WO2019233693A1 - Y, y' hardened cobalt-nickel base alloy, powder, component, and method - Google Patents

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Dennis GLASS
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Lars HOEFENER
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Tobias Thomas Rühmer
Eric Thomas
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    • 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 14, a compo nent according to claim 15 and a method according to claim 17.
  • 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 levels for better corrosion protection, not too much, because of the distribution coefficient tungsten (W) and chromium (Cr) allows corrosion protection and improves the formation of an inner Al O layer and reduced
  • Hafnium (Hf) and zirconium (Zr) allow better
  • the advantage is a high corrosion resistance.
  • the high yield point also improves TMF properties High strength at medium temperatures
  • Solution annealing takes place, for example, at 1523K and outgrowth at 1023K-1173K to adjust the y / g 'microstructure.
  • 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.
  • the alloy contains no molybdenum (Mo), no niobium (Nb), no yttrium (Y), no rhenium (Re) and / or ruthenium (Ru).

Abstract

The invention relates to an alloy which can be used in particular in additive production methods due to having increased titanium and tantalum values and high tungsten contents.

Description

g, Y' gehärtete Kobalt-Nickel-Basislegierung, Pulver,  g, Y 'hardened cobalt-nickel base alloy, powder,
Komponente und Verfahren  Component and method
Die Erfindung betrifft eine g g' gehärtete Kobalt-Nickel- Basislegierung, Pulver Komponente und Verfahren. The invention relates to a g 'hardened cobalt-nickel base alloy, powder component and method.
Turbinenleit- und Laufschaufeln oder Strukturbauteile im Heißgasbereich werden aus hochwarmfesten Nickelbasis-oder Kobaltbasis-Superlegierungen hergestellt . Turbine vanes and blades or structural components in the hot gas region are made of high temperature nickel base or cobalt base superalloys.
Je nach Belastungsprofil der Komponente werden generell: Depending on the load profile of the component, the following general rules apply:
1.) g' Ausscheidungsgehärtete Nickelbasislegierungen  1.) g 'precipitation hardened nickel base alloys
2.) Nickel-Knetlegierungen  2.) nickel-wrought alloys
3.) oder Kobalt-Knetlegierungen  3.) or cobalt-wrought alloys
eingesetzt . used.
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. The strength results in a first approximation of the g 'volume fraction. This in turn significantly influences the possible production route of the components. High-temperature superalloys with high g 'proportions can only be produced by precision casting. They are characterized by a high g 'solvus temperature and a low melting temperature. The weldability of this alloy class is usually not given.
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. Generatively, these alloys can only be made by detours because of hot cracking. The wrought alloys (Ni or Co base) can be forged, but have lower strengths.
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 . The usual manufacturing route takes place with precipitation-hardened components via the investment casting process. Generative manufacturing techniques can be used to create more complex components, but alloy selection is limited to less-hot alloys. Only these can be processed with reasonable build-up rates. It is therefore an object of the invention to solve the above-mentioned problem.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kobaltbasis-Superlegierung gemäß Anspruch 1, ein Pulver gemäß Anspruch 14, eine Kompo nente gemäß Anspruch 15 und ein Verfahren gemäß Anspruch 17. The object is achieved by a cobalt-based superalloy according to claim 1, a powder according to claim 14, a compo nent according to claim 15 and a method according to claim 17.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön nen, um weitere Vorteile zu erzielen. In the dependent claims further advantageous measures are listed, which Kings are combined with each other arbitrarily NEN to achieve more advantages.
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. It is proposed to use a new material group for hot gas components, in particular run and Leitschaufein, ring segments, burner parts, disc materials for small turbines or blisks. A g, g'-precipitation-hardened cobalt-based alloy with high nickel (Ni) and chromium (Cr) content is used.
Innerhalb dieses Rahmens werden die Eigenschaften der Legie rungsklasse entsprechend der Anforderungen angepasst: Within this framework, the properties of the alloy class are adjusted according to the requirements:
Titan (Ti) und Tantal (Ta) erhöhen die g' Anteile und g' Sol- vustemperatur und senken die Liquidustemperatur .  Titanium (Ti) and tantalum (Ta) increase the g 'parts and g' solvus temperature and lower the liquidus temperature.
Wolfram erhöht den g'-Anteil, hohe Anteile an Wolfram (W) sind erforderlich um die g' verarmte Zone in Korngrenzennähe zu verringern.  Tungsten increases the g 'content, high levels of tungsten (W) are required to reduce the g' depleted zone near the grain boundary.
Titan (Ti) und Tantal (Ta) verbessern die Kriechbeständigkeit aber erhöhen Gitterfehlpassung.  Titanium (Ti) and Tantalum (Ta) improve creep resistance but increase lattice mismatch.
Nickel (Ni) erweitert das Phasenfeld für L12 Struktur und er möglicht höhere Chromgehalte für besseren Korrosionsschutz, nicht zu viel, wegen des Verteilungskoeffizienten Wolfram (W) und Chrom (Cr) ermöglicht Korrosionsschutz und verbessert die Bildung einer inneren AI O Schicht und reduziert  Nickel (Ni) extends the phase field for L12 structure and allows higher chromium levels for better corrosion protection, not too much, because of the distribution coefficient tungsten (W) and chromium (Cr) allows corrosion protection and improves the formation of an inner Al O layer and reduced
Gitterfehlpassung . Lattice mismatch.
- Silizium (Si) verbessert Oxidationseigenschaften - Silicon (Si) improves oxidation properties
- Bor (B) und Kohlenstoff (C) sind Korngrenzen-Verfestiger Boron (B) and carbon (C) are grain boundary strengtheners
- Hafnium (Hf) und Zirkon (Zr) ermöglichen bessere - Hafnium (Hf) and zirconium (Zr) allow better
Schichtanbindung Bevorzugte Legierungen: layer connection Preferred alloys:
1. Bevorzugtes Beispiel in Gew.-% 1. Preferred example in% by weight
Co 40,0  Co 40.0
Ni 29,0  Ni 29.0
Al 2,6  Al 2,6
W 9,0  W 9.0
Ta 4,4  Ta 4,4
Ti 2,0  Ti 2.0
Cr 12,8  Cr 12.8
Si 0,18  Si 0.18
Hf 0,29  Hf 0.29
Zr 0,015  Zr 0.015
B 0,014  B 0.014
C 0,016  C 0.016
Der Vorteil liegt in einer hohen Korrosionsbeständigkeit. The advantage is a high corrosion resistance.
2. Bevorzugtes Beispiel in Gew.-% 2. Preferred example in% by weight
Co 40,0  Co 40.0
Ni 30,0  Ni 30.0
Al 2,6  Al 2,6
W 8,8  W 8,8
Ta 7,2  Ta 7.2
Ti 1,1  Ti 1,1
Cr 10,0  Cr 10.0
Si 0,18  Si 0.18
Hf 0,28  Hf 0.28
Zr 0,015  Zr 0.015
B 0,014  B 0.014
C 0,015  C 0.015
Der Vorteil liegt bei einer mittleren Korrosionsbeständig- keit . Besonderheiten : The advantage lies in a medium corrosion resistance. Particularities :
Die hohe Fließgrenze verbessert auch TMF-Eigenschaften Eine hohe Festigkeit bei mittleren Temperaturen The high yield point also improves TMF properties High strength at medium temperatures
Bessere Prozessierbarkeit als übliche Nickelbasis legierungen mit vergleichbaren Eigenschaften  Better processability than conventional nickel base alloys with comparable properties
Eine Lösungsglühung erfolgt beispielsweise bei 1523K und einer Auslagerung bei 1023K - 1173K zwecks Einstellung der y/ g' Gefügestruktur. Solution annealing takes place, for example, at 1523K and outgrowth at 1023K-1173K to adjust the y / g 'microstructure.
Die möglichen Herstellrouten lauten: The possible production routes are:
• Komponente wird im Guss oder als Schmiedeteil oder als AM Bauteil (Pulverbett, Laserpulver-Auftragschweißen) hergestellt .  • Component is produced by casting or as a forged part or as an AM component (powder bed, laser powder build-up welding).
• Eine Verfahrenskombination ist ebenso denkbar, z.B.  • A combination of methods is also conceivable, e.g.
durch AM (Aufschweißen von weiteren Strukturen) .  by AM (welding on further structures).
• Ebenso denkbar ist die Nutzung von AM gefertigten Bau teilen im Guss als Einlegeteile .  • Equally conceivable is the use of AM manufactured parts in the casting as inserts.
• Ebenso kann ein Formkörper (z.B. Ringsegment) im Metall pulverspritzguss verarbeitet werden, ggf. in Kombination der anderen Verfahren.  • Likewise, a shaped body (for example, ring segment) can be processed in the metal powder injection molding, possibly in combination of the other methods.
• Ebenso kann ein auf dem Pulver basierendes Lot verwendet werden, um mehrere Teile zu verbinden.  • Similarly, powder based solder can be used to join multiple parts.
• Ebenso kann eine schweißtechnologische Verbindung herge stellt werden, z.B. mit artgleichem Schweißzusatzwerk stoff .  Also, a welding technology connection can be made, e.g. with matching welding filler material.
Vorzugsweise enthält die Legierung kein Molybdän (Mo) , kein Niob (Nb) , kein Yttrium (Y) , kein Rhenium (Re) und oder/ kein Ruthenium (Ru) . Preferably, the alloy contains no molybdenum (Mo), no niobium (Nb), no yttrium (Y), no rhenium (Re) and / or ruthenium (Ru).

Claims

Patentansprüche claims
1. Kobaltbasislegierung, 1. cobalt-based alloy,
zumindest aufweisend,  at least having
insbesondere bestehend aus (in Gew.-%):  in particular consisting of (in% by weight):
27% - 32% Nickel,  27% - 32% nickel,
insbesondere 28% - 31% Nickel,  in particular 28% - 31% nickel,
2,4% - 2,8% Aluminium,  2.4% - 2.8% aluminum,
insbesondere 2,5%- 2,7% Aluminium,  in particular 2.5% - 2.7% aluminum,
8,3% - 9,5% Wolfram (W) ,  8.3% - 9.5% tungsten (W),
insbesondere 8,6% - 9,2% Wolfram,  in particular 8.6% - 9.2% tungsten,
4,0% - 7,6% Tantal (Ta),  4.0% - 7.6% tantalum (Ta),
insbesondere 4,2% - 7,4% Tantal,  especially 4.2% - 7.4% tantalum,
0,7% - 2,4% Titan (Ti),  0.7% - 2.4% titanium (Ti),
insbesondere 0,9% - 2,2% Titan (Ti),  in particular 0.9% - 2.2% titanium (Ti),
9,5% - 13,3% Chrom (Cr),  9.5% - 13.3% chromium (Cr),
0,16% - 0,20% Silizium (Si) ,  0.16% - 0.20% silicon (Si),
insbesondere 0,18% Silizium (Si) ,  in particular 0.18% silicon (Si),
0,27% - 0,31% Hafnium (Hf) ,  0.27% - 0.31% hafnium (Hf),
insbesondere 0,28% - 0,29% Hafnium (Hf) , 0,013% - 0,017% Zirkon (Zr) ,  in particular 0.28% - 0.29% hafnium (Hf), 0.013% - 0.017% zirconium (Zr),
insbesondere 0,015% Zirkon (Zr) ,  in particular 0.015% zirconium (Zr),
0, 012% - 0,016% Bor (B) ,  0, 012% - 0.016% boron (B),
insbesondere 0,014% Bor (B) ,  in particular 0.014% of boron (B),
0,013% - 0,018% Kohlenstoff (C) ,  0.013% - 0.018% carbon (C),
insbesondere 0,015% - 0,016% Kohlenstoff (C) Rest Kobalt (Co) .  in particular 0.015% - 0.016% carbon (C) balance cobalt (Co).
2. Kobaltbasislegierung nach Anspruch 1, aufweisend 29% Nickel (Ni) . A cobalt base alloy according to claim 1, comprising 29% nickel (Ni).
3. Kobaltbasislegierung nach Anspruch 1, aufweisend 30% Nickel (Ni) . A cobalt base alloy according to claim 1, comprising 30% nickel (Ni).
4. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, 4. cobalt-based alloy according to one or more of claims 1, 2 or 3,
aufweisend 2,6% Aluminium (Al) .  comprising 2.6% aluminum (Al).
5. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, 5. cobalt-based alloy according to one or more of claims 1, 2, 3 or 4,
aufweisend 8,8% Wolfram (W) .  comprising 8.8% tungsten (W).
6. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, 6. cobalt-based alloy according to one or more of claims 1, 2, 3 or 4,
aufweisend 9, 0% Wolfram (W) .  containing 9, 0% tungsten (W).
7. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, 7. cobalt-based alloy according to one or more of claims 1, 2, 3, 4, 5 or 6,
aufweisend kein Molybdän (Mo) und/oder kein Niob (Nb) und/oder kein Yttrium (Y) .  having no molybdenum (Mo) and / or niobium (Nb) and / or yttrium (Y).
8. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, 8. cobalt-based alloy according to one or more of claims 1, 2, 3, 4, 5, 6 or 7,
aufweisend 4,4% Tantal (Ta) .  containing 4.4% tantalum (Ta).
9. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, 9. cobalt-based alloy according to one or more of claims 1, 2, 3, 4, 5, 6 or 7,
aufweisend 7,2% Tantal (Ta) .  containing 7.2% tantalum (Ta).
10. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, 10. cobalt-based alloy according to one or more of claims 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 or 9,
aufweisend 1,1% Titan (Ti) . containing 1.1% titanium (Ti).
11. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der 11. Cobalt-based alloy according to one or more of
Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9,  Claims 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 or 9,
aufweisend 2,0% Titan (Ti) .  containing 2.0% titanium (Ti).
12. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der 12. Cobalt-based alloy according to one or more of
Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder 11,  Claims 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or 11,
aufweisend 10% Chrom (Cr) .  containing 10% chromium (Cr).
13. Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der 13. Cobalt-based alloy according to one or more of
Ansprüche 1 bis 11,  Claims 1 to 11,
aufweisend 12,8% Chrom (Cr) .  comprising 12.8% chromium (Cr).
14. Pulver, 14. Powder,
zumindest aufweisend,  at least having
insbesondere bestehend,  in particular,
aus einer Legierung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13.  of an alloy according to one or more of claims 1 to 13.
15. Komponente 15. component
aufweisend,  comprising,
insbesondere bestehend,  in particular,
aus einer Legierung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 und/oder  of an alloy according to one or more of claims 1 to 13 and / or
hergestellt aus einem Pulver gemäß Anspruch 14.  made of a powder according to claim 14.
16. Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils, bei dem eine Legierung gemäß einem oder mehreren der 16. A method for producing or repairing a component, wherein an alloy according to one or more of
Ansprüche 1 bis 13 oder ein Pulver gemäß Anspruch 14 ver wendet wird. Claims 1 to 13 or a powder according to claim 14 ver used.
17. Verfahren nach Anspruch 16, 17. The method according to claim 16,
bei dem ein additives Verfahren verwendet wird,  using an additive method,
insbesondere Auftragschweißen, Pulverbettschweißen (SLM) oder -sintern (SLS) .  in particular build-up welding, powder-bed welding (SLM) or sintering (SLS).
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, 18. The method according to claim 16 or 17,
bei dem eine Lösungsglühung erfolgt,  in which a solution annealing takes place,
insbesondere bei 1523K,  especially at 1523K,
und eine Auslagerung bei 1023K - 1173K zwecks Einstellung einer y/ g' Gefügestruktur.  and an outgrowth at 1023K - 1173K to set a y / g 'microstructure.
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