專利名稱：鎳基高溫合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域。其涉及鎳基高溫合金，特別是用于制備單晶組件(SX合金)或具有定向凝固微結(jié)構(gòu)(DS合金)的組件，例如燃氣渦輪用槳葉。同時，本發(fā)明所述合金也可以用于傳統(tǒng)的澆鑄組件。
背景技術(shù)：
這種類型的鎳基高溫合金是已知的。由這些合金制備的單晶組件在高溫下具有非常好的材料強度。由此，例如，可以增加燃氣渦輪的入口溫度，從而提升燃氣渦輪的效率。
用于單晶組件的鎳基高溫合金，如從US4643782，EP0208645和US5270123可知，其含有混和晶體增強的合金元素，例如Re、W、Mo、Co、Cr，以及形成γ’相的元素，例如Al、Ta和Ti?；w(奧氏體γ相)中的高熔點合金元素(W，Mo，Re)的含量隨著合金所受溫度的升高而不斷升高。因此，例如，常規(guī)用于單晶的鎳基高溫合金含有6-8％的W，至多6％的Re和至多2％的Mo(以重量％表示)。上述文件中公開的合金具有高的蠕變強度，良好的LCF(低應(yīng)力循環(huán)次數(shù)疲勞)以及HCF(高應(yīng)力循環(huán)次數(shù)疲勞)特性和高的抗氧化性。
這些已知的合金被用于改進飛行器渦輪，因此優(yōu)化為短期或中期應(yīng)用，即，負載時間設(shè)計上限為20000小時。與此相反，工業(yè)燃氣渦輪組件必須設(shè)計為負載時間直至75000小時。
在300小時的負載時間后，例如US4643782所述合金CMSX-4，在高于1000℃的溫度下在燃氣渦輪中測試性應(yīng)用時，其顯示出γ’相的強烈變粗，這不利地伴隨合金蠕變速率的升高。
因此需要改進已知合金在極高溫度下的抗氧化性。
已知鎳基高溫合金的另一個問題是，例如US5435861中已知的合金，在大組件情況下，例如長度超過80mm的燃氣渦輪槳葉，可澆鑄性還有待改進。由鎳基高溫合金澆鑄理想的、相對大的定向凝聚的單晶組件是極為困難的，因為大多數(shù)這些組件都有缺陷，例如小角度晶界、“斑點”，即由一系列具有高共晶含量、等軸差異極限(Streugrenz)、微孔等的同向晶粒導(dǎo)致的缺陷位置。這些缺陷在高溫下削弱了組件，因此達不到渦輪的所需壽命和工作溫度。由于理想化澆鑄的單晶組件極其昂貴，工業(yè)上傾向于在壽命和工作溫度不受損害條件下，允許盡可能多的缺陷。
最常見的一種缺陷是晶界，其對單晶物體的高溫性質(zhì)特別不利。相對而言，小元件中小角度晶界對該性質(zhì)僅有微小的影響，其與大的SX或DS構(gòu)件在高溫下的可鑄造性和氧化行為高度相關(guān)。
晶界是高的局部晶格錯位(Fehlordnung)區(qū)域，因為相鄰的晶粒在這些區(qū)域中碰撞，因此晶格間存在一定的錯誤取向(Desorientierung)。錯誤取向越大，錯位越大，即在所需的使兩個晶粒匹配的晶界中錯位數(shù)目越大。該錯位與材料在高溫下的性質(zhì)直接相關(guān)。如果溫度升高至高于等內(nèi)聚溫度(＝0.5×熔點，以K計)，則其會削弱材料。
這種影響可由GB2234521 A得知。例如，在傳統(tǒng)的鎳基單晶合金中，在871℃的測試溫度下，如果晶粒的錯誤取向大于6°，則斷裂強度大大下降。這也被具有定向凝聚微結(jié)構(gòu)(Gefüge)的單晶組件證實，因此通常的觀點是超過6°的錯誤取向是不可接受的。
從上述GB2234521 A也可知，在定向凝聚時，通過鎳基高溫合金中富集硼或碳，會產(chǎn)生具有等軸或棱鏡晶粒結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)。碳和硼強化了晶界，因為C和B引起碳化物和硼化物在晶界中的沉積，這些化合物在高溫下是穩(wěn)定的。此外，這些元素在晶界中或周圍的存在減少了作為晶界缺陷首要原因的擴散過程。因此可以將錯誤取向增加至10°至12°，但在高溫下仍達到良好的材料性質(zhì)?？墒?，特別是在大的由鎳基高溫合金形成的單晶組件中，這些小角度晶界會對性質(zhì)有負面影響。
文獻EP1359231 A1描述了一種鎳基高溫合金，具有改進的可澆鑄性和比已知鎳基高溫合金更高的抗氧化性。此外，這種合金，例如特別適合于大的具有長度＞80mm的燃氣渦輪單晶組件。其具有下面的化學(xué)組成(以重量％表示)7.7-8.3Cr5.0-5.25Co
2.0-2.1Mo7.8-8.3W5.8-6.1Ta4.9-5.1Al1.3-1.4Ti0.11-0.15Si0.11-0.15Hf200-750ppm C50-400ppm B余下的是鎳和取決于生產(chǎn)的雜質(zhì)。但是，其與直接用在燃氣渦輪領(lǐng)域以保護受到特別高應(yīng)力組件的TBC(隔熱涂層)層的兼容性，仍然需要改善。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是避免現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷。本發(fā)明基于進一步改善EP1359231 A1中已知的鎳基高溫合金的目的，特別是與EP1359231 A1已知的鎳基高溫合金相比，在可比較的良好的可澆鑄性和高的抗氧化性情況下，與涂覆在高溫合金上的TBC層有更好的兼容性。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的任務(wù)這樣解決，即通過特點為下述化學(xué)組成的鎳基高溫合金解決(以重量％表示)7.7-8.3Cr5.0-5.25Co2.0-2.1Mo7.8-8.3W5.8-6.1Ta4.9-5.1Al1.3-1.4Ti0.11-0.15Si0.11-0.15Hf200-750ppm C50-400ppm B
＜5ppm S5-100ppm Y和/或5-100ppm La余下的為鎳和取決于生產(chǎn)的雜質(zhì)。
本發(fā)明的優(yōu)點在于該合金具有良好的可澆鑄性、高溫下的高抗氧化性以及與涂覆的TBC層良好的相容性。
具有下面組成的合金是符合目的的(以重量％表示)7.7-8.3Cr5.0-5.25Co2.0-2.1Mo7.8-8.3W5.8-6.1Ta4.9-5.1Al1.3-1.4Ti0.11-0.15Si0.11-0.15Hf200-300ppm C50-100ppm B最多2ppm S10-80ppm Y和/或10-80ppm La余下的為鎳和取決于生產(chǎn)的雜質(zhì)。
本發(fā)明所述的一種有利的合金具有下面的化學(xué)組成(以重量％表示)7.7Cr5.1Co2.0Mo7.8W5.8Ta5.0Al1.4Ti0.12Si0.12Hf
200ppm C50ppm B1ppm S50ppm Y10ppm La余下的為鎳和取決于生產(chǎn)的雜質(zhì)。
該合金非常適合于制造大單晶組件，例如燃氣渦輪槳葉。
本發(fā)明的實施方式接下來，參照實施例詳細解釋本發(fā)明。
研究表1所示化學(xué)組成的現(xiàn)有技術(shù)已知的鎳基高溫合金(對比合金VL1至VL5)和本發(fā)明合金L1(以重量％表示)

表1所研究合金的化學(xué)組成合金L1是一種用于單晶組件的鎳基高溫合金，其組成落入本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。合金VL1、VL2、VL3、VL4是對比合金，其現(xiàn)有技術(shù)的已知名稱是CMSX-11B、CMSX-6、CMSX-2和RenéN5。與本發(fā)明合金完全不同之處尤其在于，其沒有與C、B、Si以及Y和/或La組成合金。對比合金VL5在EP1359231A1中公開，與本發(fā)明合金不同之處是S、Y和/或La的含量。
碳和硼增強了晶界，尤其是增強了鎳基高溫合金制成的SX-或DS-燃氣渦輪槳葉中<001>方向上產(chǎn)生的小角度晶界，因為這些元素導(dǎo)致晶界碳化物和硼化物的沉積，其在高溫下是穩(wěn)定的。此外，存在于晶界內(nèi)和晶界邊的這些元素降低了擴散過程，該過程是晶界弱化的首要原因。由此，能夠顯著改善長單晶組件的可澆鑄性，例如長度約200-230mm的燃氣渦輪槳葉。
通過添加0.11-0.15重量％的Si，特別是與幾乎同樣數(shù)量級的Hf結(jié)合，相對于迄今已知的鎳基高溫合金VL1-VL4，其達到明顯改善高溫下抗氧化的目的。
本發(fā)明組合物限制硫含量＜5ppm會產(chǎn)生非常好的性質(zhì)，尤其是例如通過熱噴涂涂覆高溫合金表面所涂覆的TBC層的優(yōu)良粘結(jié)性。如果硫含量＞5ppm，則會在TBC粘結(jié)性上帶來負面影響，其在溫度變化的應(yīng)力作用下會導(dǎo)致層快速剝落。
通過添加所示范圍的Y和/或La(分別為5-100ppm，即如果兩種元素都存在，則Y+La總量為10-200ppm)，待涂覆的陶瓷熱保護層(TBC-層)會有非常好的粘結(jié)性。
合金L1中所示50ppm的Y和10ppm的La是非常有利的，因為L1與待涂覆的TBC層有非常好的相容性。此外，兩種元素也提高了對環(huán)境影響的抵抗力。通過添加少量的這些元素，可以穩(wěn)定合金表面的鋁/鉻氧化物的氧化層，并產(chǎn)生顯著的抗氧化性。Y和La是氧活性元素，其改善基材上氧化層的附著強度。在周期性氧化中，抗剝落性是TBC層穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。
在表2中，分別列出了在1050℃/1h/空氣冷卻直至室溫的周期性氧化時，對于表1所示合金，Al2O3和其他物質(zhì)形成的氧化層直至剝落的周期數(shù)值

表2至剝落的周期數(shù)值與現(xiàn)有技術(shù)已知的合金相比，本發(fā)明的合金L1具有直至氧化層剝落的最大周期數(shù)值。這能夠推斷出高溫合金表面待涂覆層的高穩(wěn)定性，例如熱噴涂TBC層。
可以在其他實施例中選擇，例如本發(fā)明權(quán)利要求1的具有較高C含量和B含量(最大750ppm的C和最大400ppm的B)的鎳基高溫合金中選擇，因此，由此制造的組件也能夠常規(guī)澆鑄，那么其也不含單晶。
權(quán)利要求
1.鎳基高溫合金，其特征在于以下化學(xué)組成，以重量％表示7.7-8.3Cr5.0-5.25Co2.0-2.1Mo7.8-8.3W5.8-6.1Ta4.9-5.1Al1.3-1.4Ti0.11-0.15Si0.11-0.15Hf200-750ppm C50-400ppm B＜5ppm S5-100ppm Y和/或5-100ppm La余下的為鎳和取決于生產(chǎn)的雜質(zhì)。
2.權(quán)利要求1所述的鎳基高溫合金，尤其用于制備單晶組件，其特征在于以下化學(xué)組成，以重量％表示7.7-8.3Cr5.0-5.25Co2.0-2.1Mo7.8-8.3W5.8-6.1Ta4.9-5.1Al1.3-1.4Ti0.11-0.15Si0.11-0.15Hf200-300ppm C50-100ppm B最多2ppm S10-80ppm Y和/或10-80ppm La余下的為鎳和取決于生產(chǎn)的雜質(zhì)。
3.權(quán)利要求2所述的鎳基高溫合金，其特征在于以下化學(xué)組成，以重量％表示7.7Cr5.1Co2.0Mo7.8W5.8Ta5.0Al1.4Ti0.12Si0.12Hf200ppm C50ppm B1ppm S50ppmY10ppm La余下的為鎳和取決于生產(chǎn)的雜質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鎳基高溫合金。本發(fā)明的合金的特征在于下述化學(xué)組成(以重量％表示)7.7－8.3Cr、5.0－5.25Co、2.0－2.1Mo、7.8－8.3W、5.8－6.1Ta、4.9－5.1Al、1.3－1.4Ti、0.11－0.15Si、0.11－0.15Hf、200－750ppmC、50－400ppm B、0.1－5ppm S、5－100ppm Y和/或5－100ppm La，剩余為鎳以及受限于生產(chǎn)的雜質(zhì)。其特征在于非常好的可澆鑄性、高的耐氧化性以及與其表面涂覆的TBC層的優(yōu)良相容性。
文檔編號C22C19/05GK101061244SQ200580039370
公開日2007年10月24日 申請日期2005年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月18日
發(fā)明者M·Y·納茲米 申請人:阿爾斯托姆科技有限公司