CN116529459A

CN116529459A - 具有高抗氧化性、高耐腐蚀性和良好可加工性的基于镍的超级合金

Info

Publication number: CN116529459A
Application number: CN202180076828.3A
Authority: CN
Inventors: 马格努斯·哈斯尔奎斯特; 陈哲; 大卫·古斯塔夫松; 弗兰斯·帕尔默特
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2020-11-18
Filing date: 2021-10-19
Publication date: 2023-08-01
Also published as: US20230407439A1; EP4001445A1; EP4211282A1; WO2022106134A1

Abstract

基于镍的超级合金，其至少包含以下，特别地由以下组成(以重量％计)：铁(Fe)1.5％至6.5％，特别地3.5％至5.5％；铬(Cr)12.0％至14.0％；钼(Mo)1.0％至2.0％；钨(W)2.0％至5.0％；铝(Al)5.2％至5.8％；钽(Ta)5.0％至7.0％；铪(Hf)1.2％至1.8％；硅(Si)0.005％至0.4％；碳(C)0.005％至0.1％；镍(Ni)；任选地钴(Co)0.0％至5.0％，特别地至少1.0重量％的钴(CO)；硼(B)>0.0％至0.02％，特别地最多0.005％；锆(Zr)>0.0％至0.05％，特别地最多0.01％；0％至0.05％的反应性元素，特别地钇(Y)、铈(Ce)、镝(Dy)和/或镧(La)。

Description

具有高抗氧化性、高耐腐蚀性和良好可加工性的基于镍的超级合金

本发明涉及具有高抗氧化性、高耐腐蚀性和良好可加工性的基于镍的超级合金。

始终需要提高我们的燃气轮机的性能、强健性和燃料灵活性的组合。对此的关键是改进热级轮机组件的材料系统。改善的强健性需要改善的抑制腐蚀和氧化辅助裂纹扩展的能力。

根据定义涂层无法保护裂纹，因此这意味着需要改善的耐裸露腐蚀性和抗氧化性的组合。TBC(Thermal Barriers Coating，热屏障涂层)中保留或减少的顶部涂层剥落以及较高的粘结涂层温度将提供改善的组件性能。因此，需要具有改善的耐裸露腐蚀性和抗氧化性的组合以及改善的涂层相容性的新的基础合金。这些合金还必须具有有用的机械特性和可加工性。

用于轮机叶片和轮叶的传统工业燃气轮机(Industrial Gas Turbine，IGT)合金，如IN792、IN738LC和PWA1483在耐腐蚀性和可加工性方面得分较高，但在抗氧化性和涂层相容性方面得分较低。例如Alloy247LC和CMSX-4的航空合金在抗氧化性和涂层相容性方面得分较高，但在耐腐蚀性方面得分较低，并且它们的小的热处理窗口(Heat TreatmentWindow，HTW)降低了它们的可加工性。

新IGT合金STAL15SX和STAL125将航空合金的氧化和涂层相容性与IGT合金的耐腐蚀性结合在一起，并且还显示出比航空合金或IGT合金更大的HTW值。

但是需要有比已经设计的合金具有甚至更好的涂层相容性和抗裸露氧化性的新IGT合金。

因此，本发明的目的是克服如上列出的现有技术的问题，并改进基于镍的超级合金。

该问题通过根据权利要求1的合金、根据权利要求22的粉末、以及根据权利要求23的组件来解决。

在从属权利要求中列出了另一些优点，所述优点可以任意地彼此组合以产生另一些优点。

CC意指多晶组织，DS意指柱状组织，以及SX意指单晶组织。

与目前的用于IGT的合金相比，有想法用铁(Fe)部分或完全替代钴(Co)，以及用(或用更多的)铪(Hf)部分替代钽(Ta)以改善抗裸露氧化性和涂层相容性，同时保持大的热处理窗口，尽管添加了更多的铪(Hf)。

作为实例：

CC合金STAL125CC具有以下标称组成(以重量％计)：Ni-5Co-12.5Cr-1.5Mo-3.5W-5.5Al-8Ta-0.5Hf-0.07C-0.015B-0.01Zr；被转变为Ni-3Co-4Fe-12.5Cr-1.5Mo-3.5W-5.6Al-6Ta-1.5Hf-0.07C-0.015B-0.01Zr。

铝(Al)在1273K下的活性增加了49％，同时HTW从75K增加至100K。

铪(Hf)的添加使得合金能够用于CC铸造以及DS铸造。当其扩散到基材的粘结涂层中时，其将通过β相的强化来抑制起皱，并且这将抑制陶瓷顶部涂层的剥落。

铁(Fe)的添加将使γ’溶线温度(gamma prime solvus temperature)降低至这样的程度：其超过对由于铪(Hf)的添加而导致的HTW的降低的补偿。

铁(Fe)的添加也增加了铝(Al)活性，这改善了抗裸露氧化性，并且减少了铝(Al)通过相互扩散从粘结涂层进入到基体合金的损失，使得粘结涂层温度更高。

作为另一个实例：如果通过保持基体和颗粒组成恒定，同时增加γ’相的分数，直到铬(Cr)的含量已经降低至12.5％Cr，将SX合金结线缩放至12.5％Cr，以改善蠕变强度，我们得到：Ni-4.6Co-12.5Cr-0.9Mo-3.7W-5.4Al-9.1Ta-0.1Hf-0.25Si。

在添加铁(Fe)以及增加铪(Hf)同时减少钽(Ta)和钴(Co)的情况下的相同类型的转变的情况下，我们得到：Ni-3Co-4Fe-12.5Cr-1.3Mo-3W-5.4Al-6.5Ta-1.5Hf-0.25Si。

铝(Al)在1273K下的活性提高了43％。

专利申请的初步组成限制为：

然后应该可能有一些额外的改进，产生一些优选的实施方案。

反应性元素(Reactive Elements，RE)为硫中和剂如Ce、La、Y、Dy等的一些组合。

技术创造性是使用铁(Fe)来增加铝(Al)的活性以及增加热处理窗口，尽管添加了更多的铪(Hf)用于涂层相容性和改善的DS可铸造性。

可以承受更高的粘结涂层温度和更频繁的循环。作为额外的铁(Fe)降低了γ’溶线温度的结果，有益的副作用在于HIP/固溶温度可以从用于新IGT合金的1523K至1553K降低至1473K(1200℃)。降低的HIP/固溶温度增加了能够进行这样的HIP供应商的数目。

另一个有益的副作用在于钴(Co)在健康和安全方面为有问题的元素，因此降低的Co水平是有利的。

又一个且重要的优点在于用铪(Hf)代替钽(Ta)降低了密度。

更好的组件得益于更大的设计自由。由于降低的温度下的HIP，因此更容易获得。

先进的激光熔覆，其中填料具有极高的抗氧化性和涂层相容性，以防止其中温度趋向于特别高的“尖端和边缘”处的顶部涂层的氧化和剥落，即使用混合组分。

本发明的合金包含(以重量％计)：

钴(Co)0.0至5.0，

特别地直到4.0，

铁(Fe)1.5至6.5，

特别地2.5至4.5，

铬(Cr)12.0至14.0，

钼(Mo)1.0至2.0，

特别地1.1至1.6，

钨(W)2.0至5.0，

特别地2.5至4.0，

铝(Al)5.2至5.8，

钽(Ta)5.0至7.0，

特别地6.0至7.0，

铪(Hf)1.2至1.8，

任选地

碳(C)0.005至0.1，

硅(Si)0.005至0.4，

硼(B)>0至0.02，

特别地0.005至0.02，

锆(Zr)>0至0.05，

特别地0.005至0.05，

0.0至0.05的反应性元素，

特别地铈(Ce)、钇(Y)、镧(La)和/或镝(Dy)，

基于Ni。

大型叶片的重量大于1.0kg，特别地重于1.5kg。

小型叶片的重量小于1.0kg，特别地小于0.8kg。

对于SX组织的小型叶片或大型叶片二者，该合金包含0.1重量％至0.4重量％的硅(Si)。

对于CC组织或DS组织的小型叶片和大型叶片，该合金特别地包含0.005重量％至0.015重量％的硅(Si)。

对于SX组织的小型叶片，该合金特别地包含0.005重量％至0.03重量％的碳(C)。

对于SX组织的大型叶片，该合金特别地包含0.03重量％至0.07重量％的碳(C)。

对于CC组织或DS组织的小型叶片和大型叶片，该合金特别地包含0.03重量％至0.1重量％的碳(C)。

对于SX组织的小型叶片，该合金特别地包含最多0.005重量％的硼(B)。

对于SX组织的大型叶片，该合金特别地包含0.005重量％至0.015重量％的硼(B)。

对于CC组织或DS组织的小型叶片和大型叶片，该合金包含0.005重量％至0.02重量％的硼(B)。

对于CC组织或DS组织的小型叶片和大型叶片，该合金包含0.005重量％至0.05重量％的锆(Zr)。

对于SX组织的小型叶片或大型叶片，该合金包含最多0.01重量％的锆(Zr)。

Claims

1.一种基于镍的超级合金，

其至少包含以下，

特别地由以下组成(以重量％计)：铁(Fe)1.5至6.5，

特别地2.5至4.5，

铬(Cr)12.0至14.0，

钼(Mo)1.0至2.0，

特别地1.1至1.6，

钨(W)2.0至5.0，

特别地2.5至4.0，

铝(Al)5.2至5.8，

钽(Ta)5.0至7.0，

特别地6.0至7.0，

铪(Hf)1.2至1.8，

镍(Ni)，

任选地

钴(Co)0.0至5.0，

特别地0.0至4.0，

硅(Si)0.005至0.4

碳(C)0.005至0.1

硼(B)>0.0至0.02，

特别地最多0.005，

锆(Zr)>0.0至0.05，

特别地最多0.01，

0至0.05的反应性元素，特别地钇(Y)、铈(Ce)、镝(Dy)和/或镧(La)。

2.根据权利要求1所述的合金，

其不包含钴(Co)。

3.根据权利要求1所述的合金，

其包含至少1重量％的钴(Co)，

特别地至少2.5重量％的钴(Co)。

4.根据权利要求1、2或3中的一项或任一项所述的合金，包含至少0.005重量％的硼(B)。

5.根据权利要求1至4中的一项或任一项所述的合金，其包含最多0.015重量％的硼(B)。

6.根据权利要求1至4中的一项或任一项所述的合金，其包含最多0.02重量％的硼(B)。

7.根据权利要求1至4中的一项或任一项所述的合金，其包含最多0.005重量％的硼(B)。

8.根据权利要求1、2、3或7中任一项所述的合金，

其不包含硼(B)。

9.根据权利要求1至8中的一项或任一项所述的合金，其包含至少0.005重量％的锆(Zr)。

10.根据权利要求1至9中的一项或任一项所述的合金，其包含至少0.005％的碳(C)。

11.根据权利要求1至9中的一项或任一项所述的合金，其包含至少0.03％的碳(C)。

12.根据权利要求1至10中的一项或任一项所述的合金，其包含最多0.03％的碳(C)。

13.根据权利要求1至11中的一项或任一项所述的合金，其包含最多0.07％的碳(C)。

14.根据权利要求1至11中的一项或任一项所述的合金，其包含最多0.1％的碳(C)。

15.根据权利要求1所述的合金，

其中所述合金包括：

Ni-3Co-4Fe-12.5Cr-1.5Mo-3.5W-5.6Al-6Ta-1.5Hf-0.07C-0.015B-0.01Zr。

16.根据权利要求1所述的合金，

其中所述合金包括：

Ni-3Co-4Fe-12.5Cr-1.3Mo-3W-5.4Al-6.5Ta-1.5Hf-0.25Si。

17.根据权利要求1至15中任一项所述的合金，

其中所述合金不包含硅(Si)。

18.根据权利要求1至14或16中任一项所述的合金，

其中所述合金不包含碳(C)、不包含硼(B)和/或不包含锆(Zr)。

19.根据权利要求1至14或16中任一项所述的合金，

其中所述合金包含硅(Si)。

20.根据权利要求1至15或17中任一项所述的合金，

其中所述合金包含碳(C)、硼(B)和/或锆(Zr)。

21.一种粉末，

其包含根据权利要求1至20中任一项所述的合金，

特别地由根据权利要求1至20中任一项所述的合金组成。

22.一种组件，

其由根据权利要求1至20中任一项所述的合金制成，

或者

其包括由根据权利要求1至20中任一项所述的合金制成的基材。

23.根据权利要求22所述的组件，

其为用于燃气轮机的组件。

24.根据权利要求22或23所述的组件，

其具有柱状组织(DS)。

25.根据权利要求22或23所述的组件，

其具有单晶组织(SX)。

26.根据权利要求22或23所述的组件，

其具有多晶组织(CC)。

27.根据权利要求22至26中任一项所述的组件，其为重量大于1.0kg的大型叶片，

特别地重于1.5kg的大型叶片。

28.根据权利要求22至26中任一项所述的组件，其为重量小于1.0kg的小型叶片，

特别地小于0.8kg的小型叶片。