Hochtemperaturbeständiges Bauteil aus einkristalliner oder polykristalliner Nickel-Basis-Superlegierung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein hochtemperaturbeständiges Bauteil aus einer Nickel-Basis-Superlegierung.

[0002] In der DE 23 33 775 B2 ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Nickellegierung beschrieben. Die Nickellegierung besteht aus bis zu 0,3 % Kohlenstoff, 11-15 % Chrom, 8-12 % Kobalt, 1-2,5 % Molybdän, 3-10 % Wolfram, 3,5-10 % Tantal, 3,5-4,5 % Titan, 3-4 % Aluminium, 0,005-0,025 % Bor, 0,05-0,4 % Zirkon und den Rest Nickel. Weiterhin sind 0,01-3 % Hafnium zusätzlich in der Legierung enthalten, wobei durch eine geeignete Wärmebehandlung eine blockartige Carbid-Ausbildung und eine feindisperse Ausscheidung einer Ni₃(Al,Ti)-Phase. Ein Zusatz von Rhenium oder Ruthenium wird nicht angesprochen.

[0003] Die US-PS-5,611,670 offenbart eine Laufschaufel für eine Gasturbine. Die Laufschaufel weist einen einkristallinen Plattformbereich und ein einkristallines Schaufelblatt auf. Ein Befestigungsbereich der Schaufel ist mit einer gerichtet erstarrten Struktur ausgeführt. Die Schaufel ist aus einer Superlegierung gegossen, die in Gewichtsprozent folgende Zusammensetzung aufweist: bis zu 0,2 % Kohlenstoff, 5-14 % Chrom, 4-7 % Aluminium, 2-15 %Wolfram, 0,5-5 % Titan, bis zu 3 % Niob, bis zu 6 % Molybdän, bis zu 12 % Tantal, bis zu 10,5 % Kobalt, bis zu 2 % Hafnium, bis zu 4 % Rhenium, bis 0,035 % Bor, bis zu 0,035 % Zirkon und den Rest Nickel. Diese weiten Bereichsangaben dienen der Angabe von Legierungszusammensetzungen, die grundsätzlich für die vorgeschlagene Gasturbinenschaufel geeignet sind, zeigen aber keinen hinsichtlich einer besonderen Oxidations- und
Korrosionsbeständigkeit oder Festigkeit geeigneten Zusammensetzungsbereich auf.
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[0004] In der EP 0 297 785 B1 ist eine Nickel-Basis-Superlegierung für Einkristalle offenbart. Die Superlegierung weist in Gewichtsprozent folgende Zusammensetzung auf: 6-15 % Chrom, 5-12 % Wolfram, 0,01-4 % Rhenium, 3-9 % Tantal, 0,5-2 % Titan, 4-7 % Aluminium und optional 0,5-3 % Molybdän. Mit dieser Superlegierung wird sowohl eine Hochtemperaturrissfestigkeit als auch eine Korrosionsbeständigkeit erreicht. Um die Korrosionsbeständigkeit nicht zu beeinträchtigen, darf der Titangehalt zwei Gewichtsprozent nicht überschreiten.

[0005] In der US-PS-5,122,206 ist eine Nickel-Basis-Superlegierung angegeben, die eine besonders schmale Koexistenzzone für die feste und flüssige Phase aufweist und damit besonders für einen Einkristallgießprozess geeignet ist. Die Legierung weist in Gewichtsprozent folgende Zusammensetzung auf: 10-30 % Chrom, 0,1-5 % Niob, 0,1-8 % Titan, 0,1-8 % Aluminium, 0,05-0,5 % Kupfer oder statt Kupfer 0,1-3 % Tantal, wobei im erstgenannten Fall optional auch Hafnium oder Rhenium mit einem Gehalt von 0,05-3 % vorhanden sein kann und im zweiten Fall auch statt Rhenium oder Hafnium 0,05-0,5 % Kupfer. Weiterhin können optional 0,05-3 % Molybdän oder Wolfram vorgesehen sein.

[0006] Die WO 01/09403 A1 zeigt eine Nickelbasislegierung mit 11 -13 % Chrom, 3 - 5% Wolfram, 0,5-2,5% Molybdän, 3 - 5% Aluminium 3 - 5 % Titan, 3 - 7% Tantal, 0 - 12 % Kobalt, 0 - 1% Niob 0 - 2 % Hafnium, 0 - 1% Zirkon, 0 - 0.05% Bor, 0 - 0.2 % Kohlenstoff, 1 - 5% Rhenium, 0 - 5% Ruthenium, Rest Nickel. Die durch Rhenium geförderte Bildung versprödender intermetallischer Phasen (Cr- und/ oder Re-haltige Ausscheidungen) führt zu einer Reduzierung der Lebensdauer, weil die Sprödphasen die Rissbildung fördern.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil aus einer Nickel-Basis-Superlegierung anzugeben, das besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich einer Hochtemperaturfestigkeit, Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit und Stabilität gegen duktilitätsmindernde Bildung intermetallischer Phasen über eine lange Lebensdauer aufweist.

[0008] Erfindungsgemäß wird die auf ein Bauteil gerichtete Aufgabe gelöst durch Angabe eines hochtemperaturbeständigen Bauteils aus einer Nickel-Basis-Superlegierung, deren Zusammensetzung folgende Elemente in Gewichtsprozent umfaßt:
9 - 11 % Chrom,
3-5 % Wolfram,
0,5-2,5 % Molybdän,
3-5 % Aluminium,
3-5 % Titan,
3-7 % Tantal,
1-5 % Rhenium,
Rest Nickel und Verunreinigungen.

[0009] Die Superlegierung-des angegebenen Bauteils ist in ihrer Zusammensetzung erstmalig so spezifiziert, daß für das Bauteil besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich seiner Hochtemperaturfestigkeit, seiner Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit und hinsichtlich einer Stabilität gegen die Bildung duktilitätsmindernder intermetallischer Phasen besteht. Über umfangreiche Versuche, die der Erfindung vorausgingen, konnte die angegebene spezielle Zusammensetzung ermittelt werden, mit der die gewünschten, oben genannten Eigenschaften in überraschend hohem Maße erfüllt werden. Insbesondere geht die Erfindung dabei von einer chromreichen Superlegierung aus, die eine erhöhte Festigkeit durch den Zusatz von Rhenium erhält. Die durch Rhenium geförderte Bildung versprödender intermetallischer Phasen (Cr- und/oder Re-haltige Ausscheidungen) wird durch einen Chromgehalt unterhalb 11% kontrolliert.

[0010] Vorzugsweise beträgt der Rheniumgehalt mindestens zwei Gewichtsprozent.

[0011] Bevorzugt enthält die Super-Legierung Ruthenium. Durch die Zugabe von Ruthenium kann insbesondere die Tendenz zur Ausbildung versprödender intermetallischer Phasen weiter verringert werden. Gerade bei einem Rheniumgehalt oberhalb von zwei Gewichtsprozent erweist sich die Zugabe von Ruthenium als günstig. Vorzugsweise ist dabei der maximale Rutheniumgehalt drei Gewichtsprozent und der minimale Rutheniumgehalt 0,1 Gewichtsprozent Gewichtsprozent. Bevorzugtermassen liegt der Kobaltgehalt der Superlegierung bei bis zu 12 Gewichtsprozent.

[0012] Vorzugsweise enthält die Superlegierung höchstens ein Gewichtsprozent Niob.

[0013] Bevorzugtermassen ist in der Superlegierung optional mindestens eines der folgenden Elemente enthalten:
0-2 Gew.-% Hafnium,
0-1 Gew.-% Zirkon,
0-0,05 Gew.-% Bor,
0-0,2 Gew.-% Kohlenstoff.

[0014] Erfindungsgemäß wird die auf ein Bauteil gerichtete Aufgabe ebenso gelöst durch Angabe eines hochtemperaturbeständigen Bauteils aus einer Nickel-Basis-Superlegierung, deren Zusammensetzung folgende Elemente in Gewichtsprozent umfaßt:
9-11 % Chrom,
3-5 % Wolfram,
0,5-2,5 % Molybdän,
3-5 % Aluminium,
3-5 % Titan,
3-7 % Tantal,
0,1-5 % Ruthenium,
Rest Nickel und Verunreinigungen.

[0015] Die Vorteile für ein solches Bauteil ergeben sich entsprechend den obigen Ausführungen zu den Vorteilen des Rhenium aufweisenden Bauteils. Überraschenderweise läßt sich auch durch Zugabe von Ruthenium und ohne einen Rheniumgehalt eine besonders hohe Hochtemperaturfestigkeit erreichen, wobei in der angegebenen Zusammensetzung gleichzeitig die Oxidations-/Korrosionsbeständigkeit ebenfalls hoch ist.

[0016] Bevorzugtermassen ist der Kobaltgehalt der Superlegierung geringer als 12 Gewichtsprozent, während der Niobgehalt bei höchstens einem Gewichtsprozent liegt. Vorzugsweise sind in der Superlegierung 0-2 Gewichtsprozent Hafnium und/oder 0-1 Gewichtsprozent Zirkon und/oder 0-0,05 Gewichtsprozent Bor und/oder 0-0,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthalten.

[0017] Vorzugsweise weist das Bauteil eine gerichtet erstarrte Kornstruktur auf. In einer solchen gerichtet erstarrten Struktur sind die Korngrenzen im wesentlichen entlang einer Achse ausgerichtet. Damit ergibt sich eine besonders hohe Festigkeit entlang dieser Achse.

[0018] Bevorzugtermassen weist das Bauteil eine einkristalline Struktur auf. Durch die einkristalline Struktur werden festigkeitsmindernde Korngrenzen im Bauteil vermieden und es ergibt sich eine besonders hohe Festigkeit.

[0019] Vorzugsweise ist das Bauteil als eine Gasturbinenschaufel ausgebildet. Gerade eine Gasturbinenschaufel ist besonders hohen Anforderungen hinsichtlich einer Hochtemperaturfestigkeit und einer Oxidations-/Korrosionsbeständigkeit ausgesetzt.

[0020] Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel anhand der Fgiur näher erläutert.

[0021] Die Figur zeigt in einer Ansicht ein hochtemperaturbeständiges Bauteil, ausgeführt als Gasturbinenschaufel 1. Die Gasturbinenschaufel 1 weist ein Schaufelblatt 3, eine Plattform 5 und einen Befestigungsbereich 7 auf. Die Gasturbinenschaufel 1 ist in einem Gießprozeß gerichtet erstarrt hergestellt, wodurch sich entlang einer Schaufelachse 8 gerichtete Korngrenzen 9 ergeben.

[0022] Die Gasturbinenschaufel 1 ist aus einer Nickel-Basis-Superlegierung gefertigt, die eine der Zusammensetzungen aufweist, die in Tabelle 1 aufgeführt sind.
Insbesondere ist ein Anteil von Cobalt zwischen 6 und 10% und ein Gehalt von Zirkonium zwischen 0 und 0.1% von Vorteil.

[0023] Vorteilhafte Zusammensetzung sind bspw. gegeben durch:

• Cr: 10.25%, Mo: 1.85%, W:4.70, Co: 6.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Re: 1.5%, Rest Ni.
• Cr: 9.00%, Mo: 1.85%, W:4.70, Co: 6.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Re: 3.5%, Rest Ni.
• Cr: 10.75%, Mo: 1.85%, W:4.70, Co: 6.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Re: 1.5%, Ru: 2.0% Rest Ni.
• Cr: 10.25%, Mo: 1.85%, W:4.70, Co: 8.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Ru: 1.5%, Rest Ni.
• Cr: 10.75%, Mo: 1.85%, W:4.70, Co: 8.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Ru: 3.75%, Rest Ni.
• Cr: 10.25%, Mo: 1.85%, W:4.70, Co: 8.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Re: 2.00%, Ru: 2.5, Rest Ni.

Ansprüche

1. Hochtemperaturbeständiges Bauteil (1) aus einer Nickel-Basis-Superlegierung, deren Zusammensetzung folgende Elemente in Gewichtsprozent umfaßt:
9 -11 % Chrom
3 - 5 % Wolfram
0,5-2,5 % Molybdän
3 - 5 % Aluminium
3 - 5 % Titan
3 - 7 % Tantal
0 - 12 % Kobalt
0 - 1 % Niob
0 - 2 % Hafnium
0 - 1 % Zirkon
0 - 0.05% Bor
0 - 0.2 % Kohlenstoff
1 - 5 % Rhenium
0 - 5 % Ruthenium
Rest Ni und Verunreinigungen.

2. Bauteil (1) nach Anspruch 1, bei dem der Rhenium-Gehalt mindestens zwei Gewichtsprozent beträgt.

3. Bauteil (1) nach Anspruch 1, mit einem maximalen Ruthenium-Gehalt der Superlegierung von 3 Gewichtsprozent.

4. Bauteil (1) nach Anspruch 1 oder 3, mit einem minimalen Ruthenium-Gehalt der Superlegierung von 0,1 Gewichtsprozent, insbesondere 0,5 Gewichtsprozent.

5. Hochtemperaturbeständiges Bauteil (1) aus einer Nickel-Basis-Superlegierung, deren Zusammensetzung folgende Elemente in Gewichtsprozent umfaßt:
9- 11 % Chrom
3 - 5 % Wolfram
0,5-2,5 % Molybdän
3 - 5 % Aluminium
3 - 5 % Titan
3 - 7 % Tantal
0 - 12 % Kobalt
0 - 1 % Niob
0 - 2 % Hafnium
0 - 1 % Zirkon
0 - 0.05% Bor
0 - 0.2 % Kohlenstoff
0.1 - 5 % Ruthenium
Rest Ni und Verunreinigungen.

6. Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine gerichtet erstarrte Kornstruktur (9) aufweist.

7. Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das eine einkristalline Struktur aufweist.

8. Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das eine isotrope Verteilung der Orientierungen der Kornstruktur aufweist.

9. Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als Gasturbinenschaufel ausgebildet ist.

Amended claims

Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 86(2) EPÜ.

1. Hochtemperaturbeständiges Bauteil (1) aus einer Nickel-Basis-Superlegierung, deren Zusammensetzung folgende Elemente in Gewichtsprozent umfasst:
9- <11 % Chrom
3 - 5 % Wolfram
0,5-2,5 % Molybdän
3 - <3. 5 % Aluminium
3 - 5 % Titan
3 - 7 % Tantal
0 - 12 % Kobalt
0 - 1 % Niob
0 - 2 % Hafnium
0 - 1 % Zirkon
0 - 0.05% Bor
0 - 0.2 % Kohlenstoff
1 - 5 % Rhenium
0.1 - 5 % Ruthenium
Rest Ni und Verunreinigungen.

5. Hochtemperaturbeständiges Bauteil (1) aus einer Nickel-Basis-Superlegierung, deren Zusammensetzung folgende Elemente in Gewichtsprozent umfasst:
9- <11 % Chrom
3 - 5 % Wolfram
0,5-2,5 % Molybdän
3 - <3. 5 % Aluminium
3 - 5 % Titan
3 - 7 % Tantal
0 - 12 % Kobalt
0 - 1 % Niob
0 - 2 % Hafnium
0 - 1 % Zirkon
0 - 0.05% Bor
0 - 0.2 % Kohlenstoff
0.1 - 5 % Ruthenium
Rest Ni und Verunreinigungen.