RHENIUM-FREIE ODER RHENIUM-REDUZIERTE NICKEL-BASIS-SUPERLEGIERUNG

Beschreibung

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nickel-Basis-Superlegierung mit geringem oder keinem Rheniumgehalt.

STAND DER TECHNIK

[0002] In Gasturbinen, wie stationären Gastturbinen zur Stromerzeugung oder Flugtriebwerken, herrschen harte Einsatzbedingungen für die eingesetzten Werkstoffe, da die Werkstoffe, insbesondere für die Laufschaufeln hohen mechanischen Belastungen und zugleich hohen Temperaturen ausgesetzt sind, sodass neben hohen Festigkeiten eine ausreichend große Phasenstabilität sowie Kriech- und Oxidationsbeständigkeit des Werkstoffs erforderlich ist.

[0003] Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden beispielsweise Nickel-Basis-Superlegierungen eingesetzt, die als Einkristalle oder als gerichtet erstarrte Legierungen zum Einsatz kommen können. Diese Legierungen weisen durch ihre Legierungsbestandteile aufgrund der Mischkristall- und/oder Ausscheidungs- oder Teilchenhärtung eine hohe Festigkeit auf. Darüber hinaus sind derartige Nickel-Basis-Superlegierungen dahingehend optimiert, dass die Teilchenhärtung durch die Ausscheidung von sogenannten γ'-Phasen auch bei hohen Temperaturen und langen Einsatzzeiten erhalten bleibt.

[0004] Als Beispiele für derartige Legierungen können Nickel-Basis-Superlegierungen, wie CMSX-4, PWA-1484 oder René N5 genannt werden. Derartige Legierungen enthalten alle einen Rheniumanteil von mehr als 3 Gew.-%.

[0005] Durch den hohen Rheniumanteil sind jedoch die Materialkosten sehr hoch, sodass es bereits Überlegungen gegeben hat, Nickel-Basis-Superlegierungen zu entwickeln, die einen geringen oder gar keinen Rheniumanteil aufweisen. Beispiele hierfür sind in der EP 2 305 848 A1, EP 2 218 798 A2, WO 2009/032578 und WO 2009/032579 beschrieben.

[0006] Aus der US 6 054 096 A ist eine Nickelbasis-Superlegierung für Gasturbinenbauteile bekannt, welche neben Nickel Kobalt mit einem Gehalt von 10,0 Gew.-%, Chrom mit einem Gehalt von 5,2 Gew.-%, Molybdän mit einem Gehalt von 2,04 Gew.-%, Wolfram mit einem Gehalt von 7.0 Gew.-%, Tantal mit einem Gehalt von 5,1 Gew.-%, Aluminium mit einem Gehalt von 5,6 Gew.-%, daneben Hafnium mit einem Gehalt von 0.1 Gew.-% und Vanadin mit einem Gehalt von 0,4 Gew.-°/o, sowie Titan mit einem Gehalt von 1,52 Gew.-% umfasst.

[0007] Aus der EP 2 333 121 A ist zudem eine Nickelbasis-Superlegierung für Gasturbinenbauteile bekannt, welche neben Nickel Chrom mit einem Gehalt von 7-9 Gew.-%, Titan mit einem Gehalt von 0,5-1,5 Gew.-%, Molybdän mit einem Gehalt von 5-7 Gew.-%, Wolfram mit einem Gehalt von 0-1 Gew.-%, Tantal mit einem Gehalt von 4-5 Gew.-%, Aluminium mit einem Gehalt von 5,5-5,6 Gew.-%, Kobalt mit einem Gehalt von 8-12 Gew.-%, Bor mit einem Gehalt von 0,01-0,02 Gew.-%, Zirkonium mit einem Gehalt von 0,02-0,1 Gew.-%, Kohlenstoff mit einem Gehalt von 0,05-0,15 Gew.-%, Hafnium mit einem Gehalt von 0-1,5 Gew.-% umfasst.

[0008] Ferner ist aus der EP 0 150 917 A2 ist eine Nickelbasis-Superlegierung für Gasturbinenbauteile bekannt, welche neben Nickel Molybdän mit einem Gehalt von 2,0 Gew.-%, Wolfram mit einem Gehalt von 5,0 Gew.-%, Tantal mit einem Gehalt von 6,3 Gew.-%, Rhenium mit einem Gehalt von 2,0 Gew.-%, Aluminium mit einem Gehalt von 5,5 Gew.-%, Titan mit einem Gehalt von 1,5 Gew.-%, Chrom mit einem Gehalt von 5,0 Gew.-% und Kobalt mit einem Geahlt von 10,0 Gew.-% umfasst.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

AUFGABE DER ERFINDUNG

[0009] Obwohl im Stand der Technik bereits Nickel-Basis-Superlegierungen mit geringem oder gar keinem Rheniumanteil beschrieben sind, besteht weiterhin ein Bedarf an Rhenium-freien bzw. Rhenium-reduzierten Nickel-Basis-Superlegierungen, bei denen das Eigenschaftsprofil weiter optimiert ist. Insbesondere besteht ein Bedarf dahingehend, eine Legierung bereitzustellen, die auch bei hohen Temperaturen einen großen Volumenanteil an Ausscheidungen aufweist, um auch bei hohen Einsatztemperaturen die notwendige Festigkeit und insbesondere Kriechfestigkeit aufzuweisen.

TECHNISCHE LÖSUNG

[0010] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Nickel-Basis-Superlegierung gemäß dem Anspruch 1 sowie durch eine Nickel-Basis-Superlegierung gemäß dem Anspruch 3 . Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0011] Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit eine Nickel-Basis-Superlegierung vorgeschlagen, die Aluminium mit einem Gehalt von 4 bis 6 Gew.-%, Kobalt mit einem Gehalt von 8 bis 10 Gew.-%, Chrom mit einem Gehalt von 5 bis 8 Gew.-%, Molybdän mit einem Gehalt von 2 bis 5,5 Gew.-%, Tantal mit einem Gehalt von 4 bis 6 Gew,-%, Rhenium mit einem Gehalt von 0 bis 1,5 Gew.-%, Titan mit einem Gehalt von 3 bis 5,5 Gew.-% und Wolfram mit einem Gehalt von 3,5 bis 6 Gew.-% sowie dem Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.

[0012] Nach einer weiteren Ausführungsform kann die Nickel-Basis-Superlegierung einen AluminiumGehalt von 4,5 bis 5,5 Gew.-%, einen Kobalt-Gehalt von 8,5 bis 9,5 Gew.-%, einen ChromGehalt von 6 bis 7,5 Gew.-%, einen Molybdän-Gehalt von 2 bis 4 Gew,-%, einen Tantal-Gehalt von 4 bis 5,5 Gew.-%, einen Rhenium-Gehalt von 0 bis 1 Gew.-%, einen Titan-Gehalt von 3,5 bis 5,5 Gew.-% und einen Wolfram-Gehalt von 4 bis 5,5 Gew.-% aufweisen. Der Rest wird wiederum durch Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen gebildet.

[0013] Gemäß der vorliegenden Erfindung wird außerdem eine Nickel-Basis-Superlegierung vorgeschlagen, die Aluminium mit einem Gehalt von 4,5 bis 5,5 Gew.-%, Kobalt mit einem Gehalt von 8,5 bis 9,5 Gew.-%, Chrom mit einem Gehalt von 6 bis 7,5 Gew.-%, Tantal mit einem Gehalt von 6 bis 8 Gew.-%, Rhenium mit einem Gehalt von 0 bis 2 Gew.-%, Titan mit einem Gehalt von 1,5 bis 3 Gew.-% und Wolfram mit einem Gehalt von 6 bis 8 Gew.-% sowie dem Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.

[0014] Derartige Legierungen können in unterschiedlichen Formen, beispielsweise als gerichtet erstarrte Legierung oder als Einkristalle für Bauteile in Gasturbinen und insbesondere Flugtriebwerken eingesetzt werden. Insbesondere können die Legierungen für Turbinenschaufeln und insbesondere Laufschaufeln von Niederdruckturbinen Verwendung finden.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

[0015] Die vorliegende Erfindung kann insbesondere durch Legierungen verwirklicht werden, die folgende Zusammensetzungen aufweist:

	Elementanteil [Gew.-%], Rest Nickel
Kurz-Bez.	Al	Co	Cr	Mo	Re	Ta	Ti	W
Legierung 1	5	9	7	2,5	1	5	4,25	4,5
Legierung 2	5	9	6,5	3,5	1	5	3,75	4,5
Legierung 3	5	9	6,5	3,5	0	4,5	4,5	5
Legierung 4	5	9	6,5	0	2	6	1,5	8
Legierung 5	5	9	6,5	0	1,5	7	2	7
Legierung 6	5	9	6,5	0	1	8	3	6

[0016] Mit derartigen Legierungen wird erreicht, dass auch bei hohen Temperaturen, also z.B. Temperaturen im Einsatzbereich von Niederdruckturbinen eines Flugtriebwerk, ein hoher Ausscheidungsanteil vorliegt, sodass die Festigkeit und insbesondere Kriechfestigkeit erhöht ist. Gleichzeitig ist auch bei tiefen Temperaturen ein hoher Ausscheidungsanteil gegeben, sodass auch hier entsprechende Festigkeitswerte erreicht werden.

[0017] Mit den vorgestellten Legierungen kann insbesondere erreicht werden, dass die Verteilungsverhältnisse von Wolfram und Molybdän zwischen den Ausscheidungen und der Matrix-Phase verbessert werden, was die Reduzierung des Rhenium-Anteils ermöglicht. Dadurch wird nicht nur erreicht, dass sich die Werkstoffkosten reduzieren, sondern auch die Dichte der Legierung wird reduziert, was für Bauteile im Flugtriebwerksbau von erheblicher Bedeutung ist, da das Triebwerksgewicht reduziert und der Wirkungsgrad erhöht werden kann.

[0018] Die Legierungen 4 bis 6 sind im Vergleich zu den Legierungen 1 bis 3 besser gieß- bzw. wärmebehandelbar.

[0019] Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele beschrieben ist, ist für den Fachmann klar, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern lediglich durch den Umfang des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche beschränkt ist.

Ansprüche

1. Nickel-Basis-Superlegierung, die Aluminium mit einem Gehalt von 4 bis 6 Gew.-%, Kobalt mit einem Gehalt von 8 bis 10 Gew.-%, Chrom mit einem Gehalt von 5 bis 8 Gew.-%, Molybdän mit einem Gehalt von 2 bis 5,5 Gew.-%, Tantal mit einem Gehalt von 4 bis 6 Gew.-%, Rhenium mit einem Gehalt von 0 bis 1,5 Gew.-%, Titan mit einem Gehalt von 3 bis 5,5 Gew.-% und Wolfram, mit einem Gehalt von 3,5 bis 6 Gew.-% sowie dem Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.

2. Nickel-Basis-Superlegierung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung Aluminium mit einem Gehalt von 4,5 bis 5,5 Gew.-%, Kobalt mit einem Gehalt von 8,5 bis 9,5 Gew.-%, Chrom mit einem Gehalt von 6 bis 7,5 Gew.-%, Molybdän mit einem Gehalt von 2 bis 4 Gew.-%, Tantal mit einem Gehalt von 4 bis 5,5 Gew.-%, Rhenium mit einem Gehalt von 0 bis 1 Gew.-%, Titan mit einem Gehalt von 3,5 bis 5 Gew.-% und Wolfram mit einem Gehalt von 4 bis 5,5 Gew.-% sowie dem Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.

3. Nickel-Basis-Superlegierung, die Aluminium mit einem Gehalt von 4,5 bis 5,5 Gew.-%, Kobalt mit einem Gehalt von 8,5 bis 9,5 Gew.-%, Chrom mit einem Gehalt von 6 bis 7,5 Gew.-%, Tantal mit einem Gehalt von 6 bis 8 Gew.-%, Rhenium mit einem Gehalt von 0 bis 2 Gew.-%, Titan mit einem Gehalt von 1,5 bis 3 Gew.-% und Wolfram mit einem Gehalt von 6 bis 8 Gew.-% sowie dem Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst,

4. Bauteil einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, vorzugsweise Turbinenschaufel für eine Niederdruckturbine hergestellt mit einer Legierung nach einem der vorherigehenden Ansprüche.

Claims

1. A nickel-based superalloy comprising aluminum with a content of 4 to 6 wt%, cobalt with a content of 8 to 10 wt%, chromium with a content of 5 to 8 wt%, molybdenum with a content of 2 to 5.5 wt%, tantalum with a content of 4 to 6 wt%, rhenium with a content of 0 to 1.5 wt%, titanium with a content of 3 to 5.5 wt%, and tungsten with a content of 3.5 to 6 wt%, and the remainder nickel and unavoidable impurities.

2. The nickel-based superalloy according to claim 1,
characterized in that
the alloy comprises aluminum with a content of 4.5 to 5.5 wt%, cobalt with a content of 8.5 to 9.5 wt%, chromium with a content of 6 to 7.5 wt%, molybdenum with a content of 2 to 4 wt%, tantalum with a content of 4 to 5.5 wt%, rhenium with a content of 0 to 1 wt%, titanium with a content of 3.5 to 5 wt%, and tungsten with a content of 4 to 5.5 wt%, and the remainder nickel and unavoidable impurities.

3. A nickel-based superalloy comprising aluminum with a content of 4.5 to 5.5 wt%, cobalt with a content of 8.5 to 9.5 wt%, chromium with a content of 6 to 7.5 wt%, tantalum with a content of 6 to 8 wt%, rhenium with a content of 0 to 2 wt%, titanium with a content of 1.5 to 3 wt%, and tungsten with a content of 6 to 8 wt%, and the remainder nickel and unavoidable impurities.

4. A component of a gas turbine, in particular an aircraft engine, preferably turbine blades for a low-pressure turbine, produced with an alloy according to any one of the preceding claims.

Revendications

1. Superalliage à base de nickel, contenant de l'aluminium avec une teneur de 4 à 6 % en poids, du cobalt avec une teneur de 8 à 10 % en poids, du chrome avec une teneur de 5 à 8 % en poids, du molybdène avec une teneur de 2 à 5,5 % en poids, du tantale avec une teneur de 4 à 6 % en poids, du rhénium avec une teneur de 0 à 1,5 % en poids, du titane avec une teneur de 3 à 5, 5 % en poids et du tungstène avec une teneur de 3,5 à 6 % en poids et le reste contenant du nickel et des impuretés inévitables.

2. Superalliage à base de nickel selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
l'alliage contient de l'aluminium avec une teneur de 4,5 à 5,5 % en poids, du cobalt avec une teneur de 8,5 à 9,5 % en poids, du chrome avec une teneur de 6 à 7,5 % en poids, du molybdène avec une teneur de 2 à 4 % en poids, du tantale avec une teneur de 4 à 5,5 % en poids, du rhénium avec une teneur de 0 à 1 % en poids, du titane avec une teneur de 3,5 % à 5 % en poids et du tungstène avec une teneur de 4 à 5,5 % en poids et le reste contenant du nickel et des impuretés inévitables.

3. Superalliage à base de nickel, contenant de l'aluminium avec une teneur de 4,5 à 5,5 % en poids, du cobalt avec une teneur de 8,5 à 9,5 % en poids, du chrome avec une teneur de 6 à 7,5 % en poids, du tantale avec une teneur de 6 à 8 % en poids, du rhénium avec une teneur de 0 à 2 % en poids, du titane avec une teneur de 1,5 à 3 % en poids et du tungstène avec une teneur de 6 à 8 % en poids et le reste contenant du nickel et des impuretés inévitables.

4. Composant d'une turbine à gaz, en particulier d'un moteur d'avion, de préférence une aube de turbine pour turbine basse pression, fabriqué avec un alliage selon l'une quelconque des revendications précédentes.