专利名称：镍基超合金组合物、超合金制品和使超合金组合物稳定的方法
镍基超合金组合物、超合金制品和使超合金组合物稳定的
方法
背景技术：
总体而言，本发明涉及镍基超合金组合物、制品和方法，更具体地讲，涉及在升高 的温度下用作单晶制品的此类合金，其中所述超合金组合物包含稳定化量的铪。许多高温镍基超合金已被研发并报道用于高温苛刻负荷条件下的单晶制品。例 如，这些条件存在于飞机使用的先进燃气涡轮机的涡轮区段。这些单晶制品在这些涡轮区 段中用作翼片。概括地讲，近来用强化固溶体的耐高温元素形成合金和增加Y ‘相(gamma prime phase)的体积分数来实现在此类高温和苛刻负荷条件使用的单晶制品的合金强度的提高。 遗憾的是，耐高温元素(即，铼(Re)、钨(W)、钽(Ta)和钼(Mo))的存在和增加的Y ‘体积分 数两者均使合金更易析出不合乎需要的相。尤其不利的是被称为拓扑密排(TCP)相的相， 这种相在暴露于高于约1800° F(982°C)的温度后形成。TCP相具有脆性，并且通过从所需 的合金相去除溶质元素并使它们浓集于所述脆相，其形成减小了合金的固溶强化潜力，使 得不能满足预期的强度和寿命目标。因此，需要提高具有形成脆性TCP相倾向的高温超合金的稳定性。另外，由于铼昂 贵并且供应有限，因此需要提供具有低或零铼含量的稳定高温超合金。这点特别重要，因为 用于代替铼的其他Y-强化耐高温元素W和Mo更强增进TCP不稳定性。另外，它们不为强 效的固溶体强化剂，因此需要较高加入量。发明概述通过提供相对于形成TCP相具有应力断裂寿命和微结构稳定性的改善组合的镍 基超合金的示例性实施方案可满足上述需要。超过小的标称量的不合乎需要的TCP相的形 成受合金的组成和热历程影响，并且一旦形成，必定降低合金的断裂寿命性能。已发现，铪(Hf)可作为易于形成不合乎需要的TCP相的镍基超合金的稳定剂。铪 改性的超合金不形成TCP相，在这个意义上，在可比条件下可比未改性镍基超合金则形成 TCP相。因此，TCP相形成倾向的减小导致在高温下更高的微结构稳定性和增加的成合金灵 活性。本文公开的实施方案包括用于高温应用的铪改性镍基超合金。本文公开的进一步 实施方案包括一种单晶制品，所述单晶制品由在升高的温度下具有提高的微结构稳定性的 铪改性镍基超合金形成。本文公开的进一步实施方案提供一种提高易于形成TCP相的合金 的微结构稳定性的方法。在一个示例性实施方案中，稳定化超合金组合物包含钨、钼和任选的铼。所述超合 金组合物用足以在升高的温度下相对于可比未改性超合金组合物减少超合金微结构中拓 扑密排(TCP)相形成的稳定化量的铪改性。在一个示例性实施方案中，本发明提供一种表现出提高的微结构稳定性的镍基超 合金单晶制品。所述超合金单晶制品由铪改性超合金组合物形成，所述铪改性超合金组合 物包含钨、钼和任选的铼和足以在升高的温度下相对于可比未改性超合金组合物减少超合金微结构中拓扑密排(TCP)相形成的稳定化量的铪。在一个示例性实施方案中，本发明提供一种提高超合金组合物的微结构稳定性的 方法。所述方法包括通过确定相关TCP值估计超合金组合物在升高的温度下在超合金微结 构中形成拓扑密排(TCP)相的倾向。所述方法还包括，如果TCP值超过预定的TCP值，则使 超合金组合物中的铪量增加到足以提供铪改性超合金组合物的量，其中铪改性超合金组合 物表现出在升高的温度下提高的微结构稳定性。附图简述被认作本发明的主题在申请文件的结束部分特别指出并清楚地要求保护。然而， 通过参考以下描述并结合附图可更好地理解本发明，其中
图1为部件制品(如燃气涡轮机涡轮叶片)的透视图。图2为归一化为第二代超合金的不同合金的2000° F/18ksi应力断裂寿命的柱状 图比较。图3为归一化为第二代超合金的不同合金的2100° F/lOksi应力断裂寿命的柱状 图比较。图4-11为在2100° F/10ksi分别对合金A，Al ;B，Bl ;C，Cl和D，Dl进行应力断 裂试验后在枝晶初级晶核区域中TCP相的一系列显微相片。图12为表示TCP值变化和增加的断裂寿命之间的关系的柱状图表。发明详述现在参照附图，图1描绘燃气涡轮机叶片20。燃气涡轮机叶片包括在工作期间热 燃烧气流撞击的翼片22、向下延伸的轴24和燕尾26型连接部，连接部使燃气涡轮机叶片 20连接到燃气涡轮机的涡轮盘(未示出)。平台28在翼片22与柄24和燕尾26之间的位 置横向向外延伸。在一个示例性实施方案中，燃气涡轮机叶片20包含本文公开的单晶镍基 超合金组合物。可合乎需要地提供具有降低量的铼(Re)的此类镍基超合金组合物，尽管在本文 中公开的示例性实施方案不受如此限制。示例性实施方案可包括约1.5%重量铼。其他示 例性实施方案可包括至多约6%重量铼。在先进涡轮机叶片合金中可用增加量的其他强化 成合金元素(如钨(W)和钼(Mo))补偿较低量的Re。然而，在一些情况下，增加量的耐高温 元素提供具有增加形成TCP相倾向的合金。在部件寿命期间在重复暴露于高温环境时存在 TCP相(针状相)减少蠕变寿命。除非另外提到，本文中提出的所有百分比均以重量计。首先将0. 15%重量相对低量的Hf加入到单晶超合金，以提高抗氧化性。已知加入 较高量的铪(Hf)提高经涂覆超合金的抗氧化性，并在利用时提高热隔离涂层的粘着性。如 本文公开的实施方案证明，已发现以大于通常用于强化晶界量的量将Hf加到镍基超合金 可通过减少TCP相形成提高微结构稳定性。本文公开的实施方案提供了提高抗TCP性的由 加入Hf改性的超合金组合物。提高否则的话不稳定的合金(例如，TCP值大于约3)中TCP 稳定性致使提高蠕变断裂强度。
实施例表 1 制备并测试可比超合金组合物的4个试验对:A，A1 ；B, Bl ；C, Cl和D，D1。见表1。 各对中的一种组合物包含0. 15%重量Hf ( “未改性合金”)。各对中的第二种组合物包含 0. 60%重量Hf ("Hf改性合金”)。例如，未改性合金A包含0. 15%重量Hf, Hf改性合金Al 包含0.60%重量Hf。其余的成合金元素标称类似，余量为镍和偶然杂质。合金对的蠕变断 裂数据归一化为第二代超合金，以图形式示于图2和3中。在2100° F/lOksi应力断裂试 验后拍摄的体现各组合物的制品的显微相片示于图4-11中。两种未改性的合金A和C(0. 15%重量Hf)表现出显著量有害的TCP相，如显微相 片所示。(分别参见图4和图8)。已知形成TCP相负面地影响合金的抗蠕变性，并且TCP 相体积分数越大，劣化越显著。TCP相为耐高温的富针或点状相(ο，μ或ρ相)，这种相消 耗存在的提供增加抗蠕变性的耐高温元素的超合金基质。分别如图5和9所示，在Hf改性合金Al和Cl中加入增加量的Hf量(Hf含量约 0. 60%重量)抑制应力暴露期间TCP相的形成。如图2和3所示，合金对B和Bl具有类似的蠕变断裂寿命，合金对D和Dl也是一 样。合金B的显微相片(图6)显示这种未改性的合金组合物不易于形成TCP相。Hf改性 合金Bl中增加量的Hf不显著影响TCP相的形成(图7)。对于合金对D和Dl得到类似的 结果，如图10-11中所示。这些结果表明，增加Hf的量可使由于形成TCP相具有不稳定倾向的那些合金组合 物稳定。具体地讲，通过增加Hf的量，可使包含相对高量能够促进TCP相形成的耐高温元 素或Cr的组合物稳定。图12图示说明增加Hf加入对倾向于形成明显量TCP (例如TCP值大于3)的合金 组合物在2000° F的断裂寿命的影响。TCP值为基于预测TCP相析出所用合金组合物的分 析值。高TCP值表明倾向于形成TCP相。可接受的应力断裂寿命一般需要TCP值为4或更 小。如所示，当通过加入至多约0.60%重量Hf使合金改性时，观察到在高温(> 1800° F， 9820C )蠕变断裂寿命提高。由于图12基于包含具有超过合金A和C的高耐高温水平合 金组合物的宽范围合金组合物，较高的Hf加入量的这种影响对第三代类型合金及之外 (beyond)也是可能的。对于TCP值为5或更大的未改性合金(第三代类型合金)，Hf改性 具有甚至更深的作用。已显示，不稳定的合金(具有形成TCP相倾向的合金)可加入足够 量Hf稳定。本文公开的实施方案含至多约0.60%重量Hf。相信包含较少量Hf可足以提供所需的稳定作用。一个示例性实施方案包括提高镍基超合金微结构稳定性的方法。在一个示例性方 法中，估计未改性超合金组合物形成TCP相的倾向。如果未改性超合金组合物表现出形成 TCP相的倾向，例如TCP值大于3，就可通过包含稳定化量的铪使超合金组合物改性。在一 个示例性实施方案中，铪的稳定化量可至多为约0. 60%重量。在其他示例性实施方案中，铪 的稳定化量可小于0. 60%重量。对于一些合金组合物，Hf的稳定化量可大于0. 60%重量。 铪的“稳定化量”可认为是能够提供与可比未改性超合金组合物比较具有较低形成TCP相 倾向的改性超合金组合物的铪的量。未改性超合金组合物形成TCP相的倾向可通过试验或 分析方法估计。例如，未改性超合金组合物可倾向于在约0.15%铪含量形成TCP相。如果 可比的改性超合金组合物中的铪含量增加到约0. 60%，就可减小形成TCP相的倾向。增加 的铪含量在本文中被称为铪的稳定化量。铪与成合金元素的相互作用以改变耐高温元素相分配提供了提高Hf改性镍基超 合金性能的意外且令人惊讶的结果。本书面说明用实例公开本发明，包括最佳方式，也用实例使本领域的技术人员能 够实施和使用本发明。本发明可取得的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技 术人员可想到的其他实例。如果其他实例具有与权利要求字面语言无差别的结构元素，或 者如果它们包括与权利要求字面语言无实质差异的相当结构元素，这些旨在权利要求的范 围内。
权利要求
一种稳定化超合金组合物，所述超合金组合物包含钨、钼和任选的铼，所述超合金组合物用足以在升高的温度下相对于可比未改性超合金组合物减少超合金微结构中拓扑密排(TCP)相形成的稳定化量的铪改性。
2.权利要求1的稳定化超合金组合物，所述超合金组合物包含至多约0.6%重量铪，其 中未改性超合金组合物包含约0. 15%重量铪。
3.权利要求1的稳定化超合金组合物，其中与稳定化超合金组合物相关的TCP值与可 比未改性超合金组合物相关的TCP值比较减小至少1。
4.权利要求1的稳定化超合金组合物，其中铼以至多约6%重量的量存在。
5.权利要求1的稳定化超合金组合物，其中铼以至多约1.5%重量的量存在。
6.权利要求1的稳定化超合金组合物，所述超合金组合物包含约6.2%重量Al、约 6. 5%重量Ta、约6. 0%重量Cr、约6. 0至6. 5%重量W、约1. 5至2. 0%重量Mo、约0至约 1. 5%重量Re、约7. 5%重量Co、至多约0. 03%重量C、至多约0. 004%重量B、至多约0. 6% 重量Hf，其余包括镍和偶见杂质。
7.一种表现出提高的微结构稳定性的镍基超合金单晶制品，所述超合金单晶制品由铪 改性超合金组合物形成，所述铪改性超合金组合物包含钨、钼和任选的铼以及足以在升高 的温度下相对于可比未改性超合金组合物减少超合金微结构中拓扑密排(TCP)相形成的 稳定化量的铪。
8.权利要求7的镍基超合金单晶制品，所述超合金单晶制品包括用于燃气涡轮机的部件。
9.权利要求8的镍基超合金单晶制品，其中燃气涡轮机部件为涡轮机叶片或叶轮。
10.权利要求7的镍基超合金单晶制品，其中相关的TCP值与可比未改性超合金组合物 相关的TCP值比较减小至少1。
11.一种提高超合金组合物的微结构稳定性的方法，所述方法包括通过确定相关TCP值估计超合金组合物在升高的温度下在超合金微结构中形成拓扑 密排(TCP)相的倾向；如果相关TCP值超过预定值，则使超合金组合物中的铪量增加到足以提供铪改性超合 金组合物的量，其中铪改性超合金组合物表现出在升高的温度下提高的微结构稳定性。
12.权利要求11的方法，其中使超合金组合物中的铪量增加包括提供至少稳定化量的 铪，使得与铪改性超合金组合物相关的TCP值减小至少1。
全文摘要
一种稳定化超合金组合物，其包含钨、钼和任选的铼，所述超合金组合物用足以在升高的温度下相对于可比未改性超合金组合物减少超合金微结构中拓扑密排(TCP)相形成的稳定化量的铪改性。表现出提高的微结构稳定性的由铪改性超合金组合物形成的制品可用于燃气涡轮机。在升高的温度下使超合金组合物稳定的方法包括用铪作为稳定剂减小形成TCP相的倾向。
文档编号C22C19/05GK101910433SQ200880123563
公开日2010年12月8日 申请日期2008年11月13日 优先权日2007年12月26日
发明者K·S·奥哈拉, L·J·凯罗尔 申请人:通用电气公司