Hochwarmfeste Leichtbaulegierung aus NiAl

Beschreibung

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkstoff, der insbesondere für Anwendungen eingesetzt werden kann, bei denen eine hohe Warmfestigkeit erforderlich ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks, aus einem entsprechenden Werkstoff.

STAND DER TECHNIK

[0002] In Strömungsmaschinen, wie stationären Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken, herrschen für bestimmte Bauteile, wie beispielsweise Laufschaufeln des Turbinenbereichs und insbesondere des Niederdruckturbinenbereichs Einsatzbedingungen, die hohe Anforderungen an die entsprechenden Werkstoffe stellen. So müssen die Werkstoffe einerseits hohe Temperaturen im Bereich von beispielsweise 800°C bis 1200 °C aushalten und müssen zusätzlich hohe mechanische Belastungen ertragen, wie beispielsweise Laufschaufeln, die mit hohen Drehgeschwindigkeiten bewegt werden. Durch die Kombination von hohen Betriebstemperaturen und hohen mechanischen Kräften werden besondere Anforderungen an die Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit entsprechender Werkstoffe gestellt.

[0003] Die derzeit bei entsprechenden Anwendungen verwendeten Nickelbasis - Superlegierungen, wie beispielsweise MAR M 247 (Handelsname der Firma Martin Marietta), IN 100 (Handelsname der Firma Special Metals) oder CMSX 4 (Handelsname der Firma Cannon Muskegon), weisen jedoch den Nachteil auf, dass das spezifische Gewicht relativ hoch ist, sodass entsprechende Bauteile ein hohes Gewicht aufweisen, was für Anwendungen im Flugzeugtriebwerksbau nachteilig ist.

[0004] Darüber hinaus können bei diesen bekannten Werkstoffen weitere Steigerungen der Leistungsfähigkeit der Strömungsmaschinen durch eine geeignete Erhöhung der Drehzahlen und/oder Erhöhung der Betriebstemperatur nur dadurch erzielt werden, dass entweder eine Reduzierung der Bauteillebensdauer oder eine Erhöhung des Bauteilgewichts in Kauf genommen werden oder eine separate Bauteilkühlung vorgesehen wird. All diese Maßnahmen erhöhen jedoch den entsprechenden Aufwand und die Kosten.

[0005] Entsprechend ist bereits versucht worden, durch andere Materialien einerseits Gewicht einzusparen und andererseits die Werkstoffeigenschaften hinsichtlich Festigkeit, Kriechbeständigkeit und Warmfestigkeit zu steigern. Als potentielle Materialien sind hierfür intermetallische Verbindungen in Betracht gezogen worden, die aufgrund ihrer speziellen Bindungseigenschaften eine hohe Festigkeit aufweisen und aus chemischen Elementen gebildet werden können, die ein niedriges atomares Gewicht aufweisen.

[0006] Ein geeignet erscheinendes Material sind Nickel - Aluminium - Legierungen auf Basis der intermetallischen Verbindung NiAl. Beispiele hierfür sind in der US 5,935,349 sowie in den wissenschaftlichen Artikeln B. Zeumer, G.Sauthoff, Intermetallic NiAl-Ta alloys with strengthening Laves phase for high-temperature applcations I. Basic properties, Intermetallics 5 (1997) 563 - 577 und B. Zeumer, G. Sauthoff, Deformation behaviour of intermetallic NiAlTa alloys with strengthening Laves phase for high-temperature applications II. Effects of alloying with Nb and other elements, Intermetallics 5 (1997) 641 - 649, gegeben. Die dort beschriebenen Legierungen weisen bis zu 50 at.% Ni und ternäre Laves - Phasen auf.

[0007] Ein Werkstoff mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist aus der DE 25 21 563 A1 bekannt.

[0008] Obwohl damit bereits gute Ergebnisse hinsichtlich der Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit erzielt worden sind, besteht ein weiterer Bedarf, Werkstoffe bereitzustellen, die in den Bereichen der Kriechbeständigkeit und Warmfestigkeit sowie des spezifischen Gewichts für den Einsatz im Flugzeugtriebwerksbau vorteilhaft sind.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

AUFGABE DER ERFINDUNG

[0009] Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Werkstoff bereitzustellen, der für Hochtemperaturanwendungen durch eine hohe Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit geeignet ist und gleichzeitig ein niedriges spezifisches Gewicht aufweist, um das Bauteilgewicht für Bauteile aus diesem Werkstoff niedrig zu halten bzw. zu senken. Darüber hinaus soll der Werkstoff einfach und gut herstellbar und verarbeitbar sein.

TECHNISCHE LÖSUNG

[0010] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Werkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0011] Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass die im Stand der Technik beschriebenen Ni-Al-Legierungen hinsichtlich ihres Eigenschaftsprofils für Hochtemperaturanwendungen und insbesondere für Anwendungen im Bereich von Strömungsmaschinen, wie Flugzeugtriebwerken, weiter verbessert werden können, wenn der Nickelanteil über einen Anteil von 50 at.% Ni erhöht wird. Entsprechend wird ein Werkstoff vorgeschlagen, der auf Basis von intermetallischen Nickelaluminiden mehr als 50 at.% Ni und ternäre Laves - Phasen umfasst.

[0012] Die intermetallischen Nickelaluminide können durch NiAl und/oder Ni₃Al gebildet sein, wobei die ternären Laves - Phasen auf Basis von Ni, Al und Ta und/oder Nb gebildet sein können.

[0013] Insbesondere kann der Werkstoff ternäre Laves - Phasen in Form von NiAlTa, NiAlNb und/oder NiAl(Ta,Nb) umfassen, wobei bei der ternären Laves - Phase NiAl(Ta,Nb) die Bestandteile Tantal und Niob gemischt vorliegen können und, da Tantal und Niob sich gegenseitig ersetzen können, die jeweiligen Anteile von Tantal und Niob in einem großen Bereich von unterschiedlichen Zusammensetzungen variieren können.

[0014] Die ternären Phasen auf Basis von Ni, Al und Ta und/oder Nb, sorgen durch das Vorhandensein an den entsprechenden Korngrenzen der NiAl - Kristallite und/oder der Ni₃Al - Kristallite für eine entsprechende Erhöhung der Festigkeit und der Kriechbeständigkeit des Werkstoffs. Derartige ternäre Laves - Phasen können in Form der hexagonalen C14 -Struktur ausgebildet sein, während NiAl in der B2 - Struktur vorliegt.

[0015] Erfindungsgemäß weist der Werkstoff 50,1 bis 70 at.% Ni, vorzugsweise 51 at.% bis 60 at.% Ni auf, sowie ferner und 0,5 at.% bis 10 at.% Ta, insbesondere 1 at.% bis 5 at.% Ta und/oder 0,5 at.% bis 10 at.% Nb, insbesondere 1 at.% bis 5 at.% Nb, wobei der Rest durch Aluminium gebildet wird. Tantal und Niob können in dem Werkstoff gegenseitig ausgetauscht werden, sodass die Summe aus Tantal und Niob im Bereich von 0,5 at.% bis 10 at.% und insbesondere 1 at.% bis 5 at.% liegen kann.

[0016] Insbesondere Bauteile aus Strömungsmaschinen und vorzugsweise von Flugzeugtriebwerken können aus dem entsprechenden Werkstoff gebildet sein oder diesen enthalten. Vor allem bietet es sich an, den erfindungsgemäßen Werkstoff für Lauf- oder Leitschaufeln in der Turbine einer Strömungsmaschine, insbesondere der Niederdruckturbine einzusetzen.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

[0017] Beispielsweise kann ein Werkstoff mit 60 at.% Nickel, 2,5 at.% Tantal und 2,5 at.% Niob sowie 35 at.% Aluminium eingesetzt werden, welcher durch die Gefügeausbildung mit NiAl und Ni₃Al sowie ternären Laves - Phasen an den Korngrenzen der NiAl - und Ni₃Al - Körner bei niedrigem spezifischen Gewicht eine hohe Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit aufweist.

Ansprüche

1. Werkstoff für Anwendungen, die eine hohe Warmfestigkeit erfordern, auf Basis von intermetallischen Nickelaluminiden,
wobei der Werkstoff mehr als 50 at.% Nickel und ternäre Laves - Phasen umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff
50,1 at.% bis 70 at.% Ni und
0,5 at.% bis 10 at.% Ta und/oder 0,5 at.% bis 10 at.% Nb umfasst.
und der Rest durch Aluminium gebildet ist.

2. Werkstoff nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Werkstoff NiAl und/oder Ni₃Al umfasst.

3. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Werkstoff ternäre Laves - Phasen auf Basis von Ni, Al und Ta und/oder Nb, insbesondere NiAlTa, NiAlNb und/oder NiAl(Ta,Nb) umfasst.

4. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Werkstoff 51 at.% bis 60 at.% Ni umfasst.

5. Werkstoff nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Werkstoff 1 at.% bis 5 at.% Ta und/oder 1 at.% bis 5 at.% Nb umfasst.

6. Werkstoff nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Summe aus Ta und Nb im Werkstoff zwischen 0,5 at.% bis 10 at.%, insbesondere 1 at.% bis 5 at.% beträgt.

7. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gefüge des Werkstoffs NiAl - Kristallite und/oder Ni₃Al - Kristallite umfasst, an deren Korngrenzen die ternären Laves - Phasen angeordnet sind.

8. Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks, welches aus dem Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet ist oder diesen umfasst.

9. Bauteil nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil eine Lauf - oder Leitschaufel in der Turbine, insbesondere der Niederdruckturbine einer Strömungsmaschine ist.

Claims

1. A material for applications that require high heat-resistance, based on intermetallic nickel aluminides, wherein the material comprises more than 50 at.% nickel and ternary Laves phases,
characterised in that the material comprises
50.1 at.% to 70 at.% Ni and
0.5 at.% to 10 at.% Ta and/or 0.5 at.% to 10 at.% Nb,
and the remainder is formed by aluminium.

2. A material according to claim 1,
characterised in that
the material comprises NiAl and/or Ni₃Al.

3. A material according to one of the preceding claims,
characterised in that
the material comprises ternary Laves phases based on Ni, Al and Ta and/or Nb, in particular NiAlTa, NiAlNb and/or NiAl(Ta,Nb).

4. A material according to one of the preceding claims,
characterised in that
the material comprises 51 at.% to 60 at.% Ni.

5. A material according to claim 4,
characterised in that
the material comprises 1 at.% to 5 at.% Ta and/or 1 at.% to 5 at.% Nb.

6. A material according to claim 4 or 5,
characterised in that
the sum of Ta and Nb in the material amounts to between 0.5 at.% to 10 at.%, in particular 1 at.% to 5 at.%.

7. A material according to one of the preceding claims,
characterized in that
the structure of the material comprises NiAl crystallites and/or Ni₃Al crystallites, at the grain boundaries of which the ternary Laves phases are arranged.

8. A component of a turbo-machine, in particular an aircraft engine, which is formed from or comprises the material according to one of the preceding claims.

9. A component according to claim 8,
characterised in that
the component is a rotor blade or guide blade in the turbine, in particular the low-pressure turbine of a turbo-machine.

Revendications

1. Matière pour applications exigeant une grande résistance à la chaleur, à base d'aluminures de nickel intermétalliques, la matière comprenant plus de 50 % en at. de nickel et de phases de Laves ternaires, caractérisée en ce qu'elle comprend de 50,1 % en at. à 70 % en at. de Ni et de 0,5 % en at. à 10 % en at. de Ta et/ou de 0,5 % en at. à 10 % en at. de Nb et le reste est constitué d'aluminium.

2. Matière selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend du NiAl et/ou du Ni₃Al.

3. Matière selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des phases de Laves ternaires à base de Ni, Al et Ta et/ou Nb, en particulier de NiAlTa, NiAlNb et/ou NiAl(Ta,Nb).

4. Matière selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend de 51 % en at. à 60 % en at. de Ni.

5. Matière selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend de 1 % en at. à 5 % en at. de Ta et/ou de 1 % en at. à 5 % en at. de Nb.

6. Matière selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisée en ce que le total de Ta et de Nb dans la matière est compris entre 0,5 % en at. et 10 % en at., en particulier entre 1 % en at. et 5 % en at.

7. Matière selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que sa structure comprend des cristallites de NiAl et/ou des cristallites de Ni₃Al aux joints de grains desquels sont disposées les phases de Laves ternaires.

8. Composant d'une turbomachine, en particulier d'une turbine d'avion, formé à partir de la matière selon l'une quelconque des revendications précédentes ou qui comprend cette matière.

9. Composant selon la revendication 8, caractérisé en ce que c'est une aube mobile ou directrice dans la turbine, en particulier la turbine basse pression d'une turbomachine.