Деталь турбины из суперсплава с содержанием рения и способ её изготовления

Изобретение относится к детали турбины, содержащей подложку из монокристаллического суперсплава на основе никеля, содержащего рений, который имеет фазу у-y’-Ni и среднюю массовую долю хрома менее 0,08, покрывающий подложку подслой из металлического суперсплава на основе никеля, отличающейся тем, что подслой из металлического суперсплава содержит, по меньшей мере, алюминий, никель, хром, кремний, гафний и имеет фазу y’-Ni₃Al в преобладающем объёме. Целью изобретения является предложить решение по эффективной защите турбинной детали из суперсплава от окисления и коррозии при одновременном увеличении её срока службы по сравнению с известными деталями. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к детали турбины, такой, как турбинная лопатка или, например, направляющая лопатка сопла, применяемые в самолётостроении.

Уровень техники

В турбореактивном двигателе выхлопные газы из камеры сгорания могут достигать высоких температур, превышающих 1200°С и даже 1600°С. Детали турбореактивного двигателя, находящиеся в контакте с такими выхлопными газами, например, турбинные лопатки, должны обладать способностью сохранять свои механические свойства в условиях таких высоких температур.

Для этого, как известно, определённые детали турбореактивного двигателя изготавливаются из «суперсплава». Суперсплавы образуют собой группу металлических сплавов высокой прочности, способных работать при температурах, относительно близких к их точке плавления (как правило, при коэффициенте от 0,7 до 0,8 от их температуры плавления).

С целью повышения термостойкости таких суперсплавов и их защиты от окисления и коррозии наносится, как известно, покрытие, играющее роль теплового барьера.

На фиг. 1 схематически показана в сечении деталь 1 турбины, например, лопатка 6 турбины или направляющая лопатка сопла. Деталь 1 содержит подложку 2 из монокристаллического металлического суперсплава с нанесённым на неё тепловым барьером 10.

Тепловой барьер 10, как правило, состоит из металлического подслоя, защитного слоя и теплоизолирующего слоя. Металлический подслой покрывает подложку из металлического суперсплава. В свою очередь металлический подслой покрыт защитным слоем, образовавшимся в результате окисления металлического подслоя. Защитный слой обеспечивает защиту подложки из суперсплава от коррозии и/или окисления. Теплоизолирующий слой покрывает защитный слой. Теплоизолирующий слой может быть выполнен из керамики, например, из содержащего иттрий двуоксида циркония.

Металлическим подслоем обеспечивается связь между поверхностью подложки из суперсплава и защитным слоем; иногда металлический подслой называют «подслоем сцепления» («соединительным слоем»).

Подслой может быть получен на основе простого алюминида никеля ß-NiAl или модифицированного платиной алюминида никеля ß-NiAlPt. Средняя массовая доля алюминия (от 0,35 до 0,45) в подслое оказывается достаточной для образования только защитного слоя из оксида алюминия (Al₂O₃), обеспечивающего защиту подложки из суперсплава от окисления и коррозии.

Однако в случае воздействия высоких температур на деталь разница в содержаниях никеля, главным образом, алюминия, в подложке из суперсплава и в металлическом подслое вызывает диффузию разных элементов, в частности, никеля из подложки в металлический подслой и алюминия из металлического подслоя в суперсплав. Такое явление называется «взаимной диффузией».

Взаимная диффузия может привести к образованию первичной и вторичной зон реакции (SRZ : Secondary Reaction Zone) на участке подложки, контактирующим с подслоем.

На фиг. 2 приведена микрофотография покрывающего подложку 2 подслоя 3 в сечении. Микрофотография выполнена до момента, когда деталь была подвержена серии циклов термической обработки, позволивших имитировать температурные условия во время работы детали 1. Подложка 2 имеет высокое содержание рения, т. е. средняя массовая доля рения превышает 0,04. Как известно, рений применяется в составе суперсплавов для повышения сопротивления ползучести деталей из суперсплава. Также известно применение суперсплавов с низкой средней массовой долей хрома, т. е. менее 0,08, для повышения стойкости конструкции к окислению и коррозии в том случае, когда подложка имеет высокое содержание рения. Обычно подложка 2 содержит фазу y-y’Ni. Подслой 3 представляет собой тип ß-NiAlPt. Подложка содержит первичную зону 5 взаимной диффузии на участке подложки 2, непосредственно покрытом подслоем 3. Также подложка 2 имеет вторичную зону 6 взаимной диффузии, непосредственно перекрытую первичной зоной 5 взаимной диффузии. Толщина изображённой на фиг. 2 вторичной зоны взаимной диффузии составляет приблизительно 35 мкм, как правило, от 20 до 50 мкм.

На фиг. 3 приведена микрофотография сечения по подслою 3, покрывающему подложку 2. На ней показаны подслой 3 и подложка 2 после того, как их подвергли упомянутой выше серии циклов термической обработки. Подслой 3 покрывает подложку 2. Последняя имеет первичную зону 5 взаимной диффузии и вторичную зону 6 взаимной диффузии. Локально толщина вторичной зоны взаимной диффузии может превышать 100 мкм и достигать 150 мкм, как это показано на фиг. 3 сегментом белого цвета.

Сочетание суперсплава с содержанием рения и низким содержанием хрома с подслоем типа ß-NiAlPt приводит к образованию вторичных зон реакции. Образование вторичных зон реакции приводит к резкому снижению механических свойств (ползучести, усталости) суперсплава, вызывая появление трещин 8 и/или повышенных механических напряжений в подложке 2 при использовании детали 1 в условиях повышенных температур, составляющих, например, более 1000°С. Следовательно явления взаимной диффузии между подложкой из суперсплава и подслоем могут сопровождаться неблагоприятными последствиями для срока службы детали из суперсплава.

Краткое раскрытие изобретения

Целью изобретения является предложить решение по эффективной защите турбинной детали из суперсплава от окисления и коррозии при одновременном увеличении её срока службы по сравнению с известными деталями.

В рамках настоящего изобретения указанная цель достигается посредством турбинной детали, содержащей подложку из монокристаллического суперсплава на основе никеля, содержащего рений, фазу y-y’ Ni и среднюю массовую долю хрома в количестве менее 0,08, и покрывающий подложку подслой из металлического суперсплава на основе никеля, отличающейся тем, что подслой из металлического суперсплава на основе никеля содержит, по меньшей мере, алюминий, никель, хром, кремний, гафний и фазу y’-Ni₃Al в преобладающем объёме.

Поскольку металлический подслой имеет аллотропическую структуру, близкую к структуре подложки, то образование вторичных зон реакции предотвращается и/или ограничивается. Таким образом, образование трещин в подложке детали в условиях воздействия высоких температур, составляющих, например, свыше 1000 ⁰С, а также отслоение защитного слоя из оксида алюминия ограничены или предотвращены.

Кроме того, поскольку металлический подслой содержит алюминий при преобладающей массе фазы y’-Ni₃Al, то металлический подслой может быть окислен для образования защитного алюминиевого слоя в течение более длительного времени в рабочем режиме по сравнению с применением известных металлических подслоёв.

Кроме того, деталь турбины может иметь следующие признаки:

- подслой также содержит фазу y-Ni,

- средняя массовая доля рения в субстрате превышает 0,04,

- средняя массовая доля платины в подслое составляет от 0 до 0,05,

- средняя массовая доля алюминия в подслое составляет от 0,06 до 0,25,

- средняя массовая доля хрома в подслое составляет от 0,07 до 0,20,

- средняя массовая доля гафния в подслое составляет менее 5%,

- средняя массовая доля кремния в подслое составляет менее 5%,

- дополнительно подслой содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из кобальта, молибдена, вольфрама, титана и тантала,

- защитный слой из оксида алюминия покрывает подслой,

- керамический теплоизолирующий слой покрывает защитный слой,

- толщина подслоя составляет от 5 до 50 мкм.

Также изобретение относится к способу изготовления детали турбины, включающему в себя этап нанесения в вакууме подслоя из суперсплава на основе никеля с содержанием фазы y’-Ni₃Al в преобладающем объёме и, при необходимости, фазы y-Ni, на подложку из суперсплава на основе никеля с содержанием рения и фазы y-y’Ni.

Покрытие может наноситься методом, выбранным из физического осаждения из паровой фазы, термического напыления (например, посредством системы высокоскоростного газопламенного напыления (High Velocity Oxy-Fuel (HVOF)), джоулева испарения, импульсной лазерной абляции и катодного напыления.

Подслой может наноситься путём совместного напыления и/или совместного испарения мишеней из разных металлических материалов.

Описание чертежей

Другие признаки и преимущества изобретения приведены в его последующем описании, служащим исключительно для пояснения и не являющимся ограничительным, со ссылками на приложенные фигуры, на которых изображено:

фиг. 1 – схематическое изображение в сечении детали турбины, например, турбинной лопатки или направляющей лопатки сопла;

фиг. 2 - микрофотография сечения покрывающего подложку подслоя;

фиг. 3 – микрофотография сечения покрывающего подложку подслоя 3;

фиг. 4 – схематическое изображение сечения теплового барьера, покрывающего подложку турбинной детали согласно варианту выполнения изобретения.

Определение понятий

Термином «суперсплав» обозначен сложный сплав, характеризующийся при высокой температуре и большом давлении очень хорошей стойкостью к окислению, коррозии, ползучести и циклическим напряжениям (в частности, механическим или тепловым). Суперсплавы находят особое применение в производстве деталей в самолётостроении, например, турбинных лопаток, так как они образуют группу высокопрочных сплавов, способных применяться при температурах, относительно близких к их точке плавления (как правило, при коэффициенте от 0,7 до 0,8 от их точки плавления).

Суперсплав может обладать двухфазной микроструктурой, содержащей первую фазу (называемую «фазой y»), образующую матрицу, и вторую фазу (называемую «фазой y’»), образующую упрочняющие дисперсные выделения в матрице.

«Основа» суперсплава означает основной металлический компонент матрицы. В большинстве случаев суперсплавы содержат основу из железа, кобальта или никеля, но также иногда из титана или алюминия.

Суперсплавы на основе никеля обладают тем преимуществом, что они создают компромисс между стойкостью к окислению и прочностью на разрыв при высокой температуре и весе, что предопределяет их применение в наиболее горячих деталях турбореактивных двигателей.

Суперсплавы на основе никеля образованы фазой у (или матрицей) аустенитного кубического гранецентрированного типа y-Ni, содержащей при необходимости добавки в виде твёрдого раствора α для замещения (Co, Cr, W, Mo) и фазу y’ (или дисперсные выделения) типа y’-Ni₃X. где: X означает Al, Ti или Та. Фаза y’ обладает упорядоченной структурой L_12, производной от кубической гранецентрированной структуры и когерентной с матрицей, т. е. обладает элементарной атомной ячейкой, очень близкой к матрице.

Благодаря своей упорядоченности фаза y’ имеет замечательное свойство обладать механической прочностью, увеличивающейся с ростом температуры до около 800⁰ С. Очень тесная связь между фазами y и y’ придаёт суперсплавам на основе никеля очень высокую механическую прочность в горячем состоянии, которая в свою очередь зависит от соотношения y/y’ и размера упрочняющих дисперсных выделений.

Согласно совокупности вариантов выполнения изобретения суперсплав имеет высокое содержание рения, т. е. средняя массовая доля рения в суперсплаве превышает 0,04, что позволяет увеличить сопротивление к ползучести деталей из такого суперсплава по сравнению с деталями из суперсплава без содержания рения. В совокупности вариантов выполнения изобретения суперсплав имеет низкое содержание хрома, т. е. средняя массовая доля хрома составляет менее 0,08, предпочтительно менее 0,05, для того, чтобы увеличить стойкость структуры к окислению при содержании рения в суперсплаве.

Таким образом суперсплавы на основе никеля обладают, как правило, большой механической прочностью при температуре вплоть до 700°С, которая резко снижается при температуре свыше 800°С.

Выражение «массовая доля» означает соотношение между массой элемента или группы элементов и общей массой.

Подробное описание изобретения

На фиг. 4 схематически показано сечение теплового барьера 10, покрывающего подложку 2 детали 1 турбины согласно варианту выполнения изобретения.

Показанные на фиг. 4 элементы могут быть отдельными типичными элементами турбинной лопатки 6 изображённой на фиг. 1, направляющей лопатки сопла или любого другого элемента, части или детали турбины.

Подложка 2 выполнена из суперсплава на основе никеля. Средняя массовая доля рения в подложке 2 превышает 0,04 и составляет преимущественно от 0,045 до 0,055. Предпочтительно средняя массовая доля хрома в подложке является низкой, т.е. составляет менее 0,08, предпочтительно менее 0,05.

Тепловой барьер 10 содержит металлический подслой 3, защитный слой 4 и теплоизолирующий слой 9.

Подложка 2 покрыта металлическим подслоем 3. Металлический подслой 3 покрыт защитным слоем 4. Защитный слой 4 покрыт теплоизолирующим слоем 9.

Нанесение металлического подслоя 3 с близкой к структуре подложки 2 аллотропической структурой позволяет предотвратить образование вторичных зон реакции. В частности, нанесённый подслой 3 содержит фазу у и фазу y’, подобно подложке.

Подслой 3 имеет алюминообразующий состав, придающий детали стойкость к окислению и коррозии. В частности, преобладающая часть объема подслоя 3 имеет фазу y’-Ni₃Al. Предпочтительно подслой 3 содержит также фазу y-Ni. Таким образом, подслой 3 имеет близкую к структуре подложки 2 структуру, и в то же время содержит запас алюминия, обеспечивающий образование защитного слоя 4 из оксида алюминия путём окисления в течение более длительного времени по сравнению с подслоем, представленным y-Ni преобладающей фазой, в которой содержится меньшая массовая доля алюминия. Предпочтительно средняя массовая доля алюминия в подслое 3 составляет от 0,06 до 0,25, более предпочтительно от 0,06 до 0,12.

В таблице 1 ниже приведены примеры на составы подслоя 3 из суперсплава на основе никеля. Разные составы обозначены буквами А, В и С. Массовые доли содержащего у-фазу подслоя 3 в процентах и объёмная доля содержащего y’-фазу подслоя 3 описаны для подслоя 3, подвергнутого термообработке при 1000°С^.

Таблица 1

	Ni	Co	Mo	Cr	W	Al	Ti	Ta	Pt	Hf	Si	% г	% г′
A	Основа			9-17		6-12			0-5	0-5	0-5
B	Основа			12		9.5			0	1.7	0.6	15	85
C	Основа			16		7.8			0	1.7	1.5	40	60

Состав А соответствует подслою 3 типа NiCrAlHfSiPt и содержит преобладающую фазу y’-Ni₃Al и фазу y-Ni.

Состав В соответствует подслою 3 типа NiCrAlHfSi и содержит преобладающую фазу y’-Ni₃Al и предпочтительно фазу y-Ni. Для подслоя 3 после термической обработки при 1100°С массовая доля подслоя 3 с у-фазой составляет 40% по массе, а массовая доля подслоя 3 с y’-фазой составляет 60% по массе. Состав С соответствует подслою 3 типа NiCrAlHfSi и содержит преобладающую фазу y’-Ni₃Al и фазу y-Ni.

Как правило, подслой 3 содержит преимущественно среднюю массовую долю платины в размере менее 0,02 и/или среднюю массовую долю хрома в размере от 0,07 до 0,17. Следовательно стойкость детали к окислению возросла.

Подслой 3 может быть нанесён в вакууме, например, из паровой фазы (способ физического осаждения паров (Physical Vapor Deposition, PVD). Могут применяться разные методы физического осаждения паров для нанесения подслоя 3, такие, как катодное напыление, джоулева испарение, лазерная абляция и физическое осаждение из паровой фазы с применением пучка электронов. Также подслой 3 может быть нанесён термическим напылением.

Таким образом подслой 3 может наноситься на подложку 2 без применения метода образования подслоя путём диффузии химических элементов в подложку 2, таких, как платина. Эти методы нанесения покрытия позволяют также упростить образование подслоя 3 на подложке 2 и повысить контроль за химическим составом подслоя 3. Также они позволяют наносить, в противоположность известным методам, подслой 3 с содержанием фазы y’-Ni₃Al в преобладающем объёме и при необходимости фазы y-Ni.

Несколько мишеней из разных металлических материалов могут использоваться параллельно и одновременно в процессе нанесения подслоя 3. Этот тип покрытия может быть получен совместным испарением или совместным напылением, при этом скорость соответственно испарения или напыления, применяемая для каждой мишени при осаждении подслоя 3, определяет стехиометрию данного слоя.

1. Деталь (1) турбины, содержащая подложку (2) из монокристаллического суперсплава на основе никеля, содержащего рений, имеющего фазу y-y’ Ni и среднюю массовую долю хрома менее 0,08, подслой (3) из металлического суперсплава на основе никеля, покрывающий подложку (2), отличающаяся тем, что подслой (3) из металлического суперсплава содержит, по меньшей мере, алюминий, никель, хром, кремний, гафний и имеет фазу y’-Ni₃Al в преобладающем объёме.

2. Деталь по п. 1, в которой подслой (3) содержит также фазу y-Ni.

3. Деталь по п. 1 или 2, в которой средняя массовая доля рения в подложке (2) превышает 0,04.

4. Деталь по любому из пп. 1-3, в которой средняя массовая доля платины в подслое (3) составляет менее 0,05.

5. Деталь по любому из пп. 1-4, в которой средняя массовая доля алюминия в подслое (3) составляет от 0,06 до 0,25.

6. Деталь по любому из пп. 1-5, в которой средняя массовая доля хрома в подслое (3) составляет от 0,07 до 0,20.

7. Деталь по любому из пп. 1-6, в которой средняя массовая доля гафния в подслое (3) составляет менее 5%.

8. Деталь по любому из пп. 1-7, в которой средняя массовая доля кремния в подслое (3) составляет менее 5%.

9. Деталь по любому из пп. 1-8, в которой подслой (3) дополнительно содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из кобальта, молибдена, вольфрама, титана, тантала.

10. Деталь по любому из пп. 1-9, содержащая защитный слой (4) из оксида алюминия, покрывающий подслой (3).

11. Деталь по п. 10, содержащая керамический теплоизолирующий слой (9), покрывающий защитный слой (4).

12. Деталь по любому из пп. 1-11, в которой толщина подслоя (3) составляет от 5 до 50 мкм.

13. Способ изготовления детали (1) турбины, включающий этап нанесения в вакууме подслоя (3) из суперсплава на основе никеля, имеющего фазу y’-Ni₃Al в преобладающем объёме, и при необходимости фазу y-Ni, на подложку (2) из суперсплава на основе никеля, содержащего рений, и имеющего фазу у-y’Ni.

14. Способ по п. 13, в котором покрытие наносится методом, выбранным из физического покрытия из паровой фазы, термического распыления, джоулева испарения, импульсной лазерной абляции и катодного напыления.

15. Способ по п. 13 или 14, в котором подслой (3) наносится при одновременном распылении и/или одновременном испарении мишеней из разных металлических материалов.