ES2269013B2 - Superaleaciones monocristalinas y solidificadas direccionalmente de baja densidad. - Google Patents
Superaleaciones monocristalinas y solidificadas direccionalmente de baja densidad. Download PDFInfo
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Abstract
La presente invención se refiere a una superaleación base níquel de baja densidad que comprende los siguientes elementos (tanto por ciento en peso): 7-13% Cromo, 0-16% Cobalto, 2-5% Titanio, 4.5-7% Aluminio, 0-5% Tántalo, 0-2% Hafnio, 0-3% Tungsteno, 0-2% Vanadio, 0-5% Molibdeno, 0.06-0.12% Carbono, 0.01-0.03% Boro, 0.005-0.02% Zirconio, níquel e impurezas residuales, a su uso y al procedimiento de obtención de las mismas.
Description
Superaleaciones monocristalinas y solidificadas
direccionalmente de baja densidad.
La presente invención se refiere a
supearleaciones base níquel utilizadas para fabricar álabes o vanos
de turbinas de gas mediante solidificación direccional o en forma de
monocristales. En particular, la presente invención se refiere a
aleaciones de baja densidad capaces de trabajar bajo condiciones de
alta temperatura y alta carga.
Las superaleaciones base níquel son ampliamente
utilizadas en la fabricación de componentes para turbinas de gas.
Dentro del campo particular de las turbinas de gas para aeronaves,
aparte de los elevados requerimientos desde el punto de vista de
tensión y temperatura, es también importante desarrollar aleaciones
de baja densidad. Un precursor de las aleaciones de baja densidad
es la aleación In100 (densidad 7.76 gr/cm^{3}) desarrollado a
principios de los años 60 por The International Nickel Company
(INCO) y cubierto por la patente US 3,061,426. Esta aleación se
sigue utilizando en la actualidad para la fabricación de álabes de
turbina equiáxicos aunque se reconoce que tiene una baja
colabilidad y una baja resistencia a la corrosión.
In100 ha sido utilizado como la base para el
desarrollo de muchas aleaciones. Entre otras, el In6212 (densidad
8.02 gr/cm^{3}) cubierto por la patente US 4,358,318 también fue
desarrollado por INCO como un material de baja densidad con una
resistencia a la corrosión y una colabilidad mejores que las del
In100 a costa de un ligero aumento de densidad.
Estos dos materiales equiáxicos, In100 y In6212,
han sido utilizados como la base para el desarrollo de varias
aleaciones monocristalinas. Inl00 fue utilizado como referencia
para el desarrollo de la aleación RR2000, cubierta por la patente
GB 2105369A en 1983 mientras que el In6212 fue utilizado como la
base para el desarrollo de la aleación CMSX-6,
cubierta por la patente US 4,721,540.
Ambas aleaciones monocristalinas fueron
desarrolladas siguiendo una estrategia similar. En ambos casos la
cantidad de elementos endurecedores de la junta de grano como
carbono, boro y zirconio fue eliminada para aumentar el punto de
fusión de la aleación. De esta manera era posible llevar a cabo un
tratamiento térmico de solución de la fase endurecedora gamma prima
disolviendo la microestructura que se obtiene directamente tras la
fundición y consiguiendo una distribución fina y homogénea de
precipitados en los tratamientos térmicos posteriores.
Existe por tanto, una necesidad de desarrollar
aleaciones alternativas a las utilizadas actualmente.
La presente invención proporciona una
superaleación de baja densidad útil para la fabricación de
componentes mediante solidificación direccional o componentes
monocristalinos con una especificación de estructura de grano
relajada.
Un primer aspecto de la invención se refiera a
una superaleación base niquel que comprende los siguientes
elementos (tanto por ciento en peso):
- 7-13% Cromo,
- 0-16% Cobalto,
- 2-5% Titanio,
- 4.5-7% Aluminio,
- 0-5% Tántalo,
- 0-2% Hafnio,
- 0-3% Tungsteno
- 0-2% Vanadio
- 0-5% Molibdeno
- 0.06-0.12% Carbono,
- 0.01-0.03% Boro,
- 0.005-0.02% Zirconio,
- Níquel e impurezas residuales.
En una realización particular la presente
invención se refiere a una superaleación base níquel que comprende:
0.07% de carbono, 10% de cromo, 15% de cobalto, 3% de molibdeno,
5.5% de aluminio, 4% de titanio, 1% de vanadio, 1.4% de hafnio,
0.015% de boro y 0.01% de zirconio.
En una realización particular la presente
invención se refiere a una superaleación base níquel que comprende:
0.07% de carbono, 10% de cromo, 5% de cobalto, 3% de molibdeno, 2%
de tántalo, 4.8% de aluminio, 4.7% de titanio, 1.4% de hafnio,
0.015% de boro y 0.01% de zirconio.
Un segundo aspecto de la presente invención se
refiere al uso de una superaleación base níquel descrita
anteriormente para la obtención de un fundido solidificado
direccionalmente o en forma de monocristal.
Un tercer aspecto de la presente invención se
refiere a un procedimiento para la obtención de una superaleación
como se describe anteriormente, que comprende las siguientes
etapas:
- a)
- Tratamiento térmico de solución a una temperatura comprendida entre 1190-1250ºC durante 1 a 5 horas
- b)
- tratamiento térmico intermedio a una temperatura comprendida entre 1000-1100ºC durante 1 a 5 horas
- c)
- tratamiento térmico de precipitación a una temperatura comprendida entre 850-900ºC durante 1 a 16 horas.
Un cuarto aspecto de la presente invención se
refiere a una turbina de gas que comprende componentes fabricados
con una superaleación como se describe anteriormente, o a partir de
aleaciones obtenidas mediante un procedimiento que comprende las
siguientes etapas:
- d)
- Tratamiento térmico de solución a una temperatura comprendida entre 1190-1250ºC durante 1 a 5 horas
- e)
- tratamiento térmico intermedio a una temperatura comprendida entre 1000-1100ºC durante 1 a 5 horas
- f)
- tratamiento térmico de precipitación a una temperatura comprendida entre 850-900ºC durante 1 a 16 horas.
La presente invención proporciona una
superaleación de baja densidad útil para la fabricación de
componentes mediante solidificación direccional o componentes
monocristalinos con una especificación de estructura de grano
relajada. La aleación de la presente invención se desarrolló
tomando como referencia dos aleaciones monocristalinas, el RR2000 y
el CMSX-6.
La tabla siguiente muestra ejemplos de
aleaciones de acuerdo con esta invención, aleaciones E a G
inclusive. Las aleaciones A y B son aleaciones comerciales para
solidificación direccional mientras que las C y la D son aleaciones
comerciales para fabricación de componentes monocristalinos de baja
densidad. Estas últimas aleaciones se presentan únicamente como
comparación y no entran dentro del alcance de esta invención.
| Aleación | Co | Cr | Mo | W | Al | Ta | V | Ti | Re | Hf | C | B | Zr |
| A | 9,2 | 8,1 | 0,5 | 9,5 | 5,6 | 3,2 | - | 0,7 | - | 1,4 | 0,07 | 0,015 | 0,007 |
| B | 9,3 | 6 | 0,5 | 8,4 | 5,7 | 3,4 | - | 0,7 | 3 | 1,4 | 0,07 | 0,015 | 0,005 |
| C | 15 | 10 | 3 | - | 5,5 | - | 1 | 4 | |||||
| D | 5 | 10 | 3 | - | 4,8 | 2 | - | 4,7 | - | 0,1 | |||
| E | 15 | 10 | 3 | - | 5,5 | - | 1 | 4 | - | 1,4 | 0,07 | 0,015 | 0,005 |
| F | 6 | 12 | 3 | 2 | 4,5 | - | - | 4,7 | - | 1,4 | 0,07 | 0,015 | 0,005 |
| G | 5 | 10 | 3 | - | 4,8 | 2 | - | 4,7 | - | 1,4 | 0,07 | 0,015 | 0,005 |
Carbono, boro y zirconio se añadieron a la
composición base del RR2000 y CMSX-6 pero sin
llegar a los altos niveles de estos elementos en las composiciones
del Inl00 o del In6212. El C, B y Zr de la aleación de esta
invención se mantuvieron en los mismos niveles que otras aleaciones
comerciales que se emplean habitualmente para la fabricación de
componentes solidificados direccionalmente como la aleación A y B
de la tabla anterior. El máximo contenido de carbono se limitó a
0.12%, el máximo contenido de boro a 0.03% y que el máximo
contenido de zirconio a 0.02%, cuando estos límites son 0.5%, 0.1%
y 0.25% respectivamente en el In100. El hafnio se añadió a la
composición para favorecer la formación de carburos en junta de
grano.
La introducción de estos elementos implicó una
reducción en la temperatura de fusión de la aleación. De tal forma
que se limita la máxima temperatura a la que se 5 puede realizar el
tratamiento térmico de supersolución, y por tanto no es posible
llegar a las altas temperaturas que se utilizan en los tratamientos
de supersolución de los materiales monocristalinos. De esta manera,
la disolución de la gamma prima que se consiguió con los
tratamientos de supersolución no fue tan efectiva como la que se
consigue con los tratamientos a alta temperatura empleados en los
monocristales. No obstante, hay aleaciones comerciales que pueden
ser utilizadas para fabricar componentes mediante solidificación
direccional con y sin tratamiento térmico de supersolución. La
ausencia del tratamiento térmico de supersolución dio lugar a una
caída en la capacidad de temperatura de aleación de unos 30ºC.
Incluso con esta reducción, el beneficio
obtenido con la baja densidad de la aleación de esta invención hace
que sea una opción adecuada para la fabricación de vanos o álabes
de turbinas de gas.
La introducción de elementos endurecedores de la
junta de grano permitió el uso de esta aleación para la fabricación
de componentes solidificados direccionalmente, cosa que no es
posible con la mayoría de las aleaciones monocristalinas. El hecho
de utilizar una aleación en forma de solidificación direccional en
lugar de en forma de monocristal dio lugar a una reducción en la
fluencia a rotura de la aleación. No obstante, este descenso fue
considerado muy pequeño y por lo tanto la aleación de esta
invención es suficientemente atractiva para un amplio rango de
aplicaciones.
Finalmente, hay que mencionar que el principal
propósito de esta aleación es ofrecer una alternativa de baja
densidad a las aleaciones que se emplean actualmente en las
turbinas de gas. La presencia de elementos como C, B, Zr y Hf mejoró
la tolerancia de la aleación a la presencia de juntas de grano a
costa de una pequeña reducción en propiedades como la fatiga o la
fluencia a rotura. Pero habiendo sido diseñado a partir de
aleaciones monocristalinas de baja densidad, incluso con este
descenso de propiedades la aleación de la presente invención ofrece
una clara mejora con respecto a las aleaciones que se emplean
habitualmente para la fabricación de materiales solidificados
direccionalmente. Este beneficio será incluso mayor en el diseño de
turbinas de gas avanzadas donde la velocidad de rotación es mayor y
por lo tanto son mayores las fuerzas centrífugas, y el uso de un
material de baja densidad es una clara ventaja.
Asimismo también cabe mencionar que la
utilización de esta material dentro de las turbinas de gas para
aeronaves supone una clara mejora con respecto a las aleaciones
actuales ya que puede dar lugar a componentes más ligeros y por lo
tanto a un menor consumo específico de la turbina.
Claims (10)
1. Superaleación base níquel que comprende los
siguientes elementos (tanto por ciento en peso)
- 7-13% Cromo,
- 0-16% Cobalto,
- 2-5% Titanio,
- 4.5-7% Aluminio,
- 0-5% Tántalo,
- 0-2% Hafnio,
- 0-3% Tungsteno
- 0-2% Vanadio
- 0-5% Molibdeno
- 0.06-0.12% Carbono,
- 0.01-0.03% Boro,
- 0.005-0.02% Zirconio,
- Níquel e impurezas residuales.
2. Superaleación según la reivindicación 1 que
comprende: 0.07% de carbono, 10% de cromo, 15% de cobalto, 3% de
molibdeno, 5.5% de aluminio, 4% de titanio, 1% de vanadio, 1.4% de
hafnio, 0.015% de boro y 0.01% de zirconio.
3. Superaleación según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores que comprende: 0.07% de carbono, 10% de
cromo, 5% de cobalto, 3% de molibdeno, 2% de tántalo, 4.8% de
aluminio, 4.7% de titanio, 1.4% de hafnio, 0.015% de boro y 0.01% de
zirconio.
4. Uso de una superaleación base níquel según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores para la obtención de
un fundido solidificado direccionalmente o en forma de
monocristal.
5. Procedimiento para la obtención de una
superaleación descrita en cualquiera de las reivindicaciones
1-3 que comprende las siguientes etapas:
- a)
- tratamiento térmico de solución a una temperatura comprendida entre 1190-1250ºC durante 1 a 5 horas
- b)
- tratamiento térmico intermedio a una temperatura comprendida entre 1000-1100ºC durante 1 a 5 horas
- c)
- tratamiento térmico de precipitación a una temperatura comprendida entre 850-900ºC durante 1 a 16 horas.
6. Turbina de gas que comprende componentes
fabricados con una superaleación según cualquiera de las
reivindicaciones 1-3.
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