-
Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Nickelbasis-Superlegierung, wie
sie in Flugzeug-Gasturbinentriebwerken benutzt wird, und im Besonderen
auf eine einkristalline Nickelbasis-Superlegierung, wie sie in Gasturbinen-Laufschaufeln
und -Leitschaufeln eingesetzt wird.
-
In
einem Flugzeug-Gasturbinen(strahl)-Triebwerk wird Luft in das Vordere
des Triebwerkes gesaugt, durch einen auf einer Welle montierten
Verdichter komprimiert und mit Brennstoff vermischt. Die Mischung
wird verbrannt und die resultierenden heißen Verbrennungsgase werden durch
eine auf der gleichen Welle montierte Turbine geführt. Der
Strom des heißen
Verbrennungsgases dreht die Turbine durch Kontaktieren eines Flügelabschnittes
der Turbinen-Laufschaufel, die die Welle dreht und dem Verdichter
Energie liefert. Die heißen Abgase
strömen
aus dem rückwärtigen Teil
des Triebwerkes und treiben dieses und das Flugzeug vorwärts. Es
kann zusätzlich
ein Nebenleitungs-Gebläse
geben, das Luft um den zentralen Kern des Triebwerkes herum drückt, angetrieben
durch eine Welle, die sich vom Turbinenabschnitt aus erstreckt.
-
Je
höher die
Temperatur des heißen
Verbrennungsgases, um so größer ist
die Wirksamkeit des Triebwerkes. Es ist daher ein Anliegen, die
Materialien des Triebwerkes bei immer höheren Temperaturen und Belastungen
zu betreiben. Ein Vielfalt von Techniken und Strukturen wurde benutzt,
um höhere Temperaturen
zu erzielen, einschließlich,
z.B., verbesserter Legierungs-Zusammensetzungen, orientierter und
einkristalliner Turbinenschaufeln, thermischer Sperrüberzü ge, die
Schutz gegenüber
der Umgebung bieten und als eine Isolation wirken, die auf die Turbinenschaufeln
aufgebracht ist, sowie physikalischer Kühltechniken. Nickelbasis-Superlegierungen
werden in weitem Maße
als die Konstruktionsmaterialien von Gasturbinen-Laufschaufeln und -Leitschaufeln
benutzt.
-
Fortgeschrittene
Nickelbasis-Superlegierungen schließen beträchtliche Mengen hochschmelzender
Legierungselemente ein, wie Rhenium, Wolfram, Tantal und Molybdän, die eine
atomare Diffusion anderer Elemente verhindern und folglich die mechanischen
Eigenschaften bei hoher Temperatur, wie Kriechen, verbessern. Die
Anwesenheit der großen Mengen
hochschmelzender Legierungselemente kann auch zu verschiedenen Arten
mikrostruktureller Instabilitäten
in den aus den Superlegierungen hergestellten Gegenständen führen. Eine
solche mikrostrukturelle Instabilität ist die Bildung topologisch dicht
gepackter (TCP) Phasen nach längerem
Aussetzen der Superlegierungen gegenüber Temperaturen oberhalb etwa
982°C (1800°F). TCP-Phasen
sind spröde
und können
auch ein Abtrennen die feste Lösung
festigender Elemente zu den TCP-Phasen verursachen, was zu einem
Verlust an Festigkeit bei hoher Temperatur führt.
-
EP 1 055 741 offenbart einen
Superlegierungs-Gegenstand mit einer schützenden Schicht darauf, entweder
in Form eines Umwelt-Überzuges oder
eines Bindeüberzuges
für ein
thermisches Sperrüberzugssystem.
Die schützende
Schicht hat einen hohen Gehalt an Hafnium und/oder Zirkonium, um die
Haftung und die Eigenschaften der Schicht zu verbessern.
-
Es
besteht ein Bedarf an einem Herangehen, das es den hochschmelzenden
Elementen gestattet, vorhanden zu sein, um ihre Funktion der Verringerung
der Diffusion anderer Ele mente und der Verbesserung mechanischer
Eigenschaften bei hoher Temperatur auszuführen, während Instabilitäten, wie TCP-Phasenbildung
verringert oder idealerweise vermieden werden, und die mechanischen
Eigenschaften bei hoher Temperatur beibehalten oder verbessert werden.
Die vorliegende Erfindung erfüllt
diesen Bedarf und ergibt weiter verwandte Vorteile.
-
Die
vorliegende Erfindung schafft eine Nickelbasis-Superlegierung mit hohen Niveaus hochschmelzender
Metalle aber verringerter Neigung zur mikrostrukturellen Instabilität. Mechanische
Eigenschaften bei hoher Temperatur werden auch verbessert. Die Gießbarkeit
und Wärmebehandelbarkeit werden
in der Nickelbasis-Superlegierung nicht beeinträchtigt.
-
Aspekte
der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen definiert.
-
Eine
Zusammensetzung besteht im Wesentlichen aus, in Gewichtsprozent,
von etwa 0,4 bis etwa 6,5% Ruthenium, von etwa 3 bis etwa 8% Rhenium, von
etwa 5,8 bis etwa 10,7% Tantal, von etwa 4,25 bis etwa 17,0% Cobalt,
von 0,1 bis etwa 2,0% Hafnium, von etwa 0,02 bis etwa 0,4% Kohlenstoff,
von etwa 0,001 bis etwa 0,005% Bor, von 0 bis etwa 0,02% Yttrium,
von etwa 1 bis etwa 4% Molybdän, von
etwa 1,25 bis etwa 10% Chrom, von etwa 0,5 bis etwa 2,0% Niob, von
etwa 0,05 bis etwa 0,5% Zirkonium, von etwa 5,0 bis etwa 6,6% Aluminium,
von 0 bis etwa 2,0% Titan, von etwa 3,0 bis etwa 7,5% Wolfram und
von etwa 0,1 bis etwa 6% eines Elementes, ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus Platin, Iridium, Rhodium und Palladium und deren Kombinationen.
Der Rest der Zusammensetzung sind Nickel und übliche Verunreinigungen.
-
Eine
bevorzugte Zusammensetzung innerhalb dieses breiten Bereiches hat
eine nominelle Zusammensetzung in Gewichtsprozent von etwa 3% Ruthenium,
etwa 5,5% Rhenium, etwa 8,25% Tantal, etwa 16,5% Cobalt, von 0,5
bis etwa 2,0% Hafnium, etwa 0,03% Kohlenstoff, etwa 0,004% Bor,
etwa 0,01% Yttrium, etwa 2,0% Molybdän, etwa 2% Chrom, von etwa
1 bis etwa 2% Niob, von etwa 0,1 bis etwa 0,5% Zirkonium, etwa 5,5%
Aluminium, von 0 bis etwa 2,0% Titan, etwa 6% Wolfram und der Rest sind
Nickel und übliche
Verunreinigungen. Es ist bevorzugt, dass diese Zusammensetzung von
etwa 0,5 bis etwa 2% des Elementes aufweist, das ausgewählt ist
aus der Gruppe bestehend aus Platin, Iridium, Rhodium und Palladium
und Kombinationen davon.
-
Ein
Gegenstand einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein im Wesentlichen einkristallines
Stück mit
einer Zusammensetzung, wie sie oben und an anderer Stelle hierin
angegeben ist. Das einkristalline Stück ist erwünschtermaßen im Wesentlichen frei von
TCP-Phase. Der Gegenstand kann eine Komponente eines Gasturbinentriebwerkes,
wie eine Gasturbinen-Laufschaufel oder eine Gasturbinen-Leitschaufel
sein. In einigen Anwendungen kann es einen schützenden Überzug geben, der über dem
im Wesentlichen einkristallinen Stück liegt, wie einen schützenden
Aluminid-Überzug
und gegebenenfalls einen keramischen Wärmesperren-Überzug.
-
Das
vorliegende Herangehen ergibt mechanische Eigenschaften in de Superlegierung,
die gleich denen konventioneller Legierungen sind oder diese übersteigen,
während
die Bildung mikrostruktureller Instabilitäten, wie TCP-Phasen, minimiert,
verzögert
oder idealerweise vollständig
vermieden werden. Die Anwesenheit eines erhöhten Niveaus von Iridium, Rhodium,
Palladium und/oder Platin verbessert mechanische Eigenschaften.
Das Hafnium und Zirkonium tragen zu einer verbesserten Festigkeit und
Umwelt-Beständigkeit
sowohl im Falle eines nicht überzogenen
Gegenstandes als auch eines mit einem schützenden Aluminid-Überzug überzogenen Gegenstandes
bei. Gute Gießbarkeit
und Wärmebehandelbarkeit
werden beibehalten.
-
Die
Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschrieben, in denen:
-
1 eine
perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel und
-
2 eine
Schnittansicht durch die Turbinenschaufel von 1 entlang
der Linie 2-2 ist.
-
1 zeigt
einen Komponenten-Gegenstand eines Gasturbinentriebwerkes, wie eine
Turbinen-Laufschaufel oder Turbinen-Leitschaufel, und in dieser
Darstellung eine Turbinen-Laufschaufel 20. Die Turbinen-Laufschaufel 20 schließt einen
Flügel 22 ein,
gegen den die Strömung
heißen
Abgases gerichtet wird. (Die Turbinen-Leitschaufel hat ein ähnliches
Aussehen bezüglich
des zutreffenden Flügelabschnittes).
Zumindest der Flügel 22 und
vorzugsweise die gesamte Turbinen-Laufschaufel 20 ist im
Wesentlichen einkristallin. Das heißt, es gibt im Wesentlichen
keine Korngrenzen in dem einkristallinen Abschnitt und die kristallographische
Orientierung ist durchgehend die gleiche. Der Begriff "im Wesentlichen einkristallin" bedeutet, dass praktisch
der gesamte Gegenstand, vorzugsweise mindestens 90% seines Volumens,
ein Einkristall sind, obwohl es einige kleine Regionen geben kann,
in denen andere kristaline Orientierungen vorhanden sind. Selbst
ein im Wesentlichen einkristalliner Gegenstand hat typischerweise
eine Anzahl vorhandener Korngrenzen geringen Winkels und diese sind
im Rahmen des Be-griffes "im
Wesentlichen einkristallin" zugelassen, wie
im Stande der Technik bekannt.
-
Der
Gegenstand muss im Wesentlichen ein Einkristall (d.h., ein einzelnes
Korn) sein. Es darf kein Polykristall sein, entweder ein regelloser
Polykristall oder ein orientierter Polykristall, wie er durch gerichtete
Erstarrung erzeugt wird. In den polykristallinen Legierungen war
es üblich,
höhere
Niveaus von Elementen hinzuzugeben, von denen bekannt ist, dass sie
Korngrenzen verfestigen, wie Kohlenstoff, Bor, Hafnium und Zirkonium.
Zirkonium und Hafnium sind chemisch reaktionsfähig, modifizieren die Morphologien
der Ausfällungsphasen
und können
die Wärmebehandlung
der Legierungen beeinträchtigen.
Da diese Elemente zum Verfestigen von Korngrenzen großen Winkels
nicht benötigt
werden, die in im Wesentlichen einkristallinen Gegen-ständen nicht
vorhanden sind, war es allgemeine Industriepraxis, diese aus einkristallinen
Gegenständen
mit Ausnahme sehr geringer Mengen wegzulassen, um die Korngrenzen
geringen Winkels zu festigen, die vorhanden sein können. Die
vorliegende Legierung weicht von diesem Herangehen ab und fügt beträchtliche
Mengen von Hafnium und Zirkonium sogar zu einer im Wesentlichen
einkristallinen Legierung hinzu.
-
Die
Turbinen-Laufschaufel 20 wird durch einen Schwalbenschwanz 24,
der sich vom Flügel 22 nach
unten erstreckt und in einen Schlitz einer (nicht gezeigten) Turbinenscheibe
eingreift, an der Turbinenscheibe montiert. Eine Plattform 26 erstreckt
sich längs
außerhalb
des Bereiches, in dem der Flügel 22 mit
dem Schwalbenschwanz 24 verbunden ist. In einigen Gegenständen erstreckt
sich eine Anzahl wahlweiser Kühlkanäle durch
das Innere des Flügels 22 und
endet in Öffnungen 28 in
der Oberfläche
des Flügels 22.
Eine Strömung
von Kühlluft
wird durch die Kühlkanäle gerichtet,
um die Temperatur des Flügels 22 zu
verringern.
-
Der
im Wesentlichen einkristalline Gegenstand wird vorzugsweise durch
die gerichtete Erstarrung einer Schmelze der Legierungs-Zusammensetzung
hergestellt, wie als Nächstes
diskutiert wird. Gerichtete Erstarrungs-Techniken zum Erzeugen im Wesentlichen
einkristalliner Stücke
anderer Materialien und Zusammensetzungen sind im Stande der Technik
bekannt und die gleichen Techniken können hier benutzt werden.
-
Der
Gegenstand wird aus einer Nickelbasis-Superlegierung gebildet. Der
Begriff "Nickelbasis", wie er hier benutzt
wird, bedeutet, dass die Zusammensetzung mehr Nickel als irgendein
anderes Element aufweist. Die Nickelbasis-Superlegierungen haben typischerweise
eine Zusammensetzung, die durch die Auscheidung von γ'-Phase oder einer
verwandten Phase verfestigt wird.
-
Der
Gegenstand und die Nickelbasis-Superlegierung haben vorzugsweise
eine Zusammensetzung, die, in Gewichtsprozent, im Wesentlichen besteht
aus von 0,4 bis 6,5% Ruthenium, von 3 bis 8% Rhenium, von 5,8 bis
10,7% Tantal, von 4,25 bis 17,0% Cobalt, von 0,1 bis 2,0% Hafnium,
von 0,02 bis 0,4% Kohlenstoff, von 0,001 bis 0,005% Bor, von 0 bis
0,02% Yttrium, von 1 bis 4% Molybdän, von 1,25 bis 10% Chrom,
von 0,5 bis 2,0% Niob, von 0,05 bis 0,5% Zirkonium, von 5,0 bis
6,6% Aluminium, von 0 bis 2,0% Titan, von 3,0 bis 7,5% Wolfram und
von 0,1 bis 6% eines Elementes, ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus Platin, Iridium, Rhodium und Palladium und deren Kombinationen.
Der Rest der Zusammensetzung sind Nickel und übliche Verunreinigungen.
-
Bevorzugter
hat der Gegenstand innerhalb dieses breiten Bereiches spezifische
elementare Einschränkungen,
in Gewichtsprozent, von 3% Ruthenium, 5,5% Rhenium, 8,25% Tantal,
16,5% Cobalt, von 0,5 bis 2,0% Hafnium, 0,03% Kohlenstoff, 0,004% Bor,
0,01% Yttrium, 2,0% Molybdän,
2% Chrom, von 1 bis 2% Niob, von 0,1 bis 0,5% Zirkonium, 5,5% Aluminium,
von 0 bis 2,0% Titan, 6% Wolfram und der Rest sind Nickel und übliche Verunreinigungen.
Es ist bevorzugt, dass diese Zusammensetzung von 0,5 bis 2% des
Elementes aufweist, das ausgewählt
ist aus der Gruppe bestehend aus Platin, Iridium, Rhodium und Palladium
und Kombinationen davon.
-
Die
Menge des Rutheniums darf nicht unterhalb etwa 0,4 Gew.-% liegen,
weil geringere Mengen von Ruthenium nicht wirksam die Mikrostruktur
gegen nachteilige TCP-Bildung stabilisieren. Die Menge von Ruthenium
darf nicht größer als
etwa 8 Gew.-% sein, weil der Stabilitäts-Nutzen größerer Mengen
von Ruthenium, die Kosten und Gewichtszunahme der Legierung nicht
aufwiegen.
-
Die
Menge von Rhenium darf nicht unterhalb etwa 3 Gew.-% liegen, weil
geringere Mengen nicht genügend
Zeit-Standfestigkeit
durch Verfestigen der festen Lösung
ergeben würden.
Die Menge des Rheniums darf nicht oberhalb etwa 8 Gew.-% liegen,
weil größere Mengen
zur mikrostrukturellen Instabilität, erhöhten Kosten und erhöhter Dichte
des Materials führen.
-
Die
Menge von Tantal darf nicht unterhalb etwa 5,8 Gew.-% liegen, weil
geringere Mengen nicht genügend
Zeitstandfestigkeit durch Auscheidungs-Verfestigung ergeben würden. Die
Menge von Tantal darf nicht oberhalb etwa 10,7 Gew.-% liegen, weil
die Festigkeits-Vorteile oberhalb dieses Niveaus die Kosten und
Dichtezunahmen der Legierung nicht aufwiegen.
-
Die
Menge von Cobalt darf nicht unterhalb von etwa 4,25 Gew.-% liegen,
weil geringere Mengen die Mikrostruktur nicht wirksam gegen nachteilige TCP-Bildung
stabilisieren. Die Menge von Cobalt darf nicht oberhalb etwa 17,0
Gew.-% liegen, weil größere Mengen
nachteilig für
die Festigkeit bei hoher Temperatur sind durch Verringern der Temperatur der γ'-Löslichkeitskurve.
-
Die
Menge von Hafnium darf nicht unterhalb etwa 0,1 Gew.-% liegen, weil
geringere Mengen nicht genügend
Verfestigung von Korngrenzen geringeren Winkels, Ausscheidungs-Verfestigung und
Beständigkeit
gegenüber
der Umgebung ergeben. Die Menge von Hafnium darf nicht oberhalb
etwa 2,0 Gew.-% liegen, weil größere Mengen
Schwierigkeiten beim richtigen Wärmebehandeln
der Legierung verursachen, um die optimale Festigkeit zu erhalten.
-
Die
Menge von Kohlenstoff darf nicht unterhalb etwa 0,02 Gew.-% liegen,
weil geringere Mengen die Legierungsschmelze nicht wirksam von nachteiligen
Einschlüssen
reinigen. Die Menge von Kohlenstoff darf nicht oberhalb von etwa
0,4 Gew.-% liegen, weil größere Mengen
eine zu starke Carbidbildung verursachen, die die Ermüdungs-Eigenschaften
verringern kann.
-
Die
Menge von Bor darf nicht unterhalb etwa 0,001 Gew.-% liegen, weil
geringere Mengen nicht genügend
Festigkeit von Korngrenzen geringen Winkels ergeben würden. Die
Menge des Bors darf nicht oberhalb etwa 0,006 Gew.-% liegen, weil
größere Mengen
ein zu starkes Anschmelzen verursachen.
-
Die
Menge von Yttrium darf nicht oberhalb von 0,02 Gew.-% liegen, weil
größere Mengen
ein zu starkes Anschmelzen verursachen.
-
Die
Menge von Molybdän
darf nicht unterhalb etwa 1 Gew.-% liegen, weil geringere Mengen keine
genügende
Zeitstandfestigkeit durch Verfestigen der festen Lösung ergeben.
Die Menge an Molybdän
darf nicht oberhalb von 4 Gew.-% liegen, weil größere Mengen die Umweltbeständigkeit
verringern.
-
Die
Menge von Chrom darf nicht unterhalb etwa 1,25 Gew.-% sein, weil
geringere Mengen nicht genügend
Umweltbeständigkeit
ergeben. Die Menge von Chrom darf nicht oberhalb etwa 10 Gew.-%
liegen, weil größere Mengen
mikrostrukturelle Instabilität
verursachen.
-
Die
Menge von Niob darf nicht unterhalb etwa 0,5 Gew.-% liegen, weil geringere
Mengen nicht genügend
Zeitstandfestigkeit durch Ausscheidungs-Verfestigung ergeben. Die
Menge von Niob darf nicht oberhalb etwa 2 Gew.-% liegen, weil größere Mengen
die Umweltbeständigkeit
verringern.
-
Die
Menge von Zirkonium darf nicht unterhalb etwa 0,05 Gew.-% liegen,
weil geringere Mengen keine genügende
Verfestigung der Korngrenzen geringen Winkels, Ausscheidungshärtung und
Umweltbeständigkeit
ergeben. Die Menge von Zirkonium darf nicht oberhalb etwa 0,5 Gew.-%
liegen, weil größere Mengen
ein zu starkes Anschmelzen verursachen.
-
Die
Menge von Aluminium darf nicht unterhalb etwa 5 Gew.-% liegen, weil
geringere Mengen nicht genügend
Umweltbeständigkeit
ergeben. Die Menge an Aluminium darf nicht oberhalb 6,6 Gew.-% liegen,
weil größere Mengen
mikrostrukturelle Instabilität
verursachen.
-
Die
Menge an Titan darf nicht oberhalb etwa 2,0 Gew.-% liegen, weil
größere Mengen
die Umweltbeständigkeit
verringern.
-
Die
Menge an Wolfram darf nicht unterhalb etwa 3,0 Gew.-% liegen, weil
geringere Mengen nicht genug Zeitstandfestigkeit durch Verfestigen
der festen Lösung
ergeben. Die Menge von Wolfram darf nicht oberhalb etwa 7,5 Gew.-%
liegen, weil größere Mengen
mikrostrukturelle Instabilität
verursachen.
-
Die
Menge von Platin, Iridium, Rhodium oder Palladium oder deren Kombinationen
darf nicht geringer sein als etwa 0,1 Gew.-%, weil geringere Mengen
nicht genügend
Zeitstandfestigkeit ergeben. Die Menge von Platin, Iridium, Rhodium
oder Palladium oder deren Kombinationen darf nicht größer sein
als etwa 6 Gew.-%, weil die Festigkeitsvorteile größerer Mengen
die Kosten und Dichtezunahme der Legierung nicht aufwiegen.
-
2 ist
eine Schnittansicht durch den Flügel 22 der
Turbinenschaufel 20. In der Schnittansicht ist der Körper des
Flügels 22 aus
der oben diskutierten Nickelbasis-Superlegierung hergestellt. Der Körper ist
ein im Wesentlichen einkristallines Stück 40, das vorzugsweise
im Wesentlichen frei von TCP-Phasen ist, sowohl im hergestellten
als auch nach dem Aussetzen erhöhten
Temperaturen für
längere
Zeit, wie dem Aussetzen einer Temperatur oberhalb etwa 982°C (1800°F) für mehr als
400 Stunden.
-
Das
einkristalline Stück
40 kann
mit bloßen Oberflächen eingesetzt
werden. Bei erhöhten
Betriebstemperaturen in einer Verbrennungsgas-Umgebung werden die
bloßen
Oberflächen
jedoch mit signifikantem Metallverlust rasch oxi diert: Wahlweise, aber
bevorzugt, ist ein Schutzüberzug
42 über den Oberflächen
44 des
im Wesentlichen einkristallinen Stückes
40 aufgebracht.
Der Schutzüberzug
42 verringert
die Oxidation und die Beschädigung
der Oberflächen
44 durch
heißes
Gas.
2 zeigt zwei Ausführungsformen des wahlweisen
Schutzüberzuges
42.
Bei einer Ausführungsform
schließt
der Schutzüberzug
42 nur
einen Umwelt-Überzug
46 ein,
der in Kontakt mit der Oberfläche
44 steht,
wie einen Aluminium enthaltenden Diffusions- oder darüber liegenden Überzug der
Arten, die in der
US-PS 6,607,611 offenbart
sind. In der anderen Ausführungsform schließt der Schutzüberzug
42 den
Umwelt-Überzug
46 ein,
der in Kontakt mit der Oberfläche
44 steht
und zusätzlich
einen Wärmesperrenüberzug
48 aus
einem Keramikmaterial, wie Yttriumoxidstabilisiertem Zirkoniumdioxid,
das über
dem Umwelt-Überzug
46 liegt
und diesen kontaktiert. Der Wärmesperrenüberzug
48 und
seine Abscheidung sind auch in
US-PS 6,607,611 beschrieben.