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    • 专利摘要:
    EineEinkristall-Nickelbasis-Superlegierung, bestehend - in Gewichtsprozent- im Wesentlichen aus ca. 6,4% bis ca. 6,8% Cr, ca. 9,3% bis ca.10,0% Co, über6,7% bis ca. 8,5% Ta, ca. 5,45% bis ca. 5,75% Al, ca. 6,2% bis ca.6,6% W, ca. 0,5% bis ca. 0,7% Mo, ca. 0,8% bis ca. 1,2% Ti, ca.2,8% bis ca 3,2% Re, bis zu ca. 0,12% Hf, ca. 0,01% bis ca. 0,08%C, bis zu ca. 0,10% B und Rest Ni und begleitende Verunreinigungen.Die Superlegierung stellt eine verbesserte Legierungseinheit und Gießbarkeitbereit und sorgt zugleich fürverbesserte mechanische Eigenschaften wie Spannungsbruchlebensdauerbei hohen Temperaturen.
    公开号:DE102004019837A1
    申请号:DE200410019837
    申请日:2004-04-23
    公开日:2004-11-18
    发明作者:John Corrigan；Michael G. Launsbach；John R. Mihalisin
    申请人:Howmet Research Corp；
    IPC主号:B22D21-00
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft eine Nickelbasis-Superlegierung undaus der Superlegierung hergestellte Einkristall-Gussstücke, z.B.Einkristall-Tragflächen-Gussstücke.
    [0002] Superlegierungenfinden breite Verwendung als Gussstücke in der Gasturbinentriebwerksindustriefür kritischeKomponenten, z.B. Turbinen-Tragflächen, einschließlich Laufschaufelnund Leitschaufeln, welche hohen Temperaturen und Spannungsniveausausgesetzt sind. Derartige kritische Komponenten werden oftmalsunter Anwendung wohlbekannter Techniken zur gerichteten Erstarrung (DS-Techniken)gegossen, welche eine Einkristall-Mikrostruktur oder eine kolumnareKorn-Mikrostruktur liefern, um die Eigenschaften in einer oder mehrerenRichtungen zu optimieren.
    [0003] Gießtechnikenzur gerichteten Erstarrung sind wohlbekannt, wobei ein Nickelbasis-Superlegierungs-Umschmelzblockin einem Tiegel in einem Gießofenim Vakuum induktiv umgeschmolzen und in eine in dem Ofen angeordnetekeramische Feingießformmit einer Gießtraube,welche eine Mehrzahl von Formhöhlungenaufweist, vergossen wird. Während dergerichteten Erstarrung erfährtdie Superlegierungsschmelze einen unidirektionalen Wärmeentzug inden Formhöhlungen,um eine kolumnare Kornstruktur zu erzeugen oder einen Einkristallin dem Fall, dass ein Kristallselektor oder Keimkristall in die Formhöhlungeninkorporiert ist. Der unidirektionale Wärmeentzug kann nach der wohlbekanntenFormabzugstechnik durchgeführtwerden, wobei die schmelzegefüllteGießtraubenformauf einer Abschreckplatte mit einer kontrollierten Rate aus dem Gießofen abgezogenwird. Alternativ kann eine Leistungsabschaltungstechnik benutztwerden, bei der Induktionsspulen, die um die schmelzegefüllte Gießtraubenformauf der Abschreckplatte angeordnet sind, in kontrollierter Abfolgeabgeschaltet werden. Unabhängigvon der verwendeten DS-Gießtechnik wirdallgemein die Schmelze in den Formhöhlungen einem unidirektionalenWärmeentzugunterworfen.
    [0004] WeilEinkristall-Gussstückekeine Korngrenzen enthalten, ist der Stand der Technik bisher davon ausgegangen,dass Elemente wie Kohlenstoff und Bor, welche korngrenzenverfestigendePräzipitatein der Mikrostruktur bilden, bei Einkristall-Superlegierungszusammensetzungennicht notwendig wären.
    [0005] DieUS-PS Nr. 5 549 765 beschreibt jedoch eine Nickelbasis-Superlegierungmit erhöhterKohlenstoffkonzentration, um ein reineres Gussstück zu erzeugen. Die Nickelbasis-Superlegierungnach der Patentschrift Nr. 5 549 765 verbessert zwar die Legierungsreinheitund Gießbarkeit;in Laborversuchen wurde jedoch eine Minderung der mechanischen Eigenschaftenwie der Spannungsbruchlebensdauer bei erhöhten Temperaturen, z.B. beiund oberhalb 1400°F,beobachtet.
    [0006] Dievorliegende Erfindung stellt eine Nickelbasis-Superlegierung bereit,bestehend – inGewichtsprozent – imWesentlichen aus: ca. 6,4% bis ca. 6,8% Cr, ca. 9,3% bis ca. 10,0%Co, über6,7% bis ca. 8,5% Ta, ca. 5,45% bis ca. 5,75% Al, ca. 6,2% bis ca.6,6% W, ca. 0,5% bis ca. 0,7% Mo, ca. 0,8% bis ca. 1,2% Ti, ca.2,8% bis ca. 3,2% Re, bis zu ca. 0,12% Hf, ca. 0,01% bis ca. 0,08%C, bis zu ca. 0,10% B und Rest Ni und begleitende Verunreinigungen.
    [0007] DieKonzentrationen an Kohlenstoff und Tantal sind bevorzugt eingestelltauf die Bereiche von 0,01 Gew.-% bis 0,08 Gew.-% C und 6,8 bis 8,5 Gew.-%Ta, noch bevorzugter 7,0 bis ca. 8,5 Gew.-% Ta, um eine Nickelbasis-Superlegierungmit verbesserter Legierungsreinheit und Gießbarkeit bereitzustellen unddabei zugleich verbesserte mechanische Eigenschaften wie Spannungsbruchlebensdauerbei erhöhtenTemperaturen von 1400 °Fund darüberbereitzustellen.
    [0008] EineNickelbasis-Superlegierung mit einer nominellen Zusammensetzunggemäß der Erfindung besteht – in Gewichtsprozent – im Wesentlichenaus ca. 6,6% Cr, ca. 9,6% Co, ca. 7,3% Ta, ca. 5,6% Al, ca. 6,4%W, Ca. 0,6% Mo, ca. 1,0% Ti, ca. 3,0% Re, ca.0,10% Hf, ca. 0,04% C, ca. 0,005% B und Rest Ni und begleitendeVerunreinigungen.
    [0009] Vorteile,Merkmale und Ausführungsformen dervorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
    [0010] 1 ist ein Graph, welcherdie Larson-Miller-Parameter fürCMSX-M1- und CMSX-M2-Nickelbasis-Superlegierungen in Einklang mitder Erfindung und fürdie Vergleichs-Nickelbasis-Superlegierungen PWA 1484, N5 und CMSX-4darstellt.
    [0011] 2 ist ein Balkendiagramm,welches die Larson-Miller-Parameter bei verschiedenen Spannungstestniveausfür dieCMSX-M1-Nickelbasis-Superlegierung (als M1 bezeichnet) und CMSX-M2-Nickelbasis-Superlegierung(als M2 bezeichnet) in Einklang mit der Erfindung und für die Vergleichs-Nickelbasis-SuperlegierungenPWA 1484 (mit A bezeichnet), CMSX-4 (mit B bezeichnet) und N5 (mitC bezeichnet) darstellt.
    [0012] 3 ist ein Balkendiagramm,welches die Spannungsbruchlebensdauer für die CMSX-M1-Nickelbasis-Superlegierung(als M1 bezeichnet) und CMSX-M2-Nickelbasis-Superlegierung(als M2 bezeichnet) in Einklang mit der Erfindung und für die Vergleichs-Nickelbasis-SuperlegierungenPWA 1484 (mit A bezeichnet), CMSX-4 (mit B bezeichnet) und N5 (mitC bezeichnet) darstellt.
    [0013] 4 ist ein Graph, welcherdie Reiß-oder Bruchfestigkeit (UTS) überder Temperatur fürdie Nickelbasis-Superlegierungen CMSX-M1 (als M1 bezeichnet) undCMSX-M2 (als M2 bezeichnet) in Einklang mit der Erfindung und für die Vergleichs-Nickelbasis-SuperlegierungenPWA 1484, CMSX-4 und N5 darstellt.
    [0014] 5 ist ein Graph, der die0,2%-Dehngrenze überder Temperatur fürdie CMSX-M1-Nickelbasis-Superlegierung (als M1 bezeichnet) und CMSX-M2-Nickelbasis-Superlegierung(als M2 bezeichnet) in Einklang mit der Erfindung und für die Vergleichs-Nickelbasis-SuperlegierungenPWA 1484, N5 und CMSX-4 darstellt.
    [0015] 6 ist ein Graph, der dieProzentdehnung überder Temperatur fürdie CMSX-M1-Nickelbasis-Superlegierung (als M1 bezeichnet) und CMSX-M2-Nickelbasis-Superlegierung(als M2 bezeichnet) in Einklang mit der Erfindung und für die Vergleichs-Nickelbasis-SuperlegierungenPWA 1484, N5 und CMSX-4 darstellt.
    [0016] 7 ist ein Graph, der dieProzenteinschnürung über derTemperatur fürdie CMSX-M1-Nickelbasis-Superlegierung (als M1 bezeichnet) und dieCMSX-M2-Nickelbasis-Superlegierung(als M2 bezeichnet) gemäß der Erfindungund fürdie Vergleichs-Nickelbasis-Superlegierungen PWA 1484, N5 und CMSX-4darstellt.
    [0017] Dievorliegende Erfindung stellt eine Nickelbasis-Superlegierung bereit,welche in Prozessen zur gerichteten Erstarrung zur Herstellung vonEinkristall-Gasturbinentriebwerkskomponenten, welche hohen Temperaturenund Spannungsniveaus ausgesetzt sind, z.B. Einkristall-Turbinentragflächen, einschließlich Laufschaufelnund Leitschaufeln, Verwendung finden kann, wobei die Erfindung jedochnicht auf die Verwendung fürdie Herstellung derartiger Komponenten begrenzt ist.
    [0018] InEinklang mit einer Ausführungsformder Erfindung bestehen die Nickelbasis-Superlegierung und die daraus hergestelltenEinkristall-Gussstücke – in Gewichtsprozent – im Wesentlichenaus: ca. 6,4% bis ca. 6,8% Cr, ca. 9,3% bis ca. 10,0% Co, über 6,7%bis ca. 8,5% Ta, ca. 5,45% bis ca. 5,75% Al, ca. 6,2% bis ca. 6,6%W, ca. 0,5% bis ca. 0,7% Mo, ca. 0,8% bis ca. 1,2% Ti, ca. 2,8%bis ca. 3,2% Re, bis zu ca. 0,12% Hf, 0,01% bis 0,08% C (ca. 100bis ca. 800 Gew.-ppm C), bis zu ca. 0,10% B und Rest Ni und begleitendeVerunreinigungen. Hafnium kann im Bereich von 0,07 bis 0,12 Gew.-%liegen. Die Superlegierung kann Yttrium und/oder Cer und/oder Lanthanin einer Menge von bis zu ca. 0,01 Gew.-% enthalten, um die Oxidations-und/oder Korrosionsresistenz der Superlegierung zu verbessern.
    [0019] Inder Umsetzung der vorliegenden Erfindung sind die Konzentrationenvon sowohl Kohlenstoff als auch Tantal bevorzugt eingestellt aufdie Bereiche von ca. 0,02 Gew.-% bis ca. 0,04 Gew.-% C und 6,8 Gew.-%bis ca. 8,5 Gew.-% Ta, noch bevorzugter 7,0 Gew.-% bis ca. 8,5 Gew.-%Ta, um eine verbessere Legierungsreinheit und Gießbarkeitzu erteilen und dabei zugleich drastisch verbesserte mechanischeEigenschaften wie Spannungsbruchlebensdauer bei erhöhten Temperaturenvon 1400°F unddarüberbereitzustellen.
    [0020] Einkristall-Probestäbe für die Prüfung der mechanischenEigenschaften wurden gegossen unter Verwendung einer Superlegierunggemäß einer Ausführungsformder Erfindung mit der Bezeichnung CMSX-4 M1 mit der nominellen Zusammensetzung – in Gewichtsprozent – von ca.6,6% Cr, ca. 9,6% Co, ca. 7,3% Ta, ca. 5,6% Al, ca. 6,4% W, ca.0,6% Mo, ca. 1,0% Ti, ca. 3,0% Re, ca. 0,10% Hf, ca. 0,04% C, ca.0,005% B und Rest Ni und begleitende Verunreinigungen. Andere Einkristall-Probestäbe für die Prüfung dermechanischen Eigenschaften wurden gegossen unter Verwendung einerSuperlegierung gemäß einerweiteren Ausführungsformder Erfindung mit der Bezeichnung CMSX-4 M2 mit der nominellen Zusammensetzung – in Gewichtsprozent – von ca. 6,6%Cr, ca. 9,6% Co, ca. 6,8% Ta, ca. 5,6% Al, ca. 6,4% W, ca. 0,6%Mo, ca. 1,0% Ti, ca. 3,0% Re, ca. 0,10% Hf, ca. 0,02% C, ca. 0,005%B und Rest Ni und begleitende Verunreinigungen. Die Einkristall-Probestäbe wurdenhergestellt durch Gießender im Vorstehenden beschriebenen CMSX-4M1- und CMSX-M2-Superlegierungenbei einer Temperatur des Legierungsschmelzpunktes plus 350°F in einer auf2770°F vorgewärmten Schalenform.Die Superlegierungen wurden als Einkristall-Probestäbe erstarrengelassen unter Anwendung der konventionellen Abzugstechnik zur gerichtetenErstarrung und eines spiralartigen Kristallselektors in den Schalenformen. Verfahrenzur gerichteten Erstarrung zur Herstellung von Einkristall-Gussstücken sindin den US-Patenten Nr. 3 700 023; Nr. 3 763 926 und Nr. 4 190 094beschrieben.
    [0021] ÄhnlicheEinkristall-Vergleichsprobestäbe wurdenaus der bekannten PWA 1484-Nickelbasis-Superlegierung, N5-Nickelbasis-Superlegierung undCMSX-4-Nickelbasis-Superlegierung hergestellt, ebenfalls unter Verwendungder konventionellen Abzugstechnik zur gerichteten Erstarrung. Diese Nickelbasis-Superlegierungenwerden kommerziell verwendet in der Herstellung von Einkristall-Tragflächen-Gussstücken zumEinsatz in Gasturbinentriebwerken. Die Nickelbasis-SuperlegierungPWA 1484 ist in US-Patent Nr. 4 719 080 beschrieben; die N5-Nickelbasis-Superlegierungist in US-Patent Nr. 6 074 602 beschrieben und die CMSX-4-Nickelbasis-Superlegierungist in US-Patent Nr. 4 643 782 beschrieben. Die CMSX-4-Nickelbasis-Superlegierung limitiertden Kohlenstoff auf maximal 60 Gew.-ppm.
    [0022] DieProbestäbewurden unter verschiedenen erhöhtenTemperaturen auf Spannungsbruchresistenz geprüft, wobei das Prüfverfahrennach ASTM E139 zur Anwendung kam, und wurden Zugversuchen bei Raumtemperaturund bei erhöhtenTemperaturen zur Untersuchung der Reiß- oder Bruchfestigkeit (UTS),0,2%-Dehngrenze, Prozentdehnung und Einschnürung unterworfen, wobei das ASTM-PrüfverfahrenASTM E8 fürdie Versuche bei Raumtemperatur und ASTM E21 für die erhöhten Temperaturen zur Anwendungkamen.
    [0023] Eswird nun auf die 1 und 2 Bezug genommen, welcheeinen Vergleich der Larson-Miller-Parameter für die erfindungsgemäßen CMSX-M1-und CMSX-M2-Nickelbasis-Superlegierungenund fürdie Vergleichs-Nickelbasis-Superlegierungen PWA 1484, N5 und CMSX-4darstellen. Der Larson-Miller-Parameter P wird verwendet, um dieSpannungsbrucheigenschaften der Nickelbasis-Superlegierungen zu vergleichen, wiein 1 und 2 gezeigt. Der Larson-Miller-Parameterist ein Zeit-Temperatur-abhängigerParameter (P = T(°K)(20+ logt)1000, worin T die Prüftemperaturist und worin t die Zeit bis zum Bruch ist), der breit angewandtwird zur Extrapolation von Spannungsbruchdaten, wie in MECHANICALMETALLURGY, Kapitel 3-13, S. 483-486, Copyright 1961, 1976, McGraw-Hill,Inc., beschrieben. Aus den 1 und 2 ist erkennbar, dass dieerfindungsgemäßen CMSX-M1- undCMSX-M2-Nickelbasis-Superlegierungen in Bezug auf ihre Spannungsbruchresistenz über diegetesteten Spannungsniveaus/Temperaturen (z.B. 791°C, 891°C, 991°C und 1091°C, wie in 3 gezeigt) vergleichbaroder besser sind als die Vergleichs-Nickelbasis-Superlegierungen.
    [0024] 3 ist ein Balkendiagramm,welches im Vergleich die Spannungsbruchlebensdauern für die erfindungsgemäßen CMSX-M1-und CMSX-M2-Nickelbasis-Superlegierungenund die Vergleichs-Nickelbasis-Superlegierung PWA 1484, N5 und CMSX-4zeigt. Es ist erkennbar, dass die erfindungsgemäße CMSX-4M1-Nickelbasis-Superlegierung (mitM1 bezeichnet) einen drastischen Anstieg der Spannungsbruchlebensdauerunter allen Prüfbedingungenim Vergleich zu den Vergleichs-Nickelbasis-Superlegierungen N5 (mitC bezeichnet) und CMSX-4 (mit B bezeichnet) zeigte und eine im Wesentlichengleichwertige Spannungsbruchlebensdauer wie die Vergleichs-Nickelbasis-Superlegierung PWA1484 (mit C bezeichnet) bei niederen Temperaturen und höheren Spannungsniveaus(z.B. 791°C/825MPa und 891°C/550MPa) und besser als die Vergleichs-Nickelbasis-Superlegierung PWA 1484bei höherenTemperaturen und niedrigeren Spannungsniveaus (z.B. 991°C/275 MPaund 1091°C/150MPa).
    [0025] Eswird nun auf die 4, 5, 6 und 7 Bezug genommen,welche die Zugversuchsdaten fürdie CMSX-M1- und CMSX-M2-Nickelbasis-Superlegierungen in Einklangmit der Erfindung und fürdie Vergleichs-Nickelbasis-Superlegierungen PWA 1484, N5 und CMSX-4darstellen. Es ist erkennbar, dass die erfindungsgemäßen Nickelbasis-SuperlegierungenCMSX-M1- und -M2 bezüglichZugfestigkeit (z.B. Reiß-oder Bruchfestigkeit/UTS und 0,2%-Dehngrenze/0,2 YS), Dehnung undEinschnürung über diegetesteten Temperaturen (z.B. Raumtemperatur bis 1100°C) mit denVergleichs-Nickelbasis-Superlegierungen vergleichbar sind.
    [0026] Dieerfindungsgemäßen Nickelbasis-SuperlegierungenCMSX-M1 und CMSX-M2 zeigten verminderten Gusszunder und vermindertenichtmetallische Einschlüsseals eine Folge der Verwendung von Kohlenstoffkonzentrationen von200 ppm bzw. 400 ppm. Beispielsweise zeigten die CMSX-M1- und CMSX-M2-Nickelbasis-Superlegierungsfeinguss-Probestäbe in Einklangmit der Erfindung verminderten Gusszunder und ein vermindertes Maß an nicht-metallischenEinschlüssenim Vergleich zu der Vergleichs-Nickelbasis-Superlegierung CMSX-4und zeigten verbesserte Gießbarkeitunter dem Gesichtspunkt, dass die Vakuumfeinguss-Probestäbe von CMSX-M1und CMSX-M2 weniger Außenzunder zeigtenim Vergleich zu den Vakuumfeinguss-Probestäben aus der Vergleichs-Nickelbasis-SuperlegierungCMSX-4.
    [0027] DieErfindung wurde im Zusammenhang mit detaillierten Ausführungsbeispielenderselben aufgezeigt und beschrieben; für den Fachmann wird jedocherkennbar sein, dass verschiedene Änderungen hinsichtlich Formund Detail vorgenommen werden können,ohne den Bereich der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
    权利要求:
    Claims (9)
    [1] Nickelbasis-Superlegierung, bestehend – in Gewichtsprozent – im Wesentlichenaus ca. 6,4% bis ca. 6,8% Cr, ca. 9,3 bis ca. 10,0% Co, über 6,7%bis ca. 8,5% Ta, ca. 5,45% bis ca. 5,75% Al, ca. 6,2% bis ca. 6,6%W, ca. 0,5% bis ca. 0,7% Mo, ca. 0,8% bis ca. 1,2% Ti, ca. 2,8%bis ca. 3,2% Re, bis zu ca. 0,12% Hf, ca. 0,01 bis ca. 0,08% C,bis zu ca. 0,10% B und Rest Ni und begleitende Verunreinigungen.
    [2] Die Superlegierung nach Anspruch 1 mit einem C-Gehaltvon ca. 0,02 Gew.-% bis ca. 0,04 Gew.-% der Superlegierung.
    [3] Nickelbasis-Superlegierung, bestehend – in Gewichtsprozent – im Wesentlichenaus ca. 6,4% bis ca. 6,8% Cr, ca. 9,3% bis ca. 10,0% Co, 6,8% bisca. 8,5% Ta, ca. 5,45% bis ca. 5,75% Al, ca. 6,2% bis ca. 6,6% W,ca. 0,5% bis ca. 0,7% Mo, ca. 0,8% bis ca. 1,2% Ti, ca. 2,8% bisca. 3,2% Re, bis zu ca. 0,12% Hf, ca. 0,01% bis ca. 0,08% C, biszu ca. 0,10% B und Rest Ni und begleitende Verunreinigungen.
    [4] Die Superlegierung nach Anspruch 3 mit einem C-Gehaltvon ca. 0,02 Gew.-% bis ca. 0,04 Gew.-% der Superlegierung.
    [5] Nickelbasis-Superlegierung, bestehend – in Gewichtsprozent – im Wesentlichenaus ca. 6,4% bis ca. 6,8% Cr, ca. 9,3% bis ca. 10,0% Co, 7,0% bisca. 8,5% Ta, ca. 5,45% bis ca. 5,75% Al, ca. 6,2% bis ca. 6,6% W,ca. 0,5% bis ca. 0,7% Mo, ca. 0,8% bis ca. 1,2% Ti, ca. 2,8% bisca. 3,2% Re, bis zu ca. 0,12% Hf, ca. 0,01% bis ca. 0,08 % C, biszu ca. 0,10% B und Rest Ni und begleitende Verunreinigungen.
    [6] Die Superlegierung nach Anspruch 5 mit einem C-Gehaltvon ca. 0,02 Gew.-% bis ca. 0,04 Gew.-% der Superlegierung.
    [7] Die Superlegierung nach einem der Ansprüche 1-6,umfassend Yttrium und/oder Cer und/oder Lanthan in einer Menge vonbis zu ca. 0,01 Gew.-%.
    [8] Eine Turbinentragfläche, umfassend die Superlegierungnach einem der Ansprüche1-6.
    [9] Die Turbinentragfläche nach Anspruch 8, welcheeine Einkristallgusstragflächeist.
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