МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СУПЕРСПЛАВ НА ОСНОВЕ Ni И ВКЛЮЧАЮЩАЯ ЕГО ЛОПАТКА ТУРБИНЫ
SINGLE-CRYSTALLINE SUPERALLOY BASED ON Ni AND TURBINE BLADE COMPRISING IT

Область техники
[0001] Данное изобретение относится к монокристаллическому суперсплаву на основе Ni (жаропрочному сплаву на основе никеля) и включающей его лопатке турбины. Данная заявка испрашивает приоритет по заявке на патент Японии № 2009-100903, поданной 17 апреля 2009 г. в Японии, содержание которой включено сюда посредством ссылки.
Уровень техники
3
[0002] Лопатки турбины (лопатки статора и лопатки ротора) авиационных двигателей, промышленных газовых турбин и других систем часто функционируют в высокотемпературных средах в течение длительного времени и поэтому выполнены из монокристаллического суперсплава на основе Ni, который обладает превосходной жаропрочностью. Монокристаллический суперсплав на основе Ni изготавливают следующим образом. Первоначально к Ni-ой основе добавляют Al, чтобы вызвать выделение NiAl для дисперсионного упрочнения. Затем добавляют тугоплавкие металлы, такие как Cr, W и Та, чтобы образовать сплав, который формируют в виде монокристалла. Монокристаллический суперсплав на основе Ni приобретает структуру металла, подходящую для упрочнения посредством термообработки на твердый раствор при заданной температуре и последующей термообработки старением. Суперсплавом называется дисперсионно твердеющий сплав, который имеет кристаллическую структуру с дисперсной фазой (т.е. γ'-фазой), диспергированной и выделенной в матрице (т.е. γ-фазе).
[0003] Что касается монокристаллического суперсплава на основе Ni, то были разработаны суперсплавы первого поколения, которые вообще не содержат Re, суперсплавы второго поколения, которые содержат примерно 3 мас.% Re, и суперсплавы третьего поколения, которые содержат от 5 мас.% или более до 6 мас.% или менее Re. Суперсплавы более поздних поколений приобрели повышенное сопротивление ползучести. Например, монокристаллическим суперсплавом на основе Ni первого поколения является CMSX-2 (Cannon-Muskegon Corporation, см. патентный документ 1), монокристаллическим суперсплавом на основе Ni второго поколения является CMSX-4 (Cannon Muskegon Corporation, см. патентный документ 2), а монокристаллическим суперсплавом на основе Ni третьего поколения является CMSX-10 (Cannon Muskegon Corporation, см. патентный документ 3).
[0004] Целью монокристаллического суперсплава на основе Ni третьего поколения, CMSX-10, является повышение сопротивления ползучести в высокотемпературных средах по сравнению с монокристаллическим суперсплавом на основе Ni второго поколения. Однако монокристаллический суперсплав на основе Ni третьего поколения имеет высокое содержание Re в 5 мас.% или более, которое превышает предел растворимости Re в твердом состоянии по отношению к матрице (γ-фазе). Избыток Re может объединяться с другими элементами в высокотемпературных средах и в результате может выделяться так называемая топологически плотноупакованная (ТПУ) фаза. Лопатка турбины, включающая в себя монокристаллический суперсплав на основе Ni третьего поколения, может приобретать увеличенное количество ТПУ-фазы при работе в течение длительного времени в высокотемпературных средах, что может ухудшить сопротивление ползучести.
[0005] Для того чтобы решить эти проблемы, был разработан монокристаллический суперсплав на основе Ni, обладающий более высокой прочностью в высокотемпературных средах. В такой суперсплав добавлен Ru для регулирования ТПУ-фазы, а соотношения других входящих в состав элементов устанавливаются в оптимальных интервалах с тем, чтобы обеспечить оптимальную постоянную решетки матрицы (γ-фазы) и оптимальную постоянную решетки выделения (γ'-фазы).
[0006] А именно, были разработаны монокристаллические суперсплавы на основе Ni четвертого поколения, которые содержат примерно 3 мас.% Ru, и монокристаллические суперсплавы на основе Ni пятого поколения, которые содержат 4 мас.% или более Ru. Суперсплавы более поздних поколений приобрели повышенное сопротивление ползучести. Например, примерным монокристаллическим суперсплавом на основе Ni четвертого поколения является TMS-138 (National Institute for Materials Science (NIMS) и IHI Corporation, см. патентный документ 4), а примерным монокристаллическим суперсплавом на основе Ni пятого поколения является TMS-162 (NIMS и IHI Corporation, см. патентный документ 5).
[0007] Однако, для того чтобы повысить сопротивление ползучести в высокотемпературных средах, монокристаллические суперсплавы на основе Ni четвертого и пятого поколений включают большое количество тяжелого металла, такого как W и Re, и, соответственно, имеют высокий удельный вес по сравнению с монокристаллическими суперсплавами на основе Ni первого и второго поколений. В результате, лопатка турбины, включающая в себя монокристаллический суперсплав на основе Ni четвертого или пятого поколения, обладает превосходной прочностью в высокотемпературных средах, однако, поскольку вес лопатки увеличен, то имеют место проблемы, заключающиеся в том, что окружная скорость лопатки турбины может быть уменьшена, а вес авиационного двигателя и промышленной газовой турбины может быть увеличен.
[0008] Для того чтобы решить эти проблемы, был разработан монокристаллический суперсплав на основе Ni, который имеет низкий удельный вес по сравнению с монокристаллическими суперсплавами на основе Ni четвертого и пятого поколений, хотя его сопротивление ползучести в высокотемпературных средах остается высоким, посредством установления содержания W в оптимальных интервалах, подходящих для поддержания превосходного сопротивления ползучести в высокотемпературных средах, и посредством установления интервала содержания, подходящего для структурной устойчивости, вместе с уменьшением количества W, который имеет высокий удельный вес (см. патентный документ 6).
[0009] Кроме того, в последние годы был разработан монокристаллический суперсплав на основе Ni, который имеет высокое содержание Re по сравнению с вышеописанными обычными монокристаллическими суперсплавами на основе Ni (конкретнее, содержание Re составляет более чем 8 мас.%) (см. непатентный документ 1). В непатентном документе 1 этот монокристаллический суперсплав на основе Ni называется высокорениевым монокристаллическим суперсплавом на основе Ni и включает 9 мас.% Re в компонентном составе, показанном в Таблице 1 непатентного документа 1.
Патентные документы
[0010]
Патентный документ 1: Патент США № 4582548
Патентный документ 2: Патент США № 4643782
Патентный документ 3: Патент США № 5366695
Патентный документ 4: Патент США № 6966956
Патентный документ 5: Публикация заявки на патент США № 2006/0011271
Патентный документ 6: Публикация международной заявки на патент № WO2008/111585
Непатентный документ
[0011]
Непатентный документ 1: E.N.Kablov, N.V.Petrushin, "DESIGNING OF HIGH-RHENIUM SINGLE CRYSTAL NI-BASE SUPERALLOY FOR GAS TURBINE BLADES", in Superalloys 2008 (Russia), Publ. of TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), 2008, pp.901-908.
Раскрытие изобретения
Задача, решаемая изобретением
[0012] Для того чтобы разработать монокристаллический суперсплав на основе Ni, который может обладать превосходным сопротивлением ползучести в высокотемпературных средах по сравнению с обычными сплавами, ожидается, что содержание Re в сплаве должно быть увеличено, как описано в непатентном документе 1. Поэтому желательно разработать монокристаллический суперсплав на основе Ni, который имеет более высокое содержание Re, чем обычное содержание в 8 мас.%, для того чтобы улучшить сопротивление ползучести лопатки турбины в высокотемпературных средах. Кроме того, поскольку этот монокристаллический суперсплав на основе Ni включает большое по сравнению с обычными сплавами количество Re, который является тяжелым металлом, также желательно разработать монокристаллический суперсплав на основе Ni, обладающий превосходным сопротивлением ползучести на единицу веса, т.е. обладающий превосходным удельным сопротивлением ползучести, для того чтобы предоставить лопатку турбины, которая является легкой и эксплуатируется при более высоких температурах.
[0013] Принимая во внимание эти обстоятельства, целью данного изобретения является предоставление монокристаллического суперсплава на основе Ni, который включает большое количество Re и обладает превосходным удельным сопротивлением ползучести, и включающей его лопатки турбины.
Средства для решения задачи
[0014] Авторы изобретения провели тщательные исследования и обнаружили, что монокристаллический суперсплав на основе Ni, который включает больше Re, чем обычный сплав, и обладает улучшенным сопротивлением ползучести в высокотемпературных средах и который имеет низкий удельный вес по сравнению с монокристаллическими суперсплавами на основе Ni четвертого и пятого поколений, может быть получен посредством (1) модификации соотношения компонентов с учетом структурной устойчивости и регулирования ТПУ-фазы наряду с увеличением содержания Re до величины более 8 мас.%, и (2) установления интервала состава, подходящего для поддержания превосходного сопротивления ползучести в высокотемпературных средах, наряду с включением Re, который регулирует ТПУ-фазу, и уменьшением количества W, который имеет высокий удельный вес, и создали данное изобретение.
[0015] А именно, данное изобретение имеет следующие аспекты.
(1) Монокристаллический суперсплав на основе Ni, который имеет следующий состав: Со: от 0,0 мас.% или более до 15,0 мас.% или менее, Cr: от 4,1 до 8,0 мас.%, Mo: от 2,1 до 4,5 мас.%, W: от 0,0 до 3,9 мас.%, Та: от 4,0 до 10,0 мас.%, Al: от 4,5 до 6,5 мас.%, Ti: от 0,0 до 1,0 мас.%, Hf: от 0,00 до 0,5 мас.%, Nb: от 0,0 до 3,0 мас.%, Re: от 8,1 до 9,9 мас.% и Ru: от 0,5 до 6,5 мас.% при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.
(2) Монокристаллический суперсплав на основе Ni, который имеет следующий состав: Со: от 0,0 до 15,0 мас.%, Cr: от 5,1 до 8,0 мас.%, Мо: от 2,1 до 4,5 мас.%, W: от 0,0 до 3,9 мас.%, Та: от 4,0 до 10,0 мас.%, Al: от 4,5 до 6,5 мас.%, Ti: от 0,0 до 1,0 мас.%, Hf: от 0,00 до 0,5 мас.%, Nb: от 0,0 до 3,0 мас.%, Re: от 8,1 до 9,9 мас.% и Ru: от 0,5 до 6,5 мас.% при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.
(3) Монокристаллический суперсплав на основе Ni, который имеет следующий состав: Со: от 4,0 до 9,5 мас.%, Cr: от 4,1 до 8,0 мас.%, Мо: от 2,1 до 4,5 мас.%, W: от 0,0 до 3,9 мас.%, Та: от 4,0 до 10,0 мас.%, Al: от 4,5 до 6,5 мас.%, Ti: от 0,0 до 1,0 мас.%, Hf: от 0,00 до 0,5 мас.%, Nb: от 0,0 до 3,0 мас.%, Re: от 8,1 до 9,9 мас.% и Ru: от 0,5 до 6,5 мас.% при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.
(4) Монокристаллический суперсплав на основе Ni, который имеет следующий состав: Со: от 4,0 до 9,5 мас.%, Cr: от 5,1 до 8,0 мас.%, Мо: от 2,1 до 4,5 мас.%, W: от 0,0 до 3,9 мас.%, Та: от 4,0 до 10,0 мас.%, Al: от 4,5 до 6,5 мас.%, Ti: от 0,0 до 1,0 мас.%, Hf: от 0,00 до 0,5 мас.%, Nb: от 0,0 до 3,0 мас.%, Re: от 8,1 до 9,9 мас.% и Ru: от 0,5 до 6,5 мас.% при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.
(5) Монокристаллический суперсплав на основе Ni, который имеет следующий состав: Со: от 0,0 до 15,0 мас.%, Cr: от 4,1 до 8,0 мас.%, Мо: от 2,1 до 4,5 мас.%, W: от 0,0 до 2,9 мас.%, Та: от 4,0 до 10,0 мас.%, Al: от 4,5 до 6,5 мас.%, Ti: от 0,0 до 1,0 мас.%, Hf: от 0,00 до 0,5 мас.%, Nb: от 0,0 до 3,0 мас.%, Re: от 8,1 до 9,9 мас.% и Ru: от 0,5 до 6,5 мас.% при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.
(6) Монокристаллический суперсплав на основе Ni, который имеет следующий состав: Со: от 0,0 до 15,0 мас.%, Cr: от 4,1 до 8,0 мас.%, Мо: от 2,1 до 4,5 мас.%, W: от 0,0 до 1,9 мас.%. Та: от 4,0 до 10,0 мас.%, Al: от 4,5 до 6,5 мас.%, Ti: от 0,0 до 1,0 мас.%, Hf: от 0,00 до 0,5 мас.%, Nb: от 0,0 до 3,0 мас.%, Re: от 8,1 до 9,9 мас.% и Ru: от 0,5 до 6,5 мас.% при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.
(7) Монокристаллический суперсплав на основе Ni, который имеет следующий состав: Со: от 4,0 до 9,5 мас.%, Cr: от 5,1 до 8,0 мас.%, Мо: от 2,1 до 4,5 мас.%, W: от 0,0 до 1,9 мас.%, Та: от 4,0 до 6,5 мас.%, Al: от 4,5 до 6,5 мас.%, Ti: от 0,0 до 0,5 мас.%, Hf: от 0,00 до 0,5 мас.%, Nb: от 0,0 до 1,0 мас.%, Re: от 8,1 до 9,9 мас.% и Ru: от 4,0 до 6,5 мас.% при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.
(8) Монокристаллический суперсплав на основе Ni, который имеет следующий состав: Со: от 4,0 до 9,5 мас.%, Cr: от 5,1 до 6,5 мас.%, Мо: от 2,1 до4,0 мас.%, W: от 0,0 до 1,9 мас.%, Та: от 4,0 до 6,0 мас.%, Al: от 5,0 до 6,0 мас.%, Ti: от 0,0 до 0,5 мас.%, Hf: от 0,00 до 0,5 мас.%, Nb: от 0,0 до 1,0 мас.%, Re: от 8,1 до 9,0 мас.% и Ru: от 4,0 до 6,5 мас.% при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.
(9) Монокристаллический суперсплав на основе Ni по любому из вышеуказанных пунктов с (1) по (8), дополнительно включающий по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из В, С, Si, Y, La, Се, V и Zr.
(10) Монокристаллический суперсплав на основе Ni по вышеуказанному пункту (9), при этом выбранные компоненты содержатся в следующем составе: В: 0,05 мас.% или менее, С: 0,15 мас.% или менее, Si: 0,1 мас.% или менее, Y: 0,1 мас.% или менее, La: 0,1 мас.% или менее, Се: 0,1 мас.% или менее, V: 1 мас.% или менее и Zr: 0,1 мас.% или менее.
(11) Лопатка турбины, которая включает в себя монокристаллический суперсплав на основе Ni по любому из вышеуказанных пунктов с (1) по (10).
Эффекты изобретения
[0016] Как описано выше, в соответствии с данным изобретением превосходное сопротивление ползучести в высокотемпературных средах может быть сохранено без увеличения удельного веса монокристаллического суперсплава на основе Ni, который включает более чем 8 мас.% Re в составе компонентов. Поэтому лопатка турбины, включающая в себя такой монокристаллический суперсплав на основе Ni, может быть сделана легкой и может эксплуатироваться при более высоких температурах.
Краткое описание чертежей
[0017] Фиг. 1 представляет собой вид в перспективе примерной лопатки турбины, включающей в себя монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.
Фиг. 2 представляет собой типичную диаграмму, показывающую соотношение между содержанием Re и удельным весом в примерах и сравнительных примерах, показанных в Таблице 1.
Фиг. 3 представляет собой график, показывающий время разрушения при ползучести в примерах и сравнительном примере согласно патентному документу 1, показанных в Таблице 1.
Фиг. 4 представляет собой полученный моделированием график, показывающий зависимость между содержанием Мо и скоростью ползучести в монокристаллическом суперсплаве на основе Ni, который имеет средний состав из примеров данного изобретения.
Фиг. 5 представляет собой полученный моделированием график, показывающий зависимость между содержанием Мо и временем начала выделения ТПУ-фазы в монокристаллическом суперсплаве на основе Ni, который имеет средний состав из примеров данного изобретения.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
[0018] Далее в описании будут представлены со ссылками на чертежи подробные пояснения реализации монокристаллического суперсплава на основе Ni и включающей его лопатки турбины в соответствии с данным изобретением.
[0019] Монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с данным изобретением имеет следующий состав: Со: от 0,0 мас.% или более до 15,0 мас.% или менее, Cr: от 4,1 до 8,0 мас.%, Мо: от 2,1 до 4,5 мас.%, W: от 0,0 до 3,9 мас.%, Та: от 4,0 до 10,0 мас.%, Al: от 4,5 до 6,5 мас.%, Ti: от 0,0 до 1,0 мас.%, Hf: от 0,00 до 0,5 мас.%, Nb: от 0,0 до 3,0 мас.%, Re: от 8,1 до 9,9 мас.% и Ru: от 0,5 до 6,5 мас.% при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.
[0020] Монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с данным изобретением также имеет следующий состав: Со: от 0,0 до 15,0 мас.%, Cr: от 5,1 до 8,0 мас.%, Мо: от 2,1 до 4,5 мас.%, W: от 0,0 до 3,9 мас.%. Та: от 4,0 до 10,0 мас.%, Al: от 4,5 до 6,5 мас.%, Ti: от 0,0 до 1,0 мас.%, Hf: от 0,00 до 0,5 мас.%, Nb: от 0,0 до 3,0 мас.%, Re: от 8,1 до 9,9 мас.% и Ru: от 0,5 до 6,5 мас.% при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.
[0021] Монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с данным изобретением также имеет следующий состав: Со: от 4,0 до 9,5 мас.%, Cr: от 4,1 до 8,0 мас.%, Мо: от 2,1 до 4,5 мас.%, W: от 0,0 до 3,9 мас.%, Та: от 4,0 до 10,0 мас.%, Al: от 4,5 до 6,5 мас.%, Ti: от 0,0 до 1,0 мас.%, Hf: от 0,00 до 0,5 мас.%, Nb: от 0,0 до 3,0 мас.%, Re: от 8,1 до 9,9 мас.% и Ru: от 0,5 до 6,5 мас.% при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.
[0022] Монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с данным изобретением также имеет следующий состав: Со: от 4,0 до 9,5 мас.%, Cr: от 5,1 до 8,0 мас.%, Мо: от 2,1 до 4,5 мас.%, W: от 0,0 до 3,9 мас.%, Та: от 4,0 до 10,0 мас.%, Al: от 4,5 до 6,5 мас.%, Ti: от 0,0 до 1,0 мас.%, Hf: от 0,00 до 0,5 мас.%, Nb: от 0,0 до 3,0 мас.%, Re: от 8,1 до 9,9 мас.% и Ru: от 0,5 до 6,5 мас.% при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.
[0023] Монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с данным изобретением также имеет следующий состав: Со: от 0,0 до 15,0 мас.%, Cr: от 4,1 до 8,0 мас.%, Мо: от 2,1 до 4,5 мас.%, W: от 0,0 до 2,9 мас.%, Та: от 4,0 до 10,0 мас.%, Al: от 4,5 до 6,5 мас.%, Ti: от 0,0 до 1,0 мас.%, Hf: от 0,00 до 0,5 мас.%, Nb: от 0,0 до 3,0 мас.%, Re: от 8,1 до 9,9 мас.% и Ru: от 0,5 до 6,5 мас.% при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.
[0024] Монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с данным изобретением также имеет следующий состав: Со: от 0,0 до 15,0 мас.%, Cr: от 4,1 до 8,0 мас.%, Мо: от 2,1 до 4,5 мас.%, W: от 0,0 до 1,9 мас.%, Та: от 4,0 до 10,0 мас.%, Al: от 4,5 до 6,5 мас.%, Ti: от 0,0 до 1,0 мас.%, Hf: от 0,00 до 0,5 мас.%, Nb: от 0,0 до 3,0 мас.%, Re: от 8,1 до 9,9 мас.% и Ru: от 0,5 до 6,5 мас.% при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.
[0025] Монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с данным изобретением также имеет следующий состав: Со: от 4,0 до 9,5 мас.%, Cr: от 5,1 до 8,0 мас.%, Мо: от 2,1 до 4,5 мас.%, W: от 0,0 до 1,9 мас.%, Та: от 4,0 до 6,5 мас.%, Al: от 4,5 до 6,5 мас.%, Ti: от 0,0 до 0,5 мас.%, Hf: от 0,00 до 0,5 мас.%, Nb: от 0,0 до 1,0 мас.%, Re: от 8,1 до 9,9 мас.% и Ru: от 4,0 до 6,5 мас.% при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.
[0026] Монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с данным изобретением также имеет следующий состав: Со: от 4,0 до 9,5 мас.%, Cr: от 5,1 до 6,5 мас.%, Мо: от 2,1 до 4,0 мас.%, W: от 0,0 до 1,9 мас.%, Та: от 4,0 до 6,0 мас.%, Al: от 5,0 до 6,0 мас.%, Ti: от 0,0 до 0,5 мас.%, Hf: от 0,00 до 0,5 мас.%, Nb: от 0,0 до 1,0 мас.%, Re: от 8,1 до 9,0 мас.% и Ru: от 4,0 до 6,5 мас.% при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.
[0027] В данном изобретении, для того чтобы получить монокристаллический суперсплав на основе Ni, который имеет низкий удельный вес, содержание W в составе монокристаллического суперсплава на основе Ni может составлять от 0,0 до 2,9 мас.%, а более предпочтительно может составлять от 0,0 до 1,9 мас.%.
3
[0028] Структура металла вышеописанного монокристаллического суперсплава на основе Ni представляет собой кристаллическую структуру с дисперсной фазой (γ'-фазой), диспергированной и выделенной в матрице (γ-фазе). Эта γ-фаза состоит из аустенитной фазы, а γ'-фаза состоит в основном из интерметаллических соединений, имеющих упорядоченную структуру, таких как NiAl. В монокристаллическом суперсплаве на основе Ni в соответствии с данным изобретением соотношение γ-фазы и γ'-фазы, диспергированной в γ-фазе, может быть оптимизировано, чтобы способствовать более высокой прочности суперсплава, предназначенного для эксплуатации в высокотемпературных средах.
[0029] Интервалы содержания компонентов монокристаллического суперсплава на основе Ni регулируются на основании их характеристик, описанных ниже.
Кобальт (Со) является элементом, который увеличивает предел растворимости в твердом состоянии в матрице, содержащей Al, Та и другие элементы, в высокотемпературных средах и вызывает диспергирование и выделение тонкодисперсной γ'-фазы при термообработке для того, чтобы повысить жаропрочность. Если содержится более чем 15,0 мас.% Со, то его соотношение с другими элементами, включая Al, Та, Мо, W, Hf и Cr, становится несбалансированным. В результате выделяется вредная фаза, уменьшая жаропрочность. Содержание Со предпочтительно составляет от 0,0 до 15,0 мас.%, а более предпочтительно - от 4,0 до 9,5 мас.%.
[0030] Хром (Cr) является элементом, который обладает превосходной устойчивостью к окислению и улучшает, наряду с Hf и Al, устойчивость к высокотемпературной коррозии монокристаллического суперсплава на основе Ni. Если содержание Cr меньше чем 4,1 мас.%, то затрудняется обеспечение желательной устойчивости к высокотемпературной коррозии. Если содержание Cr превышает 8,0 мас.%, то ингибируется выделение γ'-фазы и могут выделяться вредные фазы, такие как σ-фаза и µ-фаза, уменьшая жаропрочность. Поэтому содержание Cr предпочтительно составляет от 4,1 до 8,0 мас.%, предпочтительнее - от 5,1 до 8,0 мас.%, а более предпочтительно - от 5,1 до 6,5 мас.%.
[0031] Молибден (Мо) является элементом, который повышает жаропрочность посредством растворения в γ-фазе, которая становится матрицей, в присутствии W или Та, а также улучшает жаропрочность вследствие дисперсионного твердения. Если содержание Мо меньше чем 2,1 мас.%, то затрудняется обеспечение желательной жаропрочности. Если содержание Мо превышает 4,5 мас.%, то уменьшается жаропрочность и ухудшается устойчивость к высокотемпературной коррозии. Поэтому содержание Мо предпочтительно составляет от 2,1 до 4,5 мас.%, предпочтительнее - от 2,1 до 3,4 мас.%, а более предпочтительно - от 2,1 до 3,0 мас.%.
[0032] Вольфрам (W) является элементом, который повышает жаропрочность вследствие действий по упрочнению твердого раствора и дисперсионному твердению в присутствии Мо или Та. Если содержание W превышает 3,9 мас.%, то устойчивость к высокотемпературной коррозии ухудшается. Поэтому содержание W предпочтительно составляет от 0,0 до 3,9 мас.%. Для того чтобы обеспечить монокристаллический суперсплав на основе Ni с низким удельным весом, содержание W предпочтительно составляет от 0,0 до 2,9 мас.%, а более предпочтительно - от 0,0 до 1,9 мас.%. В данном изобретении, при малом количестве W или отсутствии W вообще, превосходное сопротивление ползучести в высокотемпературных средах может поддерживаться посредством регулирования надлежащим образом соотношения содержаний других входящих в состав элементов.
[0033] Тантал (Та) является элементом, который повышает жаропрочность вследствие действий по упрочнению твердого раствора и дисперсионному твердению в присутствии Мо или W. Та также повышает жаропрочность посредством дисперсионного твердения по отношению к γ'-фазе. Если содержание Та меньше чем 4,0 мас.%, то затрудняется обеспечение желательной жаропрочности. Если содержание Та превышает 10,0 мас.%, то может выделяться вредная фаза, такая как σ-фаза и µ-фаза, уменьшая жаропрочность. Поэтому содержание Та предпочтительно составляет от 4,0 до 10,0 мас.%, предпочтительнее - от 4,0 до 6,5 мас.%, а более предпочтительно - от 4,0 до 6,0 мас.%.
3
[0034] Алюминий (Al) объединяется с Ni, образуя от 60 до 70% (объемные проценты) интерметаллического соединения формулы NiAl, которое представляет собой тонкодисперсную γ'-фазу, равномерно диспергируемую и выделяющуюся в матрице. А именно, Al является элементом, который повышает жаропрочность наряду с Ni. Кроме того, Al обладает превосходной устойчивостью к окислению и улучшает, наряду с Cr и Hf, устойчивость к высокотемпературной коррозии монокристаллического суперсплава на основе Ni. Если содержание Al меньше чем 4,5 мас.%, то степень выделения γ'-фазы недостаточна, а значит, затруднительно обеспечение желательной жаропрочности и устойчивости к высокотемпературной коррозии. Если содержание Al превышает 6,5 мас.%, то образуется большое количество грубой эвтектической γ'-фазы, и термообработка на твердый раствор не может быть выполнена, что затрудняет обеспечение желательной жаропрочности. Соответственно, содержание Al предпочтительно составляет от 4,5 до 6,5 мас.%, а более предпочтительно - от 5,0 до 6,0 мас.%.
[0035] Титан (Ti) является элементом, который повышает жаропрочность вследствие действий по упрочнению твердого раствора и дисперсионному твердению в присутствии Мо или W. Ti также повышает жаропрочность посредством дисперсионного твердения по отношению к γ'-фазе. Если содержание Ti превышает 1,0 мас.%, то может выделяться вредная фаза, такая как σ-фаза и µ-фаза, уменьшая жаропрочность. Поэтому содержание Ti предпочтительно составляет от 0,0 до 1,0 мас.%, а более предпочтительно - от 0,0 до 0,5 мас.%. В данном изобретении, при малом количестве Ti или отсутствии Ti вообще, превосходное сопротивление ползучести в высокотемпературных средах может поддерживаться посредством регулирования надлежащим образом соотношения содержаний других входящих в состав элементов.
[0036] Hf является элементом, который сегрегируется на межзеренной границе и неравномерно распределяется на межзеренной границе, упрочняя ее так, чтобы повысить жаропрочность, когда межзеренная граница случайно существует. Кроме того, Hf обладает превосходной устойчивостью к окислению и улучшает, наряду с Cr и Al, устойчивость к высокотемпературной коррозии монокристаллического суперсплава на основе Ni. Если содержание Hf превышает 0,5 мас.%, то происходит локальное плавление, уменьшая жаропрочность. Поэтому содержание Hf предпочтительно составляет от 0,00 до 0,5 мас.%.
[0037] Ниобий (Nb) является элементом, который повышает жаропрочность. Однако, если содержание Nb превышает 3,0 мас.%, выделяется вредная фаза, уменьшая жаропрочность. Поэтому содержание Nb предпочтительно составляет от 0,0 до 3,0 мас.%, а более предпочтительно - от 0,0 до 1,0 мас.%. При малом количестве Nb или отсутствии Nb вообще, превосходное сопротивление ползучести в высокотемпературных средах может поддерживаться посредством регулирования надлежащим образом соотношения содержаний других входящих в состав элементов.
[0038] Рений (Re) является элементом, который повышает жаропрочность вследствие упрочнения твердого раствора путем растворения в γ-фазе, которая является матрицей. Re также повышает устойчивость к коррозии. Однако, если содержание Re меньше чем 3,0 мас.%, упрочнение твердого раствора γ-фазы становится недостаточным, что затрудняет обеспечение желательной жаропрочности. При этом данное изобретение осуществлено для монокристаллического суперсплава на основе Ni, который включает больше Re по сравнению с обычным сплавом, и поэтому нижний предел содержания Re установлен на 8,1 мас.%. Если содержание Re превышает 9,9 мас.%, то в высокотемпературных средах выделяется вредная ТПУ-фаза, что затрудняет обеспечение желательной жаропрочности. Содержание Re предпочтительно составляет от 8,1 до 9,9 мас.%, а более предпочтительно - от 8,1 до 9,0 мас.%.
[0039] Рутений (Ru) является элементом, который регулирует выделение ТПУ-фазы, повышая жаропрочность. Однако, если содержание Ru меньше чем 0,5 мас.%, то в высокотемпературных средах выделяется ТПУ-фаза, что затрудняет обеспечение желательной жаропрочности. Если содержание Ru превышает 6,5 мас.%, то выделяется вредная фаза, уменьшая жаропрочность. Поэтому содержание Ru предпочтительно составляет от 0,5 до 6,5 мас.%, а более предпочтительно - от 4,0 до 6,5 мас.%.
[0040] Монокристаллический суперсплав на основе Ni по данному изобретению может дополнительно содержать, например, В, С, Si, Y, La, Се, V и Zr и т.п., иные, чем случайные примеси. Когда монокристаллический суперсплав на основе Ni содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из В, С, Si, Y, La, Се, V и Zr, то предпочтительно, чтобы эти элементы были включены при следующих интервалах содержания для того, чтобы предотвратить выделение вредной фазы, которая может в противном случае уменьшать жаропрочность: В: 0,05 мас.% или менее, С: 0,15 мас.% или менее, Si: 0,1 мас.% или менее, Y: 0,1 мас.% или менее, La: 0,1 мас.% или менее, Се: 0,1 мас.% или менее, V: 1 мас.% или менее и Zr: 0,1 мас.% или менее. С другой стороны, Si обладает тем эффектом, что понижает температуру плавления сплава, и может оказывать вредное влияние, такое как локальное растворение материалов во время термообработки в высокотемпературных средах, такой как термообработка на твердый раствор. Поэтому в монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с данным изобретением нежелательно включать такие элементы, как Si, и содержания таких элементов должны быть уменьшены, насколько это возможно.
[0041] Как описано выше, монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с данным изобретением может сохранять превосходное сопротивление ползучести в высокотемпературных средах без увеличения удельного веса, тогда как он включает большое количество Re. Конкретнее, даже если содержание W так мало, что составляет 2,9 мас.% или менее, или даже так мало, что составляет 1,9 мас.% или менее, чтобы обеспечить монокристаллический суперсплав на основе Ni с низким удельным весом, может поддерживаться превосходное сопротивление ползучести в высокотемпературных средах. Поэтому монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с данным изобретением демонстрирует превосходное сопротивление ползучести на единицу плотности (т.е. превосходное удельное сопротивление ползучести).
[0042] Монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с данным изобретением может быть применен, например, в лопатке 1 турбины, как показано на Фиг. 1. Лопатка 1 турбины, включающая в себя монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с данным изобретением, обладает превосходным сопротивлением ползучести в высокотемпературных средах и может работать в течение длительного времени в высокотемпературных средах. Кроме того, лопатка 1 турбины имеет низкий удельный вес по сравнению с монокристаллическим суперсплавом на основе Ni четвертого или пятого поколения. Соответственно, лопатка 1 турбины может быть сделана легкой и может эксплуатироваться при повышенных температурах.
[0043] Поэтому монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с данным изобретением может быть внедрен, например, в лопатках турбины (лопатках статора и лопатках ротора) авиационного двигателя, промышленной газовой турбины и других систем. Кроме того, монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения может быть также применен в конструктивных элементах или продуктах, эксплуатируемых в течение длительного времени в высокотемпературных средах.
[0044] В данном изобретении может быть оптимизировано соотношение γ-фазы и γ'-фазы, диспергированной в γ-фазе. Поэтому данное изобретение может быть применено, например, к полученному однонаправленной кристаллизацией материалу и обычному литому материалу при сходных выгодных эффектах данного изобретения, в дополнение к монокристаллическому суперсплаву на основе Ni.
Примеры
[0045] Ниже выгодные эффекты данного изобретения будут описаны более подробно со ссылками на примеры. Следует заметить, что данное изобретение не ограничивается примерами, и могут быть проделаны различные модификации без отклонения от сущности и объема данного изобретения.
[0046] Сначала в вакуумной плавильной печи приготавливают расплавленные металлы различных видов из монокристаллических суперсплавов на основе Ni. Из приготовленных расплавленных металлов-сплавов отливают слитки сплавов Примеров 1-3 различных составов. Соотношения компонентов в слитках сплавов Примеров 1-3 показаны в Таблице 1. Таблица 1 также показывает соотношения компонентов известных из уровня техники монокристаллических суперсплавов на основе Ni в качестве Сравнительных примеров с 1 по 28.
[0047]
Таблица 1
Состав (мас.%)
Удельный вес (г/см<sup>3</sup>)
Поколение сплава
Примечание
Co
Cr
Mo
W
Al
Ti
Nb
Ta
Hf
Re
Ru
Ni
Примеры
1
5,50
5,20
3,00
0,00
5,40
0,00
0,50
5,00
0,10
9,20
5,50
60,50
8,94
2
5,50
6,30
2,20
0,00
5,60
0,00
0,50
5,00
0,10
9,50
5,50
59,80
8,94
3
5,30
5,20
2,90
0,00
5,80
0,00
0,50
4,80
0,10
9,10
5,50
60,80
8,87
Сравни-тельные примеры
1
5,50
5,40
2,20
2,90
5,60
0,00
0,50
5,50
0,10
7,50
5,00
59,50
9,02
5
2
6,00
5,50
4,80
1,50
5,40
0,00
0,50
5,80
0,10
6,00
5,00
59,40
8,89
5
3
6,00
5,40
5,00
0,00
5,50
0,00
0,50
6,20
0,10
6,40
5,00
59,90
8,87
5
4
5,80
5,40
4,80
0,00
5,70
0,00
0,70
6,00
0,10
5,80
3,60
62,10
8,75
4
5
5,80
5,80
3,80
1,60
5,90
0,00
0,50
6,00
0,10
5,00
2,00
63,50
8,72
4
6
5,80
5,80
4,50
0,00
6,00
0,00
0,50
6,20
0,10
5,00
2,00
64,10
8,63
4
7
5,80
5,80
4,00
1,80
6,00
0,00
0,00
7,00
0,10
4,00
1,50
64,00
8,70
4
8
5,80
5,80
4,50
0,00
6,00
0,00
0,00
8,00
0,10
4,00
1,50
64,30
8,66
4
9
5,80
6,00
3,40
2,90
6,00
0,00
0,00
6,40
0,10
4,00
1,50
63,90
8,72
4
10
7,00
6,00
4,00
2,00
5,80
0,00
0,50
6,50
0,10
4,50
1,00
62,60
8,72
4
11
5,80
5,40
3,60
1,60
5,60
0,00
0,50
5,90
0,10
7,00
5,00
59,50
8,92
5
12
5,80
6,00
4,00
0,00
5,50
0,00
0,50
6,20
0,10
7,20
5,00
59,70
8,86
5
13
7,00
7,00
6,50
0,00
4,80
0,00
3,00
4,00
0,10
4,50
6,00
57,10
8,80
5
14
5,80
5,50
3,00
0,00
5,50
0,00
0,00
9,00
0,10
7,20
5,00
58,90
9,01
5
15
5,50
5,60
3,20
1,90
5,60
0,00
0,80
4,10
0,10
8,00
5,50
59,70
8,91
5
16
5,50
5,60
3,20
1,90
5,60
0,00
0,50
4,50
0,10
8,00
5,50
59,60
8,92
5
17
8,00
5,80
3,80
1,60
5,90
0,00
0,50
6,00
0,10
5,00
1,00
62,30
8,69
4
18
9,00
5,40
3,60
1,60
5,90
0,00
0,70
5,50
0,10
5,80
2,00
60,40
8,74
4
19
5,80
5,10
3,00
1,90
6,10
0,00
0,50
5,00
0,10
6,00
3,00
63,50
8,73
4
20
5,80
5,10
2,50
2,90
6,00
0,00
0,00
4,80
0,10
5,50
2,50
64,80
8,73
4
21
5,88
2,94
2,94
5,88
5,88
0,00
0,00
5,88
0,10
4,90
2,00
63,60
8,95
4
TMS-138
22
5,82
2,91
3,88
5,82
5,82
0,00
0,00
5,82
0,10
4,90
6,00
58,98
9,04
5
TMS-162
23
10,00
5,00
2,00
6,00
5,60
0,00
0,00
9,00
0,10
3,00
0,00
59,30
8,95
2
PWA1484
24
9,60
6,40
0,60
6,40
5,60
1,00
0,00
6,50
0,10
3,00
0,00
60,80
8,70
2
CMSX-4
25
3,00
2,00
0,40
5,00
5,70
0,20
0,00
8,00
0,03
6,00
0,00
69,67
9,05
3
CMSX-10
26
16,50
2,00
2,00
6,00
5,55
0,00
0,00
8,25
0,15
6,00
3,00
50,60
9,20
4
EPM-102
27
8,00
7,00
2,00
5,00
6,20
0,00
0,00
7,00
0,20
3,00
0,00
61,60
8,70
2
Rene' N5
28
12,50
4,20
1,40
6,00
5,75
0,00
0,00
7,20
0,15
5,40
0,00
57,40
8,97
3
Rene' N6
[0048] Затем слитки сплавов, показанные в Таблице 1, подвергают термообработке на твердый раствор и термообработке старением, получая монокристаллические суперсплавы на основе Ni Примеров 1-3. При термообработке на твердый раствор температуру повышают ступенчатым образом от 1503К-1563К (1230°С-1290°С) до 1573К-1613К (1300°С-1340°С) и выдерживают в течение 1-10 часов или более. При термообработке старением проводят первичную термообработку старением, при которой слитки выдерживают при 1273К-1423К (1000°С-1150°С) в течение 3-5 часов.
[0049] Для каждого из монокристаллических суперсплавов на основе Ni Примеров 1-3 изучают состояние структуры сплава с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). ТПУ-фаза не найдена ни в одной из микроструктур сплавов.
[0050] Далее будет пояснена разница в характеристиках в отношении содержаний Re и удельного веса между данной технологией (Примеры 1-3) и уровнем техники (Сравнительные примеры 1-28) со ссылками на Фиг. 2. На Фиг. 2 нанесенные квадраты относятся к Примерам 1-3, а нанесенные ромбы относятся к Сравнительным примерам 1-28. Как показано на Фиг. 2, разница в характеристиках между данной технологией и уровнем техники ясно обозначена как соотношение между содержаниями Re и удельным весом. В монокристаллических суперсплавах на основе Ni уровня техники удельный вес имеет тенденцию к увеличению в соответствии с увеличением содержаний Re. Однако в случае данной технологии приращение (градиент) удельного веса становится меньше, чем приращение (градиент) удельного веса в уровне техники. А именно, в монокристаллическом суперсплаве на основе Ni, который включает в своем составе 8,0 мас.% или более Re, который является тяжелым металлом, удельный вес неизбежно увеличивается. Однако, как показано на Фиг. 2, в данной технологии содержание компонентов в составе сплава, включая Ru, который регулирует ТПУ-фазу, установлено в оптимальных интервалах, подходящих для поддержания превосходного сопротивления ползучести в высокотемпературных средах. В результате получен монокристаллический суперсплав на основе Ni, в котором приращение его удельного веса становится меньше, чем в сплаве уровня техники, который включает 8,0 мас.% или более Re, хотя он и включает 8,0 мас.% или более Re.
[0051] Далее, монокристаллические суперсплавы на основе Ni Примеров 1-3 подвергают испытанию на ползучесть при температуре от 1000°С до 1050°С и при механическом напряжении 245 МПа. Испытание продолжается до разрушения образцов при ползучести, и продолжительность по времени определяется как долговечность при ползучести.
[0052] Как показано на Фиг. 3, монокристаллические суперсплавы на основе Ni Примеров 1-3 имеют более продолжительное время разрушения при ползучести по сравнению с высокорениевым монокристаллическим суперсплавом на основе Ni из непатентного документа 1, который обозначен как Сравнительный пример 1 на Фиг. 3. Более конкретно, согласно сравнению при условиях вышеописанного испытания на ползучесть, времена разрушения при ползучести Примеров 1-3 составляли соответственно 2007,7 (час), 888,4 (час) и 828,6 (час) и являлись более продолжительными, чем время разрушения при ползучести высокорениевого монокристаллического суперсплава на основе Ni (593 (час)). В частности, время разрушения при ползучести Примера 1 более чем в 3 раза больше, чем у Сравнительного примера 1, и демонстрирует чрезвычайно высокое сопротивление ползучести. Как описано выше, монокристаллический суперсплав на основе Ni по данному изобретению имеет превосходное удельное сопротивление ползучести, даже несмотря на то, что он включает 8,0 мас.% или более Re.
[0053] Далее со ссылкой на Фиг. 4 будет пояснен результат моделирования, выполненного для сравнения зависимости между содержанием Мо в монокристаллическом суперсплаве на основе Ni по данному изобретению и долговечностью при ползучести. Это моделирование выполнено при использовании программного обеспечения "JMatPro V.5.0", разработанного Sente Software Ltd. (UK). Это программное обеспечение рассчитывает величины, относящиеся к термодинамическим физическим свойствам и механическим физическим свойствам металлических сплавов, и при этом продемонстрировано, что долговечность при ползучести монокристаллического суперсплава на основе Ni, который включен в техническую область данного изобретения, может быть точно оценена, как показано на Фиг. 16 нижеследующего документа.
(Документ: N. Saunders, Z. Guo, X. Li, А. P. Miodownik and J-Ph. Schille: MODELLING THE MATERIAL PROPERTIES AND BEHAVIOUR OF Ni-BASED SUPERALLOYS, Superalloys2004, (TMS, 2004), pp.849-858).
[0054] Фиг. 4 представляет собой полученный моделированием график, показывающий зависимость между содержанием Мо и скоростью установившейся ползучести в монокристаллическом суперсплаве на основе Ni, и ось абсцисс обозначает содержание Мо, а ось ординат обозначает скорость установившейся ползучести. Состав сплава, использованного для анализа, установлен имеющим средний состав из Примеров 1-3 данного изобретения, и лишь содержание Мо изменяется от 0,0 до 4,5 мас.%, а содержание Ni регулируется в соответствии с изменением содержания Мо. Кроме того, условия анализа устанавливаются на 250°С и 245 МПа в предположении обычных условий лопатки турбины при работе. Исходя из Фиг. 4, подтверждается, что скорость ползучести уменьшается в соответствии с увеличением содержания Мо, в частности, когда содержание Мо превышает 2,0 мас.% или около того, проявляется превосходная характеристика ползучести (скорость ползучести, которая составляет 1/3 или менее от ее величины у сплава, который не включает Мо). С другой стороны, когда к сплаву добавлено избыточное количество Мо, легче выделяется вышеописанная ТПУ-фаза. Фиг. 5 показывает полученную моделированием зависимость между содержанием Мо и временем начала выделения ТПУ-фазы. Состав сплава, использованного для анализа, является таким же, что и в случае сплава, использованного для анализа по Фиг. 4, а температура для анализа установлена на 950°С. Исходя из Фиг. 5, подтверждается, что время начала выделения ТПУ-фазы сокращается в соответствии с увеличением содержания Мо, в частности, когда содержание Мо превышает 3,0 мас.%, оно уменьшается до величины менее 100 часов, а когда содержание Мо превышает 3,5 мас.%, оно уменьшается до величины менее 70 часов. Соответственно, для того чтобы уменьшить вредное влияние, обусловленное выделением ТПУ-фазы, при одновременном поддержании превосходного сопротивления ползучести, предпочтительно, чтобы содержание Мо было отрегулировано до величины от 2,1 мас.% или более до 3,4 мас.% или менее (более предпочтительно - 3,0 мас.% или менее).
[0055] Несмотря на то, что здесь были описаны предпочтительные варианты осуществления данного изобретения со ссылками на фигуры, данное изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления. Каждый из признаков и каждая из их совокупностей, раскрытые в вышеописанных вариантах осуществления, лишь показывает один из примеров и может быть изменен(а) на основании конструктивных требований в пределах сущности или объема данного изобретения.
Промышленная применимость
[0056] В соответствии с данным изобретением может быть предоставлен монокристаллический суперсплав на основе Ni, который включает более чем 8 мас.% Re в составе компонентов и имеет превосходное удельное сопротивление ползучести. Поэтому лопатка турбины, включающая в себя этот монокристаллический суперсплав на основе Ni, который включает большое количество Re и имеет превосходное удельное сопротивление ползучести, может быть сделана легкой и может эксплуатироваться при более высоких температурах.
ОПИСАНИЕ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
[0057] 1: лопатка турбины.