CN103119183A - 镍基超级合金 - Google Patents

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Abstract

提供了特别是用于涡轮导向叶片130或涡轮叶片120的镍基超级合金。该镍基超级合金包含（以wt%计）：C：≤0.1，Si：≤0.2，Mn：≤0.2，P：≤0.005，S：≤0.0015，Al：4.0-5.5，B：≤0.03，Co：5.0-9.0，Cr：18.0-22.0，Cu：≤0.1，Fe：≤0.5，Hf：0.9-1.3，Mg：≤0.002，Mo≤0.5，N：≤0.0015，Nb：≤0.01，O：≤0.0015，Ta：4.8-5.2，Ti：0.8-2.0，W：1.8-2.5，Zr：≤0.01，Ni：余量，和不可避免的杂质。

Description

镍基超级合金
本发明涉及镍基超级合金，其可以用于涡轮部件，特别是用于具有定向凝固（DS）或单晶结构（SX）的燃气涡轮部件。
镍基超级合金往往用于在热和腐蚀环境中运行的部件，比如暴露于驱动该涡轮的热的和腐蚀性燃烧气体的燃气涡轮的叶片和导向叶片(vane)。在这样的环境中，需要在高温下的高强度和强抗化学腐蚀能力。
虽然根据目前的工艺水平，例如根据EP 0 325 760 Al、EP 1 914 327 Al、US2003／0041930 Al、US2005／0194068 Al、JP10-317080 A和这些文献中引用的文献，在高温下具有高强度和强抗化学腐蚀能力的镍基超级合金是已知的，但是由这些材料制成的部件仍然需要像所谓的MCrAlY涂层的防蚀层来保护，其中M代表铁（Fe）钴（Co）或镍（Ni），Cr代表铬，Al代表铝，Y代表活性元素，尤其是钇（Y）。 然而，硅（Si）和/或至少一种稀土元素或铪（Hf）可用作除钇之外的活性元素或用作钇的替代物。此外，还经常把热障涂层施用到防蚀层上，以降低该涂层和下面的镍基超级合金承受的温度。
存在提高燃烧气体温度即涡轮入口的进气温度的趋势，这与提高涡涡轮效率的目标有关，该效率反过来取决于涡轮入口的进气温度。因此，需要改进涡轮部件的所有部分，即部件的超级合金和防蚀层以及热障涂层，以使得部件能在更高的温度下运行。
此外，还期望不涂覆涡轮叶片或导向叶片的特定区域，特别是叶片或导向叶片通过其固定到转子或机壳上的叶片固定部分。然而，这意味着超级合金本身的耐腐蚀性需要足够高。
本发明涉及镍基超级合金的改进。
本发明的一个目的是提供具有高耐腐蚀性和高抗蠕变强度的镍基超级合金。本发明另一个目的是提供具有高耐腐蚀性和高抗蠕变强度的涡轮部件，特别是涡轮叶片或导向叶片。
通过权利要求1中请求保护的镍基超级合金以及权利要求书5中请求保护的涡轮部件达到了这些目的。从属权利要求包含本发明的进一步地改进。
本发明的镍基超级合金包含（以wt%计）： 
碳（C）： ≤0.1 
硅（Si）： ≤0.2
锰（Mn）： ≤0.2
磷（P）： ≤0.005
硫（S）： ≤0.0015
铝（Al）： 4.0-5.5
硼（B）： ≤0.03 
钴（Co）： 5.0-9.0
铬（Cr）： 18.0-22.0
铜(Cu) ： ≤0.1
铁（Fe）： ≤0.5
铪（Hf）： 0.9-1.3
镁（Mg）： ≤0.002
钼（Mo）≤0.5
氮（N）： ≤0.0015
铌（Nb）： ≤0.01
氧（0）： ≤0.0015
钽（Ta）： 4.8-5.2
钛（Ti）： 0.8-2.0
钨（W）： 1.8-2.5
锆（Zr）： ≤0.01
镍（Ni）： 余量
和不可避免的杂质。
尤其是，本发明的镍基超级合金可以包含（wt%）： 
C： 0.03-0.07
Si： ≤0.2
Mn： ≤0.2
P： ≤0.005
S： ≤0.0015
Al： 4.2-4.4
B： ≤0.01
Co： 7.8-8.5
Cr： 18.2-19.2
Cu： ≤0.1
Fe： ≤0.5
Hf： 1.0-1.2
Mg： ≤0.002
Mo： ≤0.5
N： ≤0.0015
Nb： ≤0.01
O： ≤0.0015 
Ta： 4.9-5.1
Ti： 1.1-1.3
W： 2.0-2.4
Zr： 0.003-0.007
Ni： 余量
和不可避免的杂质。 
尽管本发明的镍基超级合金在上述给出的所有组成中均显示高耐腐蚀性和抗蠕变强度，但是根据第一和第二变体的组成显示特别好的耐腐蚀性和抗蠕变强度结果。
本发明的涡轮部件（其可以特别是为燃气涡轮叶片或导向叶片）由本发明的镍基超级合金制成。如果涡轮部件是燃气涡轮部件，则优选其具有定向凝固结构（DS结构）或单晶结构（SX结构），这是有利的。
当用本发明的镍基超级合金形成燃气涡轮叶片或导向叶片时，叶片或导向叶片的耐腐蚀性足够高以致不必在叶片或导向叶片的固定部分（或多个固定部分）上设置防蚀层。因此，在其为叶片或导向叶片的涡轮部件的进一步改进中，该部件包含没有涂层的固定部分。
根据下面描述的本发明的具体实施方式结合附图，本发明进一步的特征、性质和优势将明朗化。
图1示意地显示了燃气涡轮叶片或导向叶片。
图1显示了燃气涡轮的转子叶片120或导向叶片(guide vane)130的透视图，其可以是飞行器的或用于发电的电厂的燃气涡轮。不过，类似的叶片或导向叶片也用于蒸汽涡轮或压缩机。
叶片或导向叶片120、130沿纵轴121延伸并具有（沿它的纵轴121接连的）固定区域（也叫叶根）、邻接平台103和从平台403延伸到叶尖415的翼型406。作为导向叶片130，该导向叶片在其尖端可以有另外的平台以及从该平台延伸的另外的固定部分。在显示的具体实施方式中，固定部分具有锤头形状。不过，其他的构造，如枞木或鸽尾，也是可能的。
叶片或导向叶片120、130包含显示为对着进入的燃烧气体的前缘409以及显示为远离进入的燃烧气体的后缘412。翼型从前缘延伸到后缘并形成允许从流动的燃烧气体传递动量到叶片120的空气动力面。在导向叶片130中，翼型能引导流动的燃烧气体以便最优化到涡轮叶片的动量传递，从而，以便最优化从流动的燃烧气体到涡轮的动量传递。
整个叶片或导向叶片120、130由镍基超级合金制成并通过熔模铸造工艺成型。在本实施方式中，翼型406以及极少一部分平台403涂覆有防蚀层，例如MCrAlY涂层，以及位于防蚀层上部的热障涂层。固定部分400是未涂覆的。
根据本发明，镍基超级合金用作涡轮叶片或导向叶片120、130的基础材料。该镍基超级合金包括（以wt%计）：
C：≤0.1，优选0.03-0.07 
Si：≤0.2
Mn：≤0.2 
P：≤0.005
S：≤0.0015
Al：4.0-5.5，优选4.2-4.4
B：≤0.03，优选≤0.01
Co：5.0-9.0，优选7.8-8.5
Cr：18.0-22.0，优选18.2-19.2
Cu：≤0.1
Fe：≤0.5
Hf：0.9-1.3，优选1.0-1.2
Mg：≤0.002
Mo：≤0.5
N：≤0.0015
Nb：≤0.01
O：≤0.0015
Ta：4.8-5.2，优选4.9-5.1
Ti：0.8-2.0，优选1.1-1.3
W：1.8-2.5，优选2.0-2.4
Zr：≤0.01，优选0.003-0.007
Ni：余量 
和不可避免的杂质。
所述镍基超级合金提供高抗蠕变强度以及，同时，高耐腐蚀性，以致不需要涂覆叶片或导向叶片120、130的固定部分400。
优选地，伴随着部件的定向凝固实施熔模铸造以致形成定向凝固结构（DX结构）或单晶结构（SX结构）。在定向凝固中，枝状晶体沿着定向的热流取向并形成柱状的晶粒结构（即在工件的整个长度上延伸的颗粒且在本文中，按照通常使用的术语，称为定向凝固（DX）），或单晶结构，即整个工件由单个晶体构成。在此工艺中，需要避免转变到球状（多晶）凝固，因为不定向生长不可避免地会形成横向的和纵向的颗粒边界，这取消了定向凝固（DX）或单晶（SX）部件的有利的性能。
根据具体的实施例，具有下列组成的镍基超级合金物形成涡轮叶片或导向叶片120的基础材料： 
C： 0.04
Si： 0.001
Al： 4.2
B： 0.001
Co： 8.0
Cr： 18.2
Fe： 0.07
Hf： 0.9
Nb： 0.008
Ta： 4.9
Ti： 1.1
W： 2.0
Ni： 余量
和不可避免的杂质。
与例如IN6203型镍基超级合金相比，上述超级合金可以在比IN-6203高大约20℃的温度下提供与IN-6203相同的应力破裂寿命。此外，上述合金具有2.59的低电子空位数Nv。该电子空位数是高温下形成脆相的倾向的度量。电子空位数Nv越低形成脆相的倾向越小。较少脆相，反过来降低发生机械完整性问题的可能性。 
涡轮叶片或导向叶片120、130由根据本发明的镍基超级合金制成，特别是由第一或第二具体实施例的超级合金制成，它们显示足够高的耐腐蚀性以致不必在固定部分400上设置防蚀层。

Claims (6)

1.镍基超级合金，包含（以wt%计）：
C：≤0.1
Si：≤0.2
Mn：≤0.2
P：≤0.005
S：≤0.0015
Al：4.0-5.5
B：≤0.03
Co：5.0-9.0
Cr：18.0-22.0
Cu：≤0.1
Fe：≤0.5
Hf：0.9-1.3
Mg：≤0.002
Mo：≤0.5
N：≤0.0015
Nb：≤0.01
O：≤0.0015
Ta：4.8-5.2
Ti：0.8-2.0
W：1.8-2.5
Zr：≤0.01
Ni：余量
和不可避免的杂质。
2.权利要求1的镍基超级合金，其包含（以wt%计）：
C：0.03-0.07
Si：≤0.2
Mn：≤0.2
P：≤0.005
S：≤0.0015
Al：4.2-4.4
B：≤0.01
Co：7.8-8.5
Cr：18.2-19.2
Cu：≤0.1
Fe：≤0.5
Hf：1.0-1.2
Mg：≤0.002
Mo：≤0.5
N：≤0.0015
Nb：≤0.01
O：≤0.0015
Ta：4.9-5.1
Ti：1.1-1.3
W：2.0-2.4
Zr：0.003-0.007
Ni：余量
和不可避免的杂质。
3.涡轮部件，由权利要求1或2的镍基超级合金制成。
4.权利要求3的涡轮部件，其是具有定向凝固结构或单晶结构的燃气涡轮部件。
5.权利要求4的涡轮部件，其中所述部件是燃气涡轮叶片或导向叶片。
6.权利要求5的涡轮部件，其中所述叶片或导向叶片包含没有涂层的固定部分。
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