CN112262221A - 镍基超合金、单晶叶片和涡轮发动机 - Google Patents

镍基超合金、单晶叶片和涡轮发动机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种镍基超合金，其包括，以质量百分比计，5.0至6.0％的铝、6.0至9.5％的钽、0至1.50％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0至2.50％的铼、0.05至0.15％的铪、0.70至4.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。本发明还涉及一种包含该合金的单晶叶片(20A、20B)和包含该叶片(20A、20B)的涡轮发动机(10)。

Description

镍基超合金、单晶叶片和涡轮发动机
技术领域
本公开涉及例如在航空航天工业中用于燃气轮机，特别是用于燃气轮机的固定叶片(也称为喷嘴或整流器)或活动叶片的镍基超合金。
背景技术
已知镍基超合金可用于制造航空器和直升机发动机的固定或活动单晶燃气涡轮叶片。
这些材料的主要优点是结合了高温下的高蠕变强度和抗氧化和腐蚀的能力。
随着时间的推移，用于单晶叶片的镍基超合金的化学成分发生了重大变化，特别是为了改善其在高温下的蠕变性能，同时保持对使用这些超合金的极强侵蚀性环境的抵抗力。
此外，已经开发了适应这些合金的金属涂层，以提高其对使用这些合金的侵蚀性环境的抵抗力，包括抗氧化性和耐腐蚀性。此外，可添加具有热障功能的低导热陶瓷涂层，以降低金属表面的温度。
通常，一个完整的保护系统至少由两层组成。
第一层，也称为底层或结合层，直接沉积在要保护的镍基超合金部件上，也称为基体，例如叶片。沉积步骤之后是将结合层扩散到超合金中的步骤。沉积和扩散也可以在一个步骤中进行。
通常用于制造该结合层的材料包括形成MCrAlY型(M＝Ni(镍)或Co(钴))金属合金的氧化铝或Ni和Co的混合物的氧化铝，Cr＝铬，Al＝铝，Y＝钇，或铝化镍(NixAly)型合金，有些还包含铂(NixAlyPtz)。
第二层，通常称为热障涂层(TBC)，是陶瓷涂层，其包含例如氧化钇化的氧化锆，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)，并具有多孔结构。该层可以通过各种工艺，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)或其他工艺沉积，以产生低导热系数的多孔陶瓷涂层。
由于这些材料在高温下使用，例如650℃到1150℃，基体的镍基超合金和结合层的金属合金之间出现微观互扩散现象。这些与结合层氧化有关的互扩散现象，特别是在涂层制造一旦完成，以及然后在涡轮中使用叶片的过程中，会改变结合层的化学成分、微观结构，从而改变其机械性能。这些互扩散现象也会改变涂层下的基体的超合金的化学成分、显微组织，从而改变其机械性能。在含有高含量难熔元素，特别是铼的超合金中，涂层下的超合金可在数十微米甚至几百微米的深度上形成二次反应区(SRZ)。这种SRZ的机械性能明显低于超合金基体。SRZ的形成是不可取的，因为它会导致超合金的机械强度显著降低。
结合层的这些变化以及与在使用中在该结合层表面形成的氧化铝层(也称为热生长氧化物(TGO))生长相关的应力场的这些变化，以及不同层之间热膨胀系数的差异，都会在底层和陶瓷涂层之间的界面区域中产生去内聚，这可能导致陶瓷涂层的部分或全部剥落。然后，金属部件(超合金基体和金属结合层)直接暴露在燃烧气体中，这增加了叶片损坏的风险，从而也增加了燃气涡轮的损坏风险。
此外，在由这些合金形成的部件的高温维护期间，这些合金的复杂化学性质可能导致其最佳微观结构的不稳定以及不期望的相的颗粒的出现。这种失稳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良相称为拓扑密堆(TCP)相。
此外，定向凝固制造的叶片等部件中可能会产生铸造缺陷。这些缺陷通常是“雀斑”型晶粒缺陷，其存在可导致使用中的部件过早失效。这些缺陷的存在，与超合金的化学成分有关，通常会导致部件报废，从而增加生产成本。
发明内容
本发明旨在提出用于制造单晶部件的镍基超合金成分，与现有合金相比，其在使用寿命和机械强度方面具有改进的性能，并允许降低部件生产成本(降低的废品率)。这些超合金在高温下具有比现有合金更高的抗蠕变性能，同时在超合金体积中表现出良好的微观结构稳定性(对TCP形成的敏感性低)、在热障涂层结合层下具有良好的微观结构稳定性(对SRZ形成的敏感性较低)、良好的抗氧化性和抗腐蚀性，同时避免形成“雀斑”型寄生颗粒。
为此，本发明涉及一种镍基超合金，该镍基超合金以质量百分比计包括5.0至6.0％的铝、6.0至9.5％的钽、0至1.50％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0至2.50％的铼、0.05至0.15％的铪、0.70至4.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。
这种超合金用于制造单晶燃气涡轮部件，如固定或活动叶片。
由于镍(Ni)基超合金的这种成分，与现有超合金相比，抗蠕变性能有所提高，特别是在高达1200℃的温度下。
因此，这种合金提高了耐高温蠕变性能。这种合金还提高了耐腐蚀性和抗氧化性。
这些超合金的密度小于或等于9.00g/cm3(克/立方厘米)，优选小于或等于8.85g/cm3。
采用熔模铸造工艺，在热梯度下定向凝固，获得单晶镍基超合金部件。单晶镍基超合金包括具有面心立方结构的奥氏体基体，一种称为γ相的镍基固溶体。该基体含有Ni3Al型L12有序立方结构的γ’硬化相析出物。因此，该组(基体和析出物)被描述为γ/γ'超合金。
另外，镍基超合金的这种成分允许实施热处理，使超合金凝固过程中形成的γ'相析出物和γ/γ'共晶相重新溶解。因此，可以获得包含受控大小的γ’析出物的单晶镍基超合金，所述γ’析出物优选在300和500纳米(nm)之间，并且包含小比例的γ/γ’共晶相。
热处理还可以控制存在于单晶镍基超合金中的γ'相析出物的体积分数。γ’相析出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％。
主要添加元素为钴(Co)、铬(Cr)、钼(Mo)、铼(Re)、钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)和铂(Pt)。
微量添加元素是铪(Hf)和硅(Si)，其最大质量含量小于1质量％。
不可避免的杂质包括例如硫(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成分中，并与其他元素一起引入的那些元素。例如，超合金可以包含0.005质量％的碳。
钨、铬、钴、铼或钼的添加主要用于通过固溶硬化来强化面心立方(fcc)晶体结构的奥氏体基体γ。
铝(Al)、钛(Ti)或钽(Ta)的添加促进了硬化相γ'-Ni3(Al，Ti，Ta)的析出。
铼(Re)减缓了超合金中化学物质的扩散，并限制了高温下γ′相析出物的聚结，这种现象导致机械强度降低。铼因此改善了镍基超合金在高温下的抗蠕变性。然而，过高的铼浓度会导致TCP金属间相的析出，如σ相、P相或μ相，对合金的机械性能有负面影响。过高的铼浓度也会导致超合金在结合层下方形成二次反应区，这对超合金的机械性能有负面影响。
硅和铪的同时加入提高了高温下镍基超合金表面形成的氧化铝(Al2O3)层的附着力，从而改善了镍基超合金的耐热氧化性能。该氧化铝层在镍基超合金表面形成钝化层，并阻止氧从镍基超合金的外部扩散到内部。然而，可以在不添加硅的情况下添加铪，或者反过来，可以在不添加铪的情况下添加硅，并且仍然可以改善超合金的耐热氧化性。
此外，铬或铝的加入提高了超合金的抗氧化性和耐高温腐蚀性。尤其是铬对提高镍基超合金的耐热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γ′相的溶线温度，即高于γ′相完全溶解在γ基体中的温度，这是不可取的。因此，铬的浓度为
Figure BDA0002796889180000041
质量％，以维持镍基超合金的γ’相的高溶线温度，例如，大于或等于1250℃，但也要避免在γ基体中形成拓扑致密相，这些相被合金元素(例如铼、钼或钨)高度饱和。
与普通合金相比，铂的添加通过使γ′相硬化析出物的比例保持较高，从而提高了γ′相的温度稳定性，在普通合金中，该比例随温度升高而显著降低。这种在高温下保持高比例的γ'析出物使合金的机械性能在接近合金γ'溶线温度的温度下得以保持(见图2)。此外，铂的加入提高了超合金的抗氧化性和耐蚀性。因此，将铂添加到超合金中可改善包含具有热障的金属涂层超合金的系统的使用寿命。当使用具有NixPtyAlz型金属涂层的超合金时，向超合金的化学成分中添加铂可减少或消除涂层中铂的添加。
钴是一种接近镍的元素，可部分替代镍，加入后与镍在γ基体中形成固溶体。钴强化了γ基体，降低了保护涂层下超合金中TCP析出和SRZ形成的敏感性。然而，钴含量过高会降低镍基超合金γ′相的溶线温度，这是不可取的。
钼、钨、铼或钽等难熔元素的加入减缓了镍基超合金蠕变的控制机制，而镍基超合金的蠕变取决于化学元素在超合金中的扩散。
镍基超合金中硫含量极低，可提高其抗氧化性和热腐蚀性，以及热障的抗剥落性。因此，低硫含量，按质量计低于2ppm(按质量计百万分之几)，或理想情况下按质量计低于0.5ppm，使优化这些性能成为可能。这样的硫的质量含量可以通过生产低硫母材熔体或通过在铸造后进行的脱硫工艺来获得。特别是，通过调整超合金的生产工艺，可以保持较低的硫含量。
镍基超合金是指镍含量以质量百分比计占多数的超合金。因此，镍是合金中质量百分比最高的元素。
超合金以质量百分比计可包括5.0至6.0％的铝、6.0至9.5％的钽、0至1.50％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0至2.50％的铼、0.05至0.15％的铪、1.70至4.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
超合金以质量百分比计可包括5.0至6.0％的铝、6.0至7.0％的钽、0至1.50％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0至2.50％的铼、0.05至0.15％的铪、1.70至4.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
超合金以质量百分比计可包括5.0至6.0％的铝、8.5至9.5％的钽、0至1.50％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0至1.50％的铼、0.05至0.15％的铪、1.70至3.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
镍基超合金以质量百分比计可包括5.0至6.0％的铝、6.0至9.5％的钽、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0.05至0.15％的铪、2.70至4.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
超合金以质量百分比计可包括5.0至6.0％的铝、6.0至9.5％的钽、0.50至1.50％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0.05至0.15％的铪、2.70至4.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
超合金以质量百分比计可包括5.0至6.0％的铝、6.0至9.5％的钽、0.80至1.20％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0至2.50％的铼、0.05至0.15％的铪、0.70至3.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
超合金以质量百分比计可包括5.0至6.0％的铝、6.0至9.5％的钽、0至1.50％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0至2.50％的铼、0.05至0.15％的铪、0.70至4.30％的铂、0.10％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
超合金以质量百分比计可包括5.0至6.0％的铝、6.0至7.0％的钽、0.80至1.20％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0.05至0.15％的铪、2.70至3.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
超合金以质量百分比计可包括5.0至6.0％的铝、6.0至7.0％的钽、0.80至1.20％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0.70至1.30％的铼、0.05至0.15％的铪、1.70至2.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
超合金以质量百分比计可包括5.0至6.0％的铝、6.0至7.0％的钽、0.80至1.20％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、1.70至2.30％的铼、0.05至0.15％的铪、0.70至1.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
镍基超合金以质量百分比计可包括5.0至6.0％的铝、6.0至7.0％的钽、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0.05至0.15％的铪、3.70至4.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
超合金以质量百分比计可包括5.0至6.0％的铝、8.5至9.5％的钽、0.80至1.20％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0.70至2.30％的铼、0.05至0.15％的铪、1.70至2.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
镍基超合金以质量百分比计可包括5.0至6.0％的铝、8.5至9.5％的钽、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0.05至0.15％的铪、2.70至3.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
超合金以质量百分比计可包括5.0至6.0％的铝、8.5至9.5％的钽、0.80至1.20％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0.05至0.15％的铪、2.70至3.30％的铂、0.10％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
超合金以质量百分比计可包括5.6％的铝、6.5％的钽、1.00％的钛、9.0％的钴、6.5％的铬、0.60％的钼、6.0％的钨、0.10％的铪、3.00％的铂，其余部分为镍和不可避免的杂质。
超合金以质量百分比计可包括5.6％的铝、6.5％的钽、1.00％的钛、9.0％的钴、6.5％的铬、0.60％的钼、6.0％的钨、1.00％的铼、0.10％的铪、2.00％的铂，其余部分为镍和不可避免的杂质。
超合金以质量百分比计可包括5.6％的铝、6.5％的钽、1.00％的钛、9.0％的钴、6.5％的铬、0.60％的钼、6.0％的钨、2.00％的铼、0.10％的铪、1.00％的铂，其余部分为镍和不可避免的杂质。
超合金以质量百分比计可包括5.6％的铝、6.5％的钽、9.0％的钴、6.5％的铬、0.60％的钼、6.0％的钨、0.10％的铪、4.00％的铂，其余部分为镍和不可避免的杂质。
超合金以质量百分比计可包括5.6％的铝、9.0％的钽、1.00％的钛、9.0％的钴、6.5％的铬、0.60％的钼、6.0％的钨、1.00％的铼、0.10％的铪、2.00％的铂，其余部分为镍和不可避免的杂质。
超合金以质量百分比计可包括5.6％的铝、9.0％的钽、9.0％的钴、6.5％的铬、0.60％的钼、6.0％的钨、0.10％的铪、3.00％的铂，其余部分为镍和不可避免的杂质。
超合金以质量百分比计可包括5.6％的铝、6.5％的钽、1.00％的钛、9.0％的钴、6.5％的铬、0.60％的钼、6.0％的钨、1.00％的铼、0.10％的铪、2.00％的铂，其余部分为镍和不可避免的杂质。
超合金以质量百分比计可包括5.6％的铝、9.0％的钽、1.00％的钛、9.0％的钴、6.5％的铬、0.60％的钼、6.0％的钨、0.10％的铪、3.00％的铂、0.10％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
本发明还涉及涡轮发动机用单晶叶片，其包含如上所述的超合金。
因此，这种叶片提高了高温下的抗蠕变性能。因此，这种叶片提高了抗氧化性和耐腐蚀性。
叶片可包括保护涂层，该保护涂层包括沉积在超合金上的金属结合层和沉积在金属结合层上的陶瓷热障。
由于镍基超合金的成分，避免或限制了超合金与结合层之间的互扩散现象在超合金中形成二次反应区。
金属结合层可以是MCrAlY型合金或镍铝化物型合金。
由于镍基超合金的成分，在NixAlyPtz型涂层的金属结合层中，铂的添加得以减少甚至消除。
陶瓷热障可以是氧化钇化的氧化锆基材料或任何其他具有低导热系数的陶瓷(氧化锆基)涂层。
叶片可能具有朝向<001>晶体学方向的结构。
这种定向通常为叶片提供最佳的机械性能。
本发明还涉及一种涡轮发动机，包括如上所述的叶片。
附图说明
参考附图，通过以非限制性示例的方式给出的实施方式的以下描述，本公开的主题的其他特征和优点将变得显而易见，其中：
-图1是涡轮发动机的示意性纵向截面图；
-图2是表示γ’相体积分数随温度变化的曲线图；
-图3是表示不同超合金的无雀斑参数(NFP)的图表；
-图4是表示不同温度和不同超合金的γ’相体积分数的图表；
-图5是表示两种超合金在0.2％时的屈服强度随温度变化的曲线图；
-图6是表示图5的两种超合金的抗拉强度随温度变化的曲线图；
-图7是表示三种超合金在1000℃下质量增益随时间变化的曲线图；
-图8是表示超合金的显微组织的显微照片。
在所有附图中，公共元件由相同的附图标记标识。
具体实施方式
镍基超合金用于通过热梯度定向凝固工艺制造单晶叶片。在凝固开始时使用单晶晶种或晶粒选择器可以获得这种单晶结构。例如，该结构的取向为<001>晶体学方向，该取向通常赋予超合金最佳的机械性能。
固化的镍基单晶超合金具有枝晶结构，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)析出物组成。由于凝固过程中产生的化学分离，这些γ′相析出物在单晶体积中分布不均匀。此外，γ/γ'共晶相存在于枝晶间区域，是裂纹萌生的首选部位。这些γ/γ'共晶相是在凝固结束时形成的。此外，γ/γ'共晶相的形成破坏了γ'硬化相的细小析出物(尺寸小于1微米)。这些γ′相析出物是镍基超合金硬化的主要来源。此外，残余γ/γ′共晶相的存在不利于优化镍基超合金的抗热蠕变性。
事实证明，当γ'析出物有序析出，即γ'相析出物以规则的方式排列，尺寸在300-500nm之间，并且γ/γ′共晶相全部重新溶解时，超合金的机械性能，特别是抗蠕变性是最佳的。
因此，对原始凝固镍基超合金进行热处理，以获得所需的不同相分布。第一次热处理是显微结构的均匀化处理，其目的是溶解γ'相析出物，消除γ/γ'共晶相或显著降低其体积分数。这种处理是在高于γ′相的溶线温度和低于超合金的起始熔化温度(T固相线)的温度下进行的。然后在第一次热处理结束时进行淬火，以获得γ'析出物的精细均匀分散。回火热处理分两个阶段进行，温度低于γ'相的溶线温度。在第一步中，将γ'析出物生长到所需的尺寸，然后在第二步中，在室温下将该相的体积分数增加到70％左右。
图1所示为旁通涡扇发动机10在垂直平面上穿过其主轴线a的垂直横截面。涡扇发动机10根据气流从上游到下游包括风扇12、低压压缩机14、高压压缩机16、燃烧室18、高压涡轮20和低压涡轮22。
高压涡轮20包括多个随转子旋转的活动叶片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的活动叶片20A相对布置的多个定子环24。
这些特性使这些超合金成为制造涡轮喷气发动机热部件单晶零件的有趣候选材料。
因此，可以制造包含如上定义的超合金的涡轮发动机用的活动动片20A或整流器20B。
或者，用于涡轮发动机的活动叶片20A或整流器20B，其包括如上所述的超合金，其涂覆有包含金属结合层的保护涂层。
涡轮发动机尤其可以是涡轮喷气发动机，例如涡轮风扇发动机10。涡轮发动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。
实施例
研究了本公开的八种单晶镍基超合金(实施例(EX)1至实施例8)并与五种商用单晶超合金RenéN5(实施例9)、CMSX-4(实施例10)、CMSX-4Plus Mod C(实施例11)、RenéN6(实施例12)、CMSX-10K(实施例13)和含铂的实验性超级合金(实施例14)进行比较，所述合金在以下出版物中引用：J.S.Van Sluytman，C.J.Moceri和T.M.Pollock，“一种具有高温析出物稳定性的Pt改性Ni基超合金”，Mater.Sci.Eng.A，639卷，第747-754页，2015年7月。表1中给出了每种单晶超合金的化学成分，成分实施例7进一步包含0.03质量％的碳，实施例13进一步包含0.10质量％的铌(Nb)，实施例12进一步包含0.05质量％的碳(C)和0.004质量％的硼(B)，以及实施例14还包含0.02质量％的碳、0.015质量％的硼和0.02质量％的锆石。所有这些超合金都是镍基超合金，也就是说，到所示成分100％的剩余部分由镍和不可避免的杂质组成。
根据图2的曲线B，超合金实施例1到实施例8显示了γ'相体积分数随温度的变化，而超合金实施例9到实施例14显示了γ'相体积分数随温度的变化，如图2的曲线A所示。
表1
Figure BDA0002796889180000111
Figure BDA0002796889180000121
密度
使用改良形式的赫尔公式(F.C.赫尔，Metal Progress，1969年11月，第139-140页)估算每种超级合金在室温下的密度。密度用g.cm-3(克每立方厘米)表示。这是赫尔提出的经验公式。该经验公式基于混合物定律，并包括从235种超合金和不锈钢的实验数据(化学成分和测得的密度)的线性回归分析中得出的修正项。对赫尔公式进行了修改，特别是考虑到铼和钌等元素。P.Carondans，“用于单晶涡轮叶片的高γ’溶线新一代镍基超合金(High gamma prime solvus New Generation Nickel-Based Superalloys for SingleCrystal Turbine Blade Applications)”，2000年，第737-746页给出的修正赫尔公式如下：
(1)d＝8.29604–0.00435wt％Co–0.0164wt％(Cr+Mo)+0.06274wt％W+0.0593wt％(Re+Pt)+0.01811wt％Ru–0.06595wt％Al–0.0236wt％Ti+0.05441wt％Ta
其中，wt％Co，wt％(Cr+Mo)，…，wt％Ta是元素Co，(Cr+Mo)，…，Ta的质量百分比。
其中，d是超合金的密度，单位为g/cm3。
例如，超合金实施例5的密度估计为8.81g/cm3，测量值为8.83g/cm3。密度用氦比重计测量。因此，上述修正的赫尔公式与所测超合金的密度非常吻合。
本发明合金和参考合金的计算密度小于8.90g/cm3，优选小于8.85g/cm3(见表2)。
表2显示了超合金实施例1到实施例12的不同参数。
表2
Figure BDA0002796889180000122
Figure BDA0002796889180000131
无雀斑参数(NFP)
(2)NFP＝[％Ta+1.5％Hf+0.5％Mo-0.5％％Ti)]/[％W+1.2％Re)]。
其中，％Cr，％Ni，...％X是超合金元素Cr，Ni，...，X的含量，以质量百分比表示。
NFP用于量化部件定向凝固过程中对雀斑形成的敏感性(文献US5888451)。为防止形成雀斑，NFP必须大于或等于0.7。
从表2和图3中可以看出，超合金实施例1至实施例8的NFP均大于或等于0.7，而商用超合金实施例10至实施例13的NFP均小于0.7。
对SRZ形成的敏感性
为了估算含铼的镍基超合金对SRZ的敏感性，Walston(文献US5270123)建立了以下方程式：
(3)SRZ(％)]1/2＝13.88(％Re)+4.10(％W)–7.07(％Cr)–2.94(％Mo)–0.33(％Co)+12.13
其中，SRZ(％)是涂层下超合金中SRZ的线性百分比，其中合金元素的浓度以原子百分比表示。
该方程(3)是通过多元线性回归分析，根据在1093℃(摄氏度)下，成分接近成分实施例12的各种合金样品在NiPtAl涂层下老化400小时后的观察结果得出的。
参数[SRZ(％)]1/2的值越高，超合金对SRZ的形成越敏感。因此，如表2所示，对于超合金实施例1至实施例8，参数[SRZ(％)]1/2的值均为负，因此这些超合金对NitPtAl涂层下SRZ形成的敏感性较低，而以对SRZ形成的敏感性较低而闻名的商用超合金实施例12和超合金实施例9、实施例10和实施例14也是如此。举例来说，众所周知，商用超合金实施例13对NiPtAl涂层下SRZ的形成非常敏感，它具有相对较高的[SRZ(％)]1/2参数值。
合金成本
每千克超合金实施例1至实施例14的成本根据超合金的成分和每种化合物的成本计算(2018年2月更新)。该费用是以图解的方式给出的。
晶体参数差δ’
相γ和γ’之间的晶体参数差也称为失配δ，用百分比表示。由于这两个相的热膨胀系数不同，该参数随温度而变化。它会影响机械性能，尤其是蠕变性能。当δ’为负，甚至为弱正时，提高了微观结构在给定温度下的稳定性。
Γ’相溶线温度
采用基于CALPHAD方法的ThermoCalc软件(Ni25数据库)计算了γ′相平衡时的溶线温度。
如表3所示，超合金实施例1至实施例8具有与实施例9至实施例14类似的γ'溶线温度。
固相线温度和液相线温度
利用基于CALPHAD方法的ThermoCalc软件(Ni25数据库)计算了实施例1到实施例14超合金的固相线温度和液相线温度。
γ'相体积分数
利用基于CALPHAD方法的ThermoCalc软件(Ni25数据库)计算了950℃、1050℃和1200℃时，超合金实施例1到实施例14中γ′相平衡时的体积分数(体积百分比)。
如表3和图4所示，超合金实施例1至实施例8含有大于或相当于商用超合金实施例9至实施例14的γ'相体积分数。
因此，超合金实施例1至实施例8的高γ’溶线温度和高γ'相体积分数的组合有利于在高温和超高温下具有良好的抗蠕变性能，例如，在1200℃时。该抗性应高于商用超合金实施例9至实施例12的蠕变强度，并接近商用超合金实施例11的蠕变强度。
表3
Figure BDA0002796889180000151
Figure BDA0002796889180000161
TCP型σ的体积分数
利用基于CALPHAD方法的ThermoCalc软件(镍数据库)计算了950℃和1050℃时，超合金实施例1到实施例14中处于平衡状态时σ相的体积分数(体积百分比)(见表4)。
计算的σ相的体积分数相对较低，反映出对TCP析出的敏感性较低。
铬溶解在γ基体中的质量浓度
利用基于CALPHAD方法的ThermoCalc软件(Ni25数据库)计算了950℃和1200℃时，超合金实施例1到实施例14处于平衡状态时γ相中的铬含量(质量百分比)
从表4可以看出，与商用超合金实施例9至实施例13中γ相的铬浓度相比，超合金实施例1至实施例8中γ相的铬浓度更高或接近，这有利于更好的抗腐蚀和热氧化性能。
表4
Figure BDA0002796889180000162
Figure BDA0002796889180000171
机械性能
图5显示了在650℃、760℃和950℃下，超合金实施例5和超合金实施例11在0.2％下的屈服强度(单位：MPa)随温度(单位：℃)的变化。
图6显示了在650℃、760℃和950℃下，超合金实施例5和超合金实施例11的断裂拉伸强度(单位：MPa)随温度(单位：℃)的变化。
0.2％屈服强度和拉伸强度在室温下根据ISO 6892-1标准测量，高于室温时根据ISO 6892-2标准测量。
如图5所示，超合金实施例5具有0.2％的屈服强度和与实施例11类似的抗拉强度。
氧化性能
超合金实施例5、实施例9和实施例10的氧化性能如图7所示。在1000℃下测量了超合金的质量增益(单位：g/m2)与时间(单位：小时)的关系。如图7所示，可以看出，在1000℃下进行不到10小时的试验后，超合金实施例5的质量增益比超合金实施例9和实施例10的质量增益低。
试验在直径为14mm、厚度为1.2至1.4mm的研究材料的颗粒上进行。氧化试验，也称为热重分析试验，在恒定流量的合成空气(21％O2+79％N2)下进行，并通过热天平补偿阿基米德原理的变化。因此，在试验温度下连续测量质量增益。请注意，样品架已经过稳定处理，这样它们就不会与样品发生反应，也不会氧化。
微观结构
图8显示了超合金实施例5在5000倍放大率下，通过扫描电子显微镜进行固溶退火和回火后的微观结构。所示微观结构是镍基超合金机械性能最佳微观结构的典型微观结构，显示了具有γ/γ'相的微观结构。在图8中，γ'固溶体物为深灰色立方体。
尽管已经参考特定实施例的特定示例来描述本公开，但是显而易见的是，可以对这些示例进行各种修改和更改，而不超出权利要求所限定的本发明的一般范围。此外，可以在附加实施例中组合所述不同实施例的各个特征。因此，说明书和附图应当以说明性而不是限制性的方式来考虑。

Claims (19)

1.一种镍基超合金，其包括，以质量百分比计，5.0至6.0％的铝、6.0至9.5％的钽、0至1.50％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0至2.50％的铼、0.05至0.15％的铪、0.70至4.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的超合金，其包括，以质量百分比计，5.0至6.0％的铝、6.0至9.5％的钽、0至1.50％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0至2.50％的铼、0.05至0.15％的铪、1.70至4.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的超合金，其包括，以质量百分比计，5.0至6.0％的铝、6.0至7.0％的钽、0至1.50％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0至2.50％的铼、0.05至0.15％的铪、1.70至4.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的超合金，其包括，以质量百分比计，5.0至6.0％的铝、8.5至9.5％的钽、0至1.50％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0至1.50％的铼、0.05至0.15％的铪、1.70至3.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的超合金，其包括，以质量百分比计，5.0至6.0％的铝、6.0至9.5％的钽、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0.05至0.15％的铪、2.70至4.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
6.根据权利要求1所述的超合金，其包括，以质量百分比计，5.0至6.0％的铝、6.0至9.5％的钽、0.50至1.50％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0,30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0.05至0.15％的铪、2.70至4.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
7.根据权利要求1所述的超合金，其包括，以质量百分比计，5.0至6.0％的铝、6.0至9.5％的钽、0.80至1.20％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0至2.50％的铼、0.05至0.15％的铪、0.70至3.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
8.根据权利要求1所述的超合金，其包括，以质量百分比计，5.0至6.0％的铝、6.0至9.5％的钽、0至1.50％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0至2.50％的铼、0.05至0.15％的铪、0.70至4.30％的铂、0.10％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
9.根据权利要求1所述的超合金，其包括，以质量百分比计，5.0至6.0％的铝、6.0至7.0％的钽、0.80至1.20％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0,30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0.05至0.15％的铪、2.70至3.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
10.根据权利要求1所述的超合金，其包括，以质量百分比计，5.0至6.0％的铝、6.0至7.0％的钽、0.80至1.20％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0.70至1.30％的铼、0.05至0.15％的铪、1.70至2.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
11.根据权利要求1所述的超合金，其包括，以质量百分比计，5.0至6.0％的铝、6.0至7.0％的钽、0.80至1.20％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、1.70至2.30％的铼、0.05至0.15％的铪、0.70至1.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
12.根据权利要求1所述的超合金，其包括，以质量百分比计，5.0至6.0％的铝、6.0至7.0％的钽、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0.05至0.15％的铪、3.70至4.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
13.根据权利要求1所述的超合金，其包括，以质量百分比计，5.0至6.0％的铝、8.5至9.5％的钽、0.80至1.20％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0.70至2.30％的铼、0.05至0.15％的铪、1.70至2.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
14.根据权利要求1所述的超合金，其包括，以质量百分比计，5.0至6.0％的铝、8.5至9.5％的钽、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0.05至0.15％的铪、2.70至3.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
15.根据权利要求1所述的超合金，其包括，以质量百分比计，5.0至6.0％的铝、8.5至9.5％的钽、0.80至1.20％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0,30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0.05至0.15％的铪、2.70至3.30％的铂、0.10％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。
16.一种用于涡轮发动机的单晶叶片(20A，20B)，其包括根据权利要求1至15中任一项所述的超合金。
17.根据权利要求16所述的叶片(20A，20B)，包括保护涂层，所述保护涂层包括沉积在所述超合金上的金属结合层和沉积在所述金属结合层上的陶瓷热障。
18.根据权利要求16或17所述的叶片(20A，20B)，具有在<001>晶体学方向上取向的结构。
19.一种涡轮发动机，包括根据权利要求16至18中任一项所述的叶片(20A，20B)。
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