CN110573658A - 由超合金制成的涡轮部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种诸如涡轮叶片或分配器翅片之类的涡轮部件，该涡轮部件例如包括由单晶镍超合金制成的基底和覆盖该基底的金属子层，其特征在于，金属子层包括至少两个元素层，该至少两个元素层包括第一元素层和第二元素层，第一元素层设置在基底和第二元素层之间，每个元素层包含γ'‑Ni3Al相以及可选地γ‑Ni相，并且第二元素层中铝的平均原子分数严格大于第一元素层中铝的平均原子分数。

Description

由超合金制成的涡轮部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种例如航空用的涡轮部件，诸如涡轮叶片或喷嘴导流叶片。
背景技术
在涡轮喷气发动机中，燃烧室产生的废气可达到1200℃，或甚至1600℃以上的高温。因此，与这些废气接触的涡轮喷气发动机部件，例如诸如涡轮叶片，必须能够在这些高温下保持其机械性能。
为此，由“超合金”制造涡轮喷气发动机的某些部件是已知的。超合金是一类高强度金属合金，其可以在相对接近其熔点(通常是其熔点的0.7至0.8倍)的温度下工作。
为了增强这些超合金的耐热性并保护它们免于氧化和腐蚀，已知用用作热障的涂层覆盖它们。
图1是涡轮部件1，例如涡轮叶片6或喷嘴导流叶片的截面示意图。部件1包括覆盖有热障10的单晶金属超合金基底2。
图2是涡轮部件1的覆盖基底的热障的一部分的截面示意图。热障包括金属粘结涂层3、保护层4和绝热层9。金属粘结涂层3覆盖金属超合金基底2。金属粘结涂层3自身被保护层4覆盖，该保护层4通过氧化金属粘结涂层3而形成。保护层4保护超合金基底免于腐蚀和/或氧化。绝热层9覆盖保护层4。绝热层可以由陶瓷，例如氧化钇稳定的氧化锆制成。
金属粘结涂层3，有时简称为“粘结涂层”，在超合金基底的表面和保护层之间提供粘结。金属粘结涂层主要有两类。
第一类金属粘结涂层包括基于简单的铝化镍β-NiAl或铂改性的铝化镍β-NiAlPt的粘结涂层。
如果是简单的铝化镍或铂改性的铝化镍(β-NiAl或β-NiAlPt)粘结涂层，则粘结涂层的铝含量(35at％至45at％)足以单独形成氧化铝(Al2O3)保护层以保护超合金基底免受氧化和腐蚀。
然而，当部件经受高温时，超合金基底和金属粘结涂层之间镍，尤其是铝的浓度差异会导致镍扩散到粘结涂层中，铝扩散到超合金中(一种称为“相互扩散”的现象)。
此外，铝还被消耗形成氧化铝保护层。
这些现象导致粘结涂层中的铝过早耗尽，这促使了粘结涂层中的相转变(β-NiAl→γ'-Ni3Al，马氏体转变)。这些转变使粘结涂层中产生裂纹，并促使氧化铝层脱落。
此外，超合金的某些元素(诸如钛)或某些杂质(诸如硫)的扩散会导致氧化铝层的粘附性降低。
最后，相互扩散会导致形成次级反应区(SRZ)，其严重降低带涂层的超合金的机械性能(蠕变、疲劳)。
因此，超合金基底和粘结涂层之间的相互扩散对超合金部件的使用寿命具有负面影响。
第二类金属粘结涂层包括简单的γ-(Ni)+γ′-(Ni3Al)粘结涂层或铂改性的γ-(Ni)+γ′-(Ni3Al)粘结涂层。
这些粘结涂层的优点是可以限制相互扩散所带来的负面影响，从而增加带涂层的超合金的使用寿命。
实际上，这些粘结涂层的化学组成与超合金的化学组成接近，这使它们能够在高温下抵抗相互扩散现象，并限制损坏热障的表面粗糙化现象(称为起皱)。
由于其化学组成接近于超合金的化学组成，这些粘结涂层还限制了次级反应区(SRZ)的形成。
另一方面，这些粘结涂层的缺点是它们的铝含量低(15at％至20at％)，这使它们不能形成能够在涡轮喷气发动机的整个寿命中都存在的氧化铝保护层。当使用涡轮机时，保护层4可能脱落和/或被损坏：然后粘结涂层3被氧化以形成新的保护层4或保护层4的新的一部分。金属粘结涂层3对于氧化铝的表面形成来讲是铝储蓄库：当金属粘结涂层3中可用的铝量减少时，例如至铝耗尽时，不再可能形成新的保护层4。例如，在使用200小时后观察到保护层脱落。
因此，最终，这些类型的金属粘结涂层具有比β-NiAlPt金属粘结涂层低得多的抗氧化和抗腐蚀性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决方案，以有效地保护超合金涡轮部件免受氧化和腐蚀，同时提供比具有已知的金属粘结涂层的涡轮部件更长的使用寿命。
在本发明的上下文中通过一种涡轮部件来实现该目的，该涡轮部件包括：
镍基单晶超合金基底，和
覆盖基底的金属粘结涂层，
其特征在于，粘结涂层包括至少两个元素层，该至少两个元素层包括第一元素层和第二元素层，第一元素层设置在基底和第二元素层之间，每个元素层包括γ'-Ni3Al相，并且第二元素层中铝的平均原子分数严格高于第一元素层中铝的平均原子分数。
由于金属粘结涂层由数个元素层构成，因此可以使铝浓度从一个元素层到另一个元素层逐渐改变，以限制两个元素层之间的相互扩散。
此外，可以对第二元素层的铝浓度进行选择，以形成使用寿命比已知的第二类金属粘结涂层更长的氧化铝保护层。
本发明有利地由以下被单独采用或以其技术上可能的任何组合采用的特征来进行补充：
至少一个元素层包含γ-Ni相；
第一元素层中铝的平均原子分数严格高于基底中铝的平均原子分数；
第一元素层包含γ'-Ni3Al相和γ-Ni相，并且金属粘结涂层包括仅包含γ-Ni相的至少一个另外的元素层；
金属粘结涂层包括多个元素层，每个元素层包含γ'-Ni3Al相以及可能地γ-Ni相，并且所述多个元素层中铝的平均原子分数随着距基底的距离而增加；
距基底最远的元素层中铝的平均原子分数介于在0.22至0.35之间；
距基底最近的元素层中铝的平均原子分数小于0.2；
基底中铝的平均原子分数与距基底最近的元素层中铝的平均原子分数之差小于0.08；
两个连续的元素层中铝的平均原子分数之差小于0.06；
每个元素层包含选自铬和铪的至少一种添加剂，并且元素层中添加剂的平均原子分数随着距基底的距离而增加；
每个元素层都包含铪，两个连续的元素层中铪的平均原子分数之差小于0.001；
距基底最远的元素层中铪的平均原子分数小于0.03，并且距基底最近的元素层中铪的平均原子分数大于0.0005。
在本发明的上下文中，还通过一种用于制造涡轮部件的方法来实现该目标，该方法包括以下步骤：
在单晶镍基金属超合金基底上沉积第一元素层，该第一元素层包含γ'-Ni3Al相以及可能地γ-Ni相，并且铝的平均原子分数为x1；
在第一元素层上沉积第二元素层，该第二元素层包含γ'-Ni3Al相以及可能地γ-Ni相，并且铝的平均原子分数为x2，x2严格高于x1。
第一元素层中铝的平均原子分数x1严格高于基底的镍基超合金中铝的平均原子分数x0。
附图说明
从下面的描述中还将显现出其他特征和优点，这些描述仅是说明性的而不是限制性的，并且应结合附图来阅读，在附图中：
图1是涡轮部件(例如涡轮叶片或喷嘴导流叶片)的截面示意图；
图2是涡轮部件的热障的一部分的截面示意图；
图3是根据本发明的一个实施方式的覆盖有粘结涂层的基底2的示意图，以及
图4是用于制造涡轮部件1的方法的示意图。
定义
术语“超合金”是指在高温和高压下具有非常好的抗氧化性、抗腐蚀性、抗蠕变性和抗循环应力(特别是机械应力或热应力)的复合合金。超合金在航空用部件(诸如涡轮叶片)的制造中具有特殊的应用，因为它们是可以在相对接近其熔点(通常是其熔点的0.7至0.8倍)的温度下工作的一类高强度合金。
超合金具有两相微观结构，该两相微观结构包括形成基体的第一相(称为“γ相”)和在基体中硬化形成沉淀物的第二相(称为“γ'相”)。
超合金的“基本成分”是指基体的主要金属成分。在大多数情况下，超合金包含基本成分铁、钴或镍，但有时也包含基本成分钛或铝。
“镍基超合金”的优势是在高温下的抗氧化性、断裂强度和重量之间取得良好的折衷，这证明了它们可在涡轮喷气发动机的最热零件中使用。
镍基超合金由以下组成：奥氏体面心立方γ-Ni型的γ相(或基体)，该γ相在置换固溶体α(Co、Cr、W、Mo)中可能含有添加剂；以及γ′-Ni3X型的γ′相(或沉淀相)，其中X＝Al、Ti，或Ta。γ'相具有源自面心立方结构的L12有序结构，与基体共格，即具有非常接近基体的原子网格。
由于其有序的性质，γ'相具有以下显著特性：机械阻力随着温度升高至约800℃而增大。γ相和γ′相之间非常强的共格赋予了镍基超合金很高的热机械阻力，该热机械阻力反过来又取决于γ/γ′比和硬化沉淀相的大小。
镍基超合金通常在高达700℃下具有较高的机械阻力，然后在800℃以上机械阻力会显著减小。
术语“原子分数”是指浓度。所有浓度均以原子浓度(at％)表示。
具体实施方式
参照图3，基底2覆盖有热障。
图3所示的各元件可以独立地表示涡轮叶片、喷嘴导流叶片或涡轮的任何其他元件、零件或部件。
基底2由镍基超合金制成。
热障包括金属粘结涂层3、保护层4和绝热层(图3中未示出)。
基底2由金属粘结涂层3覆盖，该金属粘结涂层自身被保护层4覆盖。
根据本发明的一个方面，金属粘结涂层3包括至少两个元素层5。图3示出了一个实施方式，其中粘结涂层3具有四个元素层5。
通常，元素层5之间的界面的优点是限制或防止高温下金属和/或氧气在各元素层之间扩散，从而限制或防止相互扩散。
粘结涂层3尤其包括第一元素层7和第二元素层8。第一元素层7设置在基底2和第二元素层8之间。通常，第二元素层8中铝的平均原子分数严格高于第一元素层7中铝的平均原子分数。
因此，在粘结涂层3中可以产生铝原子分数梯度。
通常，每个元素层都包含γ'-Ni3Al相以及可能地γ-Ni相。
根据本发明的一个方面，第一元素层包含γ'-Ni3Al相和γ-Ni相，而另一元素层仅包含γ-Ni相。有利地，多个元素层包含γ'-Ni3Al相和γ-Ni相，并且多个元素层仅包含γ-Ni相。各元素层中铝的平均原子分数随着距基底的距离而增大。换句话说，因此在粘结涂层3中沿从基底到保护层4的方向可以产生正的铝原子分数梯度。
该特征有两个伴随效果：
距基底最远的元素层5中铝的平均原子分数足以能够单独地形成氧化铝保护层4，以便保护超合金基底2免受氧化和腐蚀；以及
距基底最近的元素层7中铝的平均原子分数足够低，以限制铝从元素层7(即，与基底2接触的元素层)到基底2的扩散。
距基底最远的元素层(即，形成保护层4的元素层)中铝的平均原子分数可以介于0.22至0.35之间，优选介于0.25至0.3之间。
因此，在粘结涂层3上可以形成仅由保护性氧化铝形成的保护层，以便保护超合金免受氧化和腐蚀。
距基底最近的元素层5中铝的平均原子分数可以小于0.2，并且优选地介于0.15至0.2之间。有利地，第一元素层中铝的平均原子分数严格高于基底中铝的平均原子分数。基底中铝的平均原子分数与距基底最近的元素层中铝的平均原子分数之差也可以小于0.08，优选小于0.06。
因此，限制或甚至防止了铝向基底的扩散。
根据本发明的另一方面，限制了两个连续的元素层之间铝的平均原子分数之差。该差可以有利地小于0.06。因此，可以限制或甚至防止铝在两个连续的元素层之间的扩散。实际上，铝在两个元素层之间的平均原子分数越接近，铝在这两层之间的扩散越弱。
表1给出了根据本发明实施方式的每个第j元素层5的同素异形相、铝的原子分数xj和厚度，j介于1至m之间，m是表示构成金属粘结涂层3的元素层总数的自然整数。
表1
相 Al的平均原子分数(at％) 厚度(μm)
第m元素层 γ′ x<sub>m</sub>＝x<sub>m-1</sub>+(2至4) 1至5
… … … …
第(n+2)元素层 γ′ x<sub>n+2</sub>＝x<sub>n+1</sub>+(2至4) 1至5
第(n+1)元素层 γ′ x<sub>n+1</sub>＝x<sub>n</sub>+(2至4) 1至5
第n元素层 γ/γ′ x<sub>n</sub>＝x<sub>n-1</sub>+(2至4) 1至5
… … … …
第3元素层 γ/γ′ x<sub>3</sub>＝x<sub>2</sub>+(2至4) 1至5
第2元素层 γ/γ′ x<sub>2</sub>＝x<sub>1</sub>+(2至4) 1至5
第1元素层 γ/γ′ x<sub>1</sub>＝x<sub>0</sub>+(2至4) 1至5
基底 γ/γ′ x<sub>0</sub>
除了镍Ni和铝Al之外，每个元素层还可以含有其他化学元素或添加剂，诸如铬Cr和铪Hf。在与表1对应的实施方式中，未示出的Cr和Hf的平均原子分数在不同的元素层之间是相等的。另一方面，元素层中铝的平均原子分数增加，即随着元素层5远离基底而增加。相反，元素层中镍的平均原子分数降低，即随着元素层5远离基底而降低。
表2示出了根据一个实施例的每个第j元素层5的同素异形相、铝的原子分数xj和厚度，该实施例更特别地适合于使用AM1超合金，并且m＝7。
表2
相 Al的平均原子分数(at％) 厚度(μm)
第7元素层 γ′ x<sub>7</sub>＝26至28 1至5
第6元素层 γ′ x<sub>6</sub>＝24至26 1至5
第5元素层 γ′ x<sub>5</sub>＝22至24 1至5
第4元素层 γ/γ′ x<sub>4</sub>＝20至22 1至5
第3元素层 γ/γ′ x<sub>3</sub>＝18至20 1至5
第2元素层 γ/γ′ x<sub>2</sub>＝16至18 1至5
第1元素层 γ/γ′ x<sub>1</sub>＝14至16 1至5
AM1基底 γ/γ′ x<sub>0</sub>＝12
通常，每个元素层的厚度介于100nm至20μm之间。
根据本发明的一个实施方式，在粘结涂层3中产生铬和/或铪的平均原子分数梯度。每个元素层5包含选自铬和/或铪的至少一种添加剂，并且每个元素层中的铬和/或铪的平均原子分数增加，即随着距基底的距离而增加。
因此，限制或甚至防止了铬和/或铪从一个元素层5到另一个元素层的相互扩散。
根据本发明的一方面，在两个连续的元素层之间铪的平均原子分数之差有利地小于2×10-4，并且优选小于10-4。距基底最近的元素层5中铪的平均原子分数有利地小于10×10-4，优选小于5×10-4。距保护层4最近的元素层5中铪的平均原子分数有利地介于0.005至0.03之间，优选地介于0.01至0.02之间。
根据本发明的在粘结涂层中实现了铬梯度的一个方面，在两个连续的元素层之间铬的平均原子分数之差有利地介于0.001至0.02之间，并且优选介于0.005至0.01之间。距基底最近的元素层5中铬的平均原子分数有利地小于0.07。距保护层4最近的元素层5中铬的平均原子分数有利地高于0.1。
图4是用于制造涡轮部件1的方法的步骤图。该方法至少包括两个步骤：
第一步骤在于在单晶镍基金属超合金基底上沉积第一元素层7。所沉积的第一元素层包含γ'-Ni3Al相以及可能地γ-Ni相。在铝原子分数x1受控的情况下沉积第一层。第一元素层的材料可以是镍基金属合金或超合金。有利地，平均铝分数x1严格高于基底2的平均铝分数x0。
第二步骤在于在第一元素层7上沉积第二元素层8。所沉积的第二元素层8包含γ'-Ni3Al相以及可能地γ-Ni相。所沉积的第二元素层8的平均原子分数x2严格大于x1。
重复这些步骤以沉积数量为m个的元素层，使得最后沉积的元素层5具有预定的平均原子分数。该预定的平均原子分数介于0.22至0.35之间。
可以通过物理气相沉积(PVD)来施加粘结涂层3的不同元素层5。不同的PVD方法，诸如溅射、焦耳蒸发、激光烧蚀和电子束辅助的物理气相沉积可用于制造元素层5。
可以使用两种不同的方法来精确地控制连续的元素层5中每个层的每种元素的原子分数：
可以依次(即一个接一个)使用几个材料靶，使用靶以沉积元素层。每个靶包括化学组成为相应元素层5的化学组成的材料。
在沉积一个或多个元素层期间，可以同时并行使用多个材料靶。每个靶可以例如包括特定的化学元素。
可以通过共蒸发或共粉碎来沉积每个层：那么，在这种情况下，在沉积元素层5期间施加于每个靶上的相应的蒸发速率或溅射速率确定了所述层的化学计量。

Claims (14)

1.一种涡轮部件(1)，所述涡轮部件包括：
单晶镍基超合金基底(2)，和
覆盖所述基底(2)的金属粘结涂层(3)，
其特征在于，所述金属粘结涂层包括至少两个元素层(5)，所述至少两个元素层包括第一元素层(7)和第二元素层，所述第一元素层设置在所述基底和所述第二元素层之间，每个元素层包含γ'-Ni3Al相，并且所述第二元素层中铝的平均原子分数严格高于所述第一元素层中铝的平均原子分数。
2.根据权利要求1所述的涡轮部件(1)，其中，至少一个元素层包含γ-Ni相。
3.根据权利要求1至2所述的涡轮部件(1)，其中，所述第一元素层中铝的平均原子分数严格高于所述基底中铝的平均原子分数。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮部件(1)，其中，所述第一元素层包含γ'-Ni3Al相和γ-Ni相，并且所述金属粘结涂层包括至少一个另外的元素层，所述至少一个另外的元素层仅包含γ-Ni相。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮部件(1)，其中，所述金属粘结涂层包括多个元素层，每个元素层包含γ'-Ni3Al相以及可能地γ-Ni相，并且所述多个元素层中铝的平均原子分数随着距基底的距离而增加。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮部件(1)，其中，距所述基底最远的元素层中铝的平均原子分数介于0.22至0.35之间。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的涡轮部件(1)，其中，距所述基底最近的元素层中铝的平均原子分数小于0.2。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的涡轮部件(1)，其中，所述基底中铝的平均原子分数与距所述基底最近的元素层中铝的平均原子分数之差小于0.08。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮部件(1)，其中，在两个连续的元素层中铝的平均原子分数之差小于0.06。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的涡轮部件(1)，其中，每个元素层包括选自铬和铪的至少一种添加剂，并且所述元素层中添加剂的平均原子分数随着距所述基底的距离而增加。
11.根据权利要求10所述的涡轮部件(1)，其中，每个元素层包含铪，并且两个连续的元素层中铪的平均原子分数之差小于0.001。
12.根据权利要求10或11所述的涡轮部件(1)，其中，距所述基底最远的元素层中铪的平均原子分数小于0.03，并且距所述基底最近的元素层中铪的平均原子分数大于0.0005。
13.一种用于制造涡轮部件(1)的方法，所述方法包括以下步骤：
a)在单晶镍基金属超合金基底(2)上沉积第一元素层(7)，所述第一元素层包含γ'-Ni3Al相以及可能地γ-Ni相，并且铝的平均原子分数为x1；
b)在所述第一元素层上沉积第二元素层(8)，所述第二元素层包含γ'-Ni3Al相以及可能地γ-Ni相，并且铝的平均原子分数为x2，x2严格大于x1。
14.根据前一项权利要求所述的方法，其中，所述第一元素层中铝的平均原子分数x1严格高于所述基底的镍基超合金中铝的平均原子分数x0。
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