ES2524249T3

ES2524249T3 - Monocrystalline super-alloys and directionally solidified of low density

Info

Publication number: ES2524249T3
Application number: ES07380330.6T
Authority: ES
Inventors: Iñaki Madariaga Rodríguez; Iñigo Hernández Aguirre; Amaia Subinas Rapp; Koldo Estolaza Zamora
Original assignee: Industria de Turbo Propulsores SA
Current assignee: Industria de Turbo Propulsores SA
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2014-12-04
Anticipated expiration: 2027-11-28
Also published as: EP1927669A1; ES2269013A1; AU2007237291A1; ES2269013B2; EP1927669B1; US20080240972A1; CA2612815A1

Abstract

Superaleación base níquel que consiste en 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 en equilibrio e impurezas residuales.Nickel-based superalloy consisting of the following elements (weight percent) 7-13% Chromium, 0-16% Cobalt, 2-5% Titanium, 4.5-7% Aluminum, 0-5% Tantalum, 0-2% Hafnium, 0-3% Tungsten 0-2% Vanadium 0-5% Molybdenum 0.06-0.12% Carbon, 0.01-0.03% Boron, 0.005-0.02% Zirconium, nickel balance and residual impurities.

Description

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18-11-2014 11-18-2014

DESCRIPCIÓN DESCRIPTION

Superaleaciones monocristalinas y solidificadas direccionalmente de baja densidad Monocrystalline super-alloys and directionally solidified of low density

Campo de la invención Field of the Invention

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. The present invention relates to nickel base superalloys used to manufacture blades or spans of gas turbines by directional solidification or in the form of single crystals. In particular, the present invention relates to low density alloys capable of working under high temperature and high load conditions.

Estado de la técnica State of the art

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/cm3) 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. Nickel-based superalloys are widely used in the manufacture of components for gas turbines. Within the particular field of aircraft gas turbines, apart from the high requirements from the point of view of voltage and temperature, it is also important to develop low density alloys. A precursor to low density alloys is the In100 alloy (density 7.76 gr / cm3) developed in the early 1960s by The International Nickel Company (INCO) and covered by US Patent 3,061,426. This alloy is still used today for the manufacture of equiaxine turbine blades although it is recognized that it has a low colability and a low corrosion resistance.

In100 ha sido utilizado como la base para el desarrollo de muchas aleaciones. Entre otras, el In6212 (densidad 8.02 gr/cm3) 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. In100 has been used as the basis for the development of many alloys. Among others, the In6212 (density 8.02 gr / cm3) covered by US Patent 4,358,318 was also developed by INCO as a low density material with better corrosion resistance and coolability than those of the In100 at the cost of a slight increase in density.

Estos dos materiales equiáxicos, In100 y In 6212, han sido utilizados como la base para el desarrollo de varias aleaciones monocristalinas. In100 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. These two equiaxial materials, In100 and In 6212, have been used as the basis for the development of several monocrystalline alloys. In100 was used as a reference for the development of the RR2000 alloy, covered by GB 2105369A in 1983 while In6212 was used as the basis for the development of CMSX-6 alloy, covered by US Patent 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. Both monocrystalline alloys were developed following a similar strategy. In both cases the amount of hardening elements of the grain joint such as carbon, boron and zirconium was eliminated to increase the melting point of the alloy. In this way, it was possible to carry out a solution heat treatment of the raw gamma hardening phase by dissolving the microstructure that is obtained directly after casting and achieving a fine and homogeneous distribution of precipitates in subsequent heat treatments.

Existe por tanto, una necesidad de desarrollar aleaciones alternativas a las utilizadas actualmente. There is therefore a need to develop alternative alloys to those currently used.

Descripción de la invención Description of the invention

La presente invención proporciona una superaleación de baja densidad (7.867 g/cm3) útil para la fabricación de componentes mediante solidificación direccional o componentes monocristalinos con una especificación de estructura de grano relajada. The present invention provides a low density superalloy (7,867 g / cm3) useful for the manufacture of components by directional solidification or monocrystalline components with a relaxed grain structure specification.

Un primer aspecto de la invención se refiera a una superaleación base niquel que consiste en los siguientes elementos (tanto por ciento en peso): A first aspect of the invention relates to a nickel based superalloy consisting of the following elements (weight percent):

7-13% Cromo, 7-13% Chrome,

0-16% Cobalto, 0-16% Cobalt,

2-5% Titanio, 2-5% Titanium,

4.5-7% Aluminio, 4.5-7% Aluminum,

0-5% Tántalo, 0-5% Try it,

0-2% Hafnio, 0-2% Hafnium,

0-3% Tungsteno 0-3% Tungsten

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0-2% Vanadio 0-5% Molibdeno 0.06-0.12% Carbono, 0.01-0.03% Boro, 0.005-0.02% Zirconio, Níquel en equilibrio e impurezas residuales. En una realización particular la presente invención se refiere a una superaleación base níquel que comprende: 0-2% Vanadium 0-5% Molybdenum 0.06-0.12% Carbon, 0.01-0.03% Boron, 0.005-0.02% Zirconium, Nickel in equilibrium and residual impurities. In a particular embodiment, the present invention relates to a nickel based superalloy comprising:

0.07% de carbono, 10% de cromo, 15% de cobalto, 3% de molibdeno, 5.5% de aluminio, 4% de titanio, 1% de 0.07% carbon, 10% chromium, 15% cobalt, 3% molybdenum, 5.5% aluminum, 4% titanium, 1%

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. vanadium, 1.4% hafnium, 0.015% boron and 0.01% zirconium. In a particular embodiment, the present invention relates to a nickel based superalloy comprising: 0.07% carbon, 10% chromium, 5% cobalt, 3% molybdenum, 2% tantalum, 4.8% aluminum, 4.7% titanium, 1.4% hafnium, 0.015% boron and 0.01% zirconium.

Un segundo aspecto de la presente invención se refiere al uso de una superaleación base níquel descrita A second aspect of the present invention relates to the use of a nickel based super alloy described

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: previously for obtaining a solidified directionally or in a monocrystalline form. A third aspect of the present invention relates to a process for obtaining a superalloy as described above, which comprises the following steps:

a) Tratamiento térmico de solución a una temperatura comprendida entre 1190-1250 ºC durante 1 a 5 horas b) tratamiento térmico intermedio a una temperatura comprendida entre 1000-1100 ºC durante 1 a 5 horas c) tratamiento térmico de precipitación a una temperatura comprendida entre 850-900 ºC durante 1 a 16 horas Un cuarto aspecto de la presente invención se refiere a una turbina de gas que comprende componentes fabricados a) Solution heat treatment at a temperature between 1190-1250 ° C for 1 to 5 hours b) intermediate heat treatment at a temperature between 1000-1100 ° C for 1 to 5 hours c) Heat precipitation treatment at a temperature between 850-900 ° C for 1 to 16 hours A fourth aspect of the present invention relates to a gas turbine comprising manufactured components

con una superaleación como se describe anteriormente, o a partir de aleaciones obtenidas mediante un procedimiento que comprende las siguientes etapas: a) Tratamiento térmico de solución a una temperatura comprendida entre 1190-1250 ºC durante 1 a 5 horas b) tratamiento térmico intermedio a una temperatura comprendida entre 1000-1100 ºC durante 1 a 5 horas c) tratamiento térmico de precipitación a una temperatura comprendida entre 850-900 ºC durante 1 a 16 horas with a superalloy as described above, or from alloys obtained by a process comprising the following steps: a) Heat treatment of solution at a temperature between 1190-1250 ° C for 1 to 5 hours b) intermediate heat treatment at a temperature between 1000-1100 ° C for 1 to 5 hours c) heat precipitation treatment at a temperature between 850-900 ° C for 1 to 16 hours

Breve descripción de los dibujos Brief description of the drawings

Figura 1: Fatiga de bajos ciclos de la composición E frene a la composición comercial A. Figure 1: Low cycle fatigue of composition E restrains commercial composition A.

Descripción detallada de un modo de realización Detailed description of one embodiment

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. The present invention provides a low density superalloy useful for the manufacture of components by directional solidification or monocrystalline components with a relaxed grain structure specification. The alloy of the present invention was developed by reference to two monocrystalline alloys, the RR2000 and the 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. The following table shows examples of alloys according to this invention, alloys E to G inclusive. Alloys A and B are commercial alloys for directional solidification while C and D are commercial alloys for manufacturing low density monocrystalline components. These latter alloys are presented for comparison only and do not fall within the scope of this invention.

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Aleación Alloy: Co Cr Mo W Al Ta V Ti Re Hf C B Zr Co Cr Mo W To the Ta V You Re Hf C B Zr

A TO: 9,2 8,1 0,5 9,5 5,6 3,2 0,7 1,4 0,07 0,015 0,007 9.2 8.1 0.5 9.5 5.6 3.2 0.7 1.4 0.07 0.015 0.007

B B: 9,3 6 0,5 8,4 5,7 3,4 0,7 3 1,4 0,07 0,015 0,005 9.3 6 0.5 8.4 5.7 3.4 0.7 3 1.4 0.07 0.015 0.005

C C: 15 10 3 5,5 1 4 fifteen 10 3 5.5 one 4

D D: 5 10 3 4,8 2 4,7 0,1 5 10 3 4.8 2 4.7 0.1

E AND: 15 10 3 5,5 1 4 1,4 0,07 0,015 0,005 fifteen 10 3 5.5 one 4 1.4 0.07 0.015 0.005

F F: 6 12 3 2 4,5 4,7 1,4 0,07 0,015 0,005 6 12 3 2 4,5 4.7 1.4 0.07 0.015 0.005

G G: 5 10 3 4,8 2 4,7 1,4 0,07 0,015 0,005 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 In100 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. Carbon, boron and zirconium were added to the base composition of the RR2000 and CMSX-6 but without reaching the high levels of these elements in the In100 or In6212 compositions. The C, B and Zr of the alloy of this invention were maintained at the same levels as other commercial alloys that are commonly used for the manufacture of directionally solidified components such as alloy A and B of the table above. The maximum carbon content was limited to 0.12%, the maximum boron content to 0.03% and the maximum zirconium content to 0.02%, when these limits are 0.5%, 0.1% and 0.25% respectively in the In100. Hafnium was added to the composition to favor the formation of carbides in a grain joint.

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 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. The introduction of these elements implied a reduction in the melting temperature of the alloy. In such a way that the maximum temperature at which the supersolution heat treatment can be carried out is limited, and therefore it is not possible to reach the high temperatures used in the supersolution treatments of the monocrystalline materials. In this way, the dissolution of the premium gamma that was achieved with the supersolution treatments was not as effective as that achieved with the high temperature treatments used in the monocrystals. However, there are commercial alloys that can be used to manufacture components by directional solidification with and without supersolution heat treatment. The absence of supersolution heat treatment resulted in a drop in the alloy temperature capacity of about 30 ° C.

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. Even with this reduction, the benefit obtained with the low density of the alloy of this invention makes it a suitable option for the manufacture of vanes or blades of gas turbines.

La ausencia del tratamiento térmico de supersolución también puede dar lugar a una perdida de la resistencia a fatiga de bajos ciclos de la aleación con respecto al la aleación comercial RR2000 a partir de la cual ha sido desarrollada. Sin embargo, como puede verse en la Figura 1, la composición E de la tabla I presenta unas propiedades de fatiga superiores a las de la aleación comercial A. The absence of supersolution heat treatment can also result in a loss of the low cycle fatigue resistance of the alloy with respect to the commercial RR2000 alloy from which it has been developed. However, as can be seen in Figure 1, composition E of Table I has fatigue properties superior to those of commercial alloy A.

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. The introduction of hardening elements of the grain joint allowed the use of this alloy for the manufacture of directionally solidified components, which is not possible with most monocrystalline alloys. The fact of using an alloy in the form of directional solidification instead of in the form of a single crystal resulted in a reduction in creep creep of the alloy. However, this decrease was considered very small and therefore the alloy of this invention is sufficiently attractive for a wide range of applications.

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. Finally, it should be mentioned that the main purpose of this alloy is to offer a low density alternative to the alloys currently used in gas turbines. The presence of elements such as C, B, Zr and Hf improved the tolerance of the alloy to the presence of grain joints at the cost of a small reduction in properties such as fatigue or creep creep. But having been designed from low-density monocrystalline alloys, even with this decrease in properties the alloy of the present invention offers a clear improvement over the alloys that are commonly used for the manufacture of directionally solidified materials. This benefit will be even greater in the design of advanced gas turbines where the speed of rotation is greater and therefore centrifugal forces are greater, and the use of a low density material is a clear advantage.

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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. It is also worth mentioning that the use of this material in aircraft gas turbines is a clear improvement over current alloys since it can lead to lighter components and therefore to a lower specific consumption of the turbine.

Claims

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1. Nickel based super alloy consisting of the following elements (weight percent) 7-13% Chrome,

5 0-16% Cobalt, 2-5% Titanium, 4.5-7% Aluminum, 0-5% Tantalum, 0-2% Hafnium,

10 0-3% Tungsten 0-2% Vanadium 0-5% Molybdenum 0.06-0.12% Carbon, 0.01-0.03% Boron,

15 0.005-0.02% Zirconium, Nickel in equilibrium and residual impurities.

2. 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. Super alloy according to claim 1 comprising: 0.07% carbon, 10% chromium, 15% cobalt, 3% molybdenum, 5.5% aluminum, 4% titanium, 1% vanadium, 1.4% hafnium, 0.015% of boron and 0.01% zirconium.

3. 3.: Superaleación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende: 0.07% de carbono, 10% de Super alloy according to any of the preceding claims comprising: 0.07% carbon, 10%

20 chromium, 5% cobalt, 3% molybdenum, 2% tantalum, 4.8% aluminum, 4.7% titanium, 1.4% hafnium, 0.015% boron and 0.01% zirconium.

4. Use of a nickel base superalloy according to any of the preceding claims to obtain a solidified directionally or in the form of a single crystal.

5. 5.: Procedimiento para la obtención de una superaleación descrita en cualquiera de las reivindicaciones 1-3 que 25 comprende las siguientes etapas: a) tratamiento térmico de solución a una temperatura comprendida entre 1190-1250 ºC durante 1 a 5 horas Process for obtaining a super alloy described in any of claims 1-3 which comprises the following steps: a) heat treatment of solution at a temperature between 1190-1250 ° C for 1 to 5 hours

b) intermediate heat treatment at a temperature between 1000-1100 ° C for 1 to 5 hours c) heat precipitation treatment at a temperature between 850-900 ° C for 1 to 16 hours

6. 6.: Turbina de gas que comprende componentes fabricados con una superaleación según cualquiera de las 30 reivindicaciones 1-3. Gas turbine comprising components manufactured with a superalloy according to any of the claims 1-3.

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