BR112020009498B1 - Superliga à base de níquel, pá monocristalina para uma turbomáquina, e, turbomáquina - Google Patents

Abstract

A invenção se refere a uma superliga à base de níquel caracterizada pelo fato de que compreende, em porcentagens em massa, 4,0 a 5,5% de rênio, 1,0 a 3,0% de rutênio, 2,0 a 14,0% de cobalto, 0,3 a 1,0% de molibdênio, 3,0 a 5,0% de cromo, 2,5 a 4,0% de tungstênio, 4,5 a 6,5% de alumínio, 0,50 a 1,50% de titânio, 8,0 a 9,0% de tântalo, 0,15 a 0,30% de háfnio, 0,05 a 0,15% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis. A invenção também se refere a uma pá monocristalina (20A, 20B) compreendendo uma tal liga, e a uma turbomáquina (10) compreendendo uma tal pá (20A, 20B).

Description

Fundamentos da invenção

[001] A presente descrição se refere a superligas à base de níquel para turbinas a gás, em particular para pás estacionárias, também conhecidas como bocais ou retificadores, ou pás móveis de uma turbina a gás, por exemplo na indústria aeroespacial

[002] Superligas à base de níquel são conhecidas como sendo usadas na fabricação de pás de turbina a gás monocristalinas fixas ou móveis para motores de aeronaves e helicópteros.

[003] As principais vantagens destes materiais são a combinação de alta resistência à fluência em altas temperaturas e resistência à oxidação e à corrosão.

[004] Com o tempo, as superligas à base de níquel para pás monocristalinas sofreram grandes variações em sua composição química, tendo em vista em particular melhorar suas propriedades em fluência em altas temperaturas enquanto mantêm resistência a ambientes muito agressivos em que estas superligas são usadas.

[005] Além disso, foram desenvolvidos revestimentos metálicos adaptados a estas ligas para aumentar sua resistência ao ambiente agressivo em que estas ligas são usadas, incluindo resistência à oxidação e resistência à corrosão. Além disso, um revestimento cerâmico de baixa condutividade térmica, desempenhando uma função de barreira térmica, pode ser adicionado para reduzir a temperatura na superfície do metal.

[006] Tipicamente, um sistema de proteção completo consiste de pelo menos duas camadas.

[007] A primeira camada, também chamada a subcamada ou cobertura de ligação, é depositada diretamente sobre componente de superliga à base de níquel a ser protegido, também conhecido como o substrato, por exemplo uma pá. A etapa de deposição é seguida por uma etapa de difusão da cobertura de ligação na superliga. Deposição e difusão podem também ser realizadas em uma única etapa.

[008] Os materiais geralmente usados para formar esta cobertura de ligação incluem ligas de metal formadoras de alumina do tipo MCrAlY (M = Ni (níquel) ou Co (cobalto)) ou uma mistura de Ni e Co, Cr = cromo, Al = alumínio e Y = ítrio, ou ligas tipo alumineto de níquel (NixAly), algumas também contendo platina (NixAlyPtz).

[009] A segunda camada, geralmente chamada um revestimento de barreira térmica (TBC), é um revestimento cerâmico compreendendo, por exemplo, zircônia itriada, também chamada ítria zircônia estabilizada (YSZ) ou ítria zircônia parcialmente estabilizada (YPSZ), e tendo uma estrutura porosa. Esta camada pode ser depositada por vários processos, tais como deposição física a vapor por feixe de elétrons (EB-PVD), pulverização de plasma atmosférica (APS), pulverização de plasma em suspensão (SPS) ou outros processos para produzir um revestimento cerâmico poroso com baixa condutividade térmica.

[0010] Devido ao uso destes materiais a altas temperaturas, por exemplo, 650°C a 1150°C, ocorrem fenômenos de interdifusão em escala microscópica entre a superliga à base de níquel do substrato e a liga metálica da cobertura de ligação. Estes fenômenos de interdifusão, associados com a oxidação da cobertura de ligação, modificam em particular a composição química, a microestrutura e, consequentemente, as propriedades mecânicas da cobertura de ligação logo que o revestimento é fabricado, então durante o uso da pá na turbina. Estes fenômenos de interdifusão também modificam a composição química, a microestrutura e consequentemente as propriedades mecânicas da superliga do substrato sob o revestimento. Em superligas com um alto teor de elementos refratários, particularmente rênio, uma zona de reação secundária (SRZ) pode assim ser formada na superliga sob o revestimento por uma profundidade de várias dezenas ou mesmo centenas de micrometros. As características mecânicas desta SRZ são significativamente inferiores àquelas do substrato da superliga. A formação de SRZs é indesejável porque ela leva a uma redução significativa da resistência mecânica da superliga.

[0011] Estas variações na cobertura de ligação, juntamente com os campos de tensão associados com o crescimento da camada de alumina que se forma em serviço sobre a superfície desta camada de ligação, também conhecido como óxido termicamente expandido (TGO) e as diferenças dos coeficientes de dilatação térmica entre as diferentes camadas, geram descoesões na zona interfacial entre a subcamada e o revestimento cerâmico, que podem levar à escamação parcial ou total do revestimento cerâmico. A parte metálica (substrato de superliga e cobertura de ligação metálica) é então desnudada e diretamente exposta aos gases de combustão, o que aumenta o risco de danificar a pá e assim a turbina a gás.

[0012] Além disso, a química complexa destas ligas pode levar a uma desestabilização de sua microestrutura ótima com o aparecimento de partículas de fases indesejáveis durante a manutenção a alta temperatura de peças formadas a partir destas ligas. Esta desestabilização tem consequências negativas sobre as propriedades mecânicas destas ligas. Estas fases indesejáveis de estrutura cristalina complexa e natureza frágeis são chamadas fases topologicamente compactadas (TPC).

[0013] Além disso, podem se formar defeitos de fundição em componentes, tais como as pás, quando elas são fabricadas por solidificação direcional. Estes defeitos são usualmente grãos parasitas do tipo “Freckle”, cuja presença pode causar falha prematura da peça em serviço. A presença destes defeitos, ligada à composição química da superliga, geralmente leva à rejeição do componente, o que aumenta o custo de produção.

Matéria e sumário da invenção

[0014] A presente descrição visa propor composições de superliga à base de níquel para a fabricação de componentes monocristalinos, com desempenho melhorado em termos de vida em serviço e resistência mecânica, e permitindo uma redução dos custos de produção da peça (taxa de sucateamento reduzida) em comparação com as ligas existentes. Estas superligas têm uma resistência a fluência em altas temperaturas mais alta do que as ligas existentes enquanto apresentam boa estabilidade microestrutural no volume da superliga (baixa sensibilidade à formação de TPC), boa estabilidade microestrutural sob a cobertura de revestimento de ligação de barreira térmica (baixa sensibilidade à formação de SRZ), boa resistência à oxidação e corrosão enquanto evita a formação de grãos parasíticos tipo “freckle”.

[0015] Para este fim, a presente descrição se refere a uma superliga à base de níquel compreendendo, em porcentagens em massa, 4,0 a 5,5% de rênio, 1,0 a 3,0% de rutênio, 2,0 a 14% de cobalto, 0,30 a 1,00% de molibdênio, 3,0 a 5,0% de cromo, 3,5 a 5,5% de tungstênio, 4,5 a 6,5% de alumínio, 0,50 a 1,50% de titânio, 8,0 a 9,0% de tântalo, 0,15 a 0,30% de háfnio, preferivelmente 0,16 a 0,30% de háfnio, preferivelmente 0,17 a 0,30% de háfnio, preferivelmente 0,18 a 0,30% de háfnio, preferivelmente 0,08 a 0,12% de silício, ainda mais preferivelmente 0,10% de silício, ainda mais preferivelmente 0,20 a 030% de háfnio, 0,095 a 0,15% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

[0016] Esta superliga é destinada à fabricação de componentes monocristalinos de turbina a gás, tais como pás fixas ou móveis.

[0017] Graças a esta composição da superliga à base de níquel (Ni), a resistência a fluência é melhorada em comparação com as superligas existentes, particularmente a temperaturas de até 1200°C.

[0018] Esta liga, portanto, tem resistência a fluência em alta temperatura melhorada. Esta liga também tem resistência à corrosão e oxidação melhorada.

[0019] Estas superligas têm uma densidade inferior ou igual a 9,00 g/cm3 (gramas por centímetro cúbico).

[0020] Um componente monocristalino de superliga à base de níquel é obtido por um processo de solidificação dirigida sob gradiente térmico em uma fundição por cera perdida. A superliga cristalina à base de níquel compreende uma matriz austenítica com uma estrutura cúbica de face centrada, uma solução sólida à base de níquel conhecida como a fase gama (γ). Esta matriz contém precipitados de fase endurecedora gama primo (γ’) de estrutura cúbica ordenada L12 de tipo Ni3Al. O conjunto (matriz e precipitados) é assim descrito como uma superliga γ / γ’.

[0021] Além disso, esta composição da superliga à base de níquel permite a implementação de um tratamento térmico que recoloca em solução os precipitados de fase Y’ e as fases eutéticas γ / γ’ que são formadas durante a solidificação da superliga. Assim, uma superliga cristalina à base de níquel pode ser obtida contendo precipitados Y’ de tamanho controlado, preferivelmente entre 300 e 500 nanômetros (nm), e contendo uma pequena proporção das fases eutéticas γ/γ’.

[0022] O tratamento térmico também possibilita controlar a fração em volume dos precipitados de fase Y’ presentes na superliga cristalina à base de níquel. A porcentagem em volume dos precipitados de fase Y’ pode ser superior ou igual a 50%, preferivelmente superior ou igual a 60%, ainda mais preferivelmente igual a 70%.

[0023] Os elementos de adição majoritários são cobalto (Co), cromo (Cr), molibdênio (Mo), rênio (Re), tungstênio (W), alumínio (Al), titânio (Ti) e tântalo (Ta).

[0024] Os elementos de adição minoritários são háfnio (Hf) e silício (Si), para os quais o teor máximo é inferior a 1% em massa.

[0025] Impurezas inevitáveis incluem enxofre (S), carbono (C), boro (B), ítrio (Y), lantânio (La) e cério (Ce). Impurezas inevitáveis são definida como aqueles elementos que não são intencionalmente adicionados na composição e são introduzidos com outros elementos.

[0026] A adição de tungstênio, cromo, cobalto, rênio, rutênio ou molibdênio é principalmente usada para reforçar a matriz austenítica y com uma estrutura cristalina cúbica de face centrada (fcc) por endurecimento em solução sólida.

[0027] A adição de alumínio (Al), titânio (Ti) ou tântalo (Ta) promove a precipitação da fase de endurecimento γ’-Ni3(Al, Ti, Ta).

[0028] Rênio (Re) retarda a difusão de espécies químicas dentro da superliga e limita a coalescência de precipitados de fase γ’ durante o serviço a alta temperatura, um fenômeno que leva a uma redução da resistência mecânica. Rênio, portanto, melhora a resistência a fluência em alta temperatura da superliga à base de níquel. Porém, uma concentração de rênio demasiadamente alta pode levar à precipitação de fases intermetálicas TPC, por exemplo fase σ, fase P ou fase μ, que têm um efeito negativo sobre as propriedades mecânicas da superliga. Uma concentração de rênio excessiva pode também levar à formação de uma zona de reação secundária na superliga abaixo da subcamada, o que tem um efeito negativo sobre as propriedades mecânicas da superliga. Em particular, a adição de rutênio pode deslocar uma parte do rênio na fase γ’ e limitar a formação de TPC.

[0029] A adição simultânea de silício e háfnio melhora a resistência à oxidação a quente de superligas à base de níquel aumentando a adesão da camada de alumina (Al2O3) que se forma sobre a superfície da superliga a alta temperatura. Esta camada de alumina forma uma camada de passivação sobre a superfície da superliga à base de níquel e uma barreira para a difusão de oxigênio do exterior para o interior da superliga à base de níquel. Porém, háfnio pode ser adicionado sem também adicionar silício, ou inversamente, silício pode ser adicionado sem também adicionar háfnio e ainda melhorar a resistência a oxidação a quente da superliga.

[0030] Além disso, a adição de cromo ou alumínio melhora a resistência a oxidação da superliga e corrosão à alta temperatura. Em particular, cromo é essencial para aumentar a resistência à corrosão de superligas à base de níquel. Porém, um teor de cromo demasiadamente alto tende a reduzir a temperatura de solvus da fase Y’ da superliga à base de níquel, ou seja, a temperatura acima de que a fase Y’ é completamente dissolvida na matriz y, o que é indesejável. Portanto, a concentração de cromo fica entre 3,5 e 5,5% em massa a fim de manter uma alta temperatura de solvus da fase y’ da superliga à base de níquel, por exemplo superior ou igual a 1250°C, mas também de evitar a formação de fases topologicamente compactas na matriz y que são altamente saturadas com elementos de liga tais como rênio, molibdênio ou tungstênio.

[0031] A adição de cobalto, que é um elemento próximo de níquel e substitui parcialmente o níquel, forma uma solução sólida com o níquel na matriz y. O cobalto reforça a matriz y e reduz a susceptibilidade para precipitação de TPC e a formação de SRZ na superliga sob o revestimento protetor. Porém, um teor de cobalto demasiadamente alto tende a reduzir a temperatura de solvus da fase y’ da superliga à base de níquel, o que é indesejável.

[0032] A adição de rutênio reforça a matriz y e reduz a sensibilidade da superliga à formação de TPC. Em particular a adição de rutênio possibilita deslocar parte do rênio na fase y’ e limitar a formação de TPC. A adição de rutênio pode também ter um efeito benéfico sobre a adesão do revestimento cerâmico.

[0033] A adição de elementos refratários tais como molibdênio, tungstênio, rênio ou tântalo ajuda a retardar os mecanismos controlando a fluência de superligas à base de níquel que depende da difusão de elementos químicos na superliga.

[0034] Um teor de enxofre muito baixo em uma superliga à base de níquel aumenta a resistência à oxidação e corrosão a quente, assim como a resistência à escamação por barreira térmica. Um teor baixo de enxofre de menos do que 2 ppm em massa (partes por milhão =em massa), ou idealmente menos do que 0,5 ppm em massa, possibilita otimizar estas propriedades. Um teor de enxofre em massa assim pode ser obtido produzindo banho mãe de baixo enxofre ou por um processo de dessulfurização realizado depois da fundição. Em particular, é possível manter um baixo teor de enxofre adaptando o processo de produção da superliga.

[0035] Superligas à base de níquel são definidas como superligas com um teor majoritário em porcentagem em massa de níquel. É entendido que níquel é, portanto, o elemento com a porcentagem em massa a mais alta na liga.

[0036] A superliga pode compreender, em porcentagens em massa, 4,5 a 5,5% de rênio, 1,0 a 3,0 de rutênio, 3,0 a 5,0% de cobalto, 0,30 a 0,80% de molibdênio, 3,0 a 4,5% de cromo, 2,5 a 4,0% de tungstênio, 4,5 a 6,5% de alumínio, 0,50 a 1,50% de titânio, 8,0 a 9,0% de tântalo, 0,15 a 0,30% de háfnio, preferivelmente 0,17 a 0,30% de háfnio, mais preferivelmente 0,20 a 0,30% de háfnio, 0,05 a 0,15% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

[0037] A superliga pode compreender, em porcentagens em massa, 4,0 a 5,5% de rênio, 1,0 a 3,0% de rutênio 3,0 a 13,0% de cobalto 0,4 a 1,00% de molibdênio, 3,0 a 4,5% de cromo, 2,5 a 4,0% de tungstênio, 4,5 a 6,5% de alumínio, 0,50 a 1,50% de titânio, 8,0 a 9,0% de tântalo, 0,15 a 0,30% de háfnio, preferivelmente 0,17 a 0,30% de háfnio, ainda mais preferivelmente 0,20 a 0,30% de háfnio, 0,05 a 0,15% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

[0038] A superliga pode compreender, em porcentagens em massa, 4,0 a 5,0% de rênio, 1,0 a 3,0% de rutênio 11,0 a 13,0% de cobalto, 0,40 a 1,00% de molibdênio, 3,0 a 4,5% de cromo, 2,5 a 4,0% de tungstênio, 4,5.0 a 6,5% de alumínio, 0,50 a 1,50% de titânio, 8,0 a 9,0% de tântalo, 0,15 a 0,30% de háfnio, preferivelmente 0,17 a 0,30% de háfnio, ainda mais preferivelmente 0,20 a 0,30% de háfnio, 0,05 a 0,15% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

[0039] A superliga pode compreender, em porcentagens em massa, 5,0% de rênio, 2,0 de rutênio, 4,0 % de cobalto, 0,50% de molibdênio, 4,0 de cromo, 3,0% de tungstênio, 5.4% de alumínio, 1,00% de titânio, 8,5% de tântalo, 0,25% de háfnio, 0,10% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

[0040] A superliga pode compreender, em porcentagens em massa, 4,4% de rênio, 2,0% de rutênio, 4,0% de cobalto, 0,50% de molibdênio, 4,0% de cromo, 3,5% de tungstênio, 5,4% de alumínio, 0.90% de titânio, 8,5% de tântalo, 0,25% de háfnio, 0,10% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

[0041] A superliga pode compreender, em porcentagens em massa, 4,4% de rênio, 2,0% de rutênio, 4,0% de cobalto, 0,70% de molibdênio, 4,0% de cromo, 3,0% de tungstênio, 5,4% de alumínio, 1,00% de titânio, 8,5% de tântalo, 0,25% de háfnio, 0,10% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

[0042] A superliga pode compreender, em porcentagens em massa, 4,4% de rênio, 2,0% de rutênio, 12,0% de cobalto, 0,70% de molibdênio1, 4,0% de cromo, 3,0% de tungstênio, 5,4% de alumínio, 1,00% de titânio, 8,5% de tântalo, 0,25% de háfnio, 0,10% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

[0043] A superliga pode compreender, em porcentagens em massa, 5,0% de rênio, 2,0% de rutênio, 4,0% de cobalto, 0,50% de molibdênio, 3,5% de cromo, 3,5% de tungstênio, 5,4% de alumínio, 0,90% de titânio, 8,5% de tântalo, 0,25% de háfnio, 0,10% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

[0044] A superliga pode compreender, em porcentagens em massa, 4,4% de rênio, 2,0% de rutênio, 12,0% de cobalto, 0,70% de molibdênio, 3,5% de cromo, 3,5% de tungstênio, 5,4% de alumínio, 0,90% de titânio, 8,5% de tântalo, 0,25% de háfnio, 0,10% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

[0045] A presente descrição também se refere a uma pá monocristalina para turbomáquinas compreendendo uma superliga como definida acima.

[0046] Esta pá, portanto, tem resistência a fluência melhorada a altas temperaturas.

[0047] A pá pode compreender um revestimento protetor compreendendo uma cobertura de ligação metálica depositada sobre a superliga e uma barreira térmica de cerâmica depositada sobre a cobertura de ligação metálica.

[0048] Devido à composição da superliga à base de níquel, a formação de uma zona de reação secundária na superliga resultando de fenômenos de interdifusão a superliga e a subcamada é evitada, ou limitada.

[0049] A cobertura de ligação metálica pode ser uma liga tipo MCrAlY ou uma liga tipo alumineto de níquel.

[0050] A barreira térmica de cerâmica pode ser um material à base de zircônia itriada ou qualquer outro revestimento cerâmico (à base de zircônia) com baixa condutividade térmica.

[0051] A pá pode ter uma estrutura orientada em uma direção cristalográfica <001>.

[0052] Esta orientação geralmente confere as propriedades mecânicas ótimas à pá.

[0053] A presente descrição também se refere a uma turbomáquina compreendendo uma pá como definida acima.

Breve descrição dos desenhos

[0054] Outras características e vantagens da invenção ficarão evidentes a partir da seguinte descrição de modalidades da invenção, dada a título de exemplos não limitativos, com referência à única figura anexa, na qual: Figura 1 é uma vista em corte longitudinal esquemática de uma turbomáquina; Figura 2 é um gráfico representando o parâmetro de ausência de freckles (NFP) para diferentes superligas; Figura 3 é um gráfico representando a fração em volume da fase γ’ em diferentes temperaturas e para diferentes superligas.

Descrição detalhada da invenção

[0055] Superligas à base de níquel são destinadas à fabricação de pás monocristalinas por um processo de solidificação dirigida em um gradiente térmico. O use de uma semente monocristalina ou de um seletor de grão no início da solidificação possibilita obter esta estrutura monocristalina. A estrutura é orientada, por exemplo, em uma direção cristalográfica <001> que é a orientação que geralmente confere as propriedades mecânicas ótimas às superligas.

[0056] Superligas monocristalinas à base de níquel solidificadas têm uma estrutura dendrítica e consistem em precipitados γ ' Ni3(Al, Ti, Ta) dispersos em uma matriz γ de estrutura cúbica de face centrada, uma solução sólida à base de níquel. Estes precipitados de fase γ’ são heterogeneamente distribuídos no volume do monocristal devido a segregações químicas resultando do processo de solidificação. Além disso, fases eutéticas γ / γ’ estão presentes nas regiões interdendríticas e são sítios preferidos de iniciação de trincas. Estas fases eutéticas γ / γ’ são formadas no final de solidificação. Ademais, as fases eutéticas y/y’ são formadas em prejuízo precipitados finos (tamanho inferior a um micrometro) da fase de endurecimento γ’. Estes precipitados de fase γ’ constituem a principal fonte de endurecimento de superligas à base de níquel. Também, a presença de fases eutéticas γ / γ residuais não permite otimização da resistência a fluência a quente da superliga à base de níquel.

[0057] Foi mostrado, de fato, que as propriedades mecânicas de superligas, em particular a resistência a fluência, eram ótimas quando a precipitação dos precipitados γ’ era ordenada, ou seja, os precipitados de fase γ’ eram alinhados de um modo regular, com um tamanho variando de 300 a 500 nm, e quando a totalidade das fases eutéticas γ / γ’ era recolocada em solução.

[0058] Superligas à base de níquel brutas de solidificação são, portanto, termicamente tratadas para obter a distribuição desejada das diferentes fases. O primeiro tratamento térmico é um tratamento de homogeneização da microestrutura que visa dissolver os precipitados de fase γ’ e eliminar as fases eutéticas γ/γ’ ou reduzir significativamente sua fração em volume. Este tratamento é realizado a uma temperatura mais alta do que a temperatura de solvus da fase γ’ e mais baixa do que a temperatura de fusão inicial da superliga (Tsolidus). Uma têmpera é então realizada no final deste primeiro tratamento térmico para obter uma dispersão fina e homogênea dos precipitados γ’. Tratamentos térmicos de revenido são então realizados em dois estágios, a temperaturas abaixo da temperatura de solvus da fase γ’. Em uma primeira etapa para fazer os precipitados γ’ crescerem até o tamanho desejado, para então, em uma segunda etapa, fazer crescer a fração em volume desta fase a cerca de 70% à temperatura ambiente.

[0059] A Figura 1 mostra um corte transversal vertical de um motor de turboventilador de fluxo duplo 10 em um plano vertical através de seu eixo principal A. O motor de turboventilador 10 compreende, de a montante para a jusante de acordo com o fluxo de ar, um ventilador 12, um compressor de baixa pressão 14, um compressor de alta pressão 16, um combustor 18, uma turbina de alta pressão 20, e uma turbina de baixa pressão 22.

[0060] A turbina de alta pressão 20 compreende uma pluralidade de pás móveis 20A girando com o rotor e retificadores 20B (pás estacionárias) montadas sobre o estator. O estator da turbina 20 compreende uma pluralidade de anéis de estator 24 dispostos opostos às pás móveis 20A da turbina 20.

[0061] Estas propriedades assim tornam estas superligas candidatas interessantes para a fabricação de peças monocristalinas para as partes quentes de motores de turbojato.

[0062] Uma pá móvel 20A ou um retificador 20B para turbomaquinário compreendendo uma superliga como definida acima podem, portanto, ser fabricados.

[0063] Alternativamente, uma pá móvel 20A ou retificador 20B para uma turbomáquina compreendendo uma superliga como definida acima revestida com um revestimento protetor compreendendo uma subcamada de metálica.

[0064] Uma turbomáquina pode em particular ser um motor de turbojato tal como um motor de turboventilador 10. A turbomáquina pode também ser um motor de turbojato de fluxo único, um motor turbopropulsor ou um motor de turboeixo.

Exemplos

[0065] Seis superligas monocristalinas à base de níquel da presente descrição (Ex 1 a Ex 6) foram estudadas e comparadas com seis superligas monocristalinas comerciais CMSX-4 (Ex 7), CMSX-4PlusC (Ex 8), René N6 (Ex 9), CMSX-10 (Ex 10). MC-NG (Ex 11) e TMS138 Ex 12). A composição química de cada uma das superligas monocristalinas é dada na Tabela 1, a composição do Ex 9 compreendendo ainda 0,05% em massa de carbono (C) e 0,004% em massa de boro (B), a composição do Ex 10 compreendendo ainda 010% em massa de nióbio (Nb). Todas estas superligas são superligas à base de níquel, ou seja, o restante para 100% das composições apresentadas consiste de níquel e impurezas inevitáveis. Tabela 1

Densidade

[0066] A densidade à temperatura ambiente de cada superliga foi estimada usando uma versão modificada da fórmula de Hull (F.C. Hull, Metal Progress, novembro de 1969, pp139-140). Esta equação empírica foi proposta por Hull. A equação empírica é baseada na lei de misturas e inclui termos corretivos derivados de uma análise de regressão linear de dados experimentais (composições químicas e densidades medidas) para 235 superligas e aços inoxidáveis. Esta fórmula de Hull foi modificada, em particular para levar em conta elementos tais como rênio e rutênio. A fórmula modificada de Hull é a seguinte: (1) D = 27.68 x [Di + 0,14037 - 0,00137 %Cr - 0,00139 %Ni - 0,00142 %Co - 0,00140 %Fe - 0,00186 %Mo - 0,00125 %W - 0,00134 %V - 0,00119 %Nb - 0,00113 %Ta + 0,0004 %Ti + 0,00388 %C + 0,0000187 (%Mo)2 - 0,0000506 (%Co)x(%Ti) - 0,00096 %Re - 0,001131 %Ru] onde D1 = 100/[(%Cr/D&) + (%NÍ/DNÍ)+ .... + (%X/DX)] onde DCr, DNi,..., DX são as densidades dos elementos Cr, Ni, ..., X expressos em lb/in3 (libras por polegada cúbica) e D é a densidade de da superliga expressa em g/cm3. onde %Cr, %Ni, ...%X são os teores, expressos em porcentagens em massa, dos elementos da superliga Cr, Ni, ..., X.

[0067] As densidades calculadas para as ligas na representação e para as ligas de referência são inferiores a 9,00 g/cm3 (ver Tabela 2).

[0068] A comparação entre as densidades estimadas e medidas (ver Tabela 2) é usada para validar o modelo de Hull modificado (equação (1)). As densidades estimadas e medidas são consistentes.

[0069] A Tabela 2 mostra vários parâmetros para superligas Ex 1 a Ex 12. Tabela 2 Parâmetro de asuência de freckles (NFP) NFP = [%Ta + 1,5 %Hf + 0,5 %Mo - 0,5% %Ti)]/[%W + 1,2 %Re)] onde %Cr, %Ni, ...%X são os teores, expressos em porcentagens em massa, dos elementos da superliga Cr, Ni, ..., X.

[0070] O NFP é usado para quantificar a sensibilidade à formação de grãos parasitas do tipo “Freckles” durante a solidificação dirigida da peça de trabalho (documento US 5.888.451). Para impedir a formação de defeitos do tipo “Freckles”, o parâmetro NFP deve ser superior ou igual a 0,7.

[0071] Como pode ser visto na Tabela 2 e na Figura 2, todas superligas de Ex 1 a Ex 10 têm um parâmetro NFP superior ou igual a 0,7, ao passo que as superligas comerciais de Ex 11 a Ex 14 têm um parâmetro NFP inferior a 0,7.

Resistência gama primo (GPR)

[0072] A resistência mecânica intrínseca da fase y’ aumenta com o teor de elementos substituindo alumínio no composto Ni3Al, tal como titânio, tântalo e parte de tungstênio. O composto de fase y’ pode, portanto, ser escolhido como Ni3(Al, Ti, Ta, W). O parâmetro GPR é usado para estimar o nível de endurecimento da fase y’: GPR = [CTi + CTa + (CW/2)]/CAl onde CTi, CTa, CW e CAl são as concentrações, expressas em porcentagem atômica, dos elementos Ti, Ta, W e Al, respectivamente, na superliga.

[0073] Um parâmetro GPR mais alto é favorável a melhor resistência mecânica da superliga. Pode ser visto da Tabela 2 que o parâmetro GPR para superligas Ex 1 a Ex 6 é superior ao parâmetro GPR calculado para superligas comerciais Ex 7 a Ex 12.Sensibilidade à formação de TPC

[0074] O parâmetro é definido conforme o seguinte: onde Xi é a fração do elemento i na superliga expressa em porcentagem atômica, (Md)i é o valor do parâmetro Md para o elemento i.

[0075] A Tabela 3 mostra os valores Md para os diferentes elementos das superligas. Tabela 3

[0076] A sensibilidade à formação de TPC é determinada pelo parâmetro, de acordo com o método New PHACOMP que foi desenvolvido por Morinaga et al. (Morinaga et al., New PHACOMP and its application to alloy design, Superalloys 1984, editado por M Gel et al., The Metallurgical Society of AIME, Warrendale, PA, EUA (1984) pp. 523-532). De acordo com este modelo, a sensibilidade de superligas à formação de TPC aumenta com o valor do parâmetro .

[0077] Como pode ser visto na Tabela 2, as superligas Ex 1 a Ex 14 têm valores do parâmetro aproximadamente iguais. Estas superligas, portanto, apresentam sensibilidades similares à formação de TPC, sensibilidades que são relativamente baixas.

Temperatura de solvus da fase γ’ .

[0078] O software ThermoCalc (base de dados Ni25) baseado no método CALPHAD foi usado para calcular a temperatura de solvus da fase γ’ em equilíbrio.

[0079] Como pode ser visto a partir da Tabela 4, as superligas Ex 1 a Ex 6 têm uma alta temperatura de solvus γ’ comparável à temperatura de solvus γ’ das superligas comerciais de Ex 7 a Ex 12.

Fração em volume da fase Y’

[0080] O software ThermoCalc (base de dados Ni25) baseado no método CALPHAD foi usado para calcular a fração em volume (porcentagem em volume) da fase γ’ em equilíbrio nas superligas Ex 1 a Ex 12 a 950°C, 1050°C e 1200°C.

[0081] Como pode ser visto na Tabela 4 e Figura 3, as superligas Ex 1 a Ex 6 contêm frações em volume de fase γ’ superiores ou comparáveis às frações em volume da fase γ’ das superligas comercialmente disponíveis Ex 7 a Ex 12.

[0082] Assim, a combinação de alta temperatura de temperatura γ’ e altas frações em volume da fase γ’ para as superligas Ex 1 a Ex 6 é favorável para boa resistência a fluência a temperaturas altas e muito altas, por exemplo a 1200°C. Esta resistência deve, portanto, ser mais alta do que a resistência a fluência das superligas comerciais Ex 7 a Ex 12. Tabela 4

Fração em volume de TPC de tipo σ

[0083] O software ThermoCalc (base de dados Ni25) baseado no método CALPHAD foi usado para calcular a fração em volume (porcentagem em volume) da fase de equilíbrio o nas superligas Ex 1 a Ex 12 a 950°C e 1050°C (ver Tabela 5).

[0084] As frações em volume calculadas da fase σ são zero a 950°C para as superligas Ex 3, Ex 4 e Ex 6 e relativamente baixas para as superligas Ex 1 e Ex 5, refletindo uma baixa sensibilidade a precipitação de TPC. Estes resultados, portanto, corroboram os resultados obtidos com o método New PHACOMP (parâmetro).

Concentração em massa de cromo dissolvido na matriz γ

[0085] O software ThermoCalc (base de dados Ni25) baseado no método CALPHAD foi usado para calcular o teor de cromo (em porcentagem em massa) na fase y em equilíbrio nas superligas Ex 1 a Ex 14 a 950°C, 1050°C e 1200°C.

[0086] Como pode ser visto na Tabela 5, as concentrações de cromo na fase γ para as superligas Ex 1 a Ex 6 são comparáveis com s concentrações de cromo na fase γ para as superligas comerciais Ex 7 a Ex 12, o que é favorável a boa resistência à corrosão e oxidação a quente. Tabela 5

Propriedade de fluência a temperatura muito alta

[0087] Testes de fluência foram realizados sobre as superligas Ex 2, Ex 7, Ex 9, e Ex 104. Testes de fluência foram conduzidos a 1200°C e 80 MPa de acordo com a norma NF EN ISO 204 de agosto de 2009 (Guide U125_J).

[0088] Os resultados de testes de fluência em que as superligas foram carregadas (80 MPa) a 1200°C são mostrados na Tabela 6. Os resultados representam o tempo em horas (h) de ruptura falha do corpo de prova. Tabela 6

[0089] A superliga Ex 2 apresenta melhor comportamento em fluência do que as superligas Ex 7 e Ex 9. A superliga Ex 10 também tem boas propriedades de fluência.

Propriedade de oxidação cíclica a 1150°C

[0090] Superligas devem ser submetidas a ciclos térmicos como descrito em INS-TTH-001 e INS-TTH-002: Método de Teste de Ciclagem Oxidante (Teste de Perda da Massa e Barreira Térmica).

[0091] Um corpo de prova da superliga sob teste (pino tendo um diâmetro de 20 mm e uma altura de 1 mm) é submetido a ciclos térmicos, dos quais cada ciclo [compreende uma elevação a 1150°C em menos do que 15 min (minutos), uma parada de 60 min a 1150°C e resfriamento turbinado do corpo de prova por 15 min.

[0092] O ciclo térmico é repetido até que uma perda de massa do corpo de prova seja igual a 20 mg/cm2 (miligramas por centímetro quadrado) é observada.

[0093] A vida em serviço das superligas testadas é mostrada na Tabela 7. Tabela 7

[0094] Pode ser visto que a superliga Ex 2, tem uma vida em serviço muito mais longa do que as superligas Ex 7, Ex 8 e Ex 9. Deve ser notado que as propriedades de oxidação da superliga Ex 10 são muito mais pobres do que aquelas da superliga Ex 2.

Estabilidade microestrutural

[0095] Depois de envelhecimento por 300 horas a 1050°C, nenhuma fase TPC é observada para a superliga Ex 2 por análise de imagem de microscopia eletrônica de varredura.

Sensibilidade a formação de defeitos de fundição

[0096] Depois da formação pelo processo de cera perdida e solidificação direcional no forno Bidgman, nenhum defeito resultante do processo de fundição, particularmente do tipo “Freckles”, foi observado na superliga Ex 2. Os defeitos tipo “Freckles” são observados após imersão dos corpos de prova em uma solução à base de HNO3/H2SO4.

[0097] Embora a presente descrição tenha sido descrita com referência a um exemplo específico de uma modalidade específica, é óbvio que diversas modificações e mudanças podem ser feitas nestes exemplos sem que se fuja do escopo geral da invenção como definido pelas reivindicações. Além disso, características individuais das diferentes modalidades referidas podem ser combinadas em modalidades adicionais. Portanto, a descrição e os desenhos devem ser considerados em um sentido ilustrativo, e não restritivo.

Claims (14)

1. Superliga à base de níquel, caracterizada pelo fato de que compreende, em porcentagens em massa, 4,0 a 5,5% de rênio, 1,0 a 3,0% de rutênio, 2,0 a 14,0% de cobalto, 0,30 a 1,00% de molibdênio, 3,0 a 5,0% de cromo, 2,5 a 4,0% de tungstênio, 4,5 a 6,5% de alumínio, 0,50 a 1,50% de titânio, 8,0 a 9,0% de tântalo, 0,15 a 0,30% de háfnio, 0,05 a 0,15% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

2. Superliga de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende, em porcentagem em massa, 4,5 a 5,5% de rênio, 1,0 a 3,0% de rutênio, 3,0 a 5,0% de cobalto, 0,30 a 0,80% de molibdênio, 3,0 a 4,5% de cromo, 2,5 a 4,0% de tungstênio, 4,5 a 6,5% de alumínio, 0,50 a 1,50% de titânio, 8,0 a 9,0% de tântalo, 0,15 a 0,30% de háfnio, 0,05 a 0,15% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

3. Superliga de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende, em porcentagem em massa, 4,0 a 5,5% de rênio, 1,0 a 3,0% de rutênio, 3,0 a 13,0% de cobalto, 0,40 a 1,00% de molibdênio, 3,0 a 4,5% de cromo, 2,5 a 4,0% de tungstênio, 4,5 a 6,5% de alumínio, 0,50 a 1,50% de titânio, 8,0 a 9,0% de tântalo, 0,15 a 0,30% de háfnio, 0,05 a 0,15% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

4. Superliga de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende, em porcentagem em massa, 4,0 a 5,0% de rênio, 1,0 a 3,0% de rutênio, 11,0 a 13,0% de cobalto, 0,40 a 1,00% de molibdênio, 3,0 a 4,5% de cromo, 2,5 a 4,0% de tungstênio, 4,5 a 6,5% de alumínio, 0,50 a 1,50% de titânio, 8,0 a 9,0% de tântalo, 0,15 a 0,30% de háfnio, 0,05 a 0,15% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

5. Superliga de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende, em porcentagem em massa, 5,0% de rênio, 2,0% de rutênio, 4,0% de cobalto, 0,50% de molibdênio, 4,0% de cromo, 3,0% de tungstênio, 5,4% de alumínio, 1,00% de titânio, 8,5% de tântalo, 0,25% de háfnio, 0,10% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

6. Superliga de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende, em porcentagem em massa, 4,4% de rênio, 2,0% de rutênio, 4,0% de cobalto, 0,70% de molibdênio, 4,0% de cromo, 3,0% de tungstênio, 5,4% de alumínio, 1,00% de titânio, 8,5% de tântalo, 0,25% de háfnio, 0,10% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

7. Superliga de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende, em porcentagem em massa, 4,4% de rênio, 2,0% de rutênio, 12,0% de cobalto, 0,70% de molibdênio, 4,0% de cromo, 3,0% de tungstênio, 5,4% de alumínio, 1,00% de titânio, 8,5% de tântalo, 0,25% de háfnio, 0,10% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

8. Superliga de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende, em porcentagem em massa, 5,0% de rênio, 2,0% de rutênio, 4,0% de cobalto, 0,50% de molibdênio, 3,5% de cromo, 3,5% de tungstênio, 5,4% de alumínio, 0,90% de titânio, 8,5% de tântalo, 0,25% de háfnio, 0,10% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

9. Superliga de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende, em porcentagem em massa, 5,0% de rênio, 2,0% de rutênio, 4,0% de cobalto, 0,50% de molibdênio, 4,0% de cromo, 3,5% de tungstênio, 5,4% de alumínio, 0,90% de titânio, 8,5% de tântalo, 0,25% de háfnio, 0,10% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

10. Superliga de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende, em porcentagem em massa, 4,4% de rênio, 2,0% de rutênio, 12,0% de cobalto, 0,70% de molibdênio, 3,5% de cromo, 3,5% de tungstênio, 5,4% de alumínio, 0,90% de titânio, 8,5% de tântalo, 0,25% de háfnio, 0,10% de silício, o restante sendo níquel e impurezas inevitáveis.

11. Pá monocristalina (20A, 20B) para uma turbomáquina caracterizada pelo fato de que compreende uma superliga como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 10.

12. Pá (20A, 20B) de acordo com a reivindicação 21, caracterizada pelo fato de que compreende um revestimento protetor compreendendo uma subcamada de ligação metálica depositada sobre a superliga e uma barreira térmica de cerâmica depositada sobre a cobertura de ligação metálica.

13. Pá (20A, 20B) de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizada pelo fato de que tem uma estrutura orientada em uma direção cristalográfica <001>.

14. Turbomáquina, caracterizada pelo fato de que compreende uma pá (20A, 20B) como definida em qualquer uma das reivindicações 11 a 13.