ES2580955T3 - Superaleación monocristalina libre de renio para álabes de turbinas y aplicaciones de palas - Google Patents

Superaleación monocristalina libre de renio para álabes de turbinas y aplicaciones de palas Download PDF

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Abstract

Superaleación a base de níquel para pieza de fundición monocristalina, que comprende: entre un 5,60% y un 5,85% de aluminio en peso; entre un 9,4% y un 9,9% de cobalto en peso; entre un 5,0% y un 6,0% de cromo en peso; entre un 0,08% y un 0,35% de hafnio en peso; entre un 0,50% y un 0,70% de molibdeno en peso; entre un 8,0% y un 9,0% de tántalo en peso; entre un 0,60% y un 0,90% de titanio en peso; entre un 8,5% y un 9,8% de tungsteno en peso; y comprendiendo el resto níquel y cantidades menores de elementos opcionales, siendo la cantidad total de elementos opcionales sustancialmente menor de un 1% en peso, en el que los elementos opcionales se controlan a máximos de 100 ppm de carbono, un 0,04% de silicio, un 0,01% de manganeso, 3 ppm de azufre, 30 ppm de fósforo, 30 ppm de boro, un 0,1% de niobio, 150 ppm de zirconio, un 0,15% de renio, un 0,01% de cobre, un 0,15% de hierro, un 0,1% de vanadio, un 0,1% de rutenio, un 0,15% de platino, un 0,15% de paladio, 200 ppm de magnesio, 5 ppm de nitrógeno, 5 ppm de oxígeno, 2 ppm de plata, 0,2 ppm de bismuto, 10 ppm de galio, 25 ppm de calcio, 1 ppm de plomo, 0,5 ppm selenio, 0,2 ppm de telurio, 0,2 ppm de talio, 10 ppm de estaño, 2 ppm de antimonio, 2 ppm de arsénico, 5 ppm de cinc, 2 ppm de mercurio, 2 ppm de cadmio, 2 ppm de germanio, 2 ppm de oro, 2 ppm de indio, 20 ppm de sodio, 10 ppm de potasio, 10 ppm de bario, 2 ppm de uranio, lantano e itrio en una cantidad total entre 5 y 80 ppm, y 2 ppm de torio.

Description

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DESCRIPCION
Superaleacion monocristalina libre de renio para alabes de turbinas y aplicaciones de palas. CAMPO
Se describen superaleaciones monocristalinas a base de mquel que presentan una excelente resistencia a la fluencia a altas temperaturas, a la vez que son sustancialmente libres de renio, sin afectar perjudicialmente a otras caractensticas relevantes.
ANTECEDENTES
Debido a la creciente demanda mundial de productos que habitualmente han requerido cantidades considerables de elementos metalicos relativamente escasos, tanto la demanda como los precios de los elementos de metales raros han aumentado considerablemente. Como resultado, los fabricantes estan buscando nuevas tecnologfas que reduzcan o eliminen la necesidad de estos elementos metalicos.
El renio es un ejemplo de un metal realmente raro que es importante para diversas industrias. Se recupera en muy pequenas cantidades como subproducto de cobre y molibdeno y produccion de cobre. Ademas de su alto coste, el uso de renio presenta un riesgo en la cadena de suministro de consecuencia tanto economica como estrategica.
El renio se ha empleado ampliamente en la produccion de superaleaciones a base de mquel utilizadas para fundir componentes de turbinas de gas monocristalinos para reactores y equipos de generacion de energfa. Mas espedficamente, el renio se utiliza como aditivo de aleacion en superaleaciones monocristalinas avanzadas para alabes de turbinas, palas y segmentos de sellado, debido a su potente efecto en la ralentizacion de la difusion y en la ralentizacion de la deformacion de fluencia, particularmente a temperaturas elevadas (por ejemplo, de mas de 1000 grados C) durante penodos prolongados de tiempo. La resistencia a la fluencia a alta temperatura esta directamente relacionada con la vida util de los componentes de turbinas de gas y el rendimiento del motor tal como la potencia, el gasto de combustible y emisiones de dioxido de carbono.
Las superaleaciones a base de mquel tfpicas utilizadas para piezas de fundicion monocristalinas individuales contienen entre aproximadamente un 3% de renio y aproximadamente un 7% de renio en peso. Aunque el renio se ha utilizado solo como aditivo relativamente menor, se ha considerado cntico para superaleaciones a base de mquel monocristalinas para inhibir la difusion y mejorar la resistencia a la fluencia a alta temperatura, anade un coste considerable al total de estas aleaciones.
A partir de la discusion anterior, es evidente que sena extremadamente deseable desarrollar superaleaciones a base de mquel monocristalinas que presenten una excelente resistencia a la fluencia a alta temperatura, a la vez que se reduzca o se elimine la necesidad de adiciones de renio y que, a su vez, se mantengan otras propiedades deseables tales como una buena colabilidad y estabilidad de fase.
El documento EP-A-2305848 da a conocer superaleaciones libres de renio a base de mquel que comprenden niveles y razones preferentes de elementos para asf poder adquirir buena resistencia a altas temperaturas tanto de la fase de matriz como en las precipitaciones primarias gama, asf como buena resistencia a las condiciones ambientales.
DESCRIPCION
Las superaleaciones base mquel libres de renio monocristalinas que se describen aqrn se basan, entre otras cosas, en el equilibrio de los elementos metalicos refractarios (tantalio, tungsteno y molibdeno) en una cantidad total de aproximadamente entre un 17% y un 20% con el fin de lograr buenas propiedades mecanicas de rotura por fluencia junto con una estabilidad de fase de aleacion aceptable, en particular, garantizando la ausencia de fases topologicamente compactas (TCP) perjudiciales excesivas que son ricas en tungsteno, molibdeno y cromo, a la vez que eliminan sustancialmente el renio de la aleacion.
La presente invencion proporciona:
(1) Una superaleacion a base de mquel para una pieza de fundicion monocristalina que comprende:
entre un 5,60% y un 5,85% de aluminio en peso;
entre un 9,4% y un 9,9% de cobalto en peso;
entre un 5,0% y un 6,0% de cromo en peso;
entre un 0,08% y un 0,35% de hafnio en peso;
entre un 0,50% y un 0,70% de molibdeno en peso;
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entre un 8,0% y un 9,0% de tantalo en peso; entre un 0,60% y un 0,90% de titanio en peso; entre un 8,5% y un 9,8% de tungsteno en peso; y
comprendiendo el resto mquel y cantidades menores de elementos opcionales, siendo la cantidad total de elementos opcionales sustancialmente menor de un 1% en peso,
en el que los elementos opcionales se controlan a maximos de 100 ppm de carbono, un 0,04% de silicio, un 0,01% de manganeso, 3 ppm de azufre, 30 ppm de fosforo, 30 ppm de boro, un 0,1% de niobio, 150 ppm de zirconio, un 0,15% de renio, un 0,01% de cobre, un 0,15% de hierro, un 0,1% de vanadio, un 0,1% de rutenio, un 0,15% de platino, un 0,15% de paladio, 200 ppm de magnesio, 5 ppm de nitrogeno, 5 ppm de oxfgeno, 2 ppm de plata, 0,2 ppm de bismuto, 10 ppm de galio, 25 ppm de calcio, 1 ppm de plomo, 0,5 ppm selenio, 0,2 ppm de telurio, 0,2 ppm de talio, 10 ppm de estano, 2 ppm de antimonio, 2 ppm de arsenico, 5 ppm de cinc, 2 ppm de mercurio, 2 ppm de cadmio, 2 ppm de germanio, 2 ppm de oro, 2 ppm de indio, 20 ppm de sodio, 10 ppm de potasio, 10 ppm de bario, 2 ppm de uranio, lantano e itrio en una cantidad total entre 5 y 80 ppm, y 2 ppm de torio.
(2) Una superaleacion a base de mquel para una pieza de fundicion monocristalina de acuerdo con el item (1), conteniendo dicha superaleacion a base de mquel una cantidad maxima de azufre de 0,5 ppm, y comprendiendo ademas una cantidad de lantano e itrio que esta dirigida para conseguir un contenido de lantano e itrio que es entre 5 ppm y 80 ppm en una pieza de fundicion monocristalina.
(3) Una superaleacion a base de mquel para una pieza de fundicion monocristalina de acuerdo con el item (1), que tiene una densidad de aproximadamente 0,8 gms/cc (kg/dm3).
(4) Un componente monocristalino fundido a partir de una aleacion de acuerdo con cualquiera de los items (1) a (3).
(5) Un componente monocristalino de acuerdo con el item (4) que es un componente de una turbina de gas.
(6) Un componente monocristalino de acuerdo con el item (4) que es un alabe, una pala, o un segmento de sellado para una turbina de gas.
De acuerdo con ciertas realizaciones en las que se desea una mejor resistencia a la oxidacion y/o vida del recubrimiento y recubrimiento de barrera termica (TBC), al azufre esta presente en una cantidad maxima de 0,5 ppm, y se anade lantano e itrio para dirigir una cantidad de lantano e itrio total de entre 5 ppm y 80 ppm en componentes monocristalinos fundidos a partir de la aleacion.
Ademas de conseguir una excelente resistencia a la fluencia a alta temperatura en una composicion substancialmente libre de renio, ciertas realizaciones de las aleaciones a base de mquel monocristalinas descritas presentan una densidad deseablemente no excesiva que es de aproximadamente 8,8 gms/cc menos, tal como 8,79 gms/cc (kg/dm3).
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Las figuras 1A, 1B y 1C son micrograffas opticas que muestran la microestructura con tratamiento termico total de piezas de fundicion de una realizacion descrita (LA-11753, CMSX-7, barra de prueba # C912, con tratamiento termico total, envejecimiento primario 2050°F /4 horas).
Las figuras 2A, 2B y 2C son micrograffas de barrido electronicas de la microestructura de piezas de fundicion con tratamiento termico total a partir de las realizaciones que se describen aqrn (LA-11753, cMsX-7, barra de prueba # C912, con tratamiento termico total, envejecimiento primario 2050°F /4 horas).
Las figuras 3, 4 y 5 son graficas de rotura por esfuerzo Larson-Miller que muestran la sorprendentemente buena resistencia a la fluencia y/o propiedades de la vida a la rotura por esfuerzos de barras de prueba monocristalinas y piezas de fundicion de alabes de turbinas realizados a partir de las aleaciones descritas.
Las figuras 6A, 6B y 6C son micrograffas opticas que muestran la estabilidad de la fase posterior a la prueba de las aleaciones descritas, las cuales presentan una excelente estabilidad de fase y sin fases TCP (LA-11772, CMSX-7, barra de prueba # D912, 2050°F /15 ksi /141,6 horas, area de calibre).
Las figuras 7A, 7B y 7C son micrograffas de barrido electronicas que muestran la estabilidad de la fase posterior a la prueba de las aleaciones descritas, las cuales presentan una excelente estabilidad de fase y sin fases TCP (LA- 11772, CMSX-7, barra de prueba # D912, 2050°F/ 15 ksi /141,6 horas, area de calibre).
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Las figuras 8A, 8B y 8C son micrograffas opticas que muestran la estabilidad de la fase posterior a la prueba de las aleaciones descritas, las cuales presentan una excelente estabilidad de fase y sin fases TCP (LA-11807, CMSX-7, mini piezas planas # 53701Y-F 2000°F/ 12 ksi/ 880,0 horas, area de calibre).
Las figuras 9A, 9B y 9C son micrograffas de barrido electronicas que muestran la estabilidad de la fase posterior a la prueba de las aleaciones descritas, las cuales presentan una excelente estabilidad de fase y sin fases TCP (LA- 11807, CMSX-7, mini piezas planas # 53701Y-F 2000°F/ 12 ksi/ 880,0 horas, area de calibre).
Las figuras 10A, 10B y 10C son micrograffas opticas que muestran la estabilidad de la fase posterior a la prueba de las aleaciones descritas, las cuales presentan una excelente estabilidad de fase y sin fases TCP (LA-11772, CMSX- 7, barra de prueba # B913, 1800°F/ 36 ksi /151,1 horas, area de calibre).
Las figuras 11A, 11B y 11C son micrograffas de barrido electronicas que muestran la estabilidad de fase posterior a la prueba de las aleaciones descritas, las cuales presentan una excelente estabilidad de fase y sin fases TCP (LA- 11772, CMSX-7, barra de prueba # B913, 1800°F/ 36 ksi /151,1 horas, area de calibre).
Las figuras 12A, 12B y 12C son micrograffas opticas que muestran la estabilidad de la fase posterior a la prueba de las aleaciones descritas, las cuales presentan una excelente estabilidad de fase y sin fases TCP (LA-11772, CMSX- 7, barra de prueba # A912, 1562°F/94,4 ksi / 100,9 horas, area de calibre).
Las figuras 13A, 13B y 13C son micrograffas de barrido electronicas que muestran la estabilidad de fase posterior a la prueba de las aleaciones descritas, las cuales presentan una excelente estabilidad de fase y sin fases TCP (LA- 11772, CMSX-7, barra de prueba # A912, 1562°F / 94,4 ksi /100,9 horas, area de calibre).
Las figuras 14A, 14B y 14C son micrograffas opticas que muestran las microestructuras con tratamiento termico total de barras de prueba monocristalinas CMSX-7 MOD B.
Las figuras 15A, 15B y 15C son micrograffas de barrido electronicas que muestran las microestructuras con tratamiento termico total de barras de prueba monocristalinas CMSX-7 MOD B.
Las figuras 16 es un dibujo en seccion transversal de una pieza de fundicion de un alabe de una turbina macizo monocristalino a partir de una aleacion, tal como se describe aqrn que tiene la facilidad para maquinar espedmenes tanto mini barras como mini piezas planas para pruebas de rotura por esfuerzo mecanizadas a partir de un alabe (MFB).
Las figuras 17 y 18 muestran las propiedades de traccion de las aleaciones frente a la temperatura de la prueba.
Las figuras 19A, 19B y 19C son micrograffas opticas que muestran microestructuras despues de la prueba de rotura por esfuerzo alta temperatura a largo plazo de una aleacion tal como se describe aqrn (LA-11891, CMSX-7 MOD. B, barra de prueba # M923 de 2000°F / 12 ksi / 1176,5 horas).
Las figuras 20A, 20B y 20C son micrograffas de barrido electronicas que muestran microestructuras despues de la prueba de rotura por esfuerzo alta temperatura a largo plazo de una aleacion tal como se describe aqrn (LA-11891, CMSX-7 MOD. B, barra de prueba # M923 de 2000°F / 12 ksi / 1176,5 horas).
DESCRIPCION DETALLADA
Las aleaciones que se describen aqrn se denominaran aleaciones "CMSX®-7". Esta es la designacion que se utilizara comercialmente, siendo la expresion "CMSX" una marca registrada de la Corporacion de Cannon-Muskegon utilizada en conexion con la venta de una familia o serie de superaleaciones a base de mquel monocristalinas (SX).
Las aleaciones que se describen aqrn se describen, alternativamente, como que son libres de renio, o sustancialmente libres de renio. Tal como se utiliza aqrn, estos terminos significan que las aleaciones no contienen renio anadido y/o que la cantidad de renio presente en la aleacion es de un maximo de un 0,15% en peso.
Salvo que se indique lo contrario, todos los porcentajes son en peso, y todas las cantidades en partes por millon (ppm) se refieren a partes por millon en peso en base al peso total de la composicion de la aleacion.
Las superaleaciones y piezas de fundicion monocristalinas se han desarrollado para presentar una serie de propiedades destacadas, incluyendo una resistencia a la fluencia a alta temperatura, larga vida a fatiga, resistencia a la oxidacion y a la corrosion, endurecimiento por solucion solida, con unas propiedades de fundicion deseadas y bajas tasas de rechazo, y estabilidad de fase, entre otros. Si bien es posible optimizar elementos de aleacion de un unico aditivo para una propiedad particular, los efectos sobre otras propiedades a menudo son extremadamente
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impredecibles. En general, las relaciones entre las diversas propiedades y diversos componentes elementales son extremadamente complejas e impredecibles de manera que es sorprendente cuando puede realizarse un cambio sustancial a la composicion sin afectar perjudicialmente por lo menos a determinadas propiedades esenciales.
Con las realizaciones que se describen aqm, se mantuvieron unos elementos metalicos refractarios (tantalo, tungsteno y molibdeno) en una cantidad total entre aproximadamente un 17% y aproximadamente un 20% en peso, mientras se equilibraban las cantidades de los elementos refractarios para lograr unas buenas propiedades mecanicas de rotura por fluencia junto con una estabilidad de fase de aleacion aceptable (libre de una fase topologicamente compacta (TCP) perjudicial excesiva - normalmente de tungsteno, molibdeno y cromo rica en este tipo de aleacion). El cromo y el cobalto tambien se ajustaron para garantizar la estabilidad de fase requerida. La alta cantidad de tantalo (aproximadamente un 8%) se selecciono para proporcionar una excelente colabilidad monocristalina, tal como la ausencia de defectos de formacion de "pecas". La cantidad de titanio (aproximadamente un 0,8%) y tantalio (aproximadamente un 0,8%) se ajusto para proporcionar un bajo desajuste negativo y/y' para una resistencia a la fluencia a alta temperatura y una densidad a temperatura ambiente aceptable (por ejemplo, aproximadamente 8,8 gms/cc, tal como 8,79 gms/cc). El aluminio, titanio y tantalio se ajustaron para alcanzar la fraccion de volumen y' (Vf) adecuada, mientras que la combinacion de aluminio, molibdeno, tantalo y titanio se selecciono para proporcionar buenas propiedades de resistencia a la oxidacion a alta temperatura. La cantidad de adicion de hafnio se selecciono para obtener una vida del recubrimiento a altas temperaturas.
La composicion qmmica tfpica para las aleaciones que se describen y se reivindican aqm se enumera en la Tabla 1. Sin embargo, hay ciertas variaciones menores. En primer lugar, con el fin de lograr una mejor resistencia a la oxidacion y/o una mayor vida del revestimiento de barrera termica, es deseable anadir lantano y/o itrio en cantidades tales que el total de lantano e itrio vaya dirigido a presentar entre aproximadamente 5 y 80 ppm en las piezas de fundicion monocristalinas realizadas a partir de las aleaciones.
La invencion se describira respecto a determinadas realizaciones ilustrativas no limitativas que facilitaran una mejor comprension.
Un bano termico inicial 100% virgen de 400 lb de una aleacion CMSX®-7 se fundio en enero de 2011 en el horno CM V-5 Consarc VIM utilizando qmmica objetivo a CM KH 01/03/11 (CM CRMP # 81-1700 Edicion 1). La composicion qmmica del bano termico (5V0424) se muestra en la Tabla 2.
Se fundieron dos moldes (#s 912 y 913) de barras de prueba SX NNS DL-10 a unos parametros de fundicion CMSX- 4® por Rolls-Royce Corporation (SCFO). El rendimiento de una barra de prueba DL-10 de 23 totalmente aceptables de un total de 24 piezas de fundicion fue excelente. Un molde (# 53701) de alabes de turbina HP2 macizos tambien se fundio en SX por SCFO utilizando parametros de colada CMSX-4® con unos rendimientos de fundicion tfpicos de este componente de produccion.
Estas barras de prueba DL-10 y alabes de turbina se disolvieron/homogeneizaron + trataron termicamente y envejecieron doblemente en CM de la siguiente manera - en base a estudios solubilizacion/homogeneizacion en barras de prueba CMSX®-7.
Solucion + homogeneizacion
• 2 hrs / 2340°F (1282°C) + 2 hrs / 2360°F (1293°C)
+ 4 hrs / 2380°F (1304°C) + 4 hrs / 2390°F (1310°C)
+ 12 hrs / 2400°F (1316°C) AC - con un aumento gradual en 1°F/min. entre etapas
• Doble envejecimiento
4 hrs / 2050°F (1121°C) AC + 20 hrs/1600°F (871°C) AC
La obtencion de una microestructura aceptable es evidente en las figuras 1-2 - solubilizacion y' completa, algunos restos eutecticos y /y', sin fusion incipiente y y' cubico, alineado de aproximadamente 0,5 |im promedio, lo que indica un desajuste y/y' apropiado y una qmmica interfacial y/y', tras el envejecimiento a alta temperatura de 4 h/2050°F (1121°C).
Los espedmenes de rotura por fluencia y fatiga fueron triturados a bajo esfuerzo y fueron examinados por Joliet Metalurgical Labs, con los resultados que se muestran hasta la fecha en la Tabla 3 y la Tabla 4. Las graficas de rotura por fatiga Larson-Miller (figuras 3, 4 y 5) muestran que CMSX®-7 tiene unas propiedades superiores y sorprendentemente buenas de resistencia a la fluencia/vida a la rotura por esfuerzo, incluyendo los resultados de mini barras mecanizadas por alabes (MFB) de 0,070” de diametro, en comparacion con una aleacion CMSX-2/3® (cero Re) hasta aproximadamente 1900°F (1038°C), con propiedades similares a 2050°F (1121°C). Todas estas propiedades son sorprendentemente similares a las aleaciones Rene' N-5 (3% Re) y Rene' N-515 (1,5% Re) (datos
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
GE publicados) [JOM 62 No 1, pags. 55-57 Ene 2010]. La prueba de rotura por fatiga MFB se llevo a cabo en unos alabes de turbina macizos monocristalinos 10 (figura 16) fundidos a partir de aleaciones como las que se describen aqm, que tienen facilidad para mecanizar espedmenes de mini barras 15 y mini piezas planas 20.
La estabilidad de fase es sorprendentemente buena absolutamente sin fases TCP aparentes en las barras de rotura por esfuerzo/fluencia posterior a la prueba hasta la fecha (figuras 6-13 inclusive).
Actualmente esta programada una prueba de oxidacion dclica dinamica y de corrosion en caliente (sulfuracion) en plataforma de quemador en una importante compama de motores de turbinas. Los resultados de mini piezas planas MFB de calibre de 0,020" de grosor a 12 ksi/2000°F (Tabla 4, figura 5) indican una buena resistencia a la oxidacion a alta temperatura al descubierto para esta aleacion.
Propiedades de traccion de CMSX-7
La aleacion muestra una resistencia a la traccion UTS muy elevada (hasta 200 ksi (1379 MPa) a 1400°F (760°C)) y un lfmite de elasticidad de un 0,2% (hasta 191 ksi (1318 MPa) a la misma temperatura y una buena ductilidad (Tabla 5, figuras 17 y 18). La UTS excepcionalmente elevada y el LE de un 0,2% a 1400°F (760°C) indica un endurecimiento por deformacion a esta temperatura, posiblemente debido a otra precipitacion secundaria o terciaria Y' en los canales y a esta temperatura que obstaculiza la dislocacion del movimiento - la ductilidad en este nivel de resistencia maximo se encuentra en el intervalo entre un 13% de alargamiento (4D) y un 17% de reduccion en area (RA).
Tabla 1
ESPECIFICACIONES DE LA COMPOSICION QUIMICA (% en peso) DE LA ALEACION CMSX®-7 • Aplicaciones de aviacion
C
100 ppm Ti 0,60 - 0,90
Si
0,04 % Max. W 8,5 - 9,8
Mn
0,01 % Max. Zr 150 ppm Max.
S
3 ppm Max. Re 0,15% Max.
Al
5,60 - 5,85 Cu 0,01% Max.
B
30 ppm Max. Fe 0,15% Max.
Cb (Nb)
0,10% Max. V 0,10% Max.
Co
9,4 - 9,9 Ru 0,10% Max.
Cr
5,0 - 6,0 Pt 0,15% Max.
Hf
0,08 - 0,35 Pd 0,15% Max.
Mo
0,50 - 0,70 Mg 200 ppm Max.
Ni
Resto [N] 5 ppm Max.
Ta
8,0 - 9,0 [O] 5 ppm Max.
• Mejor resistencia a la oxidacion/vida del recubrimiento y barrera termica (TBC) S 0,5 ppm max.
La + Y 5 - 80 ppm (en las piezas de fundicion SX),
CONTROLES DE OLIGOELEMENTOS - TODAS LAS APLICACIONES
Ag
2 ppm Max. Hg 2 ppm Max.
Bi
0,2 ppm Max. Cd 2 ppm Max.
Ga
10 ppm Max. Ge 2 ppm Max.
Ca
25 ppm Max. Au 2 ppm Max.
Pb
1 ppm Max. In 2 ppm Max.
Se
0,5 ppm Max. Na 20 ppm Max.
Te
0,2 ppm Max. K 10 ppm Max.
TI
0,2 ppm Max. Ba 10 ppm Max.
Sn
10 ppm Max. P 30 ppm Max.
Sb
2 ppm Max. U 2 ppm Max.
As
2 ppm Max. Th 2 ppm Max.
Zn
5 ppm Max.
Densidad:
8,79 gms/cc
5
10
15
20
25
30
35
40
COMPOSICION QUIMICA DE UN BANO TERMICO #5V0424 CMSX®-7 - 100% VIRGEN (peso ppm / %)
C
17 ppm Re < 0,05
Si
< 0,02 Cu < 0,001
Mn
< 0,001 Fe 0,012
S
1 ppm V < 0,005
Al
5,80 Ru < 0,01
B
< 20 ppm Pt < 0,001
Cb (Nb)
< 0,05 Pd < 0,001
Co
9,7 Mg < 100 ppm
Cr
5,8 [N] 3 ppm
Hf
0,29 [O] 2 ppm
Mo
0,60 Y < 0,001
Ni
Resto La < 0,001
Ta
8,6 Ce < 0,002
Ti
0,82
W
9,0
Zr
< 25 ppm Ag < 0,4 ppm
Bi < 0,2 ppm
Ga <10 ppm
Ca < 25 ppm
Pb < 0,5 ppm
Se < 0,5 ppm
Te < 0,2 ppm
TI < 0,2 ppm
Sn < 2 ppm
Sb < 1 ppm
As < 1 ppm
Zn < 1 ppm
Hg < 2 ppm
Cd < 0,2 ppm
Ge < 1 ppm
Au < 0,5 ppm
In < 0,2 ppm
Na <10 ppm
K < 5 ppm
Ba <10 ppm
P < 6 ppm
U < 0,5 ppm
Th < 1 ppm
5
10
15
20
25
Tabla 3
BANO TERMICO 5V0424 CMSX-7
Moldes 912/913 (DL-10s) - RR SCFO [Indy] - LA11753 (Joliet 8935/CM-354)
K912/L912 - LA 11773 (Joliet 8979/CM-356)
Con tratamiento termico total - Solucion + doble envejecimiento - 2050°F envejecimiento primario Rotura - fluencia
Estado de prueba
ID Vida de % alargam. % RA Tiempo a 1% Tiempo a 2%
rotura, hrs fluencia fluencia
1562°F/94,4 ksi
A912 100,9 22,4 28,8 5,9 19,8
[850°C/651 MPa]
A913 100,8 18,4 27,3 7,0 22,3
1800°F/36,0 ksi
B912 147,2 41,8 14,7 58,4 71,1
[982°C/248 MPa]
B913 151,1 44,6 49,6 58,4 70,4
1922°F/27,6 ksi
C912 53,9 43,6 46,9 19,3 24,4
[1050°C/190 MPa]
C913 46,0 37,1 49,7 15,8 20,6
1950°F/18,0 ksi
L912 224,9 37,0 62,3 92,4 112,3
[1066°C/124 MPa]
2000°F/12,0 ksi
K912 860,3 22,1 54,5 538,1 607,2
[1093°C/83 MPa]
Rotura - Esfuerzo
Estado de prueba
ID Vida de rotura, hrs % alargam. % RA
2050°F/15,0 ksi
D912 141,6 32,4 52,6
[1121°C/103 MPa]
E912 130,2 31,4 55,0
Fuente de mecanizado y prueba: Joliet Metallurgical Laboratory
Tabla 4
Bano termico 5v0424 CMSX®-7
Molde 53701 - Alabes de turbina macizos HP2 RR SCFO [Indy] - LAI1773 (Joliet 8980/CM-357) Con tratamiento termico total - Solucion + doble envejecimiento - 2050°F envejecimiento primario
MFB (LLE)
Rotura - Esfuerzo
Mini barras [calibre 0,070" de diametro, mostrado en la figura 6]
Estado de prueba
ID Vida de rotura, hrs % alargam. % RA
1562°F/72,5 ksi [850°C/500 MPa]
53701U-B 783,4 33,3 28,9
1600°F/65,0 ksi [871°C/448 MPa]
53701V-B 437,9 32,8 33,7
1800°F/40,0 ksi [982°C/276 MPa]
53701S-B 84,1 39,5 47,8
1850°F/38,0 ksi [1010°C/262 MPa]
53701T-B 43,2 38,5 37,8
1900°F/25,0 ksi [1038°C/172 MPa]
53701Y-B 105,8 36,1 28,5
1904°F/21,0 ksi [1040°C/145 MPa]
53701Z-B 238,4 59,3 44,5
MFB(LTE)
Mini piezas planas [calibre 0,020" de diametro, mostrado en la figura 6]
Estado de prueba
ID Vida de rotura, hrs % alargam.
1800°F/30,0 ksi [982°C/207 MPa]
53701S-F 387,3 42,7
53701T-F 344,4 35,0
1904°F/21,0 ksi [1040°C/145 MPa]
53701U-F 219,8 38,1
53701V-F 189,5 33,3
2000°F/12,0 ksi [1093°C/83 MPa]
53701Y-F 880,0 32,4
53701Z-F 578,8 13,9
Fuente de mecanizado y prueba: Joliet Metallurgical Laboratory 5 Tabla 5
Bano termico 5V0424 CMSX-7
Moldes 063/064 - RR SCFO [Indy] - LA 11753 (Joliet 8935/CM-354)
Con tratamiento termico total - Solucion + doble envejecimiento - 2050°F envejecimiento primario
10
RESULTADOS DE PRUEBA DE TRACCION
Temperature de prueba
ID 0,2 % PS (ksi) UTS (ksi) % alargam. (4D) % RA
70°F (21°C)
A063 135,1 154,6 11,4 13,1
A064 129,1 168,1 11,3 15,3
800°F (430°C)
B063 154,2 163,8 9,1 9,5
B064 151,6 162,2 9,0 9,8
1000°F (538°C)
K063 149,7 163,3 8,0 10,0
K064 148,6 163,2 8,0 13,9
1100°F (593°C)
L063 149,6 172,0 7,7 10,7
L064 151,9 177,1 6,5 9,3
1200°F (649°C)
M063 153,8 175,5 7,8 19,2
M064 149,0 172,0 5,4 20,4
1400°F (760°C)
N063 190,4 198,9 14,9 16,8
N064 191,7 199,7 12,0 17,9
1600°F(871°C)
P063 131,3 148,4 31,9 33,2
P064 133,9 145,3 29,8 36,1
1700°F (927°C)
R063 112,8 136,9 27,5 27,7
R064 115,0 126,4 27,0 31,7
1800°F (982°C)
Y063 112,4 123,3 19,5 23,0
W064 106,9 120,3 23,6 23,8
1900°F(871°C)
Z063 88,3 94,6 32,5 52,2
X064 78,9 90,2 36,6 51,4
[100 ksi = 690 Mpa]
Fuente de mecanizado y prueba: Joliet Metallurgical Laboratory
5
10
15
20
25
30
35
40
COMPOSICION QUIMICA DE BANO TERMICO #5V0424 CMSX®-7 Mod B - 100% VIRGEN (peso ppm / %)
C
9 ppm Re < 0,05
Si
< 0,02 Cu < 0,001
Mn
< 0,001 Fe 0,015
S
1 ppm V < 0,005
Al
5,780 Ru < 0,01
B
< 25 ppm Pt < 0,001
Cb (Nb)
< 0,05 Pd < 0,001
Co
9,7 Mg < 100 ppm
Cr
5,6 [N] 1 ppm
Hf
0,30 [O] 1 ppm
Mo
0,59 Y < 0,001
Ni
Resto La < 0,001
Ta
8,4 Ce < 0,002
Ti
0,70
W
9,3
Zr
< 25 ppm Ag < 0,4 ppm
Bi < 0,2 ppm
Ga <10 ppm
Ca < 25 ppm
Pb < 0,5 ppm
Se < 0,5 ppm
Te < 0,2 ppm
TI < 0,2 ppm
Sn < 2 ppm
Sb < 1 ppm
As < 1 ppm
Zn < 1 ppm
Hg < 2 ppm
Cd < 0,2 ppm
Ge < 1 ppm
Au < 0,5 ppm
In < 0,2 ppm
Na <10 ppm
K < 5 ppm
P < 8 ppm
U < 0,5 ppm
Th < 1 ppm
Bano termico 5v0424 CMSX®-7 MOD B
Moldes 923/924 - (DL-10s) RR SCFO [Indy] - LA11834 (Joliet 9156/CM-368) [DL-10s] 5 Con tratamiento termico total - Solucion + doble envejecimiento
Rotura - Fluencia
Estado de prueba
ID Vida de % % 1% 2%
rotura, hrs alargam. RA fluencia fluencia
1562°F/72,5 ksi
A923 972,7 19,6 25,2 298,9 463,7
[850°C/500 MPa]
H923 861,8 20,6 27,6 275,7 411,2
1600°F/65,0 ksi
B923 667,4 21,8 26,5 224,6 323,0
[871°C/448 MPa]
R924 670,4 19,8 31,3 262,8 363,8
1800°F/36,0 ksi
C923 139,2 37,9 45,6 56,2 68,0
[982°C/248 MPa]
N924 151,5 31,6 38,0 64,6 77,2
1800°F/40,0 ksi
D923 97,4 34,8 41,5 39,4 48,0
[982°C/276 MPa]
M24 106,3 28,8 33,7 45,3 55,2
1850°F/38,0 ksi
E923 51,7 34,3 35,2 21,1 25,6
[1010°C/262 MPa]
L924 54,1 36,5 36,6 21,2 26,0
1900°F/25,0 ksi
J923 103,0 25,1 43,5 39,5 49,3
[1038°C/172 MPa]
H924 111,2 27,6 40,2 38,6 51,1
1904°F/21,0 ksi
K923 240,2 31,0 47,1 90,6 112,9
[1040°C/145 MPa]
E924 245,7 43,4 46,7 86,5 109,1
1950°F/18,0 ksi
L923 260,5 27,4 37,5 86,0 112,4
[1066°C/124 MPa]
D924 219,1 38,4 41,7 79,8 101,5
10 Rotura - Esfuerzo
Estado de prueba
ID Vida de rotura, hrs % alargam. % RA
2000°F/12,0 ksi
M923 1176,5 34,4 42,4
[1093°C/83 MPa]
B924 960,4 37,4 42,9
2050°F/15,0 ksi
N923 143,7 20,7 36,5
[1121°C/103 MPa]
A924 135,8 26,3 38,2
Fuente de mecanizado y prueba: Joliet Metallurgical Laboratory
15 Se fundio otro bano fundido (5V0459) de una CMSX®-7 designada Mod B 100% virgen (470 lbs) en mayo de 2011 en el horno CM V-5 Consarc VIM utilizando qmmica objetivo a CM KH 04/13/11 (CM CRMP # 81-1703 Edicion 1). La composicion qmmica del bano fundido 5V0459 se muestra en la Tabla 6.
Se fundieron dos moldes (#s 923 y 924) de unas barras de prueba SX NNS DL-10 a unos parametros de colada de 20 CMSX-4® por Rolls-Royce Corporation (SCFO). El rendimiento de una barra de prueba dL-10 de 22 totalmente aceptables de un total de 24 piezas de fundicion fue excelente.
Estas barras de prueba DL-10 se disolvieron/homogeneizaron + trataron termicamente y envejecieron doblemente en Muskegon-Corporacion de la siguiente manera - en base a estudios solubilizacion/homogeneizacion en barras de 25 prueba CMSX®-7 Mod B.
Solucion y homogeneizacion
• 2 hrs / 2360°F (1293°C) + 2 hrs / 2370°F (1299°C)
+ 2 hrs / 2380°F (1304°C) + 12 hrs / 2390°F (1310°C) AC - aumento gradual en 1°F/min 5
• Tratamiento termico con doble envejecimiento
4 hrs / 2050°F (1121°C) AC
+ 20 hrs/1600°F (871°C) AC
10 La obtencion de una microestructura aceptable es evidente en las figuras 14 y 15, una solubilizacion y' casi
completa, restos eutecticos y /y', *sin fusion incipiente y y' cubico, alineado de aproximadamente 0,45 |im promedio, lo que indica un desajuste y/y' apropiado y una qmmica interfacial y/y', tras el envejecimiento a alta temperatura de 4 h/ 2050°F (1121°C).
15 Las propiedades de rotura por fluencia de CMSX®-7 Mod B son muy similares a las de CMSX®-7, sin ventaja aparente (Tabla 7).
Se muestran microestructuras posteriores a la prueba de una prueba de rotura por esfuerzo a alta temperatura de plazo mas largo [2000°F/12 ksi (1093°C / 83 MPa) /1176,5 horas] (figuras 19A-19C) que presentan una buena
20 estabilidad de fase, con una fase TCP insignificante ("agujas") aparente, combinado con una buena longevidad a la rotura y ductilidad de rotura (34% de alargamiento (4D)) y 42% RA (figuras 19A-20C).

Claims (6)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    REIVINDICACIONES
    1. Superaleacion a base de mquel para pieza de fundicion monocristalina, que comprende:
    entre un 5,60% y un 5,85% de aluminio en peso; entre un 9,4% y un 9,9% de cobalto en peso; entre un 5,0% y un 6,0% de cromo en peso; entre un 0,08% y un 0,35% de hafnio en peso; entre un 0,50% y un 0,70% de molibdeno en peso; entre un 8,0% y un 9,0% de tantalo en peso; entre un 0,60% y un 0,90% de titanio en peso; entre un 8,5% y un 9,8% de tungsteno en peso; y
    comprendiendo el resto mquel y cantidades menores de elementos opcionales sustancialmente menor de un 1% en peso,
    en el que los elementos opcionales se controlan a maximos de 100 de manganeso, 3 ppm de azufre, 30 ppm de fosforo, 30 ppm de boro, un 0,1% de niobio, 150 ppm de zirconio, un 0,15% de renio, un 0,01% de cobre, un 0,15% de hierro, un 0,1% de vanadio, un 0,1% de rutenio, un 0,15% de platino, un 0,15% de paladio, 200 ppm de magnesio, 5 ppm de nitrogeno, 5 ppm de oxfgeno, 2 ppm de plata, 0,2 ppm de bismuto, 10 ppm de galio, 25 ppm de calcio, 1 ppm de plomo, 0,5 ppm selenio, 0,2 ppm de telurio, 0,2 ppm de talio, 10 ppm de estano, 2 ppm de antimonio, 2 ppm de arsenico, 5 ppm de cinc, 2 ppm de mercurio, 2 ppm de cadmio, 2 ppm de germanio, 2 ppm de oro, 2 ppm de indio, 20 ppm de sodio, 10 ppm de potasio, 10 ppm de bario, 2 ppm de uranio, lantano e itrio en una cantidad total entre 5 y 80 ppm, y 2 ppm de torio.
  2. 2. Superaleacion a base de mquel para pieza de fundicion monocristalina de acuerdo con la reivindicacion 1, conteniendo dicha superaleacion a base de mquel una cantidad maxima de azufre de 0,5 ppm, y comprendiendo ademas una cantidad de lantano e itrio que esta dirigida para conseguir un contenido de lantano e itrio que es entre 5 ppm y 80 ppm en una pieza de fundicion monocristalina.
  3. 3. Superaleacion a base de mquel para pieza de fundicion monocristalina de acuerdo con la reivindicacion 1, que tiene una densidad de aproximadamente 8,8 gms/cc (kg/dm3).
  4. 4. Componente monocristalino fundido a partir de una aleacion de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3.
  5. 5. Componente monocristalino de acuerdo con la reivindicacion 4, que es un componente de una turbina de gas.
  6. 6. Componente monocristalino de acuerdo con la reivindicacion 4, que es un alabe, una pala, o un segmento de sellado para una turbina de gas.
    opcionales, siendo la cantidad total de elementos ppm de carbono, un 0,04% de silicio, un 0,01%
ES12174283.7T 2011-11-17 2012-06-29 Superaleación monocristalina libre de renio para álabes de turbinas y aplicaciones de palas Active ES2580955T3 (es)

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