專利名稱：具有高γ/γ’轉(zhuǎn)變溫度的金屬粘合層或合金以及部件的制作方法
具有高Y/Y’轉(zhuǎn)變溫度的金屬粘合層或合金以及部件本發(fā)明涉及一種具有Y和Y ’相的金屬粘合層以及一種部件。燃?xì)廨啓C(jī)中的高溫氣體通路部件由Ni基或Co基材料制成。這些材料經(jīng)過(guò)了強(qiáng)度優(yōu)化，卻不能承受在較高溫度下的氧化和/或腐蝕侵襲。因此，這些類(lèi)型的材料必須要用MCrAH涂層進(jìn)行防氧化保護(hù)，所述MCrAH涂層也可用作熱阻擋涂層(TBC)系統(tǒng)(system)的粘合層。在TBS系統(tǒng)中，一方面需要MCrAH涂層阻擋高溫氣體的侵襲，另一方面需要該涂層將TBC粘附在基體上。保護(hù)該系統(tǒng)不被氧化可使粘合層服役溫度提高且壽命增長(zhǎng)。為保護(hù)所述材料不被熱腐蝕/氧化，MCrAlY涂覆層通常通過(guò)如下方法涂覆低壓等離子噴涂(LPPS)、空氣等離子噴涂(APS)、電子束物理氣相沉積(EBPVD)、冷噴涂(CS)或高速氧燃料(HVOF)法。所述MCrAH涂層是基于鎳和/或鈷、鉻、鋁、硅、錸以及稀土元素如釔。隨著粘合層溫度升高，該涂層會(huì)失效，其會(huì)導(dǎo)致熱阻擋涂層的開(kāi)裂。因而，隨著服役溫度的提高，需要改良的涂層以抵御氧化侵襲。此外，這類(lèi)涂層需要具有可接受的熱機(jī)械性能。這些需求只可能通過(guò)優(yōu)化粘合層的組成而達(dá)成。 因此本發(fā)明的目的就是解決上述的問(wèn)題。該問(wèn)題通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求I的金屬涂層或合金，以及通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求18的部件而解決。在從屬權(quán)利要求中公開(kāi)了進(jìn)一步的改善，所述改善可以任意相互組合以產(chǎn)生更多的優(yōu)點(diǎn)。如所示

圖1、2合金中Y ’、Y及β相的分?jǐn)?shù)圖3 渦輪葉片圖4 燃?xì)廨啓C(jī)，和圖5 —系列超級(jí)合金(super alloy)。附圖和描述僅為本發(fā)明的實(shí)施例。圖3示出沿縱軸121延伸的渦輪機(jī)(組)的轉(zhuǎn)子葉片120或?qū)Я鬏喨~(guidevane) 130的透視圖。渦輪機(jī)(組)可以是航行器或用于發(fā)電的發(fā)電設(shè)備的燃?xì)廨啓C(jī)，蒸汽輪機(jī)或壓縮機(jī)。葉片或輪葉120、130具有沿著縱軸121相繼排列的固定區(qū)400，相鄰的葉片或輪葉平臺(tái)403，和主葉片或輪葉部件406，以及葉片或輪葉的末端415。作為導(dǎo)流輪葉130，輪葉130可在其輪葉末端415處具有另外的平臺(tái)(未示出)。用于將轉(zhuǎn)子葉片120、130固定在軸桿或盤(pán)(未示出)上的葉片或輪葉根部183形成在固定區(qū)400中。葉片或輪葉根部183被設(shè)計(jì)為例如錘頭形狀。其他構(gòu)型如杉樹(shù)或楔形的根部也是可能的。葉片或輪葉120、130具有用于流經(jīng)主葉片或輪葉部件406的介質(zhì)的前緣409和后緣 412。
在傳統(tǒng)的葉片或輪葉120、130的情況下，舉例來(lái)說(shuō)，固體金屬材料，特別是超級(jí)合金，被用于葉片或輪葉120、130的所有區(qū)域400、403、406。這類(lèi)超級(jí)合金可從例如EP 1204776BUEP 1306454、EP 1319729AUW0 99/67435或TO 00/44949中獲知。在該情況下，葉片或輪葉120、130可通過(guò)鑄造方法生產(chǎn)，也可依靠定向凝固，通過(guò)鍛造(forging)方法,通過(guò)切削(milling)方法或它們組合的方法生產(chǎn)。具有單晶結(jié)構(gòu)的工件被用作運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中暴露于高機(jī)械、熱和/或化學(xué)應(yīng)力中的機(jī)器部件。這類(lèi)單晶工件通過(guò)例如熔融材料的定向凝固生產(chǎn)。這涉及液態(tài)金屬合金凝固形成單晶結(jié)構(gòu)(即單晶工件)或定向凝固的鑄造方法。
在該情況下，樹(shù)枝狀晶體沿?zé)崃鞣较蚨ㄏ?，形成柱狀晶粒結(jié)構(gòu)(即具有工件全長(zhǎng)的晶粒，按照常用說(shuō)法，這里稱為定向凝固)或單晶結(jié)構(gòu)，即整個(gè)工件為一個(gè)單晶。在這些方法中，需要避免向球形(多晶)凝固的轉(zhuǎn)變，因?yàn)榉嵌ㄏ虻纳L(zhǎng)不可避免的形成橫向和縱向晶界，其會(huì)有害于定向凝固部件或單晶部件良好的特性。文中一般性地提及定向凝固顯微組織(directionalIy solidifiedmicrostructures)時(shí),其應(yīng)被理解為含義上同時(shí)包括單晶，其不具備任何晶界或至多有小角度晶界，以及柱狀晶體結(jié)構(gòu)，其具有縱向延伸的晶界但沒(méi)有任何橫向晶界。所述第二種晶體結(jié)構(gòu)形式也被稱為定向凝固顯微組織(定向凝固組織)。這類(lèi)方法可由US A 6024792和EP 0892090A1中獲知。葉片或輪葉120、130同樣可具有抗腐蝕性和抗氧化的涂層，例如MCrAlX (M是選自鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)中的至少一種，X是一種活性元素，并表示釔(Y)和/或硅和/或至少一種稀土元素或鉿(Hf))。這類(lèi)合金由 EP 0486489BU EP 0786017B1、EP 0412397B1或EP1306454A1可獲知，所述專利文件在涉及所述合金化學(xué)組成的方面構(gòu)成本發(fā)明公開(kāi)的一部分。其密度優(yōu)選為理論密度的95%。氧化鋁保護(hù)層(TGO=熱生長(zhǎng)氧化層)形成在MCrAlX層上(作為中間層或最外層)。在MCrAlX上也可以存在熱阻擋涂層，該涂層由例如ZrO2、Y2O3-ZrO2組成，即沒(méi)有、部分或全部通過(guò)氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂和/或一種或多種稀土元素(鑭、釓、釔等)穩(wěn)定，所述涂層優(yōu)選為最外層。熱阻擋涂層覆蓋整個(gè)MCrAlX層。通過(guò)適當(dāng)?shù)耐扛卜椒ㄔ跓嶙钃跬繉又行纬芍鶢罹Я?，例如通過(guò)電子束物理氣相沉積法(EB-PVD)形成。可以是其它的涂覆方法，例如大氣等離子體噴涂(APS)、LPPS, VPS、溶液前驅(qū)體等離子體噴涂(SPPS)或CVD。熱阻擋涂層可包含多孔顆粒，其具有顯微裂紋或宏觀裂紋以改善其抗熱沖擊性。因此，熱阻擋涂層優(yōu)選比MCrAlX層更加多孔。葉片或輪葉120、130可為中空或?qū)嵭男问?。如果要冷卻葉片或輪葉120、130，它是空心的且可能還包含薄膜冷卻孔418 (由虛線表示)。圖4以示例方式示出縱向部分截面形式的燃?xì)廨啓C(jī)100。在其內(nèi)部，燃?xì)廨啓C(jī)100具有轉(zhuǎn)子103，也被稱為渦輪轉(zhuǎn)子，其被安裝為可圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸102旋轉(zhuǎn)且具有一個(gè)軸桿101。進(jìn)氣殼(intake housing) 104、壓縮機(jī)105、燃燒室例如潤(rùn)流(toroidal)燃燒室110、特別是環(huán)形燃燒室，其具有多個(gè)同軸排列的燃燒器107、渦輪108以及排氣殼(exhaust-gas housing) 109 沿轉(zhuǎn)子 103 依次排列。環(huán)形燃燒室110與通路例如環(huán)形高溫氣體通路111相連，所述高溫氣體通路111中，舉例來(lái)說(shuō)，四個(gè)相繼的渦輪級(jí)112形成渦輪108。每個(gè)渦輪級(jí)112由例如兩個(gè)葉片或輪葉環(huán)形成。從工作介質(zhì)113流動(dòng)的方向看去，在高溫氣體通路111中，由轉(zhuǎn)子葉片120形成的排(row) 125設(shè)置在導(dǎo)流輪葉排115之后。導(dǎo)流輪葉130固定在定子143的內(nèi)殼體138，而排125的轉(zhuǎn)子葉片120安裝在轉(zhuǎn)子103上，例如，利用渦輪盤(pán)133安裝。發(fā)電機(jī)(未示出)耦接至轉(zhuǎn)子103。 當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)100運(yùn)行的時(shí)候，壓縮機(jī)105通過(guò)進(jìn)氣殼104吸入空氣135并對(duì)其進(jìn)行壓縮。在壓縮機(jī)105渦輪側(cè)末端供給的壓縮空氣通至燃燒器107，在其中與燃料混合。然后混合物在燃燒室110里燃燒形成工作介質(zhì)113。從那里，工作介質(zhì)113沿高溫氣體通路111流動(dòng)經(jīng)過(guò)導(dǎo)流輪葉130和轉(zhuǎn)子葉片120。工作介質(zhì)113在轉(zhuǎn)子葉片120處膨脹，傳送其動(dòng)量，從而轉(zhuǎn)子葉片120驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子103，后者進(jìn)而驅(qū)動(dòng)與其相連的發(fā)電機(jī)。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)100運(yùn)行的時(shí)候，暴露于熱工作介質(zhì)113的部件經(jīng)歷熱應(yīng)力。從工作介質(zhì)113流動(dòng)的方向看，第一渦輪級(jí)112的導(dǎo)流輪葉130和轉(zhuǎn)子葉片120，與襯在環(huán)形燃燒室110里面的隔熱磚一起，經(jīng)歷最高熱應(yīng)力。為耐受那里普遍的溫度，其可通過(guò)冷卻劑冷卻。部件的基底同樣可具有定向結(jié)構(gòu)，S卩，它們是單晶形態(tài)(SX結(jié)構(gòu))或只包含縱向晶粒(DS結(jié)構(gòu))。舉例來(lái)說(shuō)，使用鐵基、鎳基或鈷基的超級(jí)合金作為部件的材料，特別是作為渦輪葉片或輪葉120、130和燃燒室110部件的材料。這類(lèi)超級(jí)合金，例如，從EP 1204776BU EP 1306454、EP1319729A1、WO 99/67435或TO 00/44949中可獲知。導(dǎo)流輪葉130具有面向渦輪108的內(nèi)殼體138的導(dǎo)流輪葉根部(此處未示出)，以及在與導(dǎo)流輪葉根部相反端的導(dǎo)流輪葉頭部。導(dǎo)流輪葉頭部面向轉(zhuǎn)子103，且固定至定子143的固定環(huán)140。開(kāi)發(fā)出一種新改良的可滿足上述要求的涂層。該涂層具有良好的長(zhǎng)期壽命，可接受的機(jī)械性能和改良了的抗氧化性能。這基于鎳基合金中鉭(Ta)的存在，并且優(yōu)選地沒(méi)有錸(Re)的存在。鉭(Ta)穩(wěn)定了具有高Y ’ / Y轉(zhuǎn)變溫度(見(jiàn)圖2)的三相系統(tǒng)U ’ / Y /β)結(jié)構(gòu)。由于鉭(Ta)可穩(wěn)定Y’的高轉(zhuǎn)變溫度，所述Y’的轉(zhuǎn)變溫度高于粘合層的服役溫度，所以這也可降低局部應(yīng)力。因此,涂層中優(yōu)選地?zé)o需鉿(Hf)、娃(Si)或錯(cuò)(Zr)。非常好的結(jié)果示出了可獲得所建議的具有提高了的Y ’轉(zhuǎn)換溫度的三相系統(tǒng)的下列元素組合物Ni-23Co-17Cr-10Al-2Ta-0. 3Y。由于沒(méi)有鉭的添加，含有錸(Re)且不含鉭(Ta)的組合物(Ni-25Co-17Cr-10Al-l. 5Re_Y)具有較低的 Y，"轉(zhuǎn)變溫度(見(jiàn)圖 I)。
粘合層優(yōu)選為添加了鈷(Co)、鉻(Cr)、鋁(Al)和任選的釔(Y)的鎳(Ni)基超級(jí)合金，優(yōu)選由這些元素組成。
尤其優(yōu)選其為MCrAH合金，其中M = Ni、Co。優(yōu)選地，合金不包含鑰(Mo)和/或鎢(W)和/或鈮(Nb)。
權(quán)利要求
1.一種金屬涂層或合金，其為鎳基，且含有Y和Y’相以及可選的β相，其特征為所述涂層或所述合金包含鉭(Ta)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的涂層或合金，其中所述鉭的量在O. lwt%至7wt%之間，特別是≥Iwt%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的涂層或合金，其中所述金屬涂層或所述合金包含至少lwt%的鈷(Co)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的金屬涂層或合金，其中所述金屬涂層包含至少的鉻(Cr)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4的金屬涂層或合金，其中所述金屬涂層或所述合金包含至少的鋁(Al)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5的金屬涂層或合金，其中所述金屬涂層或所述合金包含至少O. Iwt%的乾(Y)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5或6的金屬涂層或合金，其中所述鈷(Co)的量在15wt%至30wt%的范圍內(nèi)，特別是在18et%至27wt%之間，尤其特別是在2Iwt%至24wt%之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、6或7的金屬涂層或合金，其中所述鉻(Cr)的量在12￥七％至22￥七％之間，尤其特別是在15wt%至19wt%之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、6、7或8的金屬涂層或合金，其中所述招(Al)的量在5wt%至15wt%之間，尤其特別是在8wt%至12wt%之間。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)的金屬涂層或合金，其中所述乾⑴的量在O. lwt%至O. 7wt%之間。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)的金屬涂層或合金，其中所述金屬涂層或所述合金不含錸(Re)。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求I至10的一項(xiàng)或多項(xiàng)的金屬涂層或合金，其中所述金屬涂層或所述合金包含O. Iwt%至2wt%的錸(Re)。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)的金屬涂層或合金，其中所述金屬涂層或所述合金為MCrALY合金,其中M =鎳(Ni)和/或鈷(Co)。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)的金屬涂層或合金，其與含有錸(Re)且不含鉭的NiCoCrAH合金或涂層相比具有較高γ/γ’轉(zhuǎn)變。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的涂層或合金，其不包含硅(Si)，和/或鉿(Hf)和/或鋯(Zr)。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的涂層或合金，其包含β相。
17.根據(jù)上述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的涂層或合金，其由鎳(Ni)、鈷(Co)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鉭(Ta)以及可選的釔(Y)組成。
18.根據(jù)上述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的涂層或合金，其不含鐵(Fe)。
19.一種部件，其包含根據(jù)權(quán)利要求I至18的任一項(xiàng)的金屬涂層。
全文摘要
在鎳基涂層中鉭的添加穩(wěn)定了高溫下的γ/γ’相，導(dǎo)致了局部應(yīng)力的降低。
文檔編號(hào)C23C4/08GK102822365SQ201080065644
公開(kāi)日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2010年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日
發(fā)明者阿南德·A·庫(kù)爾卡尼, 喬納森·E·希佩爾, 沃納·斯塔姆 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司