本发明涉及一种用于燃气涡轮应用的合金，特别是用于在所述涡轮的热气体路径中所应用的部件的合金。该合金优选地适合于在防火增材制造方法(诸如，基于粉末床的方法)中被应用或加工。该合金优选地是镍基合金和/或超合金。
此外，本发明涉及所述合金的粉末材料和由该合金增材制造出结构的方法、以及包括该结构的相应部件。
背景技术：
优选地，所提到的结构或部件表示在涡轮机械中(例如，在燃气涡轮的流路硬件中)所应用的部件。因此，该部件优选地由超合金或镍基合金制成，特别是由沉淀硬化合金制成。
进一步优选地提到了转子动叶、定子静叶、密封部件、护罩、罩壳、平台、或隔热罩的一部分、或涡轮机械的任何其他可比较部件。
在制造的语境中，术语“增材”应特别表示分层的、生成性的和/或自下而上的制造过程。如本文中所描述的增材制造可以是快速成型或涉及快速成型。
增材制造技术包括例如选择性激光熔化(slm)或选择性激光烧结(sls)或电子束熔化(ebm)。
例如，在ep2601006b1中描述了选择性激光熔化的方法。
已经证明增材制造方法在制作成型件或复杂和花丝部件(诸如，包括迷宫式内部结构的轻质设计或冷却部件)方面是有用的和有利的。进一步地，由于制造步骤可以基于对应的cad/cam和/或构造数据而直接实施，因此，由于增材制造的短的工艺步骤链，增材制造脱颖而出。
诸如选择性激光熔化或选择性激光烧结的粉末床制造方法是相对众所周知的方法，该方法用于由例如粉末材料来制作、成型或制造零件或部件。用于此类方法的常规设备或装置(setup)通常包括制造或构建平台，在馈送基础材料层之后将部件逐层构建在该平台上，该基础材料层然后可以例如通过激光束的能量熔化并随后凝固。层厚度由例如自动地在粉末床上移动并移除过多材料的刮板确定。典型的层厚度达到20μm或40μm。在制造期间，所述激光束在表面上扫描，并且在选定区域上熔化粉末，这些选定区域可以根据待制造的部件的几何形状由cad文件预先确定。
当前，需要提供一种具有高抗氧化性的材料(优选地为合金)，特别是在相应(燃气涡轮)部件的、在操作期间极易磨损或磨蚀的区域(诸如，例如叶片尖端处的边缘区域)上提供这种材料。
特别期望将所述合金用于修复或翻新应用，特别用来修复氧化损伤，或事先避免例如在新近制作的部件中的氧化损伤。
当向所述合金提供期望的性质时，一个特定问题是在机械强度、抗氧化性和可加工性(即，能够通过增材制造技术进行焊接过程或增层材料)之间找到有利的平衡。我们想要具有一种合金，这种合金提供非常高的抗氧化性和足够的抗热机械疲劳性，同时这种合金并不比例如in738lc更难以经由如激光熔覆或选择性激光熔化的过程来加以应用。所提供的合金易于具备柱状结晶、定向凝固和/或单晶材料结构。
除了所提到的激光熔覆和选择性激光熔化之外，所提供的合金可能也能够通过/或利用电子束熔化(所谓的热箱焊接)或常规的铸造方法来加工。
所提供的合金的不利备选方案是例如使用热箱焊接。进一步地，可以使用抗氧化性极好的叶片合金“renel42”。然而，这是需要通过操作者对保持在高于900℃的部件进行工作来实施的人工过程。显然，这意味着与自动化过程、可加工性和安全性方面的严格需求相关的重大缺陷。使用相当抗氧化的叶片合金“cm247cc”进行激光熔覆是另外的选项，然而，这是非常困难的，并且因此是昂贵的。由于抗氧化性非常好的叶片合金stal18si或可比较材料的高的硅含量，使用这种材料的尝试失败了。
有时也应用“mcraly”合金，但是这些合金太弱和/或太脆，以至于无法用于厚度超过约0.5mm的结构的增层。固溶强化合金(诸如，co基“merl72”)确实提供了高抗氧化性，同时能够通过几种手段进行焊接。但是固溶强化合金的机械强度或耐用性远远超出了所提到的叶片合金的强度。经典的工业用燃气涡轮合金“in738lc”的可焊接性大于例如cm247cc和renel42，但也缺乏可比较的抗氧化性。主要问题是，将用于抗氧化性的高铝含量与至少中等量的强化元素相组合来得到足够的热机械疲劳强度的合金往往可焊性差。具体而言，在以下时刻，必须掌握在从熔化状态冷却期间的热裂，该时刻即为在晶界仍未凝固、而例如γ′相(γ′)已开始在已经凝固的材料中沉淀以使得附近的材料如此坚固以至于材料无法适应凝固应变时。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是提供如下手段，其有助于克服提到的缺点中的一个或多个，特别是提供一种例如镍基(合金)材料，该材料具有优异的机械、热机械或腐蚀性质，并且同时提供足够的可加工性(例如，通过增材增层技术)。更特别地，所述合金优选地在机械强度和/或热机械强度、抗氧化性和可加工性之间提供有利平衡，其中例如以有利地高水平提供了这些方面中的每一个方面。
所提到的目的通过独立权利要求的主题来解决。有利的实施例是从属权利要求的主题。
提供了一种适合作为用于涡轮叶片的材料的新颖镍基合金，该合金包括作为主要成分的ni(镍)、以及以百分比、优选地以重量百分比(重量百分数)为单位的以下各元素或部分：fe(铁)：2至8；al(铝)：6.1至6.8；cr(铬)：12.5至15；w(钨)：1.5至4.5；ta(钽)：2.5至5.5；hf(铪)：1.2至2；c(碳)：0.03至0.13；b(硼)：0.005至0.02；zr(锆)：0.005至0.02；以及si(硅)：0.005至0.02。例如，如与in738lc的合金相比较，由于这种合金的高抗氧化性和足够的热机械疲劳强度以及仍良好的抗热裂性，这种合金特别地脱颖而出。
在实施例中，合金是超合金。
在实施例中，合金是叶片合金。
在实施例中，合金包括在20ppmw和500ppmw(按重量计百万分之一)之间的(反应性)元素中的一种或多种，该元素诸如la(镧)、ce(铈)和y(钇)。所述(反应性)元素特别地赋予合金以特定的或仍然增加的抗氧化性。
在实施例中，合金包括处于低于5ppmw、优选地低于2ppmw的水平的s(硫)。硫水平特别地被保持为低的，因为所述(游离)硫降低了金属/氧化物界面的凝聚力，并且因此降低了抗循环氧化性。
在实施例中，合金包括重量百分比为1.5至3.5、优选地2的w。
在实施例中，合金包括重量百分比为2.5至4.5、优选地3的ta。
在实施例中，合金包括重量百分比为1.4至1.8、优选地1.5的hf。
这些实施例允许对合金进行有利的(机械)强化。
在实施例中，合金包括重量百分比为0.03至0.09、优选地0.05至0.07的c。
在实施例中，合金包括重量百分比为0.005至0.015、优选地0.01的b。
在实施例中，合金包括重量百分比为0.005至0.015、优选地0.01的zr。
这些实施例允许对合金的晶界进行有利的(机械)强化，或者视情况而定对最终部件进行有利的(机械)强化。
特别地提供了b和zr，以赋予合金足够蠕变延展性，或者视情况而定赋予最终部件足够蠕变延展性。然而，但也应限制这些元素，以避免在部件的形成或增层(诸如，铸造、slm或激光熔覆)期间的热裂。
在实施例中，合金包括重量百分比为5至7、优选地6的fe。
在实施例中，合金包括重量百分比为6.4至6.7、优选地6.55的al。
在实施例中，合金包括重量百分比为13.5至14.5、优选地14的cr。
这些实施例中的每一个实施例对于合金的整体机械、热机械或结构性质是特别有益的。
在(备选)实施例中，合金包括重量百分比为2至4、优选地3的fe。
在实施例中，合金包括重量百分比为6.1至6.4、优选地6.25的al。
在实施例中，合金包括重量百分比为13.5至14.5、优选地14的cr。作为前述三个实施例的备选方案，这些实施例中的每一个实施例对于合金的整体机械、热机械或结构性质也是特别有益的。
在实施例中，合金包括重量百分比为0.005至0.015、优选地0.01的si。si特别地改善和/或促进了保护性氧化皮或壳层的形成。同时，应限制硅水平，以避免例如在增材增层和/或后增层处理技术(诸如，热处理)期间形成热裂。
总体上有利的是，hf部分/水平高，而zr和si水平相当低，以例如减少在凝固期间晶界上的残余流体的量。
在实施例中，合金包括重量百分比为0.005至0.015、优选地0.01的ce、la、y。
zr和ce实际上是有用和有益的硫清除剂，但同时应被限制到一定范围，以便避免在部件的形成或增层(诸如，铸造、slm或激光熔覆)期间形成热裂。
在实施例中，除了不可避免的杂质之外，合金不含元素co、mo、re、ti和nb中的至少一种元素或全部元素。
在实施例中，合金不含元素co、mo、re、ti和nb中的大多数元素。
在实施例中，合金不含元素co、mo、re、ti和nb中的所有元素。
在实施例中，合金包括低水平或中等水平的co、不包括re、不包括ti，并且不包括nb，其中ta与一定量的fe组合被用作主要强化元素。
在实施例中，合金被构造成使得溶线固相线(solvussolidus)温度被抑制到1140℃和1165℃之间，或介于1140℃和1165℃之间，诸如在1150℃。特别地，不应进一步抑制溶线温度，因为需要合理量的γ′面，以在1050℃的使用温度下确立足够的热机械疲劳(tmf)抗性。因此，在给定范围内的固相线温度允许在合金的强度和抗热裂性之间找到平衡或最佳工作点。
然而，有可能进一步提高al和fe水平(如与上文所描述的水平相比)，以提供甚至更高的抗氧化性，同时在约1150℃下具有类似的溶线温度。
有益的合金组合物的另一种可能性是允许tcp(拓扑密排相)相沉淀高达850℃并将cr含量减小到13.5％，以实现对合金的更大的基体和颗粒强化。
在实施例中，合金(排他地)由以下各成分构成或组成：作为基础或主要成分的ni；fe：重量百分比为2至8；cr：重量百分比为12至15；w：重量百分比为1.5至4.5；al：重量百分比为6.1至6.8；ta：重量百分比为2.5至5.5；hf：重量百分比为1.2至2；c：重量百分比为0.03至0.13；b：重量百分比为0.005至0.02；zr：重量百分比为0.005至0.02；si：重量百分比为0.005至0.02；重量百分比为在20和500ppmw之间的y、la、ce中的一种或多种；以及可选地，重量百分比为在0.01和0.5之间的稀土元素的总和，该稀土元素诸如sc、y、锕系元素和镧系元素。在吸引以及中和例如硫的杂质的方式这一方面，sc、y、锕系元素和镧系元素是类似的。
本发明的另外的方面涉及一种所描述合金的粉末材料，该粉末材料用于增材制造出一种结构。
特别是在slm应用的情况下，粉末可以包括横跨从10μm到80μm、优选地从40μm到60μm(例如，达到至少80％的程度)的范围的粉末粒度分布，其中粉末颗粒至少广泛地包括作为合成或制作方法(即，气体或流体雾化)的特性的球形形态。
本发明的另外的方面涉及一种由合金或基础材料而增材制造出结构和/或部件的方法。
在实施例中，该方法是激光金属沉积或激光熔覆。这是优选实施例。
在备选实施例中，该方法是选择性激光熔化、选择性激光烧结或电子束熔化方法，并且其中用于粉末的选择性凝固的能量束(优选地激光束)的扫描速度选自400mm/s到2000mm/s。
在实施例中，该方法是铸造方法，诸如熔模铸造或精密铸造。
本发明的另外的方面涉及一种部件，这种部件是所提到的结构(通过该方法制造)或包括这种结构，其中如与例如“in738lc”相比较，该部件包括增加的抗氧化性、增加的强度、以及增加的抗裂性，该强度诸如热机械疲劳强度，该抗裂性诸如抗热裂性。
与所描述的合金和/或所描述的粉末有关的优点或实施例也可以关于该方法和/或该部件，反之亦然。
具体实施方式
本文中所呈现的新颖合金是一种新型的叶片合金，该合金具有高抗氧化性和足够的tmf强度，同时仍然具有有利的抗热裂性，至少是in738lc水平和属于in738lc水平的叶片合金。
如本文中所描述的合金在从熔化状态冷却时，以与in738lc大约相同的方式促进γ′(gammaprime)沉淀。具体而言，已将溶线温度降低到与in738lc中相同的水平，以使得已经凝固的材料能够以与in738lc相同的方式适应凝固应变。在此的关键因素是使用fe来抑制溶线温度。附加地，hf水平高，而zr和si水平低，以例如减少在凝固期间晶界上的残余流体的量。
作为以上描述的补充或作为备选，所呈现的合金可以包括作为基础成分的镍、以及优选地以重量百分比为单位的以下各部分/元素(在元素符号前面)，或者，所呈现的合金可以由作为基础成分的镍、以及优选地以重量百分比为单位的以下各部分/元素(在元素符号前面)构成：3fe、14cr、2w、6.2al、3ta、1.5hf、0.08c、0.01b、0.01zr、0.01si和0.01ce。在6.2％al、3％ta和1.5％hf的情况下，所呈现的合金是高γ′含量合金。所述突出的γ′含量是有利的。
如上文所提到的，也有可能进一步提高al和fe水平，以提供甚至更高的抗氧化性，同时在约1150℃下具有类似的溶线温度。因此，所呈现的合金可以包括作为基础成分的镍、以及优选地以重量百分比为单位的以下各部分/元素(在元素符号前面)，或者，所呈现的合金可以由作为基础成分的镍、以及优选地以重量百分比为单位的以下各部分/元素(在元素符号前面)构成：6fe、14cr、2w、6.6al、3ta、1.5hf、0.05c、0.01b、0.01zr、0.01si和0.01ce。
另一种可能性是允许tcp沉淀高达850℃，并将cr含量减小到13.5％，以实现更大的基体和颗粒强化。因此，所呈现的合金可以包括作为基础成分的镍、以及优选地以重量百分比为单位的以下各部分/元素(在元素符号前面)，或者，所呈现的合金可以由作为基础成分的镍、以及优选地以重量百分比为单位的以下各部分/元素(在元素符号前面)构成：6fe、13.5cr、3.5w、6.2al、4.5ta、1.5hf、0.05c、0.01b、0.01zr、0.01si和0.01ce。
本发明的保护范围不限于上文中给出的示例。本发明体现在每个新颖的特性和特性的每个组合中，每个新颖的特性和特性的每个组合特别地包括权利要求中所陈述的任何特征的每个组合，即使该特征或特征的该组合未在权利要求或示例中被明确陈述。