ES2625825T3

ES2625825T3 - Súper-aleación a base de níquel exenta de renio y resistente a la fluencia

Info

Publication number: ES2625825T3
Application number: ES12190156.5T
Authority: ES
Inventors: Ralf RETTIG; Robert F. Singer; Harald Helmer; Steffen Neumeier
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2017-07-20
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: US20140119941A1; EP2725110A1; EP2725110B1; US9580774B2

Abstract

Aleación a base de níquel que está exenta de renio y que presenta una temperatura de solidus mayor que 1320ºC en la que se presentan precipitaciones de una fase γ' en una matriz γ con una proporción de 40 a 50% en vol. a temperaturas de 1050ºC hasta 1100ºC y el ajuste erróneo γ/γ' a temperaturas de 1050 hasta 1100ºC se encuentra en el intervalo de -0,15% a -0,25% y presenta la composición química: aluminio de 11 a 11,2% at., cobalto de 9,1 a 9,3% at., cromo de 6 a 6,2% at., molibdeno de 0,85 a 1,0% at., tántalo de 3,3 a 3,5% at., titanio de 1,5 a 1,7% at., wolframio de 2,8 a 3% at., así como el resto níquel e impurezas inevitables, siendo el contenido de wolframio en la matriz γ mayor que en las fases γ' precipitadas.

Description

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DESCRIPCION

Super-aleacion a base de mquel exenta de renio y resistente a la fluencia Antecedentes de la invencion Sector de la invencion

La presente invencion se refiere a una aleacion a base de mquel que esta esencialmente exenta de renio pero que, al mismo tiempo, alcanza las propiedades en relacion con la resistencia a la fluencia de las super-aleaciones a base de mquel de segunda generacion.

Estado de la tecnica

En turbinas de gas, tales como turbinas de gas estacionarias o grupos motopropulsores, las super-aleaciones a base de mquel se emplean, por ejemplo, como materiales para los alabes, dado que estos materiales presentan, tambien en el caso de las elevadas temperaturas de trabajo, todavfa una resistencia mecanica suficiente para las elevadas solicitaciones mecanicas. Por ejemplo, los alabes de turbina en el caso de turbinas de gas estacionarias o motores turbo-reactores en aeronaves de trafico aereo se exponen a una corriente de gases de escape con temperaturas de hasta 1500°C y se someten al mismo tiempo a solicitaciones mecanicas muy elevadas por las fuerzas centnfugas. Bajo estas condiciones, se trata, en particular, que la resistencia a la fluencia del material empleado satisfaga los requisitos. Con el fin de continuar aumentando la resistencia a la fluencia, desde algunas decadas se fabrican tambien de manera monocristalina alabes de turbinas con el fin de continuar mejorando la resistencia a la fluencia mediante la evitacion de lfmites de granos.

En el caso de las super-aleaciones a base de mquel empleadas actualmente de las denominadas segunda y tercera generacion, las aleaciones presentan habitualmente el elemento qmmico renio, a saber, con una proporcion de tres o bien seis por ciento en peso, dado que el renio mejora adicionalmente la resistencia a la fluencia.

No obstante, debido a la escasa disponibilidad del renio, la adicion de renio es muy cara. De manera correspondiente, en el estado de la tecnica existen ya esfuerzos para reducir la proporcion de renio o bien renunciar por completo a la adicion por aleacion de renio, debiendo mantenerse al mismo tiempo las propiedades mecanicas, en particular en relacion con la resistencia a la fluencia. Investigaciones al respecto existen por parte de A. Heckl. S. Neumeier, M. Goken, R.F. Singer, “The effect of Re and Ru on yN’ microstructure, Y-solid solution strengthening and creep strength in nickel-base-superalloys”, en Material Science and Engineering A 528 (2011)3435-3444 y Paul J. Fink, Joshua L. Miller, Douglas G. Konitzer, “Rhenium Reduction - Alloy Design Using an Economically Strategic Element”, JOM, 62(2010), 55-57. Ademas de ello, tambien correspondientes aleaciones son objeto de solicitudes de patente tales como, por ejemplo, en los documentos EP 2 305 847 A1, EP 2 305 848 A1, EP 2 314 727 A1, US 2010/0135846, WO 2009/032578 A1 y WO 2009/032579 A1.

A pesar de que con ello ya existen algunas propuestas de solucion para una reduccion del renio o bien para super- aleaciones a base de mquel exentas de renio, sigue existiendo la necesidad de desarrollar super-aleaciones a base de mquel reducidas en renio o bien exentas de renio, cuyas propiedades mecanicas, en particular propiedades a alta temperatura tales como resistencias a la fluencia se encuentren en la gama de las super-aleaciones a base de mquel con contenido en renio actualmente empleadas o bien eviten el empleo de determinados elementos tales como hafnio.

Otros ejemplos de aleaciones se dan en el documento JP 2000 144 289 A y el documento US 4 582 548 A. Divulgacion de la invencion Mision de la invencion

Por lo tanto, es mision de la presente invencion indicar una super-aleacion a base de mquel que presente propiedades mecanicas equiparables, en particular propiedades a alta temperatura tales como resistencia a la fluencia como las de las super-aleaciones a base de mquel empleadas actualmente de la segunda y tercera generacion, pero que renuncia por completo a la adicion por aleacion del elemento renio. Ademas de ello, la aleacion debe poder ser producida de forma rentable y eficiente y, en particular, ser facilmente vertible asf como solidificable de modo monocristalino o de manera dirigida.

Solucion tecnica

Este problema se resuelve mediante una aleacion con las caractensticas de la reivindicacion 1 y un correspondiente objeto, en particular un componente de una turbina de gas con las caractensticas de la reivindicacion 8. Ejecuciones ventajosas son objeto de las reivindicaciones subordinadas.

La invencion parte del reconocimiento de que el renio en el caso de las de las super-aleaciones a base de mquel coopera en el endurecimiento del cristal mixto de la matriz Y de las super-aleaciones a base de mquel. Con el fin de poder reemplazar de manera eficaz el renio, debe estar presente, por lo tanto, un componente de la aleacion que

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adopte la mision del endurecimiento del cristal mixto de renio. La invencion se aplica en este punto y propone que wolframio pueda ser utilizado como endurecedor del cristal mixto eficiente en la aleacion. No obstante, el wolframio no solo se presenta habitualmente en la matriz y de super-aleaciones a base de mquel, sino tambien en las fases y' precipitadas que habitualmente son formadas mediante NisAl o NisTi o bien mezclas de los mismos. Aqm se aplica la invencion al proponer super-aleaciones a base de mquel en las que, bajo condiciones lfmites predeterminadas, la composicion de la aleacion esta optimizada de manera que el contenido de wolframio en la matriz y sea mayor que en las fases y' precipitadas.

Para ello, conforme a la invencion, se propone que como condicion lfmite se fije una composicion qmmica de la aleacion con un contenido en aluminio de 11 a 11,2% at., cobalto de 9,1 a 9,3% at., cromo de 6 a 6,2% at., molibdeno de 0,85 a 1,0% at., tantalo de 3,3 a 3,5% at., titanio de 1,5 a 1,7% at., wolframio de 2,8 a 3% at., asf como el resto mquel e impurezas inevitables. Una aleacion de este tipo debe presentar, ademas, como condicion lfmite, una temperatura de solidus de mas 1.320°C, y la proporcion de la fase y' debe encontrarse en el intervalo de 40 a 50% en vol., en particular de 44 a 46% en vol. a una temperatura en el intervalo de 1050°C a 1100°C. Adicionalmente, como condicion lfmite debe estar establecido que el ajuste erroneo y/y' a temperaturas de 1050 hasta 1100°C se encuentre en el intervalo de -0,15% a -0,25%. El ajuste erroneo y/y' se define como la diferencia normalizada de las constantes de la red de las dos fases y y Y':

imagen1

Con el fin entonces de configurar a la aleacion de manera resistente a la fluencia, la composicion se elige de manera que la proporcion de wolframio en la matriz Y sea mayor que en la fase y'. Una aleacion con una composicion de este tipo con un contenido en wolframio correspondientemente elevado en la matriz Y presenta la resistencia mecanica necesaria a temperaturas elevadas y, en particular, la resistencia a la fluencia necesaria. Ciertamente, es tambien imaginable aumentar en conjunto el contenido de wolframio, de modo que con ello se aumente tambien el contenido de wolframio en la matriz Y. No obstante, con ello se aumenta la densidad de la aleacion, de manera que es ventajoso mejorar de manera correspondiente la relacion del contenido de wolframio de la matriz a secreciones Y'. La composicion de la aleacion puede variarse dentro de los lfmites indicados o bien de las condiciones lfmites.

Segun una ejecucion de la invencion, la composicion de la aleacion puede elegirse de manera que en el caso de una temperatura de 1050°C a 1100°C, el contenido de wolframio en la matriz Y sea > 3,5% at.

Preferiblemente, sin embargo, la composicion qmmica se elige de manera que el contenido de wolframio en la matriz Y sea maximo.

Esto se puede alcanzar, en particular, debido a que en el caso de un contenido mmimo de aluminio se ajusta un contenido maximo de tantalo y un contenido medio de titanio. A saber, se ha comprobado que, en particular mediante los contenidos de tantalo y titanio, asf como el contenido de aluminio se puede variar la concentracion de wolframio en la matriz Y.

De manera correspondiente, se pueden ajustar el contenido de tantalo y el contenido de titanio juntos a un valor de > 3% at., preferiblemente > 4,5% at., en particular > 5% at.

Segun otra ejecucion, una aleacion a base de mquel segun la presente invencion puede presentar la siguiente composicion qmmica: asf como el resto mquel e impurezas inevitables.

Ademas, el contenido de azufre puede limitarse a valores de 2 ppm, en particular 1 ppm (partes por millon) de azufre e inferiores, con el fin de continuar mejorando las propiedades mecanicas.

Con la aleacion de acuerdo con la invencion pueden fabricarse, en particular, objetos tales como componentes de turbinas de gas, preferiblemente alabes de turbinas y similares que pueden estar configurados solidificados de modo monocristalino o de manera dirigida.

Breve descripcion de la figura

La figura adjunta muestra una grafica de Larson - Miller para representar la resistencia a la fluencia de la aleacion de acuerdo con la invencion en comparacion con aleaciones conocidas y una aleacion comparativa.

Ejemplo de realizacion

Conforme a la invencion, se preparo una aleacion cuya composicion puede deducirse de la Tabla que figura a continuacion (Aleacion 3). Como aleaciones comparativas se eligieron las Aleaciones 1 y 2, correspondiendo la Aleacion 1 esencialmente en la composicion qmmica a la del material CMSX-4, y la Aleacion 2 es una aleacion con una composicion similar a la del material CMSX-4, pero esta reducida en renio. Los componentes de las aleaciones se indican porcentaje en peso en la tabla.

Aleacion: Al Co Cr Mo Ta Ti W Re Hf Ni

Aleacion 1: 5,6 9,0 6,5 0,6 6,5 1,0 6,0 3,0 10,1 Resto

Aleacion 2: 6,1 8,9 5,3 1,0 6,7 0,0 6,2 0,0 0,0 Resto

Aleacion 3: 4,8 8,6 5 1,4 10,1 1,3 8,8 0,0 0,0 Resto

Como se deduce de la figura adjunta, que muestra una denominada grafica de Larson - Miller, la Aleacion 3 de acuerdo con la invencion presenta una resistencia a la fluencia similar a la de la Aleacion 1 que corresponde a una super-aleacion a base de mquel de la segunda generacion. Frente a ello, la Aleacion 2 presenta una resistencia a la 5 fluencia mucho menor, lo cual se justifica por la porcion carente de renio y la optimizacion carente de la composicion de la aleacion conforme a la presente invencion. Con ello resulta claro que mediante las ensenanzas de acuerdo con la invencion se pueden proporcionar super-aleaciones a base de mquel que pueden renunciar al elemento renio diffcilmente disponible, pero que, no obstante, pueden proporcionar propiedades a alta temperatura mecanicas tales como, por ejemplo, una correspondiente resistencia a la fluencia, como las de las aleaciones con contenido de renio 10 conocidas.

A pesar de que la presente invencion se ha descrito detalladamente con ayuda del ejemplo de realizacion, para el experto en la materia resulta evidente que la invencion no se limita a este ejemplo de realizacion, sino que mas bien son posibles variaciones de manera que se puedan eliminar caractensticas individuales o combinar de otro modo caractensticas, siempre que no se abandone el alcance de proteccion de las reivindicaciones adjuntas. La presente 15 divulgacion da a conocer todas las combinaciones de todas las caractensticas individuales presentadas.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Aleacion a base de rnquel que esta exenta de renio y que presenta una temperatura de solidus mayor que 1320°C en la que se presentan precipitaciones de una fase y' en una matriz y con una proporcion de 40 a 50% en vol. a temperatures de 1050°C hasta 1100°C y el ajuste erroneo y/y' a temperaturas de 1050 hasta 1100°C se encuentra en el intervalo de -0,15% a -0,25% y presenta la composicion qmmica:

aluminio de 11 a 11,2% at.,

cobalto de 9,1 a 9,3% at.,

cromo de 6 a 6,2% at.,

molibdeno de 0,85 a 1,0% at.,

tantalo de 3,3 a 3,5% at.,

titanio de 1,5 a 1,7% at.,

wolframio de 2,8 a 3% at., asf como

el resto rnquel e impurezas inevitables, siendo el contenido de wolframio en la matriz y mayor que en las fases y' precipitadas.
2. Aleacion a base de rnquel segun la reivindicacion 1, caracterizada por que el contenido de wolframio en la matriz y a una temperatura de 1100°C es mayor que 3,5% at.
3. Aleacion a base de rnquel segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizada por que el contenido de wolframio en la matriz y es maximo en funcion de los restantes componentes de la aleacion.
4. Aleacion a base de rnquel segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por que el contenido de wolframio y el contenido de molibdeno en la matriz y juntos ascienden a mas de 5% at.
5. Aleacion a base de rnquel segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por que en el caso de un contenido mrnimo de aluminio se ajusta un contenido maximo de tantalo y un contenido medio de titanio.
6. Aleacion a base de rnquel segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por que el contenido de tantalo y el contenido de titanio juntos es mayor que o igual a 3% at., preferiblemente 4,5% at., en particular mayor que o igual a 5% at.
7. Aleacion a base de rnquel segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por que el contenido de azufre es menor que o igual a 2 ppm, preferiblemente es menor que o igual a 1 ppm.
8. Objeto a base de una aleacion a base de rnquel segun una de las reivindicaciones precedentes.
9. Objeto segun la reivindicacion 8, caracterizado por que el objeto esta solidificado de modo monocristalino o dirigido.
10. Objeto segun la reivindicacion 8 o 9, caracterizado por que el objeto es un componente, en particular un alabe de una turbina de gas o de un grupo motopropulsor.