WO2023094116A1 - Kobaltbasislegierung mit hohem anteil an aluminium, pulver, verfahren und bauteile - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nickel-Kobalt-Superlegierung, die aufweist, insbesondere besteht aus (in Gew.%): Kohlenstoff (C): 0,02% bis 0,08%; Chrom (Cr): 19,0% bis 22,0%; Wolfram (W): 1,7% bis 2,2%; Titan (Ti): 0,03% bis 0,05%; Aluminium (Al): 5,6% bis 7,8%; Tantal (Ta): 0,1% bis 0,8%; Yttrium (Y): 0,45 bis 0,55%; Kobalt (Co): 38,0% bis 41,0%; Nickel (Ni): 27,6 bis 31,5%; Hafnium (Hf): 0,05 bis 0,3%; optional Mangan (Mn): 0,01% bis 0,03%; Bor (B): bis 0,001%; Zirkon (Zr): bis 0,001%; Silizium (Si): bis 0,014%.

Description

Beschreibung Kobaltbasislegierung mit hohem Anteil an Aluminium, Pulver, Verfahren und Bauteile Die Erfindung betrifft eine Kobaltbasislegierung mit hohem Anteil Aluminium, ein Pulver sowie ein Bauteil. Für die Turbinenlaufschaufeln der nächsten Generation wird aufgrund einer hohen Temperaturbelastung (> 1373K) ein oxida- tionsbeständigerer Werkstoff an den Spitzen der Turbinenlauf- schaufeln benötigt. Dabei kann die Spitze einer Turbinenschaufel schon als Neu- teil auch einen anderen Werkstoff als das Material des Schau- felblattes aufweisen. Kobaltbasis-Superlegierungen zur Verbesserung der Oxidations- beständigkeit werden derzeit schon als Zusatzwerkstoff für Reparaturen von Schaufelspitzen eingesetzt. Eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Oxi- dationsbeständigkeit bei gleichzeitig guter Schweißbarkeit wird angestrebt. Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kobaltbasislegierung gemäß Anspruch 1, ein Pulver gemäß Anspruch 4, Bauteile gemäß An- sprüche 10, 11 sowie Verfahren nach Ansprüchen 12, 13. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön- nen, um weitere Vorteile zu erzielen. Die Idee besteht in einer schweißbaren Kobaltbasislegierung, die aufweist, insbesondere besteht aus (in Gew.%): Kohlenstoff (C): 0,02% bis 0,08% Chrom (Cr): 19,0% bis 22,0% Wolfram (W): 1,7% bis 2,2% Titan (Ti): 0,03% bis 0,05% Aluminium (Al): 6,8% bis 7,9% Tantal (Ta): 0,2% bis 0,8% Yttrium (Y): 0,45% bis 0,55% Kobalt (Co): 38,0% bis 41,0% Nickel (Ni): 27,5% bis 31,5% Hafnium (Hf): 0,05% bis 0,3%, optional Zirkon (Zr): bis 0,02% Bor (B): bis 0,0014% Silizium (Si): bis 0,018%. Eine weitere vorteilhafte Legierung weist dabei auf, insbesondere besteht aus (in Gew.%): Kohlenstoff (C): 0,06% bis 0,08% Chrom (Cr): 20,0% bis 22,0% insbesondere 20,5% bis 21,5% Wolfram (W): 1,7% bis 1,9% Titan (Ti): 0,03% bis 0,05% Aluminium (Al): 6,8% bis 7,8% insbesondere 7,1% bis 7,5% Tantal (Ta): 0,4% bis 0,8% Yttrium (Y): 0,45% bis 0,55% Kobalt (Co): 39,0% bis 41,0% Nickel (Ni): 27,5% bis 29,5% Hafnium (Hf): 0,15% bis 0,30%, insbesondere 0,18% bis 0,26%. Eine weitere vorteilhafte Legierung weist dabei auf, insbesondere besteht aus (in Gew.%): Kohlenstoff (C): 0,02% bis 0,04% Chrom (Cr): 19,0% bis 21,0%, insbesondere 20,0%, Wolfram (W): 1,8% bis 2,2%, insbesondere 1,9% bis 2,1%, Titan (Ti): 0,03% bis 0,05% Aluminium (Al): 6,9% bis 7,9%, insbesondere 7,2% bis 7,6%, Tantal (Ta): 0,2% bis 0,4% Yttrium (Y): 0,45% bis 0,55% Kobalt (Co): 38,0% bis 40,0% Nickel (Ni): 29,6% bis 31,5% Hafnium (Hf): 0,05% bis 0,15%, insbesondere 0,07% bis 0,13%, optional Zirkon (Zr): bis 0,02%, insbesondere bis 0,0015%, Bor (B): bis 0,0014% Silizium (Si): bis 0,018%. Die Legierung kann als ein Pulver mit homogener Zusammenset- zung vorliegen oder wird aus zwei oder drei Pulvern physika- lisch zusammengemischt. Dabei wird zumindest eine CoNiCrAlY-Legierung (MCrAlY) und ein oder zwei Kobaltbasislegierungen verwendet. Eine kobaltbasierte Superlegierung, die dabei vorzugsweise verwendet wird, weist auf oder besteht aus (in Gew.%): Nickel (Ni): 14,0% bis 16,0% Kohlenstoff (C): 0,3% bis 0,4% Chrom (Cr): 19,0% bis 21,0% Kobalt (Co): 46,0% bis 48,0%, insbesondere als Basis oder Rest, Wolfram (W): 8,0% bis 10,0% Titan (Ti): 0,1% bis 0,3% Aluminium (Al): 4,0% bis 4,8% Tantal (Ta): 2,8% bis 3,2% Hafnium (Hf): 1,0% bis 1,2% Yttrium (Y): 0,03% bis 0,05%, insbesondere ohne Bor (B) und/oder ohne Zirkon (Zr) und/oder ohne Silizium (Si), und/oder vorzugsweise eine kobaltbasierte Superlegierung, die aufweist oder besteht aus (in Gew.%): Nickel (Ni): 29,5% bis 31,5% Kohlenstoff (C): 0,01% bis 0,02% Chrom (Cr): 9,0% bis 11,0% Kobalt (Co): 38,0% bis 40,0%, insbesondere als Basis oder Rest, Wolfram (W): 14,0% bis 16,0% Titan (Ti): 0,18% bis 0,28% Aluminium(Al): 3,5% bis 4,5% Bor (B): 0,01% bis 0,02% Zirkon (Zr): bis 0,22%, insbesondere 0,01% bis 0,022%, Tantal (Ta): 0,4% bis 0,8%, Hafnium (Hf): 0,2% bis 0,4% Silizium (Si): 0,15% bis 0,21%, insbesondere ohne Yttrium (Y). Die dabei vorzugsweise verwendete CoNiCrAlY-Legierung weist auf oder besteht aus (in Gew.%): Nickel (Ni): 31,0% bis 33,0% Chrom (Cr): 20,0% bis 22,0% Kobalt (Co): 37,5% bis 39,5%, insbesondere als Basis oder Rest, Aluminium (Al): 7,5% bis 8,5% Yttrium (Y): 0,5% bis 0,7%, also insbesondere ohne Tantal (Ta) und/oder ohne Wolfram (W) und/oder ohne Titan (Ti) und/oder ohne Kohlenstoff (C) und/oder ohne Hafnium (Hf) und/oder ohne Silizium (Si) und/oder ohne Rhenium (Re) und/oder ohne Ruthenium (Ru). Dabei werden vorzugsweise jeweils 6Gew.% bis 10Gew.%, ganz insbesondere 8Gew.% der Kobaltbasislegierungen und eine CoNiCrAlY-Legierung (als Rest) verwendet oder 18Gew.% bis 22Gew.%, ganz insbesondere 20Gew.% einer der Ko- baltbasislegierungen und eine CoNiCrAlY-Legierung (als Rest) verwendet. Aufgrund der Zugabe der Korngrenzen verfestigenden Elemente Kohlenstoff (C) und Hafnium (Hf) weist die Legierung bessere mechanische Eigenschaften auf als eine NiCoCrAlY-Haftver- mittlerschicht. Kohlenstoff (C) wird zugesetzt, der, zusätzlich zu seiner Funktion als desoxidierendes Element, weitere Funktionen zur Verbindung mit Titan (Ti) und Tantal (Ta) zwecks Bildung stabiler MC-Typ-Primärkarbide hat, um die Vergröberung auste- nitischer Körner während einer Heißverformung zu unterdrücken und die Heißgleitfähigkeit zu verbessern. Die gewünschte Wir- kung des Kohlenstoffs (C) wird erreicht. Silizium (Si) kann vorzugsweise als ein Desoxidationsmittel zugesetzt werden und wirkt gleichzeitig zur Verbesserung der Haftung einer sich bildenden Oxidschicht. Jedoch verursacht dessen übermäßiger Zusatz eine Verringerung sowohl der Heiß- verformbarkeit als auch der Duktilität bei Raumtemperaturen. Chrom (Cr) bildet eine Oxidschicht mit einer hochgradig engen Haftung an der Oberfläche während einer Erhitzung auf hohe Temperaturen und verbessert die Oxidationsbeständigkeit. Zu- sätzlich kann Chrom (Cr) auch die Warmumformbarkeit verbes- sern. Wolfram (W) ist ein Zusatzelement, das im Wesentlichen den austenitischen Mischkristall bis zu hohen Temperaturen ver- festigt. Molybdän (Mo) ist ein Element der gleichen Gruppe wie Wolfram (W) und daher kann der Ersatz eines Teils von Wolfram (W) durch Molybdän (Mo) die gleiche Funktion wie die von Wolfram (W) vorsehen. Aluminium (Al) ist ein Zusatzelement, das zur Bildung einer stabilen γ′-Phase nach einer Anlassbehandlung wesentlich ist. Ein Teil des Titans (Ti) wird mit Kohlenstoff (C) zur Bildung eines stabilen MC-Typ-Primärkarbids verbunden und hat eine festigkeitserhöhende Funktion bei nicht γ′-gehärteten Legie- rungen. Der Rest von Titan (Ti) liegt in der γ′-Phase im Festlösungs- zustand vor, wodurch die γ′-Phase verfestigt wird, und dient zur Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit. Weiterhin haben Aluminium (Al), Tantal (Ta) und Titan (Ti) auch eine wichtige Funktion der Verbesserung der Oxidations- beständigkeit, vor allem in der Kombination der Elemente bil- den sie stabile Oxidschichtsysteme. Gleichartig wie Titan (Ti) wird ein Teil von sowohl Tantal (Ta) als auch Kohlenstoff (C) unter Bildung stabiler MC-Typ- Primärkarbide verbunden, und sie haben festigkeitssteigernde Funktionen, vor allem für nicht γ′-gehärtete Legierungen. Zirkon (Zr) und Bor (B) sind zur Verbesserung der Hochtempe- raturfestigkeit und Duktilität durch ihre Korngrenzen aktive Funktion wirksam, und wenigstens eines von ihnen kann der Le- gierung der Erfindung in einer passenden Menge zugesetzt wer- den. Ihre Wirkung wird bei einer geringen Zusatzmenge erhal- ten. Die Legierung oder das Pulver kann bei der Neuteilherstellung von massiven Bauteilen, bei Reparaturen oder bei der modula- ren Herstellung von Neubauteilen, bei denen zumindest ein Ab- schnitt eine andere chemische Zusammensetzung aufweist, ver- wendet werden. Beschichtungen werden ebenso mit der Legierung oder dem Pul- ver durchgeführt. Ein komplettes Bauteil, insbesondere ein Turbinenbauteil, kann mit den Legierungen oder dem Pulver hergestellt werden. Ebenso kann die Legierung oder das Pulver verwendet werden, um ein modulares Neubauteil, insbesondere ein Turbinenbau- teil, insbesondere ein zu reparierendes Bauteil, herzustel- len. Dabei wird auf ein insbesondere metallisches Substrat, das verschieden ist von der Legierung oder dem Pulver, die Legierung oder das Pulver aufgetragen. Verschiedene Legierungen bedeutet allgemein, dass zumindest ein Legierungselement mehr oder weniger vorhanden und/oder sich der Anteil zumindest einer Legierungskomponente um min- destens 10% unterscheidet. Dabei können Verfahren (Neuteil, Reparatur) wie Auftrag- schweißen, insbesondere Laserauftragschweißen, ganz insbeson- dere Laserpulverauftragschweißen oder additive Verfahren (3D- Druck), insbesondere Pulverbettverfahren oder Sprühverfahren (APS, HVOF, …) verwendet werden.

Claims

Patentansprüche 1. Nickel-Kobalt-Superlegierung, aufweisend, insbesondere bestehend aus (in Gew.%): Kohlenstoff (C): 0,02% bis 0,08% Chrom (Cr): 19,0% bis 22,0% Wolfram (W): 1,7% bis 2,2% Titan (Ti): 0,03% bis 0,05% Aluminium (Al): 6,8% bis 7,9% Tantal (Ta): 0,2% bis 0,8% Yttrium (Y): 0,45% bis 0,55% Nickel (Ni): 27,5% bis 31,5% Hafnium (Hf): 0,05% bis 0,30% Kobalt (Co): 38,0% bis 41,0%, optional Zirkon (Zr): bis 0,02% insbesondere bis 0,0015% Bor (B): bis 0,0014% Silizium (Si): bis 0,018%.
2. Legierung nach Anspruch 1, aufweisend, insbesondere bestehend aus (in Gew.%): Kohlenstoff (C): 0,06% bis 0,08% Chrom (Cr): 20,0% bis 22,0%, insbesondere 20,5% bis 21,5%, Wolfram (W): 1,7% bis 1,9% Titan (Ti): 0,03% bis 0,05% Aluminium (Al): 6,8% bis 7,8%, insbesondere 7,1% bis 7,5%, Tantal (Ta): 0,4% bis 0,8% Yttrium (Y): 0,45% bis 0,55% Kobalt (Co): 39,0% bis 41,0% Nickel (Ni): 27,5% bis 29,5% Hafnium (Hf): 0,15% bis 0,30%, insbesondere 0,18% bis 0,26%.
3. Legierung nach Anspruch 1, aufweisend, insbesondere bestehend aus (in Gew.%): Kohlenstoff (C): 0,02% bis 0,04% Chrom (Cr): 19,0% bis 21,0%, insbesondere 20,0%, Wolfram (W): 1,8% bis 2,2% insbesondere 1,9% bis 2,1% Titan (Ti): 0,03% bis 0,05% Aluminium (Al): 6,9% bis 7,9%, insbesondere 7,2% bis 7,6%, Tantal (Ta): 0,2% bis 0,4% Yttrium (Y): 0,45% bis 0,55% Kobalt (Co): 38,0% bis 40,0% Nickel (Ni): 29,6% bis 31,5% Hafnium (Hf): 0,05% bis 0,15%, insbesondere 0,07% bis 0,13%, optional Zirkon (Zr): bis 0,02%, insbesondere bis 0,0015%, Bor (B): bis 0,0014% Silizium (Si): bis 0,018%.
4. Pulver, aufweisend eine Legierung oder Zusammensetzung einer Legie- rung, insbesondere bestehend aus einer Legierung, nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3.
5. Pulver nach Anspruch 4, aufweisend eine Mischung aus zwei Pulvern, insbesondere bestehend aus einer Mischung von nur zwei Pul- vern, aus einer kobaltbasierten Legierung, insbesondere mit einem Anteil von 18Gew.
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, ganz insbesondere von 20Gew.%, und einer CoNiCrAlY-Legierung.
6. Pulver nach Anspruch 4, aufweisend eine Mischung aus drei Pulvern, insbesondere bestehend aus einer Mischung von nur drei Pul- vern, aus zwei kobaltbasierten Legierungen, insbesondere mit einem Anteil von jeweils 6Gew.% bis 10Gew.%, ganz insbesondere von 8Gew.%, und einer CoNiCrAlY-Legierung.
7. Pulver nach Anspruch 5 oder 6, bei dem ein Pulver aus einer kobaltbasierten Legierung auf- weist, insbesondere besteht aus (in Gew.%): Nickel (Ni): 14,0% bis 16,0% Kohlenstoff (C): 0,3% bis 0,4% Chrom (Cr): 19,0% bis 21,0% Kobalt (Co): 46,0% bis 48,0% Wolfram (W): 8,0% bis 10,0% Titan (Ti): 0,1% bis 0,3% Aluminium (Al): 4,0% bis 4,8% Tantal (Ta): 2,8% bis 3,2% Hafnium (Hf): 1,0% bis 1,2% Yttrium (Y): 0,03% bis 0,05%, insbesondere ohne Bor (B) und/oder ohne Zirkon (Zr) und/oder ohne Silizium (Si).
8. Pulver nach Anspruch 5 oder 6, bei dem ein Pulver aus einer kobaltbasierten Legierung auf- weist, insbesondere besteht aus (in Gew.%): Nickel (Ni): 29,50% bis 31,5% Kohlenstoff (C): 0,01% bis 0,02% Chrom (Cr): 9,0% bis 11,0% Kobalt (Co): 38,0% bis 40,0% Wolfram (W): 14,0% bis 16,0% Titan (Ti): 0,18% bis 0,28% Aluminium (Al): 3,5% bis 4,5% Bor (B): 0,01% bis 0,02% Zirkon (Zr): bis 0,22%, insbesondere 0,01% bis 0,022%, Tantal (Ta): 0,4% bis 0,8% Hafnium (Hf): 0,2% bis 0,4% Silizium (Si): 0,15% bis 0,21%, insbesondere ohne Yttrium (Y).
9. Pulver nach Anspruch 5 oder 6, bei dem ein Pulver aus einer CoNiCrAlY-Legierung aufweist, insbesondere besteht aus (in Gew.%): Nickel (Ni): 31,0% bis 33,0% Chrom (Cr): 20,0% bis 22,0% Kobalt (Co): 37,5% bis 39,5% Aluminium (Al): 7,5% bis 8,5% Yttrium (Y): 0,5% bis 0,7%, insbesondere ohne Tantal (Ta) und/oder ohne Wolfram (W) und/oder ohne Titan (Ti) und/oder ohne Kohlenstoff (C) und/oder ohne Hafnium (Hf) und/oder ohne Silizium (Si) und/oder ohne Rhenium (Re) und/oder ohne Ruthenium (Ru).
10. Bauteil, insbesondere ein Turbinenbauteil, aufweisend eine Legierung nach einem oder mehreren der An- sprüche 1, 2 oder 3, insbesondere bestehend aus einer Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3 oder hergestellt aus einem Pulver nach einem oder mehreren der Ansprüche 4, 5, 6, 7, 8 oder 9.
11. Bauteil, insbesondere ein Turbinenbauteil, ganz insbesondere ein repariertes Bauteil, aufweisend ein metallisches Substrat, das verschieden ist von einer Legierung nach Anspruch 1, sowie höchstens teilweise aufweisend ein Bestandteil aus einer Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3.
12. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Turbinenbauteils, bei dem durch Auftragschweißen, insbesondere durch Laserauftragschweißen, oder durch additive Verfahren, insbesondere mittels Pulverbettverfahren, eine Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3 oder ein Pulver nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9 verwendet wird.
13. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere zur Reparatur eines Bauteils, bei dem durch Auftragschweißen, insbesondere durch Laserauftragschweißen, oder durch additive Verfahren, insbesondere durch Pulverbettverfahren, eine Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3 oder ein Pulver nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9 auf ein Substrat des Bauteils aufgetragen wird.
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