EP2876177A1 - Werkstoff aus Laves-Phase und ferritischer Fe-Al-Phase - Google Patents

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EP2876177A1
EP2876177A1 EP13194100.7A EP13194100A EP2876177A1 EP 2876177 A1 EP2876177 A1 EP 2876177A1 EP 13194100 A EP13194100 A EP 13194100A EP 2876177 A1 EP2876177 A1 EP 2876177A1
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equal
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Wilfried Smarsly
Gerhard Sauthoff
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MTU Aero Engines AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C—ALLOYS
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    • C22C27/02—Alloys based on vanadium, niobium, or tantalum
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    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/26—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with niobium or tantalum

Definitions

  • the present invention relates to a material for components of turbomachines, in particular of stationary gas turbines and aircraft engines, which comprises at least one Laves phase and one ferritic phase with Fe and Al, as well as a corresponding component.
  • turbomachines such as stationary gas turbines or aircraft engines
  • components such as blades, disks and the like
  • turbomachines such as stationary gas turbines or aircraft engines
  • components such as blades, disks and the like
  • Examples are in the DE 10 2005 061 790 A1 or the US 8,012,271 B2 described.
  • a material based on an iron-based alloy is proposed, which has intercalated Laves phases.
  • the iron-base alloy material is an iron-aluminum-chromium alloy
  • the Laves intermetallic phases are based on ternary systems comprising the constituents iron, aluminum, niobium and / or tantalum.
  • Such materials have due to the ordered intermetallic phases, even at high temperatures high strengths, so they meet the requirements for the application for corresponding components in gas turbines at operating temperatures in the range of more than 730 ° C can meet.
  • the material should meet the other requirements for a high-temperature material for use in turbomachinery and components made of this material should be easy to manufacture.
  • the invention proposes a material which has fractions of a ferritic phase with iron and aluminum and at least one Laves phase, the proportion of the at least one Laves phase making up the largest proportion of the material.
  • the Laves phase (s) form the framework or matrix of the material and the incorporated ferritic phase serves to improve the ductility of the material, since the Fe-Al ferritic phase is less hard than the Laves - phases are.
  • a material is proposed in which the largest proportion is formed by the hard and high-strength and heat-resistant Laves phases and a ferritic iron-aluminum phase and possibly further occurring phases have lower proportions of the material.
  • the material may contain 50 vol.% Or more Laves phase, in particular 60 vol.% Or more, preferably 70 vol.% Or more Laves phase, wherein only a single Laves phase may be present or several different Laves phases .
  • the Laves phases are intermetallic compounds according to the three structural types (MgCu 2 , MgZn 2 and MgNi 2 ), the compounds given merely serve to describe the crystal structure, but do not occur in this composition in the material according to the invention.
  • the Laves phases in the material according to the invention may in particular be ternary or multinary Laves phases which thus have at least three different components.
  • Multiphase Laves phases refer to Laves phases with four or more components.
  • the Laves phases can be a hexagonal, intermetallic phase of composition MeMe ' 2 , where Me is metal.
  • Me Me
  • Me Me
  • quaternary or multinary Laves phases the composition is given by partial replacement of one of Me, Me' or Me".
  • the ternary Laves phase may be formed, in particular, on the basis of the ternary system FeTaAl, the Laves phase in particular comprising 15% by weight to 65% by weight of iron, 1% by weight to 15% by weight of aluminum and 0, 5 wt.% To 65 wt.% Tantalum may have.
  • the tantalum component in the ternary Laves phase can also be at least partially replaced by niobium, so that the Laves phase can also be formed by a quaternary system FeTaNbAl.
  • the ternary Laves phase may be formed on the basis of FeNbAl, such a ternary Laves phase in particular comprising 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.
  • Laves phases based on ternary Laves phases may contain minor constituents of other elements present in the alloy, as described by the quaternary or multinary systems with sufficiently large proportions of such elements.
  • the Laves phases can also have chromium components, so that the described ternary Laves phases can be formed quaternary with a corresponding chromium component (FeCrTaAl or Fe-CrNbAl) or the Laves phase can be based on a system Fe-. CrAlTaNb be formed. Chrome can at least partially replace the Fe content in these Laves phases.
  • the ferritic phase with iron and aluminum may be a cubic space-centered mixed crystal with aluminum and other alloying constituents.
  • the ferritic Fe - Al phase may additionally comprise chromium.
  • the material according to the invention may comprise up to 45 at.% Aluminum and up to 25 at.% Tantalum and / or niobium and / or up to 25 at.% Chromium.
  • the material has 20 to 25 at.% Chromium, in particular 23 at.% Chromium, 5 to 35 at.% Aluminum, in particular 7 to 30 at.% Aluminum and 10 to 25 at.% Tantalum and / or Niobium as well as residual iron and unavoidable impurities.
  • the chromium content may be less than or equal to 10 at.%, In particular less than or equal to 1 at.%, Or it may be completely on chromium be provided to ensure a defined matrix of Laves phase with embedded ferritic phase with iron and aluminum and to avoid additional precipitations of chromium compounds or other intermetallic phases.
  • the corresponding material can be produced both by fusion metallurgy and by powder metallurgy.
  • alloy compositions are suitable for use: alloy Fe [At.%] Cr [At.%] Al [At.%] Ta [At.%] Nb [At.%] 1 40 23 27 10 0 2 40 23 27 7 3 3 40 23 27 3 7 4 40 23 27 0 10 5 60 23 7 10 0 6 60 23 7 7 3 7 60 23 7 3 7 8th 60 23 7 0 10 9 25 23 27 25 0 10 25 23 27 16 9 11 25 23 27 9 16 12 25 23 27 0 25 13 45 23 7 25 0 14 45 23 7 16 9 15 45 23 7 9 16 16 45 23 7 0 25
  • the proportions of aluminum, tantalum and niobium and correspondingly of iron can be varied, while for example a solid chromium content of the order of 23 at.% Can be provided. While the ratio of tantalum and niobium is set to values of 10 and 25 at.% Respectively, the aluminum content and, correspondingly, the iron content vary between a low aluminum content of the order of 7 at.% And a high aluminum content of the order of 27 at.%, so that correspondingly different iron contents are present. This makes it possible, in particular, to vary the ferritic Fe-Al-Cr phase and its properties, in particular with regard to ductility.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff für Bauteile einer Gasturbine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks, mit Anteilen einer ferritischen Phase mit Fe und Al und Anteilen mindestens einer Laves - Phase, wobei der Anteil der mindestens einen Laves - Phase den größten Anteil des Werkstoffs ausmacht.

Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkstoff für Bauteile von Strömungsmaschinen, insbesondere von stationären Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken, der zumindest eine Laves - Phase und eine ferritische Phase mit Fe und Al umfasst, sowie ein entsprechendes Bauteil.
    • STAND DER TECHNIK
  • In Strömungsmaschinen, wie stationären Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken, werden Bauteile, wie beispielsweise Schaufeln, Scheiben und dergleichen, eingesetzt, die sowohl den hohen Temperaturen als auch den aggressiven Umgebungsbedingungen beim Betrieb der Strömungsmaschinen widerstehen müssen, als auch insbesondere bei den teilweise herrschenden hohen Temperaturen eine ausreichende Festigkeit und Kriechbeständigkeit aufweisen müssen. Hierzu sind im Stand der Technik verschiedene Werkstoffe bekannt, die zusammen mit geeigneten Beschichtungen den Anforderungen genügen. Allerdings ist das Potential der bisher eingesetzten Werkstoffe, wie beispielsweise Eisen - und Nickel - Basis - Legierungen, bereits weitgehend ausgeschöpft, so dass weitere Effizienzsteigerungen für Strömungsmaschinen beispielsweise durch höhere Arbeitstemperaturen durch neuartige Werkstoffe erreicht werden müssen.
  • So gibt es bereits Bestrebungen, Legierungen mit Partikeln aus Laves - Phasen zu verfestigen, welche aufgrund ihrer geordneten, intermetallischen Struktur günstige Festigkeitswerte auch bei hohen Einsatztemperaturen erwarten lassen.
  • Beispiele hierfür sind in der DE 10 2005 061 790 A1 bzw. der US 8,012,271 B2 beschrieben. 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.
  • 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 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. Gleichzeitig soll der Werkstoff den übrigen Anforderungen an einen Hochtemperaturwerkstoff für den Einsatz bei Strömungsmaschinen gerecht werden und Bauteile aus diesem Werkstoff sollen einfach hergestellt werden können.
    • TECHNISCHE LÖSUNG
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Werkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch Bauteile mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung schlägt einen Werkstoff vor, der Anteile einer ferritischen Phase mit Eisen und Aluminium sowie mindestens einer Laves - Phase aufweist, wobei der Anteil der mindestens einen Laves - Phase den größten Anteil des Werkstoffs ausmacht. Mit anderen Worten, die Laves - Phase(n) bildet bzw. bilden das Gerüst bzw. die Matrix des Werkstoffs und die eingelagerte ferritische Phase dient zur Verbesserung der Duktilität des Werkstoffs, da die ferriti-sche Fe - Al - Phase weniger hart als die Laves - Phasen sind. Somit wird also ein Werkstoff vorgeschlagen, bei dem der größte Anteil durch die harten und hochfesten sowie warmfesten Laves - Phasen gebildet wird und eine ferritische Eisen - Aluminium - Phase sowie möglicherweise weitere vorkommende Phasen geringere Anteile am Werkstoff aufweisen.
  • Entsprechend kann der Werkstoff 50 vol.% oder mehr Laves - Phase, insbesondere 60 vol.% oder mehr, vorzugsweise 70 vol.% oder mehr Laves - Phase enthalten, wobei nur eine einzige Laves - Phase vorhanden sein kann oder mehrere verschiedene Laves - Phasen. Die Laves - Phasen sind intermetallische Verbindungen gemäß den drei Strukturtypen (MgCu2, MgZn2 und MgNi2), wobei die angegebenen Verbindungen lediglich zur Beschreibung der Kristallstruktur dienen, jedoch nicht in dieser Zusammensetzung im erfindungsgemäßen Werkstoff vorkommen.
  • Die Laves - Phasen im erfindungsgemäßen Werkstoff können insbesondere ternäre oder multinäre Laves - Phasen sein, die somit mindestens drei unterschiedliche Komponenten aufweisen. Multinäre Laves - Phasen bezeichnen hierbei Laves - Phasen mit vier oder mehr Komponenten. Üblicherweise kann es sich bei den Laves - Phasen um eine hexagonale, intermetallische Phase der Zusammensetzung MeMe'2 handeln, wobei Me für Metall steht. Bei einer ternären Laves - Phase ist die Zusammensetzung durch Me(Me',Me") gegeben, während bei quaternären oder multinären Laves - Phasen die Zusammensetzung durch teilweisen Ersatz einer der Bestandteile Me, Me' oder Me" gegeben ist.
  • Bei der vorliegenden Erfindung kann die ternäre Laves - Phase insbesondere auf Basis des ternären Systems FeTaAl gebildet sein, wobei die Laves - Phase insbesondere 15 Gew.% bis 65 Gew.% Eisen, 1 Gew.% bis 15 Gew.% Aluminium und 0,5 Gew.% bis 65 Gew.% Tantal aufweisen kann. Der Tantal - Anteil bei der ternären Laves - Phase kann auch zumindest teilweise durch Niob ersetzt sein, so dass die Laves - Phase auch durch ein quaternäres System FeTaNbAl gebildet sein kann.
  • Bei einer vollständigen oder nahezu vollständigen Ersetzung kann die ternäre Laves - Phase auf Basis FeNbAl gebildet sein, wobei eine derartige ternäre Laves - Phase insbesondere 15 Gew.% bis 65 Gew.% Eisen, 1 Gew.% bis 15 Gew.% Aluminium und 0,5 Gew.% bis 55 Gew.% Niob aufweisen kann.
  • Bei den Laves - Phasen auf Basis ternäraren Laves - Phasen können geringe Bestandteile weiterer in der Legierung vorhandener Elemente enthalten sein, wie dies durch die quaternären oder multinären Systeme bei ausreichend großen Anteilen derartiger Elemente beschrieben ist.
  • Die Laves - Phasen können auch Chrom - Anteile aufweisen, so dass die beschriebenen ternä-ren Laves - Phasen quaternär mit einem entsprechenden Chrom - Anteil (FeCrTaAl oder Fe-CrNbAl) ausgebildet sein können oder die Laves - Phase kann auf Basis eines Systems Fe-CrAlTaNb gebildet sein. Chrom kann bei diesen Laves - Phasen zumindest teilweise den Fe - Anteil ersetzen.
  • Bei der ferritischen Phase mit Eisen und Aluminium kann es sich um einen kubischraumzentrierten Mischkristall mit Aluminium und weiteren Legierungsbestandteilen handeln. Insbesondere kann die ferritische Fe - Al- Phase zusätzlich Chrom aufweisen.
  • Entsprechend kann der Werkstoff gemäß der Erfindung bis zu 45 at.% Aluminium und bis zu 25 at.% Tantal und/oder Niob und/oder bis zu 25 at.% Chrom umfassen.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Werkstoff 20 bis 25 at.% Chrom, insbesondere um 23 at.% Chrom, 5 bis 35 at.% Aluminium, insbesondere 7 bis 30 at.% Aluminium und 10 bis 25 at.% Tantal und/oder Niob sowie Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen auf.
  • Bei Gehalten von mehr als 35 at.% Aluminium, insbesondere mehr als 40 at.% Aluminium im erfindungsgemäßen Werkstoff kann der Chromgehalt kleiner oder gleich 10 at.%, insbesondere kleiner oder gleich 1 at.% gewählt werden oder es kann auf Chrom kann vollständig ver-zichtet werden, um eine definierte Matrix aus Laves - Phase mit eingelagerter ferritischer Phase mit Eisen und Aluminium zu gewährleisten und zusätzliche Ausscheidungen von Chromverbindungen oder andere intermetallische Phasen zu vermeiden.
  • Der entsprechende Werkstoff kann sowohl schmelzmetallurgisch als auch pulvermetallurgisch hergestellt werden.
    • AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung detaillierter Ausführungsbeispiele deutlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
  • Für einen Einsatz bieten sich beispielsweise folgende Legierungszusammensetzungen an:
    Legierung Fe [At.%] Cr [At.%] Al [At.%] Ta [At.%] Nb [At.%]
    1 40 23 27 10 0
    2 40 23 27 7 3
    3 40 23 27 3 7
    4 40 23 27 0 10
    5 60 23 7 10 0
    6 60 23 7 7 3
    7 60 23 7 3 7
    8 60 23 7 0 10
    9 25 23 27 25 0
    10 25 23 27 16 9
    11 25 23 27 9 16
    12 25 23 27 0 25
    13 45 23 7 25 0
    14 45 23 7 16 9
    15 45 23 7 9 16
    16 45 23 7 0 25
  • Wie die Tabelle der Ausführungsbeispiele zeigt, können insbesondere die Anteile an Aluminium, Tantal und Niob sowie entsprechend von Eisen variiert werden, während beispielsweise ein fester Chromgehalt in der Größenordnung von 23 at.% vorgesehen werden kann. Während der Anteil von Tantal und Niob in Summe auf Werte von 10 bzw. 25 At.% eingestellt wird, variiert der Aluminiumgehalt und entsprechend der Eisengehalt zwischen einem niedrigen Aluminiumgehalt in der Größenordnung von 7 at.% und einem hohen Aluminiumgehalt in der Größenordnung von 27 at.%, sodass entsprechend unterschiedliche Eisengehalte vorliegen. Dadurch lässt sich insbesondere die ferritische Fe - Al - Cr - Phase und deren Eigenschaften insbesondere hinsichtlich der Duktilität variieren.

Claims (16)

  1. Werkstoff für Bauteile einer Gasturbine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks, mit Anteilen einer ferritischen Phase mit Fe und Al und Anteilen mindestens einer Laves - Phase,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Anteil der mindestens einen Laves - Phase den größten Anteil des Werkstoffs ausmacht.
  2. Werkstoff nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Anteil der mindestens einen Laves - Phase größer oder gleich 50 vol.%, insbesondere größer oder gleich 60 vol.%, vorzugsweise größer oder gleich 70 vol.% ist.
  3. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Laves - Phase eine ternäre oder multinäre Laves - Phase ist.
  4. Werkstoff nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die ternäre oder multinäre Lavesphase auf Basis von FeTaAl gebildet ist.
  5. Werkstoff nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Lavesphase auf Basis von FeTaAl zusätzlich Nb umfasst, welches teilweise Ta ersetzt.
  6. Werkstoff nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die ternäre oder multinäre Lavesphase auf Basis von FeNbAl gebildet ist.
  7. Werkstoff nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Lavesphase auf Basis von FeNbAl zusätzlich Ta umfasst, welches teilweise Nb ersetzt.
  8. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Laves - Phase Cr enthält, das insbesondere teilweise Fe ersetzt.
  9. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Laves - Phase auf Basis von FeCrAlTaNb gebildet ist.
  10. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die ferritische Phase zusätzlich Cr umfasst.
  11. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Werkstoffgefüge die mindestens eine Laves - Phase eine Matrix oder ein Skelett bildet, in welche(s) die ferritische Phase eingelagert ist.
  12. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Werkstoff bis zu 45 at. % Al und bis zu 25 at. % Ta und/oder Nb und/oder bis zu 25 at. % Cr umfasst.
  13. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Werkstoff 20 bis 25 at.% Cr, insbesondere um 23 at.% Cr, 5 bis 35 at.% Al, insbesondere 7 bis 30 at.% Al und 10 bis 25 at.% Tantal und/oder Niob sowie Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen aufweist.
  14. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Werkstoff bei Gehalten von mehr als 35 at.% Al, insbesondere mehr als 40 at.% Al der Gehalt an Cr kleiner oder gleich 10 at.%, insbesondere kleiner oder gleich 1 at.% oder gleich 0 ist.
  15. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Werkstoff schmelzmetallurgisch oder pulvermetallurgisch hergestellt ist.
  16. Bauteil einer Gasturbine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks mit einem Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
EP13194100.7A 2013-11-22 2013-11-22 Werkstoff aus laves-phase und ferritischer fe-al-phase Not-in-force EP2876177B1 (de)

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