МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СУПЕРСПЛАВ НА ОСНОВЕ Ni И ЛОПАТКА ТУРБИНЫ Российский патент 2014 года по МПК C22C19/05 F01D5/28 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Данное изобретение относится к монокристаллическому суперсплаву (жаропрочному сплаву) на основе Ni и лопатке турбины.

Эта заявка испрашивает приоритет по заявке на патент Японии № 2009-185757, поданной 10 августа 2009 г., которая включена в данный документ посредством ссылки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Лопатки турбины (лопатки статора и лопатки ротора), используемые в авиационных двигателях, промышленных газовых турбинах и других системах, часто функционируют в высокотемпературных средах в течение длительного времени и поэтому изготовлены из монокристаллического суперсплава на основе Ni, который обладает высокой жаростойкостью. Монокристаллический суперсплав на основе Ni изготавливается следующим образом. Первоначально к основному Ni добавляют Al, чтобы вызвать выделение Ni₃Al для дисперсионного упрочнения. Затем добавляют тугоплавкие металлы, такие как Cr, W и Та, чтобы образовать сплав, который выполняют в виде монокристалла.

[0003] В качестве такого монокристаллического суперсплава на основе Ni известен, например, сплав второго поколения или т.п. (например, CMSX-4 производства Cannon-Muskegon Corporation, PWA1484 производства United Technologies Corporation), у которого жаропрочность, главным образом прочность при ползучести (также включая усталостную жаропрочность), повышена посредством включения сплава первого поколения, не содержащего Re (например, CMSX-2 производства Cannon-Muskegon Corporation, PWA1480 производства United Technologies Corporation) и 3 мас.% Re. CMSX и PWA представляют собой товарные знаки сплавов.

[0004] [Патентный документ 1] Патент США № 4582548

[Патентный документ 2] Патент США № 4643782

[Патентный документ 3] Нерассмотренная заявка на патент Японии, первая публикация № 53-146223

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Проблема, решаемая изобретением

[0005] Монокристаллический суперсплав на основе Ni второго поколения представляет собой монокристаллический суперсплав на основе Ni, у которого жаропрочность, главным образом прочность при ползучести, повышена по сравнению с монокристаллическим суперсплавом на основе Ni первого поколения посредством включения Re. А именно известно, что жаропрочность, главным образом прочность при ползучести, монокристаллического суперсплава на основе Ni может быть повышена посредством включения Re.

Однако, поскольку Re является редким металлом, то затруднена стабильная гарантированная поставка большого количества Re. Цена Re в последнее время поднялась и применение большого количества Re вызывает повышение цен продуктов.

[0006] Поэтому желательно разработать монокристаллический суперсплав на основе Ni с жаропрочностью, главным образом прочностью при ползучести, которая по меньшей мере выше, чем у монокристаллического суперсплава на основе Ni первого поколения, а желательно жаропрочностью, главным образом прочностью при ползучести, которая равна или выше, чем у монокристаллического суперсплава на основе Ni второго поколения, при уменьшении количества Re по сравнению с монокристаллическим суперсплавом на основе Ni второго поколения.

[0007] Принимая во внимание описанные выше проблемы, было сделано данное изобретение и его задачей является предоставление монокристаллического суперсплава на основе Ni, который имеет низкое количество Re, а также обладает превосходной жаропрочностью, главным образом прочностью при ползучести.

Средство для решения проблемы

[0008] Данное изобретение использует в качестве средства для решения проблем, описанных выше, следующие основные положения.

[0009] Первым изобретением является монокристаллический суперсплав на основе Ni, который имеет следующий состав по массе: 0,1 мас.% или более и 9,9 мас.% или менее Co, 5,1 мас.% или более и 10,0 мас.% или менее Cr, 1,0 мас.% или более и 4,0 мас.% или менее Mo, 8,1 мас.% или более и 11,0 мас.% или менее W, 4,0 мас.% или более и 9,0 мас.% или менее Та, 5,2 мас.% или более и 7,0 мас.% или менее Al, 0,1 мас.% или более и 2,0 мас.% или менее Ti, 0,05 мас.% или более и 0,3 мас.% или менее Hf, 1,0 мас.% или менее Nb и менее чем 3,0 мас.% Re при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.

[0010] Вторым изобретением является монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с вышеуказанным первым изобретением, причем количество Re составляет 2,0 мас.% или менее по массе.

[0011] Третьим изобретением является монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с вышеуказанным первым изобретением, причем количество Re составляет 1,4 мас.% или менее по массе.

[0012] Четвертым изобретением является монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с вышеуказанным первым изобретением, причем количество Re составляет 0,8 мас.% или менее по массе.

[0013] Пятым изобретением является монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с любым из вышеуказанных изобретений с первого по четвертое, который содержит 6,0 мас.% Co, 7,0 мас.% Cr, 1,5 мас.% Mo, 10,0 мас.% W, 5,5 мас.% Та, 6,0 мас.% Al, 0,1 мас.% Ti и 0,10 мас.% Hf по массе и не содержит ни Nb, ни Re или содержит их в качестве неизбежных примесей.

[0014] Шестым изобретением является монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с любым из вышеуказанных изобретений с первого по четвертое, который содержит 8,0 мас.% Co, 7,0 мас.% Cr, 1,8 мас.% Mo, 8,2 мас.% W, 6,0 мас.% Та, 5,2 мас.% Al, 1,6 мас.% Ti, 0,10 мас.% Hf и 0,8 мас.% Re по массе и не содержит Nb или содержит его в качестве неизбежной примеси.

[0015] Седьмым изобретением является монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с любым из вышеуказанных изобретений с первого по третье, который содержит 8,0 мас.% Co, 6,5 мас.% Cr, 1,4 мас.% Mo, 8,1 мас.% W, 6,0 мас.% Та, 5,8 мас.% Al, 1,0 мас.% Ti, 0,10 мас.% Hf и 1,4 мас.% Re и не содержит Nb или содержит его в качестве неизбежной примеси.

[0016] Восьмым изобретением является лопатка турбины, которая включает в себя монокристаллический суперсплав на основе Ni в соответствии с любым из вышеуказанных изобретений с первого по седьмое.

Эффекты изобретения

[0017] В соответствии с данным изобретением количество Re, содержащегося в монокристаллическом суперсплаве на основе Ni, составляет менее 3,0 мас.%. Поэтому монокристаллический суперсплав на основе Ni по данному изобретению имеет меньшее количество Re по сравнению с монокристаллическим суперсплавом на основе Ni второго поколения.

Как описано более подробно далее, монокристаллический суперсплав на основе Ni по данному изобретению обладает жаропрочностью, главным образом прочностью при ползучести, которая выше, чем у монокристаллического суперсплава на основе Ni первого поколения.

Поэтому монокристаллический суперсплав на основе Ni по данному изобретению имеет меньшее количество Re по сравнению с монокристаллическим суперсплавом на основе Ni второго поколения и обладает также превосходной жаропрочностью, главным образом прочностью при ползучести, по сравнению с монокристаллическим суперсплавом на основе Ni первого поколения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0018] Фиг.1 представляет собой график, полученный посредством испытания для выполнения сравнения долговечности при ползучести монокристаллического суперсплава на основе Ni в соответствии с одним из представленных вариантов осуществления данного изобретения и монокристаллических суперсплавов на основе Ni первого и второго поколения.

Фиг.2 представляет собой график, полученный моделированием для выполнения сравнения долговечности при ползучести монокристаллического суперсплава на основе Ni в соответствии с одним из представленных вариантов осуществления данного изобретения и монокристаллических суперсплавов на основе Ni первого и второго поколения.

Фиг.3 представляет собой график, показывающий результаты проверки правильности моделирования.

Фиг.4 представляет собой таблицу, показывающую состав монокристаллического суперсплава на основе Ni, использованного при моделировании.

Фиг.5 представляет собой график, полученный посредством испытания для выполнения сравнения долговечности при ползучести монокристаллического суперсплава на основе Ni в соответствии с представленным вариантом осуществления данного изобретения и монокристаллических суперсплавов на основе Ni первого и второго поколения.

Фиг.6 представляет собой график, полученный посредством испытания для выполнения сравнения долговечности при ползучести монокристаллического суперсплава на основе Ni в соответствии с представленным вариантом осуществления данного изобретения и монокристаллического суперсплава на основе Ni второго поколения.

Фиг.7 представляет собой вид в перспективе лопатки турбины, которая включает в себя монокристаллический суперсплав на основе Ni по одному из представленных вариантов осуществления данного изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0019] Один из вариантов осуществления монокристаллического суперсплава на основе Ni и лопатки турбины в соответствии с данным изобретением будет описан со ссылкой на сопроводительные чертежи, показанные ниже. На чертежах, показанных ниже, масштаб каждого элемента был соответствующим образом изменен для того, чтобы придать каждому элементу легко распознаваемый размер.

[0020] Монокристаллический суперсплав на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения имеет следующий состав по массе: 0,1 мас.% или более и 9,9 мас.% или менее Co, 5,1 мас.% или более и 10,0 мас.% или менее Cr, 1,0 мас.% или более и 4,0 мас.% или менее Mo, 8,1 мас.% или более и 11,0 мас.% или менее W, 4,0 мас.% или более и 9,0 мас.% или менее Та, 5,2 мас.% или более и 7,0 мас.% или менее Al, 0,1 мас.% или более и 2,0 мас.% или менее Ti, 0,05 мас.% или более и 0,3 мас.% или менее Hf, 1,0 мас.% или менее Nb и менее чем 3,0 мас.% Re при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.

[0021] Кроме того, количество Re в монокристаллическом суперсплаве на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения более предпочтительно составляет 2,0 мас.% или менее, 1,4 мас.% или менее или 0,8 мас.% или менее по массе.

[0022] «Неизбежные примеси» представляют собой примеси, которые входят в состав без намеренного введения в процессе производства до тех пор, пока не будет получен монокристаллический суперсплав на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения, и присутствуют в следовых количествах (например, 0,1 мас.% или менее), а также которые не обязательно оказывают влияние на характеристики монокристаллического суперсплава на основе Ni.

Примеры неизбежных примесей включают В, C, Si, Y, La, Се, V, Zr, Nb, Ru, Re и т.п.

[0023] Интервалы содержания компонентов в составе монокристаллического суперсплава на основе Ni регулируются на основании их характеристик, описанных ниже.

Кобальт (Co) 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 с тем, чтобы повысить жаропрочность. Если содержится более чем 9,9 мас.% Co, то его соотношение с другими элементами, включая Al, Та, Mo, W, Hf и Cr, становится несбалансированным. В результате выделяется вредная фаза, уменьшая жаропрочность. Вследствие необходимости повышения жаропрочности предпочтительно содержится 0,1 мас.% или более Co. Поэтому количество Co предпочтительно составляет 0,1 мас.% или более и 9,9 мас.% или менее.

[0024] Хром (Cr) является элементом, который обладает высокой устойчивостью к окислению и улучшает наряду с Hf и Al устойчивость к высокотемпературной коррозии монокристаллического суперсплава на основе Ni. Если количество Cr меньше чем 5,1 мас.%, то затрудняется обеспечение желательной устойчивости к высокотемпературной коррозии. Если количество Cr превышает 10,0 мас.%, то подавляется выделение γ'-фазы и могут выделяться вредные фазы, такие как σ-фаза и μ-фаза, уменьшая жаропрочность. Поэтому количество Cr предпочтительно составляет 5,1 мас.% или более и 10,0 мас.% или менее.

[0025] Молибден (Mo) является элементом, который повышает жаропрочность посредством твердофазного растворения в γ-фазе, которая становится матрицей, при совместном присутствии W или Та, а также улучшает жаропрочность вследствие дисперсионного твердения. Если количество Mo меньше чем 1,0 мас.%, то затрудняется обеспечение желательной жаропрочности. Если количество Mo превышает 4,0 мас.%, то жаропрочность уменьшается и устойчивость к высокотемпературной коррозии ухудшается. Поэтому количество Mo предпочтительно составляет 1,0 мас.% или более и 4,0 мас.% или менее.

[0026] Вольфрам (W) является элементом, который увеличивает жаропрочность вследствие действий по упрочнению при образовании твердого раствора и дисперсионному твердению при совместном присутствии Mo или Та. Для того чтобы повысить жаропрочность, предпочтительно содержится 8,1 мас.% или более W. Если количество W превышает 11,0 мас.%, то устойчивость к высокотемпературной коррозии ухудшается. Поэтому количество W предпочтительно составляет 8,1 мас.% или более и 11,0 мас.% или менее.

[0027] Тантал (Та) является элементом, который увеличивает жаропрочность вследствие действий по упрочнению при образовании твердого раствора и дисперсионному твердению при совместном присутствии Mo или W. Та также увеличивает жаропрочность посредством дисперсионного твердения по отношению к γ'-фазе. Если количество Та меньше чем 4,0 мас.%, то затрудняется обеспечение желательной жаропрочности. Если количество Та превышает 9,0 мас.%, то может выделяться вредная фаза, такая как σ-фаза и μ-фаза, уменьшая жаропрочность. Поэтому количество Ta предпочтительно составляет 4,0 мас.% или более и 9,0 мас.% или менее.

[0028] Алюминий (Al) объединяется с Ni, образуя 60-70% (объемных процентов) интерметаллического соединения формулы Ni₃Al, которое представляет собой тонкодисперсную γ'-фазу, равномерно диспергируемую и выделяемую в матрице. А именно Al является элементом, который увеличивает жаропрочность вместе с Ni. Кроме того, Al обладает высокой устойчивостью к окислению и улучшает наряду с Cr и Hf устойчивость к высокотемпературной коррозии монокристаллического суперсплава на основе Ni. Если количество Al меньше чем 5,2 мас.%, то степень выделения γ'-фазы недостаточна и поэтому трудно обеспечить желательные жаропрочность и устойчивость к высокотемпературной коррозии. Если количество Al превышает 7,0 мас.%, то образуется большое количество грубой эвтектической γ-фазы, называемой эвтектической γ'-фазой, что делает невозможным осуществление термообработки на твердый раствор, а значит это затрудняет обеспечение желательной жаропрочности. Поэтому количество Al предпочтительно составляет 5,2 мас.% или более и 7,0 мас.% или менее.

[0029] Титан (Ti) является элементом, который увеличивает жаропрочность вследствие действий по упрочнению при образовании твердого раствора и дисперсионному твердению при совместном присутствии Mo или W. Ti также увеличивает жаропрочность посредством дисперсионного твердения по отношению к γ'-фазе. Если количество Ti превышает 2,0 мас.%, то может выделяться вредная фаза, уменьшая жаропрочность. Для того чтобы повысить жаропрочность, предпочтительно содержится 0,1 мас.% или более Ti. Поэтому количество Ti предпочтительно составляет 0,1 мас.% или более и 2,0 мас.% или менее.

[0030] Гафний (Hf) является элементом, который сегрегируется на межзеренных границах и распределяется неравномерным образом на межзеренной границе, упрочняя ее, тем самым повышая жаропрочность. Кроме того, Hf обладает превосходной устойчивостью к окислению и улучшает наряду с Cr и Al устойчивость к высокотемпературной коррозии монокристаллического суперсплава на основе Ni. Для того чтобы повысить жаропрочность, предпочтительно содержится 0,05 мас.% или более Hf. Если количество Hf превышает 0,3 мас.%, то происходит локальное плавление, уменьшая жаропрочность. Поэтому количество Hf предпочтительно составляет 0,05 мас.% или более и 0,3 мас.% или менее.

[0031] Ниобий (Nb) является элементом, который увеличивает жаропрочность. Однако, если количество Nb превышает 1,0 мас.%, то выделяется вредная фаза, уменьшая жаропрочность. Поэтому количество Nb предпочтительно составляет 1,0 мас.% или менее.

[0032] Рений (Re) является элементом, который увеличивает жаропрочность посредством упрочнения твердого раствора вследствие твердофазного растворения в γ-фазе, которая является матрицей. Re также повышает устойчивость к коррозии. Однако, если количество Re составляет 3,0 мас.% или более, то становится необходимым применение Re в том же самом количестве, что и в случае обычного монокристаллического суперсплава на основе Ni второго поколения. Однако, поскольку может быть затруднена стабильная гарантированная поставка Re и к тому же Re дорог, цена монокристаллического суперсплава на основе Ni резко возрастает, когда количество Re большое. В варианте осуществления данного изобретения, даже если количество Re сдерживается или Re не включен в состав, возможно поддержание повышенной жаропрочности, главным образом высокой прочности при ползучести в высокотемпературных средах, посредством задания соотношения других элементов в составе в оптимальном интервале.

В монокристаллическом суперсплаве на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения количество Re составляет менее 3 мас.%. Кроме того, в монокристаллическом суперсплаве на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения количество Re предпочтительно составляет 2,0 мас.% или менее, более предпочтительно - 1,4 мас.% или менее, а еще более предпочтительно - 0,8 мас.% или менее.

[0033] Далее со ссылкой на фиг.1 будут описаны результаты испытаний, осуществленных с тем, чтобы выполнить сравнение долговечности при ползучести монокристаллического суперсплава на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения и монокристаллических суперсплавов на основе Ni первого и второго поколения.

Фиг.1 представляет собой полученный посредством испытания график для выполнения сравнения долговечности при ползучести монокристаллического суперсплава на основе Ni в соответствии с одним из представленных вариантов осуществления данного изобретения и монокристаллических суперсплавов на основе Ni первого и второго поколения. На фиг.1 абсцисса обозначает количество Re (мас.%), в то время как ордината обозначает долговечность при ползучести.

Черные точки от A до С, показанные на фиг.1, обозначают результаты, в которых долговечность при ползучести была измерена посредством испытания при условии приложения растягивающей нагрузки 137 МПа в среде с температурой 1100°C при использовании монокристаллических суперсплавов А, В, B2 и С на основе Ni в качестве монокристаллического суперсплава на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения. При этом монокристаллический суперсплав A на основе Ni содержит: 6,0 мас.% Ce, 7,0 мас.% Co, 1,5 мас.% Mo, 10,0 мас.% W, 5,5 мас.% Та, 6,0 мас.% Al, 0,1 мас.% Ti и 0,10 мас.% Hf по массе и не содержит ни Nb, ни Re или же содержит их в качестве неизбежных примесей. Монокристаллический суперсплав B на основе Ni содержит: 8,0 мас.% Co, 7,0 мас.% Cr, 1,8 мас.% Mo, 8,2 мас.% W, 6,0 мас.% Та, 5,2 мас.% Al, 1,6 мас.% Ti, 0,10 мас.% Hf и 0,8 мас.% Re по массе и не содержит Nb или содержит его в качестве неизбежной примеси. Монокристаллический суперсплав B2 на основе Ni содержит: 8,0 мас.% Co, 7,0 мас.% Cr, 1,8 мас.% Mo, 8,2 мас.% W, 6,2 мас.% Та, 5,4 мас.% Al, 1,2 мас.% Ti, 0,1 мас.% Hf и 0,8 мас.% Re по массе и не содержит Nb или содержит его в качестве неизбежной примеси. Монокристаллический суперсплав C на основе Ni содержит: 8,0 мас.% Co, 6,5 мас.% Cr, 1,4 мас.% Mo, 8,1 мас.% W, 6,0 мас.% Та, 5,8 мас.% Al, 1,0 мас.% Ti, 0,10 мас.% Hf и 1,4 мас.% Re по массе и не содержит Nb или содержит его в качестве неизбежной примеси.

[0034] Способ изготовления монокристаллического суперсплава на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения является следующим.

Сначала приготавливают расплавленный монокристаллический суперсплав на основе Ni с использованием вакуумной плавильной печи и отливают слиток сплава с использованием этого расплавленного сплава.

Кроме того, слиток сплава подвергают термообработке на твердый раствор и термообработке старением, чтобы получить монокристаллический суперсплав на основе Ni. Термообработку на твердый раствор осуществляют нагреванием слитка от температуры в интервале 1503-1563 К (1230-1290°C) до температуры в интервале 1573-1613 К (1300-1340°C) посредством многостадийного этапа с последующим поддержанием такой температуры в течение 1-10 часов или более. Термообработку старением осуществляют посредством первичной термообработки старением с выдерживанием слитка при температуре в интервале 1273-1423 К (1000°C-1150°C) в течение 3-5 часов. Затем осуществляют вторичную термообработку старением с выдерживанием слитка при температуре в интервале 1073-1223 К (800°C-950°C) в течение 15-25 часов.

[0035] CMSX-2, CMSX-4, ReneN4, ReneN5, PWA1480 и PWA1484, показанные белыми точками на фиг.1, обозначают результаты испытания для каждого монокристаллического суперсплава на основе Ni, осуществленного при тех же самых условиях, что и для монокристаллического суперсплава на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения. CMSX, Rene и PWA являются товарными знаками сплавов.

[0036] Как видно из фиг.1, монокристаллический суперсплав A на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения явно имеет более длительную долговечность при ползучести и более высокую прочность при ползучести по сравнению с CMSX-2, ReneN4 и PWA1480, которые аналогичным образом не содержат Re в качестве полезного компонента (монокристаллический суперсплав на основе Ni первого поколения).

Использованное здесь выражение «не содержат Re в качестве полезного компонента» включает, в дополнение к случаю, когда Re не входит в состав вообще, случай, когда Re входит в состав в качестве неизбежной примеси.

[0037] Из долговечности при ползучести CMSX-2, PWA1480, ReneN4, ReneN5, CMSX-4 и PWA1484 делается вывод о том, что, когда количество Re в этих обычных монокристаллических суперсплавах на основе Ni варьируется в интервале 3,0 мас.% или менее, долговечность монокристаллического суперсплава на основе Ni попадает в область R1, показанную на Фиг.1. Как видно из Фиг.1, монокристаллические суперсплавы В и B2 на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения явно имеют более длительную долговечность при ползучести по сравнению с долговечностью при ползучести, предполагаемой в случае, когда обычный монокристаллический суперсплав на основе Ni содержит 0,8 мас.% Re, а также имеют более высокую прочность при ползучести.

Это может подтверждать то, что монокристаллический суперсплав С на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения явно имеет более длительную долговечность при ползучести по сравнению с долговечностью при ползучести, предполагаемой в случае, когда обычный монокристаллический суперсплав на основе Ni содержит 1,4 мас.% Re, а также имеет более высокую прочность при ползучести.

Как видно из фиг.1, эти монокристаллические суперсплавы В, B2 и С на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения проявляют более длительную долговечность при ползучести и более высокую прочность ползучести по сравнению с монокристаллическим суперсплавом на основе Ni первого поколения.

[0038] Как видно из фиг.1, монокристаллический суперсплав A на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения имеет долговечность при ползучести, т.е. прочность при ползучести, которая сравнима с CMSX-4, содержащим 3,0 мас.% Re (монокристаллическим суперсплавом на основе Ni второго поколения).

Как видно из фиг.1, монокристаллический суперсплав В на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения имеет долговечность при ползучести, т.е. прочность при ползучести, которая сравнима с PWA1484, содержащим 3,0 мас.% Re (монокристаллическим суперсплавом на основе Ni второго поколения), а также имеет более длительную долговечность при ползучести, т.е. более высокую прочность при ползучести по сравнению с CMSX-4 и ReneN5 (монокристаллическими суперсплавами на основе Ni второго поколения).

Как видно из Фиг.1, монокристаллический суперсплав С на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения имеет более длительную долговечность при ползучести, т.е. более высокую прочность при ползучести по сравнению с CMSX-4, ReneN5 и PWA1484, содержащими 3,0 мас.% Re.

[0039] Что касается фактической величины долговечности при ползучести в данном испытании, то фактические величины долговечности при ползучести монокристаллических суперсплавов A на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения (которые не содержат Re в качестве полезного компонента) составляют 72 часа и 87 часов, фактическая величина долговечности при ползучести монокристаллического суперсплава В на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения (Re: 0,8 мас.%) составляет 149 часов, фактическая величина долговечности при ползучести монокристаллического суперсплава B2 на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения (Re: 0,8 мас.%) составляет 101 час, фактическая величина долговечности при ползучести монокристаллического суперсплава С на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения (Re: 1,4 мас.%) составляет 170 часов, фактическая величина долговечности при ползучести PWA1480 составляет 18 часов, фактическая величина долговечности при ползучести ReneN4 составляет 31 час, фактическая величина долговечности при ползучести CMSX-2 составляет 45 часов, фактическая величина долговечности при ползучести PWA1484 составляет 141 час, фактическая величина долговечности при ползучести ReneN5 составляет 89 часов и фактическая величина долговечности при ползучести CMSX-4 составляет 74 часа соответственно.

[0040] Далее со ссылкой на фиг.2 будут описаны результаты моделирования, осуществленного с тем, чтобы выполнить сравнение долговечности при ползучести монокристаллического суперсплава на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения и монокристаллических суперсплавов на основе Ni первого и второго поколения.

Данное моделирование осуществляли с использованием программного обеспечения «JMatPro V.5.0», разработанного Sente Software Co., Великобритания. Данное программное обеспечение делает возможным расчет величин физических, термодинамических и механических свойств металлического сплава на основании его химического состава, и уже было подтверждено, что долговечность при ползучести монокристаллического суперсплава на основе Ni, соответствующего области техники данного изобретения, может также быть спрогнозирована с удовлетворительной точностью, как показано на фиг.16 следующего литературного источника (Литературный источник: N. Saunders, Z. Guo, X. Li, A. P. Miodownik and J-Ph. Schille: MODELLING THE MATERIAL PROPERTIES AND BEHAVIOUR OF Ni-BASED SUPERALLOYS, Superalloys 2004, (TMS, 2004), pp.849-858).

Авторы данного изобретения изготовили некоторые монокристаллические суперсплавы и осуществили испытание на разрушение при ползучести при 1100°C при 137 МПа таким же образом, что и при вышеуказанном испытании, и затем провели сравнение с рассчитанной величиной срока службы до разрушения, полученной при использовании «JMatPro V.5.0». Фиг.3 показывает результаты сравнения. Как показано на этой фигуре, рассчитанная посредством «JMatPro V.5.0» величина показывает удовлетворительную корреляцию (коэффициент множественной корреляции R²=0,96) с фактической величиной, полученной при испытании, и это подтвердило, что результаты данного моделирования могут быть истолкованы таким же образом, что и фактическая величина, полученная при испытании.

Как показано на фиг.3, рассчитанная посредством «JMatPro V.5.0» величина согласуется с фактической величиной, полученной при испытании, особенно в отношении высокой долговечности при ползучести (примерно 100 часов или более). Другими словами, «JMatPro V.5.0» обеспечивает возможность расчета при удовлетворительной точности, особенно в отношении высокой долговечности при ползучести.

[0041] Фиг.2 представляет собой полученный посредством моделирования график для выполнения сравнения долговечности при ползучести монокристаллического суперсплава на основе Ni в соответствии с одним из представленных вариантов осуществления данного изобретения и монокристаллических суперсплавов на основе Ni первого и второго поколения. На фиг.2 абсцисса обозначает количество Re (мас.%), в то время как ордината обозначает долговечность при ползучести.

При этом черные точки, показанные на фиг.2, обозначают результаты, в которых долговечность при ползучести была определена моделированием при условии с растягивающей нагрузкой 137 МПа в среде с температурой 1100°C при использовании монокристаллических суперсплавов на основе Ni от a до r, каждый из которых имел состав, показанный на фиг.4. Монокристаллические суперсплавы на основе Ni «от a до с» имели такие же составы, что и монокристаллические суперсплавы на основе Ni от A до С, использованные в вышеописанном испытании.

CMSX-2, CMSX-4, ReneN4, ReneN5, PWA1480 и PWA1484, показанные белыми точками на фиг.2, обозначают результаты моделирования для монокристаллических суперсплавов на основе Ni с составом, представленным на Фиг.4, осуществленного при тех же самых условиях, что и для монокристаллического суперсплава на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения. CMSX-2, CMSX-4, ReneN4, ReneN5, PWA1480 и PWA1484, использованные в данном моделировании, имеют такие же составы, что и обычный монокристаллический суперсплав на основе Ni, использованный в вышеописанном испытании.

[0042] Как видно из фиг.4, монокристаллические суперсплавы на основе Ni «a и q» по варианту осуществления данного изобретения явно имеют более длительную долговечность при ползучести и более высокую прочность при ползучести по сравнению с CMSX-2, ReneN4 и PWA1480, которые аналогичным образом не содержат Re в качестве полезного компонента (монокристаллический суперсплав на основе Ni первого поколения).

[0043] Из долговечности при ползучести CMSX-2, PWA1480, ReneN4, ReneN5, CMSX-4 и PWA1484 делается вывод о том, что, когда количество Re в этих обычных монокристаллических суперсплавах на основе Ni варьируется в интервале 3,0 мас.% или менее, долговечность монокристаллического суперсплава на основе Ni попадает в область R2, показанную на фиг.2. Как видно из Фиг.4, монокристаллические суперсплавы на основе Ni «b, b2 и от d до o» по варианту осуществления данного изобретения явно имеют более длительную долговечность при ползучести по сравнению с долговечностью при ползучести (область R2), предполагаемой в случае, когда обычный монокристаллический суперсплав на основе Ni содержит 0,8 мас.% Re, а также имеют более высокую прочность при ползучести.

Это может подтверждать то, что монокристаллический суперсплав на основе Ni «c и p» по варианту осуществления данного изобретения явно имеет более длительную долговечность при ползучести по сравнению с долговечностью при ползучести (область R2), предполагаемой в случае, когда обычный монокристаллический суперсплав на основе Ni содержит 1,4 мас.% Re, а также имеет более высокую прочность при ползучести. Как видно из Фиг.4, монокристаллические суперсплавы на основе Ni «b, b2 и от d до o» по варианту осуществления данного изобретения имеют более длительную долговечность при ползучести и более высокую прочность при ползучести по сравнению с монокристаллическим суперсплавом на основе Ni первого поколения.

Кроме того, монокристаллический суперсплав на основе Ni «r» по варианту осуществления данного изобретения является суперсплавом для сравнения и содержит 3,0 мас.% Re, что равно его количеству в обычном монокристаллическом суперсплаве на основе Ni второго поколения, и это может подтверждать то, что прочность при ползучести становится выше по сравнению с обычным монокристаллическим суперсплавом на основе Ni.

[0044] Как видно из фиг.2, монокристаллические суперсплавы на основе Ni «от a до r» по варианту осуществления данного изобретения имеют прочность при ползучести, которая сравнима или выше, чем у обычного монокристаллического суперсплава на основе Ni.

В частности, это может подтверждать то, что монокристаллический суперсплав на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения имеет характеристики, улучшенные на 30% или более по сравнению с обычным монокристаллическим суперсплавом на основе Ni, имеющим такое же содержание Re.

[0045] Количество Re в вышеописанном монокристаллическом суперсплаве на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения (исключая сравнительный монокристаллический суперсплав на основе Ni «r», использованный при моделировании) составляет менее 3,0 мас.%. Поэтому монокристаллический суперсплав на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения имеет меньшее количество Re по сравнению с монокристаллическим суперсплавом на основе Ni второго поколения.

Монокристаллический суперсплав на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения имеет более высокую прочность при ползучести по сравнению с монокристаллическим суперсплавом на основе Ni первого поколения.

Поэтому монокристаллический суперсплав на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения имеет меньшее количество Re по сравнению с монокристаллическим суперсплавом на основе Ni второго поколения, а также обладает превосходной прочностью при ползучести по сравнению с монокристаллическим суперсплавом на основе Ni первого поколения.

[0046] В обычном монокристаллическом суперсплаве на основе Ni необходимо добавлять Ru, в качестве редкого металла, для того чтобы сдерживать образование ухудшенного слоя вследствие добавления Re. Однако в монокристаллическом суперсплаве на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения нет необходимости в содержании Ru, а значит становится возможным снижение затрат.

[0047] Далее со ссылкой на фиг.5 и фиг.6 будут описаны результаты испытания, осуществленного с тем, чтобы выполнить сравнение усталостной прочности и долговечности при ползучести монокристаллических суперсплавов на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения (монокристаллических суперсплавов A и B2 на основе Ni (описанных выше)) и монокристаллических суперсплавов на основе Ni первого и второго поколения.

[0048] Фиг.5 представляет собой полученный при испытании график для выполнения сравнения долговечности при ползучести монокристаллических суперсплавов A и В на основе Ni в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения и монокристаллических суперсплавов на основе Ni первого и второго поколения. Абсцисса обозначает параметр Ларсена-Миллера, в то время как ордината обозначает нагрузку (напряжение, генерируемое в сплаве). Параметр Ларсена-Миллера представляет собой численную величину, показывающую соотношение между нагрузкой и временем до разрушения, и представляется следующим уравнением: P=T(Log TIME+С)×10³ (где T - абсолютная температура, TIME - долговечность до разрушения при ползучести, а С - постоянная материала (C=20) в данном случае).

Как видно из фиг.5, монокристаллические суперсплавы A и B2 на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения явно имеют более длительную долговечность при ползучести по сравнению с ReneN4, который аналогичным образом содержит Re в качестве полезного компонента, а также долговечность при ползучести, которая сравнима с ее величиной у ReneN5, содержащего 3,0 мас.% Re.

[0049] Фиг.6 представляет собой полученный при испытании график для выполнения сравнения усталостной жаропрочности монокристаллических суперсплавов A и В2 на основе Ni в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения и монокристаллических суперсплавов на основе Ni второго поколения. Абсцисса обозначает число циклов до разрушения (логарифм), в то время как ордината обозначает амплитуду напряжений. В данном испытании на усталость температура составляет 1093°C, а коэффициент асимметрии цикла напряжений R=0 (A=1).

Как видно из фиг.6, монокристаллический суперсплав A на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения проявляет усталостную долговечность, которая соответствует ее величине у ReneN5, содержащего 3,0 мас.% Re, в высокотемпературных средах. Монокристаллический суперсплав B2 на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения, который содержит 0,8 мас.% Re, проявляет превосходную усталостную долговечность в высокотемпературных средах по сравнению с ReneN5, содержащим 3,0 мас.% Re.

[0050] Монокристаллический суперсплав на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения может быть использован в качестве материала, который образует лопатку 1 турбины, показанную на фиг.7.

Лопатка 1 турбины, которая включает в себя монокристаллический суперсплав на основе Ni по варианту осуществления данного изобретения, имеет небольшое количество Re и также обладает превосходной жаропрочностью, главным образом прочностью при ползучести. Поэтому может быть получена лопатка 1 турбины, которая является недорогой и обладает высокой прочностью.

[0051] Несмотря на то что изобретение было описано посредством представленных выше примеров, оно не ограничивается этими примерами. Также различные комбинации и выборки различных раскрытых существенных элементов предназначены лишь для иллюстративных целей и могут быть проделаны без отклонения от объема данного изобретения.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

[0052] В соответствии с данным изобретением возможно получение монокристаллического суперсплава на основе Ni, который имеет меньшее количество Re по сравнению с обычным монокристаллическим суперсплавом на основе Ni, а также обладает превосходной жаропрочностью, главным образом прочностью при ползучести.

ОПИСАНИЕ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

[0053] 1: Лопатка турбины

A-C, a-r: Монокристаллические суперсплавы на основе Ni

Изобретение относится к монокристаллическому суперсплаву на основе Ni и может быть использовано для изготовления из него лопаток турбины. Сплав имеет следующий состав по массе: 6,0 мас.% или более и 9,9 мас.% или менее Co, 6,5 мас.% или более и 10,0 мас.% или менее Cr, 1,0 мас.% или более и 4,0 мас.% или менее Mo, 8,1 мас.% или более и 11,0 мас.% или менее W, 4,0 мас.% или более и 9,0 мас.% или менее Та, 5,2 мас.% или более и 7,0 мас.% или менее Al, 0,1 мас.% или более и 2,0 мас.% или менее Ti, 0,05 мас.% или более и 0,3 мас.% или менее Hf, 0-1,0 мас.% Nb и 0-0,8 мас.% Re при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси. Сплав обладает высокими значениями жаропрочности, прочности при ползучести. 2 н. и 2 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Монокристаллический суперсплав на основе Ni, который имеет следующий состав по массе: 6,0 мас.% или более и 9,9 мас.% или менее Co, 6,5 мас.% или более и 10,0 мас.% или менее Cr, 1,0 мас.% или более и 4,0 мас.% или менее Mo, 8,1 мас.% или более и 11,0 мас.% или менее W, 4,0 мас.% или более и 9,0 мас.% или менее Та, 5,2 мас.% или более и 7,0 мас.% или менее Al, 0,1 мас.% или более и 2,0 мас.% или менее Ti, 0,05 мас.% или более и 0,3 мас.% или менее Hf, 0-1,0 мас.% Nb и 0-0,8 мас.% Re при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси.

2. Монокристаллический суперсплав на основе Ni по п.1, который содержит 6,0 мас.% Co, 7,0 мас.% Cr, 1,5 мас.% Mo, 10,0 мас.% W, 5,5 мас.% Та, 6,0 мас.% Al, 0,1 мас.% Ti и 0,10 мас.% Hf по массе и не содержит ни Nb, ни Re или же содержит их в качестве неизбежных примесей.

3. Монокристаллический суперсплав на основе Ni по п.1, который содержит 8,0 мас.% Co, 7,0 мас.% Cr, 1,8 мас.% Mo, 8,2 мас.% W, 6,0 мас.% Та, 5,2 мас.% Al, 1,6 мас.% Ti, 0,10 мас.% Hf и 0,8 мас.% Re по массе и не содержит Nb или содержит его в качестве неизбежной примеси.

4. Лопатка турбины, которая включает в себя монокристаллический суперсплав на основе Ni по любому из пунктов 1-3.