低铼镍基超合金组合物及超合金制品

摘要

本发明提供了低铼镍基超合金组合物及自所述超合金组合物形成的制品。所述镍基超合金组合物包含：约5-8％重量的Cr；约6.5-9％重量的Co；约1.3-2.5％重量的Mo；约4.8-6.8％重量的W；约6.0-7.0％重量的Ta；高至约0.5％重量的Ti，如果存在的话；约6.0-6.4％重量的Al；约1-2.3％重量的Re；高至约0.6％重量的Hf，如果存在的话；高至约0-1.5％重量的C，如果存在的话；高至约0.015％重量的B，如果存在的话；余量为镍和伴随的杂质。示例性组合物的特征在于定义为Re的％重量对W的％重量加Mo的％重量的总和之比的Re比率低于约0.3。示例性的制品包括燃气涡轮发动机叶片或轮叶的翼型、喷嘴、壳体和防溅挡板。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年8月31日提交的美国临时申请序号60/969,360的优先权，所述临时申请通过全文引用结合到本文中。

发明领域

本文中公开的实施方案总的涉及镍基超合金及包含镍基超合金的制品。公开的实施方案可特别适用于布置在航空发动机最热、要求最高的区域中的制品如旋转涡轮叶片中。公开的其他实施方案可更适用于非蠕变限制型应用如涡轮喷嘴和壳体中。

发明背景

燃气涡轮发动机的效率在很大程度上取决于各种发动机部件的工作温度，工作温度提高，效率提高。随着对提高效率的探寻，人们开发出了能承受越来越高的温度而保持其结构完整性的超合金。

镍基超合金广泛地用在整个航空发动机中，包括涡轮叶片、喷嘴和壳体应用中。为改进发动机性能，航空发动机的设计需要能承受越来越高的温度的合金。虽然壳体和喷嘴应用不需要有与叶片应用相同的抗高温蠕变水平，但其确实需要相似的抗热机械失效性能和抗环境退化性能。由于其在高至90％的熔化温度下保持其强度并具有优异的耐环境性能，故超合金被应用于这些高要求的应用中。

单晶(SC)超合金可基于合金的组成和性能相似性划分为“四代”。所谓的“第一代”SC超合金的限定特征是不存在合金元素铼(Re)。例如，美国专利5,154,884、5,399,313、4,582,548和4,209,348各公开了基本无Re的超合金组合物。

代表性的SC镍基超合金在本领域中以AM1著称，AM1的标称组成为：6.0-7.0％Co，7.0-8.0％Cr，1.8-2.2％Mo，5.0-6.5％W，7.5-8.5％Ta，5.1-5.5％Al，1.0-1.4％Ti，最多0.01％的B，最多0.01％的Zr，余量基本为Ni和C，其中C规定为最多0.01％(100ppm)。附图中为比较的目的提供了Rene N4超合金及AM1超合金在2150°F下的1马赫速度循环氧化试验数据。

人们发现向超合金组合物中加入约3％重量的Re将使抗蠕变断裂能力提高约50°F(28℃)并伴有抗疲劳好处。合金产品如CMSX-4、PWA-1484和Rene N5均含约3％重量的Re。这些“第二代”合金在例如美国专利4,719,080、4,643,782、6,074,602和6,444,057中有公开。

美国专利4,719,080提供了称为“P-值”的组成元素间的关系，定义为P＝-200Cr+80Mo-20Mo²-250Ti²-50(TixTa)+15Cb+200W-14W²+30Ta-1.5Ta²+2.5Co+1200Al-100Al²+100Re+1000Hf-2000Hf²+700Hf³-2000V-500C-15000B-500Zr。该专利强调，较高的“P-值”与高强度、稳定性、热处理性和耐氧化腐蚀性的组合相关。特别地，该专利中公开的超合金组合物局限于“P-值”高于3360。

美国专利6,074,602涉及适于制造单晶铸件的镍基超合金。其中公开的超合金含5-10％重量的Cr、5-10％重量的Co、0-2％重量的Mo、3-8％重量的W、3-8％重量的Ta、0-2％重量的Ti、5-7％重量的Al、高至6％重量的Re、0.08-0.2％重量的Hf、0.03-0.07％重量的C、0.003-0.006％重量的B、0.0-0.04％重量的Y，余量为镍和伴随的杂质。与第一代镍基超合金相比，基于应力断裂强度和低、高周疲劳性，这些超合金具有提高的温度能力。此外，所述超合金比第一代超合金具有更好的抗循环氧化退化性和抗热腐蚀性。

美国专利5,151,249、5,366,695、6,007,645和6,966,956涉及第三和第四代超合金。总的来说，第三代超合金的特征是引入了约6％重量的Re；第四代超合金含约6％重量的Re以及合金元素Ru。这些超合金组合物从力学性能角度示出了增加Re的加入量的价值。

第一代SC超合金不提供许多热段部件如涡轮喷嘴和壳体所要求的抗热机械失效(TMF)性能或耐环境性能。此外，第一代SC超合金不能为这些部件提供可接受的抗高温氧化性能。

目前，航空发动机在越来越多的热段应用中主要使用第二代类型的超合金。合金元素Re是这类超合金已知的最有效的固溶体强化剂，因此其已被广泛用作SC和柱形晶粒定向凝固(DS)超合金的合金添加元素。第二代超合金具有卓越的抗高温氧化能力及令人满意的力学性能的平衡。

具有较低Re含量的已知超合金组合物不能提供可自第二代超合金获得的性能。特别地，在美国专利4,719,080中，Re低于2.9％的一种合金(即B1)的数据显示出与第一代即无Re的超合金可比的性能。因此，在超合金组合物的开发中，趋势已是使用至少3％重量的Re来获得令人满意的抗氧化性能与高温强度的平衡。

但原材料的成本及特别是Re的全球短缺对开发以低、优选0％的Re水平但能提供第二代超合金所展现的改进的力学性能和抗氧化性能的超合金组合物提出了挑战。截至目前，含低于3％重量的Re的镍基超合金均不能达到第二代超合金的性能。

因此需要提供能提供具有所需高温特性的单晶和定向凝固制品的具有低于3％重量的Re的镍基超合金组合物。

发明概述

上面提到的需要可通过提供能以比第二代(即含3％重量的Re)超合金组合物低的Re含量提供所需热机械性能、蠕变强度和抗氧化性能的镍基超合金组合物的示例性实施方案得到满足。

一个示例性实施方案提供了一种镍基超合金组合物，其含：约5-8％重量的Cr；约6.5-9％重量的Co；约1.3-2.5％重量的Mo；约4.8-6.8％重量的W；约6.0-7.0％重量的Ta；高至约0.5％重量的Ti，如果存在的话；约6.0-6.4％重量的Al；约1-2.3％重量的Re；高至约0.6％重量的Hf，如果存在的话；高至约0-1.5％重量的C，如果存在的话；高至约0.015％重量的B，如果存在的话；余量为镍和伴随的杂质；其中定义为Re的％重量对W的％重量加Mo的％重量的总和之比的Re比率低于约0.3。

一个示例性实施方案提供了一种包含超合金的镍基单晶制品，所述超合金含：约5-8％重量的Cr；约6.5-9％重量的Co；约1.3-2.5％重量的Mo；约4.8-6.8％重量的W；约6.0-7.0％重量的Ta；高至约0.5％重量的Ti，如果存在的话；约6.0-6.4％重量的Al；约1-2.3％重量的Re；高至约0.6％重量的Hf，如果存在的话；高至约0-1.5％重量的C，如果存在的话；高至约0.015％重量的B，如果存在的话；余量为镍和伴随的杂质。

一个示例性实施方案提供了一种自镍基超合金组合物铸造的燃气涡轮发动机部件，所述镍基超合金组合物由以下组成：约5-8的Cr；约6.5-9的Co；约1.3-2.5的Mo；约4.8-6.8的W；约6.0-7.0的Ta；高至约0.5的Ti，如果存在的话；约6.0-6.4的Al；约1-2.3的Re；高至约0.6的Hf，如果存在的话；高至约0-1.5的C，如果存在的话；高至约0.015的B，如果存在的话；余量为镍和伴随的杂质；其中定义为Re的％重量对W的％重量加Mo的％重量的总和之比的Re比率低于约0.3。

附图简述

本发明的主题在说明书的结束部分特别指出并明确地要求保护。但参照下面结合附图的描述将可更好地理解本发明，在附图中：

图1为抗持续峰值低周疲劳(SPLCF)性能的对比图示。

图2为2150°F下1马赫速度循环氧化试验数据的对比图示。

图3为2000°F下1马赫速度循环氧化试验数据的对比图示。

图4为2150°F下1马赫速度循环氧化试验数据的对比图示。

图5为2100°F/10ksi下的蠕变断裂数据归一化到含约3％重量的Re的第二代镍基超合金的图示。

图6为1600°F、1800°F、2000°F和2100°F下的蠕变断裂数据归一化到含约3％重量的Re的第二代镍基超合金的图示。

图7为2000°F和1600°F下的SPLCF数据归一化到含约3％重量的Re的第二代镍基超合金的图示。

图8为2000°F下的SPLCF数据归一化到含约3％重量的Re的第二代镍基超合金的图示。

图9为示例性燃气涡轮发动机涡轮叶片的示意图。

发明详述

参见附图(各附图中相同的标号表示相同的元件)，图9示出了燃气涡轮发动机的一个部件制品20，以燃气涡轮叶片22示出。燃气涡轮叶片22含翼型24、燕尾榫形式的接合燃气涡轮叶片22与涡轮盘(未示出)的附件26、和翼型24与附件26中间的侧向伸展平台28。在一个示例性的实施方案中，部件制品20基本是单晶的。也就是说，部件制品20至少约80％体积、更优选至少约95％体积为单一结晶取向的单晶粒。可能有较小体积分数的其他结晶取向以及被小角晶界分开的区域。所述单晶结构通过合金组合物按本领域技术人员熟知的方法定向凝固制备。在另一示例性实施方案中，部件制品20为定向取向的多晶，其中有至少若干全部具有一般取向优选生长方向的晶粒。

本文中讨论的合金组合物的用途不限于燃气涡轮叶片22，其还可用在其他制品如燃气涡轮轮叶中或不用在燃气涡轮发动机中的制品中。

本文中公开的实施方案平衡了各种合金元素对组合物热机械性能、蠕变强度和抗氧化性能的贡献而将有害作用减至最小。除非另有指出，否则所有的值均以重量百分数表示。

例如，本文中公开的某些实施方案含至少约5％的铬(Cr)。低于约5％的量可能降低抗热腐蚀性。高于约8％的量可能导致拓扑密堆(TCP)相不稳定性和差的抗循环氧化性能。

本文中公开的某些实施方案含至少约6.5％到约9％的钴(Co)。本文中公开的其他实施方案含约7％到约8％的Co。较低的钴量可能降低合金稳定性。较高的量可能降低γ′固溶温度，从而影响高温强度和抗氧化性能。

本文中公开的某些实施方案含约1.3％到2.5％的量的钼(Mo)。其他实施方案可含约1.3％到约2.2％的量的Mo。最小值即足以强化固溶体。超过最大值的量可能导致表面不稳定性。更高的Mo量可能不利地同时影响抗热腐蚀性和抗氧化性能。

本文中公开的某些实施方案含约4.75％到约6.75％的量的钨(W)。较低的W量可能降低强度。就TCP相形成而论，较高的量可能产生不稳定性。较高的量还可能降低抗氧化能力。

本文中公开的某些实施方案可含约6.0％到约7.0％的量的钽(Ta)。其他实施方案可含约6.25％到约6.5％的量的Ta。

本文中公开的某些实施方案可含约6.0％到约6.5％的量的铝(Al)。其他实施方案可含约6.2％到约6.5％的Al。

本文中公开的某些实施方案可任选地含高至约0.5％的钛(Ti)。钛是有效的γ′硬化剂。任选的Ti的加入可强化γ′相，从而改善抗蠕变能力。但抗氧化性能可能因Ti的加入而受到不利影响，尤其是在高于约0.5％的水平下。

本文中公开的某些实施方案特别是用于最高温应用(即涡轮叶片)中的那些组合物可含约1.0％到约2.3％的量的铼(Re)。以这样的水平加入Re提供超合金所需的抗高温蠕变性能。Re分配进γ相中，是有效的固溶体强化剂。Re也扩散缓慢，这限制γ′相的粗化。

本文中公开的某些实施方案含约0.15％到约0.6％的量的铪(Hf)。铪用来改善涂层合金的抗氧化性能和抗热腐蚀性并可改善施加的隔热涂层的寿命。加入约0.7％的铪可令人满意，但加入超过约1％时不利地影响抗应力断裂性和起始熔融温度。

本文中公开的某些实施方案可含高至约0.004％的硼(B)。B为小角晶界提供应变并为具有小角晶界的组分提供增加的可接受范围。

在某些实施方案中，碳(C)可以约0.03％到约0.06％的量存在。下限提供足量的C而实现更清洁的熔融合金并有助于提高抗腐蚀性。

某些实施方案中可任选加入高至约0.03％的量的稀土元素即钇(Y)、镧(La)和(Ce)。这些添加物可通过提高保护性氧化铝皮的保持力而改善抗氧化性能。较高的量可能促进铸造表面处的模具/金属反应，增加组分引入含量。

一个示例性的实施方案含镍基超合金，所述镍基超合金可用来制备单晶制品，所述超合金含：5-8％重量的Cr、6.5-9％重量的Co、1.3-2.5％重量的Mo、4.8-6.8％重量的W、6.0-7.0％重量的Ta、0.05-0.5％重量的Ti、6.0-6.4％重量的Al、1.0-2.3％重量的Re、0.15-0.6％重量的Hf、0-1.5％重量的C、0-0.015％重量的B，余量包括镍和伴随的杂质。

一个示例性的实施方案含镍基超合金，所述镍基超合金的标称组成包含：6.0Cr、7.5Co、2.0Mo、6.0W、6.5Ta、0Ti、6.2Al、1.5Re、0.15-0.6Hf、0.03-0.06C、0.004B，余量为镍和伴随的杂质。

示例性的实施方案含镍基超合金，所述镍基超合金可用来制备单晶制品，所述超合金含约6-7Cr、约7.5Co、约1.5-2.0Mo、约5-6.5W、约6.5Ta、任选高至约0.5Ti、约6.2Al、约1-2.3Re、约0.15-0.6Hf、约0.03-0.05C、约0.004B，余量为镍和伴随的杂质。这些示例性实施方案中的某些还具有P-值低于3360的特征，其中所述P-值按上面提供的关系确定。在示例性的实施方案中，所述P-值低于3245。在其他示例性的实施方案中，所述P值在约2954到约3242范围内。

本文中公开的示例性实施方案可以“Re比率”为特征，“Re比率”在本文中定义为Re的％重量对W的％重量加Mo的％重量的总和的比率。本文中公开的某些实施方案如此比较了改善高温强度的有效强化剂的Re的量与为强化γ的难熔元素的W和Mo的量。

本文中公开的某些实施方案含镍基超合金组合物，所述超合金组合物包含Mo、W和Re，其中Re比率低于约0.30。出于比较目的，Rene N5的标称组成含5％W、1.5％Mo和3.0％Re，故Re比率为0.46。PWA-1484的标称组成含6％W、2％Mo和3％Re，故Re比率为0.38。CMSX-4的标称组成含6％W、0.6％Mo和3％Re，故Re比率为0.45。

例如，本文中公开的实施方案含镍基超合金组合物，所述超合金组合物含约5-约6.5％重量的W、约1.5-约2％重量的Mo和约1-约2.3％重量的Re，其中Re比率低于0.30，更优选低于0.27，更优选低于0.25。

本文中公开的示例性实施方案含镍基超合金组合物，所述超合金组合物包含低于约2.5％重量的Re，并包含使Re比率低于0.3的量的W和Mo，其中相关的P-值低于约3360，更优选低于约3245。

本文中公开的某些实施方案提供的抗蠕变断裂性能、抗高温氧化性能或抗持续峰值低周疲劳性能中的至少一者可比于Rene N5、PWA-1484和CMSX-4的相关数据，其中所述超合金组合物包含低于约3％的Re，更优选低于2.3％的Re，更优选不超过2％的Re，其中Re比率低于0.3。

本文中公开的某些实施方案含特别适用于柱形晶粒定向凝固超合金制品中的镍基超合金，包括例如含提高量的C(0.06-0.11％)、B(0.008-0.015％)和Hf(高至约1.5％)的实施方案。

下表1给出了示例性的组合物系列及相关的Re比率和P-值。各组合物的值均以％重量给出，余量为镍和伴随的杂质。出于比较目的，还给出了Rene N5的标称组成、Re比率和P值。

下表2给出了另一示例性的组合物系列、相关的Re比率和归一化到第二代(即含3％的Re)镍基超合金的蠕变断裂(CR)数据。表2中的示例性组合物提供了能提供所需蠕变断裂强度的含约1％重量的Re的组合物。图8中示出了来自表2的数据与第二代合金(含3％重量的Re)和第一代合金(含0％重量的Re)的对比。

表1

  合金  Al  Ta  Cr  W  Mo  Re  Co  C  B  Hf  Re  比率  P-值  RN5  6.2  6.5  7  5  1.5  3  7.5  0.05  0.004  0.15  0.46  3069  1  6.2  6.5  6  6  1.5  0  7.5  0.03  0.004  0.15  0.00  3025

  合金  Al  Ta  Cr  W  Mo  Re  Co  C  B  Hf  Re  比率  P-值  2  6.2  6.5  6  6  2  0  7.5  0.03  0.004  0.15  0.00  3030  3  6.2  6.5  6  6.5  1.5  0  7.5  0.03  0.004  0.15  0.00  3037  4  6.2  6.5  6  6.5  2  0  7.5  0.03  0.004  0.15  0.00  3042  5  6.2  6.5  6  6  1.5  1.5  7.5  0.03  0.004  0.15  0.20  3175  6  6.2  6.5  6  6  1.5  2  7.5  0.03  0.004  0.15  0.27  3225  7  6.2  6.5  6  6  2  2  7.5  0.03  0.004  0.15  0.25  3230  8  6.2  6.5  6  6  2  1.5  7.5  0.03  0.004  0.15  0.19  3180  9  6.2  6.5  6  6.5  1.5  1.5  7.5  0.03  0.004  0.15  0.19  3187  10  6.2  6.5  6  6.5  1.5  2  7.5  0.03  0.004  0.15  0.25  3237  11  6.2  6.5  6  6.5  2  2  7.5  0.03  0.004  0.15  0.24  3242  12  6.2  6.5  6  6.5  2  1.5  7.5  0.03  0.004  0.15  0.18  3192  13  6.2  6.5  6  6  1.5  1.5  7.5  0.03  0.004  0.6  0.20  3099  14  6.2  6.5  6  6.5  2  1.5  7.5  0.03  0.004  0.6  0.18  3116  15  6.2  6.5  6  6.5  1.5  0  7.5  0.03  0.004  0.6  0.00  2961  16  6.2  6.5  6  6  2  0  7.5  0.03  0.004  0.6  0.00  2954

表2

  合金  Al  Ta  Cr  W  Mo  Re  Co  C  B  Ti  Re  比率  N.CR  (hrs)  1A  6.2  7  6  6.5  1.75  1  7.3  0.04  0.004  0.3  0.14  1.03  2A  6.2  6.5  6  6.5  2.25  1  7.3  0.04  0.004  0  0.18  1.05  3A  6.2  7  6  6  2.25  1  7.3  0.04  0.004  0  0.19  1.06  4A  6.2  6  6  6.5  2.25  1  7.3  0.04  0.004  0.3  0.18  1.06  5A  6.2  6.5  6  6  2.25  1  7.3  0.04  0.004  0.3  0.19  1.10  6A  6.2  7  6  5.5  2.25  1  7.3  0.04  0.004  0.3  0.20  1.10

  合金  Al  Ta  Cr  W  Mo  Re  Co  C  B  Ti  Re  比率  N.CR  (hrs)  7A  6.2  6.5  6  6.5  2  1  7.3  0.04  0.004  0.3  0.16  1.11  8A  6.2  7  6  6  2  1  7.3  0.04  0.004  0.3  0.17  1.12  9A  6.2  7  6  6.5  2.25  1  7.3  0.04  0.004  0  0.18  1.21  10A  6.2  6.25  6.4  6.5  2.25  1  7.5  0.04  0.004  0.3  0.17  1.25  11A  6.2  6.5  6  6.5  2.25  1  7.3  0.04  0.004  0.3  0.18  1.27  12A  6.2  7  6  6.5  2  1  7.3  0.04  0.004  0.3  0.16  1.30  13A  6.2  7  6  6  2.25  1  7.3  0.04  0.004  0.3  0.19  1.35  14A  6.2  7  6.4  6.5  2.25  1  7.5  0.04  0.004  0.3  0.17  1.38  15A  6.2  7  6.4  6  2.25  1  7.5  0.04  0.004  0  0.18  1.40  16A  6.2  6.5  6.4  6.5  2.25  1  7.5  0.04  0.004  0.3  0.17  1.46  17A  6.2  7  6  6.5  2.25  1  7.3  0.04  0.004  0.3  0.18  1.62

图1示出了本文中公开的某些实施方案比第一代超合金有改善而与第二代超合金更可比的抗持续峰值低周疲劳(SPLCF)性能。第一代SC超合金不提供许多热段部件中要求的抗热机械失效(TMF)性能。SPLCF由独特的性能组合带来，所述性能之一为抗氧化性能。由于部件内的温度梯度，故SPLCF或TMF能力对于冷却的硬件很重要。

图2提供了说明2150°F下1马赫速度循环氧化试验过程中重量随时间的损失的数据的对比图示，表明本文中公开的某些实施方案具有改进的抗氧化性能。

图3提供了说明2000°F下1马赫速度循环氧化试验过程中重量随时间的损失的数据的对比图示，表明本文中公开的某些实施方案具有改进的抗氧化性能。

图4提供了说明2000°F下1马赫速度循环氧化试验过程中重量随时间的损失的数据的对比图示，表明本文中公开的某些实施方案具有改进的抗氧化性能。

图5为2100°F/10ksi下的蠕变断裂数据归一化到含约3％重量的Re的第二代镍基超合金的图示。本文中公开的某些实施方案比得上第二代超合金而比第一代超合金有显著的改善。据认为，尤其是在超过2100°F的温度下γ′相的稳定性对改进的性能作着贡献。在本文中公开的某些组合物中，2150°F下γ′相的体积分数为约46％，与第二代超合金可比，而通常高于第一代超合金。γ′相的相对稳定性有益于抗SPLCF性能并将正面影响2100°F下的抗蠕变断裂性能。

归一化到第二代镍基超合金的蠕变断裂数据表明本文中公开的具有低Re含量的实施方案比第一代超合金更可比于第二代超合金。图6中给出了1600°F、1800°F、2000°F和2100°F下合金5到合金14(表1)的归一化蠕变断裂数据。

图7为2000°F和1600°F下的SPLCF数据归一化到含约3％重量的Re的第二代镍基超合金的图示。

图8为2000°F下的SPLCF数据归一化到含约3％重量的Re的第二代镍基超合金的图示。

本文中公开的超合金组合物可用来制备具有与自第二代超合金制得的制品不相上下的温度能力的单晶制品。这样产生的制品可为燃气涡轮发动机的部件。这样的制品可为燃气涡轮发动机叶片或轮叶的翼型构件。这样产生的制品可为喷嘴、壳体、防溅挡板或其他高温部件。

本文中公开的某些示例性实施方案在当定向凝固为航空器燃气涡轮发动机的热段部件特别是旋转叶片时尤其有用。

制备本文中公开的任何制品的方法包括自含镍、钴、铬、钼、钨、铝、钽、任选的钛、低于3％重量的铼、任选的铪、任选的碳、任选的钇、铈和镧中的一种或多种的原材料制备具有所公开的实施方案中给出的化学组成的镍基单晶超合金元件材料。使所述超合金元件材料经受适宜的热处理和适宜的后续铸造工艺。

因此，本文中公开的超合金组合物通过平衡组成元素的贡献而以减低的Re含量提供了所需的热机械性能、蠕变强度和抗氧化性能。

本说明书使用实施例公开本发明，包括最佳模式，也使本领域技术人员可实现及利用本发明。本发明的专利保护范围由权利要求书限定，可能包括本领域技术人员想到的其他实施例。这类其他实施例将涵盖在权利要求的范围内，如果其结构要素不与权利要求的文字语言不同或如果其含与权利要求的文字语言无实质性差异的等价结构要素的话。