專利名稱：鎳基超級(jí)合金的制作方法
鏡基超級(jí)合金本發(fā)明涉及鎳基超級(jí)合金，其可以用于渦輪部件，特別是用于具有定向凝固(DS)或單晶結(jié)構(gòu)(SX)的燃?xì)鉁u輪部件。鎳基超級(jí)合金往往用于在熱和腐蝕環(huán)境中運(yùn)行的部件，比如暴露于驅(qū)動(dòng)該渦輪的熱的和腐蝕性燃燒氣體的燃?xì)鉁u輪的葉片和導(dǎo)向葉片(vane)。在這樣的環(huán)境中，需要在高溫下的高強(qiáng)度和強(qiáng)抗化學(xué)腐蝕能力。雖然根據(jù)目前的工藝水平，例如根據(jù)EP O 325 760 Al、EP I 914 327 Al、US2003 / 0041930 A1、US2005 / 0194068 Al、JP10-317080 A和這些文獻(xiàn)中引用的文獻(xiàn)，在高溫下具有高強(qiáng)度和強(qiáng)抗化學(xué)腐蝕能力的鎳基超級(jí)合金是已知的，但是由這些材料制成的部件仍然需要像所謂的MCrAH涂層的防蝕層來(lái)保護(hù)，其中M代表鐵(Fe)鈷(Co)或鎳(Ni)，Cr代表鉻，Al代表鋁，Y代表活性元素，尤其是釔(Y)。然而，硅(Si)和/或至少一種稀土元素或鉿(Hf)可用作除釔之外的活性元素或用作釔的替代物。此外，還經(jīng)常把熱障涂層施用到防蝕層上，以降低該涂層和下面的鎳基超級(jí)合金承受的溫度。存在提高燃燒氣體溫度即渦輪入口的進(jìn)氣溫度的趨勢(shì)，這與提高渦渦輪效率的目標(biāo)有關(guān)，該效率反過(guò)來(lái)取決于渦輪入口的進(jìn)氣溫度。因此，需要改進(jìn)渦輪部件的所有部分，即部件的超級(jí)合金和防蝕層以及熱障涂層，以使得部件能在更高的溫度下運(yùn)行。此外，還期望不涂覆渦輪葉片或?qū)蛉~片的特定區(qū)域，特別是葉片或?qū)蛉~片通過(guò)其固定到轉(zhuǎn)子或機(jī)殼上的葉片固定部分。然而，這意味著超級(jí)合金本身的耐腐蝕性需要足夠高。本發(fā)明涉及鎳基超級(jí)合金的改進(jìn)。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供具有高耐腐蝕性和高抗蠕變強(qiáng)度的鎳基超級(jí)合金。本發(fā)明另一個(gè)目的是提供具有高耐腐蝕性和高抗蠕變強(qiáng)度的渦輪部件，特別是渦輪葉片或?qū)蛉~片。通過(guò)權(quán)利要求1中請(qǐng)求保護(hù)的鎳基超級(jí)合金以及權(quán)利要求書(shū)5中請(qǐng)求保護(hù)的渦輪部件達(dá)到了這些目的。從屬權(quán)利要求包含本發(fā)明的進(jìn)一步地改進(jìn)。本發(fā)明的鎳基超級(jí)合金包含(以wt%計(jì)):
碳(C): ^ 0.1
硅(Si):≤ 0.2 錳(Mn):≤ 0.2 磷(P): ( 0.005 硫(S): ^ 0.0015 鋁(Al): 4.0-5.5 硼(B): ^ 0.03 鈷(Co): 5.0-9.0 鉻(Cr): 18.0-22.0 銅(Cu): ^ 0.1 鐵(Fe):≤ 0.5鉿(Hf): 0.9-1.3鎂(Mg): ≤ 0.002鑰(Mo) ≤ 0.5氮(N): ≤ 0.0015鈮(Nb):≤ 0.01氧(O): ≤ 0.0015鉭(Ta): 4.8-5.2鈦(Ti): 0.8-2.0鎢(W): 1.8-2.5鋯(Zr): ≤ 0.01鎳(Ni):余量和不可避免的雜質(zhì)。尤其是，本發(fā)明的鎳基超級(jí)合金可以包含(wt%):
C: 0.03-0.07
Si:≤ 0.2Mn:≤ 0.2P: ≤ 0.005S: ≤ 0.0015Al:≤ 4.2-4.4B:≤ 0.01Co: ≤7.8-8.5Cr:≤ 18.2-19.2Cu:≤ 0.1Fe:≤ 0.5Hf: ≤1.0-1.2Mg:≤ 0.002Mo:≤ 0.5N: ≤ 0.0015Nb:≤ 0.01O: ≤ 0.0015Ta: 4.9-5.1Ti: 1.1-1.3W: 2.0-2.4Zr: 0.003-0.007Ni:余量和不可避免的雜質(zhì)。盡管本發(fā)明的鎳基超級(jí)合金在上述給出的所有組成中均顯示高耐腐蝕性和抗蠕
變強(qiáng)度，但是根據(jù)第一和第二變體的組成顯示特別好的耐腐蝕性和抗蠕變強(qiáng)度結(jié)果。本發(fā)明的渦輪部件(其可以特別是為燃?xì)鉁u輪葉片或?qū)蛉~片)由本發(fā)明的鎳基超級(jí)合金制成。如果渦輪部件是燃?xì)鉁u輪部件，則優(yōu)選其具有定向凝固結(jié)構(gòu)(DS結(jié)構(gòu))或單晶結(jié)構(gòu)(SX結(jié)構(gòu))，這是有利的。當(dāng)用本發(fā)明的鎳基超級(jí)合金形成燃?xì)鉁u輪葉片或?qū)蛉~片時(shí)，葉片或?qū)蛉~片的耐腐蝕性足夠高以致不必在葉片或?qū)蛉~片的固定部分(或多個(gè)固定部分)上設(shè)置防蝕層。因此，在其為葉片或?qū)蛉~片的渦輪部件的進(jìn)一步改進(jìn)中，該部件包含沒(méi)有涂層的固定部分。根據(jù)下面描述的本發(fā)明的具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖，本發(fā)明進(jìn)一步的特征、性質(zhì)和優(yōu)勢(shì)將明朗化。

圖1示意地顯示了燃?xì)鉁u輪葉片或?qū)蛉~片。圖1顯示了燃?xì)鉂?rùn)輪的轉(zhuǎn)子葉片120或?qū)蛉~片(guide vane) 130的透視圖，其可以是飛行器的或用于發(fā)電的電廠的燃?xì)鉁u輪。不過(guò)，類似的葉片或?qū)蛉~片也用于蒸汽渦輪或壓縮機(jī)。葉片或?qū)蛉~片120、130沿縱軸121延伸并具有(沿它的縱軸121接連的)固定區(qū)域(也叫葉根)、鄰接平臺(tái)103和從平臺(tái)403延伸到葉尖415的翼型406。作為導(dǎo)向葉片130，該導(dǎo)向葉片在其尖端可以有另外的平臺(tái)以及從該平臺(tái)延伸的另外的固定部分。在顯示的具體實(shí)施方式
中，固定部分具有錘頭形狀。不過(guò)，其他的構(gòu)造，如揪木或鴿尾，也是可能的。葉片或?qū)蛉~片120、130包含顯示為對(duì)著進(jìn)入的燃燒氣體的前緣409以及顯示為遠(yuǎn)離進(jìn)入的燃燒氣體的后緣412。翼型從前緣延伸到后緣并形成允許從流動(dòng)的燃燒氣體傳遞動(dòng)量到葉片120的空氣動(dòng)力面。在導(dǎo)向葉片130中，翼型能引導(dǎo)流動(dòng)的燃燒氣體以便最優(yōu)化到渦輪葉片的動(dòng)量傳遞，從而，以便最優(yōu)化從流動(dòng)的燃燒氣體到渦輪的動(dòng)量傳遞。

整個(gè)葉片或?qū)蛉~片120、130由鎳基超級(jí)合金制成并通過(guò)熔模鑄造工藝成型。在本實(shí)施方式中，翼型406以及極少一部分平臺(tái)403涂覆有防蝕層，例如MCrAH涂層，以及位于防蝕層上部的熱障涂層。固定部分400是未涂覆的。根據(jù)本發(fā)明，鎳基超級(jí)合金用作渦輪葉片或?qū)蛉~片120、130的基礎(chǔ)材料。該鎳基超級(jí)合金包括(以wt%計(jì)):
K0.1，優(yōu)選 0.03-0.07 Si 0.2 Mn..( 0.2 P:彡 0.005 S:彡 0.0015
Al:4.0-5.5，優(yōu)選 4.2-4.4B:彡0.03，優(yōu)選彡0.01Co:5.0-9.0，優(yōu)選 7.8-8.5Cr:18.0-22.0，優(yōu)選 18.2-19.2Cu:彡 0.1Fe..( 0.5
Hf:0.9-1.3，優(yōu)選 1.0-1.2Mg:彡 0.002M0..( 0.5N 0.0015 Nb:彡 0.01 O 0.0015
Ta:4.8-5.2，優(yōu)選 4.9-5.1Ti:0.8-2.0，優(yōu)選 1.1-1.3W:1.8-2.5，優(yōu)選 2.0-2.4Zr 0.01，優(yōu)選 0.003-0.007
N1:余量
和不可避免的雜質(zhì)。所述鎳基超級(jí)合金提供高抗蠕變強(qiáng)度以及，同時(shí)，高耐腐蝕性，以致不需要涂覆葉片或?qū)蛉~片120、130的固定部分400。優(yōu)選地，伴隨著部件的定向凝固實(shí)施熔模鑄造以致形成定向凝固結(jié)構(gòu)(DX結(jié)構(gòu))或單晶結(jié)構(gòu)(SX結(jié)構(gòu))。在定向凝固中，枝狀晶體沿著定向的熱流取向并形成柱狀的晶粒結(jié)構(gòu)(即在工件的整個(gè)長(zhǎng)度上延伸的顆粒且在本文中，按照通常使用的術(shù)語(yǔ)，稱為定向凝固(DX))，或單晶結(jié)構(gòu)，即整個(gè)工件由單個(gè)晶體構(gòu)成。在此工藝中，需要避免轉(zhuǎn)變到球狀(多晶)凝固，因?yàn)椴欢ㄏ蛏L(zhǎng)不可避免地會(huì)形成橫向的和縱向的顆粒邊界，這取消了定向凝固(DX)或單晶(SX)部件的有利的性能。根據(jù)具體的實(shí)施例，具有下列組成的鎳基超級(jí)合金物形成渦輪葉片或?qū)蛉~片120的基礎(chǔ)材料:
C: 0.04
Si: 0.001`
Al: 4.2
B: 0.001
Co: 8.0
Cr: 18.2
Fe: 0.07
Hf: 0.9
Nb: 0.008
Ta: 4.9
Ti: 1.1
W: 2.0
Ni:余量
和不可避免的雜質(zhì)。與例如ΙΝ6203型鎳基超級(jí)合金相比，上述超級(jí)合金可以在比ΙΝ-6203高大約20°C的溫度下提供與IN-6203相同的應(yīng)力破裂壽命。此外，上述合金具有2.59的低電子空位數(shù)Nv。該電子空位數(shù)是高溫下形成脆相的傾向的度量。電子空位數(shù)Nv越低形成脆相的傾向越小。較少脆相，反過(guò)來(lái)降低發(fā)生機(jī)械完整性問(wèn)題的可能性。渦輪葉片或?qū)蛉~片120、130由根據(jù)本發(fā)明的鎳基超級(jí)合金制成，特別是由第一或第二具體實(shí)施例的超級(jí)合金制成，它們顯示足夠高的耐腐蝕性以致不必在固定部分400上設(shè)置防蝕層 。
權(quán)利要求
1.鎳基超級(jí)合金，包含(以wt%計(jì)):C:≤ 0.1Si 0.2Mn:≤ 0.2P:≤ 0.005S:≤ 0.0015Al:4.0-5.5B:≤ 0.03Co:5.0-9.0Cr:18.0-22.0Cu:≤ 0.1Fe:≤ 0.5Hf:0.9-1.3Mg:≤ 0.002Mo:≤ 0.5N 0.0015Nb:≤ 0.01O 0.0015Ta:4.8—5.2Ti:0.8-2.0W:1.8-2.5Zr 0.01N1:余量和不可避免的雜質(zhì)。
2.權(quán)利要求1的鎳基超級(jí)合金，其包含(以wt%計(jì)):C:0.03-0.07Si 0.2Mn:≤ 0.2P:≤ 0.005S:≤ 0.0015Al:4.2-4.4B:≤ 0.01Co:7.8-8.5Cr:18.2-19.2Cu:≤ 0.1Fe:≤ 0.5Hf:1.0-1.2Mg:≤ 0.002Mo:≤ 0.5N 0.0015Nb:彡 0.01O 0.0015Ta:4.9-5.1Ti:1.1-1.3W:2.0-2.4Zr:0.003-0.007N1:余量和不可避免的雜質(zhì)。
3.渦輪部件，由權(quán)利要求1或2的鎳基超級(jí)合金制成。
4.權(quán)利要求3的渦輪部件，其是具有定向凝固結(jié)構(gòu)或單晶結(jié)構(gòu)的燃?xì)鉁u輪部件。
5.權(quán)利要求4的渦輪部件，其中所述部件是燃?xì)鉁u輪葉片或?qū)蛉~片。
6.權(quán)利要求5的渦輪部件，其`中所述葉片或?qū)蛉~片包含沒(méi)有涂層的固定部分。
全文摘要
提供了特別是用于渦輪導(dǎo)向葉片130或渦輪葉片120的鎳基超級(jí)合金。該鎳基超級(jí)合金包含(以wt%計(jì))C≤0.1，Si≤0.2，Mn≤0.2，P≤0.005，S≤0.0015，Al4.0-5.5，B≤0.03，Co5.0-9.0，Cr18.0-22.0，Cu≤0.1，F(xiàn)e≤0.5，Hf0.9-1.3，Mg≤0.002，Mo≤0.5，N≤0.0015，Nb≤0.01，O≤0.0015，Ta4.8-5.2，Ti0.8-2.0，W1.8-2.5，Zr≤0.01，Ni余量，和不可避免的雜質(zhì)。
文檔編號(hào)C22C19/05GK103119183SQ201180045022
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月20日
發(fā)明者P.M.沃爾克, M.懷特赫斯特 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司