EP4288575A1 - Legierung, pulver, verfahren und bauteil - Google Patents

Legierung, pulver, verfahren und bauteil

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EP4288575A1
EP4288575A1 EP22722464.9A EP22722464A EP4288575A1 EP 4288575 A1 EP4288575 A1 EP 4288575A1 EP 22722464 A EP22722464 A EP 22722464A EP 4288575 A1 EP4288575 A1 EP 4288575A1
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EP
European Patent Office
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nickel
weight
titanium
cobalt
tungsten
Prior art date
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Pending
Application number
EP22722464.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Timo DEPKA
Phillip DRAA
Birgit Grüger
Anna Kapustina
Oliver Lüsebrink
Kirtan PATEL
Raymond G. Snider
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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    • B22F5/04—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of turbine blades

Definitions

  • the invention relates to an alloy, a powder, a method for production using the alloy or the powder, and a component made from them.
  • Nickel-based superalloys are known as materials for high-temperature applications such as heat shields in gas turbines in the combustion chamber or for turbine blades in the hot gas path. These super alloys must be resistant to oxidation at high temperatures and have high mechanical strength. In order to increase efficiency, it is advantageous that the weight is kept as low as possible, particularly in the case of rotating components such as turbine blades. It is the object of the invention to solve the above problem. The object is achieved by an alloy according to claim 1, a powder according to claim 2, a method according to claim 3 and a component according to claim 4.
  • the invention uses an improvement in the chemical composition of nickel-based superalloys in terms of improving the specific mechanical properties - by adapting suitable elements, while maintaining crack-free workability and productivity.
  • the invention is described below only by way of example.
  • the function of each element included in the high heat-resistant nickel-based alloy for carrying out the invention described above will now be described.
  • Carbon (C) is added, which, in addition to its function as a deoxidizing element, has other functions of combining with titanium (Ti), niobium (Nb), and tantalum (Ta) to form stable MC-type primary carbides to improve coarsening to suppress formation of austenitic grains during hot deformation and to improve hot lubricity.
  • the desired effect of the carbon (C) is obtained by adding an amount of at least 0.11%, but its addition of more than 0.13% forms the chain structure of the MC-type carbide and causes the generation of hot cracking emanating from this part, reducing tool life. Accordingly, carbon (C) is added in an amount of 0.11% to 0.13% by weight, preferably 0.12% by weight.
  • Chromium (Cr) forms an oxide layer with a highly tight adhesion to the surface during high temperature heating and improves oxidation resistance. In addition, chromium (Cr) can also improve hot workability.
  • the amount of chromium (Cr) ranges above 9.7% by weight but not more than 10.5% by weight, preferably up to 10.0% by weight.
  • Molybdenum (Mo) is an element of the same group as tungsten (W), and therefore replacing part of tungsten (W) with molybdenum (Mo) can provide the same function as that of tungsten (W).
  • molybdenum (Mo) is added in a range of 2.8 wt% to 3.2 wt%, particularly 3.0 wt%. %.
  • Aluminum (Al) is an additive element essential for forming a stable ⁇ ′-phase after an annealing treatment and may be added in an amount of at least 5.0% by weight target. However, adding it in excess of 6.0% by weight causes an increase in the ⁇ ′ phase and reduces the hot deformability. Accordingly, aluminum (Al) is in a range of 5.2% to 5.8% by weight, preferably 5.5% by weight.
  • Hafnium (Hf) reduces the susceptibility to hot cracking during casting and improves ductility, especially in DS materials with transverse columnar grains. In addition, hafnium (Hf) improves oxidation resistance. On the other hand, hafnium (Hf) lowers the melting temperature and, due to its high reactivity, can lead to reactions with the shell mold during casting. Hafnium (Hf) is therefore used with a maximum concentration of 1.5% by weight.
  • a part of titanium (Ti) is combined with carbon (C) to form a stable MC-type primary carbide and has a strength-enhancing function in non- ⁇ ′-hardened alloys.
  • titanium (Ti) The balance of titanium (Ti) is in the ⁇ ′ phase in the solid-solution state, thereby strengthening the ⁇ ′ phase, and serves to improve high-temperature strength. Accordingly, titanium (Ti) must be added in an amount of at least 3.6 wt%, but its excessive addition exceeding 4.0 wt% not only lowers the hot workability but also makes the ⁇ ′ phase unstable and causes decreases in strength after long-term use at high temperatures. Accordingly, titanium (Ti) is also preferably in the range of up to 3.8 wt%. Furthermore, aluminum (Al), tantalum (Ta) and titanium (Ti) also have an important function of improving the resistance to oxidation, especially in the combination of the elements they form stable oxide layer systems.
  • niobium (Nb) and tantalum (Ta) is bonded with carbon (C) to form stable MC-type primary carbides, and they have strengthened performance-enhancing function, especially for alloys that are not ⁇ ′-hardened.
  • Zirconium (Zr) and boron (B) are effective for improving high-temperature strength and ductility by their grain boundary active function, and at least one of them can be added in an appropriate amount to the alloy of the invention. Their effect is maintained with a small additional amount.
  • Nickel (Ni) forms a stable austenitic phase and becomes a matrix for both solid solution and ⁇ ′-phase precipitation. Further, since nickel (Ni) can form a solid solution with a large amount of tungsten (W), an austenitic matrix having high strength at high temperatures is obtained, and hence nickel is the balance of the alloy.
  • Co cobalt
  • Co cobalt
  • Co exists in the austenite of the matrix in the solid solution state, thereby achieving some solid solution strengthening, and also has an effect of improving the tight adhesion of the oxide film. Since cobalt (Co) is in the solid solution state in the Ni matrix and since cobalt (Co) hardly affects the precipitation of ⁇ ′ phase, cobalt (Co) is favorable. However, since cobalt (Co) is an expensive element, its addition in large amounts is not preferred. With these adjustments, the processability for a productive L-PBF process with improved mechanical Properties and increased oxidation resistance guaranteed.
  • the nickel-based alloy therefore has, in particular consisting of (in % by weight): carbon (C): 0.11% - 0.13%, in particular 0.12%, chromium (Cr): 9.7% - 10.5%, especially 10.0%, cobalt (Co): 10.5% - 12.5%, especially 11.0% to 11.8%, very especially 11.4%, molybdenum (Mo): 2, 8% - 3.2%, especially 3.0%, titanium (Ti): 3.3% - 4.3%, especially 3.6% - 4.0%, very especially 3.8%, aluminum (Al ): 5.2% - 5.8%, especially 5.5%, Hafnium (Hf): 1.3% - 1.5%, especially 1.4%, Boron (B): 0.013% - 0.014%, Zircon (Zr): 0.015% - 0.03%, in particular 0.018% - 0.022%, in particular 0.02%, tantalum (Ta): up to 0.05%, niobium (Nb): up to 0.01%

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine nickelbasierte Legierung, aufweisend, Kohlenstoff (C) : 0, 11% - 0, 13%, Chrom (Cr) : 9, 7% - 10,5%, Kobalt (Co) : 10,5% - 12,5%, Molybdän (Mo) : 2,8% - 3,2%, Titan (Ti) : 3, 3% - 4,3%, Aluminium (Al) : 5,2% 5, 8%, Hafnium (Hf) : 1,30% 1,50%, Bor (B) : 0, 013% - 0, 014%, Zirkon (Zr) : 0,015% - 0,03%, Tantal (Ta) : bis zu 0,05%, Niob (Nb) : bis zu 0,01%, Silizium (Si) : bis zu 0,01%, Wolfram (W) : bis zu 0,02%, Vanadium (V) : bis 0,02%, kein Rhenium (Re) und/oder kein Ruthenium (Ru), Nickel, restliche Verunreinigungen bis 0,1%.

Description

Beschreibung Legierung, Pulver, Verfahren und Bauteil Die Erfindung betrifft eine Legierung, ein Pulver, ein Ver- fahren zur Herstellung mittels der Legierung oder des Pulvers sowie ein Bauteil daraus. Nickelbasierte Superlegierung sind bekannt als Werkstoffe für Hochtemperaturanwendungen wie bei Gasturbinen für Hitzeschil- de in Brennkammer oder auch für Turbinenschaufeln im Heißgas- pfad. Diese Superlegierungen müssen bei hohen Temperaturen oxidati- onsbeständig sein sowie eine hohe mechanische Festigkeit auf- weisen. Zur Steigerung der Effizienz ist es von Vorteil, dass insbe- sondere bei rotierenden Bauteilen wie Turbinenschaufeln das Gewicht möglichst geringgehalten wird. Es ist Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1, ein Pulver gemäß Anspruch 2, ein Verfahren gemäß Anspruch 3 und ein Bauteil gemäß Anspruch 4. Die Erfindung nutzt eine Verbesserung der chemischen Zusam- mensetzung von nickelbasierten Superlegierungen im Sinne einer Verbesserung der spezifischen mechanischen Eigenschaf- ten durch Anpassung geeigneter Elemente, dabei wird die riss- freie Verarbeitbarkeit und Produktivität beibehalten. Die Erfindung wird im Folgenden nur exemplarisch beschrieben. Es wird nun die Funktion der einzelnen, in der hochhitzebe- ständigen Nickelbasislegierung enthaltenden Elemente zur Aus- führung der oben beschriebenen Erfindung beschrieben werden. Kohlenstoff (C) wird zugesetzt, der, zusätzlich zu seiner Funktion als desoxidierendes Element, weitere Funktionen zur Verbindung mit Titan (Ti), Niob (Nb) und Tantal (Ta) zwecks Bildung stabiler MC-Typ-Primärkarbide hat, um die Vergröbe- rung austenitischer Körner während einer Heißverformung zu unterdrücken und die Heißgleitfähigkeit zu verbessern. Die gewünschte Wirkung des Kohlenstoffs(C) wird erreicht, indem man eine Menge von wenigstens 0,11% zusetzt, doch bildet des- sen Zusatz von mehr als 0,13% das Kettengefüge des MC-Typ- Karbids und verursacht die Entstehung von Warmrissen, die von diesem Teil ausgehen, so dass die Werkzeugstandzeit verrin- gert wird. Demgemäß wird Kohlenstoff (C) in einer Menge von 0,11 Gew.-% bis 0,13 Gew.-%, vorzugsweise 0,12 Gew.-% zugesetzt. Chrom (Cr) bildet eine Oxidschicht mit einer hochgradig engen Haftung an der Oberfläche während einer Erhitzung auf hohe Temperaturen und verbessert die Oxidationsbeständigkeit. Zu- sätzlich kann Chrom (Cr) auch die Warmumformbarkeit verbes- sern. Diese Wirkung erfordert seinen Zusatz in einer Menge über 9,0 Gew.-%, doch dessen 11,0 Gew.-% überschreitender, übermäßiger Zusatz verursacht die Ausscheidung einer α-Phase, was von einer Verringerung der Duktilität begleitet wird. Demgemäß liegt die Menge an Chrom (Cr) in einem Bereich über 9,7 Gew.-%, jedoch nicht mehr als 10,5 Gew.-%, vorzugsweise bis 10,0 Gew.-%. Molybdän (Mo) ist ein Element der gleichen Gruppe wie Wolfram (W) und daher kann der Ersatz eines Teils von Wolfram (W) durch Molybdän (Mo) die gleiche Funktion wie die von Wolfram (W) vorsehen. Da jedoch seine Wirkung geringer ist als die von Wolfram (W), setzt man Molybdän (Mo) in einem Bereich von 2,8% Gew.-% bis 3,2 Gew.-% zu, insbesondere 3,0% Gew.-%. Aluminium (Al) ist ein Zusatzelement, das zur Bildung einer stabilen γ′-Phase nach einer Anlassbehandlung wesentlich ist und in einer Menge von wenigstens 5,0 Gew.-% zugesetzt werden soll. Dessen 6,0 Gew.-% übersteigender Zusatz verursacht je- doch eine Steigerung der γ′-Phase und senkt die Heißverform- barkeit. Demgemäß liegt Aluminium (Al) in einem Bereich von 5,2 Gew.-% bis 5,8 Gew.-%, vorzugsweise 5,5 Gew.-%. Hafnium (Hf) verringert die Heißrissanfälligkeit beim Gießen und verbessert die Duktilität, insbesondere bei DS Werkstof- fen mit Stängelkörnern in Querrichtung. Außerdem verbessert Hafnium (Hf) die Oxidationsbeständigkeit. Auf der anderen Seite erniedrigt Hafnium (Hf) die Anschmelztemperatur und kann aufgrund seiner hohen Reaktivität zu Reaktionen mit der Formschale beim Gießen führen. Hafnium (Hf) wird daher mit einer Konzentration bis max. 1,5 Gew.-% eingesetzt. Ein Teil des Titans (Ti) wird mit Kohlenstoff (C) zur Bildung eines stabilen MC-Typ-Primärkarbids verbunden und hat eine festigkeitserhöhende Funktion bei nicht γ′-gehärteten Legie- rungen. Der Rest von Titan (Ti) liegt in der γ′-Phase im Festlösungs- zustand vor, wodurch die γ′-Phase verfestigt wird, und dient zur Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit. Demgemäß muss Titan (Ti) in einer Menge von wenigstens 3,6 Gew.-% zugesetzt werden, doch dessen übermäßiger 4,0 Gew.-% übersteigender Zu- satz senkt nicht nur die Heißverformbarkeit, sondern macht auch die γ′-Phase instabil und verursacht Verringerungen der Festigkeit nach langzeitiger Verwendung bei hohen Temperatu- ren. Demgemäß liegt Titan (Ti) vorzugsweise auch im Bereich bis 3,8 Gew.-%. Weiter haben Aluminium (Al), Tantal (Ta) und Titan (Ti) auch eine wichtige Funktion der Verbesserung der Oxidationsbestän- digkeit, vor allem in der Kombination der Elemente bilden sie stabile Oxidschichtsysteme. Gleichartig wie Titan (Ti) wird ein Teil von sowohl Niob (Nb) als auch Tantal (Ta) mit Kohlenstoff (C) unter Bildung stabi- ler MC-Typ-Primärkarbide verbunden, und sie haben festig- keitssteigernde Funktion, vor allem für nicht γ′-gehärtete Legierungen. Zirkon (Zr) und Bor (B) sind zur Verbesserung der Hochtempe- raturfestigkeit und Duktilität durch ihre korngrenzenaktive Funktion wirksam, und wenigstens eines von ihnen kann der Legierung der Erfindung in einer passenden Menge zugesetzt werden. Ihre Wirkung wird bei einer geringen Zusatzmenge er- halten. Zirkon- (Zr) und Bor- (B)-Mengen von mehr als 0,03 Gew.-% bzw. 0,014 Gew.-% senken den Solidustemperatur beim Erhitzen, wodurch die Heißverformbarkeit verschlechtert wird. Demgemäß sind die oberen Grenzen von Zirkon (Zr) und Bor (B) 0,03 Gew.-% bzw. 0,014 Gew.-%. Nickel (Ni) bildet eine stabile austenitische Phase und wird eine Matrix für sowohl die feste Lösung als auch die Aus- scheidung der γ′-Phase. Weiter wird, da Nickel (Ni) eine fes- te Lösung mit einer großen Menge von Wolfram (W) bilden kann, eine austenitische Matrix mit einer hohen Festigkeit bei hohen Temperaturen erhalten, und daher ist Nickel der Rest der Legierung. Abgesehen von den oben beschriebenen Elementen können bis zu 12,5 Gew.-% Kobalt (Co) der Legierung der Erfindung zugesetzt werden. Kobalt (Co) existiert im Austenit der Matrix im Festlösungs- zustand, wodurch eine gewisse Mischkristallverfestigung er- reicht wird, und hat auch eine Wirkung zur Verbesserung der engen Haftung des Oxidfilms. Da Kobalt (Co) in der Ni-Matrix im Festlösungszustand vorliegt und da Kobalt (Co) die Aus- scheidung der γ′-Phase kaum beeinträchtigt, ist Kobalt (Co) günstig. Da Kobalt (Co) jedoch ein teures Element ist, wird dessen Zusatz in großen Mengen nicht bevorzugt. Mit diesen Anpassungen wird die Verarbeitbarkeit für einen produktiven L-PBF-Prozess mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und gesteigerter Oxidationsbeständigkeit ge- währleistet. Die nickelbasierte Legierung weist daher erfindungsgemäß auf, insbesondere bestehend aus (in Gew.-%): Kohlenstoff (C): 0,11% – 0,13%, insbesondere 0,12%, Chrom (Cr): 9,7% – 10,5%, insbesondere 10,0%, Kobalt (Co): 10,5% - 12,5%, insbesondere 11,0% bis 11,8% ganz insbesondere 11,4%, Molybdän (Mo): 2,8% – 3,2%, insbesondere 3,0%, Titan (Ti): 3,3% – 4,3%, insbesondere 3,6% – 4,0%, ganz insbesondere 3,8%, Aluminium (Al): 5,2% – 5,8%, insbesondere 5,5%, Hafnium (Hf): 1,3% - 1,5%, insbesondere 1,4%, Bor (B): 0,013% – 0,014%, Zirkon (Zr): 0,015% – 0,03%, insbesondere 0,018% - 0,022% ganz insbesondere 0,02%, Tantal (Ta): bis zu 0,05%, Niob (Nb): bis zu 0,01%, Silizium (Si): bis zu 0,01%, Wolfram (W): bis zu 0,02%, Vanadium (V): bis 0,02%, kein Rhenium (Re) und/oder kein Ruthenium (Ru), Nickel, insbesondere Rest Nickel (Ni) restliche Verunreinigungen bis 0,1%. Das Bauteil ist vorzugsweise eine Komponente einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine und dort insbesondere im „hei- ßen“ Bereich. Beispiele (EX1, EX2, EX3) für Nickelbasislegierung auf Grund- lage dieser Idee sind in folgender Tabelle aufgelistet.

Claims

Patentansprüche 1. Nickelbasierte Legierung, aufweisend (in Gew.-%): Kohlenstoff (C): 0,11% – 0,13%, insbesondere 0,12%, Chrom (Cr): 9,7% – 10,5%, insbesondere 10,0%, Kobalt (Co): 10,5% - 12,5%, insbesondere 11,0% bis 11,8% ganz insbesondere 11,4%, Molybdän (Mo): 2,8% – 3,2%, insbesondere 3,0%, Titan (Ti): 3,3% – 4,3%, insbesondere 3,6% – 4,0%, ganz insbesondere 3,8%, Aluminium (Al): 5,2% – 5,8%, insbesondere 5,5%, Hafnium (Hf): 1,30% - 1,50%, insbesondere 1,40%, Bor (B): 0,013% – 0,014%, insbesondere 0,014%, Zirkon (Zr): 0,015% – 0,03%, insbesondere 0,018% - 0,022% ganz insbesondere 0,02%, Tantal (Ta): bis zu 0,05%, Niob (Nb): bis zu 0,01%, Silizium (Si): bis zu 0,01%, Wolfram (W): bis zu 0,02%, Vanadium (V): bis 0,02%, kein Rhenium (Re) und/oder kein Ruthenium (Ru), Nickel, insbesondere Rest Nickel (Ni) restliche Verunreinigungen bis 0,1%.
2. Pulver, aufweisend eine nickelbasierte Legierung, welche enthält (in Gew.-%): Kohlenstoff (C): 0,11% – 0,13%, insbesondere 0,12%, Chrom (Cr): 9,7% – 10,5%, insbesondere 10,0%, Kobalt (Co): 10,5% - 12,5%, insbesondere 11,0% bis 11,8% ganz insbesondere 11,4%, Molybdän (Mo): 2,8% – 3,2%, insbesondere 3,0%, Titan (Ti): 3,3% – 4,3%, insbesondere 3,6% – 4,0%, ganz insbesondere 3,8%, Aluminium (Al): 5,2% – 5,8%, insbesondere 5,5%, Hafnium (Hf): 1,30% - 1,50%, insbesondere 1,4%, Bor (B): 0,013% – 0,014%, insbesondere 0,014%, Zirkon (Zr): 0,015% – 0,03%, insbesondere 0,018% - 0,022% ganz insbesondere 0,02%, Tantal (Ta): bis zu 0,05%, Niob (Nb): bis zu 0,01%, Silizium (Si): bis zu 0,01%, Wolfram (W): bis zu 0,02%, Vanadium (V): bis 0,02%, kein Rhenium (Re) und/oder kein Ruthenium (Ru), Nickel, insbesondere Rest Nickel (Ni) restliche Verunreinigungen bis 0,1%, optional Binder oder Refraktärpartikel.
3. Verfahren, bei dem eine Legierung auf Nickelbasis verwendet wird, insbesondere für ein Gußverfahren oder ein Pulverbettverfahren, die zusammengesetzt ist aus (in Gew.-%): Kohlenstoff (C): 0,11% – 0,13%, insbesondere 0,12%, Chrom (Cr): 9,7% – 10,5%, insbesondere 10,0%, Kobalt (Co): 10,5% - 12,5%, insbesondere 11,0% bis 11,8% ganz insbesondere 11,4%, Molybdän (Mo): 2,8% – 3,2%, insbesondere 3,0%, Titan (Ti): 3,3% – 4,3%, insbesondere 3,6% – 4,0%, ganz insbesondere 3,8%, Aluminium (Al): 5,2% – 5,8%, insbesondere 5,5%, Hafnium (Hf): 1,30% - 1,50%, insbesondere 1,4%, Bor (B): 0,013% – 0,014%, insbesondere 0,014%, Zirkon (Zr): 0,015% – 0,03%, insbesondere 0,018% - 0,022% ganz insbesondere 0,02%, Tantal (Ta): bis zu 0,05%, Niob (Nb): bis zu 0,01%, Silizium (Si): bis zu 0,01%, Wolfram (W): bis zu 0,02%, Vanadium (V): bis 0,02%, kein Rhenium (Re) und/oder kein Ruthenium (Ru), Nickel, insbesondere Rest Nickel (Ni) restliche Verunreinigungen bis 0,1%.
4. Bauteil, insbesondere aufweisend ein Substrat, aufweisend eine nickelbasierte Legierung, die zusammengesetzt ist aus (in Gew.-%): Kohlenstoff (C): 0,11% – 0,13%, insbesondere 0,12%, Chrom (Cr): 9,7% – 10,5%, insbesondere 10,0%, Kobalt (Co): 10,5% - 12,5%, insbesondere 11,0% bis 11,8% ganz insbesondere 11,4%, Molybdän (Mo): 2,8% – 3,2%, insbesondere 3,0%, Titan (Ti): 3,3% – 4,3%, insbesondere 3,6% – 4,0%, ganz insbesondere 3,8%, Aluminium (Al): 5,2% – 5,8%, insbesondere 5,5%, Hafnium (Hf): 1,30% - 1,50%, insbesondere 1,4%, Bor (B): 0,013% – 0,014%, insbesondere 0,014%, Zirkon (Zr): 0,015% – 0,03%, insbesondere 0,018% - 0,022% ganz insbesondere 0,02%, Tantal (Ta): bis zu 0,05%, Niob (Nb): bis zu 0,01%, Silizium (Si): bis zu 0,01%, Wolfram (W): bis zu 0,02%, Vanadium (V): bis 0,02%, kein Rhenium (Re) und/oder kein Ruthenium (Ru), Nickel, insbesondere Rest Nickel (Ni) restliche Verunreinigungen bis 0,1%.
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