RU2523185C2

RU2523185C2 - Металлическое покрытие со связующим веществом с высокой температурой перехода гамма/гамма' и деталь

Info

Publication number: RU2523185C2
Application number: RU2012144794/02A
Authority: RU
Inventors: Ананд А. КУЛКАРНИ; Мл. Джонатан Е. ШИППЕР; Вернер ШТАММ
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2014-07-20
Also published as: US20130136648A1; RU2012144794A; JP2013522474A; CN102822365B; JP5615970B2; KR101661384B1; KR20130051442A; CN102822365A; US9133345B2; EP2550374A1; WO2011119145A1

Abstract

Изобретение относится к области металлургии, в частности к металлическому покрытию со связующим, и может быть использовано в качестве покрытия для детали газовой турбины. Металлическое покрытие из сплава на основе никеля для деталей газовых турбин содержит γ- и γ^'-фазы и, необязательно, β-фазу, при этом сплав содержит, вес.%: тантал 0,1-7,0, кобальт по меньшей мере 1, хром от 12 до 22, предпочтительно от 15 до 19, алюминий от 5 до 15, предпочтительно от 8 до 12, причем сплав предпочтительно не содержит кремний (Si), и/или гафний (Hf), и/или цирконий. Покрытие характеризуется высокими термомеханическими свойствами и стойкостью к окислению, а также длительным сроком службы. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к металлическому покрытию со связующим с γ- и γ′-фазами, а также детали газовой турбины, снабженной таким покрытием.

Детали для горячего газового тракта в газовых турбинах изготовлены из материалов на основе Ni или Со. Такие материалы оптимизируют на прочность, из-за чего они не способны противостоять воздействию окисления и/или коррозии при высоких температурах. Поэтому материалы такого рода необходимо защищать от окисления MCrAlY покрытиями, которые могут также использоваться в качестве покрытий со связующими для систем покрытий, создающих термический барьер (ТВС). В системах ТВС необходимо использовать MCrAlY покрытие против воздействия горячего газа с одной стороны, а с другой стороны, такое покрытие необходимо для сцепления ТВС с подложкой. Улучшение таких противоокислительных систем позволит повысить температуры технического обслуживания покрытий со связующими и увеличить срок их службы.

Для защиты материалов от горячей коррозии/окисления верхние MCrAlY покрытия в основном наносят плазменным напылением при низком давлении (LPPS), воздушно-плазменным напылением (APS), электронно-лучевым физическим осаждением из паровой фазы (EBPVD), холодным распылением (CS) или высокоскоростным кислородно-топливным (HVOF) способом. Основой для MCrAlY покрытия служит никель и/или кобальт, хром, алюминий, кремний, рений и редкоземельные элементы, такие как иттрий. При повышении температур покрытий со связующим такие покрытия могут нарушаться, что приводит к расщеплению создающего термический барьер покрытия. Поэтому при повышении температур технического обслуживания необходимы улучшенные покрытия, способные выдержать воздействие окисления. Кроме того, покрытия такого рода должны иметь приемлемые термомеханические свойства. Такие требования могут быть удовлетворены только благодаря оптимизации состава покрытия со связующим.

Поэтому целью настоящего изобретения является решение вышеупомянутой проблемы.

Данная проблема может быть решена благодаря использованию металлического покрытия или сплава по пункту 1 формулы изобретения и детали по пункту 12.

В зависимых пунктах формулы изобретения раскрыты дополнительные изменения, которые можно комбинировать одно с другим, получая дальнейшие преимущества.

В настоящем изобретении предлагается металлическое покрытие из сплава на основе никеля для деталей газовых турбин, содержащее γ- и γ′-фазы и, необязательно, β-фазу, характеризующееся тем, что сплав содержит, в вес.%:

тантал (Та) от 0,1 до 7,0,

кобальт (Со) по меньшей мере 1,

хром (Cr) от 12 до 22, предпочтительно - от 15 до 19;

алюминий (Al) от 5 до 15, предпочтительно - от 8 до 12;

причем сплав предпочтительно не содержит кремния (Si), гафния (Hf), и/или циркония (Zr).

Предпочтительно, содержание тантала в сплаве составляет >1% вес.

Сплав может дополнительно содержать по меньшей мере 0,1% вес. иттрия (Y).

Целесообразно, если содержание кобальта (Со) в сплаве составляет от 15% вес. до 30% вес., предпочтительно от 18% вес. до 27% вес., более предпочтительно от 21% вес. до 24% вес.

Также целесообразно, если содержание иттрия (Y) в сплаве составляет от 0,1% вес. до 0,7% вес.

Сплав металлического покрытия может дополнительно содержать (Re), в количестве от 0,1% вес. до 2% вес.

Предпочтительно сплав представляет собой сплав MCrAlY, где М - никель (Ni) и кобальт (Со). Также сплав может содержать β-фазу.

Целесообразно, если металлическое покрытие из сплава на основе никеля состоит из никеля (Ni), кобальта (Со), алюминия (Al), хрома (Cr), тантала (Та) и, необязательно, иттрия (Y).

В другом варианте металлическое покрытие может дополнительно содержать железо (Fe).

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается деталь газовой турбины, имеющая такое металлическое покрытие из сплава на основе никеля, содержащее γ- и γ′-фазы и, необязательно, β-фазу.

Прилагаемые чертежи иллюстрируют:

фигуры 1, 2 - фракцию γ′, γ и α-фазы в сплаве,

фигура 3 - лопасть турбины,

фигура 4 - газовую турбину и

фигура 5 - перечень суперсплавов.

Чертежи и описание представляют всего лишь описание вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фигура 3 иллюстрирует перспективный вид роторной лопасти 120 или направляющего листа 130 турбомашины, расположенной вдоль продольной оси 121.

Турбомашина может представлять собой газовую турбину самолета или вырабатывающей электричество электростанции, паровую турбину или компрессор.

Лопасть или лист 120, 130 состоит, подряд, вдоль продольной оси 121, из защитного участка 400, прилегающей к лопасти или листу платформы 403 и основной части 406 лопасти или листа, а также из кромки 415 лопасти или листа.

Лист 130 в качестве направляющего листа 130 может иметь дополнительную платформу (не показано) у кромки 415 листа.

Комель 183 лопатки или листа, используемый для прикрепления лопастей 120, 130 ротора к валу или диску (не показано), находится на защитном участке 400.

Комель 183 лопатки или листа имеет, например, вид головки молотка. Возможны также другие конфигурации, такие как елочный замок или замок типа «ласточкина хвоста». Лопасть или лист 120, 130 имеет ведущий край 409 и задний край 412 для текучей среды, протекающей мимо части 406 основной лопасти или листа.

При использовании традиционных лопастей или листов 120, 130 на всех участках 400, 403, 406 лопасти или листа 120, 130 в качестве примера используют твердые металлические материалы, в частности суперсплавы.

Суперсплавы подобного рода известны, например, из ЕР 1204776 В1, ЕР 1306454, ЕР 1319729 A1, WO 99/67435 или WO 00/44949.

В таком случае лопасть или лист 120, 130 может быть получен методом литья, а также в результате осуществления направленной кристаллизации, метода ковки, метода фрезерования или их сочетания.

Изделия с монокристаллической структурой или структурами используют в качестве деталей для механизмов, которые во время работы подвергаются сильным механическим, термическим и/или химическим напряжениям.

Монокристаллические изделия такого рода получают, например, в результате направленной кристаллизации из расплава. Она включает литье, при котором жидкий металлический сплав затвердевает, формируя монокристаллическую структуру, т.е. монокристаллическое изделие, или кристаллизуется направленно.

В таком случае дендритные кристаллы ориентированы вдоль направления теплового потока и формируют либо столбчатую кристаллическую структуру зерен (т.е. зерен, располагающихся по всей длине изделия и называемых здесь, согласно обычно используемой терминологии, «направленно кристаллизованными»), либо монокристаллическую структуру, т.е. все изделие состоит из одного монокристалла. Во время таких процессов необходимо избегать перехода к глобулярной (поликристаллической) кристаллизации, поскольку ненаправленный рост неизбежно образует поперечные и продольные границы, сводящие на нет положительные свойства направленно кристаллизованной или монокристаллической детали.

При описании в общих терминах направленно кристаллизованных микроструктур подразумеваются как монокристаллы, не имеющие никаких границ зерен или, как максимум, имеющие границы зерен с небольшими углами, так и столбчатые кристаллические структуры, имеющие границы зерен в продольном направлении, но не имеющие никаких поперечных границ зерен. Такой второй вид кристаллических структур также описан как направленно кристаллизованные микроструктуры (направленно кристаллизованные структуры).

Процессы такого рода известны из USA 6024792 и ЕР 0892090 А1.

Лопасти или листы 120, 130 могут также иметь покрытия, защищающие от коррозии или окисления, например, из MCrAlX (где М представляет собой по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из железа (Fe), кобальта (Со), никеля (Ni), Х представляет собой активный элемент, такой как иттрий (Y), и/или кремний, и/или по меньшей мере один редкоземельный элемент, или гафний (Hf)). Сплавы такого рода известны из ЕР 0486489 B1, ЕР 0786017 B1, ЕР 0412397 B1 или ЕР 13064454 А1, составляющих часть настоящего изобретения, касающуюся химического состава сплава.

Плотность предпочтительно составляет 95% от теоретической плотности.

На слое из MCrAlX (в качестве промежуточного слоя или верхнего слоя) формируется защитный слой оксида алюминия (TGO=слой термически выращенного оксида).

Термическое барьерное покрытие, состоящее, например, из ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, т.е. нестабилизированное, частично стабилизированное или полностью стабилизированное оксидом иттрия, и/или оксидом кальция, и/или оксидом магния, и/или одним или более редкоземельных элементов (лантан, гадолиний, иттрий и т.д.), предпочтительно представляющее собой самый верхний слой, может также присутствовать на слое из MCrAlX.

Термическое барьерное покрытие покрывает весь слой из MCrAlX. Столбчатые зерна образуются в термическом барьерном покрытии в результате осуществления соответствующих способов нанесения покрытий, таких как, например, электронно-лучевое физическое осаждение из паровой фазы (EB-PVD). Могут быть также использованы и другие способы нанесения покрытий, например воздушно-плазменное напыление (APS), LPPS, VPS, плазменное распыление предшественника раствора (SPPS) или CVD. Термическое барьерное покрытие может включать пористые зерна, имеющие микротрещины или макротрещины, для улучшения его сопротивления термическим шокам. Поэтому термическое барьерное покрытие предпочтительно является более пористым, чем слой из MCrAlX.

Лопасть или лист 120, 130 может быть полым или цельным. В том случае, если лопасть или лист 120, 130 подлежит охлаждению, он является полым и может также иметь пленочные охлаждающие отверстия 418 (обозначены пунктирными линиями).

На фигуре 4 показан, в качестве примера, частичный продольный разрез газовой турбины 100.

Внутри газовой турбины 100 расположен ротор 103, установленный таким образом, что он может вращаться вокруг оси вращения 102, имеет вал 101, также называемый «ротором турбины».

Впускной контейнер 104, компрессор 105, например тороидальная камера сгорания 110, в частности кольцевая камера сгорания, с множеством коаксиально расположенных горелок 107, турбина 108 и контейнер 109 для отработанного газа расположены один за другим вдоль ротора 103. Кольцевая камера сгорания 110 соединена, например, с кольцевым проходом 111 для горячего газа, где, в качестве примера, четыре последовательных ступени 112 турбины образуют турбину 108.

Каждая ступень 112 турбины состоит, например, из двух лопастных или листовых колец. Как видно в направлении рабочей среды 113, в проходе 111 для горячего газа за рядом направляющих листов 115 следует ряд 125, состоящий из лопастей 120 ротора.

Направляющие листы 130 прикреплены к внутреннему контейнеру 138 статора 143, в то время как лопасти 120 ротора ряда 125 прикреплены к ротору 103, например, с помощью диска 133 турбины.

Генератор (не показано) соединен с ротором 103.

Во время работы газовой турбины 100 компрессор 105 всасывает воздух 135 через впускной контейнер 104 и сжимает его. Сжатый воздух, подаваемый к боковому концу турбины компрессора 105, проходит к горелкам 107, где он смешивается с топливом. Затем смесь сгорает в камере 110 сгорания, формируя рабочую среду 113. Оттуда рабочая среда 113 протекает вдоль прохода 111 для горячего газа мимо направляющих листов 130 и лопастей 120 ротора. Рабочая среда 113 расширяется у лопастей 120 ротора, передавая свою движущую силу таким образом, что лопасти 120 ротора приводят в движение ротор 103, а последний, в свою очередь, приводит в движение соединенный с ним генератор.

Во время работы газовой турбины 100 детали, на которые воздействует горячая рабочая среда 113, подвергаются термическим напряжениям. Как видно в направлении потока рабочей среды 113, направляющие листы 130 и лопасти 120 ротора первой ступени 112 турбины вместе с теплозащитными кирпичами, выстилающими кольцевую камеру сгорания 110, подвергаются сильнейшим термическим напряжениям. Для того чтобы выдержать преобладающие здесь температуры, они могут быть охлаждены хладагентом.

Подложки деталей могут также иметь направленную структуру, т.е. они имеют вид монокристалла (структура SX) или содержат только продольно ориентированные зерна (структура DS).

Например, в качестве материала для компонентов используют суперсплавы на основе железа, на основе никеля или основе кобальта, в частности, для лопасти или листа 120, 130 турбины и деталей камеры 110 сгорания.

Направляющий лист 130 имеет комель (здесь не показан), обращенный к внутреннему контейнеру 138 турбины 108, и головку направляющего листа на противоположном конце от комля направляющего листа. Головка направляющего листа обращена к ротору 103 и прикреплена к фиксирующему кольцу 140 статора 143.

Было разработано новое модифицированное покрытие, удовлетворяющее изложенным выше требованиям. Такое покрытие имеет длительный срок службы, приемлемые механические свойства и улучшенную стойкость к окислению. Это объясняется присутствием тантала (Та) в сплаве на основе никеля, но предпочтительно без рения (Re). Тантал (Та) стабилизирует формирование трехфазной системы (γ′/γ/β) с высокой температурой перехода γ′/γ (см. фиг.2). Это также снижает локальные напряжения, поскольку тантал (Та) стабилизирует высокие температуры перехода γ′, превышающие температуры технического обслуживания покрытий со связующим.

Поэтому в покрытии предпочтительно отсутствуют гафний (Hf), кремний (Si) или цирконий (Zr).

Очень хорошие результаты обеспечивает следующий элементарный состав для получения трехфазной системы с повышенными температурами γ′-перехода:

Ni-23Co-17Cr-10Al-2Ta-3Y.

Состав (Ni-25Co-17Cr-10Al-1,5Re-0,3Y), содержащий (Re) вместо тантала (Та), имеет более низкую температуру перехода γ′/γ благодаря отсутствию тантала (см. фиг.1).

Покрытие со связующим предпочтительно представляет собой суперсплав на основе никеля (Ni) с добавлением кобальта, хрома (Cr), алюминия (Al) и, необязательно, иттрия (Y), предпочтительно состоящий из данных элементов.

Наиболее предпочтительно он представляет собой сплав MCrAlY, где М=Ni, Со.

Данный сплав предпочтительно не содержит молибдена (Мо) и/или вольфрама (W), и/или ниобия (Nb).

Claims

1. Металлическое покрытие из сплава на основе никеля для деталей газовых турбин, содержащее γ- и γ^'-фазы и, необязательно, β-фазу,
отличающееся тем, что сплав содержит, вес.%:
тантал (Та) 0,1-7,0,
кобальт (Со) по меньшей мере 1,
хром (Cr) от 12 до 22, предпочтительно от 15 до 19,
алюминий (Al) от 5 до 15, предпочтительно от 8 до 12,
причем сплав предпочтительно не содержит кремний (Si), и/или гафний (Hf), и/или цирконий.

2. Металлическое покрытие по п.1, отличающееся тем, что содержание тантала в сплаве составляет ≥ 1% вес.

3. Металлическое покрытие по п.1, отличающееся тем, что сплав дополнительно содержит по меньшей мере 0,1 вес.% иттрия (Y).

4. Металлическое покрытие по п.1, отличающееся тем, что содержание кобальта (Со) составляет от 15 до 30 вес.%, предпочтительно от 18 до 27 вес.%, более предпочтительно от 21 до 24 вес.%.

5. Металлическое покрытие по п.3, отличающееся тем, что содержание иттрия (Y) составляет от 0,1 до 0,7 вес.%.

6. Металлическое покрытие по п.1, отличающееся тем, что сплав дополнительно содержит рений (Re).

7. Металлическое покрытие по п.6, отличающееся тем, что содержание рения (Re) составляет от 0,1 до 2 вес.%.

8. Металлическое покрытие по п.3, отличающееся тем, что сплав представляет собой сплав MCrAlY, где М = никель (Ni) и кобальт (Co).

9. Металлическое покрытие по п.1, отличающееся тем, что сплав содержит β-фазу.

10. Металлическое покрытие по п.5, отличающееся тем, что сплав состоит из никеля (Ni), кобальта (Co), алюминия (Al), хрома (Cr), тантала (Ta) и, необязательно, иттрия (Y).

11. Металлическое покрытие по п.1, отличающееся тем, что сплав дополнительно содержит железо (Fe).

12. Деталь газовой турбины, имеющая металлическое покрытие из сплава на основе никеля, содержащее γ- и γ^'-фазы и, необязательно, β-фазу, отличающаяся тем, что она имеет покрытие по любому из пп.1-11.