專利名稱：反應(yīng)抑制渦輪葉片的制作方法
發(fā)明
背景技術(shù)：
領(lǐng)域本發(fā)明涉及提高Ni基超合金的耐氧化性同時抑制二次反應(yīng)層(SRZ)產(chǎn)生的反應(yīng)抑制渦輪葉片。
背景技術(shù)：
為了使航空發(fā)動機的輸出功率、效率提高，高溫構(gòu)件的高溫化、高強度化是必要的。特別是應(yīng)用于渦輪葉片的Ni基超合金，由于高溫強度、高溫延展性、耐氧化性優(yōu)良，故其特性提高對發(fā)動機性能提高的作用大，為適應(yīng)于渦輪入口溫度的升高或冷卻空氣量的削減等則希望進一步高溫化。
Ni基超合金的鑄造方法在由普通鑄造向單向凝固鑄造、單晶鑄造逐步發(fā)展。尤其是單晶超合金通過添加重元素實現(xiàn)析出γ’相強化或固溶強化等，按照Re的含量進行了第1代(不含Re)、第2代(Re約3重量％)、第3代(Re5～6重量％)的開發(fā)。表1中示出從第1代到第3代的代表性的單晶超合金及其組成。
代表性的Ni基SC超合金及其化學(xué)組成

第3代單晶超合金其耐用溫度最高，適用于尖端的航空發(fā)動機的渦輪葉片。然而，如圖1A所示，這些合金在高溫長時間使用時產(chǎn)生被稱作TCP相的針狀的有害相，存在強度隨這種TCP相的增加而降低的問題。
為了解決該問題，本申請發(fā)明人開發(fā)了通過添加Ru抑制TCP相，使高溫長時間的組成穩(wěn)定性提高的第4代單晶超合金TMS-138。圖1B是該TMS-138蠕變斷裂后的組織，表明TCP相得到抑制。并且，還確認TMS-138蠕變耐用溫度、高循環(huán)疲勞強度及低循環(huán)疲勞強度特別優(yōu)良。表2示出了TMS-138單晶超合金的標(biāo)稱的組成。
TMS-138的化學(xué)組成

此外，專利文獻1及非專利文獻1公開了單晶超合金，專利文獻2、3及非專利文獻2公開了TCP相及SRZ。
專利文獻2的“DIFFUSION BARRIER LAYER”是在Ni基單晶合金(SC)上施用施擴散隔離涂層，通過施用鋁擴散涂布使涂層的耐氧化性提高。
專利文獻3的“A method of aluminising a superalloy”利用隔離層抑制在鋁擴散涂層和Sc界面生成的TCP相或SRZ。
日本特開平11-131163號公報，《Ni基單晶合金及其制造方法》[專利文獻2]美國專利第6306524號說明書[專利文獻3]歐洲專利申請第0821076號說明書[非專利文獻1]青木 祥宏等，航空發(fā)動機用渦輪葉片材料開發(fā)的現(xiàn)狀和課題，耐熱金屬材料123委員會研究報告Vol.43 No.3[非專利文獻2]W.S.Walston等人，“A NEW TYPE OF MICROSTRUCTURALINSTABILITY IN SUPERALLOYS-SRZ”，Superalloys 1996
對于渦輪轉(zhuǎn)動葉片，為了防止高溫氧化必須在表面施用耐氧化涂布，迄今一直使用鋁擴散涂層。然而，上述的單晶超合金(TMS-138)作為供試材料進行鋁擴散涂布后，進行氧化試驗和斷裂試驗的結(jié)果，如圖2A和圖2B所示，即使涂布也同樣地產(chǎn)生SRZ，如圖4所示，表明蠕變斷裂壽命大幅度地降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決所述問題而提出的。即，本發(fā)明的目的在于提供可提高Ni基超合金的耐氧化性同時抑制SRZ產(chǎn)生的反應(yīng)抑制渦輪葉片。
本發(fā)明提供反應(yīng)抑制渦輪葉片，其特征在于在施用鋁擴散涂布之前，在Ni基超合金的表面上涂布含有Co、Cr、Ru或以它們?yōu)橹饕煞值暮辖鸬姆磻?yīng)抑制材料。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實施方案，前述反應(yīng)抑制材料是純Co、純Cr、純Ru，Co-Cr系合金、Co-Ru系合金、Cr-Ru系合金、Co固溶體、Cr固溶體或Ru固溶體。另外還優(yōu)選前述反應(yīng)抑制材料是僅以Co和Ru為主要成分，0～10原子％Co、90～100原子％Ru，或50～80原子％Co、20～50原子％Ru的合金或固溶體。進一步優(yōu)選前述反應(yīng)抑制材料是僅以Co和Ru為主要成分，組成比(原子％比)為Co∶Ru＝5∶95、10∶90、50∶50或80∶20的合金或固溶體。
還優(yōu)選前述Ni基超合金是含Re約5～6重量％的單晶超合金、或還含Ru的單晶超合金。再優(yōu)選前述Ni基超合金是含Re約6重量％以上的單晶超合金、或還含Ru的單晶超合金。
另外，特別優(yōu)選前述Ni基超合金是含Re約5％、Ru約2％的TMS-138合金，前述反應(yīng)抑制材料是以Co和Ru為主要成分的Co-Ru系合金。再優(yōu)選前述Ni基超合金是含Re約5～7％、Ru約4～7％的TMS合金，前述反應(yīng)抑制材料是以Co和Ru為主要成分的Co-Ru系合金。
根據(jù)上述本發(fā)明的方法，通過實施例可確認在施用鋁擴散涂布前通過涂布反應(yīng)抑制材料，可提高構(gòu)成渦輪葉片的Ni基超合金的耐氧化性，同時抑制SRZ的產(chǎn)生。
另外，該反應(yīng)抑制涂層對由于鋁擴散涂布而存在產(chǎn)生SRZ傾向的第3代及第4代單晶超合金特別有效。
可以從以下的參照附圖的說明中明確本發(fā)明的其它的目的以及特征。


圖1A和圖1B是表示以往的蠕變斷裂后的組織的圖。
圖2A和圖2B是表示以往的鋁擴散涂布試驗片的氧化試驗結(jié)果的圖。
圖3A是Al擴散涂層氧化試驗后截面微觀組織的SEM圖像，圖3B是其Ru分布圖。
圖4是板厚與蠕變斷裂壽命的關(guān)系圖。
圖5A和圖5B是表示在條件B下涂布純Ru后施用鋁擴散涂布的試驗片的氧化試驗前后截面組織的圖。
圖6A和圖6B是表示在條件B下涂布Co-Ru合盒后施用鋁擴散涂布的試驗片的氧化試驗前后截面組織的圖。
圖7A和圖7B是表示僅施用鋁擴散涂層的試驗片的氧化試驗前后截面組織的圖。
圖8是氧化試驗后附著層厚度的比較圖。
圖9是氧化試驗后擴散層厚度的第1比較圖。
圖10是氧化試驗后SRZ(二次反應(yīng)層)厚度的第1比較圖。
圖11是氧化試驗后各試驗片重量減少量的比較圖。
圖12是氧化試驗后擴散層厚度的第2比較圖。
圖13是氧化試驗后SRZ(二次反應(yīng)層)厚度的第2比較圖。
具體實施例方式
首先說明本發(fā)明的構(gòu)思。
通常，Ni基單晶超合金稱作所謂的析出硬化型合金，具有在作為母相的γ相中作為析出相的γ’相析出的形態(tài)。另一方面，SRZ的母相為γ’相，有在母相內(nèi)γ相和TCP相析出的形態(tài)。
如果在單晶超合金表面施用Al擴散涂布，則超合金側(cè)的形態(tài)變成SRZ的形態(tài)。此時作為超合金的析出相的γ’相粗大化而成為SRZ的母相。
本發(fā)明為了既抑制TCP相又抑制γ’相的粗大化而使用Ru。
圖3A是Al擴散涂層氧化試驗后截面微觀組織的SEM圖像，圖3B是其Ru分布圖。圖3B中白的部分是大量含Ru的部分。
由該圖可知，由于Al擴散涂布而存在Ru向涂層的附著層側(cè)移動的問題。因此，本發(fā)明為了抑制該Ru(不僅包括反應(yīng)抑制涂層中使用的Ru而且也包括超合金中含的Ru)的移動故使用Co、Cr。此外為了提高Ru的施工性而使用Co、Cr。
再者，為了抑制Al的擴散也使用這些元素(Ru、Co、Cr)。
本發(fā)明的反應(yīng)抑制渦輪葉片是通過最佳地配合這些元素而達到各個目的的。再者，反應(yīng)抑制涂層的施工厚度優(yōu)選1～60微米，更優(yōu)選1～20微米，進一步優(yōu)選1～10微米。
以下，參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明。再者，各圖中相同的部分帶有相同的符號，省去重復(fù)的說明。
為了使TMS-138合金等的單晶超合金適用于實際機器的渦輪葉片，必須確立耐氧化涂層系統(tǒng)。因此，實施了耐氧化涂層引起的母材蠕變壽命降低的研究工作和反應(yīng)抑制涂層的評價試驗。
如上述，使用薄板試驗片研究了鋁擴散涂層對TMS-138合金的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于SRZ的產(chǎn)生而存在蠕變斷裂壽命降低的問題。
該試驗使用改變母材板厚的試驗片，明確涂布所致的壽命降低與板厚的關(guān)系，同時實施具有抑制施用鋁擴散涂布時SRZ產(chǎn)生的可能性的種種涂布，對該涂布所致SRZ的抑制狀況進行了評價。以下，由于抑制SRZ的生成故把涂布稱為反應(yīng)抑制涂布(RC涂布)。
(試驗條件)(1)耐氧化涂層引起的母材蠕變壽命降低的研究試驗制作1～3mm板厚不同的試驗片后，施用鋁擴散涂布(含時效擴散)，實施蠕變斷裂試驗。蠕變斷裂試驗按照ASTM E139進行實施。試驗條件是1373K、137MPa。另外，作為對比試驗，對沒有施用鋁擴散涂布的試驗片(裸材試驗片)也在相同條件實施試驗。
(2)反應(yīng)抑制涂布試驗在直徑20mm、厚度2～3mm的TMS-138合金的試驗片上施用具有抑制SRZ可能性的7種RC涂層，然后施用與(1)相同的鋁擴散涂層，制作試驗片。把RC涂層的種類示于表3。
RC涂層條件

施用RC涂布后，在施用鋁擴散涂布之前使用2種((A)擴散時間長、(B)擴散時間短)條件，使RC涂層材料向母材擴散。為了確認抑制SRZ的生成，故實施500小時的氧化試驗。也測定了氧化試驗后的500小時后的重量變化。
為了減少初期狀態(tài)下的表面起伏、殘留應(yīng)力的影響，故在施用RC涂布之前，使用800號砂紙對試驗片表面進行拋光。以下示出有關(guān)氧化試驗條件。另外，氧化試驗后，通過觀察截面組織對SRZ的抑制狀況進行評價。
氧化試驗條件試驗溫度1373K試驗時間0、500小時氣氛大氣(試驗結(jié)果)(1)耐氧化涂層引起的母材的蠕變壽命降低圖4表示板厚與蠕變斷裂壽命比較。各壽命的值使用各測定壽命除以裸材的平均壽命的值。即使板厚變化，裸材的壽命也基本上恒定，但涂層施用材料的壽命隨板厚變薄而減少。根據(jù)該圖，將涂層施用材料的厚度進行對數(shù)換算的值與將壽命進行對數(shù)換算的值可以用線性函數(shù)表示。外推涂層的影響可忽略不計的值時，預(yù)測最小板厚、最小面積約為6mm、18mm2。
(2)反應(yīng)抑制涂布的評價圖5A、B與圖6A、B表示施用RC涂布+鋁擴散涂布的試驗片的氧化試驗前后截面觀察結(jié)果的例子。為了進行比較，圖7A和圖7B表示僅施用鋁擴散涂布的試驗片截面觀察結(jié)果。所有的氧化試驗前的截面均沒有觀察到SRZ，但所有的氧化試驗后的截面均觀察到SRZ。
為了進行定量評價，把各截面的涂層(附著層、擴散層)的厚度和SRZ的厚度的值用僅施用鋁擴散涂層的試驗片截面的各值進行無量綱化。
圖8～圖10是按不同RC涂層種類，將附著層、擴散層、SRZ的無量綱化的值匯總的圖。另外，各圖中橫軸以無RC涂層的情況為100。此外，(A)(B)表示施用鋁擴散涂布之前的擴散時間的差別(A擴散時間長、B擴散時間短)。
評價的涂層材料可大致分成Co系(Co、Co-Cr、Co-Ru)、Cr系(Cr、Co-Cr、Cr-Ru)、Ru系(Ru、Co-Ru、Cr-Ru)、三元系(Co-Cr-W)。以下，把這些涂層材料稱為“反應(yīng)抑制材料”。
圖8是氧化試驗后的附著層厚度的比較圖。由該圖可知純Co(B)和Co-Ru系合金的附著層厚度明顯地小。
圖9是氧化試驗后的擴散層厚度的第1比較圖。由該圖可知純Co(A)(B)和Co-Ru系合金(A)(B)的擴散層厚度明顯地小。
圖10是氧化試驗后的SRZ(二次反應(yīng)層)的厚度的第1比較圖。由該圖可知Co-Ru系合金(B)與Co-Cr-W合金(B)的二次反應(yīng)層厚度明顯地小。
如圖10所示，使用Co-Ru作為Rc涂層時，如果與僅施用鋁擴散涂布的試驗片截面的SRZ厚度進行比較，則得到抑制約30％的結(jié)果。這被認為是發(fā)生了鋁元素的擴散抑制、或涂層的穩(wěn)定化，SRZ的生長得到抑制。另外，通過改變涂布條件(厚度、溫度等)，其他的反應(yīng)抑制材料也可以期待同樣的效果。
圖11表示對氧化試驗后的各試驗片重量減少量進行比較的圖。重量減少量使用將測定的重量減少量用裸試驗片(沒有施用涂層的材料)的重量減少量進行無量綱化的值。如果與裸材試驗片的重量減少量進行比較，則施用RC涂層的所有的試驗片的重量減少量為1％左右。另外，由于重量減少量的絕對量小，故可以說各涂層的耐氧化性優(yōu)良。
使用表4所示的RC涂層，在與實施例1相同的條件下實施反應(yīng)抑制涂布試驗。
RC涂層條件

圖12是氧化試驗后的擴散層厚度的第2比較圖。由該圖可知50原子％Co-50原子％Ru的擴散層厚度明顯地小。
圖13是氧化試驗后的SRZ(二次反應(yīng)層)厚度的第2比較圖。由該圖可知50原子％Co-50原子％Ru和10原子％Co-90原子％Ru的二次反應(yīng)層厚度明顯地小。
如以上所述，通過實施例可確認在施用鋁擴散涂布之前通過涂布反應(yīng)抑制材料，可提高構(gòu)成渦輪葉片的Ni基超合金的耐氧化性，同時抑制二次反應(yīng)層的產(chǎn)生。即，可知利用該涂布(反應(yīng)抑制涂布)，不僅抑制TCP相、SRZ，而且也提高鋁擴散涂層的耐氧化性。另外，該反應(yīng)抑制涂布對有由于鋁擴散涂布而產(chǎn)生二次反應(yīng)層的傾向的第3代及第4代的單晶超合金特別有效。
因此，本發(fā)明的反應(yīng)抑制渦輪葉片具有可以提高Ni基超合金的耐氧化性同時抑制二次反應(yīng)層產(chǎn)生等的優(yōu)異效果。
此外，本發(fā)明當(dāng)然不限定于上述的實施例及實施方式，可以在不脫離本發(fā)明要旨的范圍內(nèi)進行種種變更。
權(quán)利要求
1.反應(yīng)抑制渦輪葉片，其特征在于在Ni基超合金的表面上施用鋁擴散涂布之前，涂布包含Co、Cr、Ru或以它們?yōu)橹饕煞值暮辖鸬姆磻?yīng)抑制材料。
2.權(quán)利要求1所述的反應(yīng)抑制渦輪葉片，其特征在于前述反應(yīng)抑制材料是純Co、純Cr、純Ru、Co-Cr系合金、Co-Ru系合金、Cr-Ru系合金、Co固溶體、Cr固溶體、或Ru固溶體。
3.權(quán)利要求1所述的反應(yīng)抑制渦輪葉片，其特征在于前述反應(yīng)抑制材料是僅以Co和Ru為主要成分，0～10原子％Co、90～100原子％Ru、或50～80原子％Co、20～50原子％Ru的合金或固溶體。
4.權(quán)利要求1所述的反應(yīng)抑制渦輪葉片，其特征在于前述反應(yīng)抑制材料是僅以Co和Ru為主要成分，組成比(原子％比)為Co∶Ru＝5∶95、10∶90、50∶50、或80∶20的合金或固溶體。
5.權(quán)利要求1所述的反應(yīng)抑制渦輪葉片，其特征在于前述Ni基超合金是含Re約5～6重量％的單晶超合金、或還含Ru的單晶超合金。
6.權(quán)利要求1所述的反應(yīng)抑制渦輪葉片，其特征在于前述Ni基超合金是含Re約6重量％以上的單晶超合金、或還含Ru的單晶超合金。
7.權(quán)利要求1所述的反應(yīng)抑制渦輪葉片，其特征在于前述Ni基超合金是含Re約5％、Ru約2％的TMS-138合金，前述反應(yīng)抑制材料是以Co和Ru為主要成分的Co-Ru系合金。
8.權(quán)利要求1所述的反應(yīng)抑制渦輪葉片，其特征在于前述Ni基超合金是含Re約5～7％、Ru約4～7％的TMS合金，前述反應(yīng)抑制材料是以Co和Ru為主要成分的Co-Ru系合金。
全文摘要
在Ni基超合金的表面施用鋁擴散涂布之前，涂布包含Co、Cr、Ru或以它們?yōu)橹饕煞值暮辖鸬姆磻?yīng)抑制材料。由此，可以提高Ni基超合金的耐氧化性同時抑制二次反應(yīng)層的產(chǎn)生。
文檔編號F01D5/28GK1798860SQ200480015048
公開日2006年7月5日 申請日期2004年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月30日
發(fā)明者青木祥宏, 佐藤彰洋 申請人:石川島播磨重工業(yè)株式會社