WO2021185942A1 - Kobaltbasislegierung, pulvermischung, verfahren und bauteil - Google Patents

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Definitions

  • Cobalt-based alloy powder mixture, process and component
  • the invention relates to a cobalt-based alloy which gives strength-increasing precipitation phases and is particularly easy to weld, a powder mixture, a method and the components produced thereby.
  • the idea relates in particular to improving the oxidation resistance of a blade tip on turbine blades, in particular made of DS / CC materials. Due to the increase in temperature (T> 1373K) at the tip of the turbine blades in the two front rows in gas turbines, the long-term oxidation resistance of existing alloys is often insufficient without additional cooling in the form of cooling air.
  • Cobalt-based superalloys with a high proportion of aluminum (Al) to improve oxidation resistance are currently already being used as filler material for repairs to blade tips.
  • the aim is to improve the mechanical properties and the resistance to oxidation with good weldability at the same time.
  • the powder or the powder mixture shows a readily weldable alloy with in particular a maximum of 1.3% by weight silicon (Si). Silicon (Si) promotes the formation of a chromium oxide and thus also the formation of a stable aluminum oxide layer.
  • the cobalt-based alloy has the following elements (in
  • Tungsten (W) 11.0-13.0, especially 12.30
  • Tantalum (Ta) 0.7-1.3, especially 1.01 Hafnium (Hf) 0.19-0.25, especially 0.20
  • the alloy can be produced as such as a single powder or can be a powder mixture, in particular of three powders.
  • binders In both cases, binders, secondary particles, ... can be included. Two cobalt-based alloys and one nickel-based solder are preferably used for a powder mixture.
  • the nickel-based solder preferably has the lowest melting temperature with a distance of at least 10K, in particular at least 2OK, to the melting temperatures of the cobalt-based alloys.
  • One cobalt-based alloy preferably has silicon (Si) and the other does not, the nickel-based solder in particular containing silicon.
  • the silicon content (Si) of the nickel-based solder is preferably at least 20% greater than that of the silicon-containing cobalt alloy.
  • the powder mixture preferably has the following components, in particular 3 components:
  • 1st component a cobalt-based alloy, having (in% by weight):
  • cobalt in particular 37.5-40.5, very particularly 39.1 cobalt (Co), in particular it has no molybdenum (Mo) and / or no iron (Fe). in particular consisting of these elements, as well as unavoidable impurities as well as in particular
  • Component comprising a cobalt-based alloy (in% by weight):
  • Chromium (Cr) 18.5 21.5, especially 20.0
  • Ni nickel
  • Ni nickel
  • 70.8 nickel nickel
  • the powder mixture results in an alloy as listed above.
  • Powder build-up welding in particular powder build-up welding by means of laser, can be carried out with the powder made from this alloy or the powder mixture.
  • the alloy can also be used in any representation (powder, wire, %) for other welding processes.

Abstract

Durch eine gezielte Auswahl von Elementen einer Kobaltbasislegierung mit Silizium wird eine schweißbare Kobaltbasislegierung mit hoher Festigkeit bereitgestellt.

Description

Beschreibung
Kobaltbasislegierung, Pulvermischung, Verfahren und Bauteil
Die Erfindung betrifft eine Kobaltbasislegierung, die festig keitssteigernde Ausscheidungsphasen ergibt und insbesondere gut schweißbar ist, eine Pulvermischung, ein Verfahren und der dadurch hergestellten Bauteile.
Die Idee betrifft insbesondere die Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit einer Schaufelspitze an Turbinenschaufeln, insbesondere aus DS/CC-Werkstoffen. Aufgrund der Zunahme der Temperatur (T> 1373K) an der Spitze der Turbinenschaufeln der beiden vorderen Reihen in Gasturbinen reicht die Langzeitoxidationsbeständigkeit vorhandener Legierungen oft nicht aus, ohne eine zusätzliche Kühlung in der Form von Kühlluft einzusetzen.
Um diesen Kühlluftverbrauch zu reduzieren wird ein Werkstoff benötigt, der eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit aufweist.
Kobaltbasis-Superlegierungen mit hohem Anteil an Aluminium (Al) zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit werden derzeit schon als Zusatzwerkstoff für Reparaturen von Schaufelspitzen eingesetzt.
Eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Oxidationsbeständigkeit bei gleichzeitig guter Schweißbarkeit wird angestrebt.
Alle bisher in der Reparatur eingesetzten Schweißzusatzwerkstoffe zeigen keine verbesserten Oxidationseigenschaften bei Temperaturen von T = 1223K - 1323K.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1, eine Pulvermischung gemäß Anspruch 2, ein Verfahren nach Anspruch 7 und ein Bauteil gemäß Anspruch 8.
Das Pulver oder die Pulvermischung zeigt eine gut schweißbare Legierung mit insbesondere maximal 1,3 Gew.-% Silizium (Si). Silizium (Si) fördert die Bildung einer Chromoxid- und damit auch die Bildung einer stabilen Aluminiumoxidschicht.
Eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Oxi dationsbeständigkeit bei gleichzeitig guter Schweißbarkeit wird ebenso erreicht.
Die Kobaltbasislegierung weist folgende Elemente auf (in
Gew.-%):
Nickel (Ni) 30,0 - 33,0, insbesondere 31,50 Kohlenstoff (C) 0,06 - 0,1, insbesondere 0,08 Chrom (Cr) 12,0 - 14,0, insbesondere 13,00
Wolfram (W) 11,0 - 13,0, insbesondere 12,30
Titan (Ti) 0,1 - 0,3, insbesondere 0,20 Aluminium (Al) 2,7 - 4,7, insbesondere 3,70
Bor (B) 0,005 - 0,015, insbesondere 0,01
Zirkon (Zr) 0,005 - 0,015, insbesondere 0,01
Tantal (Ta) 0,7 - 1,3, insbesondere 1,01 Hafnium (Hf) 0,19 - 0,25, insbesondere 0,20
Eisen (Fe) 0,01 - 0,03, insbesondere 0,02 Silizium (Si) 0,9 - 1,3, insbesondere 1,13
Rest Kobalt (Co), insbesondere 36,0 38,0, ganz insbesondere 37,0 Kobalt (Co), insbesondere weist sie kein Molybdän (Mo) auf, insbesondere bestehend aus diesen Elementen, sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Die Legierung kann als solche als ein einzelnes Pulver hergestellt werden oder eine Pulvermischung darstellen, insbesondere aus drei Pulvern.
In beiden Fällen können Binder, Sekundärpartikel, ... enthalten sein. Dabei werden für eine Pulvermischung vorzugsweise zwei kobaltbasierte Legierungen und ein nickelbasiertes Lot verwendet.
Das nickelbasierte Lot hat vorzugsweise die geringste Schmelztemperatur mit einem Abstand von mindestens 10K, insbesondere mindestens 2OK zu den Schmelztemperaturen der kobaltbasierten Legierungen.
Die eine kobaltbasierte Legierung weist vorzugsweise Silizium (Si) auf und die andere nicht, wobei insbesondere das nickelbasierte Lot Siliziumhaltig ist.
Der Siliziumgehalt (Si) des nickelbasierten Lots ist vorzugsweise mindestens 20% größer als das der siliziumhaltigen Kobaltlegierung.
Vorzugsweise weist die Pulvermischung folgende Bestandteile auf, insbesondere 3 Bestandteile:
1. Bestandteil: eine kobaltbasierte Legierung, aufweisend (in Gew.%):
Nickel (Ni) 29,0 - 33,0, insbesondere 30,50 Kohlenstoff (C) 0,010 - 0,025, insbesondere 0,016 Chrom (Cr) 9,0 - 11,0, insbesondere 10,15 Wolfram (W) 13,5 - 16,5, insbesondere 15,0 Titan (Ti) 0,10 - 0,35, insbesondere 0,23 Aluminium (Al) 3,0 - 5,0, insbesondere 4,0 Bor (B) 0,010 - 0,025, insbesondere 0,014
Zirkonium (Zr) 0,010 - 0,020, insbesondere 0,015 Tantal (Ta) 0,4 - 0,8, insbesondere 0,6 Hafnium (Hf) 0,15 - 0,45, insbesondere 0,3 Silizium (Si) 0,10 - 0,30, insbesondere 0,18,
Rest Kobalt (Co), insbesondere 37,5 - 40,5, ganz insbesondere 39,1 Kobalt (Co), insbesondere weist sie kein Molybdän (Mo) und/oder kein Eisen (Fe) auf. insbesondere bestehend aus diesen Elementen, sowie unvermeidbare Verunreinigungen sowie insbesondere
2. Bestandteil eine kobaltbasierte Legierung aufweisend (in Gew.-%):
Nickel (Ni) 13,0 17,0, insbesondere 15,0
Kohlenstoff (C) 0,2 0,5, insbesondere 0,35
Chrom (Cr) 18,5 21,5, insbesondere 20,0
Wolfram (W) 7,5 10,5, insbesondere 9,0
Titan (Ti) 0,1 0,3, insbesondere 0,2
Aluminium (Al) 3,4 5.4, insbesondere 4,4
Tantal (Ta) 2,5 4.5, insbesondere 3,0
Rest Kobalt (Co), insbesondere 46,0 - 50,0, ganz insbesondere 48,0 Kobalt (Co), insbesondere weist sie kein Molybdän (Mo), kein Bor (B), kein
Zirkon (Zr), kein Hafnium (Hf), kein Eisen (Fe) und/oder kein
Silizium (Si) auf, insbesondere bestehend aus diesen Elementen sowie unvermeidbare Verunreinigungen sowie insbesondere
3. Bestandteil ein nickelbasiertes Lot (in Gew.-%): aufweisend (in Gew.-%):
Chrom (Cr) 18,0 - 20,0, insbesondere 19,0
Eisen (Fe) 0,1 - 0,3, insbesondere 0,2
Silizium (Si) 9,0 - 11,0, insbesondere 10,0
Rest Nickel (Ni), insbesondere 69,0 - 72,0, ganz insbesondere 70,8 Nickel (Ni), insbesondere bestehend aus diesen Elementen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
In einer entsprechenden Zusammensetzung aus den 3 Bestandteilen ergibt die Pulvermischung eine Legierung wie oben aufgelistet. Mit dem Pulver aus dieser Legierung oder dem Pulvergemisch kann ein Pulverauftragsschweißen, insbesondere mittels Laser pulverauftragsschweißen durchgeführt werden.
Ebenso kann die Legierung in jeglicher Darstellung (Pulver, Draht, ...) für andere Schweißverfahren verwendet werden.
Auch ist eine Anwendung für die Herstellung von additive Fer- tigungsverfahren, wie z.B. Pulverbettverfahren wie Selektives
Lasersintern, Selektives Laserschmelzen, ...genauso möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Kobaltbasislegierung, aufweisend folgende Elemente (in Gew.-%):
Nickel (Ni) 30,0 - 33,0, insbesondere 31,50
Kohlenstoff (C) 0,06 - 0,1, insbesondere 0,08
Chrom (Cr) 12,0 - 14,0, insbesondere 13,00 Wolfram (W) 11,0 - 13,0, insbesondere 12,30
Titan (Ti) 0,1 - 0,3, insbesondere 0,20
Aluminium (Al) 2,7 - 4,7, insbesondere 3,70 Bor (B) 0,005 - 0,015, insbesondere 0,01
Zirkon (Zr) 0,005 - 0,015, insbesondere 0,01 Tantal (Ta) 0,7 - 1,3, insbesondere 1,01 Hafnium (Hf) 0,19 - 0,25, insbesondere 0,20 Eisen (Fe) 0,01 - 0,03, insbesondere 0,02
Silizium (Si) 0,9 - 1,3, insbesondere 1,13
Rest Kobalt (Co), insbesondere 36,0 - 38,0, ganz insbesondere 37,0 Kobalt (Co) insbesondere weist sie kein Molybdän (Mo) auf, insbesondere bestehend aus diesen Elementen, sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
2. Pulver aufweisend eine Legierung nach Anspruch 1 oder eine Pulvermischung, die in einer Zusammensetzung eine Legierung nach Anspruch 1 ergibt, wobei die Pulvermischung zwei kobaltbasierte Legierungen und ein nickelbasiertes Lot aufweist.
3. Pulvermischung nach Anspruch 2, bei dem die erste kobaltbasierte Legierung Silizium (Si) aufweist und die zweite kobaltbasierte Legierung kein Silizium (Si) aufweist und insbesondere das nickelbasierte Lot Siliziumhaltig (Si) ist.
4. Pulvermischung nach einem oder beiden der Ansprüche 2 oder 3, aufweisend eine erste kobaltbasierte Legierung, aufweisend (in Gew.-%):
Nickel (Ni) 29,0 - 33,0, insbesondere 30,50 Kohlenstoff (C) 0,010 - 0,025, insbesondere 0,016 Chrom (Cr) 9,0 - 11,0, insbesondere 10,15
Wolfram (W) 13,5 - 16,5, insbesondere 15,0
Titan (Ti) 0,10 - 0,35, insbesondere 0,23 Aluminium (Al) 3,0 - 5,0, insbesondere 4,0
Bor (B) 0,010 - 0,025, insbesondere 0,014
Zirkonium (Zr) 0,010 - 0,020, insbesondere 0,015 Tantal (Ta) 0,4 - 0,8, insbesondere 0,6 Hafnium (Hf) 0,15 - 0,45, insbesondere 0,3 Silizium (Si) 0,10 - 0,30, insbesondere 0,18,
Rest Kobalt (Co), insbesondere 37,5 - 40,5, insbesondere 39,1 Kobalt (Co), insbesondere weist sie kein Molybdän (Mo) und/oder kein
Eisen (Fe) auf. insbesondere bestehend aus diesen Elementen, sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
5. Pulvermischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2, 3 oder 4, aufweisend eine zweite kobaltbasierte Legierung, aufweisend (in Gew.-%):
Nickel (Ni) 13,0 17,0, insbesondere 15,0
Kohlenstoff (C) 0,2 - 0,5, insbesondere 0,35
Chrom (Cr) 18,5 21,5, insbesondere 20,0
Wolfram (W) 7,5 - 10,5, insbesondere 9,0
Titan (Ti) 0,1 - 0,3, insbesondere 0,2
Aluminium (Al) 3,4 - 5.4, insbesondere 4,4
Tantal (Ta) 2,5 - 4.5, insbesondere 3,0
Rest Kobalt (Co), insbesondere 46,0 - 50,0, ganz insbesondere 48,0 Kobalt
(Co), insbesondere weist sie kein Molybdän (Mo), kein Bor (B), kein Zirkon (Zr), kein Hafnium (Hf), kein Eisen (Fe) und/oder kein Silizium (Si) auf, insbesondere bestehend aus diesen Elementen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
6. Pulvermischung einem oder mehreren der Ansprüche 2, 3, 4 oder 5, aufweisend ein nickelbasiertes Lot, aufweisend (in Gew.-%):
Chrom (Cr) 18,0 - 20,0, insbesondere 19,0
Eisen (Fe) 0,1 - 0,3, insbesondere 0,2
Silizium (Si) 9,0 - 11,0, insbesondere 10,0
Rest Nickel (Ni), insbesondere 69,0 - 72,0, ganz insbesondere 70,8 Nickel (Ni) ganz insbesondere bestehend aus diesen Elementen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
7. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, bei dem eine Legierung nach Anspruch 1 oder eine Pulvermischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2, 3, 4, 5 oder 6 verwendet wird.
8. Bauteil aufweisend eine Legierung nach Anspruch 1 oder hergestellt aus einer Pulvermischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2, 3, 4, 5 oder 6 oder hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 7.
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