[发明专利]无需粘结层就能保持隔热涂层的低密度抗氧化超级合金材料

说明书

                         发明背景

随着燃气轮机发动机的发展，对形成此类涡轮机工作部件的超级合金的需求正在增加。

早期的燃气轮机发动机使用无保护涂层的多晶铸造涡轮机翼面。涡轮机技术揭示，以柱状晶粒包括拉长的晶粒铸造超级合金部件时，使晶粒的伸长方向与主应力轴的方向一致，可以提高机械性能。该技术减少了横向晶界的数目，改善了部件的机械性能。同时，大约从这个时期开始，人们普遍采用保护涂层来防止部件的氧化和腐蚀。

燃气轮机部件发展的下一步是单晶的开发。单晶没有内部晶界，增强了机械性能水平。开发单晶合金以用于较高的温度，但单晶合金需要有效的保护涂层。

从二十世纪八十年代开始，人们普遍采用陶瓷隔热涂层来保护发动机最热部位的超级合金部件，以提供热绝缘并允许在较高温度下工作。

美国专利US 4248940和4321311描述了使用粘结层的隔热涂层，该粘结层展开了陶瓷隔热涂层粘附于其上的粘性氧化铝层。

尽管带有粘结层的隔热涂层作为绝热体非常有效，但是粘结层的重量会对旋转部件上的拉伸应力造成影响，对高转速下运行的现代发动机的影响尤为显著。此外，还已知粘结层在中温时通常变脆；这种延展性的缺乏促成了发动机服役中过早地发生热疲劳断裂。出于这些原因，以及成本上的考虑，翼面的寿命可通过消除粘结层而提高。

美国专利US 5262245描述了一种包括超级合金的陶瓷隔热涂层体系，该超级合金展开了一种陶瓷隔热涂层将粘附于其上的粘性氧化铝屑片(scale)，而无需中间粘结层。

美国专利US 4209348、US 4459160和US 4643782描述了适于用作单晶的超级合金组合物。

                     发明概要

本发明包含镍基超级合金基底，以及该镍基超级合金与隔热涂层体系的组合，其中隔热涂层体系包括在基底上就地形成的持久的粘性氧化铝屑片和不用中间粘结层而直接施用于氧化铝屑片上的陶瓷隔热涂层。

该超级合金为具有优异低循环疲劳性能的较低密度合金，并且该隔热涂层粘附于基底上形成的氧化铝屑片上，无需粘结层。

低密度超级合金与无粘结层隔热体系的组合，因部件重量的减轻而降低了旋转件的离心应力。这对于部件在高转速下工作的应用是至关重要的。

本发明可应用于燃气轮机，尤其是燃气轮机叶片。这种叶片通常包括翼面部分和根部或连接部。

涡轮机翼面在温度超过约1500°F的高温环境下工作，并且通常是在内部冷却。发动机的性能、寿命和效率可由对冷却翼面的翼面部分进行绝热而提高。

                      优选方案的描述

除非另外注明，组分以重量百分比表示。

已经开发了高级的超级合金组合物，该组合物具有提高了的强度和高温性能。然而，很多这些高级组合物包含增加了它们密度的重元素，如铼、钼和钨。较高密度的合金结合现代涡轮机设计的典型的较高转速，增加了运动翼面上的拉应力。应力的增加是涡轮机叶片的根部或连接部位的一个特殊问题。

本发明的一个主要方面是发现了一组低密度的超级合金，通过较少的成分修正，可表现出令人吃惊的更好的抗氧化性，又不牺牲其它重要性能。已经发现，如此修正的合金产生了粘性和持久性大幅度提高的氧化铝屑片，并且适于用作无需粘结层的隔热涂层的基底。

该发现具有积极的意义。本发明超级合金的密度显著低于新近发展的许多超级合金。并且，由于本发明的超级合金无需粘结层，制成叶片的重量进一步减轻，因而降低了发动机的旋转张力。其它的优点是TMF(热机械疲劳)断裂被大大延迟、减少或消除。我们也发现，当TBC直接应用于本发明的超级合金(具有薄的中间氧化铝屑片)而不是中间粘结层时，TBC的抗剥离能力增强。

本发明揭示了向某些超级合金中添加钇和铪，可使之产生持久的粘性的氧化铝层，该层将既与基底粘结又与陶瓷隔热涂层粘结，从而免去了对中间粘结层的需要。

                                  表I