EP3287535A1 - Sx-nickel-legierung mit verbesserten tmf-eigenschaften, rohmaterial und bauteil - Google Patents

Sx-nickel-legierung mit verbesserten tmf-eigenschaften, rohmaterial und bauteil Download PDF

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EP3287535A1
EP3287535A1 EP16185120.9A EP16185120A EP3287535A1 EP 3287535 A1 EP3287535 A1 EP 3287535A1 EP 16185120 A EP16185120 A EP 16185120A EP 3287535 A1 EP3287535 A1 EP 3287535A1
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EP
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component
alloy
tmf
nickel alloy
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EP16185120.9A
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Eike Kohlhoff
Britta Laux
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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
    • C22C19/057—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being less 10%

Definitions

  • Y yttrium

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Durch eine verbesserte Zusammensetzung einer nickelbasierten Superlegierung mit Ni-8Cr-10Co-0,6Mo-8Ta-1,25Re-5,7Al-0Ti-0,1Hf-0,25Si-0,008B-0,0210C-0,02Y werden verbessernde TMF-Eigenschaften erreicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine nickelbasierte SX-Legierung mit verbesserten TMF-Eigenschaften, ein Rohmaterial und ein Bauteil.
  • Um eine höhere Turbineneintrittstemperatur und damit einen höheren Wirkungsgrad zu ermöglichen, werden derzeit SX-Werkstoffe aus Nickelbasis untersucht. Diese Werkstoffe sollen über eine deutlich höhere Kriechbeständigkeit im Vergleich zu den bekannten SX-Werkstoffen und insbesondere bei hohen Temperaturen über eine deutlich erhöhte Zugfestigkeit verfügen. Allerdings zeigt sich in ersten Untersuchungen zum TMF-Verhalten, dass die Werkstoffe bei tieferen Temperaturen (373K) und hohen Dehnschwingbreiten zu einem spröden Verhalten und damit zu reduzierten TMF-Lebensdauern tendiert.
    Die LCF-Lebensdauer bei hohen Dehnschwingbreiten wird ebenfalls durch das Sprödbruchverhalten zwischen Raumtemperatur und 923 K reduziert.
    Während früher die Kriecheigenschaften als lebensdauerbestimmend galten, gewinnen die TMF-Eigenschaften jedoch zunehmend an Bedeutung. Dies liegt an verbesserten Kühlluftkonzepten, die für lokale kalte und heiße Bereiche sorgen: Gleichzeitig werden die Zeitabschnitte einer stationären Nutzung zunehmend kürzer. Die systematische Untersuchung von TMF-Eigenschaften befindet sich noch ganz am Anfang. Daher sind die Probleme dieses Werkstoffs bislang nicht bekannt geworden.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1, ein Rohmaterial gemäß Anspruch 2 und ein Bauteil gemäß Anspruch 3.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
  • Die Beschreibung stellt nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
  • Vorzugsweise ist ein Werkstoff mit der folgenden Zusammensetzung vorteilhaft:
    Nickelbasierte Legierung,
    zumindest aufweisend (in Gew.-%):
    Chrom (Cr) 7,0% - 9,0%, insbesondere 8,0%,
    Kobalt (Co) 9,0% - 11%, insbesondere 10%,
    Molybdän (Mo) 0,4% - 0,8%, insbesondere 0,6%,
    Tantal (Ta) 7,0% - 9,0%, insbesondere 8,0%,
    Wolfram (W) 7,0% - 9,0%, insbesondere 8,0%,
    Rhenium (Re) 1,0% - 1,30%, insbesondere 1,25%,
    Aluminium (Al) 5,0% - 6,4%, insbesondere 5,7%,
    Hafnium (Hf) 0,08% - 0,12%, insbesondere 0,1%,
    Silizium (Si) 0,018% - 0,32%, insbesondere 0,25%,
    Bor (B) 0,003% - 0,015%, insbesondere 0,008%,
    Kohlenstoff (C) 0,01% - 0,05%, insbesondere 0,0210%,
    Yttrium (Y) 0,017% - 0,023%, insbesondere 0,02%.
  • Dieser Werkstoff unterscheidet sich von bisherigen Ni-SX Zusammensetzungen durch einen deutlich höheren Anteil an Chrom (Cr), einen reduzierten Anteil an Rhenium (Re), den Zusatz von Silizium (Si) und Yttrium (Y) sowie dadurch, dass er kein Titan (Ti) enthält, bis auf Verunreinigungen von max. 0,1 Gew.-%.
  • Der neue Werkstoff hat die folgenden Vorteile:
    • Durch den Zusatz von Silizium (Si) erhöht sich die TMF-Festigkeit um den Faktor 2. Dieser Effekt beruht auf folgender Wirkung durch Silizium:
      • Silizium (Si) verbessert die Oxidationsbeständigkeit,
      • durch Zugabe von Silizium (Si) wird eine erhöhte Dehngrenze bei tiefen Temperaturen erzielt, die im TMF-Versuch zu reduzierten Druckspannungen im Hochtemperaturbereich unter Outof-Phase Bedingungen und damit zu einem geringeren Rekristallisationsrisiko führt.
  • Die LCF Lebensdauer wird durch die erhöhte Dehngrenze bei niedrigen Temperaturen und hohe Dehnschwingbreiten erhöht. Durch die Reduktion des Anteils an Rhenium (Re) sinkt das Risiko für TCP-Phasenbildung, die sich sehr negativ auf das TMF-Verhalten auswirken, sofern sie sich während des Betriebes ausbilden.
  • In Kombination mit der Entfernung von Titan (Ti) ermöglicht die Reduktion an Rhenium (Re) weiterhin eine Anhebung des Chrom-Anteils ohne unerwünschte TCP-Phasen zu stabilisieren. Dadurch sollte der neue Werkstoff über Oxidationseigenschaften verfügen, die mindestens auf dem Niveau des Alloy 247 liegen.
  • Die Zugabe von Yttrium (Y) bewirkt dabei, dass der Werkstoff über eine besonders gute zyklische Oxidationseigenschaften verfügt (Verbesserung der Al2O3-Deckschichthaftung) .
  • In der titanfreien Legierung wird das Silizium (Si) vorwiegend in der γ'-Phase eingebaut, während es in titanhaltigen Werkstoffen in der γ -Phase eingebaut wird. Die Anreicherung von Silizium (Si) in γ-Phase ist eher unerwünscht, da dies die Ausscheidung von Sprödphasen in den Kanälen begünstigen würde (z.B. G-Phase). Weiterhin wird durch den Silizium-Einbau in die γ'-Phase deren Scherfestigkeit erhöht.
  • Durch den reduzierten Anteil an Rhenium (Re) wird die Legierung deutlich günstiger. Der γ'-Anteil ändert sich nur unwesentlich.
    Die Kriechbeständigkeit bleibt demnach nahezu unbeeinflusst.
  • Die oben vorgestellte Legierung ist vollständig neu. Sofern die TMF-Lebensdauer tatsächlich um den Faktor 2 erhöht werden kann, ergeben sich folgende Vorteile:
    • Lebensdauerverlängerung der Turbinenschaufeln,
    • dadurch reduzierte LCCs,
    • technische Vorreiterschaft durch eigene SX-Legierung.

Claims (6)

  1. Nickelbasierte Legierung,
    zumindest aufweisend (in Gew.-%): Chrom (Cr) 7,0% - 9,0%, insbesondere 8,0%, Kobalt (Co) 9,0% - 11%, insbesondere 10%, Molybdän (Mo) 0,4% - 0,8%, insbesondere 0,6%, Tantal (Ta) 7,0% - 9,0%, insbesondere 8,0%, Wolfram (W) 7,0% - 9,0%, insbesondere 8,0%, Rhenium (Re) 1,0% - 1,30%, insbesondere 1,25%, Aluminium (Al) 5,0% - 6,4%, insbesondere 5,7%, Hafnium (Hf) 0,08% - 0,12%, insbesondere 0,1%, Silizium (Si) 0,018% - 0,32%, insbesondere 0,25%, Bor (B) 0,003% - 0,015%, insbesondere 0,008%, Kohlenstoff (C) 0,01% - 0,05%, insbesondere 0,0210%, Yttrium (Y) 0,017% - 0,023%, insbesondere 0,02%,
    insbesondere bestehend aus diesen Elementen.
  2. Rohmaterial,
    insbesondere Pulver,
    zumindest aufweisend eine Legierung gemäß Anspruch 1.
  3. Bauteil,
    zumindest aufweisend eine Legierung gemäß Anspruch 1 oder hergestellt aus einem Rohmaterial gemäß Anspruch 2.
  4. Bauteil nach Anspruch,
    das ein Turbinenbauteil darstellt,
    insbesondere eine Turbinenschaufel.
  5. Legierung, Rohmaterial oder Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    die/das kein Titan (Ti) aufweist.
  6. Legierung, Rohmaterial oder Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    die/das kein Zirkon (Zr) aufweist.
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