WO2024094412A1 - Kobaltbasislegierung, pulver, verfahren und bauteile - Google Patents

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    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding

Definitions

  • Cobalt-based alloy, powder, process and components The invention relates to a cobalt-based alloy, a powder, process and components.
  • a more oxidation-resistant material is required at the tips of the turbine blades due to high temperature loads (> 1373K).
  • the tip of a turbine blade even as a new part, can also have a different material than the material (substrate) of the blade.
  • Cobalt-based superalloys to improve oxidation resistance are currently already used as filler material for repairs to blade tips (EP 3,077,572 A1). The aim is to improve the mechanical properties and oxidation resistance while at the same time ensuring good weldability.
  • the object of the invention is therefore to solve the above-mentioned problem.
  • the object is achieved by a cobalt-based alloy according to claim 1, a powder according to claim 3, components according to claims 4, 5 and methods according to claims 6, 7.
  • the subclaims list further advantageous measures which can be combined with one another as desired in order to achieve further advantages.
  • cobalt-based alloy which is particularly weldable and has, in particular, (in % by weight): Carbon (C): 0.4% to 0.5% Chromium (Cr): 21.0% to 23.0% Tungsten (W): 7.2% to 8.2% Titanium (Ti): 0.05% to 0.14% Aluminium (Al): 1.7% to 2.7% Tantalum (Ta): 2.9% to 3.6% Yttrium (Y): 0.01% to 0.03% Nickel (Ni): 11.5% to 13.5% Hafnium (Hf): 0.45% to 0.65% Cobalt (Co): 49.0% to 53.0%, optionally Zirconium (Zr): up to 0.02% Boron (B): up to 0.0014% Silicon (Si): up to 0.018%.
  • Another advantageous alloy has, in particular, (in wt. %): Carbon (C): 0.45% Chromium (Cr): 22.0% Tungsten (W): 8.0% Titanium (Ti): 0.1% Aluminium (Al): 2.2% Tantalum (Ta): 3.25% Yttrium (Y): 0.02% Cobalt (Co): 50.93% Nickel (Ni): 12.5% Hafnium (Hf): 0.55%.
  • Carbon (C) is added, which, in addition to its function as a deoxidizing element, has other functions of combining with titanium (Ti) and tantalum (Ta) to form stable MC-type primary carbides, suppressing coarsening of austenitic grains during hot deformation and improving hot slipperiness.
  • Silicon (Si) may preferably be optionally added as a deoxidizing agent and at the same time acts to improve the adhesion of a forming oxide layer. However, its excessive addition causes a reduction in both hot formability and ductility at room temperatures. Chromium (Cr) forms an oxide layer with a highly close adhesion to the surface during heating at high temperatures and improves oxidation resistance. In addition, chromium (Cr) can also improve hot formability.
  • Tungsten (W) is an additional element that essentially strengthens the austenitic solid solution up to high temperatures. Aluminium (Al) is an additional element that is essential for the formation of a stable ⁇ ′ phase after tempering.
  • Ti Part of the titanium (Ti) is combined with carbon (C) to form a stable MC-type primary carbide and has a strength-increasing function in non- ⁇ ′-hardened alloys.
  • C carbon
  • the rest of titanium (Ti) exists in the ⁇ ′ phase in the solid solution state, thereby strengthening the ⁇ ′ phase, and serves to improve the high-temperature strength.
  • aluminum (Al), tantalum (Ta) and titanium (Ti) also have an important function of improving the oxidation resistance, especially in the combination of the elements, they form stable oxide layer systems.
  • tantalum (Ta) and carbon (C) are combined to form stable MC-type primary carbides, and they have strength-increasing functions, especially for non- ⁇ ′-hardened alloys.
  • Zirconium (Zr) and boron (B) are effective for optionally improving the high-temperature strength and ductility through their grain boundary active function, and at least one of them can be added to the alloy of the invention in an appropriate amount. Their effect is obtained with a small addition amount.
  • hafnium (Hf) stabilizes the grain boundaries and thus improves the mechanical properties at high temperatures.
  • the alloy or powder can be used in the manufacture of new solid components, in repairs or in the modular manufacture of new parts in which at least one section has a different chemical composition. Coatings are also carried out using the alloy or powder.
  • a complete component, in particular a turbine component can be manufactured with the alloy or the powder.
  • the alloy or the powder can also be used to manufacture a modular new part, in particular a turbine component, or also in particular a component to be repaired.
  • the alloy according to the invention or the powder according to the invention is applied to a substrate, in particular a metallic substrate, which is different from the alloy or the powder, which is in particular a nickel-based alloy, in particular by means of build-up welding.
  • Different alloy generally means that at least one alloy element is present in greater or lesser quantities and/or that the proportion of at least one alloy component differs by at least 10%, in particular by at least 20%.
  • Processes such as build-up welding, in particular laser build-up welding, in particular laser powder build-up welding with or without abrasive particles, as well as additive processes (3D printing), in particular powder bed processes, i.e. also possible with binder, or spray processes (APS, HVOF, ...) can be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kobalt-Superlegierung, aufweisend (in Gew.%): Kohlenstoff (C): 0,04% bis 0,05% Chrom (Cr): 21,0% bis 23,0% Wolfram (W): 7,2% bis 8,2% Titan (Ti): 0,05% bis 0,14% Aluminium (Al): 1,7% bis 2,7% Tantal (Ta): 2,9% bis 3,6% Yttrium (Y): 0,01% bis 0,03% Nickel (Ni): 11,5% bis 13,5% Hafnium (Hf): 0,45% bis 0,65% Kobalt (Co): 49,0% bis 53,0%, optional Zirkon (Zr): bis 0,02% Bor (B): bis 0,0014% Silizium (Si): bis 0,018%.

Description

Beschreibung Kobaltbasislegierung, Pulver, Verfahren und Bauteile Die Erfindung betrifft eine Kobaltbasislegierung, ein Pulver, Verfahren sowie Bauteile. Für Turbinenlaufschaufeln von Gasturbinen der nächsten Gene- ration wird aufgrund einer hohen Temperaturbelastung (> 1373K) ein oxidationsbeständigerer Werkstoff an den Spitzen der Turbinenlaufschaufeln benötigt. Dabei kann die Spitze einer Turbinenschaufel schon als Neu- teil auch einen anderen Werkstoff als das Material (Substrat) des Schaufelblattes aufweisen. Kobaltbasis-Superlegierungen zur Verbesserung der Oxidations- beständigkeit werden derzeit schon als Zusatzwerkstoff für Reparaturen von Schaufelspitzen eingesetzt (EP 3,077,572 A1). 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 3, Bauteile gemäß An- sprüche 4, 5 sowie Verfahren nach Ansprüchen 6, 7. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön- nen, um weitere Vorteile zu erzielen. Die Beschreibung stellt nur Ausführungsbeispiele der Erfin- dung dar. Die Idee besteht in einer Kobaltbasislegierung, die insbeson- dere schweißbar ist und aufweist, insbesondere besteht aus (in Gew. %): Kohlenstoff (C): 0,4% bis 0,5% Chrom (Cr): 21,0% bis 23,0% Wolfram (W): 7,2% bis 8,2% Titan (Ti): 0,05% bis 0,14% Aluminium (Al): 1,7% bis 2,7% Tantal (Ta): 2,9% bis 3,6% Yttrium (Y): 0,01% bis 0,03% Nickel (Ni): 11,5% bis 13,5% Hafnium (Hf): 0,45% bis 0,65% Kobalt (Co): 49,0% bis 53,0%, 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): 0,45% Chrom (Cr): 22,0% Wolfram (W): 8,0% Titan (Ti): 0,1% Aluminium (Al): 2,2% Tantal (Ta): 3,25% Yttrium (Y): 0,02% Kobalt (Co): 50,93% Nickel (Ni): 12,5% Hafnium (Hf): 0,55%. 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 optional als ein Desoxidati- onsmittel zugesetzt werden und wirkt gleichzeitig zur Verbes- serung der Haftung einer sich bildenden Oxidschicht. Jedoch verursacht dessen übermäßiger Zusatz eine Verringerung sowohl der Heißverformbarkeit als auch der Duktilität bei Raumtempe- raturen. 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. 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 optionalen Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit und Duktilität durch ihre Korngren- zen aktive Funktion wirksam, und wenigstens eines von ihnen kann der Legierung der Erfindung in einer passenden Menge zu- gesetzt werden. Ihre Wirkung wird bei einer geringen Zusatz- menge erhalten. Durch die Zugabe von Hafnium (Hf) werden die Korngrenzen sta- bilisiert und damit die mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen verbessert. 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 der Legierung oder dem Pulver hergestellt werden. Ebenso kann die Legierung oder das Pulver verwendet werden, um ein modulares Neubauteil, insbesondere ein Turbinenbau- teil, oder auch insbesondere ein zu reparierendes Bauteil, herzustellen. Dabei wird auf ein insbesondere metallisches Substrat, das verschieden ist von der Legierung oder dem Pulver, das insbesondere eine nickelbasierte Legierung darstellt, die erfindungsgemäße Legierung oder das erfindungsgemäße Pulver aufgetragen, insbesondere mittels Auftragsschweißung. Verschiedene Legierung bedeutet allgemein, dass zumindest ein Legierungselement mehr oder weniger vorhanden ist und/oder dass sich der Anteil zumindest einer Legierungskomponente um mindestens 10%, insbesondere mindestens um 20%, unterschei- det. Dabei können Verfahren (Neuteil, Reparatur) wie Auftrags- schweißen, insbesondere Laserauftragsschweißen, ganz insbe- sondere Laserpulverauftragsschweißen mit oder ohne abrasive Partikel sowie additive Verfahren (3D-Druck), insbesondere Pulverbettverfahren, d.h. auch mit Binder möglich, oder Sprühverfahren (APS, HVOF, …) verwendet werden.

Claims

Patentansprüche 1. Kobalt-Superlegierung, aufweisend, insbesondere bestehend aus (in Gew.%): Kohlenstoff (C): 0,4% bis 0,5% Chrom (Cr): 21,0% bis 23,0% Wolfram (W): 7,2% bis 8,2% Titan (Ti): 0,05% bis 0,14% Aluminium (Al): 1,7% bis 2,7% Tantal (Ta): 2,9% bis 3,6% Yttrium (Y): 0,01% bis 0,03% Nickel (Ni): 11,5% bis 13,5% Hafnium (Hf): 0,45% bis 0,65% Kobalt (Co): 49,0% bis 53,0%, optional Zirkon (Zr): bis 0,02% Bor (B): bis 0,0014% Silizium (Si): bis 0,018%. 2. Legierung nach Anspruch 1, aufweisend, insbesondere bestehend aus (in Gew. %): Kohlenstoff (C): 0,45% Chrom (Cr): 22,0% Wolfram (W): 8,0% Titan (Ti): 0,1% Aluminium (Al): 2,
2% Tantal (Ta): 3,25% Yttrium (Y): 0,02% Kobalt (Co): 50,9% Nickel (Ni): 12,5% Hafnium (Hf): 0,55.
3. Pulver, aufweisend eine Legierung, insbesondere bestehend aus einer Legierung, nach einem der Ansprüche 1 oder 2, optional mit Binder und/oder mit abrasiven Partikel.
4. Bauteil, insbesondere ein Turbinenbauteil, aufweisend eine Legierung nach einem oder beiden der An- sprüche 1 oder 2, insbesondere bestehend aus einer Legierung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2 oder hergestellt mittels einem Pulver nach Anspruch 3.
5. Bauteil, insbesondere ein Turbinenbauteil, ganz insbesondere ein repariertes Bauteil, aufweisend ein metallisches Substrat, insbesondere ein nickelbasiertes Substrat, das verschieden ist von einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2 und ein Teil des Bauteils auf dem Substrat, insbesondere eine Schaufelspitze einer Turbinenschaufel, das oder die eine Legierung nach einem oder beiden der An- sprüche 1 oder 2 aufweist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Turbinenbauteils, bei dem durch Auftragsschweißen, insbesondere durch Laserauftragsschweißen, oder durch additive Verfahren, insbesondere mittels Pulverbettverfahren, eine Legierung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2 oder ein Pulver nach Anspruch 3 verwendet wird.
7. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere zur Reparatur eines Bauteils, bei dem durch Auftragsschweißen, insbesondere durch Laserauftragsschweißen, oder durch additive Verfahren, insbesondere durch Pulverbettverfahren, eine Legierung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2 oder ein Pulver nach Anspruch 3 auf ein Substrat, insbesondere auf ein nickelbasiertes Substrat, des Bauteils aufgetragen wird.
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