镍基超合金、单晶桨叶及涡轮机的制作方法

本公开涉及用于燃气轮机的镍基超合金，特别是用于例如在航空领域中燃气轮机的也被称为喷嘴或流动矫直器的固定桨叶(叶片)或移动桨叶的镍基超合金。

背景技术：

1、众所周知，使用镍基超合金来生产用于飞机或直升机发动机的燃气轮机的单晶叶片或桨叶。

2、这些材料的主要优点在于结合了在高温下的高抗蠕变性以及抗氧化性和抗腐蚀性。

3、随着时间的推移，用于单晶桨叶的镍基超合金在化学成分方面经历了显著的发展，特别是致力于改善其在高温下的抗蠕变性同时保持对使用这些超合金的侵蚀性环境的耐受性。

4、此外，已经开发出适用于这些合金的金属涂层，以便提高它们对使用这些合金的侵蚀性环境的耐受性，特别是抗氧化性和抗腐蚀性。此外，为了降低该金属表面处的温度，可以添加具有低导热性的陶瓷涂层，从而实现热障功能。

5、通常，一个完整的保护系统至少包括两层。

6、第一层(也被称为子层或连接层)直接沉积在待保护的镍基超合金部件(也被称为基底，例如桨叶)上。沉积步骤之后是将子层扩散到超合金中的步骤。沉积和扩散也可以在单个步骤期间进行。

7、通常用于生产该子层的材料包括mcraly型(m＝ni(镍)或co(钴))的形成氧化铝的金属合金或ni和co、cr＝铬、al＝铝和y＝钇的混合物，或者镍铝化物型合金(nixaly)，一些还含有铂(nixalyptz)。。

8、第二层(通常被称为热障涂层或“tbc”)是一种陶瓷涂层，其包括例如用于氧化钇部分稳定氧化锆的氧化钇稳定氧化锆(也被称为“ysz”或“ypsz”)，并且具有多孔结构。该层可以通过以下各种工艺来沉积：诸如电子束物理气相沉积(eb-pvd)、大气等离子体喷涂(aps)或悬浮等离子体喷涂(sps)、或者能够获得具有低热导率的多孔陶瓷涂层的任何其他工艺。

9、这些材料例如在650℃至1100℃的高温下的使用，在基底的镍基超合金与子层的金属合金之间产生微观尺度上的相互扩散现象。与子层的氧化相关的这些相互扩散现象(特别是从涂层的生产开始并在涡轮机使用桨叶期间持续)改变了子层的化学成分、微观结构，以及因此改变其机械性能。这些相互扩散现象还改变了涂层之下基底的超合金的化学成分、微观结构，以及因此改变其机械性能。在难熔元素(特别是铼)含量非常高的超合金中，二次反应区(srz)可以形成在子层之下的超合金中，其深度达几十微米，或者甚至数百微米。这种srz的机械性能明显低于基底的超合金的机械性能。srz的形成是不希望的，因为其导致超合金的机械强度显著降低。

10、连接层中的这些变化与在操作中形成在该连接层(也被称为热生长氧化物(tgo))的表面处的氧化铝层的生长相关的应力场有关，并且与各层之间的热膨胀系数的差异有关，这些变化在子层与陶瓷涂层之间的界面区中产生脱粘，这可能导致陶瓷涂层的部分或全部剥落。然后，金属部分(超合金基底和金属子层)裸露并且直接暴露于燃烧气体中，这增加了桨叶损坏的风险，从而增加了燃气轮机损坏的风险。

11、此外，当这些合金的部件被保持在高温下时，这些合金的化学性质的复杂性会导致其最佳微观结构的不稳定性，并且出现不希望的颗粒相。这种不稳定性对这些合金的机械性能具有负面影响。这些具有复杂结晶结构和脆性的不良相被称为拓扑紧密堆积(tcp)相。

12、此外，在通过定向凝固法生产部件期间，可能在诸如桨叶的部件中形成铸造缺陷。这些缺陷通常是“雀斑”型的寄生颗粒，其存在会导致部件在使用中过早断裂。与超合金的化学成分有关的这些缺陷的存在通常会导致部件报废，从而导致生产成本的增加。

技术实现思路

1、本公开旨在提供用于生产单晶成分的镍基超合金组合物，其在使用寿命和机械强度方面具有改进的性能，并且与现有合金相比时能够降低部件的生产成本(降低废品率)。这些超合金在高温下具有比现有合金更大的抗蠕变性，同时在超合金的体积中表现出良好的微观结构稳定性(对tcp的形成低敏感性)、在热障涂层的子层之下的良好微观组织稳定性(对srz的形成低敏感性)以及良好的抗氧化性和抗腐蚀性，同时避免形成“雀斑”型寄生颗粒。

2、为此，本公开涉及一种镍基超合金，其以重量百分比计包括：5.0％至6.0％铝、6.0％至9.0％钽、1.0％至5.0％钴、5.0％至7.5％铬、0％至1.0％钼、4.0％至6.0％钨、0.50％至3.5％铼、1.0％至4.0％铂、0.05％至0.25％铪、0％至0.15％硅，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。

3、这种超合金用于生产单晶燃气轮机部件，例如固定(叶片)或移动桨叶。

4、通过这种镍基超合金成分(ni)，与现有的超合金相比，特别是在高达1100℃的温度下，其抗蠕变性得以提高，并且与在现有的超合金上所观察到的相比，热障的粘附性得以加强，特别是由于钛、高铬含量的去除以及铂的添加。

5、因此，这种合金在高温下具有改进的抗蠕变性。由于这种合金的使用寿命长，因此该合金还具有改进的抗腐蚀性和抗氧化性。这种合金还可以具有改进的抗热疲劳性。

6、这些超合金具有大于或等于8.75g/cm3且小于或等于8.95g/cm3(克/立方厘米)的密度。

7、由镍基超合金制成的单晶部件通过在失蜡铸造期间在热梯度下的定向凝固过程而获得。该单晶镍基超合金包括具有面心立方结构(镍基固溶体，被称为γ相(“γ”))的奥氏体基体。该基体含有具有ni3al型的有序立方结构l12的伽玛素数(“γ”)硬化相析出物。因此，整体(基体和析出物)被描述为γ/γ′超合金。

8、此外，这种镍基超合金成分允许进行热处理，这是将在超合金凝固期间形成的γ相析出物和γ/γ′共晶相置于溶液中。因此，可以获得单晶镍基超合金，其包括优选在300和500纳米之间的尺寸可控的γ′析出物，并且含有低比例的γ/γ′共晶相。

9、该热处理还使得能够控制存在于单晶镍基超合金中的γ′相析出物的比例。γ′相析出物的摩尔百分比可以大于或等于50％，优选地大于或等于60％，还更优选地等于70％。

10、此外，γ′相析出物的比例增加阻碍了位错的移动，并且促进了合金的抗热蠕变性。另一方面，在较低的温度(<950℃)下，扩散现象较少，并且大多数损坏通过γ相析出物的剪切发生。因此，在较低的温度下，γ相析出物的固有抵抗力是用于合金的静态或蠕变机械强度的决定因素。因此，已经调整了本发明的合金的化学成分，以确保从650°c到1100℃蠕变的高机械阻力。

11、主要的添加元素是钴(co)、铬(cr)、钼(mo)、铼(re)、钨(w)、铝(al)、钽(ta)和铂(pt)。

12、次要的添加元素是铪(hf)和硅(si)，它们的最大含量按重量记小于1％。

13、例如，不可避免的杂质包括：硫(s)、碳(c)、硼(b)、钇(y)、镧(la)和铈(ce)。不可避免的杂质被限定为：被无意中添加到成分中并且与其他元素一起起作用的元素。例如，超合金可以包括：按重量计0.005％的碳。

14、钨、铬、钴、铼或钼的添加主要使其能够通过在固溶体中硬化来增强面心立方(cfc)结晶结构的γ奥氏体基体。

15、铝(al)或钽(ta)的添加促进了硬化相γ′-ni3(al，ti，ta)的析出。

16、铼(re)可以减缓化学物质在超合金中的扩散，并且限制γ相析出物在高温下使用中的凝聚，这一现象会导致机械强度降低。因此，铼可以提高镍基超合金在高温下的抗蠕变性。然而，过高的铼浓度会导致金属间tcp相(例如σ相、p相或μ相)的析出，这对超合金的力学性能具有负面影响。过高的铼浓度还会导致在子层之下的超合金中形成二次反应区，这对超合金的机械性能具有负面影响。

17、硅和铪的同时添加使得镍基超合金的抗热氧化性能够通过增加在高温下形成在超合金表面处的氧化铝层(al2o3)的粘附性来提高。该氧化铝层在镍基超合金的表面处形成钝化层，以及形成阻挡氧从镍基超合金的外部扩散到内部的屏障。然而，也可以在不添加硅的情况下添加铪，或者相反地，也可以在不添加铪的情况下添加硅，并且尽管如此，提高了超合金的抗热氧化性。

18、此外，铬和铝的添加可以提高超合金在高温下的抗氧化性和抗腐蚀性。特别地，铬对于提高镍基超合金的抗热腐蚀性是必不可少的。然而，过高的铬含量往往会降低镍基超合金的γ′相的溶线温度，换言之，降低γ′相完全被溶解在γ基体中的温度，这是不可取的。此外，铬的浓度按重量计在5.0％至7.5％之间，以便保持镍基超合金的γ′相的高溶线温度(例如，大于或等于1300℃)，但也避免了在γ基体中形成拓扑紧密堆积相，使诸如铼、钼或钨的合金元素严重饱和。

19、钴是一种接近镍的元素并且其部分地取代了镍，钴的添加与在γ基体中的镍形成固溶体。钴可以增强γ基体，并且降低保护涂层之下的超合金中tcp的析出以及srz的形成的敏感性。然而，较高的钴含量往往会降低镍基超合金的γ′相的溶线温度，这是不可取的。

20、此外，铬和钴的含量被优化，以便为目标应用(既用于所需的机械性能，也用于超合金的热处理能力)获得适当的溶线温度，其中，具有与工业需求兼容(换言之，超合金的溶线温度与固相线温度之间的差足够大)的热处理窗口。

21、相对于普通合金，当γ′相硬化析出物的比例在温度上升期间显著降低时，铂的添加可以通过保持该高比例来提高γ′相的温度稳定性。在高温下保持高比例的γ′析出物使得能够在接近合金的γ′溶线温度的温度下保持合金的机械性能。

22、此外，铂的添加可以提高超合金的抗氧化性和抗腐蚀性。因此，在超合金中添加铂可以提高包括覆盖有金属涂层和热障的超合金的系统的使用寿命。在使用具有nixptyalz型金属涂层的超合金的情况下，将铂添加至超合金的化学成分可以减少或去除涂层中铂的添加。

23、诸如钼、钨、铼或钽的难熔元素的添加可以减缓镍基超合金的蠕变控制机制，这取决于化学元素在超合金中的扩散。

24、镍基超合金中的非常低的硫含量增加了热时的抗氧化性和抗腐蚀性以及热障的抗剥落性。因此，按重量计小于2ppm(按重量计百万分之一)或理想地按重量计小于0.5ppm的低硫含量可以优化这些性能。这样按重量计的硫含量可以通过生产低硫母体铸件或通过在铸造后进行的脱硫工艺来获得。特别地，可以通过调整超合金的生产工艺来保持低硫含量。

25、术语“镍基超合金”应指用于镍的按重量计百分比占大多数的超合金。应当理解，因此镍是合金中重量百分比最高的元素。

26、该超合金可以以重量百分比计包括：5.4％至6.0％铝、7.5％至8.5％钽、2.0％至4.0％钴、5.0％至7.5％铬、0％至0.20％钼、4.5％至6.0％钨、1.50％至3.5％铼、1.0％至4.0％铂、0.05％至0.25％铪、0％至0.15％硅，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。

27、该超合金可以以重量百分比计包括：5.4％至6.0％铝、7.5％至8.5％钽、2.0％至4.0％钴、5.5％至7.5％铬、0％至0.40％钼、4.5％至6.0％钨、1.25％至3.5％铼、1.5％至2.5％铂、0.05％至0.15％铪、0％至0.15％硅，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。

28、该超合金可以以重量百分比计包括：5.6％至6.0％的铝、7.5％至8.5％的钽、2.0％至4.0％的钴、6.5％至7.5％的铬、4.5％至5.5％的钨、1.25％至2.25％的铼、1.5％至2.5％的铂、0.05％至0.15％的铪、0％至0.15％的硅，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。

29、该超合金可以以重量百分比计包括：5.4％至5.8％的铝、7.5％至8.5％的钽、2.0％至4.0％的钴、5.5％至6.5％的铬、0％至0.40％的钼、5.0％至6.0％的钨、2.5％至3.5％的铼、1.5％至2.5％的铂、0.05％至0.15％的铪、0％至0.15％的硅，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。

30、该超合金可以以重量百分比计包括：5.8％的铝、8.0％的钽、3.0％的钴、7.0％的铬、5.0％的钨、1.75％的铼、2.0％的铂、0.05％的铪，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。

31、该超合金可以以重量百分比计包括：5.6％铝、8.0％钽、3.0％钴、6.0％铬、0.20％钼、5.5％钨、3.0％铼、2.0％铂、0.05％铪，其余部分由镍和不可避免的杂质组成。

32、本公开还涉及一种用于涡轮机的单晶桨叶，该单晶桨叶包括如上所限定的超合金。

33、因此，该桨叶在高温下具有改进的抗蠕变性。因此，该桨叶具有改进的抗氧化性和抗腐蚀性。

34、在某些实施例中，桨叶可以包括保护涂层，该保护涂层包括金属子层和陶瓷热障，金属子层沉积在超合金上，陶瓷热障沉积在金属子层上。

35、通过镍基超合金的成分，避免或限制了由超合金与子层之间的相互扩散现象导致的超合金中二次反应区的形成。

36、在某些实施例中，金属子层可以是mcraly型合金或镍铝化物型合金。

37、在某些实施例中，陶瓷热障可以是氧化钇稳定的氧化锆基材料或具有低导热率的任何其他(氧化锆基)陶瓷涂层。

38、在某些实施例中，桨叶可以具有沿＜001＞晶体学方向取向的结构。

39、这种取向通常向桨叶提供最佳的机械性能。

40、本公开还涉及一种涡轮机，该涡轮机包括如上所限定的桨叶。