[發明專利]鎳基高溫合金

有效

• 申請號: 200580039370.5
• 申請日: 2005-11-01
• 公開（公告）號: CN101061244A
• 公開（公告）日: 2007-10-24
• 發明（設計）人: M·Y·納茲米
• 申請（專利權）人: 阿爾斯托姆科技有限公司
• 主分類號: C22C19/05
• 分類號: C22C19/05
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 溫宏艷;林森

技術領域

本發明屬于材料技術領域。其涉及鎳基高溫合金，特別是用于制 備單晶組件(SX合金)或具有定向凝固微結構(DS合金)的組件， 例如燃氣渦輪用槳葉。同時，本發明所述合金也可以用于傳統的澆鑄 組件。

背景技術

這種類型的鎳基高溫合金是已知的。由這些合金制備的單晶組件 在高溫下具有非常好的材料強度。由此，例如，可以增加燃氣渦輪的 入口溫度，從而提升燃氣渦輪的效率。

用于單晶組件的鎳基高溫合金，如從US4643782，EP0208645和 US5270123可知，其含有混和晶體增強的合金元素，例如Re、W、Mo、 Co、Cr，以及形成γ’相的元素，例如Al、Ta和Ti。基體(奧氏體 γ相)中的高熔點合金元素(W，Mo，Re)的含量隨著合金所受溫度 的升高而不斷升高。因此，例如，常規用于單晶的鎳基高溫合金含有6 -8％的W，至多6％的Re和至多2％的Mo(以重量％表示)。上述 文件中公開的合金具有高的蠕變強度，良好的LCF(低應力循環次數 疲勞)以及HCF(高應力循環次數疲勞)特性和高的抗氧化性。

這些已知的合金被用于改進飛行器渦輪，因此優化為短期或中期 應用，即，負載時間設計上限為20000小時。與此相反，工業燃氣渦 輪組件必須設計為負載時間直至75000小時。

在300小時的負載時間后，例如US4643782所述合金CMSX-4， 在高于1000℃的溫度下在燃氣渦輪中測試性應用時，其顯示出γ’相 的強烈變粗，這不利地伴隨合金蠕變速率的升高。

因此需要改進已知合金在極高溫度下的抗氧化性。

已知鎳基高溫合金的另一個問題是，例如US5435861中已知的合 金，在大組件情況下，例如長度超過80mm的燃氣渦輪槳葉，可澆鑄 性還有待改進。由鎳基高溫合金澆鑄理想的、相對大的定向凝聚的單 晶組件是極為困難的，因為大多數這些組件都有缺陷，例如小角度晶 界、“斑點”，即由一系列具有高共晶含量、等軸差異極限(Streugrenz)、 微孔等的同向晶粒導致的缺陷位置。這些缺陷在高溫下削弱了組件， 因此達不到渦輪的所需壽命和工作溫度。由于理想化澆鑄的單晶組件 極其昂貴，工業上傾向于在壽命和工作溫度不受損害條件下，允許盡 可能多的缺陷。

最常見的一種缺陷是晶界，其對單晶物體的高溫性質特別不利。 相對而言，小元件中小角度晶界對該性質僅有微小的影響，其與大的 SX或DS構件在高溫下的可鑄造性和氧化行為高度相關。

晶界是高的局部晶格錯位(Fehlordnung)區域，因為相鄰的晶粒 在這些區域中碰撞，因此晶格間存在一定的錯誤取向 (Desorientierung)。錯誤取向越大，錯位越大，即在所需的使兩個晶 粒匹配的晶界中錯位數目越大。該錯位與材料在高溫下的性質直接相 關。如果溫度升高至高于等內聚溫度(＝0.5×熔點，以K計)，則其 會削弱材料。

這種影響可由GB2234521?A得知。例如，在傳統的鎳基單晶合金 中，在871℃的測試溫度下，如果晶粒的錯誤取向大于6°，則斷裂強 度大大下降。這也被具有定向凝聚微結構(Gefüge)的單晶組件證實，因 此通常的觀點是超過6°的錯誤取向是不可接受的。

從上述GB2234521?A也可知，在定向凝聚時，通過鎳基高溫合金 中富集硼或碳，會產生具有等軸或棱鏡晶粒結構的微結構。碳和硼強 化了晶界，因為C和B引起碳化物和硼化物在晶界中的沉積，這些化 合物在高溫下是穩定的。此外，這些元素在晶界中或周圍的存在減少 了作為晶界缺陷首要原因的擴散過程。因此可以將錯誤取向增加至10 °至12°，但在高溫下仍達到良好的材料性質。可是，特別是在大的 由鎳基高溫合金形成的單晶組件中，這些小角度晶界會對性質有負面 影響。

文獻EP1359231?A1描述了一種鎳基高溫合金，具有改進的可澆鑄 性和比已知鎳基高溫合金更高的抗氧化性。此外，這種合金，例如特 別適合于大的具有長度＞80mm的燃氣渦輪單晶組件。其具有下面的化 學組成(以重量％表示)：

7.7-8.3?Cr

5.0-5.25?Co

2.0-2.1?Mo

7.8-8.3?W

5.8-6.1?Ta

4.9-5.1?Al

1.3-1.4?Ti