DE102023211437A1

DE102023211437A1 - Metallo-keramische Materialien

Info

Publication number: DE102023211437A1
Application number: DE102023211437.2A
Authority: DE
Inventors: Reiner Anton; Holger Grote
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2023-11-17
Filing date: 2023-11-17
Publication date: 2025-05-22
Also published as: WO2025103626A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pulvermischung aus keramischen Pulver und metallischem Pulver, bei denen die metallischen Ausgangspulver eine Korngröße von < 75µm aufweisen und wobei die oxid-keramischen Bestandteile diskontinuierlich verteilt als Pulver mit einer Korngröße von 0,2µm - 20µm vorhanden sind, wobei keine Whisker oder Fasern verwendet werden, wobei mindestens 10Gew.-% und maximal 70Gew.-% keramisches Pulver verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft metallo-keramische Materialien.
Eine Steigerung des Wirkungsgrades einer Gasturbine kann neben der Erhöhung der Verbrennungstemperatur auch über die Reduktion des Gewichts bestimmter Komponenten erreicht werden.
Hier bieten metallo-keramische Verbundwerkstoffe, eine relativ neue Werkstoffklasse, Vorteile gegenüber den herkömmlich eingesetzten Werkstoffen. Durch die beliebig einstellbare Zusammensetzung können die resultierenden Eigenschaften wie z.B. Gewicht, Verschleißbeständigkeit, Festigkeit und Duktilität, Spannungen im Betrieb über weite Grenzen optimiert werden.
Bekannt sind MMC-Werkstoffe, bei denen niedrig-schmelzende Werkstoffe wie z.B. Aluminium und Magnesium eingesetzt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung solche Materialen für hohe Temperaturen zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Material gemäß Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Beschreibung stellt nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Durch die variable Zusammensetzung der metallischen und keramischen Materialen können Komponenten für die Gasturbine derart ausgelegt werden, dass sie für die anstehenden Belastungen optimiert konstruiert werden können.
Mögliche Anwendungsbeispiele stellen Hitzeschildplatten, Brennereinsätze und Ringsegmente dar, aber auch Anwendungen im kalten Strang, wie zum Beispiel Verdichterschaufeln sind denkbar.
Es werden mindestens 10Gew.-% und maximal 70Gew.-% keramisches Pulver, insbesondere mindestens 20Gew.-% und maximal 60Gew.-% keramisches Pulver verwendet. Dementsprechend werden die metallischen Anteile gewählt.
Die Herstellung der metallo-keramischen Materialien erfolgt dabei durch Mischung und/oder Granulierung von Keramik- mit Metallpulvern in gewünschten Mischungsverhältnissen.
Die meisten Formgebungsverfahren, die in der konventionellen keramischen Fertigung Verwendung finden (z.B. Extrudieren, Gießen, Pressen etc.) sowie der 3D-Druck, Binder-Jet-Printing, ... können für die Herstellung der Bauteile verwendet werden.
Als metallische Ausgangspulver dienen vorzugsweise Nickel- und/oder Kobalt-Basislegierungen, bei denen die metallischen Ausgangspulver eine Korngröße von < 75µm aufweisen, insbesondere aber zwischen 10µm - 60µm liegen.
Vorzugsweise sind das auch metallische Pulver und Legierungen, die für den rein metallischen 3D Druck entwickelt wurden.
Die keramischen Bestandteile, insbesondere oxid-keramischen Bestandteile, liegen diskontinuierlich verteilt als Pulver mit einer Korngröße von 0,2µm - 20µm vor, insbesondere aber < 15µm.
Im Regelfall werden keine Whisker oder Fasern verwendet.
Die keramischen Rohstoffe werden aus der Schmelze, durch Sintern oder aus Lösungen synthetisiert und anschließend fraktioniert.
Beispielhaft verwendete Keramiken sind Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Spinelle, Zirkonate und/oder Mischungen davon.
In Abgrenzung zu den bekannten ODS-Legierungen, bei denen auf atomarer Ebene feinstverteilte Oxide vorliegen, handelt es sich bei den metallo-keramischen Materialien um Beimengungen auf makroskopischer Ebene.
In Unterscheidung zu den bekannten MMC-Werkstoffen, bei denen niedrig-schmelzende Werkstoffe wie z. B. Aluminium und Magnesium eingesetzt werden, kommen hier hochschmelzende Nickel- oder Kobalt-Basislegierungen zur Anwendung: siehe Figur, IN 738, IN 718, IN 739, IN 939, Rene 80 und/oder PWA 1483.
Diese Legierungen, wie auch insbesondere der Figur zu entnehmen enthalten zumindest Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium, Titan sowie optional Molybdän, Wolfram, Tantal, Bor, Zirkonium und/oder Niob,....
Je nach Anwendungsfall, z.B. im Kompressorbereich, werden auch metallische Pulver aus einem Stahl verwendet.
Für Anwendungen als Lager für Rotoren werden als metallisches Pulver aus Bronze verwendet.
Der Formgebungsprozess ist nicht schmelzmetallurgisch bei einer Temperatur < 523K (250°C) mit einer anschließenden thermischen Verfestigung.
Der Prozess der thermischen Verfestigung beinhaltet eine Sinterung unter Schutzatmosphäre, z.B. Argon, eventuell begleitet von einer zusätzlichen Wärmebehandlung in oxidierender Atmosphäre.
Die Matrix eines so hergestellten Bauteils kann metallisch sein, d.h. der metallische Anteil liegt bei > 55vol%.
Die Matrix eines so hergestellten Bauteils kann ebenso keramisch sein, d.h. der keramische Anteil liegt bei > 55vol%.
In der Vergangenheit konnte nur konstruktiv eine Komponente derart ausgelegt werden, dass Nickel-Basis-Metalle ggfs. mit einer keramischen Beschichtung eingesetzt wurden. Diese weisen einen Nachteil beim Gewicht auf.
Durch die Verwendung der neuartigen Werkstoffklasse lassen sich zum Beispiel Leichtbaukonstruktionen herstellen.
Weiterhin können Bauteile hinsichtlich ihrer am Betriebspunkt erforderlichen Lasten optimiert ausgelegt werden.
Beispiel 1:
IN939 mit Korngrößen zwischen 20µm - 60µm und einem Anteil von 65Gew.-% wurde vermischt mit Aluminiumoxid, das Korngrößen von 1,0µm - 15,0µm aufweist.
Binder-jet-printing wurde benutzt zur Formgebung. Danach fand eine Entbinderung und Sinterung vorzugsweise im selben Ofen statt.
Beispiel 2:
Rene 80 mit Korngrößen zwischen 15µm - 45µm und einem Anteil von 37gew.-% wurde vermischt mit Zirkonoxid, das Korngrößen von 0,6µm - 20µm aufweist.
Binder-jet-printing wurde benutzt zur Formgebung. Danach fand eine Entbinderung und Sinterung vorzugsweise im selben Ofen statt.

Claims

Pulvermischung aus keramischen Pulver und metallischem Pulver, bei denen die metallischen Ausgangspulver eine Korngröße von < 75µm aufweisen, insbesondere zwischen 10µm - 60µm liegen, und wobei die keramischen Bestandteile diskontinuierlich verteilt als Pulver vorhanden sind, mit einer Korngröße von 0,2µm - 20µm, insbesondere < 15µm, wobei insbesondere keine Whisker oder Fasern verwendet werden, wobei mindestens 10Gew.-% und maximal 70Gew.-% keramisches Pulver, insbesondere mindestens 20Gew.-% und maximal 60Gew.-% keramisches Pulver verwendet wird.
Pulvermischung nach Anspruch 1, bei dem als metallische Pulver Nickel- oder Kobalt-Basislegierungen verwendet werden.
Pulvermischung nach Anspruch 1, bei dem als metallische Pulver Stähle oder Bronzen verwendet werden.
Pulvermischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem als keramisches Pulver oxidkeramisches Pulver, insbesondere Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Spinelle, Zirkonate oder Mischungen davon verwendet werden.
Pulvermischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem der Anteil des metallischen Pulvers zwischen 90% und 30% liegt.
Pulvermischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem der Anteil des keramischen Pulvers bei > 55vol% liegt.
Pulvermischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem der Anteil des metallischen Pulvers bei > 55vol% liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils bei dem eine Pulvermischung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird.
Bauteil, hergestellt aus einer Pulvermischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 oder nach einem Verfahren gemäß Anspruch 8.