CN103702793A

CN103702793A - 镍基的合金、应用和方法

Info

Publication number: CN103702793A
Application number: CN201280034635.2A
Authority: CN
Inventors: 尼古拉·阿里亚金; 托尔斯滕·约基施; 米夏埃尔·奥特; 塞巴斯蒂安·皮格特; 迪米特里奥斯·托迈迪斯; 安德烈亚斯·奈德尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2014-04-02
Also published as: RU2567140C2; KR20140022951A; RU2014104810A; EP2546021A1; EP2701878A1; WO2013007461A1; US20140191017A1

Abstract

本发明涉及一种新的、镍基的、具有元素碳（C）、铬（Cr）、钴（Co）、钼（Mo）、钨（W）、钛（Ti）、铝（Al）、硼（B）、锆（Zr）的合金，所述合金在焊接时具有非常小的形成裂纹的倾向。

Description

镍基的合金、应用和方法

技术领域

本发明涉及一种镍基超合金，所述镍基超合金特别能够用于焊接。

背景技术

镍基的材料特别从燃气轮机的涡轮机叶片中已知并且在高温时具有高强度。同样，镍基的超合金必须具有较低的裂纹敏感性，也就是说具有高韧性。US 3,615,375公开了Rene80。合金也需要正好这样的特性，所述合金用于焊接镍基的超合金。通常在被焊接的区域中产生裂纹，但是这应当被避免。

发明内容

因此本发明的目的是，解决在上文中所提到的问题。

所述目的通过根据权利要求1所述的合金、根据权利要求9所述的应用和根据权利要求11所述的方法来实现。

在从属权利要求中列举了其它优选的措施，所述措施能够任意地彼此组合，以便实现其它的优点。

所述合金在高温时具有良好的特性。同样所述合金可被用作为焊接合金，其中因此改善了由Rene80构成的构件的维修可能性，降低了废品率，特别是在手工焊接时改善了焊接质量并且也在自动化的方法中导致单件成本降低。在激光覆层法中它有利地用于对热裂纹敏感的待焊接的材料。

除此之外，在焊接时通常执行的构件的预热或者过度时效是不必要的，以至于在这里也发生成本降低，因为不需要设备的费用并且不需要对热处理耗费时间。

这是可能的，因为晶界强化物在作为焊接材料或者作为基底的这个合金中的较低的份额在焊接时并且在焊接期间在加热和冷却时降低了裂纹风险，因此提高了可焊接性。

附图说明

附图示出：

图1示出涡轮机叶片，

图2示出燃烧室，

图3示出燃气轮机，

图4示出超合金的列表。

附图和描述仅代表本发明的实施例。

具体实施方式

镍基合金至少具有如下物质（单位：重量%）：

碳（C）0.13%-0.2%，

铬（Cr）13.5%-14.5%，

钴（Co）9.0%-10.0%，

钼（Mo）1.5%-2.4%，

钨（W）3.4%-4.0%，

钛（Ti）4.6%-5.0%，

铝（Al）2.6%-3.0%，

硼（B）0.005%-0.008%，

特别是其余的是镍（Ni），

可选择地，

铌（Nb）最大0.1%，

钽（Ta）最大0.1%，

锆（Zr）最大0.05%，

特别是至少0.02%，

铪（Hf）最大0.1%，

硅（Si）最大0.1%，

锰（Mn）最大0.1%，

和杂质，

特别是磷（P）、铁（Fe）、硫（S）、钒（V）、铜（Cu）、铅（Pb）、铋（Bi）、硒（Se）、碲（Te）、铊（Tl）、镁（Mg）、氮（N）、银（Ag）。

表述“最大”是指，合金元素通常存在于合金中并且被允许直至最大值。

杂质是指，合金元素的含量被最小化。

能够以有利的方式放弃添加物如钽（Ta）、硅（Si）、铌（Nb）、铪（Hf）、锰（Mn）和/或铼（Re）。

优选放弃其它的熔点降低物，这也是镓（Ga）和/或锗（Ge）。

通过硼和钼的较低的份额，形成少量的硼化物或碳化物和硫化物，所述硼化物或碳化物和硫化物在晶界上形成低熔相，所述低熔相此外可能促使裂纹形成。因此在室温中能够执行焊接法、特别是粉末焊接法。

合金能够用作为用于高温构件如涡轮机构件的基底材料。

同样，合金能够用作为基底的焊接合金、特别是由Rene80或者其它的镍基的超合金构成的焊接合金、更特别是根据图4的合金的焊接合金。

图1在立体图中示出流体机械的沿着纵轴线121延伸的转子叶片120或导向叶片130。

所述流体机械可以是飞机的或用于发电的发电厂的燃气轮机，也可以是蒸汽轮机或压缩机。

叶片120、130沿着纵轴线121相继具有：固定区域400、邻接于固定区域的叶片平台403以及叶身406和叶片梢部415。作为导向叶片130，叶片130可以在其叶片梢部415处具有另一平台（未示出）。

在固定区域400中形成有用于将转子叶片120、130固定在轴或盘上的叶片根部183（未示出）。叶片根部183例如构成为锤头形。作为枞树形根部或燕尾形根部的其他构形是可行的。叶片120、130对于流过叶身406的介质具有迎流棱边409和出流棱边412。

在传统叶片120、130中，在叶片120、130的所有区域400、403、406中使用例如实心的金属材料、尤其是超合金。例如由EP 1 204 776B1、EP 1 306 454、EP 1 319 729 A1、WO 99/67435或WO 00/44949已知这样的超合金。在这种情况下，叶片120、130可以通过铸造法，也可以借助定向凝固、通过锻造法、通过铣削法或其组合来制造。

将带有一个或多个单晶结构的工件用作机器的在运行中承受高的机械的、热的和/或化学的负荷的构件。这种单晶工件的制造例如通过由熔融物的定向凝固来进行。在此，这涉及一种铸造法，其中液态金属合金凝固为单晶构造物、即单晶工件，或者定向凝固。在这种情况下，枝状晶体沿热流定向，并且形成柱状晶体的晶粒结构（柱状地，这就是说在工件的整个长度上分布的晶粒，并且在此根据一般的语言习惯称为定向凝固），或者形成单晶结构，这就是说整个工件由唯一的晶体构成。在这些方法中，必须避免过渡成球形（多晶的）凝固，因为通过非定向的生长不可避免地构成横向和纵向晶界，所述横向和纵向晶界使定向凝固的或单晶的构件的良好特性不起作用。如果一般性地提到定向凝固组织，则是指不具有晶界或最多具有小角度晶界的单晶和确实具有沿纵向方向分布的晶界但不具有横向晶界的柱状晶体结构。第二种所提到的晶体结构也称为定向凝固组织（directionally solidified structures）。由US-PS 6,024,792和EP 0 892 090 A1已知这样的方法。

叶片120、130同样可以具有抗腐蚀或抗氧化的覆层，例如（MCrAlX；M是铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）中的至少一种元素，X是活性元素并代表钇（Y）和/或硅和/或至少一种稀土元素，或铪（Hf））。由EP 0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412 397 B1或EP 1 306 454A1已知这样的合金。密度优选地是理论密度的95%。在（作为中间层或最外层的）MCrAlX层上形成保护性氧化铝层（TGO=thermal grownoxide layer，热生长氧化层）。

优选地，层成分具有Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si或Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y。除这些钴基保护覆层外，也优选地使用镍基保护层，例如Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re或Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re或Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1.5Re。

在MCrAlX上还可以有隔热层，隔热层优选是最外层并例如由ZrO₂、Y₂O₃-ZrO₂组成，即，隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。隔热层覆盖整个MCrAlX层。通过例如电子束气相淀积（EB-PVD）的适当的覆层方法在隔热层中产生柱状晶粒。其他覆层方法也是可以考虑的，例如大气等离子喷涂（APS）、LPPS（低压等离子喷涂）、VPS或CVD。隔热层可以具有多孔的、有微观裂纹或宏观裂纹的晶粒，用于更好地耐热冲击。因此，隔热层优选地比MCrAlX层更为多孔。

再处理（Refurbishment）意味着在使用构件120、130之后，必要时必须将保护层从构件120、130上去除（例如通过喷砂）。接着，去除腐蚀层和/或氧化层及腐蚀产物和/或氧化产物。必要时，还修复在构件120、130中的裂纹。然后，进行构件120、130的再覆层以及构件120、130的重新使用。

叶片120、130可以构造成空心的或实心的。如果要冷却叶片120、130，则叶片为空心的并且必要时还具有薄膜冷却孔418（由虚线表示）。

图2示出燃气轮机的燃烧室110。燃烧室110例如构成为所谓环形燃烧室，其中多个在周向上围绕旋转轴线102设置的燃烧器107通到共同的燃烧室腔154中，所述燃烧器产生火焰156。为此，燃烧室110以其整体构成为环形的结构，所述环形的结构围绕旋转轴线102定位。

为了实现相对高的效率，针对为大约1000℃至1600℃的工作介质M的相对高的温度来设计燃烧室110。为了还在这些对材料不利的工作参数的情况下实现相对长的工作持续时间，燃烧室壁153在其朝向工作介质M的侧上设有由热屏蔽元件155形成的内衬。每个由合金构成的热屏蔽元件155在工作介质侧配备有尤其耐热的保护层（MCrAlX层和/或陶瓷覆层）或者由耐高温的材料（实心陶瓷石）制成。保护层能够类似涡轮叶片，即MCrAlX例如表示：M是铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）中的至少一种元素，X是活性元素并代表钇（Y）和/或硅和/或至少一种稀土元素，或铪（Hf）。从EP 0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412397 B1或EP 1 306 454 A1中已知这种合金。

在MCrAlX上还可以有例如陶瓷的隔热层，并且隔热层例如由ZrO₂、Y₂O₃-ZrO₂构成，即，隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。通过例如电子束气相淀积（EB-PVD）的适当的覆层工艺在隔热层中产生柱状晶粒。其他覆层工艺，例如气相等离子喷涂（APS）、LPPS、VPS或CVD也是可行的。隔热层可以具有多孔的、有微观裂纹或宏观裂纹的晶粒，用于更好的耐热冲击性。

由于在燃烧室110的内部中的高温，此外对于热屏蔽元件155或者其保持元件设置冷却系统。热屏蔽元件155因此例如是空心的并且必要时仍具有通入燃烧室腔154中的冷却孔（未描述）。

Claims

1.一种镍基的合金，

所述镍基的合金至少具有（单位：重量%）：

碳（C）0.13%-0.2%，

铬（Cr）13.5%-14.5%，

钴（Co）9.0%-10.0%，

钼（Mo）1.5%-2.4%，

钨（W）3.4%-4.0%，

钛（Ti）4.6%-5.0%，

铝（Al）2.6%-3.0%，

硼（B）0.005%-0.008%，

特别是其余的是镍（Ni），

可选择地，

铌（Nb）最大0.1%，

钽（Ta）最大0.1%，

锆（Zr）最大0.05%，

特别是至少0.02%，

铪（Hf）最大0.1%，

硅（Si）最大0.1%，

锰（Mn）最大0.1%，

和杂质，

特别是磷（P）、铁（Fe）、硫（S）、钒（V）、铜（Cu）、铅（Pb）、铋（Bi）、硒（Se）、碲（Te）、铊（Tl）、镁（Mg）、氮（N）、银（Ag），

并且特别是由这些合金元素构成。

2.根据权利要求1所述的镍基的合金，

所述镍基的合金至少具有（单位为重量%的值，特别±5%）

0.15%的碳（C），

14.3%的铬（Cr），

9.5%的钴（Co），

1.7%的钼（Mo）,

3.7%的钨（W），

4.8%的钛（Ti）,

2.8%的铝（Al），

0.0075%的硼（B），

可选择地，0.025%的锆（Zr），

特别其余的是镍（Ni），

更特别地由碳、铬、钴、钼、钨、钛、铝、硼、锆和镍构成。

3.根据权利要求1或2所述的合金，

所述合金不具有铌（Nb）。

4.根据权利要求1、2或3所述的合金，

所述合金不具有钽（Ta）。

5.根据权利要求1、2或3的一项或多项所述的合金，

所述合金不具有硅（Si）或者不具有镓（Ga）或者锗（Ge）。

6.根据权利要求1、2、3、4或5的一项或多项所述的合金，

所述合金不具有铪（Hf）。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6的一项或多项所述的合金，

所述合金不具有锰（Mn）。

8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7的一项或多项所述的合金，

所述合金不具有铼（Re）。

9.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7或8的一项或多项所述的合金的应用，所述合金用作为用于镍基的或者钴基的合金的焊接合金。

10.根据权利要求9所述的应用，

作为用于焊接Rene80的添加材料。

11.一种用于修复构件（120，130，155）的方法，其中在焊接镍基的或者钴基的基底（4）时，使用根据权利要求1至8中一项或多项所述的合金作为添加材料。

12.根据权利要求11所述的方法，

其中在焊接前对所述构件（120，130，155）不进行过度时效。

13.根据权利要求11或12所述的方法，

其中在焊接时对所述构件（120，130，155）不进行预热。

14.根据权利要求11、12或13的一项或多项所述的方法，

其中执行粉末堆焊。

15.根据权利要求11、12、13或14的一项或多项所述的方法，

在室温中执行所述方法。

16.根据权利要求11、12、13、14或15的一项或多项所述的方法，

其中焊接Rene80。