镍基超级合金制品制造技术

本发明专利技术描述了一种低密度超级合金和无粘结层隔热涂层体系，该合金和ＴＢＣ体系相结合，可用于制造具有降低的叶片拉力的轻质涡轮机叶片。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
随着燃气轮机发动机的发展，对形成此类涡轮机工作部件的超级合金的需求正在增加。早期的燃气轮机发动机使用无保护涂层的多晶铸造涡轮机翼面。涡轮机技术揭示，以柱状晶粒包括拉长的晶粒铸造超级合金部件时，使晶粒的伸长方向与主应力轴的方向一致，可以提高机械性能。该技术减少了横向晶界的数目，改善了部件的机械性能。同时，大约从这个时期开始，人们普遍采用保护涂层来防止部件的氧化和腐蚀。燃气轮机部件发展的下一步是单晶的开发。单晶没有内部晶界，增强了机械性能水平。开发单晶合金以用于较高的温度，但单晶合金需要有效的保护涂层。从二十世纪八十年代开始，人们普遍采用陶瓷隔热涂层来保护发动机最热部位的超级合金部件，以提供热绝缘并允许在较高温度下工作。美国专利US 4248940和4321311描述了使用粘结层的隔热涂层，该粘结层展开了陶瓷隔热涂层粘附于其上的粘性氧化铝层。尽管带有粘结层的隔热涂层作为绝热体非常有效，但是粘结层的重量会对旋转部件上的拉伸应力造成影响，对高转速下运行的现代发动机的影响尤为显著。此外，还已知粘结层在中温时通常变脆；这种延展性的缺乏促成了发动机服役中过早地发生热疲劳断裂。出于这些原因，以及成本上的考虑，翼面的寿命可通过消除粘结层而提高。美国专利US 5262245描述了一种包括超级合金的陶瓷隔热涂层体系，该超级合金展开了一种陶瓷隔热涂层将粘附于其上的粘性氧化铝屑片(scale)，而无需中间粘结层。美国专利US 4209348、US 4459160和US 4643782描述了适于用作单晶的超级合金组合物。专利技术概要本专利技术包含镍基超级合金基底，以及该镍基超级合金与隔热涂层体系的组合，其中隔热涂层体系包括在基底上就地形成的持久的粘性氧化铝屑片和不用中间粘结层而直接施用于氧化铝屑片上的陶瓷隔热涂层。该超级合金为具有优异低循环疲劳性能的较低密度合金，并且该隔热涂层粘附于基底上形成的氧化铝屑片上，无需粘结层。低密度超级合金与无粘结层隔热体系的组合，因部件重量的减轻而降低了旋转件的离心应力。这对于部件在高转速下工作的应用是至关重要的。本专利技术可应用于燃气轮机，尤其是燃气轮机叶片。这种叶片通常包括翼面部分和根部或连接部。涡轮机翼面在温度超过约1500°F的高温环境下工作，并且通常是在内部冷却。发动机的性能、寿命和效率可由对冷却翼面的翼面部分进行绝热而提高。优选方案的描述除非另外注明，组分以重量百分比表示。已经开发了高级的超级合金组合物，该组合物具有提高了的强度和高温性能。然而，很多这些高级组合物包含增加了它们密度的重元素，如铼、钼和钨。较高密度的合金结合现代涡轮机设计的典型的较高转速，增加了运动翼面上的拉应力。应力的增加是涡轮机叶片的根部或连接部位的一个特殊问题。本专利技术的一个主要方面是发现了一组低密度的超级合金，通过较少的成分修正，可表现出令人吃惊的更好的抗氧化性，又不牺牲其它重要性能。已经发现，如此修正的合金产生了粘性和持久性大幅度提高的氧化铝屑片，并且适于用作无需粘结层的隔热涂层的基底。该发现具有积极的意义。本专利技术超级合金的密度显著低于新近发展的许多超级合金。并且，由于本专利技术的超级合金无需粘结层，制成叶片的重量进一步减轻，因而降低了发动机的旋转张力。其它的优点是TMF(热机械疲劳)断裂被大大延迟、减少或消除。我们也发现，当TBC直接应用于本专利技术的超级合金(具有薄的中间氧化铝屑片)而不是中间粘结层时，TBC的抗剥离能力增强。本专利技术揭示了向某些超级合金中添加钇和铪，可使之产生持久的粘性的氧化铝层，该层将既与基底粘结又与陶瓷隔热涂层粘结，从而免去了对中间粘结层的需要。表I本专利技术合金的组成范围，重量％ 表I表示了本专利技术的宽范围和中间范围，以及三个优选范围。该宽范围和中间范围包括适于制备等轴晶粒、柱状晶粒和单晶制件的组成。该三个优选范围最适于单晶应用。对于单晶应用，优选C少于约0.05％，B少于约0.005％和Zr少于约0.1％。优选使表I中的范围限制为(Al+Ti+0.2Ta)的值从约6.5至约11.5，最优选为从约7.0至约10.5；而(W+0.8Ta)的值为约9.5至约17.5，并最优选为约10.5至约16.5。本专利技术的一个重要的方面是发现了向这些合金中添加少量的、精确控制剂量的铪和钇，通过提高在暴露于氧化条件下形成的氧化铝屑片的持久性和附着性，显著提高了这些合金的抗氧化性。我们使用的是在低氧分压条件下的受控加热氧化，因为我们发现这会产生具有优异附着性和持久性的氧化铝屑片。该屑片的强化的持久性和附着性允许消除常用的金属粘结层。鉴于专利技术合金中相当低的铝含量和Y与Hf的用量少，由本专利技术的实践所导致的氧化铝屑片的持久性和附着性的增强是令人吃惊的和意想不到的。美国专利US 5221336描述了控制铸件中Y含量的铸造技术。美国专利US 4719080规定了镍基超级合金的宽范围，并用等式描述了称作计算参数P的值，该等式规定了产生性能最优组合的不同元素之间的理想关系，焦点集中于高的抗蠕变强度。US 4719080中的P参数等式复述如下等式I-P参数P＝-200Cr+80Mo2-250Ti2-50(Ti×Ta)+15Cb+200W-14W2+30Ta-1.5Ta2+2.5Co+1200Al-100Al2+100Re+1000Hf-2000Hf2+700Hf3-2000V-500C-15000B-500ZrP参数是超级合金抗蠕变断裂性能的良好指示者/预示者，为获得高的P参数，通常需要使用重的合金元素。结果合金密度的增加导致工作过程中离心力增加，LCF性能并不同时得到改善，因而实际上某种程度地抵消了因高P参数而带来的抗蠕变性能的提高。本专利技术合金与目前的高强度合金相比，具有低至中等水平的重合金元素含量，因此密度较低并产生比具有较高P参数合金低的离心应力。同时，由于本专利技术合金不需要粘结TBC的粘结层，TBC涂敷的部件的实际密度进一步降低；因为人们会意识到粘结层增加了部件的重量。对于一种具有高强度性能的合金，美国专利US 4719080中公开的最小P参量值为3360，该专利公开的最大P参量值为4700。当将上面表I中的组成范围代入P参数等式时，宽范围的最高值为约2130，宽范围的最低值为负807。因此，作为本专利技术的中心，该组成可通过P参量与美国专利US 4719080的组成相区分。一般地，为实现高LCF强度和低密度的理想组合，P参量应小于约2500，优选小于约1800。对于这些合金，添加钇和铪所造成的氧化铝屑片与隔热涂层之间的增强的附着力是令人吃惊的和意想不到的。本专利技术合金产生持久和粘性的氧化铝屑片。这些粘性的屑片确保很好地粘结随后施用的陶瓷涂层，并且还增强了无涂层的抗氧化性。该氧化铝屑片优选在涂敷陶瓷TBC层之前，通过加热氧化本专利技术的合金表面来产生。氧化优选在低氧电势(oxygen potential)的气氛中进行。优选在露点约-30°F至约-100°F的氢气氛中于1800-2100°F温度下进行1-10小时。特别优选在露点为约-40°F的气氛中于约1975°F下进行约4小时的热处理。在此将描述了优选表面制备工艺细节的USSN 09/274127 A SurfacePreparation Process for Depositio本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镍基超级合金组合物，其组成基本如下（重量百分比）：约６～１３％的Ｃｒ；约４．５～７％的Ａｌ；约０．５～２．５％的Ｔｉ；约３～１２％的Ｗ；至多约１４％的Ｔａ；至多约１５％的Ｃｏ；约０．０５～１．５％的Ｈｆ； 约０．００３～０．０４０％的Ｙ；至多约４％的Ｍｏ；至多约１％的Ｒｅ；至多约０．１％的Ｃ；至多约０．０５％的Ｂ；至多约０．１５％的Ｚｒ；至多约２％的Ｎｂ；至多约２％的Ｖ；剩余的主要为Ｎｉ；其中根据等式Ⅰ计算 的Ｐ参数不超过约２５００。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克F泽尔斯基，丹什K格普塔，艾伦D塞特尔，
申请(专利权)人：联合工艺公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]