CN101910433B

CN101910433B - 镍基超合金组合物、超合金制品和使超合金组合物稳定的方法

Info

Publication number: CN101910433B
Application number: CN2008801235632A
Authority: CN
Inventors: K·S·奥哈拉; L·J·凯罗尔
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2008-11-13
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2028-11-13
Also published as: JP5697454B2; WO2009085420A1; EP2229462A1; CN101910433A; JP2011524943A

Abstract

一种稳定化超合金组合物，其包含钨、钼和任选的铼，所述超合金组合物用足以在升高的温度下相对于可比未改性超合金组合物减少超合金微结构中拓扑密排(TCP)相形成的稳定化量的铪改性。表现出提高的微结构稳定性的由铪改性超合金组合物形成的制品可用于燃气涡轮机。在升高的温度下使超合金组合物稳定的方法包括用铪作为稳定剂减小形成TCP相的倾向。

Description

镍基超合金组合物、超合金制品和使超合金组合物稳定的方法

发明背景

总体而言，本发明涉及镍基超合金组合物、制品和方法，更具体地讲，涉及在升高的温度下用作单晶制品的此类合金，其中所述超合金组合物包含稳定化量的铪。

许多高温镍基超合金已被研发并报道用于高温苛刻负荷条件下的单晶制品。例如，这些条件存在于飞机使用的先进燃气涡轮机的涡轮区段。这些单晶制品在这些涡轮区段中用作翼片。

概括地讲，近来用强化固溶体的耐高温元素形成合金和增加γ′相(gamma prime phase)的体积分数来实现在此类高温和苛刻负荷条件使用的单晶制品的合金强度的提高。遗憾的是，耐高温元素(即，铼(Re)、钨(W)、钽(Ta)和钼(Mo))的存在和增加的γ′体积分数两者均使合金更易析出不合乎需要的相。尤其不利的是被称为拓扑密排(TCP)相的相，这种相在暴露于高于约1800°F(982℃)的温度后形成。TCP相具有脆性，并且通过从所需的合金相去除溶质元素并使它们浓集于所述脆相，其形成减小了合金的固溶强化潜力，使得不能满足预期的强度和寿命目标。

因此，需要提高具有形成脆性TCP相倾向的高温超合金的稳定性。另外，由于铼昂贵并且供应有限，因此需要提供具有低或零铼含量的稳定高温超合金。这点特别重要，因为用于代替铼的其他γ-强化耐高温元素W和Mo更强增进TCP不稳定性。另外，它们不为强效的固溶体强化剂，因此需要较高加入量。

发明概述

通过提供相对于形成TCP相具有应力断裂寿命和微结构稳定性的改善组合的镍基超合金的示例性实施方案可满足上述需要。超过小的标称量的不合乎需要的TCP相的形成受合金的组成和热历程影响，并且一旦形成，必定降低合金的断裂寿命性能。

已发现，铪(Hf)可作为易于形成不合乎需要的TCP相的镍基超合金的稳定剂。铪改性的超合金不形成TCP相，在这个意义上，在可比条件下可比未改性镍基超合金则形成TCP相。因此，TCP相形成倾向的减小导致在高温下更高的微结构稳定性和增加的成合金灵活性。

本文公开的实施方案包括用于高温应用的铪改性镍基超合金。本文公开的进一步实施方案包括一种单晶制品，所述单晶制品由在升高的温度下具有提高的微结构稳定性的铪改性镍基超合金形成。本文公开的进一步实施方案提供一种提高易于形成TCP相的合金的微结构稳定性的方法。

在一个示例性实施方案中，稳定化超合金组合物包含钨、钼和任选的铼。所述超合金组合物用足以在升高的温度下相对于可比未改性超合金组合物减少超合金微结构中拓扑密排(TCP)相形成的稳定化量的铪改性。

在一个示例性实施方案中，本发明提供一种表现出提高的微结构稳定性的镍基超合金单晶制品。所述超合金单晶制品由铪改性超合金组合物形成，所述铪改性超合金组合物包含钨、钼和任选的铼和足以在升高的温度下相对于可比未改性超合金组合物减少超合金微结构中拓扑密排(TCP)相形成的稳定化量的铪。

在一个示例性实施方案中，本发明提供一种提高超合金组合物的微结构稳定性的方法。所述方法包括通过确定相关TCP值估计超合金组合物在升高的温度下在超合金微结构中形成拓扑密排(TCP)相的倾向。所述方法还包括，如果TCP值超过预定的TCP值，则使超合金组合物中的铪量增加到足以提供铪改性超合金组合物的量，其中铪改性超合金组合物表现出在升高的温度下提高的微结构稳定性。

附图简述

被认作本发明的主题在申请文件的结束部分特别指出并清楚地要求保护。然而，通过参考以下描述并结合附图可更好地理解本发明，其中：

图1为部件制品(如燃气涡轮机涡轮叶片)的透视图。

图2为归一化为第二代超合金的不同合金的2000°F/18ksi应力断裂寿命的柱状图比较。

图3为归一化为第二代超合金的不同合金的2100°F/10ksi应力断裂寿命的柱状图比较。

图4-11为在2100°F/10ksi分别对合金A，A1；B，B1；C，C1和D，D1进行应力断裂试验后在枝晶初级晶核区域中TCP相的一系列显微相片。

图12为表示TCP值变化和增加的断裂寿命之间的关系的柱状图表。

发明详述

现在参照附图，图1描绘燃气涡轮机叶片20。燃气涡轮机叶片包括在工作期间热燃烧气流撞击的翼片22、向下延伸的轴24和燕尾26型连接部，连接部使燃气涡轮机叶片20连接到燃气涡轮机的涡轮盘(未示出)。平台28在翼片22与柄24和燕尾26之间的位置横向向外延伸。在一个示例性实施方案中，燃气涡轮机叶片20包含本文公开的单晶镍基超合金组合物。

可合乎需要地提供具有降低量的铼(Re)的此类镍基超合金组合物，尽管在本文中公开的示例性实施方案不受如此限制。示例性实施方案可包括约1.5％重量铼。其他示例性实施方案可包括至多约6％重量铼。在先进涡轮机叶片合金中可用增加量的其他强化成合金元素(如钨(W)和钼(Mo))补偿较低量的Re。然而，在一些情况下，增加量的耐高温元素提供具有增加形成TCP相倾向的合金。在部件寿命期间在重复暴露于高温环境时存在TCP相(针状相)减少蠕变寿命。除非另外提到，本文中提出的所有百分比均以重量计。

首先将0.15％重量相对低量的Hf加入到单晶超合金，以提高抗氧化性。已知加入较高量的铪(Hf)提高经涂覆超合金的抗氧化性，并在利用时提高热隔离涂层的粘着性。如本文公开的实施方案证明，已发现以大于通常用于强化晶界量的量将Hf加到镍基超合金可通过减少TCP相形成提高微结构稳定性。本文公开的实施方案提供了提高抗TCP性的由加入Hf改性的超合金组合物。提高否则的话不稳定的合金(例如，TCP值大于约3)中TCP稳定性致使提高蠕变断裂强度。

实施例

表1

制备并测试可比超合金组合物的4个试验对：A，A1；B，B1；C，C1和D，D1。见表1。各对中的一种组合物包含0.15％重量Hf(“未改性合金”)。各对中的第二种组合物包含0.60％重量Hf(“Hf改性合金”)。例如，未改性合金A包含0.15％重量Hf，Hf改性合金A1包含0.60％重量Hf。其余的成合金元素标称类似，余量为镍和偶然杂质。合金对的蠕变断裂数据归一化为第二代超合金，以图形式示于图2和3中。在2100°F/10ksi应力断裂试验后拍摄的体现各组合物的制品的显微相片示于图4-11中。

两种未改性的合金A和C(0.15％重量Hf)表现出显著量有害的TCP相，如显微相片所示。(分别参见图4和图8)。已知形成TCP相负面地影响合金的抗蠕变性，并且TCP相体积分数越大，劣化越显著。TCP相为耐高温的富针或点状相(σ，μ或p相)，这种相消耗存在的提供增加抗蠕变性的耐高温元素的超合金基质。

分别如图5和9所示，在Hf改性合金A1和C1中加入增加量的Hf量(Hf含量约0.60％重量)抑制应力暴露期间TCP相的形成。

如图2和3所示，合金对B和B1具有类似的蠕变断裂寿命，合金对D和D1也是一样。合金B的显微相片(图6)显示这种未改性的合金组合物不易于形成TCP相。Hf改性合金B1中增加量的Hf不显著影响TCP相的形成(图7)。对于合金对D和D1得到类似的结果，如图10-11中所示。

这些结果表明，增加Hf的量可使由于形成TCP相具有不稳定倾向的那些合金组合物稳定。具体地讲，通过增加Hf的量，可使包含相对高量能够促进TCP相形成的耐高温元素或Cr的组合物稳定。

图12图示说明增加Hf加入对倾向于形成明显量TCP(例如TCP值大于3)的合金组合物在2000°F的断裂寿命的影响。TCP值为基于预测TCP相析出所用合金组合物的分析值。高TCP值表明倾向于形成TCP相。可接受的应力断裂寿命一般需要TCP值为4或更小。如所示，当通过加入高达约0.60％重量Hf使合金改性时，观察到在高温(＞1800°F，982℃)蠕变断裂寿命提高。由于图12基于包含具有超过合金A和C的高耐高温水平合金组合物的宽范围合金组合物，较高的Hf加入量的这种影响对第三代类型合金及之外(beyond)也是可能的。对于TCP值为5或更大的未改性合金(第三代类型合金)，Hf改性具有甚至更深的作用。已显示，不稳定的合金(具有形成TCP相倾向的合金)可加入足够量Hf稳定。本文公开的实施方案含高达约0.60％重量Hf。相信包含较少量Hf可足以提供所需的稳定作用。

一个示例性实施方案包括提高镍基超合金微结构稳定性的方法。在一个示例性方法中，估计未改性超合金组合物形成TCP相的倾向。如果未改性超合金组合物表现出形成TCP相的倾向，例如TCP值大于3，就可通过包含稳定化量的铪使超合金组合物改性。在一个示例性实施方案中，铪的稳定化量可高达约0.60％重量。在其他示例性实施方案中，铪的稳定化量可小于0.60％重量。对于一些合金组合物，Hf的稳定化量可大于0.60％重量。铪的“稳定化量”可认为是能够提供与可比未改性超合金组合物比较具有较低形成TCP相倾向的改性超合金组合物的铪的量。未改性超合金组合物形成TCP相的倾向可通过试验或分析方法估计。例如，未改性超合金组合物可倾向于在约0.15％铪含量形成TCP相。如果可比的改性超合金组合物中的铪含量增加到约0.60％，就可减小形成TCP相的倾向。增加的铪含量在本文中被称为铪的稳定化量。

铪与成合金元素的相互作用以改变耐高温元素相分配提供了提高Hf改性镍基超合金性能的意外且令人惊讶的结果。

本书面说明用实例公开本发明，包括最佳方式，也用实例使本领域的技术人员能够实施和使用本发明。本发明可取得的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员可想到的其他实例。如果其他实例具有与权利要求字面语言无差别的结构元素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质差异的相当结构元素，这些旨在权利要求的范围内。

Claims

1.铪在制备稳定化镍基超合金组合物中的用途，其中所述镍基超合金组合物包含钨、钼和任选的铼，所述镍基超合金组合物用稳定化量的铪改性，其中所述稳定化量为大于0.15％重量至高达0.6％重量，且足以在升高的温度下相对于可比未改性镍基超合金组合物减少超合金微结构中拓扑密排(TCP)相的形成。

2.权利要求1的用途，其中未改性镍基超合金组合物包含0.15％重量铪。

3.权利要求1的用途，其中与稳定化镍基超合金组合物相关的拓扑密排(TCP)值与可比未改性镍基超合金组合物相关的拓扑密排值比较减小至少1。

4.权利要求1的用途，其中铼以至多6％重量的量存在。

5.权利要求1的用途，其中铼以至多1.5％重量的量存在。

6.权利要求1的用途，其中所述镍基超合金组合物包含6.2％重量A1、6.5％重量Ta、6.0％重量Cr、6.0至6.5％重量W、1.5至2.0％重量Mo、0至1.5％重量Re、7.5％重量Co、至多0.03％重量C、至多0.004％重量B、0.6％重量Hf，其余包括镍和偶见杂质。

7.一种提高镍基超合金组合物的微结构稳定性的方法，其中所述镍基超合金组合物包含钨、钼和任选的铼，所述方法包括：

通过确定相关拓扑密排值估计镍基超合金组合物在升高的温度下在超合金微结构中形成拓扑密排(TCP)相的倾向；

如果相关拓扑密排值超过预定值，则使镍基超合金组合物中的铪量增加到大于0.15％重量至高达0.6％重量的量，以便足以提供铪改性的镍基超合金组合物，其中铪改性镍基超合金组合物表现出在升高的温度下提高的微结构稳定性。

8.权利要求7的方法，其中使镍基超合金组合物中的铪量增加包括提供至少稳定化量的铪，使得与铪改性镍基超合金组合物相关的拓扑密排值减小至少1。