镍基超合金和制品的制作方法
【专利说明】镜基超合金和制品
[0001] 发明背景 本发明总地涉及适用于腐蚀性的、高温燃气涡轮环境的物质组合物和由其制造的制 品。
[0002] 镍基单晶超合金在航空发动机中广泛用于涡轮叶片、管嘴和罩的应用。为了改进 的发动机性能的航空发动机设计需要具有越来越高的温度容量，主要是以改进的蠕变强度 的形式（抗蠕变性），的合金。具有提高量的固溶体强化元素（如Ta、W、Re和Mo,它们也提 供改进的抗蠕变性）的合金一般显示降低的相稳定性、提高的密度和较低的耐环境性。近 来，热机械疲劳（TMF)抗性成为涡轮组件的限制性设计准则。温度梯度产生周期热诱导的 应变，它促使由蠕变、疲劳和氧化的复杂组合所导致的损害。历史上尚未为了周期损害抗性 而开发定向固化超合金。然而，为了改进的发动机效率，期望提高的周期损害抗性。
[0003] 单晶超合金可基于合金组成和高温机械性质的相似性分类为四代。所谓的第一代 单晶超合金不含铼。第二代超合金一般含有约3重量％的铼。第三代超合金设计成通过提 高耐火金属含量和降低铬水平来提高温度容量和抗蠕变性。示例性的合金具有5. 5重量％ 的铼水平和2-4重量％范围的铬水平。第四和第五代合金包括提高的铼和其它耐火金属 (如钌）水平。
[0004] 第二代合金并不格外强，虽然它们具有相对稳定的微结构。第三和第四代合金由 于加入高水平的耐火金属而具有改进的强度。例如，这些合金包括高水平的钨、铼和钌。这 些耐火金属具有的密度比镍基的高很多，所以它们的加入提高了整体合金密度。例如，第四 代合金可比第二代合金重约6%。这些合金增加的重量和成本使得它们的用途局限于仅仅是 专门的应用。第三和第四代合金也受限于微结构的不稳定性，这种不稳定性可影响长期的 机械性质。
[0005] 每个下一代的合金都是努力改进上一代的蠕变强度和温度容量而开发的。例如， 第三代超合金相较于第二代超合金提供了 50 °F (约28°C)的蠕变容量改进。第四和第五 代超合金提供了蠕变强度的进一步改进，所述改进通过高水平的固溶体强化元素如铼、钨、 钽、钼和钌的加入实现。
[0006] 随着定向固化的超合金的蠕变容量代代改进，也改进了连续周期疲劳抗性和停留 时间周期损坏抗性。这些在破裂强度和疲劳强度的改进伴随着合金密度和成本的提高，如 上所述。此外，为了持续增加定向固化超合金中耐火元素的量，存在微结构和坏境代价。例 如，第三代超合金相对于拓扑密堆相（TCP)较不稳定并趋向于形成二级反应区（SRZ)。较 低水平的铬（对于保持足够的微结构稳定性是必要的）导致下一代超合金的耐环境性的降 低。
[0007] 通过停留时间或持续峰值低周疲劳（SPLCF)测试来量化周期损害抗性，这对于单 晶涡轮叶片合金是重要的性质要求。第三和第四代单晶超合金的缺点在于高密度、高成本 (由于存在铼和钌）、涂布条件下微结构的不稳定性（SRZ形成）和不充足的SPLCF寿命。
[0008] 因此，期望提供含有较少铼和钌、具有较长SPLCF寿命和具有改进的微结构稳定 性（通过较少的SRZ形成）同时保持充足的抗蠕变性和抗氧化性的单晶超合金组合物。
[0009] 发明概沐 在多个示例性实施方案中描述了用于涡轮叶片应用的抗疲劳的镍基单晶超合金，所述 超合金相较于已知的合金提供了更低的密度、低铼和钌含量、低成本、改进的SPLCF抗性和 更少的SRZ形成，以及平衡的抗蠕变性和抗氧化性。
[0010] 根据一个示例性的实施方案，物质组合物包含约5-约7重量％铝、约4-约8重 量％钽、约3-约8重量％铬、约3-约7重量％钨、1-约5重量％钼、1. 5-约5重量％铼、 5-约14重量％钴、约0-约1重量％铪、约0. 01-约0. 03重量％碳、约0. 002-约0. 006重 量％硼和剩余量的镍与附带的杂质。根据本发明的实施方案，该组合物可呈现的持续峰值 低周疲劳寿命（在1800 °F /45ksi下）为至少约4000个周期。
[0011] 本文所公开的示例性实施方案所包括的制品（如涡轮发动机的叶片、管嘴、罩、防 溅板和燃烧室）包含实质单晶，所述单晶具有的组合物包含约5-约7重量％铝、约4-约8 重量％钽、约3-约8重量％铬、约3-约7重量％钨、1-约5重量％钼、1. 5-约5重量％铼、 5-约14重量％钴、约0-约1重量％铪、约0. 01-约0. 03重量％碳、约0. 002-约0. 006重 量％硼和剩余量的镍与附带的杂质。根据本发明的实施方案，该组合物可呈现的持续峰值 低周疲劳寿命（在1800 °F /45 ksi下）为至少约4000个周期。
[0012] 附图简沐 说明书的结束部分特别指出并明确请求保护视为本发明的主题。然而，可结合附图通 过参照以下描述最佳理解本发明。其中： 图1为根据本发明实施方案的制品（如燃气涡轮叶片）的透视图。
[0013] 图2为阐述根据本发明的示例性组合物和参比组合物的表格。
[0014] 图3的图形显示了根据本发明的示例性组合物和参比组合物在1800 °F /45 ksi 下的持续峰值低周疲劳寿命（SPLCF)(周期）作为Re和Ru总浓度（重量％)的函数。
[0015] 图4的图形显示了根据本发明的示例性组合物和参比组合物在2000 °F /20 ksi 下的耐破裂性（小时）作为Re和Ru总浓度（重量％)的函数。
[0016] 图5的方框流程图说明了制备根据本发明的制品的方法。
[0017] 发明详沐 本发明描述了用于涡轮叶片应用的镍基单晶超合金的化学。相较于已知的合金，该超 合金提供更低的密度、低铼和钌含量、低成本、改进的SPLCF抗性和更少的SRZ形成，以及平 衡的抗蠕变性和抗氧化性。抗疲劳性的改进通过合金的强度、抗氧化性和抗蠕变性的平衡 实现，所述平衡通过控制γ强化物（如1]?〇、1^、(：〇和(>)的量和控制^^相的体积分数 (通过控制Al、Ta、Hf的浓度）实现。在多个示例性实施方案中描述了本发明。
[0018] 参照附图，图1描述了燃气涡轮发动机的组件，图示为燃气涡轮叶片10。该燃气涡 轮叶片10包括螺旋桨12、侧面延伸平台16、燕尾榫形式的固定件14以将燃气涡轮叶片10 固定在涡轮盘（未显示）上。在一些组件中，许多冷却通道延伸穿过螺旋桨12内部，终止 于螺旋桨12的表面上的开口 18。
[0019] 在一个示例性的实施方案中，组件制品10实质为单晶。即组件制品10至少约80 体积％，更优选至少约95体积％，为具有单晶取向的单晶粒。可存在少数体积分数的其它结 晶取向以及由低角边界分隔的区域。单晶结构通过合金组合物的定向固化制备，通常由晶 种或其它诱导单晶生长和单晶粒取向的结构制备。
[0020] 本文所讨论的示例性合金组合物的用途不局限于燃气涡轮叶片10,且它可用于其 它制品，如燃气涡轮管嘴、叶轮、罩或其它燃气涡轮发动机的组件中。
[0021] 据信，本文所公开的示例性实施方案提供了独特的合金方法用于改进的SPLCF和 抗破裂性合金。以下表1提供了包括在本发明合金中的元素的示例性浓度范围（按重量百 分数计）。对每一种元素按范围提供的量应认为包括端点和子范围。 「00221 弄T，示例神浓庶茹闱
【主权项】
1. 物质组合物，该组合物包含： 约5-约7重量％的铝； 约4-约8重量％的钽； 约3-约8重量％的铬； 约3-约7重量％的钨； 约1-约5重量％的钼； 约1. 5-约5重量％的铼； 约5-约14重量％的钴； 约O-约1重量％的铪； 约0. 01-约0. 03重量％的碳； 约0. 002-约0. 006重量％的硼；和 剩余量的镍与附带的杂质， 其中该组合物在1800 °F /45 ksi下呈现的持续峰值低周疲劳寿命为至少约4000个周 期。
2. 权利要求1所述的物质组合物，其中铝的存在量为约5. 5-约6. 5重量％。
3. 权利要求1所述的物质组合物，其中钽的存在量为约4. 5-约8重量％。
4. 权利要求1所述的物质组合物，其中铬的存在量为约4-约6. 5重量％。
5. 权利要求1所述的物质组合物，其中钨的存在量为约3-约6重量％。
6. 权利要求1所述的物质组合物，其中钼的存在量为约2-约5重量％。
7. 权利要求1所述的物质组合物，其中铼的存在量为约2. 5-约4. 5重量％。
8. 权利要求1所述的物质组合物，其中钴的存在量为约7-约12. 5重量％。
9. 权利要求1所述的物质组合物，其中铪的存在量为约0. 2-约0. 6重量％。
10. 权利要求1所述的物质组合物，其中碳的存在量为约〇. 015-约0. 025重量％。
11. 权利要求1所述的物质组合物，其中硼的存在量为约〇. 0025-约0. 0055重量％。
12. 权利要求1所述的物质组合物，其中铼的存在量为约3-约4. 2重量％。
13. 权利要求1所述的物质组合物，其中铼的存在量为约3. 5-约4. 2重量％。
14. 权利要求1所述的物质组合物，其中所述组合物在1800 °F /45ksi下呈现的持续 峰值低周疲劳寿命为至少约5000个周期。
15. 权利要求1所述的物质组合物，其中所述组合物在2000 °F /20ksi下呈现的破裂 寿命为至少约150小时。
16. 权利要求1所述的物质组合物，其中所述组合物在2000 °F /20ksi下呈现的破裂 寿命为至少约200小时。
17. 包含组合物的制品，所述组合物包含： 约5-约7重量％的铝； 约4-约8重量％的钽； 约3-约8重量％的铬； 约3-约7重量％的钨； 1-约5重量％的钼； 1. 5-约5重量％的铼； 5-约14重量％的钴； 约O-约1重量％的铪； 约0. 01-约0. 03重量％的碳； 约0. 002-约0. 006重量％的硼；和 剩余量的镍与附带的杂质， 其中所述组合物在1800 °F /45ksi下呈现的持续峰值低周疲劳寿命为至少约4000个 周期。
18. 权利要求17所述的制品，该制品包含单晶组件。
19. 权利要求18所述的制品，其中所述单晶组件包含燃气涡轮的叶片。
20. 权利要求17所述的制品，该制品包括燃气涡轮发动机的组件，所述组件选自管 嘴、罩、防溅板和燃烧室组件。
21. 权利要求17所述的制品，该制品包含定向固化组件。
22. 权利要求21所述的制品，其中所述定向固化组件包含燃气涡轮的叶片。
【专利摘要】镍基超合金组合物包括约5-约7重量%铝、约4-约8重量%钽、约3-约8重量%铬、约3-约7重量%钨、1-约5重量%钼、1.5-约5重量%铼、5-约14重量%钴、约0-约1重量%铪、约0.01-约0.03重量%碳、约0.002-约0.006重量%硼和剩余量的镍与附带的杂质。该组合物可呈现的持续峰值低周疲劳寿命(在1800℉/45ksi下)为至少约4000个周期。该镍基超合金组合物可用于单晶或定向固化超合金制品，如燃气涡轮发动机的叶片、管嘴、罩、防溅板和燃烧室。
【IPC分类】C22C19-05, F01D5-28
【公开号】CN104736731
【申请号】CN201380057343
【发明人】W-J.张, D.G.科尼策尔, J.L.米勒
【申请人】通用电气公司
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2013年10月2日
【公告号】CA2889343A1, EP2914757A1, US8858876, US20140119979, US20140377125, WO2014070356A1