WO2013083101A1 - Rhenium-freie oder rhenium-reduzierte nickel-basis-superlegierung - Google Patents

Rhenium-freie oder rhenium-reduzierte nickel-basis-superlegierung Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a nickel-base superalloy with little or no rhenium content.
  • nickel-base superalloys are used, which can be used as single crystals or as directionally solidified alloys. These alloys have high strength due to their alloying components due to solid solution and / or precipitation or particle hardening.
  • nickel-based superalloys are optimized so that the particle hardening by the excretion of so-called ⁇ 'phases is maintained even at high temperatures and long periods of use.
  • nickel base superalloys such as CMSX-4, PWA-1484 or Rene N5.
  • Such alloys all contain a rhenium content of more than 3% by weight.
  • the titanium content becomes larger or equal to 1.5 wt .-%, in particular greater than or equal to 2 wt .-% adjust.
  • the rhenium content can be lowered with such a measure without there being any negative influence on the strength and high-temperature properties.
  • the titanium content can be selected in the range of 1, 5 to 3 wt .-%.
  • the molybdenum content can be set greater than 3 wt .-%.
  • the tungsten content and / or the tantalum content may be less than or equal to 8% by weight. In particular, the tungsten content may be less than or equal to 5% by weight. In the absence of molybdenum and / or low titanium contents of 1.5 to 3 wt%, the tungsten content may also be selected in the range of 6 to 8 wt%.
  • the tantalum content may in particular be less than or equal to 7.5% by weight, preferably less than or equal to 5% by weight. In the absence of molybdenum and / or low titanium contents of 1.5 to 3 wt .-%, the tantalum content can also be selected in the range of 6 to 8 wt .-%.
  • a nickel base superalloy may have an aluminum content of 4 to 6 wt%, a cobalt content of 8 to 10 wt%, a chromium content of 5 to 8 wt%, a molybdenum content of 0 to 5.5 wt .-%, a tantalum content of 4 to 8 wt .-%, a rhenium content of 0 to 2 wt .-%, a titanium content of 1.5 to 5.5 wt. % and have a tungsten content of 3.5 to 8 wt .-%, the remainder being nickel and unavoidable impurities.
  • a nickel base superalloy may have an aluminum content of 4 to 6 wt%, a cobalt content of 8 to 10 wt%, a chromium content of 5 to 8 wt%, a molybdenum content of 2 to 5.5 wt .-%, a tantalum content of 4 to 6 wt .-%, a rhenium content of 0 to 1.5 wt .-%, a titanium content of 3 to 5.5 wt. % and have a tungsten content of 3.5 to 6 wt .-%, the remainder being nickel and unavoidable impurities.
  • the nickel-base superalloy may have an aluminum content of 4.5 to 5.5 wt .-%, a cobalt content of 8.5 to 9.5 wt .-%, a chromium content of 6 to 7.5 wt .-%, a molybdenum content of 2 to 4 wt .-%, a tantalum content of 4 to 5.5 wt .-%, a rhenium content of 0.1 to 1 wt. -%, have a titanium content of 3.5 to 5.5 wt .-% and a tungsten content of 4 to 5.5 wt .-%.
  • the rest is again formed by nickel and unavoidable impurities.
  • the nickel-based superalloy may have an aluminum content of 4.5 to 5.5% by weight, a cobalt content of 8.5 to 9.5% by weight, a chromium Content of 6 to 7.5 wt .-%, a tantalum content of 6 to 8 wt .-%, a rhenium content of 0 to 2 wt .-%, a titanium content of 1.5 to 3 wt. % and have a tungsten content of 6 to 8 wt .-%.
  • the rest is again formed by nickel and unavoidable impurities.
  • Such alloys can be used in various forms, for example as a directionally solidified alloy or as single crystals for components in gas turbines and in particular aircraft engines.
  • the alloys for turbine blades and in particular blades of low-pressure turbines can be used.
  • the present invention can be realized in particular by alloys having the following compositions:
  • the alloys 4 to 6 are better pourable or heat treatable compared to the alloys 1 to 3.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nickel-Basis-Superlegierung, die neben Nickel Aluminium, Kobalt, Chrom, Molybdän, Tantal, Titan und Wolfram als Legierungsbestandteile umfasst, wobei zusätzlich Rhenium enthalten sein kann und der Rhenium-Gehalt kleiner oder gleich 2 Gew.-% ist, und wobei der Titan-Gehalt größer oder gleich 1,5 Gew.-% ist. Außerdem betrifft die Erfindung Bauteile aus der Nickel-Basis-Superlegierung.

Description

Rhenium-freie oder Rhenium-reduzierte Nickel-Basis-Superlegierung
HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nickel-Basis-Superlegierung mit geringem oder keinem Rheniumgehalt.
STAND DER TECHNIK
In Gasturbinen, wie stationären Gastturbinen zur Stromerzeugung oder Flugtriebwerken, herrschen harte Einsatzbedingungen für die eingesetzten Werkstoffe, da die Werkstoffe, insbesondere für die Laufschaufeln hohen mechanischen Belastungen und zugleich hohen Temperaturen ausgesetzt sind, sodass neben hohen Festigkeiten eine ausreichend große Phasenstabilität sowie Kriech- und Oxidationsbeständigkeit des Werkstoffs erforderlich ist.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden beispielsweise Nickel-Basis- Superlegierungen eingesetzt, die als Einkristalle oder als gerichtet erstarrte Legierungen zum Einsatz kommen können. Diese Legierungen weisen durch ihre Legierungsbestandteile aufgrund der Mischkristall- und/oder Ausscheidungs- oder Teilchenhärtung eine hohe Festigkeit auf. Darüber hinaus sind derartige Nickel-Basis-Superlegierungen dahingehend optimiert, dass die Teilchenhärtung durch die Ausscheidung von sogenannten γ'-Phasen auch bei hohen Temperaturen und langen Einsatzzeiten erhalten bleibt.
Als Beispiele für derartige Legierungen können Nickel-Basis-Superlegierungen, wie CMSX-4, PWA-1484 oder Rene N5 genannt werden. Derartige Legierungen enthalten alle einen Rheniumanteil von mehr als 3 Gew.-%.
Durch den hohen Rheniumanteil sind jedoch die Materialkosten sehr hoch, sodass es bereits Überlegungen gegeben hat, Nickel-Basis-Superlegierungen zu entwickeln, die einen geringen oder gar keinen Rheniumanteil aufweisen. Beispiele hierfür sind in der EP 2 305 848 AI, EP 2 218 798 A2, WO 2009/032578 und WO 2009/032579 beschrieben. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Obwohl im Stand der Technik bereits Nickel-Basis-Superlegierungen mit geringem oder gar keinem Rheniumanteil beschrieben sind, besteht weiterhin ein Bedarf an Rhenium-freien bzw. Rhenium-reduzierten Nickel-Basis-Superlegierungen, bei denen das Eigenschaftsprofil weiter optimiert ist. Insbesondere besteht ein Bedarf dahingehend, eine Legierung bereitzustellen, die auch bei hohen Temperaturen einen großen Volumenanteil an Ausscheidungen aufweist, um auch bei hohen Einsatztemperaturen die notwendige Festigkeit und insbesondere Kriechfestigkeit aufzuweisen.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Nickel-Basis-Superlegierung gemäß dem Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, bei einer Nickel-Basis-Superlegierung, die neben Nickel Aluminium, Kobalt, Chrom, Molybdän, Tantal, Titan und Wolfram als Legierungsbestandteile umfasst bei einem Rhenium- Gehalt kleiner oder gleich 2 Gew.-% den Titangehalt größer oder gleich 1,5 Gew.-%, insbesondere größer oder gleich 2 Gew.-% einzustellen. Wie sich überraschend gezeigt hat, kann mit einer derartigen Maßnahme der Rhenium-Gehalt abgesenkt werden, ohne dass es zu einer negativen Beeinflussung der Festigkeits- und Hochtemperatureigenschaften kommt. Insbesondere kann der Titan-Gehalt im Bereich von 1 ,5 bis 3 Gew.-% gewählt werden.
Darüber hinaus kann bei Abwesenheit von Rhenium der Molybdän-Gehalt größer 3 Gew.-% eingestellt werden.
Darüber hinaus kann der Wolfram-Gehalt und/oder der Tantal-Gehalt kleiner oder gleich 8 Gew.-% sein. Der Wolfram-Gehalt kann insbesondere kleiner oder gleich 5 Gew.-% gewählt werden. Bei Abwesenheit von Molybdän und/oder niedrigen Titan-Gehalten von 1,5 bis 3 Gew.-% kann der Wolfram-Gehalt auch im Bereich von 6 bis 8 Gew.-% gewählt werden.
Der Tantal-Gehalt kann insbesondere kleiner oder gleich 7,5 Gew.-%, vorzugsweise kleiner oder gleich 5 Gew.-% gewählt werden. Bei Abwesenheit von Molybdän und/oder niedrigen Titan- Gehalten von 1,5 bis 3 Gew.-% kann der Tantal-Gehalt auch im Bereich von 6 bis 8 Gew.-% gewählt werden.
Somit kann eine Nickel-Basis- Superlegierung einen Aluminium- Gehalt von 4 bis 6 Gew.-% einen Kobalt-Gehalt von 8 bis 10 Gew.-% einen Chrom-Gehalt von 5 bis 8 Gew.-%, einen Molybdän-Gehalt von 0 bis 5,5 Gew.-%, einen Tantal-Gehalt von 4 bis 8 Gew.-%, einen Rhenium- Gehalt von 0 bis 2 Gew.-%, einen Titan-Gehalt von 1,5 bis 5,5 Gew.-% und einen Wolfram- Gehalt von 3,5 bis 8 Gew.-% aufweisen, wobei der Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen sind.
Ferner kann eine Nickel-Basis- Superlegierung einen Aluminium-Gehalt von 4 bis 6 Gew.-% einen Kobalt-Gehalt von 8 bis 10 Gew.-% einen Chrom-Gehalt von 5 bis 8 Gew.-%, einen Molybdän-Gehalt von 2 bis 5,5 Gew.-%, einen Tantal-Gehalt von 4 bis 6 Gew.-%, einen Rhenium- Gehalt von 0 bis 1,5 Gew.-%, einen Titan-Gehalt von 3 bis 5,5 Gew.-% und einen Wolfram- Gehalt von 3,5 bis 6 Gew.-% aufweisen, wobei der Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen sind.
Nach einer weiteren Ausfuhrungsform kann die Nickel-Basis- Superlegierung einen Aluminium- Gehalt von 4,5 bis 5,5 Gew.-%, einen Kobalt-Gehalt von 8,5 bis 9,5 Gew.-%, einen Chrom- Gehalt von 6 bis 7,5 Gew.-%, einen Molybdän-Gehalt von 2 bis 4 Gew.-%, einen Tantal-Gehalt von 4 bis 5,5 Gew.-%, einen Rhenium-Gehalt von 0,1 bis 1 Gew.-%, einen Titan-Gehalt von 3,5 bis 5,5 Gew.-% und einen Wolfram-Gehalt von 4 bis 5,5 Gew.-% aufweisen. Der Rest wird wiederum durch Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen gebildet.
Nach einer weiteren Ausfuhrungsform kann die Nickel-Basis-Superlegierung einen Aluminium- Gehalt von 4,5 bis 5,5 Gew.-%, einen Kobalt-Gehalt von 8,5 bis 9,5 Gew.- , einen Chrom- Gehalt von 6 bis 7,5 Gew.-%, einen Tantal-Gehalt von 6 bis 8 Gew.-%, einen Rhenium-Gehalt von 0 bis 2 Gew.-%, einen Titan-Gehalt von 1,5 bis 3 Gew.-% und einen Wolfram-Gehalt von 6 bis 8 Gew.-% aufweisen. Der Rest wird wiederum durch Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen gebildet.
Derartige Legierungen können in unterschiedlichen Formen, beispielsweise als gerichtet erstarrte Legierung oder als Einkristalle für Bauteile in Gasturbinen und insbesondere Flugtriebwerken eingesetzt werden. Insbesondere können die Legierungen für Turbinenschaufeln und insbesondere Laufschaufeln von Niederdruckturbinen Verwendung finden.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die vorliegende Erfindung kann insbesondere durch Legierungen verwirklicht werden, die folgende Zusammensetzungen aufweist:
Figure imgf000005_0001
Mit derartigen Legierungen wird erreicht, dass auch bei hohen Temperaturen, also z.B. Temperaturen im Einsatzbereich von Niederdruckturbinen eines Flugtriebwerk, ein hoher Ausscheidungsanteil vorliegt, sodass die Festigkeit und insbesondere Kriechfestigkeit erhöht ist. Gleichzeitig ist auch bei tiefen Temperaturen ein hoher Ausscheidungsanteil gegeben, sodass auch hier entsprechende Festigkeitswerte erreicht werden.
Mit den vorgestellten Legierungen kann insbesondere erreicht werden, dass die Verteilungsverhältnisse von Wolfram und Molybdän zwischen den Ausscheidungen und der Matrix-Phase verbessert werden, was die Reduzierung des Rhenium-Anteils ermöglicht. Dadurch wird nicht nur erreicht, dass sich die Werkstoffkosten reduzieren, sondern auch die Dichte der Legierung wird reduziert, was für Bauteile im Flugtriebwerksbau von erheblicher Bedeutung ist, da das Triebwerksgewicht reduziert und der Wirkungsgrad erhöht werden kann.
Die Legierungen 4 bis 6 sind im Vergleich zu den Legierungen 1 bis 3 besser gieß- bzw: wärme- behandelbar.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausfuhrungsbeispiele beschrieben ist, ist für den Fachmann klar, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern lediglich durch den Umfang des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche beschränkt ist.

Claims

Patentanspruch
1. Nickel-Basis-Superlegierung, die neben Nickel Aluminium, Kobalt, Chrom, Molybdän, Tantal, Titan und Wolfram als Legierungsbestandteile umfasst, wobei zusätzlich Rhenium enthalten sein kann und der Rhenium-Gehalt kleiner oder gleich 2 Gew.-% ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Titan-Gehalt größer oder gleich 1,5 Gew.-% ist.
2. Nickel-Basis-Superlegierung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Molybdän-Gehalt bei Abwesenheit von Rhenium größer 3 Gew.-% ist.
3. Nickel-Basis-Superlegierung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wolfram-Gehalt kleiner oder gleich 8 Gew.-%, insbesondere kleiner oder gleich 5 Gew.- % ist oder im Bereich von 6 bis 8 Gew.-% ist.
4. Nickel-Basis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Tantal-Gehalt kleiner oder gleich 8 Gew.-%, insbesondere kleiner oder gleich 7,5 Gew.- %, vorzugsweise kleiner oder gleich 5 Gew.-% ist oder im Bereich von 6 bis 8 Gew.-% ist.
5. Nickel-Basis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung Aluminium mit einem Gehalt von 4 bis 6 Gew.-%, Kobalt mit einem Gehalt von 8 bis 10 Gew.-%, Chrom mit einem Gehalt von 5 bis 8 Gew.-%, Molybdän mit einem Gehalt von 0 bis 5,5 Gew.-%, Tantal mit einem Gehalt von 4 bis 8 Gew.-%, Rhenium mit einem Gehalt von 0 bis 2 Gew.-%, Titan mit einem Gehalt von 1,5 bis 5,5 Gew.-% und Wolfram mit einem Gehalt von 3,5 bis 8 Gew.-% sowie dem Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.
6. Nickel-Basis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung Aluminium mit einem Gehalt von 4 bis 6 Gew.-%, Kobalt mit einem Gehalt von 8 bis 10 Gew.-%, Chrom mit einem Gehalt von 5 bis 8 Gew.-%, Molybdän mit einem Gehalt von 2 bis 5,5 Gew.-%, Tantal mit einem Gehalt von 4 bis 6 Gew.-%, Rhenium mit einem Gehalt von 0 bis 1,5 Gew.-%, Titan mit einem Gehalt von 3 bis 5,5 Gew.-% und Wolfram mit einem Gehalt von 3,5 bis 6 Gew.-% sowie dem Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.
7. Nickel-Basis-Superlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung Aluminium mit einem Gehalt von 4,5 bis 5,5 Gew.-%, Kobalt mit einem Gehalt von 8,5 bis 9,5 Gew.-%, Chrom mit einem Gehalt von 6 bis 7,5 Gew.-%, Molybdän mit einem Gehalt von 2 bis 4 Gew.-%, Tantal mit einem Gehalt von 4 bis 5,5 Gew.-%, Rhenium mit einem Gehalt von 0 bis 1 Gew.-%, Titan mit einem Gehalt von 3,5 bis 5 Gew.-% und Wolfram mit einem Gehalt von 4 bis 5,5 Gew.-% sowie dem Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.
8. Nickel-Basis-Superlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Titan-Gehalt im Bereich von 1 ,5 bis 3 Gew.-% liegt.
9. Nickel-Basis-Superlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung Aluminium mit einem Gehalt von 4,5 bis 5,5 Gew.-%, Kobalt mit einem Gehalt von 8,5 bis 9,5 Gew.-%, Chrom mit einem Gehalt von 6 bis 7,5 Gew.-%, Tantal mit einem Gehalt von 6 bis 8 Gew.-%, Rhenium mit einem Gehalt von 0 bis 2 Gew.-%, Titan mit einem Gehalt von 1,5 bis 3 Gew.-% und Wolfram mit einem Gehalt von 6 bis 8 Gew.-% sowie dem Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.
10. Bauteil einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, vorzugsweise Turbinenschaufel für eine Niederdruckturbine hergestellt mit einer Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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