Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nickelbasislegierung, die im Wesentlichen frei von Rhenium ist, aber gleichzeitig die Eigenschaften hinsichtlich der Kriechbeständigkeit der Nickelbasis-Superlegierungen der zweiten Generation erreicht und eine gegenüber vergleichbaren Legierungen verringerte Dichte aufweist.

In Gasturbinen, wie stationaren 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 Verkehrsflugzeugen 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 Kriechbestandigkeit des eingesetzten Werkstoffs den Anforderungen genügt. Um die Kriechbestandigkeit weiter zu steigern, werden seit einigen Jahrzenten Turbinenschaufeln auch einkristallin hergestellt, um durch die Vermeidung von Korngrenzen die Kriechbeständigkeit weiter zu verbessern.

Bei den derzeit eingesetzten Nickelbasis-Superlegierungen 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.

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. Goken, R.F. Singer, "The effect of Re 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 und Patenten, wie beispielsweise EP 2 725 110 A1, DE 102010037046, US 2011/0076180 A1, EP 2 314 727 A1, EP 2 305 847 A1, EP 2 305 848 A1, US 2013/0129522 A1, WO 2013/083101 A1, EP 2 576 853 B1, WO 2009/032578 A1, WO 2009/032579 A1, EP 0 962 542 A1, US 6,054,096, US 2013/0230405 A1 und US 2010/0135846 A1.

Beispielsweise offenbart die EP 2 725 110 A1 eine Nickelbasislegierung, die im Wesentlichen frei von Rhenium ist und eine Solidustemperatur von höher als 1320°C aufweist, wobei bei Temperaturen von 1050 °C bis 1100 °C Ausscheidungen einer γ'-Phase in einer γ-Matrix mit einem Anteil von 40 bis 50 Vol.-% vorliegen, die γ/γ'-Fehlpassung bei Temperaturen von 1050 °C bis 1100 °C im Bereich von -0,15 % bis -0,25 % liegt und der Wolframgehalt in der γ-Matrix größer ist als in den ausgeschiedenen γ'-Phasen. Die Legierung weist folgende chemische Zusammensetzung auf: 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.

Obwohl damit bereits einige Lösungsvorschlage für eine Rheniumreduzierung bzw. für rheniumfreie Nickelbasis-Superlegierungen bestehen, besteht weiterhin Bedarf, rheniumreduzierte bzw. rheniumfreie Nickelbasis-Superlegierungen zu entwickeln, deren mechanische Eigenschaften, insbesondere Hochtemperatureigenschaften, wie Kriechbeständigkeit, im Bereich der derzeit eingesetzten rheniumhaltigen und rheniumfreien Nickelbasis-Superlegierungen liegen und gegenüber diesen Legierungen weiter verbesserte Eigenschaften, wie beispielsweise eine geringere Dichte, aufweisen.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Nickelbasis-Superlegierung anzugeben, welche vergleichbare mechanische Eigenschaften, insbesondere Hochtemperatureigenschaften, wie Kriechbeständigkeit, wie derzeit eingesetzte Nickelbasis-Superlegierungen der zweiten und dritten Generation aufweist, aber im Wesentlichen kein Rhenium enthält. Darüber hinaus soll die Legierung eine möglichst geringe Dichte und eine gute Lösungsglühbarkeit aufweisen, wirtschaftlich und effizient herstellbar und einkristallin oder gerichtet erstarrbar sein und gegenüber der in EP 2 725 110 A1 offenbarten rheniumfreien Nickelbasislegierung bei vergleichbarer Kriechbeständigkeit verbesserte Eigenschaften aufweisen, insbesondere eine geringere Dichte, einen geringeren Anteil an Resteutektikum und eine verbesserte Lösungsglühbarkeit.

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

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mindestens die Elemente A1, Cr, Mo und Ta enthaltenden Nickelbasis-Superlegierung, die mit den folgenden Zielen optimiert wurde:

• höchstmöglicher gewichteter Mischkristallhärtungsindex I_sss in der Matrix
• optimale γ-Morphologie:
  • o γ/γ'-Fehlpassung bei 1100 °C von -0,1 bis -0,5 %
  • o γ'-Anteil bei 1100 °C von 44 bis 48 mol-%
• Solidustemperatur > 1320 °C.

Dabei ist I_sss = 2,44 x^γ_Re + 1,22 x^γ_W + x^γ_Mo ( x^γ_i = Konzentration in at.-% des jeweiligen Elements in der Matrix) und die γ/γ'-Fehlpassung ist definiert als die normierte Differenz der Gitterkonstanten der beiden Phasen γ und γ': $$\frac{{\mathrm{a}}_{\mathrm{\gamma }}\mathrm{ʹ}-{\mathrm{a}}_{\mathrm{\gamma }}}{\mathrm{1}/\mathrm{2}*\left({\mathrm{a}}_{\mathrm{\gamma }}\mathrm{ʹ}+{\mathrm{a}}_{\mathrm{\gamma }}\right)}$$

Gemäß der obigen Optimierung kann eine Nickelbasislegierung die folgende chemische Zusammensetzung aufweisen: Aluminium von 4,1 bis 7,7 Gew.-%, Kobalt von 0 bis 16,8 Gew.-%, Chrom von 6 bis 11,8 Gew.-%, Molybdän von 3,6 bis 11,3 Gew.-%, Tantal von 0 bis 3,9 Gew.-%, Titan von 0 bis 3,6 Gew.-%, Wolfram von 0 bis 11,3 Gew.-%, Kohlenstoff von 0 bis 0,05 Gew.-%, Phosphor von 0 bis 0,015 Gew.-%, Kupfer von 0 bis 0,05 Gew.-%, Zirkonium von 0 bis 0,015 Gew.-%, Silizium von 0 bis 0,01 Gew.-%, Schwefel von 0 bis 0,001 Gew.-%, Eisen von 0 bis 0,15 Gew.-%, Mangan von 0 bis 0,05 Gew.-%, Bor von 0 bis 0,003 Gew.-%, Hafnium von 0 bis 0,15 Gew.-%, Yttrium von 0 bis 0,002 Gew.-%, sowie Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen. Wie ersichtlich ist die Legierung im Wesentlichen frei von Rhenium, d.h. enthält Rhenium wenn überhaupt nur im Spurenmengenbereich (z.B. nicht mehr als 0,001 Gew.-%). Die Legierung kann ferner auch im Wesentlichen frei von Tantal sein.

In einer bevorzugten Ausgestaltung kann eine Nickelbasislegierung gemäß der vorliegenden Erfindung folgende chemische Zusammensetzung aufweisen: Aluminium von 4,7 bis 5,7 Gew.-%, Kobalt von 2,6 bis 13,6 Gew.-%, Chrom von 6,3 bis 7,3 Gew.-%, Molybdän von 3,7 bis 4,7 Gew.-%, Tantal von 0 bis 0,5 Gew.-%, Titan von 2,8 bis 3,6 Gew.-%, Wolfram von 7,4 bis 8,4 Gew.-%, Kohlenstoff von 0 bis 0,05 Gew.-%, Phosphor von 0 bis 0,015 Gew.-%, Kupfer von 0 bis 0,05 Gew.-%, Zirkonium von 0 bis 0,015 Gew.-%, Silizium von 0 bis 0,01 Gew.-%, Schwefel von 0 bis 0,001 Gew.-%, Eisen von 0 bis 0,15 Gew.-%, Mangan von 0 bis 0,05 Gew.-%, Bor von 0 bis 0,003 Gew.-%, Hafnium von 0 bis 0,15 Gew.-%, Yttrium von 0 bis 0,002 Gew.-%, sowie Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann eine Nickelbasislegierung gemäß der vorliegenden Erfindung folgende chemische Zusammensetzung aufweisen: Aluminium von 5,0 bis 5,4 Gew.-%, Kobalt von 2,9 bis 13,3 Gew.-%, Chrom von 6,6 bis 7 Gew.-%, Molybdän von 4 bis 4,4 Gew.-%, Tantal von 0 bis 0,2 Gew.-%, Titan von 3,1 bis 3,5 Gew.-%, Wolfram von 7,7 bis 8,1 Gew.-%, Kohlenstoff von 0 bis 0,05 Gew.-%, Phosphor von 0 bis 0,015 Gew.-%, Kupfer von 0 bis 0,05 Gew.-%, Zirkonium von 0 bis 0,015 Gew.-%, Silizium von 0 bis 0,01 Gew.-%, Schwefel von 0 bis 0,001 Gew.-%, Eisen von 0 bis 0,15 Gew.-%, Mangan von 0 bis 0,05 Gew.-%, Bor von 0 bis 0,003 Gew.-%, Hafnium von 0 bis 0,15 Gew.-%, Yttrium von 0 bis 0,002 Gew.-%, sowie Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann eine Nickelbasislegierung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Kobaltgehalt kleiner als 5 Gew.-%, vorzugsweise kleiner als 4 Gew.-%, aufweisen. Da Kobalt eine niedrigere molare Masse als Nickel aufweist, wirkt sich ein relativ niedriger Kobaltgehalt vorteilhaft auf die Gesamtdichte der Nickelbasislegierung aus, und somit auch auf das Gesamtgewicht des aus dieser Legierung herstellten Zielbauteils.

Alternativ kann die erfindungsgemäße Nickelbasislegierung jedoch auch einen Kobaltgehalt größer als 11 Gew.-%, vorzugsweise größer als 13 Gew.-%, aufweisen. Ein entsprechend hoher Kobaltgehalt wirkt sich positiv für die Seigerungen bei der Erstarrung und die Mikrostrukturstabilität gegenüber der unerwünschten Bildung von TCP-Phasen aus. Bevorzugt ist es außerdem, dass die Nickelbasislegierung gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens 67 at.-%, insbesondere mindestens 68 at.-% Nickel enthält.

Bevorzugt ist es weiterhin, dass die Nickelbasislegierung gemäß der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere (und vorzugsweise alle) der folgenden Eigenschaften aufweist:

• Dichte von nicht höher als 8,5 g/cm³, vorzugsweise nicht höher als 8,4 g/cm³;
• Solidustemperatur von höher als 1320°C;
• 44 bis 48 Vol.-% Ausscheidungen einer γ'-Phase in einer γ-Matrix bei einer Temperatur von 1100°C;
• γ/γ'-Fehlpassung im Bereich von -0,1 % bis -0,5 % bei einer Temperatur von 1100°C;
• Resteutektikum von nicht mehr als 4 %, vorzugsweise nicht mehr als 3 %.

Als "unvermeidbare Verunreinigungen" in der Legierung sind Elemente zu verstehen, deren Zugabe nicht beabsichtigt ist, die sich jedoch aus technischen Gründen nicht oder nur mit extrem großen Aufwand verhindern lässt. Beispielsweise können in der erfindungsgemäßen Legierung noch die folgenden Elemente in Form von Spurenelementen vorhanden sein, deren Gehalt jedoch auf folgende Bereiche beschränkt ist: 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.-%.

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.

Die beigefügte Figur zeigt einen Larson - Miller - Plot zur Veranschaulichung der Kriechbeständigkeit der erfindungsgemässen Legierung im Vergleich zu bekannten Legierungen.

Es wurde eine erfindungsgemäße Legierung hergestellt, deren Zusammensetzung der nachfolgenden Tabelle entnommen werden kann (Legierung 1). Als Vergleichslegierungen wurden die Legierungen 2 und 3 gewählt, wobei die Legierung 3 in der chemischen Zusammensetzung im Wesentlichen derjenigen des rheniumhaltigen Werkstoffs CMSX-4 entspricht und die Legierung 2 die in EP 2 725 110 A1 offenbarte rheniumfreie Nickelbasis-Superlegierung ist. Die Bestandteile der Legierungen sind in der Tabelle in Gewichtsprozent angegeben (Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen). Legierung No. Al Co Cr Mo Re Ta Ti W 1 5,2 3,1 6,8 4,2 - - 3,3 7,9 2 4,8 8,6 5,0 1,4 - 10,1 1,3 8,8 3 5,6 9,0 6,5 0,6 3,0 6,5 1,0 6,0

Die erfindungsgemäße Legierung 1 wurde an einer Labor-Bridgman Giessanlage in einer Dreistab-Geometrie stängelkristallin hergestellt. Die Stäbe hatten einen Durchmesser von jeweils 12 mm und eine Länge von jeweils 180 mm und zeigten eine typische dendritische Mikrostruktur mit einem Dendritenabstand von etwa 230 µm. Der Anteil an Resteutektikum ist mit 2,8 % sehr gering (die Legierungen 2 und 3 weisen ein Resteutektikum von 6,5 % bzw. 9,0 % auf). Bei geeigneter Wärmebehandlung (siehe unten) hat die Legierung 1 eine typische vollständig kubische γ'-Phasenmorphologie.

Außerdem wurden an aus den fertig wärmebehandelten Legierungen 1 bis 3 hergestellten Zylindern (Durchmesser 4,0 mm, Höhe 6,4 mm) Druckkriechversuche durchgeführt. Die Stirnflächen waren abgedreht um deren Planparallelität sicherzustellen. Alle Kriechversuche wurden bei konstanten Spannungen und folgenden Parametern durchgeführt: 1100 °C/137 MPa, 1050 °C/200 MPa, 950 °C/300 MPa, 950 °C/400 MPa. Die entsprechenden Kriechkurven sind in der Figur dargestellt (1 % plastische Dehnung, DB-Material, λ = 220 µm).

Wie sich aus der Figur ergibt, weist die erfindungsgemäße Legierung 1 (L1) eine Kriechbeständigkeit auf, die im Wesentlichen gleich derjenigen der rheniumfreien Legierung 2 (L2) ist, wobei die Kriechbeständigkeiten dieser Legierungen ähnlich der Kriechbeständigkeit von Legierung 3 (L3) sind, die einer Nickelbasis-Superlegierung der zweiten Generation entspricht. Im Vergleich zu den Legierungen 2 und 3 weist die Legierung 1 aber insbesondere eine geringere Dichte auf. Die Analyse der Mikrostruktur der erfindungsgemäßen Legierung 1 nach dem Kriechen offenbarte keinerlei TCP-Phasenbildung.

Damit wird deutlich, dass durch die erfindungsgemässe Lehre Nickelbasis-Superlegierungen bereitgestellt werden können, die auf das schwer verfügbare Element Rhenium verzichten können, aber gleichwohl mechanische Hochtemperatureigenschaften, wie beispielsweise eine entsprechende Kriechbeständigkeit, wie bekannte rheniumhaltige Legierungen bereitstellen können und zudem eine geringere Dichte aufweisen als bekannte rheniumhaltige und rheniumfreie Legierungen.

In der folgenden Tabelle sind einige Eigenschaften der Legierungen 1-3 einander gegenübergestellt. Eigenschaft Legierung 1 berechnet Legierung 1 gemessen Legierung 2 gemessen Legierung 3 berechnet Dichte, g/cm³ 8,3 8,4 9,0 8,7 Liquidustemp., °C 1373 1371 1371 1381 Solidustemp., °C 1348 1302^* 1316^* 1338 γ' - Solvustemp. °C 1232 1255 1242 1257 γ/γ'-Fehlpassung, 1100 °C, % -0,5 -0,45^** -0,02^** -0,17 γ' - Anteil, 1100 °C, mol-% 44,0 - - 44,9 *Gusszustand **Raumtemperatur

Herauszuheben ist insbesondere die relative geringe Dichte der erfindungsgemäßen Legierung 1. Die γ/γ'-Fehlpassung konnte nur bei Raumtemperatur gemessen werden; üblicherweise liegen die Werte bei höheren Temperaturen höher.

Das Lösungsglühen der Legierung 1 kann beispielsweise zweistufig wie folgt durchgeführt werden:

• Erwärmung der Legierung um 4 K/min bis auf 1285 °C,
• 2 h Halten bei 1285°C,
• Erwärmung der Legierung um 1 K/min bis auf 1300 °C,
• 6,5 h Halten bei 1300 °C,
• anschließend Schnellabkühlung.

Zudem kann die Legierung 1 nach dem Lösungsglühen eine oder beide der nachfolgenden Ausscheidungswärmebehandlungen erfahren:
Ausscheidungswärmebehandlung 1: Temperatur Heizrate Haltezeit 1000 °C 4 K/min 1050 °C 1K/min 1050 °C 1h 20 °C Schnellabkühlung Ausscheidungswärmebehandlung 2: Temperatur Heizrate Haltezeit 840 °C 4 K/min 870 °C 1K/min 870 °C 24 h 20 °C Schnellabkühlung Längere Glühzeiten als 2 Stunden bei 1050 °C oder höhere Temperaturen führen zu einer Überalterung der Mikrostruktur.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die oben beschriebene erfindungsgemäße Legierung insbesondere folgende Eigenschaften aufweist:

• Kriechbeständigkeit nahe derjenigen von CSMX-4
• niedrige Dichte von 8,4 g/cm³ (Vergleich: CSMX-4: 8,7 g/cm³)
• geringes Resteutektikum von 2,8 % (Vergleich: CSMX-4: 9,0 %)
• gute Lösungsglühbarkeit (8,5 Stunden Halten bei 1285 °C/ 1300 °C).
• geringe TCP-Phasenneigung.

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 Anspruche nicht verlassen wird. Die vorliegende Offenbarung offenbart sämtliche Kombinationen aller vorgestellter Einzelmerkmale.