WO2019233692A1 - γ, γ' GEHÄRTETE KOBALT-NICKEL-BASISLEGIERUNG, PULVER, KOMPONENTE UND VERFAHREN - Google Patents

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Christian Felsmann
Dennis GLASS
Jacek Grodzki
Robert Herfurth
Lars HOEFENER
Bernd Hornung
Tobias Thomas Rühmer
Eric Thomas
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    • B22F2007/068—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools involving the connection or repairing of preformed parts repairing articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing

Definitions

  • the invention relates to a g 'hardened cobalt-nickel base alloy, powder, component and method.
  • Turbine vanes and blades or structural components in the hot gas region are made of high temperature nickel base or cobalt base superalloys.
  • these alloys can only be made by detours because of hot cracking.
  • the wrought alloys Ni or Co base
  • the wrought alloys can be forged, but have lower strengths.
  • the object is achieved by a cobalt-based superalloy according to claim 1, a powder according to claim 13, a compo nent according to claim 14 and a method according to claim 15.
  • Titanium (Ti) and tantalum (Ta) increase the g 'parts and g' solvus temperature and lower the liquidus temperature.
  • Tungsten increases the g 'content, high levels of tungsten (W) are required to reduce the g' depleted zone near the grain boundary.
  • Titanium (Ti) and Tantalum (Ta) improve creep resistance but increase lattice mismatch.
  • Nickel (Ni) extends the phase field for L12 structure and allows higher chromium contents (Cr) for better corrosion protection, not too much, due to the distribution coefficient tungsten (W), chromium (Cr) allows corrosion protection and improves the formation of an internal AI O Layer and reduces lattice mismatch.
  • Hafnium (Hf) and zircon (Zr) allow for a better
  • the alloy has no molybdenum (Mo) and / or niobium (Nb) and / or yttrium (Y).
  • This alloy has a high corrosion resistance, higher long-term heat resistance and has better forgeability.
  • This alloy has a medium corrosion resistance, a higher long-term heat resistance and a better
  • Solution annealing takes place, for example, at 1523K and a
  • the possible production routes are:
  • Component is produced by casting or as a forged part or as an AM component (powder bed, laser powder build-up welding).
  • a shaped body for example, ring segment
  • a metal powder injection molding possibly in combination of the other methods.
  • powder based solder can be used to join multiple parts.
  • a welding technology connection can be made, e.g. with matching welding filler material.

Abstract

Durch erhöhte Titan- und Tantalwerte sowie hohe Wolframanteile wird eine Legierung vorgeschlagen, die insbesondere für die Anwendung bei additiven Fertigungsverfahren verwendet werden kann.

Description

g, g' gehärtete Kobalt-Nickel-Basislegierung, Pulver,
Komponente und Verfahren
Die Erfindung betrifft eine g g' gehärtete Kobalt-Nickel- Basislegierung, Pulver, Komponente und Verfahren.
Turbinenleit- und Laufschaufeln oder Strukturbauteile im Heißgasbereich werden aus hochwarmfesten Nickelbasis-oder Kobaltbasis-Superlegierungen hergestellt .
Je nach Belastungsprofil der Komponente werden generell:
1.) g' Ausscheidungsgehärtete Nickelbasislegierungen
2.) Nickel-Knetlegierungen
3.) oder Kobalt-Knetlegierungen
eingesetzt .
Die Festigkeit resultiert in erster Näherung vom g' Volumen anteil. Dieser wiederum beeinflusst maßgeblich die mögliche Fertigungsroute der Komponenten. Hochwarmfeste Superlegierun gen mit hohen g' Anteilen können nur noch über das Feinguss verfahren hergestellt werden. Sie zeichnen sich durch eine hohe g' Solvustemperatur und eine tiefe Anschmelztemperatur aus. Die Schweißbarkeit dieser Legierungsklasse ist in der Regel nicht gegeben.
Generativ können diese Legierungen wegen Heißrissbildung nur über Umwege hergestellt werden. Die Knetlegierungen (Ni- oder Co-Basis) können geschmiedet werden, weisen jedoch geringere Festigkeiten auf.
Die übliche Herstellroute erfolgt bei ausscheidungsgehärteten Komponenten über das Feingussverfahren. Mithilfe generativer Fertigungsverfahren lassen sich komplexere Bauteile realisie ren, die Legierungsauswahl ist jedoch auf die weniger warm festen Legierungen beschränkt. Nur diese lassen sich mit sinnvollen Aufbauraten rissarm verarbeiten. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kobaltbasis-Superlegierung gemäß Anspruch 1, ein Pulver gemäß Anspruch 13, eine Kompo nente gemäß Anspruch 14 und ein Verfahren gemäß Anspruch 15.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es wird vorgeschlagen, eine neue Materialgruppe für Heißgas bauteile, insbesondere Lauf und Leitschaufein, Ringsegmente, Brennerteile, Scheibenwerkstoffe für kleine Turbinen oder Blisks einzusetzen. Zum Einsatz kommt eine g, g'-ausschei- dungsgehärtete Kobaltbasislegierung mit hohem Nickel (Ni) und Chrom (Cr) Anteil.
Innerhalb dieses Rahmens werden die Eigenschaften der Legie rungsklasse entsprechend der Anforderungen angepasst:
Titan (Ti) und Tantal (Ta) erhöhen die g' Anteile und g' Sol- vustemperatur und senken die Liquidustemperatur .
Wolfram erhöht den g'-Anteil, hohe Anteile an Wolfram (W) sind erforderlich um die g' verarmte Zone in Korngrenzennähe zu verringern.
Titan (Ti) und Tantal (Ta) verbessern die Kriechbeständig keit, aber erhöhen Gitterfehlpassung.
Nickel (Ni) erweitert das Phasenfeld für L12 Struktur und er möglicht höhere Chromgehalte (Cr) für besseren Korrosions schutz, nicht zu viel, wegen des Verteilungskoeffizienten Wolfram (W) , Chrom (Cr) ermöglicht Korrosionsschutz und ver bessert die Bildung einer inneren AI O Schicht und reduziert Gitterfehlpassung .
- Silizum (Si) verbessert Oxidationseigenschaften
- Bor (B) und Kohlenstoff (C) sind KG-Verfestiger
- Hafnium (Hf) und Zirkon (Zr) ermöglichen eine bessere
Schichtanbindung Vorzugsweise weist die Legierung kein Molybdän (Mo) und/oder auch kein Niob (Nb) und/oder kein Yttrium (Y) auf.
Ebenso kann vorzugsweise auf Zusätze von Rhenium (Re) , Ruthe nium (Ru) verzichtet werden.
Bevorzugte Legierungen:
1. Bevorzugtes Beispiel in Gew.-%
Co 38,3
Ni 29,0
Al 4,0
W 15, 0
Ta 0,6
Ti 0,2
Cr 12,7
Si 0,18
Hf 0,29
Zr 0,015
B 0,014
C 0,016
Diese Legierung hat eine hohe Korrosionsbeständigkeit, höhere Langzeit-Warmfestigkeit und weist eine bessere Schmiedbarkeit auf .
2. Bevorzugtes Beispiel in Gew.-%
Co 39,0
Ni 30,5
Al 3,9
W 14,9
Ta 0,9
Ti 0,2
Cr 10,1
Si 0,18
Hf 0,29
Zr 0,015 B 0,014
C 0,016
Diese Legierung weist eine mittlere Korrosionsbeständigkeit, eine höhere Langzeit-Warmfestigkeit sowie eine bessere
Schmiedbarkeit auf.
Besonderheiten :
- Die hohe Fließgrenze verbessert auch TMF-Eigenschaften
- Eine hohe Festigkeit bei mittleren Temperaturen
- Bessere Prozessierbarkeit als übliche Nickelbasislegierun gen mit vergleichbaren Eigenschaften
Eine Lösungsglühung erfolgt beispielsweise bei 1523K und eine
Auslagerung bei 1023K - 1173K zwecks Einstellung der g/g'
Gefügestruktur .
Die möglichen Herstellrouten lauten:
• Komponente wird im Guss oder als Schmiedeteil oder als AM Bauteil (Pulverbett, Laserpulver-Auftragschweißen) hergestellt .
• Eine Verfahrenskombination ist ebenso denkbar, z.B.
durch AM (Aufschweißen von weiteren Strukturen) .
• Ebenso denkbar ist die Nutzung von AM gefertigten Bau teilen im Guss als Einlegeteile .
• Ebenso kann ein Formkörper (z.B. Ringsegment) im Metall pulverspritzguss verarbeitet werden, ggf. in Kombination der anderen Verfahren.
• Ebenso kann ein auf dem Pulver basierendes Lot verwendet werden, um mehrere Teile zu verbinden.
• Ebenso kann eine schweißtechnologische Verbindung herge stellt werden, z.B. mit artgleichem Schweißzusatzwerk stoff .

Claims

Patentansprüche
1. Kobaltbasislegierung,
zumindest aufweisend (in Gew . % ) : , insbesondere bestehend aus (in Gew.-%): 28,0% - 31,5% Nickel (Ni),
insbesondere 28,8% - 30,7% Nickel (Ni), 3,5% - 4,4% Aluminium (Al),
insbesondere 3,8% - 4,1% Aluminium (Al), 14,5% - 15,5% Wolfram,
insbesondere 14,8% - 15,1% Wolfram (W) , 0,4% - 1,1% Tantal (Ta),
insbesondere 0,5% - 1,0% Tantal,
0,15% - 0,25% Titan (Ti),
insbesondere 0,2% Titan (Ti),
9,6% - 13,2% Chrom (Cr),
insbesondere 9,9% - 12,9% Chrom (Cr), 0,16% - 0,20% Silizium (Si) ,
insbesondere 0,18% Silizium (Si) ,
0,25% - 0,34% Hafnium (Hf) ,
insbesondere 0,29% Hafnium (Hf) ,
0,013% - 0,017% Zirkon (Zr) ,
insbesondere 0,015% Zirkon (Zr) ,
0, 012% - 0,016% Bor (B) ,
insbesondere 0,014% Bor (B) ,
0,014% - 0,018% Kohlenstoff (C) ,
insbesondere 0,016% Kohlenstoff (C) ,
Rest Kobalt (Co) .
2. Kobaltbasislegierung nach Anspruch 1, aufweisend 29,0% Nickel (Ni).
3. Kobaltbasislegierung nach Anspruch 1, aufweisend 30,5% Nickel (Ni).
4. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der An sprüche 1 oder 3,
aufweisend 4,0% Aluminium (Al) .
5. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2 oder 3,
aufweisend 3, 9% Aluminium (Al) .
6. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2, 3, 4 oder 5,
aufweisend 15,0% Wolfram (W) .
7. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2, 3, 4 oder 5,
aufweisend 14,9% Wolfram (W) .
8. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7,
aufweisend 0,6% Tantal (Ta) .
9. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7,
aufweisend 0,9% Tantal (Ta) .
10. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der An sprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9,
aufweisend 12,7% Chrom (Cr) .
11. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 9,
aufweisend 10,1% Chrom (Cr) .
12. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 11,
aufweisend kein Niob (Nb) und/oder kein Molybdän (Mo) und/oder kein Yttrium (Y) .
13. Pulver zumindest aufweisend,
insbesondere bestehend,
eine Legierung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12.
14. Komponente
aufweisend,
insbesondere bestehend,
eine Legierung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 und/oder
hergestellt aus einem Pulver gemäß Anspruch 13.
15. Verfahren zur Herstellung oder Reparatur einer
Komponente,
insbesondere einer Komponente gemäß Anspruch 14,
bei dem eine Legierung gemäß einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 12 oder ein Pulver gemäß Anspruch 13 verwen det wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
bei dem ein additives Verfahren verwendet wird,
insbesondere Auftragschweißen, Pulverbettschweißen (SLM) oder -sintern (SLS) .
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16,
bei dem eine Lösungsglühung erfolgt,
insbesondere bei 1523K,
und/oder eine Auslagerung bei 1023K - 1173K zwecks Einstel lung einer y/ g' Gefügestruktur.
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