RU2777682C2 - Turbine part of superalloy with rhenium and/or ruthenium content and its manufacturing method - Google Patents
Turbine part of superalloy with rhenium and/or ruthenium content and its manufacturing method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2777682C2 RU2777682C2 RU2020112701A RU2020112701A RU2777682C2 RU 2777682 C2 RU2777682 C2 RU 2777682C2 RU 2020112701 A RU2020112701 A RU 2020112701A RU 2020112701 A RU2020112701 A RU 2020112701A RU 2777682 C2 RU2777682 C2 RU 2777682C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sublayer
- amount
- phase
- substrate
- nickel
- Prior art date
Links
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 44
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N Rhenium Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 20
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 20
- 239000005092 Ruthenium Substances 0.000 title claims abstract description 16
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 16
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 16
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 75
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 45
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 24
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims abstract description 22
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N al2o3 Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 9
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 6
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 6
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 5
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 claims description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 4
- 229910052803 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 3
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000010549 co-Evaporation Methods 0.000 claims description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 claims description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 2
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 claims 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 claims 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 9
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 abstract description 9
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 8
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 8
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract description 8
- 238000010517 secondary reaction Methods 0.000 abstract description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 7
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 6
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N Hafnium Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 4
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 229910001005 Ni3Al Inorganic materials 0.000 abstract 3
- 206010040844 Skin exfoliation Diseases 0.000 abstract 1
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 abstract 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 abstract 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 14
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 11
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 11
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 9
- 230000001131 transforming Effects 0.000 description 9
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 4
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 3
- 229910000943 NiAl Inorganic materials 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000907 nickel aluminide Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001681 protective Effects 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000951 Aluminide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001427 coherent Effects 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005328 electron beam physical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 150000002815 nickel Chemical class 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing Effects 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention belongs
Изобретение относится к детали турбины, такой, как лопатка турбины или лопатка соплового аппарата, применяемой в авиастроении.The invention relates to a turbine component, such as a turbine blade or a nozzle blade, used in the aircraft industry.
Уровень техники State of the art
В турбореактивном двигателе газообразные продукты сгорания, выходящие из камеры сгорания, могут достигать высокой температуры, превышающей 1200ºС, даже 1600ºС. Детали турбореактивного двигателя, контактирующие с этими газообразными продуктами сгорания такие, например, как лопатки турбины, должны следовательно обладать способностью сохранять свои механические свойства при этих высоких температурах.In a turbojet engine, the combustion gases leaving the combustion chamber can reach high temperatures in excess of 1200°C, even 1600°C. Parts of a turbojet engine that come into contact with these combustion gases, such as turbine blades, must therefore be able to maintain their mechanical properties at these high temperatures.
Для этого, как известно, некоторые детали турбореактивного двигателя изготавливаются из “суперсплава”. Суперсплавы, как правило, на основе никеля образуют группу металлических сплавов с высоким пределом прочности, способных работать при температурах, относительно близких к их точке плавления (обычно при коэффициенте от 0,7 до 0,8 от их температуры плавления).To do this, as you know, some parts of the turbojet engine are made of "superalloy". Nickel-based superalloys generally form a group of high tensile metal alloys capable of operating at temperatures relatively close to their melting point (typically a factor of 0.7 to 0.8 of their melting point).
Для повышения термостойкости таких суперсплавов и их защиты от окисления и коррозии принято наносить на них покрытие, играющее роль теплового барьера.To improve the thermal stability of such superalloys and protect them from oxidation and corrosion, it is customary to apply a coating on them, which plays the role of a thermal barrier.
На фиг. 1 схематически показано поперечное сечение детали 1 турбины, например, лопатки 6 турбины или лопатки соплового аппарата. Деталь 1 содержит подложку 2 из монокристаллического металлического суперсплава, покрытую тепловым барьером 10.In FIG. 1 shows a schematic cross-section of a turbine part 1, for example a
Тепловой барьер обычно содержит металлический подслой, защитный слой и теплоизолирующий слой. Металлический подслой покрывает подложку из металлического суперсплава. Сам металлический подслой покрыт защитным слоем, образованным 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 керамическим, например, из иттрийсодержащего диоксида циркония.The thermal barrier typically comprises a metal sublayer, a protective layer, and a heat insulating layer. The metal sublayer covers the metal superalloy substrate. The metal sublayer itself is covered with a protective layer formed as a result of the oxidation of the metal sublayer. The protective layer protects the superalloy substrate from corrosion and/or oxidation. The heat-insulating layer covers the protective layer. The thermally insulating layer may be ceramic, for example, from yttrium-containing zirconia.
Подслой может быть выполнен из простого алюминида никеля β-NiAl или модифицированного платиной алюминида никеля β-NiAlPt. Средняя атомная доля алюминида (составляющая 0,35 – 0,45) подслоя достаточна для полного образования защитного слоя из оксида алюминия (Al2O3), обеспечивающего защиту подложки из суперсплава от окисления и коррозии.The underlayer may be plain nickel aluminide β-NiAl or platinum-modified nickel aluminide β-NiAlPt. The average aluminide atomic fraction (0.35 - 0.45) of the sublayer is sufficient to completely form a protective layer of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) that protects the superalloy substrate from oxidation and corrosion.
Однако в том случае, когда деталь подвержена воздействию высоких температур разница в концентрациях никеля и главным образом алюминия в подложке из суперсплава и металлическом подслое вызывает диффузию разных элементов, в частности, содержащегося в подложке никеля в направлении металлического подслоя, а также содержащегося в металлическом подслое алюминия в направлении суперсплава. Такое явление названо «взаимной диффузией».However, when the workpiece is exposed to high temperatures, the difference in the concentrations of nickel and mainly aluminum in the superalloy substrate and the metal sublayer causes diffusion of different elements, in particular, the nickel contained in the substrate towards the metal sublayer, and also the aluminum contained in the metal sublayer towards the superalloy. This phenomenon is called "mutual diffusion".
Взаимная диффузия может привести к образованию первичных и вторичных зон реакции (SRZ= Secondаry Reaction Zone) в той части подложки, которая контактирует с подслоем.Mutual diffusion can lead to the formation of primary and secondary reaction zones (SRZ = Secondary Reaction Zone) in that part of the substrate that is in contact with the sublayer.
На фиг. 2 приведена микрофотография сечения покрывающего подложку 2 подслоя 3а. Микрофотография была выполнена до того, как деталь была подвержена серии циклов термической обработки для имитации температурных условий, в которых находится деталь 1 во время своей работы. Подложка 2 богата содержанием рения, т. е. средняя массовая доля рения превышает или равна 0,04. Как известно, рений применяется в составе суперсплавов для увеличения сопротивления ползучести деталей из суперсплава. Обычно подложка 2 содержит фазу γ-Ni. Подслой 3а представляет собой тип β-NiAlPt. Подложка содержит первичную зону 5 взаимной диффузии, находящуюся в той части подложки, которая непосредственно покрыта подслоем 3а. Подложка 2 содержит также вторичную зону 6 взаимной диффузии, которая непосредственно покрыта первичной зоной 5 взаимной диффузии. Толщина вторичной, приведённой на фиг. 2 зоны 6 взаимной диффузии составляет по существу 35 мкм.In FIG. 2 shows a micrograph of a section of the sublayer 3a covering the
На фиг. 3 показана микрофотография сечения подслоя 3а, покрывающего подложку 2. Микрофотография изображает подслой 3а и подложка 2 после того, как они были подвержены серии описанных выше циклов термообработки. Подслой 3а покрывает подложку 2. Подложка 2 содержит первичную зону 5 взаимной диффузии и вторичную зону 6 взаимной диффузии. Локально толщина вторичной зоны 6 взаимной диффузии может достигать 150 мкм, как показано на фиг. 3 отрезком белого цвета.In FIG. 3 shows a micrograph of a cross-section of sublayer 3a covering
Явления взаимной диффузии влекут за собой преждевременное обеднение подслоя алюминием, что способствует преобразованиям фаз в подслое (β-NiAl → γ’-Ni3Al: мартенситное превращение). Такие преобразования изменяют аллотропную модификацию подслоя 3а и вызывают образование в ней трещин 8, способствующих отслоению (rumpling) защитного слоя из оксида алюминия.Interdiffusion phenomena entail a premature depletion of the sublayer in aluminum, which promotes phase transformations in the sublayer (β-NiAl → γ'-Ni 3 Al: martensitic transformation). Such transformations change the allotropic modification of the sublayer 3a and cause the formation of
Таким образом, явления взаимной диффузии между подложкой из суперсплава и подслоем могут иметь отрицательные последствия для долговечности детали из суперсплава. Thus, interdiffusion phenomena between the superalloy substrate and the underlayer can have negative consequences for the durability of the superalloy part.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Одна из технических задач изобретения состоит в разработке решения эффективной защиты от окисления и коррозии турбинной детали из суперсплава и увеличении её срока службы во время работы по сравнению с известными деталями.One of the technical objectives of the invention is to provide a solution for effective protection against oxidation and corrosion of a superalloy turbine part and increase its service life during operation compared to known parts.
Другая техническая задача состоит в разработке решения предотвращения или ограничения образования вторичных зон реакции в подложке и отслаивания защитного слоя из оксида алюминия.Another technical challenge is to develop a solution to prevent or limit the formation of secondary reaction zones in the substrate and peeling of the protective layer of aluminum oxide.
Вышеприведенная техническая задача решена в детали турбины, содержащей подложку, выполненную из монокристаллического суперсплава на основе никеля, содержего рений и/или рутений, и имеющую фазу γ’-Ni3Al, являющуюся преобладающей в объёме, а также фазу γ-Ni, и покрывающий подложку подслой из металлического суперсплава на основе никеля, при этом, согласно изобретению, подслой содержит фазу γ’-Ni3Al в преобладающем объёме, причем подслой имеет среднюю атомную долю алюминия, составляющую от 0,15 до 0,25, хрома от 0,03 до 0,08, платины от 0,01 до 0,05, гафния менее 0,01 и кремния менее 0,01. The above technical problem is solved in a turbine part containing a substrate made of a nickel-based single-crystal superalloy containing rhenium and/or ruthenium, and having a γ'-Ni 3 Al phase, which is predominant in the volume, as well as a γ-Ni phase, and covering sublayer of a nickel-based metal superalloy, wherein, according to the invention, the sublayer contains the γ'-Ni 3 Al phase in the predominant volume, and the sublayer has an average atomic fraction of aluminum, which is from 0.15 to 0.25, chromium from 0, 03 to 0.08, platinum from 0.01 to 0.05, hafnium less than 0.01 and silicon less than 0.01.
Поскольку металлический подслой имеет аллотропную модификацию, близкую к модификации подложки, то создаётся препятствие и/или ограничение для образования вторичных зон реакции.Since the metal sublayer has an allotropic modification close to that of the substrate, an obstacle and/or limitation is created for the formation of secondary reaction zones.
Кроме того, поскольку состав металлического подслоя соответствует составу подслоя в рабочих условиях в момент времени, следующий после мартенситного превращения, то аллотропная модификация подслоя ограничивает или препятствует образованию вторичных зон реакции, сохраняя химический состав, обеспечивающий увеличение времени в рабочих условиях, в течение которого может образовываться защитный подслой.In addition, since the composition of the metal sublayer corresponds to the composition of the sublayer under operating conditions at the time point following the martensitic transformation, the allotropic modification of the sublayer limits or prevents the formation of secondary reaction zones, maintaining a chemical composition that provides an increase in the time under operating conditions during which protective underlayer.
Деталь турбины может также характеризоваться следующими признаками:A turbine part may also have the following features:
- подслой содержит фазу γ’-Ni3Al в количестве более 95 % от объема.- the sublayer contains the γ'-Ni 3 Al phase in an amount of more than 95% by volume.
- подслой содержит фазу γ’-Ni3Al и фазу ß-NiAlPt,- the sublayer contains the γ'-Ni 3 Al phase and the ß-NiAlPt phase,
подслой содержит фазу γ’-Ni3Al и фазу γ-Ni,the sublayer contains a γ'-Ni 3 Al phase and a γ-Ni phase,
- массовая доля рения в подложке превышает или равна 0,04,- the mass fraction of rhenium in the substrate is greater than or equal to 0.04,
- дополнительно подслой содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из кобальта, молибдена, вольфрама, титана и тантала,- additionally, the sublayer contains at least one element selected from cobalt, molybdenum, tungsten, titanium and tantalum,
- защитный слой из оксида алюминия покрывает подслой,- a protective layer of aluminum oxide covers the sublayer,
- керамический теплоизолирующий слой покрывает защитный слой,- a ceramic heat-insulating layer covers the protective layer,
- толщина подслоя составляет от 5 до 50 мкм.- the thickness of the sublayer is from 5 to 50 microns.
Также изобретение относится к лопатке турбины, содержащей охарактеризованную выше деталь.The invention also relates to a turbine blade containing the part described above.
Изобретение относится также к газотурбинному двигателю, содержащему турбину, оснащённую охарактеризованной выше лопаткой турбины.The invention also relates to a gas turbine engine comprising a turbine equipped with a turbine blade as described above.
Изобретение относится также к способу изготовления детали турбины, включающему в себя этап нанесения в вакууме подслоя из суперсплава на основе никеля с содержанием фазы γ’-Ni3Al в преобладающем объёме на подложку из суперсплава на основе никеля с содержанием рения и/или рутения, при этом подслой содержит среднюю атомную долю:The invention also relates to a method for manufacturing a turbine part, which includes the step of applying in vacuum a sublayer of a nickel-based superalloy containing a γ'-Ni 3 Al phase in a predominant volume onto a nickel-based superalloy substrate containing rhenium and/or ruthenium, with this sublayer contains the average atomic fraction:
- алюминия в количестве от 0,15 до 0,25,- aluminum in an amount of 0.15 to 0.25,
- хрома в количестве от 0,03 до 0,08,- chromium in an amount of 0.03 to 0.08,
- платины в количестве от 0,01 до 0,05,- platinum in an amount from 0.01 to 0.05,
- гафния в количестве менее 0,01 и- hafnium in an amount less than 0.01 and
- кремния в количестве менее 0,01.- silicon in an amount less than 0.01.
Покрытие может наноситься методом, выбранным из: физического осаждения в паровой фазе, термическое напыление, испарение джоулевым теплом, импульсная абляция при облучении лазером и катодное напыление.The coating can be applied by a method selected from: physical vapor deposition, thermal deposition, Joule heat evaporation, laser pulsed ablation, and cathode deposition.
Подслой может наноситься при одновременном распылении и/или одновременном испарении металлических мишеней.The sublayer can be deposited by simultaneous sputtering and/or simultaneous evaporation of metal targets.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Другие признаки и преимущества изобретения приведены в нижеследующем описании, являющемся чисто иллюстративным, неограничивающим и поясняемым приложенными фигурами, на которых:Other features and advantages of the invention are given in the following description, which is purely illustrative, non-limiting and explained by the attached figures, in which:
на фиг. 1 схематично показана деталь турбины, например, лопатка турбины или лопатка соплового аппарата, вид в сечении;in fig. 1 schematically shows a detail of a turbine, such as a turbine blade or a nozzle blade, in cross section;
на фиг. 2 показана микрофотография покрывающего подложку подслоя, вид в сечении;in fig. 2 shows a micrograph of a substrate-covering sublayer, in sectional view;
на фиг. 3 показана микрофотография покрывающего подложку подслоя, вид в сечении;in fig. 3 shows a micrograph of the sublayer covering the substrate, in sectional view;
на фиг. 4 схематично показан тепловой барьер, покрывающий подложку детали турбины, согласно варианту осуществления изобретения, вид в сечении;in fig. 4 schematically shows a thermal barrier covering a substrate of a turbine part, according to an embodiment of the invention, in cross section;
на фиг. 5 показана микрофотография подслоя, покрывающего подложку после термообработки, вид в сечении;in fig. 5 shows a micrograph of the sublayer covering the substrate after heat treatment, a cross-sectional view;
на фиг. 6 показана микрофотография подслоя, покрывающего подложку после термообработки, вид в сечении.in fig. 6 shows a micrograph of the sublayer covering the substrate after heat treatment, a cross-sectional view.
Определение понятийDefinition of concepts
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 специально применяются в производстве используемых в авиастроении деталей, например, лопаток турбины или газотурбинного двигателя, так как они образуют группу сплавов с высоким пределом прочности, способных работать при температурах, относительно близких к их точке плавления (обычно при коэффициенте 0,7 – 0,8 от их температуры плавления).The term "superalloy" refers to a complex alloy characterized at high temperature and high pressure by very good resistance to oxidation, corrosion, creep and cyclic stress (in particular mechanical or thermal). Superalloys are of particular use in the production of parts used in aircraft construction, such as turbine blades or gas turbine engines, as they form a group of alloys with high tensile strength, capable of operating at temperatures relatively close to their melting point (typically at a factor of 0.7 - 0, 8 from their melting point).
Суперсплав может иметь двухфазную микроструктуру с содержанием первой, образующей матрицу фазы (называемой «фазой γ»), и второй фазы (называемой «фазой γ’»), образующей упрочняющие дисперсные выделения в матрице.The superalloy may have a two-phase microstructure containing a first matrix-forming phase (referred to as the "γ phase") and a second phase (referred to as the "γ' phase"), which forms reinforcing particulate precipitates in the matrix.
«Основа» супурсплава означает основной металлический компонент матрицы. В большинстве случаев основой суперсплавов являются железо, кобальт или никель, но также иногда титан или алюминий.The "base" of a superalloy means the main metal component of the matrix. In most cases, superalloys are based on iron, cobalt or nickel, but sometimes also titanium or aluminum.
«Суперсплавы на основе никеля» обладают тем преимуществом, что они обеспечивают хороший компромисс между стойкостью к окислению, стойкостью к разрушению при высокой температуре и весом, что предопределяет их применение на наиболее горячих участках турбореактивных двигателей."Nickel based superalloys" have the advantage of providing a good compromise between oxidation resistance, high temperature fracture resistance and weight, which makes them suitable for use in the hottest areas of turbojets.
Суперсплавы на основе никеля образованы фазой γ (или матрицей) аустенитного кубического гранецентрированного типа γ-Ni, содержащей при необходимости добавки в виде замещающего твёрдого раствора α (Co, Cr, W, Mo), и фазой γ’ (или выделениями) типа γ’-Ni3X, где: Х означает Al, Ti или Ta. Фаза γ’обладает упорядоченной структурой L12, происшедшей от кубической гранецентрированной структуры, когерентной с матрицей, т.е. содержащей очень близкую к матрице атомную решётку.Nickel-based superalloys are formed by the γ phase (or matrix) of the austenitic cubic face-centered type γ-Ni, containing, if necessary, additives in the form of a substituting solid solution α (Co, Cr, W, Mo), and the γ' phase (or precipitates) of the γ' type -Ni 3 X, where: X is Al, Ti or Ta. The γ' phase has an ordered structure L 12 derived from a cubic face-centered structure coherent with the matrix, i.e. containing an atomic lattice very close to the matrix.
По своему упорядоченному характеру фаза γ’ обладает тем примечательным свойством, что механическая прочность возрастает с ростом температуры до около 800ºС. Связность между фазами γ и γ’ придаёт суперсплавам на основе никеля очень высокую прочность в горячем состоянии, которая в свою очередь зависит от соотношения γ/γ’ и от размера упрочняющих дисперсных выделений.According to its ordered nature, the γ' phase has the remarkable property that the mechanical strength increases with increasing temperature up to about 800ºС. The bonding between the γ and γ' phases gives nickel-based superalloys very high hot strength, which in turn depends on the γ/γ' ratio and on the size of the hardening particulate precipitates.
Суперсплав, согласно всей совокупности вариантов осуществления изобретения, богат содержанием рения и/или рутения, т. е. средняя атомная доля рения и/или рутения в суперсплаве превышает или равна 0,04. Присутствие рения делает возможным повышение сопротивления ползучести деталей из суперсплава по сравнении с деталями из суперсплава без содержания рения и рутения. Кроме того, присутствие рутения позволяет улучшить распределение жаропрочных химических элементов в фазах γ и γ’.The superalloy, according to the totality of embodiments of the invention, is rich in rhenium and/or ruthenium, ie, the average atomic fraction of rhenium and/or ruthenium in the superalloy is greater than or equal to 0.04. The presence of rhenium makes it possible to increase the creep resistance of superalloy parts compared to superalloy parts without rhenium and ruthenium. In addition, the presence of ruthenium makes it possible to improve the distribution of high-temperature chemical elements in the γ and γ' phases.
Следовательно, суперсплавы на основе никеля обладают, как правило, высокой механической прочностью при температуре до 700 0С, которая сильно снижается при температуре свыше 800 0С.Consequently, nickel-based superalloys have, as a rule, high mechanical strength at temperatures up to 700 0 C, which decreases strongly at temperatures above 800 0 C.
Термин «атомная доля» означает концентрацию.The term "atomic fraction" means concentration.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
На фиг. 4 схематически показано сечение, выполненное по тепловому барьеру 10, нанесенному на подложку 2 турбинной детали 1.In FIG. 4 schematically shows a section made along a
Изображённые на этой фигуре элементы могут быть совершенно типичными элементами лопатки 6 турбины, лопатки соплового аппарата или любого другого элемента, части или детали турбины.The elements depicted in this figure may be completely typical elements of a
Подложка 2 выполнена из суперсплава на основе никеля с содержанием рения и/или рутения. Средняя массовая доля рения и/или рутения в подложке 2 может превышать или быть равной 0,04, предпочтительно составляет от 0,045 до 0,055.The
Тепловой барьер содержит металлический подслой 3b, защитный слой 4 и теплоизолирующий слой 9.The thermal barrier comprises a metal sublayer 3b, a
Подложка 2 покрыта металлическим подслоем 3b. Металлический подслой 3b покрыт защитным слоем 4. Защитный слой 4 покрыт теплоизолирующим слоем 9.The
В составе нанесённого металлического подслоя 3b содержится средняя атомная доля алюминия в количестве от 0,15 до 0,25, предпочтительно от 0,19 до 0,23, хрома в количестве от 0,03 до 0,08, предпочтительно от 0,03 до 0,06, платины в количестве от 0,01 до 0,05, гафния в количестве менее 0,01, предпочтительно менее 0,008, и кремния в количестве менее 0,01, предпочтительно менее 0,008. Ниже в таблице 1 приведён предпочтительный состав, при этом средняя атомная доля указана в процентах.The composition of the applied metal sublayer 3b contains an average atomic fraction of aluminum in an amount of from 0.15 to 0.25, preferably from 0.19 to 0.23, chromium in an amount of from 0.03 to 0.08, preferably from 0.03 to 0.06, platinum in an amount of 0.01 to 0.05, hafnium in an amount of less than 0.01, preferably less than 0.008, and silicon in an amount of less than 0.01, preferably less than 0.008. Table 1 below shows the preferred composition, with the average atomic fraction given as a percentage.
Таблица 1Table 1
Металлический подслой 3b содержит фазу 12 γ’-Ni3Al, преобладающую в объёме. Следовательно аллотропная модификация подслоя 3b приближена к модификации подложки 2, что позволяет предупредить образование вторичных зон реакции во время использования детали 1 турбины при температурах свыше 9000С, предпочтительно свыше 11000С. Предпочтительно фаза γ’-Ni3Al содержится в металлическом подслое в количестве более 95 % от объема. Помимо фазы γ’-Ni3Al металлический подслой 3b может также содержать фазу β-NiAlPt или фазу γ-Ni.The metal sublayer 3b contains the 12 γ'-Ni 3 Al phase, which predominates in the volume. Therefore, the allotropic modification of the sublayer 3b is close to the modification of the
Химический состав и аллотропную модификацию подслоя 3b определяют путём анализа химического состава и модификации подслоя 3b, бывшей сначала типа β-NiAlPt, непосредственно после фазы мартенситного превращения во время обработки подслоя 3b при имитации тепловых условиях применения детали 1.The chemical composition and allotropic modification of sublayer 3b is determined by analyzing the chemical composition and modification of sublayer 3b, initially of the β-NiAlPt type, immediately after the martensitic transformation phase during processing of sublayer 3b while simulating the thermal conditions of use of part 1.
На фиг. 5 представлена микрофотография сечения подслоя 3а, отличающегося от подслоя согласно изобретению и покрывающего подложку после термообработки. Подложка с нанесённым на неё подслоем 3а выполнена из суперсплава на основе никеля типа АМ1 без содержания рения или рутения. Деталь с подслоем 3а подвергалась обработке в виде серии из 250 циклов термической обработки, при этом каждый цикл соответствовал термической обработке детали с подслоем 3а при температуре 11000С в течение 60 минут. Подслой 3а содержал фазу 11 β-NiAlPt, преобладающую в объёме, и фазу 12 γ’-Ni3Al, являющуюся меньшей в объёме. Подслой 3а был покрыт защитным слоем 4. Поверхность раздела между подслоем 3а и защитным слоем 4 являлась очень неравномерной: она имела достаточно выраженную бугорчатость, вызывающую отслаиванием (rumping-на английском языке) защитного слоя при использовании детали. Такая бугорчатость образуется при термообработке вследствие мартенситных превращений фаз 11 β-NiAlPt в подслое 3а.In FIG. 5 shows a micrograph of a section of a sublayer 3a, different from the sublayer according to the invention and covering the substrate after heat treatment. The substrate with sublayer 3a deposited on it is made of an AM1 type nickel-based superalloy without rhenium or ruthenium content. The part with sublayer 3a was subjected to a series of 250 heat treatment cycles, with each cycle corresponding to heat treatment of the part with sublayer 3a at a temperature of 1100 0 C for 60 minutes. Underlayer 3a contained the 11 β-NiAlPt phase, which dominated in volume, and the 12 γ'-Ni 3 Al phase, which was smaller in volume. The underlayer 3a was covered with the
На фиг. 6 приведена микрофотография сечения подслоя 3b согласно варианту осуществления изобретения, покрывающего подложку 2 из монокристаллического суперсплава на основе никеля с содержанием рения и/или рутения после термообработки. Деталь с подслоем 3b подверглась обработке в виде серии из 500 циклов термической обработки, причём каждый такой цикл соответствовал термической обработке детали 1 с подслоем 3b при температуре 1100 0С в течение 60 минут. Подслой 3b содержал фазу 12 γ’-Ni3Al, преобладающую в объёме, и фазу 11 β-NiAlPt, являющуюся меньшей в объёме. Подслой 3а был покрыт защитным слоем 4. Поверхность раздела между подслоем 3b и защитным слоем 4 содержала менее выраженную бугорчатость, чем бугорчатость между подслоем 3а и защитным слоем 4 на фиг. 5, и это несмотря на то, что термообработка содержавшей подслой 3b системы была более продолжительной, чем описанная со ссылкой на фиг. 5 термообработка. Такая разница в бугорчатости объясняется мартенситным превращением фаз 11 β-NiAlPt подслоя 3b, происходившим быстрее, чем то же превращение фаз 11 β-NiAlPt в подслое 3а. Кроме того изображённый на фиг. 6 подслой 3b содержал в большем объёме фазу 12 γ’-Ni3Al и в меньшем объёме фазу 11 β-NiAlPt.In FIG. 6 is a micrograph of a cross-sectional view of an underlayer 3b according to an embodiment of the invention covering a
После 500 циклов термообработки аллотропную модификацию и химический состав подслоя 3b анализировали и отбирали. Такие модификация и состав соответствуют модификации и составам, приведённым выше, в частности, в таблице 1.After 500 cycles of heat treatment, the allotropic modification and the chemical composition of the sublayer 3b were analyzed and selected. Such modification and composition correspond to the modification and compositions given above, in particular, in table 1.
Таким образом благодаря преобладающей в объёме фазе 12 γ’-Ni3Al и приведённому в таблице 1 составу подслой 3b слабо или совсем не был предрасположен к мартенситным превращениям, вызывающим эффект отслаивания, в присутствии состава, увеличивающего время для образования защитного подслоя слоя 4 в рабочих условиях.Thus, due to the 12 γ'-Ni 3 Al phase predominating in the volume and the composition shown in Table 1, sublayer 3b was little or not at all prone to martensitic transformations, causing a peeling effect, in the presence of a composition that increases the time for the formation of a protective sublayer of
Подслой 3b может наноситься в вакууме, например, физическим осаждением в паровой фазе (PVD = Physical Vapor Deposition). Для нанесения подслоя 3b могут применяться разные PVD способы физического осаждения в паровой фазе, такие, как катодное напыление, испарение за счет джоулева тепла, абляция при облучении лазером и физическое осаждение в паровой фазе пучком электронов. Подслой 3b может быть также нанесён термическим напылением.Underlayer 3b can be applied in a vacuum, for example, by physical vapor deposition (PVD = Physical Vapor Deposition). Various PVD physical vapor deposition methods can be used to deposit the underlayer 3b, such as cathode sputtering, Joule heat evaporation, laser irradiation ablation, and electron beam physical vapor deposition. Underlayer 3b can also be applied by thermal spraying.
Таким образом подслой 3b может быть нанесён на подложку 2, обладающую, до начала любой термообработки, химическим составом и аллотропной модификацией, исключающими эффект отслаивания. In this way, the underlayer 3b can be applied to the
Эти методы нанесения покрытия позволяют также упростить формирование подслоя 3b на подложке 2 и улучшить контроль за его химическим составом.These coating methods also make it possible to simplify the formation of the sublayer 3b on the
Наконец данные методы нанесения покрытия позволяют точно контролировать толщину подслоя 3b в противоположность методам формирования металлического подслоя путём диффузии химического элемента. Предпочтительно толщина подслоя 3b составляет от 5 до 50 мкм.Finally, these coating methods allow precise control of the thickness of the 3b sublayer, as opposed to the methods of forming a metal sublayer by diffusion of a chemical element. Preferably, the thickness of the underlayer 3b is between 5 and 50 µm.
При нанесении подслоя 3b могут применяться параллельно и одновременно несколько мишеней из разных металлических материалов. Такой вид покрытия может быть получен совместным испарением или совместным распылением: соответственно скорость испарения или распыления при использовании каждой мишени во время нанесения подслоя 3b задаёт стехиометрию этого слоя.When applying the underlayer 3b, several targets from different metallic materials can be used in parallel and simultaneously. This type of coating can be obtained by co-evaporation or co-sputtering: respectively, the rate of evaporation or sputtering when using each target during the deposition of the 3b sublayer determines the stoichiometry of this layer.
Claims (25)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR1700965 | 2017-09-21 | ||
FR1700965A FR3071272B1 (en) | 2017-09-21 | 2017-09-21 | SUPERALLY TURBINE PIECE COMPRISING RHENIUM AND / OR RUTHENIUM AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME |
PCT/FR2018/052314 WO2019058068A1 (en) | 2017-09-21 | 2018-09-21 | Turbine part made of superalloy comprising rhenium and/or ruthenium and associated manufacturing method |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020112701A RU2020112701A (en) | 2021-10-22 |
RU2020112701A3 RU2020112701A3 (en) | 2022-03-15 |
RU2777682C2 true RU2777682C2 (en) | 2022-08-08 |
Family
ID=
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU146236U1 (en) * | 2014-02-19 | 2014-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр газотурбостроения "Салют" (ФГУП "НПЦ газотурбостроения "Салют") | TURBINE SHOVEL FROM A CARBON-FREE NICKEL ALLOY COATED |
RU2014114495A (en) * | 2011-09-12 | 2015-10-20 | Сименс Акциенгезелльшафт | DOUBLE METAL MCrAlY-COATED LAYER SYSTEM |
EP3048187A1 (en) * | 2013-09-18 | 2016-07-27 | IHI Corporation | Ni ALLOY ARTICLE COATED WITH THERMAL SHIELD, AND PRODUCTION METHOD FOR SAME |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2014114495A (en) * | 2011-09-12 | 2015-10-20 | Сименс Акциенгезелльшафт | DOUBLE METAL MCrAlY-COATED LAYER SYSTEM |
EP3048187A1 (en) * | 2013-09-18 | 2016-07-27 | IHI Corporation | Ni ALLOY ARTICLE COATED WITH THERMAL SHIELD, AND PRODUCTION METHOD FOR SAME |
RU146236U1 (en) * | 2014-02-19 | 2014-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр газотурбостроения "Салют" (ФГУП "НПЦ газотурбостроения "Салют") | TURBINE SHOVEL FROM A CARBON-FREE NICKEL ALLOY COATED |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2145969B1 (en) | Economic oxidation and fatigue resistant metallic coating | |
US20100330295A1 (en) | Method for providing ductile environmental coating having fatigue and corrosion resistance | |
JP2008144275A (en) | Coating system containing rhodium aluminide-based layers | |
US20100330393A1 (en) | Ductile environmental coating and coated article having fatigue and corrosion resistance | |
JP7481253B2 (en) | Turbine components made from rhenium-containing superalloys and related manufacturing methods - Patents.com | |
RU2759941C2 (en) | Turbine part of superalloy and corresponding manufacturing method | |
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 (en) | Turbine part of superalloy with rhenium and/or ruthenium content and its manufacturing method | |
EP3192885B1 (en) | Internally cooled ni-base superalloy component with spallation-resistant tbc system | |
US6372321B1 (en) | Coated article with internal stabilizing portion and method for making | |
KR20130088944A (en) | Ni-base superalloy having carburized layer for diffusion barrier and method of manufacturing the same | |
KR101377750B1 (en) | Ni-base superalloy having nickel interlayer for diffusion barrier and method of manufacturing the same |