RU2774764C2 - Superalloy based on nickel, monocrystal blade and turbomachine - Google Patents
Superalloy based on nickel, monocrystal blade and turbomachine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2774764C2 RU2774764C2 RU2020119485A RU2020119485A RU2774764C2 RU 2774764 C2 RU2774764 C2 RU 2774764C2 RU 2020119485 A RU2020119485 A RU 2020119485A RU 2020119485 A RU2020119485 A RU 2020119485A RU 2774764 C2 RU2774764 C2 RU 2774764C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nickel
- superalloy
- hafnium
- rhenium
- chromium
- Prior art date
Links
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 150
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 145
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 72
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims abstract description 45
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 39
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 36
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N Hafnium Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 35
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 35
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 34
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N Rhenium Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 33
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 33
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 30
- 239000005092 Ruthenium Substances 0.000 claims abstract description 29
- 229910052803 cobalt Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 29
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims abstract description 27
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 27
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 27
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims abstract description 26
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims abstract description 25
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 24
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 claims description 17
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 10
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 claims description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 17
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 17
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 13
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract description 13
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 9
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 23
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 23
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 18
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 229920002803 Thermoplastic polyurethane Polymers 0.000 description 15
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 11
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 11
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 10
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 8
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 description 7
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 6
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 6
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 4
- RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);yttrium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Y+3].[Y+3] RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N AI2O3 Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010517 secondary reaction Methods 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 3
- 229910001233 yttria-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000005328 electron beam physical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000005495 investment casting Methods 0.000 description 2
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 150000002815 nickel Chemical class 0.000 description 2
- 229910000907 nickel aluminide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002294 plasma sputter deposition Methods 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004942 thermal barrier coating Methods 0.000 description 2
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium Chemical group [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000995 CMSX-10 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001011 CMSX-4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001012 TMS-138 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004581 coalescence Methods 0.000 description 1
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000001351 cycling Effects 0.000 description 1
- 230000001687 destabilization Effects 0.000 description 1
- 238000006477 desulfuration reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003009 desulfurizing Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing Effects 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable Effects 0.000 description 1
- 239000007970 homogeneous dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 or vice versa Chemical compound 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative Effects 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching Effects 0.000 description 1
- 238000000611 regression analysis Methods 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 230000001340 slower Effects 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 238000004901 spalling Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005496 tempering Methods 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 238000005382 thermal cycling Methods 0.000 description 1
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Уровень техникиState of the art
Настоящее раскрытие относится суперсплавам на никелевой основе для газовых турбин, в частности, для стационарных лопаток, также известных под наименованиями «сопла» или «выпрямители», или подвижных лопаток газовой турбины, например, в авиационно-космической отрасли промышленности.The present disclosure relates to nickel-based superalloys for gas turbines, in particular for stationary blades, also known as "nozzles" or "rectifiers", or moving gas turbine blades, for example, in the aerospace industry.
Суперсплавы на никелевой основе, как известно, используются при изготовлении неподвижных или подвижных монокристаллических лопаток газовых турбин для самолетных и вертолетных двигателей.Nickel-based superalloys are known to be used in fixed or movable monocrystalline gas turbine blades for aircraft and helicopter engines.
Основные преимущества данных материалов заключаются в наличии комбинации из высокого сопротивления разрушению при ползучести при высоких температурах и стойкости к окислению и корродированию.The main advantages of these materials are the combination of high resistance to creep fracture at high temperatures and resistance to oxidation and corrosion.
Со временем суперсплавы на никелевой основе для монокристаллических лопаток подвергли существенным изменениям их химического состава с целью, в частности, улучшения их характеристик ползучести при высоких температурах при одновременном сохранении стойкости к воздействию очень агрессивной окружающей среды, в которой данные суперсплавы используются. Over time, nickel-based superalloys for single-crystal blades have been subjected to significant changes in their chemical composition in order, in particular, to improve their creep characteristics at high temperatures while maintaining resistance to the very aggressive environment in which these superalloys are used.
В дополнение к этому, были разработаны металлические покрытия, адаптированные для данных сплавов, для увеличения их стойкости к воздействию агрессивной окружающей среды, в которых используют данные сплавы, в том числе стойкости к окислению и стойкости к корродированию. В дополнение к этому, для уменьшения температуры на поверхности металла может быть добавлено керамическое покрытие, характеризующееся низкой теплопроводностью и исполняющее функцию термического барьера. In addition, metal coatings adapted to these alloys have been developed to increase their resistance to the harsh environments in which these alloys are used, including oxidation resistance and corrosion resistance. In addition, a low thermal conductivity ceramic coating can be added to reduce the temperature on the metal surface and act as a thermal barrier.
Обычно система полной защиты состоит из по меньшей мере двух слоев. Typically, a complete protection system consists of at least two layers.
Первый слой, также называемый подслоем или соединительным слоем, осаждают непосредственно на защищаемом компоненте из суперсплава на никелевой основе, также известном под наименованием «подложка», например, лопатке. За стадией осаждения следует стадия диффундирования соединительного слоя в суперсплав. Осаждение и диффундирование также могут быть проведены и в одну стадию. The first layer, also referred to as the underlayer or tie layer, is deposited directly onto the nickel-based superalloy component to be protected, also known as the "substrate", such as a blade. The deposition step is followed by a step of diffusion of the bonding layer into the superalloy. Deposition and diffusion can also be carried out in one stage.
Материалы, в общем случае использованные для получения данного соединительного слоя, включают образующие оксид алюминия металлические сплавы, относящиеся к типу MCrAlY (M = Ni (никель) или Со (кобальт) или смесь из Ni и Со, Cr = хром, Al = алюминий и Y = иттрий) или сплавы, относящиеся к типу алюминида никеля (NixAly), при этом некоторые из них также содержат платину (NixAlyPtz). Materials generally used to form this tie layer include alumina-forming metal alloys of the MCrAlY type (M = Ni (nickel) or Co (cobalt) or a mixture of Ni and Co, Cr = chromium, Al = aluminum and Y = yttrium) or alloys of the nickel aluminide type (Ni x Al y ), some of which also contain platinum (Ni x Al y Pt z ).
Второй слой, обычно называемый термобарьерным покрытием (ТБП), представляет собой керамическое покрытие, содержащее, например, обработанный оксидом иттрия диоксид циркония, также называемый стабилизированным оксидом иттрия диоксидом циркония, (YSZ), или частично стабилизированным оксидом иттрия диоксидом циркония, (YPSZ), и обладающее пористой структурой. Данный слой может быть осажден при использовании различных способов, таких как электронно-лучевое физическое осаждение из паровой фазы (ЭЛ-ФОПФ), атмосферное плазменное напыление (АПН), плазменное напыление суспензии (ПНС) или другие способы производства пористого керамического покрытия, характеризующегося низкой теплопроводностью. The second layer, commonly referred to as a thermal barrier coating (TBP), is a ceramic coating containing, for example, yttria-treated zirconia, also referred to as yttria-stabilized zirconia, (YSZ), or partially yttria-stabilized zirconia, (YPSZ), and having a porous structure. This layer can be deposited using a variety of methods such as electron beam physical vapor deposition (EB-PVD), atmospheric plasma sputtering (APS), slurry plasma sputtering (SPS) or other methods to produce a porous ceramic coating having low thermal conductivity. .
Вследствие использования данных материалов при высоких температурах, например, от 650°С до 1150°С, между суперсплавом на никелевой основе подложки и металлическим сплавом соединительного слоя возникают явления микроскопического взаимного диффундирования. Данные явления взаимного диффундирования, связанные с окислением соединительного слоя, модифицируют, в частности, химический состав, микроструктуру и, следовательно, механические свойства соединительного слоя, сразу после изготовления покрытия, и затем во время использования лопатки в турбине. Данные явления взаимного диффундирования также модифицируют химический состав, микроструктуру и, следовательно, механические свойства суперсплава подложки под покрытием. Таким образом, в суперсплавах с высоким содержанием тугоплавких элементов, в частности, рения, может быть сформирована вторичная реакционная зона (ВРЗ) в суперсплавах под покрытием на глубину в несколько десятков или даже сотен микрометров. Механические характеристики данной зоны ВРЗ значительно ниже, чем механические характеристиками подложки из суперсплава. Формирование зоны ВРЗ является нежелательным, поскольку это приводит к значительному уменьшению механической прочности суперсплава. Due to the use of these materials at high temperatures, for example, from 650° C. to 1150° C., microscopic mutual diffusion phenomena occur between the nickel-based superalloy of the substrate and the metal alloy of the connecting layer. These interdiffusion phenomena associated with the oxidation of the tie layer modify, in particular, the chemical composition, microstructure and hence the mechanical properties of the tie layer, immediately after the production of the coating, and then during the use of the blade in the turbine. These interdiffusion phenomena also modify the chemical composition, microstructure and hence the mechanical properties of the superalloy of the substrate under the coating. Thus, in superalloys with a high content of refractory elements, in particular, rhenium, a secondary reaction zone (SRZ) can be formed in superalloys under the coating to a depth of several tens or even hundreds of micrometers. The mechanical characteristics of this VRZ zone are significantly lower than those of the superalloy substrate. The formation of the VRZ zone is undesirable because it leads to a significant decrease in the mechanical strength of the superalloy.
Данные изменения соединительного слоя совместно с полями напряжений, связанными с ростом слоя оксида алюминия, который формируется во время эксплуатации на поверхности данного соединительного слоя, также известного под наименованием «термически выращенный оксид (ТВО)», и различиями коэффициентов термического расширения между различными слоями создают декогезию в зоне поверхности раздела между подслоем и керамическим покрытием, что может приводить к частичному или полному отшелушиванию керамического покрытия. После этого металлическая деталь (подложка из суперсплава и металлический соединительный слой) подвергаются воздействию и непосредственно подвергаются воздействию газообразных продуктов сгорания, что увеличивает риск повреждения лопатки и, таким образом, газовой турбины. These changes in the tie layer, together with the stress fields associated with the growth of the alumina layer that forms during service on the surface of this tie layer, also known as "thermally grown oxide (TGO)", and the differences in thermal expansion coefficients between the different layers create decohesion. in the area of the interface between the sublayer and the ceramic coating, which can lead to partial or complete peeling of the ceramic coating. Thereafter, the metal part (superalloy substrate and metal bonding layer) is exposed to and directly exposed to the combustion gases, which increases the risk of damage to the blade and thus to the gas turbine.
В дополнение к этому, сложная химия данных сплавов может приводить к дестабилизированию их оптимальной микроструктуры при проявлении частиц нежелательной фазы во время выдерживания деталей, образованных из данных сплавов, при высокой температуре. Данное дестабилизирование имеет негативные последствия для механических свойств данных сплавов. Эти нежелательные фазы со сложной кристаллической структурой и хрупкой природой, называются топологически плотно-упакованными (ТПУ) фазами. In addition, the complex chemistry of these alloys can destabilize their optimum microstructure by exhibiting unwanted phase particles during high temperature exposure of parts formed from these alloys. This destabilization has negative consequences for the mechanical properties of these alloys. These unwanted phases with complex crystal structure and brittle nature are called topologically close-packed (TPU) phases.
Кроме того, в компонентах, таких как лопатки, при их изготовлении путем направленного затвердевания могут формироваться дефекты отливки. Эти дефекты обычно представляют собой дефекты зерна «пятнистого» типа, наличие которых может привести к преждевременному выходу из строя данной детали во время эксплуатации. Наличие данных дефектов, связанных с химическим составом суперсплава, обычно приводит к отбраковыванию компонента, что увеличивает производственную себестоимость.In addition, casting defects can form in components such as blades when they are manufactured by directionally solidifying. These defects are usually "spotted" type grain defects, the presence of which can lead to premature failure of this part during operation. The presence of these defects associated with the chemical composition of the superalloy, usually leads to rejection of the component, which increases the cost of production.
Предмет и сущность изобретенияSubject and essence of the invention
Настоящее раскрытие направлено на предложение композиций суперсплавов на никелевой основе для изготовления монокристаллических компонентов, с улучшенными эксплуатационными характеристиками, относящимися к сроку службы и механической прочности, а также позволяет снизить себестоимость деталей уменьшить коэффициент выбраковки по сравнению с существующими сплавами. Данные суперсплавы характеризуются более высокой стойкостью к ползучести при высокой температуре по сравнению с существующими сплавами, в то же время демонстрируя хорошую стабильность микроструктуры в объеме суперсплава (низкой чувствительности к формированию структур ТПУ), хорошую стабильность микроструктуры под соединительным слоем термобарьерного покрытия (низкая чувствительности к формированию зоны ВРЗ), хорошую стойкость к окислению и корродированию одновременно избегая формирования паразитных зерен, относящихся к «пятнистому» типу.The present disclosure is directed to providing nickel-based superalloy compositions for the manufacture of single crystal components, with improved performance in terms of service life and mechanical strength, as well as reducing the cost of parts and reducing the rejection rate compared to existing alloys. These superalloys are characterized by higher creep resistance at high temperature compared to existing alloys, while showing good microstructure stability in the bulk of the superalloy (low sensitivity to TPU structure formation), good microstructure stability under the thermal barrier coating tie layer (low sensitivity to formation zones VRZ), good resistance to oxidation and corrosion while avoiding the formation of parasitic grains, belonging to the "spotted" type.
Для данной цели настоящее раскрытие относится к суперсплаву на никелевой основе, содержащему, в массовых процентах в массовых процентах, от 4,0 до 5,5% рения, от 1,0 до 3,0% рутения, от 2,0 до 14,0% кобальта, от 0,30 до 1,00% молибдена, от 3,0 до 5,0% хрома, от 2,5 до 4,0% вольфрама, от 4,5 до 6,5% алюминия, от 0,50 до 1,50% титана, от 8,0 до 9,0% тантала, от 0,15 до 0,30% гафния, предпочтительно от 0,16 до 0,30% гафния, предпочтительно от 0,17 до 0,30% гафния, предпочтительно от 0,18 до 0,30% гафния, еще более предпочтительно от 0,20 до 0,30% гафния, от 0,05 до 0,15% кремния, предпочтительно от 0,08 до 0,12% кремния, еще более предпочтительно 0,10% кремния, остальное представляют собой никель и неизбежные примеси.For this purpose, the present disclosure relates to a nickel-based superalloy containing, in mass percent in mass percent, from 4.0 to 5.5% rhenium, from 1.0 to 3.0% ruthenium, from 2.0 to 14, 0% cobalt, 0.30 to 1.00% molybdenum, 3.0 to 5.0% chromium, 2.5 to 4.0% tungsten, 4.5 to 6.5% aluminium, 0 .50 to 1.50% titanium, 8.0 to 9.0% tantalum, 0.15 to 0.30% hafnium, preferably 0.16 to 0.30% hafnium, preferably 0.17 to 0 30% hafnium, preferably 0.18 to 0.30% hafnium, even more preferably 0.20 to 0.30% hafnium, 0.05 to 0.15% silicon, preferably 0.08 to 0, 12% silicon, even more preferably 0.10% silicon, the balance being nickel and unavoidable impurities.
Данный суперсплав предназначен для изготовления монокристаллических компонентов газовой турбины, таких как неподвижные или подвижные лопатки.This superalloy is intended for the manufacture of single crystal gas turbine components such as fixed or moving blades.
Благодаря данной композиции суперсплава на никелевой (Ni) основе улучшается стойкость к ползучести по сравнению с существующими суперсплавами, в частности, при температурах, доходящих вплоть до 1200°С.With this nickel (Ni) based superalloy composition, creep resistance is improved over existing superalloys, in particular at temperatures up to 1200°C.
Следовательно, этот сплав характеризуется улучшенной стойкостью к высокотемпературной ползучести. Этот сплав также характеризуется улучшенной стойкостью к корродированию и окислению. Therefore, this alloy is characterized by improved resistance to high temperature creep. This alloy also features improved corrosion and oxidation resistance.
Данные суперсплавы характеризуются плотностью, меньшей или равной 9,00 г/см3 (граммы на кубический сантиметр). These superalloys are characterized by a density less than or equal to 9.00 g/cm 3 (grams per cubic centimeter).
Компонент из монокристаллического суперсплава на никелевой основе получают способом направленного затвердевания при термическом градиенте во время литья по выплавляемым моделям. Монокристаллический суперсплав на никелевой основе содержит аустенитную матрицу, обладающую гранецентрированной кубической структурой, которая представляет собой твердый раствор на никелевой основе, известный под наименованием «гамма-фаза (γ)». Данная матрица включает выделения упрочняющей гамма-штрих-фазы (γ’), обладающие упорядоченной кубической структурой L12 и относящиеся к типу Ni3Al. Таким образом, данный набор (матрица и выделения) описывается как суперсплав γ/γ’. The nickel-based single crystal superalloy component is produced by a thermal gradient directionally solidified method during investment casting. The nickel-based single crystal superalloy contains an austenitic matrix having a face-centered cubic structure, which is a nickel-based solid solution known as "gamma phase (γ)". This matrix includes segregations of the strengthening gamma-prime phase (γ') having an ordered L1 2 cubic structure and belonging to the Ni 3 Al type. Thus, this set (matrix and precipitates) is described as a γ/γ' superalloy.
В дополнение к этому, данная композиция суперсплава на никелевой основе позволяет выполнять термическую обработку, которая возвращает обратно в раствор выделения фазы γ’ и эвтектические фазы γ/γ’, которые формируются во время затвердевания суперсплава. Таким образом, может быть получен монокристаллический суперсплав на никелевой основе, включающий выделения γ’, имеющие контролируемый размер, предпочтительно в диапазоне между 300 и 500 нанометрами (нм), и содержащие маленькую долю эвтектических фаз γ/γ’. In addition, this nickel-based superalloy composition allows a heat treatment to be carried out which brings back into solution the precipitated γ' phase and the γ/γ' eutectic phases that are formed during solidification of the superalloy. Thus, a nickel-based single-crystal superalloy comprising γ' precipitates having a controlled size, preferably in the range between 300 and 500 nanometers (nm), and containing a small proportion of γ/γ' eutectic phases, can be obtained.
Термическая обработка также позволяет контролировать объемную долю выделений фазы γ’, присутствующих в монокристаллическом суперсплаве на никелевой основе. Объемный процент выделений фазы γ’ может быть больше или равен 50%, предпочтительно больше или равен 60%, еще более предпочтительно равен 70%. The heat treatment also makes it possible to control the volume fraction of the γ' phase precipitates present in the nickel-based single crystal superalloy. The volume percentage of precipitates of the γ' phase may be greater than or equal to 50%, preferably greater than or equal to 60%, even more preferably 70%.
Основные легирующие элементы представляют собой кобальт (Со), хром (Cr), молибден (Мо), рений (Re), рутений (RU), вольфрам (W), алюминий (Al), титан (Ti) и тантал (Та). The main alloying elements are cobalt (Co), chromium (Cr), molybdenum (Mo), rhenium (Re), ruthenium (RU), tungsten (W), aluminum (Al), titanium (Ti) and tantalum (Ta).
Неосновные легирующие элементы представляют собой гафний (Hf) и кремний (Si), для которых максимальный уровень содержания составляет менее, чем 1 мас.%. The minor alloying elements are hafnium (Hf) and silicon (Si), for which the maximum content is less than 1 wt.%.
Неизбежные примеси включают серу (S), углерод (С), бор (В), иттрий (Y), лантан (La) и церий (Се). Неизбежные примеси определяются как те элементы, которые не добавляют в композицию преднамеренно, и которые вводятся совместно с другими элементами. Inevitable impurities include sulfur (S), carbon (C), boron (B), yttrium (Y), lanthanum (La) and cerium (Ce). Unavoidable impurities are defined as those elements that are not intentionally added to the composition, and which are introduced together with other elements.
Добавление вольфрама, хрома, кобальта, рения, рутения или молибдена в основном используют для армирования аустенитной матрицы γ, обладающей гранецентрированной кубической (гцк) кристаллической структурой, в результате твердо-растворного упрочнения. The addition of tungsten, chromium, cobalt, rhenium, ruthenium or molybdenum is mainly used to reinforce the austenitic matrix γ having a face centered cubic (fcc) crystal structure by solid solution strengthening.
Добавление алюминия (Al), титана (Ti) или тантала (Та) промотирует формирование выделений упрочняющей фазы γ’-Ni3(Al, Ti, Ta). The addition of aluminum (Al), titanium (Ti) or tantalum (Ta) promotes the formation of precipitates of the strengthening phase γ'-Ni 3 (Al, Ti, Ta).
Рений (Re) замедляет диффундирование химических веществ в суперсплаве и ограничивает коалесценцию выделений фазы γ’ во время эксплуатации при высокой температуре, которая представляет собой явление, приводящее к уменьшению механической прочности. Таким образом, рений улучшает стойкость к ползучести при высокой температуре суперсплава на никелевой основе. Однако, чрезмерно высокая концентрация рения может приводить к формированию выделений интерметаллических фаз ТПУ, например, фазы σ, фазы Ρ или фазы μ, которые оказывают неблагоприятное воздействие на механические свойства суперсплава. Избыточная концентрация рения также может приводить к формированию вторичной реакционной зоны в суперсплаве ниже соединительного слоя, что оказывает неблагоприятное воздействие на механические свойства суперсплава. В частности, добавление рутения может вытеснить часть рения в фазе γ и ограничить образование ТПУ.Rhenium (Re) slows down the diffusion of chemicals in the superalloy and limits the coalescence of precipitates of the γ' phase during operation at high temperature, which is a phenomenon that leads to a decrease in mechanical strength. Thus, rhenium improves the creep resistance at high temperature of the nickel-based superalloy. However, an excessively high concentration of rhenium can lead to the formation of precipitates of intermetallic TPU phases, such as the σ phase, the P phase, or the μ phase, which adversely affect the mechanical properties of the superalloy. An excessive concentration of rhenium can also lead to the formation of a secondary reaction zone in the superalloy below the tie layer, which adversely affects the mechanical properties of the superalloy. In particular, the addition of ruthenium can displace some of the rhenium in the γ phase and limit the formation of TPU.
Одновременное добавление кремния и гафния улучшает стойкость к окислению в горячем состоянии для суперсплавов на никелевой основе в результате увеличения адгезии слоя оксида алюминия (Al2O3), который формируется на поверхности суперсплава при высокой температуре. Данный слой оксида алюминия формирует пассивирующий слой на поверхности суперсплава на никелевой основе и барьер для диффундирования кислорода снаружи вовнутрь суперсплава на никелевой основе. Однако, гафний может быть добавлен также и без добавления кремния, или, наоборот, кремний может быть добавлен также и без добавления гафния, а стойкость к окислению в горячем состоянии для суперсплава все еще может быть улучшена.The simultaneous addition of silicon and hafnium improves the hot oxidation resistance of nickel-based superalloys by increasing the adhesion of the aluminum oxide (Al 2 O 3 ) layer that is formed on the surface of the superalloy at high temperature. This alumina layer forms a passivation layer on the surface of the nickel based superalloy and a barrier to oxygen diffusion from outside to inside of the nickel based superalloy. However, hafnium can also be added without adding silicon, or vice versa, silicon can also be added without adding hafnium, and the hot oxidation resistance of the superalloy can still be improved.
В дополнение к этому, добавление хрома или алюминия улучшает стойкость суперсплава к окислению и высокотемпературному корродированию. В частности, хром является существенным при увеличении стойкости к корродированию в горячем состоянии суперсплавов на никелевой основе. Однако, чрезмерно высокое содержание хрома ведет к уменьшению температуры растворения фазы γ’ суперсплава на никелевой основе, то есть, температуры, выше которой фаза γ’ полностью растворяется в матрице γ, что является нежелательным. Поэтому концентрация хрома находится между 3,0 и 5,0 мас.% для того, чтобы поддерживать высокую температуру растворения фазы γ’ суперсплава на никелевой основе, например, большей или равной 1250°С, но также для того чтобы избежать формирования топологически компактных фаз в матрице γ, которые являются высоконасыщенными по легирующим элементам, таким как рений, молибден или вольфрам.In addition, the addition of chromium or aluminum improves the resistance of the superalloy to oxidation and high temperature corrosion. In particular, chromium is essential in improving the hot corrosion resistance of nickel-based superalloys. However, an excessively high chromium content leads to a decrease in the dissolution temperature of the γ' phase of the nickel-based superalloy, i.e., the temperature above which the γ' phase completely dissolves in the γ matrix, which is undesirable. Therefore, the concentration of chromium is between 3.0 and 5.0 wt.% in order to maintain a high dissolution temperature of the γ' phase of the nickel-based superalloy, for example, greater than or equal to 1250°C, but also in order to avoid the formation of topologically compact phases in the γ matrix, which are highly saturated in alloying elements such as rhenium, molybdenum or tungsten.
Добавление кобальта, который представляет собой элемент, близкий к никелю и частично замещает никель, приводит к формированию твердого раствора с никелем в матрице γ. Кобальт упрочняет матрицу γ и уменьшает восприимчивость к формированию выделений ТПУ и формированию зоны ВРЗ в суперсплаве под защитным покрытием. Однако, чрезмерно высокое содержание кобальта ведет к уменьшению температуры растворения фазы γ’ суперсплава на никелевой основе, что является нежелательным.The addition of cobalt, which is an element close to nickel and partially replaces nickel, leads to the formation of a solid solution with nickel in the γ matrix. Cobalt strengthens the γ matrix and reduces the susceptibility to the formation of TPU precipitates and the formation of the VRZ zone in the superalloy under the protective coating. However, an excessively high content of cobalt leads to a decrease in the dissolution temperature of the γ' phase of the nickel-based superalloy, which is undesirable.
Добавление рутения усиливает матрицу γ и снижает чувствительность суперсплава к образованию ТПУ. В частности, добавление рутения позволяет заменить часть рения в фазе γ и ограничить образование ТПУ. Добавление рутения также может оказывать положительное влияние на адгезию керамического покрытия.The addition of ruthenium enhances the γ matrix and reduces the sensitivity of the superalloy to TPU formation. In particular, the addition of ruthenium makes it possible to replace some of the rhenium in the γ phase and limit the formation of TPU. The addition of ruthenium can also have a positive effect on the adhesion of the ceramic coating.
Добавление тугоплавких элементов, таких как молибден, вольфрам, рений или тантал, помогает замедлить механизмы, контролирующие ползучесть суперсплавов на никелевой основе, которые зависят от диффундирования химических элементов в суперсплав.The addition of refractory elements such as molybdenum, tungsten, rhenium, or tantalum helps to slow down the mechanisms that control the creep of nickel-based superalloys, which depend on the diffusion of chemical elements into the superalloy.
Очень низкое содержание серы в суперсплаве на никелевой основе увеличивает стойкость к окислению и корродированию в горячем состоянии, а также стойкость к выкрашиванию термического барьера. Низкое содержание серы менее, чем 2 ч./млн. (мас.) (части на миллион по массе) или в идеальном случае менее, чем 0,5 ч./млн. (мас.), позволяет оптимизировать данные свойства. Такое массовое содержание серы может быть получено в результате производства низкосернистого маточного расплава или при использовании способа десульфурации, осуществляемого после проведения разливки. В частности, возможно сохранить низкое содержание серы в результате адаптирования способа производства суперсплава. The very low sulfur content of the nickel-based superalloy increases resistance to oxidation and hot corrosion, as well as resistance to thermal barrier spalling. Low sulfur content less than 2 ppm (wt.) (parts per million by weight) or ideally less than 0.5 ppm. (wt.), allows you to optimize these properties. This mass sulfur content can be obtained by producing a low sulfur mother melt or by using a post-casting desulfurization process. In particular, it is possible to keep the sulfur content low by adapting the superalloy production method.
Суперсплавы на никелевой основе определяют как суперсплавы с преобладающим содержанием никеля в массовых процентах в массовых процентах. В связи с этим необходимо понимать, что никель представляет собой элемент с наиболее высоким массовым процентом содержания в сплаве. Nickel-based superalloys are defined as superalloys with a predominant nickel content in mass percent in mass percent. In this regard, it must be understood that nickel is the element with the highest weight percentage in the alloy.
Суперсплав может содержать, в массовых процентах, от 4,5 до 5,5% рения, от 1,0 до 3,0 рутения, от 3,0 до 5,0% кобальта, от 0,30 до 0,80% молибдена, от 3,0 до 4,5% хрома, от 2,5 до 4,0% вольфрама, от 4,5 до 6,5% алюминия, от 0,50 до 1,50% титана, от 8,0 до 9,0% тантала, от 0,15 до 0,30% гафния, предпочтительно от 0,17 до 0,30% гафния, более предпочтительно от 0,20 до 0,30% гафния, от 0,05 до 0,15% кремния, остальное представляют собой никель и неизбежные примеси. The superalloy may contain, in weight percent, 4.5 to 5.5% rhenium, 1.0 to 3.0 ruthenium, 3.0 to 5.0% cobalt, 0.30 to 0.80% molybdenum , 3.0 to 4.5% chromium, 2.5 to 4.0% tungsten, 4.5 to 6.5% aluminum, 0.50 to 1.50% titanium, 8.0 to 9.0% tantalum, 0.15 to 0.30% hafnium, preferably 0.17 to 0.30% hafnium, more preferably 0.20 to 0.30% hafnium, 0.05 to 0.15 % silicon, the rest are nickel and unavoidable impurities.
Суперсплав может содержать, в массовых процентах, от 4,0 до 5,5% рения, от 1,0 до 3,0% рутения, от 3,0 до 13,0% кобальта, от 0,40 до 1,00% молибдена, от 3,0 до 4,5% хрома, от 2,5 до 4,0% вольфрама, от 4,5 до 6,5% алюминия, от 0,50 до 1,50% титана, от 8,0 до 9,0% тантала, от 0,15 до 0,30% гафния, предпочтительно от 0,17 до 0,30% гафния, еще более предпочтительно от 0,20 до 0,30% гафния, от 0,05 до 0,15% кремния, остальное представляют собой никель и неизбежные примеси. The superalloy may contain, in weight percent, 4.0 to 5.5% rhenium, 1.0 to 3.0% ruthenium, 3.0 to 13.0% cobalt, 0.40 to 1.00% molybdenum, 3.0 to 4.5% chromium, 2.5 to 4.0% tungsten, 4.5 to 6.5% aluminum, 0.50 to 1.50% titanium, 8.0 up to 9.0% tantalum, 0.15 to 0.30% hafnium, preferably 0.17 to 0.30% hafnium, even more preferably 0.20 to 0.30% hafnium, 0.05 to 0 .15% silicon, the rest are nickel and unavoidable impurities.
Суперсплав может содержать, в массовых процентах, от 4,0 до 5,0% рения, от 1,0 до 3,0 рутения, от 11,0 до 13,0% кобальта, от 0,40 до 1,00% молибдена, от 3,0 до 4,5% хрома, от 2,5 до 4,0% вольфрама, от 4,5 до 4,0 6,5% алюминия, от 0,50 до 1,50% титана, от 8,0 до 9,0% тантала, от 0,15 до 0,30% гафния, предпочтительно от 0,17 до 0,30% гафния, еще более предпочтительно от 0,20 до 0,30% гафния, от 0,05 до 0,15% кремния, остальное представляют собой никель и неизбежные примеси. The superalloy may contain, in weight percent, 4.0 to 5.0% rhenium, 1.0 to 3.0 ruthenium, 11.0 to 13.0% cobalt, 0.40 to 1.00% molybdenum , 3.0 to 4.5% chromium, 2.5 to 4.0% tungsten, 4.5 to 4.0 6.5% aluminum, 0.50 to 1.50% titanium, 8 0 to 9.0% tantalum, 0.15 to 0.30% hafnium, preferably 0.17 to 0.30% hafnium, even more preferably 0.20 to 0.30% hafnium, 0.05 up to 0.15% silicon, the rest is nickel and unavoidable impurities.
Суперсплав может содержать, в массовых процентах, 5,0% рения, 2,0 рутения, 4,0% кобальта, 0,50% молибдена, 4,0% хрома, 3,0% вольфрама, 5,4% алюминия, 1,00% титана, 8,5% тантала, 0,25%. гафний, 0,10% кремния, остальное представляют собой никель и неизбежные примеси. The superalloy may contain, in mass percent, 5.0% rhenium, 2.0 ruthenium, 4.0% cobalt, 0.50% molybdenum, 4.0% chromium, 3.0% tungsten, 5.4% aluminum, 1 .00% titanium, 8.5% tantalum, 0.25%. hafnium, 0.10% silicon, the rest are nickel and unavoidable impurities.
Суперсплав может содержать, в массовых процентах, 5,0% рения, 2,0 рутения, 4,0% кобальта, 0,50% молибдена, 4,0% хрома, 3,5% вольфрама, 5,4% алюминия, 0,90% титана, 8,5% тантала, 0,25%. гафний, 0,10% кремния, остальное представляют собой никель и неизбежные примеси. The superalloy may contain, in mass percent, 5.0% rhenium, 2.0 ruthenium, 4.0% cobalt, 0.50% molybdenum, 4.0% chromium, 3.5% tungsten, 5.4% aluminum, 0 .90% titanium, 8.5% tantalum, 0.25%. hafnium, 0.10% silicon, the rest are nickel and unavoidable impurities.
Суперсплав может содержать, в массовых процентах, 4,4% рения, 2,0 рутения, 4,0% кобальта, 0,70% молибдена, 4,0% хрома, 3,0% вольфрама, 5,4% алюминия, 1,00% титана, 8,5% тантала, 0,25%. гафний, 0,10% кремния, остальное представляют собой никель и неизбежные примеси. The superalloy may contain, in mass percent, 4.4% rhenium, 2.0 ruthenium, 4.0% cobalt, 0.70% molybdenum, 4.0% chromium, 3.0% tungsten, 5.4% aluminum, 1 .00% titanium, 8.5% tantalum, 0.25%. hafnium, 0.10% silicon, the rest are nickel and unavoidable impurities.
Суперсплав может содержать, в массовых процентах, 4,4% рения, 2,0 рутения, 12,0% кобальта, 0,70% молибдена, 4,0% хрома, 3,0% вольфрама, 5,4% алюминия, 1,00% титана, 8,5% тантала, 0,25%. гафний, 0,10% кремния, остальное представляют собой никель и неизбежные примеси. The superalloy may contain, in mass percent, 4.4% rhenium, 2.0 ruthenium, 12.0% cobalt, 0.70% molybdenum, 4.0% chromium, 3.0% tungsten, 5.4% aluminum, 1 .00% titanium, 8.5% tantalum, 0.25%. hafnium, 0.10% silicon, the rest are nickel and unavoidable impurities.
Суперсплав может содержать, в массовых процентах, 5,0% рения, 2,0 рутения, 4,0% кобальта, 0,50% молибдена, 3,5% хрома, 3,5% вольфрама, 5,4% алюминия, 0,90% титана, 8,5% тантала, 0,25%. гафний, 0,10% кремния, остальное представляют собой никель и неизбежные примеси. The superalloy may contain, in mass percent, 5.0% rhenium, 2.0 ruthenium, 4.0% cobalt, 0.50% molybdenum, 3.5% chromium, 3.5% tungsten, 5.4% aluminum, 0 .90% titanium, 8.5% tantalum, 0.25%. hafnium, 0.10% silicon, the rest are nickel and unavoidable impurities.
Суперсплав может содержать, в массовых процентах, 4,4% рения, 2,0 рутения, 12,0% кобальта, 0,70% молибдена, 3,5% хрома, 3,5% вольфрама, 5,4% алюминия, 0,90% титана, 8,5% тантала, 0,25%. гафний, 0,10% кремния, остальное представляют собой никель и неизбежные примеси. The superalloy may contain, in mass percent, 4.4% rhenium, 2.0 ruthenium, 12.0% cobalt, 0.70% molybdenum, 3.5% chromium, 3.5% tungsten, 5.4% aluminum, 0 .90% titanium, 8.5% tantalum, 0.25%. hafnium, 0.10% silicon, the rest are nickel and unavoidable impurities.
Настоящее раскрытие также относится к монокристаллической лопатке для турбомашин, содержащей суперсплав, как он определен выше. The present disclosure also relates to a single crystal turbomachine blade containing a superalloy as defined above.
Поэтому данная лопатка характеризуется улучшенной стойкостью к ползучести при высоких температурах. Therefore, this blade is characterized by improved creep resistance at high temperatures.
Лопатка может содержать защитное покрытие, включающее металлический соединительный слой, осажденный на суперсплав, и керамический термический барьер, осажденный на металлический соединительный слой. The blade may comprise a protective coating including a metal bonding layer deposited on the superalloy and a ceramic thermal barrier deposited on the metal bonding layer.
Благодаря композиции суперсплава на никелевой основе, формирование вторичной реакционной зоны в суперсплаве, представляющее собой результат явлений взаимного диффундирования между суперсплавом и подслоем, исключается или ограничивается.Due to the composition of the nickel-based superalloy, the formation of a secondary reaction zone in the superalloy, which is the result of mutual diffusion phenomena between the superalloy and the sublayer, is eliminated or limited.
Металлический соединительный слой может представлять собой сплав типа MCrAlY, или сплав типа алюминида никеля. The metal bonding layer may be an MCrAlY type alloy or a nickel aluminide type alloy.
Керамический термический барьер может представлять собой материал на основе диоксида циркония, обработанного оксидом иттрия, или любое другое керамическое покрытие (на основе диоксида кремния), характеризующееся низкой теплопроводностью. The ceramic thermal barrier may be a material based on zirconia treated with yttria or any other ceramic coating (based on silicon dioxide) having low thermal conductivity.
Лопасть может обладать структурой, ориентированной в кристаллографическом направлении <001>. The blade may have a structure oriented in the <001> crystallographic direction.
Данная ориентация в общем случае придает лопатке оптимальные механические свойства. This orientation generally gives the blade optimal mechanical properties.
Настоящее раскрытие также относится к турбомашине, включающей лопатку, как она определена выше. The present disclosure also relates to a turbomachine including a blade as defined above.
Краткое описание чертежей Brief description of the drawings
Другие признаки и преимущества изобретения станут очевидными из последующего описания вариантов осуществления изобретения, представленных в порядке неограничивающих примеров, со ссылкой на единственную прилагаемую фигуру, на которой: Other features and advantages of the invention will become apparent from the following description of the embodiments of the invention, presented by way of non-limiting examples, with reference to the single accompanying figure, in which:
фиг. 1 представляет собой схематическое изображение продольного разреза турбомашины; fig. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a turbomachine;
фиг. 2 представляет собой график, изображающий параметр отсутствия пятнистости (ПОП) для различных суперсплавов; fig. 2 is a graph depicting the non-spotting parameter (NSP) for various superalloys;
фиг. 3 представляет собой график, изображающий объемную концентрацию фазы γ’ при различных температурах и для различных суперсплавов. fig. 3 is a graph showing the volume concentration of the γ' phase at various temperatures and for various superalloys.
Подробное описание изобретения Detailed description of the invention
Суперсплавы на никелевой основе предназначены для изготовления монокристаллических лопаток с использованием способа направленного затвердевания при термическом градиенте. Получение данной монокристаллической структуры становится возможным благодаря использованию монокристаллических затравки или селектора зерен в начале затвердевания. Структура является ориентированной, например, в кристаллографическом направлении <001>, соответствующему ориентации, которая в общем случае придает суперсплавам оптимальные механические свойства. Nickel-based superalloys are designed for the manufacture of single-crystal blades using a thermal gradient directional solidification process. This single crystal structure is made possible by the use of a single crystal seed or grain selector at the start of solidification. The structure is oriented, for example, in the <001> crystallographic direction, corresponding to the orientation that generally gives the superalloys optimum mechanical properties.
Затвердевшие монокристаллические суперсплавы на никелевой основе обладают дендритной структурой и состоят из выделений γ’ Ni3(Al, Ti, Ta), диспергированных в матрице γ, обладающей гранецентрированной кубической структурой, которая образует твердый раствор на никелевой основе. Данные выделения фазы γ’ являются гетерогенно распределенными в объеме монокристалла в связи с химической ликвацией, возникающей вследствие осуществления способа затвердевания. В дополнение к этому, в междендритных областях присутствуют эвтектические фазы γ/γ’, которые представляют собой предпочтительные центры инициирования трещин. Эти эвтектические фазы γ/γ’ формируются в конце затвердевания. Помимо этого, эвтектические фазы γ/γ’ формируются в ущерб мелким выделениям (имеющим размер, менее, чем один микрометр) упрочняющей фазы γ’. Данные выделения фазы γ’ составляют основной источник упрочнения суперсплавов на никелевой основе. Также присутствие остаточных эвтектических фаз γ/γ’ не дает возможности оптимизировать стойкость к ползучести в горячем состоянии для суперсплава на никелевой основе. Solidified nickel-based single-crystal superalloys have a dendritic structure and consist of γ' Ni 3 (Al, Ti, Ta) precipitates dispersed in a γ matrix having a face-centered cubic structure that forms a nickel-based solid solution. These phase separation γ' are heterogeneously distributed in the bulk of the single crystal due to chemical segregation resulting from the implementation of the method of solidification. In addition, γ/γ' eutectic phases are present in the interdendritic regions, which are the preferred centers of crack initiation. These eutectic phases γ/γ' are formed at the end of solidification. In addition, γ/γ' eutectic phases are formed to the detriment of fine precipitates (less than one micrometer in size) of the γ' hardening phase. The γ' phase precipitation data is the main source of hardening of nickel-based superalloys. Also, the presence of residual γ/γ' eutectic phases makes it impossible to optimize the hot creep resistance of the nickel-based superalloy.
Действительно, как это было продемонстрировано, механические свойства суперсплавов, в частности, стойкости к ползучести, были оптимальными, когда формирование выделений γ’ было упорядоченным, то есть, когда выделения фазы γ’ выравнивались регулярно с размером в диапазоне от 300 до 500 нм, и когда совокупность γ/γ’ эвтектических фаз возвращалась в раствор.Indeed, as has been demonstrated, the mechanical properties of superalloys, in particular creep resistance, were optimal when the formation of γ' precipitates was ordered, that is, when the γ' phase precipitates aligned regularly with a size in the range of 300 to 500 nm, and when the set of γ/γ' eutectic phases returned to the solution.
Поэтому свежезатвердевшие суперсплавы на никелевой основе подвергают термической обработке для получения желательного распределения различных фаз. Первая термическая обработка является гомогенизирующей обработкой микроструктуры, цель которой заключается в растворении выделений фазы γ’ и исключении эвтектических фаз γ/γ’ или значительном уменьшении их объемной долевой концентрации. Данную обработку проводят при температуре, большей, чем температура растворения фазы γ’ и меньшей, чем температура начала плавления суперсплава (Тсолидус). После этого в конце данной первой термической обработки проводят закалку для получения мелкого и гомогенного диспергирования выделений γ’. Вслед за этим в две ступени проводят отпускные термические обработки при температурах, меньших, чем температура растворения фазы γ’. На перовой стадии для выращивания выделений γ’ до желательного размера, а после этого на второй стадии для увеличения объемной долевой концентрации данной фазы до приблизительно 70% при комнатной температуре. Therefore, freshly solidified nickel-based superalloys are subjected to heat treatment to obtain the desired distribution of the various phases. The first heat treatment is a homogenizing treatment of the microstructure, the purpose of which is to dissolve the precipitates of the γ' phase and eliminate the γ/γ' eutectic phases or significantly reduce their volume fraction. This treatment is carried out at a temperature greater than the dissolution temperature of the phase γ' and less than the melting start temperature of the superalloy (T solidus ). Thereafter, at the end of this first heat treatment, quenching is carried out to obtain a fine and homogeneous dispersion of precipitates γ'. This is followed by tempering heat treatments in two stages at temperatures lower than the phase dissolution temperature γ'. In the first stage to grow the precipitates γ' to the desired size, and then in the second stage to increase the volume fractional concentration of this phase to approximately 70% at room temperature.
На фиг. 1 демонстрируется вертикальное поперечное сечение турбореактивного двухконтурного двигателя 10 в вертикальной плоскости, проходящей через его основную ось А. Турбореактивный двигатель 10 включает, по ходу движения воздуха от верхней до нижней точки вентилятор 12, компрессор 14 низкого давления, компрессор 16 высокого давления, камеру 18 сгорания, турбину 20 высокого давления и турбину 22 низкого давления. In FIG. 1 shows a vertical cross-section of a
Турбина 20 высокого давления включает множество подвижных лопаток 20А, вращающихся совместно с ротором, и выпрямители 20В (стационарные лопатки), установленные на статоре. Статор турбины 20 включает множество статорных колец 24, скомпонованных напротив подвижных лопаток 20А турбины 20. The
Таким образом, данные свойства делают данные суперсплавы интересными кандидатами для изготовления монокристаллических деталей для горячих частей турбореактивных двигателей. Thus, these properties make these superalloys interesting candidates for the manufacture of single crystal parts for hot parts of turbojet engines.
Поэтому могут быть изготовлены подвижная лопатка 20А или выпрямитель 20В для турбомашинного оборудования, содержащие суперсплав, как он определен выше. Therefore, the
В альтернативном варианте, на подвижную лопатку 20А или выпрямитель 20В для турбомашинного оборудования, содержащие суперсплав, как он определен выше, наносят защитное покрытие, содержащее металлический соединительный слой. Alternatively, the
Турбомашина, в частности, может представлять собой турбореактивный двигатель, такой как турбореактивный двухконтурный двигатель 10. Турбомашина также может представлять собой однопоточный турбореактивный двигатель, турбовинтовой двигатель или турбовальный двигатель. The turbomachine may in particular be a turbojet, such as the
Примеры Examples
В настоящем раскрытии изучали шесть монокристаллических суперсплавов на никелевой основе (пример 1 - пример 6), которые сопоставляли с шестью коммерческими монокристаллическими суперсплавами CMSX-4 (пример 7), CMSX-4PlusC (пример 8), René N6 (пример 9), CMSX-10 (пример 10), MC-NG (пример 11) и TMS-138 (пример 12). Химическая композиция каждого из монокристаллических суперсплавов представлена в таблице 1, при этом композиция примера 9, кроме того, содержит 0,05 мас.% углерода (С) и 0,004 мас.% бора (В), композиция примера 10, кроме того, содержит 0,10 мас.% ниобия (Nb). Все суперсплавы являются суперсплавами на никелевой основе, то есть, остаток до 100% для продемонстрированных композиций состоит из никеля и неизбежных примесей.In the present disclosure, six nickel-based single crystal superalloys (Example 1 to Example 6) were studied and compared with six commercial single crystal superalloys CMSX-4 (Example 7), CMSX-4PlusC (Example 8), René N6 (Example 9), CMSX- 10 (example 10), MC-NG (example 11) and TMS-138 (example 12). The chemical composition of each of the single crystal superalloys is presented in Table 1, while the composition of example 9, in addition, contains 0.05 wt.% carbon (C) and 0.004 wt.% boron (B), the composition of example 10, in addition, contains 0 .10 wt% niobium (Nb). All superalloys are nickel-based superalloys, ie up to 100% of the compositions shown consist of nickel and unavoidable impurities.
Таблица 1Table 1
ПлотностьDensity
Плотность при комнатной температуре для каждого суперсплава оценивали при использовании модифицированной версии формулы Халла (F. C. Hull, Metal Progress, November 1969, pp139-140). Данное эмпирическое уравнение было предложено Халлом. Эмпирическое уравнение основано на законе смесей и включает в себя поправочные члены, полученные на основе линейного регрессионного анализа экспериментальных данных (химических составов и измеренных плотностей) для 235 суперсплавов и нержавеющей сталей. Эта формула Халла была модифицирована, в частности, для учета таких элементов, как рений и рутений. Модифицированная формула Халла является следующей: Density at room temperature for each superalloy was estimated using a modified version of Hull's formula (F. C. Hull, Metal Progress, November 1969, pp139-140). This empirical equation was proposed by Hull. The empirical equation is based on the law of mixtures and includes correction terms derived from a linear regression analysis of experimental data (chemical compositions and measured densities) for 235 superalloys and stainless steels. This Hull formula has been modified, in particular, to account for elements such as rhenium and ruthenium. Hull's modified formula is as follows:
(1) D = 27,68 × [D1 + 0,14037 - 0,00137%Cr - 0,00139%Ni - 0,00142%Co - 0,00140%Fe - 0,00186%Mo - 0,00125%W - 0,00134%V - 0,00119%Nb - 0,00113%Ta + 0,0004%Ti + 0,00388%C + 0,0000187 (%Mo)2 - 0,0000506 (%Co) × (%Ti) - 0,00096%Re - 0,001131%Ru],(1) D = 27.68 × [D 1 + 0.14037 - 0.00137% Cr - 0.00139% Ni - 0.00142% Co - 0.00140% Fe - 0.00186% Mo - 0.00125 %W - 0.00134%V - 0.00119%Nb - 0.00113%Ta + 0.0004%Ti + 0.00388%C + 0.0000187 (%Mo) 2 - 0.0000506 (%Co) × (% Ti) - 0.00096% Re - 0.001131% Ru],
где D1 = 100/[(%Cr/DCr) + (%Ni/DNi)+ … + (%X/DX)],where D 1 \u003d 100 / [(% Cr / D Cr ) + (% Ni / D Ni ) + ... + (% X / D X )],
где DCr, DNi, …, DX представляют собой плотности элементов Cr, Ni, …, X, в фунт/дюйм3 (фунты на о кубический дюйм), а D представляет собой плотность суперсплава, в г/см3, where D Cr , D Ni , ..., D X are the densities of the elements Cr, Ni, ..., X, in psi, and D is the density of the superalloy, in g/cm 3 ,
где %Cr, %Ni, … %X представляют собой уровни содержания, в массовых процентах, для элементов суперсплава Cr, Ni, …, X.where %Cr, %Ni, ... %X are the content levels, in mass percent, for the superalloy elements Cr, Ni, ..., X.
Рассчитанные плотности для сплавов изобретения и для сравнительных сплавов составляют менее, чем 9,00 г/см3 (см. таблицу 2).Calculated densities for the alloys of the invention and for comparative alloys are less than 9.00 g/cm 3 (see table 2).
Для проверки модифицированной модели Халла (уравнение (1)) сравнивают оцененные и измеренные плотности (см. таблицу 2). Оцененные и измеренные плотности согласуются друг с другом.To test the modified Hull model (Equation (1)) the estimated and measured densities are compared (see Table 2). The estimated and measured densities agree with each other.
В таблице 2 демонстрируются различные параметры для суперсплавов примеров 1 - 12.Table 2 shows the different parameters for the superalloys of examples 1-12.
Таблица 2table 2
Параметр отсутствия пятнистости (ПОП)No Spotting Parameter (NOP)
(2) ПОП = [%Ta + 1,5%Hf + 0,5%Mo - 0,5%Ti)]/[%W + 1,2%Re)], (2) POP = [%Ta + 1.5%Hf + 0.5%Mo - 0.5%Ti)]/[%W + 1.2%Re)],
где %Cr, %Ni, …%X представляют собой уровни содержания, в массовых процентах, для элементов суперсплава Cr, Ni,..., X.where %Cr, %Ni, ...%X are the content levels, in mass percent, for the superalloy elements Cr, Ni, ..., X.
ПОП используют для количественной оценки чувствительности к формированию пятнистости во время направленного затвердевания заготовки (документ US 5,888,451). Для предотвращения формирования пятнистости параметр ПОП должен быть больше или равен 0,7.FOP is used to quantify sensitivity to mottling during preform directional solidification (US 5,888,451). To prevent the formation of spotting, the POP parameter should be greater than or equal to 0.7.
Как это можно видеть в таблице 2 и на фиг. 2, все суперсплавы примеров 1-6 характеризуются параметром ПОП, больше или равным 0,7, в то время как коммерческие суперсплавы из примеров 7 - 12 характеризуются параметром ПОП менее, чем 0,7. As can be seen in Table 2 and in Fig. 2, the superalloys of Examples 1-6 all have an OD value greater than or equal to 0.7, while the commercial superalloys of Examples 7-12 have an OD value of less than 0.7.
Гамма-штрих-стойкость (ГШС) Gamma bar-fastness (GSHS)
Собственная механическая прочность фазы γ’ увеличивается при увеличении содержания элементов, замещающих алюминий в соединении Ni3Al, таких как титан, тантал и часть вольфрама. Поэтому соединение фазы γ’ может быть записано в виде Ni3(Al, Ti, Ta, W). Параметр ГШС используют при оценке уровня упрочнения фазы γ’: The inherent mechanical strength of the γ' phase increases with an increase in the content of elements that replace aluminum in the Ni 3 Al compound, such as titanium, tantalum, and some tungsten. Therefore, the γ' phase compound can be written as Ni 3 (Al, Ti, Ta, W). The GSS parameter is used in assessing the level of hardening of the phase γ':
(3) ГШС = [CTi + CTa + (CW/2)]/CAl, (3) GSS = [C Ti + C Ta + (C W /2)]/C Al ,
где CTi, CTa, CW и CAl представляют собой концентрации, в атомных процентах, для элементов Ti, Ta, W и Al, соответственно, в суперсплаве. where C Ti , C Ta , C W and C Al are the concentrations, in atomic percent, for the elements Ti, Ta, W and Al, respectively, in the superalloy.
Более высокий параметр ГШС благоприятствует достижению лучшей механической прочности суперсплава. Как это можно видеть из таблицы 2, параметр ГШС, рассчитанный для суперсплавов примеров 1 - 6 является более высоким, чем параметр ГШС, рассчитанный для коммерческих суперсплавов примеров 7 - 12. A higher GHS parameter is conducive to achieving better mechanical strength of the superalloy. As can be seen from Table 2, the GHS parameter calculated for the superalloys of Examples 1-6 is higher than the GHS parameter calculated for the commercial superalloys of Examples 7-12.
Чувствительность к формированию структур ТПУ (d) Sensitivity to the formation of TPU structures ( d)
Параметр d определяется следующим далее образом: Parameter d is defined as follows:
(4) , (four) ,
где Xi представляет собой долю элемента i в суперсплаве, в атомных процентах, (Md)i представляет собой значение параметра Md для элемента i. where X i is the proportion of element i in the superalloy, in atomic percent, (Md) i is the value of the parameter Md for element i.
В таблице 3 демонстрируются значения Md для различных элементов суперсплавов. Table 3 shows the Md values for various superalloy elements.
Таблица 3 Table 3
Чувствительность к формированию структур ТПУ определяют при использовании параметра d в соответствии с методом New PHACOMP, который был разработан авторами Morinaga et al. (Morinaga et al., New PHACOMP and its application to alloy design, Superalloys 1984, edited by M. Gell et al., The Metallurgical Society of AIME, Warrendale, PA, USA (1984) pp. 523-532). В соответствии с данной моделью чувствительность суперсплавов к формированию структуры ТПУ увеличивается при увеличении значения параметра d.The sensitivity to the formation of TPU structures is determined using the parameter d according to the New PHACOMP method developed by Morinaga et al. (Morinaga et al., New PHACOMP and its application to alloy design, Superalloys 1984, edited by M. Gell et al., The Metallurgical Society of AIME, Warrendale, PA, USA (1984) pp. 523-532). In accordance with this model, the sensitivity of superalloys to the formation of the TPU structure increases with an increase in the value of the parameter d.
Как это можно видеть из таблицы 2, суперсплавы примеров 1 - 12 характеризуются приблизительно равными значениями параметра d. Поэтому данные суперсплавы проявляют аналогичные чувствительности к формированию структур ТПУ, чувствительностями, которые имеют относительно низкие значения.As can be seen from table 2, the superalloys of examples 1 to 12 are characterized by approximately equal values of the parameter d. Therefore, these superalloys exhibit similar sensitivities to the formation of TPU structures, sensitivities that are relatively low.
Температура растворения фазы γ’ Phase dissolution temperature γ'
Для вычисления температуры растворения фазы γ’ при равновесии использовали программное обеспечение ThermoCalc (база данных Ni25) на основе метода CALPHAD.To calculate the phase dissolution temperature γ' at equilibrium, the ThermoCalc software (Ni25 database) based on the CALPHAD method was used.
Как видно из таблицы 4, суперсплавы примеров 1 - 6 характеризуются более высокой температурой растворения фазы γ’, чем температура растворения фазы γ’ для суперсплавов примеров 7-12. As can be seen from Table 4, the superalloys of Examples 1-6 have a higher phase dissolution temperature γ' than the phase dissolution temperature γ' of the superalloys of Examples 7-12.
Объемная долевая концентрация фазы γ’ Volume fractional concentration of the phase γ'
Для вычисления объемной долевой концентрации (объемного процента) фазы γ’ при равновесии в суперсплавах примеров 1 -12 при 950°С, 1150°С и 1200°С использовали программное обеспечение ThermoCalc (база данных Ni25) на основе метода CALPHAD. ThermoCalc software (Ni25 database) based on the CALPHAD method was used to calculate the volume fraction (volume percent) of the γ' phase at equilibrium in the superalloys of Examples 1-12 at 950°C, 1150°C and 1200°C.
Как видно из таблицы 4 и фиг. 3, суперсплавы примеров 1 - 6 характеризуются более высокими или сопоставимыми объемными долевыми концентрациями фазы γ’ по сравнению с объемными долевыми концентрациями фазы γ’ для коммерческих суперсплавов примеров 7 – 12. As can be seen from Table 4 and FIG. 3, the superalloys of Examples 1-6 have higher or comparable volume fractions of the γ' phase compared to the volume fractions of the γ' phase for the commercial superalloys of Examples 7-12.
Таким образом, комбинация высокой температуры растворения фазы γ’ и высоких объемных долевых концентраций фазы γ’ для суперсплавов примеров 1 - 6 является благоприятной для хорошей стойкости к ползучести при высоких и очень высоких температурах, например, при 1200°С. Следовательно, это сопротивление должно быть больше, чем сопротивление ползучести для коммерческих суперсплавов из примеров 7 - 12.Thus, the combination of a high dissolution temperature of the γ' phase and high volume fractions of the γ' phase for the superalloys of Examples 1 to 6 is favorable for good creep resistance at high and very high temperatures, for example at 1200°C. Therefore, this resistance must be greater than the creep resistance of the commercial superalloys of Examples 7-12.
Таблица 4 Table 4
Объемная долевая концентрация фазы σ, относящейся к типу ТПУ Volume fractional concentration of the phase σ related to the TPU type
Для вычисления объемной долевой концентрации (объемного процента) равновесной фазы σ в суперсплавах примеров 1 - 14 при 950°С и 1050°С (см. таблицу 5) использовали программное обеспечение ThermoCalc (база данных Ni25) на основе метода CALPHAD. ThermoCalc software (Ni25 database) based on the CALPHAD method was used to calculate the volume fraction (volume percent) of the equilibrium phase σ in the superalloys of Examples 1-14 at 950°C and 1050°C (see Table 5).
Рассчитанные объемные долевые концентрации для фазы σ равны нулю при 950°С для суперсплавов примеров 3,4 и 6 и являются относительно низкими для суперсплавов примеров 1 и 5, что отражает низкую чувствительность к формированию выделений структур ТПУ. Поэтому данные результаты подкрепляют результаты, полученные при использовании метода New PHACOMP (параметр d). The calculated volume fractions for the σ phase are zero at 950°C for the superalloys of examples 3,4 and 6 and are relatively low for the superalloys of examples 1 and 5, which reflects the low sensitivity to the formation of precipitates of TPU structures. Therefore, these results reinforce the results obtained using the New PHACOMP method (parameter d).
Массовая концентрация хрома, растворенного в матрице γ Mass concentration of chromium dissolved in the matrix γ
Для вычисления содержания хрома (в массовых процентах) в фазе γ при равновесии в суперсплавах примеров 1-14 при 950°С, 1050°С и 1200°С использовали программное обеспечение ThermoCalc (база данных Ni25) на основе метода CALPHAD. ThermoCalc software (Ni25 database) based on the CALPHAD method was used to calculate the chromium content (in weight percent) in the γ phase at equilibrium in the superalloys of Examples 1-14 at 950°C, 1050°C and 1200°C.
Как можно видеть из таблицы 5, концентрации хрома в фазе γ являются более высокими для суперсплавов примеров 1-6 по сравнению с концентрациями хрома в фазе γ для коммерческих суперсплавов примеров 7-12, что благоприятствует достижению лучшей стойкости к корродированию и окислению в горячем состоянии. As can be seen from Table 5, the chromium concentrations in the γ phase are higher for the superalloys of Examples 1-6 compared to the chromium concentrations in the γ phase for the commercial superalloys of Examples 7-12, which favors better hot corrosion and oxidation resistance.
Таблица 5 Table 5
(в% (масс.))Level of chromium content in phase γ
(in % (mass.))
Характеристики ползучести при очень высокой температуре Creep characteristics at very high temperature
Испытания на ползучесть проводили для суперсплавов примера 2, примера 7, примера 9, примера 10. Испытания на ползучесть проводили при 1200°С и 80 МПа в соответствии с документом NF EN ISO 204 standard от августа 2009 года (Guide U125_J). Creep tests were carried out on superalloys of example 2, example 7, example 9, example 10. Creep tests were carried out at 1200°C and 80 MPa in accordance with the NF EN ISO 204 standard of August 2009 (Guide U125_J).
Результаты испытаний на ползучесть, в которых суперсплавы нагружали (80 МПа) при 1200°С, демонстрируются в таблице 6. Результаты представляют собой время в часах (час) при выходе образца из строя. The results of the creep tests in which the superalloys were loaded (80 MPa) at 1200° C. are shown in Table 6. The results are the time in hours (hour) at sample failure.
Таблица 6 Table 6
Суперсплав примера 2 показывают лучшие характеристики ползучести, чем суперсплавы примера 7 и примера 9. Суперсплав примера 10 также демонстрирует хорошие характеристики ползучести. The superalloy of example 2 shows better creep characteristics than the superalloys of example 7 and example 9. The superalloy of example 10 also shows good creep characteristics.
Характеристики циклического окисления при 1150°С Characteristics of cyclic oxidation at 1150°C
Суперсплавы подвергают термоциклированию, как описано в документе INS-TTH-001 and INS-TTH-002: Oxidative Cycling Test Method (Mass Loss Test and Thermal Barrier). Superalloys are thermally cycled as described in INS-TTH-001 and INS-TTH-002: Oxidative Cycling Test Method (Mass Loss Test and Thermal Barrier).
Образец суперсплава, подвергаемого испытанию (штифт, имеющий диаметр 20 мм и высоту 1 мм) подвергают термоциклированию, каждый цикл которого включает увеличение температуры до 1150°С на протяжении менее 15 мин (минут), 60-минутную остановку при 1150°С и турбинное охлаждение образца на протяжении 15 минут. The superalloy sample being tested (a pin having a diameter of 20 mm and a height of 1 mm) is subjected to thermal cycling, each cycle of which includes an increase in temperature to 1150 ° C for less than 15 min (minutes), a 60-minute stop at 1150 ° C and turbine cooling sample for 15 minutes.
Термический цикл повторяют до тех пор, пока не наблюдается потеря массы образца для испытания, равная 20 мг/см2 (миллиграммы на квадратный сантиметр). The thermal cycle is repeated until a weight loss of 20 mg/cm 2 (milligrams per square centimeter) of the test piece is observed.
Срок службы для суперсплавов, подвергнутых испытаниям, демонстрируются в таблице 7.Service life for the superalloys tested is shown in Table 7.
Таблица 7Table 7
Как это можно видеть, суперсплав примера 2 характеризуется намного более продолжительным сроком службы, чем суперсплавы примера 7, примера 8 и примера 9. Необходимо отметить, что характеристики окисления суперсплава примера 10 намного хуже, чем характеристиками суперсплава примера 2. As can be seen, the superalloy of example 2 has a much longer service life than the superalloys of example 7, example 8 and example 9. It should be noted that the oxidation characteristics of the superalloy of example 10 are much worse than those of the superalloy of example 2.
Стабильность микроструктуры Microstructure stability
После старения на протяжении 300 часов при 1050°С в результате анализа изображения с помощью сканирующей электронной микроскопии, какой-либо фазы ТПУ для суперсплава из примера 2 не наблюдают. After aging for 300 hours at 1050° C. as a result of image analysis by scanning electron microscopy, no TPU phase was observed for the superalloy of example 2.
Чувствительность к формированию дефектов литья Sensitivity to the formation of casting defects
После формования способом литья по выплавляемым восковым моделям и направленного затвердевания в печи Бриджмена суперсплава примера 2 не наблюдали каких-либо дефектов, представляющих собой результат литья, в частности, относящихся к «пятнистому» типу. Дефекты, относящиеся к «пятнистому» типу, наблюдают после погружения образца в раствор на основе HNO3/H2SO4.After casting by lost wax casting and directionally solidifying in a Bridgman furnace, the superalloy of Example 2 did not observe any defects representing the result of casting, in particular those of the "mottled" type. Defects related to the "spotted" type, observed after immersion of the sample in a solution based on HNO 3 /H 2 SO 4 .
Хотя настоящее раскрытие было описано со ссылкой на конкретный пример конкретного варианта осуществления, очевидно, что в эти примеры могут быть внесены различные модификации и изменения, не выходящие за рамки общего объема изобретения, который определен формулой изобретения. Кроме того, отдельные признаки различных упомянутых вариантов осуществления могут быть объединены в дополнительных вариантах осуществления. Следовательно, описание и чертежи следует рассматривать в иллюстративном, а не в ограничительном смысле.Although the present disclosure has been described with reference to a specific example of a specific embodiment, it is obvious that various modifications and changes can be made to these examples without going beyond the general scope of the invention, which is defined by the claims. In addition, individual features of the various embodiments mentioned may be combined in additional embodiments. Therefore, the description and drawings are to be considered in an illustrative and not a limiting sense.
Claims (14)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR1760679 | 2017-11-14 | ||
FR1760679A FR3073527B1 (en) | 2017-11-14 | 2017-11-14 | SUPERALLIAGE BASED ON NICKEL, MONOCRYSTALLINE AUBE AND TURBOMACHINE |
PCT/FR2018/052839 WO2019097162A1 (en) | 2017-11-14 | 2018-11-14 | Nickel-based superalloy, single-crystal blade and turbomachine |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020119485A RU2020119485A (en) | 2021-12-15 |
RU2020119485A3 RU2020119485A3 (en) | 2021-12-15 |
RU2774764C2 true RU2774764C2 (en) | 2022-06-22 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2821248C1 (en) * | 2024-03-14 | 2024-06-18 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр "Технологии Специальной Металлургии" | Cast heat-resistant nickel alloy with monocrystal structure for gas turbine engine blades |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2293782C1 (en) * | 2005-08-15 | 2007-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Nickel heat-resistant alloy for monocrystalline castings and article made therefrom |
US7473326B2 (en) * | 2002-03-27 | 2009-01-06 | National Institute For Materials Science | Ni-base directionally solidified superalloy and Ni-base single crystal superalloy |
RU2415190C2 (en) * | 2006-09-13 | 2011-03-27 | Нэшнл Инститьют Фор Матириалз Сайенс | MONO-CRYSTAL SUPER-ALLOY ON BASE OF Ni |
EP2631324A4 (en) * | 2010-10-19 | 2014-04-16 | Nat Inst For Materials Science | Ni-based superalloy member having heat-resistant bond coat layer formed therein |
US20170241005A1 (en) * | 2016-02-24 | 2017-08-24 | MTU Aero Engines AG | Heat treatment process for components composed of nickel-based superalloys |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7473326B2 (en) * | 2002-03-27 | 2009-01-06 | National Institute For Materials Science | Ni-base directionally solidified superalloy and Ni-base single crystal superalloy |
RU2293782C1 (en) * | 2005-08-15 | 2007-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Nickel heat-resistant alloy for monocrystalline castings and article made therefrom |
RU2415190C2 (en) * | 2006-09-13 | 2011-03-27 | Нэшнл Инститьют Фор Матириалз Сайенс | MONO-CRYSTAL SUPER-ALLOY ON BASE OF Ni |
EP2631324A4 (en) * | 2010-10-19 | 2014-04-16 | Nat Inst For Materials Science | Ni-based superalloy member having heat-resistant bond coat layer formed therein |
US20170241005A1 (en) * | 2016-02-24 | 2017-08-24 | MTU Aero Engines AG | Heat treatment process for components composed of nickel-based superalloys |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2821248C1 (en) * | 2024-03-14 | 2024-06-18 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр "Технологии Специальной Металлургии" | Cast heat-resistant nickel alloy with monocrystal structure for gas turbine engine blades |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11725261B2 (en) | Nickel-based superalloy, single-crystal blade and turbomachine | |
JP7273714B2 (en) | Nickel-Based Superalloys, Single Crystal Blades, and Turbomachines | |
EP1431405A1 (en) | Nickel base superalloy | |
US11268170B2 (en) | Nickel-based superalloy, single-crystal blade and turbomachine | |
US11396686B2 (en) | Nickel-based superalloy, single-crystal blade and turbomachine | |
RU2774764C2 (en) | Superalloy based on nickel, monocrystal blade and turbomachine | |
RU2780326C2 (en) | Nickel-based superalloy, monocrystalline blade and turbomachine | |
US20070044869A1 (en) | Nickel-base superalloy | |
US20240191629A1 (en) | Nickel-based superalloy, single-crystal blade and turbomachine | |
BR112020009498B1 (en) | NICKEL-BASED SUPERALLOY, SINGLE CRYSTALLINE SHOVEL FOR A TURBOMACHINE, AND, TURBOMACHINE | |
CN117651782A (en) | Nickel-base superalloy, single crystal blade and turbine | |
CN117677721A (en) | Nickel-based superalloy, single crystal blade and turbine | |
FR3139347A1 (en) | NICKEL-BASED SUPERALLOY, MONOCRYSTAL BLADE AND TURBOMACHINE |