TW200404902A - Superalloy for single crystal turbine vanes - Google Patents
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Description
200404902 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 此申請書爲延續部分的美國專利申請編號09/797,326，標題爲 “單晶渦輪葉的超合金 ”（SUPERALLOY FOR SINGLE CRYSTAL TURBINE VANES)，由Kenneth Harris等人申請於2001年3月1日，其完 全合併於此作爲參考。 此發明爲關於顯示卓越高溫機械性質的超合金，尤其爲對單晶渦 輪葉(包括葉片)有用的超合金。 【先前技術】 與等軸多晶渦輪葉比較下，單晶超合金葉説明良好渦輪性能及持 久性益處。對詳細研討參照“愛麗森引擎試驗CMSX-4®單晶渦輪板&葉” (Allison Engine Testing CMSX-4® Single Crystal Turbine Blades &
Vanes)(P.S· Burkholder 等人、Allilson Engine 公司、Κ· Harris 等人、 Cannon-Muskegon 股份有限公司）、3rd Int. Charles Parsons Turbine Conf.、 Proc· Iom、Newcastle-upon-Tyne、英國 1995 年 4 月 25-27 日。單晶超合晶 構件的改良性能爲卓越熱疲乏、低循環疲乏、潛變強度(creep strength)、單 晶超合金的氧化作用及塗佈性能以及缺乏單晶葉片中的粗糖面邊界。單晶 合金也説明與多晶超合金比較下在薄面(冷卻翼面)潛變特性中有顯著改 良。無論如何，單晶構件對容忍粗链面缺陷(比如低角度及高角度的邊界以 及溶液熱處理引發再次結晶粗縫面(此減少鑄造產生))需有狹宥限制，結果 增加製造費用。 含有柱狀粗糙面鎳超合晶的鍊之定向凝固鑄造已經成功使用於 取代在省去費用下首次產生(不含有鍊)的單晶合金，此乃由於較高鑄件產 生。要論如何’定向凝固構件的優點比單晶葉少，此乃由於在非翼面區域 中的粗糙面邊界，尤其在顯示高合成應力狀況中的多數翼面片之内外覆蓋
Mavis-C:\WINS〇FT\^^IJ\PU\Pu034\0004\PU-034-0004.doc2003/12/5 200404902 物。渴輪設計工程師增加對多數翼面片的興趣，此乃由於較低機械處 裝把費用的可i ’此減少熱氣域。增加的操作應力及結合要求減 間隔的膽溫度需要單晶含練超合金封的提高特性及性能。 …、 因此，公認需要具有完成單晶铸件科技的利益，同時也完成择加 對粗糖面缺_耐久力，微善铸件生產量，並減少構件_。曰 【發明内容】 本發明提供對铸造多數滿輪葉片的鎳超合金，此葉及非翼面區域 具有增加粗糙面缺陷的耐久力，藉做善铸件生產，並可達到減少構件費 用。 此發明的鎳超合麵讀舰定向凝固柱狀粗糙面合金及單晶 铸造合金比較下所顯著的應變特性、潛變特性及減少排拒_面缺陷。"曰 此發明的鎳超合金進-步顯示與已知傳統鎳合金比較下而在合 金隨著高溫、長期限、應力(無反影響合金特性，比如熱腐蚀)中減少的Tcp 相(Re、W、Cr、Rich)數量。 此發明的超合金合成物挑選限制7、沉澱物增強相的生長，因此 改善中間物及咼溫應力-破壞特性，確保較安定的碳化鈐(Hfc)、碳化鉅 (TaC)、碳化鈇(TiC)及M3B2觸化物的，以增強粗韃面邊界，並確保合金在 單晶鑄件中有低及高角度邊界粗糙面缺陷，並提供良好邊界強度及延展 性。 此發明的超合金包含(重量百分比)約4·7%〜4·9%的鉻(Cr)、約 9/>〜10%的姑(Co)、約0.6%〜〇·8%的翻(Mo)、約8.4%〜8.8%的鎢(W)、約 4.3%〜4·8ό/。的鈕(Ta)、約 0.6%〜0.8%的鈦(Ti)、約 5·6%〜5 8%的鋁(A1)、約 2.8%〜3.1%的鍊(Re)、約 Uo/h.5%的鈐(Hf)、約 〇 〇6%〜〇 〇8%的碳(c)、 約0.012%〜0·〇2〇%的觸(B)、約0.004%〜0.010%的餘(Zr)，剩下爲鎳及附帶 的混雜物。
Mavis-C:\WINSOFT\專利 \PU\Pu034\0004\PU-034-0004,doc2003/12/5 6 200404902 本發明的這些及其他特色、優點及目的將由精通技藝參照下面説 明書、申請專利範園及附圖而進一步了解及明白。 【實施方式】 此發明的超合金之特有能力運用於早晶鱗造過程，同時供給低及 高角度邊界粗糙面缺陷可歸因於較狹窄的形成範圍。以應力破壞特性及潛 變破壞特性爲例，使用此發明超合金製造的單晶鑄件完成優良機械特性， 同時提供低角度粗糙面邊界(約小於I5度)及高角度粗糖邊界(約大於15度) 錯置方向。 此發明合金内各種不同構件的數量以重量百分比表示，除非不同 記綠。 此發明的較佳實施例之鎳超合金包括(重量百分比)約4.7%〜4.9% 的鉻、約9%〜10%的姑、約〇·6%〜0.8%的鉬、約8.4%〜8.8%的鶴、約 4.3%〜4.8%的!旦、0.6%〜0.8%的鈇、約5.6%〜5.8%的銘、約2.8%〜3.1%的铼、 約1·1%〜1·5%的#、約0.06%〜0.08%的碳、約0.012%〜0.020%的硼、約 0·0〇4%〜0.010%的錯，剩下爲鎳及附帶的混雜物。 此發明的鎳超合金對完成卓越的熱疲乏、低循環疲乏、潛變疲乏 及單晶每件的氧化抗力有用，同時提供低及高角度邊界粗糙面缺陷，因此 減少排拒粗糙面缺陷及構成費用。與以之傳統的鎳超合金比較下，此發明 的鎳超合金對完成減少合金中之TCP相(Re、W、Cr、rich)的數量有用， 隨著高溫、長期限、在無不利影響合金特性下的應力（比如熱腐蝕抗力）。 依照發明的較佳觀點，提供一鎳超合金(CMSX㊣-486)，其包含(重 量百分比)約4.8%的鉻(Cr)、約9.2%〜9.3%的姑(Co)、約0.7%的鉬(Mo)、 約 8.5%〜8.6%的鎢(W)、約 4.5%的鉅(Ta)、約 0.7%的鈦(Ti)、約 5.6%〜5.7% 的鋁(A1)、約Z9%的鍊(Re)、约a。/。〜；i.3%的鈐(邱、約〇 〇7%〜〇 〇8%的碳 (C)、約o.oi5%〜〇·〇ΐ6%的硼⑻、約〇 0〇5%的錯(Zr)，剩下爲鎳及附帶的
Mavis-C:\WINSOFT\^^IJ\PU\Pu034\0004\PU-034-0004.doc2003/12/5 200404902 混雜物。 鍊(Re)存於合金中，以在高溫下緩慢擴散，限制沉澱增強相的 成長’因此?又舌〒間初及南溫應力破壞特性(與傳統的單晶線合金比較下， 比如CMSX-3®及Ren6 N-4)。已發現约2.9〜3%的練提供改善應力破壞特 性，此無須促進有害 topologically-close-packed(TCP)相(Re、W、Crrich)的 發生，提供小心平衡其他元素的化學現象。鉻含量最好約爲4·7%至4 9〇/〇。 與已知傳統鎳合金比較下而在合金隨著高溫、長期限、應力(無反影響合金 特性，比如熱腐蚀)中，此較狹窄的範園突然減少TCP相(Re、W、Crrich) 的數量。鍊已知爲主要分割成7基質相，此由環繞於立方體7 '相顆粒的狹 窄通道形成。在7通道中的成群鍊原子阻止差排(disl〇cati〇n)移動，因此限 制潛變。在7/7 ‘界面中的鍊原子壁限制在高溫下成長。 銘含量約爲5.6〜5.7 wt% ’姐含量約爲4.5 wt%，且鈇含量约爲〇·7 wt%，結果在立方體7 '黏著沉澱增強相(Ni3、AL、Ta、Ti)中約有70 ν%微 量於高溫下爲低及負7_7 ‘錯配(mismatch)。鉅經由固態溶液增強而增加7 ‘相的強度。較高的鉅含量及較低的鈦含量確保安定的碳化鉅(TaC)佔多 數形成’以增強粗糖面邊界，囡此確保合金可供給單晶鑄件中的低及高角 度邊界粗糙面缺陷。較佳鉅含量約爲4.4〜4.7%。 碳化鈦(TiC)有益於暴露於高溫下分離或分解，引起厚7'包絡 線，以形成在剩餘碳化鈦四周及過度碳化鈐(Hfc)四周，此藉由嘗試理想铃 原子而有較低粗糙面邊界及7 1 ‘共晶相區域延展性。最好全部結果獲得 含有約0.7%鈦的合金。此由於最佳效果爲對γ ‘錯配上的影響。適當的 鈦範圍爲0.6〜0.8%。 進一步由鉑(Mo)約在0.7%及鎢(W)約在8·5〜8.6%下提供固態溶 液強化。較佳的鎢範圍約爲8·4〜8.8%。鉬的較佳範圍約爲〇·6〜〇.8%。 在7、相中的大約5〇%鎢沉澱物增加容積比率(volume fracti〇n，
Mavis-C:\WINSOFT\^ij\PU\Pu034\0004\PU-034-0004.doc2003/12/5 200404902 vf)及強度。 約在9·2〜9.3%數量中的鈷提供7 '相的最大Vf，且約在4.7〜4.9% 數量中的鉻提供可接受的熱腐蝕(硫化作用)抗力，同時在鎳基質_，允許 高度(約16.7%，例如約16.4〜17.0%)的耐火金屬構件(W、Re、Ta及Mo)， 此置身於應力、高溫渦輪引擎設備期間不會發生過度 topologically-close-packed 相0 始(Hf)在合金约爲1.1〜1.5%，以提供良好粗糙面邊界強度及延展 性。此Hf的範園在CMSX®-486投入做爲合金(SX)構件(此可含有粗韃面 缺陷)時可確保良好粗糙面邊界(HAB.15。)的機械特性。合金並非溶液熱處 理。Hf化學性質爲臨界値，且Hf尤其在SX凝固過程期間於核心(冷卻翼 面)铸件中哀退’此乃由於與Si〇2(氧化石夕)陶党核心反應。較高程度的jjf 含量在此鑄造/凝固過程期間納入Hf損失計算。 碳(C)、硼(B)及鲒(Zr)在合金中的數量個别約爲〇〇7〜〇〇8%、 0.015〜0.016%及0·0〇5%，以添加所需的粗糙面邊界微量化學，且在單晶鑄 造形式中，碳/化物需低角度的粗糙度邊界強度及延展性。 此發明的超合金可含有其他構成要素的少許或微不足道的數 量，此大大影響基本及新奇的特徵。理想的是觀察下面的構成限制：銳 (Nt，也知道是旬不會超過〇·10%，釩(ν)不會超過〇 〇5%，硫⑸不會超過 5 ppm，氮(Ν)不超過5 ppm，氧(〇)不超過5 ppm，石夕(Si)不超過〇 〇4%，錳 (Μη)不超過0.02%，鐵(Fe)不超過〇.15%，鎂(Mg)不超過8〇 ppm，鑭(u) 不超過50 ppm，記⑺不超過50 ppm，鈽(Ce)不超過5〇 ppm，鉛(pb)不超 過1 ppm，銀(Ag)不超過1 ppm，树Bi)不超過〇 2 ppm，研㈣不超過〇 5 ppm，碎(Te)不超過〇·2 ppm，貌(T1)不超過〇·2 ppm，錫(Sn)不超過1〇解， 銻(Sb)不超過2 ppm，鋅(Zn)不超過5 ppm，汞(Hg)不超過2鹏，鈾⑼不 超過2 ppm，钍(Th)不超過2 ppm，鶴(Cd)不超過〇 2 ppm，錄(Ge)不超過工
MaviS_C：:_SQFl^WUVPu()34\_ 彻·⑽養4如細細 9 200404902 ppm ’金(Au)不超過〇·5 ppm，銦⑽不超過〇·2 ppm，鈉(Na)不超過1〇 ppm， 鉀(K)不超過5 ppm，#5(Ca)不超過50 ppm，白金(Pt)不超過〇·〇8%，以及 鈀(Pd)不超過〇.〇5〇/〇。
La、Y及Ce可個别使用，或共結合成50 ppm，以進一步改善合 金的極少氧化抵抗、塗層性能(包括隔絶熱阻礙塗層）。 將依照發明(CMSX㊣-486)之合金合成物的極少化學性質(代表性 或非附帶構件)與傳統鎳超合金(CN 247 LC⑧、CMSX-3®及CM 186 LC®) 的極少化學性質比較，實驗用合金(CMSX®-681)列於表1。 表1 極少化學性質(WT%或PPM) 合金 C B A1 Co Cr Hf Mo Ni Re Ta Ti W Zr CM 247 LC® •07 •015 5.6 9.3 8 1.4 •5 BAL 3.2 •7 9.5 •010 CMSX-3® 30 ppm 10 ppm 5.6 4.8 8 .1 •6 BAL —- 6.3 1.0 8.0 --- **CM 186 LC® •07 •015 5.7 9.3 6 1.4 .5 BAL 3 3.4 .7 8.4 •005 CMSX®_681 •09 •015 5.7 9.3 5 1.4 •5 BAL 3 6.0 .1 8.4 •005 CMSX®-486 .072 •016 5.69 9.2 4.8 1.26 •7 BAL 2.9 4.5 .7 8.5 •005 **含鈐的鎳合金已發展成定位凝固圓柱狀粗糙面渦輪機翼面，並描述於美 國專利編號5,069,873，低碳定位凝固合金，Harris等人[Cannon Muskegon Corp.] *申請發明的合金 CM 247 LC®爲一鎳合金，此發展定位鑄造具有圓拄狀粗糙面結 構的凝固構件。CMSX-3®爲低碳以及低硼鎳超合金，此發展成顯示鑄造超
Mavis-C:\WINSOFT\^IJ\PU\Pu034\0004\PU-034-0004.doc2003/12/5 200404902 強度及持久性的單晶構件。無論如何，由CMSX-3⑧鑄造的單晶構件爲相 當高費用，此乃由於較低鑄造及溶液加熱引起，結果爲瑕疵的粗糙面缺 to。CM 186 LC®爲含有缘的鎳超合金，此發展成含有碳(c)、硼(B)、鈐 及銪(Zr)的最適宜數量，且結果導致碳化物及觸化物粗糙面邊界相完成優 良結合機械特性以及在定位凝固圓柱狀粗链面構件及單晶構件(比如渦輪 機翼面)中的較高產量。CMSX®-681爲實驗用的鎳超合金，與單晶CM 186 LC⑧合金比較下，認爲此合金有改善潛變強度。CMSX(g)_486爲錄超合金(依 照發明），此構成與CM-186 LC®及CMSX®-681相似。無論如何，與 CMSX®-681合金的單晶鑄件比較下，CMSX(g)_486合金的單晶鑄件顯示非 常卓越的應力破壞特性及潛變破壞特性。 應力破壞特性由铸造試驗桿自每個合金(CM_247 LC®、 CMSX-3®、CM 186 LC®、CMSX®-684 及 CMSX®-486)來評估，且是當 加熱處理與/或者熟化此試驗桿，且之後在選擇的溫度下，將一定的載荷量 加入由每個合金準備的樣本(試驗桿）。應力破壞特性以一般壽命(破壞的平 均時間’以小時測量)爲特色。定相凝固CM 247 LC⑧試驗桿在223〇τ中 部分溶解熱處理2小時，在2250°F中2小時，且在2280〜2290°F中2小時， 空氣冷卻或抑制氣體吹動，在1975〇F下熟化2小時，空氣冷卻或抑制氣體 吹動，在1600°F下熟化20小時，並空氣冷卻。CM 186LC⑧·· CMSX(g)_681 及CMSX®-486試驗桿爲如製造出來樣子(㈣㈣+在1975〇F下熟化4小 時而加倍熟化。CMSX-3®試驗桿在2375T下溶解3小時，空氣冷卻或抑 制空氣吹動+在1975°F下加倍熟化4小時，空氣冷卻或抑制氣體吹動+ 在 1600°F 下 20 小時。在 36 ksi 及 18〇〇〇F(在 982〇c 下 248 Mpa)、在 25 ksi 於 l9〇0°F(在 l〇38〇c 下 H2MPa)以及 I2 ksi 於2〇00°F(在 1092〇C 下 83 MPa) 的應力破壞特性愼重顯示於表2、表3及表4。
Mavis-C:\WINSOFT\ 專手 IJ\PU\Pu034\0004\PU-034-0004.doc2003/12/5 ^ 200404902 表2 應力破壞特性 36,0 k3i/18Q0°F[248 Moa/982°C1 合金 定向/熱處理方式 -~__ 代表性壽命【至少二個樣 DS CM 247 LC® DS LONGITUDINAL 98%+SOLN.GFQ+ 加倍 熟化 43 CMSX-3® SX WITHIN 10° of (001) 98%+SOLN.GFQ+ 加倍 熟化 80 CM 186LC® SX WITHIN 10° of (001) AS-CAST+加倍熟化 100 CMSX®-681 SX WITHIN 10° of (001) AS-CAST+加倍熟化 113 *CMSX®-486 SX WITHIN 10° of (001) AS-CAST+加倍熟化 141 *此申請發明的合金 表3 應力破壞特性 25,0 ksi/1900°Fil72 Mpa/1038°C1 合金 定向/熱處理方式 代表性壽命[至少二個樣 本的平均値】 DS CM 247 LC® DS LONGITUDINAL 35
Mavis-C:\WINSOFn^WU\Pu〇34\〇〇〇4\pU.〇34_〇〇〇4 d〇c2〇w ^ ^ 200404902 98%+SOLN.GFQ+ 加倍 熟化 CMSX-3 ⑧ SX WITHIN 10° of (001) 98%+SOLN.GFQ+ 加倍 熟化 104 CM 186 LC® SX WITHIN 10° of (001) AS-CAST+加倍熟化 85 *CMSX® - 486 SX WITHIN 10° of (001) AS-CAST+加倍熟化 112 *此申請發明的合金 表4 應力破壞特性 12,0 ksi/2000°F[83 Mpa/1093°Cl 合金 定向/熱處理方式 代表性壽命【至少二個樣 本的平均値1 DS CM 247 LC® DS LONGITUDINAL 98%+SOLN.GFQ+ 加倍 熟化 161 CMSX-3® SX WITHIN 10° of (001) 98%+SOLN.GFQ+ 加倍 熟化 1020 CM 186LC® SX WITHIN 10° of (001) AS-CAST+加倍熟化 460 CMSX®-681 SX WITHIN 10° of (001) 528
Mavis-C:\WINSOFT\ 專手丨J\PU\Pu034\0004\PU-034-0004.d〇c2003/12/5 13 200404902 AS-CAST+加倍熟化 *CMSX®-486 SX WITHIN 10° of (001) AS-CAST+加倍熟化 659 *此申請發明的合金 結果顯示與傳統合金及實驗用合金CMSX®-681比較下， CMSX®-486試驗桿顯示在ι800Τ於36 ksi載荷下顯著改善應力破壞特 性。在1900T的25 ksi載荷下，CMSX®-486試驗桿(依照發明)比定向凝 固CM 247 LC㊣及單晶(SX) CM 186 LC®試驗桿在執行上相當好，且與 CMSX-3®試驗桿相似。無論如何，因爲少數排拒粗糙面缺陷，與CMSX-3⑧ 的單晶鑄件比較下，CMSX®-486的單晶鑄件在製造上可省下相當多的費 用。進一步，CMSX®-486構件顯示良好的應力破壞特性as-cast，此乃由 於CMSX-3®構件需要溶液熱處理方式。在2000$的12 ksi載荷下，與定 位凝固CM 247 LC®及單晶CM 186 LC®試驗桿以及實驗用CMSX(g)-681 減驗桿比較下’CMSX®-486試驗桿顯示顯著改善應力破壞特性。在2〇〇〇〇f 的12 ksi載荷下，CMSX®-486試驗桿(依照發明)具有一般壽命，此大約爲 CMSX-3®試驗桿之一般壽命的65%。無論如何，因爲少數排拒粗糖面缺 陷，已估計由CMSX®-486合金(as-cast)鑄造的單晶構件之費用將約爲由 CMSX_3㊣合金（溶液熱處理）鑄造的單晶構件的二分之一。因此， CMSX®-486合金鑄造的構件可能比CMSX-3®鑄造的單晶構件有非常顯 著的費用優勢，即使如2000T —樣高的適用溫度下。 將另一組由CMSX®-486合金鑄造的試驗桿加入潛變破壞試驗。 試驗桿部分爲部分溶解熱處理及加倍熟化，且試驗桿的另一部份爲加件熟 化孤cast。隨著空氣冷卻及抑制空氣吹動，部分溶解熱處理方式在226〇〇f 下1小時完成，在2270Ύ下1小時，且在2280T下1小時。隨著空氣冷
Mavis-C:\WINSOFT\^[^IJ\PU\pu〇34\〇〇〇4\pu.〇34.〇〇〇4 •doc2003/l2/5 14 200404902 袖射娜，加織_卿下4小時，隨 歷下2〇树。在選擇崎中，將選_加入樣^每個選擇 的試祕態下，樣本的時晴】％稍延長）、時間對攻㈣以及時 間對破壞(壽命)。在每個選擇試驗狀態下’也測量破壞的延長;:比及破 壞區域中的減少。表5概括爲潛變破壞試驗。 刀 表5 潛變破壤特性(一船） CMSX®-486[SX WTTHTN 10° QF (001Ή 試驗情形 熱處理 方式 時間對 1.0%的潛 變(小時） 時間對 2.0%的潛 變(小時） —---~~— 哥命（小 時） ~——-— 延 長 %(AD) RA% 36.0 ksi/1800°F[248 MPa/982°C] 部分溶 解+力口倍 熟化 51.7 74.8 168.1 39.7 47.0 56.4 80.9 172.0 35.4 45.1 As-Cast+ 加倍熟 化 48.0 66.3 143.0 35.7 48.1 42.9 61.0 138.3 46.1 47.0 25.0 ksi/1900°F[172 MPa/1038°C] 部分溶 解+加倍 熟化 39.4 59.8 114.3 28.4 52.5 As-Cast+ 39.5 57.8 119.2 41.7 49.2
Mavis-C:\WINSOFT\^IJ\PU\Pu034\0004\PU-034-0004.doc2003/l2/5 200404902 加倍熟 化 37.3 56.1 110.9 16.1 17.2 12.0 ksi/2000°F[83 MPa/1093°C] 部分溶 解+加倍 熟化 218.7 315.9 472.0 33.9 36.1 145.8 289.1 474.2 35.2 43.4 As-Cast+ 加倍熟 化 357.7 462.1 643.9 33.0 37.0 360.2 495.5 673.9 25.4 40.0 部分溶解： 1 小時/2260°F+1 小時/2270°F+1 小時/2280°FAC/GFQ 加倍熟化：
Mavis-C:\WINSOFIM|^IJ\PU\Pu034\0004\PU-034-0004.doc2003/12/5 16 200404902 糙面蝕刻，並檢查，以測定獲得錯置方向的實際度數。試驗厚度爲加倍熟 化’並加入如上面所述的潛變破壞試驗。結果發表於表6。 表6 CMSX®_486 Bi-XL厚板潛嫌-破壌試驗羞.質丨VG 428/Vn^l (僅加倍熟化) m LAB/HAB(勒 谢哀壽 延長，〇/〇 RA，％ 時間對 1% 時間對 2% ' B742-4 SX-long 1742F/30.0 ksi 996.6 44.4 49.5 392.9 498.8 C741 SX-long 1742F/30.0 ksi 900.1 34.6 50.8 347.9 454.1 276-2 6.9 1742F/30.0 ksi 904.3 52.5 51.0 318.6 421.1 276-6 6.9 1742F/30.0 ksi 929.7 47.6 ^50.1 352.1 460.7 257-4 8.7 1742F/30.0 ksi 883.5 26.5 23.5 306.1 419.0 257-8 8.7 1742F/30.0 ksi 9093 22.0 20.7 320.3 436.8 268-1 10.1 1742F/30.0 ksi 919.0 51.7 50.0 339.0 435.7 268-5 10.1 1742F/30.0 ksi 973.3 19.1 17.5 420.5 542.9 266-1 13.2 1742F/30.0 ksi 726.9 11.6 12.3 310.6 414.7 266-5 13.2 1742F/30.0 ksi 779.2 16.9 16.9 306.4 407.2 274-1 16.5 1742F/30.0 ksi 727.1 12.5 14.3 319.6 416.5 247-3 16.5 1742F/30.0 ksi 1009.8 12.0 12.2 504.5 629.4 0742 SX-long 1742F/36.0 ksi 267.1 36.9 52.2 118.2 149.7 276-1 6.9 1742F/36.0 ksi 400.5 45.1 48.2 135.6 184.0 276-5 6.9 1742F/36.0 ksi 381.4 15.3 14.1 150.5 205.0 257-3 8.7 1742F/36.0 ksi 405.7 19.7 19.2 147.9 199.6
Mavis-C:\WINSOFT\iflJ\PU\pu034\0004\PU-034-0004.doc2003/12/5 yj 200404902 257-7 8.7 1742F/36.0 ksi 413.7 20.6 22.1 160.9 215.8 268-2 10.1 1742F/36.0 ksi 411.3 15.7 15.5 158.5 302.8 268-6 10.1 1742f/36.0 ksi 314.5 10.3 10.2 131.6 179.0 266-2 13.2 1742F/36.0 ksi 344.7 14.0 11.8 131.6 179.3 266-6 13.2 1742F/36.0 ksi 357.2 20.6 17.3 117.3 169.8 274-2 16.5 1742F/36.0 ksi 339.0 12.2 12.8 138.6 193.5 274-4 16.5 1742F/36.0 ksi 348.9 10.8 12.4 147.7 201.1 K742 SX-long 1800F/25.0 ksi 727.3 50.1 51.4 273.2 372.6 L742 SX-long 1800F/25.0 ksi 522.4 48.4 56.0 196.2 269.3 264-3 4.7 1800F/25.0 ksi 720.1 46.3 55.5 267.8 348.8 264-6 4.7 1800F/25.0ksi 736.8 46.2 49.7 269.3 472.4 257-1 8.7 1800F/25.0 ksi 639.4 18.6 22.5 225.9 323.6 257-5 8.7 1800F/25.0 ksi 712.5 40.4 21.5 262.1 349.1 270-4 10.1 1800F/25.0 ksi 739.7 40.8 55.0 283.6 377.5 270-8 10.0 1800F/25.0 ksi 810.8 39.6 49.0 325.8 423.7 260-1 11.9 1800F/25.0 ksi 604.8 19.6 17.4 233.9 321.3 260-5 11.9 1800F/25.0 ksi 609.1 11.9 14.9 266.9 366.2 275-7 13.8 1800F/25.0 ksi 551.6 10.3 8.9 264.9 357.5 275-3 13.8 1800F/25.0 ksi 548.5 10.2 11.5 245.2 332.8 265-1 18.1 1800F/25.0 ksi 10** 0.9 1.0 — -- 265-5 18.1 1800F/25.0 ksi 693.2 47.9 52.1 248.3 340.6 J742 SX-long 1800F/30.0 ksi 246.8 33.8 52.9 82.2 116.3 E741 SX-long 1800F/30.0 ksi 233.8 40.3 50.1 89.0 119.3
Mavis-CAWINSOFA 專和J\PU\Pu034\0004\PU-034-0004.doc2003/12/5 200404902 264-2 4.7 1800F/30.0 ksi 316.7 37.1 51.6 99.4 141.0 264-5 4.7 1800F/30.0 ksi 317.7 36.1 46.0 102.7 144.3 257-i 8.7 1800F/30.0 ksi 273.0 17.6 16.5 83.1 125.8 257-5 8.7 1800F/30.0 ksi 280.5 23.0 17.0 112.3 141.4 270-4 10.1 1800F/30.0 ksi 239.3 7.9 8.4 134.3 176.2 270-8 10.0 1800F/30.0 ksi 381.9 35.6 36.0 155.7 200.5 260-1 11.9 1800F/30.0 ksi 273.0 13.4 13.6 107.0 149.3 260-5 11.9 1800F/30.0 ksi 273.6 13.1 13.7 113.7 151.2 275-7 13.8 1800F/30.0 ksi 244.1 7.6 8.1 114.8 155.0 275-3 13.8 1800F/30.0 ksi 281.7 16.1 19.0 99.9 152.5 265-1 18.1 1800F/30.0 ksi 190.6 3.8 3.5 126.3 171.1 265-5 18.1 1800F/30.0 ksi 270.1 5.8 5.7 155.0 202.4 A722 SX-long 1800F/36.0 ksi 143.0 35.7 48.1 48.0 66.3 K720 SX-long 1800F/36.0 ksi 138.3 46.1 47.0 42.9 61.0 264-1 4.7 1800F/36.0 ksi 136.4 40.3 47.5 38.5 56.2 264-4 4.7 1800F/36.0 ksi 141.1 49.0 46.8 43.1 60.8 258-4 7.7 1800F/36.0 ksi 141.5 22.9 24.3 42.9 62.9 258-8 7.7 1800F/36.0 ksi 141.3 28.8 29.8 42.5 60.6 270-1 10.0 1800F/36.0 ksi 133.4 34.4 47.7 43.4 61.5 270-5 10.0 1800F/36.0 ksi 152.5 45.1 45.0 50.1 70.0 260-3 11.9 1800F/36.0 ksi 120.1 26.7 33.9 34.9 52.1 260-7 11.9 1800F/36.0 ksi 113.9 8.5 9.7 53.3 73.7 275-2 13.8 1800F/36.0 ksi 101.8 9.0 8.0 41.3 59.6 275-6 13.8 1800F/36.0 ksi 103.4 8.5 14.9 46.1 64.9
Mavis-C:\WINSOFT\ 專利 \PU\Pu034\0004\PU-034-0004.doc2003/l 2/5 200404902 272-3 14.4 1800F/36.0 ksi 117.6 14.7 13.8 42.5 60.3 272-6 14.4 1800F/36.0 ksi 123.7 10.2 14.2 54.0 73.3 265-3 18.1 1800F/36.0ksi 70.9 4.7 3.7 35.5 57.9 265-7 18.1 1800F/36.0 ksi 83.7 4.0 4.1 63.8 79.9 276-3 6.9 1900F/15.5ksi 931.9 11.5 16.2 448.7 614.4 726-7 6.9 1900F/15.5ksi 1092.4 36.6 52.5 440.2 628.5 263-1 9.4 1900F/15.5ksi 842.7 16.2 22.8 356.4 525.3 263-5 9.4 1900F/15.5 ksi 871.0 32.5 51.8 420.3 537.5 268-3 10.1 1900F/15.5ksi 1096.8 11.0 13.3 531.4 763.0 268-7 10.1 1900F/15.5ksi 1177.8 7.2 8.9 584.5 855.0 256-1 12.3 1900F/15.5ksi 887.3 8.7 8.2 483.5 619.8 256-3 12.3 1900F/15.5ksi 840.2 7.4 7.3 437.1 618.5 272-2 14.4 1900F/15.5 ksi 1019.2 9.9 13.1 492.7 723.0 272-5 14.4 1900F/15.5ksi 894.6 7.8 5.2 330.0 626.5 278-3 22.1 1900F/15.5ksi 763.5 3.9 3.5 501.2 683.8 276-4 6.9 1900F/25.0 ksi 104.8 46.3 53.3 32.1 48.1 276-8 6.9 1900F/25.0 ksi 119.2 41.7 49.2 39.5 57.8 263-2 9.4 1900F/25.0 ksi 112.7 20.3 21.5 39.1 56.0 263-6 9.4 1900F/25.0 ksi 110.9 16.1 17.2 37.3 56.1 268-4 10.1 1900F/25.0 ksi 104.2 11.0 8.9 42.9 61.3 268-8 10.1 1900F/25.0 ksi 86.1 9.1 11.0 36.5 53.9 256-2 12.3 1900F/25.0 ksi 82.0 9.6 8.3 41.9 60.1 256-4 12.3 1900F/25.0 ksi 74.9 9.8 8.7 29.2 43.5
Mavis-C:\WINSOFT\ 專手 IJ\PU\Pu034\0004\PU-034-0004.doc2003/l 2/5 2〇 200404902 272-1 14.4 1900F/25.0 ksi 80.6 10.1 13.2 33.9 48.7 272-4 14.4 1900F/25.0 ksi 74.7 9.7 10.6 31.1 45.6 278-2 22.1 1900F/25.0ksi 1.4** 1.2 0.7 -- — 278-4 22.1 1900F/25.0 ksi 70.9 5.3 4.6 35.2 52.2 B722 SX-long 1922F/17.4 ksi 416.7 36.7 50.2 122.5 210.5 M720 SX-long 1922F/17.4 ksi 370.6 24.4 44.6 137.5 204.1 258-1 7.7 1922F/17.4 ksi 314.4 25.3 51.2 116.1 175.0 258-7 7.7 1922F/17.4 ksi 455.7 10.8 13.8 186.2 283.8 270-2 10.0 1922F/17.4 ksi 455.1 33.8 36.7 193.0 273.2 270-6 10.0 1922F/17.4 ksi 554.4 37.7 50.1 239.3 337.7 260-4 11.9 1922F/17.4 ksi 368.9 8.1 11.3 193.1 267.5 260-8 11.9 1922F/17.4 ksi 442.7 31.6 47.3 166.1 246.4 275-1 13.8 1922F/17.4 ksi 340.7 8.4 7.7 167.0 245.2 275-5 13.8 1922F/17.4 ksi 315.5 5.8 10.6 156.0 229.3 265-4 18.1 1922F/17.4 ksi 300.0 3.8 3.5 221.6 296.8 265-8 18.1 1922F/17.4 ksi 234.1 3.0 2.9 188.1 — 258-2 7.7 2000F/9.0 ksi 1377.7 6.2 9.6 1095.3 1237.3 258-5 7.7 2000F/9.0 ksi 1620.3 9.2 11。7 965.6 1313.6 263-3 9.4 2000F/9.0 ksi 1552.5 5.7 10.3 1301.1 1433.4 263-7 9.4 2000F/9.0 ksi 781.1 4.9 9.5 559.6 726.1 255-1 11.3 2000F/9.0 ksi 1451.7 4.7 7.9 911.6 1285.0 255-3 11.3 2000F/9.0 ksi 1366.0 6.0 6.9 1162.5 1252.0 266-3 13.2 2000F/9.0 ksi 1073.0 2.3 2.8 -- --
Mavis-C:\WINSOFT\ 專利J\PU\Pu034\0004\PU-034-0004.doc2003/12/5 21 200404902 266^7 ~〜—‘ _ 13.2 2000F/9.0 ksi 1024.6 3.1 2.5 •一 一 273^2 17.4 2000F/9.0 ksi 646.0 0.9 0.7 __ — 273--4 _ 17.4 2000F/9.0 ksi 825.6 2.7 1.7 一 — C722 SX-long 2000F/12.0 ksi 643.9 33.0 37.0 357.7 462.1 N720 '^ SX-long 2000F/12.0 ksi 673.9 25.4 40.0 360.2 495.5 258-3 7.7 2000F/12.0 ksi 499.3 7.0 9.8 345.5 419.5 258-6 ^ 7.7 2000F/12.0 ksi 484.9 3.0 5.1 125.5 389.2 263-4 9.4 2000F/12.0 ksi 532.2 11.4 11.6 335.5 502.9 263 - 8 9.4 2000F/12.0 ksi 414.9 5.1 7.7 255.9 349.9 255-2 11.3 2000F/12.0 ksi 533.7 5.8 6.0 338.8 449.6 255- 4 11.3 2000F/12.0 ksi 491.1 5.8 6.0 286.5 401.4 266-4 13.2 2000F/12.0 ksi 355.5 2.7 2.6 346.8 一 266-8 ~^^〜 13.2 2000F/12.0 ksi 360.2 1.8 1.7 270.7 273-1 —---- 17.4 2000F/12.0 ksi 〇2** 1.4 0.8 取3 — 17.4 2000F/12.0 ksi 169.1 0.6 0.3 一· **樣本可能有缺陷 表6的結果以圖解説明於第一圖至第八圖。第一圖至第八圖的每 個圖在選擇的一定溫度及一定載荷狀態下爲低角粗糖面邊界(LAB)或高角 粗輪面邊界（HAB)出現/錯置方向(度)對應力破壞壽命(小時）。表六的每個 數據點以實心菱形表示於第一圖至第八圖。第一圖及第二圖顯示在1742°F 及3〇 ksi中的LAB/HAB錯置方向度數對破壞壽命有非常小的影響。在第 一圖至第八圖中，以實線表示的曲線至少大約符合數據。第三圖顯示 LAB/HAB錯置方向在破壞壽命上升1〇度時具有可忽視的效果，即使在
Mavis-C:\WINSOFT\l：ilJ\PU\Pu034\0004\PU-034-0004.doc2003/12/5 22 200404902 度錯置方向，破壞壽命仍約爲沒有粗糙面缺陷(〇 〇度的LAB/HAB錯置方 向）的單晶之一半。此比較對CMSX-3®(以十字形表示數據點)的結果有 利’其_约在錯置方向角度爲6度時發生急遽減少破壞壽命。另外値得注 意的是單晶(0·0度LAB/HAB錯置方向)CMSX®-486試驗厚板的破壞壽命 比單晶CMSX-3®試驗厚板高。進一步，CMSX-3®數據顯示0·0度至6度 的負斜率，然而CMSX⑧-486的破壞壽命接近上升至6度。第四圖顯示 1800°F及25 ksi狀態下，LAB/HAB錯置方向在破壞壽命上升至18度有非 常小的影響。第五圖也顯示在1800T及30 ksi試驗狀態下於LAB/HAB錯 置方向的整個範園，CMSX®-486合金提供比Rei^N-4合金(由一般電子發 展的合金，並描述於下面刊物：Earl Ross等人的首次產生具有改善氧化作 用抗力、低角邊界長度及超長時間破壞強度的單晶渦輪翼面合金、[GE飛 行器引擎]第八屆Int· Symp.超合金工程，TMS，七個彈簧，美國賓夕凡尼 益州’ 1996年9月22〜26日）更持久的單晶鑄件(含有粗韃面缺陷）。更特别 的是’對RenS N-4合金而言，破壞壽命非常急遽降低約超過η度，然而 破壞壽命實質上在0·0度至1S.0度的LAB/HAB錯置方向之整個範圍不會 改變。第六圖顯示試驗厚板在19〇〇叩及25 ksi條件下表示破壞壽命上升至 約22度的錯置方向時相對緩慢降低。第七圖及第八圖顯示即使個别在 1922°F/17.4 ksi 及 2000°F/12.0 ksi 狀態下，CMSX®-486 試驗厚板不顯示急 遽減少其他利用單晶合金鑄件特有的破壞壽命。 相信此發明(例如CMSX㊣-486)的鎳超合金之卓越特性歸因於在 極少化學性質中有較優的調整(與比如CM 186 LC⑧合金比較下）。換句話 説，相信此發明合金所增加的姐(Ta)含量提供增加強度(例如改善應力破壞 以及改善潛變破壞特性），且減少鈐(Hf)含量可防止過度7/7 ‘共晶相。較 高的鉅含量由減少鉻而供給相穩定。 第九圖、第十圖及第十一圖顯示CMSX®-486(as-cast)加倍熟化
Mavis-C:\WINSOFT\^IJ\PU\pU034\0004\PU-034-0004.doc2003/I2/5 23 200404902 (1975°F下4小時，空氣冷卻，1600T下20小時，空氣冷卻)的代表顯微結 構。第九圖至第十一圖爲個别在100X、200X及400X倍率的光學顯微圖 片。第九圖至第十一圖顯示as-castCMSX®-4S6具有约5%的少量容積(Vf) 共晶相(較亮的陰暗地區）。共晶相的高Vf結果延展性差。 第十二圖至第十四圖爲CMSX®-486(as-cast)加倍熟化(1975叩下 4小時’空氣冷卻，16〇〇〇F下2〇小時，空氣冷卻)的電子顯微圖片。第十 二圖至第十四圖的電子顯微圖片個别爲在2,000Χ、5,000Χ及10,〇〇〇χ的倍 率下’並顯示CMSX®-486合金as-cast的規律立方體7、相。此與 CMSX®-486鑄件的極佳潛變破壞特性一致。第十二圖也顯示碳化物在剩 下良好狀態(即無顯示退化)中於凝固期間形成。 第十五圖及第十六圖爲顯示個别在2000X及5000X倍率中， CMSX®_486(19〇〇〇f及9 〇 ksi中9298 〇小時)的破裂地區之顯微照片。第 十五圖及第十六圖顯示實質上在CMSX®-486中減少的TCP相(Re、W、 Cr、rich)(與已知鎳超合金比較下）。 第十七圖及第十八圖爲顯示在個别爲2〇〇〇χ及5000X倍率中， CMSX®·486(在2〇〇〇〇f及6·〇 ksi下88〇5.5小時)之破裂地區的SEM顯微照 片。第十七圖及第十八圖顯示實質上在CMSX㊣-486中減少的TCP相(Re、 W、Cr、rich)(與已知鎳超合金比較下）。 第十九圖及第二十圖爲顯示在個别爲2〇〇〇χ及5000X倍率中， CMSX®-486(在1900°F及9·〇 ksi下9298.0小時)之破裂地區的光學顯微照 片。第十九圖及第二十圖顯示實質上在CMSX®-486中減少的TCP相(Re、 W、Cr、rich)(與已知鎳超合金比較下）。
第二十一圖及第二十二圖爲顯示在個别爲2〇〇〇χ及5〇〇〇χ倍率 中，CMSX®-486(在2000°F及6.0 ksi下8805.5小時)之破裂地區的光學顯 微照片第二十一圖及第二十二圖顯示實質上在CMSX(g)_486中減少的TCP
Mavis-C:\WINS0FT\ 專術U\pu034\0004\PU-034-0004.doc2003/l 2/5 24 200404902 相(Re、W、Cr、rich)(與已知錄超合金比較下）。 與傳統的單晶鑄件比較下，此發明的合金特質上顯示改良的潛變 強度’且爲特有能供給粗链面缺陷。此外，此發明的鎳超合金進一步顯示 與已知的傳統鎳超合金比較下，在合金中的TCP相(Re、w、Cr、rich)隨 著高溫且長期處於應力下(對合金特性無反效果，比如熱腐蝕抗力）而減少 數量。結果，此發明的合金可非常有利於運用提供改良鑄件生產量，及減 少飛行器與工業用渦輪機構件(比如渦輪葉、漿葉及多數葉片)的構件費用。 上面描述僅考慮較佳實施例。精通技藝及使用發明的人士將對發 明產生變更。因此，了解到顯示於圖示及描述於上面的這些實施例僅做爲 説明目的，且沒有意圖限制發明，此根據專利法(包括等義敎旨)法則由申 請專利範圍定義。 【圖式簡單說明】 第一圖至第八圖説明在各種不同溫度及應力下，隨著低角度粗輪 面/南角度粗糙面之錯置方向的函數之應力破壞； 第九圖至第十一圖爲此發明單晶as-cast合金的光學顯微圖片； 第十二圖至第十四圖爲此發明單晶as-cast合金的電子顯微圖片； 第十五圖至第十八圖爲此發明鎳超合金的SEM顯微照片； 第十九圖至第二十二圖爲此發明鎳超合金的光學顯微照片。
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Claims (1)
- 200404902 拾、申請專利範圍： 1. 一種單晶渦輪葉的超合金，其包含(重量百分比)4·7〜4·9°/❶的鉻(Cr)、 9%〜10.0% 的鈷(Co)、0.6%〜0.8% 的鉬(Μο)、8·4%〜8·8% 的鎢(W)、 4.3%〜4.8% 的鉅(Ta)、0.6%〜〇·8% 的鈦(丁丨）、5·6%〜5·8% 的链(Α1)、 2.8%〜3.1%的鍊(Re)、U°/〇〜1·5%的鈴(Hf)、0·06%〜0·08%的碳(C)、 0.012%〜0.020%的硼(Β)、〇·〇〇4%〜〇·010%的錯(Zr) ’剩下爲鎳及附帶的 混雜物。 2. 如申請專利範圍第1項的超合金，其中鉅存在的數量爲4·4〜4.7 wt%。 3. 如申請專利範圍第1項的超合金，其中鎢、鍊、鉅及鉬爲16.4〜17.0 wt% ° 4. 如申請專利範園第1項的超合金，其包含(重量百分比)4.8%的鉻、 9.2%〜9.3%的鈷、0.7%的鉬、8.5%〜8.6%的鎢、4.5%的鉅、0.7%的鈦、 5.6%〜5·7°/〇的鋁、2.9%的铼、1.2%〜1.3%的鈐、0.07%〜0.08%的碳、 0.015%〜0.016%的硼、〇·〇〇5%的錯，剩下爲鎳及附帶的混雜物。 5· —種由鎳超合金準備的單晶鑄件，其包含(重量百分比）4.7〜4.9%的鉻 (Cr)、9%〜10.0%的鈷(Co)、0.6%〜0.8%的鉑(Mo)、8.4%〜8.8%的鎢(W)、 4.3%〜4.8% 的鉅(Ta)、0.6%〜0.8% 的鈦(Ti)、5.6%〜5.8% 的鋁(A1)、 2.8%〜3.1%的鍊(Re)、ι·ι%〜15%的鈐阳心〇〇6%〜_%的碳(c) ^ 0.012%〜0.020%的顿Β)、0.004%〜〇·_%的錯(Zr)，剩下爲鎳及附帶的 混雜物。 6·如申明專利範園第5項的單晶铸件，其中鱗在的數量爲4·4〜4 7祕。 7·如申請專利範圍第5項的單晶鑄件，其找、練、姐及翻爲似〜咖 wt% ° 8.如申請專利範圍第5項的單晶铸件，此處1〇〜5〇鹏的以、γ、& 個别或結合，以改善極少氧化作用抗力及塗層執行。 Mavis-C.\WINSOFT\^f lj\pu\pu034\〇〇〇4\pu-〇34-0004.doc20〇3/l 2/5 26 200404902 9. 一種由鎳超合金鑄造的鎳渦輪葉、渦輪漿葉或多渦輪葉片，其包含(重 量百分比)4.7〜4.9%的鉻(Cr)、9%〜10.0%的鈷(Co)、0.6%〜0.8%的鉬 (Mo)、8.4%〜8.8%的鎢(W)、4.3%〜4.8%的妲(Ta)、0.6%〜0·8%的鈦(Ti)、 5·6%〜5.8% 的鋁(A1)、2.8%〜3.1% 的鍊(Re)、1.1%〜1.5% 的鈐(Hf)、 0.06%〜0.08%的碳(C)、0.012%〜0.020%的硼(B)、0.004%〜0.010%的錯 (Zr)，剩下爲鎳及附帶的混雜物。 10. 如申請專利範圍第9項的渦輪葉、渦輪漿葉或多渦輪葉片，其中鉅存 在的數量爲4.4〜4.7 wt%。 Mavis-C:\WINSOFT\ 專利J\PU\Pu034\0004\PU-034-0004.doc2003/l 2/5 27
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