EP1319729A1

EP1319729A1 - High temperature resistant part, made of single-crystal or polycrystalline nickel-base superalloy

Info

Publication number: EP1319729A1
Application number: EP01129743A
Authority: EP
Inventors: Ralf Prof. Buergel; Winfried Dr. Esser; Joern Dr. Grossmann; Wolfgang Dr. Hermann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2003-06-18
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: JP2003193161A; CA2414019A1; DE50112339D1; EP1319729A8; EP1319729B1

Abstract

Component made from a nickel-based super alloy contains (in wt.%) 9-11 chromium (Cr),3-5 tungsten (W), 0.5-2.5 molybdenum (Mo), 3-3.5 aluminium (Al), 3-5 titanium (Ti), 3-7 tantalum (Ta), 0-12 cobalt (Co), 0-1 niobium (Nb), 0-2 hafnium (Hf), 0-1 zirconium (Zr), 0-0.05 boron (B), 0-0.2 carbon (C), 1-5 rhenium (Re), 0.1-5 ruthenium (Ru), balance nickel (Ni) and impurities. <??>Preferably the alloy contains at least 2 wt.% Re and a maximum of 3 wt.% Ru. The component is a monocrystalline structure having an isotropic distribution of the orientation of the grain structure.

Description

Die Erfindung betrifft ein hochtemperaturbeständiges Bauteil aus einer Nickel-Basis-Superlegierung.The invention relates to a high temperature resistant component made of a nickel-based superalloy.

In der DE 23 33 775 B2 ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Nickellegierung beschrieben. Die Nickellegierung besteht aus bis zu 0,3 % Kohlenstoff, 11-15 % Chrom, 8-12 % Kobalt, 1-2,5 % Molybdän, 3-10 % Wolfram, 3,5-10 % Tantal, 3,5-4,5 % Titan, 3-4 % Aluminium, 0,005-0,025 % Bor, 0,05-0,4 % Zirkon und den Rest Nickel. Weiterhin sind 0,01-3 % Hafnium zusätzlich in der Legierung enthalten, wobei durch eine geeignete Wärmebehandlung eine blockartige Carbid-Ausbildung und eine feindisperse Ausscheidung einer Ni₃(Al,Ti)-Phase. Ein Zusatz von Rhenium oder Ruthenium wird nicht angesprochen.In DE 23 33 775 B2 a process for the heat treatment of a nickel alloy is described. The nickel alloy consists of up to 0.3% carbon, 11-15% chromium, 8-12% cobalt, 1-2.5% molybdenum, 3-10% tungsten, 3.5-10% tantalum, 3.5- 4.5% titanium, 3-4% aluminum, 0.005-0.025% boron, 0.05-0.4% zirconium and the balance nickel. Further, 0.01-3% of hafnium is additionally contained in the alloy, and by a suitable heat treatment, a block-like carbide formation and a finely dispersed precipitation of a Ni ₃ (Al, Ti) phase. An addition of rhenium or ruthenium is not addressed.

Die US-PS-5,611,670 offenbart eine Laufschaufel für eine Gasturbine. Die Laufschaufel weist einen einkristallinen Plattformbereich und ein einkristallines Schaufelblatt auf. Ein Befestigungsbereich der Schaufel ist mit einer gerichtet erstarrten Struktur ausgeführt. Die Schaufel ist aus einer Superlegierung gegossen, die in Gewichtsprozent folgende Zusammensetzung aufweist: bis zu 0,2 % Kohlenstoff, 5-14 % Chrom, 4-7 % Aluminium, 2-15 %Wolfram, 0,5-5 % Titan, bis zu 3 % Niob, bis zu 6 % Molybdän, bis zu 12 % Tantal, bis zu 10,5 % Kobalt, bis zu 2 % Hafnium, bis zu 4 % Rhenium, bis 0,035 % Bor, bis zu 0,035 % Zirkon und den Rest Nickel. Diese weiten Bereichsangaben dienen der Angabe von Legierungszusammensetzungen, die grundsätzlich für die vorgeschlagene Gasturbinenschaufel geeignet sind, zeigen aber keinen hinsichtlich einer besonderen Oxidations- und
Korrosionsbeständigkeit oder Festigkeit geeigneten Zusammensetzungsbereich auf.
9 US-PS-5,611,670 discloses a blade for a gas turbine. The blade has a single crystal platform region and a single crystalline airfoil. An attachment region of the blade is designed with a directionally solidified structure. The blade is cast from a superalloy having in percent by weight the following composition: up to 0.2% carbon, 5-14% chromium, 4-7% aluminum, 2-15% tungsten, 0.5-5% titanium, bis to 3% niobium, up to 6% molybdenum, up to 12% tantalum, up to 10.5% cobalt, up to 2% hafnium, up to 4% rhenium, up to 0.035% boron, up to 0.035% zirconium and the rest Nickel. These broad range data serve to indicate alloy compositions which are basically suitable for the proposed gas turbine blade, but do not show any with respect to a particular oxidation and
Corrosion resistance or strength suitable composition range.
9

In der EP 0 297 785 B1 ist eine Nickel-Basis-Superlegierung für Einkristalle offenbart. Die Superlegierung weist in Gewichtsprozent folgende Zusammensetzung auf: 6-15 % Chrom, 5-12 % Wolfram, 0,01-4 % Rhenium, 3-9 % Tantal, 0,5-2 % Titan, 4-7 % Aluminium und optional 0,5-3 % Molybdän. Mit dieser Superlegierung wird sowohl eine Hochtemperaturrissfestigkeit als auch eine Korrosionsbeständigkeit erreicht. Um die Korrosionsbeständigkeit nicht zu beeinträchtigen, darf der Titangehalt zwei Gewichtsprozent nicht überschreiten.EP 0 297 785 B1 discloses a nickel-base superalloy disclosed for single crystals. The superalloy points in Percent by weight of the following composition: 6-15% chromium, 5-12% tungsten, 0.01-4% rhenium, 3-9% tantalum, 0.5-2% Titanium, 4-7% aluminum and optionally 0.5-3% molybdenum. With This superalloy will be both a High temperature crack resistance as well as a Corrosion resistance achieved. To the Corrosion resistance may not affect the Titanium content does not exceed two percent by weight.

In der US-PS-5,122,206 ist eine Nickel-Basis-Superlegierung angegeben, die eine besonders schmale Koexistenzzone für die feste und flüssige Phase aufweist und damit besonders für einen Einkristallgießprozess geeignet ist. Die Legierung weist in Gewichtsprozent folgende Zusammensetzung auf: 10-30 % Chrom, 0,1-5 % Niob, 0,1-8 % Titan, 0,1-8 % Aluminium, 0,05-0,5 % Kupfer oder statt Kupfer 0,1-3 % Tantal, wobei im erstgenannten Fall optional auch Hafnium oder Rhenium mit einem Gehalt von 0,05-3 % vorhanden sein kann und im zweiten Fall auch statt Rhenium oder Hafnium 0,05-0,5 % Kupfer. Weiterhin können optional 0,05-3 % Molybdän oder Wolfram vorgesehen sein.U.S. Patent No. 5,122,206 discloses a nickel-base superalloy given a particularly narrow coexistence zone for the has solid and liquid phase and thus especially for a single crystal casting process is suitable. The alloy has the following composition in weight percent: 10-30 % Chromium, 0.1-5% niobium, 0.1-8% titanium, 0.1-8% aluminum, 0.05-0.5% copper or instead of copper 0.1-3% tantalum, where in first case also hafnium or rhenium with a content of 0.05-3% may be present and in the second Fall also instead of rhenium or hafnium 0.05-0.5% copper. Furthermore, optionally 0.05-3% molybdenum or tungsten be provided.

Die WO 01/09403 A1 zeigt eine Nickelbasislegierung mit 11 -13 % Chrom, 3 - 5% Wolfram, 0,5-2,5% Molybdän, 3 - 5% Aluminium 3 - 5 % Titan, 3 - 7% Tantal, 0 - 12 % Kobalt, 0 - 1% Niob 0 - 2 % Hafnium, 0 - 1% Zirkon, 0 - 0.05% Bor, 0 - 0.2 % Kohlenstoff, 1 - 5% Rhenium, 0 - 5% Ruthenium, Rest Nickel. Die durch Rhenium geförderte Bildung versprödender intermetallischer Phasen (Cr- und/ oder Re-haltige Ausscheidungen) führt zu einer Reduzierung der Lebensdauer, weil die Sprödphasen die Rissbildung fördern. WO 01/09403 A1 shows a nickel-based alloy with 11-13 % Chromium, 3-5% tungsten, 0.5-2.5% molybdenum, 3-5% aluminum 3 - 5% titanium, 3 - 7% tantalum, 0 - 12% cobalt, 0 - 1% niobium 0 - 2% hafnium, 0 - 1% zirconium, 0 - 0.05% boron, 0 - 0.2% Carbon, 1 - 5% rhenium, 0 - 5% ruthenium, balance nickel. The education promoted by rhenium embrittles intermetallic phases (Cr- and / or Re-containing Excretions) leads to a reduction in the lifetime, because the brittle phases promote the formation of cracks.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil aus einer Nickel-Basis-Superlegierung anzugeben, das besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich einer Hochtemperaturfestigkeit, Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit und Stabilität gegen duktilitätsmindernde Bildung intermetallischer Phasen über eine lange Lebensdauer aufweist.The invention is based on the object of a component To specify a nickel-based superalloy, the particular favorable properties in terms of a High temperature strength, oxidation and Corrosion resistance and stability against ductility-reducing formation of intermetallic phases has a long life.

Erfindungsgemäß wird die auf ein Bauteil gerichtete Aufgabe gelöst durch Angabe eines hochtemperaturbeständigen Bauteils aus einer Nickel-Basis-Superlegierung, deren Zusammensetzung folgende Elemente in Gewichtsprozent umfaßt:
9 - 11 % Chrom,
3-5 % Wolfram,
0,5-2,5 % Molybdän,
3-5 % Aluminium,
3-5 % Titan,
3-7 % Tantal,
1-5 % Rhenium,
Rest Nickel und Verunreinigungen.According to the invention, the object directed to a component is achieved by specifying a high-temperature-resistant component made of a nickel-based superalloy whose composition comprises the following elements in percent by weight:
9 - 11% chromium,
3-5% tungsten,
0.5-2.5% molybdenum,
3-5% aluminum,
3-5% titanium,
3-7% tantalum,
1-5% rhenium,
Balance nickel and impurities.

Die Superlegierung-des angegebenen Bauteils ist in ihrer Zusammensetzung erstmalig so spezifiziert, daß für das Bauteil besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich seiner Hochtemperaturfestigkeit, seiner Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit und hinsichtlich einer Stabilität gegen die Bildung duktilitätsmindernder intermetallischer Phasen besteht. Über umfangreiche Versuche, die der Erfindung vorausgingen, konnte die angegebene spezielle Zusammensetzung ermittelt werden, mit der die gewünschten, oben genannten Eigenschaften in überraschend hohem Maße erfüllt werden. Insbesondere geht die Erfindung dabei von einer chromreichen Superlegierung aus, die eine erhöhte Festigkeit durch den Zusatz von Rhenium erhält. Die durch Rhenium geförderte Bildung versprödender intermetallischer Phasen (Cr- und/oder Re-haltige Ausscheidungen) wird durch einen Chromgehalt unterhalb 11% kontrolliert. The superalloy-specified component is in their Composition specified for the first time for the Component particularly favorable properties in terms of its High-temperature strength, its oxidation and Corrosion resistance and stability against the formation of ductile reducing intermetallic Phases exists. About extensive experiments, that of the invention preceded, could the specified special composition be determined with the desired, above Properties are met to a surprisingly high degree. In particular, the invention is of a chromium rich Superalloy which gives increased strength through the Addition of rhenium receives. The promoted by rhenium Formation of embrittling intermetallic phases (Cr and / or Re-containing precipitates) is due to a chromium content controlled below 11%.

Vorzugsweise beträgt der Rheniumgehalt mindestens zwei Gewichtsprozent.Preferably, the rhenium content is at least two Weight.

Bevorzugt enthält die Super-Legierung Ruthenium. Durch die Zugabe von Ruthenium kann insbesondere die Tendenz zur Ausbildung versprödender intermetallischer Phasen weiter verringert werden. Gerade bei einem Rheniumgehalt oberhalb von zwei Gewichtsprozent erweist sich die Zugabe von Ruthenium als günstig. Vorzugsweise ist dabei der maximale Rutheniumgehalt drei Gewichtsprozent und der minimale Rutheniumgehalt 0,1 Gewichtsprozent Gewichtsprozent. Bevorzugtermassen liegt der Kobaltgehalt der Superlegierung bei bis zu 12 Gewichtsprozent.The super alloy preferably contains ruthenium. By the Addition of ruthenium may in particular have a tendency to Formation of embrittling intermetallic phases continues be reduced. Especially with a rhenium content above by two percent by weight, the addition of Ruthenium as favorable. Preferably, the maximum is Ruthenium content three percent by weight and the minimum Ruthenium content 0.1 weight percent weight percent. The cobalt content of the superalloy is preferred at up to 12 weight percent.

Vorzugsweise enthält die Superlegierung höchstens ein Gewichtsprozent Niob.Preferably, the superalloy contains at most one Weight percent niobium.

Bevorzugtermassen ist in der Superlegierung optional mindestens eines der folgenden Elemente enthalten:
0-2 Gew.-% Hafnium,
0-1 Gew.-% Zirkon,
0-0,05 Gew.-% Bor,
0-0,2 Gew.-% Kohlenstoff.Preferably, the superalloy optionally contains at least one of the following elements:
0-2% by weight hafnium,
0-1 wt% zircon,
0-0.05 wt% boron,
0-0.2% by weight of carbon.

Erfindungsgemäß wird die auf ein Bauteil gerichtete Aufgabe ebenso gelöst durch Angabe eines hochtemperaturbeständigen Bauteils aus einer Nickel-Basis-Superlegierung, deren Zusammensetzung folgende Elemente in Gewichtsprozent umfaßt:
9-11 % Chrom,
3-5 % Wolfram,
0,5-2,5 % Molybdän,
3-5 % Aluminium,
3-5 % Titan,
3-7 % Tantal,
0,1-5 % Ruthenium,
Rest Nickel und Verunreinigungen.According to the invention, the object directed to a component is also achieved by specifying a high-temperature-resistant component made of a nickel-based superalloy whose composition comprises the following elements in percent by weight:
9-11% chromium,
3-5% tungsten,
0.5-2.5% molybdenum,
3-5% aluminum,
3-5% titanium,
3-7% tantalum,
0.1-5% ruthenium,
Balance nickel and impurities.

Die Vorteile für ein solches Bauteil ergeben sich entsprechend den obigen Ausführungen zu den Vorteilen des Rhenium aufweisenden Bauteils. Überraschenderweise läßt sich auch durch Zugabe von Ruthenium und ohne einen Rheniumgehalt eine besonders hohe Hochtemperaturfestigkeit erreichen, wobei in der angegebenen Zusammensetzung gleichzeitig die Oxidations-/Korrosionsbeständigkeit ebenfalls hoch ist.The advantages for such a component arise accordingly the above remarks on the advantages of rhenium having component. Surprisingly, it is also possible by adding ruthenium and without a rhenium content one achieve particularly high high temperature strength, in the specified composition at the same time the oxidation / corrosion resistance is also high.

Bevorzugtermassen ist der Kobaltgehalt der Superlegierung geringer als 12 Gewichtsprozent, während der Niobgehalt bei höchstens einem Gewichtsprozent liegt. Vorzugsweise sind in der Superlegierung 0-2 Gewichtsprozent Hafnium und/oder 0-1 Gewichtsprozent Zirkon und/oder 0-0,05 Gewichtsprozent Bor und/oder 0-0,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthalten.The cobalt content of the superalloy is preferred less than 12 weight percent, while the niobium content is at at most one percent by weight. Preferably, in the superalloy 0-2 weight percent hafnium and / or 0-1 Percent by weight zirconium and / or 0-0.05 weight percent boron and / or 0-0.2 weight percent carbon.

Vorzugsweise weist das Bauteil eine gerichtet erstarrte Kornstruktur auf. In einer solchen gerichtet erstarrten Struktur sind die Korngrenzen im wesentlichen entlang einer Achse ausgerichtet. Damit ergibt sich eine besonders hohe Festigkeit entlang dieser Achse.Preferably, the component has a directionally solidified Grain structure on. In such a directionally frozen Structure are the grain boundaries substantially along one Axis aligned. This results in a particularly high Strength along this axis.

Bevorzugtermassen weist das Bauteil eine einkristalline Struktur auf. Durch die einkristalline Struktur werden festigkeitsmindernde Korngrenzen im Bauteil vermieden und es ergibt sich eine besonders hohe Festigkeit.Preferably, the component has a monocrystalline Structure on. Due to the monocrystalline structure strength-reducing grain boundaries avoided in the component and it results in a particularly high strength.

Vorzugsweise ist das Bauteil als eine Gasturbinenschaufel ausgebildet. Gerade eine Gasturbinenschaufel ist besonders hohen Anforderungen hinsichtlich einer Hochtemperaturfestigkeit und einer Oxidations-/Korrosionsbeständigkeit ausgesetzt.Preferably, the component is a gas turbine blade educated. Just a gas turbine bucket is special high requirements in terms of high-temperature strength and an oxidation / corrosion resistance exposed.

Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel anhand der Fgiur näher erläutert. The invention is in an embodiment with reference to the Fgiur explained in more detail.

Die Figur zeigt in einer Ansicht ein hochtemperaturbeständiges Bauteil, ausgeführt als Gasturbinenschaufel 1. Die Gasturbinenschaufel 1 weist ein Schaufelblatt 3, eine Plattform 5 und einen Befestigungsbereich 7 auf. Die Gasturbinenschaufel 1 ist in einem Gießprozeß gerichtet erstarrt hergestellt, wodurch sich entlang einer Schaufelachse 8 gerichtete Korngrenzen 9 ergeben.The figure shows in a view High temperature resistant component, designed as Gas Turbine Blade 1. The gas turbine blade 1 has a Airfoil 3, a platform 5 and a Attachment 7 on. The gas turbine blade 1 is in made directionally solidified a casting process, resulting in Grain boundaries 9 directed along a blade axis 8 result.

Die Gasturbinenschaufel 1 ist aus einer Nickel-Basis-Superlegierung gefertigt, die eine der Zusammensetzungen aufweist, die in Tabelle 1 aufgeführt sind.
Insbesondere ist ein Anteil von Cobalt zwischen 6 und 10% und ein Gehalt von Zirkonium zwischen 0 und 0.1% von Vorteil.The gas turbine blade 1 is made of a nickel-base superalloy having one of the compositions listed in Table 1.
In particular, a proportion of cobalt between 6 and 10% and a content of zirconium between 0 and 0.1% is advantageous.

Vorteilhafte Zusammensetzung sind bspw. gegeben durch:

Cr: 10.25%, Mo: 1.85%, W:4.70, Co: 6.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Re: 1.5%, Rest Ni.
Cr: 9.00%, Mo: 1.85%, W:4.70, Co: 6.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Re: 3.5%, Rest Ni.
Cr: 10.75%, Mo: 1.85%, W:4.70, Co: 6.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Re: 1.5%, Ru: 2.0% Rest Ni.
Cr: 10.25%, Mo: 1.85%, W:4.70, Co: 8.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Ru: 1.5%, Rest Ni.
Cr: 10.75%, Mo: 1.85%, W:4.70, Co: 8.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Ru: 3.75%, Rest Ni.
Cr: 10.25%, Mo: 1.85%, W:4.70, Co: 8.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Re: 2.00%, Ru: 2.5, Rest Ni.

Advantageous compositions are, for example, given by:

Cr: 10.25%, Mo: 1.85%, W: 4.70, Co: 6.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Re: 1.5%, balance Ni.
Cr: 9.00%, Mo: 1.85%, W: 4.70, Co: 6.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Re: 3.5%, balance Ni.
Cr: 10.75%, Mo: 1.85%, W: 4.70, Co: 6.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Re: 1.5%, Ru: 2.0% rest Ni.
Cr: 10.25%, Mo: 1.85%, W: 4.70, Co: 8.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Ru: 1.5%, balance Ni.
Cr: 10.75%, Mo: 1.85%, W: 4.70, Co: 8.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Ru: 3.75%, balance Ni.
Cr: 10.25%, Mo: 1.85%, W: 4.70, Co: 8.50%, Ti: 3.75%, Ta: 3.9%, Al: 3.3%, B: 0.0125%, Zr: 0.008%, Hf: <0.01%, Re: 2.00%, Ru: 2.5, rest Ni.

Claims

High-temperature-resistant component (1) of a nickel-based superalloy, the composition of which comprises the following elements in percent by weight:
9 -11% chrome
3 - 5% tungsten
0.5-2.5% molybdenum
3 - 5% aluminum
3 - 5% titanium
3 - 7% tantalum
0 - 12% cobalt
0 - 1% niobium
0-2% hafnium
0 - 1% zircon
0 - 0.05% boron
0 - 0.2% carbon
1 - 5% rhenium
0 - 5% ruthenium
Balance Ni and impurities.

Component (1) according to claim 1, wherein the rhenium content at least two percent by weight.

Component (1) according to claim 1, having a maximum ruthenium content the superalloy of 3 weight percent.

Component (1) according to claim 1 or 3, with a minimum Ruthenium content of the superalloy of 0.1% by weight, in particular 0.5 percent by weight.

High-temperature-resistant component (1) of a nickel-based superalloy, the composition of which comprises the following elements in percent by weight:
9-11% chromium
3 - 5% tungsten
0.5-2.5% molybdenum
3 - 5% aluminum
3 - 5% titanium
3 - 7% tantalum
0 - 12% cobalt
0 - 1% niobium
0-2% hafnium
0 - 1% zircon
0 - 0.05% boron
0 - 0.2% carbon
0.1 - 5% ruthenium
Balance Ni and impurities.

Component (1) according to one of the preceding claims, which a directionally solidified grain structure (9).

Component (1) according to one of claims 1 to 5, which is a single crystal structure.

Component (1) according to one of claims 1 to 5, which is a Isotropic distribution of the orientations of the grain structure having.

Component (1) according to one of the preceding claims, which is designed as a gas turbine blade.