Legierung, insbesondere für additive Fertigung, Pulver, Verfahren und Produkt

Die Erfindung betri f ft eine Legierung, insbesondere zur additiven Fertigung, ein Pulver, ein Verfahren zur Herstellung unter Verwendung dieses Pulvers oder der Legierung sowie ein Produkt .

Die additive Fertigung, wie z . B . das selektive Laser-Strahlschmel zen ( L-PBF etc . ) , aber nicht beschränkt auf das genannte Verfahren ( z . B . Elektronenstrahlung) , basiert auf der lagenweisen, selektiven Auf Schmel zung von Pulverschichten als Ausgangsmaterial zur Erzeugung eines geometrischen Obj ektes . Beim L-PBF von hochtemperaturbeständigen Legierungen treten während des Prozesses , Mikrorisse und während der Wärmebehandlung Makrorisse auf .

Es gibt Werkstof fe , die sich in einer Schichtdicke von 40pm riss frei und produktiv aufbauen lassen, allerdings für einige Anwendungen keine ausreichende Oxidationsbeständigkeit mit sich bringen .

Für eine Exploration und Industrialisierung weiterer additiv gefertigter Heißgas-Komponenten ist allerdings eine Legierung mit geeigneter Kombination aus mechanischen Eigenschaften und Oxidationsbeständigkeit notwendig .

Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1 , ein Pulver gemäß Anspruch 2 , ein Verfahren gemäß Anspruch 3 sowie ein Bauteil gemäß Anspruch 4 .

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet , die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen . Die Erfindung nutzt die Verbesserung der chemischen Zusammensetzung einer Nickelbasislegierung im Sinne einer Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit durch Anpassung geeigneter Elemente. Dabei wird die rissfreie Verarbeitbarkeit und Produktivität sowie das Niveau der mechanischen Eigenschaften beibehalten .

Die Erfindung wird im Folgenden nur exemplarisch beschrieben.

Es wird nun die Funktion der einzelnen, in der hochhitzebeständigen Nickelbasislegierung enthaltenden Elemente zur Ausführung der oben beschriebenen Erfindung beschrieben werden.

Kohlenstoff (C) wird zugesetzt, der, zusätzlich zu seiner Funktion als desoxidierendes Element, weitere Funktionen zur Verbindung mit Titan (Ti) , Niob (Nb) und Tantal (Ta) zwecks Bildung stabiler MC-Typ-Primärkarbide hat, um die Vergröberung austenitischer Körner während einer Heißverformung zu unterdrücken und die Heißgleitfähigkeit zu verbessern. Die gewünschte Wirkung des Kohlenstoffs (C) wird erreicht, indem man eine Menge von wenigstens 0,03% zusetzt, doch bildet dessen Zusatz von mehr als 0,11% das Kettengefüge des MC-Typ- Karbids und begünstigt die Entstehung von Warmrissen, die von diesem Teil ausgehen, so dass die Werkzeugstandzeit verringert wird.

Demgemäß wird Kohlenstoff (C) vorzugsweise auch in einer Menge von 0,03 bis 0,07 Gew.-% oder von auch vorzugsweise 0,11 Gew.-% zugesetzt.

Silizium (Si) kann vorzugsweise als ein Desoxidationsmittel zugesetzt werden und wirkt gleichzeitig zur Verbesserung der Haftung einer sich bildenden Oxidschicht. Jedoch verursacht dessen übermäßiger Zusatz eine Verringerung sowohl der Heißverformbarkeit als auch der Duktilität bei Raumtemperaturen. Demgemäß kann Silizium (Si) in einer Menge von 0,05 Gew.-% oder weniger zugesetzt werden. Ein bevorzugter Bereich liegt im Bereich bis 0,05 Gew.-% oder ganz insbesondere auch bis von 0,04 Gew.-% bis 0,05 Gew.-%.

Mangan (Mn) kann als Desoxidationsmittel zugesetzt werden.

Ein übermäßiger Zusatz verursacht eine Verringerung der Hochtemperaturfestigkeit, und daher wird Mangan (Mn) in einer Menge von 0,02 Gew.-% oder weniger zugesetzt.

Eine bevorzugte minimale Zugabe liegt dementsprechend bei mindestens 0,005 Gew.-% oder auch insbesondere bei mindestens 0,01 Gew.-% Mangan (Mn) .

Chrom (Cr) bildet eine Oxidschicht mit einer hochgradig engen Haftung an der Oberfläche während einer Erhitzung auf hohe Temperaturen und verbessert die Oxidationsbeständigkeit. Zusätzlich kann Chrom (Cr) auch die Warmumformbarkeit verbessern .

Diese Wirkung erfordert seinen Zusatz in einer Menge über 15%, doch dessen 17% überschreitender, übermäßiger Zusatz verursacht die Ausscheidung einer «-Phase, was von einer Verringerung der Duktilität begleitet wird.

Demgemäß liegt die Menge an Chrom (Cr) in einem Bereich über 15,5 Gew.-%, jedoch nicht mehr als 16, 6 Gew.-%, vorzugsweise 16,0 Gew. -% .

Bevorzugte Zugaben wurden insbesondere auch mit 15,5 Gew.-% bzw. zwischen 16,5 Gew.-% und 16, 6 Gew.-% erreicht.

Wolfram (W) ist ein Zusatzelement, das im Wesentlichen den austenitischen Mischkristall bis zu hohen Temperaturen verfestigt.

Um diese Wirkungen zu erzielen, ist Wolfram (W) in einer Menge von wenigstens 2,1 Gew.-% zuzusetzen, doch dessen übermäßiger Zusatz von mehr als 3,1 Gew.-% verursacht die übermäßige Ausscheidung von a-W und eine Senkung sowohl der Oxidationsbeständigkeit als auch der engen Haftung eines Oxidfilms. Dementsprechend liegt die Menge an Wolfram (W) auch vorzugsweise im Bereich von 2,9 Gew.-% bis 3,1 Gew.-% oder auch vorzugsweise bei 3,1 Gew.-%. Bevorzugte Bereiche liegen auch bei einer Zugabe von 2,1 Gew.-% bis 2,2 Gew.-% Wolfram (W) oder bei 2,1 Gew.-% Wolfram (W) .

Molybdän (Mo) ist ein Element der gleichen Gruppe wie Wolfram (W) und daher kann der Ersatz eines Teils von Wolfram (W) durch Molybdän (Mo) die gleiche Funktion wie die von Wolfram (W) vorsehen. Da jedoch seine Wirkung geringer als die von

Wolfram (W) ist, setzt man Molybdän (Mo) in einem Bereich von nicht mehr als 2,2 Gew.-% zu.

Bevorzugte Werte wurden insbesondere auch für 1,3 Gew.-% bzw.

2,2 Gew.-% Molybdän (Mo) gefunden.

Eisen (Fe) braucht der vorliegenden Legierung nicht unbedingt zugesetzt zu werden. Da jedoch in einem Festlösungszustand in einer hauptsächlich Nickel (Ni) enthaltenden austenitischen Phase vorliegendes Eisen (Fe) die Heißverformbarkeit verbessern kann und da es zur Einsparung von Rohstoffen und zur Verringerung der Preise brauchbar ist, wird Eisen (Fe) bedarfsweise zugesetzt. Dessen übermäßiger Zusatz erweicht jedoch eine austenitische Phase und verringert die ausgeschiedene Menge einer y' -Phase, was zu einer Senkung der Hochtemperaturfestigkeit führt. Demgemäß wird Eisen (Fe) in einer Menge von bis zu 0,13 Gew.-% zugesetzt.

Vorzugsweise liegt der Minimalanteil von Eisen (Fe) bei 0,001 Ge . - % .

Aluminium (Al) ist ein Zusatzelement, das zur Bildung einer stabilen y'-Phase nach einer Anlassbehandlung wesentlich ist und in einer Menge von wenigstens 3,7 Gew.-% zugesetzt werden soll. Dessen 4,7 Gew.-% übersteigender Zusatz verursacht jedoch eine Steigerung der y'-Phase und senkt die Heißverformbarkeit. Demgemäß liegt Aluminium (Al) in einem Bereich von 4,0 Gew.-% bis 4,7 Gew.-%, vorzugsweise bei 4,2 Gew.-% bis 4 , 7 Gew . -% .

Ein Teil des Titans (Ti) wird mit Kohlenstoff (C) zur Bildung eines stabilen MC-Typ-Primärkarbids verbunden und hat eine festigkeitserhöhende Funktion bei nicht y ' -gehärteten Legierungen .

Der Rest von Titan (Ti) liegt in der y'-Phase im Festlösungszustand vor, wodurch die y'-Phase verfestigt wird, und dient zur Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit. Demgemäß muss Titan (Ti) in einer Menge von wenigstens 1,5 Gew.-% zugesetzt werden, doch dessen übermäßiger 2,0 Gew.-% übersteigender Zusatz senkt nicht nur die Heißverformbarkeit, sondern macht auch die y'-Phase instabil und verursacht Verringerungen der Festigkeit nach langzeitiger Verwendung bei hohen Temperaturen. Demgemäß liegt Titan (Ti) vorzugsweise auch im Bereich von 1,5 Gew.-% bis 1,9 Gew.-%.

Weiter haben Aluminium (Al) , Tantal (Ta) und Titan (Ti) auch eine wichtige Funktion der Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit, vor allem in der Kombination der Elemente bilden sie stabile Oxidschichtsysteme .

Insbesondere werden für Tantal (Ta) deutlich größere Werte als 2,0 Gew.-% hinzugefügt.

Gleichartig wie Titan (Ti) wird ein Teil von sowohl Niob (Nb) als auch Tantal (Ta) mit Kohlenstoff (C) unter Bildung stabiler MC-Typ-Primärkarbide verbunden, und sie haben festig- keitssteigernde Funktionen, vor allem für nicht y ' -gehärtete Legierungen .

Der Rest sowohl von Niob (Nb) als auch von Tantal (Ta) liegt gelöst in der y'-Phase vor, wodurch die y'-Phase fester Lösung verfestigt wird, und dient zur Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit .

Dementsprechend können Niob (Nb) und Tantal (Ta) je nach Bedarf zugesetzt werden. Da jedoch deren übermäßiger Zusatz von mehr als 4,0 Gew.-% die Heißverformbarkeit verringert, liegt Niob (Nb) in einem Bereich von 0,45 Gew.-% bis 1,35 Gew.-%.

Bevorzugte Werte wurden vorzugsweise ebenfalls bei 0,45 Gew.- % oder bei 1,35 Gew.-% gefunden.

Zirkon (Zr) und Bor (B) sind zur Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit und Duktilität durch ihre korngrenzenaktive Funktion wirksam, und wenigstens eines von ihnen kann der Legierung der Erfindung in einer passenden Menge zugesetzt werden. Ihre Wirkung wird bei einer geringen Zusatzmenge erhalten .

Zirkon- (Zr) und Bor- (B) Mengen von mehr als 0,02 Gew.-% bzw. 0,015 Gew.-% senken die Solidustemperatur beim Erhitzen, wodurch die Heißverformbarkeit verschlechtert wird.

Demgemäß sind die oberen Grenzen von Zirkon (Zr) und Bor (B) 0,02 Gew.-% bzw. 0,015 Gew.-%.

Insbesondere liegt der Anteil von Bor (B) deutlich oberhalb von 0, 012 Gew.-%, insbesondere bei 0,14 Gew.-% bis zur Obergrenze von 0,015 Gew.-%.

Nickel (Ni) bildet eine stabile austenitische Phase und wird eine Matrix für sowohl die feste Lösung als auch die Ausscheidung der Y ^,_ Phase. Weiter wird, da Nickel (Ni) eine feste Lösung mit einer großen Menge von Wolfram (W) bilden kann, eine austenitische Matrix mit einer hohen Festigkeit bei hohen Temperaturen erhalten, und daher ist Nickel der Rest der Legierung .

Abgesehen von den oben beschriebenen Elementen können von 7,7 Gew.-% Kobalt (Co) bis zu 9,3 Gew.-% Kobalt (Co) der Legierung der Erfindung zugesetzt werden.

Kobalt (Co) existiert im Austenit der Matrix im Festlösungszustand, wodurch eine gewisse Mischkristallverfestigung erreicht wird, und hat auch eine Wirkung zur Verbesserung der engen Haftung des Oxidfilms. Da Kobalt (Co) in der Ni-Matrix im Festlösungszustand vorliegt und da Kobalt (Co) die Ausscheidung der Y ^,_ Phase kaum beeinträchtigt, ist Kobalt (Co) günstig. Da Kobalt (Co) jedoch ein teures Element ist, wird dessen Zusatz in großen Mengen nicht bevorzugt.

Bevorzugte singuläre Werte liegen vorzugsweise auch bei 7,7 Gew.-% bzw. 9,3 Gew.-% Kobalt (Co) .

Die Legierung wurde in ihren Legierungselementen angepasst. Damit wurden die mechanischen Eigenschaften auf einem hohen Niveau gehalten. Besonderes Augenmerk liegt darin, die Legierung in ihrer Oxidationsbeständigkeit zu verbessern, aber nicht die Verarbeitbarkeit, d.h. mögliche Rissbildung im Prozess und bei der Wärmebehandlung, zu beeinflussen. Die Oxidationsbeständigkeit wurde durch höhere Gehalte in Aluminium (Al) und Tantal (Ta) sowie der Reduzierung an Titan (Ti) und der Zugabe von Yttrium (Y) verbessert.

Die erfindungsgemäße Legierung beinhaltet (in Gew.-%) :

Kobalt (Co) : 7,7% - 9, 3%, insbesondere 8, 4% bis 8, 6%, ganz insbesondere 9, 1% bis 9, 3%, Chrom (Cr) : 15, 5% - 16, 6%, insbesondere 16, 0%, Molybdän (Mo) : 1,3% - 2,2%, insbesondere 1,7%, ganz insbesondere 2,2%, Wolfram (W) : 2,1% - 3, 1%, insbesondere 2, 6%, ganz insbesondere 3, 0% bis 3, 1%, Aluminium (Al) : 3,7% - 4,7%, insbesondere 4,0% bis 4,7%, ganz insbesondere 4,2% bis 4,7%, Titan (Ti) : 1,5% - 2,0%, insbesondere 1,5% - 1,9%, Niob (Nb) : 0,45% - 1,35%, ganz insbesondere 1,35%, Tantal (Ta) : 3,0% - 4, 0%, insbesondere 3,3% - 3,7%, Kohlenstoff (C) : 0, 03% - 0, 11%, insbesondere 0,03% - 0,7%, Bor (B) : 0,004% - 0,015% jeweils optional Eisen ( Fe ) : 0, 001% 0, 13%, insbesondere 0, 01% bis 0, 13%, Yttrium (Y) : 0,005% - 0,012% Zirkon ( Zr ) : 0, 0% - 0, 02% insbesondere 0, 005% bis , 0, 02% Hafnium (Hf) : 0, 001% - 0,2%

Mangan (Mn) : 0, 0% - 0, 02% insbesondere 0,005% - 0,02%, Silizium (Si) : 0,00% - 0,05%, insbesondere 0,001% - 0,05%, ganz insbesondere 0,04% - 0,05%, Phosphor (P) : < 10 ppm Schwefel (S) : < 10 ppm Sauerstoff (0) : < 200ppm Stickstoff (N) : < 50 ppm

Yttriumoxid (Y2O3) : bis 1,0%, insbesondere 0, 1% bis 1, 0%, Nickel , insbesondere Rest Nickel .

Folgende drei Beispiele (Exl bis EX3) gemäß der Erfindung für eine nickelbasierte Legierung ist hier aufgelistet: Eine solche Legierung wird vorzugsweise für Komponenten von Turbinen, insbesondere Gasturbinen eingesetzt , wie Turbinenschaufeln oder andere Heißgaspfadkomponenten .