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Dokumentenidentifikation DE102006017820A1 18.10.2007
Titel Zusammensetzungen auf Niob-Siliziumbasis und entsprechende Gegenstände
Anmelder General Electric Co., Schenectady, N.Y., US
Erfinder Bewlay, Bernard Patrick, Niskayuna, N.Y., US;
Cretegny, Laurent, Niskayuna, N.Y., US;
Jackson, Melvin Robert, Corea, Me., US;
Subramanian, Pazhayannur Ramanathan, Niskayuna, N.Y., US
Vertreter Rüger und Kollegen, 73728 Esslingen
DE-Anmeldedatum 13.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006017820
Offenlegungstag 18.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.10.2007
IPC-Hauptklasse C22C 27/02(2006.01)A, F, I, 20060413, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C22C 29/18(2006.01)A, L, I, 20060413, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird eine Niob und Silizium enthaltende hitzebeständige Zusammensetzung beschrieben. Der Anteil des vorhandenen Siliziums ist kleiner als etwa 9 Atom%, bezogen auf Gesamtatom% für die Zusammensetzung. Außerdem wird eine Turbinentriebswerkskomponente (z.B. eine Gasturbine) beschrieben. Die Komponente enthält eine Legierung von Niob und Silizium, wobei der Anteil des vorliegenden Siliziums kleiner als etwa 9 Atom% ist.

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Metalle und Metalllegierungen, die bei Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden. Mehr im Einzelnen betrifft die Erfindung Niob-Silizium-Zusammensetzungen, die für verschiedene Turbinentriebwerkskomponenten zweckmäßig sind.

Verschiedene Arten von Metallen und Metalllegierungen werden für Hochtemperatureinrichtungen, z.B. Triebwerksturbinen und andere Maschinen verwendet. Die Wahl eines speziellen Metalls hängt zum großen Teil von der erwarteten Temperaturbeanspruchung der jeweiligen Komponente gemeinsam mit anderen speziellen Anforderungen an die Komponente ab – wie Festigkeit, Kriechfestigkeit, Oxidationsfestigkeit, Widerstandsfestigkeit gegen Umwelteinflüsse, Gewichtsanforderungen und dergleichen.

Gasturbinentriebwerke bieten ein gutes Beispiel dafür, wie Anforderungen an Komponenten innerhalb eines einzigen (wenngleich komplexen) Gerätes variieren können. Bei einem typischen Gasturbinentriebwerk wird Luft in einem Kompressor verdichtet und mit Brennstoff vermischt und sodann in einer Brennkammer gezündet, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen. Die Gase strömen stromabwärts durch eine Hochdruckturbine (HPT) mit einer oder mehreren Stufen, einschließlich einer Turbinendüse und Rotorschaufeln. Sodann strömen die Gase in eine Niederdruckturbine (LPT), die typischerweise mehrstufig ausgebildet ist, mit zugehörigen Turbinendüsen und Rotorschaufeln. Oft sind nickelbasierte Superlegierungen (superalloys) die Materialien der Wahl für die „heißen" Abschnitte der Turbine, in denen Metalltemperaturen bis zur etwa 1150°C typisch sind. Titanlegierungen, die oftmals leichter als die Nickellegierungen sind, werden häufig in den Kompressor-(Verdichter)abschnitten der Turbinentriebwerke eingesetzt, in denen die Temperaturen niedriger sind, d.h. unter etwa 600°C liegen.

Mit steigenden Turbinentriebwerkstemperaturen zur Befriedigung höherer Ansprüche an den Wirkungsgrad wurden neue Materialen für Umgebungen mit höheren Temperaturen entwickelt. Beispiele sind die hitzebeständigen Metall/ Intermetallverbundwerkstoffe (RMIC). Viele dieser Materialen sind auf Niob (Nb)) und Silizium (Si) basiert und sind beispielsweise in den US-Patentschriften 5,932,033 (Jackson and Bewlay); 5,942,055 (Jackson and Bewlay); und 6,419,765 (Jackson, Bewlay und Zhao) beschrieben.

Die RMIC-Verbundwerkstoffe haben in der Regel eine Mehrphasenmikrostruktur. Die Mikrostruktur kann z.B. eine metallische Nb-Basis-Phase und eine oder mehrere intermetallische Metallsilizidphasen aufweisen. Wie in der US-Patentschrift 5,833,773 (Bewlay and Jackson) beschrieben, beinhaltet die Metallsilizidphase gelegentlich ein M3Si-Silizid und ein M5Si3-Silizid, wobei M Nb, Ti oder Hf bedeutet. Die Materialien werden als Verbundwerkstoffe betrachtet, die Silizide hoher Festigkeit und niedriger Zähigkeit mit einer Nb-basierten Metallphase niedriger Festigkeit und höherer Zähigkeit kombinieren. Sie weisen häufig eine Schmelztemperatur von bis zu 1700°C auf und verfügen im Vergleich zu vielen Nickellegierungen über eine verhältnismäßig niedere Dichte. Diese charakteristischen Eigenschaften machen derartige Materialien vielversprechend für den möglichen Einsatz bei Anwendungen, bei denen die Temperaturen die normalen Einsatzgrenzen der nickelbasierten Superlegierungen übersteigen.

Wie oben erwähnt, erfordern einige Abschnitte des Turbinentriebwerks nicht die besonderen Hochtemperatureigenschaften, wie sie viele der Niob-Silizium Legierungen aufweisen. Beispielsweise die Niederdruckturbinentriebwerkabschnitte sind häufig nur Temperaturen in dem Bereich von etwa 600°C-1000°C ausgesetzt. Wenngleich diese Temperaturanforderungen nicht so anspruchsvoll sind, wie dies im Falle der heißen Abschnitte der Turbine der Fall ist, können andere Eigenschaften der Komponenten eine größere Bedeutung gewinnen. Zum Beispiel können die Niederdruck-Turbinenkomponenten höhere Schadentoleranzanforderungen stellen, als sie durch Verwendung der typischen Niob-Silizid Legierungen erfüllt werden können, die für die Anwendungen in den heißen Abschnitten vorgesehen sind. Darüberhinaus können die Niedertemperaturkomponenten zusammen mit anderen Eigenschaften wie Oxidationsfestigkeit und Kriechfestigkeit eine mechanische Festigkeit auf verhältnismäßig hohem Niveau erfordern.

Es ergibt sich somit, dass neue Niob-Silizid Legierungen, die einen zweckentsprechenderen Abgleich der Eigenschaften für ausgewählte temperaturabhängige Anwendungen aufweisen, erwünscht wären. Die Zusammensetzungen sollten hinsichtlich einer oder mehrerer Eigenschaften, wie Festigkeit, Duktilität und Kriechfestigkeit, gute Ergebnisse bei Zwischenbetriebstemperaturen, z.B. bei etwa 600°C-1000°C aufweisen. Darüberhinaus sollten die Zusammensetzungen leichter sein als viele der nickelbasierten Superlegierungen, die bei den LPT und HPT Betriebstemperaturen eingesetzt werden.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine hitzebeständige Zusammenstellung, die Niob und Silizium enthält. Die Menge des vorliegenden Silizium ist kleiner als etwa 9 Atom%, bezogen auf Gesamtatom% für die Zusammensetzung. Bei einigen Ausführungsformen ist die Zusammensetzung durch eine Mikrostruktur gekennzeichnet, die eine metallische Nb-basierte Phase und wenigstens eine Metallsilizidphase der Formel M3Si oder M5Si3 aufweist, wobei M wenigstens ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nb, Hf, Ti, Mo, Ta, W, einem Metall der Platingruppe und Kombinationen davon besteht.

Eine andere Ausführungsform bezieht sich auf eine Turbinentriebwerkskomponente (z.B. eine Gasturbine, wie sie hier beschrieben ist). Die Komponente weist eine Legierung aus Niob und Silizium auf, wobei der Anteil des vorliegenden Silizium kleiner ist als etwa 9 Atom%, bezogen auf Gesamtatom%. (So wie hier verwendet, soll „Legierung" eine feste oder flüssige Mischung von zwei oder mehreren Metallen oder von einem oder mehreren Metallen mit einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen bedeuten).

Weitere Einzelheiten bezüglich der verschiedenen Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der übrigen Beschreibung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die erfindungsgemäße hitzebeständige Zusammensetzung enthält Niob und Silizium. Silizium liegt mit weniger als etwa 9 Atom%, bezogen auf Gesamtatom%, in der Zusammensetzung vor. Bei einigen Ausführungsformen beträgt der Anteil des vorliegenden Siliziums wenigstens etwa 0,5 Atom%. Darüberhinaus liegt bei anderen bevorzugten Ausführungsformen Silizium in dem Bereich von etwa 1 Atom% bis etwa 8,5 Atom% und meistens etwa 5 Atom% bis etwa 8,5 Atom% vor. Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen liegt das Silizium aber in einem Bereich von etwa 1 Atom% bis etwa 5 Atom% vor. Im Allgemeinen scheint das Vorliegen dieser verhältnismäßig kleinen Siliziumanteile bei ausgewählten Turbinenkomponentenanwendungen zu beträchtlichen Verbesserungen in der Duktilität und der „Schadenstoleranz" der Komponenten zuführen, wenn diese in Zwischentemperaturbereichen, z.B. etwa 600°C bis etwa 1000°C eingesetzt werden.

Bei bevorzugten Ausführungsformen enthält die hitzebeständige Zusammensetzung außerdem wenigstens ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Titan, Hafnium, Chrom und Aluminium besteht. Die Auswahl und die jeweils gewählte Menge jedes dieser Elemente hängt von verschiedenen Faktoren ab. In der Regel sind aber die Leistungsanforderungen bei einem bestimmten Endgebrauch von ausschlaggebender Bedeutung.

Titan wird üblicherweise verwendet, um die Oxidationsfestigkeit bei hohen Temperaturen zu verbessern. Das Vorliegen von Ti kann auch die intrinsische Duktilität der Metallphase verbessern. Wenn vorhanden, liegt das Niveau von Ti üblicherweise in dem Bereich von etwa 5 Atom% bis etwa 45 Atom%, basierend auf Gesamtatom% bei der Zusammensetzung. In einigen bevorzugten Ausführungsformen liegt Ti in einem Maß in dem Bereich von etwa 10 Atom% bis etwa 30 Atom% vor. Darüberhinaus liegt bei einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen Ti in einem Maß in dem Bereich von etwa 15 Atom% bis etwa 25 Atom% vor.

Hafnium kann als Mischkristallverstärker der Nb-basierten Metallphase dienen. Hf kann außerdem die innere Oxidation der Metallphase reduzieren und außerdem die Kriecheigenschaften verbessern. Wenn vorhanden, liegt das Maß von Hf normalerweise in dem Bereich von etwa 1 Atom& bis etwa 20 Atom%, bezogen auf Gesamtatom% bei der Zusammensetzung. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen liegt Hf in einem Maß in dem Bereich von etwa 2 Atom% bis etwa 15 Atom% vor. Bei einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen liegt das Maß von Hf zwischen etwa 2 Atom% bis etwa 10 Atom%.

Chrom ist normalerweise zur Verbesserung der Oxidationsfestigkeit vorhanden. Bei diesen Niob-Silizium Zusammensetzungen kann das Vorliegen von Cr die Ausbildung einer siliziummodifizierten chrombasierten Laves-Phase befördern, wie dies in der US-Patentschrift 5,942,055 (Jackson et al) beschrieben ist, die durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist. Das Vorhandensein der Laves-Phase kann hinsichtlich der Oxidationsfestigkeit eine gewünschte Eigenschaft sein.

Wenn es vorliegt, liegt das Maß von Cr üblicherweise in dem Bereich von etwa 1 Atom% bis etwa 25 Atom%, bezogen auf Gesamtatom% bei der Zusammensetzung. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen liegt Cr in einem Maß in dem Bereich von etwa 5 Atom% bis etwa 15 Atom% vor. Darüberhinaus liegt bei einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen Cr in einem Maß in dem Bereich von etwa 5 Atom% bis etwa 10 Atom% vor.

Wie oben erwähnt, kann auch Aluminium in den Niob-Silizium Zusammensetzungen vorhanden sein. Al kann ebenfalls die Oxidationsfestigkeit verbessern. Wenn vorhanden, liegt das Maß von Al üblicherweise in dem Bereich von etwa 1 Atom% bis etwa 20 Atom%, bezogen auf Gesamtatom% bei der Zusammensetzung. In einigen bevorzugten Ausführungsformen liegt Al in einem Maß in dem Bereich von etwa 5 Atom% bis etwa 15 Atom% vor. Bei einigen der besonders bevorzugten Ausführungsformen liegt Al in einem Maß in dem Bereich von etwa 5 Atom% bis etwa 10 Atom% vor.

In einigen Fällen weist die hier beschriebene hitzebeständige Zusammensetzung außerdem wenigstens ein Metall der Platingruppe auf. So wie hier verwendet, bedeutet der Ausdruck „Metall der Platingruppe" das Folgende: Rhenium (Re), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh) und Palladium (Pd). Die Metalle der Platingruppe können zur Verbesserung verschiedener Eigenschaften verwendet werden, wie Festigkeit (z.B. Zugfestigkeit, Oxidationsfestigkeit), Verformbarkeit, Duktilität, Zähigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Kriechfestigkeit.

Der Anteil des Metalls der Platingruppe kann signifikant variieren, abhängig von den Anforderungen der Endverwendung, bspw. hinsichtlich der oben erwähnten Eigenschaften. Das Metall der Platingruppe liegt üblicherweise in dem Bereich von etwa 1 Atom% bis etwa 30 Atom% vor. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen ist das Metall der Platingruppe in einem Maß von etwa 1 Atom% bis etwa 25 Atom% vorhanden. Bei einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen liegt der Bereich zwischen etwa 1 Atom% bis etwa 15 Atom%.

Eine bevorzugte Gruppe der Metalle der Platingruppe enthält Pt, Re und Ru. Re und Ru sind gelegentlich von besonderem Interesse und zwar wegen ihrer Fähigkeit diese Niedrigsilizium-Zusammensetzungen in ihrer Festigkeit wesentlich zu verbessern, wobei sie eine akzeptable Duktilität ergeben.

Rhenium ist ein besonders bevorzugtes Metall der Platingruppe für einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein zweckentsprechendes Maß von Rhenium hängt von den im Vorstehenden erläuterten Faktoren ab. Wenn verwendet, liegt Re normalerweise in einem Maß von bis zu etwa 20 Atom% vor, bezogen auf Gesamtatom%, bei der hitzebeständigen Zusammensetzung. Ein bevorzugter Bereich von Re liegt bei vielen Ausführungsformen bei etwa 1 Atom% bis etwa 15 Atom%. Ein besonders bevorzugter Bereich erstreckt sich von etwa 1 Atom% bis etwa 12 Atom%.

Bei einigen Ausführungsformen enthält die hitzebeständige Zusammensetzung außerdem wenigstens ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wolfram (W), Tantal (Ta) und Molybdän (Mo) besteht. Diese Elemente sind oft hilfreich zur Verbesserung der Zugfestigkeit der metallischen Phase und der Kriechfestigkeit sowohl der metallischen Phase als auch der intermetallischen Phase. Ihr Vorhandensein kann aber auch zu einem schwereren Legierungsprodukt, insbesondere im Fall von Tantal und Wolfram, führen. Davon abgesehen, können diese Legierungen aber bei bestimmten Anteilen die Oxidationsfestigkeit ungünstig beeinflussen. Demgemäß hängt der richtige Anteil dieser Elemente von einer Anzahl verschiedener Anforderungen beim Endgebrauch ab.

W, Ta und Mo liegen üblicherweise jeweils in einem Einzelanteil von weniger als etwa 30 Atom%, bezogen auf Gesamtatom% bei der Zusammensetzung vor. Bei bevorzugten Ausführungsformen sind sie in einem Anteil in dem Bereich von etwa 1 Atom% bis etwa 25 Atom% vorhanden. Bei einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen liegen sie einzeln jeweils in einem Anteil in dem Bereich von etwa 1 Atom% bis etwa 20 Atom% vor. Als Gruppe beträgt ihr Gesamtanteil üblicherweise weniger als 40 Atom% und häufiger weniger als etwa 30 Atom%.

Bei einigen Ausführungsformen enthält die hitzebeständige Zusammensetzung außerdem wenigstens ein Element der seltenen Erden, d.h. Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium. (Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung wird Yttrium auch als Teil der Gruppe der seltenen Erden betrachtet). Die Elemente der seltenen Erden können die Oxidationsfestigkeit weiter verbessern (d.h. die innere Oxidationsfestigkeit) ebenso wie das Haftvermögen des Oxidbelags an der Stammkomponente. Sie können außerdem die Duktilität verbessern.

Die Elemente der seltenen Erden werden üblicherweise in verhältnismäßig kleinen Anteilen verwendet, z.B. mit weniger als etwa 10 Atom% bezogen auf Gesamtatom% bei der Zusammensetzung. Bei bevorzugten Ausführungsformen liegt jedes seltene Erdenelement, wenn es vorhanden ist, in einem Anteil in dem Bereich von etwa 0,1 Atom% bis etwa 5 Atom% vor. Für einige Ausführungsformen bevorzugte seltene Erdenelemente sind Yttrium, Terbium, Dysprosium und Erbium.

Auch weitere Elemente können in der hitzebeständigen Zusammensetzung enthalten sein. Zu Beispielen dafür gehören wenigstens ein Element aus Bor (B), Kohlenstoff (C), Germanium (Ge), Zirkonium (Zr), Vanadium (V), Zinn (Sn), Stickstoff (N), Eisen (Fe) oder Indium (In). Diese Elemente werden üblicherweise (individuell) in Anteilen in dem Bereich von etwa 0,1 Atom% bis etwa 15 Atom% bezogen auf Gesamtatom% bei der Zusammensetzung verwendet, wenngleich der Anteil von Zr eine Größe von etwa 20 Atom% erreichen kann. Das Vorliegen dieser Elemente verbessert eine oder mehre Eigenschaften. Beispielweise kann ein Interstitialelement wie B die Oxidationsfestigkeit verbessern, wie dies auch V kann. Darüberhinaus kann C die Kriechfestigkeit ebenso wie die Zugfestigkeit verbessern. Die Zugabe von N kann zur Stabilisierung einer Nb5Si3-Phase in der Legierung beitragen, wie dies in der anhängigen US-Patentanmeldung S.N. 10/932,128 (RD-27,311-1) beschrieben ist. (Diese Patentanmeldung wurde am 1. September 2004 für Bernard Bewlay et al eingereicht und wird durch Bezugnahme hier mit aufgenommen). Einige diese Elemente können auch den Temperatur-Stabilitätsbereich einer oder mehrerer Phasen in dem hitzebeständigen Produkt anheben.

Nicht beschränkende beispielhafte Bereiche können für diese Elemente, basiert auf Gesamtatomgewicht in der Zusammensetzung, angegeben werden:

B: Bis zu etwa 9 Atom%;

C: Bis zu etwa 9 Atom%;

Ge: Bis zu etwa 12 Atom%;

Zr: Bis zu etwa 15 Atom%;

V: Bis zu etwa 7 Atom%;

Sn: Bis zu etwa 6 Atom%;

N: Bis zu etwa 10 Atom%;

Fe: Bis zu etwa 12 Atom%; und

In: Bis zu etwa 6 Atom%;

Es liegt auf der Hand, dass geringfügige Mengen anderer Elemente als Verunreinigungsanteile unvermeidbar vorhanden sind, z.B. in handelsüblich gelieferten Legierungen oder zufolge von Verarbeitungstechniken. Diese Zusätze auf dem Verunreinigungsniveau können auch als Teil der Erfindung betrachtet werden so lange sie nicht die Eigenschaften der hier beschriebenen Zusammensetzungen verschlechtern.

Die Tabelle 1 listet einige der spezielleren Zusammensetzungen auf, die im Rahmen der Erfindung liegen und die bei einigen Ausführungsformen bevorzugt sind. Alle Mengen sind in Atom% angegeben, basierend auf 100 Atom% für die gesamte Zusammensetzung. (Darüberhinaus können die Zusammensetzungen auch andere Elemente enthalten). Tabelle 1 (I) Si- etwa 1% bis etwa 8,5% Ti- etwa 10% bis etwa 30% Cr- etwa 1% bis etwa 25%
Al- etwa 1% bis etwa 20% PGM* etwa 1% bis etwa 15% (Gesamtheit der PGM) W, Ta, Mo- etwa 2% bis etwa 10% (Gesamtheit W, Ta, Mo) Nb- Rest (II) Si- etwa 1% bis etwa 8,5% Ti- etwa 10% bis etwa 30% Hf- etwa 1% bis etwa 10% Cr- etwa 1% bis etwa 25% Al- etwa 1% bis etwa 20% PGM* etwa 1% bis etwa 15% (Gesamtheit der PGM) W, Ta, Mo- etwa 2% bis etwa 10% (Gesamtheit W, Ta, Mo) Nb- Rest (III) Si- etwa 1% bis etwa 8,5% Ti- etwa 15% bis etwa 25% Cr- etwa 2% bis etwa 15% Al- etwa 2% bis etwa 15%
PGM* etwa 1% bis etwa 12% Nb- Rest (IV) Si- etwa 2% bis etwa 8,5% Ti- etwa 12% bis etwa 30% Cr- etwa 5% bis etwa 10% Al- etwa 5% bis etwa 10% Zr- etwa 2% bis etwa 15% Fe- etwa 0,1% bis etwa 5% Re- etwa 1% bis etwa 12% Sn- etwa 0,1% bis etwa 6% C- etwa 0,1% bis etwa 5% Nb- Rest (V) Si- etwa 2% bis etwa 8,5% Ti- etwa 12% bis etwa 30% Hf- etwa 1% bis etwa 10%
Cr- etwa 5% bis etwa 10% Al- etwa 5% bis etwa 10% Zr- etwa 2% bis etwa 15% Fe- etwa 0,1% bis etwa 5% Re- etwa 1% bis etwa 12% Sn- etwa 0,1% bis etwa 6% C- etwa 0,1% bis etwa 5% Nb- Rest

  • *PGM = Metall der Platingruppe

Wie im Vorstehenden erwähnt, sind die erfindungsgemäßen hitzebeständigen Zusammensetzungen (d.h. in Legierungsform) gelegentlich durch eine Mehrphasenmikrostruktur gekennzeichnet. Die Mikrostruktur enthält allgemein eine metallische Nb-Basisphase und wenigstens eine Metallsilizidphase der Formel M3Si oder M5Si3, worin M wenigstens ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nb, Hf, Ti, Mo Ta, W, einem Metall der Platingruppe und deren Kombinationen besteht. Häufig enthält die Metallsilizidphase eine Nb3Si-Phase oder eine Nb5Si3-Phase oder eine Kombination der beiden Phasen. Einige der hier beschriebenen Legierungen beinhalten auch außerdem weitere Phasen. Beispielsweise können sie außerdem eine mit Silizium modifizierte chrombasierte Laves-Typ-Phase enthalten. Eine solche Phase fördert die Oxidationsfestigkeit, wie dies in der US-Patentschrift 5,932,033 (Jackson und Bewlay) beschrieben ist, die durch Bezugnahme hier mit aufgenommen ist.

Die Auswahl von Phasen und Elementbestandteilen in aus hitzebeständigen Zusammensetzungen hergestellten Legierungen zielt darauf, einen Abgleich von Eigenschaften zu erreichen, die für eine spezielle Endgebrauchsanwendung wichtig sind. Die wichtigsten Eigenschaften wurden im Vorstehenden erwähnt, z.B. Festigkeit (Bruchfestigkeit und Reißfestigkeit), Zähigkeit, Dichte, Oxidationsfestigkeit und Kriechfestigkeit. Wie in der US-Patentschrift 5,833,773 beschrieben, teilen sich alle der vorerwähnten Elemente in jeweils unterschiedlichem Maße zwischen verschiedenen Phasen der Legierung auf.

Verfahren zur Zubereitung der erfindungsgemäßen hitzebeständigen Zusammensetzungen und Legierungen sind an sich im Allgemeinen bekannt. Nicht beschränkende Darstellungen von Zubereitungstechniken sind bspw. in den folgenden Patentschriften enthalten: US 6,419,765 (Jackson et al); US 5,833,773 (Bewlay et al) und US 5,741,376 (Subramanian et al), die alle durch Bezugnahme hiermit aufgenommen sind. Häufig werden die Legierungsbestandteile in elementarer Form durch Schmelzen in einem Tiegel mittels einer geeigneten Technik miteinander kombiniert, wie etwa durch Lichtbogenschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen, Plasmaschmelzen und Induktionsbrammenbärschmelzen (skull melting). Es können jedoch auch andere Techniken (oder Kombinationen von Techniken) zur Zubereitung der Legierungszusammensetzungen verwendet werden. So können z.B. Pulvermetallurgietechniken, wie Mahlen oder Zerstäuben (z.B. Gasatomisierung), wie auch Dampfablagerung eingesetzt werden.

Das Legierungsprodukt kann mittels einer Anzahl unterschiedlicher Techniken weiterverarbeitet und in einen jeweils gewünschten Gegenstand umgeformt werden. So kann z.B. ein geschmolzenes Legierungsprodukt in eine geeignete Vorrichtung gegossen werden. Formeinrichtungen zum Gießen sind an sich bekannt. Ein Beispiel dafür liefert die US-Patentschrift 6,676,381 (Subramanian et al), die durch Bezugnahme hiemit eingeschlossen ist. Es können auch viele Gusstechniken angewandt werden. Darüberhinaus stehen dem Fachmann viele verschiedene Durchführungsdetails für eine spezielle Gusstechnik zur Verfügung. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen wird das geschmolzene Metall durch eine gerichtete Erstarrungstechnik (DS) in den festen Zustand überführt. DS Techniken sind an sich bekannt (z.B. die Bridgman Technik) und bspw. in den US-Patentschriften 6,059,015 und 4,213,497 (Sawyer) beschrieben, die durch Bezugnahme hier mit eingeschlossen sind.

Außerdem kann eine Vielzahl verschiedener anderer Techniken (jeweils allein oder in Kombination) zur Weiterverarbeitung der Legierungsprodukte verwendet werden. Zu nicht beschränkenden Beispielen gehören Extrusion (z.B. Heißextrusion), Schmieden, isostatisches Heißpressen und Walzen. Der Fachmann kennt Einzelheiten zu zweckentsprechenden Wärmebehandlungen der Legierungen.

Die hitzebeständigen Zusammensetzungen mit niedrigem Siliziumanteil können zu einer Vielzahl verschiedener Komponenten geformt werden. Viele davon können auch in Turbinen, z.B. ortsfesten Turbinen, Schiffsturbinen und Flugzeugturbinen verwendet werden, wenngleich auch Anwendungen auf dem Nichtturbinengebiet möglich sind. Diese Komponenten können in großem Maße Vorteil aus den Verbesserungen hinsichtlich der Festigkeit, der Duktilität und der Kriechfestigkeit bei ausgewählten Betriebstemperaturen ziehen. Demgemäß betrifft eine weitere Ausführungsform der Erfindung solche Komponenten. Spezielle nicht beschränkende Beispiele der Turbinenkomponenten sind Laufschaufeln, Düsen, Schaufelblätter, Rotoren, Leitschaufeln, Statoren, Gehäuse und Brennkammern.

Wenngleich zum Zwecke der Veranschaulichung bevorzugte Ausführungsformen erläutert wurden, so ist die vorstehende Beschreibung doch nicht als eine Beschränkung des Rahmens der Erfindung zu verstehen. Demgemäß kann der Fachmann verschiedene Abwandlungen, Anpassungen und Alternativen auffinden ohne den Bereich des in den Patentansprüchen beanspruchten erfinderischen Konzepts zu verlassen. Alle Patente, Patenanmeldungen (einschließlich vorläufiger Patentanmeldungen), Artikel und Texte, die im Vorstehenden erläutert wurden, werden durch Bezugnahme hiermit mit eingeschlossen.


Anspruch[de]
Hitzebeständige Zusammensetzung, die Niob und Silizium enthält, wobei die Menge des vorliegenden Silizium kleiner ist als etwa 9 Atom%, bezogen auf Gesamtatom%. Zusammensetzung nach Anspruch 1, die außerdem wenigstens ein Element enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Titan, Hafnium, Chrom und Aluminium besteht. Zusammensetzung nach Anspruch 2, bei der die Menge des vorliegenden Titans in dem Bereich von etwa 5 Atom% bis etwa 45 Atom%, bezogen auf Gesamtatom%, liegt. Zusammensetzung nach Anspruch 2, bei der die Menge des vorliegenden Hafniums in dem Bereich von etwa 1 Atom% bis etwa 20 Atom%, bezogen auf Gesamtatom%, liegt. Zusammensetzung nach Anspruch 2, bei der die Menge des vorliegenden Chroms in den Bereich von etwa 1 Atom% bis etwa 25 Atom%, bezogen auf Gesamtatom%, liegt. Zusammensetzung nach Anspruch 2, bei der die Menge des vorliegenden Aluminiums in dem Bereich von etwa 1 Atom% bis etwa 20 Atom% bezogen auf ein Gesamtatom% beträgt. Zusammensetzung nach Anspruch 2, die außerdem wenigstens ein Metall der Platingruppe enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Rhenium, Osmium, Iridium, Platin, Ruthenium, Rhodium und Palladium. Zusammensetzung nach Anspruch 2, die außerdem wenigstens ein Element enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Wolfram, Tantal und Molybdän. Zusammensetzung nach Anspruch 2, die außerdem wenigstens ein Metall der seltenen Erden enthält. Zusammensetzung nach Anspruch 2, die außerdem wenigstens ein Element enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Bor, Kohlenstoff, Germanium, Zirkonium, Vanadium, Zinn, Stickstoff, Eisen oder Indium. Zusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mikrostruktur, welche eine metallische Nb-Basisphase und wenigstens eine Metallsilizidphase der Formel M3Si oder M5Si3 enthält, wobei M wenigstens ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Nb, Hf, Ti, Mo, Ta, W, einem Metall der Platingruppe und Kombinationen von diesen. Turbinentriebwerkskomponente, die aus einem Material gebildet ist, das eine Legierung aus Niob und Silizium enthält, wobei die Menge des vorliegenden Siliziums kleiner ist als etwa 9 Atom%, bezogen auf Gesamtatom%.






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