EP2840158A1 - Ferritische FeAlCr-Legierung mit ternären Laves-Phasen und Oxiden und/oder Karbiden für Bauteile einer Gasturbine - Google Patents

Ferritische FeAlCr-Legierung mit ternären Laves-Phasen und Oxiden und/oder Karbiden für Bauteile einer Gasturbine Download PDF

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EP2840158A1
EP2840158A1 EP13181162.2A EP13181162A EP2840158A1 EP 2840158 A1 EP2840158 A1 EP 2840158A1 EP 13181162 A EP13181162 A EP 13181162A EP 2840158 A1 EP2840158 A1 EP 2840158A1
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EP
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carbides
material according
ferritic
gas turbine
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Withdrawn
Application number
EP13181162.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wilfried Smarsly
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Publication date
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys

Definitions

  • the present invention relates to a material for components of a gas turbine, in particular for components of an aircraft engine, with a matrix of a ferritic FeAlCr alloy and embedded ternary Laves phases based on FeTaAl and FeNbAl.
  • gas turbines such as stationary gas turbines or aircraft engines
  • rotating disks on which blades are arranged or so-called blisks artificial word for blade and disk, ie combined components of blades and disks
  • blisks artificial word for blade and disk, ie combined components of blades and disks
  • high-strength steels and nickel alloys at operating temperatures in the range of 650 ° C. used up to 730 ° C.
  • the weight of the rotating components such as the discs and blisks and / or to increase the operating temperature.
  • heat - resistant alloys iron - chromium - aluminum alloys and not FeAlCr - alloys, which are used for fuel cells, are in the DE 20 2011 106 778 U1 and the WO 2012/175067 described.
  • the increased heat resistance or creep resistance is due to precipitations of the intermetallic phases of the type Fe 2 (M, Si) or Fe 7 (M, Si) 6 , wherein the metallic alloying element M is formed by the elements niobium and tungsten.
  • a low specific weight contributes both to the performance of the gas turbine, as well as to weight reduction, especially in aircraft engines.
  • the present invention proposes in the further development of the material of DE 10 2005 061 790 A1 respectively.
  • US 8,012,271 B2 In addition to the ternary Laves phases in a ferritic iron - aluminum - chromium alloy, oxides for oxide dispersion strengthening and / or carbide precipitations are used to increase the strength.
  • oxides for oxide dispersion strengthening and / or carbide precipitations are used to increase the strength.
  • dispersion hardening with oxide particles and / or solidification by means of precipitation of carbides is possible in addition and enables a further improvement of the property profile.
  • the ternary Laves phases based on FeTaAl and / or FeNbAl already ensure high strength and in particular high heat resistance or creep resistance of corresponding materials, the precipitation of additional carbides and / or the provision of further oxide particles can further increase the strength and heat resistance become.
  • the three metals mentioned as main constituents form an ordered lattice structure in accordance with the Laves structure, although the Laves phases may nevertheless have additional constituents.
  • Tantalum and niobium are exchanged and replaced.
  • the ternary Laves phase FeTaAl can comprise 15% by weight to 65% by weight of iron, 1% by weight to 15% by weight of aluminum and 0.5% by weight to 65% by weight tantalum, while the ternary FeNbAl laves have Phase 15% by weight to 65% by weight of iron, 1% by weight to 15% by weight of aluminum and 0.5% by weight to 55% by weight of niobium.
  • the FeOlCr ferritic alloy which forms the matrix for the ternary intermetallic Laves phases as well as for the oxide dispersion strengthening oxides and the carbides may contain 30% by weight to 90% by weight of iron, 6% by weight to 40% by weight.
  • the ferritic FeAlCr alloy may comprise excess niobium, molybdenum and / or tantalum which has not been precipitated into corresponding carbides.
  • niobium carbides, molybdenum carbides and / or tantalum carbides and mixed carbides thereof can be incorporated in the ferritic FeAlCr alloy as carbide precipitates.
  • the material may comprise yttrium oxide particles incorporated in the FeAlCr alloy matrix.
  • fracture toughnesses greater than or equal to 60 MPa ⁇ m and / or crack propagation resistances greater than or equal to 6 MPa ⁇ m and ultimate strengths greater than or equal to 8 MPa can be achieved at a density of 6 to 7 g / cm 3 .
  • oxide particles For this, a sufficient amount of oxide particles must be added to a ferritic iron-aluminum-chromium alloy with the main constituent iron and the main alloying elements aluminum and chromium as well as other alloying constituents, such as yttrium or hafnium, in order to achieve a fine distribution of the oxide particles in the material. This can be done for example by mechanical alloying of powder materials. Particles of yttrium oxide can be used as oxide particles.
  • ferritic iron - aluminum - chromium alloy niobium, molybdenum and / or tantalum and sufficient carbon can be added, so that with a corresponding annealing of the material and subsequent quenching next to the ternary Laves - phases based on FeTaAl and FeNbAl also fine distributed carbides excreted which, as an alternative or in addition to the described oxide particles, can contribute to a solidification of the ferritic FeAlCr alloy.
  • the material thus produced with a ferritic iron-aluminum-chromium matrix in which the matrix is thus predominantly in the structure of the cubic body-centered ferrite, can be used in particular for disks and blisks in high-pressure compressors, low-pressure and high-pressure turbines of gas turbines and for other components in gas turbines be used at temperatures above 700 ° C.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkstoff für Bauteile einer Gasturbine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks, mit einer Matrix aus einer ferritischen FeAlCr - Legierung und eingelagerten ternären Laves - Phasen auf Basis von FeTaAl und FeNbAl, wobei in der Matrix weiterhin Oxidpartikel zur Oxid - Dispersionsverfestigung und/oder Karbide eingelagert sind, sowie Bauteile einer Gasturbine aus diesem Werkstoff.

Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkstoff für Bauteile einer Gasturbine, insbesondere für Bauteile eines Flugzeugtriebwerks, mit einer Matrix aus einer ferritischen FeAlCr - Legierung und eingelagerten ternären Laves - Phasen auf Basis von FeTaAl und FeNbAl.
    • STAND DER TECHNIK
  • In Gasturbinen, wie beispielsweise stationären Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken, werden für rotierende Scheiben, an denen Schaufeln angeordnet sind oder sogenannten Blisks (Kunstwort für Blade und Disk, also kombinierte Bauteile aus Schaufeln und Scheiben) hochfeste Stähle und Nickellegierungen bei Betriebstemperaturen im Bereich von 650°C bis 730 °C eingesetzt. Um die Effizienz von Gasturbinen und insbesondere Flugzeugtriebwerken weiter zu steigern, besteht ein Bedarf, das Gewicht der rotierenden Bauteile, also beispielsweise der Scheiben und Blisks zu reduzieren und/oder die Einsatztemperatur zu erhöhen.
  • Mit den derzeit verwendeten Stählen und Nickellegierungen ist aber kein großes Potential hinsichtlich einer Gewichtsreduzierung und Erhöhung der Einsatztemperatur gegeben. Entsprechend gibt es bereits Bestrebungen, andere Werkstoffklassen in den genannten Einsatzbereichen einzusetzen, wie beispielsweise in der DE 10 2005 061 790 A1 bzw. der US 8,012,271 B2 beschrieben ist. Dort wird ein Werkstoff auf Basis einer Eisenbasislegierung vorgeschlagen, der intermetallische Laves - Phasen eingelagert hat. Bei dem Eisenbasislegierungswerkstoff handelt es sich um eine Eisen - Aluminium - Chrom - Legierung und die intermetallischen Laves - Phasen beruhen auf ternären Systemen mit den Bestandteilen Eisen, Aluminium, Niob und/oder Tantal. Derartige Werkstoffe weisen aufgrund der geordneten intermetallischen Phasen auch bei hohen Temperaturen hohe Festigkeiten auf, sodass sie die Anforderungen für die Anwendung bei entsprechenden Komponenten in Gasturbinen bei Betriebstemperaturen im Bereich von mehr als 730°C erfüllen können.
  • Weitere Beispiele für warmfeste Legierungen, allerdings Eisen - Chrom - Aluminium - Legierungen und nicht FeAlCr - Legierungen, die für Brennstoffzellen eingesetzt werden, sind in der DE 20 2011 106 778 U1 und der WO 2012/175067 beschrieben. Dort wird die erhöhte Warmfestigkeit bzw. die Kriechfestigkeit durch Ausscheidungen der intermetallischen Phasen vom Typ Fe2(M,Si) oder Fe7(M,Si)6 erzielt, wobei das metallische Legierungselement M durch die Elemente Niob und Wolfram gebildet wird.
  • Trotz der bereits bekannten Werkstoffe besteht weiterhin Bedarf, verbesserte Werkstoffe für den Einsatz in Gasturbinen bei Temperaturen oberhalb von 700°C bereitzustellen.
    • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Werkstoff für Bauteile einer Gasturbine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks bereitzustellen, der insbesondere für Scheiben bzw. Blisken im Hochdruckverdichter sowie in der Niederdruckturbine und in der Hochdruckturbine einer Gasturbine bei Temperaturen über 700 °C eingesetzt werden kann und durch ein geringes spezifisches Gewicht sowohl zur Leistungssteigerung der Gasturbine, als auch zur Gewichtsreduktion insbesondere bei Flugzeugtriebwerken beiträgt.
    • TECHNISCHE LÖSUNG
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Werkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch Bauteile mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt in der Weiterentwicklung des Werkstoffs der DE 10 2005 061 790 A1 bzw. US 8,012,271 B2 vor, zusätzlich zu den ternären Laves - Phasen in einer ferritischen Eisen - Aluminium - Chrom - Legierung Oxide zur Oxid - Dispersionsverfestigung und/oder Karbidausscheidungen zur Festigkeitssteigerung einzusetzen. Trotz den bereits in einer ferritischen Eisen - Aluminium - Chrom - Legierung ausscheidbaren ternären Laves - Phasen ist zusätzlich eine Dispersionsverfestigung mit Oxidpartikeln und/oder eine Verfestigung mittels Ausscheidung von Karbiden möglich und ermöglicht eine weitere Verbesserung des Eigenschaftsprofils.
  • Zwar gewährleisten bereits die ternären Laves - Phasen auf Basis von FeTaAl und/oder FeNbAl eine hohe Festigkeit und insbesondere hohe Warmfestigkeit bzw. Kriechbeständigkeit entsprechender Werkstoffe, aber durch die Ausscheidung zusätzlicher Karbide und/oder das Vorsehen von weiteren Oxidpartikeln kann die Festigkeit und Warmfestigkeit weiter gesteigert werden.
  • Bei den ternären Laves - Phasen bilden jeweils die drei als Hauptbestandteile genannten Metalle eine geordnete Gitterstruktur entsprechend der Laves - Struktur aus, wobei gleichwohl die Laves - Phasen zusätzliche Bestandteile aufweisen können. Insbesondere können bei den FeTaAl - und FeNbAl - Laves - Phasen Tantal und Niob gegeneinander ausgetauscht und ersetzt werden.
  • Die ternäre Laves - Phase FeTaAl kann 15 Gew.% bis 65 Gew.% Eisen, 1 Gew.% bis 15 Gew.% Aluminium und 0,5 Gew.% bis 65 Gew.% Tantal aufweisen, während die ternäre FeNbAl - Laves - Phase 15 Gew.% bis 65 Gew.% Eisen, 1 Gew.% bis 15 Gew.% Aluminium und 0,5 Gew.% bis 55 Gew.% Niob aufweisen kann.
  • Die ferritische FeAlCr - Legierung, die die Matrix für die ternären intermetallischen Laves - Phasen sowie für die Oxide der Oxid - Dispersionsverfestigung und die Karbide bildet, kann 30 Gew.% bis 90 Gew.% Eisen, 6 Gew.% bis 40 Gew.% Aluminium, 2 Gew.% bis 25 Gew.% Chrom, 0,1 Gew.% bis 2 Gew.% Yttrium und/oder 0,1 Gew.% bis 2 Gew.% Hafnium aufweisen. Darüber hinaus kann die ferritische FeAlCr - Legierung überschüssiges Niob, Molybdän und/oder Tantal umfassen, welches nicht in entsprechende Karbide ausgeschieden worden ist.
  • Insbesondere können Niob - Karbide, Molybdän - Karbide und/oder Tantal - Karbide sowie Mischkarbide daraus in der ferritischen FeAlCr - Legierung als Karbidausscheidungen eingelagert sein.
  • Als Oxidpartikel kann der Werkstoff Yttriumoxidpartikel aufweisen, die in der Matrix aus der FeAlCr - Legierung eingelagert sind.
  • Mit einem derartigen Werkstoff lassen sich Bruchzähigkeiten größer oder gleich 60 MPa√m und/oder Rissfortschrittswiderstände größer oder gleich 6 MPa√m sowie Bruchfestigkeiten größer oder gleich 8 MPa bei einer Dichte von 6 bis 7 g/cm3 erzielen.
  • Dazu muss einer ferritischen Eisen - Aluminium - Chrom - Legierung mit dem Hauptbestandteil Eisen und den Hauptlegierungselementen Aluminium und Chrom sowie weiteren Legierungsbestandteilen, wie Yttrium oder Hafnium, eine ausreichende Menge an Oxidpartikeln zugegeben werden, um eine feine Verteilung der Oxidpartikel im Werkstoff zu erzielen. Dies kann beispielsweise durch mechanisches Legieren von Pulvermaterialien erfolgen. Als Oxidpartikel können Partikel aus Yttriumoxid verwendet werden.
  • Zusätzlich oder alternativ können der ferritischen Eisen - Aluminium - Chrom - Legierung Niob, Molybdän und/oder Tantal sowie ausreichend Kohlenstoff zugesetzt werden, sodass bei einer entsprechenden Glühung des Werkstoffs und anschließenden Abschreckung neben den ternären Laves - Phasen auf Basis von FeTaAl und FeNbAl auch fein verteilte Karbide ausgeschieden werden, die alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen Oxidpartikeln zu einer Verfestigung der ferritischen FeAlCr - Legierung beitragen können.
  • Der so hergestellte Werkstoff mit einer ferritischen Eisen - Aluminium - Chrom - Matrix, bei der die Matrix somit überwiegend in Gefüge des kubisch raumzentrierten Ferrit vorliegt, kann insbesondere für Scheiben und Blisken in Hochdruckverdichtern, Niederdruck - und Hochdruckturbinen von Gasturbinen sowie für weitere Bauteile im Gasturbinen bei Temperaturen oberhalb 700°C eingesetzt werden.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die bevorzugte Ausführungsform beschränkt ist, sondern vielmehr in der Weise abgewandelt werden kann, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Insbesondere umfasst die vorliegende Offenbarung sämtliche Kombinationen aller vorgestellter Einzelmerkmale.

Claims (11)

  1. Werkstoff für Bauteile einer Gasturbine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks, mit einer Matrix aus einer ferritischen FeAlCr - Legierung und eingelagerten ternären Laves - Phasen auf Basis von FeTaAl und FeNbAl,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in der Matrix weiterhin Oxidpartikel zur Oxid - Dispersionsverfestigung und/oder Karbide eingelagert sind.
  2. Werkstoff nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die ferritische FeAlCr - Legierung weiterhin Hf und Y umfasst.
  3. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die ferritische FeAlCr - Legierung umfasst:
    30 Gew.% bis 90 Gew.% Fe
    6 Gew.% bis 40 Gew.% Al
    2 Gew.% bis 25 Gew.% Cr
    0,1 Gew.% bis 2 Gew.% Y und/oder
    0,1 Gew.% bis 2 Gew.% Hf.
  4. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die ternäre Lavesphase FeTaAl umfasst:
    15 Gew.% bis 65 Gew.% Fe
    1 Gew.% bis 15 Gew.% Al
    0,5 Gew.% bis 65 Gew.% Ta.
  5. Werkstoff nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die ternäre Lavesphase FeTaAl zusätzlich Nb umfasst, welches teilweise Ta ersetzt.
  6. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die ternäre Lavesphase FeNbAl umfasst:
    15 Gew.% bis 65 Gew.% Fe
    1 Gew.% bis 15 Gew.% Al
    0,5 Gew.% bis 55 Gew.% Nb.
  7. Werkstoff nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die ternäre Lavesphase FeNbAl zusätzlich Ta umfasst, welches teilweise Nb ersetzt.
  8. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Karbide Nb - Karbide und/oder Ta - Karbide und/oder Mo - Karbide und/oder Mischkarbide daraus umfassen.
  9. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Oxidpartikel Yttriumoxid umfassen.
  10. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Werkstoff eine Bruchzähigkeit größer oder gleich 60 MPa√m und/oder einen Rissfortschrittswiderstand größer oder gleich 6 MPa√m und/oder eine Bruchfestigkeit größer oder gleich 800 MPa und/oder eine Dichte im Bereich von 6 bis 7 g/cm3 aufweist.
  11. Bauteil einer Gasturbine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks mit einem Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
EP13181162.2A 2013-08-21 2013-08-21 Ferritische FeAlCr-Legierung mit ternären Laves-Phasen und Oxiden und/oder Karbiden für Bauteile einer Gasturbine Withdrawn EP2840158A1 (de)

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