МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СУПЕРСПЛАВ НА ОСНОВЕ Ni И СОДЕРЖАЩАЯ ЕГО ЛОПАТКА ТУРБИНЫ Российский патент 2011 года по МПК C22C19/05 C30B29/52 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к монокристаллическому суперсплаву на основе никеля (Ni) и к содержащей его лопатке турбины. Данная заявка испрашивает приоритет заявки на патент Японии № 2007-61501, поданной 12 марта 2007 г., которая настоящим включена сюда по ссылке.

Уровень техники

[0002] Лопатки турбины (лопатки статора и лопатки ротора) авиационных двигателей, промышленных газовых турбин и других систем часто работают в высокотемпературных средах в течение длительного времени и поэтому сделаны из монокристаллического суперсплава на основе Ni, который обладает отличной термостойкостью. Монокристаллический суперсплав на основе Ni получают следующим образом. Сначала к Ni основы добавляют Al, чтобы вызвать выделение Ni₃Al для дисперсионного упрочнения. Затем добавляют тугоплавкие металлы, такие как Cr, W и Ta, формируя сплав, который получают в виде монокристалла. Монокристаллический суперсплав на основе Ni приобретает металлическую структуру, подходящую для упрочнения в результате термообработки на твердый раствор при заданной температуре и последующей термообработки старением. Этот суперсплав называется дисперсионно-упрочненным сплавом, который имеет кристаллическую структуру с фазой выделения (т.е. γ'-фазой), диспергированной и выделившейся в матрице (т.е. γ-фазе).

[0003] В качестве монокристаллического суперсплава на основе Ni были разработаны суперсплав первого поколения, вообще не содержащий Re, суперсплав второго поколения, содержащий примерно 3 вес.% Re, и суперсплав третьего поколения, содержащий от 5 вес.% или более до 6 вес.% или менее Re. Суперсплавы более поздних поколений приобрели повышенный предел ползучести. Например, монокристаллическим суперсплавом на основе Ni первого поколения является CMSX-2 (корпорация Cannon-Muskegon Corporation, см. патентный документ 1), монокристаллическим суперсплавом на основе Ni второго поколения является CMSX-4 (корпорация Cannon-Muskegon Corporation, см. патентный документ 2), а монокристаллическим суперсплавом на основе Ni третьего поколения является CMSX-10 (корпорация Cannon-Muskegon Corporation, см. патентный документ 3).

[0004] Цель монокристаллического суперсплава на основе Ni третьего поколения, CMSX-10, состоит в том, чтобы повысить предел ползучести в высокотемпературных средах по сравнению с монокристаллическим суперсплавом на основе Ni второго поколения. Однако монокристаллический суперсплав на основе Ni третьего поколения имеет в своем составе высокую долю Re в 5 вес.% или более, что превышает предельную растворимость Re в твердом состоянии в матрице (γ-фазе). Избыток Re может связываться с другими элементами в высокотемпературных средах и в результате может выделяться так называемая ТПУ-фаза (топологически плотноупакованная фаза). В лопатке турбины, включающей в себя монокристаллический суперсплав на основе Ni третьего поколения, при работе в течение продолжительного времени в высокотемпературных средах может появиться повышенное содержание ТПУ-фазы, что может ухудшить предел ползучести.

[0005] Чтобы решить эти проблемы, был разработан монокристаллический суперсплав на основе Ni, имеющий более высокую прочность в высокотемпературных средах. В такой суперсплав добавлен Ru для контроля ТПУ-фазы, а относительные доли других элементов-компонентов состава заданы в оптимальных диапазонах с тем, чтобы обеспечить оптимальную постоянную решетки матрицы (γ-фазы) и оптимальную постоянную решетки выделений (γ'-фазы).

[0006] А именно были разработаны монокристаллический суперсплав на основе Ni четвертого поколения, который содержит примерно 3 вес.% Ru, и монокристаллический суперсплав на основе Ni пятого поколения, который содержит 4 вес.% или более Ru. Суперсплавы более поздних поколений приобрели улучшенный предел ползучести. Например, типичным монокристаллическим суперсплавом на основе Ni четвертого поколения является TMS-138 (National Institute for Materials Science (NIMS) и корпорация IHI Corporation, см. патентный документ 4), а типичным монокристаллическим суперсплавом на основе Ni пятого поколения является TMS-162 (NIMS и корпорация IHI Corporation, см. патентный документ 5).

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: заявка на патент США, публикация № 2006/0011271.

Раскрытие изобретения

Проблемы, решаемые изобретением

[0007] Однако монокристаллические суперсплавы на основе Ni четвертого и пятого поколений включают большое количество тяжелых металлов, таких как W и Re, чтобы повысить предел ползучести в высокотемпературных средах, и поэтому имеют большой удельный вес по сравнению с монокристаллическими суперсплавами на основе Ni первого и второго поколений. В результате лопатка турбины, включающая в себя монокристаллические суперсплавы на основе Ni четвертого и пятого поколений, обладает отличной прочностью в высокотемпературных средах, однако, так как вес лопатки увеличился, может снизиться окружная скорость лопатки турбины и может повыситься вес авиационного двигателя и промышленной газовой турбины. Поэтому желательно предоставить монокристаллический суперсплав на основе Ni, обладающий отличным пределом ползучести на единицу веса, т.е. с отличным относительным пределом ползучести, чтобы обеспечить лопатку турбины, которая является легкой и работает при более высоких температурах.

[0008] Ввиду этого задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить монокристаллический суперсплав на основе Ni и содержащую его лопатку турбины, обладающие отличным относительным пределом ползучести.

Средства решения проблемы

[0009] Авторы изобретения провели обширные исследования и обнаружили, что монокристаллический суперсплав на основе Ni, который имеет низкий удельный вес по сравнению с монокристаллическими суперсплавами на основе Ni четвертого и пятого поколений, может быть получен путем (1) установления диапазона составов, подходящего для сохранения отличного предела ползучести в высокотемпературных средах, и (2) установления диапазона составов, подходящего для структурной стабильности, с уменьшением количества W, который имеет высокий удельный вес, и тем самым создали настоящее изобретение.

[0010] Таким образом, настоящее изобретение имеет следующие аспекты.

(1) Монокристаллический суперсплав на основе Ni, имеющий следующий состав: Co: от 0,0 вес.% или более до 15,0 вес.% или менее, Cr: от 4,1 до 8,0 вес.%, Mo: от 2,1 до 6,5 вес.%, W: от 0,0 до 3,9 вес.%, Ta: от 4,0 до 10,0 вес.%, Al: от 4,5 до 6,5 вес.%, Ti: от 0,0 до 1,0 вес.%, Hf: от 0,00 до 0,5 вес.%, Nb: от 0,0 до 3,0 вес.%, Re: от 3,0 до 8,0 вес.% и Ru: от 0,5 до 6,5 вес.%, а остальное составляют Ni и неизбежные примеси, причем удовлетворяется P1 ≤ 700, где P1 обозначает параметр 1, который получен по формуле: P1 = 137 × [W (вес.%)] + 24 × [Cr (вес.%)] + 46 × [Mo (вес.%)] - 18 × [Re (вес.%)].

(2) Монокристаллический суперсплав на основе Ni, имеющий следующий состав: Co: от 0,0 до 15,0 вес.%, Cr: от 5,1 до 8,0 вес.%, Mo: от 2,1 до 6,5 вес.%, W: от 0,0 до 3,9 вес.%, Ta: от 4,0 до 10,0 вес.%, Al: от 4,5 до 6,5 вес.%, Ti: от 0,0 до 1,0 вес.%, Hf: от 0,00 до 0,5 вес.%, Nb: от 0,0 до 3,0 вес.%, Re: от 3,0 до 8,0 вес.% и Ru: от 0,5 до 6,5 вес.%, а остальное составляют Ni и неизбежные примеси, причем удовлетворяется P1 ≤ 700, где P1 обозначает параметр 1, который получен по формуле: P1 = 137 × [W (вес.%)] + 24 × [Cr (вес.%)] + 46 × [Mo (вес.%)] - 18 × [Re (вес.%)].

(3) Монокристаллический суперсплав на основе Ni, имеющий следующий состав: Co: от 4,0 до 9,5 вес.%, Cr: от 4,1 до 8,0 вес.%, Mo: от 2,1 до 6,5 вес.%, W: от 0,0 до 3,9 вес.%, Ta: от 4,0 до 10,0 вес.%, Al: от 4,5 до 6,5 вес.%, Ti: от 0,0 до 1,0 вес.%, Hf: от 0,00 до 0,5 вес.%, Nb: от 0,0 до 3,0 вес.%, Re: от 3,0 до 8,0 вес.% и Ru: от 0,5 до 6,5 вес.%, а остальное составляют Ni и неизбежные примеси, причем удовлетворяется P1 ≤ 700, где P1 обозначает параметр 1, который получен по формуле: P1 = 137 × [W (вес.%)] + 24 × [Cr (вес.%)] + 46 × [Mo (вес.%)] - 18 × [Re (вес.%)].

(4) Монокристаллический суперсплав на основе Ni, имеющий следующий состав: Co: от 4,0 до 9,5 вес.%, Cr: от 5,1 до 8,0 вес.%, Mo: от 2,1 до 6,5 вес.%, W: от 0,0 до 3,9 вес.%, Ta: от 4,0 до 10,0 вес.%, Al: от 4,5 до 6,5 вес.%, Ti: от 0,0 до 1,0 вес.%, Hf: от 0,00 до 0,5 вес.%, Nb: от 0,0 до 3,0 вес.%, Re: от 3,0 до 8,0 вес.% и Ru: от 0,5 до 6,5 вес.%, а остальное составляют Ni и неизбежные примеси, причем удовлетворяется P1 ≤ 700, где P1 обозначает параметр 1, который получен по формуле: P1 = 137 × [W (вес.%)] + 24 × [Cr (вес.%)] + 46 × [Mo (вес.%)] - 18 × [Re (вес.%)].

(5) Монокристаллический суперсплав на основе Ni по любому из вышеуказанных пунктов (1)-(4), в котором содержание W составляет от 0,0 до 2,9 вес.%.

(6) Монокристаллический суперсплав на основе Ni по любому из вышеуказанных пунктов (1)-(4), в котором содержание W составляет от 0,0 до 1,9 вес.%.

(7) Монокристаллический суперсплав на основе Ni, имеющий следующий состав: Co: от 5,0 до 8,0 вес.%, Cr: от 5,1 до 8,0 вес.%, Mo: от 2,2 до 4,8 вес.%, W: от 0,0 до 1,9 вес.%, Ta: от 5,5 до 8,0 вес.%, Al: от 5,4 до 6,0 вес.%, Ti: от 0,0 до 0,5 вес.%, Hf: от 0,08 до 0,5 вес.%, Nb: от 0,0 до 1,0 вес.%, Re: от 4,0 до 7,5 вес.% и Ru: от 1,0 до 5,0 вес.%, а остальное составляют Ni и неизбежные примеси.

(8) Монокристаллический суперсплав на основе Ni по вышеуказанному пункту (7), в котором удовлетворяется P1 ≤ 700, где P1 обозначает параметр 1, который получен по формуле: P1 = 137 × [W (вес.%)] + 24 × [Cr (вес.%)] + 46 × [Mo (вес.%)] - 18 × [Re (вес.%)].

(9) Монокристаллический суперсплав на основе Ni по любому из вышеуказанных пунктов (1)-(8), в котором удовлетворяется P2 ≤ 500, где P2 обозначает параметр 2, который получен по формуле: P2 = 30 × [W (вес.%)] + 10 × [Re (вес.%)] - 30 × [Cr (вес.%)] - 20 × [Mo (вес.%)] + 30 × [Al (вес.%)] + 90 × [Ti (вес.%)] + 60 × [Ta (вес.%)] - 5 × [Ru (вес.%)].

(10) Монокристаллический суперсплав на основе Ni по любому из вышеуказанных пунктов (1)-(9), дополнительно включающий по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из B, C, Si, Y, La, Ce, V и Zr.

(11) Монокристаллический суперсплав на основе Ni по вышеуказанному пункту (10), в котором избранные компоненты содержатся в следующем составе: B: 0,05 вес.% или менее, C: 0,15 вес.% или менее, Si: 0,1 вес.% или менее, Y: 0,1 вес.% или менее, La: 0,1 вес.% или менее, Ce: 0,1 вес.% или менее, V: 1 вес.% или менее и Zr: 0,1 вес.% или менее.

(12) Лопатка турбины, включающая в себя монокристаллический суперсплав на основе Ni по любому из вышеуказанных пунктов (1)-(11).

Эффекты изобретения

[0011] Как описано выше, согласно настоящему изобретению может быть сохранен отличный предел ползучести в высокотемпературных средах без повышения удельного веса монокристаллического суперсплава на основе Ni с отличным относительным пределом ползучести. Поэтому лопатка турбины, включающая в себя монокристаллический суперсплав на основе Ni с отличным относительным пределом ползучести, может быть сделана легкой и может работать при более высоких температурах.

Краткое описание чертежей

[0012] Фиг.1 представляет собой вид в перспективе типичной лопатки турбины, включающей в себя монокристаллический суперсплав на основе Ni по одному варианту реализации настоящего изобретения.

Фиг.2 представляет собой характерный график, показывающий соотношение между плотностью и LMP в примерах и сравнительных примерах, приведенных в Таблице 1.

Описание ссылочных позиций

[0013] 1: лопатка турбины

Описание предпочтительных вариантов реализации

[0014] Далее со ссылкой на чертежи дается подробное пояснение реализации монокристаллического суперсплава на основе Ni и содержащей его лопатки турбины в соответствии с настоящим изобретением.

[0015] Монокристаллический суперсплав на основе Ni по настоящему изобретению имеет следующий состав: Co: от 0,0 вес.% до 15,0 вес.%, Cr: от 4,1 до 8,0 вес.%, Mo: от 2,1 до 6,5 вес.%, W: от 0,0 до 3,9 вес.%, Ta: от 4,0 до 10,0 вес.%, Al: от 4,5 до 6,5 вес.%, Ti: от 0,0 до 1,0 вес.%, Hf: от 0,00 до 0,5 вес.%, Nb: от 0,0 до 3,0 вес.%, Re: от 3,0 до 8,0 вес.% и Ru: от 0,5 до 6,5 вес.%, а остальное составляют Ni и неизбежные примеси, причем удовлетворяется P1 ≤ 700, где P1 обозначает параметр 1, который получен по формуле: P1 = 137 × [W (вес.%)] + 24 × [Cr (вес.%)] + 46 × [Mo (вес.%)] - 18 × [Re (вес.%)].

[0016] Монокристаллический суперсплав на основе Ni по настоящему изобретению также имеет следующий состав: Co: от 0,0 до 15,0 вес.%, Cr: от 5,1 до 8,0 вес.%, Mo: от 2,1 до 6,5 вес.%, W: от 0,0 до 3,9 вес.%, Ta: от 4,0 до 10,0 вес.%, Al: от 4,5 до 6,5 вес.%, Ti: от 0,0 до 1,0 вес.%, Hf: от 0,00 до 0,5 вес.%, Nb: от 0,0 до 3,0 вес.%, Re: от 3,0 до 8,0 вес.% и Ru: от 0,5 до 6,5 вес.%, а остальное составляют Ni и неизбежные примеси, причем удовлетворяется P1 ≤ 700, где P1 обозначает параметр 1, который получен по формуле: P1 = 137 × [W (вес.%)] + 24 × [Cr (вес.%)] + 46 × [Mo (вес.%)] - 18 × [Re (вес.%)].

[0017] Монокристаллический суперсплав на основе Ni по настоящему изобретению также имеет следующий состав: Co: от 4,0 до 9,5 вес.%, Cr: от 4,1 до 8,0 вес.%, Mo: от 2,1 до 6,5 вес.%, W: от 0,0 до 3,9 вес.%, Ta: от 4,0 до 10,0 вес.%, Al: от 4,5 до 6,5 вес.%, Ti: от 0,0 до 1,0 вес.%, Hf: от 0,00 до 0,5 вес.%, Nb: от 0,0 до 3,0 вес.%, Re: от 3,0 до 8,0 вес.% и Ru: от 0,5 до 6,5 вес.%, а остальное составляют Ni и неизбежные примеси, причем удовлетворяется P1 ≤ 700, где P1 обозначает параметр 1, который получен по формуле: P1 = 137 × [W (вес.%)] + 24 × [Cr (вес.%)] + 46 × [Mo (вес.%)] - 18 × [Re (вес.%)].

[0018] Монокристаллический суперсплав на основе Ni по настоящему изобретению также имеет следующий состав: Co: от 4,0 до 9,5 вес.%, Cr: от 5,1 до 8,0 вес.%, Mo: от 2,1 до 6,5 вес.%, W: от 0,0 до 3,9 вес.%, Ta: от 4,0 до 10,0 вес.%, Al: от 4,5 до 6,5 вес.%, Ti: от 0,0 до 1,0 вес.%, Hf: от 0,00 до 0,5 вес.%, Nb: от 0,0 до 3,0 вес.%, Re: от 3,0 до 8,0 вес.% и Ru: от 0,5 до 6,5 вес.%, а остальное составляют Ni и неизбежные примеси, причем удовлетворяется P1 ≤ 700, где P1 обозначает параметр 1, который получен по формуле: P1 = 137 × [W (вес.%)] + 24 × [Cr (вес.%)] + 46 × [Mo (вес.%)] - 18 × [Re (вес.%)].

[0019] В настоящем изобретении содержание W в составе вышеописанного монокристаллического суперсплава на основе Ni может составлять от 0,0 до 2,9 вес.% и может также составлять от 0,0 до 1,9 вес.% для того, чтобы обеспечить монокристаллический суперсплав на основе Ni, имеющий низкий удельный вес.

[0020] Монокристаллический суперсплав на основе Ni по настоящему изобретению также имеет следующий состав: Co: от 5,0 до 8,0 вес.%, Cr: от 5,1 до 8,0 вес.%, Mo: от 2,2 до 4,8 вес.%, W: от 0,0 до 1,9 вес.%, Ta: от 5,5 до 8,0 вес.%, Al: от 5,4 до 6,0 вес.%, Ti: от 0,0 до 0,5 вес.%, Hf: от 0,08 до 0,5 вес.%, Nb: от 0,0 до 1,0 вес.%, Re: от 4,0 до 7,5 вес.% и Ru: от 1,0 до 5,0 вес.%, а остальное составляют Ni и неизбежные примеси.

[0021] Металлическая структура вышеописанного монокристаллического суперсплава на основе Ni является кристаллической структурой с фазой выделения (γ'-фазой), диспергированной и выделившейся в матрице (γ-фазе). Фаза γ состоит из аустенитной фазы, а фаза γ' состоит, в основном, из интерметаллических соединений, имеющих регулярную структуру, таких как Ni₃Al. В монокристаллическом суперсплаве на основе Ni по настоящему изобретению относительная доля γ-фазы и γ'-фазы, диспергированной в этой γ-фазе, может быть оптимизирована, чтобы способствовать более высокой прочности суперсплава, предназначенного для работы в высокотемпературных средах.

[0022] Диапазоны содержаний компонентов в составе монокристаллического суперсплава на основе Ni отрегулированы на основе их характеристик, описываемых ниже. Co является элементом, который повышает предел растворимости в твердом состоянии в матрице, содержащей Al, Ta и другие элементы, в высокотемпературных средах и вызывает диспергирование и выделение тонкодисперсной γ'-фазы при термообработке, тем самым повышая жаропрочность. Если присутствует более 15,0 вес.% Co, относительная доля других элементов, в том числе Al, Ta, Mo, W, Hf и Cr, становится несбалансированной. В результате выделяется вредная фаза, снижая жаропрочность. Содержание Co предпочтительно составляет от 0,0 до 15,0 вес.%, более предпочтительно - от 4,0 до 9,5 вес.%, а наиболее предпочтительно - от 5,0 до 8,0 вес.%.

[0023] Cr является элементом, который имеет отличную стойкость к окислению (жаростойкость) и улучшает, вместе с Hf и Al, стойкость к высокотемпературной коррозии монокристаллического суперсплава на основе Ni. Если содержание Cr меньше 4,1 вес.%, трудно обеспечить желаемую стойкость к высокотемпературной коррозии. Если содержание Cr превышает 8,0 вес.%, выделение γ'-фазы ингибируется и могут выделяться вредные фазы, такие как σ-фаза и µ-фаза, снижая жаропрочность. Поэтому содержание Cr предпочтительно составляет от 4,1 до 8,0 вес.%, более предпочтительно - от 5,1 до 8,0 вес.%.

[0024] Mo является элементом, который повышает жаропрочность за счет растворения в γ-фазе, которая становится матрицей, в присутствии W или Ta, а также улучшает жаропрочность благодаря дисперсионному твердению. Если содержание Mo меньше 2,1 вес.%, трудно обеспечить желаемую жаропрочность. Если содержание Mo превышает 6,5 вес.%, жаропрочность снижается и ухудшается стойкость к высокотемпературной коррозии. Поэтому содержание Mo предпочтительно составляет от 2,1 до 6,5 вес.%, а более предпочтительно - от 2,2 до 4,8 вес.%.

[0025] W является элементом, который повышает жаропрочность благодаря эффектам упрочнения твердого раствора и дисперсионного твердения в присутствии Mo или Ta. Если содержание W превышает 3,9 вес.%, ухудшается стойкость к высокотемпературной коррозии. Поэтому содержание W предпочтительно составляет от 0,0 до 3,9 вес.%. Чтобы обеспечить монокристаллический суперсплав на основе Ni, имеющий низкий удельный вес, содержание W предпочтительно составляет от 0,0 до 2,9 вес.%, а более предпочтительно - от 0,0 до 1,9 вес.%. В настоящем изобретении, при малом количестве W или вообще без W, можно сохранить отличный предел ползучести в высокотемпературных средах путем надлежащего определения относительных долей других входящих в состав элементов.

[0026] Ta является элементом, который повышает жаропрочность благодаря эффектам упрочнения твердого раствора и дисперсионного твердения в присутствии Mo или W. Ta также повышает жаропрочность посредством дисперсионного твердения по отношению к γ'-фазе. Если содержание Ta меньше 4,0 вес.%, трудно обеспечить желаемую жаропрочность. Если содержание Ta превышает 10,0 вес.%, могут выделяться вредные фазы, такие как σ-фаза и µ-фаза, снижая жаропрочность. Поэтому содержание Ta предпочтительно составляет от 4,0 до 10,0 вес.%, а более предпочтительно - от 5,5 до 8,0 вес.%.

[0027] Al соединяется с Ni, образуя 60-70% (объемных процентов) интерметаллического соединения, представленного как Ni₃Al, которое является тонкодисперсной γ'-фазой, однородно диспергируемой и выделяющейся в матрицу. То есть Al является элементом, который повышает жаропрочность вместе с Ni. Кроме того, Al имеет отличную стойкость к окислению, что улучшает, вместе с Cr и Hf, стойкость к высокотемпературной коррозии монокристаллического суперсплава на основе Ni. Если содержание Al меньше 4,5 вес.%, количество выделений γ'-фазы недостаточно и поэтому трудно обеспечить желаемую жаропрочность и стойкость к высокотемпературной коррозии. Если содержание Al превышает 6,5 вес.%, образуется большое количество крупных γ-фаз, называемых эвтектической γ'-фазой, для которой невозможна обработка на твердый раствор. Таким образом, трудно обеспечить желаемую жаропрочность. Соответственно, содержание Al предпочтительно составляет от 4,5 до 6,5 вес.%, а более предпочтительно - от 5,4 до 6,0 вес.%.

[0028] Ti является элементом, который повышает жаропрочность благодаря эффектам упрочнения твердого раствора и дисперсионного твердения в присутствии Mo или W. Ti также повышает жаропрочность посредством дисперсионного твердения по отношению к γ'-фазе. Если содержание Ti превышает 1,0 вес.%, может выделяться вредная фаза, такая как σ-фаза и µ-фаза, снижая жаропрочность. Поэтому содержание Ti предпочтительно составляет от 0,0 до 1,0 вес.%, а более предпочтительно - от 0,0 до 0,5 вес.%. В настоящем изобретении, при малом количестве Ti или вообще без Ti, можно сохранить отличный предел ползучести в высокотемпературных средах путем надлежащего определения относительных долей других входящих в состав элементов.

[0029] Hf является элементом, который сегрегируется на межзеренной границе и распределяется неравномерно по межзеренной границе, упрочняя ее, тем самым повышая жаропрочность, в том случае, когда эта межзеренная граница случайно существует. Кроме того, Hf имеет отличную стойкость к окислению и улучшает, вместе с Cr и A1, стойкость к высокотемпературной коррозии монокристаллического суперсплава на основе Ni. Если содержание Hf превышает 0,5 вес.%, происходит локальное плавление, снижая жаропрочность. Поэтому содержание Hf предпочтительно составляет от 0,00 до 0,5 вес.%, а более предпочтительно - от 0,08 до 0,5 вес.%.

[0030] Nb является элементом, который улучшает жаропрочность. Однако, если содержание Nb превышает 3,0 вес.%, выделяется вредная фаза, ухудшая жаропрочность. Поэтому содержание Nb предпочтительно составляет от 0,0 до 3,0 вес.%, а более предпочтительно - от 0,0 до 1,0 вес.%. При малом количестве Nb или вообще без Nb можно сохранить отличный предел ползучести в высокотемпературных средах путем надлежащего определения относительных долей других входящих в состав элементов.

[0031] Re является элементом, который улучшает жаропрочность благодаря упрочнению твердого раствора путем растворения в γ-фазе, являющейся матрицей. Re улучшает также коррозионную стойкость. Однако, если содержание Re меньше 3,0 вес.%, упрочнение твердого раствора γ-фазы становится недостаточным, что затрудняет обеспечение желаемой жаропрочности. Если содержание Re превышает 8,0 вес.%, в высокотемпературных средах выделяется вредная ТПУ-фаза, что затрудняет обеспечение желаемой жаропрочности. Поэтому содержание Re предпочтительно составляет от 3,0 до 8,0 вес.%, а более предпочтительно - от 4,0 до 7,5 вес.%.

[0032] Ru является элементом, который контролирует выделение ТПУ-фазы, улучшая жаропрочность. Однако, если содержание Ru меньше 0,5 вес.%, в высокотемпературных средах ТПУ-фаза выделяется, что затрудняет обеспечение желаемой жаропрочности. Если содержание Ru превышает 6,5 вес.%, выделяется вредная фаза, снижая жаропрочность. Поэтому содержание Ru предпочтительно составляет от 0,5 до 6,5 вес.%, а более предпочтительно - от 1,0 до 5,0 вес.%.

[0033] Монокристаллический суперсплав на основе Ni по настоящему изобретению может дополнительно содержать, например, B, C, Si, Y, La, Ce, V и Zr и им подобные, помимо неизбежных примесей. В случае, когда монокристаллический суперсплав на основе Ni содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из B, C, Si, Y, La, Ce, V и Zr, является предпочтительным, чтобы эти элементы могли быть включены в состав в следующем диапазоне с тем, чтобы предотвратить выделение вредной фазы, которая в противном случае могла бы уменьшить жаропрочность: B: 0,05 вес.% или менее, C: 0,15 вес.% или менее, Si: 0,1 вес.% или менее, Y: 0,1 вес.% или менее, La: 0,1 вес.% или менее, Ce: 0,1 вес.% или менее, V: 1 вес.% или менее и Zr: 0,1 вес.% или менее.

[0034] В настоящем изобретении диапазон составов, подходящий для сохранения отличного относительного предела ползучести в высокотемпературных средах, может быть установлен по следующей формуле для параметра P1:

P1 (параметр 1) = 137 × [W (вес.%)] + 24 × [Cr (вес.%)] + 46 × [Mo (вес.%)] - 18 × [Re (вес.%)].

Значение P1 может предпочтительно составлять P1 ≤ 700, более предпочтительно P1 ≤ 450, а еще более предпочтительно P1 ≤ 300. В монокристаллическом суперсплаве на основе Ni согласно настоящему изобретению, когда удовлетворяется формула для параметра P1, отличный предел ползучести в высокотемпературных средах можно сохранить при снижении количества W, который имеет высокий удельный вес.

[0035] В настоящем изобретении диапазон составов, подходящий для структурной стабильности, устанавливается по следующей формуле для параметра P2:

P2 (параметр 2) = 30 × [W (вес.%)] + 10 × [Re (вес.%)] - 30 × [Cr (вес.%)] - 20 × [Mo (вес.%)] + 30 × [Al (вес.%)] + 90 × [Ti (вес.%)] + 60 × [Ta (вес.%)] - 5 × [Ru (вес.%)].

Значение P2 может предпочтительно составлять P2 ≤ 500, а более предпочтительно P2 ≤ 400. В монокристаллическом суперсплаве на основе Ni согласно настоящему изобретению, когда удовлетворяется формула для параметра P2, отличную структурную стабильность можно реализовать при снижении количества W, который имеет высокий удельный вес.

[0036] Как описано выше, монокристаллический суперсплав на основе Ni согласно настоящему изобретению может сохранить отличный предел ползучести в высокотемпературных средах без повышения удельного веса. Конкретнее, даже если содержание W составляет всего лишь 2,9 вес.% или менее или же всего лишь 1,9 вес.% или менее для того, чтобы обеспечить монокристаллический суперсплав на основе Ni с низким удельным весом, можно сохранить отличный предел ползучести в высокотемпературных средах. Поэтому монокристаллический суперсплав на основе Ni согласно настоящему изобретению обнаруживает отличный предел ползучести на единицу плотности (т.е. отличный удельный предел ползучести).

[0037] Монокристаллический суперсплав на основе Ni согласно настоящему изобретению может применяться, например, в лопатке 1 турбины, как показано на Фиг.1. Лопатка 1 турбины, включающая в себя монокристаллический суперсплав на основе Ni согласно настоящему изобретению, имеет отличный предел 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 и пятого поколения. Соответственно, лопатка 1 турбины может быть сделана легкой и может работать при более высоких температурах.

[0038] Таким образом, монокристаллический суперсплав на основе Ni согласно настоящему изобретению может содержаться, например, в лопатках турбины (лопатках статора и лопатках ротора) авиационных двигателей, промышленных газовых турбин и в других системах. Кроме того, монокристаллический суперсплав на основе Ni согласно варианту реализации настоящего изобретения может также применяться в деталях или продуктах, предназначенных для работы длительное время в высокотемпературных средах.

[0039] В настоящем изобретении может быть оптимизирована относительная доля γ-фазы и γ'-фазы, диспергированной в γ-фазе. Таким образом, в дополнение к монокристаллическим суперсплавам на основе Ni изобретение может применяться, например, для направленно-кристаллизуемых материалов и обычных отливаемых материалов с подобными настоящему изобретению выгодными эффектами.

ПРИМЕРЫ

[0040] Далее выгодные эффекты настоящего изобретения будут описаны более подробно со ссылками на примеры. Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено этими примерами, и могут быть проделаны различные модификации без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения.

[0041] Сначала в вакуумной плавильной печи готовят расплавы различных видов монокристаллических суперсплавов на основе Ni. Из приготовленных расплавов сплавов отливают слитки сплавов различных составов по Примерам 1-20. Относительные доли компонентов в слитках сплавов по Примерам 1-20 показаны в Таблице 1. Таблица 1 показывает также относительные доли компонентов у соответствующих уровню техники монокристаллических суперсплавов на основе Ni, указанных в качестве Сравнительных примеров 1-8.

[0042]

[0043] Далее слитки сплавов, показанных в Таблице 1, подвергают термообработке на твердый раствор и термообработке старением, получая монокристаллические суперсплавы на основе Ni по Примерам 1-20. При термообработке на твердый раствор температуру постепенно повышают от 1503K-1563K (1230ºC-1290ºC) до 1573K-1613K (1300ºC-1340ºC) и выдерживают в течение 1-10 часов или дольше. При термообработке старением проводят термообработку первичным старением, когда слитки выдерживают при 1273K-1423K (1000ºC-1150ºC) в течение 3-5 часов.

[0044] Для каждого из монокристаллических суперсплавов на основе Ni по Примерам 1-20 состояние структуры сплава изучают сканирующим электронным микроскопом (СЭМ). ТПУ-фаза не обнаружена в микроструктурах ни одного сплава.

[0045] Далее, монокристаллические суперсплавы на основе Ni по Примерам 1-20 подвергают испытанию на ползучесть при температуре 1000ºC-1050ºC и под напряжением 245 МПа. Испытание продолжают до тех пор, пока не произойдет разрушение образцов при ползучести, и длительность этого испытания определяется как долговечность при ползучести. Затем оценивают долговечность при ползучести на единицу удельного веса (плотность: г/см³) для каждого из монокристаллических суперсплавов на основе Ni по Примерам 1-20 и Сравнительным примерам 1-8, используя показанный ниже параметр Ларсона-Миллера (LMP). Результаты оценки показаны в Таблице 1. Характерный график, показывающий соотношение между удельным весом и LMP суперсплавов по Примерам 1-20 и Сравнительным примерам 1-8, представлен на Фиг.2:

LMP = (T + 273) × (20 + Logt)/1000,

где T обозначает температуру (ºC), а t обозначает время до разрушения при ползучести (часы).

[0046] Как показано в Таблице 1 и на Фиг.2, монокристаллические суперсплавы на основе Ni по Примерам 1-20 имеют более высокие значения LMP на единицу удельного веса, чем монокристаллические суперсплавы на основе Ni по Сравнительным примерам 1-8. Монокристаллические суперсплавы на основе Ni по Примерам 1, 9, 10 и 20 с пониженным содержанием W в 2,9 вес.% или менее все еще имеют отличный предел ползучести на единицу удельного веса. Монокристаллические суперсплавы на основе Ni по Примерам 2, 5, 7, 11 и 15-19 с пониженным содержанием W в 1,9 вес.% или менее все еще имеют отличный предел ползучести на единицу удельного веса. Монокристаллические суперсплавы на основе Ni по Примерам 3, 4, 6, 8 и 12-14 вообще без W все еще имеют отличный предел ползучести на единицу удельного веса. Следовательно, монокристаллический суперсплав на основе Ni согласно вариантам реализации настоящего изобретения имеет отличный относительный предел ползучести.

Промышленная применимость

[0047] Согласно настоящему изобретению монокристаллический суперсплав на основе Ni может иметь отличный относительный предел ползучести, и поэтому лопатка турбины, включающая в себя такой монокристаллический суперсплав на основе Ni с отличным относительным пределом ползучести, может быть сделана легкой и может работать при более высоких температурах.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к монокристаллическим сплавам на основе никеля и изготовленным из них лопаткам турбин. Заявлены варианты монокристаллического суперсплава на основе Ni и изготовленная из него лопатка турбины. Суперсплав на основе Ni имеет следующий состав: Со: от 0,0 вес.% или более до 15,0 вес.% или менее, Сr: от 4,1 до 8,0 вес.%, Мо: от 2,1 до 6,5 вес.%, W: от 0,0 до 2,9 вес.%, Та: от 4,0 до 10,0 вес.%, Аl: от 4,5 до 6,5 вес.%, Ti: от 0,0 до 1,0 вес.%, Hf: от 0,00 до 0,5 вес.%, Nb: от 0,0 до 3,0 вес.%, Re: от 3,0 до 8,0 вес.% и Ru: от 0,5 до 6,5 вес.%, а остальное составляют Ni и неизбежные примеси, причем удовлетворяется Р1≤700, где Р1 обозначает параметр 1, который получен по формуле: Р1=137×[W(вес.%)]+24×[Сr(вес.%)]+46×[Мо(вес.%)]-18×[Re(вес.%)]. Сплав характеризуется высоким относительным пределом ползучести, а лопатка турбины - низким весом и способностью работать при более высоких температурах. 6 н. и 20 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Монокристаллический суперсплав на основе Ni, имеющий следующий состав: Со: от 0,0 вес.% или более до 15,0 вес.% или менее, Сr: от 4,1 до 8,0 вес.%, Мо: от 2,1 до 6,5 вес.%, W: от 0,0 до 2,9 вес.%, Та: от 4,0 до 10,0 вес.%, Аl: от 4,5 до 6,5 вес.%, Ti: от 0,0 до 1,0 вес.%, Hf: от 0,00 до 0,5 вес.%, Nb: от 0,0 до 3,0 вес.%, Re: от 3,0 до 8,0 вес.% и Ru: от 0,5 до 6,5 вес.%, а остальное составляют Ni и неизбежные примеси, причем удовлетворяется Р1≤700, где Р1 обозначает параметр 1, который получен по формуле: Р1=137·[W(вес.%)]+24·[Сr(вес.%)]+46·[Мо(вес.%)]-18·[Re(вес.%)].

2. Суперсплав по п.1, в котором содержание W составляет от 0,0 до 1,9 вес.%.

3. Суперсплав по п.1, в котором удовлетворяется Р2≤500, где Р2 обозначает параметр 2, который получен по формуле: Р2=30·[W(вес.%)]+10·[Re(вес.%)]-30·[Сr(вес.%)]-20·[Мо(вес.%)]+30·[Аl(вес.%)]+90·[Ti(вес.%)]+60·[Та(вес.%)]-5·[Ru(вес.%)].

4. Суперсплав по п.1, дополнительно содержащий по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из В, С, Si, Y, La, Ce, V и Zr.

5. Суперсплав по п.4, в котором выбранные компоненты содержатся в следующем составе: В: 0,05 вес.% или менее, С: 0,15 вес.% или менее, Si: 0,1 вес.% или менее, Y: 0,1 вес.% или менее, La: 0,1 вес.% или менее, Се: 0,1 вес.% или менее, V: 1 вес.% или менее и Zr: 0,1 вес.% или менее.

6. Монокристаллический суперсплав на основе Ni, имеющий следующий состав: Со: от 0,0 до 15,0 вес.%, Сr: от 5,1 до 8,0 вес.%, Мо: от 2,1 до 6,5 вес.%, W: от 0,0 до 2,9 вес.%, Та: от 4,0 до 10,0 вес.%, Аl: от 4,5 до 6,5 вес.%, Ti: от 0,0 до 1,0 вес.%, Hf: от 0,00 до 0,5 вес.%, Nb: от 0,0 до 3,0 вес.%, Re: от 3,0 до 8,0 вес.% и Ru: от 0,5 до 6,5 вес.%, а остальное составляют Ni и неизбежные примеси, причем удовлетворяется Р1≤700, где Р1 обозначает параметр 1, который получен по формуле: Р1=137·[W(вес.%)]+24·[Сr(вес.%)]+46·[Мо(вес.%)]-18·[Re(вес.%)].

7. Суперсплав по п.6, в котором содержание W составляет от 0,0 до 1,9 вес.%.

8. Суперсплав по п.6, в котором удовлетворяется Р2≤500, где Р2 обозначает параметр 2, который получен по формуле: Р2=30·[W(вес.%)]+10·[Re(вес.%)]-30·[Сr(вес.%)]-20·[Мо(вес.%)]+30·[Аl(вес.%)]+90·[Ti(вес.%)]+60·[Та(вес.%)]-5·[Ru(вес.%)].

9. Суперсплав по п.6, дополнительно содержащий по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из В, С, Si, Y, La, Ce, V и Zr.

10. Суперсплав по п.9, в котором выбранные компоненты содержатся в следующем составе: В: 0,05 вес.% или менее, С: 0,15 вес.% или менее, Si: 0,1 вес.% или менее, Y: 0,1 вес.% или менее, La: 0,1 вес.% или менее, Се: 0,1 вес.% или менее, V: 1 вес.% или менее и Zr: 0,1 вес.% или менее.

11. Монокристаллический суперсплав на основе Ni, имеющий следующий состав: Со: от 4,0 до 9,5 вес.%, Сr: от 4,1 до 8,0 вес.%, Мо: от 2,1 до 6,5 вес.%, W: от 0,0 до 2,9 вес.%, Та: от 4,0 до 10,0 вес.%, Аl: от 4,5 до 6,5 вес.%, Ti: от 0,0 до 1,0 вес.%, Hf: от 0,00 до 0,5 вес.%, Nb: от 0,0 до 3,0 вес.%, Re: от 3,0 до 8,0 вес.% и Ru: от 0,5 до 6,5 вес.%, а остальное составляют Ni и неизбежные примеси, причем удовлетворяется Р1≤700, где Р1 обозначает параметр 1, который получен по формуле: Р1=137·[W(вес.%)]+24·[Сr(вес.%)]+46·[Мо(вес.%)]-18·[Re(вес.%)].

12. Суперсплав по п.11, в котором содержание W составляет от 0,0 до 1,9 вес.%.

13. Суперсплав по п.11, в котором удовлетворяется Р2≤500, где Р2 обозначает параметр 2, который получен по формуле: Р2=30·[W(вес.%)]+10·[Re(вес.%)]-30·[Сr(вес.%)]-20·[Мо(вес.%)]+30·[Аl(вес.%)]+90·[Ti(вес.%)]+60·[Та(вес.%)]-5·[Ru(вес.%)].

14. Суперсплав по п.11, дополнительно содержащий по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из В, С, Si, Y, La, Ce, V и Zr.

15. Суперсплав по п.14, в котором выбранные компоненты содержатся в следующем составе: В: 0,05 вес.% или менее, С: 0,15 вес.% или менее, Si: 0,1 вес.% или менее, Y: 0,1 вес.% или менее, La: 0,1 вес.% или менее, Се: 0,1 вес.% или менее, V: 1 вес.% или менее и Zr: 0,1 вес.% или менее.

16. Монокристаллический суперсплав на основе Ni, имеющий следующий состав: Со: от 4,0 до 9,5 вес.%, Сr: от 5,1 до 8,0 вес.%, Мо: от 2,1 до 6,5 вес.%, W: от 0,0 до 2,9 вес.%, Та: от 4,0 до 10,0 вес.%, Аl: от 4,5 до 6,5 вес.%, Ti: от 0,0 до 1,0 вес.%, Hf: от 0,00 до 0,5 вес.%, Nb: от 0,0 до 3,0 вес.%, Re: от 3,0 до 8,0 вес.% и Ru: от 0,5 до 6,5 вес.%, а остальное составляют Ni и неизбежные примеси, причем удовлетворяется Р1≤700, где Р1 обозначает параметр 1, который получен по формуле: Р1=137·[W(вес.%)]+24·[Сr(вес.%)]+46·[Мо(вес.%)]-18·[Re (вес.%)].

17. Суперсплав по п.16, в котором содержание W составляет от 0,0 до 1,9 вес.%.

18. Суперсплав по п.16, в котором удовлетворяется Р2≤500, где Р2 обозначает параметр 2, который получен по формуле: Р2=30·[W(вес.%)]+10·[Re(вес.%)]-30·[Сr(вес.%)]-20·[Мо(вес.%)]+30·[Аl(вес.%)]+90·[Ti(вес.%)]+60·[Та(вес.%)]-5·[Ru(вес.%)].

19. Суперсплав по п.16, дополнительно содержащий по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из В, С, Si, Y, La, Се, V и Zr.

20. Суперсплав по п.19, в котором выбранные компоненты содержатся в следующем составе: В: 0,05 вес.% или менее, С: 0,15 вес.% или менее, Si: 0,1 вес.% или менее, Y: 0,1 вес.% или менее, La: 0,1 вес.% или менее, Се: 0,1 вес.% или менее, V: 1 вес.% или менее и Zr: 0,1 вес.% или менее.

21. Монокристаллический суперсплав на основе Ni, имеющий следующий состав: Со: от 5,0 до 8,0 вес.%, Сr: от 5,1 до 8,0 вес.%, Мо: от 2,2 до 4,8 вес.%, W: от 0,0 до 1,9 вес.%, Та: от 5,5 до 8,0 вес.%, Аl: от 5,4 до 6,0 вес.%, Ti: от 0,0 до 0,5 вес.%, Hf: от 0,08 до 0,5 вес.%, Nb: от 0,0 до 1,0 вес.%, Re: от 4,0 до 7,5 вес.% и Ru: от 1,0 до 5,0 вес.%, а остальное составляют Ni и неизбежные примеси.

22. Суперсплав по п.21, в котором удовлетворяется Р1≤700, где Р1 обозначает параметр 1, который получен по формуле: Р1=137·[W(вес.%)]+24·[Сr(вес.%)]+46·[Мо(вес.%)]-18·[Re(вес.%)].

23. Суперсплав по п.21, в котором удовлетворяется Р2≤500, где Р2 обозначает параметр 2, который получен по формуле: Р2=30·[W(вес.%)]+10·[Re(вес.%)]-30·[Сr(вес.%)]-20·[Мо(вес.%)]+30·[Аl(вес.%)]+90·[Ti(вес.%)]+60·[Та(вес.%)]-5·[Ru(вес.%)].

24. Суперсплав по п.21, дополнительно содержащий по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из В, С, Si, Y, La, Се, V и Zr.

25. Суперсплав по п.24, в котором выбранные компоненты содержатся в следующем составе: В: 0,05 вес.% или менее. С: 0,15 вес.% или менее, Si: 0,1 вес.% или менее, Y: 0,1 вес.% или менее, La: 0,1 вес.% или менее, Се: 0,1 вес.% или менее, V: 1 вес.% или менее и Zr: 0,1 вес.% или менее.

26. Лопатка турбины, включающая в себя монокристаллический суперсплав на основе Ni по любому из пп.1-25.