專利名稱：鎳鈷基合金和結(jié)合涂層及并入該結(jié)合涂層的結(jié)合涂覆制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文中公開的主題涉及適合在高溫環(huán)境中使用的金屬合金組合物，并且更特別地，涉及適合在高溫環(huán)境中用作制品或結(jié)合涂層材料以提供保護(hù)而免受氧化和熱腐蝕的金屬合金組合物。
背景技術(shù)：
在諸如渦輪發(fā)動機(jī)的惡劣環(huán)境中，金屬覆蓋覆層和擴(kuò)散覆層充當(dāng)用于熱障覆層(TBC)的結(jié)合覆層(即，MCrAlY和/或鋁化物)。覆層保護(hù)下方的金屬合金基底免受熱以及熱氣體的腐蝕且氧化的環(huán)境。TBC提供在熱燃燒氣體與金屬合金基底之間的熱減少屏障，并且可防止、緩和或者減小潛熱、腐蝕和/或氧化引起的對基底的破壞。MCrAlY合金為高溫覆層族，其中，M從鐵、鎳和鈷中的一個或它們的組合選擇；Cr為鉻；A1為招；并且Y為釔。有時，諸如鑭(La)或鈧(Sc)的其他的稀土元素代替Y。這些MCrAH覆層通常具有合金微觀結(jié)構(gòu)中的Y相和β相。諸如S1、Hf、Pd和Pt的各種合金元素添加于Y / β MCrAlY合金，以提高抗氧化性和/或抗熱腐蝕性，但這可導(dǎo)致結(jié)合涂層材料的應(yīng)變?nèi)菹薜臏p小，并且可造成在 其中使用它們的覆層系統(tǒng)(特別是包括TBC的覆層系統(tǒng))的剝落壽命的縮短。存在基于Y相和Y ’相合金微觀結(jié)構(gòu)的另一類覆蓋MCrAH覆層。Y和Y ’ MCrAlY覆層的優(yōu)點在于，它們具有與下方的渦輪制品的超級合金的較小熱膨脹失配，并且Y’加強(qiáng)材料，從而造成對熱疲勞的相對高的抵抗性。因為熱疲勞是在升高的溫度下操作的渦輪葉片的退化的主要模式，所以這些結(jié)合覆層中的抗高熱疲勞性是非常合乎需要的。雖然這些覆層是合乎需要的，但是它們大體具有操作使用期限，其由覆層保持(或避免損耗)諸如鋁和鉻的元素的能力確定，該元素對保持保護(hù)氧化物而言是必需的，并且防止TBC覆層和并入它們的保護(hù)覆層系統(tǒng)的剝落。因此，存在提供結(jié)合涂層材料的需要，該結(jié)合涂層材料提高在其中使用它們的保護(hù)覆層系統(tǒng)(特別是使用TBC的保護(hù)覆層系統(tǒng))的抗剝落性。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個方面，在示例性實施例中，公開一種抗高溫氧化和抗熱腐蝕的MCrAlX合金。按合金的重量計，合金包括:包括至少大約30%的量的鎳的Μ,和包括從大約0.005%到大約0.19%的釔的X。根據(jù)另一個示例性實施例，公開一種涂覆制品。制品包括具有表面的基底。制品還包括布置在表面上的結(jié)合涂層，結(jié)合涂層包括抗高溫氧化和抗熱腐蝕的MCrAlX合金，其中，按合金的重量計，M包括至少大約30%的鎳，并且X包括大約0.005%到大約0.19%的釔。這些和其他的優(yōu)點和特征從結(jié)合附圖進(jìn)行的下列描述將變得更加顯而易見。


被認(rèn)為是本發(fā)明的主題被特別地指出，并且在說明書的結(jié)尾處的權(quán)利要求中被清楚地要求權(quán)利。本發(fā)明的前述和其他的特征和優(yōu)點從結(jié)合附圖進(jìn)行的下列詳細(xì)描述是顯而易見的，在該附圖中:
圖1是本文中公開的制品的示例性實施例的示意截面 圖2是本文中公開的呈渦輪葉片的形式的基底和結(jié)合覆層的示例性實施例的表面區(qū)域的截面 圖3是本文中公開的呈渦輪葉片的形式的基底和結(jié)合覆層的第二示例性實施例；
圖4是本文中公開的呈渦輪葉片的形式的基底和結(jié)合覆層的第三示例性實施例；
圖5是本文中公開的呈渦輪葉片的形式的基底和結(jié)合覆層的第四示例性實施例；
圖6是本文中公開的呈渦輪葉片的形式的基底和結(jié)合覆層的第五示例性實施例；
圖7是本文中公開的呈渦輪葉片的形式的基底和結(jié)合覆層的第六示例性實施例；
圖8是在周期小時 內(nèi)測量的熔爐周期測試(FCT)壽命的圖，本文中公開的結(jié)合涂層合金的示例性實施例以及兩種可比較的結(jié)合涂層合金在該周期小時內(nèi)以2000 T /20小時停留時間剝落；
圖9是在周期小時內(nèi)測量的FCT壽命的圖，本文中公開的結(jié)合涂層合金的示例性實施例以及兩種可比較的結(jié)合涂層合金在該周期小時內(nèi)以2000 T /45分鐘停留時間剝落；以及圖10是用于本文中公開的結(jié)合涂層合金的示例性實施例以及兩種可比較的結(jié)合涂層合金的、測量為在裂紋開裂時的應(yīng)變的百分比的應(yīng)變?nèi)菹薜膱D。詳細(xì)描述參考附圖借助于實例說明本發(fā)明的實施例以及優(yōu)點和特征。部件列表
I一潤輪發(fā)動機(jī) 10—構(gòu)件
18—氣體流動路徑 30 一表面 50—渦輪葉片 52—噴嘴 54—護(hù)罩 58—燃燒器 60—燃料噴嘴 IOO-MCrAlY 合金 110—結(jié)合涂層 120 一基底 130—保護(hù)系統(tǒng) 140—TBC 層 150—鋁化物層 160—結(jié)合涂層。
具體實施例方式參考附圖，如在本文中描述的，公開Y-Y’MCrAlX合金100，其適合用作結(jié)合涂層110材料，并且與現(xiàn)有比較γ-β結(jié)合涂層材料相比，提供操作溫度能力的大于50 T的改進(jìn)。更特別地，MCrAlX合金100包括NiCoCrAH合金100。該材料可用作金屬覆蓋結(jié)合覆層，其保護(hù)下方的金屬超級合金基底免受通過氧化和熱腐蝕的退化。NiCoCrAH合金100的結(jié)合涂層110材料的組合物與某些Ni基超級合金基底組合物相似。在不受理論限制的情況下，NiCoCrAH合金100的結(jié)合涂層110材料的組合物與超級合金基底組合物的相似性減小某些覆層或基底合金組分的合成梯度，由此還減小可趨向于損耗某些基本組分(諸如例如，鋁和鉻)的覆層或基底的擴(kuò)散過程的可能，該某些基本組分提供與氧化保護(hù)和熱腐蝕保護(hù)相關(guān)的表面氧化物；或者特別是通過減少基底/覆層分界面處的相互擴(kuò)散而減少不促進(jìn)氧化保護(hù)或熱腐蝕保護(hù)的組分的富集。在減小化學(xué)組分梯度的情況下，結(jié)合覆層/基底合金可維持它們的初始組合物達(dá)延長的時間；結(jié)合涂層110材料中的諸如Al，Cr的基本元素的損耗以及不在初始結(jié)合涂層中的元素的富集變得更加平緩。例如，如在本文中描述的，結(jié)合涂層100材料可在高操作溫度下維持薄的、連續(xù)的、保護(hù)的氧化鋁結(jié)瘤達(dá)較長的時間間隔，這進(jìn)而促進(jìn)緊鄰結(jié)合涂層110材料的熱障覆層(TBC)的延長剝落使用期限。NiCoCrA；LY合金100是大致無娃的，由此防止脆弱TixSiy金屬間相的可能形成,該可能形成可縮短布置在包括硅的結(jié)合涂層材料上的TBC覆層的剝落使用期限，特別是在基底合金包括鈦時，該基底合金諸如GTD111，其具有如下公稱成分:按合金的重量百分比計的14%的鉻、9.5%的鈷、3.8%的鎢、1.5%的鑰、4.9%的鈦、3.0%的鋁、0.1%的碳、0.01%硼、2.8%的鉭以及余量的鎳和附帶的雜質(zhì)，或Rene N4，其具有如下公稱成分:按合金的重量百分比計的
7.5%的鈷、9.75%的鉻、4.20%的鋁、3.5%的鈦、1.5%的鑰、4.8%的鉭、6.0%的鎢、0.5%的鈳(鈮)、0.05%的碳、0.15%的鉿、0.004%的硼以及余量的鎳和附帶的雜質(zhì)。在某些實施例中，本文中描述的NiCoCrAH合金100可包括高達(dá)1.25%的鍺，特別是高溫延性。本文中描述的NiCoCrAH合金100可使用在各種渦輪發(fā)動機(jī)應(yīng)用中，以使較高發(fā)動機(jī)操作溫度、提高的操作效率和/或較長檢查時間間隔成為可能。參考圖1-10，在本文中公開抗高溫氧化和熱腐蝕的MCrAlX合金100。MCrAlX合金100可用于任何期望的 應(yīng)用，但是特別地適合于用作用于各種高溫制品(特別是渦輪發(fā)動機(jī)I的各種構(gòu)件10)的結(jié)合涂層110材料，并且甚至更特別地，適合于用作用于工業(yè)燃?xì)鉁u輪的各種構(gòu)件10的結(jié)合涂層110材料，該工業(yè)燃?xì)鉁u輪的各種構(gòu)件10包括熱氣體流動路徑18和暴露于流過熱氣體流動路徑18的高溫燃燒氣體的表面30。這些結(jié)合涂層110材料特別良好地適合于與各種渦輪葉片(或渦輪動葉)50 一起使用，但是也良好地適合于與其他構(gòu)件一起使用，該其他構(gòu)件包括:靜葉(或渦輪噴嘴)52、護(hù)罩54、燃燒器58、燃料噴嘴60等，并且包括子構(gòu)件和這些構(gòu)件的子組件。MCrAlX合金100可在提到的應(yīng)用中的任何一個中作為覆蓋結(jié)合涂層100或結(jié)合覆層施加于任何適合的基底120，特別是各種超級合金基底120，其包括Co基超級合金基底、Ni基超級合金基底或Fe基超級合金基底，或它們的組合。在示例性實施例中，如圖1所示,本文中公開的MCrAlX合金100可例如用作燃?xì)廨啓C(jī)葉片50的翼型區(qū)段或葉片尖端的壓力表面或吸入表面上的結(jié)合涂層110。在示例性實施例中，如在圖2中更詳細(xì)地示出的，諸如渦輪葉片50的構(gòu)件10的表面30由作為金屬保護(hù)涂覆層的結(jié)合涂層110材料保護(hù)，圖2描繪穿過諸如渦輪葉片50的構(gòu)件10的表面30的放大截面。表面30可包括構(gòu)件10的任何部分，在構(gòu)件10上，期望提供結(jié)合涂層110材料以保護(hù)基底120免受氧化或熱腐蝕，或它們二者，構(gòu)件10包括表面30以及其他表面，表面30包括熱氣體流動路徑18，并且直接暴露于流過該路徑的熱燃燒氣體，該其他表面包括未直接暴露于熱燃燒氣體但是可暴露于由這些氣體引起的高溫的表面。在一個示例性實施例中，表面30可包括渦輪葉片50的翼型區(qū)段或葉片尖端的表面。如圖8所示，結(jié)合涂層110可獨自用于保護(hù)表面30，或者可結(jié)合其他高溫材料(包括其他高溫覆層材料)使用，以提供本文中描述的涂覆層的保護(hù)系統(tǒng)130，其中，在這種系統(tǒng)中，結(jié)合涂層110可例如用作底層或內(nèi)層或外層，或它們的組合。如在上面描述的，結(jié)合涂層110可并入到各種高溫制品(特別是渦輪發(fā)動機(jī)I的各種構(gòu)件10)中，并且可并入到還未利用在新形成的制品所意圖用于的應(yīng)用中的新形成的制品中，但是也可并入到制品中，該制品在使用中用作用于其的替代結(jié)合涂層或修復(fù)結(jié)合涂層或它們的組合。保護(hù)系統(tǒng)130可包括結(jié)合涂層110，結(jié)合涂層110作為底層為涂覆層的組合的部分，該涂覆層的組合還包括一個或更多個熱障涂覆層(TBC) 140，或一個或更多個鋁化物涂覆層150，或一個或更多個其他結(jié)合涂層，或它們的組合。在示例性實施例中，如圖2所示，保護(hù)系統(tǒng)130可包括作為用于至少一個TBC層140的抗氧化和抗熱腐蝕底層的結(jié)合涂層110，其中，結(jié)合涂層110布置在諸如超級合金基底的基底120的表面30上，并且至少一個TBC層140布置在結(jié)合涂層110上，并且可遭受暴露于熱燃燒氣體。在另一個示例性實施例中，如圖3所示，保護(hù)系統(tǒng)130可包括用作用于至少一個鋁化物層150的抗氧化和抗熱腐蝕底層的結(jié)合涂層110，其中，結(jié)合涂層110布置在諸如超級合金基底的基底120的表面30上，并且至少一個鋁化物層150布置在結(jié)合涂層110上，并且可遭受暴露于熱燃燒氣體。在又一個示例性實施例中，如圖4所示，保護(hù)系統(tǒng)130可包括用作用于鋁化物層150和TBC層140的抗氧化和抗熱腐蝕底層的結(jié)合涂層110，其中，結(jié)合涂層110布置在超級合金基底120的表面30上，至少一個鋁化物層150布置在結(jié)合涂層110上，并且至少一個TBC層140布置在鋁化物層150上，并且可遭受暴露于熱燃燒氣體。在另外的示例性實施例中，如圖5所示，保護(hù)系統(tǒng)130可包括用作用于TBC層140和鋁化物層150的抗氧化和抗熱腐蝕底層的結(jié)合涂層110，其中，結(jié)合涂層110布置在超級合金基底120的表面30上，至少一個TBC層140布置在結(jié)合涂層110上，并且至少一個鋁化物層150布置在TBC層140上，并且可遭受暴露于熱燃燒氣體。保護(hù)系統(tǒng)130還可包括作為為涂覆層的組合的部分的內(nèi)層的結(jié)合涂層110，該涂覆層的組合還包括一個或更多個熱障涂覆層(TBC) 140，或一個或更多個鋁化物層150，或它們的組合。例如，在示例性實施例中，圖2-5的保護(hù)系統(tǒng)130可任選地包括在基底與結(jié)合涂層110之間布置在基底120上的至少一個鋁化物層150或另一個結(jié)合涂層160。另外，結(jié)合涂層110、鋁化物層150和TBC層140的配置如在圖2_5中在上面描述的。
在又一個示例性實施例中，如圖6所示，保護(hù)系統(tǒng)130可包括作為為涂覆層的組合的部分的外層的結(jié)合涂層110，該涂覆層的組合還包括一個或更多個熱障涂覆層(TBC) 140，或一個或更多個鋁化物層150，或它們的組合。與一個或更多個TBC層140或一個或更多個鋁化物層150，或另一個結(jié)合涂層，或它們的組合結(jié)合的作為外層的一個或更多個結(jié)合涂層110的其他組合也是可能的。在另外的示例性實施例中，如圖7所示，保護(hù)系統(tǒng)130可僅包括未與其他涂覆層組合的作為外層的結(jié)合涂層110。以上描述的保護(hù)系統(tǒng)130 (包括僅包括結(jié)合涂層110的保護(hù)系統(tǒng))包括至少一個結(jié)合涂層110。結(jié)合涂層110包括鎳基超級合金結(jié)合涂層材料，并且更特別地，包括鎳鈷基超級合金結(jié)合涂層材料。鎳鈷基超級合金結(jié)合涂層材料包括MCrAlX合金100，其中，按合金的重量計，M包括至少大約30.0%的量的鎳，并且X包括從大約0.005%到大約0.19%的釔。與用于渦輪發(fā)動機(jī)應(yīng)用的現(xiàn)有MCrAH結(jié)合涂層合金相比，公開的MCrAlX合金100大體使用減少的量的釔，該現(xiàn)有MCrAH結(jié)合涂層合金諸如例如常規(guī)的Y - β MCrAlY (NiCrAlY)結(jié)合涂層，其具有按合金的重量計的22%的鉻、10%的鋁、1%的釔以及余量的鎳和附帶的雜質(zhì)的公稱成分，其中，硫可為附帶的雜質(zhì)，并且被控制到百萬分之(ppm) 100或更少；或已知為BC52的常規(guī)的Y - Y ’ MCrAlY(NiCoCrAlY)結(jié)合涂層，其具有如下公稱成分:18%的鉻、6.5%的招、10%的鈷、6%的鉭、2%的錸、0.5%的鉿、0.3%的釔、1.0%的硅、0.015%的鋯、0.06%的碳、0.015%的硼以及余量的鎳和附帶的雜質(zhì)。當(dāng)使用在還包括TBC層140的保護(hù)系統(tǒng)130中時，本文中公開的MCrAlX合金100中的減少的量的釔有利地提供用于這些合金的提高的抗氧化性和增強(qiáng)的TBC抗剝落性。與Y_Y’BC52結(jié)合涂層材料相比，本文中公開的MCrAlX合金100是無硅的，以防止在與包括Ti的合金一起使用時的脆弱TixSiy相的形成的可能性并且增大應(yīng)變?nèi)菹?，具有增大的量的Al以提高抗氧化性，并且是無錸的，以提供關(guān)于裂紋開裂的開始(圖10)的提高的應(yīng)變?nèi)菹薏⑶冶苊庠搼?zhàn)略上重要的元素的使用，該戰(zhàn)略上重要的元素由于它的有限供應(yīng)和相關(guān)成本而是戰(zhàn)略性的。本文中公開的MCrAlX合金100還可使用鍺，鍺未存在于現(xiàn)有MCrAH結(jié)合涂層合金(在上面描述的這些MCrAH結(jié)合涂層合金)中。在示例性實施例中，MCrAlX合金100包括鎳基MCrAlX合金，其具有包括Y和Y ’相的微觀結(jié)構(gòu)，其中，按合金的重量計，M包括至少大約30%的量的鎳，并且X包括從大約0.005%到大約0.19%的釔。在另一個示例性實施例中，MCrAlX合金100包括鎳鈷基MCrAlX(NiCoCrAlX)合金100，其具有包括Y和Y ’相的微觀結(jié)構(gòu)，其中，按合金的重量計，M包括至少大約30%的量的鎳和大約5.0%到大約15.0%的量的鈷，并且X包括從大約0.005%到大約0.19%的量的乾。MCrAlX合金100還可包括按合金的重量計的高達(dá)大約1.25%的量的鍺。
在一個示例性實施例中,MCrAlX合金100 (按合金的重量計)包括從大約5.0%到大約15.0%的鈷、從大約12.0%到大約28.0%的鉻、從大約6.5%到大約11.0%的鋁、高達(dá)大約1.25%的鍺、從大約4.0%到大約8.0%的鉭、從大約0.005%到大約0.05%的鋯、從大約
0.005%到大約0.8%的鉿、從大約0.005%到大約0.19%的釔以及余量的鎳和附帶的雜質(zhì)。在另一個實施例中，MCrAlX合金100 (按合金的重量計)包括從大約8.5%到大約12.0%的鈷、從大約16.0%到大約21.0%的鉻、從大約6.5%到大約8.5%的鋁、從大約4.5%到大約7%的鉭、從大約0.001%到大約0.1%的鋯、從大約0.1%到大約0.65%的鉿、從大約0.005%到大約0.19%的釔、高達(dá)大約1.25%的鍺以及余量的鎳和附帶的雜質(zhì)。這些MCrAlX合金100具有比本文中描述的現(xiàn)有Y-Y’結(jié)合涂層合金更多的鋁。在不受理論限制的情況下，這可提供附加的鋁，其可避免在氧化環(huán)境中的高溫暴露期間的結(jié)合涂層110材料中的鋁的損耗，并且因此促進(jìn)提高的抗氧化性、抗熱腐蝕性和抗剝落性。本文中描述的MCrAlX合金100的添加物是大致無硅的，并且是大致無錸的(即，除作為附帶的雜質(zhì)之外，大致不包含硅或錸)。如在本文中使用的，大致無硅意味著，即使其中可存在硅(諸如通過作為附帶的雜質(zhì)并入)，按合金的重量計，合金將包括大約0.1%或更少的硅。硅的缺乏避免在結(jié)合涂層/基底分界面中或附近的脆弱TixSiy金屬間相的形成的可能性，特別是在緊鄰MCrAlX合金100的材料包括鈦的情況下。如在本文中使用的，大致無錸意味著，即使其中可存在Re (諸如通過作為附帶的雜質(zhì)并入)，按合金的重量計，合金將包括大約0.1%或更少的錸。避免使用錸增大應(yīng)變?nèi)菹?圖10)，并且避免對該戰(zhàn)略性元素的需要。例如，與包括大約1%的公稱量的釔并且不包括鍺的、在本文中描述的現(xiàn)有結(jié)合涂層合金相比，并入指示量的釔和/或鍺提高M(jìn)CrAlX合金100的抗氧化性和抗熱腐蝕性。例如，這在圖8-10中被示出，圖8-10示出:與使用本文中描述的現(xiàn)有γ-β結(jié)合涂層的同樣構(gòu)造相比，本文中描述的MCrAlX合金100提高保護(hù)系統(tǒng)的抗剝落性，該保護(hù)系統(tǒng)包括作為用于TBC層140的底層施加于超級合金基底120的合金的結(jié)合涂層110。因此，對于給定的操作溫度，包括作為TBC層140下方的結(jié)合涂層110材料的、本文中公開的MCrAlX合金100的保護(hù)系統(tǒng)130的抗剝落性大于包括具有本文中描述的Y - β比較合金的組合物的結(jié)合涂層合金的保護(hù)系統(tǒng)的抵抗性。每個測試組的涂覆有TBC的超級合金試樣經(jīng)歷熔爐循環(huán)測試(FCT)，以評定I)樣本之間的相關(guān)TBC剝落性能，該樣本具有本文中公開的Y - Y ’ MCrAlX合金100覆層系統(tǒng)(組1，2)、本文中公開的Y - Y ’ MCrAlX合金100覆層系統(tǒng)(具有按合金的重量計的大約2%的錸和按重量計的大約1%的重量的硅，以便測試錸和硅的影響)(組2)，以及具有本文中描述的常規(guī)γ-β結(jié)合涂層的比較樣本(組3)。測試在室溫與大約2000 T之間以二十四小時的周期進(jìn)行，并且在低溫(大約250 T )與大約2000 T之間以一小時的周期進(jìn)行。第一停留時間在峰值溫度下為大約20小時(圖8)，第二停留時間在峰值溫度下為大約45分鐘(圖9)。當(dāng)至少10%的TBC剝落時，給定樣本的測試終止。對于20小時的停留測試，在圖8中示出結(jié)果，其中，組I樣本的平均FCT壽命在峰值溫度下為大約1740小時，組2樣本為大約780小時，并且組3樣本為大約740小時。在該測試中，本文中公開的MCrAlX合金100覆層系統(tǒng)證明大約2.35倍的對常規(guī)γ-β結(jié)合涂層的改進(jìn)，并且具有錸和硅的樣本顯示比得上比較合金樣本的性能。對于45分鐘的停留測試，在圖9中示出結(jié)果，其中，組I樣本的平均FCT壽命在峰值溫度下為大約810小時，組2樣本為大約367小時，并且組3樣本為大約397.5小時。在該測試中，本文中公開的MCrAlX合金100覆層系統(tǒng)證明大約2.04倍的對常規(guī)γ-β結(jié)合涂層的改進(jìn)，并且具有錸和硅的樣本(組2)顯示比得上比 較合金樣本的性能。如圖10所示，這些樣本還通過在恒定應(yīng)變率下的室溫單軸拉伸測試來測試，以評定在裂紋開裂之前的它們的應(yīng)變?nèi)菹蕖＝Y(jié)果表明，組I樣本具有比得上組2樣本的平均應(yīng)變的、大約0.45%的在裂紋開裂時的平均應(yīng)變，該組2樣本在圖10中被示出，并且具有大約0.54%的在裂紋開裂時的平均應(yīng)變。組2樣本具有大約
3.3%的在裂紋開裂時的顯著較高的平均應(yīng)變。以上測試證明使用MCrAlX合金100結(jié)合覆層以防止或者至少顯著地延遲裂紋開裂的開始的保護(hù)系統(tǒng)130的能力。從另一個角度，本文中公開的MCrAlX合金100的使用還使描述的保護(hù)系統(tǒng)130 (即，結(jié)合涂層110/TBC涂覆層140)能夠在平均操作溫度下實現(xiàn)大致相同的抗剝落性，該平均操作溫度比包括本文中描述的現(xiàn)有結(jié)合涂層合金和TBC層140的保護(hù)系統(tǒng)的平均操作溫度高至少大約50 Τ。因此，本文中描述的MCrAlX合金100充分地提高抗剝落性，以使在相同操作溫度下的較長操作使用期限成為可能，或者使在減小的冷卻速率下(因此在提高的效率下)的相似操作使用期限成為可能。例如，對于使用TBC層140的保護(hù)系統(tǒng)130的給定剝落壽命而言，使用結(jié)合涂層110材料的本文中公開的保護(hù)系統(tǒng)130可在結(jié)合涂層/TBC分界面溫度下使用，該結(jié)合涂層/TBC分界面溫度比使用本文中公開的比較Y-β結(jié)合涂層合金的相似保護(hù)系統(tǒng)高至少大約50 °F，例如，這提供較高操作溫度能力和提高的操作效率和/或使用它們的渦輪發(fā)動機(jī)的較長檢查時間間隔。在不受理論限制的情況下，本文中規(guī)定的量的釔通過延遲氧化鋁剝落而提高抗氧化性。MCrAlX合金中的較低Y密度減少可導(dǎo)致故障的覆層中的富Y相的分離。描述的量的鋁的使用還可提供附加的鋁，其可避免在氧化環(huán)境中的高溫暴露期間的結(jié)合涂層110材料中的鋁的損耗，并且因此還可促進(jìn)提高的抗氧化性、抗熱腐蝕性和抗剝落性。在另一個示例性實施例中，本文中公開的MCrAlX合金100還可包括(按合金的重量計)高達(dá)大約1.25%(并且更特別地，大約0.001%到大約1.25%)的量的鍺。附帶的雜質(zhì)可包括本文中描述的單獨合金組分的處理所附帶的雜質(zhì)，特別是包括這些組分的鎳基合金(并且更特別地，包括這些組分的鎳鈷基超級合金)所附帶的已知的雜質(zhì)。附帶的雜質(zhì)的實例為硫。硫的量將優(yōu)選地控制到按重量計的8-100ppm的硫。結(jié)合涂層110材料可具有與基底120的組合物不同的組合物，或者可具有相同的組合物。結(jié)合涂層110可具有任何適合的厚度。在示例性實施例中，結(jié)合涂層110材料可具有0.003英寸到大約0.03英寸的厚度。在其他實施例中，厚度可更大。本文中公開的MCrAlX合金100可以以任何適合的形式使用，該任何適合的形式包括作為用于形成本文中公開的類型的整個制品的合金，或者作為結(jié)合涂層110材料。MCrAlXlOO合金可通過任何適合的方法形成，該任何適合·的方法包括各種真空熔煉法和特別是用于各種超級合金(特別是鎳鈷基超級合金)的熔煉法。結(jié)合涂層110材料可通過任何熱噴涂過程施加，該任何熱噴涂過程包括但不受限于高速氧燃料噴涂(HVOF)、高速空氣燃料熱噴涂(HVAF)、真空等離子噴涂(VPS)、空氣等離子噴涂(APS)和冷噴涂方法。此外，結(jié)合涂層110材料可通過各種物理氣相沉積(PVD)過程沉積，該各種物理氣相沉積(PVD)過程包括陰極電弧物理氣相沉積、電子束物理氣相沉積(EBPVD)和粒子電漿沉積(iro)。保護(hù)系統(tǒng)130還可包括相對于結(jié)合涂層110材料布置的鋁化物層150和本文中描述的其他覆層。鋁化物層150可包括任何適合的鋁化物，其包括擴(kuò)散鋁化物，諸如簡單擴(kuò)散鋁化物或復(fù)雜擴(kuò)散鋁化物，諸如鉬鋁化物。鋁化物層150可具有任何適合的厚度，并且在示例性實施例中，可具有從大約0.0005英寸到大約0.0045英寸厚的厚度。保護(hù)系統(tǒng)130還可包括相對于結(jié)合涂層110材料布置的TBC層140和本文中描述的其他覆層?？墒褂萌魏芜m合的TBC層140，其包括密集垂直微裂紋(DVM)陶瓷TBC層140、多孔TBC層140或混合結(jié)構(gòu)。TBC層140可具有任何適合的厚度，并且在示例性實施例中，可具有從大約0.005英寸到大約0.1英寸的厚度。適合的TBC層140的實例包括:例如化學(xué)地結(jié)合于本文中描述的結(jié)合涂層110或鋁化物層150的TBC、耐應(yīng)變柱狀晶粒結(jié)構(gòu)，其可通過利用現(xiàn)有技術(shù)中已知的物理氣相沉積技術(shù)(例如，EBPVD)來沉積TBC層140或者通過利用等離子噴涂技術(shù)以沉積非柱狀TBC層140而獲得。用于TBC層140的適合材料包括:氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)、優(yōu)選組合物，其為按重量計的大約6%到大約8%的氧化釔，任選地具有高達(dá)按重量計的大約20%的鑭系元素的氧化物以減小熱導(dǎo)率。還可使用其他陶瓷材料，諸如氧化釔、不穩(wěn)定氧化鋯或由氧化鎂穩(wěn)定的氧化鋯、氧化釓、氧化鐿、氧化鈣、二氧化鈰、氧化鈧和/或其他氧化物。 本文中的術(shù)語〃 一 〃和〃 一個〃不表示數(shù)量的限制，而是表示提及的物品中的至少一個的存在。結(jié)合數(shù)量使用的修飾語"大約"包括規(guī)定值，并且具有由上下文指示的意思(例如，包括與特別數(shù)量的測量相關(guān)的誤差范圍)。此外，除非另外限制，本文中公開的所有范圍為包含性且可結(jié)合的(例如，“高達(dá)按重量計的大約25%(wt.%)(更特別地，大約5wt.%到大約20wt.%，并且甚至更特別地，大約IOwt.%到大約15wt.%) ”的范圍包括范圍(例如，“大約5wt.%到大約25wt.%、大約5wt.%到大約15wt.%〃等)的端點和所有中間值)。結(jié)合合金組合物的一系列組分的“大約”的使用應(yīng)用于所有列出的組分，并且結(jié)合范圍應(yīng)用于范圍的兩個端點。最后，除非另外限定，本文中使用的技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語具有本發(fā)明所屬的領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的相同意思。本文中使用的后綴“(多個)”意圖包括它修飾的術(shù)語的單數(shù)和復(fù)數(shù)二者，由此包括該術(shù)語中的一個或更多個(例如，金屬(多種)包括一種金屬或更多種金屬)。在整個說明書中參考“一個實施例”、“另一個實施例”、“實施例”等意味著，結(jié)合實施例描述的特別元件(例如，特征、結(jié)構(gòu)和/或特性)包括在本文中描述的至少一個實施例中，并且可或不可存在于其他實施例中。將理解，結(jié)合本文中描述的合金組合物的“包括”的使用明確地公開并且包括:實施例，其中，合金組合物“基本上包括”指定的成分(即，包含指定的成分，并且不包含顯著不利地影響公開的基本且新穎的特征的其他成分)；和實施例，其中，合金組合物“包括”指定的成分(即，僅包含除自然地和不可避免地存在于指定成分中的每一個中的污染物之外的指定成分)。雖然僅結(jié)合有限數(shù)量的實施例詳細(xì)地描述本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)容易理解，本發(fā)明不受限于這種公開的實施例。相反地，本發(fā)明可修改成并入迄今為止未描述但與本發(fā)明的精神和范圍相稱的許多變化、改變、替換或等同配置。另外，雖然已經(jīng)描述本發(fā)明的各種實施例，但是將理解，本發(fā)明的方面可僅包括描述的實施例中的一些。因此，本發(fā)明不被看作是被前述描述限制，而是僅被所附權(quán)利要求的范`圍限制。
權(quán)利要求
1.一種抗高溫氧化和抗熱腐蝕的MCrAlX合金，其中，按所述合金的重量計，M包括至少大約30%的量的鎳，并且X包括從大約0.005%到大約0.19%的釔。
2.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，按所述合金的重量計，X進(jìn)一步包括高達(dá)大約1.25%的鍺。
3.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，按所述合金的重量計，所述合金包括:從大約5.0%到大約15.0%的鈷、從大約12.0%到大約28.0%的鉻、從大約6.5%到大約11.0%的鋁、從大約4.0%到大約8.0%的鉭、從大約0.005%到大約0.5%的鋯、從大約0.005%到大約0.8%的鉿、從大約0.005%到大約0.19%的釔、高達(dá)大約1.25%的鍺以及余量的鎳和附帶的雜質(zhì)。
4.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，按所述合金的重量計，所述合金包括:從大約8.5%到大約12.0%的鈷、從大約16.0%到大約21.0%的鉻、從大約6.5%到大約8.5%的鋁、從大約4.5%到大約7%的鉭、從大約0.001%到大約0.1%的鋯、從大約0.1%到大約0.65%的鉿、從大約0.005%到大約0.19%的釔、高達(dá)大約1.25%的鍺以及余量的鎳和附帶的雜質(zhì)。
5.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金大致不包括硅或錸。
6.如權(quán)利要求3所述的合金，其特征在于，所述附帶的雜質(zhì)包括硫，并且硫包括所述合金的小于大約lOOppm。
7.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金包括鎳基合金，其包括Y相和Y’相。
8.一種涂覆制品，其包括: 具有表面的基底；以及 布置在所述表面上的結(jié)合涂層，所述結(jié)合涂層包括抗高溫氧化和抗熱腐蝕的MCrAlX合金，其中，按所述合金的重量計，M包括至少大約30%的鎳，并且X包括大約0.005%到大約0.19%的釔。
9.如權(quán)利要求8所述的涂覆制品，其特征在于，按所述合金的重量計，所述合金包括:從大約5.0%到大約15.0%的鈷、從大約12.0%到大約28.0%的鉻、從大約6.5%到大約11.0%的鋁、從大約4.0%到大約8.0%的鉭、從大約0.005%到大約0.5%的鋯、從大約0.05%到大約0.8%的鉿、從大約0.005%到大約0.19%的釔、高達(dá)大約1.25%的鍺以及余量的鎳和附帶的雜質(zhì)。
10.如權(quán)利要求8所述的涂覆制品，其特征在于，按所述合金的重量計，所述合金包括:從大約8.5%到大約12.0%的鈷、從大約16.0%到大約21.0%的鉻、從大約6.5%到大約8.5%的鋁、從大約4.5%到大約7%的鉭、從大約0.001%到大約0.1%的鋯、從大約0.1%到大約0.65%的鉿、從大約0.005%到大約0.19%的釔、高達(dá)大約1.25%的鍺以及余量的鎳和附帶的雜質(zhì)。
11.如權(quán)利要求8所述的涂覆制品，其特征在于，所述合金大致不包括硅或錸。
12.如權(quán)利要求10所述的涂覆制品，其特征在于，所述附帶的雜質(zhì)包括硫，并且硫包括所述合金的小于大約lOOppm。
13.如權(quán)利要求8所述的涂覆制品，其特征在于，進(jìn)一步包括布置在所述結(jié)合涂層上的熱障覆層。
14.如權(quán)利要求8所述的涂覆制品，其特征在于，進(jìn)一步包括布置在遠(yuǎn)離所述基底的所述結(jié)合涂層的表面上或者布置在所述基底與所述結(jié)合涂層之間或者二者的鋁化物覆層。
15.如權(quán)利要求14所述的涂覆制品，其特征在于，所述鋁化物覆層布置在遠(yuǎn)離所述基底的所述結(jié)合涂層的表面上，并且進(jìn)一步包括布置在所述鋁化物覆層上的熱障覆層。
16.如權(quán)利要求8所述的涂覆制品，其特征在于，所述基底包括Fe基超級合金、Ni基超級合金或Co基超級合金，或它們的組合。
17.如權(quán)利要求8所述的涂覆制品，其特征在于，所述基底包括渦輪葉片、靜葉、護(hù)罩、噴嘴、燃燒器或燃料噴嘴，或它們的組合。
18.如權(quán)利要求8所述的涂覆制品，其特征在于，所述結(jié)合涂層包括替代結(jié)合涂層或修復(fù)結(jié)合涂層，或它們的組合。
19.如權(quán)利要求17所述的涂覆制品，其特征在于，所述結(jié)合涂層包括替代結(jié)合涂層或修復(fù)結(jié)合涂層，或它們的組合。
20.如權(quán)利要求8所述的涂覆制品，其特征在于，按所述合金的重量計，X進(jìn)一步包括大約0.001%到大約1.25%的鍺。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鎳鈷基合金和結(jié)合涂層及并入該結(jié)合涂層的結(jié)合涂覆制品。在示例性實施例中，公開抗高溫氧化和抗熱腐蝕的MCrAlX合金，其中，按合金的重量計，M包括至少大約30%的量的鎳，并且X包括從大約0.005%到大約0.19%的釔。在另一個示例性實施例中，公開涂覆制品。制品包括具有表面的基底。制品還包括布置在表面上的結(jié)合涂層，結(jié)合涂層包括抗高溫氧化和抗熱腐蝕的MCrAlX合金，其中，按合金的重量計，M包括至少大約30%的鎳，并且X包括大約0.005%到大約0.19%的釔。
文檔編號F01D5/28GK103160711SQ20121055332
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者K.奧納爾, C.U.哈德維克, J.C.謝菲爾 申請人:通用電氣公司