WO2015082518A1 - Gamma/gamma' gehärtete kobaltbasis-superlegierung, pulver und bauteil - Google Patents

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Abstract

Durch eine kobaltbasierte Superlegierung werden gut gießbare, gut schweißbare Bauteile ermöglicht, die ebenfalls bei sehr hohen Temperaturen eingesetzt werden können.

Description

Gamma/Gamma λ gehärtete Kobaltbasis-Superlegierung, Pulver und
Bauteil
Die Erfindung betrifft eine γ/γλ gehärtete Kobaltbasis-Super¬ legierung für Hochtemperaturanwendungen, ein Pulver und Bauteil.
Der Einsatz metallischer Werkstoffe in Anwesenheit von Sauer- Stoff bei Temperaturen über 1073K unter mechanischer Spannung erfordert den Einsatz so genannter Superlegierungen . Bei diesen handelt es sich um Nickelbasiswerkstoffe, die ihre Fes¬ tigkeit einer Kombination dreier Verfestigungsmechanismen verdanken: Mischkristallverfestigung, Karbidhärtung und Aus- Scheidung intermetallischer Phasen. Darüber hinaus werden
Kobaltbasislegierungen eingesetzt, die nur über zwei Verfestigungsmechanismen (Mischkristall- und Karbidhärtung) verfügen. Eine Ausscheidungshärtung durch intermetallische Phasen konnte für die technische Anwendung bislang nicht realisiert werden.
Bei der Hochtemperaturanwendung von Legierungen spielt die homologe Temperatur eine wichtige Rolle. Diffusionsvorgänge, welche die Hochtemperaturbeständigkeit maßgeblich beeinflus- sen, müssen ab der Hälfte des Schmelzpunktes berücksichtigt werden. Nickelbasis-Superlegierungen werden heutzutage bei Temperaturen von bis zu 80% des Schmelzpunktes verwendet (Schmelzpunkt reines Nickel: 1718K) , weswegen weitere Steige¬ rungen der Einsatztemperaturen der Legierungen schwierig zu erreichen sind. Die Einsatztemperaturen spielen jedoch eine wichtige Rolle, da sie im Gasturbinenbereich den Carnot- wirkunsgrad bestimmen. Eine weitere wichtige Hochtemperatur- legierungsklasse sind konventionelle Kobaltbasislegierungen (Schmelzpunkt reines Kobalt: 1768K). Diese zeichnen sich durch eine gute Gießbarkeit, Schweißbarkeit und Hochtempera¬ turbeständigkeit auf, können jedoch aufgrund der fehlenden Ausscheidungshärtung durch intermetallische Phasen keine hohen Spannungen ertragen. Aus Ermangelung geeigneter Kobaltbasis-Superlegierungen wurden zum einen bei hohen Temperaturen und Spannungen Nickel- basis-Superlegierungen und zum anderen bei sehr hohen Temperaturen und geringen Spannungen konventionelle Kobaltbasis¬ legierungen verwendet. Konventionelle Kobaltbasislegierungen gelten im Gegensatz zu Nickelbasis-Superlegierungen als besser gießbar und schweißbar.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Kobaltbasis-Super- legierung, ein Pulver und ein Bauteil aufzuzeigen, die diese Eigenschaften erfüllt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1, ein Pulver gemäß Anspruch 10 und ein Bauteil 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 Kobaltbasis-Superlegierung ist gut gießbar und schweißbar und weist gute mechanische Eigenschaften bei hohen Temperatu¬ ren auf.
Element Gehalt in at . % Wirkung
Co Rest Grundlegierungselement, inter¬ metallische Phase Co3(Al,W)
W 8,5 - 9,5 intermetallische Phase Co3(Al,W)
AI 8,5 - 9,5 intermetallische Phase Co3(Al,W),
Oxidationsschütz
Ni 18 - 23 vergrößert Legierungsfenster
Ti 1,5 - 2,5 γ' -Bildner, analog zu Nickelbasis- Superlegierung
Ta 1,5 - 2,5 γ' -Bildner, analog zu Nickelbasis- Superlegierung
Hf 0,05 - 0,15 Korngrenzenverfestigung, optional
Cr 5 - 7 Karbidbildner und Korrosionsschutz B 0,005 - 0,015 Korngrenzenverfestigung, optional
C 0,05 - 0,015 Karbidbildner / Korngrenzenverfestigung, optional.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen die Herstellung einer Kobalt- basis-Superlegierung mit folgender Zielzusammensetzung (at.%) Co-21Ni-9W-9Al-2 i-2 a-6Cr .
Die vorgeschlagene Legierungszusammensetzung zielt auf eine höhere Einsatztemperatur und/oder längere Standzeiten bei gleichen Einsatztemperaturen. Erreicht wird dies durch die Kombination der Vorteile der Nickelbasis-Superlegierungen und der konventionellen Kobaltbasis-Superlegierungen, um zu der neuen Klasse der Kobaltbasis-Superlegierungen zu kommen.
Kobalt bietet als Basiselement einen um 50K höheren Schmelz¬ punkt als Nickel.
Des Weiteren wird eine Legierungszusammensetzung vorgeschlagen, die alle drei oben beschriebenen Verfestigungsmechanis¬ men der Nickelbasis-Superlegierungen aufweist und somit die konventionellen Kobaltbasis-Superlegierungen in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften übertrifft. Dabei werden die im Vergleich zu Nickelbasis-Superlegierungen günstigen Eigenschaften der Kobaltsuperlegierung (Gießbarkeit, Schweißbarkeit) beibehalten. Es wird somit ein Hochtemperaturwerkstoff in einer neuen Legierungsklasse vorgeschlagen, der die guten Eigenschaften der zwei Legierungssysteme vereint.
Vorzugsweise werden solche kobaltbasierten Superlegierungen für Turbinenschaufeln oder andere Gasturbinenteile oder
Dampfturbinenteile verwendet.
Für eine polykristalline Struktur werden vorzugsweise Bor (B) und/oder Kohlenstoff (C) verwendet.
Für eine gerichtet erstarrte Struktur (einkristallin, kolum- nar erstarrt) wird eine Legierung ohne Bor (B) und/oder ohne Kohlenstoff (C) verwendet. Vorzugsweise werden keine weiteren Elemente benötigt.
Vorzugsweise können weitere Elemente zur Gießbarkeit und/oder Korngrenzenfestigkeit verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Kobaltbasierte Superlegierung
die zumindest aufweist (in at%) :
Wolfram (W) : 8,5% - 9,5%, insbesondere 9%,
Aluminium (AI) : 8,5% - 9,5%, insbesondere 9%
Nickel (Ni) : 18% - 23%, insbesondere 20% - 21%,
Titan (Ti) : 1,5% - 2,5%, insbesondere 2%,
Tantal (Ta) : 1,5% - 2,5%, insbesondere 2%,
Chrom (Cr) : 5% - 7%, insbesondere 6%,
optional
Hafnium (Hf) : 0,05% - 0,15%, insbesondere 0,1%,
Bor (B) : 0,005% - 0,015%, insbesondere 0,01%,
Kohlenstoff (C) : 0,05% - 0,15%, insbesondere 0,1%.
2. Legierung nach Anspruch 1,
die aus Wolfram (W) , Aluminium (AI) , Nickel (Ni) , Titan (Ti), Tantal (Ta) , Chrom (Cr) und optional Hafnium (Hf) ,
Bor (B) und/oder Kohlenstoff (C) besteht.
3. Legierung nach Anspruch 1,
die aus Wolfram (W) , Aluminium (AI) , Nickel (Ni) , Titan
(Ti), Tantal (Ta) , Chrom (Cr), Hafnium (Hf) , Bor (B) und Kohlenstoff (C) besteht.
4. Legierung nach Anspruch 1,
die aus Wolfram (W) , Aluminium (AI) , Nickel (Ni) , Titan (Ti), Tantal (Ta) , Chrom (Cr), Hafnium (Hf) und Kohlenstoff (C) besteht.
5. Legierung nach Anspruch 1,
die aus Wolfram (W) , Aluminium (AI) , Nickel (Ni) , Titan (Ti), Tantal (Ta) , Chrom (Cr) und Kohlenstoff (C) besteht
6. Legierung nach Anspruch 1,
die aus Wolfram (W) , Aluminium (AI) , Nickel (Ni) , Titan (Ti), Tantal (Ta) , Chrom (Cr), Hafnium (Hf) und Bor (B) besteht .
7. Legierung nach Anspruch 1,
die aus Wolfram (W) , Aluminium (AI) , Nickel (Ni) , Titan (Ti), Tantal (Ta) , Chrom (Cr) und Bor (B) besteht.
8. Legierung nach Anspruch 1,
die aus Wolfram (W) , Aluminium (AI) , Nickel (Ni) , Titan (Ti), Tantal (Ta) , Chrom (Cr) und Hafnium (Hf) besteht.
9. Legierung nach Anspruch 1,
die aus Wolfram (W) , Aluminium (AI) , Nickel (Ni) , Titan (Ti), Tantal (Ta) , Chrom (Cr) und Bor (B) und Kohlenstoff (C) besteht.
10. Pulver aufweisend eine Legierung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9,
insbesondere bestehend aus einer Legierung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9.
11. Bauteil
aufweisend eine Legierung gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9,
insbesondere hergestellt aus einem Pulver gemäß Anspruch 10.
12. Bauteil nach Anspruch 11,
das eine kolumnare oder einkristalline Struktur aufweist, insbesondere kolumnare Strukturen aufweist.
13. Bauteil nach Anspruch 11,
das eine einkristalline Struktur aufweist.
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