[发明专利]燃气轮机叶片合金

说明书

本发明一般涉及镍基超合金（superalloy）。进而言之，本发明涉及的镍基合金制成单晶结构，并具有足够高的铬含量，这样，该合金适宜用作燃气轮机的涡轮部分中的旋转叶片。

燃气轮机在其涡轮部件上有多个叶片。这些叶片暴露在温度超过1100℃（2000°F）的气体中并承受高压。结果，铸造叶片的合金经适当热处理后必须具有高应力破裂强度和足够的冶金学稳定性，以便保持这个强度使之运行几千小时。这种合金还必须有足够的延展性，使之能承受强加于涡轮叶片上巨大的热应力。此外，涡轮内燃油和燃气中杂质的原因，叶片所暴露的气体中含有腐蚀性气体，如硫化物和氯化物。所以，叶片合金还必须具备足够的高温抗腐蚀性以及抗氧化性。

向镍基合金加入增强元素如铝、钛和钽，以此增加该合金强度。这种合金组合物必须包括γ-相增（加强度）强相增大的体积份数，以得到γ-相体积份数大约在35～60%之间。合金组合物还必须配制成提供相对于σ相形成的长期（限）稳定性并使γ-相长大，即熔合。然而如下文进一步讨论的，这种合金在某些所要求性质方面的改进导致伴生的在某些其他所要求性质方面的损失，所以，必须获得一种均衡，且组合物必须严格控制以便得到赋与最佳性能的合金。

众所周知，得到高温抗蚀的方式是将基本数量的铬结合进入涡轮叶片合金中。高铬含量通过形成一个连续的氧化铬范围来抑制合金的基本的助熔，该范围对固溶体不敏感并从Na₂SO₄熔体中再沉淀（析出），从而对合金提供一个有效的阻挡。但是，铬与硫结合会生成高熔点硫化物，从而抑制了由于硫化而来的降低。一般了解，大约14～16%的铬含量对良好的高温抗蚀是合乎要求的。还知道为了改进合金的热抗蚀，钼（Mo）和钨（W）的含量应是低的。再者，铌（Nb）（它亦叫钶）替代钼和钨可进而改进合金的热抗蚀，这是因为M₀O₃和WO₃促成表面下氧化物的酸助熔被减少之故。

多年成功地用在燃气轮机叶片的一种镍基合金是International镍公司制备的，商品名为IN-738。IN-738是种常规多晶铸造合金。IN-738典型组成以重量再分比表达如下：（见美国金属学会手册，第9版第4卷244页）镍61，铬16.0，钴8.5，钼1.7，钨2.6，钽1.7，铌（也叫钶）0.9，铝3.4，钛3.4，碳0.17，硼0.01和锆0.10。此外，制造商还介绍这种合金的电子空位数不超过2.36。该合金已公开在US专利3459545（Bleber）。

大家知道，定向凝固，可得单轴向晶粒结构，可增大许多镍基合金的抵抗热循环应力和应力破裂强度两者的能力。例如，US专利4519979（Shaw）公开，公知商品IN-939合金的定向凝固将该合金的应力破裂寿命于870℃及200N/mm²时从大约850小时提高到1370小时，IN-939组成以重量百分比计为碳0.15，铬22.5，钴19，钨2，钛3.7，铝1.9，钽1.4，铌1.0，锆0.1，硼0.01且余量为镍。因此，和诸如IN-738的常规合金相比，在镍基超合金中定向凝固合金得到了显著改善。然而定向凝固合金含有取向的晶粒间界，在非常高的温度下由于晶粒间界的滑移使得合金对机械形变大为敏感。因此和常规多晶铸造合金相比，定向凝固合金在高温机械性能方面，由于非常高的温度状态下晶粒间界滑移的能力而限制了还种改良。

单晶铸造技术的发展进一步改良了镍基超合金的高温/高强度机械性质和性能。和定向凝固合金类似，这些单晶合金受到控制，以便使其提供一个高的γ-相体积份数，为的是赋其最佳高温强度。如此，单晶合金中晶粒间界的消除使之能在高温状态下应用这种合金，而该状态对定向凝固合金和常规合金则是因晶粒间界滑移而对机械形变敏感。但是，晶粒间界的消除却令合金组合物中某些元素也消除，诸如碳化物和硼化物，而它们对定向凝固合金和常规合金中作为晶粒间界增强相恰恰是必需的。

以单晶合金铸造的镍基合金适宜用于飞机燃气轮发动机，例如见Hoppin，G.S.和Danesi，W.P.所作“长寿命燃气轮机制备工艺”一文，Journal of Metal（金属杂志）1986.7.P20-23。单晶材料的发展已用其制成飞机发动机叶片材料，在高温能力方面与先有合金相比，增加大约100℃（200F度）。但这种合金组合物不宜用于陆地型燃气轮机，这是因为这些合金缺少足够含量的某些元素，主要是提供抗热腐蚀所必须的铬。