BRPI0715480B1 - ALLOY BASED ON NICKEL - Google Patents
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Description
"LIGA À BASE DE NÍQUEL"."CONNECT TO NICKEL BASIS".
CAMPO DA INVENÇÃOFIELD OF INVENTION
[001] A presente invenção diz respeito a turbinas a gás. Mais particularmente, modalidades da presente invenção dizem respeito a ligas à base de níquel para uso na fundição de componentes de turbinas a gás.The present invention relates to gas turbines. More particularly, embodiments of the present invention relate to nickel based alloys for use in casting gas turbine components.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃOBACKGROUND OF THE INVENTION
[002] Motores de turbina a gás são conhecidos por operar em ambientes extremos, expondo os componentes do motor, especialmente aqueles na seção da turbina, a altas temperaturas e tensões operacionais. A fim de que os componentes da turbina suportem essas condições, é necessário que eles sejam fabricados de um material com propriedades capazes de suportar exposição prolongada a tais elevadas temperaturas e tensões operacionais, recebendo ainda resfriamento adequado para reduzir suas temperaturas operacionais efetivas. Isto é especial mente válido para palheta de turbinas, ou pás, bem como bicos, ou aletas, que ficam direta mente na corrente do caminho de gás quente de uma seção de combustão.[002] Gas turbine engines are known to operate in extreme environments, exposing engine components, especially those in the turbine section, to high temperatures and operating voltages. In order for turbine components to withstand these conditions, they must be manufactured from a material with properties capable of withstanding prolonged exposure to such high operating temperatures and stresses, while receiving adequate cooling to reduce their effective operating temperatures. This is especially true for turbine vanes, or blades, as well as nozzles, or fins, which lie directly in the hot gas path stream of a combustion section.
[003] Em um esforço de melhorar a eficiência de um motor de turbina a gás, temperaturas operacionais podem ser aumentadas na seção de combustão de maneira a queimar mais completamente o combustível. Em decorrência disto, as temperaturas na seção da turbina são igual mente aumentadas. Para que os materiais de turbina operem a uma temperatura mais alta sem comprometer a integridade dos componentes, é exigido tanto resfriamento adicional dos componentes da turbina quanto maior capacidade do material. Entretanto, pelo redi-recionamento do ar para resfriar os componentes da turbina, a quantidade de ar disponível para o processo de combustão é reduzida, reduzindo sua eficiência. Isto é coníraprodutivo para a meta de melhorar a eficiência da turbina a gás elevando a temperatura operacional. Por- tanto, é desejável prover as melhorias operacionais sem reduzir os níveis de fluxo de ar presentes e a eficiência do motor.[003] In an effort to improve the efficiency of a gas turbine engine, operating temperatures may be increased in the combustion section to more fully burn the fuel. As a result, the temperatures in the turbine section are also increased. For turbine materials to operate at a higher temperature without compromising component integrity, both additional turbine component cooling and increased material capacity are required. However, by redirecting air to cool turbine components, the amount of air available for the combustion process is reduced, reducing its efficiency. This is counterproductive to the goal of improving gas turbine efficiency by raising the operating temperature. Therefore, it is desirable to provide operational improvements without reducing present airflow levels and engine efficiency.
[004] Um resultado das maiores temperaturas de queima é a mudança estrutural adicional no material. Ou seja, à medida que as temperaturas operacionais aumentam para um dado material, sua capacidade de suportar cargas diminui. Como as temperaturas operacionais para motores de turbina a gás aumentaram com o tempo a fim de melhorar a eficiência do motor, inúmeros materiais foram introduzidos, com maior compatibilidade de temperatura. Um exemplo como este é uma liga normalmente referida como CM-247 produzida pela Cannon-Muskegon Corporation of Muskegon, Michigan. Uma forma desta liga está revelada na patente US 4.461.659. Esta liga é uma das muitas que foram desenvolvidas com maior resistência pela redução do trin-camento no contorno de grão.One result of the higher firing temperatures is the additional structural change in the material. That is, as operating temperatures increase for a given material, its load-bearing capacity decreases. As operating temperatures for gas turbine engines have increased over time to improve engine efficiency, numerous materials have been introduced with higher temperature compatibility. An example such as this is an alloy commonly referred to as CM-247 produced by the Cannon-Muskegon Corporation of Muskegon, Michigan. One form of this alloy is disclosed in US 4,461,659. This alloy is one of many that have been developed with greater strength by reducing grain boundary cracking.
[005] Uma outra melhoria de liga para aplicações de turbina a gás foi desenvolvida pela General Electric Company. GTD-111, uma liga à base de níquel com maior resistência à corrosão a quente, foi desenvolvida para uso na produção de pás e aletas de turbina a gás. As propriedades desta liga estão reveladas nas patentes US 6.416.596 e 6.428.637.[005] Another alloy enhancement for gas turbine applications has been developed by General Electric Company. GTD-111, a nickel based alloy with higher resistance to hot corrosion, was developed for use in the production of gas turbine blades and fins. The properties of this alloy are disclosed in US patents 6,416,596 and 6,428,637.
[006] Ademais, além das ligas melhoradas, técnicas de fundição têm sido desenvolvidas para melhorar a resistência de palhetas e bocais e outros componentes de turbina a gás. Como é do entendimento dos versados na técnica de aerofólios de turbina a gás, a resistência de uma peça fundida vazada, e qualquer fraqueza inerente nela, são função do tamanho e localização dos contornos dos grãos da peça fundida. Especificamente, técnicas de fundição têm evoluído de um processo convencional, ou equiaxial, onde um metal é vazado e contornos de grãos são livres para se formarem à medida que a peça res-fria, a um processo de fundição com solidificação direcional (DS) onde o metal é vazado e resfriado de uma maneira a formar somente contornos de grãos em uma única direção, preferivelmente de forma que a direção crístalográfica <001 > seja paralela à direção longitudinal do aerofólio. Pelo alinhamento dos contornos de grãos, tipicamente a porção mais fraca de uma peça fundida, em uma direção no geral perpendicular à carga no aerofólio, melhorias significativas na resistência mecânica, ductilidade e resistência à fadiga térmica da peça fundida são realizadas. Mais recentemente, melhorias têm sido feitas no processo de fundição de maneira a eliminar os contornos de grãos completamente pelo resfriamento das peças fundidas de uma maneira a formar uma estrutura de único cristal, ou grão, eliminando assim os contornos de grãos. Este tipo de fundição é o tipo mais resistente de peça fundida até hoje, entretanto, é a peça fundida mais cara de se fabricar, por causa das várias exigências de processamento e custos das ligas. Tipicamente, peças fundidas de um único cristal são limitadas a aplicações onde temperaturas extremamente altas são encontradas, existem cargas mecânicas excessiva mente altas, ou a geometria da turbina dita uma peça fundida como estacionamento Uma questão adicional com relação ao processo de fundição e liga utilizados diz respeito ao processamento exigido. Ou seja, dependendo da técnica de fundição e da liga envolvida, processos demorados e caros têm que ocorrer para formar o componente da turbina dessa liga particular.In addition to improved alloys, casting techniques have been developed to improve the strength of vanes and nozzles and other gas turbine components. As is well understood by those skilled in the art of gas turbine airfoils, the strength of a cast casting and any inherent weakness therein are a function of the size and location of the grain contours of the casting. Specifically, casting techniques have evolved from a conventional, or equiaxial, process where a metal is cast and grain outlines are free to form as the cold part, to a directional solidification (DS) casting process where the metal is poured and cooled in such a way as to form only grain outlines in one direction, preferably so that the crystallographic direction <001> is parallel to the longitudinal direction of the airfoil. By aligning grain boundaries, typically the weakest portion of a casting in a direction generally perpendicular to the airfoil load, significant improvements in mechanical strength, ductility, and thermal fatigue strength of the casting are realized. More recently, improvements have been made in the casting process to eliminate grain contours completely by cooling the castings to form a single crystal, or grain structure, thereby eliminating grain contours. This type of casting is the toughest type of casting to date, however it is the most expensive casting to manufacture because of the various processing requirements and costs of alloys. Typically, single crystal castings are limited to applications where extremely high temperatures are encountered, there are excessively high mechanical loads, or turbine geometry dictates a cast part as parking. An additional issue with the casting and alloying process used says respect to the processing required. That is, depending on the casting technique and the alloy involved, time consuming and expensive processes have to take place to form the turbine component of that particular alloy.
[007] Embora melhorias significativas tenham sido feitas no desenvolvimento de liga, tecnologia de resfriamento e processos de fundição, existe ainda uma margem significativa para melhorias adicionais. Especifica mente, existe uma necessidade da indústria de uma liga com pelo menos as capacidades das ligas da tecnologia de ponta, que tem ainda maior resistência à tração, melhor capacidade de fundição, menores tensões operacionais e menores custos de fabricação, SUMÁRIO DA INVENÇÃOAlthough significant improvements have been made in alloy development, cooling technology and casting processes, there is still significant scope for further improvement. Specifically, there is a need in the industry for an alloy with at least the capabilities of state-of-the-art alloys, which has even greater tensile strength, better castability, lower operating stresses and lower fabrication costs.
[008] A presente invenção fornece modalidades de uma liga à base de níquel adequada para a produção de componentes de turbina a gás com melhor estabilidade, propriedades mecânicas e menores tensões operacionais. Uma redução de tensão como esta é encontrada na tensão longitudinal, que é função da densidade da liga, que, para as ligas aqui reveladas, é menor que de outras ligas bem conhecidas usadas em aplicações de turbina a gás. Além disso, a liga à base de níquel é submetida a um processo de tratamento térmico sem o uso de programações de forno de alta temperatura excessiva mente longas, tendo ao mesmo tempo uma maior janela na qual um tratamento térmico como esse pode ocorrer [009] Composições de ligas à base de níquel adequadas para múltiplas formas de fundição de precisão são reveladas. Esta inclui uma composição adequada para peças fundidas equiaxiais e para peças fundidas com solidificação direcional (DS). Em um aspecto adicional da presente invenção, um método de fabricar uma peça fundida e artigo tratado termicamente a partir da liga à base de níquel é provido, compreendendo a composição elementar, bem como o processo de tratamento térmico.[008] The present invention provides embodiments of a nickel based alloy suitable for the production of gas turbine components with improved stability, mechanical properties and lower operating stresses. A stress reduction such as this is found in longitudinal stress, which is a function of alloy density which, for the alloys disclosed herein, is smaller than other well-known alloys used in gas turbine applications. In addition, the nickel-based alloy undergoes a heat treatment process without the use of excessively long high temperature furnace settings, while having a larger window in which such heat treatment can occur. [009] Nickel-based alloy compositions suitable for multiple forms of precision casting are disclosed. It includes a composition suitable for equiaxial castings and for directional solidification (DS) castings. In a further aspect of the present invention, a method of fabricating a heat-treated cast and article from the nickel-based alloy is provided, comprising the elemental composition as well as the heat treatment process.
DESCRIÇÃO RESUMIDA DO DESENHOBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING
[0010] A presente invenção é descrita a seguir com referência às figuras do desenho anexo, em que: [0011] A figura 1 é um gráfico que representa o limite de resistência máximo e limite de escoamento em função da temperatura para uma modalidade de liga da presente invenção, comparada com uma liga da tecnologia anterior.[0010] The present invention is described below with reference to the figures in the accompanying drawing, in which: Figure 1 is a graph representing the maximum strength limit and temperature-dependent yield limit for an alloyed embodiment. of the present invention compared to a prior art alloy.
[0012] A figura 2 é um gráfico que representa a tensão de ruptura em função do parâmetro de tempo e temperatura normalizados para uma modalidade de liga da presente invenção, comparada com ligas da tecnologia anterior.Figure 2 is a graph representing the breaking stress as a function of the normalized time and temperature parameter for an alloy embodiment of the present invention compared to prior art alloys.
[0013] A figura 3 é uma seção transversal de um motor de turbina a gás identificando o local onde palhetas e bocais de acordo com a presente invenção estão presentes.Figure 3 is a cross section of a gas turbine engine identifying the location where vanes and nozzles according to the present invention are present.
[0014] A figura 4 é uma vista em perspectiva de uma palheta formada da superliga de acordo com uma modalidade da presente invenção.Figure 4 is a perspective view of a formed superalloy vane according to one embodiment of the present invention.
[0015] A figura 5 é uma vista em perspectiva de uma palheta alternativa formada da superliga de acordo com uma modalidade da presente invenção.Fig. 5 is a perspective view of an alternate vanes formed from the superalloy according to one embodiment of the present invention.
[0016] A figura 6 é um gráfico que representa o limite de resistência máximo em função da temperatura para uma modalidade solidificada direcionalmente de uma liga da presente invenção, comparada com uma liga da tecnologia anterior.Figure 6 is a graph depicting the maximum temperature-dependent strength limit for a directionally solidified embodiment of an alloy of the present invention compared to a prior art alloy.
[0017] A figura 7 é um gráfico que representa o limite de resistência máximo em função da temperatura para uma modalidade equiaxial de uma liga da presente invenção, comparada com ligas da tecnologia anterior.Figure 7 is a graph depicting the maximum temperature-dependent strength limit for an equiaxial embodiment of an alloy of the present invention compared to prior art alloys.
[0018] A figura 8 é um gráfico que representa o limite de escoamento em função da temperatura para uma modalidade equiaxial de uma liga da presente invenção, comparada com ligas da tecnologia anteriores.Figure 8 is a graph representing the temperature-dependent flow limit for an equiaxial embodiment of an alloy of the present invention compared to prior art alloys.
[0019] A figura 9 é um gráfico que representa o limite de escoamento em função da temperatura para uma modalidade solidificada direcionalmente de uma liga da presente invenção, comparada com uma liga da tecnologia anterior.Figure 9 is a graph depicting the temperature-dependent flow limit for a directionally solidified embodiment of an alloy of the present invention compared to a prior art alloy.
[0020] A figura 10 é um gráfico que representa alongamento do material em função da temperatura para uma modalidade solidificada direcionalmente de uma liga da presente invenção, comparada com uma liga da tecnologia anterior.Figure 10 is a graph depicting elongation of material as a function of temperature for a directionally solidified embodiment of an alloy of the present invention compared with an alloy of the prior art.
[0021] A figura 11 é um gráfico que representa alongamento do material em função da temperatura para uma modalidade equiaxial de uma liga da presente invenção, comparada com ligas da tecnologia anterior.Figure 11 is a graph depicting elongation of material as a function of temperature for an equiaxial embodiment of an alloy of the present invention compared to prior art alloys.
[0022] A figura 12 é um gráfico que representa a vida sem ruptura sob fluência de uma pá fabricada da modalidade equiaxial de uma liga da presente invenção, comparada com uma liga da tecnologia anterior.Figure 12 is a graph depicting the unbroken creep life of a spade manufactured from the equiaxial mode of an alloy of the present invention compared to a prior art alloy.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃODETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0023] A matéria em questão da presente invenção está descrita com especificidade aqui para atender exigências estatutárias. Entretanto, a descrição em si não é para limitar o escopo desta patente. Em vez disso, os inventores contemplaram que a matéria em questão reivindicada pode também ser concebida de outras maneiras, de forma a incluir diferentes etapas ou combinações de etapas similares às descritas neste documento, em conjunto com outras tecnologias atuais e futuras. Além disso, embora os termos "etapa" e/ou "bloco" possam ser aqui usados para conotar diferentes elementos de métodos empregados, os termos não devem ser interpretados implicando nenhuma ordem particular entre duas ou mais das várias etapas aqui reveladas, a menos e exceto quando a ordem de etapas individuais for explicitamente descrita.The subject matter of the present invention is specifically described herein to meet statutory requirements. However, the description itself is not to limit the scope of this patent. Instead, the inventors have contemplated that the subject matter claimed may also be designed in other ways to include different steps or combinations of steps similar to those described herein in conjunction with other current and future technologies. In addition, while the terms "step" and / or "block" may be used herein to connote different elements of methods employed, the terms shall not be construed as implying any particular order between two or more of the various steps disclosed herein unless except when the order of individual steps is explicitly described.
[0024] A presente invenção fornece uma liga à base de níquel adequada para a produção de componentes de turbina a gás e método de produzir uma peça fundida e liga à base de níquel tratada termica-mente. Uma modalidade exemplar da presente invenção é descrita a seguir.The present invention provides a nickel based alloy suitable for the production of gas turbine components and method of producing a heat treated nickel based alloy and cast part. An exemplary embodiment of the present invention is described below.
[0025] Com propósitos de clareza, é melhor identificar parte da terminologia comum que será discutida com mais detalhes com relação a modalidades da presente invenção. Um "motor de turbina a gás", como o termo é aqui utilizado, é um motor que fornece salda mecânica na forma tanto de empuxo para propelir um veículo quando potência do eixo para acionar um gerador elétrico. Motores de turbina a gás tipicamente compreendem um compressor, pelo menos um combustor, e uma turbina. Uma "pá", na forma que o termo é aqui utilizado, é um aerofólio anexado a um disco que gira em torno de um eixo do motor de turbina a gás. Pás são usadas tanto para comprimir o fluxo de ar que passa através de um compressor quanto para girar o disco, e o eixo de uma turbina, por meio do ar que passa ao longo da superfície do aerofólio. O termo "pá" é geralmente usado indiferentemente com "palheta", e isto é feito aqui, e não é para limitar a natureza do termo. Uma "aleta", na forma que o termo é aqui utilizado, é um aerofólio que é tipicamente encontrado tanto em seções de compressor quanto de turbina, e serve para redirecionar o fluxo de ar que passa por um compressor ou turbina. O termo "aleta" é geralmente usado indiferentemente com "bico", e assim é feito aqui, e não é para limitar a natureza do termo. Esses tipos de planos aerodinâmicos são geralmente fundidos a partir de um metal líquido. Metal pode ser vazado e resfriado em uma variedade de meios, incluindo para formar peças fundidas equia-xiais (EQ) e solidificadas direcionalmente (DS). Em uma peça fundida equiaxial, como versados na técnica podem entender, a peça fundida é resfriada naturalmente de maneira tal que os contornos de grãos do metal solidificado fiquem livres para se formarem em qualquer direção. Em uma peça fundida DS, o metal é resfriado em uma direção de maneira a formar um conjunto de contornos de grãos que se estendem em uma direção específica.For the sake of clarity, it is best to identify part of the common terminology which will be discussed in more detail with respect to embodiments of the present invention. A "gas turbine engine," as the term is used herein, is an engine that provides mechanical output in the form of both thrust to propel a vehicle and shaft power to drive an electric generator. Gas turbine engines typically comprise a compressor, at least one combustor, and a turbine. A "shovel," as the term is used herein, is an airfoil attached to a disc that rotates about an axis of the gas turbine engine. Blades are used both to compress the air flow through a compressor and to rotate the disc and the shaft of a turbine by air passing along the airfoil surface. The term "shovel" is generally used interchangeably with "reed", and this is done here, and is not to limit the nature of the term. A "vane" as used herein is an airfoil that is typically found in both compressor and turbine sections, and serves to redirect air flow through a compressor or turbine. The term "fin" is generally used interchangeably with "nozzle", and so is done here, and is not to limit the nature of the term. These types of aerodynamic planes are usually fused from a liquid metal. Metal can be cast and cooled in a variety of media, including to form equiaxial (EQ) and directionally solidified (DS) castings. In an equiaxial casting, as can be understood in the art, the casting is naturally cooled so that the grain outlines of the solidified metal are free to form in either direction. In a DS cast part, the metal is cooled in one direction to form a set of grain outlines that extend in a specific direction.
[0026] Uma liga com excelentes propriedades de fundição, menor densidade e melhor estabilidade foi desenvolvida pelos inventores. A liga tem uma faixa de composições químicas aceitável dependendo do tipo de processo de fundição a ser utilizado, cada um das quais resulta em melhores propriedades mecânicas. Isto tem sido conseguido com composições químicas que são isentas de elementos caros, tal como rênio (aproximadamente $1.778/kg) ou elementos muito reativos tais com zircônio e háfnio.An alloy with excellent casting properties, lower density and better stability was developed by the inventors. The alloy has an acceptable range of chemical compositions depending on the type of casting process to be used, each of which results in better mechanical properties. This has been achieved with chemical compositions that are free of expensive elements such as rhenium (approximately $ 1,778 / kg) or very reactive elements such as zirconium and hafnium.
[0027] A liga à base de níquel da presente invenção, na forma originalmente concebida pelos inventores, consiste essencialmente de forma aproximada na composição em peso apresentada na tabela 1 a seguir.The nickel-based alloy of the present invention, in the form originally conceived by the inventors, essentially consists approximately of the weight composition set forth in table 1 below.
Tabela 1 - Composição da liga [0028] O desenvolvimento desta liga focalizou na identificação de uma liga à base de níquel efetiva sem adições de liga caras ou demasiadamente reativas, de maneira tal que a liga pudesse ser adequada para fundição de componentes direcionalmente solidificados, bem como equiaxiais. Inicialmente, foram produzidas sete composições quí- micas em placas lingotadas solidificadas direcionalmente.Table 1 - Alloy composition The development of this alloy focused on identifying an effective nickel based alloy without expensive or overly reactive alloy additions, so that the alloy could be suitable for casting directionally solidified components as well as as equiaxials. Initially, seven chemical compositions were produced in directionally solidified ingot molds.
[0029] Uma área abordada durante o desenvolvimento da liga que é importante com relação à funcionalidade da liga foi sua estabilidade estrutural. Ligas passam por reações de fase sólida complexas durante o serviço que podem levar à precipitação de fases fragilizan-tes. O controle da composição química da liga de maneira a impedir a formação dessas fases de empacotamento topologicamente denso (TCP) podem ser atingidas com um certo sucesso calculando-se as lacunas eletrônicas por átomo de liga, um valor denominado Nv3. A estabilidade estrutural de uma liga é em geral calculada de acordo com a equação [0030] pela SAE AS 5491 Rev. B. Quanto maior Nv3, tanto menos estável é a liga e mais suscetível é a estruturas TCP, Estudos anteriores mostraram que, mesmo para as ligas mais estáveis deste tipo, fases TCP podem se formar se Nv3 >2,45 a 2,49. Algumas ligas comerciais tais como Rene 80 e Inconnel 738 tornam-se instáveis se Nv3 >2,32 a 2,38.One area addressed during alloy development that is important with respect to alloy functionality was its structural stability. Alloys undergo complex solid phase reactions during service that may lead to precipitation of brittle phases. Controlling the chemical composition of the alloy to prevent the formation of these topologically dense packing (TCP) phases can be achieved with some success by calculating the electronic gaps per alloy atom, a value called Nv3. The structural stability of an alloy is generally calculated according to equation [0030] by SAE AS 5491 Rev. B. The higher Nv3, the less stable the alloy and the more susceptible it is to TCP structures. Previous studies have shown that even For more stable alloys of this type, TCP phases can form if Nv3> 2.45 to 2.49. Some commercial alloys such as Rene 80 and Inconnel 738 become unstable if Nv3> 2.32 to 2.38.
[0031] Para as sete composições químicas previa mente mencionadas, os dados de estabilidade estão listados a seguir na tabela 2. Conforme será mostrado, dependendo da forma da peça fundida, o fato de estabilidade metalúrgica, ou estabilidade estrutural, da liga varia de 2,22 - 2,40.For the seven previously mentioned chemical compositions, the stability data are listed below in Table 2. As will be shown, depending on the shape of the cast, the fact that the metallurgical stability, or structural stability, of the alloy ranges from 2 .22 - 2.40.
Tabela 2 - Estabilidade da Primeira Rodada de Ligas 0032] Embora as ligas 5 e 6 não excederam o valor Nv3 de 2,32, onde sabe-se que formam-se fases TCP, uma revisão detalhada dos corpos de prova revelou ligeiras instabilidades. A liga 2 com um valor Nv3 de 2,31 apresentou os melhores resultados com relação à estabilidade estruturai, ainda sem mostrar indicações de fases TCP.Table 2 - Alloy Round Stability 0032] Although alloys 5 and 6 did not exceed the Nv3 value of 2.32, where TCP phases are known to form, a detailed review of the specimens revealed slight instabilities. Alloy 2 with an Nv3 value of 2.31 showed the best results with respect to structural stability, yet without showing TCP phase indications.
[0033] A fim de melhorar as propriedades mecânicas da liga à base de níquel, é necessário tratar termicamente a liga. Para tratar termicamente uma liga endurecida por precipitação tal como uma liga à base de níquel da presente invenção, deve-se prime ira mente aquecer a liga a uma temperatura próxima da temperatura solvus γ\ a temperatura acima da qual a principal fase γ' de endurecimento se dissolve. Isto é normalmente referido como um tratamento térmico de solubi-lização. Exposição subsequente a uma menor temperatura de envelhecimento fará com que a fase y’ de endurecimento se precipite de uma maneira que aumenta as propriedades mecânicas. A resistência da liga aumenta com a quantidade de γ'. Sua distribuição e parâmetros cristalinos são também fatores que afetam o grau de resistência que pode ser conferido por meio de precipitação de γ'.In order to improve the mechanical properties of the nickel-based alloy, it is necessary to heat treat the alloy. In order to heat treat a precipitation hardened alloy such as a nickel-based alloy of the present invention, the alloy must first be heated to a temperature close to the solvus temperature a the temperature above which the main hardening phase γ 'is present. dissolves. This is commonly referred to as a solubilization heat treatment. Subsequent exposure to a lower aging temperature will cause the hardening phase y 'to precipitate in a manner that enhances mechanical properties. The strength of the alloy increases with the amount of γ '. Its distribution and crystalline parameters are also factors that affect the degree of resistance that can be conferred by precipitation of γ '.
[0034] A janela de tratamento térmico, a diferença entre a temperatura solvus e solidus (temperatura onde começa a fusão) é bastante aumentada na presente invenção. É esta janela na qual o tratamento térmico de solubilização tem que ser realizado a fim de tratar seguramente a parte sem que ela se funda. Mudanças relativamente pequenas nas quantidades de alumínio, titânio e tântalo podem causar mudanças bem grandes na temperatura solvus γ'. Se a liga contiver maiores níveis de alumínio, titânio ou tântalo, então a temperatura solvus γ’ aumenta, diminuindo assim a janela de tratamento térmico. A fim de determinar as temperaturas solvus e solidus γ\ foram realizadas análises térmicas diferenciais (DTA). Como versados na técnica de engenharia de materiais entendem, uma DTA mede a diferença na temperatura entre uma amostra e uma referência termicamente inerte à medida que a temperatura aumenta. O gráfico deste diferencial fornece informação a respeito de reações que ocorrem na amostra, incluindo transições de fase, pontos de fusão e cristalização. Alguns resultados típicos dessas análises estão mostrados a seguir na tabela 3.In the heat treatment window, the difference between the solvus and solidus temperature (temperature at which melting begins) is greatly increased in the present invention. It is this window in which the solubilization heat treatment has to be carried out in order to safely treat the part without melting. Relatively small changes in the amounts of aluminum, titanium and tantalum can cause very large changes in solvus γ 'temperature. If the alloy contains higher levels of aluminum, titanium or tantalum, then the solvus γ ’temperature increases, thereby decreasing the heat treatment window. In order to determine the solvus and solidus γ \ temperatures, differential thermal analyzes (DTA) were performed. As those skilled in materials engineering understand, an OTD measures the difference in temperature between a sample and a thermally inert reference as the temperature rises. The graph of this differential provides information about reactions occurring in the sample, including phase transitions, melting points and crystallization. Some typical results of these analyzes are shown below in table 3.
Tabela 3 - Características de Tratamento Térmico Ό035] Conforme pode-se ver pe os dados apresentados, a janela de tratamento térmico da liga 2, a mais estruturalmente estável das ligas, também teve uma grande janela de tratamento térmico, aproximadamente 83Ό, Dependendo da composição da liga, a janela de tratamento térmico pode variar de 67-89Ό. Uma gran de janela como esta indica que a liga pode ser tratada termicamente com segurança em condições de produção, sem que haja possibilidade de fusão. Isto é especial mente crítico em virtude de, muitas vezes, o tratamento térmico de partes grandes em grandes lotes não poder ser feito com um controle de temperatura muito preciso, muitas vezes variando em até ±14“Ό.Table 3 - Heat Treatment Characteristics Ό035] As can be seen from the data presented, the heat treatment window of alloy 2, the most structurally stable of the alloys, also had a large heat treatment window, approximately 83Ό, depending on the composition. of the alloy, the heat treatment window can range from 67-89Ό. A window grain like this indicates that the alloy can be safely heat treated under production conditions without the possibility of melting. This is especially critical because often the heat treatment of large parts in large batches cannot be done with very precise temperature control, often varying up to ± 14 “Ό.
[0036] Um outro benefício do tratamento térmico da liga da presente invenção é com relação às suas propriedades de tração e ruptura por fluência. Foi determinado que nenhum benefício apreciável é conseguido pelo tratamento térmico de solubilização da liga da presente invenção a temperaturas mais altas, ou submetendo-a a tratamen- tos de envelhecimento mais complexos, como é o caso para outras ligas à base de níquel de altas temperaturas. As ligas desenvolvidas pela presente invenção foram tratadas térmica mente por solubilização a 1121°C ±14°C por 2 horas ± 15 minutos, seguido por uma têmpera com resfriamento por gás abaixo de 593°C. A têmpera preferivelmente ocorre em um ambiente de gás selecionado do grupo que compreende argônio, hélio e hidrogênio. As ligas tiveram então a temperatura elevada para 1079Ό ±14 °C e envelhecidas por 4 horas ± 15 minutos seguido por um resfriamento por têmpera a gás de volta abaixo de 593*C. Finalmente, a liga teve a temperatura elevada para 84313 ±14°C e estabilizada por 24 horas ±30 minutos seguida por um resfriamento abaixo de 593Ό porém mais provavelmente à temperatura ambiente. Este ciclo de tratamento térmico ocorre a uma temperatura relativamente baixa e envolve menos ciclos, comparado como aqueles de outras ligas bem conhecidas, tornando assim este ciclo um ciclo de tratamento térmico muito econômico. Isto é mais bem entendido comparando-se os ciclos de tratamento térmico aqui revelados com aqueles de outras ligas similares mostradas na tabela 4 a seguir.Another benefit of the alloy heat treatment of the present invention is with respect to its tensile and creep rupture properties. It has been found that no appreciable benefit is achieved by heat treating the solubilization of the alloy of the present invention at higher temperatures, or by subjecting it to more complex aging treatments, as is the case for other high temperature nickel alloys. . The alloys developed by the present invention were heat treated by solubilization at 1121 ° C ± 14 ° C for 2 hours ± 15 minutes, followed by a gas-cooled quench below 593 ° C. Quenching preferably takes place in a gas environment selected from the group comprising argon, helium and hydrogen. The alloys were then raised to 1079 ± 14 ° C and aged for 4 hours ± 15 minutes followed by gas quenching back below 593 ° C. Finally, the alloy was elevated to 84313 ± 14 ° C and stabilized for 24 hours ± 30 minutes followed by cooling below 593Ό but most likely at room temperature. This heat treatment cycle occurs at a relatively low temperature and involves fewer cycles compared to those of other well known alloys, thus making this cycle a very economical heat treatment cycle. This is best understood by comparing the heat treatment cycles disclosed herein with those of other similar alloys shown in table 4 below.
Tabela 4 - Exigências de Tratamento Térmico de Algumas Ligas Comerciais 0037] Dependendo do tipo de componente de turbina a gás que está sendo fundido, 0 sincronismo dos ciclos de tratamento térmico pode variar. Por exemplo, se uma pá ou aleta de turbina a gás tiver que ser revestida com um revestimento de barreira térmica (TBC) para proteção adicional de altas temperaturas operacionais, então a segunda e terceira etapas no processo de tratamento térmico podem ocorrer depois que o TBC tiver sido aplicado, A etapa de elevar a temperatura da liga para 1079Ό ±14 °C e manter por 4 horas também serve para tratar o revestimento como parte do processo de revestimento, [0038] Um outro recurso importante da presente invenção é sua densidade. Conforme versados na técnica de aerofólíos de turbinas a gás entendem, a tensão longitudinal em um aerofóito é proporcional à densidade ao quadrado, ou [tensão σ α {densidade p)2]. Ou seja, quanto menor a densidade da liga usada para produzir o aerofóllo, tanto menores as tensões longitudinais apresentadas pelo aerofólio.Table 4 - Some Commercial Alloy Heat Treatment Requirements 0037] Depending on the type of gas turbine component being melted, the timing of the heat treatment cycles may vary. For example, if a gas turbine blade or vane is to be coated with a thermal barrier coating (TBC) for additional protection from high operating temperatures, then the second and third steps in the heat treatment process may occur after TBC. The step of raising the alloy temperature to 1079Ό ± 14 ° C and holding for 4 hours also serves to treat the coating as part of the coating process. Another important feature of the present invention is its density. As versed in the gas turbine airfoil technique, the longitudinal stress on an airfoil is proportional to the squared density, or [stress σ α (density p) 2]. That is, the lower the density of the alloy used to produce the airfoil, the lower the longitudinal stresses presented by the airfoil.
[0039] Densidades específicas para a liga 2 foram ambas calculadas e medidas a partir dos revestimentos das amostras, Para calcular mais precisamente a densidade nesta faixa de composição química particular, foi desenvolvida uma equação. Esta equação não é sensível aos nlveís de cobalto e cromo, e é definida como: D = 0,307667639 + (% Mo)(0,000452137} + (%W){0,001737591) - (% Al)(0,004497133) - (% Ti)(0t001240936) + (% Ta)(0,002133375) com% Mo sendo igual à porcentagem em peso de molibdênio,% W sendo igual à porcentagem em peso de tungstênio,% Al sendo igual à porcentagem em peso de alumínio,% Ti sendo igual à porcentagem em peso de titânio e% Ta sendo igual à porcentagem em peso de tân-talo.Specific densities for alloy 2 were both calculated and measured from the sample coatings. To more accurately calculate the density in this particular chemical composition range, an equation was developed. This equation is not sensitive to cobalt and chromium levels, and is defined as: D = 0.307667639 + (% Mo) (0.000452137} + (% W) {0.001737591) - (% Al) (0, 004497133) - (% Ti) (0t001240936) + (% Ta) (0.002133375) with% Mo being% by weight molybdenum,% W being% by weight tungsten,% Al being% by% aluminum weight,% Ti being the weight percentage of titanium and% Ta being the weight percentage of tantal.
[0040] O grau de ajuste da equação é excelente, conforme pode-se ver pela comparação das densidades medidas da peça fundida de amostra com as densidades calculadas mostradas na tabela 5 a seguir.The degree of fit of the equation is excellent, as can be seen by comparing the measured densities of the sample cast with the calculated densities shown in table 5 below.
Tabela 5 - Densidade de Ligas Experimentais * Fundida usando fornecedor alternativo [0041] Conforme previa mente discutido, a densidade desta nova liga é significativa, em virtude das menores tensões operacionais inerentes. A densidade da liga na presente invenção é menor ou igual a 8,3 g/cm3. O menor nível de densidade desta liga pode ser mais bem percebido quando comparado com outras ligas normalmente usadas em aplicações de turbina a gás mostradas na tabela 6 a seguir.Table 5 - Experimental Alloy Density * Fused using Alternative Supplier As previously discussed, the density of this new alloy is significant due to the lower inherent operating stresses. The density of the alloy in the present invention is less than or equal to 8.3 g / cm3. The lower density level of this alloy can be better perceived when compared to other alloys commonly used in gas turbine applications shown in table 6 below.
Tabela 6 - Densidades de Várias Ligas de Turbina a Gãs Ό042] Um outro fator importante relativo à densidade da liga diz respeito ao peso e freqüência do componente resultante. Quanto menor a densidade, tanto menor o peso do componente. Para uma pá de turbina que está girando, a anexação da pá empurra um disco, enquanto a pá está sendo mantida no disco. Este empurrão é função do peso da pá. Um menor peso de pá terá menos empurrão no disco e, em decorrência disto, terá menores tensões de anexação.Table 6 - Densities of Multiple Gas Turbine Alloys Ό042] Another important factor regarding alloy density concerns the weight and frequency of the resulting component. The lower the density, the lower the component weight. For a spinning turbine blade, the blade attachment pushes a disk while the blade is being held in the disk. This push is a function of the weight of the blade. A lower shovel weight will have less pushing on the disc and as a result will have lower attachment stresses.
[0043] A densidade também afeta a freqüência natural de um ae-rofólio, quer ele seja uma pá ou uma aleta. Conforme versados na técnica entendem, a freqüência natural de um ae roto lio é crítica em que ela tem que permanecer fora da freqüência crítica do motor (60 Hz para um motor que opera a 3.600 revoluções por minuto). Os aerofólios não se destinam somente a ficar fora da freqüência operacional do motor (60 Hz neste exemplo), mas também ordem destes (isto é, 120 Hz, 180 Hz). As presentes pás de turbina fabricadas a partir de uma liga com uma maior densidade têm uma freqüência natural logo acima da freqüência do motor. Se uma pá ou aleta residir na freqüência natural do motor, ou qualquer ordem desta por um longo período de tempo, falha da pá pode ocorre por causa de fadiga de alto ciclo. A fabricação das pás/aletas de turbina a partir de uma liga de menor densidade não somente reduz o peso do componente, e as tensões de anexação das pás, mas também aumenta sua freqüência natural, que desloca a freqüência da pá ou aleta ainda mais para fora da freqüência do motor, reduzindo assim a chance de falha por fadiga de alto ciclo.Density also affects the natural frequency of an airfoil, whether it is a shovel or a fin. As those skilled in the art understand, the natural frequency of a rotary is critical as it must remain outside the critical motor frequency (60 Hz for a motor operating at 3,600 revolutions per minute). The airfoils are not only intended to be outside the engine operating frequency (60 Hz in this example), but also their order (ie 120 Hz, 180 Hz). The present turbine blades made from a higher density alloy have a natural frequency just above the motor frequency. If a blade or vane resides at the motor's natural frequency, or any order of the motor over a long period of time, blade failure may occur because of high cycle fatigue. Manufacturing turbine blades / vanes from a lower density alloy not only reduces component weight and blade attachment stresses, but also increases their natural frequency, which shifts the blade or fin frequency further to out of motor frequency, thus reducing the chance of high cycle fatigue failure.
[0044] As propriedades mecânicas para dois pontos de dados para a primeira rodada de ligas estão mostradas nas tabelas 7 e 8 a seguir. A tabela 7 representa dados do limite de resistência máximo (UTS) e dados de limite de escoamento (YS) a temperaturas de 42713 e 760Ό, enquanto a tabela 8 representa dados de ru ptura por fluência a 760Ό. Cada uma dessas tabelas também inclui dado s referentes a uma "linha de base". Comparações são feitas nas tabelas seguintes e figuras entre as ligas desenvolvidas e uma liga de linha de base e GTD-111. A linha de base é uma liga atualmente usada pelo requerente em certas produções de aerofólios, com a linha de base tendo propriedades similares às de GTD-111.The mechanical properties for two data points for the first round of alloys are shown in tables 7 and 8 below. Table 7 represents maximum strength limit (UTS) data and yield limit (YS) data at temperatures of 42713 and 760Ό, while table 8 represents creep break data at 760Ό. Each of these tables also includes data referring to a "baseline". Comparisons are made in the following tables and figures between the developed alloys and a baseline alloy and GTD-111. The baseline is an alloy currently used by the applicant in certain aerofoil productions, with the baseline having similar properties to those of GTD-111.
[0045] Conforme previamente discutido, uma meta deste programa de desenvolvimento é produzir uma liga estável, com maior resistência, que tem melhor capacidade de fundição, e menores custos de fabricação. Referindo-se à tabela 7, duas experiências de fundição da liga 2 são salientadas, bem como uma liga linha de base. Conforme pode-se ver pelos dados, a liga 2 (ambas as experiências de fundição) tem um UTS dentro de aproximadamente 3% da liga linha de base na temperatura menor que 427°C, embora tendo ainda um maior YS. Enquanto a liga 7 tem um maior UTS, ela tem uma menor janela de tratamento térmico (7513 contra 8513 da liga 2). A lig a 3 também tem uma menor janela de tratamento térmico do que a liga 2 e tem um menor UTS. Inconvenientes nas outras ligas do desenvolvimento tornam-se aparentes a temperaturas operacionais mais altas., [0046] A temperaturas operacionais de turbina típicas, mais próximas de 76013, a liga 2 (ambas as experiências de fundição) tem um UTS e YS maior que a linha de base. Também, conforme previamente discutido, a liga 2 foi estruturalmente toda estável e teve a maior janela de tratamento térmico, servindo para as melhores condições de fabricação. Conforme pode-se ver, as outras ligas a 760°C nem tiveram a resistência da liga 2 nem começaram apresentar instabilidades estruturais (fases TCP), como previamente discutido na tabela 2 e reproduzida a seguir.As previously discussed, a goal of this development program is to produce a stable, higher strength alloy that has better casting capacity and lower manufacturing costs. Referring to Table 7, two alloy 2 casting experiments are highlighted as well as one alloy baseline. As can be seen from the data, alloy 2 (both casting experiments) has a UTS within approximately 3% of the baseline alloy at a temperature below 427 ° C, while still having a higher YS. While alloy 7 has a larger UTS, it has a smaller heat treatment window (7513 versus 8513 for alloy 2). Alloy 3 also has a smaller heat treatment window than alloy 2 and has a smaller UTS. Disadvantages in the other development alloys become apparent at higher operating temperatures., At typical turbine operating temperatures, closer to 76013, alloy 2 (both casting experiments) has a UTS and YS greater than baseline. Also, as previously discussed, alloy 2 was structurally all stable and had the largest heat treatment window, serving the best fabrication conditions. As can be seen, the other alloys at 760 ° C neither had the strength of alloy 2 nor began to exhibit structural instabilities (TCP phases), as previously discussed in table 2 and reproduced below.
Tabela 7 - Propriedades Mecânicas da Experiência de Fundição da Liga [0047] Além da resistência das várias ligas, uma outra medida de capacidade da liga é a ruptura por fluência (ver tabela 8 a seguir). Fluência é uma deformação plástica causada pelo deslizamento que ocorre ao longo das direções cristalográfícas por causa de uma ear-ga/tensão constante aplicada a uma temperatura elevada. Fluência é tipicamente medida em porcentagem de deformação e o número de horas necessárias nesse carregamento e temperatura para causar a deformação. A partir dos dados na tabela 8, pode-se ver que todas as ligas apresentaram melhoria com relação à vida sob fluência e o número de horas para 0,5%, 1% e 5% de deformação por fluência. Embora a liga 3 tenha apresentado melhor vida sob fluência do que a liga 2, a liga 3 teve outros inconvenientes com relação às janelas de tratamento térmico e estabilidade estrutural, mostrado na tabela 7, Tabela 8 - Dados de Ruptura por Fluência de Experiências de Fundição da Liga [0048] A partir destes e de outros dados, determinou-se que a liga 2 foi a composição preferida que forneceu a resistência, estabilidade estrutural necessárias, e permitiu um processo de fabricação mais conveniente.Table 7 - Mechanical Properties of the Alloy Casting Experiment In addition to the strength of the various alloys, another measure of alloy capacity is creep rupture (see table 8 below). Creep is a plastic deformation caused by slippage that occurs along crystallographic directions because of a constant ear-ga / stress applied at an elevated temperature. Creep is typically measured as a percentage of strain and the number of hours required at this load and temperature to cause strain. From the data in table 8, it can be seen that all alloys showed improvement in creep life and hours for 0.5%, 1% and 5% creep deformation. Although alloy 3 had better creep life than alloy 2, alloy 3 had other drawbacks with respect to heat treatment windows and structural stability, shown in Table 7, Table 8 - Creep Burst Data from Casting Experiments From these and other data, it was determined that alloy 2 was the preferred composition that provided the necessary strength, structural stability, and allowed for a more convenient manufacturing process.
[0049] Análise e desenvolvimento mais detalhado da liga 2 foram então conduzidos para determinar a composição final. Mais especificamente, quatro pequenas corridas (13,6 quílogramas) foram fundidas como placas solidificadas direcional mente e avaliadas. Esses tamanhos de corrida foram selecionados como os mais representativos dos tamanhos e pesos para aplicações de peças fundidas de turbina a gás típicas. Dessas corridas, o número de lacunas eletrônicas, Nv3, variou de 2,220 - 2,280. As composições químicas resultantes dessas quatro ligas estão mostradas a seguir na tabela 9.More detailed analysis and development of alloy 2 was then conducted to determine the final composition. More specifically, four small runs (13.6 kilograms) were fused as directionally solidified plates and evaluated. These race sizes have been selected as the most representative of the sizes and weights for typical gas turbine castings applications. Of these runs, the number of electronic gaps, Nv3, ranged from 2.220 - 2.280. The resulting chemical compositions of these four alloys are shown below in table 9.
Tabela 9 - Composições Químicas de Variações da Liga 2 0050] As propriedades mecânicas das ligas 2A - 2D foram comparadas com uma linha de base para determinar uma liga preferida. Referindo-se à tabela 10, pode-se ver que a liga 2C forneceu maior YS e UTS a 4270 em relação à linha de base, bem como um maior YS na direção transversal a 760*0. Um gráfico da capac idade da liga 2C em função de GTD-111 está mostrado na figura 1. Dados de ruptura sob tensão para as ligas 2C e 2D são comparados com uma liga linha de base e GTD-111 na figura 2. A partir deste gráfico, pode-se ver que a liga 2C tem maior vida na ruptura por tensão do que a da linha de base e desta maneira é similar à de GTD-111.Table 9 - Alloy Variations Chemical Compositions The mechanical properties of 2A - 2D alloys were compared with a baseline to determine a preferred alloy. Referring to Table 10, it can be seen that alloy 2C provided higher YS and UTS at 4270 relative to the baseline as well as a larger YS in the transverse direction at 760 * 0. A graph of the capacity of alloy 2C as a function of GTD-111 is shown in figure 1. Tensile stress data for 2C and 2D alloys are compared with a baseline alloy and GTD-111 in figure 2. From this In the graph, it can be seen that 2C alloy has a longer stress rupture life than the baseline and thus is similar to that of GTD-111.
Tabela 10 - Propriedades de Tração das Variações da Liga 2 Ex- 0051] Tendo determinado que a liga 2 é a liga preferida e, mais particularmente, que a liga 2C é a composição elementar preferida, por causa de seu maior limite de resistência a 427Ό, d esejou-se verificar que as quantidades em produção industrial da liga podem ser produzidas tanto em fundições solidificadas direcional mente (DS) quando convencional, ou equiaxial. Para avaliar as peças fundidas em escala de produção» duas corridas de liga principal de 172 quilogramas foram produzidas. Conforme versados na técnica de fundição de precisão entendem» a fim de fundir uma líga à base de níquel tal como a da presente invenção com diferentes técnicas de solidificação, DS contra equiaxial, é necessário modificar o teor de carbono. Especifica mente, uma peça fundida equiaxial exige um maior teor de carbono, aproximadamente 0,07 - 0,10%, ao passo que uma peça fundida DS exige apenas aproximadamente 0,03 - 0,06%. Para as corridas de amostra fundidas em cada configuração, as análises químicas estão mostradas na tabela 11.Table 10 - Tensile Properties of Alloy 2 Variations Ex-0051] Having determined that Alloy 2 is the preferred alloy and more particularly that Alloy 2C is the preferred elemental composition because of its higher strength limit at 427Ό It has been noted that the industrial production quantities of the alloy can be produced in either directionally solidified (DS) or conventional or equiaxial foundries. To evaluate castings on a production scale, two 172 kg main alloy runs were produced. As skilled in the art of precision casting, it is understood that in order to fuse a nickel-based alloy such as that of the present invention with different solidification techniques, DS versus equiaxial, it is necessary to modify the carbon content. Specifically, an equiaxial casting requires a higher carbon content, approximately 0.07 - 0.10%, whereas a DS casting requires only about 0.03 - 0.06%. For the fused sample runs in each configuration, the chemical analyzes are shown in table 11.
Tabela 11 — Análises Químicas de Corridas de Produção de (181 quilogramas) [0052] Tendo concluído que a liga 2C podería ser fundida com sucesso tanto no tipo DS quando equiaxial, a etapa seguinte no desenvolvimento da liga foi transferir fundição de corridas de experiência para fundição de componentes de turbina a gás de experiência. Uma seção transversal de um motor de turbina a gás típico está mostrada na figura 3, com cada seção do motor notada. Para a liga 2C, duas pás da seção da turbina compatíveis com cada da turbina do segundo e terceiro estágio da General Electric Frame foram fundidas. As pás do segundo estágio têm aproximadamente 45,7 centímetros de comprimento e cada qual pesa aproximadamente 8,6 quilogramas. Um diagrama deste tipo de pá de turbina a gás está mostrado na figura 4. Esta pá é tipicamente fundida de uma maneira solidificada direcionalmente por causa das temperaturas operacionais e níveis de tensão observados pela pá. Ela é fundida de CM 247, uma liga à base de níquel que tem uma maior densidade do que a da liga aqui revelada, cujos detalhes foram previamente discutidos e estão revelados na patente US 4.461.659. Um rendimento de produção médio (% de peças fundidas aceitáveis) para este aerofólio fundido em CM-247 é aproximadamente 80%. Peças fundidas experimentais para pá de turbina deste estágio resultaram em um rendimento de 100%. Embora o tamanho da amostra tenha sido pequeno, não houve indicações de que este rendimento seria diferente em um ambiente de produção.Table 11 - Chemical Analysis of (181 kilogram) Production Races Having concluded that the 2C alloy could be successfully fused to either DS or equiaxial type, the next step in the development of the alloy was to transfer experience race casting to smelting of gas turbine components from experience. A cross section of a typical gas turbine engine is shown in figure 3, with each engine section noted. For 2C alloy, two turbine section blades compatible with each of the General Electric Frame second and third stage turbine were fused. The second stage blades are approximately 45.7 centimeters long and each weighs approximately 8.6 kilograms. A diagram of this type of gas turbine blade is shown in Figure 4. This blade is typically cast in a directionally solidified manner because of the operating temperatures and stress levels observed by the blade. It is fused to CM 247, a nickel-based alloy that has a higher density than the alloy disclosed herein, the details of which have been previously discussed and disclosed in US Patent 4,461,659. An average production yield (% of acceptable castings) for this CM-247 cast airfoil is approximately 80%. Experimental turbine blade castings of this stage resulted in a 100% yield. Although the sample size was small, there was no indication that this yield would be different in a production environment.
[0053] Como para a pá do terceiro estágio, ela tem aproximadamente 58,4 centímetros de comprimento e pesa aproximadamente 11,8 quilogramas. Um diagrama deste tipo de pá de turbina a gás está mostrado na figura 5. Esta pá é tipicamente fundida da mesma forma em um tipo convencional, ou equiaxial de CM 247. Entretanto, o rendimento típico desta parte é apenas aproximadamente 20%, quando é fundida de CM 247. A utilização da liga da presente invenção aumentou o rendimento de fundição para 100%. Embora o tamanho de amostra fosse pequeno, não houve indicação de que este rendimento seria diferente em um ambiente de produção.As for the third stage shovel, it is approximately 58.4 centimeters in length and weighs approximately 11.8 kilograms. A diagram of this type of gas turbine blade is shown in Figure 5. This blade is typically cast in the same manner as a conventional or equiaxial type of CM 247. However, the typical yield of this part is only approximately 20% when it is CM 247 casting. The use of the alloy of the present invention increased the casting yield to 100%. Although the sample size was small, there was no indication that this yield would be different in a production environment.
[0054] Pelo teste e análise adicionais, fez-se ligeiras modificações na composição da liga 2C para produzir uma composição mais reprodutível, bem como para melhorar ainda mais as capacidades do material. A composição resultante difere ligeiramente entre a forma equiaxial e DS, mas ambas estão cobertas pela composição da liga listada a seguir na tabela 12.By further testing and analysis, slight modifications to the 2C alloy composition were made to produce a more reproducible composition as well as to further improve the capabilities of the material. The resulting composition differs slightly between the equiaxial form and DS, but both are covered by the alloy composition listed below in table 12.
Tabela 12- Composição da liga 0055] Por tais análise e teste, um melhor entendimento das capacidades do material para a liga 2C tanto na forma equiaxial quanto solidificada direcionalmente foram medidas. A forma equiaxial da liga 2C foi designada como PS Ml 16 e a forma DS da liga 2C foi designada como PSM117. PSM117 foi analisada com relação tanto à direção longitudinal quanto transversal. Como versados na técnica entendem, "longitudinal" e "de comprido" referem-se ao longo dos contornos de grão, ao passo que "transversal" ou "de travessa" é a direção 90 graus à direção dos grãos. Modificações feitas para criar a forma de produção da liga equiaxial e DS incluíram mudanças secundárias nas concentrações elementares, algumas aumentando, algumas diminuindo. Mediante teste mecânico de corpos de prova de produção, determí- nou-se que o limite de resistência máximo melhorou em relação à liga 2C, e a liga GTD-111 da tecnologia anterior. Isto foi válido tanto para as forma equiaxiais quanto DS na extremidade superior do espectro operacional de uma pá de turbina, maior que aproximadamente 64913 (ver figuras 6 e 7). Conforme pode-se ver na figura 7, a forma equiaxial da liga da presente invenção também tem maior limite de resistência máximo em relação à maior parte do perfil de temperatura, comparado com ligas Canon-Muskegon 247 e Inconnel 738 da tecnologia anterior.Table 12- Alloy Composition 0055] By such analysis and testing, a better understanding of the material capacities for 2C alloy in both equiaxial and directionally solidified form was measured. The equiaxial form of alloy 2C was designated as PS M1 16 and the DS form of alloy 2C was designated as PSM117. PSM117 was analyzed for both longitudinal and transverse directions. As skilled in the art they understand, "longitudinal" and "long" refer to along the grain contours, while "transverse" or "cross member" is the 90 degree direction to the grain direction. Modifications made to create the form of production of the equiaxial alloy and DS included minor changes in elemental concentrations, some increasing, some decreasing. Through mechanical testing of production specimens, it was determined that the maximum strength limit improved over alloy 2C, and prior art GTD-111 alloy. This was true for both equiaxial and DS shapes at the upper end of the operating spectrum of a turbine blade, greater than approximately 64913 (see figures 6 and 7). As can be seen from Figure 7, the equiaxial shape of the alloy of the present invention also has a higher maximum strength limit over most of the temperature profile, compared to prior art Canon-Muskegon 247 and Inconnel 738 alloys.
[0056] Além disso, para o mesmo espectro operacional, o limite de escoamento da liga equiaxial, PSM116, foi também ligeiramente maior em relação à liga 2C, ligas GTD-111, CM-247 e IN-738 da tecnologia anterior (ver figura 8). REferindo-se à figura 9, melhorias similares no limite de escoamento, comparado com a liga GTD-111 da tecnologia anterior, podem ser vistas para os corpos de prova DS da liga da presente invenção. Essas melhorias no limite de escoamento e limite de resistência máximo na extremidade superior do envelope operacional são importantes, uma vez que pás de turbina fabricadas a partir desta liga tendem operar nessas maiores temperaturas (64913 ou mais).In addition, for the same operating spectrum, the flow limit of the equiaxial alloy, PSM116, was also slightly higher compared to the prior art alloy 2C, GTD-111, CM-247 and IN-738 alloys (see figure 8). Referring to Figure 9, similar improvements in yield strength compared to the prior art GTD-111 alloy can be seen for the DS alloy specimens of the present invention. These improvements in yield strength and maximum strength limit at the upper end of the operating envelope are important, since turbine blades made from this alloy tend to operate at these higher temperatures (64913 or higher).
[0057] Referindo-se agora às figuras 10 e 11, o alongamento do material a elevada temperatura está mostrado, respectivamente, para formas solidificadas direcionalmente e equiaxial da presente invenção. Em geral, para ambas as formas da liga, o alongamento percentual é maior a maiores temperaturas operacionais do que a menores temperaturas. Referindo-se à figura 10, a forma DS da liga tem alongamento ligeiramente maior do que da liga da tecnologia anterior GTD-111. Entretanto, a maiores temperaturas operacionais, acima de aproximadamente 760°C, o alongamento percentual da forma DS (PSM117) é menor que de GTD-111. É este arranjo que é mais desejável para tecnologia de turbina a gás. Para pás e aletas de turbinas que operam a temperaturas mais elevadas, menores valores de alongamento são indicativos de um componente mais forte. Com relação à figura 11, está mostrado o alongamento percentual em função da temperatura para a forma equiaxial da liga da presente invenção, PSM116. O alongamento percentual é maior para a liga equiaxial na maior parte do perfil de temperatura, comparado com as ligas da tecnologia anterior.Referring now to Figures 10 and 11, elongation of the material at high temperature is shown, respectively, for directionally solidified and equiaxial forms of the present invention. In general, for both alloy shapes, the percent elongation is greater at higher operating temperatures than at lower temperatures. Referring to Figure 10, the DS shape of the alloy has slightly greater elongation than the prior art alloy GTD-111. However, at higher operating temperatures, above approximately 760 ° C, the percent elongation of the DS form (PSM117) is lower than that of GTD-111. It is this arrangement that is most desirable for gas turbine technology. For turbine blades and fins operating at higher temperatures, lower elongation values are indicative of a stronger component. Referring to Figure 11, the percent temperature elongation for the equiaxial alloy form of the present invention, PSM116, is shown. The percent elongation is greater for the equiaxial alloy in most of the temperature profile compared to the previous technology alloys.
[0058] Referindo-se à figura 12, um benefício adicional da liga da presente invenção está mostrado em termos de vida na ruptura por fluência em relação à extensão percentual da pá formada da liga. A vida do componente é medida em termos de horas até ocorrer a ruptura. Conforme pode-se ver pela figura 12, para uma dada temperatura e carga mecânica, a forma equiaxial da liga 2C, PSM116, mostra melhoria na vida sem ruptura (mostrada em escala adimensional) da rota de uma pá formada da liga até pelo menos 80% do local da extensão, comparada com a forma equiaxial da liga GTD-111 da tecnologia anterior.Referring to Figure 12, an additional benefit of the alloy of the present invention is shown in terms of creep rupture life over the percentage extent of the alloy formed blade. Component life is measured in hours to breakage. As can be seen from Figure 12, for a given temperature and mechanical load, the equiaxial shape of alloy 2C, PSM116, shows improvement in the unbroken life (shown in dimensionless scale) of the route of an alloy-formed blade to at least 80 % of the extension site compared to the equiaxial shape of the prior art GTD-111 alloy.
[0059] Além da composição da liga que é revelada, são revelados um método de fabricar uma peça fundida e artigo tratado termica-mente de uma liga à base de níquel, compreendendo prover a liga de acordo com os níveis de composição previamente descritos e submeter a liga ao processo de tratamento térmico previamente revelado.In addition to the alloy composition which is disclosed, there is disclosed a method of making a nickel based alloy heat-treated cast and article comprising providing the alloy according to the previously described composition levels and subjecting the alloy to the previously disclosed heat treatment process.
[0060] A presente invenção foi descrita com relação a modalidades particulares, que são destinadas em todos os aspectos a ser ilustrativas, e não restritivas. Modalidades alternativas ficarão aparentes aos versados na técnica aos quais a presente invenção diz respeito sem fugir de seu escopo.The present invention has been described with respect to particular embodiments, which are intended in all respects to be illustrative rather than restrictive. Alternative embodiments will be apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains without departing from its scope.
[0061] Pelo exposto, percebe-se que esta invenção é bem adaptada para atingir todas as finalidades e objetivos apresentados, juntamente com outras vantagens que são óbvias e inerentes ao sistema e método. Entende-se que certos recursos e subcombinações são de utilidade e podem ser empregados sem referência a outros recursos e subcombinações. Isto está contemplado e de acordo com o escopo das reivindicações.From the foregoing, it is understood that this invention is well adapted to achieve all the purposes and objectives presented, along with other advantages that are obvious and inherent to the system and method. Certain features and subcombinations are understood to be of use and may be employed without reference to other features and subcombinations. This is contemplated and in accordance with the scope of the claims.
REIVINDICAÇÕES
Claims (5)
Family
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