EP2927336A1 - Nickel base alloy with optimised matrix properties - Google Patents
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- EP2927336A1 EP2927336A1 EP14163477.4A EP14163477A EP2927336A1 EP 2927336 A1 EP2927336 A1 EP 2927336A1 EP 14163477 A EP14163477 A EP 14163477A EP 2927336 A1 EP2927336 A1 EP 2927336A1
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- C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
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- C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
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Definitions
- the present invention relates to a nickel-based alloy as well as to articles such as blades of turbomachinery made of this nickel-based alloy and a process for producing a corresponding nickel-based alloy.
- turbomachines such as stationary gas turbines or aircraft engines
- nickel-base alloys and in particular nickel-based superalloys for example as blade materials
- these materials have sufficient mechanical strength for the high mechanical loads even at high operating temperatures.
- such materials must also have a high creep resistance when used in turbomachinery under the given environmental conditions with high operating temperatures and high mechanical loads due to centrifugal forces.
- Nickel-base alloys are understood to mean alloys whose main alloy constituent, ie the alloy constituent with the highest proportion, is nickel.
- Nickel-based superalloys in turn, refer to alloys with a high proportion of alloyed constituents which have intermetallic precipitates for particular hardening of the material.
- Corresponding nickel base superalloys, such as IN718, CMSX-4, PWA1497 or René N6, have specific microstructures that dictate the favorable high temperature properties of the materials.
- such nickel-base superalloys exhibit cube-shaped precipitates of a y 'phase in a ⁇ matrix, such that precipitation hardening occurs through the y' phase.
- the alloy constituents in the y-matrix also cause solid-solution hardening.
- the invention proposes to optimize the property profile of a nickel-based alloy and for the efficient use and variable use of alloy constituents, a nickel-based alloy having a chemical composition with 8 to 13 at.% Aluminum, 3 to 14 at.% Cobalt, 4 to 12 at.% Chromium, 0.6 to 8 at.% Molybdenum, 0 to 6 at.% Rhenium, 0.5 to 4 at.% Tantalum, 0.5 to 4 at.% Titanium, 0.3 to 3.5 at.% Tungsten, 0 to 4 at.% Germanium, 0 to 0.6 at.% Hafnium, 0 to 4 at.% Ruthenium and the balance nickel and unavoidable impurities.
- the chemical composition is further selected to be a microstructure having a matrix of y phase and precipitates can be formed from the y 'phase, wherein the y' phase component in the temperature range from 1000 ° C. to 1100 ° C. is 50% by volume to 80% by volume, preferably 60% by volume to 80% by volume and in particular 70 ° Vol.% To 80 vol.%.
- the y 'volume fraction can be adjusted in particular by the appropriate choice of the proportions of germanium, aluminum, titanium and tantalum.
- the aluminum content is minimized, while the proportion of germanium, titanium and / or tantalum is maximized for each element alone or in total for several or all of these elements, wherein the boundary condition that the y '- Phases - proportion should amount to 50 vol.% To 80 vol.% In the structure of the nickel-based alloy.
- the aluminum content may be in particular in a range of plus 30%, in particular plus 20%, preferably plus 10% of the minimum aluminum content to the minimum of aluminum content at given or maximum proportions of germanium, titanium and tantalum for the maintenance of y '- Phases - fraction can be chosen within the chemical composition given above. Accordingly, the proportion of germanium, tantalum and / or titanium in each case alone or for several or all of these elements can be selected in ranges corresponding to the respective maxima of the fraction minus 30%, in particular minus 20%, preferably minus 10% to the maximum correspond.
- the boundary condition of a y 'phase fraction of 50% by volume to 80% by volume should be adhered to, so that in each case the corresponding minima or Maxima for the respective fractions can be determined for a minimum or maximum or middle or intermediate proportion of the y 'phase, ie for example for 50% by volume, 65% by volume and 80% by volume y' phase in the microstructure at a temperature range of 1000 ° C to 1100 ° C.
- the aluminum content may be selected in the range of 9 to 12 at.%, Preferably 10 to 12 at.%.
- the proportions of molybdenum and / or tungsten can be chosen in a particular way to both optimize the y - phase solid solution hardening of the matrix by incorporating appropriate alloying constituents in the y phase, as well as to improve the resistance of the y 'precipitates.
- the alloying constituents be chosen so that the y' precipitates are as much as possible in their original shape and size remain.
- the alloy composition is important in that the alloying composition can also be used to optimize the incorporation of foreign atoms into the y phase.
- the nickel-based alloy may be further selected such that the distribution ratio of tungsten and / or molybdenum from the y-matrix to the y 'precipitates is adjusted so that the concentration of tungsten and / or molybdenum in the matrix relative to the respective concentration of Tungsten and / or molybdenum in the y 'phase is greater than 1, in particular greater than or equal to 1.5.
- This distribution ratio of the concentration of tungsten and / or molybdenum from the y-phase to the y '-phase can also be influenced by the adjustment of the chemical composition of the alloy with regard to the constituents tantalum, titanium and / or germanium.
- the nickel base alloy can be optimized so that the alloy has a solidus temperature of more than 1300 ° C and / or that the ⁇ / ⁇ 'mismatch in the temperature range of 1000 ° C to 1100 ° C in the range of - 0.15 % to - 0.25%, with the y - / ⁇ 'mismatch being the difference in lattice constants of the two phases ⁇ and ⁇ ' normalized to the averaged value of the lattice constant.
- impurities or trace elements such as bismuth, selenium, thallium, lead, tellurium or sulfur can be minimized to technically possible purity ranges.
- An alloy containing about 10 at.% Al, 14 at.% Co, 7 at.% Cr, 2 at.% Mo, 2.5 at.% Ta, 3 at.% Ti and 2.5 at.% W and balance nickel designed according to the present invention has optimized properties in terms of the volume fraction of the y 'phase, the liquidus temperature, the solid solution hardening, the coarsening of the y' precipitates and the ⁇ / ⁇ 'mismatch.
- the ⁇ / ⁇ 'mismatch is -0.25% and the solidus temperature is 1301 ° C.
- the proportion of y 'phase is 46 mol .-% and the concentration of W and Mo in the y - phase, each with about 3.5 at.% Is so high that they contribute significantly to solid solution hardening.
- the proportion of W and Mo in combination with the selected concentrations of the other alloying constituents causes the coarsening of the y 'phase to be hindered at high use temperatures.
- the alloy is outstandingly suitable for applications at high temperatures, such as in turbomachines and in particular in aircraft turbines.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Nickelbasislegierung mit einem Gefüge mit einer Matrix aus y - Phase und Ausscheidungen aus y'- Phase, wobei die y'- Phase einen Volumenanteil von 50 Vol.% bis 80 Vol.% im Temperaturbereich von 1000°C bis 1100°C aufweist, und wobei die Nickelbasislegierung eine chemischen Zusammensetzung aufweist, gemäß der die Nickelbasislegierung 8 bis 13 at.% Aluminium, 3 bis 14 at.% Kobalt , 4 bis 12 at.% Chrom , 0,6 bis 8 at.% Molybdän , 0 bis 6 at.% Rhenium , 0,5 bis 4 at.% Tantal, 0,5 bis 4 at.% Titan , 0,3 bis 3,5 at.% Wolfram , 0 bis 4 at.% Germanium , 0 bis 0,6 at.% Hafnium und 0 bis 4 at.% Ruthenium, sowie Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst, wobei die chemische Zusammensetzung bezüglich der Elemente Molybdän und Wolfram so gewählt wird, dass der gemäß der Beziehung X = 0,84 CMo + CW gewichtete Anteil X von Molybdän und Wolfram in der y - Phase bei Temperaturen im Bereich von 1000°C bis 1100°C größer 5,5 at.% ist, wobei CMo und CW die Konzentrationen von Molybdän und Wolfram in at.% sind.The invention relates to a nickel - based alloy having a structure with a matrix of y - phase and precipitates of y 'phase, wherein the y' phase has a volume fraction of 50 vol.% To 80 vol.% In the temperature range of 1000 ° C to 1100 ° C, and wherein the nickel-base alloy has a chemical composition according to which the nickel-based alloy contains 8 to 13 at.% Aluminum, 3 to 14 at.% Cobalt, 4 to 12 at.% Chromium, 0.6 to 8 at.% Molybdenum, 0 to 6 at.% Rhenium, 0.5 to 4 at.% Tantalum, 0.5 to 4 at.% Titanium, 0.3 to 3.5 at.% Tungsten, 0 to 4 at.% Germanium, 0 to 0.6 at.% Hafnium and 0 to 4 at.% Ruthenium, as well as balance nickel and unavoidable impurities, wherein the chemical composition is selected with respect to the elements molybdenum and tungsten, that according to the relationship X = 0.84 CMo + CW weighted fraction X of molybdenum and tungsten in the y-phase at temperatures in the range of 1000 ° C to 1100 ° C is greater than 5.5 at.%, Where CMo and C W is the concentration of molybdenum and tungsten in at.%.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nickelbasislegierung sowie Gegenstände, wie Schaufeln von Strömungsmaschinen, aus dieser Nickelbasislegierung und ein Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Nickelbasislegierung.The present invention relates to a nickel-based alloy as well as to articles such as blades of turbomachinery made of this nickel-based alloy and a process for producing a corresponding nickel-based alloy.
In Strömungsmaschinen, wie stationären Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken, werden Nickelbasislegierungen und insbesondere Nickelbasis - Superlegierungen, beispielsweise als Schaufelwerkstoffe, eingesetzt, da diese Werkstoffe auch bei hohen Betriebstemperaturen eine ausreichende mechanische Festigkeit für die hohen mechanischen Belastungen aufweisen. Insbesondere müssen derartige Werkstoffe beim Einsatz in Strömungsmaschinen unter den gegebenen Umgebungsbedingungen mit hohen Betriebstemperaturen und großen mechanischen Belastungen durch Fliehkräfte auch eine hohe Kriechbeständigkeit aufweisen.In turbomachines, such as stationary gas turbines or aircraft engines, nickel-base alloys and in particular nickel-based superalloys, for example as blade materials, are used, since these materials have sufficient mechanical strength for the high mechanical loads even at high operating temperatures. In particular, such materials must also have a high creep resistance when used in turbomachinery under the given environmental conditions with high operating temperatures and high mechanical loads due to centrifugal forces.
Unter Nickelbasislegierungen werden Legierungen verstanden, deren Hauptlegierungsbestandteil, also der Legierungsbestandteil mit dem höchsten Anteil, Nickel ist. Nickelbasis - Superlegierungen bezeichnen wiederum Legierungen mit hohem Anteil an zulegierten Bestandteilen, die intermetallische Ausscheidungen zur besonderen Verfestigung des Werkstoffs aufweisen. Entsprechende besitzen Nickelbasis - Superlegierungen, wie beispielsweise IN718, CMSX-4, PWA1497 oder René N6 spezielle Mikrostrukturen, die die vorteilhaften Hochtemperatureigenschaften der Werkstoffe bedingen.Nickel-base alloys are understood to mean alloys whose main alloy constituent, ie the alloy constituent with the highest proportion, is nickel. Nickel-based superalloys, in turn, refer to alloys with a high proportion of alloyed constituents which have intermetallic precipitates for particular hardening of the material. Corresponding nickel base superalloys, such as IN718, CMSX-4, PWA1497 or René N6, have specific microstructures that dictate the favorable high temperature properties of the materials.
So weisen derartige Nickelbasis - Superlegierungen würfelförmige Ausscheidungen einer y' - Phase in einer γ - Matrix auf, sodass durch die y' - Phase eine Ausscheidungshärtung gegeben ist. Daneben bewirken die Legierungsbestandteile in der y - Matrix auch eine Mischkristallhärtung.For example, such nickel-base superalloys exhibit cube-shaped precipitates of a y 'phase in a γ matrix, such that precipitation hardening occurs through the y' phase. In addition, the alloy constituents in the y-matrix also cause solid-solution hardening.
Obwohl damit bereits sehr gut geeignete Werkstoffe für Hochtemperaturanwendungen in Gasturbinen oder Flugtriebwerken vorliegen, besteht ein weiterer Bedarf der Optimierung entsprechender Legierungen, um die Einsatztemperaturen und/oder Belastungsgrenzen weiter zu erhöhen sowie allgemein das Eigenschaftsprofil zu verbessern. Darüber hinaus ist es ein Ziel aufgrund der knapper werdenden Ressourcen, die eingesetzten Legierungsbestandteile optimal nutzen oder teilweise durch andere Bestandteile substituieren zu können.Although this already provides very suitable materials for high-temperature applications in gas turbines or aircraft engines, there is a further need for optimizing corresponding alloys in order to further increase the operating temperatures and / or load limits and generally to improve the property profile. In addition, it is an objective due to the scarcity of resources to make optimal use of the alloy components used or to be able to substitute them in part by other components.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Nickelbasislegierung sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung bereitzustellen, bei welchen die eingesetzten Legierungsbestandteile zur Erzielung eines ausgewogenen Eigenschaftsprofils und insbesondere einer hohen Festigkeit und Kriechbeständigkeit bei hohen Einsatztemperaturen effizient eingesetzt werden, wobei die Legierung eine hohe Variabilität der Zusammensetzung erlaubt.It is therefore an object of the present invention to provide a nickel-based alloy and a process for its production, in which the alloying components used to achieve a balanced property profile and in particular a high strength and creep resistance at high operating temperatures are used efficiently, the alloy allows a high variability of the composition ,
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Nickelbasislegierung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 2 sowie einem Gegenstand aus derartigen Nickelbasislegierungen mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie Verfahren zur Herstellung einer Nickelbasislegierung mit den Merkmalen der Ansprüche 11 oder 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a nickel-based alloy having the features of claims 1 or 2 and an article of such nickel-based alloys having the features of claim 8 and a method of producing a nickel-based alloy having the features of claims 11 or 12. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung schlägt zur Optimierung des Eigenschaftsprofils einer Nickelbasislegierung und zur effizienten Nutzung sowie dem variablen Einsatz von Legierungsbestandteilen eine Nickelbasislegierung vor, die eine chemische Zusammensetzung mit 8 bis 13 at.% Aluminium, 3 bis 14 at.% Kobalt, 4 bis 12 at.% Chrom, 0,6 bis 8 at.% Molybdän, 0 bis 6 at.% Rhenium, 0,5 bis 4 at.% Tantal, 0,5 bis 4 at.% Titan, 0,3 bis 3,5 at.% Wolfram, 0 bis 4 at.% Germanium, 0 bis 0,6 at.% Hafnium, 0 bis 4 at.% Ruthenium und dem Rest Nickel sowie unvermeidbare Verunreinigungen aufweist.The invention proposes to optimize the property profile of a nickel-based alloy and for the efficient use and variable use of alloy constituents, a nickel-based alloy having a chemical composition with 8 to 13 at.% Aluminum, 3 to 14 at.% Cobalt, 4 to 12 at.% Chromium, 0.6 to 8 at.% Molybdenum, 0 to 6 at.% Rhenium, 0.5 to 4 at.% Tantalum, 0.5 to 4 at.% Titanium, 0.3 to 3.5 at.% Tungsten, 0 to 4 at.% Germanium, 0 to 0.6 at.% Hafnium, 0 to 4 at.% Ruthenium and the balance nickel and unavoidable impurities.
Bei einer Nickelbasislegierung mit einer derartigen Zusammensetzung wird die chemische Zusammensetzung weiterhin so gewählt, dass ein Gefüge mit einer Matrix aus y - Phase und Ausscheidungen aus y' - Phase gebildet werden kann, wobei der y' - Phasen - Anteil im Temperaturbereich von 1000°C bis 1100°C 50 Vol.% bis 80 Vol.%, vorzugsweise 60 Vol.% bis 80 Vol.% und insbesondere 70 Vol.% bis 80 Vol.% beträgt. Der y' - Volumenanteil kann insbesondere durch die geeignete Wahl der Anteile von Germanium, Aluminium, Titan und Tantal eingestellt werden. Vorteilhaft ist hierbei, wenn der Aluminiumanteil minimiert wird, während der Anteil an Germanium, Titan und/oder Tantal jeweils für jedes Element alleine oder in Summe für mehrere oder alle dieser Elemente maximiert wird, wobei die Randbedingung eingehalten werden soll, dass der y' - Phasen - Anteil 50 Vol.% bis 80 Vol.% im Gefüge der Nickelbasislegierung betragen soll.For a nickel base alloy having such a composition, the chemical composition is further selected to be a microstructure having a matrix of y phase and precipitates can be formed from the y 'phase, wherein the y' phase component in the temperature range from 1000 ° C. to 1100 ° C. is 50% by volume to 80% by volume, preferably 60% by volume to 80% by volume and in particular 70 ° Vol.% To 80 vol.%. The y 'volume fraction can be adjusted in particular by the appropriate choice of the proportions of germanium, aluminum, titanium and tantalum. In this case, it is advantageous if the aluminum content is minimized, while the proportion of germanium, titanium and / or tantalum is maximized for each element alone or in total for several or all of these elements, wherein the boundary condition that the y '- Phases - proportion should amount to 50 vol.% To 80 vol.% In the structure of the nickel-based alloy.
Entsprechend kann der Aluminiumanteil insbesondere in einem Bereich von plus 30%, insbesondere plus 20%, vorzugsweise plus 10% des Minimums für den Aluminiumanteil bis zum Minimum des Aluminiumanteils bei gegebenen oder maximalen Anteilen an Germanium, Titan und Tantal für die Einhaltung des y' - Phasen - Anteil innerhalb der oben angegebenen chemischen Zusammensetzung gewählt werden. Entsprechend kann der Anteil an Germanium, Tantal und/oder Titan jeweils für sich alleine oder für mehrere oder alle dieser Elemente in Bereichen gewählt werden, die den jeweiligen Maxima des Anteils minus 30%, insbesondere minus 20%, vorzugsweise minus 10% bis zum Maximum entsprechen. Sowohl bei der Bestimmung des Aluminiumgehalts als auch bei der Bestimmung der Anteile an Germanium, Tantal und/oder Titan soll die Randbedingung eines y' - Phasen - Anteils von 50 Vol.% bis 80 Vol.% eingehalten werden, sodass jeweils die entsprechenden Minima bzw. Maxima für die jeweiligen Anteile für einen minimalen oder maximalen bzw. mittleren oder dazwischen liegenden Anteil der y' - Phase bestimmt werden kann, also beispielsweise für 50 Vol.%, 65 Vol.% und 80 Vol.% y' - Phase im Gefüge bei einem Temperaturbereich von 1000°C bis 1100°C.Accordingly, the aluminum content may be in particular in a range of plus 30%, in particular plus 20%, preferably plus 10% of the minimum aluminum content to the minimum of aluminum content at given or maximum proportions of germanium, titanium and tantalum for the maintenance of y '- Phases - fraction can be chosen within the chemical composition given above. Accordingly, the proportion of germanium, tantalum and / or titanium in each case alone or for several or all of these elements can be selected in ranges corresponding to the respective maxima of the fraction minus 30%, in particular minus 20%, preferably minus 10% to the maximum correspond. Both in the determination of the aluminum content and in the determination of the proportions of germanium, tantalum and / or titanium, the boundary condition of a y 'phase fraction of 50% by volume to 80% by volume should be adhered to, so that in each case the corresponding minima or Maxima for the respective fractions can be determined for a minimum or maximum or middle or intermediate proportion of the y 'phase, ie for example for 50% by volume, 65% by volume and 80% by volume y' phase in the microstructure at a temperature range of 1000 ° C to 1100 ° C.
Insbesondere kann der Aluminiumgehalt im Bereich von 9 bis 12 at.%, vorzugsweise 10 bis 12 at.% gewählt werden.In particular, the aluminum content may be selected in the range of 9 to 12 at.%, Preferably 10 to 12 at.%.
Neben der oben angegebenen chemischen Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Nickelbasislegierung und der Einstellung der Nickelbasislegierung mit einem y' - Phasen - Anteil von 50 Vol.% bis 80 Vol.%, vorzugsweise 60 Vol.% bis 80 Vol.% und insbesondere 70 Vol.% bis 80 Vol.% wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Anteile von Molybdän und/oder Wolfram in einer bestimmten Weise gewählt werden, um sowohl die Mischkristallhärtung der y - Phase der Matrix durch den Einbau entsprechender Legierungsbestandteile in die y - Phase zu optimieren als auch die Beständigkeit der y' - Ausscheidungen zu verbessern. Da die mechanischen Eigenschaften der Nickelbasis - Superlegierungen stark durch die y' - Ausscheidungen geprägt werden, hat sich gezeigt, dass es von besonderer Bedeutung ist, dass die Legierungsbestandteile so gewählt werden, dass die y' - Ausscheidungen möglichst in ihrer ursprünglich eingestellten Form und Größe erhalten bleiben. Dazu ist es vorteilhaft eine Vergröberung der y' - Ausscheidungen und die dazu notwendige Diffusion durch geeignete Legierungszusammensetzung zu unterbinden bzw. zumindest zu erschweren. Für die Mischkristallhärtung der y - Phase ist die Legierungszusammensetzung dahingehend von Bedeutung, dass durch die Legierungszusammensetzung auch der Einbau von Fremdatomen in die y - Phase optimiert werden kann.In addition to the abovementioned chemical composition of the nickel-based alloy according to the invention and the adjustment of the nickel-based alloy having a y 'phase content of 50% by volume to 80% by volume, preferably 60% by volume to 80% by volume and in particular 70% by volume 80% by volume is proposed according to the invention that the proportions of molybdenum and / or tungsten can be chosen in a particular way to both optimize the y - phase solid solution hardening of the matrix by incorporating appropriate alloying constituents in the y phase, as well as to improve the resistance of the y 'precipitates. Since the mechanical properties of the nickel - base superalloys are strongly influenced by the y 'precipitates, it has been found to be of particular importance that the alloying constituents be chosen so that the y' precipitates are as much as possible in their original shape and size remain. For this purpose, it is advantageous to prevent, or at least to complicate, a coarsening of the y 'precipitates and the necessary diffusion through suitable alloy composition. For the solid solution hardening of the y phase, the alloy composition is important in that the alloying composition can also be used to optimize the incorporation of foreign atoms into the y phase.
Entsprechend wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen die chemische Zusammensetzung der Nickelbasislegierung so zu wählen, dass bezüglich der Elemente Molybdän und Wolfram der gewichtete Anteil X, der der Beziehung X = 0,84 CMo + CW entspricht, in der y - Phase bei einer Temperatur im Bereich von 1000°C bis 1100°C größer 5,5 at.% ist, wobei CMo die Konzentration von Molybdän und CW die Konzentration von Wolfram jeweils in at.% in der y - Phase der Matrix ist. Bei einer derartigen Wahl der Bestandteile an Molybdän und Wolfram ist eine optimale Mischkristallhärtung der y - Phase gegeben.Accordingly, it is proposed according to the invention to select the chemical composition of the nickel-based alloy such that, with respect to the elements molybdenum and tungsten, the weighted fraction X corresponding to the relationship X = 0.84C Mo + CW , in the y-phase at one temperature in the range of 1000 ° C to 1100 ° C is greater than 5.5 at.%, where C Mo is the concentration of molybdenum and C W is the concentration of tungsten in each case in at.% in the y-phase of the matrix. With such a choice of the components of molybdenum and tungsten, optimum solid solution hardening of the y phase is given.
Alternativ oder in Kombination dazu kann die Konzentration des Legierungsbestandteils Wolfram so gewählt werden, dass eine Werkstoffkenngröße ϕ, die den Diffusionseinfluss bei der Vergröberung der y' - Ausscheidungen beschreibt, kleiner oder gleich 0,05 ist, wobei ϕ definiert ist durch die Formel
wobei cW die Konzentration des Wolframs in der Matrix in at.%, c'W die Konzentration des Wolframs in der y'- Phase in at.% und DW der Diffusionskoeffizient des Wolframs sowie DNi der Diffusionskoeffizient von Nickel unter Berücksichtigung der Löslichkeitsdifferenz der Elemente zwischen Matrix und y'- Phase ist.Alternatively or in combination, the concentration of the alloying constituent tungsten may be selected such that a material parameter φ, which describes the diffusion influence in the coarsening of the y 'precipitates, is less than or equal to 0.05, where φ is defined by the formula
where c W is the concentration of tungsten in the matrix in at.%, c ' W is the concentration of tungsten in the y' phase in at.% and D W is the diffusion coefficient of tungsten and D Ni is the diffusion coefficient of nickel taking into account the solubility difference of the elements between matrix and y'-phase.
Die Nickelbasislegierung kann weiterhin so gewählt werden, dass das Verteilungsverhältnis von Wolfram und/oder Molybdän von der y - Matrix zu den y' - Ausscheidungen so eingestellt ist, dass die Konzentration von Wolfram und/oder Molybdän in der Matrix bezogen auf die jeweilige Konzentration von Wolfram und/oder Molybdän in der y' - Phase größer 1, insbesondere größer oder gleich 1,5 ist. Dieses Verteilungsverhältnis der Konzentration von Wolfram und/oder Molybdän von der y - Phase zur y' - Phase kann ebenfalls durch die Einstellung der chemischen Zusammensetzung der Legierung im Hinblick auf die Bestandteile Tantal, Titan und/oder Germanium beeinflusst werden.The nickel-based alloy may be further selected such that the distribution ratio of tungsten and / or molybdenum from the y-matrix to the y 'precipitates is adjusted so that the concentration of tungsten and / or molybdenum in the matrix relative to the respective concentration of Tungsten and / or molybdenum in the y 'phase is greater than 1, in particular greater than or equal to 1.5. This distribution ratio of the concentration of tungsten and / or molybdenum from the y-phase to the y '-phase can also be influenced by the adjustment of the chemical composition of the alloy with regard to the constituents tantalum, titanium and / or germanium.
Darüber hinaus kann die Nickelbasislegierung so optimiert werden, dass die Legierung eine Solidustemperatur von mehr als 1300°C aufweist und/oder dass die γ - / γ' - Fehlpassung im Temperaturbereich von 1000°C bis 1100°C im Bereich von - 0,15 % bis - 0,25 % liegt, wobei die y - / γ' - Fehlpassung als die auf den gemittelten Wert der Gitterkonstanten normierte Differenz der Gitterkonstanten der beiden Phasen γ und γ' ist.In addition, the nickel base alloy can be optimized so that the alloy has a solidus temperature of more than 1300 ° C and / or that the γ / γ 'mismatch in the temperature range of 1000 ° C to 1100 ° C in the range of - 0.15 % to - 0.25%, with the y - / γ 'mismatch being the difference in lattice constants of the two phases γ and γ' normalized to the averaged value of the lattice constant.
Darüber hinaus können Verunreinigungen oder Spurenelemente wie Bismut, Selen, Thallium, Blei, Tellur oder Schwefel auf technisch mögliche Reinheitsbereiche minimiert werden.In addition, impurities or trace elements such as bismuth, selenium, thallium, lead, tellurium or sulfur can be minimized to technically possible purity ranges.
Eine Legierung mit ca. 10 at. % Al, 14 at. % Co, 7 at. % Cr, 2 at. % Mo, 2,5 at.% Ta, 3 at. % Ti und 2,5 at.% W und Rest Nickel, die entsprechend der vorliegenden Erfindung entworfen worden ist, weist optimierten Eigenschaften hinsichtlich des Volumenanteils der y' - Phase, der Liquidustemperatur, der Mischkristallhärtung, der Vergröberung der y' - Ausscheidungen und der γ - / γ' - Fehlpassung auf. So beträgt die γ - / γ' - Fehlpassung -0,25% und die Solidustemperatur 1301°C. Der Anteil der y' - Phase beträgt 46 mol.-% und die Konzentration von W und Mo in der y - Phase liegt mit jeweils ca. 3,5 at. % so hoch, dass sie deutlich zur Mischkristallhärtung beitragen. Außerdem bewirkt der Anteil von W und Mo in Kombination mit den gewählten Konzentrationen der anderen Legierungsbestandteile, dass die Vergröberung der y' - Phase bei hohen Einsatztemperaturen behindert wird. Insbesondere durch die Kombination der erzielten Eigenschaften unter Berücksichtigung der eingesetzten Legierungsbestandteile ist die Legierung hervorragend für Anwendungen bei hohen Temperaturen, wie in Strömungsmaschinen und insbesondere in Flugturbinen geeignet.An alloy containing about 10 at.% Al, 14 at.% Co, 7 at.% Cr, 2 at.% Mo, 2.5 at.% Ta, 3 at.% Ti and 2.5 at.% W and balance nickel designed according to the present invention has optimized properties in terms of the volume fraction of the y 'phase, the liquidus temperature, the solid solution hardening, the coarsening of the y' precipitates and the γ / γ 'mismatch. Thus, the γ / γ 'mismatch is -0.25% and the solidus temperature is 1301 ° C. The proportion of y 'phase is 46 mol .-% and the concentration of W and Mo in the y - phase, each with about 3.5 at.% Is so high that they contribute significantly to solid solution hardening. In addition, the proportion of W and Mo in combination with the selected concentrations of the other alloying constituents causes the coarsening of the y 'phase to be hindered at high use temperatures. In particular, by the combination of the properties achieved, taking into account the alloying constituents used, the alloy is outstandingly suitable for applications at high temperatures, such as in turbomachines and in particular in aircraft turbines.
Claims (15)
wobei cW die Konzentration des Wolframs in der Matrix in at.%, c'W die Konzentration des Wolframs in der y'- Phase in at.% und DW der Diffusionskoeffizient des Wolframs sowie DNi der Diffusionskoeffizient von Nickel unter Berücksichtigung der Löslichkeitsdifferenz der Elemente zwischen Matrix und y'- Phase ist.Nickel - based alloy having a microstructure with a matrix of y - phase and precipitates of y 'phase, wherein the y' phase has a volume fraction of 50 vol.% To 80 vol.% In the temperature range of 1000 ° C to 1100 ° C, and wherein the nickel-base alloy has a chemical composition according to which the nickel-based alloy
where c W is the concentration of tungsten in the matrix in at.%, c ' W is the concentration of tungsten in the y' phase in at.% and D W is the diffusion coefficient of tungsten and D Ni is the diffusion coefficient of nickel taking into account the solubility difference of the elements between matrix and y'-phase.
dadurch gekennzeichnet, dass
die chemische Zusammensetzung bezüglich der Elemente Molybdän und Wolfram so gewählt wird, dass der gemäß der Beziehung X = 0,84 CMo + CW gewichtete Anteil X von Molybdän und Wolfram in der y - Phase bei Temperaturen im Bereich von 1000°C bis 1100°C größer 5,5 at.% ist, wobei CMo und CW die Konzentrationen von Molybdän und Wolfram in at.% sindNickel-based alloy according to claim 2,
characterized in that
the chemical composition with respect to the elements molybdenum and tungsten is chosen such that the proportion X of molybdenum and tungsten in the y-phase weighted according to the relationship X = 0.84C Mo + CW at temperatures in the range of 1000 ° C to 1100 ° C is greater than 5.5 at.%, Where C Mo and C W are the concentrations of molybdenum and tungsten in at.%
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aluminium - Anteil in Abhängigkeit der Anteile an Germanium, Titan und Tantal minimiert wird, wobei der Aluminiumanteil insbesondere im Bereich des Minimums plus 30 %, insbesondere plus 20 %, vorzugsweise plus 10 % gewählt wird, wenn ein minimaler, mittlerer oder maximaler Anteil der y'- Phase eingestellt wird.Nickel-based alloy according to one of the preceding claims,
characterized in that
the proportion of aluminum is minimized as a function of the proportions of germanium, titanium and tantalum, the aluminum content being in particular in the region of the minimum plus 30%, in particular plus 20%, preferably plus 10% is selected when a minimum, average or maximum proportion of the y 'phase is set.
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil an Germanium, Tantal oder Titan jeweils für sich alleine oder in Summe maximiert wird, wobei der jeweilige Anteil insbesondere im Bereich des Maximums minus 30 %, insbesondere minus 20 %, vorzugsweise minus 10 % gewählt wird, wenn ein minimaler, mittlerer oder maximaler Anteil der y'- Phase eingestellt wird.Nickel-based alloy according to claim 4,
characterized in that
the proportion of germanium, tantalum or titanium is in each case maximized alone or in total, the respective proportion being chosen in particular in the region of the maximum minus 30%, in particular minus 20%, preferably minus 10%, if a minimum, average or maximum Proportion of the y 'phase is set.
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aluminiumgehalt 9 bis 12 at.%, insbesondere 10 bis 12 at.% beträgt.Nickel-based alloy according to one of the preceding claims,
characterized in that
the aluminum content is 9 to 12 at.%, in particular 10 to 12 at.%.
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verteilungsverhältnis der Konzentration von Wolfram und/oder Molybdän in der Matrix zur jeweiligen Konzentration von Wolfram und/oder Molybdän in der y'- Phase größer 1, insbesondere größer oder gleich 1,5 ist.Nickel-based alloy according to one of the preceding claims,
characterized in that
the distribution ratio of the concentration of tungsten and / or molybdenum in the matrix to the respective concentration of tungsten and / or molybdenum in the y 'phase is greater than 1, in particular greater than or equal to 1.5.
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nickelbasislegierung einkristallin oder gerichtet erstarrt ist.An article according to claim 8,
characterized in that
the nickel-based alloy is monocrystalline or directionally solidified.
dadurch gekennzeichnet, dass
der Gegenstand eine Komponente, insbesondere eine Schaufel einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks ist.Article according to one of claims 8 or 9,
characterized in that
the object is a component, in particular a blade of a turbomachine, in particular a gas turbine or an aircraft engine.
wobei in einem zweiten Schritt die chemische Zusammensetzung so gewählt wird, dass bei der Nickelbasislegierung ein Gefüge mit einer Matrix aus y - Phase und Ausscheidungen aus γ'- Phase gebildet wird,
wobei in einem dritten Schritt die chemische Zusammensetzung so gewählt wird, dass im Temperaturbereich von 1000°C bis 1100°C die γ'- Phase einen Volumenanteil von 50 Vol.% bis 80 Vol.% aufweist, und
wobei in einem vierten Schritt die chemische Zusammensetzung bezüglich der Elemente Molybdän und Wolfram so gewählt wird, dass der gemäß der Beziehung X = 0,84 CMo + CW gewichtete Anteil X von Molybdän und Wolfram in der y - Phase bei Temperaturen im Bereich von 1000°C bis 1100°C größer 5,5 at.% ist, wobei CMo und Cw die Konzentrationen von Molybdän und Wolfram in at.% sind.Process for producing a nickel-based alloy, in particular according to one of the preceding claims, in which a chemical composition is selected in a first step for determining the chemical composition, according to which the nickel-based alloy
wherein, in a second step, the chemical composition is selected so that in the nickel-based alloy a microstructure with a matrix of y-phase and precipitates of γ'-phase is formed,
wherein in a third step, the chemical composition is selected so that in the temperature range of 1000 ° C to 1100 ° C, the γ'-phase has a volume fraction of 50 vol.% To 80 vol.%, And
wherein, in a fourth step, the chemical composition with respect to the elements molybdenum and tungsten is chosen such that the proportion X of molybdenum and tungsten in the y-phase weighted according to the relationship X = 0.84C Mo + CW at temperatures in the range of 1000 ° C to 1100 ° C is greater than 5.5 at.%, Where C Mo and Cw are the concentrations of molybdenum and tungsten in at.%.
wobei in einem zweiten Schritt die chemische Zusammensetzung so gewählt wird, dass bei der Nickelbasislegierung ein Gefüge mit einer Matrix aus y - Phase und Ausscheidungen aus γ'- Phase gebildet wird,
wobei in einem dritten Schritt die chemische Zusammensetzung so gewählt wird, dass im Temperaturbereich von 1000°C bis 1100°C die γ'- Phase einen Volumenanteil von 50 Vol.% bis 80 Vol.% aufweist, und
wobei in einem vierten Schritt die chemische Zusammensetzung bezüglich des Elements Wolfram so gewählt wird, dass die Werkstoffkenngröße ϕ kleiner oder gleich 0,05 ist, wobei ϕ bestimmt wird durch
wobei cW die Konzentration des Wolframs in der Matrix in at.%, c'W die Konzentration des Wolframs in der y'- Phase in at.% und DW der Diffusionskoeffizient des Wolframs sowie DNi der Diffusionskoeffizient von Nickel unter Berücksichtigung der Löslichkeitsdifferenz der Elemente zwischen Matrix und γ'- Phase ist.Process for producing a nickel-based alloy, in particular according to one of the preceding claims, in which a chemical composition is selected in a first step for determining the chemical composition, according to which the nickel-based alloy
wherein, in a second step, the chemical composition is selected so that in the nickel-based alloy a microstructure with a matrix of y-phase and precipitates of γ'-phase is formed,
wherein in a third step, the chemical composition is selected so that in the temperature range of 1000 ° C to 1100 ° C, the γ'-phase has a volume fraction of 50 vol.% To 80 vol.%, And
wherein in a fourth step, the chemical composition is selected with respect to the element tungsten so that the material parameter φ is less than or equal to 0.05, wherein φ is determined by
where c W is the concentration of tungsten in the matrix in at.%, c ' W is the concentration of tungsten in the y' phase in at.% and D W is the diffusion coefficient of tungsten and D Ni is the diffusion coefficient of nickel taking into account the solubility difference of the elements between matrix and γ'-phase.
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem weiteren Schritt die chemische Zusammensetzung bezüglich des Elements Wolfram so gewählt wird, dass die Werkstoffkenngröße ϕ kleiner oder gleich 0,05 ist, wobei ϕ bestimmt wird durch
wobei cW die Konzentration des Wolframs in der Matrix in at.%, c'W die Konzentration des Wolframs in der y'- Phase in at.% und DW der Diffusionskoeffizient des Wolframs sowie DNi der Diffusionskoeffizient von Nickel unter Berücksichtigung der Löslichkeitsdifferenz der Elemente zwischen Matrix und γ'- Phase ist.Method according to claim 12,
characterized in that
in a further step, the chemical composition is selected with respect to the element tungsten so that the material parameter φ is less than or equal to 0.05, where φ is determined by
where c W is the concentration of tungsten in the matrix in at.%, c ' W is the concentration of tungsten in the y' phase in at.% and D W is the diffusion coefficient of tungsten and D Ni is the diffusion coefficient of nickel taking into account the solubility difference of the elements between matrix and γ'-phase.
dadurch gekennzeichnet, dass
beim dritten Schritt der Anteil von Aluminium minimiert und der Anteil von Germanium, Titan und/oder Tantal einzeln oder zusammen maximiert wird.Method according to one of claims 11 to 13,
characterized in that
in the third step, the proportion of aluminum is minimized and the proportion of germanium, titanium and / or tantalum is maximized individually or together.
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil von Germanium, Titan und/oder Tantal einzeln oder zusammen so eingestellt wird, dass der Anteil von Wolfram und/oder Molybdän in der Matrix jeweils alleine oder zusammen höher, insbesondere 1,5 - fach so hoch, wie der jeweilige Anteil von Wolfram und/oder Molybdän in der y'- Phase ist.Method according to one of claims 11 to 14,
characterized in that
the proportion of germanium, titanium and / or tantalum is set individually or together so that the proportion of tungsten and / or molybdenum in the matrix in each case alone or together higher, in particular 1.5 times as high as the respective proportion of tungsten and / or molybdenum in the y'-phase.
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