Ferritische FeAlCr-Legierung mit ternären Laves-Phasen und Oxiden und/oder Karbiden für Bauteile einer Gasturbine

Beschreibung

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkstoff für Bauteile einer Gasturbine, insbesondere für Bauteile eines Flugzeugtriebwerks, mit einer Matrix aus einer ferritischen FeAlCr - Legierung und eingelagerten ternären Laves - Phasen auf Basis von FeTaAl und FeNbAl.

STAND DER TECHNIK

[0002] In Gasturbinen, wie beispielsweise stationären Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken, werden für rotierende Scheiben, an denen Schaufeln angeordnet sind oder sogenannten Blisks (Kunstwort für Blade und Disk, also kombinierte Bauteile aus Schaufeln und Scheiben) hochfeste Stähle und Nickellegierungen bei Betriebstemperaturen im Bereich von 650°C bis 730 °C eingesetzt. Um die Effizienz von Gasturbinen und insbesondere Flugzeugtriebwerken weiter zu steigern, besteht ein Bedarf, das Gewicht der rotierenden Bauteile, also beispielsweise der Scheiben und Blisks zu reduzieren und/oder die Einsatztemperatur zu erhöhen.

[0003] Mit den derzeit verwendeten Stählen und Nickellegierungen ist aber kein großes Potential hinsichtlich einer Gewichtsreduzierung und Erhöhung der Einsatztemperatur gegeben. Entsprechend gibt es bereits Bestrebungen, andere Werkstoffklassen in den genannten Einsatzbereichen einzusetzen, wie beispielsweise in der DE 10 2005 061 790 A1 bzw. der US 8,012,271 B2 beschrieben ist. Dort wird ein Werkstoff auf Basis einer Eisenbasislegierung vorgeschlagen, der intermetallische Laves - Phasen eingelagert hat. Bei dem Eisenbasislegierungswerkstoff handelt es sich um eine Eisen - Aluminium - Chrom - Legierung und die intermetallischen Laves - Phasen beruhen auf ternären Systemen mit den Bestandteilen Eisen, Aluminium, Niob und/oder Tantal. Derartige Werkstoffe weisen aufgrund der geordneten intermetallischen Phasen auch bei hohen Temperaturen hohe Festigkeiten auf, sodass sie die Anforderungen für die Anwendung bei entsprechenden Komponenten in Gasturbinen bei Betriebstemperaturen im Bereich von mehr als 730°C erfüllen können.

[0004] Weitere Beispiele für warmfeste Legierungen, allerdings Eisen - Chrom - Aluminium - Legierungen und nicht FeAlCr - Legierungen, die für Brennstoffzellen eingesetzt werden, sind in der DE 20 2011 106 778 U1 und der WO 2012/175067 beschrieben. Dort wird die erhöhte Warmfestigkeit bzw. die Kriechfestigkeit durch Ausscheidungen der intermetallischen Phasen vom Typ Fe₂(M,Si) oder Fe₇(M,Si)₆ erzielt, wobei das metallische Legierungselement M durch die Elemente Niob und Wolfram gebildet wird.

[0005] Trotz der bereits bekannten Werkstoffe besteht weiterhin Bedarf, verbesserte Werkstoffe für den Einsatz in Gasturbinen bei Temperaturen oberhalb von 700°C bereitzustellen.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

AUFGABE DER ERFINDUNG

[0006] Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Werkstoff für Bauteile einer Gasturbine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks bereitzustellen, der insbesondere für Scheiben bzw. Blisken im Hochdruckverdichter sowie in der Niederdruckturbine und in der Hochdruckturbine einer Gasturbine bei Temperaturen über 700 °C eingesetzt werden kann und durch ein geringes spezifisches Gewicht sowohl zur Leistungssteigerung der Gasturbine, als auch zur Gewichtsreduktion insbesondere bei Flugzeugtriebwerken beiträgt.

TECHNISCHE LÖSUNG

[0007] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Werkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch Bauteile mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0008] Die vorliegende Erfindung schlägt in der Weiterentwicklung des Werkstoffs der DE 10 2005 061 790 A1 bzw. US 8,012,271 B2 vor, zusätzlich zu den ternären Laves - Phasen in einer ferritischen Eisen - Aluminium - Chrom - Legierung Oxide zur Oxid - Dispersionsverfestigung und/oder Karbidausscheidungen zur Festigkeitssteigerung einzusetzen. Trotz den bereits in einer ferritischen Eisen - Aluminium - Chrom - Legierung ausscheidbaren ternären Laves - Phasen ist zusätzlich eine Dispersionsverfestigung mit Oxidpartikeln und/oder eine Verfestigung mittels Ausscheidung von Karbiden möglich und ermöglicht eine weitere Verbesserung des Eigenschaftsprofils.

[0009] Zwar gewährleisten bereits die ternären Laves - Phasen auf Basis von FeTaAl und/oder FeNbAl eine hohe Festigkeit und insbesondere hohe Warmfestigkeit bzw. Kriechbeständigkeit entsprechender Werkstoffe, aber durch die Ausscheidung zusätzlicher Karbide und/oder das Vorsehen von weiteren Oxidpartikeln kann die Festigkeit und Warmfestigkeit weiter gesteigert werden.

[0010] Bei den ternären Laves - Phasen bilden jeweils die drei als Hauptbestandteile genannten Metalle eine geordnete Gitterstruktur entsprechend der Laves - Struktur aus, wobei gleichwohl die Laves - Phasen zusätzliche Bestandteile aufweisen können. Insbesondere können bei den FeTaAl - und FeNbAl - Laves - Phasen Tantal und Niob gegeneinander ausgetauscht und ersetzt werden.

[0011] Die ternäre Laves - Phase FeTaAl kann 15 Gew.% bis 65 Gew.% Eisen, 1 Gew.% bis 15 Gew.% Aluminium und 0,5 Gew.% bis 65 Gew.% Tantal aufweisen, während die ternäre FeNbAl - Laves - Phase 15 Gew.% bis 65 Gew.% Eisen, 1 Gew.% bis 15 Gew.% Aluminium und 0,5 Gew.% bis 55 Gew.% Niob aufweisen kann.

[0012] Die ferritische FeAlCr - Legierung, die die Matrix für die ternären intermetallischen Laves - Phasen sowie für die Oxide der Oxid - Dispersionsverfestigung und die Karbide bildet, kann 30 Gew.% bis 90 Gew.% Eisen, 6 Gew.% bis 40 Gew.% Aluminium, 2 Gew.% bis 25 Gew.% Chrom, 0,1 Gew.% bis 2 Gew.% Yttrium und/oder 0,1 Gew.% bis 2 Gew.% Hafnium aufweisen. Darüber hinaus kann die ferritische FeAlCr - Legierung überschüssiges Niob, Molybdän und/oder Tantal umfassen, welches nicht in entsprechende Karbide ausgeschieden worden ist.

[0013] Insbesondere können Niob - Karbide, Molybdän - Karbide und/oder Tantal - Karbide sowie Mischkarbide daraus in der ferritischen FeAlCr - Legierung als Karbidausscheidungen eingelagert sein.

[0014] Als Oxidpartikel kann der Werkstoff Yttriumoxidpartikel aufweisen, die in der Matrix aus der FeAlCr - Legierung eingelagert sind.

[0015] Mit einem derartigen Werkstoff lassen sich Bruchzähigkeiten größer oder gleich 60 MPa√m und/oder Rissfortschrittswiderstände größer oder gleich 6 MPa√m sowie Bruchfestigkeiten größer oder gleich 8 MPa bei einer Dichte von 6 bis 7 g/cm³ erzielen.

[0016] Dazu muss einer ferritischen Eisen - Aluminium - Chrom - Legierung mit dem Hauptbestandteil Eisen und den Hauptlegierungselementen Aluminium und Chrom sowie weiteren Legierungsbestandteilen, wie Yttrium oder Hafnium, eine ausreichende Menge an Oxidpartikeln zugegeben werden, um eine feine Verteilung der Oxidpartikel im Werkstoff zu erzielen. Dies kann beispielsweise durch mechanisches Legieren von Pulvermaterialien erfolgen. Als Oxidpartikel können Partikel aus Yttriumoxid verwendet werden.

[0017] Zusätzlich oder alternativ können der ferritischen Eisen - Aluminium - Chrom - Legierung Niob, Molybdän und/oder Tantal sowie ausreichend Kohlenstoff zugesetzt werden, sodass bei einer entsprechenden Glühung des Werkstoffs und anschließenden Abschreckung neben den ternären Laves - Phasen auf Basis von FeTaAl und FeNbAl auch fein verteilte Karbide ausgeschieden werden, die alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen Oxidpartikeln zu einer Verfestigung der ferritischen FeAlCr - Legierung beitragen können.

[0018] Der so hergestellte Werkstoff mit einer ferritischen Eisen - Aluminium - Chrom - Matrix, bei der die Matrix somit überwiegend in Gefüge des kubisch raumzentrierten Ferrit vorliegt, kann insbesondere für Scheiben und Blisken in Hochdruckverdichtern, Niederdruck - und Hochdruckturbinen von Gasturbinen sowie für weitere Bauteile im Gasturbinen bei Temperaturen oberhalb 700°C eingesetzt werden.

[0019] Obwohl die vorliegende Erfindung detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die bevorzugte Ausführungsform beschränkt ist, sondern vielmehr in der Weise abgewandelt werden kann, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Insbesondere umfasst die vorliegende Offenbarung sämtliche Kombinationen aller vorgestellter Einzelmerkmale.

Ansprüche

1. Werkstoff für Bauteile einer Gasturbine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks, mit einer Matrix aus einer ferritischen FeAlCr - Legierung und eingelagerten ternären Laves - Phasen auf Basis von FeTaAl und FeNbAl,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Matrix weiterhin Oxidpartikel zur Oxid - Dispersionsverfestigung und/oder Karbide eingelagert sind.

2. Werkstoff nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die ferritische FeAlCr - Legierung weiterhin Hf und Y umfasst.

3. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die ferritische FeAlCr - Legierung umfasst:

30 Gew.% bis 90 Gew.% Fe

6 Gew.% bis 40 Gew.% Al

2 Gew.% bis 25 Gew.% Cr

0,1 Gew.% bis 2 Gew.% Y und/oder

0,1 Gew.% bis 2 Gew.% Hf.

4. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die ternäre Lavesphase FeTaAl umfasst:

15 Gew.% bis 65 Gew.% Fe

1 Gew.% bis 15 Gew.% Al

0,5 Gew.% bis 65 Gew.% Ta.

5. Werkstoff nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die ternäre Lavesphase FeTaAl zusätzlich Nb umfasst, welches teilweise Ta ersetzt.

6. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die ternäre Lavesphase FeNbAl umfasst:

15 Gew.% bis 65 Gew.% Fe

1 Gew.% bis 15 Gew.% Al

0,5 Gew.% bis 55 Gew.% Nb.

7. Werkstoff nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die ternäre Lavesphase FeNbAl zusätzlich Ta umfasst, welches teilweise Nb ersetzt.

8. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Karbide Nb - Karbide und/oder Ta - Karbide und/oder Mo - Karbide und/oder Mischkarbide daraus umfassen.

9. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oxidpartikel Yttriumoxid umfassen.

10. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Werkstoff eine Bruchzähigkeit größer oder gleich 60 MPa√m und/oder einen Rissfortschrittswiderstand größer oder gleich 6 MPa√m und/oder eine Bruchfestigkeit größer oder gleich 800 MPa und/oder eine Dichte im Bereich von 6 bis 7 g/cm³ aufweist.

11. Bauteil einer Gasturbine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks mit einem Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche.