[发明专利]镍基超级合金、单晶体叶片和涡轮机

说明书

本发明涉及一种镍基超级合金，该镍基超级合金包括以质量百分比计的4.0至5.5％的铼、3.5至12.5％的钴、0.30至1.50％的钼、3.5至5.5％的铬、3.5至5.5％的钨、4.5至6.0％的铝、0.35至1.50％的钛、8.0至10.5％的钽、0.15至0.30％的铪、0.05至0.15％的硅酮，余量为镍和不可避免的杂质。本发明还涉及包括这种合金的单晶体叶片(20A、20B)和包括这种叶片(20A、20B)的涡轮机(10)。

技术领域

本公开涉及用于燃气涡轮机、特别是用于在例如航空航天工业中的燃气涡轮机的固定叶片(也称为喷嘴或整流器)或移动叶片的镍基超级合金。

背景技术

已知镍基超级合金可用于制造飞机和直升机发动机用固定式或移动式单晶体燃气涡轮叶片。

这些材料的主要优点是在高温下的高蠕变强度以及抗氧化和抗腐蚀的结合。

随着时间的流逝，用于单晶体叶片的镍基超级合金的化学组合物经受了重大变化，目的特别是改善其在高温下的蠕变性能，同时保持对这些超级合金在其中使用的极侵蚀性环境的抵抗性。

此外，已经开发了适用于这些合金的金属涂层，以提高其对这些合金在其中使用的侵蚀性环境的抵抗性，包括抗氧化性和耐腐蚀性。此外，可以添加具有热屏障功能的低导热率的陶瓷涂层以降低金属表面的温度。

通常，完整的保护系统由至少两层组成。

第一层、也称为子层或粘结层直接沉积在待保护的镍基超级合金部件(例如叶片)上，也称为基材。沉积步骤之后是粘结涂层到超级合金中的扩散步骤。沉积和扩散也可以在单个步骤中进行。

通常用于制造该粘结涂层的材料包括MCrAlY类型(M＝Ni(镍)或Co(钴))的氧化铝形成金属合金或Ni和Co的混合物，Cr＝铬、Al＝铝并且Y＝钇，或铝化镍(Ni_xAl_y)型合金，有些还包括铂(Ni_xAl_yPt_z)。

第二层通常称为隔热涂层(TBC)，是陶瓷涂层，包括例如氧化钇氧化锆(也称为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)或氧化钇部分稳定的氧化锆(YPSZ))，并且具有多孔性结构体。该层可以通过各种工艺来沉积，诸如电子束物理气相沉积(EB-PVD)、气氛等离子喷涂(APS)、悬浮等离子喷涂(SPS)或其它工艺以产生具有低导热率的多孔陶瓷涂层。

由于这些材料在例如650℃至1150℃的高温下使用，因此在基材的镍基超级合金和粘结涂层的金属合金之间发生微观的相互扩散现象。这些与粘结涂层的氧化相关联的相互扩散现象一旦涂层被制造后，随后在涡轮机中使用叶片期间，具体地修改粘结涂层的化学组成、微观结构以及因此的机械性能。这些相互扩散现象还修改了涂层下方的基材的超级合金的化学成分、微观结构并因此修改了其机械性能。因此，在具有高含量的耐火元素(特别是铼)的超级合金中，可以在超级合金中在涂层下超过数十或甚至数百微米的深度形成副反应区(SRZ)。该SRZ的机械特性明显低于超级合金基材的机械特性。SRZ的形成是不希望的，因为这会导致超级合金的机械强度显著降低。

粘结涂层中的这些变化，以及与在该粘结涂层表面上有效使用的氧化铝层的生长相关联的应力场(也称为热生长氧化物(TGO))，以及不同层之间的热膨胀系数的差异会在子层和陶瓷涂层之间的界面区域产生剥离，这可能导致陶瓷涂层部分或全部剥落。然后金属零件(超级合金基材和金属粘结涂层)暴露并且直接暴露在燃烧气体中，这增加了叶片以及因此的燃气轮机损坏的风险。

此外，这些合金的复杂化学性质可能导致其最佳微观结构不稳定，并且在由这些合金形成的零件的高温维护期间会出现不期望的相颗粒。这种不稳定对这些合金的机械性能具有负面影响。这些具有复杂晶体结构和脆性的不期望的相被称为拓扑紧密堆积(TCP)相。