RU2149202C1 - Article for direction of hot oxidizing gas - Google Patents
Article for direction of hot oxidizing gas Download PDFInfo
- Publication number
- RU2149202C1 RU2149202C1 RU98104113/02A RU98104113A RU2149202C1 RU 2149202 C1 RU2149202 C1 RU 2149202C1 RU 98104113/02 A RU98104113/02 A RU 98104113/02A RU 98104113 A RU98104113 A RU 98104113A RU 2149202 C1 RU2149202 C1 RU 2149202C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- product according
- aluminum
- alloy
- gallium
- cobalt
- Prior art date
Links
Landscapes
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к изделию для направления горячего окисляющего газа с подверженной воздействию газа поверхностью, образованной сплавом, который содержит следующие существенные весовые доли: 10 - 40% хрома, по выбору другие элементы, среди них алюминий 0 - 20%, кремний 0 - 10%, реактивные элементы из группы, включающей иттрий, скандий и редкоземельные элементы, а также остаток, в последующем называемый также основой, из одного элемента или нескольких элементов из группы, включающей железо, кобальт и никель. The invention relates to a product for directing hot oxidizing gas with a gas-exposed surface formed by an alloy that contains the following substantial weight fractions: 10-40% chromium, optionally other elements, among them aluminum 0-20%, silicon 0-10%, reactive elements from the group consisting of yttrium, scandium and rare earth elements, as well as a residue, hereinafter also referred to as the base, from one element or several elements from the group including iron, cobalt and nickel.
Изобретение относится, в частности, к изделию для направления горячего окисляющего газа, причем газ имеет свойства, которые обычно присутствуют в случае дымового газа в газовой турбине; изобретение относится в этой связи, в частности, к детали, которая служит в газовой турбине для направления дымового газа. Этой деталью может быть рабочая лопатка, направляющая лопатка, теплозащитный экран или другая подверженная высокой термической нагрузке деталь газовой турбины. Особенно во внимание принимается такая деталь, которая направляет в условиях эксплуатации дымовой газ со средней температурой больше 1000oC, в частности между 1200 и 1400oC.The invention relates in particular to an article for directing hot oxidizing gas, the gas having properties that are typically present in the case of flue gas in a gas turbine; The invention relates in this regard, in particular, to a part that serves in a gas turbine to direct flue gas. This part may be a working blade, a guide blade, a heat shield or another part of a gas turbine subject to high thermal stress. Particularly taken into account is such a detail that directs flue gas with an average temperature of more than 1000 o C, in particular between 1200 and 1400 o C.
Сплав в изделии является, в частности, сплавом типа MCrAlY, причем М обозначает основу сплава и является по меньшей мере одним элементом из группы, содержащей железо, кобальт и никель, и причем сплав отличается далее другими существенными весовыми долями хрома, алюминия и иттрия или эквивалентного иттрию элемента, выбранного из группы, охватывающей скандий, а также редкоземельные элементы. Сплав типа MCrAlY может содержать также другие элементы; в качестве примера следует назвать рений. The alloy in the product is, in particular, an alloy of the type MCrAlY, where M denotes the basis of the alloy and is at least one element from the group consisting of iron, cobalt and nickel, and wherein the alloy is further distinguished by other significant weight fractions of chromium, aluminum and yttrium or equivalent yttrium of an element selected from the group consisting of scandium, as well as rare earth elements. An alloy of type MCrAlY may also contain other elements; Rhenium should be mentioned as an example.
Изобретение относится также к изделию с подложкой из суперсплава на основе никеля или на основе кобальта, например к лопатке газовой турбины, или другой подверженной высокой термической или химической нагрузке детали газовой турбины, которая содержит защитный слой из сплава названного типа. The invention also relates to an article with a nickel or cobalt-based superalloy substrate, for example, a gas turbine blade or other gas turbine component subject to high thermal or chemical loading, which contains a protective layer of an alloy of the type mentioned.
Подложки для изделий, подверженных высокой термической и химической нагрузке, которые встроены, например, в газовые турбины, изготавливают предпочтительно из суперсплавов на основе никеля или кобальта, в зависимости от примененного суперсплава литьем или ковкой. При литье подобной подложки можно при известных обстоятельствах обращаться к технике, известной как "направленное затвердевание" и дающей подложку с анизотропной и/или пространственно упорядоченной структурой, в частности монокристаллической структурой. Вообще соответствующие суперсплавы отличаются в принципе великолепными механическими свойствами при температурах, появляющихся во время эксплуатации изготовленных из них изделий; их химические свойства, однако, таковы, что они требуют особых мер для защиты от коррозии. Чтобы предоставить такую защиту, были разработаны специальные защитные слои для суперсплавов, в частности защитные слои из сплавов типа MCrAlY. Substrates for products subject to high thermal and chemical loads, which are integrated, for example, in gas turbines, are preferably made from superalloys based on nickel or cobalt, depending on the applied superalloy by casting or forging. When casting such a substrate, under certain circumstances, you can turn to the technique known as "directional solidification" and giving a substrate with an anisotropic and / or spatially ordered structure, in particular a single-crystal structure. In general, the corresponding superalloys are distinguished in principle by excellent mechanical properties at temperatures that appear during the operation of products made from them; their chemical properties, however, are such that they require special measures to protect against corrosion. To provide such protection, special protective layers for superalloys have been developed, in particular protective layers of MCrAlY alloys.
Типичные защитные слои такого рода известны из ЕР-0412397 A1. В этом документе описан защитный слой с высокой стойкостью к коррозии и окислению, который отличается тем, что он содержит весовую долю рения. Защитный слой содержит, в частности, весовые доли следующих элементов: 1-20% рения, 22-50% хрома, 0-15% алюминия, причем весовые доли хрома и алюминия вместе составляют по меньшей мере 25% и самое большее 53%, 0,3 - 2% иттрия или другого эквивалентного иттрию элемента, а также 0-3% кремния. Основа образующего защитный слой сплава состоит из по меньшей мере одного из элементов: железо, никель и кобальт, и наряду с этим из обусловленных изготовлением загрязнений в обычных весовых долях. По выбору защитный слой может содержать дополнительно весовые доли следующих элементов: гафний до 5%, вольфрам до 12%, марганец до 10%, тантал до 5%, титан до 5%, ниобий до 4% и цирконий до 2%. Сумма весовых долей этих элементов должна составлять максимально 15%. Typical protective layers of this kind are known from EP-0412397 A1. This document describes a protective layer with high resistance to corrosion and oxidation, which is characterized in that it contains a weight fraction of rhenium. The protective layer contains, in particular, the weight fractions of the following elements: 1-20% rhenium, 22-50% chromium, 0-15% aluminum, and the weight fractions of chromium and aluminum together comprise at least 25% and at most 53%, 0 , 3 - 2% yttrium or other element equivalent to yttrium, as well as 0-3% silicon. The basis of the protective layer forming the alloy consists of at least one of the elements: iron, nickel and cobalt, and at the same time from contaminations caused by the manufacture in ordinary weight fractions. Optionally, the protective layer may additionally contain weight fractions of the following elements: hafnium up to 5%, tungsten up to 12%, manganese up to 10%, tantalum up to 5%, titanium up to 5%, niobium up to 4% and zirconium up to 2%. The sum of the weight fractions of these elements should be a maximum of 15%.
Другие составы защитных слоев из сплавов типа MCrAlY описаны в EP 0532150 A1, причем в качестве основы сплава соответственно применяют никель. Наряду с постоянно присутствующими элементами: кобальт, хром и алюминий, в качестве дополнительных элементов могут использоваться элементы рений, гафний, иттрий, кремний, цирконий, углерод и бор. В любом случае весовая доля алюминия в таком сплаве лежит между 6 и 12%. Other compositions of the protective layers of MCrAlY alloys are described in EP 0532150 A1, whereby nickel is suitably used as the base of the alloy. Along with constantly present elements: cobalt, chromium and aluminum, elements of rhenium, hafnium, yttrium, silicon, zirconium, carbon and boron can be used as additional elements. In any case, the weight fraction of aluminum in such an alloy lies between 6 and 12%.
В патенте США 4451299 описаны защитные слои типа MCrAlY или MCrAlHf (Hf обозначает гафний, который при известных обстоятельствах может заменять иттрий), которые содержат весовые доли алюминия между 7 и 20%. Никель, кобальт и железо или смеси из по меньшей мере двух этих элементов могут рассматриваться в качестве основ для описанных сплавов. Дополнительно могут иметься весовые доли до 10% элементов платина, рений, кремний, тантал и марганец. Изготовленные из сплавов защитные слои должны быть пригодными для диапазона температур между 650 и 820oC.US Pat. No. 4,451,299 describes protective layers of the type MCrAlY or MCrAlHf (Hf denotes hafnium, which under certain circumstances may replace yttrium), which contain weight fractions of aluminum between 7 and 20%. Nickel, cobalt and iron or mixtures of at least two of these elements can be considered as the basis for the described alloys. Additionally, weight fractions of up to 10% of the elements platinum, rhenium, silicon, tantalum and manganese may be present. Protective layers made of alloys should be suitable for a temperature range between 650 and 820 o C.
В ЕР 0207874 A2 указан состав для сплава, который содержит следующие весовые доли: 7,5 - 11% алюминия, 9 - 16% хрома, 2 - 8% тантала, 0 - 25% кобальта, и основой которого по существу является никель. Такой защитный слой, нанесенный на подложку из соответственно выбранного суперсплава, должен обладать особенно высокой диффузионной стабильностью. EP 0 087 874 A2 discloses a composition for an alloy that contains the following weight fractions: 7.5 to 11% aluminum, 9 to 16% chromium, 2 to 8% tantalum, 0 to 25% cobalt, and which is essentially based on nickel. Such a protective layer deposited on a substrate from a suitably selected superalloy should have a particularly high diffusion stability.
Диффузионная стабильность должна заключаться в том, что между подложкой и нанесенным на нее защитным слоем образуется только небольшая зона диффузии, в которой смешиваются элементы подложки с элементами из защитного слоя. За счет этого достигается, что в любом случае в подложку диффундирует несущественная доля алюминия из защитного слоя, за счет чего защитный слой мог бы терять способность к образованию пленки оксида алюминия на его поверхности, существенной для устойчивости к окислению. Diffusion stability should consist in the fact that only a small diffusion zone is formed between the substrate and the protective layer deposited on it, in which the elements of the substrate are mixed with elements from the protective layer. Due to this, it is achieved that in any case, an insignificant proportion of aluminum from the protective layer diffuses into the substrate, due to which the protective layer could lose the ability to form an aluminum oxide film on its surface, which is essential for oxidation stability.
Патент США 4321311 касается соответственно изделия в форме компоненты газовой турбины, состоящей из подложки из суперсплава, расположенного на ней металлического защитного слоя типа MCrAlY и расположенного на нем керамического слоя со столбчатой кристаллической структурой, который служит в качестве так называемого термоизолирующего слоя. За счет этого термоизолирующего слоя можно повысить предельную допускаемую термическую нагрузку изделия, так как термоизолирующий слой воспринимает большую разницу температур и таким образом препятствует, чтобы металлические части изделия чрезмерно нагружались. Термоизолирующий слой связан с изделием через тонкую пленку из оксида алюминия, которая образуется за счет поверхностного окисления металлического защитного слоя. Это поверхностное окисление может производиться до или после нанесения керамического слоя. U.S. Patent 4,331,311 relates respectively to an article in the form of a gas turbine component, consisting of a superalloy substrate, a metal protective layer of the MCrAlY type located on it and a ceramic layer with a columnar crystalline structure located on it, which serves as the so-called thermally insulating layer. Due to this thermally insulating layer, the maximum allowable thermal load of the product can be increased, since the thermally insulating layer perceives a large temperature difference and thus prevents the metal parts of the product from being overloaded. The thermally insulating layer is connected to the product through a thin film of aluminum oxide, which is formed due to surface oxidation of the metal protective layer. This surface oxidation may occur before or after the application of the ceramic layer.
Патент США 5262245 описывает попытку такого изменения суперсплава для изделия обсуждаемого вида, чтобы он сам был способен к образованию тонкой пленки оксида алюминия на своей поверхности и тем самым делал бы не нужным применение металлического защитного слоя для закрепления керамического слоя, как это описано выше. U.S. Patent 5,262,245 describes an attempt to alter the superalloy for a product of the kind under discussion so that it is capable of forming a thin film of alumina on its surface and thereby makes it unnecessary to use a metal protective layer to fix the ceramic layer, as described above.
Патент США 3134670 описывает защищенные относительно коррозии сплавы, которые состоят главным образом из железа, кобальта или никеля и которые отличаются добавкой галлия. Сплавы должны использоваться для изготовления коронок, пломб и тому подобного в зубной технике, а также для изготовления предметов домашнего хозяйства, как например столовых приборов. За счет добавки галлия должна улучшаться обрабатываемость резанием и способность к полировке сплава, без ухудшения его твердости и вязкости. Добавка галлия должна также улучшать способность сплава к разливке и способствовать возникновению тонкозернистой структуры. При этом нет никакого указания на использование описанного сплава в рамках явно высокотемпературного применения. US Pat. No. 3,134,670 describes corrosion-protected alloys that consist mainly of iron, cobalt or nickel and which are distinguished by the addition of gallium. Alloys should be used for the manufacture of crowns, fillings, and the like in dental technology, as well as for the manufacture of household items such as cutlery. Due to the addition of gallium, machinability by cutting and the ability to polish the alloy should be improved, without impairing its hardness and toughness. The addition of gallium should also improve the castability of the alloy and contribute to the appearance of a fine-grained structure. However, there is no indication of the use of the described alloy in the context of a clearly high-temperature application.
Образование защитной оксидной пленки на поверхности защитного слоя для сплава в связи с изделием вышеописанного типа является важной функцией. Так как такая оксидная пленка во время эксплуатации постоянно снашивается, она нуждается в постоянном обновлении. Это обновление происходит за счет постоянного окисления алюминия, который диффундирует из защитного слоя к поверхности, реагирует там с кислородом и таким образом восполняет пленку. Максимальный срок службы защитного слоя соответственно оценивается по содержанию в нем алюминия, так как с потерей алюминия защитный слой теряет способность к образованию защитной оксидной пленки и тем самым свое защитное действие. С точки зрения долговечности таким образом высокая весовая доля алюминия в сплаве является желательной для защитного слоя. The formation of a protective oxide film on the surface of the protective layer for the alloy in connection with an article of the type described above is an important function. Since such an oxide film is constantly worn out during operation, it needs to be constantly updated. This update occurs due to the constant oxidation of aluminum, which diffuses from the protective layer to the surface, reacts there with oxygen and thus makes up the film. The maximum service life of the protective layer is accordingly estimated by the aluminum content in it, since with the loss of aluminum the protective layer loses the ability to form a protective oxide film and thereby its protective effect. From the point of view of durability, thus a high weight fraction of aluminum in the alloy is desirable for the protective layer.
Высокая весовая доля алюминия приводит, однако, к тому, что сплав становится хрупким. Дело в том, что алюминий накапливается в сплаве не в элементарной форме, а по меньшей мере в значительной доле, в виде интерметаллических соединений, в частности интерметаллических соединений из никеля и алюминия или кобальта и алюминия. В соответствии с этим весовая доля алюминия в предназначенном для защитного слоя сплаве должна быть ограничена в определенной степени. Эта степень определяется многими факторами, и примеси таких элементов, как рений, могут повышать максимально возможную весовую долю алюминия в сплаве. В качестве общего ориентировочного значения для верхней границы может рассматриваться весовая доля алюминия в 15%. Такая высокая весовая доля уже требует очень тщательных мер для согласования весовых долей остальных элементов в защитном слое, чтобы удерживать его хрупкость в приемлемых границах. The high weight fraction of aluminum, however, leads to the fact that the alloy becomes brittle. The fact is that aluminum does not accumulate in the alloy in elemental form, but at least in a significant proportion, in the form of intermetallic compounds, in particular intermetallic compounds of nickel and aluminum or cobalt and aluminum. Accordingly, the weight fraction of aluminum in the alloy intended for the protective layer should be limited to a certain extent. This degree is determined by many factors, and impurities of elements such as rhenium can increase the maximum possible weight fraction of aluminum in the alloy. As a general guideline value for the upper boundary, a weight fraction of aluminum of 15% can be considered. Such a high weight fraction already requires very careful measures to coordinate the weight fractions of the remaining elements in the protective layer in order to keep its fragility within acceptable boundaries.
Подобные проблемы, как с алюминием, имеются также в случае элемента кремний, который является известным в качестве составной части защитных слоев и который также может образовывать защитную оксидную пленку на сплаве. Однако высокие добавки кремния также охрупчивают сплав, так что также весовая доля кремния не должна превышать известную границу. Для кремния весовые доли в большинстве случаев составляют меньше 1%. Similar problems, as with aluminum, are also present in the case of the silicon element, which is known as an integral part of the protective layers and which can also form a protective oxide film on the alloy. However, high silicon additives also embrittle the alloy, so that the weight fraction of silicon should not exceed the known boundary. For silicon, the weight fractions in most cases are less than 1%.
С учетом изображенной проблематики задачей изобретения является указание альтернативы для до сих пор известных и опробованных изделий для направления горячих окисляющих газов, причем должен использоваться сплав, который сохраняет преимущества, достигаемые за счет добавки алюминия и/или кремния, в частности способность к образованию защитной окисной пленки, однако, избегает опасности охрупчивания, которая всегда имеет место для до сих пор известных составов. In view of the illustrated problems, the object of the invention is to indicate an alternative for hitherto known and tested products for directing hot oxidizing gases, and an alloy must be used that retains the advantages achieved by the addition of aluminum and / or silicon, in particular, the ability to form a protective oxide film however, it avoids the danger of embrittlement, which is always the case with hitherto known formulations.
Для решения этой задачи согласно изобретения указано изделие для направления горячего окисляющего газа с подверженной воздействию газа поверхностью, образованной сплавом, который содержит следующие весовые доли, %:
Хром - 10-40
Галлий - 1-20
Алюминий - 0-20
Кремний - 0-10
Реактивный элемент из группы, охватывающей иттрий, скандий и редкоземельные элементы - 0-2
Гафний - 0-5
Марганец - 0-10
Ниобий - 0-4
Платина - 0-10
Рений - 0-20
Тантал - 0-10
Титан - 0-5
Вольфрам - 0-12
Цирконий - 0-2
основа - по меньшей мере один элемент из группы, охватывающей железо, кобальт и никель.To solve this problem, according to the invention, an article is indicated for directing a hot oxidizing gas with a gas-exposed surface formed by an alloy that contains the following weight fractions,%:
Chrome - 10-40
Gallium - 1-20
Aluminum - 0-20
Silicon - 0-10
A reactive element from the group consisting of yttrium, scandium and rare earth elements - 0-2
Hafnium - 0-5
Manganese - 0-10
Niobium - 0-4
Platinum - 0-10
Rhenium - 0-20
Tantalum - 0-10
Titanium - 0-5
Tungsten - 0-12
Zirconium - 0-2
base - at least one element from the group consisting of iron, cobalt and nickel.
Разумеется, что в сплаве приходится считаться с присутствием обычных, обусловленных изготовлением загрязнений в обычных долях. В качестве примера для таких загрязнений без притязания на полноту следует назвать фосфор и серу. Of course, in the alloy one has to reckon with the presence of conventional contaminants due to the manufacture of contaminants in ordinary fractions. Phosphorus and sulfur should be mentioned as an example for such contaminants without claiming completeness.
Соответствующая изобретению добавка галлия к сплаву может обеспечивать желательную стойкость к окислению, причем галлий полностью или частично замещает необходимый до сих пор алюминий или кремний. За счет этого получается сплав, который при весовой доле алюминия значительно ниже 15%, может иметь стойкость к окислению известного сплава с весовой долей алюминия выше 15%, причем пластичность (дуктильность, противоположность "хрупкости") содержащего галлий сплава, однако, является значительно лучше. According to the invention, the addition of gallium to the alloy can provide the desired oxidation resistance, wherein gallium completely or partially replaces the hitherto necessary aluminum or silicon. Due to this, an alloy is obtained which, when the weight fraction of aluminum is significantly lower than 15%, can have oxidation resistance of the known alloy with a weight fraction of aluminum higher than 15%, and the ductility (ductility, the opposite of “brittleness”) of the gallium-containing alloy, however, is much better .
Как алюминий и кремний, галлий также имеет способность образовывать защитную пленку из хорошо сцепляющегося оксида на поверхности сплава, если эта поверхность подвергается воздействию кислорода, при необходимости при повышенной температуре. Предпочтительным при этом является близкое химическое сродство галлия к алюминию и кремнию. Галлий образует очень стабильный оксид (Ca2O3) с энтальпией образования 1815 кДж/моль. Для оксида алюминия (Al2O3) и диоксида кремния (SiO2) эта энтальпия образования лежит при 1675 или, соответственно, 860 кДж/моль. К тому же точка плавления оксида галлия при 1725oC лежит очень высоко и является сравнимой с точкой плавления оксида алюминия при 2045oC и диоксида кремния при 1713oC.Like aluminum and silicon, gallium also has the ability to form a protective film of well-bonding oxide on the surface of the alloy, if this surface is exposed to oxygen, if necessary at elevated temperatures. In this case, a close chemical affinity of gallium for aluminum and silicon is preferred. Gallium forms a very stable oxide (Ca 2 O 3 ) with an enthalpy of formation of 1815 kJ / mol. For alumina (Al 2 O 3 ) and silicon dioxide (SiO 2 ), this formation enthalpy lies at 1675 or, respectively, 860 kJ / mol. In addition, the melting point of gallium oxide at 1725 o C lies very high and is comparable to the melting point of alumina at 2045 o C and silicon dioxide at 1713 o C.
Галлий образует с никелем интерметаллические соединения, в частности интерметаллическое соединение NiGa, которое по всем рассматриваемым свойствам является сходным с интерметаллическими соединениями из никеля и алюминия; в частности, может происходить образование интерметаллических соединений из никеля, галлия и алюминия, например NiGaAl. Для химических систем, которые содержат кобальт и галлий, а также возможно алюминий, следует ожидать подобных условий, вследствие большого химического сходства кобальта и никеля; также для систем с железом и галлием, а также возможно алюминием, следует рассчитывать на сравнимые условия. Во всяком случае слишком летучий в чистом виде галлий может откладываться в сплаве в виде интерметаллического соединения и таким образом иметься в распоряжении для образования стабильного оксида на поверхности сплава при повышенных температурах. Gallium forms intermetallic compounds with nickel, in particular NiGa intermetallic compound, which in all considered properties is similar to intermetallic compounds of nickel and aluminum; in particular, the formation of intermetallic compounds from nickel, gallium and aluminum, for example NiGaAl, can occur. For chemical systems that contain cobalt and gallium, as well as possibly aluminum, similar conditions should be expected, due to the great chemical similarity of cobalt and nickel; also for systems with iron and gallium, as well as possibly aluminum, you should count on comparable conditions. In any case, too pure gallium in its pure form can be deposited in the alloy as an intermetallic compound and thus be available to form a stable oxide on the surface of the alloy at elevated temperatures.
Весовая доля хрома в соответствующем изобретению сплаве лежит между 10 и 40%. The weight fraction of chromium in the alloy according to the invention lies between 10 and 40%.
Весовая доля алюминия в сплаве, который образует поверхность соответствующего изобретению изделия, составляет предпочтительно до 10%. Таким образом, в частности, обеспечивается, что это не может приводить к нежелательному охрупчиванию сплава за счет алюминия. The weight fraction of aluminum in the alloy that forms the surface of the product of the invention is preferably up to 10%. Thus, in particular, it is ensured that this cannot lead to undesirable embrittlement of the alloy due to aluminum.
Из соображения по аналогии, как только что пояснялось, весовая доля кремния в сплаве соответствующего изобретению изделия предпочтительно ограничена значением до 2%. For reasons of analogy, as just explained, the weight fraction of silicon in the alloy of the product of the invention is preferably limited to 2%.
Также предпочтительным является, что сплав изделия содержит весовую долю реактивного элемента из группы, охватывающей иттрий, скандий и редкоземельные металлы. Действие таких реактивных элементов является хорошо известным из практики со сплавами MCrAlY и соответствующим образом ожидается также для сплава в данной связи. Реактивным элементом является предпочтительно иттрий, и его весовая доля составляет до 2%. It is also preferred that the alloy of the product contains a weight fraction of a reactive element from the group consisting of yttrium, scandium and rare earth metals. The action of such reactive elements is well known in practice with MCrAlY alloys and is accordingly also expected for an alloy in this regard. The reactive element is preferably yttrium, and its weight fraction is up to 2%.
Также предпочтительным является, что основа содержит кобальт и/или никель, однако не содержит железа. Также и это известно из соответствующей практики со сплавами MCrAlY. It is also preferred that the base contains cobalt and / or nickel, but does not contain iron. This is also known from relevant practice with MCrAlY alloys.
Далее сплав изделия предпочтительно содержит весовую долю алюминия, так что галлий проявляет действие наряду с алюминием. Весовая доля алюминия составляет предпочтительно до 10%, так как галлий, по меньшей мере частично, поддерживает и дополняет действие алюминия. В этом смысле весовая доля алюминия предпочтительно является больше, чем весовая доля галлия, причем кроме того сумма весовых долей алюминия или, соответственно, галлия предпочтительно составляет до 20%. Further, the alloy of the article preferably contains a weight fraction of aluminum, so that gallium acts along with aluminum. The weight fraction of aluminum is preferably up to 10%, since gallium, at least partially, supports and complements the action of aluminum. In this sense, the weight fraction of aluminum is preferably greater than the weight fraction of gallium, moreover, the sum of the weight fractions of aluminum or, accordingly, gallium is preferably up to 20%.
В принципе является предпочтительным, что весовая доля галлия в сплаве составляет до 15%. In principle, it is preferable that the weight fraction of gallium in the alloy is up to 15%.
Кроме того, является предпочтительной дальнейшая форма развития изделия, при которой сплав содержит весовую долю рения. При этом весовая доля рения составляет в частности до 20%, предпочтительно до 15%. In addition, a further form of product development is preferred in which the alloy contains a weight fraction of rhenium. The weight fraction of rhenium is in particular up to 20%, preferably up to 15%.
Другая форма дальнейшего развития изделия отличается тем, что она имеет поверхность, которая, по меньшей мере частично, покрыта пленкой, состоящей из оксида галлия. Another form of further development of the product is characterized in that it has a surface that is at least partially coated with a film consisting of gallium oxide.
Особенно предпочтительная форма выполнения изделия отличается сплавом с основой никеля и весовыми долями следующих элементов: кобальт 5-20%, хром 20-30%, алюминий 5-12%, галлий 3-8%, иттрий 0,2-1%, а также рений 0-5%. Разумеется, что следует учитывать присутствие обусловленных изготовлением загрязнений в обычных весовых долях, возможны также весовые доли других элементов и добавки. A particularly preferred embodiment of the product is characterized by an alloy with a nickel base and weight fractions of the following elements: cobalt 5-20%, chromium 20-30%, aluminum 5-12%, gallium 3-8%, yttrium 0.2-1%, and rhenium 0-5%. Of course, the presence of contaminants due to the manufacture in ordinary weight fractions should be taken into account; weight fractions of other elements and additives are also possible.
Особенно предпочтительный состав для только что описанного сплава отличается следующими весовыми долями: кобальт 8-16%, хром 21-27%, алюминий 6-10%, галлий 4-6%, иттрий 0,4-0,8%, а также рений 2-4%. A particularly preferred composition for the alloy just described is characterized by the following weight fractions: cobalt 8-16%, chromium 21-27%, aluminum 6-10%, gallium 4-6%, yttrium 0.4-0.8%, and rhenium 2-4%.
Любой из описанных сплавов может иметь дополнительно другие элементы, в частности: гафний 0-5%, вольфрам 0-12%, марганец 0-10%, тантал 0-5%, титан 0-5%, ниобий 0-4%, а также цирконий 0-2%. Any of the described alloys may additionally have other elements, in particular: hafnium 0-5%, tungsten 0-12%, manganese 0-10%, tantalum 0-5%, titanium 0-5%, niobium 0-4%, and also zirconium 0-2%.
Сплав в изделии является предпочтительным образом защитным слоем на металлической подложке, в частности, на подложке из суперсплава на основе никеля или на основе кобальта. Подложкой при этом является, в частности, деталь для направления горячего окисляющего газа, в частности, в газовой турбине. The alloy in the product is preferably a protective layer on a metal substrate, in particular on a substrate of a superalloy based on nickel or on the basis of cobalt. In this case, the substrate is, in particular, a part for guiding the hot oxidizing gas, in particular in a gas turbine.
На защитный слой изделия далее предпочтительно нанесен газопроницаемый керамический слой, причем этот керамический слой имеет, в частности, столбчатую кристаллическую структуру. Такой керамический слой предусмотрен, в частности, в качестве теплоизолирующего слоя для изделия в виде компоненты для газовой турбины, причем изделие во время своей эксплуатации подвержено воздействию температуры, которая существенно превышает 1000oC и в зависимости от применения может приближаться почти к точке плавления подложки. Керамический слой состоит предпочтительно из частично стабилизированного оксида циркония, то есть из материала, который кроме оксида циркония в качестве главной составляющей части содержит другой оксид, например оксид церия, оксид кальция, оксид иттрия или оксид магния. За счет примеси другого оксида кристаллическая структура оксида циркония стабилизируется и препятствует тому, что в оксиде циркония при термической нагрузке может произойти фазовый переход, при котором кристаллическая структура оксида циркония значительно изменяется. Кроме того керамический слой предпочтительно держится на содержащей оксид галлия, держащейся на поверхности пленке, которая образована окислением сплава до или после нанесения керамического слоя.The gas-permeable ceramic layer is further preferably applied to the protective layer of the article, this ceramic layer having, in particular, a columnar crystalline structure. Such a ceramic layer is provided, in particular, as a heat-insulating layer for the product in the form of a component for a gas turbine, and the product during its operation is exposed to a temperature that substantially exceeds 1000 o C and, depending on the application, can approach almost the melting point of the substrate. The ceramic layer preferably consists of partially stabilized zirconium oxide, that is, a material which, in addition to zirconium oxide, contains other oxide as the main constituent, for example cerium oxide, calcium oxide, yttrium oxide or magnesium oxide. Due to the admixture of another oxide, the crystalline structure of zirconium oxide is stabilized and prevents the phase transition in the zirconium oxide under thermal load, in which the crystal structure of zirconium changes significantly. In addition, the ceramic layer is preferably supported on a gallium oxide-containing film held on the surface, which is formed by oxidation of the alloy before or after application of the ceramic layer.
Для подложки, на которую должен наноситься сплав, предпочитают состав с основой никеля и дополнительными элементами в следующих весовых долях: 0,06-0,14% углерод, 10-20% хром, 6-11% кобальт, 1-3% молибден, 1-6 % вольфрам, 1-6% тантал, 0-2% ниобий, 1-6% алюминий, 1-6% титан, 0-0,3% бор и 0-0,2% цирконий. For the substrate on which the alloy is to be applied, a composition with a nickel base and additional elements in the following weight fractions is preferred: 0.06-0.14% carbon, 10-20% chromium, 6-11% cobalt, 1-3% molybdenum, 1-6% tungsten, 1-6% tantalum, 0-2% niobium, 1-6% aluminum, 1-6% titanium, 0-0.3% boron and 0-0.2% zirconium.
Далее следует описание предпочтительного примера выполнения изобретения:
На подложку в виде подверженной высокой термической, механической и коррозионной нагрузке компоненты газовой турбины, в частности турбинной лопатки для газовой турбины, которая при эксплуатации подвержена воздействию горячего дымового газа с температурой 1300oC или выше, наносят в качестве защитного слоя сплав, причем нанесение производят путем плазменного напыления в вакууме с обычными видами последующей обработки. Сплав имеет основой никель и содержит кроме того следующие весовые доли: 10% кобальта, 23% хрома, 8% алюминия, 5% галлия, 3% рения и 0,6% иттрия. Подложка состоит из суперсплава на основе никеля обычного вида; такие суперсплавы известны под марками IN 738 и PWA 1483.The following is a description of a preferred embodiment of the invention:
The components of a gas turbine, in particular a turbine blade for a gas turbine, which during operation is exposed to hot flue gas with a temperature of 1300 o C or higher, are applied to the substrate in the form of a high thermal, mechanical and corrosive load, and the alloy is applied as a protective layer, and the application is carried out by plasma spraying in vacuum with conventional post-treatment. The alloy is based on nickel and also contains the following weight fractions: 10% cobalt, 23% chromium, 8% aluminum, 5% gallium, 3% rhenium and 0.6% yttrium. The substrate consists of a nickel-based superalloy of the usual kind; such superalloys are known as IN 738 and PWA 1483.
Наряду с плазменным напылением в вакууме, другими возможностями для нанесения защитного слоя являются различные и известные сами по себе способы физического осаждения из паровой фазы (PVD) или соответственно химического осаждения из паровой фазы (CVD). Для нанесения керамического слоя на защитный слой используется, в частности, способ физического осаждения из паровой фазы (PVD). Along with plasma spraying in vacuum, other methods for applying a protective layer are various and known per se methods of physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD), respectively. For applying a ceramic layer to a protective layer, in particular, a physical vapor deposition (PVD) method is used.
Ожидается, что защитный слой во время эксплуатации, когда он нагружен содержащим кислород дымовым газом, покрывается пленкой, которая, по меньшей мере частично, состоит из оксида галлия. Кроме того, ожидается, что защитный слой при значительно большей долговечности по сравнению с защитным слоем, который не содержит галлия, зато содержит соответственно повышенную весовую долю алюминия, имеет улучшенную пластичность. Таким образом, защитный слой, содержащий галлий, значительно меньше подвержен растрескиванию, что имеет дополнительный очень положительный эффект для его долговечности. It is expected that the protective layer during operation, when it is loaded with oxygen-containing flue gas, is coated with a film, which, at least partially, consists of gallium oxide. In addition, it is expected that the protective layer with significantly greater durability compared to a protective layer that does not contain gallium, but contains a correspondingly increased weight fraction of aluminum, has improved ductility. Thus, the protective layer containing gallium is much less susceptible to cracking, which has an additional very positive effect for its durability.
За счет добавки галлия по сравнению со сплавами уровня техники ожидается значительно повышенная долговечность сплава. Если термическая нагрузка изделия во время его эксплуатации очень высока, образованная сплавом поверхность может быть снабжена керамическим покрытием, предпочтительно керамическим слоем со столбчатой кристаллической структурой и состоящим из частично стабилизированного оксида циркония. Слой при этом, в частности соединен с содержащей оксид галлия, образованной окислением сплава пленки, которая держится на поверхности. Due to the addition of gallium, compared with the prior art alloys, significantly increased alloy durability is expected. If the thermal load of the product during its operation is very high, the surface formed by the alloy can be provided with a ceramic coating, preferably a ceramic layer with a columnar crystalline structure and consisting of partially stabilized zirconium oxide. The layer in this case, in particular, is connected to a gallium oxide-containing film formed by oxidation of the alloy of the film, which is held on the surface.
Claims (16)
Хром - 10 - 40%
Галлий - 1 - 20%
Алюминий - 0 - 20%
Кремний - 0 - 10%
Реактивный элемент из группы, охватывающей скандий и редкоземельные элементы - 0 - 2%
Гафний - 0 - 5%
Марганец - 0 - 10%
Ниобий - 0 - 4%
Платина - 0 - 10%
Рений - 0 - 20%
Тантал - 0 - 10%
Титан - 0 - 5%
Вольфрам - 0 - 12%
Цирконий - 0 - 2%
а также остаток из одного элемента или нескольких элементов из группы, охватывающей железо, кобальт и никель, а также обусловленные изготовлением загрязнения.1. Product for directing hot oxidizing gas with a gas-exposed surface formed by an alloy that contains the following weight fractions:
Chrome - 10 - 40%
Gallium - 1 - 20%
Aluminum - 0 - 20%
Silicon - 0 - 10%
A reactive element from the group encompassing scandium and rare earth elements - 0 - 2%
Hafnium - 0 - 5%
Manganese - 0 - 10%
Niobium - 0 - 4%
Platinum - 0 - 10%
Rhenium - 0 - 20%
Tantalum - 0 - 10%
Titanium - 0 - 5%
Tungsten - 0 - 12%
Zirconium - 0 - 2%
as well as the remainder of one element or several elements from the group consisting of iron, cobalt and nickel, as well as contamination caused by the manufacture.
Кобальт - 5 - 20%
Хром - 20 - 30%
Алюминий - 5 - 12%
Галлий - 3 - 8%
Иттрий - 0,2 - 1%
Рений - 0 - 5%
13. Изделие по п.12, в котором сплав содержит следующие весовые доли:
Кобальт - 8 - 16%
Хром - 21 - 27%
Алюминий - 6 - 10%
Галлий - 4 - 6%
Рений - 2 - 4%
Иттрий - 0,4 - 0,8%
14. Изделие по любому из предыдущих пунктов, в котором сплав нанесен в качестве защитного слоя на металлической подложке, в частности на подложке из суперсплава на основе никеля или на основе кобальта.12. The product according to any one of the preceding paragraphs, in which the remainder of the alloy is Nickel and the alloy contains the following weight fractions:
Cobalt - 5 - 20%
Chrome - 20 - 30%
Aluminum - 5 - 12%
Gallium - 3 - 8%
Yttrium - 0.2 - 1%
Rhenium - 0 - 5%
13. The product according to item 12, in which the alloy contains the following weight fractions:
Cobalt - 8 - 16%
Chrome - 21 - 27%
Aluminum - 6 - 10%
Gallium - 4 - 6%
Rhenium - 2 - 4%
Yttrium - 0.4 - 0.8%
14. The product according to any one of the preceding paragraphs, in which the alloy is deposited as a protective layer on a metal substrate, in particular on a substrate of a superalloy based on nickel or on the basis of cobalt.
Углерод - 0,06 - 0,14%
Хром - 10 - 20%
Кобальт - 6 - 11%
Молибден - 1 - 3%
Вольфрам - 1 - 6%
Тантал - 1 - 6%
Ниобий - 0 - 2%
Алюминий - 1 - 6%
Титан - 1 - 6%
Бор - 0 - 0,3%
Цирконий - 0 - 0,2%18. The product according to any one of p. 14 - 17, in which the substrate has Nickel as the residue and contains the following weight fractions:
Carbon - 0.06 - 0.14%
Chrome - 10 - 20%
Cobalt - 6 - 11%
Molybdenum - 1 - 3%
Tungsten - 1 - 6%
Tantalum - 1 - 6%
Niobium - 0 - 2%
Aluminum - 1 - 6%
Titanium - 1 - 6%
Boron - 0 - 0.3%
Zirconium - 0 - 0.2%
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19530125.0 | 1995-08-16 | ||
| DE19615012.4 | 1996-04-16 | ||
| DE19615012A DE19615012A1 (en) | 1995-08-16 | 1996-04-16 | Product for carrying a hot, oxidizing gas |
| PCT/DE1996/001465 WO1997007252A1 (en) | 1995-08-16 | 1996-08-06 | Product used to guide a hot oxidizing gas |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU98104113A RU98104113A (en) | 1999-12-10 |
| RU2149202C1 true RU2149202C1 (en) | 2000-05-20 |
Family
ID=7791433
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU98104113/02A RU2149202C1 (en) | 1996-04-16 | 1996-08-06 | Article for direction of hot oxidizing gas |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2149202C1 (en) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8025984B2 (en) | 2003-10-17 | 2011-09-27 | Siemens Aktiengesellschaft | Protective layer for protecting a component against corrosion and oxidation at high temperatures, and component |
| RU2450067C1 (en) * | 2008-07-14 | 2012-05-10 | Сименс Акциенгезелльшафт | Nickel-based superalloy with strengthening gamma-line-phase |
| RU2454476C2 (en) * | 2006-09-15 | 2012-06-27 | Хэйнес Интернэшнл, Инк. | Cobalt alloy allowing pressure treatment (versions) |
| RU2475553C1 (en) * | 2012-01-25 | 2013-02-20 | Юлия Алексеевна Щепочкина | Alloy |
| RU2551744C2 (en) * | 2012-08-17 | 2015-05-27 | Альстом Текнолоджи Лтд | Nickel alloy resistant to oxidation |
| RU2655397C2 (en) * | 2014-02-11 | 2018-05-28 | Сименс Акциенгезелльшафт | Improved wear-resistance of high-temperature structural detail infused by cobalt coating |
| RU2660787C1 (en) * | 2017-12-19 | 2018-07-09 | Юлия Алексеевна Щепочкина | Corrosive-resistant alloy |
| RU2663953C1 (en) * | 2018-02-13 | 2018-08-13 | Юлия Алексеевна Щепочкина | Iron-based alloy |
| RU2697674C1 (en) * | 2019-05-24 | 2019-08-16 | Общество с ограниченной ответственностью "НТЦ "Современные технологии металлургии" (ООО "НТЦ"СТМ") | Heat-resistant nickel alloy |
| RU2749981C2 (en) * | 2016-10-25 | 2021-06-21 | Сафран | Nickel-based superalloy, single crystal blade and gas turbine engine |
| RU2760223C1 (en) * | 2018-11-08 | 2021-11-23 | Циндао Нпа Индастри Ко., Лтд. | Oxidation-resistant heat-resistant alloy and method for its production |
| RU2767961C1 (en) * | 2021-05-19 | 2022-03-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Cobalt-based alloy |
| RU2769330C1 (en) * | 2021-06-24 | 2022-03-30 | Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") | Cast heat-resistant nickel alloy with monocrystalline structure |
| RU2794497C1 (en) * | 2022-07-15 | 2023-04-19 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ВИАМ) | Heat-resistant nickel-based alloy and a product made from it |
-
1996
- 1996-08-06 RU RU98104113/02A patent/RU2149202C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8025984B2 (en) | 2003-10-17 | 2011-09-27 | Siemens Aktiengesellschaft | Protective layer for protecting a component against corrosion and oxidation at high temperatures, and component |
| RU2454476C2 (en) * | 2006-09-15 | 2012-06-27 | Хэйнес Интернэшнл, Инк. | Cobalt alloy allowing pressure treatment (versions) |
| RU2450067C1 (en) * | 2008-07-14 | 2012-05-10 | Сименс Акциенгезелльшафт | Nickel-based superalloy with strengthening gamma-line-phase |
| US8431073B2 (en) | 2008-07-14 | 2013-04-30 | Siemens Aktiengesellschaft | Nickel base gamma prime strengthened superalloy |
| RU2475553C1 (en) * | 2012-01-25 | 2013-02-20 | Юлия Алексеевна Щепочкина | Alloy |
| RU2551744C2 (en) * | 2012-08-17 | 2015-05-27 | Альстом Текнолоджи Лтд | Nickel alloy resistant to oxidation |
| RU2655397C2 (en) * | 2014-02-11 | 2018-05-28 | Сименс Акциенгезелльшафт | Improved wear-resistance of high-temperature structural detail infused by cobalt coating |
| US10100651B2 (en) | 2014-02-11 | 2018-10-16 | Siemens Aktiengesellschaft | Wear resistance of a high-temperature component imparted by a cobalt coating |
| RU2749981C2 (en) * | 2016-10-25 | 2021-06-21 | Сафран | Nickel-based superalloy, single crystal blade and gas turbine engine |
| US11220727B2 (en) | 2016-10-25 | 2022-01-11 | Safran | Superalloy based on nickel, monocrystalline blade and turbomachine |
| RU2660787C1 (en) * | 2017-12-19 | 2018-07-09 | Юлия Алексеевна Щепочкина | Corrosive-resistant alloy |
| RU2663953C1 (en) * | 2018-02-13 | 2018-08-13 | Юлия Алексеевна Щепочкина | Iron-based alloy |
| RU2760223C1 (en) * | 2018-11-08 | 2021-11-23 | Циндао Нпа Индастри Ко., Лтд. | Oxidation-resistant heat-resistant alloy and method for its production |
| RU2697674C1 (en) * | 2019-05-24 | 2019-08-16 | Общество с ограниченной ответственностью "НТЦ "Современные технологии металлургии" (ООО "НТЦ"СТМ") | Heat-resistant nickel alloy |
| RU2767961C1 (en) * | 2021-05-19 | 2022-03-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Cobalt-based alloy |
| RU2769330C1 (en) * | 2021-06-24 | 2022-03-30 | Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") | Cast heat-resistant nickel alloy with monocrystalline structure |
| RU2794497C1 (en) * | 2022-07-15 | 2023-04-19 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ВИАМ) | Heat-resistant nickel-based alloy and a product made from it |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2149202C1 (en) | Article for direction of hot oxidizing gas | |
| US7368177B2 (en) | Highly oxidation resistant component | |
| US4275124A (en) | Carbon bearing MCrAlY coating | |
| US4758480A (en) | Substrate tailored coatings | |
| JP3370676B2 (en) | Protective layer for protecting members against corrosion, oxidation and thermal overload, and method of manufacturing the same | |
| US4152488A (en) | Gas turbine blade tip alloy and composite | |
| US20030207151A1 (en) | Rhenium-containing protective layer for protecting a component against corrosion and oxidation at high temperatures | |
| US6221181B1 (en) | Coating composition for high temperature protection | |
| US8252430B2 (en) | Heat-resistant member | |
| US5599385A (en) | High temperature-resistant corrosion protection coating for a component, in particular a gas turbine component | |
| US5939204A (en) | Article for transporting a hot, oxidizing gas | |
| JPH03120327A (en) | Protective coat containing rhenium | |
| US20040180233A1 (en) | Product having a layer which protects against corrosion. and process for producing a layer which protects against corrosion | |
| US20140178245A1 (en) | Low Sulfur Nickel Base Substrate Alloy and Overlay Coating System | |
| US20060093850A1 (en) | Coating systems containing gamma-prime nickel aluminide coating | |
| JP2001507758A (en) | High temperature protective coating | |
| US6924046B2 (en) | Rhenium-containing protective layer for protecting a component against corrosion and oxidation at high temperatures | |
| JP2007031837A (en) | Refractory metal-intermetallic composite based on niobium silicide and its related article | |
| US6416882B1 (en) | Protective layer system for gas turbine engine component | |
| KR20060045542A (en) | Oxidation resistant superalloy and article | |
| JP2002155380A (en) | Oxidation-resistant coating and related articles and processes | |
| US6974638B2 (en) | Protective coating | |
| US4990308A (en) | Chromium containing high temperature Nb--Ti--Al alloy | |
| JPH09256138A (en) | Titanium-base alloy member excellent in oxidation resistance and wear resistance | |
| AU749803B2 (en) | Cobalt based alloy, article made from said alloy and method for making same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20030807 |