CN111172430A - 镍基超合金和制品 - Google Patents
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Abstract
本发明题为“镍基超合金和制品”。本发明公开了一种物质组合物，所述物质组合物包含约16至约20重量％的铬、大于6至约10重量％的铝、约2至约10重量％的铁、小于约0.04重量％的钇、小于约12重量％的钴、小于约1.0重量％的锰、小于约1.0重量％的钼、小于约1.0重量％的硅、小于约0.25重量％的碳、约0.03重量％的硼、小于约1.0重量％的钨、小于约1.0重量％的钽、约0.5重量％的钛、约0.5重量％的铪、约0.5重量％的铼、约0.4重量％的镧系元素，剩余部分为镍和附带杂质。该镍基超合金组合物可用于超合金制品，诸如燃气涡轮发动机的叶片(10)、喷嘴、护罩、防溅板、所述叶片的凹槽状叶顶(20)以及燃烧室。
Description
背景技术
本发明整体涉及适用于腐蚀性的高温燃气涡轮环境的物质组合物，以及由其制得的制品。
镍基超合金在整个涡轮机中广泛地用于涡轮叶片、喷嘴和护罩应用。为了改进发动机性能的涡轮机设计要求合金具有越来越高的承温能力，主要表现为改善的蠕变强度(抗蠕变性)。同样提供改善的抗蠕变性的固溶体强化元素(诸如Ta、W、Re和Mo)的含量增加的合金通常表现出降低的相稳定性、提高的密度和较低的耐环境性。近来，热机械疲劳(TMF)抗性已成为涡轮部件的限制性设计准则。温度梯度形成周期热致应变，这些周期热致应变促成由蠕变、疲劳和氧化的复杂组合所导致的损坏。历史上尚未针对周期损坏抗性来开发定向凝固超合金。然而，为了改进发动机效率，期望提高的周期损坏抗性。
可基于合金组成和高温机械性能的相似性将超合金分类为四代。所谓的第一代超合金不含铼。第二代超合金通常含有约3重量％的铼。第三代超合金被设计成通过提高难熔金属含量和降低铬水平来提高承温能力和抗蠕变性。示例性合金具有约5.5重量％的铼水平和在2至4重量％范围内的铬水平。第四代合金和第五代合金包含水平提高的铼和其他难熔金属(诸如钌)。
第二代合金并不是格外的强，但它们具有相对稳定的微结构。第三代合金和第四代合金由于添加有高水平的难熔金属而具有改善的强度。例如，这些合金包含高水平的钨、铼和钌。这些难熔金属的密度比镍基金属的密度高得多，因此它们的加入提高了整体合金密度。例如，第四代合金可比第二代合金重约6％。这些合金的重量和成本的增加使得其用途局限于仅专门的应用。第三代合金和第四代合金也受限于微结构不稳定性，这些微结构不稳定性可影响长期的机械性能。
每下一代的合金都是为努力改善上一代的蠕变强度和承温能力而开发的。例如，第三代超合金相对于第二代超合金提供了50℉(约28℃)的蠕变能力的改善。第四代合金和第五代超合金提供了蠕变强度的进一步的改善，这些进一步的改善是通过高水平的固溶体强化元素诸如铼、钨、钽、钼以及添加钌而实现的。
随着定向凝固超合金的蠕变能力代代改善，连续周期疲劳抗性和保持时间周期损坏抗性也得以改善。这些在破裂强度和疲劳强度方面的改善伴随着合金密度和成本的提高，如上面所提到的那样。此外，为了持续增加定向凝固超合金中难熔元素的量，存在微结构和坏境损失。例如，第三代超合金相对于拓扑密堆相(TCP)不够稳定并且趋向于形成二次反应区(SRZ)。较低水平的铬(对于保持足够的微结构稳定性是必要的)导致后几代超合金的耐环境性降低。
通过保持时间或持续峰值低周期疲劳(SPLCF)测试来量化周期损害抗性，这对于单晶涡轮叶片合金而言是重要的性能要求。第三代超合金和第四代超合金的缺点在于高密度、高成本(由于存在铼和钌)、被涂覆状态下微结构的不稳定性(SRZ形成)和不足的SPLCF寿命。
因此，希望提供含有较少铼和钌、具有较长SPLCF寿命和具有改善的微结构稳定性(通过较少的SRZ形成)，同时保持充分的抗蠕变性和抗氧化性的超合金组合物。
发明内容
在各种示例性实施方案中描述了用于涡轮叶片应用的抗疲劳的镍基超合金，该镍基超合金相较于已知的合金提供较低的密度、低铼和钌含量、低成本、改善的SPLCF抗性和较少的SRZ形成，以及平衡的抗蠕变性和抗氧化性。
根据一个方面，一种物质组合物包含约16至约20重量％的铬、大于6至约10重量％的铝、约2至约10重量％的铁、小于约0.04重量％的钇、小于约12重量％的钴、小于约1.0重量％的锰、小于约1.0重量％的钼、小于约1.0重量％的硅、小于约0.25重量％的碳、约0.03重量％的硼、小于约1.0重量％的钨、小于约1.0重量％的钽、约0.5重量％的钛、约0.5重量％的铪、约0.5重量％的铼、约0.4重量％的镧系元素，剩余部分为镍和附带杂质。该镍基超合金组合物可用于超合金制品，诸如燃气涡轮发动机的叶片、喷嘴、护罩、防溅板、叶片的凹槽状叶顶以及燃烧室。
根据另一个方面，一种制品由物质组合物构成，并且该物质组合物包含约16至约20重量％的铬、大于6至约10重量％的铝、约2至约10重量％的铁、小于约0.04重量％的钇、小于约12重量％的钴、小于约1.0重量％的锰、小于约1.0重量％的钼、小于约1.0重量％的硅、小于约0.25重量％的碳、约0.03重量％的硼、小于约1.0重量％的钨、小于约1.0重量％的钽、约0.5重量％的钛、约0.5重量％的铪、约0.5重量％的铼、约0.4重量％的镧系元素，剩余部分为镍和附带杂质。由本文所述的镍基超合金组合物形成的制品可用于超合金制品，诸如燃气涡轮发动机的叶片、喷嘴、护罩、防溅板、叶片的凹槽状叶顶以及燃烧室。
附图说明
说明书的结尾部分特别指出并且明确要求保护被视为本发明的主题。然而，可结合附图通过参照以下描述来最佳地理解本发明，在附图中：
图1为根据本发明的一个实施方案的制品诸如燃气涡轮叶片的透视图。
具体实施方式
本发明描述用于涡轮部件和涡轮叶片应用的镍基超合金的化学性质。超合金与已知的合金相比提供了提高的抗氧化性、较低的密度、低铼和钌含量、低成本、改善的SPLCF抗性以及较少的SRZ形成。通过控制铝和铁的量，以及以通过对Al、Ta、Hf的浓度的控制来控制γ′相的体积分数，来平衡合金的强度、抗氧化性和抗蠕变性，从而实现抗氧化性的改善。本发明描述于各种示例性实施方案中。
参见附图，图1描绘了燃气涡轮的部件，以燃气涡轮叶片10示出。燃气涡轮叶片10包括翼型件12、侧向延伸的平台16、燕尾形式的附接件14，以将燃气涡轮叶片10附接到涡轮盘或叶轮(未示出)。在一些部件中，许多冷却通道延伸穿过翼型件12的内部，终止于翼型件12的表面中的开口18。叶片的顶部(或外径向)部分被称为凹槽状叶顶20。凹槽状叶顶20是这样一个区域，该区域经受高温和摩擦而导致潜在的耐久性问题，表现为由于热致应力而导致的开裂和由于氧化而造成的材料损失。如果发生诸如此类的损坏，则需要对凹槽状叶顶20进行维修，并且将需要堆积新材料。例如，可以将超合金材料焊接到凹槽状叶顶20的现有部分上，以将其恢复为期望的形状。
在一个方面，部件制品10基本上为单晶。也就是说，部件制品10中有至少约80体积％，更优选地至少约95体积％为具有单一晶体学取向的单晶粒。可存在小体积分数的其他晶体学取向以及由小角度晶界分隔的区域。通过合金组合物的定向凝固，通常是由晶种或其他诱导单晶生长和单晶粒取向的结构来制备单晶结构。
本文所讨论的示例性合金组合物的用途不限于燃气涡轮叶片10，并且其可用于其他制品，诸如燃气涡轮喷嘴、导叶、护罩或燃气涡轮的其他部件。
据信，本文所公开的示例性实施方案提供了用于改善抗氧化性、SPLCF和耐破裂性的独特超合金。下表I提供了包含在本发明合金中的元素的示例性浓度范围(按重量百分比计)。对于每一种元素，所有按范围提供的量应认为包括端值和子范围。
表I：示例性重量百分比范围
本文所公开的示例性实施方案可包括铝以提供改善的SPLCF抗性和抗氧化性。示例性实施方案可包括大于6至约10重量％的铝。其他示例性实施方案可包括约6.5至约9.5重量％的铝、6.1至约10重量％的铝、约6.2至约10重量％的铝、约6.3至约10重量％的铝、约6.3至约10重量％的铝、约6.4至约10重量％的铝，或约6.5至约10重量％的铝。其他示例性实施方案可包括约7.0至约9.0重量％的铝。其他示例性实施方案可包括约7.5至约8.5重量％的铝。
本文所公开的示例性实施方案包括其中两倍的铝重量％含量小于或等于铁重量％含量加上17重量％的组合物。例如，如果铝重量％为10，则铁重量％大于或等于3重量％(其中10重量％为最大值)。以下公式示出了本发明合金中的Al-Fe重量％关系。
2*(Al重量％)≤(Fe重量％)+17 (公式1)
本文所公开的示例性实施方案可包括铬以改善耐热腐蚀性。铬的作用是促进在合金的外表面上形成Cr2O3。存在的铝越多，形成的保护性氧化物Cr2O3就越多。示例性实施方案可包括约16至约20重量％的铬。其他示例性实施方案可包括约17至约19重量％的铬。其他示例性实施方案可包括约17.5至约18.5重量％的铬。
本文所公开的示例性实施方案可包括铁以改善屈服强度和可焊性。随着Al含量的增加，镍基沉淀强化超合金中的γ′体积分数增加，并且延展性下跌(ductility-dip)将位于敏感温度范围内，并且引起焊接金属的应变开裂，因此，添加适当的Fe含量将改善伸长率和屈服强度，并且因此改善可焊性。然而，随着Fe含量的增加，抗氧化性将降低，因此，需要在Al和Fe之间进行调配以获得最佳的抗氧化性和可焊性。示例性实施方案可包括约2至约10重量％的铁。其他示例性实施方案可包括约4至约8重量％的铁。其他示例性实施方案可包括约5至约7重量％的铁。
本文所公开的示例性实施方案可包括钇以赋予抗氧化抗性并且使γ′稳定。在添加少量Y的情况下，超合金的抗氧化性显著提高，并且氧化膜的表面形态得到改善。发现Y在晶界处完全偏析并且改变了晶界沉淀形态，其中从晶界中消除了O杂质。钇可以促进Al氧化物的形成并且降低NiO的比例。钇增加了氧化皮与合金基底之间的连贯性以减少氧化皮的剥落。示例性实施方案可包括约0至约0.04重量％的钇。其他示例性实施方案可包括量为约0至约0.02重量％的钇。
本文所公开的示例性实施方案可包括钴以提高γ′的固溶线温度。示例性实施方案可包括约0至约12重量％的钴。其他示例性实施方案可包括约2至约10重量％的钴。其他示例性实施方案可包括约4至约8重量％的钴。其他示例性实施方案可包括约5至约7重量％的钴。
本文所公开的示例性实施方案可包括锰以赋予固溶体强化。示例性实施方案可包括0至约1重量％的钼。其他示例性实施方案可包括量为约0重量％至约0.5重量％的锰。
本文所公开的示例性实施方案可包括钼以赋予固溶体强化。示例性实施方案可包括0至约1重量％的钼。其他示例性实施方案可包括量为约0至约0.5重量％的钼。
本文所公开的示例性实施方案可包括硅。示例性实施方案可包括0至约1.0重量％的硅。
本文所公开的示例性实施方案可包括碳。示例性实施方案可包括0至约0.25重量％的碳。其他示例性实施方案可包括0至约0.12重量％的碳。
本文所公开的示例性实施方案可包括硼以提供对小角度晶界的耐受性。示例性实施方案可包括0至约0.03重量％的硼。其他示例性实施方案可包括0至约0.015重量％的硼。
本文所公开的示例性实施方案可包括钨作为强化物。示例性实施方案可包括0至约1重量％的钨。其他示例性实施方案可包括量为0至约0.5重量％的钨。其他示例性实施方案可包括量为0至约0.25重量％的钨。
本文所公开的示例性实施方案可包括小百分比的钽以促进γ′强度。示例性实施方案可包括0至约1.0重量％的钽。
本文所公开的示例性实施方案可包括小百分比的钛。示例性实施方案可包括0至约0.5重量％的钛。
本文所公开的示例性实施方案可任选地包括铪。铪可延长热阻隔涂层的寿命。示例性实施方案可包括0至约0.5重量％的铪。其他示例性实施方案可包括0至约0.25重量％的铪。
本文所公开的示例性实施方案可包括少量的铼，铼是强效的固溶体强化物(划归γ相)，也是缓慢扩散元素(限制γ'的粗化)。示例性实施方案可包括0至约0.5重量％的铼。其他示例性实施方案可包括水平介于0至约0.25重量％之间的铼。
本文所公开的示例性实施方案可包括镧系元素(元素周期表中的元素57至71)中的一种或多种。示例性实施方案可包括0至约0.04重量％的镧系元素。其他示例性实施方案可包括0至约0.02重量％的镧系元素。
本文所公开的示例性实施方案可包括镍。示例性实施方案可包括余量的包含镍和其他痕量或附带杂质的组合物，使得组成元素的总重量％等于100％。
根据示例性实施方案，一种物质组合物或制品包含约16至约20重量％的铬、大于6重量％至约10重量％的铝、约2至约10重量％的铁、0至约0.04重量％的钇、约0至约12重量％的钴、0至约1重量％的锰、0至约1重量％的钼、0至约1重量％的硅、0至约0.25重量％的碳、0至约0.03重量％的硼、0至约1重量％的钨、0至约1重量％的钽、0至约0.5重量％的钽、0至约0.5重量％的铪、0至约0.5重量％的铼、0至约0.04重量％的镧系元素，剩余部分由镍和附带杂质构成，使得该组合物的总重量％等于100。
根据另一个示例性实施方案，一种物质组合物或制品包含约16至约20重量％的铬、约7重量％至约10重量％的铝、约2至约10重量％的铁、0至约0.04重量％的钇、约0至约12重量％的钴、0至约1重量％的锰、0至约1重量％的钼、0至约1重量％的硅、0至约0.25重量％的碳、0至约0.03重量％的硼、0至约1重量％的钨、0至约1重量％的钽、0至约0.5重量％的钽、0至约0.5重量％的铪、0至约0.5重量％的铼、0至约0.04重量％的镧系元素，剩余部分由镍和附带杂质构成，使得该组合物的总重量％等于100。
根据另一个示例性实施方案，一种物质组合物或制品包含约16至约20重量％的铬、约8重量％至约10重量％的铝、约2至约10重量％的铁、0至约0.04重量％的钇、约0至约12重量％的钴、0至约1重量％的锰、0至约1重量％的钼、0至约1重量％的硅、0至约0.25重量％的碳、0至约0.03重量％的硼、0至约1重量％的钨、0至约1重量％的钽、0至约0.5重量％的钽、0至约0.5重量％的铪、0至约0.5重量％的铼、0至约0.04重量％的镧系元素，剩余部分由镍和附带杂质构成，使得该组合物的总重量％等于100。
根据另一个示例性实施方案，一种物质组合物或制品包含约16至约20重量％的铬、约9重量％至约10重量％的铝、约2至约10重量％的铁、0至约0.04重量％的钇、约0至约12重量％的钴、0至约1重量％的锰、0至约1重量％的钼、0至约1重量％的硅、0至约0.25重量％的碳、0至约0.03重量％的硼、0至约1重量％的钨、0至约1重量％的钽、0至约0.5重量％的钽、0至约0.5重量％的铪、0至约0.5重量％的铼、0至约0.04重量％的镧系元素，剩余部分由镍和附带杂质构成，使得该组合物的总重量％等于100。
根据另一个示例性实施方案，一种物质组合物或制品包含约16至约20重量％的铬、约6.1重量％至约10重量％的铝、约2至约10重量％的铁、0至约0.04重量％的钇、约0至约12重量％的钴、0至约1重量％的锰、0至约1重量％的钼、0至约1重量％的硅、0至约0.25重量％的碳、0至约0.03重量％的硼、0至约1重量％的钨、0至约1重量％的钽、0至约0.5重量％的钽、0至约0.5重量％的铪、0至约0.5重量％的铼、0至约0.04重量％的镧系元素，剩余部分由镍和附带杂质构成，使得该组合物的总重量％等于100。
根据另一个示例性实施方案，一种物质组合物或制品包含约16至约20重量％的铬、约6.5重量％至约9.5重量％的铝、约2至约10重量％的铁、0至约0.04重量％的钇、约0至约12重量％的钴、0至约1重量％的锰、0至约1重量％的钼、0至约1重量％的硅、0至约0.25重量％的碳、0至约0.03重量％的硼、0至约1重量％的钨、0至约1重量％的钽、0至约0.5重量％的钽、0至约0.5重量％的铪、0至约0.5重量％的铼、0至约0.04重量％的镧系元素，剩余部分由镍和附带杂质构成，使得该组合物的总重量％等于100。
根据另一个示例性实施方案，一种物质组合物或制品包含约16至约20重量％的铬、约7重量％至约9重量％的铝、约2至约10重量％的铁、0至约0.04重量％的钇、约0至约12重量％的钴、0至约1重量％的锰、0至约1重量％的钼、0至约1重量％的硅、0至约0.25重量％的碳、0至约0.03重量％的硼、0至约1重量％的钨、0至约1重量％的钽、0至约0.5重量％的钽、0至约0.5重量％的铪、0至约0.5重量％的铼、0至约0.04重量％的镧系元素，剩余部分由镍和附带杂质构成，使得该组合物的总重量％等于100。
根据另一个示例性实施方案，一种物质组合物或制品包含约16至约20重量％的铬、约7.5重量％至约8.5重量％的铝、约2至约10重量％的铁、0至约0.04重量％的钇、约0至约12重量％的钴、0至约1重量％的锰、0至约1重量％的钼、0至约1重量％的硅、0至约0.25重量％的碳、0至约0.03重量％的硼、0至约1重量％的钨、0至约1重量％的钽、0至约0.5重量％的钽、0至约0.5重量％的铪、0至约0.5重量％的铼、0至约0.04重量％的镧系元素，剩余部分由镍和附带杂质构成，使得该组合物的总重量％等于100。
本文所述的物质组合物具有2,000℉或更高的γ′固溶线温度，或约2,000℉至约2,100℉的γ′固溶线温度。此外，本文所述的物质组合物具有约76％至约90％，或约82％至约88％的γ′体积分数。改进的γ′固溶线温度和γ′体积分数的优点是合金在高温下具有良好的机械性能和抗氧化性。
本文所公开的示例性实施方案包括包含如上所述的组合物的制品，诸如燃气涡轮的叶片、喷嘴、护罩、凹槽状叶顶、防溅板和燃烧室。此外，如上所述的组合物或合金表现出优异的可焊性，这极大地有利于对现有零件、部件或制品的维修和保养。
本文所述合金的主要技术优点是由于较高的Al和适当的Y添加量而具有优异的抗氧化性，并且由于Al与Fe之间的最佳关系而具有优异的可焊性。即使从目前的测试来看，Al的范围在>6.0-10.0之间，在焊接金属中也没有观察到裂纹。
示例性实施方案描述了合金的组成和一些特性，但是不应在任何方面解释为限制本发明。如在整个说明书和权利要求书中使用的，近似语言可以用于修改可以允许变化的任何定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语(诸如“约”、“大约”和“基本上”)修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。在此和整个说明书和权利要求书中，范围限制可以组合和/或互换，此类范围被识别并且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。应用于范围的特定值的“约”和“大约”适用于两个值，除非另外依赖于测量值的仪器的精度，否则可以指示所述值的+/-10％。
本书面描述使用示例性实施方案来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实现和使用本发明。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例性实施方案。如果此类其他示例性实施方案具有与权利要求书的字面语言并无不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，则此类其他示例性实施方案旨在权利要求书的范围内。
Claims (15)
1.一种物质组合物，包含：
约16重量％至约20重量％的铬；
大于6重量％至约10重量％的铝；
约2重量％至约10重量％的铁；
小于约0.04重量％的钇；
小于约12重量％的钴；
小于约1.0重量％的锰；
小于约1.0重量％的钼；
小于约1.0重量％的硅；
小于约0.25重量％的碳；
约0.03重量％的硼；
小于约1.0重量％的钨；
小于约1.0重量％的钽；
约0.5重量％的钛；
约0.5重量％的铪；
约0.5重量％的铼；
约0.4重量％的镧系元素；以及
余量的镍和附带杂质。
2.根据权利要求1所述的物质组合物，其中两倍的铝重量％含量小于或等于铁重量％含量加上17重量％。
3.根据权利要求1所述的物质组合物，其中铝以约6.5重量％至约10重量％的量存在。
4.根据权利要求1所述的物质组合物，其中铝以约7.0重量％至约9.0重量％的量存在。
5.根据权利要求1所述的物质组合物，其中铝以约7.5重量％至约8.5重量％的量存在。
6.根据权利要求1所述的物质组合物，其中所述组合物具有2,000℉或更高的γ′固溶线温度。
7.根据权利要求1所述的物质组合物，其中所述组合物具有约2,000℉至约2,100℉的γ′固溶线温度。
8.根据权利要求1所述的物质组合物，其中所述组合物具有约76％至约90％的γ′体积分数。
9.根据权利要求1所述的物质组合物，其中所述组合物具有约82％至约88％的γ′体积分数。
10.一种包含组合物的制品(10)，所述组合物包含：
约16重量％至约20重量％的铬；
大于6重量％至约10重量％的铝；
约2重量％至约10重量％的铁；
小于约0.04重量％的钇；
小于约12重量％的钴；
小于约1.0重量％的锰；
小于约1.0重量％的钼；
小于约1.0重量％的硅；
小于约0.25重量％的碳；
约0.03重量％的硼；
小于约1.0重量％的钨；
小于约1.0重量％的钽；
约0.5重量％的钛；
约0.5重量％的铪；
约0.5重量％的铼；
约0.4重量％的镧系元素；以及
余量的镍和附带杂质。
11.根据权利要求10所述的制品，其中所述制品为燃气涡轮的叶片(10)，或所述叶片的凹槽状叶顶(20)。
12.根据权利要求10所述的制品，其中所述制品为燃气涡轮的部件，所述部件选自喷嘴、护罩、防溅板和燃烧室部件。
13.根据权利要求10所述的制品，其中两倍的铝重量％含量小于或等于铁重量％含量加上17重量％。
14.根据权利要求10所述的制品，其中铝以约6.5重量％至约9.5重量％的量存在。
15.根据权利要求10所述的制品，其中铝以约7.0重量％至约9.0重量％的量存在。
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