專利名稱：單晶鎳基超級合金組合物、構件及其制造方法
技術領域：
本發明主題總體上涉及一種應用于燃氣渦輪發動機的材料，更具體地，涉 及單晶鎳基超級合金組合物和由其帝隨的燃氣渦輪發動機構件。
背景技術：
渦輪發動機被用于作為各種飛行器的主要動力源。此類發動機也可以作為 驅動空氣壓縮機、液壓泵和工業電力發電機的輔助動力源。大多數渦輪發動機 大體上激盾相同的基本動力產生，歸。將壓縮空氣與燃料混合并燃燒，并將膨 脹熱燃燒氣體弓I向發動機中固定的渦輪機輪葉。這些輪葉使高速氣流部分地轉 向側面以沖擊到安裝于可旋轉渦輪盤上的渦輪葉片上。沖擊氣體的力致使渦輪 盤高速旋轉。噴氣,發動機利用旋轉渦輪盤產生的動力抽取更多的空氣進入 發動機，同時將高纖燒氣體排出氣體渦輪機尾部以產生向離力。其它發動 機利用此動力轉動一個或多個螺旋槳、發電機或其它設備。因為燃料效率隨著 發動機工作溫度的增加而增加，所以渦輪葉片和輪葉通常由高溫材料制造，例
如析出強化超級合金。當為鑄件形式時，這^a括鎳基和鈷M金的超級合金， 擁有很多在暴露于發動機工作溫度期間所期望有的特性。例如，這些超級合金 可以具有更好的高溫強度和環境耐受力。然而，雖然已知的析出強化超級合金 在高溫和高壓條件下展現出優越的力學性能，但當暴露于渦輪發動機中的高溫 和高壓氣體下時，它們會受到氧化和腐蝕侵襲。
為了保護超級合金免受氧化和腐蝕侵襲，渦輪發動機翼型上可以包括涂層
系統。在某些情況下，涂層系統可包括熱障凃層(TBC)。典型的TBC可以由 氧化憶穩定氧化鋯(YSZ)和/或 諸如0(1203 、 TK)2等等其它氧化物的氧化 牽乙穩定氧化鋯形成。涂層系,可以包括在TBC下方的耐環^T占結涂層以延長 其使用壽命。粘結涂層可以是包括例如MQA1X的S^涂層，其中M是金屬元 素，如鎳、鈷、和/或鎳和鈷的組合，X是憶或其它活性金屬元素。粘結涂層也 可以是擴t^凃層，例如簡單鋁化物涂層、活性元素改性鋁化tT凃層、鉑改性鋁 化物涂層或活性元素改性鉑鋁化物涂層。因此，在暴露于高溫環境期間，例如在普通^ffi中，粘結涂層首先氧化形成熱生長氧化物(TGO)以傲戶下面的粘 結涂層免于進一^化。然而，如果TGO層生長過快和/或變得太厚，TBC在 粘結涂層上的粘附性可被削弱，并且在TBC和TGO之間以及TGO和粘結涂層 之間可以形成自。在此瞎況下，TBC )l絵過早地剝落，因JJ:L縮矢M級合金構 件的flffl壽命。
因此，期望提供一種應用于燃氣渦輪發動機的改進的超級合金組合物，其 中，超級合金具有提高的高溫力學性能和環境耐受性能。此外，期望改進的超 級合金組合物的制造和納入發動機系統是相對便宜的。再者，本發明主題的其 它期望特征和特點，在隨后對本發明主題的詳細描述和所附權利要求中，并結 合附圖和本發明主題的背景，后，將變得顯而易見。
發明內容
衛共了單晶鎳基超級合金組合物、單晶鎳基,合金構件、及制皿構件 的方法。
在一個實施例中，僅作為實例，單晶鎳基超級合勉且合物主要包括，按重 量百分比計，大約3.8%至大約4.2%的鉻、大約10.0%至大約10.5%的鈷、大 約1.8%至大約2,2%的鉬、大約4.8%至大約5.2%的鉤、大約5.8%至大約6.2 %的錸、大約5.5%至大約5.8%的鋁、大約5.8%至大約6.2%的鉭、大約3.8% 至大約4.2%的釕、大約0.13%至大約0.17%的鉿和余量的鎳。
在另一個實施例中，僅作為實例，單晶鎳基超級合金構件由單晶超級合金 制成，該單晶超級合金主要包括，按重量百分比計，大約3.8%至大約4.2%的 鉻、大約10.0%至大約10.5%的鈷、大約1.8%至大約2.2%的鉬、大約4.8%至 大約5.2%的鉤、大約5.8%至大約6.2%的錸、大約5.5%至大約5.8%的鋁、大 約5.8%至大約6.2%的鉭、大約3.8%至大約4.2%的釕、大約0.13%至大約0.17 %的鉿和余量的鎳。
在又一個實施例中，僅作為實例，帝隨單晶鎳基超級合金構件的方^^括 樹共一種合金和由該合織隨單晶構件的步驟，該合金包括，按重量百分比計， 大約3.8%至大約4.2%的鉻、大約10.0%至大約10.5%的鈷、大約1.8%至大約 2.2%的鉬、大約4.8%至大約5.2%的鉤、大約5.8%至大約6.2%的錸、大約5.5 %至大約5.8%的鋁、大約5.8%至大約6.2%的鉭、大約3.8%至大約4.2%的釕、 大約0.13%至大約0.17%的鉿和余量的鎳。
以下結合下述附圖對本發明主皿行描述，其中相同的附圖標己表示相同 的元件，其中
圖1是根據一個實施例的構件的透視圖2是根據一個實施例的構件的一部分的橫截面視圖；和
圖3是根據一個實施例制造單晶鎳基超級合金構件的工藝的流程圖。
具體實施例方式
以下對本發明主題的詳細描述本質上僅為示例性，并無獻蹄體發明主題 或本發明主題的應用和利用。此外，無意受到在前文發明主題的背景技術中或 在下文對發明主題的詳細描述中所介紹的任何理論的約束。
本發明提供的超級合金組合物與傳，級合金組合物相比可以具有提高的 高溫特性。在一個實施例中，當將超級合金暴露于發動機工作溫度下時，例如 高于2200。F (1205°C)的溫度，某些元素例如鉬和錸的含入，可以提高應力斷 裂強度和M變性。在另一個實施例中，當將元素釕包含在超級合金組合物中 時，超級合金的相穩定性可以得到極大提高。
超級合^M合物可實施在單晶鎳基超級合金構件中。圖1是根據一個實施 例的構件150的透視圖。在此，構件150示出為渦輪葉片。然而，在其它實施 例中，構件150可以是渦輪機輪葉鵬它可鄉氣渦輪發動豐賊其它高l系統 中實現的構件。在一個實施例中，構件150包括包含了壓力惻表面153的翼型 152、連接部分154、包含了葉梢155的前緣158和平臺156。依據一個實施例， 構件150可以形成有連接于葉梢155的未圖示的外護套。構件150可以具有未 圖示的從渦輪翼型中帶走熱量的內部空氣冷卻通道。在內部空氣從超級合金葉 片吸收熱量后，將空氣M31翼型壁上的通道159排入燃^n術荒動路徑。雖然 渦輪構件150示出為包括某醜件和具有特定的糊犬和尺寸，但取決W定的 燃氣渦輪發動機模型和特定的應用，可以可替代地使用不同的形狀、尺寸和大 小。
圖2是根據一個實施例的構件200的一部分的橫截面視圖。構件200可以 是，例如，諸如圖1所示渦輪葉片的渦輪翼型，且可以包括布置于基板201上 的保護性涂層系統202。在一個實施例中，f斜戶性涂層系統202可以包擬占結涂 層204、熱障涂層208、和它們之間的一個或多個中間層，例如熱生長氧化物
5(TOO) 210。在一個實施例中，粘結涂層204是擴散鋁化物凃層。擴散鋁化物 涂層可以通過在構件200上沉積鋁層，隨后使鋁層和基板相互擴麟形成。根 據一個實施例，擴散鋁化物凃層為簡單擴散鋁化物，包括由擴散A^板201的 鋁組成的單層。在另一個實施例中，擴散鋁化物涂層可以具有更加復雜的結構 并可以包括一層或多層擴t^A鋁和/或,201的附加金屬層。例如，附加金屬 層可以包括鉬層、鉿層和/或鋯層、或鉿、鋯禾啪的共沉淀層。在另一個實施例 中，粘結涂層204可以為包括MCrAlX的覆蓋涂層，其中M魏自鈷、鎳、或 其組合的元素，X魏自鉿、鋯、憶、鉭、錸、釕、鈀、鈾、硅、或其組合的 元素。 一些MCrA!X組合物的實例包括NiCoCrAlY和CoNiCrAlY。在另一個示 例性實施例中，粘結涂層204可以包括兩種粘結涂層的組合，例如在MCrAlX 涂層上形成的擴散鋁化物涂層。在ftf可情況下，根據一個實施例，粘結涂層204 可以具有的厚度在從大約25微米(urn)至大約150um的范圍內。在其它實 施例中，粘結涂層204的厚度可以更大或更小。
熱障涂層208可以在粘結涂層204上形成且其可以包括，例如，陶瓷。在 一個實例中，熱障凃層208可以包括部分穩定氧化鋯基熱障凃層，例如憶穩定 氧化鋯(YSZ)。在一個實施例中，熱障凃層可以包括J賄其它氧化物(例如， Gd203、 Ti02等等)的紀穩定氧化鋯。在另一個實施例中，熱障涂層208可以具 有可變化的厚度，可以例如在從大約50 n m至大約300 u m的范圍內。在其它 實施例中，熱障涂層208的厚度可以在從大約100um至大約250um范圍內。 在另一些其它實施例中，熱障凃層208可以比戰范圍更厚頓薄。
熱生長氧化層210可以位于粘結涂層204和熱障涂層208之間。在一個實 施例中，熱生長氧化層210可由包S^占結涂層204的上述材料中的鋁生長而成。 例如，在粘結涂層204暴露矜空氣或錄氣氛的高溫期間，氧化可在其上發 生以導致氧化層210的形成。在一個實施例中，熱生長氧化層210可以相對薄， 且可以小于2um厚。
其上布置有涂層系統202的繊201可由單晶超級合金材料制成。"單晶超 級合金材料"可以定義為形成以在其旨整體中具有單晶晶向且基本上不含有 大角度晶界的超級合金材料。在一些實施例中，偶然數量的小角度晶界(其通 常定義為晶向差異小于大約5度的相鄰晶粒之間的晶界)，例如傾斜或扭轉晶界， 可以存在于單晶超級合金材料固化和形成后的或構件在蠕變或其它形變過程期間發生一些形變后的單晶超級合金材料中。然而，,地，小角度晶界不存在 于單晶超級合金構件中。
單晶超級合金材料可以包括具有熱處理后在基體中形成一系列Y '
(gamma prime)析出物的結構的材料。在一個實施例中，基體可以包^13^添 加各種合金元素而強化的鎳。為了達到協同優化最終構件的物理、化學和力學 性能且優化在構件使用壽命期內這些性能的保持，合金元素選擇成可單獨或 者組合地展現出所期望的特性。此外，合金元素的選擇也可取決于為單晶構件 樹彌變纟踱、相穩定性和環境耐受性的能力。
在一個實施例中， 一種或多種合金元素可以選自鉻、鈷、鉬、鴇、釕、鋁 鉭、錸、鉿、紀、鑭、碳和硼。根據一個實施例，可以含入這些元素以形鵬 級合金組合物。在一個實施例中，超級合金組合物可以包括，按重量百分比計， 大約3.8%至大約4.2%的鉻、大約10.0%至大約10.5%的鈷、大約1.8%至大約 2.2Q/^的鉬、大約5.8%至大約6.2%的錸、大約3.8%至大約4.2%的釕、大約5.5 %至大約5.8%的鋁、大約5.8%至大約6.2%的鉭、大約4.8%至大約5.2%的鉤、 大約0.13%至大約0.17%的鉿、綠為鎳。依據另一個實施例，超級合金組合 物還可以包括，按重量百分比計，大約0.001 %至大約0.015%的材料，該材料 選自紀、鑭、及其組合。在又一個實施例中，超級合金組合物還可以進一步包 括，按重量百分比計，大約0.02%至大約0.06%的碳和大約0.003%至大約0.006 %的硼。在任何情況下，在一個實施例中，存在于超級合金組合物中的鉬加上 鉤加上錸加上ffl口上釕的重量百分比總計可以是大約20.0%至大約25.0%。
已經發現，組合物中含有鉬和錸倉^M增加Y基體和Y '析出物之間的晶 格錯配來提高合金的蠕變強度和應力斷裂性能。就這一點而言，在一個實施例 中，按重量計可以包含，大約1.8%至大約2.2%的鉬和大約5.8%至大約6.2% 的錸。此外，錸可以精細化Y'析出物的大小，這可以有助于提高Y基體的強 度。錸也可以通過降低Y'析出物在長時間的高溫暴露期間的粗化速率來提高 合金的蠕變5破。也已經發現，在超級合金組合物中添加釕提高了相穩定性。 此外，M在大約20.0%至大約25.0% (重量百分比)范圍內平衡元素鈷和鉻 和強化元素如鉬、鉺、鉭、概卩釕，可避免形成拓撲密排相(TCP)，例如P和 R以及o相。
圖3是根據一個實施例制造單晶超級合金構件的工藝300的繊呈圖。首先，一開始掛共i^g級合金組，的合金，即步驟302。在一個實施例中，該合金 包括上鵬級合金組合物。接下來，然后可制造單晶超級合金構件，即步驟304。 依據一個實施例，步驟302的合金可以形成為單晶渦輪器件。無須進一步加工， 單晶器件就會包含具有多種尺寸的Y '析出物(稱為7賴卩Y')。如鄉一步執 行固溶及時效熱處理步驟，貝"'析出相將溶入y基體且在較低鵬下進行的 時效處M程中再次析出。
為了使Y'相溶入Y基體，將單晶件加熱至高于Y'相的固溶線溫度、但 低于合金的熔融溫度的溫度。熔融溫度，定義為在一溫度范圍內熔融的合金的 固相線鵬，其應i觀夠高于固溶線、鵬，以便可以加熱單晶件和維持雜固
溶線和固相線之間的溫度范圍內足夠長的時間以使Y'析出相溶入Y基體。固
相線溫度為大約2400°F (大約1315.56°C)至2450°F (大約1343.33。C)，且在 商業熱處理設備中準確控制在幾度之內是做不到的。在一個實施例中，固相線 可以高出Y'析出物的固溶線^S至少大約15°F (大約8,3。C)。
"熱處理窗口"或Y'固溶線和合金固相線鵬之間的差，^i輕少為15 °F (大約83。C)，更tt^t也大于大約50°F (大約27.8。C)。在熱處理單晶鑄造件 的實施例中，在大約2400。F (大約1315,56。C)的溫度下固溶熱處理該單晶鑄造 件大約3小時，來使固化過程中形成的Y'析出相溶入Y基體。固溶熱處理可 以在Y'固溶線和固相線溫度之間的熱處理窗口內的任何溫度下完成。較高的 ，允許較短的熱處理時間。然而，不將熱處理溫度升至最高水平，以允許熱 處理設備一定的誤差幅度。熱處理工藝完成后，將固溶熱處理的單晶件ffl3I冷 卻以使具有Y'形^&素的基體過飽和。已經發mW夬速惰性氣體自冷卻至 低于大約1000。F (大約537.78。C)的^^夠達到必須的過飽和態。
在固溶熱處理和過飽和冷卻之后，對固溶熱處理的單晶件進行時效以從Y 基體中析出Y '顆粒。時效熱處理能與涂層處理相分離或與涂層處理相結合。 在一個實施例中，在115(TC下進行時效熱處理4小時，然后在1080'C下進行4 小時和在899t:下進行4至20小時。如前所述，燃氣渦輪構件在JOT前通常涂 覆抗腐蝕和抗氧化涂層和熱障凃層。在涂覆步驟中，將被涂覆構件加熱至高溫。 在一個實施例中，將構件加熱至大約1950°F (大約1065.56°0的鵬，搟賣大 約4小時。此熱處理促使一些y'相從Y基體中析出，從而部分地完成了時效 熱處理。時效熱處理可以M31it—步暴露于高溫下來完成，與涂覆步驟相分離。在1950°F (大約1065.56°C)下熱處理4小時之后，在大約1650。F (大約899 °C)的溫度下大約4至大約20小時的時間里完^夠的 卜時效熱處理。時效 熱處理不限于上述熱處理 ，，作為替代，可以通過任何可接受的肯缺斤出y基 體內所期望體積分數的y '粒子、形態和尺寸的方式來完成，其中析出可從過 飽和的熱處理后的y基體發生。
在某些情況下，固化時(as-solidified)的單晶的^m結構可以包括不規則的 y '顆粒禾卩y '共晶相區域。固溶熱處理可以使不規則y '顆粒和大多數或所
有的y'共晶組分溶入y基體。隨后的時效處理析出一系列具有大Bciz:方體形
狀和相對均一尺寸的y '析出物。y '析出物的尺寸可以在大約0.3至大約0.5 ，t^范圍內變化。
為了用上述單晶超級合誠i臘單晶超級合金構件，可以4頓真空感應熔融 和鑄造工藝。在一個實施例中，〗頓熱梯度固化法。在此，將超級合金組合物 的熔融金屬倒入耐熱陶瓷模具中，該模具基本上具有最終制造構件的期望形狀。 將模具和其中含有的熔融金屬置于熔爐、感應加熱線圈或其它加熱設備中以熔 融金屬，并將模具和熔融金屬以一自梯度逐漸冷卻。在此工藝中，鄰近模具 較冷端的金屬先固化，隨著冷去啲繼續，固化態和液態金屬的之間的界面逐漸 移動通過金屬。這種熱梯度固化可通過在鄰近模具一端放置冷塊然后關閉加熱 源來完成，這允許模具和熔融金屬以受控的期望^^梯度冷卻和固化。可替代 地，可將模具和熔齢屬逐漸從加《鄉中撤出。 '
已經發現，某些晶向例如〈001〉在此熱梯度固化過程中能排除其它晶向生 長，使得單個晶粒在整個制品中占主導地位。已經采用一些技術來，單晶取 向的腿形成，使得基本上整領品具有相同的單晶取向。這樣的技術包括引 晶，艮嗵過將定向單晶起始材料放置于鄰近首先固化的金屬處，使得金屬一開 始就發展出該取向。另一種技術是幾何選擇工藝。然而，可以可替代地《頓其 它形成單晶的技術。例如，可使用液態金屬冷卻工藝或鑄造工藝來制造單晶渦 輪構件。在此工藝中，將鎳基超級合金熔融并倒入置于多區加熱器內的陶瓷模
具中。將鑄造構件以恒定速率mx液錫池中進行固化。
因此，提供了一種用于燃氣渦輪發動機的熱區段構件的單晶鎳基超級合金
組合物，例如用于燃氣渦輪葉片和輪葉。該合金組合物為這些構^m供了可優
于傳纟繊級合金材料的力學和環境耐受性能。雖然在上面對發明主題的詳細描述中介紹了至少一個示例性實施方案，但 應該理解存在大量的變型。也應該理解，示例性實施例僅僅是實例，且無意以 任何方式限制本發明主題的范圍、應用性或結構。相反，上面的詳細描述將提 供給本領J^術人員用于實施本發明主題的示例性實施方案的便捷途徑，可以 理解，在不偏離如在權禾腰求和其合法等同物中所限定的本發明主題的范圍的 情況下，可在示例性實施例中描述的元素的功能和布置，行多種變化。
權利要求
1.一種單晶鎳基超級合金組合物，主要包括，按重量百分比計大約3.8％至大約4.2％的鉻；大約10.0％至大約10.5％的鈷；大約1.8％至大約2.2％的鉬；大約4.8％至大約5.2％的鎢；大約5.8％至大約6.2％的錸；大約5.5％至大約5.8％的鋁；大約5.8％至大約6.2％的鉭；大約3.8％至大約4.2％的釕；大約0.13％至大約0.17％的鉿；和余量為鎳。
2. 如權利要求1戶脫的單晶鶴超級合金組合物，還主要包括大約0.001 %至大約0.015%重量百分比的選自紀、鑭、及其組合的材料。
3. 如權利要求2戶，的單晶鎳基超級合;ME合物，還主要包括大約0.02% 至大約0.06%重量百分比的碳和大約0.003%至大約0.006%重量百分比的硼。
4. 如權禾腰求1戶脫的單晶鎳基超級合金組合物，其中鉬、鉤、釕、鉭、 和錸總計大約20.0%至大約25.0%重量百分比。
全文摘要
本發明提供了一種單晶鎳基超級合金組合物，單晶鎳基超級合金構件，及制造此構件的方法。在一個實施例中，僅作為實例，單晶鎳基超級合金組合物主要包括，按重量百分比計，大約3.8％至大約4.2％的鉻、大約10.0％至大約10.5％的鈷、大約1.8％至大約2.2％的鉬、大約4.8％至大約5.2％的鎢、大約5.8％至大約6.2％的錸、大約5.5％至大約5.8％的鋁、大約5.8％至大約6.2％的鉭、大約3.8％至大約4.2％的釕、大約0.13％至大約0.17％的鉿和余量的鎳。
文檔編號C22C19/05GK101613819SQ200910163988
公開日2009年12月30日 申請日期2009年6月23日 優先權日2008年6月24日
發明者Y·胡 申請人:霍尼韋爾國際公司