由包含铼的超合金制成的涡轮部件以及相关制造方法技术

本发明专利技术涉及一种涡轮部件，该涡轮部件包括：由包含铼的单晶镍基超合金制成的基板，该基板具有γ‑γ’Ni相，并且铬的平均质量分数小于0.08；覆盖基板的由镍基金属超合金制成的子层，其特征在于，由金属超合金制成的子层至少包括铝、镍、铬、硅、铪并且具有体积占主导的γ’‑Ni3Al相。

Turbine components made of superalloys containing rhenium and related manufacturing methods

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】由包含铼的超合金制成的涡轮部件以及相关制造方法
本专利技术涉及一种例如用于航空的涡轮部件，诸如涡轮叶片或喷嘴叶片。
技术介绍
在涡轮喷气发动机中，由燃烧室产生的排气可以达到1200℃或者甚至1600℃以上的高温。因此，涡轮喷气发动机的与这些排气接触的部件(诸如涡轮叶片)例如必须能够在这些高温下维持其机械性能。为此，已知的是，以“超合金”制造涡轮喷气发动机的某些部件。超合金是高强度金属合金的族，其可以在相对接近其熔点的温度(通常是其熔化温度的0.7倍至0.8倍)下工作。为了增加这些超合金的耐热性并且保护其免受氧化和腐蚀，已知的是，用充当隔热层的涂层对这些超合金进行涂覆。图1示出了例如为涡轮叶片6或喷嘴叶片的涡轮部件1的截面的示意图。部件1包括基板2，该基板由涂覆有隔热层10的单晶金属超合金2制成。隔热层10通常由金属子层、保护层和绝热层组成。金属子层覆盖金属超合金基板。金属子层本身被保护层覆盖，该保护层通过金属子层的氧化形成。保护层保护超合金基板免受腐蚀和/或氧化。绝热层覆盖保护层。绝热层可以由陶瓷(例如掺氧化钇的氧化锆)制成。金属子层在超合金基板的表面与保护层之间提供粘结：金属子层有时被称为“粘结层”。子层可以由单个铝化镍β-NiAl或改性铂β-NiAlPt制成。子层的平均铝质量分数(介于0.35至0.45之间)足以单独形成氧化铝(Al2O3)保护层，以保护超合金基板免受氧化和腐蚀。然而，当部件经受高温时，超合金基板与金属子层之间的镍(尤其是铝)的浓度差导致各种元素的扩散，特别是来自基板的镍扩散到金属子层，以及来自金属子层的铝扩散到超合金。这种现象被称为“相互扩散”。相互扩散可能导致在基板的与子层接触的部分中形成一级和二级反应区(SecondaryReactionZone，SRZ)。图2是覆盖基板2的子层3的截面的显微照片。显微照片是在部件经受一系列热循环以模拟部件1的温度工作条件之前拍摄的。基板2富含铼，即铼的平均质量分数大于0.04。已知的是，在超合金的组分中使用铼，以增加超合金部件的抗蠕变性。还已知的是，当基板富含铼时，使用具有低的平均铬质量分数(即小于0.08)的超合金，以增加结构的抗氧化性和抗腐蚀性。通常，基板2具有γ-γ’Ni相。子层3是β-NiAlPt类型的。基板在基板2的直接被子层3覆盖的部分中具有一级相互扩散区5。基板2还具有直接被一级相互扩散区5覆盖的二级相互扩散区6。图2中所示的二级相互扩散区的厚度约为35μm，并且更通常地介于20μm至50μm之间。图3是覆盖基板2的子层3的截面的显微照片。该显微照片示出了在经受上述一系列热循环之后的子层3和基板2。子层3覆盖基板2。基板2具有一级相互扩散区5和二级相互扩散区6。局部地，二级相互扩散区的厚度可以大于100μm并且可以厚至150μm，如图3中的白色段所示。含铼的低铬超合金与β-NiAlPt类型的子层的组合导致形成二级反应区。通过使部件1经受高温条件(例如1000℃以上)而在基板2中产生裂纹8和/或高机械应力，二级反应区的形成极大地降低了超合金的机械性能(蠕变、疲劳)。因此，超合金基板与子层之间的相互扩散会对超合金部件的使用寿命产生不利影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种解决方案，与已知部件相比，该解决方案在使用期间有效地保护超合金涡轮部件免受氧化和腐蚀，同时增加其使用寿命。在本专利技术中，该目的是借助于涡轮部件来实现的，该涡轮部件包括：由包含铼的单晶镍基超合金制成的基板，该基板具有γ-γ’Ni相，并且平均铬质量分数小于0.08；以及覆盖基板的镍基金属超合金子层，其特征在于，金属超合金子层至少包括铝、镍、铬、硅、铪并且具有体积占主导的γ’-Ni3Al相。由于金属子层具有接近基板结构的同素异形结构，因此防止和/或限制了二级反应区的形成。因此，限制或防止了在经受高温条件(例如1000℃以上)的部件的基板中裂纹的形成，以及保护性氧化铝层的剥落。另外，由于金属子层包括铝，同时具有体积占主导的γ’-Ni3Al相，因此在工作条件下，与使用已知的金属子层相比，该金属子层可以在更长的时间内被氧化以形成保护性铝层。另外，涡轮部件可以具有以下特征：-子层还具有γ-Ni相；-基板的平均铼质量分数大于0.04；-子层的平均铂质量分数介于0至0.05之间；-子层的平均铝质量分数介于0.06至0.25之间；-子层的平均铬质量分数介于0.07至0.20之间；-子层的平均铪质量分数小于5％；-子层的平均硅质量分数小于5％；-子层进一步包括选自钴、钼、钨、钛和钽中的至少一种元素；-氧化铝的保护层覆盖子层；-绝热陶瓷层覆盖保护层；-子层的厚度介于5μm至50μm之间。本专利技术进一步涉及一种用于制造涡轮部件的方法，该方法包括以下步骤：将具有体积占主导的γ’-Ni3Al相的镍基超合金的子层真空沉积在包含铼并具有γ-γ’Ni相的镍基超合金基板上。该沉积可以通过选自物理气相沉积、热喷涂(例如通过高速氧气燃料(high-velocityoxygenfuel，HVOF)系统进行的热喷涂)、焦耳蒸发、脉冲激光烧蚀和溅射中的一种方法来进行。可以通过对不同金属材料的靶进行共同喷涂和/或共同蒸发来使子层沉积。附图说明将在以下描述中进一步强调其它特征和优点，以下描述是纯说明性和非限制性的并且应当结合附图进行阅读，在附图中：-图1示出了例如为涡轮叶片或喷嘴叶片的涡轮部件的横截面的示意图；-图2是覆盖基板的子层的截面的显微照片；-图3是覆盖基板的子层3的截面的显微照片；-图4示意性地示出了隔热层的截面，该隔热层覆盖根据本专利技术的实施例的涡轮部件的基板。定义术语“超合金”是指在高温和高压下对氧化、腐蚀、蠕变和循环(特别是机械或热)应力表现出非常好的耐性的复合合金。超合金在制造航空用部件(例如涡轮叶片)方面具有具体应用，因为这些超合金构成了高强度合金的族，这些高强度合金可以在相对接近其熔点的温度(通常是其熔化温度的0.7至0.8倍)下工作。超合金可以具有两相微观结构，该两相微观结构包括形成基质的第一相(被称为“γ相”)和形成在基质中硬化的析出物的第二相(被称为“γ’相”)。超合金的“基础”是基质的主要金属成分。在大多数情况下，超合金包括铁基、钴基或镍基，但是有时也包括钛基或铝基。“镍基超合金”具有在抗氧化性、耐高温断裂性和重量之间取得良好折中的优点，这证明了这些镍基超合金在涡轮喷气发动机的最热部件中的使用。镍基超合金由奥氏体面心立方γ-Ni类型(可选地在α取代的固溶体中包含添加剂(Co、Cr、W、Mo))的γ相(或基质)以及γ’-Ni3X类型(其中，X＝Al、Ti或Ta)的γ’相(或析出物)组成。γ’相具有从面心立方结构派生的有序的L12结构，该L12结构与基质相干，即具有与该基质非常接近本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.涡轮部件(1)，所述涡轮部件包括：/n-单晶镍基超合金的基板(2)，所述基板包括铼并具有γ-γ’Ni相，并且平均铬质量分数小于0.08；/n-镍基的金属超合金子层(3)，所述金属超合金子层覆盖所述基板(2)；/n其特征在于，/n-所述金属超合金子层(3)至少包括铝、镍、铬、硅、铪并且具有体积占主导的γ’-Ni

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171020 FR 17010961.涡轮部件(1)，所述涡轮部件包括：
-单晶镍基超合金的基板(2)，所述基板包括铼并具有γ-γ’Ni相，并且平均铬质量分数小于0.08；
-镍基的金属超合金子层(3)，所述金属超合金子层覆盖所述基板(2)；
其特征在于，
-所述金属超合金子层(3)至少包括铝、镍、铬、硅、铪并且具有体积占主导的γ’-Ni3Al相。


2.根据权利要求1所述的部件，其中，所述子层(3)还具有γ-Ni相。


3.根据权利要求1或2所述的部件，其中，所述基板(2)的平均铼质量分数大于0.04。


4.根据权利要求1至3中的一项所述的部件，其中，所述子层(3)的平均铂质量分数小于0.05。


5.根据权利要求1至4中的一项所述的部件，其中，所述子层(3)的平均铝质量分数介于0.06至0.25之间。


6.根据权利要求1至5中的一项所述的部件，其中，所述子层(3)的平均铬质量分数介于0.07至0.20之间。


7.根据权利要求1至6中的一项所述的部件，其中，所述子层(3)的平均铪质量分数小于5％。

【专利技术属性】
技术研发人员：艾玛尔·撒伯恩德吉，维尔日妮·杰凯特，
申请(专利权)人：赛峰集团，
类型：发明
国别省市：法国;FR