EP3999341A1 - Nickelbasislegierung für additive fertigung, verfahren und produkt - Google Patents

Nickelbasislegierung für additive fertigung, verfahren und produkt

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EP3999341A1
EP3999341A1 EP20771479.1A EP20771479A EP3999341A1 EP 3999341 A1 EP3999341 A1 EP 3999341A1 EP 20771479 A EP20771479 A EP 20771479A EP 3999341 A1 EP3999341 A1 EP 3999341A1
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EP
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max
alloy according
tantalum
alloy
cobalt
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EP20771479.1A
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English (en)
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Magnus Hasselqvist
Christoph Heinze
Yves KÜSTERS
Henrik RUUL
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • Nickel-based alloy for additive manufacturing, processes and
  • the invention relates to a nickel-based alloy and a method and a product, the alloy or the product having improved properties in casting and in an additive manufacturing route.
  • the products described are preferably intended for use in a turbomachine, preferably in the hot gas path of a gas turbine.
  • Additive manufacturing processes include, for example, powder bed processes (PBF), selective laser melting (SLM) or laser sintering (SLS) or electron beam melting (EBM).
  • PPF powder bed processes
  • SLM selective laser melting
  • SLS laser sintering
  • EBM electron beam melting
  • DED Directed Energy Deposition
  • a method for selective laser melting is known for example from EP 2601 006 Bl.
  • additive manufacturing processes (English: “AM” for “additive manufacturing”) have also proven to be particularly advantageous for complex or filigree components, for example labyrinth-like structures, cooling structures and / or lightweight structures.
  • additive manufacturing is advantageous due to a particularly short chain of process steps, since a manufacturing or manufacturing step of a component can largely take place on the basis of a corresponding CAD file and the selection of appropriate manufacturing parameters.
  • CAD CAD file
  • These requirements include an appropriate or advantageous oxidation and corrosion resistance, coatability or service life of the coating on the substrate, advantageous mechanical properties such as creep resistance and TMF ("thermo-mechanical fatigue") resistance and crack-free with regard to hot or solidification cracks or low-crack workability with various manufacturing processes such as casting, laser powder deposition welding and selective laser or electron beam melting from the powder bed Temperature gradients of sometimes more than 10 6 K / s, which cause the described hot or solidification cracks.
  • advantageous mechanical properties such as creep resistance and TMF ("thermo-mechanical fatigue") resistance and crack-free with regard to hot or solidification cracks or low-crack workability with various manufacturing processes such as casting, laser powder deposition welding and selective laser or electron beam melting from the powder bed Temperature gradients of sometimes more than 10 6 K / s, which cause the described hot or solidification cracks.
  • the object is achieved by an alloy according to claim 1 in a method according to claim 8 and a product according to claim 11.
  • the subclaims list further advantageous measures that can be combined with one another as required in order to achieve further advantages.
  • the alloy is characterized by the following aspects:
  • the specified composition enables a large heat treatment window for less complex heat treatments and fewer imperfections during heat treatment
  • the alloy has (data in% by weight):
  • Molybdenum (Mo) 1.0% - 2.0%
  • Hafnium (Hf) 1.4% - 2.2%, and optionally other elements
  • Co Co
  • Nb niobium
  • Re rhenium
  • Mn Manganese
  • alloying elements W, CB, Zr, etc. that are not listed correspond to those according to the above list.
  • Advantages with cobalt are achieved by at least 0.5% cobalt (Co), in particular 0.5% to 4.0%, very particularly 0.5% to 3.0%.
  • tantalum Advantages with tantalum are achieved by at least 3.0 to 5.0% tantalum (Ta), in particular 4.0% to 5.0%, especially 4.5%.
  • tantalum in particular 6.0% to 7.0%, very particularly 6.5% in the alloy.
  • iron (Fe) Advantages with iron (Fe) are achieved by at least 3.0 to 5.0%, in particular 4.0% to 5.0%, very particularly 4.5%.
  • the product which has the alloy described is preferably a component which is used in the hot gas path of a turbo machine, for example a gas turbine.
  • the component can be a rotor or guide vane, a segment or ring segment, a burner part or a burner tip, a frame, a shield, a heat shield, a nozzle, seal, a filter, a mouth or lance, a resonator, punch or a swirler or a corresponding transition, insert or a corresponding retrofit part.

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Abstract

Durch die spezielle Auswahl von Elementen und Anpassungen wird eine verbesserte Legierung zum Gießen und zur additiven Fertigung dargelegt.

Description

Nickelbasislegierung für additive Fertigung, Verfahren und
Produkt
Die Erfindung betrifft eine Nickelbasislegierung und ein Verfahren sowie ein Produkt, wobei die Legierung bzw. das Produkt verbesserte Eigenschaften beim Gießen und bei einer additiven Herstellungsroute aufweist.
Die beschriebenen Produkte sind vorzugsweise für den Einsatz in einer Strömungsmaschine, 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: „AM" for „additive manufacturing") haben sich weiterhin als besonders vorteil haft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, bei spielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Pro zessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Ferti gungsschritt eines Bauteils weitgehend auf Basis einer ent sprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungs parameter erfolgen kann. Im Bereich der stationären Gasturbinen gibt es Anforderungen an Werkstoffe, die durch die bestehenden Werkstoffe oft gleichzeitig nicht abgedeckt werden können. Diese Anforderun gen umfassen eine zweckmäßige bzw. vorteilhafte Oxidations und Korrosionsbeständigkeit, Beschichtungsfähigkeit bzw. Lebensdauer der Beschichtung auf dem Substrat, vorteilhafte mechanische Eigenschaften, wie Kriechbeständigkeit und TMF („thermo-mechanical fatigue")-Beständigkeit und eine bezüg lich Heiß- oder Erstarrungsrissen rissfreie oder rissarme Verarbeitbarkeit mit verschiedenen Fertigungsprozessen, wie Gießen, Laser-Pulver-Auftrag-Schweißen und selektivem Laser oder Elektronenstrahl-Schmelzen aus dem Pulverbett. Gerade bei additiven Fertigungstechnologien, insbesondere bei pul- verbett-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.
Bisher werden in der Regel weniger optimale Legierungen ge nutzt und entsprechende, beispielsweise strukturelle, Nach teile der einzelnen Legierungen umgangen oder in Kauf genom men, da man mittels Auslegung und Beschichtung sowie entspre chenden Wartungsintervallen entsprechende Probleme lösen oder tolerieren konnte.
Es ist die Aufgabe der Erfindung die oben genannten Probleme zu lösen bzw. den genannten Anforderungen zu genügen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1 in einem Verfahren gemäß Anspruch 8 und ein Produkt gemäß An spruch 11.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön nen, um weitere Vorteile zu erzielen. Die Legierung zeichnet sich durch folgende Aspekte aus:
- Hoher Chromgehalt für die Korrosionsbeständigkeit
- Geeignete Verarbeitbarkeit in vielseitigen Fertigungs prozessen durch gezielte Begrenzung der Elemente (Si,
Mn, B, Zr) und gezielte Auswahl des Elements Hf
- Moderater Al-Gehalt für die Kriechbeständigkeit und Oxi dationsbeständigkeit
- Hoher Tantalgehalt für die Kriechbeständigkeit
- Co-Reduzierung teilweise bis auf 0 wt% und gezielter Er satz durch Eisen (Fe) verbessert
- Hoher Hf-Gehalt verbessert Beschichtung von PtAl und stärkt beta-Phase in einer optionalen Wärmedämmschicht
- Spezifizierte Zusammensetzung ermöglicht großes Wärmebe handlungsfenster für weniger aufwendiger Wärmebehandlun gen und geringes Auftreten von Imperfektionen während der Wärmebehandlung
Die Legierung weist auf (Angaben in Gew.-%):
Kohlenstoff (C) 0,03% - 0,13%
Chrom (Cr) 12,5% - 16,0%
Molybdän (Mo) 1,0% - 2,0%
Wolfram (W) 2,0% - 4,0%
Aluminium (Al) 4,0% - 5,5%
Bor (B) 0,0025% - 0,015%
Zirkon (Zr) 0,0025% - 0,015%
Tantal (Ta) 3,0% - 7,0%, insbesondere 4,0% - 7,0%, Eisen (Fe) 3,0% - 7,0%
Hafnium (Hf) 1,4% - 2,2%, und optional weitere Elemente
Kobalt (Co) 0,0% - 5,0%, insbesondere 0,0% - 4,0%, ganz insbesondere 0,0% - 3,0%, Niob (Nb) max. 1,0%, insbesondere 0,5% - 1,0% ganz insbesondere 0,1% bis 0,5% Rhenium (Re) max. 1,0% insbesondere 0,5% - 1,0% ganz insbesondere 0,1% bis 0,5% Silicium (Si) max. 0,02% Mangan (Mn) max. 0,05%
Phosphor (P) max. 0,005% Schwefel (S) max. 0,001%
Titan (Ti) max. 0,2%
Kupfer (Cu) max. 0,01% Vanadium (V) max. 0,1%
Silber (Ag) max. 0,0005%
Blei (Pb) max. 0,0002%
Selen (Se) max. 0,0010% Sauerstoff (0) max. 0,0200% Gallium (Ga) max. 0,0030%
Bismut (Bi) max. 0,0010% Stickstoff (N) max. 0,0050% Magnesium (Mg) max. 0,0070% Yttrium (Y) max. 0,02%
Cer (Ce) max. 0,02%.
Die technischen Vorteile der vorliegend beschriebenen Legie rung betreffen die:
• Fertigung von Gasturbinenbauteilen, welche über verschiede ne Fertigungsrouten rissarm oder -frei möglich ist, insbe sondere über Gusstechnik, Laser-Pulver-Auftragsschweißen und selektive Pulverbett-Schmelzverfahren;
• Effizienzsteigerung einer Gasturbine, aufweisend die be schriebenen Bauteile bzw. die beschriebene Legierung, und AM-Design;
• Kostenreduzierung durch geringe Kobalt-Anteile;
• Anpassung der Legierungselemente Si, B, Zr, Hf auf die Pro zessbedingungen, sowie von Al, Fe, Ta, Hf an die mechani schen und thermophysikalischen Anforderungen des Produkts, insbesondere hinsichtlich seiner Kriech-, TMF-, Korrosions und Oxidationsbeständigkeit; • Fertigung von hochwertigen Gasturbinenbauteilen mit neuer, kosteneffizienter Legierung, so dass zukünftige Produkt- /Bauteil-Anforderungen abgedeckt werden können und ein Beitrag zur Effizienzsteigerung von Gasturbinen geleistet wird.
Einige, aber nicht einschränkende Beispiele sind:
Die Werte für die nicht gelisteten Legierungselemente W, C B, Zr, etc. entsprechen denen gemäß obiger Auflistung. Vorteile mit Kobalt werden erzielt durch mindestens 0,5% Kobalt (Co), insbesondere 0,5% bis 4,0%, ganz insbesondere 0,5% bis 3,0%.
Weitere Vorteile werden erzielt durch mindestens 0,5% Kobalt (Co), insbesondere 0,5% bis 2,0%, ganz insbesondere 0,5% bis 1,0% in der Legierung.
Vorteile mit Tantal werden erzielt durch mindestens 3,0 bis 5,0% Tantal (Ta), insbesondere 4,0% bis 5,0%, ganz insbesondere 4,5%.
Weitere Vorteile werden erzielt mit mindestens 5,1 bis 7,0% Tantal (Ta), insbesondere 6,0% bis 7,0%, ganz insbesondere 6,5% in der Legierung.
Vorteile mit Eisen (Fe) werden erzielt durch mindestens 3,0 bis 5,0%, insbesondere 4,0% bis 5,0%, ganz insbesondere 4,5%.
Weitere Vorteile werden erzielt mit mindestens 5,1 bis 7,0% Eisen (Fe), insbesondere 6,0% bis 7,0%, ganz insbesondere 6,5% in der Legierung.
Bei dem Produkt, welches die beschriebene Legierung aufweist, handelt es sich vorzugsweise um ein Bauteil, welches im Heißgaspfad einer Strömungsmaschine, beispielsweise einer Gasturbine eingesetzt wird. Insbesondere kann das Bauteil eine Lauf- oder Leitschaufel, ein Segment oder Ringsegment, ein Brennerteil oder eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Resonator, Stempel oder einen Wirbler bezeichnen oder einen entsprechenden Übergang, Einsatz oder ein entsprechendes Nachrüstteil.

Claims

Patentansprüche
1. Nickelbasissuperlegierung, die zumindest aufweist, insbesondere besteht aus (in Gew.-%): Kohlenstoff (C) 0,03% - 0,13%
Chrom (Cr) 12,5% - 16,0% Molybdän (Mo) 1,0% - 2,0% Wolfram (W) 2,0% - 4,0% Aluminium (Al) 4,0% - 5,5% Bor (B) 0,0025% - 0,015%
Zirkon (Zr) 0,0025% - 0,015% Tantal (Ta) 3,0% - 7,0%, insbesondere 4,0% - 7,0%, Eisen (Fe) 3,0% - 7,0% Hafnium (Hf) 1,4% - 2,2%, und optional weitere Elemente Kobalt (Co) 0,0% - 5,0%, insbesondere 0,0% - 4,0%, ganz insbesondere 0,0% - 3,0%,
Niob (Nb) max. 1,0%, insbesondere 0,5% - 1,0% ganz insbesondere 0,1% bis 0,5% Rhenium (Re) max. 1,0% insbesondere 0,5% - 1,0% ganz insbesondere 0,1% bis 0,5%
Silicium (Si) max. 0,02% Mangan (Mn) max. 0,05% Phosphor (P) max. 0,005% Schwefel (S) max. 0,001% Titan (Ti) max. 0,2% Kupfer (Cu) max. 0,01% Vanadium (V) max. 0,1% Silber (Ag) max. 0,0005% Blei (Pb) max. 0,0002% Selen (Se) max. 0,0010% Sauerstoff (0) max. 0,0200% Gallium (Ga) max. 0,0030% Bismut (Bi) max. 0,0010% Stickstoff (N) max. 0,0050% Magnesium (Mg) max. 0,0070% Yttrium (Y) max. 0,02%
Cer (Ce) max. 0,02%.
2. Legierung nach Anspruch 1, die mindestens 0,5% Kobalt (Co) aufweist insbesondere 0,5% bis 4,0%, ganz insbesondere 0,5% bis 3,0%.
3. Legierung nach Anspruch 1 die mindestens 0,5% Kobalt (Co) aufweist, insbesondere 0,5% bis 2,0%, ganz insbesondere 0,5% bis 1,0%.
4. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, die mindestens 3,0 bis 5,0% Tantal (Ta) aufweist, insbesondere 4,0% bis 5,0%, ganz insbesondere 4,5%.
5. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, die mindestens 5,1 bis 7,0% Tantal (Ta) aufweist, insbesondere 6,0% bis 7,0%, ganz insbesondere 6,5%.
6. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, die mindestens 3,0 bis 5,0% Eisen (Fe) aufweist, insbesondere 4,0% bis 5,0%, ganz insbesondere 4,5%.
7. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, die mindestens 5,1 bis 7,0% Eisen (Fe) aufweist, insbesondere 6,0% bis 7,0%, ganz insbesondere 6,5%.
8. Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils, bei dem eine Legierung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein Pulverbettverfahren verwendet wird, insbesondere selektives Schmelzen (SLM) oder selektives Sintern (SLS) durch Laserstrahl oder Elektronenstrahlen.
10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein Pulverauftragsschweißen, insbesondere ein Laserpulverauftragsschweißen, verwendet wird.
11. Produkt, aufweisend eine Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 oder hergestellt nach Anspruch 8, 9 oder
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