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DE102018208737A1 - Y, Y` hardened cobalt-nickel base alloy, powder, component and process - Google Patents

Y, Y` hardened cobalt-nickel base alloy, powder, component and process Download PDF

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Christian Felsmann
Dennis Glass
Jacek Grodzki
Robert Herfurth
Lars Hoefener
Bernd Hornung
Tobias Thomas Rühmer
Eric Thomas
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Siemens AG
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Abstract

Durch erhöhte Titan- und Tantalwerte sowie hohe Wolframanteile wird eine Legierung vorgeschlagen, die insbesondere für die Anwendung bei additiven Fertigungsverfahren verwendet werden kann.Increased titanium and tantalum values as well as high tungsten contents suggest an alloy which can be used in particular for use in additive manufacturing processes.

Description

Die Erfindung betrifft eine γ γ` gehärtete Kobalt-Nickel-Basislegierung, Pulver, Komponente und Verfahren.The invention relates to a γ γ` hardened cobalt-nickel base alloy, powder, component and method.

Turbinenleit- und Laufschaufeln oder Strukturbauteile im Heißgasbereich werden aus hochwarmfesten Nickelbasis-oder Kobaltbasis-Superlegierungen hergestellt.Turbine vanes and blades or structural components in the hot gas region are made of high temperature nickel base or cobalt base superalloys.

Je nach Belastungsprofil der Komponente werden generell:

  1. 1.) γ` Ausscheidungsgehärtete Nickelbasislegierungen
  2. 2.) Nickel-Knetlegierungen
  3. 3.) oder Kobalt-Knetlegierungen
eingesetzt.Depending on the load profile of the component, the following general rules apply:
  1. 1.) γ` Precipitation-hardened nickel-base alloys
  2. 2.) nickel-wrought alloys
  3. 3.) or cobalt-wrought alloys
used.

Die Festigkeit resultiert in erster Näherung vom γ` Volumenanteil. Dieser wiederum beeinflusst maßgeblich die mögliche Fertigungsroute der Komponenten. Hochwarmfeste Superlegierungen mit hohen γ` Anteilen können nur noch über das Feingussverfahren hergestellt werden. Sie zeichnen sich durch eine hohe γ` Solvustemperatur und eine tiefe Anschmelztemperatur aus. Die Schweißbarkeit dieser Legierungsklasse ist in der Regel nicht gegeben.The strength results in a first approximation from the γ` volume fraction. This in turn significantly influences the possible production route of the components. High-temperature superalloys with high γ` content can only be produced by investment casting. They are characterized by a high γ` solvus temperature and a low melting temperature. The weldability of this alloy class is usually not given.

Generativ können diese Legierungen wegen Heißrissbildung nur über Umwege hergestellt werden. Die Knetlegierungen (Ni- oder Co-Basis) können geschmiedet werden, weisen jedoch geringere Festigkeiten auf.Generatively, these alloys can only be made by detours because of hot cracking. The wrought alloys (Ni or Co base) can be forged, but have lower strengths.

Die übliche Herstellroute erfolgt bei ausscheidungsgehärteten Komponenten über das Feingussverfahren. Mithilfe generativer Fertigungsverfahren lassen sich komplexere Bauteile realisieren, die Legierungsauswahl ist jedoch auf die weniger warmfesten Legierungen beschränkt. Nur diese lassen sich mit sinnvollen Aufbauraten rissarm verarbeiten.The usual manufacturing route takes place with precipitation-hardened components via the investment casting process. Generative manufacturing techniques can be used to create more complex parts, but alloy selection is limited to less heat-resistant alloys. Only these can be processed with reasonable build-up rates.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, oben genanntes Problem zu lösen.It is therefore an object of the invention to solve the above-mentioned problem.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kobaltbasis-Superlegierung gemäß Anspruch 1, ein Pulver gemäß Anspruch 13, eine Komponente gemäß Anspruch 14 und ein Verfahren gemäß Anspruch 15.The object is achieved by a cobalt-based superalloy according to claim 1, a powder according to claim 13, a component according to claim 14 and a method according to claim 15.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.In the dependent claims further advantageous measures are listed, which can be combined with each other in order to achieve further advantages.

Es wird vorgeschlagen, eine neue Materialgruppe für Heißgasbauteile, insbesondere Lauf und Leitschaufeln, Ringsegmente, Brennerteile, Scheibenwerkstoffe für kleine Turbinen oder Blisks einzusetzen. Zum Einsatz kommt eine γ, γ`-ausscheidungsgehärtete Kobaltbasislegierung mit hohem Nickel (Ni) und Chrom (Cr) Anteil.It is proposed to use a new material group for hot gas components, in particular running and guide vanes, ring segments, burner parts, disk materials for small turbines or blisks. A γ, γ` precipitation-hardened cobalt-based alloy with high nickel (Ni) and chromium (Cr) content is used.

Innerhalb dieses Rahmens werden die Eigenschaften der Legierungsklasse entsprechend der Anforderungen angepasst:

  • Titan (Ti) und Tantal (Ta) erhöhen die γ' Anteile und γ' Solvustemperatur und senken die Liquidustemperatur.
  • Wolfram erhöht den γ'-Anteil, hohe Anteile an Wolfram (W) sind erforderlich um die γ' verarmte Zone in Korngrenzennähe zu verringern.
  • Titan (Ti) und Tantal (Ta) verbessern die Kriechbeständigkeit, aber erhöhen Gitterfehlpassung.
  • Nickel (Ni) erweitert das Phasenfeld für L12 Struktur und ermöglicht höhere Chromgehalte (Cr) für besseren Korrosionsschutz, nicht zu viel, wegen des Verteilungskoeffizienten Wolfram (W), Chrom (Cr) ermöglicht Korrosionsschutz und verbessert die Bildung einer inneren Al2O3 Schicht und reduziert Gitterfehlpassung.
  • - Silizum (Si) verbessert Oxidationseigenschaften
  • - Bor (B) und Kohlenstoff (C) sind KG-Verfestiger
  • - Hafnium (Hf) und Zirkon (Zr) ermöglichen eine bessere Schichtanbindung
Within this framework, the properties of the alloy class are adjusted according to the requirements:
  • Titanium (Ti) and tantalum (Ta) increase the γ 'fractions and γ' solvus temperature and lower the liquidus temperature.
  • Tungsten increases the γ 'content, high levels of tungsten (W) are required to reduce the γ' depleted zone near the grain boundary.
  • Titanium (Ti) and Tantalum (Ta) improve creep resistance but increase lattice mismatch.
  • Nickel (Ni) extends the phase field for L12 structure and allows higher chromium contents (Cr) for better corrosion protection, not too much, because of the distribution coefficient tungsten (W), chromium (Cr) allows corrosion protection and improves the formation of an inner Al 2 O 3 layer and reduces lattice mismatch.
  • - Silizum (Si) improves oxidation properties
  • Boron (B) and carbon (C) are KG solidifiers
  • - Hafnium (Hf) and zirconium (Zr) allow a better layer connection

Vorzugsweise weist die Legierung kein Molybdän (Mo) und/oder auch kein Niob (Nb) und/oder kein Yttrium (Y) auf.
Ebenso kann vorzugsweise auf Zusätze von Rhenium (Re), Ruthenium (Ru) verzichtet werden.Preferably, the alloy has no molybdenum (Mo) and / or niobium (Nb) and / or yttrium (Y).
Likewise, it is preferably possible to dispense with additions of rhenium (Re), ruthenium (Ru).

Bevorzugte Legierungen:Preferred alloys:

Bevorzugtes Beispiel in Gew.-%Preferred example in% by weight

CoCo 38,338.3 NiNi 29,029.0 Alal 4,04.0 WW 15,015.0 TaTa 0,60.6 TiTi 0,20.2 CrCr 12,712.7 SiSi 0,180.18 HfHf 0,290.29 ZrZr 0,0150,015 BB 0,0140,014 CC 0,0160.016

Diese Legierung hat eine hohe Korrosionsbeständigkeit, höhere Langzeit-Warmfestigkeit und weist eine bessere Schmiedbarkeit auf.This alloy has a high corrosion resistance, higher long-term heat resistance and has better forgeability.

Bevorzugtes Beispiel in Gew.-%Preferred example in% by weight

CoCo 39,039.0 NiNi 30,530.5 Alal 3,93.9 WW 14,914.9 TaTa 0,90.9 TiTi 0,20.2 CrCr 10,110.1 SiSi 0,180.18 HfHf 0,290.29 ZrZr 0,0150,015 BB 0,0140,014 CC 0,0160.016

Diese Legierung weist eine mittlere Korrosionsbeständigkeit, eine höhere Langzeit-Warmfestigkeit sowie eine bessere Schmiedbarkeit auf.This alloy has a medium corrosion resistance, a higher long-term heat resistance and a better forgeability.

Besonderheiten:

  • - Die hohe Fließgrenze verbessert auch TMF-Eigenschaften
  • - Eine hohe Festigkeit bei mittleren Temperaturen
  • - Bessere Prozessierbarkeit als übliche Nickelbasislegierungen mit vergleichbaren Eigenschaften
Particularities:
  • - The high yield point also improves TMF properties
  • - High strength at medium temperatures
  • - Better processability than conventional nickel-based alloys with comparable properties

Eine Lösungsglühung erfolgt beispielsweise bei 1523K und eine Auslagerung bei 1023K - 1173K zwecks Einstellung der γ/γ` Gefügestruktur.Solution annealing takes place, for example, at 1523K and outgrowth at 1023K-1173K to adjust the γ / γ` microstructure.

Die möglichen Herstellrouten lauten:

  • • Komponente wird im Guss oder als Schmiedeteil oder als AM Bauteil (Pulverbett, Laserpulver-Auftragschweißen) hergestellt.
  • • Eine Verfahrenskombination ist ebenso denkbar, z.B. durch AM (Aufschweißen von weiteren Strukturen).
  • • Ebenso denkbar ist die Nutzung von AM gefertigten Bauteilen im Guss als Einlegeteile.
  • • Ebenso kann ein Formkörper (z.B. Ringsegment) im Metallpulverspritzguss verarbeitet werden, ggf. in Kombination der anderen Verfahren.
  • • Ebenso kann ein auf dem Pulver basierendes Lot verwendet werden, um mehrere Teile zu verbinden.
  • • Ebenso kann eine schweißtechnologische Verbindung hergestellt werden, z.B. mit artgleichem Schweißzusatzwerkstoff.
The possible production routes are:
  • • Component is produced by casting or as a forged part or as an AM component (powder bed, laser powder build-up welding).
  • • A process combination is also conceivable, eg by AM (welding on of further structures).
  • • Equally conceivable is the use of AM manufactured components in castings as inserts.
  • • Likewise, a shaped body (eg ring segment) can be processed in the metal powder injection molding, possibly in combination of the other methods.
  • • Similarly, powder based solder can be used to join multiple parts.
  • • Similarly, a welding technology connection can be made, for example with matching welding filler material.

Claims (17)

Kobaltbasislegierung, zumindest aufweisend (in Gew.%):, insbesondere bestehend aus (in Gew.-%): 28,0% - 31,5% Nickel (Ni), insbesondere 28,8% - 30,7% Nickel (Ni), 3,5% - 4,4% Aluminium (Al), insbesondere 3,8% - 4,1% Aluminium (Al), 14,5% - 15,5% Wolfram, insbesondere 14,8% - 15,1% Wolfram (W), 0,4% - 1,1% Tantal (Ta), insbesondere 0,5% - 1,0% Tantal, 0,15% - 0,25% Titan (Ti), insbesondere 0,2% Titan (Ti), 9,6% - 13,2% Chrom (Cr), insbesondere 9,9% - 12,9% Chrom (Cr), 0,16% - 0,20% Silizium (Si), insbesondere 0,18% Silizium (Si), 0,25% - 0,34% Hafnium (Hf), insbesondere 0,29% Hafnium (Hf), 0,013% - 0,017% Zirkon (Zr), insbesondere 0,015% Zirkon (Zr), 0,012% - 0,016% Bor (B), insbesondere 0,014% Bor (B), 0,014% - 0,018% Kohlenstoff (C), insbesondere 0,016% Kohlenstoff (C), Rest Kobalt (Co).Cobalt-based alloy, at least having (in% by weight) :, in particular consisting of (in% by weight): 28.0% - 31.5% nickel (Ni), in particular 28.8% - 30.7% nickel (Ni), 3.5% - 4.4% aluminum (Al), in particular 3.8% - 4.1% aluminum (Al), 14.5% - 15.5% tungsten, especially 14.8% - 15.1% tungsten (W), 0.4% - 1.1% tantalum (Ta), in particular 0.5% - 1.0% tantalum, 0.15% - 0.25% titanium (Ti), in particular 0.2% titanium (Ti), 9.6% - 13.2% chromium (Cr), in particular 9.9% - 12.9% chromium (Cr), 0.16% - 0.20% silicon (Si), in particular 0.18% silicon (Si), 0.25% - 0.34% hafnium (Hf), in particular 0.29% hafnium (Hf), 0.013% - 0.017% zirconium (Zr), in particular 0.015% zirconium (Zr), 0.012% - 0.016% boron (B), in particular 0.014% of boron (B), 0.014% - 0.018% carbon (C), in particular 0.016% carbon (C), Balance cobalt (Co). Kobaltbasislegierung nach Anspruch 1, aufweisend 29,0% Nickel (Ni).Cobalt-based alloy after Claim 1 comprising 29.0% nickel (Ni). Kobaltbasislegierung nach Anspruch 1, aufweisend 30,5% Nickel (Ni).Cobalt-based alloy after Claim 1 comprising 30.5% nickel (Ni). Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 oder 3, aufweisend 4,0% Aluminium (Al).Cobalt-based alloy according to one or more of Claims 1 or 3 comprising 4.0% aluminum (Al). Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, aufweisend 3,9% Aluminium (Al).Cobalt-based alloy according to one or more of Claims 1 . 2 or 3 comprising 3.9% aluminum (Al). Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, aufweisend 15,0% Wolfram (W).Cobalt-based alloy according to one or more of Claims 1 . 2 . 3 . 4 or 5 , containing 15.0% tungsten (W). Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, aufweisend 14,9% Wolfram (W). Cobalt-based alloy according to one or more of Claims 1 . 2 . 3 . 4 or 5 comprising 14.9% tungsten (W). Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, aufweisend 0,6% Tantal (Ta).Cobalt-based alloy according to one or more of Claims 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 or 7 containing 0.6% tantalum (Ta). Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, aufweisend 0,9% Tantal (Ta).Cobalt-based alloy according to one or more of Claims 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 or 7 , containing 0.9% tantalum (Ta). Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, aufweisend 12,7% Chrom (Cr).Cobalt-based alloy according to one or more of Claims 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 . 8th or 9 comprising 12.7% chromium (Cr). Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend 10,1% Chrom (Cr).Cobalt-based alloy according to one or more of Claims 1 to 9 comprising 10.1% chromium (Cr). Kobaltbasislegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, aufweisend kein Niob (Nb) und/oder kein Molybdän (Mo) und/oder kein Yttrium (Y).Cobalt-based alloy according to one or more of Claims 1 to 11 comprising no niobium (Nb) and / or no molybdenum (Mo) and / or no yttrium (Y). Pulver zumindest aufweisend, insbesondere bestehend, eine Legierung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12.At least comprising powder, in particular consisting of an alloy according to one or more of Claims 1 to 12 , Komponente aufweisend, insbesondere bestehend, eine Legierung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 und/oder hergestellt aus einem Pulver gemäß Anspruch 13.Component comprising, in particular, an alloy according to one or more of Claims 1 to 12 and / or produced from a powder according to Claim 13 , Verfahren zur Herstellung oder Reparatur einer Komponente, insbesondere einer Komponente gemäß Anspruch 14, bei dem eine Legierung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 oder ein Pulver gemäß Anspruch 13 verwendet wird.Process for the preparation or repair of a component, in particular a component according to Claim 14 in which an alloy according to one or more of Claims 1 to 12 or a powder according to Claim 13 is used. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem ein additives Verfahren verwendet wird, insbesondere Auftragschweißen, Pulverbettschweißen (SLM) oder -sintern (SLS).Method according to Claim 15 using an additive process, in particular cladding, powder bed welding (SLM) or sintering (SLS). Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem eine Lösungsglühung erfolgt, insbesondere bei 1523K, und/oder eine Auslagerung bei 1023K - 1173K zwecks Einstellung einer γ/ γ` Gefügestruktur.Method according to Claim 15 or 16 in which a solution annealing takes place, in particular at 1523K, and / or a removal at 1023K-1173K for the purpose of setting a γ / γ` microstructure.
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