DE60000053T2

DE60000053T2 - Nickelbasis-Superlegierung

Info

Publication number: DE60000053T2
Application number: DE60000053T
Authority: DE
Inventors: Robert Walter Broomfield; Colin Neil Jones
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1999-02-22
Filing date: 2000-02-09
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2020-02-10
Also published as: US6410153B1; GB9903988D0; EP1031637B1; EP1031637A1; DE60000053D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Nickelbasis-Superlegierungen und insbesondere auf Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen oder insbesondere auf Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen zur Benutzung als Turbinenlaufschaufeln, Turbinenleitschaufeln, Turbinenabdichtungen oder Bauteilen der Verbrennungseinrichtung von Gasturbinentriebwerken. Eine Verwendung ist jedoch auch bei Brennkraftmaschinen usw. möglich.
Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen wurden entwickelt, um verbesserte mechanische Eigenschaften, beispielsweise eine verbesserte Dauerstandfestigkeit bei hohen Temperaturen, zu gewährleisten. Es gibt jedoch zahlreiche weitere wichtige Eigenschaften, die auf einen hohen Wert optimiert werden müssen, um eine Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung zur Benutzung in einem Gasturbinentriebwerk anwendbar zu machen. Andere Eigenschaften, die optimiert werden müßten, sind Dichte, Oxidationswiderstand, Widerstand gegenüber Korrosion, Kompatibilität mit Schutzüberzügen, Wärmebehandlungs-Ansprechen und Gießfähigkeit.
Es gibt drei Generationen von Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen, die sich in der Menge des Schlüsselelements Rhenium unterscheiden. Die erste Generation von Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen enthielt kein Rhenium. Beispiele dieser Superlegierungen sind in den folgenden britischen Patentanmeldungen beschrieben: GB 2039296A, GB 2073774A, GB 2105369A, GB 2106138A und GB 2151659A.
Diese erste Generation von Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen hatte eine Dichte zwischen 7,9 bis 8,7 g pro cm³. Die zweite Generation von Nickelbasis- Einkristall-Superlegierungen enthielt etwa 3 Gew.-% Rhenium, und Beispiele dieser Superlegierung sind in den folgenden europäischen Patentanmeldungen beschrieben: EP 0155827A und EP 0208645A. Die zweite Generation von Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen besaß eine Dichte zwischen 8,7 und 8,9 g pro cm³. Die zweite Generation von Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen hatte einen Vorteil insofern, als die Dauerstandfestigkeit noch bei Temperaturen von etwa 30ºC über den Temperaturen der ersten Generation von Nickelbasis-Einkristall- Superlegierungen vorhanden war. Die dritte Generation von Nickelbasis-Einkristall- Superlegierungen enthielt etwa 6 Gew.-% Rhenium, und Beispiele dieser dritten Generation finden sich in den US-A-5366695 und US-A-5270123 und in der europäischen Patentanmeldung EP 0848071A. Diese dritte Generation von Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen hatte eine Dichte zwischen 8, 9 bis 9,1 g pro cm³. Diese dritte Generation von Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen hatte einen Vorteil bezüglich der Dauerstandfestigkeit, die noch bei Temperaturen gewährleistet war, die um 30ºC höher lagen als bei den Nickelbasis-Einkristall- Superlegierungen der zweiten Generation.
Daraus ist ersichtlich, daß die Erhöhung der Dauerstandfestigkeit auf Kosten einer erhöhten Dichte und eines erhöhten Kostenaufwandes für die Superlegierung erreicht wurde. Eine Erhöhung der Dichte der Turbinenlaufschaufeln und Turbinenleitschaufeln bewirkt, daß das Gasturbinentriebwerk schwerer wird, und hierdurch wird es notwendig, die Turbinenrotorscheiben fester zu gestalten, um die schwereren Turbinenschaufeln tragen zu können, und dies wiederum führt zu einer Erhöhung des Gewichts der Turbinenrotorscheibe.
Die Turbinenlaufschaufeln, die die höchste Dauerstandfestigkeit erfordern, sind gewöhnlich jene in der ersten Stufe der nicht gekühlten Turbinenlaufschaufeln, und für diese Turbinenlaufschaufeln wird eine dritte Generation von Nickelbasis- Einkristall-Superlegierungen benutzt. Jedoch sind für Turbinenlaufschaufeln und für Turbinenleitschaufeln, die gekühlt werden, die Erfordernisse unterschiedlich. Die Anforderungen an die Dauerstandfestigkeit sind niedriger, und daher reicht eine Dauerstandfestigkeit aus, wie sie die Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen der zweiten Generation bieten. Es ist oft der Fall, daß diese gekühlten Turbinenlaufschaufeln und Turbinenleitschaufeln durch einen keramischen, thermischen Barriereüberzug geschützt werden. Ein Hauptnachteil, der dem keramischen, thermischen Barriereüberzug anhaftet, besteht darin, daß der keramische, thermische Barriereüberzug im Betrieb des Triebwerks vorzeitig absplittert. Die Haftung eines keramischen, thermischen Barriereüberzugs wird durch zahlreiche Faktoren beeinflußt, aber ein Hauptfaktor ist die Zusammensetzung des Superlegierungssubstrats, auf das die thermische Barriereüberzugsschicht abgelagert wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Nickelbasis- Einkristall-Superlegierung zu schaffen, deren Dauerstandfestigkeit und Oxidationswiderstand bei hohen Temperaturen ähnlich ist wie die Eigenschaften bei einer Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung der zweiten Generation, wobei die Legierung jedoch eine Dichte aufweist, die, verglichen mit der Dichte der Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung der zweiten Generation, verringert ist, und außerdem soll die Legierung eine bessere Kompatibilität mit einem keramischen, thermischen Barriereüberzug gewährleisten, als dies bei der Nickelbasis-Einkristall- Superlegierung einer zweiten Generation der Fall war.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch eine Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung mit der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozenten: 3-11 Gew.-% Kobalt, 4,7-5,7 Gew.-% Chrom, 2,4-3,0 Gew.-% Molybden, 3,0-3,8 Gew.-% Wolfram, 3,0-3,8 Gew.-% Rhenium, 5,5-7,0 Gew.-% Aluminium, 5,0-6,0 Gew.-% Tantal, 0,5-1,0 Gew.-% Niob, 0-0,2 Gew.-% Hafnium, 0-150 ppm Kohlenstoff, 0-100 ppm Yttrium, 0-100 ppm Lanthan, 0-5 ppm Schwefel und als Rest Nickel plus zufällige Verunreinigungen.
Die Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung kann die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozenten aufweisen: 9-11 Gew.-% Kobalt, 5,1-5,4 Gew.-% Chrom, 2,6 -2,9 Gew.-% Molybden, 3,2-3,5 Gew.-% Wolfram, 3,2-3,5 Gew.-% Rhenium, 6,05-6,3 Gew.-% Aluminium, 5,4-5,7 Gew.-% Tantal, 0,7-0,9 Gew.-% Niob, 0,07 -0,12 Gew.-% Hafnium, 50-150 ppm Kohlenstoff, 0-100 ppm Yttrium, 0-100 ppm Lanthan, 0-5 ppm Schwefel und als Rest Nickel plus zufällige Verunreinigungen.
Vorzugsweise besteht die Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung in Gewichtsprozenten aus: 3-5 Gew.-% Kobalt, 5,1-5,4 Gew.-% Chrom, 2,6-2,9 Gew.-% Molybden, 3,2-3,5 Gew.-% Wolfram, 3,2-3,5 Gew.-% Rhenium, 6,05- 6,3 Gew.-% Aluminium, 5,4-5,7 Gew.-% Tantal, 0,7-0,9 Gew.-% Niob, 0,07-0,12 Gew.-% Hafnium, 50-150 ppm Kohlenstoff, 0-100 ppm Yttrium, 0-100 ppm Lanthan, 0-5 ppm Schwefel und als Rest Nickel plus zufällige Verunreinigungen. Die Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung kann folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozenten aufweisen: 4 Gew.-% Kobalt, 5,2 Gew.-% Chrom, 2,7 Gew.-% Molybden, 3,35 Gew.-% Wolfram, 3,4 Gew.-% Rhenium, 6,2 Gew.-% Aluminium, 5,5 Gew.-% Tantal, 0,8 Gew.-% Niob, 0,1 Gew.-% Hafnium, 0-100 ppm Yttrin, 0-100 ppm Lantan, 0-5 ppm Schwefel und als Rest Nickel plus zufällige Verunreinigungen.
Die Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung kann in Gewichtsprozent folgende Zusammensetzung aufweisen: 10 Gew.-% Kobalt, 5,2 Gew.-% Chrom, 2,7 Gew.-% Molybden, 3,35 Gew.-% Wolfram, 3,4 Gew.-% Rhenium, 6,2 Gew.-% Aluminium, 5,5 Gew.-% Tantal, 0,8 Gew.-% Niob, 0,1 Gew.-% Hafnium, 100 ppm Kohlenstoff, 0- 100 ppm Yttrium, 0-100 ppm Lanthan, 0-5 ppm Schwefel und als Rest Nickel plus zufällige Verunreinigungen.
Die Erfindung betrifft auch einen gegossenen Gegenstand aus einer Nickelbasis- Einkristall-Superlegierung, wobei die Superlegierung des Gegenstandes folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozenten aufweist: 3-11 Gew.-% Kobalt, 4,7-5,7 Gew.-% Chrom, 2,4-3,0 Gew.-% Molybden, 3,0-3,8 Gew.-% Wolfram, 3,0-3,8 Gew.-% Rhenium, 5,5-7,0 Gew.-% Aluminium, 5,0-6,0 Gew.-% Tantal, 0,5-1,0 Gew.-% Niob, 0-0,2 Gew.-% Hafnium, 0-150 ppm Kohlenstoff, 0-100 ppm Yttrium, 0-100 ppm Lanthan, 0-5 ppm Schwefel und als Rest Nickel plus zufällige Verunreinigungen.
Dieser gegossene Gegenstand aus einer Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung kann in Gewichtsprozenten die folgenden Bestandteile aufweisen: 9-11 Gew.-% Kobalt, 5,1-5,4 Gew.-% Chrom, 2,6-2,9 Gew.-% Molybden, 3,2-3,5 Gew.-% Wolfram, 3,2-3,5 Gew.-% Rhenium, 6,05-6,3 Gew.-% Aluminium, 5,4-5,7 Gew.-% Tantal, 0,7-0,9 Gew.-% Niob, 0,07-0,12 Hafnium, 50-150 ppm Kohlenstoff, 0-100 ppm Yttrium, 0-100 ppm Lanthan, 0-5 ppm Schwefel und als Rest Nickel plus zufällige Verunreinigungen.
Vorzugsweise weist der gegossene Gegenstand aus einer Nickelbasis-Einkristall- Superlegierung die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozenten auf: 3-5 Gew.-% Kobalt, 5,1-5,4 Gew.-% Chrom, 2,6-2,9 Gew.-% Molybden, 3,2-3,5 Gew.-% Wolfram, 3,2-3,5 Gew.-% Rhenium, 6,05-6,3 Gew.-% Aluminium, 5,4-5,7 Gew. % Tantal, 0,7-0,9 Gew.-% Niob, 0,07-0,12 Gew.-% Hafnium, 50-150 ppm Kohlenstoff, 0-100 ppm Yttrium, 0-100 ppm Lanthan, 0-5 ppm Schwefel und als Rest Nickel plus zufällige Verunreinigungen.
Der gegossene Gegenstand aus einer Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung kann die folgende Zusammensetzung aufweisen: 4 Gew.-% Kobalt, 5,2 Gew.-% Chrom, 2,7 Gew.-% Molybden, 3,35 Gew.-% Wolfram, 3,4 Gew.-% Rhenium, 6,2 Gew.-% Aluminium, 5,5 Gew.-% Tantal, 0,8 Gew.-% Niob, 0,1 Gew.-% Hafnium, 0-100 ppm Yttrium, 0-100 ppm Lanthan, 0-5 ppm Schwefel und als Rest Nickel plus zufällige Verunreinigungen.
Der gegossene Gegenstand aus einer Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung kann die folgende Zusammensetzung aufweisen: 10 Gew.-% Kobalt, 5,2 Gew.-% Chrom, 2,7 Gew.-% Molybden, 3,35 Gew.-% Wolfram, 3,4 Gew.-% Rhenium, 6,2 Gew.-% Aluminium, 5,5 Gew.-% Tantal, 0,8 Gew.-% Niob, 0,1 Gew.-% Hafnium, 100 ppm Kohlenstoff, 0-100 ppm Yttrium, 0-100 ppm Lanthan, 0-5 ppm Schwefel und als Rest Nickel plus zufällige Verunreinigungen.
Der gegossene Gegenstand aus einer Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung kann als Turbinenlaufschaufel, als Turbinenleitschaufel oder als Bestandteil einer Verbrennungseinrichtung ausgebildet sein.
Der gegossene Gegenstand aus einer Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung kann wenigstens einen Innenkanal für eine Kühlmittelströmung aufweisen.
Der gegossene Gegenstand aus einer Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung kann einen Verbindungsüberzug auf dem Gegenstand und einen keramischen, thermischen Barriereüberzug auf dem Verbindungsüberzug aufweisen. Der Verbindungsüberzug kann aus einer Schicht aus Aluminiumoxid bestehen. Der Verbindungsüberzug kann eine Schicht aufweisen, die aus einer mit Platin angereicherten Gamma-Primärphase und einer mit Platin angereicherten Gamma- Phase besteht.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ist eine graphische Darstellung mit einem Vergleich des Hochtemperatur- Oxidationswiderstandes bei 1100ºC für verschiedene Nickelbasis-Einkristall- Superlegierungen.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis von Zeit zu einer 1%igen Kriechdehnung bei zwei Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen und CMSX4, aufgetragen über der Temperatur, zeigt.
Es besteht ein Bedarf an einer Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung, die die Eigenschaften einer Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung der zweiten Generation aufweist, nämlich: gute mechanische Eigenschaften bei hoher Temperatur und einen guten Oxidationswiderstand bei hoher Temperatur. Die Nickelbasis-Einkristall- Superlegierung soll jedoch eine Kompatibilität mit keramischen, thermischen Barriereüberzügen aufweisen, soll eine geringe Dichte besitzen, soll einen Korrosionswiderstand haben, soll ein geeignetes Wärmebehandlungsfenster aufweisen, soll während des Gießens einen Widerstand gegen Sprenkeln aufweisen, und sie soll eine Legierungsreinheit haben.
Um der Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung der zweiten Generation mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen und einen Hochtemperatur- Oxidationswiderstand zu verleihen, wurde der Rheniumgehalt auf wenigstens 3 Gewichtsprozent eingestellt.
Es wurde eine Anzahl von Legierungen gemäß Tabelle 1 vorbereitet, und die Tabelle 1 weist auch die bekannten Superlegierungen CMSX4 und CMSX10 von Cannon-Muskegon Corporation, 2875 Lincoln Street, Muskegon, Michigan, USA, auf. Diese ist in der EP-A-0155827 und der US-A-5366695 beschrieben. Die Superlegierungen 2071-2083 liegen nicht im Rahmen der Erfindung, aber die Superlegierungen 2084-2087 fallen in den Rahmen der vorliegenden Erfindung.
Die Superlegierungen 2074-2079 gehören zu einer Familie, die auf der Superlegierung 2072 basiert, und jene Superlegierungen 2080-2084 gehören zu einer Familie, und jene Superlegierungen 2085-2087 gehören zu einer Familie, die auf der Superlegierung 2084 basiert. TABELLE 1 Elemente (Gewichtsprozent)
* Die Superlegierung 2087 weist speziell 100 ppm C auf.
Die Superlegierungen 2071 bis 2087 in Tabelle 1 können bis zu 150 ppm C, 0-100 ppm Y, 0-100 ppm La und bis zum 5 ppm S enthalten.
Die Superlegierungen der Tabelle 1 wurden zunächst im Hinblick auf eine Kompatibilität mit bekannten thermischen Barriereüberzugssystemen getestet, indem etwa 8 um Platin auf den Proben des Superlegierungssubstrats abgelagert wurden und dann eine Wärmebehandlung bei 1150ºC erfolgte, um eine Schicht zu bilden, die eine mit Platin angereicherte Gamma-Phase und eine mit Platin angereicherte Gamma-Primärphase aufweist. Diese Schicht wird zusammen mit einer Schicht aus Aluminiumoxid, die sich auf der Schicht bildet, ein Verbindungsüberzug für einen keramischen, thermischen Barriereüberzug, der durch eine physikalische Elektronenstrahl-Dampfablagerung aufgetragen wurde.
Die Proben der Superlegierungen mit den Verbindungsüberzügen und den keramischen, thermischen Barriereüberzügen wurden 25 Stunden lang bei spezifischen Temperaturen isotherm geglüht, und die Temperatur, bei der der keramische, thermische Barriereüberzug abblätterte, wurde notiert, und die höchste Temperatur, bei der der keramische, thermische Barriereüberzug nicht abblätterte, wurde ebenfalls notiert. Die Temperatur, über der der keramische, thermische Barriereüberzug abblättert, ist ein Maß für die Kompatibilität zwischen dem Superlegierungssubstrat und dem keramischen, thermischen Barriereüberzug. Der Gehalt von Schwefel und Titan und die höchste Temperatur, bei der der keramische, thermische Barriereüberzug nicht abblätterte, sind in Tabelle 2 dargestellt. TABELLE 2
Es ist ersichtlich, daß ein geringer Schwefelgehalt in der Superlegierung zweckmäßig im Hinblick auf die Kompatibilität mit dem keramischen, thermischen Barriereüberzug ist, vergleiche beispielsweise Superlegierung 2077, die 16 ppm Schwefel enthält und die ihre keramische, thermische Barriereschicht erst oberhalb von 1170ºC verliert. Hohe Anteile von Rhenium in der Superlegierung sind zweckmäßig im Hinblick auf die Kompatibilität mit dem keramischen, thermischen Barriereüberzug, wie dies beispielsweise bei CMSX10 der Fall ist. Diese Superlegierung hat einen Rheniumgehalt von 6,2 Gew.-% und verliert ihren keramischen, thermischen Barriereüberzug oberhalb von 1250ºC, und die Superlegierung 2084 mit einem Rheniumgehalt von 3,4 Gew.-% verliert ihren keramischen, thermischen Barriereüberzug oberhalb von 1230ºC, und dies ist sehr viel besser als bei den Superlegierungen 2080 bis 2083, die 3,0 Gew.-% Rhenium enthalten und die ihren keramischen, thermischen Barriereüberzug oberhalb von 1210ºC verlieren. Geringe Anteile von Titan, vorzugsweie von Null-Titan, in der Superlegierung sind zweckmäßig im Hinblick auf die Kompatibilität mit dem keramischen, thermischen Barriereüberzug, wie dies beispielsweise bei CMSX10 der Fall ist, die 0,20 Gew.-% Titan besitzt, und bei den Superlegierungen 2079 und 2084, die einen Titangehalt von Null haben und ihre keramische, thermische Barriereschicht oberhalb von 1230ºC verlieren. Die Superlegierung CMSX4 hat einen Titangehalt von 1,0 Gew.-% und einen geringen Schwefelgehalt und verliert ihre keramische, thermische Barriereschicht oberhalb von 1190ºC. Geringe Anteile von Kobalt sind zweckmäßig für die Kompatibilität mit dem keramischen, thermischen Barriereüberzug, wie sich beispielsweise aus der Legierungsfolge 2084, 2085 und 2086 ergibt, wo die Legierungen die gleichen Zusammensetzungen aufweisen, abgesehen von einem progressiven Ansteigen des Kobaltgehaltes von 4 Gew.-% auf 10 Gew.-%. Die Absplitterungstemperatur fällt progressiv von 1230º C auf 1190ºC bei jener Folge ab.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß aus Gründen der Kompatibilität mit dem keramischen, thermischen Barriereüberzug die Superlegierung so wenig Schwefel wie möglich haben sollte, vorzugsweise weniger als 5 ppm, und vorzugsweise einen Gehalt von 0% Schwefel, aber dies hängt von der Reinheit des Grundmaterials ab. Die Superlegierung sollte kein Titan enthalten. Die Superlegierung sollte einen möglichst hohen Rheniumgehalt haben, aber diesbezüglich sind Grenzen gesetzt im Hinblick auf die Dichte und die hieraus resultierenden Kosten. Die Superlegierung sollte einen geringen Kobaltgehalt von etwa 4 Gew.-% haben, wenn nicht die Erfordernisse im Hinblick auf eine metallurgische Stabilität vorherrschend sind, und wenn dies der Fall ist, dann ist ein hoher Kobaltgehalt von etwa 10 Gew.-% zu bevorzugen.
Um eine geringere Dichte der Superlegierung zu erreichen, wird der Anteil von Wolfram vermindert, und der Anteil von Molybden wird erhöht, der Anteil von Tantal wird vermindert, und der Anteil von Niob wird erhöht, und der Anteil von Titan wird auf Null vermindert, und der Anteil von Aluminium wird erhöht, wie dies aus Tabelle 1 ersichtlich ist. Dies ergab eine Verminderung der Dichte der Superlegierung auf 8,5 bis 8,6 g pro cm³ gegenüber 8,7 bis 8,9 g pro cm³ bei existierenden Nickelbasis- Einkristall-Superlegierungen der zweiten Generation.
Die Forderung nach einem Hochtemperatur-Oxidationswiderstand ist im wesentlichen die gleiche wie die Forderung für eine Kompatibilität mit den keramischen, thermischen Barriereüberzügen, aber mit der gleichzeitigen Forderung nach hohen Anteilen von Aluminium. Außerdem kann Yttrium und/oder Lanthan mit bis zu 100 Teilen pro Million zugesetzt werden, um den Oxidationswiderstand zu verbessern.
Die Forderung nach einer Stabilisierung der Superlegierung wird dadurch erreicht, daß der Kobaltgehalt auf 9-11 Gew.-% erhöht wird, weil man annimmt, daß dieser Kobaltgehalt bei einer Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung einer zweiten Generation die Erzeugung von topologisch dicht gepackten (TCP) Phasen unterdrückt. Wenn jedoch die Forderung nach einer Kompatibilität der thermischen Barriere vorherrschend ist, dann wird ein niedriger Kobaltgehalt von etwa 4 Gew. % bevorzugt.
Die Forderung nach einer Hochtemperatur-Dauerstandfestigkeit bei mehr als 1100º C wird erreicht, indem eine stabile Gruppe von Gamma-Primärphasen-Platten senkrecht zur Beanspruchungsrichtung angebracht wird. Dies erfordert eine negative Gamma-Phasen/Gamma-Primärphasen-Fehlanpassung bei der Arbeitstemperatur, und die Fehlanpassung wird noch weiter negativ, wenn die Temperatur ansteigt. Die Fehlanpassung wurde bei Raumtemperatur mit 0-0,1% eingestellt, und dies ist weniger als die 0,17% Fehlanpassung von CMSX4. Eine praktisch verwendbare Superlegierung erfordert eine Dauerstandfestigkeit über einen Temperaturbereich zwischen 850ºC und 1050ºC und auch eine Temperatur von mehr als 1100ºC. Die Dauerstandfestigkeit im Temperaturbereich zwischen 850ºC und 1050ºC wird durch die Zusammensetzung der Gamma-Phase, die Gamma-Phasen-Kanäle zwischen den Gamma-Primärphasen-Partikeln, die Gamma-Phasen/Gamma- Primärphasen-Fehlanpassung und die Festigkeit der Gamma-Primärphasen bestimmt. Die Gamma-Phasen/Gamma-Primärphasen-Fehlanpassung ist bereits festgelegt, und die Gamma-Phasen-Kanalbreite wird gesteuert durch den Volumenanteil der Gamma-Primärphase, was auf etwa 65% abzielt.
Die Forderung nach einem Korrosionswiderstand ist nicht so kritisch wie andere Eigenschaften, weil Sußerlegierungen allgemein mit Schutzschichten versehen werden. Um jedoch einen gewissen Korrosionswiderstand zu erhalten, wird Chrom vorgesehen, aber Chrom hat die entgegengesetzte Wirkung und erzeugt die Sigma- Phase, jedoch kann ein etwas niedrigerer Chromgehalt toleriert werden, wenn der Rheniumgehalt höher ist. Daher wird der Rheniumgehalt auf etwa 3,4 Gew.-% erhöht.
Die Forderung nach einem Widerstand gegenüber Legierungsflecken ist wichtig im Hinblick auf die Vergießbarkeit der Superlegierung. Legierungsflecken sind kleine Ketten äqui-axialer Körner, die sich während der Erstarrung der Einkristall- Superlegierung bilden. Die Legierungsflecken bilden sich wegen der Differenz in der Dichte zwischen der festen und flüssigen Phase in der blasigen Zone. Der Dichtegradient erzeugt Ströme in der flüssigen Phase, die Teile von Dentrit aufbrechen. Diese Dentritstücke begünstigen die Keimbildung getrennter Körner. Die Bildung der Legierungsflecken wird dadurch gesteuert, daß genügend Elemente zur Erzeugung schwerer Gamma-Primärphasen vorhanden sind, beispielsweise Tantal, um die Elemente, die die schwere Gamma-Phase bilden, z. B. Wolfram und Rhenium, auszugleichen. Eine einfache empirische Formel zur Vermeidung von Legierungsflecken ist die folgende:
ist größer als oder gleich 0,8
Eine komplexere empirische Formel zur Vermeidung von Legierungsflecken ist in der internationalen Patentanmeldung WO97/48827A definiert:
ist größer als 0.7, vorzugsweise größer als 1,0
Die obigen beiden Formeln benutzen Gewichtsprozente. Die Superlegierungen gemäß der vorliegenden Erfindung haben einen Parameter von 0,95 für die letztgenannte Formel, und dies ergibt nur eine geringe Bildung von Legierungsflecken.
Oxideinschlüsse können die Bildung von Fehlstellen in Einkristall-Superlegierungs- Gußstücken begünstigen. Die Forderung nach einer Reinheit der Legierung wird dadurch erreicht, daß Kohlenstoff zugesetzt wird, denn es ist bekannt, daß Kohlenstoff den Anteil schädlicher Oxideinschlüsse in der Einkristall-Superlegierung vermindert. Der Kohlenstoff kann auch eine gewisse Korngrenzen-Festigkeit bewirken. Zuviel Kohlenstoff erzeugt jedoch Karbide, die die Dauerfestigkeit der Superlegierung beeinträchtigen. Daher wird Kohlenstoff in Mengen bis zu 150 ppm, vorzugsweise 100 ppm, zugesetzt, um die Reinheit der Superlegierung zu gewährleisten, ohne die Dauerfestigkeit merklich zu beeinträchtigen.
Ein zyklischer Oxidationsversuch wurde mit einem Brennergestell durchgeführt. Die Zyklusrate betrug 4 Zyklen pro Stunde, und es wurden 0,25 ppm Seesalz der Gasströmung zugesetzt, um einen Betrieb in einer Meeresumgebung zu simulieren. Um den Angriff auf der Superlegierung festzustellen, wurde der Metallverlust pro Oberfläche gemessen, und die Daten sind in Fig. 1 bei einem Versuch mit einer Temperatur von 1100ºC für die Superlegierungen 2073, 2080-2084, 2086 und CMSX4 aufgetragen. Es ist ersichtlich, daß die Superlegierungen 2080-2084 und 2086 einen ähnlichen Oxidationswiderstand wie CMSX4 haben. Tatsächlich hat die bevorzugte Superlegierung 2086 den besten Oxidationswiderstand aus dieser Gruppe.
Das Kriechverhalten kann ausgedrückt werden als Zeit bis zur 1%-Kriechdehnung unter verschiedenen Beanspruchungsbedingungen und Temperaturen. Diese Zeiten sind für die Superlegierungen 2084 und 2086 in Tabelle 3 aufgelistet, und ein Vergleich wird mit den Kriecheigenschaften von CMSX4 in Fig. 2 durchgeführt. Die vertikale Achse dieser graphischen Darstellung ist das Verhältnis von Dauerfestigkeit zwischen den Superlegierungen 2084 oder 2086 der vorliegenden Erfindung und der CMSX4-Legierung. Der allgemeine Trend für die Superlegierungen gemäß vorliegender Erfindung besteht darin, daß sie bei Temperaturen unter 850ºC schlechter sind afs CMSX4 und äquivalent zu CMSX4 bei Temperaturen über 850ºC bis zu 1100ºC, der höchsten Temperatur, bei der die Versuche durchgeführt wurden. TABELLE 3
Der Hauptvorteil der Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen der zweiten Generation besteht darin, daß die Superlegierungen gemäß vorliegender Erfindung eine verbesserte Kompatibilität mit den keramischen, thermischen Barriereüberzügen aufweisen, derart, daß die Temperatur des Verbindungsüberzugs um 20ºC bis 40ºC bei einer bestimmten Lebensdauer angehoben werden kann.
Ein weiterer Vorteil der Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen der zweiten Generation besteht darin, daß die Superlegierungen gemäß vorliegender Erfindung eine geringere Dichte aufweisen, wodurch das Gewicht des Bauteils (Turbinenlaufschaufel oder Turbinenleitschaufel) vermindert wird, was eine Verminderung des Gewichts der Turbinenscheibe zur Folge hat. Ein weiterer Vorteil der Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber den Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen der zweiten Generation besteht darin, daß die Superlegierungen gemäß vorliegender Erfindung einen verbesserten Widerstand gegenüber der Bildung von Legierungsflecken aufweisen und gegenüber der Erzeugung von Streukörnern, und hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, dickere Bauteile erfolgreich zu gießen. Außerdem haben die Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen gemäß der vorliegenden Erfindung einen ähnlich hohen Temperatur-Oxidationswiderstand und eine ähnlich hohe Dauerfestigkeit wie die Nickelbasis-Einkristall-Superlegierungen der zweiten Generation.
Es können noch andere geeignete Verbindungsüberzüge auf dem Gegenstand aus Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung benutzt werden, z. B. MCrAIY, Aluminide, Platin-Aluminide usw. Die keramische, thermische Barriereschicht kann durch andere geeignete Verfahren, beispielsweise durch Sputtering, durch Vakuum- Plasmaspritzen, durch Luft-Plasmaspritzen, durch chemische Dampfablagerung usw. abgelagert werden. Der thermische Barriereüberzug kann außerdem noch durch Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid, durch Magnesiumoxid stabilisiertes Zirkonoxid, durch Ceroxid stabilisiertes Zirkonoxid oder andere geeignete Keramikmaterialien aufweisen.

Claims

1. Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung, bestehend aus der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozenten: 3-11 Gew.-% Kobalt, 4,7-5,7 Gew.-% Chrom, 2,4-3,0 Gew.-% Molybden, 3,0-3,8 Gew.-% Wolfram, 3,0-3,8 Gew.-% Rhenium, 5,5-7,0 Gew.-% Aluminium, 5,0-6,0 Gew.-% Tantal, 0,5-1,0 Gew.-% Niob, 0-0,2 Gew.-% Hafnium, 0-150 ppm Kohlenstoff, 0-100 ppm Yttrium, 0- 100 ppm Lanthan, 0-5 ppm Schwefel und als Rest Nickel plus zufällige Verunreinigungen.

2. Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung nach Anspruch 1 mit der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozenten: 9-11 Gew.-% Kobalt, 5,1-5,4 Gew.-% Chrom, 2,6-2,9 Gew.-% Molybden, 3,2-3,5 Gew.-% Wolfram, 3,2-3,5 Gew.-% Rhenium, 6,05-6,3 Gew.-% Aluminium, 5,4-5,7 Gew.-% Tantal, 0,7-0,9 Gew. % Niob, 0,07-0,12 Gew.-% Hafnium, 50-150 ppm Kohlenstoff, 0-100 ppm Yttrium, 0-100 ppm Lanthan, 0-5 ppm Schwefel und als Rest Nickel plus zufällige Verunreinigungen.

3. Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung nach Anspruch 1 mit der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozenten: 3-5 Gew.-% Kobalt, 5,1-5,4 Gew.-% Chrom, 2,6-2,9 Gew.-% Molybden, 3,2-3,5 Gew.-% Wolfram, 3,2-3,5 Gew.-% Rhenium, 6,05-6,3 Gew.-% Aluminium, 5,4-5,7 Gew.-% Tantal, 0,7-0,9 Gew. % Niob, 0,07-0,12 Gew.-% Hafnium, 50-150 ppm Kohlenstoff, 0-100 ppm Yttrium, 0-100 ppm Lanthan, 0-5 ppm Schwefel und als Rest Nickel plus zufällige Verunreinigungen.

4. Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung nach Anspruch 3 mit der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozenten: 4 Gew.-% Kobalt, 5,2 Gew.-% Chrom, 2,7 Gew.-% Molybden, 3,35 Gew.-% Wolfram, 3,4 Gew.-% Rhenium, 6,2 Gew.-% Aluminium, 5,5 Gew.-% Tantal, 0,8 Gew.-% Niob, 0,1 Gew.-% Hafnium, 0-100 ppm Yttrin, 0-100 ppm Lantan, 0-5 ppm Schwefel und als Rest Nickel plus zufällige Verunreinigungen.

5. Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung nach Anspruch 2 mit der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozenten: 10 Gew.-% Kobalt, 5,2 Gew.-% Chrom, 2,7 Gew.-% Molybden, 3,35 Gew.-% Wolfram, 3,4 Gew.-% Rhenium, 6,2 Gew.-% Aluminium, 5,5 Gew.-% Tantal, 0,8 Gew.-% Niob, 0,1 Gew.-% Hafnium, 0-100 ppm Yttrium, 0-100 ppm Lanthan, 0-5 ppm Schwefel und als Rest Nickel plus zufällige Verunreinigungen.

6. Gegossener Gegenstand aus einer Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung, bei der die Superlegierung des Gegenstandes eine Zusammensetzung aufweist, wie sie in den Ansprüchen 1 bis 5 definiert ist.

7. Gegossener Gegenstand aus einer Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung nach Anspruch 6, bei welcher der Gegenstand eine Turbinenlaufschaufel, eine Turbinenleitschaufel oder ein Bauteil einer Verbrennungseinrichtung ist.

8. Gegossener Gegenstand aus einer Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung nach Anspruch 7, bei welcher der Gegenstand wenigstens einen inneren Kanal zur Führung eines Kühlmittels aufweist.

9. Gegossener Gegenstand aus einer Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Gegenstand einen Verbundüberzug auf dem Gegenstand und einen keramischen, thermischen Barriereüberzug auf dem Verbundüberzug aufweist.

10. Gegossener Gegenstand aus einer Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung nach Anspruch 9, wobei der Verbundüberzug eine Schicht aus Aluminiumoxid aufweist.

11. Gegossener Gegenstand aus einer Nickelbasis-Einkristall-Superlegierung nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Verbundüberzug aus einer Schicht besteht, die eine mit Platin angereicherte Gamma-Primärphase und eine mit Platin angereicherte Gamma-Phase aufweist.