EP3996859A1 - Nickelbasissuperlegierung, geeignet auch zur additiven fertigung, verfahren und produkt - Google Patents

Nickelbasissuperlegierung, geeignet auch zur additiven fertigung, verfahren und produkt

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EP3996859A1
EP3996859A1 EP20764010.3A EP20764010A EP3996859A1 EP 3996859 A1 EP3996859 A1 EP 3996859A1 EP 20764010 A EP20764010 A EP 20764010A EP 3996859 A1 EP3996859 A1 EP 3996859A1
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EP
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nickel
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hafnium
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Yves KÜSTERS
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Abstract

Durch gezielte Auswahl der Elemente Silicium, Bor, Zirkon und Hafnium einer Nickelbasissuperlegierung können rissfreie Proben auch im additiven Verfahren hergestellt werden. Nickelbasissuperlegierung, zumindest aufweisend, insbesondere bestehend aus (in Gew.-%): Kohlenstoff (C) 0,04% - 0,08% Chrom (Cr) 9,8% - 10,2% Cobalt (Co) 10,3% - 10,7% 15 Molybdän (Mo) 0,4% - 0,6% Wolfram (W) 9,3% - 9,7% Aluminium (Al) 5,2% - 5,7% Tantal (Ta) 1,9% - 2,1% Bor (B) 0,0025% - 0,01% 20 Zirkonium (Zr) 0,0025% - 0,01% Hafnium (Hf) 0,1% - 0,3% optional Yttrium (Y) Rest Nickel (Ni).

Description

Nickelbasissuperlegierung, geeignet auch zur additiven Fertigung, Verfahren und Produkt
Die Erfindung betrifft eine Legierung, die besondere Vorteile bietet bei der additiven Fertigung von metallischen Bautei len, ein Verfahren und ein Produkt.
Die Produkte sind vorzugsweise für den Einsatz in einer Strö mungsmaschine, vorzugsweise im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen .
Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren (PBF) das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS) oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM).
Weitere additive Verfahren sind beispielsweise „Directed Energy Deposition (DED) "-Verfahren, insbesondere Laserauf tragschweißen, Elektronenstrahl- oder Plasma-Pulverschweißen, Drahtschweißen, metallischer Pulverspritzguss, sogenannte „sheet lamination"-Verfahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS, GDCS).
Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispielswei se bekannt aus EP 2601 006 Bl.
Additive Fertigungsverfahren (englisch: „additive manufac- turing") haben sich weiterhin als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leicht- bau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Ferti gung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD- Datei und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfol gen kann, und damit eine vorteilhafte Alternative - bei spielsweise gegenüber der konventionellen gießtechnischen Herstellung von Hochleistungsbauteilen mit den bekannten nachteiligen Prozessschritten - gegeben ist.
Bislang gibt es bei mittels additiver Fertigung, insbesondere Laser beam powder bed fusion (LB-PBF) oder selektivem Laser schmelzen oder electron beam powder bed fusion (EB-PBF)) einer Nickelbasislegierung oft keinen rissfreien Strukturauf bau, so dass eine Optimierung diesbezüglich Gegenstand aktu eller Entwicklung ist.
Nickelbasislegierungen des Standes der Technik sind bei spielsweise bekannt aus DE 102017 113780 Al, EP 3034 639 Al und DE 102016 221470 Al.
Diese Problematik wurde durch die vorliegende Erfindung auf gegriffen und eine Legierung mit engeren Spezifikationen von entscheidenden Elementen definiert, die den rissfreien oder für den bestimmungsgemäßen Betrieb tolerierbar rissarmen ad ditiven Strukturaufbau zur Folge hat.
Gerade bei additiven Fertigungstechnologien, insbesondere bei pulverbett-basierten Verfahren (PBF), treten prozessinhärent lokal sehr hohe Temperaturgradienten von teilweise mehr als 106 K/s auf, die die beschriebenen Heiß- oder Erstarrungsris se verursachen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung das oben genannte Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 3 und ein Produkt gemäß An spruch 7.
Die Legierungselemente wurden gezielt angepasst, um rissfreie Proben fertigen zu können.
Dabei sind die Elemente Silizium (Si), Bor (B), Zirkon (Zr) und Hafnium (Hf) von besonderer Bedeutung und Kohlenstoff (C) ist ebenfalls zu beachten, aber vor allem Modifikationen von Hafnium (Hf) waren relevant.
Die Erstarrungsrissneigung bei der Herstellung eines Produk tes aus der oder umfassend die beschriebene Legierung kann durch die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise gemindert bzw. gänzlich vermieden werden. Dies beruht auf einer Redu zierung des Anteils an Flüssigphase/Eutektikum im Temperatur bereich von 1273K bis Solidustemperatur bei gleichzeitiger Einstellung eines kleineren Erstarrungsintervalls.
Auch durch die Reduzierung der g '-Solvustemperatur über die vorliegende Anpassung oder Wahl des Hf-Gehalts kann die Ver arbeitbarkeit verbessert bzw. die Rissneigung vorteilhafter weise reduziert werden.
Die Fertigung erfolgt vorzugsweise mittels LB-PBF.
Die Legierung hat vorzugsweise folgende Zusammensetzung (in Gew.-%):
Kohlenstoff (C) 0,04% 0,08%
Chrom (Cr) 9,8% 10,2% Cobalt (Co) 10,3% 10,7%
Molybdän (Mo) 0,4% 0,6% Wolfram (W) 9,3% 9,7% Aluminium (Al) 5,2% 5,7%
Tantal (Ta) 1,9% 2,1% Bor (B) 0,0025% 0,01%
Zirkonium (Zr) 0,0025% 0,01% Hafnium (Hf) 0,1% 0,3%
Nickel (Ni) optional
Yttrium (Y) 0,005% 0,015% weiterhin optional, jeweils maximal:
Silizium (Si) 0,02%
Mangan (Mn) 0,05%
Phosphor (P) 0,005% Schwefel (S) 0,001% Titan (Ti) 0,01% Eisen (Fe) 0, 05% Kupfer (Cu) 0,01% Vanadium (V) 0,1% Silber (Ag) 0, 0005% Blei (Pb) 0,0002%
Selen (Se) 0,0010% Sauerstoff (0) 0,0200% Gallium (Ga) 0, 0030% Bismut (Bi) 0,0010% Stickstoff (N) 0, 0050% Magnesium (Mg) 0, 0070%.
Die erfindungsgemäßen Vorteile lassen sich weiter optimieren durch eine weiterhin geeignete Wahl von Prozessparametern für die additive Herstellung wie die Scan- oder Bestrahlungsge schwindigkeit, die Laserleistung oder den Spur- Streifen oder „Hatch"-Abstand".
Bei dem Produkt, welches die beschriebene Legierung aufweist, handelt es sich vorzugsweise um ein Bauteil, welches im Heiß gaspfad einer Strömungsmaschine, beispielsweise einer Gastur bine eingesetzt wird. Insbesondere kann das Bauteil eine Lauf- oder Leitschaufel, ein Segment oder Ringsegment, ein Brennerteil oder eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schir mung, ein Hitzeschild, eine Düse, Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Resonator, Stempel oder einen Wirbler bezeichnen oder einen entsprechenden Übergang, Ein satz oder ein entsprechendes Nachrüstteil.

Claims

Patentansprüche
1. Nickelbasissuperlegierung zumindest aufweisend, insbesondere bestehend aus (in Gew.-%): Kohlenstoff (C) 0,04% 0,08%
Chrom (Cr) 9,8% 10,2%
Cobalt (Co) 10,3% 10,7%
Molybdän (Mo) 0,4% 0,6%
Wolfram (W) 9,3% 9,7%
Aluminium (Al) 5,2% 5,7%
Tantal (Ta) 1,9% 2,1%
Bor (B) 0,0025% 0,01%
Zirkonium (Zr) 0,0025% 0,01%
Hafnium (Hf) 0,1% 0,3%
Nickel (Ni) optional
Yttrium (Y) 0,005% 0,015%, weiterhin optional, jeweils maximal: Silizium (Si) 0,02%
Mangan (Mn) 0,05%
Phosphor (P) 0,005% Schwefel (S) 0,001%
Titan (Ti) 0,01%
Eisen (Fe) 0,05%
Kupfer (Cu) 0,01%
Vanadium (V) 0,1%
Silber (Ag) 0,0005%
Blei (Pb) 0,0002%
Selen (Se) 0,0010% Sauerstoff (0) 0,0200% Gallium (Ga) 0,0030%
Bismut (Bi) 0,0010% Stickstoff (N) 0,0050% Magnesium (Mg) 0,0070%
2. Legierung nach Anspruch 1, die Yttrium (Y) aufweist.
3. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, bei dem eine Legierung gemäß Anspruch 1 oder 2 verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein Pulverbettverfahren oder ein Auftrags schweißverfahren verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein Selektives Sinter Verfahren (SLS) oder ein Selektives Schmelzverfahren (SLM), insbesondere mittels Laser oder Elektronenstrahlung, verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein Pulverauftragsschweißen, insbesondere ein Laserpulverauftragsschweißverfahren verwendet wird.
7. Produkt, aufweisend eine Legierung nach Anspruch 1 oder 2 oder her gestellt nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 3 bis 6.
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