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DE102020203436A1 - Kobaltbasislegierung, Pulvermischung, Verfahren und Bauteil - Google Patents

Kobaltbasislegierung, Pulvermischung, Verfahren und Bauteil Download PDF

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DE102020203436A1
DE102020203436A1 DE102020203436.2A DE102020203436A DE102020203436A1 DE 102020203436 A1 DE102020203436 A1 DE 102020203436A1 DE 102020203436 A DE102020203436 A DE 102020203436A DE 102020203436 A1 DE102020203436 A1 DE 102020203436A1
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DE
Germany
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cobalt
insbesondere
nickel
silicon
powder mixture
Prior art date
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Withdrawn
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DE102020203436.2A
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English (en)
Inventor
Bernd Burbaum
Hennig Hanebuth
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Abstract

Durch eine gezielte Auswahl von Elementen einer Kobaltbasislegierung mit Silizium wird eine schweißbare Kobaltbasislegierung mit hoher Festigkeit bereitgestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kobaltbasislegierung, die festigkeitssteigernde Ausscheidungsphasen ergibt und insbesondere gut schweißbar ist, eine Pulvermischung, ein Verfahren und der dadurch hergestellten Bauteile.
  • Die Idee betrifft insbesondere die Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit einer Schaufelspitze an Turbinenschaufeln, insbesondere aus DS/CC-Werkstoffen. Aufgrund der Zunahme der Temperatur (T> 1373K) an der Spitze der Turbinenschaufeln der beiden vorderen Reihen in Gasturbinen reicht die Langzeitoxidationsbeständigkeit vorhandener Legierungen oft nicht aus, ohne eine zusätzliche Kühlung in der Form von Kühlluft einzusetzen.
    Um diesen Kühlluftverbrauch zu reduzieren wird ein Werkstoff benötigt, der eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit aufweist.
    Kobaltbasis-Superlegierungen mit hohem Anteil an Aluminium (Al) zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit werden derzeit schon als Zusatzwerkstoff für Reparaturen von Schaufelspitzen eingesetzt.
  • Eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Oxidationsbeständigkeit bei gleichzeitig guter Schweißbarkeit wird angestrebt.
  • Alle bisher in der Reparatur eingesetzten Schweißzusatzwerkstoffe zeigen keine verbesserten Oxidationseigenschaften bei Temperaturen von T = 1223K - 1323K.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1, eine Pulvermischung gemäß Anspruch 2, ein Verfahren nach Anspruch 7 und ein Bauteil gemäß Anspruch 8.
  • Das Pulver oder die Pulvermischung zeigt eine gut schweißbare Legierung mit insbesondere maximal 1,3 Gew.-% Silizium (Si). Silizium (Si) fördert die Bildung einer Chromoxid- und damit auch die Bildung einer stabilen Aluminiumoxidschicht.
  • Eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Oxidationsbeständigkeit bei gleichzeitig guter Schweißbarkeit wird ebenso erreicht.
  • Die Kobaltbasislegierung weist folgende Elemente auf (in Gew.-%) :
    • Nickel (Ni)
    30,0 - 33,0, insbesondere 31,50
    Kohlenstoff (C)
    0,06 - 0,1, insbesondere 0,08
    Chrom (Cr)
    12,0 - 14,0, insbesondere 13,00
    Wolfram (W)
    11,0 - 13,0, insbesondere 12,30
    Titan (Ti)
    0,1 - 0,3, insbesondere 0,20
    Aluminium (Al)
    2,7 - 4,7, insbesondere 3,70
    Bor (B)
    0,005 - 0,015, insbesondere 0,01
    Zirkon (Zr)
    0,005 - 0,015, insbesondere 0,01
    Tantal (Ta)
    0,7 - 1,3, insbesondere 1,01
    Hafnium (Hf)
    0,19 - 0,25, insbesondere 0,20
    Eisen (Fe)
    0,01 - 0,03, insbesondere 0,02
    Silizium (Si)
    0,9 - 1,3, insbesondere 1,13
  • Rest Kobalt (Co),
    insbesondere 36,0 - 38,0, ganz insbesondere 37,0 Kobalt (Co), insbesondere weist sie kein Molybdän (Mo) auf,
    insbesondere bestehend aus diesen Elementen,
    sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
  • Die Legierung kann als solche als ein einzelnes Pulver hergestellt werden oder eine Pulvermischung darstellen, insbesondere aus drei Pulvern. In beiden Fällen können Binder, Sekundärpartikel, ... enthalten sein.
  • Dabei werden für eine Pulvermischung vorzugsweise zwei kobaltbasierte Legierungen und ein nickelbasiertes Lot verwendet. Das nickelbasierte Lot hat vorzugsweise die geringste Schmelztemperatur mit einem Abstand von mindestens 10K, insbesondere mindestens 20K zu den Schmelztemperaturen der kobaltbasierten Legierungen.
  • Die eine kobaltbasierte Legierung weist vorzugsweise Silizium (Si) auf und die andere nicht, wobei insbesondere das nickelbasierte Lot Siliziumhaltig ist.
  • Der Siliziumgehalt (Si) des nickelbasierten Lots ist vorzugsweise mindestens 20% größer als das der siliziumhaltigen Kobaltlegierung.
  • Vorzugsweise weist die Pulvermischung folgende Bestandteile auf, insbesondere 3 Bestandteile:
    1. 1. Bestandteil:
      • eine kobaltbasierte Legierung,
      • aufweisend (in Gew.%):
        Nickel (Ni)
        29,0 - 33,0, insbesondere 30,50
        Kohlenstoff (C)
        0,010 - 0,025, insbesondere 0,016
        Chrom (Cr)
        9,0 - 11,0, insbesondere 10,15
        Wolfram (W)
        13,5 - 16,5, insbesondere 15,0
        Titan (Ti)
        0,10 - 0,35, insbesondere 0,23
        Aluminium (Al)
        3,0 - 5,0, insbesondere 4,0
        Bor (B)
        0,010 - 0,025, insbesondere 0,014
        Zirkonium (Zr)
        0,010 - 0,020, insbesondere 0,015
        Tantal (Ta)
        0,4 - 0,8, insbesondere 0,6
        Hafnium (Hf)
        0,15 - 0,45, insbesondere 0,3
        Silizium (Si)
        0,10 - 0,30, insbesondere 0,18,
    Rest Kobalt (Co),
    insbesondere 37,5 - 40,5, ganz insbesondere 39,1 Kobalt (Co), insbesondere weist sie kein Molybdän (Mo) und/oder kein Eisen (Fe) auf.
    insbesondere bestehend aus diesen Elementen,
    sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    sowie insbesondere
  • Bestandteil
  • eine kobaltbasierte Legierung
    aufweisend (in Gew.-%):
    • Nickel (Ni)
    13,0 - 17,0, insbesondere 15,0
    Kohlenstoff (C)
    0,2 - 0,5, insbesondere 0,35
    Chrom (Cr)
    18,5 - 21,5, insbesondere 20,0
    Wolfram (W)
    7,5 - 10,5, insbesondere 9,0
    Titan (Ti)
    0,1 - 0,3, insbesondere 0,2
    Aluminium (Al)
    3,4 - 5,4, insbesondere 4,4
    Tantal (Ta)
    2,5 - 4,5, insbesondere 3,0
    Rest Kobalt (Co),
    insbesondere 46,0 - 50,0, ganz insbesondere 48,0 Kobalt (Co),
    insbesondere weist sie kein Molybdän (Mo), kein Bor (B), kein Zirkon (Zr), kein Hafnium (Hf), kein Eisen (Fe) und/oder kein Silizium (Si) auf,
    insbesondere bestehend aus diesen Elementen sowie unvermeidbare Verunreinigungen
    sowie insbesondere
  • Bestandteil
  • ein nickelbasiertes Lot (in Gew.-%):
    • aufweisend (in Gew.-%):
      Chrom (Cr)
      18,0 - 20,0, insbesondere 19,0
      Eisen (Fe)
      0,1 - 0,3, insbesondere 0,2
      Silizium (Si)
      9,0 - 11,0, insbesondere 10,0
      Rest Nickel (Ni),
       
      insbesondere 69,0 - 72,0, ganz insbesondere 70,8 Nickel (Ni), insbesondere bestehend aus diesen Elementen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
  • In einer entsprechenden Zusammensetzung aus den 3 Bestandteilen ergibt die Pulvermischung eine Legierung wie oben aufgelistet.
  • Mit dem Pulver aus dieser Legierung oder dem Pulvergemisch kann ein Pulverauftragsschweißen, insbesondere mittels Laserpulverauftragsschweißen durchgeführt werden.
  • Ebenso kann die Legierung in jeglicher Darstellung (Pulver, Draht, ...) für andere Schweißverfahren verwendet werden.
  • Auch ist eine Anwendung für die Herstellung von additive Fertigungsverfahren, wie z.B. Pulverbettverfahren wie Selektives Lasersintern, Selektives Laserschmelzen, ... genauso möglich.

Claims (8)

  1. Kobaltbasislegierung, aufweisend folgende Elemente (in Gew.-%): Nickel (Ni) 30,0 - 33,0, insbesondere 31,50 Kohlenstoff (C) 0,06 - 0,1, insbesondere 0,08 Chrom (Cr) 12,0 - 14,0, insbesondere 13,00 Wolfram (W) 11,0 - 13,0, insbesondere 12,30 Titan (Ti) 0,1 - 0,3, insbesondere 0,20 Aluminium (Al) 2,7 - 4,7, insbesondere 3,70 Bor (B) 0,005 - 0,015, insbesondere 0,01 Zirkon (Zr) 0,005 - 0,015, insbesondere 0,01 Tantal (Ta) 0,7 - 1,3, insbesondere 1,01 Hafnium (Hf) 0,19 - 0,25, insbesondere 0,20 Eisen (Fe) 0,01 - 0,03, insbesondere 0,02 Silizium (Si) 0,9 - 1,3, insbesondere 1,13 Rest Kobalt (Co), insbesondere 36,0 - 38,0, ganz insbesondere 37,0 Kobalt (Co) insbesondere weist sie kein Molybdän (Mo) auf, insbesondere bestehend aus diesen Elementen, sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
  2. Pulver aufweisend eine Legierung nach Anspruch 1 oder eine Pulvermischung, die in einer Zusammensetzung eine Legierung nach Anspruch 1 ergibt, wobei die Pulvermischung zwei kobaltbasierte Legierungen und ein nickelbasiertes Lot aufweist.
  3. Pulvermischung nach Anspruch 2, bei dem die erste kobaltbasierte Legierung Silizium (Si) aufweist und die zweite kobaltbasierte Legierung kein Silizium (Si) aufweist und insbesondere das nickelbasierte Lot Siliziumhaltig (Si) ist.
  4. Pulvermischung nach einem oder beiden der Ansprüche 2 oder 3, aufweisend eine erste kobaltbasierte Legierung, aufweisend (in Gew.-%): Nickel (Ni) 29,0 - 33,0, insbesondere 30,50 Kohlenstoff (C) 0,010 - 0,025, insbesondere 0,016 Chrom (Cr) 9,0 - 11,0, insbesondere 10,15 Wolfram (W) 13,5 - 16,5, insbesondere 15,0 Titan (Ti) 0,10 - 0,35, insbesondere 0,23 Aluminium (Al) 3,0 - 5,0, insbesondere 4,0 Bor (B) 0,010 - 0,025, insbesondere 0,014 Zirkonium (Zr) 0,010 - 0,020, insbesondere 0,015 Tantal (Ta) 0,4 - 0,8, insbesondere 0,6 Hafnium (Hf) 0,15 - 0,45, insbesondere 0,3 Silizium (Si) 0,10 - 0,30, insbesondere 0,18, Rest Kobalt (Co), insbesondere 37,5 - 40,5, insbesondere 39,1 Kobalt (Co), insbesondere weist sie kein Molybdän (Mo) und/oder kein Eisen (Fe) auf. insbesondere bestehend aus diesen Elementen, sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
  5. Pulvermischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2, 3 oder 4, aufweisend eine zweite kobaltbasierte Legierung, aufweisend (in Gew.-%): Nickel (Ni) 13,0 - 17,0, insbesondere 15,0 Kohlenstoff (C) 0,2 - 0,5, insbesondere 0,35 Chrom (Cr) 18,5 - 21,5, insbesondere 20,0 Wolfram (W) 7,5 - 10,5, insbesondere 9,0 Titan (Ti) 0,1 - 0,3, insbesondere 0,2 Aluminium (Al) 3,4 - 5,4, insbesondere 4,4 Tantal (Ta) 2,5 - 4,5, insbesondere 3,0 Rest Kobalt (Co), insbesondere 46,0 - 50,0, ganz insbesondere 48,0 Kobalt (Co), insbesondere weist sie kein Molybdän (Mo), kein Bor (B), kein Zirkon (Zr), kein Hafnium (Hf), kein Eisen (Fe) und/oder kein Silizium (Si) auf, insbesondere bestehend aus diesen Elementen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
  6. Pulvermischung einem oder mehreren der Ansprüche 2, 3, 4 oder 5, aufweisend ein nickelbasiertes Lot, aufweisend (in Gew.-%): Chrom (Cr) 18,0 - 20,0, insbesondere 19,0 Eisen (Fe) 0,1 - 0,3, insbesondere 0,2 Silizium (Si) 9,0 - 11,0, insbesondere 10,0 Rest Nickel (Ni), insbesondere 69,0 - 72,0, ganz insbesondere 70,8 Nickel (Ni) ganz insbesondere bestehend aus diesen Elementen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, bei dem eine Legierung nach Anspruch 1 oder eine Pulvermischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2, 3, 4, 5 oder 6 verwendet wird.
  8. Bauteil aufweisend eine Legierung nach Anspruch 1 oder hergestellt aus einer Pulvermischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2, 3, 4, 5 oder 6 oder hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 7.
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