungen eingesetzt werden kann, bei denen eine hohe Warmfestigkeit erforderlich ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks, aus einem entsprechenden Werkstoff.
    • STAND DER TECHNIK
  • In Strömungsmaschinen, wie stationären Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken, herrschen für bestimmte Bauteile, wie beispielsweise Laufschaufeln des Turbinenbereichs und insbesondere des Niederdruckturbinenbereichs Einsatzbedingungen, die hohe Anforderungen an die entsprechenden Werkstoffe stellen. So müssen die Werkstoffe einerseits hohe Temperaturen im Bereich von beispielsweise 800°C bis 1200 °C aushalten und müssen zusätzlich hohe mechanische Belastungen ertragen, wie beispielsweise Laufschaufeln, die mit hohen Drehgeschwindigkeiten bewegt werden. Durch die Kombination von hohen Betriebstemperaturen und hohen mechanischen Kräften werden besondere Anforderungen an die Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit entsprechender Werkstoffe gestellt.
  • Die derzeit bei entsprechenden Anwendungen verwendeten Nickelbasis - Superlegierungen, wie beispielsweise MAR M 247 (Handelsname der Firma Martin Marietta), IN 100 (Handelsname der Firma Special Metals) oder CMSX 4 (Handelsname der Firma Cannon Muskegon), weisen jedoch den Nachteil auf, dass das spezifische Gewicht relativ hoch ist, sodass entsprechende Bauteile ein hohes Gewicht aufweisen, was für Anwendungen im Flugzeugtriebwerksbau nachteilig ist.
  • Darüber hinaus können bei diesen bekannten Werkstoffen weitere Steigerungen der Leistungsfähigkeit der Strömungsmaschinen durch eine geeignete Erhöhung der Drehzahlen und/oder Erhöhung der Betriebstemperatur nur dadurch erzielt werden, dass entweder eine Reduzierung der Bauteillebensdauer oder eine Erhöhung des Bauteilgewichts in Kauf genommen werden oder eine separate Bauteilkühlung vorgesehen wird. All diese Maßnahmen erhöhen jedoch den entsprechenden Aufwand und die Kosten.
  • Entsprechend ist bereits versucht worden, durch andere Materialien einerseits Gewicht einzusparen und andererseits die Werkstoffeigenschaften hinsichtlich Festigkeit, Kriechbeständigkeit und Warmfestigkeit zu steigern. Als potentielle Materialien sind hierfür intermetallische Verbindungen in Betracht gezogen worden, die aufgrund ihrer speziellen Bindungseigenschaften eine hohe Festigkeit aufweisen und aus chemischen Elementen gebildet werden können, die ein niedriges atomares Gewicht aufweisen.
  • Ein geeignet erscheinendes Material sind Nickel - Aluminium - Legierungen auf Basis der intermetallischen Verbindung NiAl. Beispiele hierfür sind in der US 5,935,349 sowie in den wissenschaftlichen Artikeln B. Zeumer, G.Sauthoff, Intermetallic NiAl-Ta alloys with strengthening Laves phase for high-temperature applcations I. Basic properties, Intermetallics 5 (1997) 563 - 577 und B. Zeumer, G. Sauthoff, Deformation behaviour of intermetallic NiAl-Ta alloys with strengthening Laves phase for high-temperature applications II. Effects of alloying with Nb and other elements, Intermetallics 5 (1997) 641 - 649, gegeben. Die dort beschriebenen Legierungen weisen bis zu 50 at.% Ni und ternäre Laves - Phasen auf.
  • Obwohl damit bereits gute Ergebnisse hinsichtlich der Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit erzielt worden sind, besteht ein weiterer Bedarf, Werkstoffe bereitzustellen, die in den Bereichen der Kriechbeständigkeit und Warmfestigkeit sowie des spezifischen Gewichts für den Einsatz im Flugzeugtriebwerksbau vorteilhaft sind.
    • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Werkstoff bereitzustellen, der für Hochtemperaturanwendungen durch eine hohe Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit geeignet ist und gleichzeitig ein niedriges spezifisches Gewicht aufweist, um das Bauteilgewicht für Bauteile aus diesem Werkstoff niedrig zu halten bzw. zu senken. Darüber hinaus soll der Werkstoff einfach und gut herstellbar und verarbeitbar sein.
    • TECHNISCHE LÖSUNG
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Werkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass die im Stand der Technik beschriebenen Ni-Al-Legierungen hinsichtlich ihres Eigenschaftsprofils für Hochtemperaturanwendungen und insbesondere für Anwendungen im Bereich von Strömungsmaschinen, wie Flugzeugtriebwerken, weiter verbessert werden können, wenn der Nickelanteil über einen Anteil von 50 at.% Ni erhöht wird. Entsprechend wird ein Werkstoff vorgeschlagen, der auf Basis von intermetallischen Nickelaluminiden mehr als 50 at.% Ni und ternäre Laves - Phasen umfasst.
  • Die intermetallischen Nickelaluminide können durch NiAl und/oder Ni3Al gebildet sein, wobei die ternären Laves - Phasen auf Basis von Ni, Al und Ta und/oder Nb gebildet sein können.
  • Insbesondere kann der Werkstoff ternäre Laves - Phasen in Form von NiAlTa, NiAINb und/oder NiAl(Ta,Nb) umfassen, wobei bei der ternären Laves - Phase NiAl(Ta,Nb) die Bestandteile Tantal und Niob gemischt vorliegen können und, da Tantal und Niob sich gegenseitig ersetzen können, die jeweiligen Anteile von Tantal und Niob in einem großen Bereich von unterschiedlichen Zusammensetzungen variieren können.
  • Die ternären Phasen auf Basis von Ni, Al und Ta und/oder Nb, sorgen durch das Vorhandensein an den entsprechenden Korngrenzen der NiAl - Kristallite und/oder der Ni3Al- Kristallite für eine entsprechende Erhöhung der Festigkeit und der Kriechbeständigkeit des Werkstoffs. Derartige ternäre Laves - Phasen können in Form der hexagonalen C14 -Struktur ausgebildet sein, während NiAl in der B2 - Struktur vorliegt.
  • Insbesondere kann der Werkstoff 50,1 bis 70 at.% Ni, vorzugsweise 51 at.% bis 60 at.% Ni und 0,5 at.% bis 10 at.% Ta, insbesondere 1 at.% bis 5 at.% Ta aufweisen. Zusätzlich oder alternativ zu Tantal kann der Werkstoff 0,5 at.% bis 10 at.% Nb, insbesondere 1 at.% bis 5 at.% Nb aufweisen, wobei der Rest durch Aluminium gebildet wird. Tantal und Niob können in dem Werkstoff gegenseitig ausgetauscht werden, sodass die Summe aus Tantal und Niob im Bereich von 0,5 at.% bis 10 at.% und insbesondere 1 at.% bis 5 at.% liegen kann.
  • Der Werkstoff kann auf Kosten des Aluminiums weitere Legierungsbestandteile, wie beispielsweise Chrom, Eisen, Hafnium, Molybdän, Kohlenstoff, Silizium, Titan, Vanadium, Zirkon sowie Verunreinigungen und Begleitelemente enthalten.
  • Insbesondere Bauteile aus Strömungsmaschinen und vorzugsweise von Flugzeugtriebwerken können aus dem entsprechenden Werkstoff gebildet sein oder diesen enthalten. Vorallem bietet es sich an, den erfindungsgemäßen Werkstoff für Lauf- oder Leitschaufeln in der Turbine einer Strömungsmaschine, insbesondere der Niederdruckturbine einzusetzen.
    • AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
  • Beispielsweise kann ein Werkstoff mit 60 at.% Nickel, 2,5 at.% Tantal und 2,5 at.% Niob sowie 35 at.% Aluminium eingesetzt werden, welcher durch die Gefügeausbildung mit NiAl und Ni3Al sowie ternären Laves - Phasen an den Korngrenzen der NiAl - und Ni3Al - Körner bei niedrigem spezifischen Gewicht eine hohe Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit aufweist.

Claims (9)

  1. Werkstoff für Anwendungen, die eine hohe Warmfestigkeit erfordern, auf Basis von intermetallischen Nickelaluminiden,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Werkstoff mehr als 50 at.% Nickel und ternäre Laves - Phasen umfasst.
  2. Werkstoff nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Werkstoff NiAl und/oder Ni3Al umfasst.
  3. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Werkstoff ternäre Laves - Phasen auf Basis von Ni, Al und Ta und/oder Nb, insbesondere NiAlTa, NiAINb und/oder NiAl(Ta,Nb) umfasst.
  4. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Werkstoff 50,1 at.% bis 70 at.% Ni, vorzugsweise 51 at.% bis 60 at.% Ni und 0,5 at.% bis 10 at.% Ta, insbesondere 1 at.% bis 5 at.% Ta und/oder 0,5 at.% bis 10 at.% Nb, insbesondere 1 at.% bis 5 at.% Nb und Rest Aluminium umfasst.
  5. Werkstoff nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Teil des Aluminiums ersetzt ist durch Verunreinigungen, Begleitelemente oder weitere Legierungselemente.
  6. Werkstoff nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Summe aus Ta und Nb im Werkstoff zwischen 0,5 at.% bis 10 at.%, insbesondere 1 at.% bis 5 at.% beträgt.
  7. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Gefüge des Werkstoffs NiAl - Kristallite und/oder Ni3Al - Kristallite umfasst, an deren Korngrenzen die ternären Laves - Phasen angeordnet sind.
  8. Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks, welches aus dem Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet ist oder diesen umfasst.
  9. Bauteil nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bauteil eine Lauf - oder Leitschaufel in der Turbine, insbesondere der Niederdruckturbine einer Strömungsmaschine ist.
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