CN87102590A - 减少各向异性的单晶制品 - Google Patents

Abstract

一般观察到的单晶镍基超级合金的各向异性，可通过有意地向合金组合物以单独或混合的方式加进一定的碳，硼，锆或铪来减少。

Description

本发明涉及一种单晶制品。特别是用于燃气轮引擎中作为翼舵的低各向异性单晶制品。

一般公认在现代燃气轮引擎中气轮部份的叶片和舵是在引擎中最恶劣的环境之一下运转的。结果，为了制造这些部件，特别发展了各种工艺的和合金成分。

目前，气轮部份的叶片和舵一般是通过熔模铸造技术来制造的，已发现的三种技术特别有用，而每种产生一种特别的晶粒组织。用一般铸造技术所生产的组织其特征的晶粒一般是等轴无定位向的。另外两种有用的熔模铸造技术是属于定向凝固（DS）型;其中一种技术的铸件的特征是多重基本平行的（柱状）晶粒。在另一技术中铸件是一种单晶体，即只包含一个晶粒。

用传统铸造技术生产的铸件一般具有均匀的机械性能，与量度的方向无关。而定向凝固铸件的机械性能取决于其量度的方向，即这些铸件是各向异性的。例如在室温下燃气轮引擎常用的定向凝固镍基超级合金类型其弹性模数（在弹性限度内应力与应变的比）在<100>方向上是18×10⁶PSi;在<110>方向上是33×10⁶PSi;在<111>方向上是46×10⁶PSi。

由于近来在气轮区中的气流温度有升向高温的趋势，抗热疲劳裂纹性已成为某些单晶翼舵（叶片和舵）寿命极限的性能标志。由于低弹性模数一般表示具有良好的抗热疲劳裂纹性，因此单晶体铸件的制造要使低模数[001]轴基本上和该零件的主应力轴同向。一般来说，主应力轴位于该零件的纵轴上。根据美国专利3，494，709号，气轮引擎舵翼中[001]晶轴和纵轴的夹角应小于20°。在目前使用的某些单晶翼舵中该夹角不大于15°。

如上所述，特种的合金成分已用于气轮机的部件，用这种合金使制成的铸件具有所需的性能。言而当合金用传统的方法铸造，或铸造成柱状晶粒形式可能具有有用的性能，而当铸造成单晶体形式时可能就不具有冈揉的有用性能。这主要是由于具有传统的即柱状晶粒显微组织的铸件一般需要增强晶粒界面的元素，使其获得在高温下所需的强度。如在美国专利3，567，526，3，700，433，3，711，337，3，832，167，4，078，951和4，169，742号中所述，这些元素包括碳，硼，锆，和铪。单晶体制品没有内晶粒界面，如美国专利3，494，709和3，567，526号所述，应该避免含C，B，Zr或Hf。这些专利指出，硼和锆损害了单晶体的性质，若含碳，则必须在合金成分中限制其含量在100ppm以内。美国专利4，209，348号介绍了一种单晶合金成分，其中无意加进C，B，Zr或Hf，虽然这些元素可以杂质的形式存在。C，B，Zr和Hf的个别含量应低于50ppm，而C+B+Zr+Hf的总含量应少于100ppm。

美国专利4，459，160号介绍了单晶合金成分，虽然无意加进B，Zr或Hf，但其中C+B+Zr+Hf的含量可以超过100ppm。美国专利4，488，915介绍一种单晶成分，其中不容许锆和硼的存在，但碳的含量可高达500ppm。然而其指出，大部份碳在铸造过程中会转变为一氧化碳，结果铸件的成分中实际上只含有很少的碳。

美国专利4，402，772号介绍了一种单晶成分，其明显地部分由于大约有500ppm的铪存在而具有良好的抗氧化性。

虽然单晶体制品有多种成分，由于他们的各向异性而限制了其用途。因此，工程师们续续开发和改进合金体系，特别对于那些由减少了各向异性的合金所制成的铸件。这类合金成分可以允许例如使用的制品中[100]晶轴和主应力轴的夹角大于20°。

本发明的目的包括改良的单晶体制品，特别是用于燃气轮引擎中的单晶体制品。这类制品比目前所用的减少了各向异性。

根据本发明，单晶镍基超级合金制品的各向异性的减少是通过加进一种或多种选自一组包括碳、硼、锆和铪的元素。C+B+Zr+Hf的总量应在0.002到0.500之间重量百分数（20和5000ppm）。本发明的一优点是允许使用高弹性模数的制品，其中[001]晶轴和制品纵轴的夹角约大于20°。

本发明的上述和其他目的，特征和优点通过下面优选的实施例来说明。

如在背景技术部份所指出，硼，碳，锆和铪等元素特别被排除于单晶镍基超级合金成分之外。然而却发现当有意地将一定量的这些元素加进单晶镍基超级合金成分中时，和不含有有意加进这些元素的合金相比，这些合金的各向异性会惊人地减少。

为了检验加进B，C，Zr和Hf的单晶镍基超级合金的机械性能，将具有如下组份重量百份比的合金作为评价：0-20Co，3-18Cr，0-18W，3-8Al，0-5Ti，0-5Nb，0-15Ta，0-4Mo，0-7Re，其余为镍。三种检验用特定合金的平均组分为：

合金A：Ni-5Co-10Cr-16W-5Al-1Ti;

合金B：Ni-10Co-9Cr-12W-5Al-2TI-1Nb;

合金C：Ni-5Co-10Cr-4W-5Al-1.5Ti-12Ta。

这些合金用现有技术将其铸造成单晶形式，参看如前所述美国专利3，494，709号。合金B与有名的合金MAR-M200相似，它一般铸造成柱状晶粒型式。然而，为了下面的试验目的，将其铸造成单晶型式。合金C是目前用于制造燃气轮引擎部件的合金。该合金在美国专利4，209，348号中有详细的描述，是申请人所知的最强的单晶镍基超级合金之一。然而同所有现有技术的超级合金一样用这种组份所制成的单晶铸件都是各向异性的，在[001]方向的机械性能比[110]或[111]方向的好得多，结果该合金制成的铸件其[001]晶向排列在主应力轴夹角20之内。

表Ⅰ-Ⅲ列出的试验结果用于确定在这三种合金中加进C，B，Zr和Hf的效果。表Ⅰ表示在1800°F，在拉伸蠕变的条件下加进B和Zr明显地减少了在合金A中，一般观察到的各向异性。在表Ⅰ中，如对<110>取向上的“标称各向异性”是通过将<110>取向的持久强度除以<100>取向的持久强度来计算的。因为改良合金的<110>和<111>取向的标称各向异性比末经改良合金要高，所以改良合金的各向同性更大。这惯例可适用于表Ⅱ，表Ⅲ的数据及说明书和权利要求书。在应力为36KSi时，改良合金A（即含0.013%B和0.011%Zr）在<100>，（110>，和<111>方向上的持久强度相互之差至少在25%以内。对未改良合金A在这些方向上的持久强度差别可以大到51%。而在加进B和Zr而各向异性惊人地减少，这在现有技术中是没有任何地方提到的。另外，对于改良合金在每个方向上的蠕变持久强度比未改良合金增加。这与美国专利3494709号的结论相反，该专利说由于硼和锆的存在降低了单晶镍基超级合金的蠕变持久强度。

表Ⅰ

在1800°F/36KSi条件下单晶Ni-5Co-10Cr    16W-5Al-1Ti（合金A）样品的拉伸持久强度。

添加元素            取向            持久强度（小时）            标称各向异性

＊未改良合金A

表Ⅱ表示由于加进碳或B+Zr和/或C+B+Zr使得合金B的各向异性减少。加进B+Zr最佳，使得合金在1，100°F下，在<100>，<110>，和<111>方向上的0.2%压缩屈服应力，其相互之差至少在最小12%以内。可以看到，具有改良组分晶体的性能一般与未经改良合金的性能相当或比其更佳。

表Ⅱ

在1100°F下单晶Ni-10Co-9Cr-12W-5Al-2.0Ti-1Cb（合金B）样品的压缩屈服应力（0.2%）。（原文为0.02%可能有误）

＊未改良合金B

合金C是在其中加铪对各向异性性影响作出评价的唯一物质。从表Ⅲ可以看到由于加进0.38%的Hf，在1400°F下虽然在<100>方向上的持久强度有所减少，但在<110>和<111>方向上的拉伸持久强度比<100>方向上有明显的增加。无论如何，这些试验表明加进铪减少了各向异性的程度。虽然二<100>方向上的持久强度有所减少，但仍然在作为燃气轮引擎部件的有用范围以内。

表Ⅲ

在1400°F单晶Ni-5Co-10Cr-4W-5Al-1.5Ti-12Ta（合金C）样品的拉伸持久强度。

＊未改良合金    C;在110ksi下试验

＊＊在100ksi下试验

这些试验结果都表明加进C，B，Zr和Hf使镍基单晶超级合金体的各向异性得到所需的意想不到的减少。从表Ⅰ和表Ⅲ的持久强度数据可看出，改良合金A（即含硼和锆）的标称各向异性和未改良合金相比，<110>取向高出53%，<111>取向高出24%。换而言之，改良合金A比未改良合金A的各同性要高。改良合金C（含铪）的各向同性要比未改良合金C的各向同性要高得多。在这些试验的基碳上，为了减少各向异性，加进作为单晶应用的镍基超级合金中C+B+Zr+Hf的含量范围在0.002和0.500之间（重量百分数）。最好这些总元素的总量在0.01和0.08之间。

在镍基超级合金中加进这些元素不会对由这种合金所制成铸件的抗氧化抗热腐蚀性有不良影响，对比于未改良的合金来说甚至有所改善。同样，长期稳定性（即在长期暴露于高温条件下抗不希望出现的金相沉积性能）将不会受到损害。由这些合金制成的铸件经热处理以产生所需的显微组织能力会受到不良影响，但这种影响只是轻微的。

在一般观察到镍基单晶气轮引擎翼舵中的各向异性要求晶轴[001]和部件纵轴的夹角在约20°以内。然而由于发现了有意地加进C，B，Zr或Hf或这些元素的组合能够减少各向异性，本发明就有可能使用晶轴[001]和部件纵轴夹角大于20°的单晶翼舵。例如具有高弹性模数（即大于约22×10⁶psi）的晶轴如<110>或<111>可以部份或基本地与翼舵的纵轴同向，这样可以提供一种具有所需的共振频率特性的较硬的翼舵，这些翼舵没有热疲劳寿命极限，用途最为广泛。如在公同受让人的美国专利4，289，570号中一般的描述那样，它们可以提供播晶种技术来铸造。

虽然本发明已提供一个优先实施方案来表示及描述，本专业人员可以理解对于本发明在形式上或具体上所作的各种改变都不脱离本权利要求的发明范围以内。

Claims (5)

1、一种减少单晶镍基超级合金各向异性的方法包括将至少0.002重量百分比的C，B，Zr或Hf和它们的混合物加进合金成分的步骤，C+B+Zr+Hf的总含量约少于0.500重量百分比，其中标称持久强度各向异性增加最少约20%。

2、权利要求1的方法，其中超级合金基本上由按重量百分比为0-20Co，3-18Cr，0-18W，3-8Al，0-5Ti，0-5Nb，0-15Ta，0-4Mo，0-7Re及其余为镍所组成。

3、具有沿着制品纵轴量度的高弹性模数的单晶镍基超级合金制品，其<100>轴向和制品纵轴夹角约大于20°，含有按重量百分比在0.002和0.500之间的（C+B+Zr+Hf）。

4、权利要求3的制品，其特征为其在室温下的弹性模数约大于22×10⁶PSi。

5、权利要求4的制品在燃气轮引擎中用作叶片和舵。