專(zhuān)利名稱(chēng)：鎳基合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及鎳基合金。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及具有適用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用方面的顯示所希望特性的可鑄和可焊的鎳基合金。
背景技術(shù)：
超級(jí)合金GTD-222(美國(guó)專(zhuān)利No.4,810,467)具有適用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用方面的許多期望特性，諸如用于渦輪部分的較后(第二和第三)級(jí)中的噴嘴(葉片)。GTD-222的標(biāo)稱(chēng)組分(按重量計(jì)算)為約19％的鈷、約22.5％的鉻、約2％的鎢、約1.2％的鋁、約2.3％的鈦、約3.5％的Al+Ti、約0.8％的鈳(鈮)、約1.0％的鉭、約0.01％的硼、約0.01％的鋯、約0.1％的碳，其余主要為鎳和附帶雜質(zhì)。如同其他鎳基合金的成分一樣，GTD-222的改進(jìn)包括對(duì)某些關(guān)鍵性合金元素的濃度的精心和可控調(diào)節(jié)以達(dá)到所需的性能組合。對(duì)于渦輪噴嘴方面的應(yīng)用，特別是對(duì)于使用GTD-222的后級(jí)噴嘴，這樣的性能包括高溫強(qiáng)度、可鑄性、可焊性以及耐低周期疲勞、耐腐蝕和耐氧化的性能。渦輪部分的第二級(jí)內(nèi)的熱環(huán)境是非常惡劣的，因此由GTD-222合金制成的噴嘴需要抗氧化涂層、阻熱涂層(TBC)和/或內(nèi)部冷卻。GTD-222的性能足以使第三級(jí)噴嘴達(dá)到?jīng)]有這樣的附加措施的噴嘴所需的設(shè)計(jì)壽命。
當(dāng)試圖使一種超級(jí)合金的任何一個(gè)的期望性能達(dá)到最佳時(shí)，其他性能通常會(huì)受到不良影響。特定的示例是可焊性和抗蠕變性，這兩個(gè)性能對(duì)于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴是非常重要的。但是較高的抗蠕變性會(huì)使合金比較難以焊接，而必須利用焊接進(jìn)行修補(bǔ)。我們相信，GTD-222所表現(xiàn)的蠕變強(qiáng)度和可焊性的期望組合是在合金中使用適量的鋁、鈦、鉭和鈮所導(dǎo)致的。這些元素中的每一種參與γ主彌散強(qiáng)化相(Ni3(Ti，Al))。鋁和鈦是形成γ主相的關(guān)鍵元素，而鉭和鈮的主要作用是參與MC碳化物相。在MC碳化物形成后剩余的鉭和鈮對(duì)于γ主相的形成起到很少的但不重要的作用。
盡管GTD-222已經(jīng)被證明是非常適合用作燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的后級(jí)噴嘴的合金，但是也期望采用其他可選擇的材料。目前所關(guān)注的是減少所使用的鉭，這是由于其成本很高。但是，鉭含量較小的合金的性能最好接近GTD-222，特別是用于第二和第三級(jí)噴嘴的合金的性能。
發(fā)明概述本發(fā)明提供適用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的后級(jí)噴嘴，特別是第二和第三級(jí)噴嘴并具有所期望的強(qiáng)度(包括抗蠕變性)和耐腐蝕、耐氧化性能平衡的鎳基合金。該合金還是可鑄的，比GTD-222容易焊接并且具有可接受的熱處理要求。利用排除鉭或者使鉭含量達(dá)到較低的程度并且使鈮含量保持達(dá)到較高的程度來(lái)獲得與GTD-222合金類(lèi)似的性能的合金來(lái)達(dá)到這些所期望的性能。
根據(jù)本發(fā)明，該鎳基合金主要包括，用重量百分比表示，10％-25％的鈷、20％-28％的鉻、1％-3％的鎢、0.5％-1.5％的鋁、1.5％-2.8％的鈦、0.8％-1.45％的鈮、鉭的含量低于鈮并且Cb+0.508Ta為1.15％-1.45％、0.001％-0.025％的硼、高達(dá)0.05％的鋯、0.02％-0.15％的碳，其余主要為鎳和附帶雜質(zhì)。該合金的鈮含量至少為0.9％較好，最好至少為1.25％，而該合金的鉭含量?jī)?yōu)選小于0.5％，最好完全從合金中排除。
本發(fā)明的合金具有與GTD-222合金相當(dāng)?shù)男阅?，具有改良的延展性和可焊性，并且不?huì)使可鑄性降低。應(yīng)該注意的是，在不犧牲抗蠕變性的前提下提高可焊性。即使鉭和鈮的相對(duì)含量與GTD-222的相反，即，在該合金中含有的鈮多于鉭，最好，鉭的最大含量低于GTD-222所需的鉭的最小含量。我們相信，使合金中的鈮和鉭的總的原子百分比基本上保持不變能夠達(dá)到期望性能，其中由于根據(jù)公式Cb+0.508Ta表示組合總量，因此與鉭相比，鈮對(duì)總量的影響是較大的。與GTD-222相反(美國(guó)專(zhuān)利No.4,810,467)相反，當(dāng)利用基本上不含鉭，即僅包括雜質(zhì)含量的鉭的合金鑄造時(shí)第二和第三級(jí)噴嘴具有極好的性能。因此，本發(fā)明的合金由于減少或者消除了對(duì)鉭的需求而提供了一種極好的并且低成本的GTD-222的替代物。
從下面的詳細(xì)描述中可以更好地看出本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1至圖3是描繪GTD-222鎳基合金和在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)的鎳基合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸百分率相對(duì)于溫度的關(guān)系的圖表。
圖4和圖5分別是描繪GTD-222合金和在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)的合金在1400°F和1600°F下的低循環(huán)疲勞壽命的圖表。
圖6是描繪GTD-222合金和在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)的合金在1450°F和1600°F下的蠕變壽命的圖表。
本發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明是努力開(kāi)發(fā)一種性能與市場(chǎng)上被稱(chēng)為GTD-222并且在美國(guó)專(zhuān)利No.4,810,467中披露的鎳基合金相當(dāng)?shù)逆嚮辖鸬慕Y(jié)果，美國(guó)專(zhuān)利No.4,810,467中所披露的內(nèi)容在這里作為參考，但其化學(xué)成分被精心平衡以減少或者完全消除鉭。該研究導(dǎo)致在性能特別適于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的第二或者第三渦輪級(jí)中所用的噴嘴的鎳基合金的開(kāi)發(fā)。因此，所關(guān)注的特定性能包括蠕變強(qiáng)度、可焊性、疲勞壽命、可鑄性、冶金穩(wěn)定性和耐氧化性。該研究的結(jié)果是，增大鈮含量以代替鉭的缺少，因此從根本上改變了GTD-222中的已知影響γ主彌散強(qiáng)化相的兩種微量合金元素。
鎳基超級(jí)合金的高溫強(qiáng)度與γ主相的體積百分率是直接相關(guān)的，γ主相的體積百分率又與所存在的γ主相形成元素(鋁、鈦、鉭和鈮)的總量是直接相關(guān)的。基于這些關(guān)系，可估計(jì)達(dá)到已知強(qiáng)度所需的這些元素的量。也可根據(jù)合金的初始化學(xué)組分和一些關(guān)于形成這些相的基本假設(shè)估計(jì)γ主相和其他副相(諸如碳化物和硼化物)組分以及γ主相的體積百分率。利用這樣一種程序，可以推斷，具有所需用于第二和第三級(jí)噴嘴的蠕變強(qiáng)度的合金應(yīng)該包含體積百分比為18或者更多的γ主相。但是，對(duì)于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴比較重要的其他性能，諸如可焊性、疲勞壽命、可鑄性、冶金穩(wěn)定性和耐氧化性不能根據(jù)這些和其他元素的含量來(lái)預(yù)測(cè)。
在研究過(guò)程中，配制和鑄造具有下面表I中所列出的近似化學(xué)成分的兩種合金。制備GTD-222合金鑄件，GTD-222合金具有下列近似化學(xué)成分，重量百分比約19％的鈷、約22.5％的鉻、約2％的鎢、約1.2％的鋁、約2.3％的鈦、約0.8％的鈮、約1.0％的鉭、約0.008％的硼、約0.022％的鋯、約0.1％的碳，其余主要為鎳和附帶雜質(zhì)。每一種合金鑄件經(jīng)受下列熱處理工藝，即需要在大約2100°F(約1150℃)下進(jìn)行約兩個(gè)小時(shí)的固溶處理，接著在大約1475°F(約800℃)下進(jìn)行約8個(gè)小時(shí)的時(shí)效處理。以一種常規(guī)的方式將鑄件機(jī)加工成試樣。
表I合金號(hào)B1B2Co 19.06 19.10Cr 22.86 22.40W 1.96 2.02Al 1.17 1.21Ti 2.29 2.32Cb 1.28 1.32Ta 0.01 0.09B 0.003 0.003Zr 0.007 0.007C 0.09 0.10Mo ＜0.010.03Hf ＜0.010.00Ni 余量 余量選擇上述合金含量以評(píng)估用鈮代替鉭的效果，但其他成分保持GTD-222的組分。利用標(biāo)準(zhǔn)光滑條狀試樣確定合金的拉伸性能。圖1、圖2和圖3中列出了標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，其中“222基線(xiàn)，平均值”表示特定性質(zhì)的GTD-222的歷史平均值，“222Cb-供應(yīng)者1”表示B1試樣的數(shù)據(jù)，以及“222Cb-供應(yīng)者2”表示B2試樣的數(shù)據(jù)。還對(duì)利用與B1試樣相同的合金鑄造的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴進(jìn)行評(píng)估。該數(shù)據(jù)表示，B1和B2試樣的抗拉強(qiáng)度比GTD-222基線(xiàn)約低3％至5％，但B1和B2試樣中的延伸率卻高很多-大約高30％至40％。與GTD-222相比，B1和B2合金的延伸率高并且抗拉強(qiáng)度類(lèi)似，這表明，試驗(yàn)的合金適于作為GTD-222的替換物。
圖4和圖5分別是表示B1和B2合金與GTD-222在1400°F(約760℃)和1600°F(約870℃)下的低循環(huán)疲勞(LCF)壽命的圖表。在兩個(gè)試驗(yàn)中，對(duì)0.25英寸(約8.2毫米)的條進(jìn)行裂紋產(chǎn)生反復(fù)測(cè)試。在圖4中，為評(píng)估的合金(平均)以及GTD-222繪制3σ(“3S”)。3σ圖表示B1和B2合金在1400°F下的LCF壽命基本上與在應(yīng)變值高于0.5％的GTD-222基線(xiàn)相同，但在應(yīng)變值低于0.5％的情況下，LCF壽命降低15％至25％。在圖5中，1600°FLCF測(cè)試的數(shù)據(jù)表明，B1和B2合金具有基本上與GTD-222相同的LCF壽命。
圖6是表示B1和B2合金與GTD-222在應(yīng)變值約為0.5％并且溫度約為1450°F(約790℃)和1600°F(約870℃)下的蠕變壽命的圖表。在1450°F的測(cè)試溫度下，B1和B2合金具有基本上與GTD-222相同的蠕變壽命。在1600°F的測(cè)試溫度下，根據(jù)拉伸數(shù)據(jù)可以推斷，B1和B2合金的短期壽命低于GTD-222。但是，圖6表明，B1和B2合金的長(zhǎng)期壽命基本上與GTD-222相同。
對(duì)B1和B2合金進(jìn)行附加測(cè)試以與GTD-222比較其他各種性能。這樣的測(cè)試包括高循環(huán)疲勞(HCF)和低循環(huán)疲勞(LCF)測(cè)試、耐氧化性、可焊性、可鑄性、擴(kuò)散涂覆性能和物理性能。在所有這些研究中，B1和B2合金的性能基本上與GTD-222基線(xiàn)的相同，但是可焊性除外，我們驚異地發(fā)現(xiàn)，B1和B2合金的可焊性在抗斷裂方面略微好于GTD-222。另外，可以確定在B1和B2合金中的TIG焊縫的LCF壽命比形成在GTD-222中的TIG焊接頭的LCF壽命約長(zhǎng)兩倍，這與可焊性研究結(jié)果是一致的。
綜上所述，我們相信，具有表II中所列出的γ主相含量(體積百分比)和一般、優(yōu)選和標(biāo)稱(chēng)組分(重量百分比)的合金具有與GTD-222相當(dāng)?shù)男阅?，因此適于用作燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的后級(jí)噴嘴的合金以及需要類(lèi)似性能的其他應(yīng)用。
表II一般優(yōu)選標(biāo)稱(chēng)Co 10-25 18.5-19.5 19Cr 20-28 22.2-22.8 22.5W 1-3 1.8-2.2 2Al 0.5-1.5 1.1-1.3 1.2Ti 1.5-2.8 2.2-2.4 2.3Cb 0.8-1.45 1.25-1.45 1.3Ta 小于Cb小于0.5 0.0Cb+0.508Ta 1.15-1.45 1.25-1.45 1.3B 0.001-0.025 0.002-0.015 0.01Zr 高達(dá)0.4 0.005-0.020.01C 0.02-0.15 0.08-0.12 0.1Ni 余量 余量 余量γ′25-38體積％ 33-38體積％得到公式Cb+0.508Ta以使合金中組合的鉭和鈮的總原子百分比保持恒定，盡管鈮是明顯優(yōu)選的。優(yōu)選的是，使鉭的含量保持在GTD-222中所允許的量以下，根據(jù)上述研究結(jié)果，最好在合金中完全排除鉭。我們相信，在研究過(guò)程中，所述鈮的范圍必須補(bǔ)償排除或者減少鉭的量以保持合金所需的以及合金B(yǎng)1和B2所表現(xiàn)的性能。我們相信，利用上述處理工藝對(duì)表II中列出的合金進(jìn)行令人滿(mǎn)意的熱處理，盡管也可使用適于鎳基合金的常規(guī)熱處理。
盡管已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯然可采用其他形式。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍是由所附權(quán)利要求書(shū)所限定的。
權(quán)利要求
1.一種可鑄和可焊的鎳基合金主要包括，以重量百分比計(jì)，10％-25％的鈷、20％-28％的鉻、1％-3％的鎢、0.5％-1.5％的鋁、1.5％-2.8％的鈦、0.8％-1.45％的鈮、鉭的含量低于鈮并且Cb+0.508Ta為1.15％-1.45％、0.001％-0.025％的硼、高達(dá)0.4％的鋯、0.02％-0.15％的碳，其余主要為鎳和附帶雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，鈮含量至少為1.25％。
3.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，鉭含量約為0.0％。
4.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，鈷含量為18.5％-19.5％，鉻含量為22.2％-22.8％，鎢含量為1.8％-2.2％，鋁含量為1.1％-1.3％，鈦含量為2.2％-2.4％，硼含量為0.002％-0.015％，鋯含量為0.005％-0.4％，以及碳含量為0.08％-0.12％。
5.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，該合金包含體積百分比至少為18的γ主析出相。
6.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，該合金采用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)鑄造噴嘴的形式。
7.如權(quán)利要求6所述的合金，其特征在于，所述噴嘴安裝在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的第二或者第三渦輪級(jí)中。
8.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，該合金主要包括，以重量百分比計(jì)，18.5％-19.5％的鈷、22.2％-22.8％的鉻、1.8％-2.2％的鎢、1.1％-1.3％的鋁、2.2％-2.4％的鈦、0.9％-1.45％的鈮、小于0.5％的鉭并且Cb+0.508Ta為1.15％-1.45％、0.002％-0.015％的硼、0.005％-0.4％的鋯、0.08％-0.12％的碳，其余主要為鎳和附帶雜質(zhì)。
9.如權(quán)利要求8所述的合金，其特征在于，所述合金是無(wú)鉭的。
10.如權(quán)利要求8所述的合金，其特征在于，該合金包含體積百分比約為25至38的γ主析出相。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的并具有所期望的強(qiáng)度和耐腐蝕、耐氧化性能平衡的鎳基合金。該合金的適合組分主要包括，重量百分比為10％－25％的鈷、20％－28％的鉻、1％－3％的鎢、0.5％－1.5％的鋁、1.5％－2.8％的鈦、0.8％－1.45％的鈮、鉭的含量低于鈮并且Cb+0.508Ta為1.15％－1.45％、0.001％－0.025％的硼、高達(dá)0.4％的鋯、0.02％－0.15％的碳，其余主要為鎳和附帶雜質(zhì)。
文檔編號(hào)C22C19/05GK1492065SQ0314368
公開(kāi)日2004年4月28日 申請(qǐng)日期2003年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月30日
發(fā)明者J·H·沃德, G·馮, C·G·貝克, J H 沃德, 貝克 申請(qǐng)人:通用電氣公司