RU2770263C2 - Деталь турбины из суперсплава с содержанием рения и способ её изготовления - Google Patents

Деталь турбины из суперсплава с содержанием рения и способ её изготовления Download PDF

Info

Publication number
RU2770263C2
RU2770263C2 RU2020114577A RU2020114577A RU2770263C2 RU 2770263 C2 RU2770263 C2 RU 2770263C2 RU 2020114577 A RU2020114577 A RU 2020114577A RU 2020114577 A RU2020114577 A RU 2020114577A RU 2770263 C2 RU2770263 C2 RU 2770263C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sublayer
phase
superalloy
substrate
mass fraction
Prior art date
Application number
RU2020114577A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2020114577A3 (ru
RU2020114577A (ru
Inventor
Амар САБУНДЖИ
Виржини ЖАКЕ
Original Assignee
Сафран
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сафран filed Critical Сафран
Publication of RU2020114577A publication Critical patent/RU2020114577A/ru
Publication of RU2020114577A3 publication Critical patent/RU2020114577A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2770263C2 publication Critical patent/RU2770263C2/ru

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/007—Preventing corrosion
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C23C28/321—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer
    • C23C28/3215—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer at least one MCrAlX layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C23C28/324—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal matrix material layer comprising a mixture of at least two metals or metal phases or a metal-matrix material with hard embedded particles, e.g. WC-Me
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/345—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • C23C4/073—Metallic material containing MCrAl or MCrAlY alloys, where M is nickel, cobalt or iron, with or without non-metal elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/005—Selecting particular materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/057—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being less 10%
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/137—Spraying in vacuum or in an inert atmosphere
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/32—Application in turbines in gas turbines
    • F05D2220/323—Application in turbines in gas turbines for aircraft propulsion, e.g. jet engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/30—Manufacture with deposition of material
    • F05D2230/31—Layer deposition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/30—Manufacture with deposition of material
    • F05D2230/31—Layer deposition
    • F05D2230/311—Layer deposition by torch or flame spraying
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/30—Manufacture with deposition of material
    • F05D2230/31—Layer deposition
    • F05D2230/313—Layer deposition by physical vapour deposition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/231—Preventing heat transfer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F05D2300/13—Refractory metals, i.e. Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W
    • F05D2300/132—Chromium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F05D2300/14—Noble metals, i.e. Ag, Au, platinum group metals
    • F05D2300/143—Platinum group metals, i.e. Os, Ir, Pt, Ru, Rh, Pd
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F05D2300/17—Alloys
    • F05D2300/175—Superalloys
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F05D2300/18—Intermetallic compounds
    • F05D2300/182—Metal-aluminide intermetallic compounds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/607—Monocrystallinity

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

Изобретение относится к детали турбины, содержащей подложку из монокристаллического суперсплава на основе никеля, содержащего рений, который имеет фазу у-y’-Ni и среднюю массовую долю хрома менее 0,08, покрывающий подложку подслой из металлического суперсплава на основе никеля, отличающейся тем, что подслой из металлического суперсплава содержит, по меньшей мере, алюминий, никель, хром, кремний, гафний и имеет фазу y’-Ni3Al в преобладающем объёме. Целью изобретения является предложить решение по эффективной защите турбинной детали из суперсплава от окисления и коррозии при одновременном увеличении её срока службы по сравнению с известными деталями. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Description

Область техники
Изобретение относится к детали турбины, такой, как турбинная лопатка или, например, направляющая лопатка сопла, применяемые в самолётостроении.
Уровень техники
В турбореактивном двигателе выхлопные газы из камеры сгорания могут достигать высоких температур, превышающих 1200°С и даже 1600°С. Детали турбореактивного двигателя, находящиеся в контакте с такими выхлопными газами, например, турбинные лопатки, должны обладать способностью сохранять свои механические свойства в условиях таких высоких температур.
Для этого, как известно, определённые детали турбореактивного двигателя изготавливаются из «суперсплава». Суперсплавы образуют собой группу металлических сплавов высокой прочности, способных работать при температурах, относительно близких к их точке плавления (как правило, при коэффициенте от 0,7 до 0,8 от их температуры плавления).
С целью повышения термостойкости таких суперсплавов и их защиты от окисления и коррозии наносится, как известно, покрытие, играющее роль теплового барьера.
На фиг. 1 схематически показана в сечении деталь 1 турбины, например, лопатка 6 турбины или направляющая лопатка сопла. Деталь 1 содержит подложку 2 из монокристаллического металлического суперсплава с нанесённым на неё тепловым барьером 10.
Тепловой барьер 10, как правило, состоит из металлического подслоя, защитного слоя и теплоизолирующего слоя. Металлический подслой покрывает подложку из металлического суперсплава. В свою очередь металлический подслой покрыт защитным слоем, образовавшимся в результате окисления металлического подслоя. Защитный слой обеспечивает защиту подложки из суперсплава от коррозии и/или окисления. Теплоизолирующий слой покрывает защитный слой. Теплоизолирующий слой может быть выполнен из керамики, например, из содержащего иттрий двуоксида циркония.
Металлическим подслоем обеспечивается связь между поверхностью подложки из суперсплава и защитным слоем; иногда металлический подслой называют «подслоем сцепления» («соединительным слоем»).
Подслой может быть получен на основе простого алюминида никеля ß-NiAl или модифицированного платиной алюминида никеля ß-NiAlPt. Средняя массовая доля алюминия (от 0,35 до 0,45) в подслое оказывается достаточной для образования только защитного слоя из оксида алюминия (Al2O3), обеспечивающего защиту подложки из суперсплава от окисления и коррозии.
Однако в случае воздействия высоких температур на деталь разница в содержаниях никеля, главным образом, алюминия, в подложке из суперсплава и в металлическом подслое вызывает диффузию разных элементов, в частности, никеля из подложки в металлический подслой и алюминия из металлического подслоя в суперсплав. Такое явление называется «взаимной диффузией».
Взаимная диффузия может привести к образованию первичной и вторичной зон реакции (SRZ : Secondary Reaction Zone) на участке подложки, контактирующим с подслоем.
На фиг. 2 приведена микрофотография покрывающего подложку 2 подслоя 3 в сечении. Микрофотография выполнена до момента, когда деталь была подвержена серии циклов термической обработки, позволивших имитировать температурные условия во время работы детали 1. Подложка 2 имеет высокое содержание рения, т. е. средняя массовая доля рения превышает 0,04. Как известно, рений применяется в составе суперсплавов для повышения сопротивления ползучести деталей из суперсплава. Также известно применение суперсплавов с низкой средней массовой долей хрома, т. е. менее 0,08, для повышения стойкости конструкции к окислению и коррозии в том случае, когда подложка имеет высокое содержание рения. Обычно подложка 2 содержит фазу y-y’Ni. Подслой 3 представляет собой тип ß-NiAlPt. Подложка содержит первичную зону 5 взаимной диффузии на участке подложки 2, непосредственно покрытом подслоем 3. Также подложка 2 имеет вторичную зону 6 взаимной диффузии, непосредственно перекрытую первичной зоной 5 взаимной диффузии. Толщина изображённой на фиг. 2 вторичной зоны взаимной диффузии составляет приблизительно 35 мкм, как правило, от 20 до 50 мкм.
На фиг. 3 приведена микрофотография сечения по подслою 3, покрывающему подложку 2. На ней показаны подслой 3 и подложка 2 после того, как их подвергли упомянутой выше серии циклов термической обработки. Подслой 3 покрывает подложку 2. Последняя имеет первичную зону 5 взаимной диффузии и вторичную зону 6 взаимной диффузии. Локально толщина вторичной зоны взаимной диффузии может превышать 100 мкм и достигать 150 мкм, как это показано на фиг. 3 сегментом белого цвета.
Сочетание суперсплава с содержанием рения и низким содержанием хрома с подслоем типа ß-NiAlPt приводит к образованию вторичных зон реакции. Образование вторичных зон реакции приводит к резкому снижению механических свойств (ползучести, усталости) суперсплава, вызывая появление трещин 8 и/или повышенных механических напряжений в подложке 2 при использовании детали 1 в условиях повышенных температур, составляющих, например, более 1000°С. Следовательно явления взаимной диффузии между подложкой из суперсплава и подслоем могут сопровождаться неблагоприятными последствиями для срока службы детали из суперсплава.
Краткое раскрытие изобретения
Целью изобретения является предложить решение по эффективной защите турбинной детали из суперсплава от окисления и коррозии при одновременном увеличении её срока службы по сравнению с известными деталями.
В рамках настоящего изобретения указанная цель достигается посредством турбинной детали, содержащей подложку из монокристаллического суперсплава на основе никеля, содержащего рений, фазу y-y’ Ni и среднюю массовую долю хрома в количестве менее 0,08, и покрывающий подложку подслой из металлического суперсплава на основе никеля, отличающейся тем, что подслой из металлического суперсплава на основе никеля содержит, по меньшей мере, алюминий, никель, хром, кремний, гафний и фазу y’-Ni3Al в преобладающем объёме.
Поскольку металлический подслой имеет аллотропическую структуру, близкую к структуре подложки, то образование вторичных зон реакции предотвращается и/или ограничивается. Таким образом, образование трещин в подложке детали в условиях воздействия высоких температур, составляющих, например, свыше 1000 0С, а также отслоение защитного слоя из оксида алюминия ограничены или предотвращены.
Кроме того, поскольку металлический подслой содержит алюминий при преобладающей массе фазы y’-Ni3Al, то металлический подслой может быть окислен для образования защитного алюминиевого слоя в течение более длительного времени в рабочем режиме по сравнению с применением известных металлических подслоёв.
Кроме того, деталь турбины может иметь следующие признаки:
- подслой также содержит фазу y-Ni,
- средняя массовая доля рения в субстрате превышает 0,04,
- средняя массовая доля платины в подслое составляет от 0 до 0,05,
- средняя массовая доля алюминия в подслое составляет от 0,06 до 0,25,
- средняя массовая доля хрома в подслое составляет от 0,07 до 0,20,
- средняя массовая доля гафния в подслое составляет менее 5%,
- средняя массовая доля кремния в подслое составляет менее 5%,
- дополнительно подслой содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из кобальта, молибдена, вольфрама, титана и тантала,
- защитный слой из оксида алюминия покрывает подслой,
- керамический теплоизолирующий слой покрывает защитный слой,
- толщина подслоя составляет от 5 до 50 мкм.
Также изобретение относится к способу изготовления детали турбины, включающему в себя этап нанесения в вакууме подслоя из суперсплава на основе никеля с содержанием фазы y’-Ni3Al в преобладающем объёме и, при необходимости, фазы y-Ni, на подложку из суперсплава на основе никеля с содержанием рения и фазы y-y’Ni.
Покрытие может наноситься методом, выбранным из физического осаждения из паровой фазы, термического напыления (например, посредством системы высокоскоростного газопламенного напыления (High Velocity Oxy-Fuel (HVOF)), джоулева испарения, импульсной лазерной абляции и катодного напыления.
Подслой может наноситься путём совместного напыления и/или совместного испарения мишеней из разных металлических материалов.
Описание чертежей
Другие признаки и преимущества изобретения приведены в его последующем описании, служащим исключительно для пояснения и не являющимся ограничительным, со ссылками на приложенные фигуры, на которых изображено:
фиг. 1 – схематическое изображение в сечении детали турбины, например, турбинной лопатки или направляющей лопатки сопла;
фиг. 2 - микрофотография сечения покрывающего подложку подслоя;
фиг. 3 – микрофотография сечения покрывающего подложку подслоя 3;
фиг. 4 – схематическое изображение сечения теплового барьера, покрывающего подложку турбинной детали согласно варианту выполнения изобретения.
Определение понятий
Термином «суперсплав» обозначен сложный сплав, характеризующийся при высокой температуре и большом давлении очень хорошей стойкостью к окислению, коррозии, ползучести и циклическим напряжениям (в частности, механическим или тепловым). Суперсплавы находят особое применение в производстве деталей в самолётостроении, например, турбинных лопаток, так как они образуют группу высокопрочных сплавов, способных применяться при температурах, относительно близких к их точке плавления (как правило, при коэффициенте от 0,7 до 0,8 от их точки плавления).
Суперсплав может обладать двухфазной микроструктурой, содержащей первую фазу (называемую «фазой y»), образующую матрицу, и вторую фазу (называемую «фазой y’»), образующую упрочняющие дисперсные выделения в матрице.
«Основа» суперсплава означает основной металлический компонент матрицы. В большинстве случаев суперсплавы содержат основу из железа, кобальта или никеля, но также иногда из титана или алюминия.
Суперсплавы на основе никеля обладают тем преимуществом, что они создают компромисс между стойкостью к окислению и прочностью на разрыв при высокой температуре и весе, что предопределяет их применение в наиболее горячих деталях турбореактивных двигателей.
Суперсплавы на основе никеля образованы фазой у (или матрицей) аустенитного кубического гранецентрированного типа y-Ni, содержащей при необходимости добавки в виде твёрдого раствора α для замещения (Co, Cr, W, Mo) и фазу y’ (или дисперсные выделения) типа y’-Ni3X. где: X означает Al, Ti или Та. Фаза y’ обладает упорядоченной структурой L12, производной от кубической гранецентрированной структуры и когерентной с матрицей, т. е. обладает элементарной атомной ячейкой, очень близкой к матрице.
Благодаря своей упорядоченности фаза y’ имеет замечательное свойство обладать механической прочностью, увеличивающейся с ростом температуры до около 8000 С. Очень тесная связь между фазами y и y’ придаёт суперсплавам на основе никеля очень высокую механическую прочность в горячем состоянии, которая в свою очередь зависит от соотношения y/y’ и размера упрочняющих дисперсных выделений.
Согласно совокупности вариантов выполнения изобретения суперсплав имеет высокое содержание рения, т. е. средняя массовая доля рения в суперсплаве превышает 0,04, что позволяет увеличить сопротивление к ползучести деталей из такого суперсплава по сравнению с деталями из суперсплава без содержания рения. В совокупности вариантов выполнения изобретения суперсплав имеет низкое содержание хрома, т. е. средняя массовая доля хрома составляет менее 0,08, предпочтительно менее 0,05, для того, чтобы увеличить стойкость структуры к окислению при содержании рения в суперсплаве.
Таким образом суперсплавы на основе никеля обладают, как правило, большой механической прочностью при температуре вплоть до 700°С, которая резко снижается при температуре свыше 800°С.
Выражение «массовая доля» означает соотношение между массой элемента или группы элементов и общей массой.
Подробное описание изобретения
На фиг. 4 схематически показано сечение теплового барьера 10, покрывающего подложку 2 детали 1 турбины согласно варианту выполнения изобретения.
Показанные на фиг. 4 элементы могут быть отдельными типичными элементами турбинной лопатки 6 изображённой на фиг. 1, направляющей лопатки сопла или любого другого элемента, части или детали турбины.
Подложка 2 выполнена из суперсплава на основе никеля. Средняя массовая доля рения в подложке 2 превышает 0,04 и составляет преимущественно от 0,045 до 0,055. Предпочтительно средняя массовая доля хрома в подложке является низкой, т.е. составляет менее 0,08, предпочтительно менее 0,05.
Тепловой барьер 10 содержит металлический подслой 3, защитный слой 4 и теплоизолирующий слой 9.
Подложка 2 покрыта металлическим подслоем 3. Металлический подслой 3 покрыт защитным слоем 4. Защитный слой 4 покрыт теплоизолирующим слоем 9.
Нанесение металлического подслоя 3 с близкой к структуре подложки 2 аллотропической структурой позволяет предотвратить образование вторичных зон реакции. В частности, нанесённый подслой 3 содержит фазу у и фазу y’, подобно подложке.
Подслой 3 имеет алюминообразующий состав, придающий детали стойкость к окислению и коррозии. В частности, преобладающая часть объема подслоя 3 имеет фазу y’-Ni3Al. Предпочтительно подслой 3 содержит также фазу y-Ni. Таким образом, подслой 3 имеет близкую к структуре подложки 2 структуру, и в то же время содержит запас алюминия, обеспечивающий образование защитного слоя 4 из оксида алюминия путём окисления в течение более длительного времени по сравнению с подслоем, представленным y-Ni преобладающей фазой, в которой содержится меньшая массовая доля алюминия. Предпочтительно средняя массовая доля алюминия в подслое 3 составляет от 0,06 до 0,25, более предпочтительно от 0,06 до 0,12.
В таблице 1 ниже приведены примеры на составы подслоя 3 из суперсплава на основе никеля. Разные составы обозначены буквами А, В и С. Массовые доли содержащего у-фазу подслоя 3 в процентах и объёмная доля содержащего y’-фазу подслоя 3 описаны для подслоя 3, подвергнутого термообработке при 1000°С.
Таблица 1
Ni Co Mo Cr W Al Ti Ta Pt Hf Si % г % г′
A Основа 9-17 6-12 0-5 0-5 0-5
B Основа 12 9.5 0 1.7 0.6 15 85
C Основа 16 7.8 0 1.7 1.5 40 60
Состав А соответствует подслою 3 типа NiCrAlHfSiPt и содержит преобладающую фазу y’-Ni3Al и фазу y-Ni.
Состав В соответствует подслою 3 типа NiCrAlHfSi и содержит преобладающую фазу y’-Ni3Al и предпочтительно фазу y-Ni. Для подслоя 3 после термической обработки при 1100°С массовая доля подслоя 3 с у-фазой составляет 40% по массе, а массовая доля подслоя 3 с y’-фазой составляет 60% по массе. Состав С соответствует подслою 3 типа NiCrAlHfSi и содержит преобладающую фазу y’-Ni3Al и фазу y-Ni.
Как правило, подслой 3 содержит преимущественно среднюю массовую долю платины в размере менее 0,02 и/или среднюю массовую долю хрома в размере от 0,07 до 0,17. Следовательно стойкость детали к окислению возросла.
Подслой 3 может быть нанесён в вакууме, например, из паровой фазы (способ физического осаждения паров (Physical Vapor Deposition, PVD). Могут применяться разные методы физического осаждения паров для нанесения подслоя 3, такие, как катодное напыление, джоулева испарение, лазерная абляция и физическое осаждение из паровой фазы с применением пучка электронов. Также подслой 3 может быть нанесён термическим напылением.
Таким образом подслой 3 может наноситься на подложку 2 без применения метода образования подслоя путём диффузии химических элементов в подложку 2, таких, как платина. Эти методы нанесения покрытия позволяют также упростить образование подслоя 3 на подложке 2 и повысить контроль за химическим составом подслоя 3. Также они позволяют наносить, в противоположность известным методам, подслой 3 с содержанием фазы y’-Ni3Al в преобладающем объёме и при необходимости фазы y-Ni.
Несколько мишеней из разных металлических материалов могут использоваться параллельно и одновременно в процессе нанесения подслоя 3. Этот тип покрытия может быть получен совместным испарением или совместным напылением, при этом скорость соответственно испарения или напыления, применяемая для каждой мишени при осаждении подслоя 3, определяет стехиометрию данного слоя.

Claims (15)

1. Деталь (1) турбины, содержащая подложку (2) из монокристаллического суперсплава на основе никеля, содержащего рений, имеющего фазу y-y’ Ni и среднюю массовую долю хрома менее 0,08, подслой (3) из металлического суперсплава на основе никеля, покрывающий подложку (2), отличающаяся тем, что подслой (3) из металлического суперсплава содержит, по меньшей мере, алюминий, никель, хром, кремний, гафний и имеет фазу y’-Ni3Al в преобладающем объёме.
2. Деталь по п. 1, в которой подслой (3) содержит также фазу y-Ni.
3. Деталь по п. 1 или 2, в которой средняя массовая доля рения в подложке (2) превышает 0,04.
4. Деталь по любому из пп. 1-3, в которой средняя массовая доля платины в подслое (3) составляет менее 0,05.
5. Деталь по любому из пп. 1-4, в которой средняя массовая доля алюминия в подслое (3) составляет от 0,06 до 0,25.
6. Деталь по любому из пп. 1-5, в которой средняя массовая доля хрома в подслое (3) составляет от 0,07 до 0,20.
7. Деталь по любому из пп. 1-6, в которой средняя массовая доля гафния в подслое (3) составляет менее 5%.
8. Деталь по любому из пп. 1-7, в которой средняя массовая доля кремния в подслое (3) составляет менее 5%.
9. Деталь по любому из пп. 1-8, в которой подслой (3) дополнительно содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из кобальта, молибдена, вольфрама, титана, тантала.
10. Деталь по любому из пп. 1-9, содержащая защитный слой (4) из оксида алюминия, покрывающий подслой (3).
11. Деталь по п. 10, содержащая керамический теплоизолирующий слой (9), покрывающий защитный слой (4).
12. Деталь по любому из пп. 1-11, в которой толщина подслоя (3) составляет от 5 до 50 мкм.
13. Способ изготовления детали (1) турбины, включающий этап нанесения в вакууме подслоя (3) из суперсплава на основе никеля, имеющего фазу y’-Ni3Al в преобладающем объёме, и при необходимости фазу y-Ni, на подложку (2) из суперсплава на основе никеля, содержащего рений, и имеющего фазу у-y’Ni.
14. Способ по п. 13, в котором покрытие наносится методом, выбранным из физического покрытия из паровой фазы, термического распыления, джоулева испарения, импульсной лазерной абляции и катодного напыления.
15. Способ по п. 13 или 14, в котором подслой (3) наносится при одновременном распылении и/или одновременном испарении мишеней из разных металлических материалов.
RU2020114577A 2017-10-20 2018-10-17 Деталь турбины из суперсплава с содержанием рения и способ её изготовления RU2770263C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1701096 2017-10-20
FR1701096A FR3072717B1 (fr) 2017-10-20 2017-10-20 Piece de turbine en superalliage comprenant du rhenium et procede de fabrication associe
PCT/FR2018/052584 WO2019077271A1 (fr) 2017-10-20 2018-10-17 Piece de turbine en superalliage comprenant du rhenium et procede de fabrication associe

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2020114577A RU2020114577A (ru) 2021-10-26
RU2020114577A3 RU2020114577A3 (ru) 2022-03-21
RU2770263C2 true RU2770263C2 (ru) 2022-04-14

Family

ID=61187350

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020114577A RU2770263C2 (ru) 2017-10-20 2018-10-17 Деталь турбины из суперсплава с содержанием рения и способ её изготовления

Country Status (9)

Country Link
US (1) US11293290B2 (ru)
EP (1) EP3698020B1 (ru)
JP (1) JP7481253B2 (ru)
CN (1) CN111247312B (ru)
BR (1) BR112020007748A2 (ru)
CA (1) CA3081099A1 (ru)
FR (1) FR3072717B1 (ru)
RU (1) RU2770263C2 (ru)
WO (1) WO2019077271A1 (ru)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3102775B1 (fr) * 2019-11-05 2022-04-22 Safran Piece d'aeronef en superalliage comprenant un canal de refroidissement

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6461746B1 (en) * 2000-04-24 2002-10-08 General Electric Company Nickel-base superalloy article with rhenium-containing protective layer, and its preparation
US20040142204A1 (en) * 2002-02-05 2004-07-22 General Electric Company Ni-base superalloy having a coating system containing a diffusion barrier layer
WO2012146864A1 (fr) * 2011-04-29 2012-11-01 Snecma Pièce comportant un revêtement sur un substrat métallique en superalliaae, le revêtement comprenant une sous-couche métallique
RU2544954C2 (ru) * 2009-07-29 2015-03-20 Нуово Пиньоне С.п.А. Суперсплав на основе никеля, механический компонент, изготовленный из указанного суперсплава, элемент турбомашины, который включает указанный компонент, и соответствующие способы
US20170058405A1 (en) * 2015-08-27 2017-03-02 Zhihong Tang Slurry Formulations for Formation of Reactive Element-Doped Aluminide Coatings and Methods of Forming the Same

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5151249A (en) * 1989-12-29 1992-09-29 General Electric Company Nickel-based single crystal superalloy and method of making
US6641929B2 (en) * 2001-08-31 2003-11-04 General Electric Co. Article having a superalloy protective coating, and its fabrication
JP4166977B2 (ja) * 2001-12-17 2008-10-15 三菱重工業株式会社 耐高温腐食合金材、遮熱コーティング材、タービン部材、及びガスタービン
US6979498B2 (en) * 2003-11-25 2005-12-27 General Electric Company Strengthened bond coats for thermal barrier coatings
CN101146931B (zh) * 2005-03-28 2010-06-23 独立行政法人物质·材料研究机构 耐热构件
US7247393B2 (en) * 2005-09-26 2007-07-24 General Electric Company Gamma prime phase-containing nickel aluminide coating
US20070160775A1 (en) * 2006-01-10 2007-07-12 General Electric Company Physical vapor deposition process and apparatus therefor
US8123872B2 (en) * 2006-02-22 2012-02-28 General Electric Company Carburization process for stabilizing nickel-based superalloys
US20130230405A1 (en) * 2007-08-31 2013-09-05 Kevin Swayne O'Hara Nickel base superalloy compositions being substantially free of rhenium and superalloy articles
US20100330295A1 (en) * 2009-06-30 2010-12-30 General Electric Company Method for providing ductile environmental coating having fatigue and corrosion resistance
US20130142637A1 (en) * 2011-12-06 2013-06-06 Kenneth Harris Low rhenium single crystal superalloy for turbine blades and vane applications
CA2918337C (en) * 2013-07-23 2019-01-15 General Electric Company Superalloys and components formed thereof

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6461746B1 (en) * 2000-04-24 2002-10-08 General Electric Company Nickel-base superalloy article with rhenium-containing protective layer, and its preparation
US20040142204A1 (en) * 2002-02-05 2004-07-22 General Electric Company Ni-base superalloy having a coating system containing a diffusion barrier layer
RU2544954C2 (ru) * 2009-07-29 2015-03-20 Нуово Пиньоне С.п.А. Суперсплав на основе никеля, механический компонент, изготовленный из указанного суперсплава, элемент турбомашины, который включает указанный компонент, и соответствующие способы
WO2012146864A1 (fr) * 2011-04-29 2012-11-01 Snecma Pièce comportant un revêtement sur un substrat métallique en superalliaae, le revêtement comprenant une sous-couche métallique
US20170058405A1 (en) * 2015-08-27 2017-03-02 Zhihong Tang Slurry Formulations for Formation of Reactive Element-Doped Aluminide Coatings and Methods of Forming the Same

Also Published As

Publication number Publication date
RU2020114577A3 (ru) 2022-03-21
CN111247312B (zh) 2022-06-17
CN111247312A (zh) 2020-06-05
JP2021502478A (ja) 2021-01-28
JP7481253B2 (ja) 2024-05-10
FR3072717A1 (fr) 2019-04-26
RU2020114577A (ru) 2021-10-26
CA3081099A1 (fr) 2019-04-25
WO2019077271A1 (fr) 2019-04-25
EP3698020A1 (fr) 2020-08-26
EP3698020B1 (fr) 2021-09-22
US20210199016A1 (en) 2021-07-01
BR112020007748A2 (pt) 2020-10-13
US11293290B2 (en) 2022-04-05
FR3072717B1 (fr) 2019-10-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9382605B2 (en) Economic oxidation and fatigue resistant metallic coating
EP1088909B1 (en) Thermal barrier coating system of a turbine component
EP0948667B1 (en) High temperature protective coating
JP5073982B2 (ja) ガンマプライム相含有ニッケルアルミナイド皮膜
EP1586669A1 (en) Oxidation resistant superalloy and article
JP2001226758A (ja) タービンブレード及びガスタービン部材
US6168875B1 (en) Coatings for turbine components
US6632480B2 (en) Nickel-base superalloy article with rhenium-containing protective layer, and its preparation
RU2667191C1 (ru) Способ получения многослойного защитного покрытия лопаток турбомашин из титановых сплавов
RU2464351C2 (ru) Теплобарьерное покрытие на основе диоксида циркония, наносимое непосредственно на монокристаллические жаропрочные сплавы на основе никеля
RU2770263C2 (ru) Деталь турбины из суперсплава с содержанием рения и способ её изготовления
JP2000178764A (ja) 断熱皮膜系のための改善された拡散アルミニウム化物ボンディングコ―トとその製法
RU2759941C2 (ru) Турбинная деталь из жаропрочного сплава и соответствующий способ изготовления
US11248476B2 (en) Turbine part made of superalloy comprising rhenium and/or ruthenium and associated manufacturing method
US11873736B2 (en) Turbine part made of superalloy comprising rhenium and/or ruthenium and associated manufacturing method
RU2777682C2 (ru) Деталь турбины из суперсплава с содержанием рения и/или рутения и способ её изготовления
EP3192885B1 (en) Internally cooled ni-base superalloy component with spallation-resistant tbc system
CN114585769B (zh) 由包含铼和/或钌的高温合金制成的飞行器部件及其制造方法