Die Erfindung betrifft eine Legierung, die zur Herstellung von gerichtet erstarrten Bauteilen dient, und ein Bauteil, dass stängelförmige Kristalle aufweist.
Für den Einsatz im Hochtemperaturbereich, wie zum Beispiel bei Gasturbinen werden oft nickelbasierte Superlegierungen verwendet. Zur weiteren Steigerung der Festigkeit werden Einkristalle oder Bauteile mit stängelförmigen Körnern verwendet.
Bei den Bauteilen mit den stängelförmigen Körnern kommt es auf die Korngrenzenfestigkeit an und auf die Korngrenzen-Ausscheidungen bzw. das Vorhandensein von Fremdelementen (Verunreinigungen), die sich an den Korngrenzen abscheiden. Diese Elemente können einen erheblichen Einfluss auf das mechanische Verhalten bei den hohen Temperaturen aufweisen.
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Diese Legierungen weisen jedoch eine geringe Korngrenzenfestigkeit auf, die die gesamte Festigkeit eines Bauteils dadurch negativ beeinflussen, oder sind durch Zirkon und Hafnium zu wenig duktil.
Geringere Zugaben von bestimmten Elementen können bei Überschreitung negative Auswirkungen auf diese Eigenschaften der Legierung haben.
Allerdings stellt die Verringerung der Anteile solcher Elemente einen hohen Aufwand dar. Es ist also abzuwägen zwischen Kosten und Optimierung der Eigenschaften der Legierung.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung dieses Problem zu lösen. Die Aufgabe wird gelöst durch eine:
nickelbasierte Superlegierung für die gerichtete Erstarrung von Bauteilen mit stängelförmigen Körnern,
die besteht aus (in Gew.-%):
Zirkon (Zr),
wobei die Legierung maximal 25ppm Zirkon (Zr) enthält, und zumindest ein Element der Gruppe
Eisen (Fe), Vanadium (V), Niob (Nb), Kupfer (Cu), Hafnium (Hf), Zirkon (Zr), Phosphor (P), Schwefel (S), und Mangan (Mn),
wobei gilt für diese Elemente, falls vorhanden,
bei der der Eisengehalt (Fe) maximal 0,2% beträgt, und/oder
bei der der Eisengehalt (Fe) mindestens 0,014% beträgt, insbesondere mindestens 0,02%,
bei der der Vanadiumgehalt (V) maximal 75ppm beträgt, und/oder bei der der Vanadiumgehalt (V) mindestens 50ppm beträgt,
bei der der maximale Niobgehalt (Nb) 75ppm beträgt, und/oder bei der der Niobgehalt (Nb) mindestens 50ppm beträgt,
bei der der Kupfergehalt (Cu) maximal 0,1% beträgt, und/oder
bei der der Kupfergehalt (Cu) mindestens 0,001% beträgt, bei der der Gehalt an Hafnium (Hf) maximal 75ppm beträgt, und/oder die mindestens 10ppm Hafnium (Hf) enthält, und/oder die mindestens 10ppm Zirkon (Zr) enthält,
bei der der maximale Mangangehalt (Mn) 0,12% beträgt, und/oder
bei der der Mangangehalt (Mn) mindestens 0,001% beträgt, bei der der maximale Gehalt an Phosphor (P) 0,015% beträgt, und/oder bei der der minimale Gehalt an Phosphor (P) 0,003%, bei der der maximale Gehalt an Schwefel (S) 0,025% beträgt, und/oder
bei der der minimale Gehalt an Schwefel (S) 0,0003%, optional:
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Weitere Vorteile ergeben sich durch
Die oben genannten Merkmale können beliebig miteinander kombiniert werden, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen
Die Beschreibung und die Figuren zeigen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).
Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures).
Solche Verfahren sind aus der
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)). Solche Legierungen sind bekannt aus der
Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).
Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10Al-0,4Y-1,5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
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Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000°C bis 1600°C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.
Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf). Solche Legierungen sind bekannt aus der
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.
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Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet.
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).
Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium). Solche Legierungen sind bekannt aus der
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht darge stellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.
Die erfindungsgemäße Legierung weist folgende Gehalte in Gewichtsprozent (Gew%) auf:
Vorzugsweise weist die Superlegierung auf (in Gew%):
Es können weitere Nebenelemente wie Silizium (Si), Eisen (Fe), Vanadium (V), Niob (Nb), Kupfer (Cu), Hafnium (Hf), Zirkon (Zr), Phosphor (P), Schwefel (S), und Mangan (Mn) vorhanden sein.
Es werden für weitere Elemente, die die Korngrenzenfestigkeit reduzieren, Obergrenzen festgelegt, aber auch Mindestwerte. Diese sind für Silizium min. 0,01Gew% und max. 0,12Gew%. Silizium (Si) steigert die Oxidationsbeständigkeit und bewirkt die Deoxidierung der Schmelze.
Ebenso darf der Anteil an Eisen (Fe) 0,2% nicht überschreiten und kann mindestens 0.014Gew% betragen.
Eisen (Fe) ist als γ'-Bildner und Nickelsubstituent bekannt.
Silizium und Eisen verbessern auch die Gießbarkeit. Eine Reduzierung der Elemente wäre eher unerwünscht.
Vorzugsweise ist der Gehalt an Vanadium (V) nicht größer als 75ppm und beträgt vorzugsweise mindestens 50ppm.
Der Anteil an Kupfer (Cu) darf bis zu 0.1Gew% betragen bei Mindestwerten ab 0.001Gew%.
Ebenso vorzugsweise ist der Gehalt an Hafnium (Hf) nicht größer als 50ppm. Dies steht im Gegensatz zu den bekannten Legierungen für Legierungen für die gerichtete Erstarrung mit stängelförmigen Körnern, bei denen Hafnium bewusst mit größeren Anteilen hinzugegeben wird, um die Korngrenzen zwischen den Stängelkörnern zu stabilisieren.
Es hat sich herausgestellt, dass der höhere Borgehalt (B) sich positiv auf die Korngrenzenfestigkeit auswirkt, obwohl Bor als Schmelzpunkterniedriger verwendet wird.
Ebenso darf der Borgehalt aber einen gewissen maximalen Wert nicht überschreiten, da es sonst zu einem negativen Einfluss aufgrund des Schmelzpunkterniedrigers kommt.
Vorzugsweise beträgt der Borgehalt 150ppm.
Der Anteil an Niob (Nb) - bei einigen Ni-Superlegierungen bewusst hinzugegeben - darf hier bis 75ppm betragen bei Mindestwerten von 50ppm.
Eine optimale Karbidbildung wird mit 0,09% Kohlenstoff (C) erreicht.
Im Gegensatz zu den bekannten DS-Legierungen wird auf die höhere Zugabe von Korngrenzenfestigern wie Hafnium und Zirkon verzichtet.
Dafür wird Bor (B) und Kohlenstoff (C) zugegeben. Der Kohlenstoffgehalt liegt höher als 0.08Gew%.
Durch die Minimierung der Korngrenzenfestiger Hafnium und Zirkon muss dafür genau auf die Einhaltung der Verunreinigungen geachtet werden, wie Silizium (Si), Mangan (Mn), Eisen (Fe) oder Kupfer (Cu).
Verunreinigungen der Legierungen haben vorzugsweise einen maximalen Wert von 10ppm.
Der Anteil von Schwefel (S) liegt bei mindestens 0.0003Gew% und maximal bis 0,25Gew%. Der Anteil an Phosphor (P) liegt mindestens bei 0,003Gew% und maximal bei 0,025Gew%.
Eine höhere Reinheit der Legierung wäre zwar wünschenswert, aber kaum bezahlbar und oft nicht notwendig.
Durch die Festlegung von zulässigen Bereichen von Nebenelementen können Bauteile 120, 130 günstig aber weiterhin mit bekannt guten Hochtemperatureigenschaften hergestellt werden.
Vorzugsweise werden die Elemente Silizium (Si), Eisen (Fe), Phosphor (P) und Schwefel (S) akzeptiert.
Die Zugabe von Zink oder Zinn, insbesondere von Zinn (Sn) im Bereich von 50ppm, insbesondere von 100ppm, verbessert die mechanischen Eigenschaften der Legierung, weil es die γ'-Bildung fördert.
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