OPTIMIERTE NICKELBASIS-SUPERLEGIERUNG

Beschreibung

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die Erfindung betrifft eine Nickelbasislegierung, insbesondere eine Nickelbasis-Superlegierung für Hochtemperaturanwendungen, vorzugsweise zur Verwendung in Strömungsmaschinen, wie Flugtriebwerken, sowie ein entsprechendes Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Flugtriebwerks aus einer derartigen Nickelbasislegierung.

[0002] Unter Nickelbasislegierung ist ein Werkstoff zu verstehen, der im Hauptbestandteil Nickel aufweist. Eine besondere Ausgestaltung von Nickelbasislegierungen stellen Nickelbasis - Superlegierungen dar, unter denen Legierungen zu verstehen sind, die durch ihre besondere Zusammensetzung und Gefügeausbildung bei hohen Temperaturen bis nahe zu ihrem Schmelzpunkt einsetzbar ist. Der Begriff der Nickelbasislegierung, wie er nachfolgend verwendet wird, umfasst somit auch den Begriff der Nickelbasis-Superlegierung.

STAND DER TECHNIK

[0003] Nickelbasis - Superlegierungen werden bei Hochtemperaturanwendungen, z. B. beim Bau von stationären Gasturbinen oder Flugtriebwerken, aufgrund ihrer Hochtemperaturfestigkeit eingesetzt. Unter Hochtemperaturanwendung wird hierbei eine Anwendung verstanden, bei der die Einsatztemperatur eines aus der Legierung hergestellten Bauteils in einem Temperaturbereich oberhalb der halben Schmelztemperatur der Legierung liegt.

[0004] Die Nickelbasis - Superlegierungen verdanken ihre guten Hochtemperatureigenschaften und insbesondere ihre hervorragende Hochtemperaturfestigkeit einer speziellen Gefügeausbildung, die durch eine y - Matrix und darin eingelagerte γ' - Ausscheidungen gekennzeichnet ist. Die kubisch flächenzentrierte y - Phase der Matrix besteht aus dem Hauptbestandteil Nickel sowie Elementen wie Kobalt, Chrom, Molybdän, Rhenium und Wolfram, die zu Nickelbasis - Superlegierungen hinzulegiert werden. Durch derartige Legierungsbestandteile, wie Wolfram, Rhenium und Molybdän, wird eine Mischkristallverfestigung der y - Matrix erzielt, die der Legierung zusätzlich zur Ausscheidungshärtung mit den y' - Ausscheidungen Festigkeit verleiht.

[0005] Die Legierungsbestandteile Rhenium, Wolfram und Molybdän erzeugen neben der Mischkristallverfestigung der y - Matrix zusätzlich eine Stabilisierung der y' - Ausscheidungen und wirken deren Vergröberung, die zu einem Abfall der Kriechfestigkeit führen würde, entgegen.

[0006] Allerdings besteht bei der Zulegierung von Refraktärmetallen, wie Rhenium, Wolfram und Molybdän das Problem, dass sich sogenannte TCP - Phasen (TCP topological closed packed (topologisch dicht gepackt)) bilden, die spröde sind und zur Rissbildung führen können.

[0007] Die y' - Ausscheidungsphasen besitzen üblicherweise ebenfalls eine kubisch flächenzentrierte Struktur mit der Zusammensetzung Ni₃(Al,Ti,Ta,Nb).

[0008] Darüber hinaus kann die Festigkeit von Nickelbasis - Superlegierungen durch die Bildung von Karbiden erhöht werden, die die Korngrenzen stabilisieren und somit einen Beitrag zur Kriechfestigkeit leisten.

[0009] Entsprechend ist es für das Eigenschaftsprofil von Nickelbasis - Superlegierungen bei Hochtemperaturanwendungen von entscheidender Bedeutung, wie die Zusammensetzung hinsichtlich der Refraktärmetalle Kobalt, Chrom, Molybdän, Rhenium und Wolfram als Mischkristallbildner sowie der Anteile an Aluminium, Tantal und Titan als Bestandteile der y' - Ausscheidungen gewählt wird. Um eine optimale Nickelbasis - Superlegierung für Hochtemperaturanwendungen mit hohen Einsatztemperaturen nahe,dem Schmelzpunkt der Legierung bei hoher Kriechbeständigkeit und möglichst niedrigem spezifischen Gewicht sowie guter Verarbeitbarkeit zu erhalten, kommt es entsprechend auf die optimale Zusammenstellung der Legierungselemente an.

[0010] Aus dem Stand der Technik sind bereits eine Vielzahl von Nickelbasis - Superlegierungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen bekannt, wie beispielsweise in den Dokumenten EP 0 663 462 A1 und EP 2 128 284 A1 offenbart. Während in der europäischen Patentanmeldung EP 0 663 462 A1 darauf abgestellt wird, dass zwei Gruppen von Legierungselementen und zwar zum einen die Gruppe mit Molybdän Chrom und Niob und zum anderen die Gruppe mit Aluminium, Titan und Wolfram in einem bestimmten aufaddierten Mengenanteil in der Anmeldung enthalten sind, schlägt das Dokument EP 2 128 284 A1 eine Nickelbasis - Superlegierung vor, bei der die Anteile der Elemente Wolfram, Chrom, Molybdän und Rhenium in Gew.%, die jeweils mit einem individuellen Faktor gewichtet werden, in Summe einen bestimmten Wert nicht überschreiten sollen.

[0011] In der europäischen Patentanmeldung EP 0 663 462 A1 wird zudem beschrieben, wie sich durch Zugabe von Ruthenium die Verteilung anderer Legierungsbestandteile zwischen y - Matrix und y' - Ausscheidungen verschieben kann, sodass die Bildung von TCP - Phasen beeinflusst werden kann.

[0012] Gleichwohl kommt es bei den bekannten Nickelbasis - Superlegierungen bei der gießtechnischen Herstellung zu Gusssegregationen der diffusionsträgen Elemente, wie Rhenium und Wolfram, die einem homogenen Eigenschaftsprofil der Legierung entgegenstehen. Entsprechend müssen zur Erzielung eines höheren Homogenisierungsgrades aufwändige Lösungsglühzyklen durchgeführt werden.

[0013] Außerdem bilden sich bei den bekannten Nickelbasis - Superlegierungen bei entsprechend hohen Temperaturen gleichwohl spröde TCP - Phasen, die die Festigkeit entsprechender Bauteile beeinträchtigen können.

[0014] Darüber hinaus ist es wünschenswert die Festigkeit derartiger Nickelbasis - Superlegierungen dadurch zu erhöhen, dass entsprechende Refraktärmetalle, wie Wolfram und Molybdän, zu einem möglichst geringen Anteil in den γ' - Ausscheidungen vorhanden sind, sondern zur Mischkristallverfestigung der y - Matrix beitragen, sodass vermieden werden muss, dass durch bestimmte Legierungsbestandteile, wie z.B. Ruthenium, eine ungünstige Verteilung der Legierungsbestandteile, wie z.B. der zur Mischkristallhärtung beitragenden chemischen Elemente, zwischen γ - Matrix und y' - Ausscheidungen eingestellt wird.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

AUFGABE DER ERFINDUNG

[0015] Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optimierte Nickelbasis - Superlegierung bereitzustellen, bei der die oben angesprochenen Probleme der Gusssegregation sowie die Vermeidung der Bildung von TCP - Phasen verbessert wird und zugleich die mechanischen Eigenschaften hinsichtlich Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit verbessert werden. Dabei soll jedoch die Dichte der Legierung möglichst niedrig gehalten werden und eine gute und einfache Herstellung sowie Verarbeitbarkeit der Legierung gewährleistet werden.

TECHNISCHE LÖSUNG

[0016] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Nickelbasislegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein entsprechendes Bauteil aus der Nickelbasislegierung gemäß Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0017] Zur Lösung der oben genannten Aufgabenstellung schlägt die vorliegende Erfindung vor, eine optimierte Zusammensetzung einer Nickelbasislegierung insbesondere hinsichtlich der Legierungselemente Kobalt, Rhenium, Wolfram, Tantal, Aluminium und Titan vorzusehen, da diese Legierungselemente die Gefüge - und Mikrostrukturausbildung sowie die entsprechenden mechanischen Eigenschaften der Legierung erheblich beeinflussen.

[0018] Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen eine Nickelbasis - Superlegierung mit einer chemischen Zusammensetzung vorzusehen, die 3,7 bis 7,0 Gew.% Al, 10 bis 20 Gew.% Co 2,1 bis 7,2 Gew.% Cr, Gew.% P, 0 bis 0,001 Gew.% S, 0 bis 0,003 Gew.% B, 0 bis 0,05 Gew.% Cu, 0 bis 0,15 Gew.% Fe, 0 bis 0,15 Gew.% Hf, 0 bis 0,015 Gew.% Zr, 0 bis 0,001 Gew.% Y und Rest Nickel sowie unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.

[0019] Der Nickelanteil der Legierung ist der Hauptbestandteil der Legierung, also der Bestandteil, der den höchsten Anteil in Gew.% oder At.% an der Legierung aufweist. Es versteht sich von selbst, dass die entsprechende Legierung immer nur zu 100 % vorliegt, sodass keine Addition der Grenzwerte der angegebenen Anteilsbereiche in der Weise erfolgen kann, dass die Zusammensetzung der Legierung weniger oder mehr als 100 % ausmachen würde oder Nickel nicht den entsprechend größten Anteil stellen würde. Vielmehr ist bei der Verwendung eines Legierungselements mit einem hohen Anteil eine entsprechende Reduzierung anderer Legierungselemente mit einem entsprechend den Angaben geringeren Anteil vorzunehmen.

[0020] Die Nickelbasislegierung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Anteil von Tantal immer größer oder gleich dem Anteil von Aluminium ist, sodass das Verhältnis der Anteile von Tantal zu Aluminium in Gew.-% größer oder gleich 1 ist, also gilt c(Ta)/c(Al) ≥ 1. Darüber hinaus soll das Verhältnis von Tantal zu Aluminium in Gew.% kleiner oder gleich 2 sein. Es hat sich nämlich gezeigt, dass damit eine verbesserte Verteilung von Wolfram und Molybdän zwischen der y - Matrix und den y' - Ausscheidungen erreichbar ist, sodass der Anteil an Wolfram und/oder Molybdän in der γ - Matrix größer ist als in den y' - Ausscheidungen.

[0021] Ferner wird bei der Nickelbasis - Superlegierung der vorliegenden Erfindung das Verhältnis der Anteile von Kobalt zu Wolfram in Gew.% größer oder gleich 2 und kleiner oder gleich 5 gewählt, da durch die Erhöhung des Kobaltgehalts eine Verbesserung des Segregationsverhaltens, d.h. eine geringere Gusssegregation und ein höherer Homogenisierungsgrad erreichbar sind, sodass kürzere bzw. einfachere Lösungsglühzyklen Verwendung finden können. In Kombination mit dem höheren Wolframanteil in der γ - Matrix durch das eingestellte Verhältnis von Tantal zu Aluminium kann entweder die Festigkeit erhöht oder bei gleichbleibender Mischkristallverfestigung insgesamt der Wolframgehalt reduziert werden, was sich insbesondere auch vorteilhaft auf die Dichte der Legierung auswirkt.

[0022] Insbesondere kann das Verhältnis der Anteile von Kobalt zu Wolfram in Gew.% kleiner oder gleich 4 sein.

[0023] Neben dem Verhältnis von Tantal zu Aluminium und von Kobalt zu Wolfram kann die Nickelbasis-Legierung so eingestellt werden, dass das Verhältnis der Anteile von Wolfram zu Molybdän in Gew.% größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 4 ist. Auch dadurch lassen sich die Ziele der Vermeidung von Gusssegregation, der Vermeidung der Bildung von TCP - Phasen sowie der besseren Verteilung von Wolfram und Molybdän zwischen der γ - Matrix und der y' - Ausscheidungen erreichen.

[0024] Zu diesem Zweck kann auch das Verhältnis der Anteile von Kobalt zu Rhenium in Gew.% größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 2 gewählt werden.

[0025] Die für die mechanischen Eigenschaften wesentlichen Legierungsbestandteile Aluminium, Kobalt, Chrom, Molybdän, Rhenium, Ruthenium, Tantal, Titan und/oder Wolfram können insbesondere mit

5,0 bis 7,0 %, insbesondere 5,5 bis 6,0 % Al und/oder

10,5 bis 15,0 %, insbesondere 11,0 bis 12,0 % Co und/oder

4,0 bis 6,0 %, insbesondere 4,5 bis 5,5 % Cr und/oder

1,1 bis 2,5 %, insbesondere 1,1 bis 2,0 % Mo und/oder

5,5 bis 7,0 %, insbesondere 5,7 bis 6,5 % Re und/oder

3,1 bis 5,5 %, insbesondere 3,3 bis 5,0 % Ru und/oder

5,0 bis 9,0 %, insbesondere 5,5 bis 8,0 % Ta und/oder

0 bis 2,0 %, insbesondere 0,5 bis 2,0 %, vorzugsweise 1,1 bis 1,7 % Ti und/oder

3,0 bis 4,5 %, insbesondere 3,5 bis 4,5 % W zulegiert werden.

[0026] Eine entsprechende Legierung kann eine Dichte ≤ 8,94 g pro cm³, insbesondere ≤ 8,85 g pro cm³ und vorzugsweise ≤ 8,8 g pro cm³ aufweisen.

[0027] Die Nickelbasislegierung der vorliegenden Erfindung kann sowohl einkristallin als auch gerichtet erstarrt eingesetzt werden, wobei insbesondere für Hochtemperaturanwendungen im Flugtriebwerksbau einkristalline Bauteile Verwendung finden.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

[0028] Die nachfolgende Tabelle zeigt die Zusammensetzung von vier Legierungen gemäß der Erfindung hinsichtlich der Hauptbestandteile Aluminium, Kobalt, Chrom, Molybdän, Rhenium, Ruthenium, Tantal, Titan, Wolfram mit dem Rest Nickel in Gew.%, wobei weitere Bestandteile, wie Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Phosphor, Schwefel, Bor, Kupfer, Eisen, Hafnium, Zirkon und Yttrium insgesamt mit einem Anteil von weniger als 0,7 Gew.% vorliegen können.

Legierung	Al	Co	Cr	Mo	Re	Ru	Ta	Ti	W
Legierung 1	5,9	11,2	4,6	1,1	6,4	5	7,6	0	4
Legierung 2	5,7	11,4	5	1,9	6	3,3	5,8	1,2	3,7
Legierung 3	5,9	11,4	5	2,2	6	3,3	6,5	0,5	3,7
Legierung 4	5,9	11,3	5	2,4	6	3,3	7,4	0	3,7

[0029] Die entsprechenden Legierungen weisen die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Eigenschaften auf.

Eigenschaften	Legierung 1	Legierung 2	Legierung 3	Legierung 4
Dichte [g/cm3]	8,933	8,754	8,796	8,848
Misfit [%]	-0,544	-0,56	-0,55	-0,55
Solidustemperatur [°C]	1324	1327	1327	1324
γ' Solvustemperatur [°C]	1261	1240	1247	1255
MKH Index 1100	11,96	12	11,97	12,14
γ' Gehalt bei 1100°C [%]	43,3	43,9	42,53	42,17

[0030] Der MKH Index bezeichnet den Mischkristallindex nach E. Fleischmann, Einfluss der Mischkristallhärtung der Matrix auf die Kriechbeständigkeit einkristalliner Nickelbasis - Superlegierungen, Dissertation Universität Bayreuth, 2013, bei dem gewichtete Elementgehalte von Re, W und Mo in der Matrix in Gew.% erfasst werden (MKH Index = 1,6 Re + W +Mo). Ein möglichst hoher MKH Index ist zur Bildung einer kriechbeständigen und hochtemperaturfesten Legierung vorteilhaft. Der Anteil der Legierungselemente in der Matrix kann durch Messungen mittels Atomsonde oder Transmissionselektronenmikroskop bestimmt werden.

[0031] Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr sind Abwandlungen in der Weise möglich, dass einzelne Merkmale innerhalb des angegebenen Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche verändert werden können. Die Offenbarung schließt sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.

Ansprüche

1. Nickelbasislegierung für Hochtemperaturanwendungen, insbesondere zur Verwendung in Strömungsmaschinen, mit einer chemischen Zusammensetzung, die in Gewichtsprozent umfasst:

Al	3,7 bis 7,0
Co	10 bis 20
Cr	2,1 bis 7,2
Mo	1,1 bis 3,0
Re	5,7 bis 9,2
Ru	3,1 bis 8,5
Ta	4,1 bis 11,9
Ti	0 bis 3,3
W	2,1 bis 4,9
C	0 bis 0,05
Si	0 bis 0,1
Mn	0 bis 0,05
P	0 bis 0,015
S	0 bis 0,001
B	0 bis 0,003
Cu	0 bis 0,05
Fe	0 bis 0,15
Hf	0 bis 0,15
Zr	0 bis 0,015
Y	0 bis 0,001

und Rest Nickel sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei das Verhältnis der Anteile von Ta zu Al in Gewichtsprozent größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 2 ist und wobei das Verhältnis der Anteile von Co zu W in Gewichtsprozent größer oder gleich 2 und kleiner oder gleich 5 ist.

2. Nickelbasislegierung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verhältnis der Anteile von Co zu W in Gewichtsprozent kleiner oder gleich 4 ist.

3. Nickelbasislegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verhältnis der Anteile von W zu Mo in Gewichtsprozent größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 4 ist.

4. Nickelbasislegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verhältnis der Anteile von Co zu Re in Gewichtsprozent größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 2 ist.

5. Nickelbasislegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nickelbasislegierung in Gewichtsprozent

5,0 bis 7,0 %, insbesondere 5,5 bis 6,0 % Al und/oder

10,5 bis 15,0 %, insbesondere 11,0 bis 12,0 % Co und/oder

4,0 bis 6,0 %, insbesondere 4,5 bis 5,5 % Cr und/oder

1,1 bis 2,5 %, insbesondere 1,1 bis 2,0 % Mo und/oder

5,5 bis 7,0 %, insbesondere 5,7 bis 6,5 % Re und/oder

3,1 bis 5,5 %, insbesondere 3,3 bis 5,0 % Ru und/oder

5,0 bis 9,0 %, insbesondere 5,5 bis 8,0 % Ta und/oder

0 bis 2,0 %, insbesondere 0,5 bis 2,0 %, vorzugsweise 1,1 bis 1,7 % Ti und/oder

3,0 bis 4,5 %, insbesondere 3,5 bis 4,5 % W aufweist.

6. Nickelbasislegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dichte der Legierung kleiner oder gleich 9,09 g/cm³, insbesondere kleiner oder gleich 8,94 g/cm³, vorzugsweise kleiner oder gleich 8,85 g/cm³, höchst vorzugsweise kleiner oder gleich 8,80 g/cm³ ist.

7. Nickelbasislegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung eine γ - Matrix und y' - Ausscheidungen umfasst, wobei der Anteil an W und/oder Mo in der γ - Matrix größer ist als in den y' - Ausscheidungen.

8. Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Flugtriebwerks, welches eine Nickelbasislegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.

9. Bauteil nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nickelbasislegierung einkristallin oder gerichtet erstarrt ausgebildet ist.