EP3287535A1 - Sx nickel alloy with improved tmf properties, raw material and component - Google Patents

Sx nickel alloy with improved tmf properties, raw material and component 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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raw material
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

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.Improved composition of Ni-8Cr-10Co-0.6Mo-8Ta-1,25Re-5,7Al-0Ti-0,1Hf-0,25Si-0,008B-0,0210C-0,02Y nickel-based superalloy will improve the TMF properties achieved.

Description

Die Erfindung betrifft eine nickelbasierte SX-Legierung mit verbesserten TMF-Eigenschaften, ein Rohmaterial und ein Bauteil.The invention relates to a nickel-based SX alloy with improved TMF properties, a raw material and a component.

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.In order to enable a higher turbine inlet temperature and thus a higher efficiency, nickel-based SX materials are currently being investigated. These materials should have a significantly higher creep resistance compared to the known SX materials and especially at high temperatures on a significantly increased tensile strength. However, initial investigations on the TMF behavior show that the materials tend to exhibit brittle behavior and thus reduced TMF lifetimes at lower temperatures (373K) and high strain ranges.
The LCF service life at high strain ranges is also reduced by the brittle fracture behavior between room temperature and 923 K.
While the creep properties used to be lifetime-determining, the TMF properties are becoming increasingly important. This is due to improved cooling air concepts that provide for local cold and hot areas: At the same time, the periods of stationary use are increasingly shorter. The systematic study of TMF properties is still in its infancy. Therefore, the problems of this material have not been known.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.It is therefore an object of the invention to solve the above-mentioned problem.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1, ein Rohmaterial gemäß Anspruch 2 und ein Bauteil gemäß Anspruch 3.The object is achieved by an alloy according to claim 1, a raw material according to claim 2 and a component according to claim 3.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.In the dependent claims further advantageous measures are listed, which can be combined with each other in order to achieve further advantages.

Die Beschreibung stellt nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.The description is only exemplary embodiments of the invention.

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%. Preferably, a material having the following composition is advantageous:
Nickel-based alloy,
at least comprising (in% by weight): Chrome (Cr) 7.0% - 9.0%, in particular 8.0%, Cobalt (Co) 9.0% - 11%, in particular 10%, Molybdenum (Mo) 0.4% - 0.8%, in particular 0.6%, Tantalum (Ta) 7.0% - 9.0%, in particular 8.0%, Tungsten (W) 7.0% - 9.0%, in particular 8.0%, Rhenium (Re) 1.0% - 1.30%, in particular 1.25%, Aluminum (Al) 5.0% - 6.4%, especially 5.7%, Hafnium (Hf) 0.08% - 0.12%, in particular 0.1%, Silicon (Si) 0.018% - 0.32%, in particular 0.25%, Boron (B) 0.003% - 0.015%, especially 0.008%, Carbon (C) 0.01% - 0.05%, in particular 0.0210%, Yttrium (Y) 0.017% - 0.023%, in particular 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.-%.This material differs from previous Ni-SX compositions by a significantly higher proportion of chromium (Cr), a reduced proportion of rhenium (Re), the addition of silicon (Si) and yttrium (Y) and the fact that it is not titanium ( Ti), except for impurities of max. 0.1% by weight.

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.
The new material has the following advantages:
  • The addition of silicon (Si) increases the TMF strength by a factor of 2. This effect is due to the following effect of silicon:
    • Silicon (Si) improves oxidation resistance,
    • the addition of silicon (Si) results in an increased yield strength achieved at low temperatures, which leads in the TMF test to reduced compressive stresses in the high temperature range under out-of-phase conditions and thus to a lower risk of recrystallization.

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.The LCF life is increased by the increased yield strength at low temperatures and high strain ranges. Reducing the proportion of rhenium (Re) reduces the risk of TCP phase formation, which has a very negative effect on TMF behavior, provided that it is formed during operation.

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.In combination with the removal of titanium (Ti), the reduction of rhenium (Re) also allows an increase in the chromium content without stabilizing unwanted TCP phases. As a result, the new material should have oxidation properties that are at least at the level of Alloy 247.

Die Zugabe von Yttrium (Y) bewirkt dabei, dass der Werkstoff über eine besonders gute zyklische Oxidationseigenschaften verfügt (Verbesserung der Al2O3-Deckschichthaftung) .The addition of yttrium (Y) ensures that the material has a particularly good cyclic oxidation properties (improvement of the Al 2 O 3 cover layer adhesion).

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.In the titanium-free alloy, the silicon (Si) is mainly incorporated in the γ'-phase, while it is incorporated in titanium-containing materials in the γ-phase. The accumulation of silicon (Si) in γ-phase is rather undesirable because it would favor the precipitation of brittle phases in the channels (e.g., G-phase). Furthermore, the silicon incorporation into the γ'-phase increases its shear strength.

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.Due to the reduced proportion of rhenium (Re), the alloy is significantly cheaper. The γ'-content changes only insignificantly.
The creep resistance therefore remains virtually unaffected.

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.
The alloy presented above is completely new. If the TMF lifetime can actually be increased by a factor of 2, the following advantages result:
  • Lifetime extension of the turbine blades,
  • thereby reduced LCCs,
  • technical pioneering by own SX alloy.

Claims (6)

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.Nickel-based alloy,
at least comprising (in% by weight): Chrome (Cr) 7.0% - 9.0%, in particular 8.0%, Cobalt (Co) 9.0% - 11%, in particular 10%, Molybdenum (Mo) 0.4% - 0.8%, in particular 0.6%, Tantalum (Ta) 7.0% - 9.0%, in particular 8.0%, Tungsten (W) 7.0% - 9.0%, in particular 8.0%, Rhenium (Re) 1.0% - 1.30%, in particular 1.25%, Aluminum (Al) 5.0% - 6.4%, especially 5.7%, Hafnium (Hf) 0.08% - 0.12%, in particular 0.1%, Silicon (Si) 0.018% - 0.32%, in particular 0.25%, Boron (B) 0.003% - 0.015%, especially 0.008%, Carbon (C) 0.01% - 0.05%, in particular 0.0210%, Yttrium (Y) 0.017% - 0.023%, in particular 0.02%,
in particular consisting of these elements. Rohmaterial,
insbesondere Pulver,
zumindest aufweisend eine Legierung gemäß Anspruch 1.raw material,
especially powder,
at least comprising an alloy according to claim 1. Bauteil,
zumindest aufweisend eine Legierung gemäß Anspruch 1 oder hergestellt aus einem Rohmaterial gemäß Anspruch 2.component
at least comprising an alloy according to claim 1 or prepared from a raw material according to claim 2. Bauteil nach Anspruch,
das ein Turbinenbauteil darstellt,
insbesondere eine Turbinenschaufel.Component according to claim,
which represents a turbine component,
in particular a turbine blade. Legierung, Rohmaterial oder Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
die/das kein Titan (Ti) aufweist.Alloy, raw material or component according to one of the preceding claims,
which does not contain titanium (Ti). Legierung, Rohmaterial oder Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
die/das kein Zirkon (Zr) aufweist.Alloy, raw material or component according to one of the preceding claims,
that does not have zirconium (Zr).
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