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EP 2 832 872 B1 |
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EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Hinweis auf die Patenterteilung: |
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04.05.2016 Patentblatt 2016/18 |
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Anmeldetag: 11.07.2014 |
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Internationale Patentklassifikation (IPC):
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Hochwarmfeste Leichtbaulegierung aus NiAl
Highly temperature resistant lightweight construction alloy made of NiAl
Alliage pour construction légère résistant à la chaleur en NiAl
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL
NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR |
(30) |
Priorität: |
29.07.2013 DE 102013214767
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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04.02.2015 Patentblatt 2015/06 |
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Patentinhaber: MTU Aero Engines AG |
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80995 München (DE) |
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Erfinder: |
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- Smarsly, Wilfried
81669 München (DE)
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Entgegenhaltungen: :
DE-A1- 2 521 563 US-A- 5 935 349
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US-A- 5 516 380
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- ZEUMER B ET AL: "Intermetallic NiAl-Ta alloys with strengthening Laves phase for high-temperature
applications. I. Basic properties", INTERMETALLICS, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS B.V,
GB, Bd. 5, Nr. 7, 1. Januar 1997 (1997-01-01), Seiten 563-577, XP004092045, ISSN:
0966-9795, DOI: 10.1016/S0966-9795(97)00031-9
- ZEUMER B ET AL: "Deformation behaviour of intermetallic NiAl-Ta alloys with strengthening
Laves phase for high-temperature applications. II. Effects of alloying with Nb and
other elements", INTERMETALLICS, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS B.V, GB, Bd. 5, Nr. 8,
1. Januar 1997 (1997-01-01), Seiten 641-649, XP004098783, ISSN: 0966-9795, DOI: 10.1016/S0966-9795(97)00046-0
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Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
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.
[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 Ni
3Al 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 Ni
3Al - 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 Ni
3Al sowie ternären Laves - Phasen an den Korngrenzen der NiAl - und Ni
3Al - Körner bei niedrigem spezifischen Gewicht eine hohe Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit
aufweist.
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.
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.
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.
IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information
des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes.
Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei
Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente
In der Beschreibung aufgeführte Nicht-Patentliteratur
- B. ZEUMERG.SAUTHOFFIntermetallic NiAl-Ta alloys with strengthening Laves phase for high-temperature applcations
I.Basic properties, Intermetallics, 1997, vol. 5, 563-577 [0006]
- B. ZEUMERG. SAUTHOFFDeformation behaviour of intermetallic NiAlTa alloys with strengthening Laves phase
for high-temperature applications II. Effects of alloying with Nb and other elementsIntermetallics,
1997, vol. 5, 641-649 [0006]