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Patent Searching and Data


Title:
NICKEL-BASED ALLOY FOR ADDITIVE MANUFACTURING, METHOD AND PRODUCT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/047979
Kind Code:
A1
Abstract:
According to the invention, due to a specific selection of elements and adaptations, an improved alloy for casting and for additive manufacturing is provided.

Inventors:
HASSELQVIST MAGNUS (SE)
HEINZE CHRISTOPH (DE)
KÜSTERS YVES (DE)
RUUL HENRIK (SE)
Application Number:
PCT/EP2020/074479
Publication Date:
March 18, 2021
Filing Date:
September 02, 2020
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS ENERGY GLOBAL GMBH & CO KG (DE)
International Classes:
B33Y70/00; C22C1/04; C22C19/05
Foreign References:
EP3441489A12019-02-13
EP3336210A12018-06-20
EP2601006B12014-06-18
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Claims:
Patentansprüche

1. Nickelbasissuperlegierung, die zumindest aufweist, insbesondere besteht aus (in Gew.-%): Kohlenstoff (C) 0,03% - 0,13%

Chrom (Cr) 12,5% - 16,0% Molybdän (Mo) 1,0% - 2,0% Wolfram (W) 2,0% - 4,0% Aluminium (Al) 4,0% - 5,5% Bor (B) 0,0025% - 0,015%

Zirkon (Zr) 0,0025% - 0,015% Tantal (Ta) 3,0% - 7,0%, insbesondere 4,0% - 7,0%, Eisen (Fe) 3,0% - 7,0% Hafnium (Hf) 1,4% - 2,2%, und optional weitere Elemente Kobalt (Co) 0,0% - 5,0%, insbesondere 0,0% - 4,0%, ganz insbesondere 0,0% - 3,0%,

Niob (Nb) max. 1,0%, insbesondere 0,5% - 1,0% ganz insbesondere 0,1% bis 0,5% Rhenium (Re) max. 1,0% insbesondere 0,5% - 1,0% ganz insbesondere 0,1% bis 0,5%

Silicium (Si) max. 0,02% Mangan (Mn) max. 0,05% Phosphor (P) max. 0,005% Schwefel (S) max. 0,001% Titan (Ti) max. 0,2% Kupfer (Cu) max. 0,01% Vanadium (V) max. 0,1% Silber (Ag) max. 0,0005% Blei (Pb) max. 0,0002% Selen (Se) max. 0,0010% Sauerstoff (0) max. 0,0200% Gallium (Ga) max. 0,0030% Bismut (Bi) max. 0,0010% Stickstoff (N) max. 0,0050% Magnesium (Mg) max. 0,0070% Yttrium (Y) max. 0,02%

Cer (Ce) max. 0,02%.

2. Legierung nach Anspruch 1, die mindestens 0,5% Kobalt (Co) aufweist insbesondere 0,5% bis 4,0%, ganz insbesondere 0,5% bis 3,0%.

3. Legierung nach Anspruch 1 die mindestens 0,5% Kobalt (Co) aufweist, insbesondere 0,5% bis 2,0%, ganz insbesondere 0,5% bis 1,0%.

4. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, die mindestens 3,0 bis 5,0% Tantal (Ta) aufweist, insbesondere 4,0% bis 5,0%, ganz insbesondere 4,5%.

5. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, die mindestens 5,1 bis 7,0% Tantal (Ta) aufweist, insbesondere 6,0% bis 7,0%, ganz insbesondere 6,5%.

6. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, die mindestens 3,0 bis 5,0% Eisen (Fe) aufweist, insbesondere 4,0% bis 5,0%, ganz insbesondere 4,5%.

7. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, die mindestens 5,1 bis 7,0% Eisen (Fe) aufweist, insbesondere 6,0% bis 7,0%, ganz insbesondere 6,5%.

8. Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils, bei dem eine Legierung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein Pulverbettverfahren verwendet wird, insbesondere selektives Schmelzen (SLM) oder selektives Sintern (SLS) durch Laserstrahl oder Elektronenstrahlen.

10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein Pulverauftragsschweißen, insbesondere ein Laserpulverauftragsschweißen, verwendet wird.

11. Produkt, aufweisend eine Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 oder hergestellt nach Anspruch 8, 9 oder

Description:
Nickelbasislegierung für additive Fertigung, Verfahren und

Produkt

Die Erfindung betrifft eine Nickelbasislegierung und ein Verfahren sowie ein Produkt, wobei die Legierung bzw. das Produkt verbesserte Eigenschaften beim Gießen und bei einer additiven Herstellungsroute aufweist.

Die beschriebenen Produkte sind vorzugsweise für den Einsatz in einer Strömungsmaschine, vorzugsweise im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen.

Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren (PBF) das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS) oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM).

Weitere additive Verfahren sind beispielsweise „Directed Energy Deposition (DED) "-Verfahren, insbesondere Laserauf tragschweißen, Elektronenstrahl- oder Plasma-Pulverschweißen, Drahtschweißen, metallischer Pulverspritzguss, sogenannte „sheet lamination"-Verfahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS, GDCS).

Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispielswei se bekannt aus EP 2601 006 Bl.

Additive Fertigungsverfahren (englisch: „AM" for „additive manufacturing") haben sich weiterhin als besonders vorteil haft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, bei spielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Pro zessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Ferti gungsschritt eines Bauteils weitgehend auf Basis einer ent sprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungs parameter erfolgen kann. Im Bereich der stationären Gasturbinen gibt es Anforderungen an Werkstoffe, die durch die bestehenden Werkstoffe oft gleichzeitig nicht abgedeckt werden können. Diese Anforderun gen umfassen eine zweckmäßige bzw. vorteilhafte Oxidations und Korrosionsbeständigkeit, Beschichtungsfähigkeit bzw. Lebensdauer der Beschichtung auf dem Substrat, vorteilhafte mechanische Eigenschaften, wie Kriechbeständigkeit und TMF („thermo-mechanical fatigue")-Beständigkeit und eine bezüg lich Heiß- oder Erstarrungsrissen rissfreie oder rissarme Verarbeitbarkeit mit verschiedenen Fertigungsprozessen, wie Gießen, Laser-Pulver-Auftrag-Schweißen und selektivem Laser oder Elektronenstrahl-Schmelzen aus dem Pulverbett. Gerade bei additiven Fertigungstechnologien, insbesondere bei pul- verbett-basierten Verfahren (PBF), treten prozessinhärent lokal sehr hohe Temperaturgradienten von teilweise mehr als 10 6 K/s auf, die die beschriebenen Heiß- oder Erstarrungsris se verursachen.

Bisher werden in der Regel weniger optimale Legierungen ge nutzt und entsprechende, beispielsweise strukturelle, Nach teile der einzelnen Legierungen umgangen oder in Kauf genom men, da man mittels Auslegung und Beschichtung sowie entspre chenden Wartungsintervallen entsprechende Probleme lösen oder tolerieren konnte.

Es ist die Aufgabe der Erfindung die oben genannten Probleme zu lösen bzw. den genannten Anforderungen zu genügen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1 in einem Verfahren gemäß Anspruch 8 und ein Produkt gemäß An spruch 11.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön nen, um weitere Vorteile zu erzielen. Die Legierung zeichnet sich durch folgende Aspekte aus:

- Hoher Chromgehalt für die Korrosionsbeständigkeit

- Geeignete Verarbeitbarkeit in vielseitigen Fertigungs prozessen durch gezielte Begrenzung der Elemente (Si,

Mn, B, Zr) und gezielte Auswahl des Elements Hf

- Moderater Al-Gehalt für die Kriechbeständigkeit und Oxi dationsbeständigkeit

- Hoher Tantalgehalt für die Kriechbeständigkeit

- Co-Reduzierung teilweise bis auf 0 wt% und gezielter Er satz durch Eisen (Fe) verbessert

- Hoher Hf-Gehalt verbessert Beschichtung von PtAl und stärkt beta-Phase in einer optionalen Wärmedämmschicht

- Spezifizierte Zusammensetzung ermöglicht großes Wärmebe handlungsfenster für weniger aufwendiger Wärmebehandlun gen und geringes Auftreten von Imperfektionen während der Wärmebehandlung

Die Legierung weist auf (Angaben in Gew.-%):

Kohlenstoff (C) 0,03% - 0,13%

Chrom (Cr) 12,5% - 16,0%

Molybdän (Mo) 1,0% - 2,0%

Wolfram (W) 2,0% - 4,0%

Aluminium (Al) 4,0% - 5,5%

Bor (B) 0,0025% - 0,015%

Zirkon (Zr) 0,0025% - 0,015%

Tantal (Ta) 3,0% - 7,0%, insbesondere 4,0% - 7,0%, Eisen (Fe) 3,0% - 7,0%

Hafnium (Hf) 1,4% - 2,2%, und optional weitere Elemente

Kobalt (Co) 0,0% - 5,0%, insbesondere 0,0% - 4,0%, ganz insbesondere 0,0% - 3,0%, Niob (Nb) max. 1,0%, insbesondere 0,5% - 1,0% ganz insbesondere 0,1% bis 0,5% Rhenium (Re) max. 1,0% insbesondere 0,5% - 1,0% ganz insbesondere 0,1% bis 0,5% Silicium (Si) max. 0,02% Mangan (Mn) max. 0,05%

Phosphor (P) max. 0,005% Schwefel (S) max. 0,001%

Titan (Ti) max. 0,2%

Kupfer (Cu) max. 0,01% Vanadium (V) max. 0,1%

Silber (Ag) max. 0,0005%

Blei (Pb) max. 0,0002%

Selen (Se) max. 0,0010% Sauerstoff (0) max. 0,0200% Gallium (Ga) max. 0,0030%

Bismut (Bi) max. 0,0010% Stickstoff (N) max. 0,0050% Magnesium (Mg) max. 0,0070% Yttrium (Y) max. 0,02%

Cer (Ce) max. 0,02%.

Die technischen Vorteile der vorliegend beschriebenen Legie rung betreffen die:

• Fertigung von Gasturbinenbauteilen, welche über verschiede ne Fertigungsrouten rissarm oder -frei möglich ist, insbe sondere über Gusstechnik, Laser-Pulver-Auftragsschweißen und selektive Pulverbett-Schmelzverfahren;

• Effizienzsteigerung einer Gasturbine, aufweisend die be schriebenen Bauteile bzw. die beschriebene Legierung, und AM-Design;

• Kostenreduzierung durch geringe Kobalt-Anteile;

• Anpassung der Legierungselemente Si, B, Zr, Hf auf die Pro zessbedingungen, sowie von Al, Fe, Ta, Hf an die mechani schen und thermophysikalischen Anforderungen des Produkts, insbesondere hinsichtlich seiner Kriech-, TMF-, Korrosions und Oxidationsbeständigkeit; • Fertigung von hochwertigen Gasturbinenbauteilen mit neuer, kosteneffizienter Legierung, so dass zukünftige Produkt- /Bauteil-Anforderungen abgedeckt werden können und ein Beitrag zur Effizienzsteigerung von Gasturbinen geleistet wird.

Einige, aber nicht einschränkende Beispiele sind:

Die Werte für die nicht gelisteten Legierungselemente W, C B, Zr, etc. entsprechen denen gemäß obiger Auflistung. Vorteile mit Kobalt werden erzielt durch mindestens 0,5% Kobalt (Co), insbesondere 0,5% bis 4,0%, ganz insbesondere 0,5% bis 3,0%.

Weitere Vorteile werden erzielt durch mindestens 0,5% Kobalt (Co), insbesondere 0,5% bis 2,0%, ganz insbesondere 0,5% bis 1,0% in der Legierung.

Vorteile mit Tantal werden erzielt durch mindestens 3,0 bis 5,0% Tantal (Ta), insbesondere 4,0% bis 5,0%, ganz insbesondere 4,5%.

Weitere Vorteile werden erzielt mit mindestens 5,1 bis 7,0% Tantal (Ta), insbesondere 6,0% bis 7,0%, ganz insbesondere 6,5% in der Legierung.

Vorteile mit Eisen (Fe) werden erzielt durch mindestens 3,0 bis 5,0%, insbesondere 4,0% bis 5,0%, ganz insbesondere 4,5%.

Weitere Vorteile werden erzielt mit mindestens 5,1 bis 7,0% Eisen (Fe), insbesondere 6,0% bis 7,0%, ganz insbesondere 6,5% in der Legierung.

Bei dem Produkt, welches die beschriebene Legierung aufweist, handelt es sich vorzugsweise um ein Bauteil, welches im Heißgaspfad einer Strömungsmaschine, beispielsweise einer Gasturbine eingesetzt wird. Insbesondere kann das Bauteil eine Lauf- oder Leitschaufel, ein Segment oder Ringsegment, ein Brennerteil oder eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Resonator, Stempel oder einen Wirbler bezeichnen oder einen entsprechenden Übergang, Einsatz oder ein entsprechendes Nachrüstteil.