[發(fā)明專利]鎳基超合金、單晶葉片和渦輪發(fā)動機

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201980035386.0
• 申請日: 2019-06-04
• 公開（公告）號: CN112262221A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 杰瑞米·萊姆;喬納森·科米爾
• 申請（專利權(quán)）人: 賽峰集團;國家科學(xué)研究中心;普瓦捷大學(xué);國立高等機械與航空技術(shù)學(xué)校
• 主分類號: C22C19/05
• 分類號: C22C19/05;C30B1/00;F01D5/28
• 代理公司: 中國商標(biāo)專利事務(wù)所有限公司 11234
• 代理人: 曾海艷

本發(fā)明涉及一種鎳基超合金，其包括，以質(zhì)量百分比計，5.0至6.0％的鋁、6.0至9.5％的鉭、0至1.50％的鈦、8.0至10.0％的鈷、6.0至7.0％的鉻、0.30至0.90％的鉬、5.5至6.5％的鎢、0至2.50％的錸、0.05至0.15％的鉿、0.70至4.30％的鉑、0至0.15％的硅，其余部分為鎳和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明還涉及一種包含該合金的單晶葉片(20A、20B)和包含該葉片(20A、20B)的渦輪發(fā)動機(10)。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及例如在航空航天工業(yè)中用于燃氣輪機，特別是用于燃氣輪機的固定葉片(也稱為噴嘴或整流器)或活動葉片的鎳基超合金。

背景技術(shù)

已知鎳基超合金可用于制造航空器和直升機發(fā)動機的固定或活動單晶燃氣渦輪葉片。

這些材料的主要優(yōu)點是結(jié)合了高溫下的高蠕變強度和抗氧化和腐蝕的能力。

隨著時間的推移，用于單晶葉片的鎳基超合金的化學(xué)成分發(fā)生了重大變化，特別是為了改善其在高溫下的蠕變性能，同時保持對使用這些超合金的極強侵蝕性環(huán)境的抵抗力。

此外，已經(jīng)開發(fā)了適應(yīng)這些合金的金屬涂層，以提高其對使用這些合金的侵蝕性環(huán)境的抵抗力，包括抗氧化性和耐腐蝕性。此外，可添加具有熱障功能的低導(dǎo)熱陶瓷涂層，以降低金屬表面的溫度。

通常，一個完整的保護系統(tǒng)至少由兩層組成。

第一層，也稱為底層或結(jié)合層，直接沉積在要保護的鎳基超合金部件上，也稱為基體，例如葉片。沉積步驟之后是將結(jié)合層擴散到超合金中的步驟。沉積和擴散也可以在一個步驟中進行。

通常用于制造該結(jié)合層的材料包括形成MCrAlY型(M＝Ni(鎳)或Co(鈷))金屬合金的氧化鋁或Ni和Co的混合物的氧化鋁，Cr＝鉻，Al＝鋁，Y＝釔，或鋁化鎳(NixAly)型合金，有些還包含鉑(NixAlyPtz)。

第二層，通常稱為熱障涂層(TBC)，是陶瓷涂層，其包含例如氧化釔化的氧化鋯，也稱為氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)或氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯(YPSZ)，并具有多孔結(jié)構(gòu)。該層可以通過各種工藝，例如電子束物理氣相沉積(EB-PVD)、大氣等離子噴涂(APS)、懸浮等離子噴涂(SPS)或其他工藝沉積，以產(chǎn)生低導(dǎo)熱系數(shù)的多孔陶瓷涂層。

由于這些材料在高溫下使用，例如650℃到1150℃，基體的鎳基超合金和結(jié)合層的金屬合金之間出現(xiàn)微觀互擴散現(xiàn)象。這些與結(jié)合層氧化有關(guān)的互擴散現(xiàn)象，特別是在涂層制造一旦完成，以及然后在渦輪中使用葉片的過程中，會改變結(jié)合層的化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)，從而改變其機械性能。這些互擴散現(xiàn)象也會改變涂層下的基體的超合金的化學(xué)成分、顯微組織，從而改變其機械性能。在含有高含量難熔元素，特別是錸的超合金中，涂層下的超合金可在數(shù)十微米甚至幾百微米的深度上形成二次反應(yīng)區(qū)(SRZ)。這種SRZ的機械性能明顯低于超合金基體。SRZ的形成是不可取的，因為它會導(dǎo)致超合金的機械強度顯著降低。

結(jié)合層的這些變化以及與在使用中在該結(jié)合層表面形成的氧化鋁層(也稱為熱生長氧化物(TGO))生長相關(guān)的應(yīng)力場的這些變化，以及不同層之間熱膨脹系數(shù)的差異，都會在底層和陶瓷涂層之間的界面區(qū)域中產(chǎn)生去內(nèi)聚，這可能導(dǎo)致陶瓷涂層的部分或全部剝落。然后，金屬部件(超合金基體和金屬結(jié)合層)直接暴露在燃燒氣體中，這增加了葉片損壞的風(fēng)險，從而也增加了燃氣渦輪的損壞風(fēng)險。

此外，在由這些合金形成的部件的高溫維護期間，這些合金的復(fù)雜化學(xué)性質(zhì)可能導(dǎo)致其最佳微觀結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定以及不期望的相的顆粒的出現(xiàn)。這種失穩(wěn)對這些合金的機械性能具有負面影響。這些具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)和脆性的不良相稱為拓撲密堆(TCP)相。

此外，定向凝固制造的葉片等部件中可能會產(chǎn)生鑄造缺陷。這些缺陷通常是“雀斑”型晶粒缺陷，其存在可導(dǎo)致使用中的部件過早失效。這些缺陷的存在，與超合金的化學(xué)成分有關(guān)，通常會導(dǎo)致部件報廢，從而增加生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容