CN113249618A - 镍基超合金 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“镍基超合金”。本发明公开了镍基超合金组合物，该镍基超合金组合物包含按重量百分比计：钴7.5；铬9.75；铝5.45；钛1.0；铌3.5；钨6.0；钼1.5；碳0.08；铪0.15；硼0.01；和镍65.0；以及附带的杂质。

Description

镍基超合金
本公开整体涉及镍基超合金，并且更具体地讲，涉及具有包括增强的可焊接性、热处理特性、高温纵向和横向蠕变强度、耐热腐蚀性和抗氧化性的特性的镍基超合金。
发明内容
本公开的第一方面提供了一种镍基超合金组合物，该镍基超合金组合物包含按重量百分比计：钴7.5；铬9.75；铝5.45；钛1.0；铌3.5；钨6.0；钼1.5；碳0.08；铪0.15；硼0.01；和镍65.0；以及附带的杂质。
本公开的第二方面提供一种组合物，该组合物包含按重量百分比计：钴5.0至10.0；铬7.0至12.0；铝4.2至6.0；钛0至3.5；铌2.5至4.5；钨4.0至8.0；钼0.5至2.5；碳最多至0。15；铪最多至0.2；硼最多至0.02；以及余量的镍和附带的杂质。
本公开的第三方面提供了一种制品。该制品由镍基超合金形成，镍基超合金包含按重量百分比计：钴7.5；铬9.75；铝5.45；钛1.0；铌3.5；钨6.0；钼1.5；碳0.08；铪0.15；硼0.01；和镍65.0；以及附带的杂质。
本公开的第四方面提供了一种气体涡轮。该气体涡轮包括热气体路径部件。该部件包括镍基超合金，其中镍基超合金包含按重量百分比计：钴7.5；铬9.75；铝5.45；钛1.0；铌3.5；钨6.0；钼1.5；碳0.08；铪0.15；硼0.01；和镍65.0；以及附带的杂质。
本公开的各方面旨在解决本文描述的问题和/或未讨论的其他问题。
附图说明
从结合描绘本公开的各种实施方案的附图的对本公开的各个方面的以下详细描述，将更容易理解本公开的这些和其他特征，其中：
图1示出了具有其中可采用本实施方案的刀片的位置的气体涡轮引擎；并且
图2示出了可由实施方案的超合金制成的刀片的示例。
应当注意，本公开的附图未必按比例绘制。附图旨在仅描绘本公开的典型方面，并且因此不应当被视为限制本公开的范围。在附图中，类似的编号表示附图之间的类似的元件。
具体实施方式
作为初始事项，为了清楚地描述当前技术，当引用和描述涡轮***内的相关部件时，将有必要选择某些术语。在可能范围内，通用行业术语将以与术语的接受含义一致的方式来使用和采用。除非另有说明，否则应当对此类术语给出与本申请的上下文和所附权利要求书的范围一致的广义解释。本领域的普通技术人员将了解，通常可以使用若干不同或重叠术语来引用特定部件。在本文中可描述为单个零件的物体可以包括多个部件并且在另一个上下文中被引用为由多个部件组成。另选地，本文中可描述为包括多个部件的物体可在别处称为单个零件。
此外，本文中可能会定期使用若干描述性术语，并且在本节开始时定义这些术语应当证明是有帮助的。除非另有说明，否则这些术语以及其定义如下。如本文所用，“下游”和“上游”是指示相对于流体流动的方向的术语，诸如通过涡轮引擎的工作流体，或者例如通过燃烧器的空气流或通过涡轮机的部件***之一的冷却剂。术语“下游”对应于流体流动方向，并且术语“上游”是指与流动相反的方向。在没有任何另外的特殊性的情况下，术语“前”和“后”是指方向，其中“前”是指引擎的前端或压缩机端，并且“后”是指引擎的后端或涡轮机端。
通常需要描述相对于中心轴线设置在不同径向位置的零件。术语“径向”是指垂直于轴线的移动或位置。例如，如果第一部件比第二部件更靠近轴线，则本文将说明第一部件沿第二部件“径向向内”或在第二部件的“内侧”。另一方面，如果第一部件比第二部件更远离轴线驻留，则本文可以说明第一部件是第二部件的“径向向外”或“外侧”。术语“轴向”是指平行于轴线的移动或位置。最后，术语“圆周”是指围绕轴线的移动或位置。应当理解，此类术语可以相对于涡轮的中心轴线应用。
此外，在本文中可以有规律地使用若干描述性术语，如下所述。术语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用，以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示单独部件的位置或重要性。
本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的并且不旨在限制本公开。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确地说明。将进一步理解，当在说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。“任选的”或“任选地”意指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。
在元件或层被称为“在…上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一个元件或层的情况下，它可直接在另一个元件或层上、接合到、连接到或联接到另一个元件或层，或者可存在居间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接位于其上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一个元件或层时，可不存在居间元件或层。用于描述元件之间关系的其他词语应以类似的方式解释(例如，“在…之间”与“直接在…之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。
位于气体涡轮的高温区段(也称为“热气体路径”)中的部件通常由超合金形成，该超合金包括镍基超合金、铁基超合金、钴基超合金以及它们的组合。由超合金GTD-444形成的刀片用作高效引擎的后期刀片，诸如General Electric FB型和H.GTD-444型刀片，通常表现出可接受的抗蠕变性特性。然而，GTD-444超合金难以焊接，因为该合金在基质中包含更高的γ'(大约60％)。因此，GTD-444的焊接可在基底金属热影响区和焊接金属中产生裂纹。如本文所用，“GTD-444”是指包含按重量计约7.5％的钴、约0.2％的铁、约9.75％的铬、约4.2％的铝、约3.5％的钛、约4.8％的钽、约6％的钨、约1.5％的钼、约0.5％的铌、约0.2％的硅、约0.15％的铪以及余量的镍的组合物的合金。GTD-444购自General ElectricCompany(Boston，Mass)。
参考图1和图2，示出了燃烧涡轮或气体涡轮(GT)***100(在下文中称为“GT***100”)形式的涡轮机90。GT***100包括压缩机102和燃烧器104。燃烧器104包括燃烧区域105和燃料喷嘴组件106。GT***100还包括涡轮108和普通压缩机/涡轮轴110(在下文中称为“转子110”)。在一个实施方案中，GT***100为7HA.03引擎，可从General ElectricCompany(Boston，MA)商购获得。一组固定式叶片或喷嘴112与一组旋转刀片114配合以形成涡轮108的每个级，并且限定通过涡轮108的流动路径的一部分。
气体涡轮***100的不同热气体路径区段可经历需要形成其中的部件的材料具有不同特性的不同操作条件。事实上，相同区段中的不同部件可经历需要不同材料的不同操作条件。
引擎的涡轮区段中的涡轮刀片114或翼片附接到涡轮轮，并且在由涡轮108排出的热排气燃烧气体中以非常高的速度旋转。这些刀片或翼片必须是抗氧化的和抗腐蚀的，从而在升高的操作温度保持其微观结构，同时保持机械性能，诸如抗蠕变性/应力破裂、强度和延展性。因为这些刀片具有复杂的形状，所以为了降低成本，它们可通过适当的方式形成，诸如锻造、增材制造、锻造或减少加工时间以及机加工时间以实现复杂形状的其他合适的工艺。
如上所述，镍基超合金已用于热气体路径部件，因为它们提供承受涡轮的操作条件的期望特性。镍基超合金具有来自沉淀强化机制的高温能力和强度，所述沉淀强化机制包括γ’沉淀物。γ’为Ni3(Al，Ti)以及镍基超合金中的主要强化相。它是具有有序L12(fcc)晶体结构的固有沉淀相(即，沉淀物的晶面与γ基质对齐)。
镍基超合金用于刀片，该刀片可由镍基超合金制成，诸如在适当热处理时形成高体积分数的γ'沉淀物的RenéN4、RenéN5，以及在适当热处理时形成稍低体积分数的γ'沉淀物的
Figure BDA0002883442430000041
-111、Rene 80和In 738。
Figure BDA0002883442430000042
是General Electric Company(Boston，MA)的商标。形成γ'的较低体积分数的其他镍基超合金，诸如
Figure BDA0002883442430000043
222和IN 939，可用于低温气体涡轮***应用，诸如喷嘴或排气应用。
如本公开所体现的并且包括如本文的范围和量内的组合物的镍基超合金可用于涡轮的热气体路径区段，因为它们可提供承受气体涡轮的恶劣环境的操作条件的期望特性。
在以下对组分量的讨论中，术语“最多至”意指值可基本上为零或痕量，并且组分可以增加“最多至”直到其达到该上限量的量提供。因此，如果组分“X”的量为“最多至12.3”，则X可为0.0或12.3，或介于0.0和12.3之间的任何量，包括0.0和12.3两者。
在实施方案的一个方面，提供了一种镍基超合金组合物。镍基超合金组合物包含按重量百分比计的以下组分：钴5.0至10.0；铬7.0至12.0；铝4.2至6.0；钛0.75至3.5；铌2.5至4.5；钨4.0至8.0；钼0.5至2.5；碳最多至0。15；铪最多至0.2；硼最多至0.02；以及余量的镍和附带的杂质。
在另一个实施方案中，镍基超合金组合物包含按重量百分比计的以下组分：钴7.0至8.0；铬9.0至11.0；铝5.0至5.5；钛0.75至1.5；铌3.0至4.0；钨5.0至7.0；钼1.0至2.0；碳最多至0.10；铪最多至0.2；硼最多至0.02；以及余量的镍和附带的杂质。
在镍基超合金组合物的又一个实施方案中，镍基超合金包含按重量百分比计：钴7.50；铬9.75；铝5.45；钛1.0；铌3.5；钨6.0；钼1.5；碳0.08；铪0.15；硼0.01；和镍65.0以及附带的杂质。
下表I示出了根据本公开的实施方案的镍基超合金的若干组成。在表I中，还包括GE的GTD-444组分的组合物仅用于参考目的。
表I
Figure BDA0002883442430000051
与其他镍基超合金(包括但不限于GTD-444)相比，根据合金1、2和3的镍基超合金包含更大重量百分比的铌。铌提供镍基超合金，如本文所体现的，以具有与其他镍基超合金(包括但不限于GTD-444)相比增强的可焊接性。
此外，与其他镍基超合金(包括但不限于GTD-444)相比，如本文所体现的镍基超合金的较高铝重量百分比含量使得能够具有较高的抗氧化性。
此外，与其他镍基超合金相比，至少不存在单独的钽或钽与以下各项的组合：在存在碳的情况下的钴；钨和钽的量；如本公开的镍基超合金中所体现的，Al与Ti的比率的增加使得能够减少低循环疲劳和蠕变属性。因此，随着影响涡轮寿命的两种物理特性的降低，根据本公开的具有镍基超合金的刀片可具有延长的寿命。
根据本公开的实施方案的镍基超合金的另一方面是钛和铝的重量百分比之间的有益关系。由于在气体涡轮的热气体路径中需要较高的高温强度以及抗应力破裂性，因此低γ’材料通常不适用于热气体路径部件，诸如燃烧器或涡轮应用。包含在镍基超合金中的附加Al和/或Ti形成强化镍基超合金的γ'。中等和高γ'强化的镍基超合金提供了在涡轮引擎的燃烧器和涡轮区段中使用所需的附加强度。
如本公开所体现的，镍基超合金可提供所需的物理和冶金特性，这些特性满足气体涡轮中的热气体路径部件的苛刻操作条件。根据实施方案，其中可应用镍基超合金的涡轮的区段包括但不限于热气体路径部件，该热气体路径部件包括：涡轮刀片；涡轮喷嘴；壳体；外壳；压缩机部件；护罩；叶片；隔膜；燃烧衬里、部件和过渡件等，尤其经受高操作温度和/或恶劣环境。
另外，如本公开所体现的并且包括如本文的范围和量内的组合物的镍基超合金可用于多个制造工艺中。如本公开所体现的，可使用镍基超合金的工艺包括但不限于增材制造；铸造；锻造；真空熔融，诸如真空电弧再熔融；焊接、硬钎焊、粘结、软钎焊或接合；使用修复填充材料、试样块、塞和/或线材填充物；3D打印，其中如本文所体现的镍基超合金以粉末或颗粒形式提供；热等静压工艺；粉末冶金工艺；粘结剂喷射工艺，以及现在已知或以后将开发的其它工艺。
此外，如本公开所体现的并且包括如本文的范围和量内的组合物的镍基超合金可以各种形式提供以供使用，这可有利于施加和/或使用。例如，并且绝不限制本公开的实施方案，镍基超合金可以原始锻件、锭料、铸块、粉末状超合金材料、线材形式、粒化或现在已知或以后开发的任何其他适当形式提供。
另外，取决于应用于镍基超合金的处理，如本公开所体现的，可以是等轴的、定向凝固的和单晶晶粒取向，或者是现在已知或以后开发的任何其他形式。
Al和Ti增加了本专利申请的超合金中γ'的体积分数，如上所述。增加γ’的体积分数增加了超合金的抗蠕变性。超合金的强度随着Al+Ti的增加而增加。强度也随着Al与Ti比率的增加而增加。
此外，根据本文的实施方案，Al增加了镍基超合金的抗氧化性。
根据本文的实施方案，Co被添加并且据信改善了镍基超合金的应力和蠕变破裂特性。
根据本文的实施方案，Cr增加了镍基超合金的抗氧化性和耐热腐蚀性。根据本文的实施方案，还据信Cr有助于镍基超合金在高温处的固溶强化以及在存在C的情况下改善的蠕变破裂特性。
C有助于改善根据本文实施方案的镍基超合金的蠕变破裂特性。C与Cr以及可能的其他元素相互作用，以形成晶界碳化物。
Ta、W、Mo和Re是改善抗蠕变破裂性的较高熔点耐火元素。这些元素可有助于γ矩阵的固溶强化。Mo和W降低了硬化元素诸如Ti的扩散率，从而延长了粗化γ'所需的时间量，从而改善了高温特性诸如蠕变破裂。根据本文的实施方案，Ta和W还可以在镍基超合金中形成γ'时替代Ti。
根据如前所述的本文的实施方案，可以包括Nb以促进γ’的形成，并且可以在镍基超合金中形成γ’时替代Ti。此外，如上所述，根据本公开体现的组合物，在镍基超合金中，Nb增加了镍基超合金的可焊接性。
将Hf、B和Zr以低重量百分比添加到镍基超合金中以提供晶界强化。在晶界中可形成硼化物以增强晶界延展性。还据信锆会离析成晶界，并且可有助于结扎任何残余杂质，同时有助于延展性。铪有助于在镍基超合金中形成γ-γ'共晶，以及促进γ’的晶界，这有助于延展性。本文实施方案的镍基超合金的γ'体积分数高于常规GTD-444的γ'体积分数。
气体涡***作温度处的蠕变强度与γ’量相关，并且操作温度受γ’溶线温度的影响。γ’溶线温度为γ'开始固溶化或溶解于超合金基质中时的温度。因此，升高γ’溶线温度保持强度，因为γ’本身保持在镍基超合金中。因此，得出γ'的量也与镍基超合金强度相关。本文实施方案的镍基超合金具有高γ’体积分数(介于约60体积百分比(％)和约65体积百分比(％)之间)和高γ’溶线温度(≥2200F)。
另外，当与GTD-444相比时，本文的实施方案的镍基超合金在气体涡***作条件和环境下表现出较高的抗氧化性，这部分地归因于铝含量。
此外，与GTD-444相比，本文的实施方案的镍基超合金在气体涡***作条件和环境下具有低循环疲劳(LCF)和蠕变特性，这部分地归因于钨和钛含量。
如在整个说明书和权利要求书中使用的，近似语言可以用于修改可以允许变化的任何定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语(诸如“约”、“大约”和“基本上”)修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。这里以及整个说明书和权利要求书中，范围限制可以可以组合和/或互换。除非上下文或语言另有说明，否则这些范围被识别并包括其中包含的所有子范围。应用于范围的特定值的“大约”适用于两个终止值，除非另外依赖于测量值的仪器的精度，否则可以指示一个或多个所述值的+/-10％。
以下权利要求书中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合具体要求保护的其他要求保护的元件执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了对本公开的描述，但其并不旨在穷举或将本公开限制于所公开的形式。在不脱离本公开的范围和实质的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择和描述了实施方案以便最好地解释本公开的原理和实际应用，并且使得本领域的其他技术人员能够理解具有适合于预期的特定用途的各种修改的本公开的各种实施方案。

Claims (10)

1.一种组合物，包含按重量百分比计：
钴5.0至10.0；
铬7.0至12.0；
铝4.2至6.0；
钛0至3.5；
铌2.5至4.5；
钨4.0至8.0；
钼0.5至2.5；
碳最多至0.15；
铪最多至0.2；
硼最多至0.02；以及
余量的镍和附带的杂质。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中按重量百分比计：
钴7.0至8.0；
铬9.0至11.0；
铝5.0至5.5；
钛0.75至1.5；
铌3.0至4.0；
钨5.0至7.0；
钼1.0至2.0；
碳最多至0.10；
铪最多至0.2；
硼最多至0.02；以及
余量的镍和附带的杂质。
3.根据权利要求1所述的组合物，其中按重量百分比计：
钴7.5；
铬9.75；
铝5.45；
钛1.0；
铌3.5；
钨6.0；
钼1.5；
碳0.08；
铪0.15；
硼0.01；以及
镍65.0；
以及附带的杂质。
4.根据权利要求1所述的组合物，还包含介于所述组合物的约60体积百分比(％)和约65体积百分比(％)之间的γ’。
5.根据权利要求1所述的组合物，其中所述组合物的γ'溶线温度在介于约2050℉和约2250℉之间的范围内。
6.根据权利要求1所述的组合物，其中所述组合物是粉末。
7.一种制品，所述制品包含镍基超合金，所述镍基超合金包含按重量百分比计：
钴7.5；
铬9.75；
铝5.45；
钛1.0；
铌3.5；
钨6.0；
钼1.5；
碳0.08；
铪0.15；
硼0.01；以及
镍65.0；
以及附带的杂质。
8.根据权利要求7所述的制品，其中γ’介于所述镍基超合金的约60体积百分比(％)和约65体积百分比(％)之间。
9.根据权利要求7所述的制品，其中所述镍基超合金的γ'溶线温度在介于约2050℉和约2250℉之间的范围内。
10.一种气体涡轮(100)，所述气体涡轮包括热气体路径部件(114)，所述部件包括镍基超合金，其中所述镍基超合金包含按重量百分比计：
钴7.5；
铬9.75；
铝5.45；
钛1.0；
铌3.5；
钨6.0；
钼1.5；
碳0.08；
铪0.15；
硼0.01；以及
镍65.0；
以及附带的杂质。
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