Сплав на основе никеля и его применение, лопасть или лопатка турбины и газовая турбина
Изобретение относится к области металлурги, в частности к сплавам на основе никеля, и его применению. Заявлен сплав на основе никеля, содержащий, вес.%: Со 2,75-3,25, Сr 11,5-12,5, Мо 2,75-3,25, Аl 3,75-4,25, Ti 4,1-4,9, Та 1,75-2,25, С 0,006-0,04, В≤0,01, Zr≤0,01, Hf≤1,25, Nb≤1,25, остальное Ni. Сплав может быть использован для изготовления, по меньшей мере, части лопасти или лопатки газовой турбины. Сплав характеризуется высоким сопротивлением ползучести. 5 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Настоящее изобретение относится к сплаву на основе никеля и к его применению. Кроме того, настоящее изобретение относится к лопаткам и лопастям турбины и к газовым турбинам.
При работе газовой турбины лопатки и лопасти турбины подвергаются действию высоких температур и, в случае лопаток, высоким нагрузкам из-за вращения ротора турбины, на котором установлены лопатки. Чтобы выдержать такие тяжелые условия, лопасти и лопатки турбины делают обычно из так называемых суперсплавов с высокой термостойкостью и высоким сопротивлением ползучести. Известные суперсплавы, которые применяются для производства лопаток и лопастей турбин, раскрыты, например, в документах EP 1204776 B1, EP 1319729 A1, WO 99/67435 A1 или WO 00/44949 A1. Сплавы, упоминающиеся в этих документах, основаны на никеле (Ni) или кобальте (Co) и обнаруживают довольно высокую термостойкость и сопротивление ползучести. Когда в уровне техники требовалось высокое сопротивление ползучести, часто применялись сплавы с низким содержанием хрома, т.е. с содержанием хрома до примерно 10 вес.%, как сплавы, известные под обозначением CM247DS (с высокой плотностью) и IN100 (с низкой плотностью). При меньшей значимости сопротивления ползучести использовались сплавы с высоким содержанием хрома, т.е. с содержанием хрома выше по меньшей мере примерно 11%, как сплавы, известные под обозначением N792 (с умеренной плотностью) или Rene77 (с низкой плотностью). Недавно был создан многообещающий сплав с высоким сопротивлением ползучести, названный SCB444, имеющий высокое содержание хрома. Этот сплав, который описан в US 2003/0047252 A1, имеет следующий весовой состав:
Co (кобальт) 4,75-5,25%
Cr (хром) 11,5-12,5%
Mo (молибден) 0,8-1,2%
W (вольфрам) 3,75-4,25%
Al (алюминий) 3,75-4,25%
Ti (титан) 4-4,8%
Ta (тантал) 1,75-2,25%
C (углерод) 0,006-0,04%
B (бор) ≤ 0,01%
Zr (цирконий) ≤ 0,01%
Hf (гафний) ≤ 1%
Nb (ниобий) ≤ 1%
никель (Ni) и любые примеси: дополнение до 100%.
Цель настоящего изобретение - дать дополнительный состав для сплава на основе никеля с высоким сопротивлением ползучести и найти применение такому сплаву.
Следующая цель настоящего изобретения - дать улучшенные лопасти или лопатки турбины, а также дать газовую турбину с улучшенными лопатками.
Первая цель достигнута сплавом на основе никеля по пункту 1, а применение - по пункту 4 формулы изобретения.
Следующая цель достигнута лопаткой или лопастью турбины по пункту 5 и газовой турбиной по пункту 6 или газовой турбиной по пункту 7. Зависимые пункты определяют дальнейшие усовершенствования изобретения.
Согласно первому аспекту изобретения, дается сплав на основе никеля, который содержит следующие компоненты (по весу):
Co 2,75-3,25%
Cr 11,5-12,5%
Mo 2,75-3,25%
Al 3,75-4,25%
Ti 4,1-4,9%
Ta 1,75-2,25%
C 0,006-0,04
B ≤ 0,01%
Zr ≤ 0,01%
Hf ≤ 1,25%
Nb ≤ 1,25%,
остальное Ni.
В сравнении с SCB444, сплав по изобретению имеет плотность ниже 8000 кг/м3 и более высокую постоянную решетки, чем SCB444. Эти характеристики получены в результате отказа от вольфрама (W), как в сплаве SCB444, и повышения количества молибдена (Mo), титана (Ti) и верхних пределов для ниобия (Nb) и гафния (Hf), которые все являются более легкими элементами, чем вольфрам. Из этих элементов вклад в матрицу сплава вносит в основном молибден, а другие упомянутые элементы способствуют главным образом формированию упрочняющих частиц, которые внедрены в матрицу.
В сравнении со сплавом SCB444, количество упрочняющих элементов в матрице и частицах удерживается на близкой мольной доле. Ti, Nb и Hf являются более мощными усилителями частиц, чем W, который повышает прочность сплава. Mo также является чуть более действенным, чем W, но упрочнение матрицы остается, по существу, постоянным.
В первом варианте сплав может содержать следующие элементы (по весу):
Co 2,75-3,25%
Cr 11,5-12,5%
Mo 2,75-3,25%
Al 3,75-4,25%
Ti 4,1-4,9%
Ta 1,75-2,25%
C 0,006-0,04%
B ≤ 0,01%
Zr ≤ 0,01%
Hf ≤ 0,01%
Nb 0,75-1,25%
остальное Ni.
В альтернативном варианте сплав может содержать следующие компоненты (по весу):
Co 2,75-3,25%
Mo 2,75-3,25%
Al 3,75-4,25%
Ti 4,1-4,9%
Ta 1,75-2,25%
C 0,006-0,04%
B ≤ 0,01%
Zr ≤ 0,01%
Hf 0,75-1,25%
Nb 0,25-0,75%
остальное Ni.
Замена вольфрама в сравнении с SCB444 снижает температуру растворения, которая имела бы отрицательный эффект на сопротивление ползучести при высокой температуре. Однако этот эффект будет незначительным для относительно более низких температур, испытываемых лопатками и лопастями турбины, которые находятся в более поздних ступенях турбины по сравнению с лопастями и лопатками более ранних ступеней, т.е., по меньшей мере первой ступени. На более поздних ступенях температура горячего рабочего газа, приводящего турбину в действие, уже была снижена из-за переноса импульса на турбину и расширения на более ранних ступенях. Таким образом, термостойкость для более поздних ступеней не настолько важна, как для ранних ступеней. С другой стороны, радиус поздних ступеней обычно больше, чем более ранних ступеней, в частности первой ступени. Это означает, что нагрузка, действующая на наружные стороны лопаток, выше на более поздних ступенях, чем на ранних ступенях, что делает важной проблемой сопротивление ползучести, в частности, если радиус поздних ступеней будет еще больше увеличиваться в будущих поколениях турбин.
Таким образом, сплав по изобретению может с выгодой применяться для изготовления лопастей и/или лопаток турбин, в частности, для изготовления лопаток для поздних степеней турбины.
Согласно изобретению, дается также лопасть или лопатка турбины, по меньшей мере часть которой состоит из базового материала, являющегося сплавом по изобретению.
Как уже упоминалось, сплав по изобретению имеет высокий потенциал для получения лопастей или лопаток турбины для поздних ступеней турбины. Таким образом, согласно изобретению даются улучшенная газовая турбина с каналом для горячих газообразных продуктов сгорания и первыми и вторыми лопатками, находящимися в канале. Вторые лопатки турбины находятся ниже по потоку, чем первые лопатки, и сделаны из базового материала, который отличается от базового материала первых лопаток турбины. Вторые лопатки турбины состоят, по меньшей мере частично, из базового материала, который является сплавом по изобретению. Отметим, что может иметься более одной ступени с первыми лопатками турбины и более одной ступени со вторыми лопатками турбины.
Обычно первые лопатки турбины имеют внутреннее охлаждение, так что они испытывают меньшую нагрузку, вызывающую разрушения при ползучести, чем вторые лопатки турбины, которые обычно не охлаждаются. Использование разных сплавов для разных ступеней турбины делает возможным подгонять сплавы к конкретным нуждам соответствующей ступени. Например, более ранние ступени турбины могут быть оборудованы лопатками и лопастями, имеющими высокую термостойкость, но меньшее сопротивление ползучести. С другой стороны, лопатки и лопасти турбины, в частности турбинные лопатки поздних ступеней, могут быть образованы из базового сплава, имеющего меньшую термостойкость, но повышенное сопротивление ползучести по сравнению со сплавом более ранних ступеней. Таким образом, согласно изобретению даются также газовая турбина с каналом для горячих газообразных продуктов сгорания и первыми и вторыми лопатками турбины, находящимися в канале. Вторые лопатки турбины находятся ниже первых лопаток и сделаны из базового материала, который отличается от базового материала первых лопаток турбины. Первые лопатки и лопасти турбины сделаны из сплава с повышенной термостойкостью и более низким сопротивлением ползучести, чем у сплава, из которого сделаны вторые лопасти и лопатки. Вторым сплавом может быть, в частности, сплав по изобретению, какой упомянут выше.
В частности, повышение сопротивления ползучести поздних ступеней за счет термостойкости допускает более длинные лопатки турбины на поздних ступенях газовой турбины без увеличения нагрузки на диски поздних ступеней. Более длинные лопатки дают возможность уменьшить число Маха в диффузоре, снизить потери в диффузоре и, таким образом, повысить мощность и КПД.
Релевантной мерой сопротивления ползучести на поздних ступенях газовой турбины является допустимое напряжение для времени разрушения при ползучести, равное 40000 часов в диапазоне температур 650-850°C. Оно может быть обеспечено сплавом по изобретению.
Дальнейшие отличительные признаки, свойства и преимущества настоящего изобретения станут понятными из следующего описания вариантов осуществления изобретения в сочетании с приложенным чертежом.
Фиг.1 показывает газовую турбину в разрезе.
Фиг.1 показывает пример газовой турбины 100 в разрезе. Газовая турбина 100 содержит секцию компрессора 105, секцию сгорания 106 и секцию турбины 112, которые расположены рядом друг с другом в направлении продольной оси 102. Кроме того, она содержит ротор 103, который может вращаться вокруг оси вращения 102 и который идет вдоль через газовую турбину 100.
При работе газовой турбины 100 воздух 135, который поступает через воздухоприемник 104 секции компрессора 105, сжимается в секции компрессора и выходит в секцию сгорания 106. Секция сгорания 106 содержит камеру давления 101, одну или более камер сгорания 110 и по меньшей мере одну горелку 107, соединенную с каждой камерой сгорания 110. Камеры сгорания 110 и секции горелок 107 находятся внутри камеры давления 101. Сжатый воздух из выхода компрессора 108 выводится в камеру давления 101, откуда он входит в горелки 107, где он смешивается с газообразным или жидким горючим. В настоящем варианте осуществления альтернативно могут использоваться газообразное топливо и жидкое топливо. Затем топливовоздушная смесь сгорает, и газообразные продукты горения 113 проводятся через камеру сгорания 110 в турбинную секцию 112.
В турбинной секции 112 двигателя на роторе 103 закреплен ряд дисков 120, несущих лопатки. В настоящем примере имеется два диска 121, 129, несущих лопатки турбины. Кроме того, между лопатками турбины 121 расположены направляющие лопасти 130, которые установлены на статоре 143 газотурбинного двигателя 100. Однако часто имеется более двух дисков. Между выходом камеры сгорания 110 и входом ведущих лопаток турбины 121 находятся направляющие лопасти 140. Каждый несущий лопатку диск 120 вместе с рядом направляющих лопастей 130, 140 образуют ступень турбины.
Рабочий газ из камеры сгорания 110 входит в турбинную секцию 112 и, расширяясь и охлаждаясь при протекании через турбинную секцию 112, передает импульс на лопатки турбины 121, 129 ступеней турбины, что приводит к вращению ротора 103. Направляющие лопасти 130, 140 служат для оптимизации воздействия рабочего газа на лопатки турбины 121, 129.
Так как рабочий газ на первой ступени горячее, чем на второй ступени, лопасти 140 и лопатки 129 первой ступени турбины сделаны из высокотермостойкого сплава согласно уровню техники, например из сплава SCB444, а лопатки 121 и/или лопасти 130 второй ступени сделаны из сплава согласно изобретению. Таким образом, термостойкость лопастей и лопаток второй ступени ниже, чем термостойкость лопастей и лопаток первой ступени. С другой стороны, сопротивление ползучести лопастей и лопаток второй ступени выше, чем сопротивление ползучести лопастей и лопаток первой ступени. Сопротивление ползучести лопастей и лопаток первой ступени (или ведущих ступеней, если имеется большее число ступеней) может быть меньше сопротивления ползучести более поздней ступени (или более поздних ступеней), так как лопасти и лопатки первой ступени (или ведущих ступеней) часто имеют внутреннее охлаждение, тогда как лопасти и лопатки более поздней ступени (или ступеней) не охлаждаются.
В первом примере лопатки 121 и/или лопасти 130 второй ступени (или более поздних ступеней) сделаны из сплава по изобретению на основе никеля, содержащего следующие компоненты (по весу): Co 3%; Cr 12%; Mo 3%; Al 4%; Ti 4,5%; Ta 2%; Nb 1%; остальное Ni.
Во втором примере лопатки 121 и/или лопасти 130 второй ступени (или более поздних ступеней) сделаны из сплава по изобретению на основе никеля, содержащего следующие компоненты (по весу): Co 3%; Cr 12%; Mo 3%; Al 4%; Ti 4,5%; Ta 2%; Nb 0,5%; Hf 1%; остальное Ni.
1. Сплав на основе никеля, содержащий следующие компоненты, вес.%:
| Со | 2,75-3,25 |
| Сr | 11,5-12,5 |
| Мо | 2,75-3,25 |
| Аl | 3,75-4,25 |
| Ti | 4,1-4,9 |
| Та | 1,75-2,25 |
| С | 0,006-0,04 |
| В | ≤0,01 |
| Zr | ≤0,01 |
| Hf | ≤1,25 |
| Nb | ≤1,25 |
| остальное | Ni |
2. Сплав на основе никеля по п.1, содержащий следующие компоненты, вес.%:
| Со | 2,75-3,25 |
| Сr | 11,5-12,5 |
| Мо | 2,75-3,25 |
| Аl | 3,75-4,25 |
| Ti | 4,1-4,9 |
| Та | 1,75-2,25 |
| С | 0,006-0,04 |
| В | ≤0,01 |
| Zr | ≤0,01 |
| Hf | ≤0,01 |
| Nb | 0,75-1,25 |
| остальное | Ni |
3. Сплав на основе никеля по п.1, содержащий следующие компоненты, вес.%:
| Со | 2,75-3,25 |
| Сr | 11,5-12,5 |
| Мо | 2,75-3,25 |
| Аl | 3,75-4,25 |
| Ti | 4,1-4,9 |
| Та | 1,75-2,25 |
| С | 0,006-0,04 |
| В | ≤0,01 |
| Zr | ≤0,01 |
| Hf | 0,75-1,25 |
| Nb | 0,25-0,75 |
| остальное | Ni |
4. Применение сплава на основе никеля по любому из пп.1-3 для изготовления лопастей или лопаток турбин.
5. Лопасть турбины, по меньшей мере, часть которой состоит из сплава по любому из пп.1-3.
6. Лопатка турбины, по меньшей мере, часть которой состоит из сплава по любому из пп.1-3.
7. Газовая турбина, имеющая канал для горячих рабочих газов и первые и вторые лопатки турбины, находящиеся в канале, причем вторые лопатки расположены ниже первых лопаток турбины, изготовлены из базового материала, который отличается от базового материала первых лопаток, причем вторые лопатки турбины состоят, по меньшей мере, частично из сплава по любому из пп.1-3.
