CN117677721A - 镍基超合金、单晶桨叶及涡轮机 - Google Patents

镍基超合金、单晶桨叶及涡轮机 Download PDF

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CN117677721A CN202280049520.4A CN202280049520A CN117677721A CN 117677721 A CN117677721 A CN 117677721A CN 202280049520 A CN202280049520 A CN 202280049520A CN 117677721 A CN117677721 A CN 117677721A
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乔纳森·科米尔
洛雷娜·马塔维利·索华夫
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Poitiers
Safran SA
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French National Institute Of Technology
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Poitiers
Safran SA
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Abstract

本发明涉及一种镍基超合金，其以重量百分比计包括：5.0％至6.0％的铝、6.0％至9.0％的钽、1.0％至5.0％的钴、5.0％至7.5％的铬、0％至1.0％的钼、4.0％至6.0％钨、0.50％至3.5％铼、1.0％至4.0％铂、0.05％至0.25％铪、0％至0.15％硅，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。本发明还涉及一种包括这种合金的单晶桨叶(20A、20B)以及一种包括这种桨叶(20A、20B)的涡轮机(10)。

Description

镍基超合金、单晶桨叶及涡轮机
技术领域
本公开涉及用于燃气轮机的镍基超合金，特别是用于例如在航空领域中燃气轮机的也被称为喷嘴或流动矫直器的固定桨叶(叶片)或移动桨叶的镍基超合金。
背景技术
众所周知，使用镍基超合金来生产用于飞机或直升机发动机的燃气轮机的单晶叶片或桨叶。
这些材料的主要优点在于结合了在高温下的高抗蠕变性以及抗氧化性和抗腐蚀性。
随着时间的推移，用于单晶桨叶的镍基超合金在化学成分方面经历了显著的发展，特别是致力于改善其在高温下的抗蠕变性同时保持对使用这些超合金的侵蚀性环境的耐受性。
此外，已经开发出适用于这些合金的金属涂层，以便提高它们对使用这些合金的侵蚀性环境的耐受性，特别是抗氧化性和抗腐蚀性。此外，为了降低该金属表面处的温度，可以添加具有低导热性的陶瓷涂层，从而实现热障功能。
通常，一个完整的保护系统至少包括两层。
第一层(也被称为子层或连接层)直接沉积在待保护的镍基超合金部件(也被称为基底，例如桨叶)上。沉积步骤之后是将子层扩散到超合金中的步骤。沉积和扩散也可以在单个步骤期间进行。
通常用于生产该子层的材料包括MCrAlY型(M＝Ni(镍)或Co(钴))的形成氧化铝的金属合金或Ni和Co、Cr＝铬、Al＝铝和Y＝钇的混合物，或者镍铝化物型合金(NixAly)，一些还含有铂(NixAlyPtz)。。
第二层(通常被称为热障涂层或“TBC”)是一种陶瓷涂层，其包括例如用于氧化钇部分稳定氧化锆的氧化钇稳定氧化锆(也被称为“YSZ”或“YPSZ”)，并且具有多孔结构。该层可以通过以下各种工艺来沉积：诸如电子束物理气相沉积(EB-PVD)、大气等离子体喷涂(APS)或悬浮等离子体喷涂(SPS)、或者能够获得具有低热导率的多孔陶瓷涂层的任何其他工艺。
这些材料例如在650℃至1100℃的高温下的使用，在基底的镍基超合金与子层的金属合金之间产生微观尺度上的相互扩散现象。与子层的氧化相关的这些相互扩散现象(特别是从涂层的生产开始并在涡轮机使用桨叶期间持续)改变了子层的化学成分、微观结构，以及因此改变其机械性能。这些相互扩散现象还改变了涂层之下基底的超合金的化学成分、微观结构，以及因此改变其机械性能。在难熔元素(特别是铼)含量非常高的超合金中，二次反应区(SRZ)可以形成在子层之下的超合金中，其深度达几十微米，或者甚至数百微米。这种SRZ的机械性能明显低于基底的超合金的机械性能。SRZ的形成是不希望的，因为其导致超合金的机械强度显著降低。
连接层中的这些变化与在操作中形成在该连接层(也被称为热生长氧化物(TGO))的表面处的氧化铝层的生长相关的应力场有关，并且与各层之间的热膨胀系数的差异有关，这些变化在子层与陶瓷涂层之间的界面区中产生脱粘，这可能导致陶瓷涂层的部分或全部剥落。然后，金属部分(超合金基底和金属子层)裸露并且直接暴露于燃烧气体中，这增加了桨叶损坏的风险，从而增加了燃气轮机损坏的风险。
此外，当这些合金的部件被保持在高温下时，这些合金的化学性质的复杂性会导致其最佳微观结构的不稳定性，并且出现不希望的颗粒相。这种不稳定性对这些合金的机械性能具有负面影响。这些具有复杂结晶结构和脆性的不良相被称为拓扑紧密堆积(TCP)相。
此外，在通过定向凝固法生产部件期间，可能在诸如桨叶的部件中形成铸造缺陷。这些缺陷通常是“雀斑”型的寄生颗粒，其存在会导致部件在使用中过早断裂。与超合金的化学成分有关的这些缺陷的存在通常会导致部件报废，从而导致生产成本的增加。
发明内容
本公开旨在提供用于生产单晶成分的镍基超合金组合物，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时能够降低部件的生产成本(降低废品率)。这些超合金在高温下具有比现有合金更大的抗蠕变性，同时在超合金的体积中表现出良好的微观结构稳定性(对TCP的形成低敏感性)、在热障涂层的子层之下的良好微观组织稳定性(对SRZ的形成低敏感性)以及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，本公开涉及一种镍基超合金，其以重量百分比计包括：5.0％至6.0％铝、6.0％至9.0％钽、1.0％至5.0％钴、5.0％至7.5％铬、0％至1.0％钼、4.0％至6.0％钨、0.50％至3.5％铼、1.0％至4.0％铂、0.05％至0.25％铪、0％至0.15％硅，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。
这种超合金用于生产单晶燃气轮机部件，例如固定(叶片)或移动桨叶。
通过这种镍基超合金成分(Ni)，与现有的超合金相比，特别是在高达1100℃的温度下，其抗蠕变性得以提高，并且与在现有的超合金上所观察到的相比，热障的粘附性得以加强，特别是由于钛、高铬含量的去除以及铂的添加。
因此，这种合金在高温下具有改进的抗蠕变性。由于这种合金的使用寿命长，因此该合金还具有改进的抗腐蚀性和抗氧化性。这种合金还可以具有改进的抗热疲劳性。
这些超合金具有大于或等于8.75g/cm3且小于或等于8.95g/cm3(克/立方厘米)的密度。
由镍基超合金制成的单晶部件通过在失蜡铸造期间在热梯度下的定向凝固过程而获得。该单晶镍基超合金包括具有面心立方结构(镍基固溶体，被称为γ相(“γ”))的奥氏体基体。该基体含有具有Ni3Al型的有序立方结构L12的伽玛素数(“γ”)硬化相析出物。因此，整体(基体和析出物)被描述为γ/γ′超合金。
此外，这种镍基超合金成分允许进行热处理，这是将在超合金凝固期间形成的γ相析出物和γ/γ′共晶相置于溶液中。因此，可以获得单晶镍基超合金，其包括优选在300和500纳米之间的尺寸可控的γ′析出物，并且含有低比例的γ/γ′共晶相。
该热处理还使得能够控制存在于单晶镍基超合金中的γ′相析出物的比例。γ′相析出物的摩尔百分比可以大于或等于50％，优选地大于或等于60％，还更优选地等于70％。
此外，γ′相析出物的比例增加阻碍了位错的移动，并且促进了合金的抗热蠕变性。另一方面，在较低的温度(<950℃)下，扩散现象较少，并且大多数损坏通过γ相析出物的剪切发生。因此，在较低的温度下，γ相析出物的固有抵抗力是用于合金的静态或蠕变机械强度的决定因素。因此，已经调整了本发明的合金的化学成分，以确保从650°C到1100℃蠕变的高机械阻力。
主要的添加元素是钴(Co)、铬(Cr)、钼(Mo)、铼(Re)、钨(W)、铝(Al)、钽(Ta)和铂(Pt)。
次要的添加元素是铪(Hf)和硅(Si)，它们的最大含量按重量记小于1％。
例如，不可避免的杂质包括：硫(S)、碳(C)、硼(B)、钇(Y)、镧(La)和铈(Ce)。不可避免的杂质被限定为：被无意中添加到成分中并且与其他元素一起起作用的元素。例如，超合金可以包括：按重量计0.005％的碳。
钨、铬、钴、铼或钼的添加主要使其能够通过在固溶体中硬化来增强面心立方(cfc)结晶结构的γ奥氏体基体。
铝(Al)或钽(Ta)的添加促进了硬化相γ′-Ni3(Al，Ti，Ta)的析出。
铼(Re)可以减缓化学物质在超合金中的扩散，并且限制γ相析出物在高温下使用中的凝聚，这一现象会导致机械强度降低。因此，铼可以提高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金属间TCP相(例如σ相、P相或μ相)的析出，这对超合金的力学性能具有负面影响。过高的铼浓度还会导致在子层之下的超合金中形成二次反应区，这对超合金的机械性能具有负面影响。
硅和铪的同时添加使得镍基超合金的抗热氧化性能够通过增加在高温下形成在超合金表面处的氧化铝层(Al2O3)的粘附性来提高。该氧化铝层在镍基超合金的表面处形成钝化层，以及形成阻挡氧从镍基超合金的外部扩散到内部的屏障。然而，也可以在不添加硅的情况下添加铪，或者相反地，也可以在不添加铪的情况下添加硅，并且尽管如此，提高了超合金的抗热氧化性。
此外，铬和铝的添加可以提高超合金在高温下的抗氧化性和抗腐蚀性。特别地，铬对于提高镍基超合金的抗热腐蚀性是必不可少的。然而，过高的铬含量往往会降低镍基超合金的γ′相的溶线温度，换言之，降低γ′相完全被溶解在γ基体中的温度，这是不可取的。此外，铬的浓度按重量计在5.0％至7.5％之间，以便保持镍基超合金的γ′相的高溶线温度(例如，大于或等于1300℃)，但也避免了在γ基体中形成拓扑紧密堆积相，使诸如铼、钼或钨的合金元素严重饱和。
钴是一种接近镍的元素并且其部分地取代了镍，钴的添加与在γ基体中的镍形成固溶体。钴可以增强γ基体，并且降低保护涂层之下的超合金中TCP的析出以及SRZ的形成的敏感性。然而，较高的钴含量往往会降低镍基超合金的γ′相的溶线温度，这是不可取的。
此外，铬和钴的含量被优化，以便为目标应用(既用于所需的机械性能，也用于超合金的热处理能力)获得适当的溶线温度，其中，具有与工业需求兼容(换言之，超合金的溶线温度与固相线温度之间的差足够大)的热处理窗口。
相对于普通合金，当γ′相硬化析出物的比例在温度上升期间显著降低时，铂的添加可以通过保持该高比例来提高γ′相的温度稳定性。在高温下保持高比例的γ′析出物使得能够在接近合金的γ′溶线温度的温度下保持合金的机械性能。
此外，铂的添加可以提高超合金的抗氧化性和抗腐蚀性。因此，在超合金中添加铂可以提高包括覆盖有金属涂层和热障的超合金的系统的使用寿命。在使用具有NixPtyAlz型金属涂层的超合金的情况下，将铂添加至超合金的化学成分可以减少或去除涂层中铂的添加。
诸如钼、钨、铼或钽的难熔元素的添加可以减缓镍基超合金的蠕变控制机制，这取决于化学元素在超合金中的扩散。
镍基超合金中的非常低的硫含量增加了热时的抗氧化性和抗腐蚀性以及热障的抗剥落性。因此，按重量计小于2ppm(按重量计百万分之一)或理想地按重量计小于0.5ppm的低硫含量可以优化这些性能。这样按重量计的硫含量可以通过生产低硫母体铸件或通过在铸造后进行的脱硫工艺来获得。特别地，可以通过调整超合金的生产工艺来保持低硫含量。
术语“镍基超合金”应指用于镍的按重量计百分比占大多数的超合金。应当理解，因此镍是合金中重量百分比最高的元素。
该超合金可以以重量百分比计包括：5.4％至6.0％铝、7.5％至8.5％钽、2.0％至4.0％钴、5.0％至7.5％铬、0％至0.20％钼、4.5％至6.0％钨、1.50％至3.5％铼、1.0％至4.0％铂、0.05％至0.25％铪、0％至0.15％硅，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。
该超合金可以以重量百分比计包括：5.4％至6.0％铝、7.5％至8.5％钽、2.0％至4.0％钴、5.5％至7.5％铬、0％至0.40％钼、4.5％至6.0％钨、1.25％至3.5％铼、1.5％至2.5％铂、0.05％至0.15％铪、0％至0.15％硅，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。
该超合金可以以重量百分比计包括：5.6％至6.0％的铝、7.5％至8.5％的钽、2.0％至4.0％的钴、6.5％至7.5％的铬、4.5％至5.5％的钨、1.25％至2.25％的铼、1.5％至2.5％的铂、0.05％至0.15％的铪、0％至0.15％的硅，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。
该超合金可以以重量百分比计包括：5.4％至5.8％的铝、7.5％至8.5％的钽、2.0％至4.0％的钴、5.5％至6.5％的铬、0％至0.40％的钼、5.0％至6.0％的钨、2.5％至3.5％的铼、1.5％至2.5％的铂、0.05％至0.15％的铪、0％至0.15％的硅，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。
该超合金可以以重量百分比计包括：5.8％的铝、8.0％的钽、3.0％的钴、7.0％的铬、5.0％的钨、1.75％的铼、2.0％的铂、0.05％的铪，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。
该超合金可以以重量百分比计包括：5.6％铝、8.0％钽、3.0％钴、6.0％铬、0.20％钼、5.5％钨、3.0％铼、2.0％铂、0.05％铪，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。
本公开还涉及一种用于涡轮机的单晶桨叶，该单晶桨叶包括如上所限定的超合金。
因此，该桨叶在高温下具有改进的抗蠕变性。因此，该桨叶具有改进的抗氧化性和抗腐蚀性。
在某些实施例中，桨叶可以包括保护涂层，该保护涂层包括金属子层和陶瓷热障，金属子层沉积在超合金上，陶瓷热障沉积在金属子层上。
通过镍基超合金的成分，避免或限制了由超合金与子层之间的相互扩散现象导致的超合金中二次反应区的形成。
在某些实施例中，金属子层可以是MCrAlY型合金或镍铝化物型合金。
在某些实施例中，陶瓷热障可以是氧化钇稳定的氧化锆基材料或具有低导热率的任何其他(氧化锆基)陶瓷涂层。
在某些实施例中，桨叶可以具有沿＜001＞晶体学方向取向的结构。
这种取向通常向桨叶提供最佳的机械性能。
本公开还涉及一种涡轮机，该涡轮机包括如上所限定的桨叶。
附图说明
参考附图，本发明主题的其他特征和优点将从通过非限制性示例的方式提供的以下实施例的描述中显现出来。
图1是涡轮机的示意性纵向剖面图。
具体实施方式
镍基超合金用于在热梯度下通过定向凝固工艺生产单晶桨叶。在凝固开始时使用单晶籽晶或晶粒选择器使得能够获得这种单晶结构。例如，该结构沿＜001＞晶体学方向取向，该取向通常赋予超合金最佳的机械性能。
粗凝固的单晶镍基超合金具有树枝状结构，并且由分散在具有面心立方结构的γ基体(镍基固溶体)中的γ′Ni3(Al、Ti、Ta)析出物构成。由于凝固工艺导致的化学偏析，这些γ′相析出物不均匀地分布在单晶的体积中。此外，γ/γ′共晶相存在于枝晶间区域中，并且构成裂纹产生的首选位置。这些γ/γ′共晶相在凝固结束时形成。此外，γ/γ′共晶相的形成不利于细小的γ′硬化相析出物(尺寸小于一微米)。这些γ′相析出物是镍基超合金硬化的主要来源。此外，γ/γ′共晶相残留物的存在不允许镍基超合金的热蠕变性能得到优化。
实际上，研究已经表明，当γ′析出物的析出有序时，换言之，当γ′相析出物以规则的方式排列(具有在300至500nm之间的尺寸)时，并且当整个γ/γ′共晶相被放置于溶液中时，超合金的机械性能(特别是抗蠕变性)是最佳的。
因此，将粗凝固的镍基超合金进行热处理，以获得所需的这些不同相的分布。第一次热处理是用于微观结构进行均匀化的处理，其目的是：溶解γ′相析出物并消除γ/γ′共晶相或显著降低其摩尔分数。该处理是在高于γ′相的溶解温度且低于超合金的初始熔融温度的温度(Tsolidus)下进行的。然后，在第一次热处理结束时进行淬火，以获得精细且均匀分散的γ′析出物。然后，在温度低于相γ′的溶线温度下分两个步骤进行回火热处理。在第一步骤期间，目的是增大γ′析出物并获得所需尺寸，然后在第二步骤期间，目的是在环境温度下将该相的摩尔分数增加到约70％。
图1示出了涡轮风扇发动机10沿穿过其主轴线A的垂直平面的剖面。从气流循环的上游到下游，涡轮风扇发动机包括：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：多个移动桨叶20A，其随转子转动；以及流动矫直器20B(叶片)，其安装在定子上。涡轮20的定子包括：多个定子环24，其布置成与涡轮20的移动桨叶20A相对。
因此，这些特性使这些超合金成为用于生产涡轮喷气发动机热部件所用的单晶部件的受关注的候选材料。
因此，可以生产用于涡轮机的移动桨叶20A或流动矫直器20B，该移动桨叶20A或流动矫直器20B包括如上所述的超合金。
还可以制造用于涡轮机的移动桨叶20A或流动矫直器20B，该移动桨叶20A或流动矫直器20B包括如上所述的超合金金，涂覆有包括金属子层的保护涂层。
一种涡轮机尤其可以是诸如涡轮风扇10的涡轮喷气发动机。该涡轮机也可以是纯涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机或涡轮发动机。
示例
已经研究了本公开的两种单晶镍基超合金(Ex 1和Ex 2)，并且将其与五种市售单晶超合金(参考合金)和两种实验性单晶超合金CEx 6和CEx 7进行了比较。该实验性单晶超合金CEx 6在以下出版物中被引用，即：J.S.Van Sluytman、C.J.Moceri和T.M.Pollock，“具有高温析出稳定性的Pt改性镍基高温合金”，Mater。Sci。Eng.A，第639卷，第747-754页，2015年7月，而实验性单晶超合金CEx 7在以下出版物中被引用，即：J.、Utada，S.、Bortoluci Ormastroni，L.M.、Mataveli Suave，L.、Menou，E.、DespréS，L.、Kontis，P.、Cormier，J.，《超合金2020》，施普林格国际出版社，2020年，第71–81页。五种市售单晶超合金分别是：Rene(CEx 1)、/>(CEx 2)、CMSX-4Plus Mod/>(CEx3)、Rene/>(CEx 4)和/>(CEx5)。表1中给出了单晶超合金中的每一者的化学成分，CEx 1和CEx 4的成分还包括按重量计0.05％的碳(C)和按重量计0.004％的硼(B)，并且CEx 6的成分附加地包括按重量计0.02％的碳、按重量计0.015％的硼和按重量计0.02％的锆。所有这些超合金都是镍基超合金，换言之，所述的成分的剩余部分至100％都是由镍和不可避免的杂质组成。
[表1]
密度
每种超合金在环境温度下的密度均是使用赫尔公式的修正版本(F.C.赫尔，MetalProgress(金属进展)，1969年11月，第139-140页)估计的。该经验等式是由赫尔提出的。经验等式是基于混合物规则的，并且包括通过涉及235种超合金和不锈钢的实验数据(测量密度和化学成分)的线性回归分析得出的修正项。
该赫尔公式已经被修改，特别是考虑了诸如铼和钌的元素。由P.Carondans所著的“High gamma prime solvus New Generation Nickel-Based Superalloys for SingleCrystal turbine Blade Applications(用于单晶涡轮桨叶应用的新一代镍基超合金的高伽玛质溶剂)”(2000年，第737-746页)给出的修正的赫尔公式如下：
(1)d＝8.29604–0.00435wt％钴–0.0164wt％(铬+钼)+0.06274wt％钨+0.0593wt％(铼+铅)+0.01811wt％钌–0.06595wt％铝–0.0236wt％钛+0.05441wt％钽其中，wt％钴、wt％(铬+钼)、…、wt％钽是元素钴、(铬+钼)、…、钽的按重量计的百分比。
其中，d是超合金的密度，单位为g/cm3。
本发明的合金的计算密度大于或等于8.75g/cm3且小于或等于8.95g/cm3(参见表2)。
该密度对于诸如涡轮桨叶的旋转部件应用至关重要。更具体地，桨叶的超合金密度的增加需要对承载它们的圆盘进行加固，并且因此需要另外额外的重量成本。据观察，除了具有更高密度的超合金CEx4之外，超合金Ex1和Ex2具有与对比超合金相似的密度。
对SRZ形成的敏感性
为了估计包含铼的镍基超合金对SRZ形成的敏感性，沃尔斯顿(文献US 5270123)建立了以下等式：
(2)[SRZ(％)]1/2＝13.88(％铼)+4.10(％钨)–7.07(％铬)–2.94(％钼)–0.33(％钴)+12.13
其中，SRZ(％)是涂层之下的超合金中SRZ的线性百分比，并且其中，合金元素的浓度以原子百分比表示。
该等式(2)是基于在NiPtAl涂层之下的Rene系列合金的各种镍基超合金的样品在1093℃(摄氏度)下老化400小时之后得出的观察结果而通过多元线性回归分析获得的。
参数[SRZ(％)]1/2的值越高，超合金对SRZ的形成越敏感。特别地，负值代表对该缺陷的敏感性较低。
因此，如表2中可见，对于超合金Ex 1和Ex 2，参数[SRZ(％)]1/2的值都是明显的负值，因此这些超合金对在NitPtAl涂层下形成SRZ具有低敏感性，该涂层通常存在于涡轮桨叶的应用(旋转桨叶和/或喷嘴)中。
无雀斑参数(NFP)
(3)NFP＝[％钽+1.5％铪+0.5％钼–0.5％％钛)]/[％钨+1.2％铼)]
其中，％铬、％镍、…％X是以重量百分比表示的超合金的元素铬、镍、…X的含量。
NFP参数可以量化在部件定向凝固期间“雀斑”型寄生颗粒形成的敏感性(文献US5,888,451)。为了避免形成“雀斑”型缺陷，NFP参数必须大于或等于0.7。对这类缺陷的低敏感性是一个重要参数，因为这意味着在部件的生产期间与该缺陷相关的低废品率。
如表2中可见，超合金Ex 1至Ex 2具有大于或等于0.7的NFP参数。如表2所示，诸如CEx 2至CEx 5的市售超合金对这类缺陷的形成具有更高的敏感性。对这类缺陷的低敏感性是一个重要参数，因为这意味着在部件的生产期间与该缺陷相关的低废品率。
超合金的成本
超合金Ex 1、Ex 2和CEx 1至CEx 7的每千克成本是基于超合金的成分和每种组分的成本计算的(2020年4月更新)。该成本仅以指示的方式给出。
相对于参考合金，本发明的合金具有竞争力。
表2示出了超合金Ex 1和Ex 2以及CEx 1至CEx 7的各种参数。
[表2]
γ′相的溶线温度
卡尔法德(CALPHAD)方法已被用于计算处于平衡状态时γ′相的溶线温度。
如表3中可见，超合金Ex 1和Ex 2具有大于1300℃的γ′溶线温度。
固相线温度
卡尔法德方法已被用于计算超合金Ex 1、Ex 2和CEx 1至CEx 7的固相线温度。
热处理间隔(TTH)
基于卡尔法德方法的ThermoCalc软件(基于TCNI9数据)已被用于计算超合金的热处理间隔。
生产本发明的合金的能力也是通过工业化地将γ′相析出物置于溶液中以优化合金的机械性能的可能性来估算的。热处理间隔已通过计算合金的γ′相析出物的固相线温度和溶线温度来估算的。超合金Ex 1和Ex 2具有约20℃及以上的较大热处理窗口，该热处理窗口与工业炉兼容。值得注意的是，考虑到工业炉在这些温度(可能为+/-10°C)下的不确定性，包括铂、CEx 6或CEx 7的参考超合金具有最受限的热处理间隔，并且因此在没有燃烧合金风险的情况下更难进行热处理。
γ′相的摩尔分数
卡尔法德方法已被用于计算超合金Ex 1、Ex 2和CEx 1至CEx 7在750℃、1100°C和1250℃下处于平衡状态时γ′相的摩尔分数(摩尔百分比)。
如表3中可见，超合金Ex 1和Ex 2在非常高的温度(1250℃)下含有特别高(30％)的γ′相的摩尔分数，这确保了合金在这些极端温度下的高机械强度。
相比之下，市售参考超合金CEx 1至CEx 4的摩尔分数小于超合金Ex1和Ex2的摩尔分数，而仅超合金CEx5和CEx 6具有大于超合金Ex 1和Ex 2的摩尔分数的γ′析出物摩尔分数。这些γ′析出物的大分数意味着高γ′溶线；仅CEx 5具有大于超合金Ex 1和Ex 2的γ′溶线。特别地，超合金Ex 1和Ex 2的γ′析出物摩尔分数是参考合金CEx 7的γ′析出物摩尔分数的两倍，并且γ′溶线温度超过40℃，这意味着与参考超合金CEx 7相比，这些超合金的耐热性增加了。
[表3]
σ型TCP的摩尔分数
卡尔法德方法已被用于计算超合金Ex 1、Ex 2和CEx 1至CEx 7在750℃和1100°C下处于平衡状态时σ相的摩尔分数(摩尔百分比)(参见表4)
所计算的σ相的摩尔分数相对较低，这反映出对TCP的析出的低敏感性。
在这些温度下，超合金Ex 1和Ex 2的TCP相比例较低，这反映了这些超合金的微观结构稳定性较高。除了CEx 5和CEx 7之外，这些比例均小于参考超合金的比例，但根据估算，CEx 5和CEx 7的比例属于例外。
γ相中的铬活性
卡尔法德方法已被用于计算超合金Ex 1、Ex 2和CEx 1至CEx 7在950℃和1100°C下γ相(无单位)的铬活性(参见表4)。
根据这些估算，超合金Ex 1和Ex 2具有与超合金CEx 1和CEx 2相似的铬活性，众所周知，这些超合金在这些温度下具有良好的抗氧化/抗腐蚀性。这表明超合金Ex1和Ex2在高温下具有很强的耐环境性潜力。
此外，超合金Ex 1和Ex 2的铬活性大于参考超合金CEx 3至CEx 5的铬活性。这通过与超合金CEx3至CEx5相比的超合金Ex1和Ex2在耐环境性方面的更好的性能来体现。超合金Ex1和Ex2的Cr含量与参考超合金CEx 7的Cr含量相似。
[表4]
因此，根据所考虑的各种标准，本发明的示例合金具有用于高温应用的很强的潜力，特别是在涡轮桨叶的生产中，该生产结合了充分的折衷方案，该折衷方案结合了低密度、高机械强度、对缺陷(TCP、SRZ、铸造缺陷)形成的低敏感性，同时保持高抗氧化性和抗腐蚀性。
特别地，与参考超合金CEx 7相比，由于溶线温度高出40℃并且γ′析出物的含量在1250℃时高出一倍，因此超合金Ex 1和Ex 2在高温(950℃至1250℃)下具有明显更高的平均机械强度。特别地，产生这种效果的原因是：铼以1.75％和3％(以重量百分比计)的水平富集。此外，与参考超合金CEx 7相比，超合金Ex 1和Ex 2的热处理窗口得以改善，其在5℃至10℃的间隔内增加，这使得超合金Ex 2和Ex 1更适合工业应用。
此外，超合金Ex 1和Ex 2通过高的钽含量保持了参考超合金CEx 7在低温(＜750°C)下的高静态机械强度。
预计超合金Ex 1和Ex 2的耐环境性与参考超合金CEx 7(％铬)的耐环境性相似。
尽管已经通过参考特定示例性实施例描述了本公开，但是很明显，在不超出权利要求所限定的本发明的一般范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和改变。此外，所述不同实施例的各个特征可以在附加实施例中组合。因此，说明书和附图应当被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (8)

1.一种镍基超合金，所述镍基超合金以重量百分比计包括：5.4％至6.0％的铝、7.5％至8.5％的钽、2.0％至4.0％的钴、5.0％至7.5％的铬、0％至0.20％的钼、4.5％至6.0％的钨、1.50％至3.5％的铼、1.0％至4.0％的铂、0.05％至0.25％的铪、0％至0.15％的硅，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。
2.根据权利要求1所述的超合金，所述超合金以重量百分比计包括：5.6％至6.0％的铝、7.5％至8.5％的钽、2.0％至4.0％的钴、6.5％至7.5％的铬、4.5％至5.5％的钨、1.25％至2.25％的铼、1.5％至2.5％的铂、0.05％至0.15％的铪、0％至0.15％的硅，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。
3.根据权利要求1所述的超合金，所述超合金以重量百分比计包括：5.8％的铝、8.0％的钽、3.0％的钴、7.0％的铬、5.0％的钨、1.75％的铼、2.0％的铂、0.05％的铪，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。
4.根据权利要求1所述的超合金，所述超合金以重量百分比计包括：5.6％的铝、8.0％的钽、3.0％的钴、6.0％的铬、0.20％的钼、5.5％的钨、3.0％的铼、2.0％的铂、0.05％的铪，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。
5.一种用于涡轮机的单晶桨叶(20A、20B)，所述单晶桨叶包括：根据权利要求1至4中任一项所述的超合金。
6.根据权利要求5所述的桨叶(20A、20B)，所述桨叶包括保护涂层，所述保护涂层包括金属子层和陶瓷热障，所述金属子层沉积在所述超合金上，所述陶瓷热障沉积在所述金属子层上。
7.根据权利要求5或6所述的桨叶(20A、20B)，所述桨叶具有沿＜001＞晶体学方向取向的结构。
8.一种涡轮机，所述涡轮机包括：根据权利要求5至7中任一项所述的桨叶(20A、20B)。
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