[其他]减少各向异性的单晶制品

说明书

本发明涉及一种单晶制品。特别是用于燃气轮引擎中作为翼舵的低各向异性单晶制品。

一般公认在现代燃气轮引擎中气轮部份的叶片和舵是在引擎中最恶劣的环境之一下运转的。结果，为了制造这些部件，特别发展了各种工艺的和合金成分。

目前，气轮部份的叶片和舵一般是通过熔模铸造技术来制造的，已发现的三种技术特别有用，而每种产生一种特别的晶粒组织。用一般铸造技术所生产的组织其特征的晶粒一般是等轴无定位向的。另外两种有用的熔模铸造技术是属于定向凝固（DS）型;其中一种技术的铸件的特征是多重基本平行的（柱状）晶粒。在另一技术中铸件是一种单晶体，即只包含一个晶粒。

用传统铸造技术生产的铸件一般具有均匀的机械性能，与量度的方向无关。而定向凝固铸件的机械性能取决于其量度的方向，即这些铸件是各向异性的。例如在室温下燃气轮引擎常用的定向凝固镍基超级合金类型其弹性模数（在弹性限度内应力与应变的比）在<100>方向上是18×10⁶PSi;在<110>方向上是33×10⁶PSi;在<111>方向上是46×10⁶PSi。

由于近来在气轮区中的气流温度有升向高温的趋势，抗热疲劳裂纹性已成为某些单晶翼舵（叶片和舵）寿命极限的性能标志。由于低弹性模数一般表示具有良好的抗热疲劳裂纹性，因此单晶体铸件的制造要使低模数[001]轴基本上和该零件的主应力轴同向。一般来说，主应力轴位于该零件的纵轴上。根据美国专利3，494，709号，气轮引擎舵翼中[001]晶轴和纵轴的夹角应小于20°。在目前使用的某些单晶翼舵中该夹角不大于15°。

如上所述，特种的合金成分已用于气轮机的部件，用这种合金使制成的铸件具有所需的性能。言而当合金用传统的方法铸造，或铸造成柱状晶粒形式可能具有有用的性能，而当铸造成单晶体形式时可能就不具有冈揉的有用性能。这主要是由于具有传统的即柱状晶粒显微组织的铸件一般需要增强晶粒界面的元素，使其获得在高温下所需的强度。如在美国专利3，567，526，3，700，433，3，711，337，3，832，167，4，078，951和4，169，742号中所述，这些元素包括碳，硼，锆，和铪。单晶体制品没有内晶粒界面，如美国专利3，494，709和3，567，526号所述，应该避免含C，B，Zr或Hf。这些专利指出，硼和锆损害了单晶体的性质，若含碳，则必须在合金成分中限制其含量在100ppm以内。美国专利4，209，348号介绍了一种单晶合金成分，其中无意加进C，B，Zr或Hf，虽然这些元素可以杂质的形式存在。C，B，Zr和Hf的个别含量应低于50ppm，而C+B+Zr+Hf的总含量应少于100ppm。

美国专利4，459，160号介绍了单晶合金成分，虽然无意加进B，Zr或Hf，但其中C+B+Zr+Hf的含量可以超过100ppm。美国专利4，488，915介绍一种单晶成分，其中不容许锆和硼的存在，但碳的含量可高达500ppm。然而其指出，大部份碳在铸造过程中会转变为一氧化碳，结果铸件的成分中实际上只含有很少的碳。

美国专利4，402，772号介绍了一种单晶成分，其明显地部分由于大约有500ppm的铪存在而具有良好的抗氧化性。

虽然单晶体制品有多种成分，由于他们的各向异性而限制了其用途。因此，工程师们续续开发和改进合金体系，特别对于那些由减少了各向异性的合金所制成的铸件。这类合金成分可以允许例如使用的制品中[100]晶轴和主应力轴的夹角大于20°。

本发明的目的包括改良的单晶体制品，特别是用于燃气轮引擎中的单晶体制品。这类制品比目前所用的减少了各向异性。

根据本发明，单晶镍基超级合金制品的各向异性的减少是通过加进一种或多种选自一组包括碳、硼、锆和铪的元素。C+B+Zr+Hf的总量应在0.002到0.500之间重量百分数（20和5000ppm）。本发明的一优点是允许使用高弹性模数的制品，其中[001]晶轴和制品纵轴的夹角约大于20°。

本发明的上述和其他目的，特征和优点通过下面优选的实施例来说明。

如在背景技术部份所指出，硼，碳，锆和铪等元素特别被排除于单晶镍基超级合金成分之外。然而却发现当有意地将一定量的这些元素加进单晶镍基超级合金成分中时，和不含有有意加进这些元素的合金相比，这些合金的各向异性会惊人地减少。