Kriechbeständige, rheniumfreie Nickelbasissuperlegierung

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nickelbasislegierung, die im Wesentlichen frei von Rhenium ist und eine Solidustemperatur von mehr als 1320°C aufweist, wobei Ausscheidungen einer y'-Phase in einer γ-Matrix mit einem Anteil von 40 bis 50 Vol.-% bei 1050°C bis 1100°C vorliegen, und die eine y/y'-Fehlpassung bei 1050°C bis 1100°C im Bereich von -0,15 % bis -0,25 % aufweist und deren chemische Zusammensetzung Aluminium von 11 bis 13 at.-%, Kobalt von 4 bis 14 at.-%, Chrom von 6 bis 12 at.-%, Molybdän von 0,1 bis 2 at.-%, Tantal von 0,1 bis 3,5 at.-%, Titan von 0,1 bis 3,5 at.-%, Wolfram von 0,1 bis 3 at.-% sowie den Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen aufweist, wobei der Wolframgehalt in der γ-Matrix größer ist als in den ausgeschiedenen γ'-Phasen.

Beschreibung

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nickelbasislegierung, die im Wesentlichen frei von Rhenium ist, aber gleichzeitig die Eigenschaften hinsichtlich der Kriechbeständigkeit der Nickelbasissuperlegierungen der zweiten Generation erreicht.

STAND DER TECHNIK

[0002] In Gasturbinen, wie stationären Gasturbinen oder Flugtriebwerken, werden Nickelbasis-Superlegierungen beispielsweise als Schaufelwerkstoffe eingesetzt, da diese Werkstoffe auch bei den hohen Betriebstemperaturen noch eine ausreichende Festigkeit für die hohen mechanischen Belastungen aufweisen. Beispielsweise werden Turbinenschaufeln bei stationären Gasturbinen oder Strahltriebwerken in Flugverkehrsflugzeugen einem Abgasstrom mit Temperaturen von bis zu 1500°C ausgesetzt und unterliegen gleichzeitig sehr hohen mechanischen Belastungen durch Fliehkräfte. Unter diesen Bedingungen kommt es insbesondere darauf an, dass die Kriechbeständigkeit des eingesetzten Werkstoffs den Anforderungen genügt. Um die Kriechbeständigkeit weiter zu steigern, werden seit einigen Jahrzenten Turbinenschaufeln auch einkristallin hergestellt, um durch die Vermeidung von Korngrenzen die Kriechbeständigkeit weiter zu verbessern.

[0003] Bei den derzeit eingesetzten Nickelbasissuperlegierungen der sogenannten zweiten und dritten Generation weisen die Legierungen üblicherweise das chemische Element Rhenium auf, und zwar mit einem Anteil von drei bzw. sechs Gewichtsprozent, da Rhenium die Kriechbeständigkeit weiter verbessert.

[0004] Allerdings ist durch die geringe Verfügbarkeit von Rhenium die Beimengung von Rhenium sehr teuer. Entsprechend gibt es im Stand der Technik bereits Bestrebungen den Anteil von Rhenium zu reduzieren bzw. ganz auf das Zulegieren von Rhenium zu verzichten, wobei gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Kriechbeständigkeit, erhalten bleiben sollen. Untersuchungen hierzu gibt es von A. Heckl, S. Neumeier, M. Göken, R.F. Singer, "The effect ofRe and Ru on γ/γ'microstructure, γ-solid solution strengthening and creep strength in nickel-base superalloys", in Material Science and Engineering A 528 (2011)3435-3444 und Paul J. Fink, Joshua L. Miller, Douglas G. Konitzer, "Rhenium Reduction - Alloy Design Using an Economically Strategic Element", JOM, 62(2010), 55-57. Darüber hinaus sind auch entsprechende Legierungen Gegenstand von Patentanmeldungen, wie beispielsweise in der EP 2 305 847 A1, EP 2 305 848 A1, EP 2 314 727 A1, US 2010/0135846 A1, WO 2009/032578 A1 und WO 2009/032579 A1.

[0005] Obwohl damit bereits einige Lösungsvorschläge für eine Rheniumreduzierung bzw. für rheniumfreie Nickelbasissuperlegierungen bestehen, besteht weiterhin Bedarf, rheniumreduzierte bzw. rheniumfreie Nickelbasissuperlegierungen zu entwickeln, deren mechanische Eigenschaften, insbesondere Hochtemperatureigenschaften, wie Kriechbeständigkeit, im Bereich der derzeit eingesetzten rheniumhaltigen Nickelbasissuperlegierungen liegen, bzw. den Einsatz bestimmter Elemente wie Hafnium vermeiden.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

AUFGABE DER ERFINDUNG

[0006] Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Nickelbasissuperlegierung anzugeben, welche vergleichbare mechanische Eigenschaften, insbesondere Hochtemperatureigenschaften, wie Kriechbeständigkeit, wie derzeit eingesetzte Nickelbasissuperlegierungen der zweiten und dritten Generation aufweist, aber auf das Zulegieren des Elements Rhenium vollständig verzichtet. Darüber hinaus soll die Legierung wirtschaftlich und effizient herstellbar und insbesondere leicht gießbar sowie einkristallin oder gerichtet erstarrbar sein.

TECHNISCHE LÖSUNG

[0007] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen entsprechenden Gegenstand, insbesondere eine Komponente einer Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0008] Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass Rhenium bei den Nickelbasissuperlegierungen insbesondere zur Mischkristallhärtung der γ-Matrix der Nickelbasissuperlegierungen beiträgt. Um Rhenium wirksam ersetzen zu können, muss deshalb ein Legierungsbestandteil vorhanden sein, welcher die Aufgabe der Mischkristallhärtung von Rhenium übernimmt. Die Erfindung setzt an diesem Punkt an und schlägt vor, dass Wolfram als effizienter Mischkristallhärter in der Legierung verwendet werden kann. Allerdings liegt Wolfram üblicherweise nicht nur in der γ-Matrix von Nickelbasissuperlegierungen vor, sondern auch in den ausgeschiedenen γ'-Phasen, die üblicherweise durch Ni₃Al oder Ni₃Ti bzw. Mischungen daraus gebildet sind. Hier setzt die Erfindung an, indem sie Nickelbasissuperlegierungen vorschlägt, bei denen unter vorgegebenen Randbedingungen die Legierungszusammensetzung so optimiert ist, dass der Wolframgehalt in der γ-Matrix größer ist als in den ausgeschiedenen γ'-Phasen.

[0009] Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass als Randbedingung eine chemische Zusammensetzung der Legierung mit einem Aluminiumgehalt von 11 bis 13 at.-%, einem Kobaltgehalt von 4 bis 14 at.-% (Atom - %), einem Chromgehalt von 6 bis 12 at.-%, einem Molybdängehalt von 0,1 bis 2 at.-%, einem Tantalgehalt von 0,1 bis 3,5 at.-%, einem Titangehalt von 0,1 bis 3,5 At.-%, einem Wolframgehalt von 0,1 bis 3 at.-% sowie dem Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen vorgegeben wird. Eine derartige Legierung soll weiterhin als Randbedingung eine Solidustemperatur von mehr als 1.320°C aufweisen und der Anteil der γ'-Phase soll im Bereich von 40 bis 50 Vol.-%, insbesondere bei 44 bis 46 Vol.-% bei einer Temperatur im Bereich von 1050°C von 1100°C liegen. Zusätzlich soll als Randbedingung festgelegt sein, dass die γ/γ'-Fehlpassung bei Temperaturen von 1050°C bis 1100°C im Bereich von -0,15 % bis -0,25 % beträgt. Die γ/γ'-Fehlpassung ist definiert als die normierte Differenz der Gitterkonstanten der beiden Phasen γ und γ':

[0010] Um nun die Legierung kriechbeständig auszugestalten, wird die Zusammensetzung so gewählt, dass der Anteil an Wolfram in der γ-Matrix größer ist als in der γ'-Phase. Eine Legierung mit einer derartigen Zusammensetzung mit einem entsprechend hohen Wolframgehalt in der γ-Matrix weist die erforderlichen mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen und insbesondere die erforderliche Kriechbeständigkeit auf. Zwar ist es auch denkbar den Wolframgehalt insgesamt zu erhöhen, so dass dadurch auch der Wolframgehalt in der γ-Matrix erhöht wird. Allerdings wird dadurch die Dichte der Legierung erhöht, so dass es vorteilhaft ist das Verhältnis des Wolframgehalts von Matrix zu γ'- Ausscheidungen entsprechend zu verbessern. Die Zusammensetzung der Legierung kann innerhalb der angegebenen Grenzen bzw. Randbedingungen variiert werden.

[0011] Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Legierungszusammensetzung so gewählt werden, dass bei einer Temperatur von 1050 °C bis 1100 °C der Wolframgehalt in der γ-Matrix ≥ 3,5 at.-% ist.

[0012] Vorzugsweise wird jedoch die chemische Zusammensetzung so gewählt, dass der Wolframgehalt in der γ-Matrix maximal ist.

[0013] Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass bei einem minimalen Aluminiumgehalt ein maximaler Tantalgehalt und ein mittlerer Titangehalt eingestellt wird. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass insbesondere durch die Tantal- und Titangehalte sowie den Aluminiumgehalt die Konzentration von Wolfram in der γ-Matrix variiert werden kann.

[0014] Entsprechend können der Tantalgehalt und der Titangehalt zusammen auf einen Wert von ≥ 3 at.-%, vorzugsweise ≥ 4,5 at.-%, insbesondere ≥ 5 at.-% eingestellt werden.

[0015] Folglich kann eine Nickelbasislegierung die folgende chemische Zusammensetzung aufweisen: Aluminium von 11 bis 12 at.-%, Kobalt von 8 bis 10 at.-%, Chrom von 6 bis 8 at.-%, Molybdän von 0,5 bis 1,5 at.-%, Tantal von 2 bis 3,5 at.-%, Titan von 1 bis 2 at.-%, Wolfram von 2 bis 3 at.-% sowie Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen.

[0016] Nach einer weiteren Ausgestaltung kann eine Nickelbasislegierung nach der vorliegenden Erfindung folgende chemische Zusammensetzung aufweisen: Aluminium von 11 bis 11,2 at.-%, Kobalt von 9,1 bis 9,3 at.-%, Chrom von 6 bis 6,2 at.-%, Molybdän von 0,85 bis 1,0 at.-%, Tantal von 3,3 bis 3,5 at.-%, Titan von 1,5 bis 1,7 at.-%, Wolfram von 2,8 bis 3 at.-% sowie Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen.

[0017] Zusätzlich zu den oben angegebenen Legierungsbestandteilen können weitere Elemente in Form von Spurenelementen vorhanden sein, deren Gehalt auf folgende Bereiche beschränkt werden kann: Bismut von 0 bis 0,00003 Gew.-% (Gewichtsprozent), Selen von 0 bis 0,0001 Gew.-%, Thallium von 0 bis 0,00005 Gew.-%,Blei von 0 bis 0,0005 Gew.-%, und Tellur von 0 bis 0,0001 Gew.-%.

[0018] Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass ein Anteil von 0,05 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,2 Gew.-% Hafnium vorteilhaft ist, welches unter anderem die Korngrenzenfestigkeit und Bruchlebensdauer verbessern kann.

[0019] Ferner kann der Schwefelgehalt auf Werte von 2 ppm, insbesondere 1 ppm (parts per million) Schwefel und darunter begrenzt werden, um die mechanischen Eigenschaften weiter zu verbessern.

[0020] Mit der erfindungsgemäßen Legierung können insbesondere Gegenstände, wie Komponenten von Gasturbinen, vorzugsweise Turbinenschaufeln, und dergleichen hergestellt werden, die einkristallin oder gerichtet erstarrt ausgebildet sein können.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUR

[0021] Die beigefügte Figur zeigt einen Larson - Miller - Plot zur Veranschaulichung der Kriechbeständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung im Vergleich zu bekannten Legierungen und einer Vergleichslegierung.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

[0022] Gemäß der Erfindung wurde eine Legierung hergestellt, deren Zusammensetzung der nachfolgenden Tabelle entnommen werden kann (Legierung 3). Als Vergleichslegierungen wurden die Legierungen 1 und 2 gewählt, wobei die Legierung 1 im Wesentlichen in der chemischen Zusammensetzung derjenigen des Werkstoffs CMSX - 4 entspricht und die Legierung 2 eine Legierung mit einer ähnlichen Zusammensetzung wie der Werkstoff CMSX - 4 ist, jedoch um das Rhenium reduziert ist. Die Bestandteile der Legierungen sind in der Tabelle in Gewichtsprozent angegeben.

Legierung	Al	Co	Cr	Mo	Ta	Ti	W	Re	Hf	Ni
Legierung 1	5,6	9,0	6,5	0,6	6,5	1,0	6,0	3,0	0,1	Rest
Legierung 2	6,1	8,9	5,3	1,0	6,7	0,0	6,2	0,0	0,0	Rest
Legierung 3	4,8	8,6	5	1,4	10,1	1,3	8,8	0,0	0,0	Rest

[0023] Wie sich aus der beigefügten Figur ergibt, die einen sogenannten Larson - Miller - Plot zeigt, weist die erfindungsgemäße Legierung 3 eine ähnliche Kriechbeständigkeit auf, wie die Legierung 1, die einer Nickelbasissuperlegierung der zweiten Generation entspricht. Demgegenüber weist die Legierung 2 eine sehr viel geringere Kriechbeständigkeit auf, was durch den fehlenden Rheniumanteil und die fehlende Optimierung der Legierungszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung begründet ist. Damit wird deutlich, dass durch die erfindungsgemäße Lehre Nickelbasissuperlegierungen bereitgestellt werden können, die auf das schwer verfügbare Element Rhenium verzichten können, aber gleichwohl mechanische Hochtemperatureigenschaften, wie beispielsweise eine entsprechende Kriechbeständigkeit, bereitstellen können, wie bekannte rheniumhaltige Legierungen.

[0024] Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder Merkmale andersartig kombiniert werden können, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Die vorliegende Offenbarung offenbart sämtliche Kombinationen aller vorgestellter Einzelmerkmale.

Ansprüche

1. Nickelbasislegierung, die im Wesentlichen frei von Rhenium ist und eine Solidustemperatur von mehr als 1320°C aufweist, wobei Ausscheidungen einer γ'-Phase in einer γ-Matrix mit einem Anteil von 40 bis 50 Vol.-% bei Temperaturen von 1050°C bis 1100°C vorliegen und die γ/γ'-Fehlpassung bei Temperaturen von 1050°C bis 1100°C im Bereich von -0,15 % bis -0,25 % beträgt und die chemische Zusammensetzung aufweist:

Aluminium von 11 bis 13 at.-%,

Kobalt von 4 bis 14 at.-%,

Chrom von 6 bis 12 at.-%,

Molybdän von 0,1 bis 2 at.-%,

Tantal von 0,1 bis 3,5 at.-%,

Titan von 0,1 bis 3,5 at.-%,

Wolfram von 0,1 bis 3 at.-% sowie

Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei

der Wolframgehalt in der γ-Matrix größer ist als in den ausgeschiedenen γ'-Phasen.

2. Nickelbasislegierung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wolframgehalt in der γ-Matrix bei einer Temperatur von 1100 °C größer als 3,5 at.-% ist.

3. Nickelbasislegierung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wolframgehalt in der γ-Matrix in Abhängigkeit der übrigen Legierungsbestandteile maximal ist.

4. Nickelbasislegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wolframgehalt und der Molybdängehalt in der γ-Matrix zusammen mehr als 5 at.-% betragen.

5. Nickelbasislegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einem minimalen Aluminiumgehalt ein maximaler Tantalgehalt und ein mittlerer Titangehalt eingestellt ist.

6. Nickelbasislegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Tantalgehalt und der Titangehalt zusammen größer oder gleich 3 at.-%, vorzugsweise 4,5 at.-%, insbesondere größer oder gleich 5 at.-% ist.

7. Nickelbasislegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung folgende chemische Zusammensetzung aufweist:

Aluminium von 11 bis 12 at.-%,

Kobalt von 8 bis 10 at.-%,

Chrom von 6 bis 8 at.-%,

Molybdän von 0,5 bis 1,5 at.-%,

Tantal von 2 bis 3,5 at.-%,

Titan von 1 bis 2 at.-%,

Wolfram von 2 bis 3 at.-% sowie

Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen.

8. Nickelbasislegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung folgende chemische Zusammensetzung aufweist:

Aluminium von 11 bis 11,2 at.-%,

Kobalt von 9,1 bis 9,3 at.-%,

Chrom von 6 bis 6,2 at.-%,

Molybdän von 0,85 bis 1,0 at.-%,

Tantal von 3,3 bis 3,5 at.-%,

Titan von 1,5 bis 1,7 at.-%,

Wolfram von 2,8 bis 3 at.-% sowie

Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen.

9. Nickelbasislegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung folgende Spurenelemente aufweist:

Bismut von 0 bis 0,00003 Gew.-%,

Selen von 0 bis 0,0001 Gew.-%,

Thallium von 0 bis 0,00005 Gew.-%,

Blei von 0 bis 0,0005 Gew.-%, und

Tellur von 0 bis 0,0001 Gew.-%.

10. Nickelbasislegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung 0,05 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,2 Gew.-% Hafnium aufweist.

11. Nickelbasislegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schwefelgehalt kleiner oder gleich 2 ppm, vorzugsweise kleiner oder gleich 1 ppm ist.

12. Gegenstand aus einer Nickelbasislegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

13. Gegenstand nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Gegenstand einkristallin oder gerichtet erstarrt ist.

14. Gegenstand nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Gegenstand eine Komponente, insbesondere eine Turbinenschaufel einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks ist.

Zeichnung