專利名稱：單晶鎳基超級合金組合物、構(gòu)件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主題總體上涉及一種應(yīng)用于燃氣渦輪發(fā)動機的材料，更具體地，涉 及單晶鎳基超級合金組合物和由其帝隨的燃氣渦輪發(fā)動機構(gòu)件。
背景技術(shù)：
渦輪發(fā)動機被用于作為各種飛行器的主要動力源。此類發(fā)動機也可以作為 驅(qū)動空氣壓縮機、液壓泵和工業(yè)電力發(fā)電機的輔助動力源。大多數(shù)渦輪發(fā)動機 大體上激盾相同的基本動力產(chǎn)生，歸。將壓縮空氣與燃料混合并燃燒，并將膨 脹熱燃燒氣體弓I向發(fā)動機中固定的渦輪機輪葉。這些輪葉使高速氣流部分地轉(zhuǎn) 向側(cè)面以沖擊到安裝于可旋轉(zhuǎn)渦輪盤上的渦輪葉片上。沖擊氣體的力致使渦輪 盤高速旋轉(zhuǎn)。噴氣,發(fā)動機利用旋轉(zhuǎn)渦輪盤產(chǎn)生的動力抽取更多的空氣進入 發(fā)動機，同時將高纖燒氣體排出氣體渦輪機尾部以產(chǎn)生向離力。其它發(fā)動 機利用此動力轉(zhuǎn)動一個或多個螺旋槳、發(fā)電機或其它設(shè)備。因為燃料效率隨著 發(fā)動機工作溫度的增加而增加，所以渦輪葉片和輪葉通常由高溫材料制造，例
如析出強化超級合金。當(dāng)為鑄件形式時，這^a括鎳基和鈷M金的超級合金， 擁有很多在暴露于發(fā)動機工作溫度期間所期望有的特性。例如，這些超級合金 可以具有更好的高溫強度和環(huán)境耐受力。然而，雖然已知的析出強化超級合金 在高溫和高壓條件下展現(xiàn)出優(yōu)越的力學(xué)性能，但當(dāng)暴露于渦輪發(fā)動機中的高溫 和高壓氣體下時，它們會受到氧化和腐蝕侵襲。
為了保護超級合金免受氧化和腐蝕侵襲，渦輪發(fā)動機翼型上可以包括涂層
系統(tǒng)。在某些情況下，涂層系統(tǒng)可包括熱障凃?qū)?TBC)。典型的TBC可以由 氧化憶穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)和/或 諸如0(1203 、 TK)2等等其它氧化物的氧化 牽乙穩(wěn)定氧化鋯形成。涂層系,可以包括在TBC下方的耐環(huán)^T占結(jié)涂層以延長 其使用壽命。粘結(jié)涂層可以是包括例如MQA1X的S^涂層，其中M是金屬元 素，如鎳、鈷、和/或鎳和鈷的組合，X是憶或其它活性金屬元素。粘結(jié)涂層也 可以是擴t^凃?qū)?，例如簡單鋁化物涂層、活性元素改性鋁化tT凃?qū)?、鉑改性鋁 化物涂層或活性元素改性鉑鋁化物涂層。因此，在暴露于高溫環(huán)境期間，例如在普通^ffi中，粘結(jié)涂層首先氧化形成熱生長氧化物(TGO)以傲戶下面的粘 結(jié)涂層免于進一^化。然而，如果TGO層生長過快和/或變得太厚，TBC在 粘結(jié)涂層上的粘附性可被削弱，并且在TBC和TGO之間以及TGO和粘結(jié)涂層 之間可以形成自。在此瞎況下，TBC )l絵過早地剝落，因JJ:L縮矢M級合金構(gòu) 件的flffl壽命。
因此，期望提供一種應(yīng)用于燃氣渦輪發(fā)動機的改進的超級合金組合物，其 中，超級合金具有提高的高溫力學(xué)性能和環(huán)境耐受性能。此外，期望改進的超 級合金組合物的制造和納入發(fā)動機系統(tǒng)是相對便宜的。再者，本發(fā)明主題的其 它期望特征和特點，在隨后對本發(fā)明主題的詳細描述和所附權(quán)利要求中，并結(jié) 合附圖和本發(fā)明主題的背景，后，將變得顯而易見。

發(fā)明內(nèi)容
衛(wèi)共了單晶鎳基超級合金組合物、單晶鎳基,合金構(gòu)件、及制皿構(gòu)件 的方法。
在一個實施例中，僅作為實例，單晶鎳基超級合勉且合物主要包括，按重 量百分比計，大約3.8%至大約4.2%的鉻、大約10.0%至大約10.5%的鈷、大 約1.8%至大約2,2%的鉬、大約4.8%至大約5.2%的鉤、大約5.8%至大約6.2 %的錸、大約5.5%至大約5.8%的鋁、大約5.8%至大約6.2%的鉭、大約3.8% 至大約4.2%的釕、大約0.13%至大約0.17%的鉿和余量的鎳。
在另一個實施例中，僅作為實例，單晶鎳基超級合金構(gòu)件由單晶超級合金 制成，該單晶超級合金主要包括，按重量百分比計，大約3.8%至大約4.2%的 鉻、大約10.0%至大約10.5%的鈷、大約1.8%至大約2.2%的鉬、大約4.8%至 大約5.2%的鉤、大約5.8%至大約6.2%的錸、大約5.5%至大約5.8%的鋁、大 約5.8%至大約6.2%的鉭、大約3.8%至大約4.2%的釕、大約0.13%至大約0.17 %的鉿和余量的鎳。
在又一個實施例中，僅作為實例，帝隨單晶鎳基超級合金構(gòu)件的方^^括 樹共一種合金和由該合織隨單晶構(gòu)件的步驟，該合金包括，按重量百分比計， 大約3.8%至大約4.2%的鉻、大約10.0%至大約10.5%的鈷、大約1.8%至大約 2.2%的鉬、大約4.8%至大約5.2%的鉤、大約5.8%至大約6.2%的錸、大約5.5 %至大約5.8%的鋁、大約5.8%至大約6.2%的鉭、大約3.8%至大約4.2%的釕、 大約0.13%至大約0.17%的鉿和余量的鎳。


以下結(jié)合下述附圖對本發(fā)明主皿行描述，其中相同的附圖標己表示相同 的元件，其中
圖1是根據(jù)一個實施例的構(gòu)件的透視圖2是根據(jù)一個實施例的構(gòu)件的一部分的橫截面視圖；和
圖3是根據(jù)一個實施例制造單晶鎳基超級合金構(gòu)件的工藝的流程圖。
具體實施例方式
以下對本發(fā)明主題的詳細描述本質(zhì)上僅為示例性，并無獻蹄體發(fā)明主題 或本發(fā)明主題的應(yīng)用和利用。此外，無意受到在前文發(fā)明主題的背景技術(shù)中或 在下文對發(fā)明主題的詳細描述中所介紹的任何理論的約束。
本發(fā)明提供的超級合金組合物與傳，級合金組合物相比可以具有提高的 高溫特性。在一個實施例中，當(dāng)將超級合金暴露于發(fā)動機工作溫度下時，例如 高于2200。F (1205°C)的溫度，某些元素例如鉬和錸的含入，可以提高應(yīng)力斷 裂強度和M變性。在另一個實施例中，當(dāng)將元素釕包含在超級合金組合物中 時，超級合金的相穩(wěn)定性可以得到極大提高。
超級合^M合物可實施在單晶鎳基超級合金構(gòu)件中。圖1是根據(jù)一個實施 例的構(gòu)件150的透視圖。在此，構(gòu)件150示出為渦輪葉片。然而，在其它實施 例中，構(gòu)件150可以是渦輪機輪葉鵬它可鄉(xiāng)氣渦輪發(fā)動豐賊其它高l系統(tǒng) 中實現(xiàn)的構(gòu)件。在一個實施例中，構(gòu)件150包括包含了壓力惻表面153的翼型 152、連接部分154、包含了葉梢155的前緣158和平臺156。依據(jù)一個實施例， 構(gòu)件150可以形成有連接于葉梢155的未圖示的外護套。構(gòu)件150可以具有未 圖示的從渦輪翼型中帶走熱量的內(nèi)部空氣冷卻通道。在內(nèi)部空氣從超級合金葉 片吸收熱量后，將空氣M31翼型壁上的通道159排入燃^n術(shù)荒動路徑。雖然 渦輪構(gòu)件150示出為包括某醜件和具有特定的糊犬和尺寸，但取決W定的 燃氣渦輪發(fā)動機模型和特定的應(yīng)用，可以可替代地使用不同的形狀、尺寸和大 小。
圖2是根據(jù)一個實施例的構(gòu)件200的一部分的橫截面視圖。構(gòu)件200可以 是，例如，諸如圖1所示渦輪葉片的渦輪翼型，且可以包括布置于基板201上 的保護性涂層系統(tǒng)202。在一個實施例中，f斜戶性涂層系統(tǒng)202可以包擬占結(jié)涂 層204、熱障涂層208、和它們之間的一個或多個中間層，例如熱生長氧化物
5(TOO) 210。在一個實施例中，粘結(jié)涂層204是擴散鋁化物凃?qū)?。擴散鋁化物 涂層可以通過在構(gòu)件200上沉積鋁層，隨后使鋁層和基板相互擴麟形成。根 據(jù)一個實施例，擴散鋁化物凃?qū)訛楹唵螖U散鋁化物，包括由擴散A^板201的 鋁組成的單層。在另一個實施例中，擴散鋁化物涂層可以具有更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu) 并可以包括一層或多層擴t^A鋁和/或,201的附加金屬層。例如，附加金屬 層可以包括鉬層、鉿層和/或鋯層、或鉿、鋯禾啪的共沉淀層。在另一個實施例 中，粘結(jié)涂層204可以為包括MCrAlX的覆蓋涂層，其中M魏自鈷、鎳、或 其組合的元素，X魏自鉿、鋯、憶、鉭、錸、釕、鈀、鈾、硅、或其組合的 元素。 一些MCrA!X組合物的實例包括NiCoCrAlY和CoNiCrAlY。在另一個示 例性實施例中，粘結(jié)涂層204可以包括兩種粘結(jié)涂層的組合，例如在MCrAlX 涂層上形成的擴散鋁化物涂層。在ftf可情況下，根據(jù)一個實施例，粘結(jié)涂層204 可以具有的厚度在從大約25微米(urn)至大約150um的范圍內(nèi)。在其它實 施例中，粘結(jié)涂層204的厚度可以更大或更小。
熱障涂層208可以在粘結(jié)涂層204上形成且其可以包括，例如，陶瓷。在 一個實例中，熱障凃?qū)?08可以包括部分穩(wěn)定氧化鋯基熱障凃?qū)?，例如憶穩(wěn)定 氧化鋯(YSZ)。在一個實施例中，熱障凃?qū)涌梢园↗賄其它氧化物(例如， Gd203、 Ti02等等)的紀穩(wěn)定氧化鋯。在另一個實施例中，熱障涂層208可以具 有可變化的厚度，可以例如在從大約50 n m至大約300 u m的范圍內(nèi)。在其它 實施例中，熱障涂層208的厚度可以在從大約100um至大約250um范圍內(nèi)。 在另一些其它實施例中，熱障凃?qū)?08可以比戰(zhàn)范圍更厚頓薄。
熱生長氧化層210可以位于粘結(jié)涂層204和熱障涂層208之間。在一個實 施例中，熱生長氧化層210可由包S^占結(jié)涂層204的上述材料中的鋁生長而成。 例如，在粘結(jié)涂層204暴露矜空氣或錄氣氛的高溫期間，氧化可在其上發(fā) 生以導(dǎo)致氧化層210的形成。在一個實施例中，熱生長氧化層210可以相對薄， 且可以小于2um厚。
其上布置有涂層系統(tǒng)202的繊201可由單晶超級合金材料制成。"單晶超 級合金材料"可以定義為形成以在其旨整體中具有單晶晶向且基本上不含有 大角度晶界的超級合金材料。在一些實施例中，偶然數(shù)量的小角度晶界(其通 常定義為晶向差異小于大約5度的相鄰晶粒之間的晶界)，例如傾斜或扭轉(zhuǎn)晶界， 可以存在于單晶超級合金材料固化和形成后的或構(gòu)件在蠕變或其它形變過程期間發(fā)生一些形變后的單晶超級合金材料中。然而，,地，小角度晶界不存在 于單晶超級合金構(gòu)件中。
單晶超級合金材料可以包括具有熱處理后在基體中形成一系列Y '
(gamma prime)析出物的結(jié)構(gòu)的材料。在一個實施例中，基體可以包^13^添 加各種合金元素而強化的鎳。為了達到協(xié)同優(yōu)化最終構(gòu)件的物理、化學(xué)和力學(xué) 性能且優(yōu)化在構(gòu)件使用壽命期內(nèi)這些性能的保持，合金元素選擇成可單獨或 者組合地展現(xiàn)出所期望的特性。此外，合金元素的選擇也可取決于為單晶構(gòu)件 樹彌變纟踱、相穩(wěn)定性和環(huán)境耐受性的能力。
在一個實施例中， 一種或多種合金元素可以選自鉻、鈷、鉬、鴇、釕、鋁 鉭、錸、鉿、紀、鑭、碳和硼。根據(jù)一個實施例，可以含入這些元素以形鵬 級合金組合物。在一個實施例中，超級合金組合物可以包括，按重量百分比計， 大約3.8%至大約4.2%的鉻、大約10.0%至大約10.5%的鈷、大約1.8%至大約 2.2Q/^的鉬、大約5.8%至大約6.2%的錸、大約3.8%至大約4.2%的釕、大約5.5 %至大約5.8%的鋁、大約5.8%至大約6.2%的鉭、大約4.8%至大約5.2%的鉤、 大約0.13%至大約0.17%的鉿、綠為鎳。依據(jù)另一個實施例，超級合金組合 物還可以包括，按重量百分比計，大約0.001 %至大約0.015%的材料，該材料 選自紀、鑭、及其組合。在又一個實施例中，超級合金組合物還可以進一步包 括，按重量百分比計，大約0.02%至大約0.06%的碳和大約0.003%至大約0.006 %的硼。在任何情況下，在一個實施例中，存在于超級合金組合物中的鉬加上 鉤加上錸加上ffl口上釕的重量百分比總計可以是大約20.0%至大約25.0%。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，組合物中含有鉬和錸倉^M增加Y基體和Y '析出物之間的晶 格錯配來提高合金的蠕變強度和應(yīng)力斷裂性能。就這一點而言，在一個實施例 中，按重量計可以包含，大約1.8%至大約2.2%的鉬和大約5.8%至大約6.2% 的錸。此外，錸可以精細化Y'析出物的大小，這可以有助于提高Y基體的強 度。錸也可以通過降低Y'析出物在長時間的高溫暴露期間的粗化速率來提高 合金的蠕變5破。也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在超級合金組合物中添加釕提高了相穩(wěn)定性。 此外，M在大約20.0%至大約25.0% (重量百分比)范圍內(nèi)平衡元素鈷和鉻 和強化元素如鉬、鉺、鉭、概卩釕，可避免形成拓撲密排相(TCP)，例如P和 R以及o相。
圖3是根據(jù)一個實施例制造單晶超級合金構(gòu)件的工藝300的繊呈圖。首先，一開始掛共i^g級合金組，的合金，即步驟302。在一個實施例中，該合金 包括上鵬級合金組合物。接下來，然后可制造單晶超級合金構(gòu)件，即步驟304。 依據(jù)一個實施例，步驟302的合金可以形成為單晶渦輪器件。無須進一步加工， 單晶器件就會包含具有多種尺寸的Y '析出物(稱為7賴卩Y')。如鄉(xiāng)一步執(zhí) 行固溶及時效熱處理步驟，貝"'析出相將溶入y基體且在較低鵬下進行的 時效處M程中再次析出。
為了使Y'相溶入Y基體，將單晶件加熱至高于Y'相的固溶線溫度、但 低于合金的熔融溫度的溫度。熔融溫度，定義為在一溫度范圍內(nèi)熔融的合金的 固相線鵬，其應(yīng)i觀夠高于固溶線、鵬，以便可以加熱單晶件和維持雜固
溶線和固相線之間的溫度范圍內(nèi)足夠長的時間以使Y'析出相溶入Y基體。固
相線溫度為大約2400°F (大約1315.56°C)至2450°F (大約1343.33。C)，且在 商業(yè)熱處理設(shè)備中準確控制在幾度之內(nèi)是做不到的。在一個實施例中，固相線 可以高出Y'析出物的固溶線^S至少大約15°F (大約8,3。C)。
"熱處理窗口"或Y'固溶線和合金固相線鵬之間的差，^i輕少為15 °F (大約83。C)，更tt^t也大于大約50°F (大約27.8。C)。在熱處理單晶鑄造件 的實施例中，在大約2400。F (大約1315,56。C)的溫度下固溶熱處理該單晶鑄造 件大約3小時，來使固化過程中形成的Y'析出相溶入Y基體。固溶熱處理可 以在Y'固溶線和固相線溫度之間的熱處理窗口內(nèi)的任何溫度下完成。較高的 ，允許較短的熱處理時間。然而，不將熱處理溫度升至最高水平，以允許熱 處理設(shè)備一定的誤差幅度。熱處理工藝完成后，將固溶熱處理的單晶件ffl3I冷 卻以使具有Y'形^&素的基體過飽和。已經(jīng)發(fā)mW夬速惰性氣體自冷卻至 低于大約1000。F (大約537.78。C)的^^夠達到必須的過飽和態(tài)。
在固溶熱處理和過飽和冷卻之后，對固溶熱處理的單晶件進行時效以從Y 基體中析出Y '顆粒。時效熱處理能與涂層處理相分離或與涂層處理相結(jié)合。 在一個實施例中，在115(TC下進行時效熱處理4小時，然后在1080'C下進行4 小時和在899t:下進行4至20小時。如前所述，燃氣渦輪構(gòu)件在JOT前通常涂 覆抗腐蝕和抗氧化涂層和熱障凃?qū)印Ｔ谕扛膊襟E中，將被涂覆構(gòu)件加熱至高溫。 在一個實施例中，將構(gòu)件加熱至大約1950°F (大約1065.56°0的鵬，搟賣大 約4小時。此熱處理促使一些y'相從Y基體中析出，從而部分地完成了時效 熱處理。時效熱處理可以M31it—步暴露于高溫下來完成，與涂覆步驟相分離。在1950°F (大約1065.56°C)下熱處理4小時之后，在大約1650。F (大約899 °C)的溫度下大約4至大約20小時的時間里完^夠的 卜時效熱處理。時效 熱處理不限于上述熱處理 ，，作為替代，可以通過任何可接受的肯缺斤出y基 體內(nèi)所期望體積分數(shù)的y '粒子、形態(tài)和尺寸的方式來完成，其中析出可從過 飽和的熱處理后的y基體發(fā)生。
在某些情況下，固化時(as-solidified)的單晶的^m結(jié)構(gòu)可以包括不規(guī)則的 y '顆粒禾卩y '共晶相區(qū)域。固溶熱處理可以使不規(guī)則y '顆粒和大多數(shù)或所
有的y'共晶組分溶入y基體。隨后的時效處理析出一系列具有大Bciz:方體形
狀和相對均一尺寸的y '析出物。y '析出物的尺寸可以在大約0.3至大約0.5 ，t^范圍內(nèi)變化。
為了用上述單晶超級合誠i臘單晶超級合金構(gòu)件，可以4頓真空感應(yīng)熔融 和鑄造工藝。在一個實施例中，〗頓熱梯度固化法。在此，將超級合金組合物 的熔融金屬倒入耐熱陶瓷模具中，該模具基本上具有最終制造構(gòu)件的期望形狀。 將模具和其中含有的熔融金屬置于熔爐、感應(yīng)加熱線圈或其它加熱設(shè)備中以熔 融金屬，并將模具和熔融金屬以一自梯度逐漸冷卻。在此工藝中，鄰近模具 較冷端的金屬先固化，隨著冷去啲繼續(xù)，固化態(tài)和液態(tài)金屬的之間的界面逐漸 移動通過金屬。這種熱梯度固化可通過在鄰近模具一端放置冷塊然后關(guān)閉加熱 源來完成，這允許模具和熔融金屬以受控的期望^^梯度冷卻和固化?？商娲?地，可將模具和熔齢屬逐漸從加《鄉(xiāng)中撤出。 '
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，某些晶向例如〈001〉在此熱梯度固化過程中能排除其它晶向生 長，使得單個晶粒在整個制品中占主導(dǎo)地位。已經(jīng)采用一些技術(shù)來，單晶取 向的腿形成，使得基本上整領(lǐng)品具有相同的單晶取向。這樣的技術(shù)包括引 晶，艮嗵過將定向單晶起始材料放置于鄰近首先固化的金屬處，使得金屬一開 始就發(fā)展出該取向。另一種技術(shù)是幾何選擇工藝。然而，可以可替代地《頓其 它形成單晶的技術(shù)。例如，可使用液態(tài)金屬冷卻工藝或鑄造工藝來制造單晶渦 輪構(gòu)件。在此工藝中，將鎳基超級合金熔融并倒入置于多區(qū)加熱器內(nèi)的陶瓷模
具中。將鑄造構(gòu)件以恒定速率mx液錫池中進行固化。
因此，提供了一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的熱區(qū)段構(gòu)件的單晶鎳基超級合金
組合物，例如用于燃氣渦輪葉片和輪葉。該合金組合物為這些構(gòu)^m供了可優(yōu)
于傳纟繊級合金材料的力學(xué)和環(huán)境耐受性能。雖然在上面對發(fā)明主題的詳細描述中介紹了至少一個示例性實施方案，但 應(yīng)該理解存在大量的變型。也應(yīng)該理解，示例性實施例僅僅是實例，且無意以 任何方式限制本發(fā)明主題的范圍、應(yīng)用性或結(jié)構(gòu)。相反，上面的詳細描述將提 供給本領(lǐng)J^術(shù)人員用于實施本發(fā)明主題的示例性實施方案的便捷途徑，可以 理解，在不偏離如在權(quán)禾腰求和其合法等同物中所限定的本發(fā)明主題的范圍的 情況下，可在示例性實施例中描述的元素的功能和布置，行多種變化。
權(quán)利要求
1.一種單晶鎳基超級合金組合物，主要包括，按重量百分比計大約3.8％至大約4.2％的鉻；大約10.0％至大約10.5％的鈷；大約1.8％至大約2.2％的鉬；大約4.8％至大約5.2％的鎢；大約5.8％至大約6.2％的錸；大約5.5％至大約5.8％的鋁；大約5.8％至大約6.2％的鉭；大約3.8％至大約4.2％的釕；大約0.13％至大約0.17％的鉿；和余量為鎳。
2. 如權(quán)利要求1戶脫的單晶鶴超級合金組合物，還主要包括大約0.001 %至大約0.015%重量百分比的選自紀、鑭、及其組合的材料。
3. 如權(quán)利要求2戶，的單晶鎳基超級合;ME合物，還主要包括大約0.02% 至大約0.06%重量百分比的碳和大約0.003%至大約0.006%重量百分比的硼。
4. 如權(quán)禾腰求1戶脫的單晶鎳基超級合金組合物，其中鉬、鉤、釕、鉭、 和錸總計大約20.0%至大約25.0%重量百分比。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種單晶鎳基超級合金組合物，單晶鎳基超級合金構(gòu)件，及制造此構(gòu)件的方法。在一個實施例中，僅作為實例，單晶鎳基超級合金組合物主要包括，按重量百分比計，大約3.8％至大約4.2％的鉻、大約10.0％至大約10.5％的鈷、大約1.8％至大約2.2％的鉬、大約4.8％至大約5.2％的鎢、大約5.8％至大約6.2％的錸、大約5.5％至大約5.8％的鋁、大約5.8％至大約6.2％的鉭、大約3.8％至大約4.2％的釕、大約0.13％至大約0.17％的鉿和余量的鎳。
文檔編號C22C19/05GK101613819SQ200910163988
公開日2009年12月30日 申請日期2009年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月24日
發(fā)明者Y·胡 申請人:霍尼韋爾國際公司