[发明专利]镍基γ＇强化超级合金

说明书

本发明涉及一种镍基γ’强化超级合金。还涉及其在例如但不限于燃气涡轮的叶片、热屏蔽、密封和燃烧室部件在内的热部件中的应用。还涉及其作为填料合金在例如但不限于燃气涡轮的轮叶、叶片、热屏蔽和燃烧室部件之类热部件的熔覆和修复中的应用。还涉及其以等轴、定向凝固或单晶形式的应用。

γ’强化镍基超级合金对于航空和陆地基燃气涡轮中的关键部件来说是必不可少的，但也被用于其它应用。所述超级合金之间的差异取决于开发它们时达到的知识和制造技术水平以及对性能如抗高温腐蚀性、抗氧化性、涂层相容性、焊接性、相稳定性和抗蠕变强度的不同相对侧重。大部分合金开发都强调燃气涡轮叶片所需的高抗蠕变强度，其中所述轮叶附着在转子上并会承受由于转子的转动所产生的高载荷。

镍基γ’强化超级合金以单晶(SX)、定向凝固或等轴形式使用。在每种晶体中，都存在主要由Ni以及位于固溶体中的如Co、Cr、Mo、W和Re之类的元素构成的γ相基质，和主要由Ni3Al以及位于固溶体中的如Ti、Ta和Nb之类的元素构成的γ’相颗粒。晶界，如果存在的话，通常点缀有能提供粘合强度的碳化物和/或硼化物。Zr也有助于晶界粘合。

抗蠕变强度由如Mo、W和Re之类能提供γ基质的固溶强化和如Ti、Ta和Nb之类能提供γ’颗粒的固溶强化的元素提供。Ta具有特别高的每原子％强化作用。Al由于能提高γ’颗粒的含量和集聚基质中的Mo、W和Re水平，所以能够提供抗蠕变强度。

如果基质中的Cr、Mo、W和Re浓度过高，则在使用中将形成所谓的拓扑密堆积(TCP)相。因此，如果要避免形成TCP，则提高的γ’含量或提高的Mo、W或Re水平必将伴随着Cr的减少。TCP析出的一个特定结果就是抗蠕变强度降低。

[Caron1]教导，对于合金来说TCP析出的危险可以通过对比该合金与具有已知的TCP风险的比较类似的合金的Md值来估计。对于此处所分析的合金，可以通过下式来计算Md值：

Md＝0.717aNi+0.787aCo+1.142aCr+1.55aMo+1.655aW+1.9aAl+2.271aTi+2.224aTa

其中aCo是Co的原子％含量，其它类似。

抗高温腐蚀性由Cr提供。最多允许中等的Mo水平也非常重要。

[Goldschmidt]教导，具有16wt％Cr和3wt％Mo的SC16合金的抗高温腐蚀性远远不及具有16wt％Cr和1.8wt％Mo的IN738LC。

通常认为IN738LC具有高抗高温腐蚀性。因此，在新合金中限制最多2wt％Mo似乎是比较明智的。

对于高燃烧温度的燃气涡轮来说，人们通常认为高抗氧化性要求能形成粘着的连续Al₂O₃氧化皮的能力，如1000摄氏度水平的金属温度所需的。

[Barrett]教导，此能力由Al提供，能被Cr和Ta提高，被Mo和W略微降低，和被Ti和Nb显著降低。这意味着如果Cr和Ta水平提高了或者Ti和Nb水平降低了，要形成这种Al₂O₃氧化皮所需的Al将变少。

[Sarioglu]教导，偶存元索如S能显著降低所述氧化皮粘着，但此效果会被清洁铸造(clean casting)与低测定水平的活性元素(RE)的加入的结合中和。

[Pint1]强调了S的重要性，并进一步教导当结合了低水平的Hf和稀土Y时有益的RE效果。

[Caron2]教导当结合了低水平的Hf与Si时有益的RE效果。

[Pint2]教导当使用多种RE时可以获得最佳的RE效果，一个例子是在对包含低水平的Zr、Si和Y的Haynes-214进行测试时所观察到的出色的循环抗氧化性。

与现代的高燃烧温度燃气涡轮特别相关的涂层相容性的一个重要方面是所施加的热障涂层的循环寿命。

[Wahl&Harris]教导当向基体合金中添加了稀土元素时可以显著提高TBC的散裂寿命。

[Wu]教导TBC的散裂寿命可与基体合金的抗氧化性相关联。特别是，Ti含量最高的基体合金散裂寿命最短。

普遍接受的是，凝固或随后的热处理过程中焊缝破裂的危险会随着基体和填料合金的γ’含量的提高而增大。

所用参考文献如下：