镍基超合金、单晶叶片以及涡轮机制造技术

本发明专利技术涉及镍基超合金，以质量百分比计，其包含：4.0％至6.0％的铬；0.4％至0.8％的钼；2.5％至3.5％的铼；6.2％至6.6％的钨；5.2％至5.7％的铝；0.0至1.6％的钛；6.0％至9.9％的钽；0.0至0.7％的铪；和0.0至0.3％的硅；余量由镍和任何杂质构成。本发明专利技术还提供一种包含该合金单晶叶片(20A、20B)，以及包含该叶片(20A、20B)的涡轮机(10)。

Nickel-based superalloys, single crystal blades and turbines

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】镍基超合金、单晶叶片以及涡轮机专利技术背景本公开涉及一种镍基超合金，其用于燃气涡轮，特别是用于固定叶片(blade)[也称为桨(vane)或喷嘴]，或用于燃气涡轮中的移动叶片，例如用在航空领域中。已知使用镍基超合金来制造用于飞机或直升机发动机中燃气涡轮的固定单晶叶片或移动单晶叶片。这些材料的主要优势是结合了高温下的高抗蠕变性以及良好的抗氧化性和抗腐蚀性随着时间的推移，用于单晶叶片的镍基超合金的化学组成发生了很大变化，特别是为了改进其高温蠕变性能、同时保持对于极其恶劣环境(这些超合金在该环境中使用)的良好抗性。此外，已经开发出适用于这些合金的金属涂层，以提高合金对于恶劣环境(这些合金在该环境中使用)的抗性，特别是提高抗氧化性和抗腐蚀性。此外，可以添加用作热屏障的低热导率的陶瓷涂层，以降低金属表面的温度。通常，完整的保护系统包括至少两层。第一层(也称为衬层或粘合涂层)直接沉积在待保护的镍基超合金部件(也称为基材)上，例如，固定叶片或移动叶片。在沉积步骤之后是使粘合涂层扩散到超合金中的步骤。沉积和扩散也可以在单个步骤中进行。通常用于制造该粘合涂层的材料包括：MCrAlY[M＝Ni(镍)或Co(钴)或Ni和Co的混合物，Cr＝铬，Al＝铝和Y＝钇]型的氧化铝形成金属合金或铝化镍型合金(NixAly)，其中一些还含有铂(NixAlyPtz)。通常称为热屏障涂层(TBC)的第二层是例如包含经氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)或经氧化钇部分稳定的氧化锆(YPSZ)并具有多孔结构的陶瓷涂层。该层可以通过各种方法沉积，例如，电子束物理气相沉积(EB-PVD)、大气等离子喷涂(APS)、悬浮等离子喷涂(SPS)、或提供具有低热导率的多孔陶瓷涂层的任意其它方法。由于在高温下使用这些材料，例如，在650℃至1150℃的范围内使用这些材料，在微观尺度上，在基材的镍基超合金和粘合涂层的金属合金之间产生了相互扩散现象。从涂层的制造开始并叶片在涡轮中后续使用中，这些与粘合涂层氧化相关的相互扩散现象改变了粘合涂层的化学组成、微观结构以及机械性质。这些相互扩散现象还改变了基材超合金的化学组成、微观结构以及机械性质。在具有非常高含量的难熔元素、特别是铼的超合金中，可以在粘合涂层下的超合金中形成二级反应区(SRZ)，其深度为几十或甚至几百微米。该SRZ的机械特性远不如基材的超合金的机械特性。SRZ的形成是不期望的，因为其导致超合金强度的显著下降。粘合涂层中的这些变化与应力场相关，所述应力场与运行时在该粘合涂层表面上形成的氧化铝层生长[也称为热生长氧化物(TGO)]以及在各层之间的热膨胀系数差异相关，所述变化导致粘合涂层和陶瓷涂层之间的界面区域中失去内聚力，这可能导致陶瓷涂层部分或全部散裂。然后金属部分(超合金基材和金属粘合涂层)裸露并直接暴露于燃烧气体，因而使损坏叶片并因此损坏燃气涡轮的风险增加。专利技术目的和概述本公开试图提供一种用于制造单晶部件的镍基超合金，其在非常高的温度下呈现出比现有合金更好的机械特性，并且提高了热屏障的抗散裂性。为此，本公开提供了一种镍基超合金，以质量百分比计，其包含：4.0％至6.0％的铬；0.4％至0.8％的钼；2.5％至3.5％的铼；6.2％至6.6％的钨；5.2％至5.7％的铝；0.0至1.6％的钛；6％至9.9％的钽；0至0.7％的铪；和0至0.3％的硅；余量由镍和任何杂质构成。该超合金用于制造燃气涡轮中单晶部件，例如，固定叶片或移动叶片。通过该镍(Ni)基超合金，与现有超合金相比，抗蠕变性得以改进，特别是在高达1200℃的温度下尤为如此，并且与在现有超合金上所观察到的相比，热屏障的粘附性得以增强。因此，该合金在高温下具有改进的抗蠕变性。由于该合金的寿命较长，因此该合金还具有改进的抗腐蚀性和抗氧化性。该合金还具有改进的抗热疲劳性。镍基合金部件是在使用失蜡铸造时在温度梯度下通过定向凝固工艺获得的。镍基单晶超合金具有面心立方体结构的奥氏体基质，镍基固溶体，称为伽玛(“γ”)相。该基质含有Ni3Al型L12有序立方结构的伽玛’(“γ’”)硬化相的沉淀物。因此，该组合(基材和沉淀物)被称为γ/γ’超合金。此外，该镍基超合金组合物适合于进行热处理，所述热处理使得在超合金凝固过程中形成的γ’相沉淀物和γ/γ’共晶相完全回到溶液中。因此，可以获得镍基单晶超合金，其含有受控尺寸的γ’沉淀物，优选地在300纳米(nm)至500nm的范围内，并且不含γ/γ’共晶相。处理还可以控制镍基单晶超合金中存在的γ’相沉淀物的体积分数。γ’相沉淀物的体积分数可以大于或等于50％，优选大于或等于60％，更优选等于70％。添加钨(W)、铬(Cr)、铼(Re)或钼(Mo)主要用于通过在固溶体中硬化来强化γ奥氏体基质。添加铝(Al)、钛(Ti)或钽(Ta)可提高γ'硬化相Ni3(Al、Ti、Ta)的沉淀。铼(Re)用于减缓超合金中化学物质的扩散，并限制在高温运行期间γ'相沉淀物的聚结(一种导致机械强度降低的现象)。因此，铼用于改进镍基超合金在高温下的抗蠕变性。然而，过高的铼浓度可能导致金属间相析出，例如，相σ、P、或μ，也称为拓扑密堆(TCP)相，其对超合金的机械性质具有负面影响。过高的铼浓度还会在粘合涂层下的超合金中形成二次反应区，从而对超合金的机械性质产生负面影响。同时添加硅(Si)和铪(Hf)用于通过提高高温下形成于超合金表面处的氧化铝(Al2O3)层的粘附性来改进镍基超合金在热的情况下的抗氧化性。该氧化铝层在镍基超合金的表面形成钝化层，以及阻挡氧气从外部向镍基超合金内部扩散的屏障。然而，可以添加铪而不添加硅，也可以添加硅而不添加铪，并且仍然能提高超合金在热的情况下的抗氧化性。此外，添加铬或铝用于改进超合金在高温下的抗氧化性和抗腐蚀性。特别是，铬对于提高镍基超合金在热的情况下的抗腐蚀性是必不可少的。然而，过高的铬含量会降低镍基超合金的γ’相的固溶温度(solvustemperature)，这是不期望的，即所述固溶温度是高于该温度则γ’相完全溶解在γ基质中的温度。因此，铬的浓度为4.0质量％至6.0质量％，以保持镍基超合金的γ’相的高固溶温度，例如，高于或等于1250℃，并且还避免在元素(如铼、钼或钨的)高度饱和的γ基质中形成拓扑致密相(topologicallycompactphase)。添加难熔元素(如钼、钨、铼或钽)可以缓解控制镍基超合金蠕变的机制。该机制依赖于超合金中化学元素的扩散。还应观察到，镍基超合金不包含钴(Co)，钴是具有使γ’相固溶温度下降的效果的元素。术语“杂质”用于表示以不希望的方式少量存在于金属中的化学元素，例如，具有浓度小于或等于0.05质量％的元素。术语“镍基合金”用于表示镍的质量百分比占大多数的合金。因此，可以理解，镍是该合金中具有最大质量百分比的元素。以质量百分比计，该超合金可以包含：4.8％至5.2％的铬；0.4％至0.8％的钼；2.8％至3.2％的铼；6.2％至6.6％的钨；5.2％至5.7％的铝；0.8至1.2％的钛；6.3％至9.2％的钽；0.3至0.7％的铪；和0.0至0.3％的硅；余量由镍和任何杂质构成。以质量百分比计，该超合金可以包含：4.8％至5.2％的铬；0.4％至0.8％的钼；2.8％至本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镍基超合金，以质量百分比计，所述超合金包含：4.0％至6.0％的铬；0.4％至0.8％的钼；2.5％至3.5％的铼；6.2％至6.6％的钨；5.2％至5.7％的铝；0.0至1.6％的钛；6.0％至9.9％的钽；0.0至0.7％的铪；和0.0至0.3％的硅；余量由镍和任何杂质构成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.25 FR 16603371.一种镍基超合金，以质量百分比计，所述超合金包含：4.0％至6.0％的铬；0.4％至0.8％的钼；2.5％至3.5％的铼；6.2％至6.6％的钨；5.2％至5.7％的铝；0.0至1.6％的钛；6.0％至9.9％的钽；0.0至0.7％的铪；和0.0至0.3％的硅；余量由镍和任何杂质构成。2.如权利要求1所述的超合金，以质量百分比计，所述超合金包含：4.8％至5.2％的铬；0.4％至0.8％的钼；2.8％至3.2％的铼；6.2％至6.6％的钨；5.2％至5.7％的铝；0.8至1.2％的钛；6.3％至9.2％的钽；0.3至0.7％的铪；和0.0至0.3％的硅；余量由镍和任何杂质构成。3.如权利要求1所述的超合金，以质量百分比计，所述超合金包含：4.8％至5.2％的铬；0.4％至0.8％的钼；2.8％至3.2％的铼；6.2％至6.6％的钨；5.2％至5.7％的铝；0.0至1.5％的钛；6.3％至6.7％的钽；0.3至0.7％的铪；和0.0至0.3％的硅；余量由镍和任何杂质构成。4.如权利要求1所述的超合金，以质量百分比计，所述超合金包含：4.8％至5.2％的铬；...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·拉姆，P·贝雷格，P·卡隆，J·德劳特瑞，V·杰凯特，O·拉维涅，
申请(专利权)人：赛峰集团，赛峰飞机发动机公司，国家宇航学术及研究局，赛峰直升机发动机公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR