CN109963955A - 镍基超合金、单晶叶片以及涡轮机 - Google Patents

镍基超合金、单晶叶片以及涡轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及镍基超合金，以质量百分比计，其包含：4.0％至6.0％的铬；0.4％至0.8％的钼；2.5％至3.5％的铼；6.2％至6.6％的钨；5.2％至5.7％的铝；0.0至1.6％的钛；6.0％至9.9％的钽；0.0至0.7％的铪；和0.0至0.3％的硅；余量由镍和任何杂质构成。本发明还提供一种包含该合金单晶叶片(20A、20B)，以及包含该叶片(20A、20B)的涡轮机(10)。

Description

镍基超合金、单晶叶片以及涡轮机
发明背景
本公开涉及一种镍基超合金，其用于燃气涡轮，特别是用于固定叶片(blade)[也称为桨(vane)或喷嘴]，或用于燃气涡轮中的移动叶片，例如用在航空领域中。
已知使用镍基超合金来制造用于飞机或直升机发动机中燃气涡轮的固定单晶叶片或移动单晶叶片。
这些材料的主要优势是结合了高温下的高抗蠕变性以及良好的抗氧化性和抗腐蚀性
随着时间的推移，用于单晶叶片的镍基超合金的化学组成发生了很大变化，特别是为了改进其高温蠕变性能、同时保持对于极其恶劣环境(这些超合金在该环境中使用)的良好抗性。
此外，已经开发出适用于这些合金的金属涂层，以提高合金对于恶劣环境(这些合金在该环境中使用)的抗性，特别是提高抗氧化性和抗腐蚀性。此外，可以添加用作热屏障的低热导率的陶瓷涂层，以降低金属表面的温度。
通常，完整的保护系统包括至少两层。
第一层(也称为衬层或粘合涂层)直接沉积在待保护的镍基超合金部件(也称为基材)上，例如，固定叶片或移动叶片。在沉积步骤之后是使粘合涂层扩散到超合金中的步骤。沉积和扩散也可以在单个步骤中进行。
通常用于制造该粘合涂层的材料包括：MCrAlY[M＝Ni(镍)或Co(钴)或Ni和Co的混合物，Cr＝铬，Al＝铝和Y＝钇]型的氧化铝形成金属合金或铝化镍型合金(NixAly)，其中一些还含有铂(NixAlyPtz)。
通常称为热屏障涂层(TBC)的第二层是例如包含经氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)或经氧化钇部分稳定的氧化锆(YPSZ)并具有多孔结构的陶瓷涂层。该层可以通过各种方法沉积，例如，电子束物理气相沉积(EB-PVD)、大气等离子喷涂(APS)、悬浮等离子喷涂(SPS)、或提供具有低热导率的多孔陶瓷涂层的任意其它方法。
由于在高温下使用这些材料，例如，在650℃至1150℃的范围内使用这些材料，在微观尺度上，在基材的镍基超合金和粘合涂层的金属合金之间产生了相互扩散现象。从涂层的制造开始并叶片在涡轮中后续使用中，这些与粘合涂层氧化相关的相互扩散现象改变了粘合涂层的化学组成、微观结构以及机械性质。这些相互扩散现象还改变了基材超合金的化学组成、微观结构以及机械性质。在具有非常高含量的难熔元素、特别是铼的超合金中，可以在粘合涂层下的超合金中形成二级反应区(SRZ)，其深度为几十或甚至几百微米。该SRZ的机械特性远不如基材的超合金的机械特性。SRZ的形成是不期望的，因为其导致超合金强度的显著下降。
粘合涂层中的这些变化与应力场相关，所述应力场与运行时在该粘合涂层表面上形成的氧化铝层生长[也称为热生长氧化物(TGO)]以及在各层之间的热膨胀系数差异相关，所述变化导致粘合涂层和陶瓷涂层之间的界面区域中失去内聚力，这可能导致陶瓷涂层部分或全部散裂。然后金属部分(超合金基材和金属粘合涂层)裸露并直接暴露于燃烧气体，因而使损坏叶片并因此损坏燃气涡轮的风险增加。
发明目的和概述
本公开试图提供一种用于制造单晶部件的镍基超合金，其在非常高的温度下呈现出比现有合金更好的机械特性，并且提高了热屏障的抗散裂性。
为此，本公开提供了一种镍基超合金，以质量百分比计，其包含：4.0％至6.0％的铬；0.4％至0.8％的钼；2.5％至3.5％的铼；6.2％至6.6％的钨；5.2％至5.7％的铝；0.0至1.6％的钛；6％至9.9％的钽；0至0.7％的铪；和0至0.3％的硅；余量由镍和任何杂质构成。
该超合金用于制造燃气涡轮中单晶部件，例如，固定叶片或移动叶片。
通过该镍(Ni)基超合金，与现有超合金相比，抗蠕变性得以改进，特别是在高达1200℃的温度下尤为如此，并且与在现有超合金上所观察到的相比，热屏障的粘附性得以增强。
因此，该合金在高温下具有改进的抗蠕变性。由于该合金的寿命较长，因此该合金还具有改进的抗腐蚀性和抗氧化性。该合金还具有改进的抗热疲劳性。
镍基合金部件是在使用失蜡铸造时在温度梯度下通过定向凝固工艺获得的。镍基单晶超合金具有面心立方体结构的奥氏体基质，镍基固溶体，称为伽玛(“γ”)相。该基质含有Ni3Al型L12有序立方结构的伽玛’(“γ’”)硬化相的沉淀物。因此，该组合(基材和沉淀物)被称为γ/γ’超合金。
此外，该镍基超合金组合物适合于进行热处理，所述热处理使得在超合金凝固过程中形成的γ’相沉淀物和γ/γ’共晶相完全回到溶液中。因此，可以获得镍基单晶超合金，其含有受控尺寸的γ’沉淀物，优选地在300纳米(nm)至500nm的范围内，并且不含γ/γ’共晶相。
处理还可以控制镍基单晶超合金中存在的γ’相沉淀物的体积分数。γ’相沉淀物的体积分数可以大于或等于50％，优选大于或等于60％，更优选等于70％。
添加钨(W)、铬(Cr)、铼(Re)或钼(Mo)主要用于通过在固溶体中硬化来强化γ奥氏体基质。
添加铝(Al)、钛(Ti)或钽(Ta)可提高γ'硬化相Ni3(Al、Ti、Ta)的沉淀。
铼(Re)用于减缓超合金中化学物质的扩散，并限制在高温运行期间γ'相沉淀物的聚结(一种导致机械强度降低的现象)。因此，铼用于改进镍基超合金在高温下的抗蠕变性。然而，过高的铼浓度可能导致金属间相析出，例如，相σ、P、或μ，也称为拓扑密堆(TCP)相，其对超合金的机械性质具有负面影响。过高的铼浓度还会在粘合涂层下的超合金中形成二次反应区，从而对超合金的机械性质产生负面影响。
同时添加硅(Si)和铪(Hf)用于通过提高高温下形成于超合金表面处的氧化铝(Al2O3)层的粘附性来改进镍基超合金在热的情况下的抗氧化性。该氧化铝层在镍基超合金的表面形成钝化层，以及阻挡氧气从外部向镍基超合金内部扩散的屏障。然而，可以添加铪而不添加硅，也可以添加硅而不添加铪，并且仍然能提高超合金在热的情况下的抗氧化性。
此外，添加铬或铝用于改进超合金在高温下的抗氧化性和抗腐蚀性。特别是，铬对于提高镍基超合金在热的情况下的抗腐蚀性是必不可少的。然而，过高的铬含量会降低镍基超合金的γ’相的固溶温度(solvus temperature)，这是不期望的，即所述固溶温度是高于该温度则γ’相完全溶解在γ基质中的温度。因此，铬的浓度为4.0质量％至6.0质量％，以保持镍基超合金的γ’相的高固溶温度，例如，高于或等于1250℃，并且还避免在元素(如铼、钼或钨的)高度饱和的γ基质中形成拓扑致密相(topologically compact phase)。
添加难熔元素(如钼、钨、铼或钽)可以缓解控制镍基超合金蠕变的机制。该机制依赖于超合金中化学元素的扩散。
还应观察到，镍基超合金不包含钴(Co)，钴是具有使γ’相固溶温度下降的效果的元素。
术语“杂质”用于表示以不希望的方式少量存在于金属中的化学元素，例如，具有浓度小于或等于0.05质量％的元素。
术语“镍基合金”用于表示镍的质量百分比占大多数的合金。因此，可以理解，镍是该合金中具有最大质量百分比的元素。
以质量百分比计，该超合金可以包含：4.8％至5.2％的铬；0.4％至0.8％的钼；2.8％至3.2％的铼；6.2％至6.6％的钨；5.2％至5.7％的铝；0.8至1.2％的钛；6.3％至9.2％的钽；0.3至0.7％的铪；和0.0至0.3％的硅；余量由镍和任何杂质构成。
以质量百分比计，该超合金可以包含：4.8％至5.2％的铬；0.4％至0.8％的钼；2.8％至3.2％的铼；6.2％至6.6％的钨；5.2％至5.7％的铝；0.0至1.5％的钛；6.3％至6.7％的钽；0.3至0.7％的铪；和0.0至0.3％的硅；余量由镍和任何杂质构成。
以质量百分比计，该超合金可以包含：4.8％至5.2％的铬；0.4％至0.8％的钼；2.8％至3.2％的铼；6.2％至6.6％的钨；5.2％至5.7％的铝；0.0至0.5％的钛；8.8％至9.2％的钽；0.3至0.7％的铪；和0.0至0.3％的硅；余量由镍和任何杂质构成。
以质量百分比计，该超合金可以包含：5％的铬；0.6％的钼；3％的铼；6.4％的钨；5.5％的铝；1％的钛；6.5％的钽；0.5％的铪；和0.0至0.1％的硅；余量由镍和任何杂质构成。
以质量百分比计，该超合金可以包含：5％的铬；0.6％的钼；3％的铼；6.4％的钨；5.5％的铝；9％的钽；0.5％的铪；和0.0至0.1％的硅；余量由镍和任何杂质构成。
本公开还提供用于涡轮发动机的单晶叶片，所述叶片包含如上所述的超合金。
因此，该叶片在高温下具有改进的抗蠕变性。
该叶片可以包括保护涂层，该保护涂层包括沉积在超合金上的金属粘合涂层以及沉积在金属粘合涂层上的陶瓷热屏障。
由于镍基超合金的组成，在超合金和粘合涂层之间的相互扩散现象使得超合金中二次反应区的形成减少，甚至不会导致该区的形成。
由于镍基超合金的组成，与现有技术的镍基超合金叶片相比，叶片上的热屏障的抗散裂性得以增强。
金属粘合涂层可以是MCrAlY型合金或铝化镍型合金。
陶瓷热屏障可以是基于经氧化钇稳定的氧化锆的材料或者具有低热导率的任意其它陶瓷涂层(基于氧化锆的)。
叶片可以具有沿<001>结晶方向取向的结构。
该取向通常赋予叶片最佳机械性质。
本公开还提供一种涡轮机，其包含如上所述的叶片。
附图说明
本发明的其它特点和优势通过下文关于本发明实施方式的描述并参照附图而显而易见，所述实施方式以非限制示例的形式给出，附图中：
图1是涡轮机的纵向截面图。
具体实施方式
镍基超合金用于在温度梯度中通过定向凝固法制造单晶叶片。在凝固开始时使用单晶晶种或晶粒选择器能够获得该单晶结构。例如，该结构沿<001>结晶方向取向，通常，该方向是赋予超合金最佳机械性质的取向。
未经处理的固化镍基单晶超合金具有枝晶结构，并且其由分散在具有面心立方体结构的γ基质(镍基固溶体)中的Ni3(Al、Ti、Ta)γ’沉淀物构成。由于凝固方法产生的化学偏析，这些γ’相沉淀物以非均匀方式分布在单晶的基体中。此外，γ/γ’共晶相存在于枝晶间区域并构成引发裂纹的首选位点。此外，形成γ/γ’共晶相会损害硬化γ’相的细小(尺寸小于1微米)的沉淀物。这些γ’相沉淀物构成了镍基超合金中的主要硬化来源。而且，剩余的γ/γ’共晶相的存在使得不能优化镍基超合金的热蠕变强度。
具体来说，现已显示出：当使尺寸为300nm至500nm的γ’沉淀物沉淀时，并且当使得γ/γ’共晶相完全进入溶液时，超合金的机械性质、特别是蠕变强度得以优化。
因此，对未经处理的固化镍基超合金进行热处理，以获得所需要的各种相分布。第一次热处理是微观结构的均化热处理，其试图溶解γ相沉淀物和γ/γ’共晶相。该处理在高于γ’相的固溶温度的温度下进行。然后，在该第一次热处理结束时进行淬火，以获得细小且均匀的γ’沉淀物分散。然后，在低于γ’相的固溶温度的温度下分两步骤进行退火热处理。在第一步骤期间，使γ’沉淀物增多并获得所需的尺寸，然后在第二步骤中，将该相的体积分数增加至约70％。
实施例
对本公开的两个镍基单晶超合金(实施例1和实施例2)进行研究，并与三种市售单晶超合金CMSX-4(实施例3)、AM1(实施例4)和MC2(实施例5)进行比较。各单晶超合金的化学组成由表1给出。所有的超合金都是镍基超合金，即，使表1中所给出浓度和达到100％的余量由镍和任意杂质构成。
表1
蠕变强度
表2显示了在氩(Ar)下在1200℃下施加80兆帕(MPa)的应力时在超合金实施例1至实施例5上进行的蠕变强度试验的结果。蠕变强度通过对试样的寿命进行量化[以小时(h)表示]，即，试样在1200℃下开始加载和试样断裂之间花费的时间
表2
超合金 寿命(小时)
实施例1 90
实施例2 50
实施例3 25
实施例4 4
实施例5 3
可见，实施例1和实施例2的超合金呈现出远大于对比合金CMSX-4(实施例3)、AM1(实施例4)和MC2(实施例5)的蠕变断裂寿命。因此，实施例1和实施例2的超合金可以在寿命相当的情况下承受大于对比合金可以承受的运行应力的运行应力，或者其可以在应力相当的情况下具有更长的寿命。
保护涂层的抗性
为了研究实施例1至实施例5的超合金与保护涂层(金属粘合涂层和陶瓷热屏障)的相容性，对热屏障的抗循环氧化进行测试。
这些在空气中进行的测试包括重复单个热循环，所述单个热循环包括如下步骤：约10分钟加热至1100℃，随后将温度保持在1100℃，并且这两个步骤的总持续时间为1小时，随后在约12分钟内强制冷却至低于100℃的温度。
当试样显示出至少20％的试样面积上陶瓷热屏障散裂时，即当陶瓷热屏障占据小于80％的试样面积时，停止测试。该测量通过图像分析来进行。
实施例1至实施例5的超合金用NiPtAl型金属粘合涂层进行涂覆，然后通过EB-PVD沉积经氧化钇稳定的氧化锆型陶瓷热屏障。经氧化钇稳定的氧化锆是8YPSZ型，其是具有8质量％的氧化钇(Y2O3)的经氧化钇稳定的氧化锆。
这些测试的结果在表3中给出，其显示出在测试停止前各试样在1100℃进行的循环次数。
在各类型的超合金上进行的多种测试的结果的离散由不确定性表示，该不确定性表示为表3的第2列中的循环次数值可以加上或减去的循环次数。对于各焊接，在至少三个不同试样上进行测试。
表3
超合金 循环次数 不确定性(循环次数)
实施例1 4500 500
实施例2 4300 500
实施例3 2050 500
实施例4 1450 250
可以看出，在超过20％的试样面积上的热屏障散裂之前，具有实施例1和实施例2的组合物作为其基材的试样能够在氧化气氛中在1100℃至低于100℃的温度之间经受多次循环，其循环次数远大于具有实施例3和实施例4的组合物作为其基材的试样能够经受的循环次数。
在1100℃和低于100℃的温度之间的热循环测试结束时，检测具有实施例1和实施例2的组合物作为其基材的经涂覆的试样的微结构。光学显微镜观察显示出在NiPtAl型金属粘合涂层下的超合金基材中不存在第二反应区。
总之，本公开的超合金首先在极高温度(1200℃)下呈现出比市售合金CMSX-4、AM1和MC2(实施例3至实施例5)更好的蠕变性质。此外，这些超合金能够提高热屏障的寿命。最后，这些合金对热屏障涂层下的第二反应区的形成不敏感。因此，这些超合金可以使得由这些超合金制成的高温部件(例如，涡轮叶片)的寿命增加，特别是当这些部件具有保护涂层时尤为如此。
图1显示在包含其主轴A的垂直平面上的截面中看到的旁通喷气发动机10。从空气流的上游到下游流动方向上，旁通喷气发动机10包括风扇12、低压压缩机14、高压压缩机16、燃烧室18、高压涡轮20以及低压涡轮22。
高压涡轮20具有与转子一起旋转的多个叶片20A、以及安装在定子上的桨20B(固定叶片)。涡轮20的定子具有面向涡轮20的叶片20A设置的多个定子环24。
因此，这些性质使这些超合金成为制造用于喷气发动机的热部分的单晶部件的有利候选者。
因此，可以制造用于涡轮发动机的移动叶片20A或桨20B，其包括如上限定的超合金。
因此，可以制造用于涡轮发动机的移动叶片20A或桨20B，其包括如上限定的以含有金属粘合涂层的保护层进行涂覆的超合金。
特别是，涡轮发动机可以是涡轮喷气发动机，例如旁路涡轮喷气发动机10。涡轮发动机同样可以是单流涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机。
尽管本公开参考具体实施方式进行了描述，但是显然可以对这些实施方式进行各种修改和改变，而不超出权利要求所限定的本发明的一般范围。而且，上述各种实施方式的各个特征可以组合在另外的实施方式中。因此，说明书和附图应该以说明性而非限制性的意义进行考虑。

Claims (10)

1.一种镍基超合金，以质量百分比计，所述超合金包含：4.0％至6.0％的铬；0.4％至0.8％的钼；2.5％至3.5％的铼；6.2％至6.6％的钨；5.2％至5.7％的铝；0.0至1.6％的钛；6.0％至9.9％的钽；0.0至0.7％的铪；和0.0至0.3％的硅；余量由镍和任何杂质构成。
2.如权利要求1所述的超合金，以质量百分比计，所述超合金包含：4.8％至5.2％的铬；0.4％至0.8％的钼；2.8％至3.2％的铼；6.2％至6.6％的钨；5.2％至5.7％的铝；0.8至1.2％的钛；6.3％至9.2％的钽；0.3至0.7％的铪；和0.0至0.3％的硅；余量由镍和任何杂质构成。
3.如权利要求1所述的超合金，以质量百分比计，所述超合金包含：4.8％至5.2％的铬；0.4％至0.8％的钼；2.8％至3.2％的铼；6.2％至6.6％的钨；5.2％至5.7％的铝；0.0至1.5％的钛；6.3％至6.7％的钽；0.3至0.7％的铪；和0.0至0.3％的硅；余量由镍和任何杂质构成。
4.如权利要求1所述的超合金，以质量百分比计，所述超合金包含：4.8％至5.2％的铬；0.4％至0.8％的钼；2.8％至3.2％的铼；6.2％至6.6％的钨；5.2％至5.7％的铝；0.0至0.5％的钛；8.8％至9.2％的钽；0.3至0.7％的铪；和0.0至0.3％的硅；余量由镍和任何杂质构成。
5.如权利要求1所述的超合金，以质量百分比计，所述超合金包含：5％的铬；0.6％的钼；3％的铼；6.4％的钨；5.5％的铝；1％的钛；6.5％的钽；0.5％的铪；和0.0至0.1％的硅；余量由镍和任何杂质构成。
6.如权利要求1所述的超合金，以质量百分比计，所述超合金包含：5％的铬；0.6％的钼；3％的铼；6.4％的钨；5.5％的铝；9％的钽；0.5％的铪；和0.0至0.1％的硅；余量由镍和任何杂质构成。
7.一种用于涡轮发动机的单晶叶片(20A、20B)，叶片包含如权利要求1至6中任一项所述超合金。
8.如权利要求7所述的叶片(20A、20B)，所述叶片包括保护涂层，保护涂层包括沉积在超合金上的金属粘合涂层以及沉积在金属粘合涂层上的陶瓷热屏障。
9.如权利要求7或权利要求8所述的叶片(20A、20B)，所述叶片具有沿<001>结晶方向取向的结构。
10.一种涡轮机，其包括如用于权利要求7至9中任一项所述的叶片(20A、20B)。
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