CN1886525A

CN1886525A - 耐高温部件

Info

Publication number: CN1886525A
Application number: CNA2004800347308A
Authority: CN
Inventors: 温弗雷德·埃瑟
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: US20070071607A1; EP1914326A3; WO2005061742A1; EP1685264A1; EP1914326A2; EP1536026A1; CN100549197C

Abstract

本发明涉及一种由一合金，特别是一镍基超耐热合金制成的耐高温部件，所述合金的组分按重量百分比表示为：9－13％的Cr、3－5％的W、0.5－2.5％的Mo、3－5％的Al、3－5％的Ti、3－7％的Ta、1－5％的Re，最多为2000ppm的助凝剂(Sn)，余量为镍。

Description

耐高温部件

技术领域

本发明涉及一种由一合金，特别是一具有沉淀的镍基、钴基或铁基超耐热合金制成的耐高温部件。

背景技术

DE 23 33 775 B2中描述了一种对镍合金进行热处理的方法。这种镍合金包含最多为0.3％的碳、11-15％的铬、8-12％的钴、1-2.5％的钼、3-10％的钨、3.5-10％的钽、3.5-4.5％的钛、3-4％的铝、0.005-0.025％的硼、0.05-0.4％的锆，余量为镍。此外，该合金中还含有0.01-3％的铪。所述热处理会导致块状碳化物的生成和一Ni₃(Al，Ti)相的细小沉淀分散。

US-PS-5,611,670公开了一种用于燃气轮机的工作叶片。这种工作叶片具有一单晶平板区和一单晶叶身。该叶片的一紧固区被设计为定向固体结构。所述叶片由一超耐热合金铸造而成，该超耐热合金具有下列组分，按重量百分比为：最多为0.2％的碳、5-14％的铬、4-7％的铝、2-15％的钨、0.5-5％的钛、最多为3％的铌、最多为6％钼、最多为12％的钽、最多为10.5％的钴、最多为2％的铪、最多为4％的铼、最多为0.035％的硼、最多为0.035％的锆，余量为镍。这些宽泛的取值范围用于说明原则上适用于所提供的燃气轮机叶片的合金组分，但并未揭示适于获得特别的抗氧化性和抗腐蚀性的组分范围。

EP 0 297 785 B1公开了一种单晶镍基超耐热合金。这种超耐热合金具有下列组分，按重量百分比为：6-15％的铬、5-12％的钨、0.01-4％的铼、3-9％的钽、0.5-2％的钛、4-7％的铝和可选的0.5-3％的钼。这种超耐热合金可以获得高温抗裂性和抗腐蚀性。为了不使抗腐蚀性受到损害，钛的含量不能超过两个重量百分点。

US-PS-5,122,206描述了一种镍基超耐热合金，其具有一特别窄的固相和液相共存区，因而特别适用于单晶铸造处理。这种超耐热合金具有下列组分，按重量百分比为：10-30％的铬、0.1-5％的铌、0.1-8％的钛、0.1-8％的铝、0.05-0.5％的铜，或用0.1-3％的钽代替铜；其中，所述的第一种情况下可选的还可以存在0.05-3％的铪或铼，第二种情况下可选的也可以用0.05-0.5％的铜来代替铪或铼。此外，可选的还可以配有0.05-3％的钼或钨。

WO 01/09403 A1公开了一种镍基合金，其组分为：11-13％的铬、3-5％的钨、0.5-2.5％的钼、3-5％的铝、3-5％的钛、3-7％的钽、0-12％钴、0-1％的铌、0-2％铪、0-1％的锆、0-0.05％硼、0-0.2％的碳、1-5％的铼、0-5％的钌，余量为镍。由于铼而引起的脆性金属间相(含铬和/或铼的沉淀)的形成会导致裂纹的形成，从而缩短合金的使用寿命。

US-PS 3,907,555公开了一种最多含有6.5％的锡的合金。按重量百分比，锡的含量为至少1.0％。

在US-PS 4,708,848中，锡被列为一种镍基合金的组成部分，在这种镍基合金中，锌的允许含量必须小于25ppm。这说明，锡在这里是一种不合乎需要的杂质。

US-PS 6,308,767公开了一种由一超耐热合金制造定向结构的方法，其中一熔液在另一液态金属中被冷却。但是必须确保锡不会沾染超耐热合金。也就是说，在该合金中，锡是一种不合乎需要的组成部分。

US-PS 6,505,673公开了一种含有4.5％的锡的合金焊料。

对使用寿命和机械性能，尤其是高温情况下的使用寿命和机械性能起决定作用的是沉淀，例如超耐热合金中的γ′沉淀，其在铸造完成后通过在超耐热合金中进行相应的热处理来进行调节。

发明内容

本发明的目的是提供一种由一合金，特别是一镍基、钴基或铁基超耐热合金制成的部件，所述部件具有特别有利的耐高温性、抗氧化性和抗腐蚀性以及在长期使用过程中金属间相的延展性降低的形成的稳定性。

本发明的目的通过提供一种由一合金制成的耐高温部件而达成，所述合金包含至少一种助凝剂，这种助凝剂的含量最高为2000ppm，特别为1100ppm。

在此，添加锡被证实尤其可以获得良好的效果。

合金中的大量细化沉淀(γ′相)可以改善强度。

所述助凝剂在一种镍基、钴基或铁基超耐热合金中能起到特别有利的效果，这种超耐热合金的组分包括下列元素，按重量百分比(wt％)为：

9-＜11％的铬(9％至小于11％)，

3-5％的钨，

0.5-2.5％的钼，

3-5％，特别为3-＜3.5％的铝(3％至小于3.5％)，

3-5％的钛，

3-7％的钽，

0.1-10％的铼和/或钌，特别是最多为5％，

最多为2000ppm的助凝剂，

余量为镍、钴或铁和杂质。

所述助凝剂在一种镍基、钴基或铁基超耐热合金中同样能起到特别有利的效果，这种超耐热合金的组分包括下列元素，按重量百分比(wt％)为：

11-13％的铬，

3-5％的钨，

0.5-2.5％的钼，

3-5％的铝，

3-5％的钛，

3-7％的钽，

0.1-10％的铼和/或钌，特别是最多为5％，

最多为2000ppm的助凝剂，

余量为镍、钴或铁和杂质。

使用镍基超耐热合金可以获得特别好的收效。所述部件的超耐热合金的组分首次被加以明确，使得所述部件具有特别有利的耐高温性、抗氧化性、抗腐蚀性以及有关金属间相的延展性降低的形成的稳定性。

在本发明之前所进行的大量试验可以测定具体的助凝剂，这些助凝剂可以在非常大的程度上满足上文所述的特性。此处，本发明特别是以一种富含铬的超耐热合金为基础进行的。

通过添加助凝剂可以获得大量细化的沉淀，所述助凝剂的作用体现在例如其在系统中制造干扰，起到成核剂或晶核引发剂的作用，这样，只需少量助凝剂就可以达到目的。如此就会形成大量、尤其是细化了的沉淀。

沉淀促进剂的最小含量优选为最少50ppm，特别为75ppm。所述含量优选在100ppm和500ppm之间，特别为100ppm。

所述超耐热合金优选含有最多为一个重量百分点的铌。

所述超耐热合金可选的含有下列元素中的至少一种：

0-2个重量百分点的铪，

0-1个重量百分点的锆，

0-0.05个重量百分点的硼，

0-0.2个重量百分点的碳。

在不含铼的情况下通过添加钌也可以有利地获得特别好的耐高温性，其中，所述组分同时还具有同样高的抗氧化性/抗腐蚀性。

所述超耐热合金中的钴含量优选小于12个重量百分点，而铌含量最高为1个重量百分点。

特别有利的是，钴含量在6％和10％之间，锆含量在0％和0.1％之间。

所述部件优选具有一定向固体晶粒结构。在定向固体结构中，晶粒边界基本沿一个轴对齐。由此，沿此轴向产生了一个特别高的强度。

所述部件优选具有一单晶结构。这种单晶结构避免了所述部件中降低强度的晶粒边界，从而获得特别高的强度。

所述部件优选被设计为一个燃气轮机导向叶片或燃气轮机工作叶片。正是燃气轮机叶片对耐高温性和抗氧化性/抗腐蚀性有着特别高的要求。

所述部件也可以是一个汽轮机或飞机涡轮的一个部件(叶片)。

附图说明

在附图中：

图1为一个叶片；

图2为一个燃气轮机；

图3为一个燃烧室；

图4至图7为强度值。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明。

图1显示的是一个沿一纵轴121延伸的叶片120、130的透视图。

叶片120可以是一个涡轮机的一个工作叶片120或导向叶片130。所述涡轮机可以是一个飞机的一个燃气轮机、一个发电站用于发电的燃气轮机、一个汽轮机或一个压缩机。

叶片120或130沿纵轴121依次具有一个紧固区400、一个与所述紧固区邻接的叶片平板403和一个叶身406。若所述叶片为一导向叶片130，则该叶片在其叶片顶端415上具有另一个的平板(图中未显示)。

紧固区400上有一个用于将工作叶片120、130固定在一个轴或一个叶轮盘(图中未显示)上的叶片根183。该叶片根183被设计为锤头形。也可以采取其他的实施方案，例如枞树形叶片根或燕尾形叶片根。叶片120、130具有一个用于一流经叶身406的介质的引导边409和牵引边412。

传统叶片120、130的上述区域400、403、406一般都使用固体金属材料。此时，可以通过铸造法、定向凝固法、锻造法、轧制法或以这些方法的组合形式来制造所述叶片120、130。具有一个或多个单晶结构的工件被用作机器上那些在工作时须承受很高的机械负荷、热负荷和/或化学负荷的部件。这种单晶工件通过例如对熔液进行定向凝固而制成。这包括将液态金属合金凝固成单晶结构，即凝固成单晶工件，或对液态金属合金进行定向凝固的铸造过程。在此过程中，树枝状晶体沿热流方向排列，形成一柱状晶体晶粒结构(柱状的，即延伸过整个工件长度的晶粒，在此用惯用语表达就叫做定向凝固)或一单晶结构，即整个工件由一单个晶体构成。使用这些方法时须避免向球状(多晶)凝固的转变，这是由于不定向生长必定会形成横向和纵向晶粒边界，这会破坏定向凝固部件或单晶部件的良好性能。

一般所说的定向凝固微观结构既指不具有晶粒边界或至多具有小角晶粒边界的单晶，也指虽具有纵向晶粒边界但不具有横向晶粒边界的柱状晶体结构。上述第两种晶体结构也叫做定向凝固微观结构(directionally solidifiedstructures)。

US-PS 6,024,792和EP 0 892 090 A1已公开了这种过程。

叶片120、130可为空心的或实心的。需要冷却的叶片120、130为空心叶片，还可能具有薄膜冷却孔(未示出)。为了抗腐蚀，叶片120、130具有例如相应的一般为金属的涂层，除此之外，叶片120、130还一般具有一个用于隔热的陶瓷涂层。

涡轮叶片120、130由一镍基、钴基或铁基超耐热合金制成，所述超耐热合金具有例如下列组分中的一种：

●Cr：10.25％、Mo：1.85％、W：4.70、Co：6.50％、Ti：3.75％、Ta：3.9％、Al：3.3％、B：0.0125％、Zr：0.008％、Hf：＜0.01％、Re：1.5％、余量为Ni、1000ppm的Sn。

●Cr：9.00％、Mo：1.85％、W：4.70、Co：6.50％、Ti：3.75％、Ta：3.9％、Al：3.3％、B：0.0125％、Zr：0.008％、Hf：＜0.01％、Re：3.5％、余量为Ni、1900ppm的Sn。

●Cr：12.75％、Mo：1.85％、W：4.70、Co：6.50％、Ti：3.75％、Ta：3.9％、Al：3.3％、B：0.0125％、Zr：0.008％、Hf：＜0.01％、Re：1.5％、Ru：2.0％、余量为Ni、500ppm的Sn。

●Cr：10.25％、Mo：1.85％、W：4.70、Co：8.50％、Ti：3.75％、Ta：3.9％、Al：3.3％、B：0.0125％、Zr：0.008％、Hf：＜0.01％、Ru：1.5％、余量为Ni、900ppm的Zn。

●Cr：11.75％、Mo：1.85％、W：4.70、Co：8.50％、Ti：3.75％、Ta：3.9％、Al：3.3％、B：0.0125％、Zr：0.008％、Hf：＜0.01％、Ru：3.75％、余量为Ni、500ppm的Sn、500ppm的Zn。

●Cr：10.25％、Mo：1.85％、W：4.70、Co：8.50％、Ti：3.75％、Ta：3.9％、Al：3.3％、B：0.0125％、Zr：0.008％、Hf：＜0.01％、Re：2.0％、Ru：2.5、余量为Ni、200ppm的Sn。

●Cr：9.25％、Mo：1.85％、W：4.70、Co：6.50％、Ti：3.75％、Ta：3.9％、Al：3.0％、B：0.0125％、Zr：0.008％、Hf：＜0.01％、Re：3.5％、余量为Ni、100ppm的Sn。

其他的助凝剂例如有铅(Pb)、镓(Ga)、钙(Ca)、硒(Se)、砷(As)；铋(Bi)、钕(Nd)、镨(Pr)、铜(Cu)、三氧化二铝(AL₂O₃)、氧化镁(MgO)、二氧化铪(HfO₂)、二氧化锆(ZrO₂)、铝酸镁(MgAL₂O₄)、碳化物或氮化物或镍基或钴基超耐热合金中的铁(Fe)。也可以使用多种助凝剂。所述助凝剂可以是金属质和/或陶瓷质助凝剂。可以使用包含金属和/或陶瓷的不同助凝剂。以ppm为单位的添加量总是针对助凝剂的总量而言。

图2显示的是一个示例形式的燃气轮机100的纵向局部剖视图。燃气轮机100的内部具有一个安装在一个旋转轴102上的转子103，转子103可以围绕旋转轴102旋转，又称为涡轮转子。沿着转子103依次布置着一个进气壳体104、一个压缩机105、一个配有若干个共轴布置的燃烧器107的、例如呈环形的燃烧室110，特别是环形燃烧室106、一个涡轮108和一个排气室109。环形燃烧室106和一个例如环形的热气通道111连通。在热气通道中，例如四个连续的涡轮级112共同构成了涡轮108。每个涡轮级112均由两个叶片环组成。从一工作介质113的流动方向上看，热气通道111中的一个导向叶片行115后面布置着一个由工作叶片120所组成的工作叶片行125。

导向叶片130固定在一个定子143的一个内壳138上，而一个工作叶片行125的工作叶片120则例如通过一个涡轮叶轮盘133安装在转子103上。转子103上耦接着一个发电机(图中未显示)。

燃气轮机100工作时，压缩机105通过进气壳体104吸入空气135，并对其进行压缩。在压缩机105的涡轮侧一端上生成的压缩空气被输送到燃烧器107，并在那里与一燃料混合。这部分混合物在燃烧室110中燃烧，形成工作介质113。从燃烧室110中出来的工作介质113沿着热气通道111流过导向叶片130和工作叶片120。工作介质113在工作叶片120上膨胀，进行动量传送，从而使得工作叶片120驱动转子103，再由转子103驱动与其耦接的发电机。

燃气轮机100工作时，暴露于高温工作介质113的部件承受着热负荷。从工作介质113的流动方向上看构成第一涡轮级112的导向叶片130和工作叶片120，以及沿环形燃烧室106排列的隔热砖承受着最高的热负荷。为了使这些部件能够经受住其所在位置的普遍高温，要用一冷却剂对它们进行冷却。基材类似的可以具有一个定向结构，也就是说，其为单晶结构(SX-结构)或只含有纵向晶粒(DS-结构)。可以使用根据本发明的合金中的铁基、镍基或钴基超耐热合金作为基材的材料。叶片120、130上同样可以有具有抗腐蚀(MCrAlX；M是铁(Fe)、钴(Co)或镍族(Ni)元素中的至少一种元素，X代表钇(Y)和/或稀土元素中的至少一种元素)和耐热功能(通过一个隔热涂层而实现)的涂层。所述隔热涂层包括例如ZrO₂、Y₂O₄-ZrO₂，也就是说，通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁来不加以稳定、部分加以稳定或完全加以稳定。通过使用适当的涂层方法，例如电子束物理蒸发沉淀法(EB-PVD)，隔热涂层中便会产生柱状晶粒。

导向叶片130具有一个朝向涡轮108的内壳138的导向叶片根部(图中未显示)和一个相对于所述导向叶片根部一端的导向叶片顶部。导向叶片顶部朝向转子103，并固定在定子143的一个紧固环140上。

图3显示的是一个燃气轮机的一个燃烧室110。燃烧室110被配置为例如所谓的环形燃烧室，其中具有复数个燃烧器102，从切线方向上看，这些燃烧器围绕涡轮轴103布置，并通向一个共同的燃烧室空间。因此从整体上看，燃烧室110具有一个围绕涡轮轴103布置的环形结构。

为了达到较高的效率，燃烧室110被设计成能使用具有较高温度的工作介质M，其中，“较高温度”指的是约1000℃至1600℃。为了在具有诸如此类不利于材料的工作参数的情况下也能实现较长的工作寿命，燃烧室壁153朝向工作介质M的一侧上配备了一个由热屏蔽元件155构成的内衬。每个热屏蔽元件155朝向工作介质的一侧由耐高温材料制成，或者配有一个特别耐热的防护层。此外，鉴于燃烧室110内部的高温，还为热屏蔽元件155和/或其支持件设置了一个冷却系统。

燃烧室壁153及其涂层可以采用与用于涡轮叶片120、130类似的材料。

燃烧室110的一个特别功能是可以探测热屏蔽元件155的损耗情况。为此，燃烧室壁153和热屏蔽元件155之间布置了若干个温度传感器158。

图4显示的是一次低循环疲劳试验(LCF)的结果。在低循环疲劳试验中预先给定一个特定的相对延伸Δε，也就是说，试样在拉力或压力的交替作用下被加以一个预先给定的相对延伸。预先给定延伸后，在不同的温度条件下，例如850℃或950℃，进行上述试验。测出循环次数N。在图表中记录试样断裂时所完成的最大循环数。因此，图表中所显示的在一个特定的延伸Δε下具有更大循环数的试样为较佳的试样。进行上述试验时分别使用了一种最低锌含量为≤1ppm和一种锌含量为1110ppm的合金试样PWA 1483。锌含量为1110ppm的合金试样的曲线表明，其循环次数N多于不含锌(≤1ppm)的试样的循环次数。

图5显示的是在500℃的温度条件下进行的高循环疲劳试验的结果。其中，为达到一个所希望的循环次数10⁸次循环(疲劳强度)，在一个特定的温度、一个预先给定的平均应力和一个预先给定的循环次数的情况下施加不同的交变应力。

在此，不含锌的试样的平均应力值被标准化至100％进行表示。所达到的针对不含锌的试样的交变应力值同样被标准化至100％进行表示。

为达到所述的预期循环次数10⁸次循环(疲劳强度)，可以在一个更大的平均应力情况下在含锌试样(100ppm)上施加一个更大的交变应力。

与图5一样，图6显示的也是试验结果，该试验在一个较高的温度800℃下进行，使用的平均应力为0MPa。所达到的针对不含锌的试样的交变应力值被标准化至100％进行表示。在这个试验中，同样是含有100ppm锌的试样优于不含锌的试样。

与图6一样，图7显示的也是试验结果，该试验在800℃的温度条件下进行，使用了一个以不含锌的试样的平均应力为标准的平均应力。所达到的针对不含锌的试样的交变应力值同样被标准化至100％进行表示。

其中，为达到所述的预期循环次数10⁸次循环(疲劳强度)，可以在使用一个更大的平均应力情况下在含锌试样(100ppm)上施加一个更大的交变应力。

Claims

1.由一种包含沉淀的合金制成的部件(1)，其特征在于，

所述合金包含至少一种含量为50ppm至2000ppm的助凝剂，

所述助凝剂提高由所述合金制成的部件(1)的强度，特别是通过增加的沉淀形成，

所述的至少一种助凝剂选自包括锌(Zn)、锡(Sn)、铅(Pb)、镓(Ga)、钙(Ca)、硒(Se)、砷(As)、铋(Bi)、钕(Nd)、镨(Pr)、三氧化二铝(AL₂O₃)、氧化镁(MgO)、二氧化铪(HfO₂)、二氧化锆(ZrO₂)、铝酸镁(MgAL₂O₄)、碳化物或氮化物的组。

2.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，

所述部件(1)由一镍基、钴基或铁基超耐热合金制成。

3.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，

所述合金中含有最多为1100ppm的助凝剂。

4.根据权利要求1或3所述的部件，其特征在于，

所述合金中含有100至500ppm的助凝剂。

5.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，

所述合金中含有约为100ppm的助凝剂。

6.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，

所述助凝剂为金属质助凝剂。

7.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，

所述助凝剂为陶瓷质助凝剂。

8.根据权利要求2所述的部件，其特征在于，

除所述助凝剂外，所述合金还包括下列元素，按重量百分比表示为：

11-13％的铬，

3-5％的钨，

0.5-2.5％的钼，

3-5％的铝，

3-5％的钛，

3-7％的钽，

0-12％的钴，

0-1％的铌，

0-2％的铪，

0-1％的锆，

0-0.05％的硼，

0-0.2％的碳，

0.1-10％的铼或钌，

余量为镍、钴或铁和杂质。

9.根据权利要求2所述的耐高温部件(1)，其特征在于，

9-＜11％的铬，

3-5％的钨，

0.5-2.5％的钼，

3-5％的铝，特别是3-＜3.5％的铝，

3-5％的钛，

3-7％的钽，

0-12％的钴，

0-1％的铌，

0-2％的铪，

0-1％的锆，

0-0.05％的硼，

0-0.2％的碳，

0.1-5％的铼、钌，

余量为镍、钴或铁和杂质。

10.根据权利要求8或9所述的部件，其铼含量至少为1.3个重量百分点。

11.根据权利要求8、9或10所述的部件，所述超耐热合金中具有最多为3个重量百分点的钌含量。

12.根据权利要求8或9所述的部件，所述超耐热合金中具有最少为0.5个重量百分比的钌含量。

13.根据上述权利要求中任一权利要求所述的部件，其具有一定向固体晶粒结构(9)。

14.根据上述权利要求中任一权利要求所述的部件，其具有一单晶结构。

15.根据上述权利要求中任一权利要求所述的部件，其具有一方向呈各向同性分布的晶粒结构。

16.根据上述权利要求中任一权利要求所述的部件，其被设计为涡轮叶片，特别为燃气轮机叶片(120，130)。

17.根据上述权利要求中任一权利要求所述的部件，其被设计为燃烧室部件(155)。

18.根据权利要求2、8或9所述的部件，其特征在于，

所述沉淀为γ′相。

19.根据权利要求1、3、4或5所述的部件，其特征在于，

所述助凝剂的最小含量为50ppm，特别为75ppm。