鎳基超合金及其制品的制作方法

專利名稱：鎳基超合金及其制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)涉及鎳基合金和基于鎳基合金的制品。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在極端環(huán)境中工作，這些環(huán)境使發(fā)動(dòng)機(jī)部件(尤其是渦輪機(jī)區(qū)段 中的那些部件)暴露于高工作溫度和應(yīng)力。具體地講，動(dòng)力渦輪機(jī)動(dòng)葉(bucket)(或葉片 (blade))，可至多或超過(guò)約36英寸長(zhǎng)和至多或超過(guò)約40磅重，需要多種性質(zhì)的平衡，這些 性質(zhì)包括但不限于抗鑄造裂紋性、拉伸強(qiáng)度、延性、抗蠕變性、抗氧化、抗熱腐蝕、低斑點(diǎn)敏 感性、足夠低密度、合理成本和適度大的熱處理窗。因?yàn)槌辖鸪司哂袠O佳的環(huán)境耐性外還有能力在其相應(yīng)熔融溫度的高達(dá)約 75%下保持適當(dāng)?shù)母邚?qiáng)度，所以超合金已用于這些急需的應(yīng)用。具體地講，鎳基超合金已廣 泛在整個(gè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用，例如渦輪機(jī)葉片、噴嘴和罩應(yīng)用。然而，在后級(jí)動(dòng)葉應(yīng)用 中使用的常規(guī)鎳基超合金可能難以鑄造，導(dǎo)致低產(chǎn)率。燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒溫度需求方面的穩(wěn) 定提高在歷史上依賴于這些應(yīng)用中改善的機(jī)械和環(huán)境材料性能。定向凝固已成功用于在鎳基超合金動(dòng)葉應(yīng)用中使蠕變和斷裂特性最佳。在通常與 縱向一致的主應(yīng)力軸方向優(yōu)先取向的晶粒提供柱狀晶粒結(jié)構(gòu)，消除橫向于生長(zhǎng)方向的晶粒 間界。這種取向也在縱向提供有利的彈性模量，這有利于部件的疲勞特性。與常規(guī)鑄造合金制品比較，應(yīng)用定向凝固方法制得在強(qiáng)度、延性和抗熱疲勞性方 面具有顯著改善的制品。然而，因?yàn)榇嬖谥鶢罹Яｉg界，減小的強(qiáng)度和延性性質(zhì)仍可在此制 品的橫向看到。為了改善此類制品的橫向晶粒間界強(qiáng)度，已利用另外的成合金元素，例如 鉿、碳、硼和鋯。然而，加入這些元素和其他元素可導(dǎo)致其他所需性質(zhì)削弱，例如熔點(diǎn)，因此 迄今還需要性質(zhì)平衡的折衷。因此，仍需要表現(xiàn)出用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的更多或基本所有合乎需要性質(zhì)的鎳基 合金，這些性質(zhì)例如抗腐蝕、抗氧化和抗蠕變及高溫強(qiáng)度。更需要如此提供的任何合金包含 不實(shí)質(zhì)有害于所需性質(zhì)的元素，或者以對(duì)所需性質(zhì)的損害最大限度地減小或消除的方式加 工此合金o

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種鎳基合金，所述鎳基合金包含約7. 0 %重量至約12.0%重量鉻、 約0. 1 %重量至約5 %重量鉬、約0. 2 %重量至約4. 5 %重量鈦、約4 %重量至約6 %重量鋁、 約3%重量至約4. 9%重量鈷、約6. 0%重量至約9. 0%重量鎢、約4. 0%重量至約6. 5%重 量鉭、約0. 05%重量至約0. 6%重量鉿、至多約1. 0%重量鈮、至多約0. 02%重量硼和至多 約0. 重量碳，其余為鎳和偶存雜質(zhì)。本發(fā)明還提供一種鎳基合金，所述鎳基合金包含約9.0%重量至約11.0%重量 鉻、約0. 5%重量至約3. 0%重量鉬、約0. 5%重量至約3. 5%重量鈦、約4%重量至約6%重 量鋁、約3. 5%重量至約4. 25%重量鈷、約6. 0%重量至約9. 0%重量鎢、約4. 0%重量至約6.5%重量鉭、約0. 05%重量至約0.5%重量鉿、至多約1. 0%重量鈮、至多約0. 01 %重量硼 和至多約0. 07%重量碳，其余為鎳和偶存雜質(zhì)。本發(fā)明還提供一種鑄造制品，并且在一個(gè)實(shí)施方案中，所述鑄造制品由鎳基合金 制成，所述鎳基合金包含約7. 0 %重量至約12.0%重量鉻、約0. 1 %重量至約5 %重量鉬、約 0. 2%重量至約4. 5%重量鈦、約4%重量至約6%重量鋁、約3%重量至約4. 9%重量鈷、約 6. 0%重量至約9. 0%重量鎢、約4. 0%重量至約6. 5%重量鉭、約0. 05%重量至約0. 6%重 量鉿、至多約1.0%重量鈮、至多約0. 02%重量硼和至多約0. 重量碳，其余為鎳和偶存 雜質(zhì)。所述鑄造制品具有大于約50%的、’分?jǐn)?shù)。本發(fā)明還提供一種由鎳基合金制成的鑄造制品，所述鎳基合金包含約9. 0%重量 至約11. 0%重量鉻、約0. 5%重量至約3. 0%重量鉬、約0. 5%重量至約3. 5%重量鈦、約 4%重量至約6%重量鋁、約3. 5%重量至約4. 25%重量鈷、約6. 0%重量至約9. 0%重量鎢、 約4. 0%重量至約6. 5%重量鉭、約0. 05%重量至約0. 5%重量鉿、至多約1. 0%重量鈮、至 多約0. 01%重量硼和至多約0. 07%重量碳，其余為鎳和偶存雜質(zhì)。所述鑄造制品具有大于 約50%的Y ‘分?jǐn)?shù)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種提供經(jīng)鑄造并熱處理的制品的方法。所述 方法包括提供一種鎳基合金，所述鎳基合金包含約7. 0%重量至約12. 0%重量鉻、約0. 1% 重量至約5%重量鉬、約0. 2%重量至約4. 5%重量鈦、約4%重量至約6%重量鋁、約3%重 量至約4. 9%重量鈷、約6. 0%重量至約9. 0%重量鎢、約4. 0%重量至約6. 5%重量鉭、約 0. 05%重量至約0. 6%重量鉿、至多約1. 0%重量鈮、至多約0. 02%重量硼和至多約0. 1% 重量碳，其余為鎳和偶存雜質(zhì)。使合金熔融并定向凝固，以制造制品，將制品熱處理，以使制 品具有大于約50%的Y丨分?jǐn)?shù)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種提供經(jīng)鑄造并熱處理的制品的方法。所述 方法包括提供一種鎳基合金，所述鎳基合金包含約9. 0%重量至約11. 0%重量鉻、約0. 5% 重量至約3. 0 %重量鉬、約0. 5 %重量至約3. 5 %重量鈦、約4 %重量至約6 %重量鋁、約 3. 5%重量至約4. 25%重量鈷、約6. 0%重量至約9. 0%重量鎢、約4. 0%重量至約6. 5%重 量鉭、約0. 05%重量至約0. 5%重量鉿、至多約1. 0%重量鈮、至多約0. 01%重量硼和至多 約0. 07%重量碳，其余為鎳和偶存雜質(zhì)。使合金熔融并定向凝固，以制造制品，將制品熱處 理，以使制品具有大于約50%的Y丨分?jǐn)?shù)。
具體實(shí)施例方式除非另外定義，本文所用的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)均具有本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員普 遍了解的相同含義。本文所用術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”等不表示任何次序、量或重要性，而是用 于區(qū)分一個(gè)要素與另一個(gè)要素。另外，單數(shù)形式的術(shù)語(yǔ)不表示量的限制，而是表示存在至少 一個(gè)所提到的項(xiàng)目，并且除非另外提到，術(shù)語(yǔ)“前部”、“后部”、“底部”和/或“頂部”只是用 來(lái)為了方便說(shuō)明，不限于任一位置或空間取向。如果公開(kāi)了范圍，則包括涉及相同成分或性 質(zhì)的所有范圍的端點(diǎn)并且可以獨(dú)立組合(例如，“至多約25%重量，或更具體地講，約5%重 量至約20%重量”范圍包含端點(diǎn)和“約5%重量至約25%重量”范圍的所有中間值等)。與 量相關(guān)使用的修飾詞“約”包含所述值在內(nèi)，并且具有由上下文指定的意義(例如，包括與 具體量測(cè)量相關(guān)的誤差程度)。
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本發(fā)明提供一種包括成合金元素的獨(dú)特組合的鎳基超合金，這些成合金元素使合 金特別適用于鑄造和定向凝固，以提供具有改善的機(jī)械性質(zhì)和改善的抗氧化性和抗熱腐蝕 性的組合的制品，例如燃?xì)鉁u輪機(jī)動(dòng)葉。更具體地講，與普通的鎳基超合金比較，由所述超 合金制成的制品可顯示改善的抗鑄造裂紋性和更大的熱處理窗，因此可降低制造成本，并 可提高鑄件產(chǎn)量。另外，與常規(guī)Ni基超合金比較，用本發(fā)明的超合金制造的制品也可顯示 增加的強(qiáng)度、延性和抗蠕變性，因此制品可在較高操作溫度使用，并且/或者具有較長(zhǎng)的使 用壽命，并且/或者在渦輪機(jī)動(dòng)葉的情況下，可以更長(zhǎng)長(zhǎng)度提供，以提供提高的效率。熟知成合金元素通常以本體化學(xué)(bulk chemistry)相關(guān)的方式在合金相之間分 配?？蓪⒑辖鹣嗾J(rèn)為是通過(guò)不同的結(jié)合表面與合金其余部分分離的均勻、物理和化學(xué)上不 同的成分。合金(通常為鎳基超合金)的結(jié)構(gòu)包括被稱為、的主相，其為合金的基體，因 此通常被稱為、基體。合金結(jié)構(gòu)也包括在、基體內(nèi)的主沉淀相(稱為Y ‘沉淀相)和較 少量碳化物、氧化物和硼化物。據(jù)認(rèn)為鎳基超合金的高溫強(qiáng)度除了與Y基體的固溶體強(qiáng)化 有關(guān)外，還與存在的Y ‘沉淀相的量有關(guān)。成合金元素在各相之間分配，并且最重要的是在Y基體和Y ‘沉淀之間分配。了 解元素如何在各相間分配在合金設(shè)計(jì)中是必要的以允許計(jì)算數(shù)種重要合金性質(zhì)，包括、、 Y ‘、碳化物、氧化物和硼化物的化學(xué)組成，作為Y ‘顆粒和作為共晶存在的Y ‘ 的量，、相的穩(wěn)定性，和Y和Y ‘之間的原子晶格不匹配。對(duì)一些超合金的分析顯示，在研發(fā)鎳基超合金中通常使用的那些成合金元素中， 分配到、基體并且作為、固溶體強(qiáng)化元素的元素為鉻(Cr)、鈷(Co)、鉬(Mo)、鎢(W)、錸 (Re)和鐵(Fe)。通常，重(大原子)耐高溫元素是在高溫下最有效的強(qiáng)化劑，如錸、鎢和鉬。 期望達(dá)到固溶體強(qiáng)化而不導(dǎo)致基體結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。不穩(wěn)定性，其可對(duì)合金性質(zhì)具有不利 影響，產(chǎn)生于高溫下不需要的相或沉淀的產(chǎn)生。因此，期望避免此類相或沉淀。在鎳基超合金中認(rèn)識(shí)到的第二個(gè)主要強(qiáng)化機(jī)制是沉淀硬化。沉淀在Y基體內(nèi) 生成，被稱為。是一種有序的面心立方化合物Ni3Al，此化合物與鎳基體共格 (coherent) 0優(yōu)先偏析到y(tǒng) ‘相的元素包括鋁(A1)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈮(Nb)和釩(V)。在一些實(shí)施方案中，與常規(guī)鎳基超合金比較，本發(fā)明的鎳基超合金顯示優(yōu)良的可 鑄性、高溫強(qiáng)度和蠕變性質(zhì)、抗環(huán)氧化性和抗熱腐蝕性。所述超合金也適用于鑄造、定向凝 固和熱處理，以提供例如燃?xì)鉁u輪機(jī)動(dòng)葉的制品，同時(shí)保持超合金的基本性質(zhì)。因此設(shè)計(jì)和本文公開(kāi)的鎳基合金包含鉻、鉬、鈦、鋁、鈷、鎢、鉭、鉿、鈮、硼和碳。這 種鎳基合金不含錸，因此節(jié)省成本。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述鎳基超合金包含約7.0%重 量至約12. 0%重量鉻、約0. 重量至約5%重量鉬、約0. 2%重量至約4. 5%重量鈦、約 4%重量至約6%重量鋁、約3%重量至約4. 9%重量鈷、約6. 0%重量至約9. 0%重量鎢、約 4. 0%重量至約6. 5%重量鉭、約0. 05%重量至約0. 6%重量鉿、至多約1. 0%重量鈮、至多 約0. 02%重量硼和至多約0. 重量碳，其余為鎳和偶存雜質(zhì)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述鎳基合金包含約8. 5%重量至約11. 0%重量鉻、約 0. 5%重量至約3. 0%重量鉬、約0. 5%重量至約3. 5%重量鈦、約4%重量至約6%重量鋁、 約3. 5%重量至約4. 25%重量鈷、約6. 0%重量至約9. 0%重量鎢、約4. 0%重量至約6. 5% 重量鉭、約0. 05%重量至約0. 5%重量鉿、至多約1. 0%重量鈮、至多約0. 01%重量硼和至 多約0. 07%重量碳，其余為鎳和偶存雜質(zhì)。
在一些實(shí)施方案中，期望所述鎳基合金的鉻含量可在約7%重量至約12%重量之 間，或約8. 5%重量至約11%重量。在一些實(shí)施方案中，期望在鉻和鋁之間保持平衡，以使 合金能夠顯示優(yōu)良的抗氧化性和抗熱腐蝕性兩種性質(zhì)。在評(píng)價(jià)本文所述某些合金中產(chǎn)生的 數(shù)據(jù)顯示，約1.5至約2.5的窄Cr A1比率提供所需的性質(zhì)平衡。因此，在本文所述某些 合金中鋁的適合范圍可為約4%重量至約6%重量。期望本文所述某些合金的鈦含量可在約0. 2%重量至約4. 5%重量之間，或約 0.5%重量至約3. 5%重量。期望鈦以前述量存在，以使A1 Ti比率可大于約1或2或3， 或甚至大于約4。鎢為用于高溫強(qiáng)度的可行的成合金元素，并且可分配到Y(jié)相或Y ‘相。鎢可以約 6. 0%重量至約9. 0%重量的量存在于某些所述合金中。鉬在本發(fā)明的某些合金中的作用就象鎢，但具有較低的密度。鉬可能有害于環(huán)境 耐性，雖然可通過(guò)平衡鉻的量最大限度地減小。在一些實(shí)施方案中，在鉻以約7%重量至約 12%重量，或約8. 5%重量至約11%重量存在時(shí)，期望可以約0. 重量至約5%重量或約 0. 5%重量至約3. 0%重量包含鉬，以便見(jiàn)到增加的強(qiáng)度益處，而不實(shí)質(zhì)有害于環(huán)境耐性。鉭象鈦一樣分配于鎳基合金中，幾乎全部分配到、‘相。在一些實(shí)施方案中鉭 可優(yōu)于鈦，因?yàn)殂g具有高于鈦的熔點(diǎn)，因此可能不會(huì)與類似量鈦一樣多地壓低合金的熔點(diǎn)。 然而，鉭為具有比鈦高得多密度的重元素，因此通過(guò)利用較鉭更多的鈦，可提供較輕的制 品。出于這些考慮，在所述超合金的某些實(shí)施方案中鉭的有用量可以為基于合金總重量約 4.0%重量至約6. 5%重量。鈷可提高、‘的固溶度溫度，從而提高包含它的合金的溫度能力。通過(guò)抑制0相 沉淀，鈷也可為合金的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性作出貢獻(xiàn)。尤其由于這些原因，在某些實(shí)施方案中，本文 所述合金可包含基于合金總重量約3. 0%重量至約4. 9%重量或約3. 4%重量至約4. 25% 重量的鈷。鉿可用作晶粒間界強(qiáng)化劑，并且可提供增加的抗氧化性。因此，在一些實(shí)施方案 中，本文所述合金包含至多約1. 0%重量或約0. 05%重量至約0. 5%重量鉿。在某些實(shí)施方 案中，所述合金進(jìn)一步包含至多約重量鈮?？筛鶕?jù)任何現(xiàn)有方法將鎳基合金加工成燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的部件，包括但不限于粉 末冶金法(例如燒結(jié)、熱壓、熱等靜壓加工、熱真空壓實(shí)等)、鑄錠隨后定向凝固、熔模精密 鑄造、鑄錠隨后熱機(jī)械處理、近終形鑄造、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、這些的結(jié)合等。在用所述鎳基合金制造燃?xì)鉁u輪機(jī)翼片的一種方式中，以單獨(dú)或作為混合物的粉 末顆粒形式提供所需各組分，并加熱到足以使金屬組分熔融的溫度，通常為約1350°C至約 1750°C。然后在鑄造過(guò)程中將熔融的金屬倒入模中，以制造所需的形狀。如上提到，可使用任何鑄造方法，例如鑄錠、熔模精密鑄造、高梯度鑄造或近終形 鑄造。在期望其中制造更復(fù)雜部件的實(shí)施方案中，期望熔融金屬可通過(guò)熔模精密鑄造法鑄 造，此方法通常更適合制造不能由常規(guī)制造技術(shù)制造的部件，如具有復(fù)雜形狀的渦輪機(jī)動(dòng) 葉或必須經(jīng)受高溫的渦輪機(jī)部件。在另一個(gè)實(shí)施方案中，也可通過(guò)鑄錠法將熔融的金屬鑄 造成渦輪機(jī)部件?？捎弥亓Α毫?、惰性氣體或真空條件進(jìn)行鑄造。在一些實(shí)施方案中，在 真空中進(jìn)行鑄造。在鑄造后，有利的是使模中的熔融物定向凝固。定向凝固通常產(chǎn)生凝固方向上的細(xì)長(zhǎng)晶粒，因此翼片的抗蠕變強(qiáng)度比等軸鑄造更高，并且適合在一些實(shí)施方案中 使用。具體地講，可以比常規(guī)單晶鎳基超合金更大的產(chǎn)率使本發(fā)明的合金形成多晶粒 (multi-grained)定向凝固部件，這種部件設(shè)計(jì)成在部件橫截面上容納很多晶粒。即，雖然 通常以單晶形式制造小部件，但很多燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的較大部件可能難以形成為真正的單 晶。因此，單晶形式的這些部件的產(chǎn)率可能在工業(yè)上不可用。相比之下，利用本文所述實(shí) 施方案的類似大小多晶粒定向凝固燃?xì)鉁u輪機(jī)部件的產(chǎn)率可以為約80%，或約80%至約 100%。在定向凝固后，將鑄件冷卻，例如通過(guò)任何普通冷卻方法?？扇芜x使含鎳基合金 的鑄件經(jīng)過(guò)不同的熱處理，以使強(qiáng)度最佳并增加抗蠕變性。期望熱處理得到具有大于約 50%或甚至大于約60%的分?jǐn)?shù)的鑄件。熱處理通?？砂▽㈣T件在真空中加熱到約 2260° F至約2400° F溫度經(jīng)歷2至4小時(shí)。然后可將鑄件通過(guò)爐冷卻在真空、氬或氦中 以約15° F/分鐘至約45° F/分鐘冷卻速率冷卻到2050° F，隨后在真空、氬或氦中通過(guò) 風(fēng)冷(gas fan cooling)以約100° F/分鐘至約150° F/分鐘冷卻到或低于1200° F。一 旦低于1200° F，就可以任何冷卻速率使制品冷卻到室溫。在一些實(shí)施方案中，可使鑄件經(jīng)過(guò)時(shí)效處理。例如，鑄件可經(jīng)過(guò)時(shí)效處理，做法是， 通過(guò)在真空下加熱到1975° F經(jīng)歷4小時(shí)時(shí)間，爐冷卻到低于1200° F，加熱到約1600° F 至約1650° F經(jīng)歷4至16小時(shí)時(shí)間，隨后爐冷卻到室溫。因此，本文所述的鎳基合金可加工成用于大型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)所用的各種翼片。 如上提到，本文所述的Ni基合金可顯示比常規(guī)鎳基超合金(例如Rene’ N4)改善的抗鑄造 裂紋性和更大的熱處理窗，從而降低制造成本，并提高鑄件產(chǎn)率。從所述合金制成的制品可 進(jìn)一步顯示增加的強(qiáng)度、延性和抗蠕變性及抗氧化性和抗熱腐蝕性。因此，這些制品可在比 用常規(guī)鎳基合金制成的制品更高的工作溫度使用并且/或者顯示更長(zhǎng)的使用壽命。用本文所述合金制成的部件或制品的實(shí)例包括但不限于動(dòng)葉(或葉片(vane))、 非旋轉(zhuǎn)噴嘴(或葉片)、罩、燃燒器等。被認(rèn)為發(fā)現(xiàn)特別受益于由本文所述合金制成的部件 /制品包括噴嘴和動(dòng)葉。所述超合金使用時(shí)可涂有不同的阻熱涂層。制造本發(fā)明的鎳基超合金的經(jīng)鑄造并熱處理的制品(如大型動(dòng)力渦輪機(jī)動(dòng)葉)的 一種示例性方法通?？扇缦逻M(jìn)行?？捎盟龀辖鸲ㄏ蜩T造所需部件，例如渦輪機(jī)動(dòng)葉。 然后可使所述鑄件經(jīng)過(guò)熱處理，通常包括將動(dòng)葉在真空中加熱到約2260° F至約2400° F 溫度經(jīng)歷2至4小時(shí)，以便使動(dòng)葉具有大于約50%或甚至大于60%的Y ‘分?jǐn)?shù)。然后可 將動(dòng)葉通過(guò)爐冷卻在真空、氬或氦中以約15° F/分鐘至約45° F/分鐘冷卻速率冷卻到約 2050° F，隨后在真空、氬或氦中通過(guò)風(fēng)冷以約100° F/分鐘至約150° F/分鐘冷卻到或低 于約1200° F。一旦低于約1200° F，就可以任何冷卻速率使動(dòng)葉冷卻到室溫。然后，所述 鑄件可經(jīng)過(guò)時(shí)效處理，做法是，在真空下加熱到約1975° F經(jīng)歷4小時(shí)時(shí)間，爐冷卻到低于 約1200° F，加熱到約1600° F至約1650° F經(jīng)歷4至16小時(shí)時(shí)間，隨后爐冷卻到室溫，。雖然本發(fā)明的超合金理想地適用于定向凝固鑄造，但可容易地通過(guò)常規(guī)鑄造或單 晶鑄造技術(shù)制造。這種超合金非常適用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)所用的高溫渦輪機(jī)部件，如葉片、 動(dòng)葉、葉輪等。示例性而非限制的以下實(shí)施例說(shuō)明制造所述鎳基合金的一些不同實(shí)施方案的組 合物和方法。在以下實(shí)施例中，試驗(yàn)樣品在定向凝固爐中鑄造。相應(yīng)于凝固速率的模具拉出速率為12英寸/小時(shí)。材料性質(zhì)在定向凝固狀態(tài)(as-directionally solidified)條 件下測(cè)定，明確意圖為獨(dú)立于熱處理效應(yīng)來(lái)使化學(xué)組成最佳化。實(shí)施例1在此實(shí)施例中，定向鑄造和評(píng)價(jià)40種獨(dú)特的鎳基超合金。在機(jī)械試驗(yàn)前確定最佳 燃?xì)鉁u輪機(jī)動(dòng)葉性能所需的關(guān)鍵材料屬性。根據(jù)其相對(duì)重要性為各屬性指定加權(quán)因子。然 后將計(jì)算性質(zhì)和測(cè)定性質(zhì)合并成常見(jiàn)的無(wú)單位標(biāo)度，并相應(yīng)地進(jìn)行加權(quán)。加權(quán)的無(wú)單位屬 性的總和提供根據(jù)其總性質(zhì)平衡將合金分級(jí)的手段。表1顯示三種示例性合金按重量％計(jì) 的化學(xué)組成(合金1、合金2和合金3)，其余為Ni和雜質(zhì)。這些鎳基超合金分別具有大于 50%的預(yù)測(cè)Y ‘摩爾分?jǐn)?shù)。還包括一種目前用于制造高溫渦輪機(jī)部件的標(biāo)準(zhǔn)高溫鎳基超合 金，Rene，N4。表 I
合金CrBcCoA1HfMoNbTaTiW*Rene' N49.750.0040.057.504.200.151.500.504.803.506.0019.590.010.073.934.130.150.740.495.903.448.8529.780.010.044.014.710.151.500.506.012.626.02310.000.010.054.105.800.502.500.004.450.827.97組成以％重量計(jì)，其余為Ni和雜質(zhì)*比較性實(shí)施例表II提供超合金組合物的不同計(jì)算性質(zhì)。預(yù)測(cè)各合金顯示類似于或大于參比合 金Rene'M的熱處理窗，具有改善的加工性，并且產(chǎn)生可能的結(jié)果。各合金的計(jì)算密度類似 地與參比合金相比(align)。在各情況下，預(yù)測(cè)的摩爾分?jǐn)?shù)相對(duì)于Rene'M較高，從高 溫度強(qiáng)度的觀點(diǎn)這通常合乎需要。表II
合金計(jì)算溶 線(°F)計(jì)算初熔 點(diǎn)(°F)計(jì)算熱處理 窗(下)計(jì)算密度 (lb/in3)計(jì)算Y'最大NP(%)*Rene' N4219223511590.298691218523521670.302722221123551440.299733222223811590.29876*比較性實(shí)施例表III總結(jié)了在定向凝固狀態(tài)(as-DS)條件測(cè)定的不同材料性質(zhì)，其中“UTS”是 指極限拉伸強(qiáng)度，術(shù)語(yǔ)“ YS ”為屈服強(qiáng)度。根據(jù)美國(guó)專利4，169，742通過(guò)抗鑄造裂紋試驗(yàn)分析可鑄性，其中總裂紋長(zhǎng)度在定 向凝固薄壁鑄件(約60密耳厚)的外徑處測(cè)定。顯示最小量裂紋的合金是優(yōu)選的。表III
8中的各合金顯示在此篩選試驗(yàn)限制下相對(duì)于參比合金的優(yōu)良抗鑄造裂紋性。各合金的蠕變性質(zhì)在空氣中在1400° F和1800° F評(píng)價(jià)。用靜加負(fù)荷在1400° F 加107ksi應(yīng)力，在1800° F加31ksi應(yīng)力。在整個(gè)試驗(yàn)期間監(jiān)測(cè)塑性應(yīng)變。表III顯示相 對(duì)于as-DS Rene，N4達(dá)到2%蠕變提高的時(shí)間，在1400° F為2. Ox至3. 5x。另外，相對(duì)于 as-DS Rene，N4在1800° F達(dá)到2%蠕變提高的時(shí)間在2. 75x和4. 75x之間。在各溫度斷 裂的時(shí)間也相對(duì)于as-DS Rene’ N4提高類似數(shù)量級(jí)。各材料的拉伸性質(zhì)在空氣中在1400° F評(píng)價(jià)。樣品以0.02英寸/分鐘的固定位 移速率拉壞。表III顯示相對(duì)于參比合金的性質(zhì)范圍。合金1和2顯示屈服強(qiáng)度顯著改善， 并且具有可比的極限拉伸強(qiáng)度。合金3測(cè)量結(jié)果是屈服和拉伸強(qiáng)度相對(duì)于as-DS Rene'N4 略低。然而它通過(guò)其優(yōu)良的可鑄性和蠕變性質(zhì)有效平衡。表 III
As-DS合金測(cè)量的薄 壁鑄件 總裂紋長(zhǎng) 度(英寸)達(dá)到2.0%蠕變應(yīng) 變的測(cè)量時(shí)間 (小時(shí))斷裂測(cè)量時(shí)間 (小時(shí))拉伸YS @1400 °F(ksi)拉伸 UTS @1400 °F(ksi)1400°F /107ksi1800°F /31ksi1400°F /107ksi1800°F /31ksi*Rene' N417.423.014.695.725.4146168.6113.682.069.4133.2104.9154.6166.729.147.061.5105.287.9153.5169.637.861.040.1142.464.0131.2153.8*比較性實(shí)施例雖然本文已只說(shuō)明和描述本發(fā)明的某些特征，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)想到很多修 改和變化。因此，應(yīng)了解，附加權(quán)利要求旨在覆蓋落在本發(fā)明真實(shí)精神內(nèi)的所有這些修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種鎳基合金，所述鎳基合金包含約7.0%重量至約12.0%重量鉻、約0. 重量至 約5%重量鉬、約0. 2%重量至約4. 5%重量鈦、約4%重量至約6%重量鋁、約3%重量至約 4. 9%重量鈷、約6. 0%重量至約9. 0%重量鎢、約4. 0%重量至約6. 5%重量鉭、約0. 05%重 量至約0. 6 %重量鉿、至多約1. 0 %重量鈮、至多約0. 02 %重量硼和至多約0. 1 %重量碳，其 余為鎳和偶存雜質(zhì)。
2.權(quán)利要求1的鎳基合金，其中所述合金基本不含錸。
3.權(quán)利要求1的鎳基合金，其中所述合金具有大于約1的鋁鈦比率。
4.權(quán)利要求1的合金的鑄造制品，所述鑄造制品具有大于約50%的分?jǐn)?shù)。
5.一種鎳基合金，所述鎳基合金包含約9. 0%重量至約11. 0%重量鉻、約0. 5%重量 至約3. 0%重量鉬、約0. 5%重量至約3. 5%重量鈦、約4%重量至約6%重量鋁、約3. 5%重 量至約4. 25%重量鈷、約6. 0%重量至約9. 0%重量鎢、約4. 0%重量至約6. 5%重量鉭、約 0. 05%重量至約0. 5%重量鉿、至多約1. 0%重量鈮、至多約0. 01%重量硼和至多約0. 07% 重量碳，其余為鎳和偶存雜質(zhì)。
6.權(quán)利要求5的鎳基合金，其中所述合金基本不含錸。
7.權(quán)利要求5的鎳基合金，其中所述合金具有大于約1的鋁鈦比率。
8.權(quán)利要求5的合金的鑄造制品，所述鑄造制品具有大于50%的Y丨分?jǐn)?shù)。
9.權(quán)利要求8的鑄造制品，所述鑄造制品包括燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的部件。
10.一種制造經(jīng)鑄造并熱處理的制品的方法，所述方法包括提供權(quán)利要求1的鎳基合金；使合金熔融并定向凝固，以制造制品；和將制品熱處理，以使制品具有大于50%的分?jǐn)?shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鎳基超合金，所述鎳基超合金包含約7.0％重量至約12.0％重量鉻、約0.1％重量至約5％重量鉬、約0.2％重量至約4.5％重量鈦、約4％重量至約6％重量鋁、約3％重量至約4.9％重量鈷、約6.0％重量至約9.0％重量鎢、約4.0％重量至約6.5％重量鉭、約0.05％重量至約0.6％重量鉿、至多約1.0％重量鈮、至多約0.02％重量硼和至多約0.1％重量碳，其余為鎳和偶存雜質(zhì)。這種合金可經(jīng)鑄造，定向凝固和熱處理，以提供具有大于約50％的γ′分?jǐn)?shù)的制品。
文檔編號(hào)C22C19/05GK102002612SQ20101027752
公開(kāi)日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月31日
發(fā)明者A·S·佩克, A·蘇祖基, M·F·亨利, R·迪多米茲奧, S·J·巴爾索內(nèi), T·漢隆 申請(qǐng)人:通用電氣公司