[发明专利]镍基超合金、单晶叶片和涡轮发动机

说明书

本发明涉及一种镍基超合金，其包括，以质量百分比计，5.0至6.0％的铝、6.0至9.5％的钽、0至1.50％的钛、8.0至10.0％的钴、6.0至7.0％的铬、0.30至0.90％的钼、5.5至6.5％的钨、0至2.50％的铼、0.05至0.15％的铪、0.70至4.30％的铂、0至0.15％的硅，其余部分为镍和不可避免的杂质。本发明还涉及一种包含该合金的单晶叶片(20A、20B)和包含该叶片(20A、20B)的涡轮发动机(10)。

技术领域

本公开涉及例如在航空航天工业中用于燃气轮机，特别是用于燃气轮机的固定叶片(也称为喷嘴或整流器)或活动叶片的镍基超合金。

背景技术

已知镍基超合金可用于制造航空器和直升机发动机的固定或活动单晶燃气涡轮叶片。

这些材料的主要优点是结合了高温下的高蠕变强度和抗氧化和腐蚀的能力。

随着时间的推移，用于单晶叶片的镍基超合金的化学成分发生了重大变化，特别是为了改善其在高温下的蠕变性能，同时保持对使用这些超合金的极强侵蚀性环境的抵抗力。

此外，已经开发了适应这些合金的金属涂层，以提高其对使用这些合金的侵蚀性环境的抵抗力，包括抗氧化性和耐腐蚀性。此外，可添加具有热障功能的低导热陶瓷涂层，以降低金属表面的温度。

通常，一个完整的保护系统至少由两层组成。

第一层，也称为底层或结合层，直接沉积在要保护的镍基超合金部件上，也称为基体，例如叶片。沉积步骤之后是将结合层扩散到超合金中的步骤。沉积和扩散也可以在一个步骤中进行。

通常用于制造该结合层的材料包括形成MCrAlY型(M＝Ni(镍)或Co(钴))金属合金的氧化铝或Ni和Co的混合物的氧化铝，Cr＝铬，Al＝铝，Y＝钇，或铝化镍(NixAly)型合金，有些还包含铂(NixAlyPtz)。

第二层，通常称为热障涂层(TBC)，是陶瓷涂层，其包含例如氧化钇化的氧化锆，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)，并具有多孔结构。该层可以通过各种工艺，例如电子束物理气相沉积(EB-PVD)、大气等离子喷涂(APS)、悬浮等离子喷涂(SPS)或其他工艺沉积，以产生低导热系数的多孔陶瓷涂层。

由于这些材料在高温下使用，例如650℃到1150℃，基体的镍基超合金和结合层的金属合金之间出现微观互扩散现象。这些与结合层氧化有关的互扩散现象，特别是在涂层制造一旦完成，以及然后在涡轮中使用叶片的过程中，会改变结合层的化学成分、微观结构，从而改变其机械性能。这些互扩散现象也会改变涂层下的基体的超合金的化学成分、显微组织，从而改变其机械性能。在含有高含量难熔元素，特别是铼的超合金中，涂层下的超合金可在数十微米甚至几百微米的深度上形成二次反应区(SRZ)。这种SRZ的机械性能明显低于超合金基体。SRZ的形成是不可取的，因为它会导致超合金的机械强度显著降低。

结合层的这些变化以及与在使用中在该结合层表面形成的氧化铝层(也称为热生长氧化物(TGO))生长相关的应力场的这些变化，以及不同层之间热膨胀系数的差异，都会在底层和陶瓷涂层之间的界面区域中产生去内聚，这可能导致陶瓷涂层的部分或全部剥落。然后，金属部件(超合金基体和金属结合层)直接暴露在燃烧气体中，这增加了叶片损坏的风险，从而也增加了燃气涡轮的损坏风险。

此外，在由这些合金形成的部件的高温维护期间，这些合金的复杂化学性质可能导致其最佳微观结构的不稳定以及不期望的相的颗粒的出现。这种失稳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良相称为拓扑密堆(TCP)相。

此外，定向凝固制造的叶片等部件中可能会产生铸造缺陷。这些缺陷通常是“雀斑”型晶粒缺陷，其存在可导致使用中的部件过早失效。这些缺陷的存在，与超合金的化学成分有关，通常会导致部件报废，从而增加生产成本。

发明内容