具有帶有不同的鉻含量的NiCoCrAlY雙保護(hù)層的層系統(tǒng)和合金的制作方法
【專利摘要】通過(guò)應(yīng)用雙層的NiCoCrAlY層能夠減少在熱生長(zhǎng)氧化層中的裂紋的形成，所述熱生長(zhǎng)氧化層由于NiCoCrAlY層的保護(hù)作用而形成。
【專利說(shuō)明】具有帶有不同的鉻含量的NiCoCrAIY雙保護(hù)層的層系統(tǒng)和

合金

[0001]本發(fā)明涉及一種層系統(tǒng)，所述層系統(tǒng)具有雙層的NiC0CrAH層，其中降低了在熱生長(zhǎng)氧化層(TGO)中的易于開(kāi)裂性；以及涉及一種用于層系統(tǒng)的合金。
【背景技術(shù)】
[0002]在燃?xì)廨啓C(jī)的熱氣體路徑中使用鎳基材料和鈷基材料。然而所述材料因?yàn)槠鋵?duì)盡可能高的強(qiáng)度的優(yōu)化常常在熱氣體中不具有足夠的抗氧化性和抗高溫腐蝕性。因此，所述材料必須借助適宜的保護(hù)覆層來(lái)保護(hù)免于遭受熱氣體侵襲。此外，為了提高渦輪進(jìn)氣溫度，在承受極高的熱負(fù)荷的部件上還附加地施加一基于氧化鋯的陶瓷層以用于隔熱。為了實(shí)現(xiàn)被熱氣體加載的部件的盡可能高的工作溫度和長(zhǎng)的使用壽命，需要由附著層和隔熱層構(gòu)成的最優(yōu)地匹配的保護(hù)層系統(tǒng)。在此，附著層的成分極為重要。
[0003]為了解決所述問(wèn)題，將保護(hù)層施加到最熱的部件上，部分地也作為用于隔熱層的附著層。所述保護(hù)層通常由所謂的NiC0CrAH覆蓋層構(gòu)成，除了鎳和/或鈷，所述NiC0CrAH覆蓋層還能夠包含有鉻、鋁、硅、錸、鉭和稀土元素，如釔、鉿等。然而，在保護(hù)層上的表面溫度進(jìn)一步提升的情況下，可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞，所述損壞會(huì)導(dǎo)致層的失效或?qū)е赂魺釋拥膭兟洹３３Ｊ褂缅n。
[0004]然而，錸具有下述缺點(diǎn)，即由于其份額，成本顯著提高。這在過(guò)去幾年中尤為顯著并且在未來(lái)也具有重要意義。
[0005]在層表面的提升的溫度的情況下或?yàn)榱吮Ｗo(hù)層的較長(zhǎng)的使用時(shí)間而研發(fā)適宜的保護(hù)層，所述保護(hù)層在這個(gè)邊界條件下具有改良的抗氧化性，在比含錸的層具有更低的成本的同時(shí)結(jié)合足夠好的熱機(jī)械耐抗性。這能夠僅通過(guò)保護(hù)層的非常均衡的化學(xué)成分獲得。在此，元素鎳、鈷、鉻、招、乾尤其是重要的。
[0006]因?yàn)樗鲈赜捎跀U(kuò)散也與基礎(chǔ)材料相互作用，這同樣要高度重視。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]因此，本發(fā)明的目的是解決上述問(wèn)題。
[0008]所述目的通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的層系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明的合金得以實(shí)現(xiàn)。
[0009]在下文中列出其它有利的措施，所述措施能夠任意地相互組合，以便獲得其它優(yōu)點(diǎn)。
[0010]說(shuō)明書(shū)和附圖僅示出本發(fā)明的實(shí)施例。
[0011]通常假定，因?yàn)殂t從所述層中相對(duì)強(qiáng)地相互擴(kuò)散到通常具有比所述層更低的鉻含量的基礎(chǔ)材料中，并且在所述層和基礎(chǔ)材料中的鉻含量之間的差不應(yīng)大于約5%。否則會(huì)或多或少地出現(xiàn)柯肯達(dá)爾多孔性(Kirkendall-Porositat)，所述柯肯達(dá)爾多孔性會(huì)導(dǎo)致具有基礎(chǔ)材料的層復(fù)合結(jié)構(gòu)的過(guò)早失效。這通過(guò)相應(yīng)地實(shí)施的模型計(jì)算來(lái)證實(shí)。所述性能在實(shí)驗(yàn)上已被證實(shí)，如已證實(shí)低的和高的鉻含量的基于IN738LC的層的對(duì)比。[0012]另一方面，在層的鉻含量的上限情況下要考慮的是，在層中約為13重量％的鉻(Cr)的低的鉻含量的情況下，在表面上常常形成具有“多裂紋”的尖晶石，其同樣會(huì)導(dǎo)致保護(hù)層系統(tǒng)的縮短的使用壽命。雖然保護(hù)層的非常均衡的成分已經(jīng)引起好的結(jié)果，然而還不是最優(yōu)的。
[0013]出于上述原因找到一種結(jié)合所有優(yōu)點(diǎn)的解決方案。
[0014]這里提出的解決方案提出層成分的組合作為雙重層，相比于至今為止的層成分，其具有在上述問(wèn)題方面的改進(jìn)。
[0015]提出一種保護(hù)層，所述保護(hù)層相比于至今為止應(yīng)用的層具有更好的抗氧化性和良好的熱機(jī)械性能并且由于錸的取代具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)。此外，相互擴(kuò)散性能應(yīng)是相同的或更好的。與常見(jiàn)的層的成分相反，雙重層的上層具有>20%的鉻的，尤其是>22%的鉻(Cr)的鉻含量。因此避免了在TGO中的尖晶石形成和“多裂紋”。在最上方的層中的鉻的較高的含量具有兩個(gè)原因:一方面盡管鉻(Cr)在固溶退火處理中的蒸發(fā)，在最上方的層中仍存在足夠的鉻(Cr)，以便將鋁的活性保持為高的，并且另一方面，所述鉻用作為用于穩(wěn)定的α-氧化鋁的成核劑。
[0016]而所述雙重層的下層(相對(duì)于基礎(chǔ)材料的分界層)具有明顯較低的鉻含量，優(yōu)選12重量％至14重量％的鉻(Cr)。這防止了在相對(duì)于基礎(chǔ)材料的分界層上的縮短使用壽命的柯肯達(dá)爾多孔性。
[0017]層的其它成分基于鎳(Ni)、鈷(Co)、鋁(Al)、稀土元素(Y、……)等的最優(yōu)的份額，然而不基于錸(Re)。
[0018]示例:
[0019]雙重保護(hù)層至少具有:
[0020]下方的NiCoCrAH層的下層(10):
[0021]NiCoCrAlY保護(hù)層具有下述成分(單位:重量％)
[0022]Ni含量:剩余
[0023]鈷(Co):24%-25.5% ;
[0024]鉻(Cr): 12%-14% ;
[0025]鋁(Al):10.0%-12.0%，尤其是 11.0% ；
[0026]釔(Y):0.2%-0.4%,尤其是 0.3%
[0027]中等高的Co含量:
[0028]β/y場(chǎng)變寬，避免了脆性相
[0029]平均的Cr含量:
[0030]足夠低到以便避免脆性相(α鉻或σ相)并且避免柯肯達(dá)爾多孔性以及仍然在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持保護(hù)作用
[0031]中等高的Al含量:
[0032]足夠高到以便補(bǔ)充提供Al，以用于保持穩(wěn)定的TG0。足夠低到以便實(shí)現(xiàn)良好的延展性并且避免脆性傾向
[0033]低的Y含量:
[0034]足夠高到以便在低的氧污染的情況下還構(gòu)成足夠的Y-鋁酸鹽，以用于構(gòu)成含有Y的“釘”[0035]足夠低到以便負(fù)加速Al2O3層的氧化層生長(zhǎng)，
[0036]以及上方的NiCoCrAH 層(13):
[0037]NiCoCrAlY保護(hù)層具有如下成分(單位:重量％):
[0038]Ni含量:剩余
[0039]I^(Co):24% -25.5% ；
[0040]鉻(Cr):23% _25%，優(yōu)選 24% ；
[0041]鋁(Al):9.5% -11.5%，優(yōu)選為 10.5% ；
[0042]釔(Y):0.2%-0.4%，優(yōu)選為 0.3%
[0043]高的Cr含量:[0044]用于避免在TGO中的尖晶石和“多裂紋”，并且改進(jìn)具有低氧化率的由Al2O3層構(gòu)成的氧化層的形成
[0045]中等高的Al含量:
[0046]Al含量相比于下層略微降低，以便通過(guò)高的Cr含量使延展性的變差最小化。
[0047]NiCoCrAlY層/合金也能夠具有其它元素、其它或另外的稀土元素或者Ta、T1、Fe……，但是不具有錸(Re)。
[0048]對(duì)于上方的NiCoCrAH層13而言，不對(duì)單獨(dú)的層進(jìn)行鍍鉻，以至于因此也不存在鉻梯度，因?yàn)槭褂媒y(tǒng)一的粉末來(lái)涂覆所述層。
[0049]相應(yīng)的單個(gè)層的熱力學(xué)相計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，存在氧化、構(gòu)造TGO和機(jī)械特性方面的良好的結(jié)果。
[0050]金屬層7在基底上的總層厚應(yīng)優(yōu)先為180 μ m至300 μ m。
[0051]下方的層7優(yōu)先用細(xì)的粉末噴射，并且上方的層13由具有較粗的粉末部分的高鉻含量的粉末構(gòu)成，以便除了改進(jìn)地構(gòu)成氧化層以外也能夠提供Ra=9ym至14μ m的必要的高的粗糙度，以用于優(yōu)化陶瓷層的附著。
[0052]所述方式方法也具有優(yōu)點(diǎn)，即不需要新的提高成本的工藝步驟。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0053]附圖示出:
[0054]圖1示出層系統(tǒng)，
[0055]圖2示出渦輪葉片，
[0056]圖3示出超合金的列表。
【具體實(shí)施方式】
[0057]圖1示出由基底4和雙層的NiCoCrAH層7構(gòu)成的層系統(tǒng)，所述NiCoCrAH層由兩個(gè)不同的層成分10、13組成。
[0058]可選的是在靠外的NiCoCrAH層13上的陶瓷隔熱層16。
[0059]能夠應(yīng)用鎳基或鈷基的超合金，尤其是根據(jù)圖3的合金作為基底4。
[0060]圖2示出流體機(jī)械的轉(zhuǎn)子葉片120或?qū)蛉~片130的立體圖，所述動(dòng)葉片或?qū)蛉~片沿著縱軸線121延伸。
[0061]流體機(jī)械能夠是飛機(jī)的或用于產(chǎn)生電力的發(fā)電站的燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)或壓縮機(jī)。[0062]葉片120、130沿著縱軸線121相繼具有:固定區(qū)域400、鄰接于固定區(qū)域的葉片平臺(tái)403以及葉身406和葉片梢部415。
[0063]作為導(dǎo)向葉片130，葉片130可以在其葉片梢部415處具有另一平臺(tái)(未示出)。
[0064]在固定區(qū)域400中形成有用于將轉(zhuǎn)子葉片120、130固定在軸或盤(pán)上的葉片根部183 (未示出)。
[0065]葉片根部183例如構(gòu)成為錘頭形。作為揪樹(shù)形根部或燕尾形根部的其他構(gòu)形是可能的。
[0066]葉片120、130對(duì)于流過(guò)葉身406的介質(zhì)具有迎流棱邊409和出流棱邊412。
[0067]在傳統(tǒng)葉片120、130中，在葉片120、130的所有區(qū)域400、403、406中使用例如實(shí)
心的金屬材料、尤其是超合金。
[0068]例如由EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、W099/67435 或 W000/44949 已知這樣的超合金。
[0069]在這種情況下，葉片120、130可以通過(guò)鑄造法，也可以借助定向凝固、通過(guò)鍛造法、通過(guò)銑削法或其組合來(lái)制成。
[0070]將帶有單晶結(jié)構(gòu)的工件用作為機(jī)器的在運(yùn)行中承受高的機(jī)械的、熱的和/或化學(xué)的負(fù)荷的構(gòu)件。
[0071]這種單晶工件的制造例如通過(guò)由熔融物的定向凝固來(lái)進(jìn)行。在此，這涉及一種澆注法，其中液態(tài)金屬合金凝固為單晶結(jié)構(gòu)、即單晶工件，或者定向凝固。
[0072]在這種情況下，枝狀晶體沿?zé)崃鞫ㄏ?，并且形成柱狀晶體的晶粒結(jié)構(gòu)(柱狀地，也就是說(shuō)在工件的整個(gè)長(zhǎng)度上分布的晶粒，并且在此根據(jù)一般的語(yǔ)言習(xí)慣稱為定向凝固)，或者形成單晶結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)整個(gè)工件由唯一的晶體構(gòu)成。在這些方法中，必須避免過(guò)渡成球形(多晶的)凝固，因?yàn)橥ㄟ^(guò)非定向的生長(zhǎng)不可避免地構(gòu)成橫向和縱向晶界，所述橫向和縱向晶界使定向凝固的或單晶的構(gòu)件的良好特性不起作用。
[0073]如果一般性地提到定向凝固組織，則是指不具有晶界或最多具有小角度晶界的單晶和確實(shí)具有沿縱向方向分布的晶界但不具有橫向晶界的柱狀晶體結(jié)構(gòu)。第二種所提到的晶體結(jié)構(gòu)也稱為定向凝固組織(directionally solidified structures)。
[0074]從US-PS6, 024, 792 和 EP0892090A1 中已知這樣的方法。
[0075]葉片120、130同樣可以具有抗腐蝕或抗氧化的覆層，例如(MCrAlX ;M是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)的組中的至少一種元素，X是活性元素并代表釔(Y)和/或硅和/或至少一種稀土元素，或鉿(Hf))。由 EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1 或 EP1306454A1 已知這樣的合金。
[0076]密度優(yōu)選是理論密度的95%。
[0077]在(作為中間層或最外層的)MCrAlX層上形成保護(hù)性氧化鋁層(TG0=thermalgrown oxide layer (熱生長(zhǎng)氧化層))。
[0078]優(yōu)選，層成分具有Co-30N1-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si 或 Co-28N1-24Cr-10Al_0.6Y。除這些鈷基保護(hù)覆層外，也優(yōu)選地使用鎳基保護(hù)層，例如N1-10Cr-12Al-0.6Y_3Re或N1-12Co-21Cr-llAl-0.4Y_2Re 或 N1-25Co-17Cr-10Al_0.4Y-1.5Re。
[0079]在MCrAlX上還可以有隔熱層，隔熱層優(yōu)選是最外層并例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2組成，也就是說(shuō)，隔熱層通過(guò)氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂非穩(wěn)定、部分穩(wěn)定或完全穩(wěn)定。
[0080]隔熱層覆蓋整個(gè)MCrAlX層。通過(guò)例如電子束氣相淀積(EB-PVD)的適當(dāng)?shù)母矊臃椒ㄔ诟魺釋又挟a(chǎn)生柱狀晶粒。
[0081]其他覆層方法也是可以考慮的，例如氣相等離子噴涂(APS)、LPPS (低壓等離子噴涂)、VPS或CVD。隔熱層可以具有多孔的、有微觀裂紋或宏觀裂紋的晶粒，用于更好地耐熱沖擊。因此，隔熱層優(yōu)選地比MCrAlX層更為多孔。
[0082]再加工(Refurbishment)意味著在使用構(gòu)件120、130之后，必要時(shí)必須將保護(hù)層去除(例如通過(guò)噴砂)。然后，去除腐蝕層和/或氧化層及腐蝕產(chǎn)物和/或氧化產(chǎn)物。必要時(shí)，還修復(fù)在構(gòu)件120、130中的裂紋。然后，進(jìn)行構(gòu)件120、130的再覆層以及構(gòu)件120、130
的重新使用。
[0083]葉片120、130可以構(gòu)造成空心的或?qū)嵭牡摹Ｈ绻鋮s葉片120、130，則葉片為空
心的并且必要時(shí)還具有`薄膜冷卻孔418 (由虛線表示)。
【權(quán)利要求】
1.層系統(tǒng)(1)，所述層系統(tǒng)至少具有: 基底(4)； 具有下方的NiCoCrAH層(10)的雙層的NiCoCrAH層(7)，尤其是僅雙層的NiCoCrAH層， 其中，所述下方的NiCoCrAH層(10)的鉻(Cr)含量比在下方的層(10)上的靠外的NiCoCrAH層(13)的鉻(Cr)含量低10重量％至12重量％。
2.如權(quán)利要求1所述的層系統(tǒng)，其中， 所述下方的NiCoCrAH層(10)的鈷(Co)含量與所述靠外的NiCoCrAH層(13)的鈷(Co)含量相等或近似，尤其其中鈷(Co)含量相等，所述鈷含量更尤其為24重量％至25.5重量％。
3.如權(quán)利要求1或2中的一項(xiàng)或兩項(xiàng)所述的層系統(tǒng)，其中，所述下方的NiCoCrAH層(10)的鋁(Al)含量與所述靠外的NiCoCrAH層(13)的鋁(Al)含量近似，尤其至少相差0.5重量％，并且最多相差I(lǐng)重量％，所述下方的NiCoCrAH層(10)的鋁含量更尤其為10.5重量％至11.5重量％。
4.如權(quán)利要求1至3中的一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)，其中， 所述下方的NiCoCrAH層(10)的釔(Y)含量與所述靠外的NiCoCrAH層(13)的釔(Y)含量是相等的或近似的，所述下方的NiCoCrAH層(10)的釔(Y)含量尤其為0.2重量％至0.6重量％。
5.如權(quán)利要求1至4中的一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)，其中， 所述下方的NiC0CrAH層(10)具有下述成分(單位:重量％)，尤其是由下述成分構(gòu)成: 鈷(Co):24%-25.5% ；
鉻(Cr):12%-14% ；
鋁(Al):10.0%-12.0%，尤其是 11.0% ；
釔(Y):0.2%-0.4%,尤其是 0.3% ； 鎳。
6.如權(quán)利要求1至5的一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)，其中， 上方的NiC0CrAH層(13)具有下述成分(單位:重量％)，尤其是由下述成分構(gòu)成:
鈷(Co):24% -25.5% ； 鉻(Cr):23% -25%，尤其為 24% ；
鋁(Al):9.5% -11.5%，尤其為 10.5% ；
釔(Y):0.2% -0.4%，尤其為 0.3% ； 鎳。
7.如權(quán)利要求1至6中的一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)，其中， 所述層系統(tǒng)在所述層(7)中在鉻(Cr)含量方面不具有梯度，尤其是在所述靠外的NiCoCrAlY層(13)中不具有梯度，更尤其所述層系統(tǒng)不被鍍鉻。
8.如前述權(quán)利要求1至7中的一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)，其中， 在所述靠外的NiC0CrAH層(13)上形成或存在有熱生長(zhǎng)氧化層。
9.如前述權(quán)利要求1至8中的一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)，其中，在所述雙層的NiCoCrAH層(7)上施加有靠外的陶瓷層。
10.如權(quán)利要求1至9中的一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)，其中， 所述雙層的NiCoCrAH層(7)具有180 μ m至300 μ m的厚度。
11.如前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)，其中， 應(yīng)用于上方的NiCoCrAH層(13)的粉末的粒度與用于所述下方的NiCoCrAH層(10)的粉末的粒度相比更粗，尤其是粗20%， 以至于上方的層(13)具有比所述下方的層(10)更大的顆粒， 以至于尤其是所述上方的層獲得Ra=9 μ m至14 μ m的粗糙度。
12.如前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)，其中， 所述層系統(tǒng)在所述層(7、10、13)中不具有錸(Re)。
13.如前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)，其中， 所述層系統(tǒng)(I)的基底(4)具有至少8重量％的鉻(Cr)含量。
14.合金，所述合金具有下述成分(單位:重量％)，尤其是由下述成分構(gòu)成: 鈷(Co):24%-25.5%，尤其是 25% ； 鉻(Cr):23%-25%，尤其是 24% ；
鋁(Al):10.5%-lL 0%，尤其是 10.5% ；`
釔(Y):0.2%-0.4%,尤其是 0.3% ； 鎳。
【文檔編號(hào)】C22C30/00GK103526099SQ201310281935
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年7月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月5日
【發(fā)明者】維爾納·施塔姆 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司