CN103354841B - 具有高γ/γ’转变温度的金属粘合层或合金以及部件 - Google Patents

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Abstract

镍基涂层中钽的添加稳定了高温下的γ/γ’相，导致了局部应力的降低。

Description

具有高γ/γ’转变温度的金属粘合层或合金以及部件
本发明涉及具有γ和γ’相的金属粘合层以及部件。
燃气轮机中的高温气体通路部件由Ni基或Co基材料制成。这些材料经过了强度优化，却不能承受在较高温度下的氧化和/或腐蚀侵袭。因此，这些类型的材料必须要用MCrAlY涂层进行防氧化保护，所述MCrAlY涂层也可用作热阻挡涂层(TBC)系统(system)的粘合层。在TBC系统，一方面需要MCrAlY涂层阻挡高温气体的侵袭，另一方面需要该涂层将TBC粘附在基体上。改良该系统不被氧化可使粘合层服役温度提高且寿命特性增长。
为保护所述材料不被热腐蚀/氧化，MCrAlY涂覆层通常通过如下方法涂覆：低压等离子喷涂(LPPS)、空气等离子喷涂(APS)、电子束物理气相沉积(EBPVD)、冷喷涂(CS)或高速氧燃料(HVOF)法。所述MCrAlY涂层是基于镍和/或钴、铬、铝、硅、铼以及稀土元素如钇。随着粘合层温度升高，该涂层会失效，其会导致热阻挡涂层的开裂。因而，随着服役温度的提高，需要改良的涂层以抵御氧化侵袭。此外，这类涂层需要具有可接受的热机械性能。这些需求只可能通过优化粘合层的组成而达成。
因此本发明的目的就是解决上述的问题。
该问题通过根据权利要求1的金属涂层或合金以及根据权利要求18的部件而解决。
在从属权利要求中公开了进一步的改进，所述改进可以任意相互组合以产生更多的优点。
如所示
图1      涡轮叶片
图2      燃气轮机，和
图3      一系列超级合金(superalloy)
附图和描述仅为本发明的实施例。
图1示出沿纵轴121延伸的涡轮机(组)的转子叶片120或导流轮叶(guide vane)130的透视图。
涡轮机(组)可以是飞行器或用于发电的发电设备的燃气轮机，蒸汽轮机或压缩机。
叶片或轮叶120、130具有沿着纵轴121相继排列的固定区400，相邻的叶片或轮叶平台403，和主叶片或轮叶部件406，以及叶片或轮叶的末端415。
作为导流轮叶130，轮叶130可在其轮叶末端415处具有另外的平台(未示出)。
用于将转子叶片120、130固定在轴杆或盘(未示出)上的叶片或轮叶根部183形成在固定区400中。
叶片或轮叶根部183被设计为例如锤头形状。其他构型如杉树或楔形的根部也是可能的。
叶片或轮叶120、130具有用于流经主叶片或轮叶部件406的介质的前缘409和后缘412。
在传统的叶片或轮叶120、130的情况下，举例来说，固体金属材料，特别是超级合金，被用于叶片或轮叶120、130的所有区域400、403、406。
这类超级合金可从例如EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949中获知。
在该情况下，叶片或轮叶120、130可通过铸造方法生产，也可依靠定向凝固，通过锻造(forging)方法，通过切削(milling)方法或它们组合的方法生产。
具有单晶结构的工件被用作运转过程中暴露于高机械、热和/或化学应力中的机器部件。
这类单晶工件通过例如熔融材料的定向凝固生产。这涉及液态金属合金凝固形成单晶结构(即单晶工件)或定向凝固的铸造方法。在该情况下，树枝状晶体沿热流方向定向，形成柱状晶粒结构(即具有工件全长的晶粒，按照常用说法，这里称为定向凝固)或单晶结构，即整个工件为一个单晶。在这些方法中，需要避免向球形(多晶)凝固的转变，因为非定向的生长不可避免的形成横向和纵向晶界，其会有害于定向凝固部件或单晶部件良好的特性。
文中一般性地提及定向凝固显微组织(directionally solidifiedmicrostructures)时，其应被理解为含义上同时包括单晶，其不具备任何晶界或至多有小角度晶界，以及柱状晶体结构，其具有纵向延伸的晶界但没有任何横向晶界。所述第二种晶体结构形式也被称为定向凝固显微组织(定向凝固组织)。
这种类型的方法可由US A6024792和EP0892090A1中获知。
叶片或轮叶120、130同样可具有抗腐蚀性或抗氧化的涂层，例如MCrAlX(M是选自铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素，并表示钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素、或铪(Hf))。这类合金由EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或EP1306454A1可获知。
其密度优选为理论密度的95％。
氧化铝保护层(TGO＝热生长氧化层)形成在MCrAlX层上(作为中间层或最外层)。
在MCrAlX上也可以存在热阻挡涂层，该涂层由例如ZrO2、Y2O3-ZrO2组成，即没有、部分或全部通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁和/或一种或更多种稀土元素(镧、钆、钇等)稳定，所述涂层优选为最外层。
热阻挡涂层覆盖整个MCrAlX层。通过适当的涂覆方法在热阻挡涂层中形成柱状晶粒，例如通过电子束物理气相沉积法(EB-PVD)形成。
其它的涂覆方法是可能的，例如大气等离子喷涂(APS)、LPPS、VPS、溶液前驱体等离子喷涂(SPPS)或CVD。热阻挡涂层可包含多孔颗粒，其具有显微裂纹或宏观裂纹以改善其抗热冲击性。因此，热阻挡涂层优选比MCrAlX层更加多孔。
叶片或轮叶120、130可为中空或实心形式。如果要冷却叶片或轮叶120、130，它是空心的且可能还包含薄膜冷却孔418(由虚线表示)。
图2以示例方式示出纵向部分截面形式的燃气轮机100。
在其内部，燃气轮机100具有转子103，也被称为涡轮转子，其被安装为可围绕转动轴102旋转且具有一个轴杆101。
进气壳(intake housing)104、压缩机105、燃烧室例如涡流(toroidal)燃烧室110、特别是环形燃烧室，其具有多个同轴排列的燃烧器107、涡轮108以及排气壳(exhaust-gas housing)109沿转子103依次排列。
环形燃烧室110与通路例如环形高温气体通路111相连，所述高温气体通路111中，举例来说，四个相继的涡轮级112形成涡轮108。
每个涡轮级112由例如两个叶片或轮叶环形成。从工作介质113流动的方向看去，在高温气体通路111中，由转子叶片120形成的排(row)125设置在导流轮叶排115之后。
导流轮叶130固定在定子143的内壳体138，而排125的转子叶片120安装在转子103上，例如，利用涡轮盘133安装。
发电机(未示出)耦接至转子103。
当燃气轮机100运行的时候，压缩机105通过进气壳104吸入空气135并对其进行压缩。在压缩机105的涡轮侧末端供给的压缩空气通至燃烧器107，在其中与燃料混合。然后混合物在燃烧室110里燃烧形成工作介质113。从那里，工作介质113沿高温气体通路111流动经过导流轮叶130和转子叶片120。工作介质113在转子叶片120处膨胀，传送其动量，从而转子叶片120驱动转子103，后者进而驱动与其相连的发电机。
当燃气轮机100运行的时候，暴露于热工作介质113的部件经历热应力。从工作介质113流动的方向看，第一涡轮级112的导流轮叶130和转子叶片120，与衬在环形燃烧室110里面的隔热砖一起，经历最高热应力。为耐受那里普遍的温度，其可通过冷却剂冷却。
部件的基底同样可具有定向结构，即，它们是单晶形态(SX结构)或只包含纵向晶粒(DS结构)。
举例来说，使用铁基、镍基或钴基的超级合金作为部件的材料，特别是作为涡轮叶片或轮叶120、130和燃烧室110部件的材料。
这类超级合金，例如，从EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949中可获知。
导流轮叶130具有面向涡轮108的内壳体138的导流轮叶根部(此处未示出)，以及在与导流轮叶根部相反端的导流轮叶头部。导流轮叶头部面向转子103，且固定至定子143的固定环140。
已开发出一种新改良的可满足上述要求的涂层。该涂层具有良好的长期寿命，可接受的机械性能和改良了的抗氧化性能。这基于镍基合金中钽(Ta)的存在，但优选地没有铼(Re)的存在。钽(Ta)稳定了具有高γ’/γ转变温度的三相系统(γ’/γ/β)的形成。由于钽(Ta)可稳定γ’的高转变温度，所述γ’的转变温度高于所述粘合层的服役温度，所以这也可降低局部应力。
因此，涂层中优选地无需铪(Hf)、硅(Si)或锆(Zr)或任意熔融抑制剂(melting depressant)(B)。
非常好的结果示出了可获得所建议的具有提高了的γ’转变温度的三相系统的下列元素组合物：
Ni-23Co-20Cr-10Al-4.5Ta。
由于没有钽的添加，含有铼(Re)且不含钽(Ta)的组合物(Ni-25Co-17Cr-10Al-1.5Re-Y)具有较低的γ’/γ转变温度。
粘合层优选为添加了钴(Co)、铬(Cr)、铝(Al)和任选的钇(Y)的镍(Ni)基超级合金，优选由这些元素组成。
尤其优选其为MCrAl(X)合金，其中M＝Ni、Co。
优选地，该合金不包含钼(Mo)和/或钨(W)和/或铌(Nb)和/或铂(Pt)。

Claims (16)

1.一种金属涂层或合金
其为镍基的，且
含有γ和γ’相以及任选的β相
其特征在于
所述涂层或所述合金包含钽(Ta)，
所述钽(Ta)的范围为3.0wt％至6.0wt％，
其中所述金属涂层或合金由镍(Ni)、钴(Co)、铝(Al)、铬(Cr)、钽(Ta)、任选的钇(Y)和任选的0.1wt％至2wt％的铼(Re)组成，所述钴(Co)的量为21wt％至25wt％，所述铝(Al)的量为9wt％-11wt％，所述铬(Cr)的量为18wt％至22wt％。
2.根据权利要求1的金属涂层或合金，
其中所述钽(Ta)的范围为3.5wt至5.5wt％。
3.根据权利要求1的金属涂层或合金，
其中所述钽(Ta)的量为4.5wt％。
4.根据权利要求1的金属涂层或合金，
其中所述铝(Al)的量为10wt％。
5.根据权利要求1的金属涂层或合金，
其中所述钴(Co)的量为22wt％至23.5wt％。
6.根据权利要求1的金属涂层或合金，
其中所述钴(Co)的量为23wt％。
7.根据权利要求1的金属涂层或合金，
其中所述铬(Cr)的量为19wt％至21wt％。
8.根据权利要求1的金属涂层或合金，
其中所述铬(Cr)的量为20wt％。
9.根据权利要求1至8中任一项的金属涂层或合金，
其中所述金属涂层或所述合金不含钇(Y)。
10.根据权利要求1至8中任一项的金属涂层或合金，
其中所述钇(Y)的量为0.1wt％至0.7wt％。
11.根据权利要求1至8中任一项的金属涂层或合金，
其中所述金属涂层或所述合金不含铼(Re)。
12.根据权利要求1至8中任一项的金属涂层或合金，
其中所述涂层或所述合金包含0.1wt％至2wt％的铼(Re)。
13.根据权利要求1至8中任一项的金属涂层或合金，
其中所述金属涂层或所述合金为MCrAlX合金，其中M＝镍(Ni)和钴(Co)，X表示钽(Ta)、任选的钇(Y)和任选的铼(Re)。
14.根据权利要求1至8中任一项的金属涂层或合金，
其与含有铼(Re)且不含钽(Ta)的NiCoCrAlX合金或涂层相比具有更高的γ’/γ转变温度。
15.根据权利要求1至8中任一项的涂层或合金，
其含有至少5vol％的β相。
16.一种部件，
其含有根据权利要求1至15中任一项的金属涂层。
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