WO2018036797A1 - Sx-nickel-legierung mit verbesserten tmf-eigenschaften, rohmaterial und bauteil - Google Patents

Sx-nickel-legierung mit verbesserten tmf-eigenschaften, rohmaterial und bauteil Download PDF

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WO2018036797A1
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alloy
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nickel alloy
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Inventor
Eike Kohlhoff
Britta Stöhr
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/057—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being less 10%

Definitions

  • the invention relates to a nickel-based SX alloy with improved TMF properties, a raw material and a component.
  • the LCF service life at high strain ranges is also reduced by the brittle fracture behavior between room temperature and 923 K.
  • a material having the following composition is advantageous:
  • Co Co 9.0% - 11%, especially 10%
  • Rhenium (Re) 1.0% - 1.30%, in particular 1.25%
  • Yttrium (Y) 0.017% - 0.023%, especially 0, 02%.
  • This material differs from previous Ni-SX compositions by a significantly higher proportion of chromium (Cr), a reduced proportion of rhenium (Re), the addition of silicon (Si) and yttrium (Y) and the fact that it is not titanium ( Ti), except for impurities of max. 0.1 wt. -%.
  • Silicon (Si) improves oxidation resistance
  • Si silicon
  • the LCF life is increased by the increased yield strength at low temperatures and high strain ranges. Reducing the proportion of rhenium (Re) reduces the risk of TCP phase formation, which has a very negative effect on TMF behavior, provided that it is formed during operation.
  • the reduction of rhenium (Re) also allows an increase in the chromium content without stabilizing unwanted TCP phases.
  • the new material should have oxidation properties at least at the level of Alloy 247.
  • the addition of yttrium (Y) has the effect that the material has a particularly good cyclic oxidation properties (improvement of the A1203 topcoat adhesion).
  • the silicon (Si) is mainly incorporated in the ⁇ ⁇ phase, while it is incorporated in titanium-containing materials in the ⁇ phase.
  • the accumulation of silicon (Si) in ⁇ -phase is rather undesirable because this would favor the precipitation of sputtering phases in the channels (eg G-phase).
  • the shear strength is increased by the silicon incorporation into the ⁇ ⁇ phase.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Durch eine verbesserte Zusammensetzung einer nickelbasierten Superlegierung mit Ni-8Cr-10Co-0,6Mo-8Ta-1,25Re-5,7Al-0Ti- 0,1Hf-0,25Si-0,008B-0,0210C-0,02Y werden verbessernde TMF- Eigenschaften erreicht.

Description

SX-Nickel -Legierung mit verbesserten TMF-Eigenschaften, Rohmaterial und Bauteil
Die Erfindung betrifft eine nickelbasierte SX-Legierung mit verbesserten TMF-Eigenschaften, ein Rohmaterial und ein Bauteil .
Um eine höhere Turbineneintrittstemperatur und damit einen höheren Wirkungsgrad zu ermöglichen, werden derzeit SX-Werk- stoffe aus Nickelbasis untersucht. Diese Werkstoffe sollen über eine deutlich höhere Kriechbeständigkeit im Vergleich zu den bekannten SX-Werkstoffen und insbesondere bei hohen Temperaturen über eine deutlich erhöhte Zugfestigkeit verfügen. Allerdings zeigt sich in ersten Untersuchungen zum TMF-Ver- halten, dass die Werkstoffe bei tieferen Temperaturen (373K) und hohen Dehnschwingbreiten zu einem spröden Verhalten und damit zu reduzierten TMF-Lebensdauern tendiert.
Die LCF-Lebensdauer bei hohen Dehnschwingbreiten wird eben- falls durch das Sprödbruchverhalten zwischen Raumtemperatur und 923 K reduziert.
Während früher die Kriecheigenschaften als lebensdauerbestimmend galten, gewinnen die TMF-Eigenschaften jedoch zunehmend an Bedeutung. Dies liegt an verbesserten Kühlluftkonzepten, die für lokale kalte und heiße Bereiche sorgen: Gleichzeitig werden die Zeitabschnitte einer stationären Nutzung zunehmend kürzer. Die systematische Untersuchung von TMF-Eigenschaften befindet sich noch ganz am Anfang. Daher sind die Probleme dieses Werkstoffs bislang nicht bekannt geworden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1, ein Rohmaterial gemäß Anspruch 2 und ein Bauteil gemäß Anspruch 3. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Beschreibung stellt nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar .
Vorzugsweise ist ein Werkstoff mit der folgenden Zusammenset- zung vorteilhaft:
Nickelbasierte Legierung,
zumindest aufweisend (in Gew.-%) :
Chrom (Cr) 7,0% - 9,0%, insbesondere 8,0%,
Kobalt (Co) 9,0% - 11%, insbesondere 10%,
Molybdän (Mo) 0,4% - 0,8%, insbesondere 0,6%,
Tantal (Ta) 7,0% - 9,0%, insbesondere 8,0%,
Wolfram (W) 7,0% - 9,0%, insbesondere 8,0%,
Rhenium (Re) 1,0% - 1,30%, insbesondere 1,25%,
Aluminium (AI) 5,0% - 6,4%, insbesondere 5,7%,
Hafnium (Hf) 0,08% - - 0,12%, insbesondere 0,1%,
Silizium (Si) 0,018% - 0,32%, insbesondere 0,25%,
Bor (B) 0, 003% - 0,015%, insbesondere 0,008%
Kohlenstoff (C) 0,01% - - 0,05%, insbesondere 0, 0210
Yttrium (Y) 0,017% - 0,023%, insbesondere 0, 02% .
Dieser Werkstoff unterscheidet sich von bisherigen Ni-SX Zusammensetzungen durch einen deutlich höheren Anteil an Chrom (Cr) , einen reduzierten Anteil an Rhenium (Re) , den Zusatz von Silizium (Si) und Yttrium (Y) sowie dadurch, dass er kein Titan (Ti) enthält, bis auf Verunreinigungen von max. 0,1 Gew . - % .
Der neue Werkstoff hat die folgenden Vorteile:
Durch den Zusatz von Silizium (Si) erhöht sich die TMF-Fes- tigkeit um den Faktor 2. Dieser Effekt beruht auf folgender Wirkung durch Silizium:
- Silizium (Si) verbessert die Oxidationsbeständigkeit ,
- durch Zugabe von Silizium (Si) wird eine erhöhte Dehngrenze bei tiefen Temperaturen erzielt, die im TMF-Versuch zu reduzierten Druckspannungen im Hochtemperaturbereich unter Out- of-Phase Bedingungen und damit zu einem geringeren Rekristallisationsrisiko führt.
Die LCF Lebensdauer wird durch die erhöhte Dehngrenze bei niedrigen Temperaturen und hohe Dehnschwingbreiten erhöht. Durch die Reduktion des Anteils an Rhenium (Re) sinkt das Risiko für TCP-Phasenbildung, die sich sehr negativ auf das TMF-Verhalten auswirken, sofern sie sich während des Betriebes ausbilden.
In Kombination mit der Entfernung von Titan (Ti) ermöglicht die Reduktion an Rhenium (Re) weiterhin eine Anhebung des Chrom-Anteils ohne unerwünschte TCP-Phasen zu stabilisieren. Dadurch sollte der neue Werkstoff über Oxidationseigenschaf- ten verfügen, die mindestens auf dem Niveau des Alloy 247 liegen . Die Zugabe von Yttrium (Y) bewirkt dabei, dass der Werkstoff über eine besonders gute zyklische Oxidationseigenschaften verfügt (Verbesserung der A1203 -Deckschichthaftung) .
In der titanfreien Legierung wird das Silizium (Si) vorwie- gend in der γλ -Phase eingebaut, während es in titanhaltigen Werkstoffen in der γ -Phase eingebaut wird. Die Anreicherung von Silizium (Si) in γ -Phase ist eher unerwünscht, da dies die Ausscheidung von Sprodphasen in den Kanälen begünstigen würde (z.B. G-Phase) . Weiterhin wird durch den Silizium- Einbau in die γλ -Phase deren Scherfestigkeit erhöht.
Durch den reduzierten Anteil an Rhenium (Re) wird die Legierung deutlich günstiger. Der γλ -Anteil ändert sich nur unwesentlich .
Die Kriechbeständigkeit bleibt demnach nahezu unbeeinflusst . Die oben vorgestellte Legierung ist vollständig neu. Sofern die TMF-Lebensdauer tatsächlich um den Faktor 2 erhöht werden kann, ergeben sich folgende Vorteile:
- Lebensdauerverlängerung der Turbinenschaufeln,
- dadurch reduzierte LCCs,
- technische Vorreiterschaft durch eigene SX-Legierung.

Claims

Patentansprüche
Nickelbasierte Legierung,
zumindest aufweisend (in Gew.
Chrom (Cr) 7,0% - 9,0%, insbesondere 8,0%,
Kobalt (Co) 9,0% - 11%, insbesondere 10%,
Molybdän (Mo) 0,4% - 0,8%, insbesondere 0,6%,
Tantal (Ta) 7,0% - 9,0%, insbesondere 8,0%,
Wolfram (W) 7,0% - 9,0%, insbesondere 8,0%,
Rhenium (Re) 1,0% - 1,30%, insbesondere 1,25%,
Aluminium (AI) 5,0% - 6,4%, insbesondere 5,7%,
Hafnium (Hf) 0,08% - - 0,12%, insbesondere 0,1%,
Silizium (Si) 0,018% - 0,32%, insbesondere 0,25%,
Bor (B) 0, 003% - 0,015%, insbesondere 0,008%
Kohlenstoff (C) 0,01% - - 0,05%, insbesondere 0, 0210
Yttrium (Y) 0,017% - 0,023%, insbesondere 0, 02%, insbesondere bestehend aus diesen Elementen.
2. Rohmaterial,
insbesondere Pulver,
zumindest aufweisend eine Legierung gemäß Anspruch 1.
3. Bauteil,
zumindest aufweisend eine Legierung gemäß Anspruch 1 oder hergestellt aus einem Rohmaterial gemäß Anspruch 2.
4. Bauteil nach Anspruch,
das ein Turbinenbauteil darstellt,
insbesondere eine Turbinenschaufel .
5. Legierung, Rohmaterial oder Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
die/das kein Titan (Ti) aufweist.
6. Legierung, Rohmaterial oder Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
die/das kein Zirkon (Zr) aufweist.
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