CN111630195A - 镍基超级合金、单晶体叶片和涡轮机 - Google Patents

镍基超级合金、单晶体叶片和涡轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种镍基超级合金，该镍基超级合金包括以质量百分比计的4.0至5.5％的铼、1.0至3.0％的钌、2.0至14.0％的钴、0.30至1.0％的钼、3.0至5.0％的铬、2.5至4.0％的钨、4.5至6.5％的铝、0.5至1.50％的钛、8.0至9.0％的钽、0.15至0.30％的铪、0.05至0.15％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。本发明还涉及包括这种合金的单晶体叶片(20A、20B)和包括这种叶片(20A、20B)的涡轮机(10)。

Description

镍基超级合金、单晶体叶片和涡轮机
技术领域
本公开涉及用于燃气涡轮机、特别是用于在例如航空航天工业中的燃气涡轮机的固定叶片(也称为喷嘴或整流器)或移动叶片的镍基超级合金。
背景技术
已知镍基超级合金可用于制造飞机和直升机发动机用固定式或移动式单晶体燃气涡轮叶片。
这些材料的主要优点是在高温下的高蠕变强度以及抗氧化和抗腐蚀的结合。
随着时间的流逝，用于单晶体叶片的镍基超级合金的化学组合物经受了重大变化，目的特别是改善其在高温下的蠕变性能，同时保持对这些超级合金在其中使用的非常侵蚀性环境的抵抗性。
此外，已经开发了适用于这些合金的金属涂层，以提高其对这些合金在其中使用的侵蚀性环境的抵抗性，包括抗氧化性和耐腐蚀性。此外，可以添加具有热屏障功能的低导热率的陶瓷涂层以降低金属表面的温度。
通常，完整的保护系统由至少两层组成。
第一层、也称为子层或粘结层直接沉积在待保护的镍基超级合金部件(例如叶片)上，也称为基材。沉积步骤之后是粘结涂层到超级合金中的扩散步骤。沉积和扩散也可以在单个步骤中进行。
通常用于制造该粘结涂层的材料包括MCrAlY类型(M＝Ni(镍)或Co(钴))的氧化铝形成金属合金或Ni和Co的混合物，Cr＝铬、Al＝铝并且Y＝钇，或铝化镍(NixAly)型合金，有些还包括铂(NixAlyPtz)。
第二层通常称为隔热涂层(TBC)，是陶瓷涂层，包括例如氧化钇氧化锆(也称为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)或氧化钇部分稳定的氧化锆(YPSZ))，并且具有多孔性结构体。该层可以通过各种工艺来沉积，诸如电子束物理气相沉积(EB-PVD)、气氛等离子喷涂(APS)、悬浮等离子喷涂(SPS)或其它工艺以产生具有低导热率的多孔陶瓷涂层。
由于这些材料在例如650℃至1150℃的高温下使用，因此在基材的镍基超级合金和粘结涂层的金属合金之间发生微观的相互扩散现象。这些与粘结涂层的氧化相关联的相互扩散现象一旦涂层被制造后，随后在涡轮机中使用叶片期间，具体地修改粘结涂层的化学组成、微观结构以及因此的机械性能。这些相互扩散现象还修改了涂层下方的基材的超级合金的化学成分、微观结构并因此修改了其机械性能。因此，在具有高含量的耐火元素(特别是铼)的超级合金中，可以在超级合金中在涂层下超过数十或甚至数百微米的深度形成副反应区(SRZ)。该SRZ的机械特性明显低于超级合金基材的机械特性。SRZ的形成是不希望的，因为这会导致超级合金的机械强度显著降低。
粘结涂层中的这些变化，以及与在该粘结涂层表面上有效使用的氧化铝层的生长相关联的应力场(也称为热生长氧化物(TGO))，以及不同层之间的热膨胀系数的差异会在子层和陶瓷涂层之间的界面区域产生剥离，这可能导致陶瓷涂层部分或全部剥落。然后金属零件(超级合金基材和金属粘结涂层)暴露并且直接暴露在燃烧气体中，这增加了叶片以及因此的燃气轮机损坏的风险。
此外，这些合金的复杂化学性质可能导致其最佳微观结构不稳定，并且在由这些合金形成的零件的高温维护期间会出现不期望的相颗粒。这种不稳定对这些合金的机械性能具有负面影响。这些具有复杂晶体结构和脆性的不期望的相被称为拓扑紧密堆积(TCP)相。
此外，当通过定向凝固制造时，诸如叶片的部件中可能形成铸造缺陷。这些缺陷通常是“斑点”型晶粒缺陷，其存在可能导致使用中的零件过早失效。这些缺陷的存在与超级合金的化学组合物有关，并且通常会导致部件丢弃，这增加了生产成本。
发明内容
本公开旨在提出用于制造单晶体部件的镍基超级合金组合物，其在使用寿命和机械强度方面具有改进的性能，并且与现有合金相比，允许降低零件生产成本(降低废品率)。这些超级合金在高温下比现有合金具有更高的抗蠕变性，同时在超级合金体积中示出较好的微观结构稳定性(对TCP形成的低敏感性)、在涂覆粘结涂层的热屏障下有良好的微观结构稳定性(对SRZ形成的低敏感性)、较好的抗氧化和抗腐蚀性，同时避免形成“斑点”型寄生颗粒。
为此，本发明涉及一种镍基超级合金，该镍基超级合金包括以质量百分比计的4.0至5.5％的铼、1.0至3.0％的钌、2.0至14.0％的钴、0.30至1.00％的钼、3.0至5.0％的铬、2.5至4.0％的钨、4.5至6.5％的铝、0.50至1.50％的钛、8.0至9.0％钽、0.15至0.30％的铪、优选地0.16至0.30％的铪、优选地0.17至0.30％的铪、优选地0.18至0.30％的铪、优选0.08至0.12％的硅酮，甚至更优选0.10％的硅酮，甚至更优选0.20至0.30％的铪、0.05至0.15％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
该超级合金旨在用于单晶体燃气轮机部件(诸如固定或移动叶片)的制造。
由于这种镍(Ni)基超级合金的组合物，特别是在温度高达1200℃的情况下，其抗蠕变性与现有的超级合金相比得到了改进。
因此，该合金具有改进的高温抗蠕变性。因此，该合金具有改进的耐腐蚀性和抗氧化性。
这些超级合金的密度小于或等于9.00g/cm3(克/立方厘米)。
通过以熔模铸造在热梯度下定向凝固的方法得到单晶体镍基超级合金组合物。镍基单晶体超级合金包括具有面心立方结构的奥氏体基质，称为伽玛(γ)相的镍基固溶体。该基质包括Ni3Al型L12有序立方结构的伽马主(γ')硬化相沉淀物。因此，该设置(基质和析出物)被描述为γ/γ'超级合金。
此外，镍基超级合金的这种组合物允许实施热处理，将在超级合金凝固过程中形成的γ'相沉淀物和γ/γ'共晶相变回为溶体。因此，可以得到镍基单晶体超级合金，该镍基单晶体超级合金包含具有控制尺寸(优选地在300至500纳米(nm)之间)的γ’沉淀物，并且包含少量的γ/γ’共晶相。
热处理还可以控制镍基单晶体超级合金中存在的γ'相沉淀物的体积分数。γ'相沉淀物的体积百分比可以大于或等于50％，优选地大于或等于60％，甚至更优选地等于70％。
主要添加元素是钴(Co)、铬(Cr)、钼(Mo)、铼(Re)、钌(Ru)、钨(W)，铝(Al)、钛(Ti)和钽(Ta)。
次要添加元素是铪(Hf)和硅酮(Si)，它们最大含量小于1％质量。
不可避免的杂质包括硫(S)、碳(C)、硼(B)、钇(Y)、镧(La)和铈(Ce)。不可避免的杂质定义为不是故意添加到组合物中，而是其它元素一起引入的那些元素。
钨、铬、钴、铼、钌或钼的添加主要用于通过固溶硬化来增强具有面心立方(fcc)晶体结构的奥氏体基体γ。
添加铝(Al)、钛(Ti)或钽(Ta)促进硬化相γ'-Ni3(Al、Ti、Ta)的沉淀。
铼(Re)示出为减缓超级合金内的化学物质的扩散，并限制在高温工作期间γ'相沉淀物的聚结，这种现象会导致机械强度降低。因此铼改进了镍基超级合金在高温下的抗蠕变性。但是，铼浓度太高可能导致TCP金属间相(例如σ相、P相或μ相)的析出，这会对超级合金的机械性能具有负面影响。过高的铼浓度也会导致在粘结涂层下方的超级合金中形成副反应区，这会对超级合金的机械性能具有负面影响。特别地，添加钌可以置换γ'相中的一些铼并且限制TCP的形成。
同时添加硅酮和铪，这样能通过在高温下增加在超级合金表面上形成的氧化铝(Al2O3)层的附着来改进镍基超级合金的抗热氧化性能。该氧化铝层在镍基超级合金的表面上形成钝化层，并且形成阻挡氧从镍基超级合金的外部向内部扩散的屏障。然而，可以在不添加硅酮的情况下添加铪，或者相反，可以在不添加铪的情况下添加硅酮，并且仍然可以提高超级合金的抗热氧化性。
此外，铬或铝的添加提高了超级合金的抗氧化性和高温腐蚀性能。特别地，铬对于提高镍基超级合金的抗热腐蚀性能至关重要。然而，铬含量太高趋向于降低镍基超级合金的γ'相的固溶温度，即高于该温度γ'相完全溶解在γ基质中的温度，这是不希望的。因此，铬浓度以质量表示在3.0和5.0％之间，从而保持镍基超级合金的γ'相的较高固溶温度，例如大于或等于1250℃，并且还避免在γ基质中形成拓扑紧密的相，这些相被诸如铼、钼或钨的合金元素高度饱和。
钴是一种接近镍的元素并且可部分替代镍，钴的添加形成固溶体，并且镍呈γ基体。钴增强了γ基体，并且降低了对TCP沉淀的敏感性以及保护涂层下超级合金中SRZ的形成。但是，钴含量过高趋于降低镍基超级合金的γ'相的固溶温度，这是不希望的。
钌的添加会增强γ基质，并且降低超级合金对TCP形成的敏感性。特别地，钌的添加使得能够置换γ'相中的铼的一部分并且限制TCP的形成。钌的添加也可以对陶瓷涂层的粘附具有有益的作用。
钼、钨、铼或钽等难熔元素的添加有助于减缓控制镍基超级合金蠕变的机制，蠕变取决于化学元素向超级合金中的扩散。
镍基超级合金中非常低的硫含量会提高抗氧化性和抗热腐蚀性以及抗热屏障性。小于以质量计的2ppm(以质量计的百万分之一份)，或理想地小于以质量计的0.5ppm的低硫含量使得能够优化这些性能。这样的质量硫含量可通过生产低硫母体熔体或通过在铸造后进行的脱硫工艺得到。特别地，能够通过调整超级合金的生产工艺来保持较低的硫含量。
镍基超级合金定义为以质量百分比计镍含量占大多数的超级合金。因此可以理解，镍是合金中质量百分比最高的元素。
超级合金可包括以质量百分比计的4.5至5.5％的铼、1.0至3.0％的钌、3.0至5.0％的钴、0.30至0.80％的钼、3.0至4.5％的铬、2.5至4.0％的钨、4.5至6.5％的铝、0.50至1.50％的钛、8.0至9.0％钽、0.15至0.30％的铪，优选0.17至0.30％的铪，更优选0.20至0.30％的铪、0.05至0.15％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
超级合金可包括以质量百分比计的4.0至5.5％的铼、1.0至3.0％的钌、3.0至13.0％的钴、0.40至1.00％的钼、3.0至4.5％的铬、2.5至4.0％的钨、4.5至6.5％的铝、0.50至1.50％的钛、8.0至9.0％钽、0.15至0.30％的铪，优选0.17至0.30％的铪，更优选0.20至0.30％的铪、0.05至0.15％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
超级合金可包括以质量百分比计的4.0至5.0％的铼、1.0至3.0％的钌、11.0至13.0％的钴、0.40至1.00％的钼、3.0至4.5％的铬、2.5至4.0％的钨、4.5至6.5％的铝、0.50至1.50％的钛、8.0至9.0％钽、0.15至0.30％的铪，优选0.17至0.30％的铪，更优选0.20至0.30％的铪、0.05至0.15％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
超级合金可包括以质量百分比计的5.0％的铼、2.0％的钌、4.0％的钴、0.50％的钼、4.0％的铬、3.0％的钨、5.4％的铝、1.00％的钛、8.5％钽、0.25％的铪、0.10％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
超级合金可包括以质量百分比计的5.0％的铼、2.0％的钌、4.0％的钴、0.50％的钼、4.0％的铬、3.5％的钨、5.4％的铝、0.90％的钛、8.5％钽、0.25％的铪、0.10％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
超级合金可包括以质量百分比计的4.4％的铼、2.0％的钌、4.0％的钴、0.70％的钼、4.0％的铬、3.0％的钨、5.4％的铝、1.00％的钛、8.5％钽、0.25％的铪、0.10％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
超级合金可包括以质量百分比计的4.4％的铼、2.0％的钌、12.0％的钴、0.70％的钼、4.0％的铬、3.0％的钨、5.4％的铝、1.00％的钛、8.5％钽、0.25％的铪、0.10％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
超级合金可包括以质量百分比计的5.0％的铼、2.0％的钌、4.0％的钴、0.50％的钼、3.5％的铬、3.5％的钨、5.4％的铝、0.90％的钛、8.5％钽、0.25％的铪、0.10％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
超级合金可包括以质量百分比计的4.4％的铼、2.0％的钌、12.0％的钴、0.70％的钼、3.5％的铬、3.5％的钨、5.4％的铝、0.90％的钛、8.5％钽、0.25％的铪、0.10％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
本公开还涉及一种用于涡轮机的单晶体叶片，该单晶体叶片包括如上所述的超级合金。
因此，该叶片具有在高温下改进的抗蠕变性。
该叶片可以包括保护涂层，该保护涂层包括沉积在超级合金上的金属粘结涂层和沉积在金属粘结涂层上的陶瓷热屏障。
由于镍基超级合金的组成，避免或限制了在超级合金和子层之间由相互扩散现象导致的高温反应中的副反应区的形成。
金属结合涂层可以是MCrAlY型合金或铝化镍型合金。
陶瓷热屏障可以是氧化钇氧化锆基的材料，也可以是任何其它导热率低的陶瓷(氧化锆基的)涂层。
叶片可以具有沿<001>晶体学方向定向的结构。
这个方向大体上为叶片提供最佳的机械性能。
本公开还涉及一种包括如上所述的叶片的涡轮机。
附图说明
通过非限制性示例给出的本发明实施例的以下描述，并参照单个附图，本发明的其它特征和优点将显现出来，在附图中：
图1是涡轮机的示意性纵向剖视图；
图2是表示不同超级合金的无斑点参数(NFP)的图表；
图3是表示在不同温度下和不同超级合金的γ'相体积分数的图表。
具体实施方式
镍基超级合金旨在用于单晶体叶片的制造，单晶体叶片通过以热梯度定向凝固的过程来制造。在凝固开始时使用单晶种或晶粒选择器能够得到这种单晶体结构。该结构例如沿<001>晶体学(crystallographic)方向定向，该方向是总体上赋予超级合金最佳机械性能的定向。
凝固的单晶体镍基超级合金具有树枝状结构，并且由分散在面心立方结构的γ基体(镍基固溶体)中的γ'Ni3(Al,Ti,Ta)沉淀物构成。由于凝固过程中产生的化学偏析，这些γ'相沉淀物在单晶体的体积空间中异质分布。此外，γ/γ'共晶相存在于树突间区域中，并且是优选的裂纹初生点位。这些γ/γ'共晶相在凝固结束时形成。此外，形成γ/γ'共晶相使得不利于γ'硬化相的精细沉淀物(尺寸小于1微米)。这些γ'相沉淀物构成了镍基超级合金的主要硬化来源。同样，残余的γ/γ'共晶相的存在也不允许优化镍基超级合金的抗热蠕变性。
实际上已经图示，当γ'沉淀物有序沉淀，即γ'相沉淀物以规则方式对齐且尺寸范围为300至500nm，并且当γ/γ'共晶相全部重新溶解时，超级合金的机械性能、特别是抗蠕变性是最佳的。
因此，对原生固化的镍基超级合金进行热处理，以得到所期望的不同相分布。第一热处理是对微观结构进行均质化处理，其目的是溶解γ'相沉淀物并消除γ/γ'共晶相或显着降低其体积分数。该处理在高于γ'相的固溶温度但低于超级合金的起始熔化温度的温度(Tsolidus)下进行。然后在该第一热处理完成时淬火，以得到γ'沉淀物的精细且均质的分散。然后在低于γ'相固溶温度的温度下以两个阶段进行回火热处理。在第一步骤中，使γ'沉淀物生长到期望的大小，然后在第二步骤中，在室温下将该相的体积分数增长到约70％。
图1示出了旁通涡扇发动机10在通过其主轴线A的垂直平面中的垂直横截面。涡扇发动机10根据空气的流动从上游到下游包括了风扇12、低压压缩机14、高压压缩机16、燃烧器18、高压涡轮20和低压涡轮22。
高压涡轮20包括与转子一起旋转的多个移动叶片20A和安装在定子上的整流器20B(固定叶片)。涡轮20的定子包括与涡轮20的移动叶片20A相对布置的多个定子环24。
因此，这些特性使这些超级合金成为制造用于涡轮喷气发动机热零件的单晶体零件的令人感兴趣的候选材料。
因此，可以制造包括如上所述的超级合金的用于涡轮机的移动叶片20A或整流器20B。
替代地，包括如上限定的超级合金的用于涡轮机的移动叶片20A或整流器20B涂覆有包括金属粘结涂层的保护涂层。
涡轮机可以特别是涡轮喷气发动机，诸如涡扇发动机10。涡轮机也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。
示例
研究了本公开的六种镍基单晶体超级合金(Ex1至Ex6)，并将它们与六种商用单晶体超级合金CMSX-4(Ex7)、CMSX-4PlusC(Ex8)、RenéN6(Ex9)、CMSX-10(Ex10)MC-NG(Ex11)和TMS-138(Ex12)相比较。表1中给出了每种单晶体超级合金的化学组分，组合物Ex9还包括以质量计0.05％以质量计的碳(C)和0.004％以质量计的硼(B)，并且组合物Ex10还包括0.10％以质量计的铌(Nb)。所有这些超级合金都是镍基超级合金，即对于所显示的组合物达到100％的余量由镍和不可避免的杂质组成。
表1
Re Ru Co Mo Cr W Al Ti Ta Hf Si
Ex1 5.0 2.0 4.0 0.50 4.0 3.0 5.4 1.00 8.5 0.25 0.10
Ex2 5.0 2.0 4.0 0.50 4.0 3.5 5.4 0.90 8.5 0.25 0.10
Ex3 4.4 2.0 4.0 0.70 4.0 3.0 5.4 1.00 8.5 0.25 0.10
Ex4 4.4 2.0 12.0 0.70 4.0 3.0 5.4 1.00 8.5 0.25 0.10
Ex5 5.0 2.0 4.0 0.50 3.5 3.5 5.4 0.90 8.5 0.25 0.10
Ex6 4.4 2.0 12.0 0.70 3.5 3.5 5.4 0.90 8.5 0.25 0.10
Ex7 3.0 0.0 9.6 0.60 6.6 6.4 5.6 1.00 6.5 0.10 0.00
Ex8 4.8 0.0 10.0 0.60 3.5 6.0 5.7 0.85 8.0 0.10 0.00
Ex9 5.3 0.0 12.2 1.10 4.4 5.7 6.0 0.00 7.5 0.15 0.00
Ex10 6.0 0.0 3.0 0.40 2.0 5.0 5.7 0.20 8.0 0.03 0.00
Ex11 4.0 4.0 0.0 1.00 4.0 5.0 6.0 0.50 5.0 0.10 0.10
Ex12 4.9 2.0 5.9 2.9 2.9 5.9 5.9 0.00 5.6 0.10 0.00
密度
使用改型的赫尔公式(Hull formula)(F·C·赫尔，《金属进展(MetalProgress)》，1969年11月，第139-140页)估算了每种超级合金的室温密度。这个经验等式由赫尔提出。该经验等式基于混合物定律，并且包括从235种超级合金和不锈钢的实验数据(化学组分和测量密度)的线性回归分析中得出的校正项。该赫尔公式已经修改，特别是考虑到诸如铼和钌等元素。修改后的赫尔公式如下：
(1)D＝27.68x[D1+0.14037–0.00137％Cr–0.00139％Ni–0.00142％Co–0.00140％Fe–0.00186％Mo–0.00125％W–0.00134％V–0.00119％Nb–0.00113％Ta+0.0004％Ti+0.00388％C+0.0000187(％Mo)2–0.0000506(％Co)x(％Ti)–0.00096％Re–0.001131％Ru]
其中D1＝100/[(％Cr/DCr)+(％Ni/DNi)+….+(％X/DX)]
其中DCr、DNi、…、DX是元素Cr、Ni、...、X的密度且以lb/in3(磅每立方英寸)计，并且D是该超级合金的密度且以g/cm3计。
其中％Cr、％Ni、...、％X是超级合金元素Cr、Ni、...、X的含量且以质量百分比计。
本发明中的合金和参考合金的计算所得的密度小于9.00g/cm3(参见表2)。
估算密度和测量密度之间的比较(参见表2)用来验证修改后的赫尔模型(等式(1))。估算和测量的密度是一致的。
表2示出了超级合金Ex1至Ex12的各种参数。
表2
Figure BDA0002490422440000101
Figure BDA0002490422440000111
无斑点参数(NFP)
(2)NFP＝[％Ta+1.5％Hf+0.5％Mo–0.5％％Ti)]/[％W+1.2％Re)]
其中％Cr、％Ni、...、％X是超级合金元素Cr、Ni、...、X的含量，且以质量百分比计。
NFP用于量化在工件的直接固化期间对形成斑点的敏感性(文献US 5,888,451)。为防止形成斑点，NFP必须大于或等于0.7。
如在表2和图2中可见，所有Ex1至Ex6超级合金的NFP都大于或等于0.7，而Ex7至Ex12商用超级合金的NFP都小于0.7。
伽玛主要抵抗性(GPR)
γ'相的固有机械强度随Ni3Al化合物中替代铝的元素(例如钛、钽和部分钨)的含量而增加。因此，可以将γ'相化合物记为Ni3(Al、Ti、Ta、W)。参数GPR用于估算γ'相的硬化水平：
(3)GPR＝[CTi+CTa+(CW/2)]/CAl
其中CTi、CTa、CW和CAl分别是表示超级合金中Ti、Ta、W和Al元素的浓度，且以原子百分比计。
较高的GPR参数有助于使超级合金的机械强度提高。从表2可见，超级合金Ex1至Ex6计算出的GPR参数高于商用超级合金Ex7至Ex12计算出的GPR参数。
对TPC形成的敏感性
Figure BDA0002490422440000121
参数
Figure BDA0002490422440000122
定义如下：
(5)
Figure BDA0002490422440000123
其中Xi是元素i在超级合金中以原子百分比计的分数，(Md)i是元素i的参数Md的值。
表3示出了超级合金不同元素的Md值。
表3
元素 Md 元素 Md
Ti 2.271 Hf 3.02
Cr 1.142 Ta 2.224
Co 0.777 W 1.655
Ni 0.717 Re 1.267
Nb 2.117 Al 1.9
Mo 1.55 Si 1.9
Ru 1.006
根据森永(Morinaga)等人开发的新的相计算(New PHACOMP)方法，通过参数
Figure BDA0002490422440000124
确定对TCP形成的敏感性(森永等人，《新的相计算及其在合金设计中的应用(New PHACOMPand its application to alloy design)》，超级合金1984，由M Gell等人编辑，AIME冶金学会，美国宾夕法尼亚州沃伦代尔(1984)，第523-532页)。根据该模型，超级合金对TCP形成的敏感性随参数
Figure BDA0002490422440000125
的值增加。
如表2中可见，超级合金Ex1至Ex12的参数
Figure BDA0002490422440000126
的值近似相等。因此，这些超级合金对TCP的形成展现出相似的敏感性，这些敏感性相对较低。
相γ'固溶温度。
基于相图计算(CALPHAD)方法的相图计算模拟(ThermoCalc)软件(Ni25数据库)被用于计算在平衡状态下的γ'相的固溶温度。
从表4可见，Ex1至Ex6超级合金的γ'固溶温度高于Ex7至Ex12商用超级合金的γ'固溶温度。
相γ'体积分数
基于相图计算方法的相图计算模拟软件(Ni25数据库)被用于计算在950℃、1050℃和1200℃下的超级合金Ex1至Ex12中处于平衡状态的相γ'的体积分数(体积百分比)。
如表4和图3中可见，Ex1至Ex6超级合金的相γ'体积分数比Ex7至Ex12商用超级合金的相γ'体积分数高或相当。
因此，对于超级合金Ex1至Ex6，高相γ'固溶温度和高相γ'体积分数的组合有助于在高温和极高温(例如1200℃)下的良好的抗蠕变性。因此，该抵抗性必须高于商用超级合金Ex7至Ex12的抗蠕变性。
表4
Figure BDA0002490422440000131
TCP类型σ的体积分数
基于相图计算方法的相图计算模拟软件(Ni25数据库)被用于计算在950℃和1050℃下的超级合金Ex1至Ex12中处于平衡状态的相σ的体积分数(体积百分比)(参见表5)。
对于Ex3、Ex4和Ex6超级合金，相σ的计算出的体积分数在950℃时为零，并且对于Ex1和Ex5超级合金，相σ的体积分数相对较低，反映出对TCP沉淀的敏感性较低。因此，这些结果证实了使用新的相计算方法得到的结果(参数
Figure BDA0002490422440000142
)。
溶解在γ基质中的铬的质量浓度
基于相图计算方法的相图计算模拟软件(Ni25数据库)被用于计算在950℃、1050℃和1200℃下的超级合金Ex1至Ex12中处于平衡状态的γ相中的铬含量(以质量百分比表示)。
如表5中可见，与商用超级合金Ex7至Ex12的γ相中的铬浓度相比，超级合金Ex1至Ex6的γ相中的铬浓度更高，这有助于良好的耐腐蚀和抗热氧化性。
表5
Figure BDA0002490422440000141
Figure BDA0002490422440000151
极高温蠕变特性
对超级合金Ex2、Ex7、Ex9和Ex10进行了蠕变测试。根据2009年8月的NF EN ISO204标准(指南U125_J)，在1200℃和80MPa下进行蠕变测试。
在表6中示出了在1200℃下、承受负载(80MPa)的超级合金的蠕变测试结果。该结果表示样品破坏时的时间(以小时计)。
表6
断裂时间(小时)
Ex 2 63
Ex 7 7
Ex 9 9
Ex 10 59
Ex2超级合金比Ex7和Ex9超级合金表现出更好的蠕变行为。Ex10超级合金也具有良好的蠕变性能。
在1150℃时的循环氧化性能
超级合金应当如INS-TTH-001和INS-TTH-002：氧化循环测试方法(质量损失测试和热屏障)中描述的来热循环。
使被测超级合金样品(直径为20mm，高度为1mm的销)经受热循环，其每个循环包括在不到15分钟(分钟)的时间内升至1150℃，在1150℃下停止60分钟，然后涡轮冷却样品15分钟。
重复热循环，直到观察到试件的质量损失等于20mg/cm2(毫克每平方厘米)。
表7列出了所测试的超级合金的使用寿命。
表7
使用寿命(小时)
Ex 2 >1700
Ex 7 ～230
Ex 8 ～480
Ex 10 ～100
可以看出，Ex2超级合金的Ex7使用寿命比超级合金、Ex8和Ex9长。应当注意的是，超级合金Ex10的氧化性能比超级合金Ex2的氧化性能差得多。
微观结构稳定性
在1050℃老化300小时后，通过扫描电子显微镜图像分析没有观察到Ex2超级合金的TCP相。
对铸造缺陷形成的敏感性
在比德曼炉(Bidgman furnace)中通过失蜡工艺形成并定向凝固后，在Ex2超级合金中没有观察到由铸造工艺引起的缺陷，特别是“斑点”型缺陷。在将样品浸入基于HNO3/H2SO4的溶液中后，观察到“斑点”型缺陷。
尽管已经参考特定实施例的特定示例描述了本公开，但是显而易见的是，在不超出权利要求所限定的本发明的总体范围的情况下，可以对这些示例进行各种修改和改变。此外，可以在另外的实施例中结合所涉及的不同实施例的各个特征。因此，应当以说明性而非限制性的意义来考虑说明书和附图。

Claims (14)

1.一种镍基超级合金，所述镍基超级合金包括以质量百分比计的4.0至5.5％的铼、1.0至3.0％的钌、2.0至14.0％的钴、0.30至1.00％的钼、3.0至5.0％的铬、2.5至4.0％的钨、4.5至6.5％的铝、0.5至1.50％的钛、8.0至9.0％的钽、0.15至0.30％的铪、0.05至0.15％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的超级合金，其特征在于，包括以质量百分比计的4.5至5.5％的铼、1.0至3.0％的钌、3.0至5.0％的钴、0.30至0.80％的钼、3.0至4.5％的铬、2.5至4.0％的钨、4.5至6.5％的铝、0.50至1.50％的钛、8.0至9.0％钽、0.15至0.30％的铪、0.05至0.15％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的超级合金，其特征在于，包括以质量百分比计的4.0至5.5％的铼、1.0至3.0％的钌、3.0至13.0％的钴、0.40至1.00％的钼、3.0至4.5％的铬、2.5至4.0％的钨、4.5至6.5％的铝、0.50至1.50％的钛、8.0至9.0％钽、0.15至0.30％的铪、0.05至0.15％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的超级合金，其特征在于，包括以质量百分比计的4.0至5.0％的铼、1.0至3.0％的钌、11.0至13.0％的钴、0.40至1.00％的钼、3.0至4.5％的铬、2.5至4.0％的钨、4.5至6.5％的铝、0.50至1.50％的钛、8.0至9.0％钽、0.15至0.30％的铪、0.05至0.15％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的超级合金，其特征在于，包括以质量百分比计的5.0％的铼、2.0％的钌、4.0％的钴、0.50％的钼、4.0％的铬、3.0％的钨、5.4％的铝、1.00％的钛、8.5％钽、0.25％的铪、0.10％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
6.根据权利要求1所述的超级合金，其特征在于，包括以质量百分比计的4.4％的铼、2.0％的钌、4.0％的钴、0.70％的钼、4.0％的铬、3.0％的钨、5.4％的铝、1.00％的钛、8.5％钽、0.25％的铪、0.10％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
7.根据权利要求1所述的超级合金，其特征在于，包括以质量百分比计的4.4％的铼、2.0％的钌、12.0％的钴、0.70％的钼、4.0％的铬、3.0％的钨、5.4％的铝、1.00％的钛、8.5％钽、0.25％的铪、0.10％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
8.根据权利要求1所述的超级合金，其特征在于，包括以质量百分比计的5.0％的铼、2.0％的钌、4.0％的钴、0.50％的钼、3.5％的铬、3.5％的钨、5.4％的铝、0.90％的钛、8.5％钽、0.25％的铪、0.10％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
9.根据权利要求1所述的超级合金，其特征在于，包括以质量百分比计的5.0％的铼、2.0的钌、4.0％的钴、0.50％的钼、4.0％的铬、3.5％的钨、5.4％的铝、0.90％的钛、8.5％钽、0.25％的铪、0.10％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
10.根据权利要求1所述的超级合金，其特征在于，包括以质量百分比计的4.4％的铼、2.0％的钌、12.0％的钴、0.70％的钼、3.5％的铬、3.5％的钨、5.4％的铝、0.90％的钛、8.5％钽、0.25％的铪、0.10％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。
11.一种用于涡轮机的单晶体叶片(20A、20B)，所述叶片(20A、20B)包括根据权利要求1至10中任一项所述的超级合金。
12.根据权利要求11所述的叶片(20A、20B)，其特征在于，包括一种保护涂层，所述保护涂层包括沉积在所述超级合金上的金属粘结涂层和沉积在所述金属粘结涂层上的陶瓷热屏障。
13.根据权利要求11或12所述的叶片(20A、20B)，其特征在于，具有沿<001>晶体学方向定向的结构。
14.一种涡轮机，所述涡轮机包括根据权利要求11至13中任一项所述的叶片(20A、20B)。
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