專利名稱：鎳基合金、構(gòu)件、燃氣輪機裝置以及鈀在有關(guān)這種合金中的應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有用于高溫的優(yōu)異特性的鎳基合金。本發(fā)明的合金例如可用于燃氣輪機的構(gòu)件。本發(fā)明還涉及由本發(fā)明合金制成的構(gòu)件。再則，本發(fā)明還涉及燃氣輪機裝置。此外，本發(fā)明還涉及Pd在合金中的應用。
背景技術(shù)：
已知有多種適于高溫應用的合金。這類合金稱為超級耐熱合金。術(shù)語“超級耐熱合金”是代表基于如鎳、鐵和鈷并含添加元素如鉻、碳、鋁、鎢、錸、鈦、硅和鉬的復雜合金。術(shù)語“基于”意指合金的最大重量部分的元素，即在合金中無其它的其重量％等于或高于基礎(chǔ)元素的重量％的元素。該添加元素通常用于賦于高溫下的高機械強度值和抗蠕變性，并改進耐氧化性和耐熱腐蝕性。對鎳基超級耐熱合金，其高熱強度部分由使用元素如鎢或鉬的固溶體硬化和部分由沉淀硬化得到的。該沉淀物常常通過加入鋁和鈦以在主材料(γ)中形成基于Ni3(Ti，Al)的金屬間化合物γ′(“gammaprime”)而制得。
文件US6177046B1描述了一種含Pd的γ/γ′超級耐熱合金。按該文件加入Pd是為對該合金提供改進的可焊接性。該文件列出了合金元素的很寬的含量范圍。在權(quán)利要求中規(guī)定的Pd含量為4-32重量％。按該文件中的不同實施例的最優(yōu)選的合金元素范圍，Pd含量應為5-40重量％(表7)，5-45重量％(表8)或8-27重量％(17欄的表)。在該文件的具體實施例中，Pd含量是非常高的。建議在現(xiàn)有Ni基超級耐熱合金中的Ni含量的高達近一半應由Pd取代(見行9)。
文件US6007645描述γ/γ′鎳基超級耐熱合金。該文件描述的合金具有優(yōu)良的耐熱腐蝕性、高的蠕變-斷裂強度和優(yōu)良的微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該文件強調(diào)，Cr含量應低。該文件提出了幾種不同的合金組合物。Cr含量從未大于2.9重量％。文件提及，連同其它合金元素一起，合金可含0-10重量％的一種或多種選自Ru、Rh、Pd、Os、Ir和Pt的元素。并提及這些元素有利于提高蠕變-斷裂強度和耐氧化性和耐腐蝕性。該文件似乎沒有提及在合金中含Pd的具體實施例。
由Liu Yang和Rex B.McLellan在Journal of Materials Research，Vol.11，No.4，4月1996，862-864頁中的文章“鈀在B-摻雜的Ni3Al的氫脆性中的作用(Effect of palladium on the hydrogen embrittlement of B-doped Ni3Al)”討論了通過加入Pd可降低硼-摻雜的Ni3Al的氫脆性。
已知氫可擴散進合金，并由此成為該合金不利特性的原因。例如氫可降低材料的可延展性，并可能是產(chǎn)生裂紋的原因并使材料變硬和脆。這些效應的最重要的機理與晶界和顆粒邊界的弱化有關(guān)。這也可能在H和S之間存在可能的不利的協(xié)同效應，以致在晶界和顆粒邊界形成硫化氫。也已知，S有助于偏析而不是有助于晶界。甚至非常低的S含量也足以在此晶界處形成硫化氫層。在無S時也可因形成氫化鎳而產(chǎn)生這種問題。所描述的這類問題可稱為氫脆(HE)。
HE可因氫氣的存在而引起，但也可在潮濕條件下發(fā)生。合金元素如Al可在水中氧化，以致形成游離氫，參見早期所提及的Yang & McLellan的關(guān)于γ′(“gamma prime”)合金的文章和Nazmy等人的在Scripta Materialia48(2003)上的文章“Environment effects on tensile and low cycle fatiquebehaviour of single crystal nickel base superalloys”。這種氫可擴散進入合金中并引起HE。
已知Ni基γ/γ′合金具有優(yōu)異的高溫應用特性，如用于燃氣輪機中的構(gòu)件。但是也己報道這種合金也有HE現(xiàn)象，參看上面提及的Nazmy等人的文章。
Ni基γ/γ ′合金是十分復雜的合金。這些合金有γ相的基質(zhì)，該γ相是Ni與其它元素如Cr、Co、Fe、W、Mo和Re的固溶體。此外，這種合金還含有γ′相顆粒，該γ′相通常是Ni3Al與其它元素如Ti、Ta和Nb的固溶體。此外，這種合金還含有其它元素，例如為強化晶界和/或穩(wěn)定保護性氧化物層。也可提及，不同的合金元素往往以不同濃度存在于γ和γ′相中，即某個元素易于被吸引到這些相的某個相中，以致該元素的濃度在這相中高于在另一相中。例如曾報道，Al往往優(yōu)選分配到γ′相中。也曾報還道，Pd往往優(yōu)選分配到γ′相中。此外，一種元素在γ和γ′相中的分配在有其它元素存在下可以改變。已注意到，加入Pd會產(chǎn)生使Al易于優(yōu)選分配到γ相中的效應。

發(fā)明內(nèi)容
Ni基γ/γ′合金構(gòu)件通常具有可防氫脆的保護性氧化物層。但是本發(fā)明人注意到，特別是經(jīng)受如在環(huán)境溫度和高工作溫度之間的變化的構(gòu)件和特別是如果這些構(gòu)件也經(jīng)受濕氣條件，該氧化物皮的微結(jié)構(gòu)將隨時間而變化，以致該保護性氧化物層會松開至少其部分保護作用或經(jīng)受機械作用而損壞其母材。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，對這種構(gòu)件易于發(fā)生氫脆。因為正常的空氣含一定量的濕度，在許多情況下濕氣可能是一個問題。此外，本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，在例如使用“濕工藝”如噴霧和蒸汽冷卻的燃氣輪機中該氫脆可能是一個問題。氫脆會縮短構(gòu)件可使用的時間。例如由于燃氣輪機是昂貴的裝置，重要的是在這類裝置中的構(gòu)件能長時間地運行。
本發(fā)明的目的是提供一種改進的Ni基γ/γ′合金，其適用于經(jīng)受高溫的構(gòu)件。因此特別的目的在于提供一種具有改進的堅固性和能耐氫脆的合金。特別是用該合金制成的構(gòu)件在經(jīng)受至少部分循環(huán)為潮濕條件的熱循環(huán)時應降低其氫脆的風險。因此本發(fā)明的目的是提供一種用于能在長期運行中不損壞的構(gòu)件的合金。本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有優(yōu)異特性的構(gòu)件，特別是耐氫脆的構(gòu)件。再一目的是提供一種燃氣輪機裝置，其包括一個或多個在高溫應用時有優(yōu)異特性的構(gòu)件。本發(fā)明的還有一目的是在Ni基γ/γ′合金中使用Pd以實現(xiàn)有利的技術(shù)效應。
該上述第一個目的是通過適于要在高溫使用的單晶狀的、定向固化的或多晶狀的構(gòu)件的Ni基合金而實現(xiàn)的，該合金是γ/γ′合金，并由下列成分(重量％)組成

其中該合金含明顯量的Pd，以足以提供合金改進的耐氫脆性。
應指出的是，本文中規(guī)定一組元素的含量(如選自...的一種或多種元素)時，該含量意指合金中存在的選自該組的所有元素的總含量。因此，如果該合金僅含該組中一個元素，則指定的含量是該元素的含量。
還應指出的是，在本文中如果沒有另外提及，則不同元素或元素組的含量均為重量％。
還可指出的是，當含量的范圍從0開始，則該元素或多個相關(guān)元素的存在是任選的。
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過選用上述限定的不同元素可得到改進型的合金。所以發(fā)現(xiàn)特別是得到了一種改進的耐氫脆性。己發(fā)現(xiàn)這種改進的耐氫脆性也可用非常低的Pd濃度而實現(xiàn)。因為Pd是一種昂貴的材料，所以本發(fā)明的有利方面是僅需少量的Pd。該改進的耐氫脆性HE可能是由于在晶界或顆粒邊界上存在的H因Pd而被吸引入γ′相。如上面所提及的，Pd優(yōu)選分配到γ′相。
此外，加入Pd還可有另外的有利效應。例如已報道，Pd有利于防止TCP(拓樸密堆積)區(qū)域的形成。此外，因為Pd非常類似于Ni，所以其在Ni中的溶解性是非常高的。再則，因為Pd優(yōu)選分配到γ′相，所以在Ni3Al中的溶解性也是優(yōu)異的。如上面所述，也已報道，Pd的加入可改變Ni基γ/γ′合金的分配系數(shù)，以致稍多的Al分配到γ相中。這意味對給定的γ′含量，可加入稍多的Al到合金中。這似乎提高了耐氧化性和耐熱腐蝕性。此外，因為使用少量Pd可足以得到有利的效應，所以未提及加入Pd的明顯不利影響(已有報道，Pd可能會引起熱處理程序的有關(guān)的問題以及在高溫下降低蠕變強度的問題)。
按本發(fā)明合金的一種實施方案，所述添加元素的含量＜1.0，或其甚至僅在適于高溫下所用構(gòu)件如燃氣輪機的構(gòu)件的合金的通?？山邮艿碾s質(zhì)的量。如果該合金僅含少量(或不含)這些添加元素，則該合金的特性是易于控制的。
按另一實施方案，Pd含量＞0.05。該Pd含量可以＜2.0，優(yōu)選＜1.0和甚至＜0.5。本發(fā)明的有利方面就是也可用少量Pd達到所需的效應。這是特別重要的，因為Pd是一種昂貴材料，并且因為大量的Pd可能有某些不利影響。
按另一實施方案，Cr的含量＞3.0，優(yōu)選＞6.0。用相當大量的Cr可得到優(yōu)異的耐腐蝕性和耐氧化性。
但按另一實施方案，Cr含量≤3.0。按這另一實施方案，使用低的Cr含量。這可增加合金的蠕變斷裂強度。通過精心選用其它元素，即使Cr含量低時也可得到足夠的耐腐能性和耐氧化性。
按一個實施方案，選自Co、Fe和Mn的一種或多種元素的含量＞3.0。Co的含量例如可＞6.0。此外，Co的含量可＞(Fe含量+Mn含量)。已知Co是一種提供這類合金具有有利特性的材料，特別是在較高溫度下有足夠的硬度。
按另一實施方案，選自Mo、W、Re和Rh的一種或多種元素的含量＞3.0。按優(yōu)選實施方案，W的含量可＞Mo的含量。此外，(Re含量+Rh含量)可＜1.0。例如用足夠量的W可增加合金的強度。此外，也改進耐蠕變性。
按另一實施方案，Al的含量＞1.0。例如Al含量可＞3.0但＜10.0。合金中Al的摩爾分數(shù)優(yōu)選大于選自Al、Ti、Ta、Nb和V的任何其它元素的摩爾分數(shù)。特別是Al是一種形成γ′相的有利材料。此外，Al可提高耐氧化性和耐熱腐蝕性。
按另一實施方案，選自Ru、Os、Ir和Pt的一種或多種元素的含量＞0.01但＜5.0。加入選自該組的元素可用于控制其它元素在γ相和γ′相之間的分配。
按一種實施方案，Hf的含量可＞0.05。
按一種實施方案，Si的含量可＞0.02。Hf和/或Si可用于促進形成保護性氧化物層。
選自B、C、N和Zr的一種或多種元素的含量例如可＞0.05但＜0.8。這些元素可用于增加晶界處的強度。
按一種實施方案，該合金中選自Y、La、Sc、錒系元素和Ce和其它鑭系元素的含量可＞0.005。這些元素可用于結(jié)合S，它可起降低形成有害的硫化氫的風險的作用。
優(yōu)選Ni的含量＞35，更優(yōu)選＞50。因此該合金優(yōu)選含非常大量的基元素Ni。
按另一實施方案，γ′/γ的體積比＞0.4(40％)或甚至＞0.6(60％)。非常高的γ′分數(shù)有利于提供高的熱強度。
按本發(fā)明的另一方面，提供一種為用于高溫環(huán)境所設(shè)計的構(gòu)件，其中該構(gòu)件是用按前述實施方案中的任一的合金所制成。因此這種構(gòu)件具有上面有關(guān)該合金的實施方案中所述的有利特性。特別是該構(gòu)件可在高溫下使用，并還有優(yōu)良的耐氫脆性。
按一種實施方案，該構(gòu)件是用于燃氣輪機裝置中的構(gòu)件。該構(gòu)件例如可以是導向葉片或?qū)蛉~片零件或渦輪轉(zhuǎn)子葉片或渦輪轉(zhuǎn)子葉片的零件。已發(fā)現(xiàn)使用本發(fā)明的合金制成這些構(gòu)件是特別有利的。該構(gòu)件可使用非常長的時間而沒有因例如受氫脆而損害。
本發(fā)明的燃氣輪機裝置包括至少一個上述定義的構(gòu)件。因此這種燃氣輪機裝置將包括具有上述有利特性的構(gòu)件。
通過使用Pd實現(xiàn)本發(fā)明的應用，其形成按上述用于提供所述合金的任一實施方案的合金的部分，按照上述任一實施方案其具有改進的耐氫脆性。因此本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過在上述合金類中經(jīng)精心使用Pd可達到技術(shù)效果。特別有利的是，僅用少量Pd就足以達到上述的有利效果。
附圖簡介

圖1以非常簡略的示意性圖示本發(fā)明的具有多個本發(fā)明構(gòu)件的燃氣輪機裝置。
優(yōu)選實施方案的描述下面列出本發(fā)明的各種合金組成的不同實施例。在所有下列實施例中，余量均為Ni。除Ni和實施例中給定的元素外，這些實施例的合金可含少量雜質(zhì)，該雜質(zhì)的濃度對這類用于要在高溫下使用的構(gòu)件如燃氣輪機的構(gòu)件的合金通常是可接受的。此外，所有合金均為鎳基γ/γ′合金。該γ′/γ的比例如可為0.4(40％)或＞0.6(60％)。該比例如可為0.5(50％)。
該第一實施例是一種具有給定量的不同元素的具體實施例。實施例2-10的每個實施例限定了不同元素的小范圍。實施例2-10的合金可通過稍稍改變己知合金的組成即特別是通過加入少量Pd而獲得。
合金適于制造單晶或多晶態(tài)的物品。
實施例112.0 Cr8.0 Co2.0 Mo4.0 W4.0 Al2.0 Ti1.5 Ta1.5 Nb0.4 Pd0.1 Hf0.1 Si0.01 B0.05 C實施例215-17Cr
8-9Co1.5-2.5Mo3-4W3-4Al3-4Ti1.5-2.5Nb0.1--0.5 Pd0.05-0.2 C0.005-0.015B0.05-0.015 Zr實施例312-14 Cr8-10 Co1.5-2.5Mo3-5W3-4Al3.5-5 Ti3-5Ta1.5-2.5Nb0.1-0.5Pd0.1-0.3C0.015-0.025B0.005-0.015Zr實施例412-14 Cr8-10 Co1.5-2.5Mo3-5W3-4Al
3.5-4.5 Ti3-5 Ta0.1-0.5 Pd實施例57.5-9Cr8-11 Co0.4-0.8 Mo9-11 W5-6 Al0.5-1.5 Ti2-4 Ta0.1-0.5 Pd0.05-0.2 C0.01-0.02B0.005-0.05 Zr1-2 Hf實施例621-25Cr18-20Co1-3 W1.5-2.5 Al3-4 Ti1-2 Ta0.5-1.5 Nb0.1-0.5 Pd0.1-0.2 C0.005-0.015 B0.05-0.15Zr
實施例721-25 Cr18-20 Co1-3W2-3Al3-4Ti1-2Ta0.5-1.5Nb0.1-0.5Pd0.1-0.2C0.005-0.015B0.05-0.15 Zr0.5-1.5Hf實施例88-9Cr4-6Co1-3Mo7-9W4.5-5.5Al1-2Ti5-7Ta0.1-0.5Pd0.05-0.15 Hf0.05-0.15 Si0.005-0.015C0.005-0.015B實施例96-7Cr9-11 Co
0.4-0.8 Mo5-7 W2.5-3.5 Re5-6 Al0.5-1.5 Ti5-7 Ta0.1-0.5 Pd0.05-0.15 Hf0.005-0.015 Y實施例102.2-2.8 Cr10-14 Co8-10W6-7 Re1.5-2.5 Ru5.5-6.5 Al5-6 Ta0.1-0.5 Pd0.05-0.15 Hf0.05-0.15 Si本發(fā)明的合金可按本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員已知的用于生產(chǎn)現(xiàn)有技術(shù)的鎳基γ/γ′超級耐熱合金的方法進行制備。該合金可按本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員已知的方法生產(chǎn)單晶狀的、定向固化的或多晶狀的構(gòu)件。本發(fā)明的合金可用于制備要在高溫下應用的任何構(gòu)件或構(gòu)件的零件。
圖1以非常簡單的示意性圖示本發(fā)明的典型燃氣輪機裝置部分的截面圖。在圖1所示的實施方案中，該燃氣輪機裝置有環(huán)形燃燒室11。圖1中僅示出該燃燒室11的下部。該環(huán)形燃燒室可圍繞圖1中標出的x-x的對稱軸安置。該對稱軸x-x也可構(gòu)成形成該燃氣輪機裝置部分的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸。該燃燒室11相對于定子構(gòu)件14而固定。該燃氣輪機裝置包括多個導向葉片13。圖1中示出兩個導向葉片13。該導向葉片13相對于定子14而固定。該燃氣輪機裝置還有多個渦輪轉(zhuǎn)子葉片15。圖1中示出兩個這種轉(zhuǎn)子葉片15。該轉(zhuǎn)子葉片15構(gòu)成繞旋轉(zhuǎn)軸x-x而旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的零件。該燃氣輪機裝置當然也可包括其它本專業(yè)人員已知的其它零件。該燃氣輪機裝置例如可具有一個或多個壓縮機段，也可有附加的渦輪機段。在燃氣輪機裝置中的不同構(gòu)件可用本發(fā)明的合金制造。例如該導向葉片13和/或渦輪轉(zhuǎn)子葉片15可用本發(fā)明的合金制造。本發(fā)明的合金也可用于制備構(gòu)件的零件，例如在導向葉片13、渦輪轉(zhuǎn)子葉片15或燃氣輪機其它零件上的保護層。
本發(fā)明還涉及Pd的應用。按該應用，Pd例如以上述實施例的含量用于所述類的合金中，以使該合金具有改進的耐氫脆性。
本發(fā)明不受限于所述實施例，其可在下面權(quán)利要求的范圍內(nèi)變化和改進。
權(quán)利要求
1.一種適于在高溫下使用的單晶狀的、定向固化的或多晶狀的構(gòu)件的Ni基合金，該合金是γ/γ′合金，并由下列成分(重量％)組成
其中該合金含明顯量的Pd，其足以使該合金具有改進的耐氫脆性。
2.權(quán)利要求1的合金，其中所述添加元素的含量＜1.0。
3.權(quán)利要求2的合金，其中所述添加元素的含量僅在用于要在高溫下使用的構(gòu)件如用于燃氣輪機的構(gòu)件的合金的通?？山邮艿碾s質(zhì)含量。
4.前述權(quán)利要求中任一的合金，其中Pd的含量＞0.05。
5.權(quán)利要求4的合金，其中Pd的含量＜2.0。
6.權(quán)利要求5的合金，其中Pd的含量＜1.0。
7.前述權(quán)利要求中任一的合金，其中Cr的含量＞3.0。
8.權(quán)利要求7的合金，其中Cr的含量＞6.0。
9.權(quán)利要求1-6中任一的合金，其中Cr的含量≤3.0。
10.前述權(quán)利要求中任一的合金，其中選自Co、Fe和Mn的一種或多種元素的含量＞3.0。
11.權(quán)利要求10的合金，其中Co的含量＞6.0。
12.權(quán)利要求10或11的合金，其中Co的含量＞(Fe含量+Mn含量)。
13.前述權(quán)利要求中任一的合金，其中選自Mo、W、Re和Rh的一種或多種元素的含量＞3.0。
14.權(quán)利要求13的合金，其中W含量＞Mo含量。
15.權(quán)利要求13或14的合金，其中(Re含量+Rh含量)＜1.0。
16.前述權(quán)利要求中任一的合金，其中Al含量＞1.0。
17.權(quán)利要求16的合金，其中Al含量＞3.0但＜10.0。
18.權(quán)利要求16或17的合金，其中合金中Al的摩爾分數(shù)大于選自Al、Ti、Ta、Nb和V的任何其它元素的摩爾分數(shù)。
19.前述權(quán)利要求中任一的合金，其中選自Ru、Os、Ir和Pt的一種或多種元素的含量＞0.01但＜5.0。
20.前述權(quán)利要求中任一的合金，其中Hf的含量＞0.05。
21.前述權(quán)利要求中任一的合金，其中Si的含量＞0.02。
22.前述權(quán)利要求中任一的合金，其中選自B、C、N和Zr的一種或多種元素的含量＞0.05但＜0.8。
23.前述權(quán)利要求中任一的合金，其中選自Y、La、Sc、錒系元素和Ce和其它鑭系元素的一種或多種元素含量＞0.005。
24.前述權(quán)利要求中任一的合金，其中Ni的含量＞35。
25.權(quán)利要求24的合金，其中Ni的含量＞50。
26.前述權(quán)利要求中任一的合金，其中γ′/γ的體積比＞0.4(40％)。
27.權(quán)利要求26的合金，其中γ′/γ的體積比＞0.6(60％)。
28.一種設(shè)計用作在高溫環(huán)境中的構(gòu)件(13，15)，其中所述構(gòu)件(13，15)由前述權(quán)利要求中之任一的合金制成。
29.權(quán)利要求28的構(gòu)件(13，15)，其中所述構(gòu)件(13，15)是一種適于燃氣輪機裝置的構(gòu)件(13，15)。
30.權(quán)利要求29的構(gòu)件(13，15)，其中所述構(gòu)件(13，15)是導向葉片(13)或?qū)蛉~片(13)的零件或渦輪轉(zhuǎn)子葉片(15)或渦輪轉(zhuǎn)子葉片(15)的零件。
31.燃氣輪機裝置，其包括至少一種權(quán)利要求29或30的構(gòu)件(13，15)。
32.Pd的用途，其構(gòu)成權(quán)利要求1-27中的任一合金中的成分，以使權(quán)利要求1-27的任一合金具有改進的耐氫脆性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于高溫的單晶狀的、定向固化的或多晶狀的構(gòu)件的Ni基合金。該合金為Ni基γ/γ′合金，并由在限定范圍內(nèi)的不同合金元素組成。連同元素的其它限定范圍，該合金含足夠量的Pd以提供該合金具有改進的耐氫脆性。本發(fā)明還涉及一種設(shè)計用作高溫環(huán)境中的構(gòu)件(13，15)。再則，本發(fā)明還涉及一種燃氣輪機裝置。此外，本發(fā)明還涉及Pd的應用，其賦予合金以改進的耐氫脆性。
文檔編號C22CGK101087894SQ200580044306
公開日2007年12月12日 申請日期2005年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月23日
發(fā)明者道格拉斯·J·阿雷爾, 馬格努斯·哈賽爾奎斯特 申請人:西門子公司