專利名稱:減少各向異性的單晶制品的制作方法
本發(fā)明涉及一種單晶制品。特別是用于燃氣輪引擎中作為翼舵的低各向異性單晶制品。
一般公認在現(xiàn)代燃氣輪引擎中氣輪部份的葉片和舵是在引擎中最惡劣的環(huán)境之一下運轉的。結果，為了制造這些部件，特別發(fā)展了各種工藝的和合金成分。
目前，氣輪部份的葉片和舵一般是通過熔模鑄造技術來制造的，已發(fā)現(xiàn)的三種技術特別有用，而每種產生一種特別的晶粒組織。用一般鑄造技術所生產的組織其特征的晶粒一般是等軸無定位向的。另外兩種有用的熔模鑄造技術是屬于定向凝固(DS)型;其中一種技術的鑄件的特征是多重基本平行的(柱狀)晶粒。在另一技術中鑄件是一種單晶體，即只包含一個晶粒。
用傳統(tǒng)鑄造技術生產的鑄件一般具有均勻的機械性能，與量度的方向無關。而定向凝固鑄件的機械性能取決于其量度的方向，即這些鑄件是各向異性的。例如在室溫下燃氣輪引擎常用的定向凝固鎳基超級合金類型其彈性模數(shù)(在彈性限度內應力與應變的比)在<100>方向上是18×106PSi;在<110>方向上是33×106PSi;在<111>方向上是46×106PSi。
由于近來在氣輪區(qū)中的氣流溫度有升向高溫的趨勢，抗熱疲勞裂紋性已成為某些單晶翼舵(葉片和舵)壽命極限的性能標志。由于低彈性模數(shù)一般表示具有良好的抗熱疲勞裂紋性，因此單晶體鑄件的制造要使低模數(shù)[001]軸基本上和該零件的主應力軸同向。一般來說，主應力軸位于該零件的縱軸上。根據(jù)美國專利3，494，709號，氣輪引擎舵翼中[001]晶軸和縱軸的夾角應小于20°。在目前使用的某些單晶翼舵中該夾角不大于15°。
如上所述，特種的合金成分已用于氣輪機的部件，用這種合金使制成的鑄件具有所需的性能。言而當合金用傳統(tǒng)的方法鑄造，或鑄造成柱狀晶粒形式可能具有有用的性能，而當鑄造成單晶體形式時可能就不具有岡揉的有用性能。這主要是由于具有傳統(tǒng)的即柱狀晶粒顯微組織的鑄件一般需要增強晶粒界面的元素，使其獲得在高溫下所需的強度。如在美國專利3，567，526，3，700，433，3，711，337，3，832，167，4，078，951和4，169，742號中所述，這些元素包括碳，硼，鋯，和鉿。單晶體制品沒有內晶粒界面，如美國專利3，494，709和3，567，526號所述，應該避免含C，B，Zr或Hf。這些專利指出，硼和鋯損害了單晶體的性質，若含碳，則必須在合金成分中限制其含量在100ppm以內。美國專利4，209，348號介紹了一種單晶合金成分，其中無意加進C，B，Zr或Hf，雖然這些元素可以雜質的形式存在。C，B，Zr和Hf的個別含量應低于50ppm，而C+B+Zr+Hf的總含量應少于100ppm。
美國專利4，459，160號介紹了單晶合金成分，雖然無意加進B，Zr或Hf，但其中C+B+Zr+Hf的含量可以超過100ppm。美國專利4，488，915介紹一種單晶成分，其中不容許鋯和硼的存在，但碳的含量可高達500ppm。然而其指出，大部份碳在鑄造過程中會轉變?yōu)橐谎趸?，結果鑄件的成分中實際上只含有很少的碳。
美國專利4，402，772號介紹了一種單晶成分，其明顯地部分由于大約有500ppm的鉿存在而具有良好的抗氧化性。
雖然單晶體制品有多種成分，由于他們的各向異性而限制了其用途。因此，工程師們續(xù)續(xù)開發(fā)和改進合金體系，特別對于那些由減少了各向異性的合金所制成的鑄件。這類合金成分可以允許例如使用的制品中[100]晶軸和主應力軸的夾角大于20°。
本發(fā)明的目的包括改良的單晶體制品，特別是用于燃氣輪引擎中的單晶體制品。這類制品比目前所用的減少了各向異性。
根據(jù)本發(fā)明，單晶鎳基超級合金制品的各向異性的減少是通過加進一種或多種選自一組包括碳、硼、鋯和鉿的元素。C+B+Zr+Hf的總量應在0.002到0.500之間重量百分數(shù)(20和5000ppm)。本發(fā)明的一優(yōu)點是允許使用高彈性模數(shù)的制品，其中[001]晶軸和制品縱軸的夾角約大于20°。
本發(fā)明的上述和其他目的，特征和優(yōu)點通過下面優(yōu)選的實施例來說明。
如在背景技術：
部份所指出，硼，碳，鋯和鉿等元素特別被排除于單晶鎳基超級合金成分之外。然而卻發(fā)現(xiàn)當有意地將一定量的這些元素加進單晶鎳基超級合金成分中時，和不含有有意加進這些元素的合金相比，這些合金的各向異性會驚人地減少。
為了檢驗加進B，C，Zr和Hf的單晶鎳基超級合金的機械性能，將具有如下組份重量百份比的合金作為評價0-20Co，3-18Cr，0-18W，3-8Al，0-5Ti，0-5Nb，0-15Ta，0-4Mo，0-7Re，其余為鎳。三種檢驗用特定合金的平均組分為合金ANi-5Co-10Cr-16W-5Al-1Ti;
合金B(yǎng)Ni-10Co-9Cr-12W-5Al-2TI-1Nb;
合金CNi-5Co-10Cr-4W-5Al-1.5Ti-12Ta。
這些合金用現(xiàn)有技術將其鑄造成單晶形式，參看如前所述美國專利3，494，709號。合金B(yǎng)與有名的合金MAR-M200相似，它一般鑄造成柱狀晶粒型式。然而，為了下面的試驗目的，將其鑄造成單晶型式。合金C是目前用于制造燃氣輪引擎部件的合金。該合金在美國專利4，209，348號中有詳細的描述，是申請人所知的最強的單晶鎳基超級合金之一。然而同所有現(xiàn)有技術的超級合金一樣用這種組份所制成的單晶鑄件都是各向異性的，在[001]方向的機械性能比[110]或[111]方向的好得多，結果該合金制成的鑄件其[001]晶向排列在主應力軸夾角20之內。
表Ⅰ-Ⅲ列出的試驗結果用于確定在這三種合金中加進C，B，Zr和Hf的效果。表Ⅰ表示在1800°F，在拉伸蠕變的條件下加進B和Zr明顯地減少了在合金A中，一般觀察到的各向異性。在表Ⅰ中，如對<110>取向上的“標稱各向異性”是通過將<110>取向的持久強度除以<100>取向的持久強度來計算的。因為改良合金的<110>和<111>取向的標稱各向異性比末經(jīng)改良合金要高，所以改良合金的各向同性更大。這慣例可適用于表Ⅱ，表Ⅲ的數(shù)據(jù)及說明書和權利要求
書。在應力為36KSi時，改良合金A(即含0.013%B和0.011%Zr)在<100>，(110>，和<111>方向上的持久強度相互之差至少在25%以內。對未改良合金A在這些方向上的持久強度差別可以大到51%。而在加進B和Zr而各向異性驚人地減少，這在現(xiàn)有技術中是沒有任何地方提到的。另外，對于改良合金在每個方向上的蠕變持久強度比未改良合金增加。這與美國專利3494709號的結論相反，該專利說由于硼和鋯的存在降低了單晶鎳基超級合金的蠕變持久強度。
表Ⅰ在1800°F/36KSi條件下單晶Ni-5Co-10Cr 16W-5Al-1Ti(合金A)樣品的拉伸持久強度。
添加元素 取向 持久強度(小時) 標稱各向異性
＊未改良合金A表Ⅱ表示由于加進碳或B+Zr和/或C+B+Zr使得合金B(yǎng)的各向異性減少。加進B+Zr最佳，使得合金在1，100°F下，在<100>，<110>，和<111>方向上的0.2%壓縮屈服應力，其相互之差至少在最小12%以內?？梢钥吹?，具有改良組分晶體的性能一般與未經(jīng)改良合金的性能相當或比其更佳。
表Ⅱ在1100°F下單晶Ni-10Co-9Cr-12W-5Al-2.0Ti-1Cb(合金B(yǎng))樣品的壓縮屈服應力(0.2%)。(原文為0.02%可能有誤)
＊未改良合金B(yǎng)合金C是在其中加鉿對各向異性性影響作出評價的唯一物質。從表Ⅲ可以看到由于加進0.38%的Hf，在1400°F下雖然在<100>方向上的持久強度有所減少，但在<110>和<111>方向上的拉伸持久強度比<100>方向上有明顯的增加。無論如何，這些試驗表明加進鉿減少了各向異性的程度。雖然二<100>方向上的持久強度有所減少，但仍然在作為燃氣輪引擎部件的有用范圍以內。
表Ⅲ在1400°F單晶Ni-5Co-10Cr-4W-5Al-1.5Ti-12Ta(合金C)樣品的拉伸持久強度。
＊未改良合金 C;在110ksi下試驗＊＊在100ksi下試驗這些試驗結果都表明加進C，B，Zr和Hf使鎳基單晶超級合金體的各向異性得到所需的意想不到的減少。從表Ⅰ和表Ⅲ的持久強度數(shù)據(jù)可看出，改良合金A(即含硼和鋯)的標稱各向異性和未改良合金相比，<110>取向高出53%，<111>取向高出24%。換而言之，改良合金A比未改良合金A的各同性要高。改良合金C(含鉿)的各向同性要比未改良合金C的各向同性要高得多。在這些試驗的基碳上，為了減少各向異性，加進作為單晶應用的鎳基超級合金中C+B+Zr+Hf的含量范圍在0.002和0.500之間(重量百分數(shù))。最好這些總元素的總量在0.01和0.08之間。
在鎳基超級合金中加進這些元素不會對由這種合金所制成鑄件的抗氧化抗熱腐蝕性有不良影響，對比于未改良的合金來說甚至有所改善。同樣，長期穩(wěn)定性(即在長期暴露于高溫條件下抗不希望出現(xiàn)的金相沉積性能)將不會受到損害。由這些合金制成的鑄件經(jīng)熱處理以產生所需的顯微組織能力會受到不良影響，但這種影響只是輕微的。
在一般觀察到鎳基單晶氣輪引擎翼舵中的各向異性要求晶軸[001]和部件縱軸的夾角在約20°以內。然而由于發(fā)現(xiàn)了有意地加進C，B，Zr或Hf或這些元素的組合能夠減少各向異性，本發(fā)明就有可能使用晶軸[001]和部件縱軸夾角大于20°的單晶翼舵。例如具有高彈性模數(shù)(即大于約22×106psi)的晶軸如<110>或<111>可以部份或基本地與翼舵的縱軸同向，這樣可以提供一種具有所需的共振頻率特性的較硬的翼舵，這些翼舵沒有熱疲勞壽命極限，用途最為廣泛。如在公同受讓人的美國專利4，289，570號中一般的描述那樣，它們可以提供播晶種技術來鑄造。
雖然本發(fā)明已提供一個優(yōu)先實施方案來表示及描述，本專業(yè)人員可以理解對于本發(fā)明在形式上或具體上所作的各種改變都不脫離本權利要求
的發(fā)明范圍以內。
權利要求
1.一種減少單晶鎳基超級合金各向異性的方法包括將至少0.002重量百分比的C，B，Zr或Hf和它們的混合物加進合金成分的步驟，C+B+Zr+Hf的總含量約少于0.500重量百分比，其中標稱持久強度各向異性增加最少約20%。
2.權利要求
1的方法，其中超級合金基本上由按重量百分比為0-20Co，3-18Cr，0-18W，3-8Al，0-5Ti，0-5Nb，0-15Ta，0-4Mo，0-7Re及其余為鎳所組成。
3.具有沿著制品縱軸量度的高彈性模數(shù)的單晶鎳基超級合金制品，其<100>軸向和制品縱軸夾角約大于20°，含有按重量百分比在0.002和0.500之間的(C+B+Zr+Hf)。
4.權利要求
3的制品，其特征為其在室溫下的彈性模數(shù)約大于22×106PSi。
5.權利要求
4的制品在燃氣輪引擎中用作葉片和舵。
專利摘要
一般觀察到的單晶鎳基超級合金的各向異性，可通過有意地向合金組合物以單獨或混合的方式加進一定的碳，硼，鋯或鉿來減少。
文檔編號C22C19/03GK87102590SQ87102590
公開日1987年10月14日 申請日期1987年4月3日
發(fā)明者迪利普·馬尼拉爾·沙, 戴維·諾埃爾·杜爾 申請人:聯(lián)合工藝公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan