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DE102019208246A1 - Powder mix, a process, a coupon and a repaired component - Google Patents

Powder mix, a process, a coupon and a repaired component Download PDF

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DE102019208246A1
DE102019208246A1 DE102019208246.7A DE102019208246A DE102019208246A1 DE 102019208246 A1 DE102019208246 A1 DE 102019208246A1 DE 102019208246 A DE102019208246 A DE 102019208246A DE 102019208246 A1 DE102019208246 A1 DE 102019208246A1
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cobalt
powder
weight
based alloy
nickel
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DE102019208246.7A
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German (de)
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Mathias GOEKEN
Steffen NEUMEIER
Britta Stöhr
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Siemens AG
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Abstract

Durch eine neue Zusammensetzung einer kobaltbasierten Legierung können Auftragschweißungen besser hergestellt werden oder auch gesamte Bauteile mittels additiver Verfahren besser hergestellt werden.With a new composition of a cobalt-based alloy, overlay welds can be produced better or entire components can be produced better using additive processes.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischung zweier Kobalt-Basislegierungen mit Ausscheidungen zur Verfestigung, ein Verfahren, ein Coupon und ein repariertes Bauteil.The invention relates to a mixture of two cobalt-based alloys with precipitates for strengthening, a method, a coupon and a repaired component.

Standardmäßig eingesetzte Ni-Basislegierungen mit einem hohen Anteil an γ'-Phase und hoher Oxidationsbeständigkeit für Hochtemperaturanwendungen zeigen in der Regel eine sehr schlechte Schweißbarkeit. Für die Reparatur von Hochtemperaturkomponenten, wie z.B. Laufschaufeln, sind jedoch Legierungen erforderlich, die eine hohe Oxidationsbeständigkeit und hinreichende mechanische Festigkeit mit einer guten Schweißbarkeit verbinden. Allerdings lässt sich dieser Werkstoff momentan nicht rissfrei auftragschweißen, so dass er z.B. für eine Tip-Reparatur an Laufschaufeln nicht eingesetzt werden kann.Ni-base alloys used as standard with a high proportion of γ'-phase and high oxidation resistance for high-temperature applications generally show very poor weldability. For the repair of high temperature components such as Blade, however, alloys are required that combine high oxidation resistance and sufficient mechanical strength with good weldability. However, this material cannot currently be build-up welded without cracks, so that e.g. cannot be used for tip repairs on rotor blades.

Bislang wurde für Reparaturen an entsprechenden Komponenten auf alternative Schweißzusatzwerkstoffe mit besserer Schweißbarkeit zurückgegriffen (z.B. IN 625). Keiner dieser Werkstoffe bietet jedoch die notwendige Kombination aus Festigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Schweißbarkeit.So far, alternative welding filler materials with better weldability have been used for repairs to corresponding components (e.g. IN 625). However, none of these materials offers the necessary combination of strength, oxidation resistance and weldability.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Pulvermischung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 4, ein Coupon nach Anspruch 8 und ein repariertes Bauteil nach Anspruch 9.It is therefore the object of the invention to solve the above-mentioned problem. The object is achieved by a powder mixture according to claim 1, a method according to claim 4, a coupon according to claim 8 and a repaired component according to claim 9.

Es wird vorgeschlagen, γ`-verfestigte Co-Basislegierungen als Schweißzusatzwerkstoffe einzusetzen. Diese Legierungen werden seit einigen Jahren als Gusswerkstoffe untersucht. Ähnlich zu den Nickelbasislegierungen können hohe Anteile an Y`-Phase erreicht werden, die jedoch im Falle der Co-Basislegierungen nicht die Stöchiometrie Ni3Al, sondern Co3(Al, W) aufweist. Der Vorteil gegenüber den Nickelbasislegierungen besteht in einer um bis zu 100K erhöhten Temperaturbeständigkeit.It is proposed to use γ'-solidified Co-base alloys as welding filler materials. These alloys have been investigated as cast materials for several years. Similar to the nickel-based alloys, high proportions of Y 'phase can be achieved, which in the case of the Co-based alloys does not have the stoichiometry Ni 3 Al, but Co 3 (Al, W). The advantage over nickel-based alloys is that the temperature resistance is increased by up to 100K.

Es wird vorgeschlagen, eine Mischung aus einer ersten Kobaltbasislegierung mit 20 Gew.-% bis 50 Gew.-% einer zweiten Kobaltbasislegierung zu verwenden. Mit dieser Mischung werden bereits rissfreie Schweißungen erzielt.It is proposed to use a mixture of a first cobalt-based alloy with 20% by weight to 50% by weight of a second cobalt-based alloy. With this mixture, crack-free welds are achieved.

Die Bruttozusammensetzung, die sich aus der Mischung ergibt, ist vollständig neu. Diese Legierung bietet folgende Vorteile: Die zweite Kobaltbasislegierung verfügt über eine exzellente Oxidationsbeständigkeit; allerdings handelt es sich bei diesem Werkstoff um einen Werkstoff ohne signifikante Anteile an ausscheidungsverfestigender Phase. Weiterhin weist die Kobaltbasislegierung eine gute Oxidationsbeständigkeit auf; in Kombination mit deutlich besseren mechanischen Eigenschaften. Durch die Mischung der beiden Werkstoffe kann demnach genau die Lücke geschlossen werden, die im Bereich der Schweißzusatzwerkstoffe für HT-Anwendungen momentan noch besteht. Der Werkstoff kombiniert gute Oxidationsbeständigkeit, mechanische Festigkeit und Schweißbarkeit.The gross composition that results from the mix is completely new. This alloy offers the following advantages: The second cobalt-based alloy has excellent oxidation resistance; however, this material is a material without significant proportions of precipitation-strengthening phase. Furthermore, the cobalt-based alloy has good oxidation resistance; in combination with significantly better mechanical properties. By mixing the two materials, the gap that currently still exists in the field of welding consumables for HT applications can be closed. The material combines good oxidation resistance, mechanical strength and weldability.

Diese Pulvermischung könnte nicht nur für das Laserpulverauftragschweißen von Interesse sein, sondern auch für additive Verfahren. Insgesamt ergeben sich daraus folgende Vorteile:

  • • Erweiterung des Reparaturumfangs,
  • • Möglichkeiten des Upgrades an Schaufeln durch z.B. Auflöten von SLS-SLM-gebauten Tips in Form von Coupons mit geändertem Kühlluftbohrungsmuster aus dem oben beschriebenen Werkstoff.
This powder mixture could be of interest not only for laser powder deposition welding, but also for additive processes. Overall, this results in the following advantages:
  • • Expansion of the scope of repairs,
  • • Possibility of upgrading blades by, for example, soldering on SLS-SLM-built tips in the form of coupons with a modified cooling air hole pattern made from the material described above.

Coupons werden dann vorzugsweise mit den SLM oder SLS Verfahren hergestellt.Coupons are then preferably produced using the SLM or SLS processes.

Die Zusammensetzung der ersten Kobaltbasislegierung weist auf, insbesondere besteht aus (in Gew.-%):

  • 28,0% - 40,0% Nickel (Ni)
  • 10,0% - 15,0% Chrom (Cr)
  • 2,5% - 5,5% Aluminium (Al)
  • 6,5% - 16,0% Wolfram (W)
  • 0,0% - 9,0% Tantal (Ta)
  • 0,0% - 8,0% Titan (Ti)
  • 0,0% - 0,5% Bor (B)
  • 0,0% - 0,5% Kohlenstoff (C)
  • 0,0% - 2,0% Hafnium (Hf)
  • 0,0% - 0,1% Zirkon (Zr)
  • 0,0% - 8,0% Eisen (Fe)
  • 0,0% - 6,0% Niob (Nb)
  • 0,0% - 7,0% Molybdän (Mo)
  • 0,0% - 7,0% Germanium (Ge)
  • 0,0% - 1,0% Silizium (Si),
  • insbesondere mindestens 0,1% Silizium (Si), Kobalt (Co),
  • insbesondere Rest Kobalt (Co).
The composition of the first cobalt-based alloy has, in particular consists of (in% by weight):
  • 28.0% - 40.0% nickel (Ni)
  • 10.0% - 15.0% chromium (Cr)
  • 2.5% - 5.5% aluminum (Al)
  • 6.5% - 16.0% tungsten (W)
  • 0.0% - 9.0% tantalum (Ta)
  • 0.0% - 8.0% titanium (Ti)
  • 0.0% - 0.5% boron (B)
  • 0.0% - 0.5% carbon (C)
  • 0.0% - 2.0% hafnium (Hf)
  • 0.0% - 0.1% zirconium (Zr)
  • 0.0% - 8.0% iron (Fe)
  • 0.0% - 6.0% niobium (Nb)
  • 0.0% - 7.0% molybdenum (Mo)
  • 0.0% - 7.0% germanium (Ge)
  • 0.0% - 1.0% silicon (Si),
  • in particular at least 0.1% silicon (Si), cobalt (Co),
  • especially the balance cobalt (Co).

Die Zusammensetzung der ersten Kobaltbasislegierung weist vorzugsweise auf, insbesondere besteht aus (in Gew.-%): Bor (B) 0,014% Kohlenstoff (C) 0,016% Aluminium (Al) 3,90% Silizium (Si) 0,18% Titan (Ti) 0,23% Chrom (Cr) 10,1% Nickel (Ni) 30,5% Zirkonium (Zr) 0,015% Hafnium (Hf) 0,29% Tantal (Ta) 0,59% Wolfram (W) 14,9% Silizium (Si) 0,0% - 1,0%, insbesondere mindestens 0,1% Silizium (Si),
Kobalt (Co).The composition of the first cobalt-based alloy preferably has, in particular consists of (in% by weight): Boron (B) 0.014% Carbon (C) 0.016% Aluminum (Al) 3.90% Silicon (Si) 0.18% Titanium (Ti) 0.23% Chromium (Cr) 10.1% Nickel (Ni) 30.5% Zirconium (Zr) 0.015% Hafnium (Hf) 0.29% Tantalum (Ta) 0.59% Tungsten (W) 14.9% Silicon (Si) 0.0% - 1.0%, in particular at least 0.1% silicon (Si),
Cobalt (Co).

Die Zusammensetzung der zweiten Kobaltbasislegierung weist auf, insbesondere besteht aus (in Gew.-%): Kohlenstoff (C) 0,2% - 0,5% Aluminium (Al) 4,0% - 4,9% Titan (Ti) 0,11% - 0,35% Chrom (Cr) 19,0% - 21,0% Nickel (Ni) 14,0% - 16,0% Hafnium (Hf) 0,8% - 1,3% Tantal (Ta) 2,7% - 3,4% Wolfram (W) 8,1% - 9,9% Yttrium (Y) 0,0% - 0,2%, insbesondere mindestens 0,02% Yttrium (Y), Kobalt (Co),
insbesondere Rest Kobalt (Co).The composition of the second cobalt-based alloy has, in particular consists of (in% by weight): Carbon (C) 0.2% - 0.5% Aluminum (Al) 4.0% - 4.9% Titanium (Ti) 0.11% - 0.35% Chromium (Cr) 19.0% - 21.0% Nickel (Ni) 14.0% - 16.0% Hafnium (Hf) 0.8% - 1.3% Tantalum (Ta) 2.7% - 3.4% Tungsten (W) 8.1% - 9.9% Yttrium (Y) 0.0% - 0.2%, in particular at least 0.02% yttrium (Y), cobalt (Co),
especially the balance cobalt (Co).

Vorzugsweise weist die zweite Kobaltbasislegierung folgende Zusammensetzung auf, insbesondere besteht aus (in Gew.-%): Kohlenstoff (C) 0,35% Aluminium (Al) 4,40% Titan (Ti) 0,20% Chrom (Cr) 20,00%. Nickel (Ni) 15,00% Hafnium (Hf) 1,00% Tantal (Ta) 3,00% Wolfram (W) 9,00% Yttrium (Y) 0,0% - 0,2% insbesondere mindestens 0,02% Yttrium (Y), Kobalt (Co),
insbesondere Rest Kobalt (Co).The second cobalt-based alloy preferably has the following composition, in particular consists of (in% by weight): Carbon (C) 0.35% Aluminum (Al) 4.40% Titanium (Ti) 0.20% Chromium (Cr) 20.00%. Nickel (Ni) 15.00% Hafnium (Hf) 1.00% Tantalum (Ta) 3.00% Tungsten (W) 9.00% Yttrium (Y) 0.0% - 0.2% in particular at least 0.02% yttrium (Y), cobalt (Co),
especially the balance cobalt (Co).

Diese Legierung kann für verschiedene Herstellungsverfahren wie Pulverauftragschweißen, Drahtauftragschweißen oder additive Herstellungsverfahren wie Pulverbettverfahren verwendet werden mittels Sinterns (SLS) oder Schmelzen (SLM), wobei Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen verwendet werden.This alloy can be used for various manufacturing processes such as powder cladding, wire cladding or additive manufacturing processes such as powder bed processes by means of sintering (SLS) or melting (SLM) using laser beams or electron beams.

Claims (9)

Pulvermischung, aufweisend, insbesondere bestehend aus: einer ersten Kobalt-Basislegierung, die zumindest aufweist, insbesondere besteht aus (in Gew.-%): 28,0% - 40,0% Nickel (Ni) 10,0% - 15,0% Chrom (Cr) 2,5% - 5,5% Aluminium (Al) 6,5% - 16,0% Wolfram (W) 0,0% - 9,0 % Tantal (Ta) 0,0% - 8,0% Titan (Ti) 0,0% - 0,5% Bor (B) 0,0% - 0,5% Kohlenstoff (C) 0,0% - 2,0% Hafnium (Hf) 0,0% - 0,1% Zirkon (Zr) 0,0% - 8,0% Eisen (Fe) 0,0% - 6,0% Niob (Nb) 0,0% - 7,0% Molybdän (Mo) 0,0% - 7,0% Germanium (Ge) 0,0% - 1,0% Silizium (Si), insbesondere mindestens 0,1% Silizium (Si), Kobalt (Co), insbesondere Rest Kobalt (Co), sowie eine weitere, zweite Kobalt-Basislegierung, die zumindest aufweist, insbesondere besteht aus (in Gew.-%): Kohlenstoff (C) 0,2% - 0,5% Aluminium (Al) 4,0% - 4,9% Titan (Ti) 0,11% - 0,35% Chrom (Cr) 19,0% - 21,0% Nickel (Ni) 14,0% - 16,0% Hafnium (Hf) 0,8% - 1,3% Tantal (Ta) 2,7% - 3,4% Wolfram (W) 8,1% - 9,9% Yttrium (Y) 0,0% - 0,2%,
insbesondere mindestens 0,01% Yttrium (Y), Kobalt (Co), insbesondere Rest Kobalt (Co), wobei die zweite Kobaltbasislegierung einen Anteil von 20 Gew.-% bis 50 Gew.-% in der Pulvermischung aufweist.Powder mixture, comprising, in particular consisting of: a first cobalt-based alloy, which has at least, in particular consists of (in% by weight): 28.0% -40.0% nickel (Ni) 10.0% -15.0 % Chromium (Cr) 2.5% - 5.5% aluminum (Al) 6.5% - 16.0% tungsten (W) 0.0% - 9.0% tantalum (Ta) 0.0% - 8 , 0% titanium (Ti) 0.0% - 0.5% boron (B) 0.0% - 0.5% carbon (C) 0.0% - 2.0% hafnium (Hf) 0.0% - 0.1% zirconium (Zr) 0.0% - 8.0% iron (Fe) 0.0% - 6.0% niobium (Nb) 0.0% - 7.0% molybdenum (Mo) 0, 0% - 7.0% germanium (Ge) 0.0% - 1.0% silicon (Si), in particular at least 0.1% silicon (Si), cobalt (Co), in particular the remainder cobalt (Co), as well as one further, second cobalt-based alloy which has at least, in particular consists of (in% by weight): Carbon (C) 0.2% - 0.5% Aluminum (Al) 4.0% - 4.9% Titanium (Ti) 0.11% - 0.35% Chromium (Cr) 19.0% - 21.0% Nickel (Ni) 14.0% - 16.0% Hafnium (Hf) 0.8% - 1.3% Tantalum (Ta) 2.7% - 3.4% Tungsten (W) 8.1% - 9.9% Yttrium (Y) 0.0% - 0.2%,
in particular at least 0.01% yttrium (Y), cobalt (Co), in particular the remainder cobalt (Co), the second cobalt-based alloy having a proportion of 20% by weight to 50% by weight in the powder mixture. Pulvermischung nach Anspruch 1, wobei die erste Pulvermischung aufweist, insbesondere besteht aus (in Gew.-%): Bor (B) 0,014% Kohlenstoff (C) 0,016% Aluminium (Al) 3,90% Silizium (Si) 0,18% Titan (Ti) 0,23% Chrom (Cr) 10,1% Nickel (Ni) 30,5% Zirkonium (Zr) 0,015% Hafnium (Hf) 0,29% Tantal (Ta) 0,59% Wolfram (W) 14,9% Silizium (Si) 0,0% - 1,0%,
Kobalt (Co), insbesondere Rest Kobalt (Co).Powder mix after Claim 1 , wherein the first powder mixture comprises, in particular consists of (in% by weight): Boron (B) 0.014% Carbon (C) 0.016% Aluminum (Al) 3.90% Silicon (Si) 0.18% Titanium (Ti) 0.23% Chromium (Cr) 10.1% Nickel (Ni) 30.5% Zirconium (Zr) 0.015% Hafnium (Hf) 0.29% Tantalum (Ta) 0.59% Tungsten (W) 14.9% Silicon (Si) 0.0% - 1.0%,
Cobalt (Co), in particular the balance cobalt (Co). Pulvermischung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Kobaltbasislegierung aufweist, insbesondere besteht aus (in Gew.-%): Kohlenstoff (C) 0,35% Aluminium (Al) 4,40% Titan (Ti) 0,20% Chrom (Cr) 20,00%. Nickel (Ni) 15,00% Hafnium (Hf) 1,00% Tantal (Ta) 3,00% Wolfram (W) 9,00% Yttrium (Y) 0,0% - 0,2%
insbesondere mindestens 0,02% Yttrium (Y), Kobalt (Co), insbesondere Rest Kobalt (Co).Powder mix after Claim 1 or 2 , in which the second cobalt-based alloy has, in particular consists of (in% by weight): Carbon (C) 0.35% Aluminum (Al) 4.40% Titanium (Ti) 0.20% Chromium (Cr) 20.00%. Nickel (Ni) 15.00% Hafnium (Hf) 1.00% Tantalum (Ta) 3.00% Tungsten (W) 9.00% Yttrium (Y) 0.0% - 0.2%
in particular at least 0.02% yttrium (Y), cobalt (Co), in particular the remainder cobalt (Co). Verfahren zur Herstellung einer Schicht oder eines Bauteils oder zur Reparatur eines Bauteils, bei dem eine Pulvermischung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3 verwendet wird.Method for producing a layer or a component or for repairing a component, in which a powder mixture according to one or more of the Claims 1 , 2 or 3 is used. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem ein Auftragschweißverfahren, insbesondere Pulverauftragschweißverfahren, ganz insbesondere Laserpulverauftragverfahren, mit dem Pulver nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3 verwendet wird.Procedure according to Claim 4 , in which a deposition welding method, in particular powder deposition welding method, very particularly laser powder application method, with the powder according to one or more of the Claims 1 , 2 or 3 is used. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem im Pulverbett eine Pulvermischung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3 verfestigt wird.Procedure according to Claim 4 , in which in the powder bed a powder mixture according to one or more of Claims 1 , 2 or 3 is solidified. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem eine Reparatur eines Turbinenbauteils erfolgt.Procedure according to Claim 4 , during which a turbine component is repaired. Coupon, aufweisend eine Pulvermischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3 oder hergestellt nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, insbesondere zur Verwendung in einem Reparaturverfahren.Coupon, comprising a powder mixture according to one or more of the Claims 1 , 2 or 3 or prepared according to one or more of Claims 4 to 6th , in particular for use in a repair process. Repariertes Bauteil, aufweisend ein Coupon nach Anspruch 8.Repaired component, showing a coupon after Claim 8 .
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