專(zhuān)利名稱(chēng)：鎳基耐熱鑄造合金及由其制備的渦輪機(jī)葉輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鎳基耐熱鑄造合金和由此合金制備的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)葉輪。本發(fā)明提供成本基本相同但強(qiáng)度高于傳統(tǒng)渦輪機(jī)葉輪的渦輪機(jī)葉輪。
背景技術(shù)：
由于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪機(jī)葉輪屬于直接接觸高溫廢氣的部件，因此，對(duì)其耐熱性能以及足夠的高溫強(qiáng)度的要求非常嚴(yán)格。迄今為止，INCONEL 713C(下文中縮寫(xiě)為“713C”)已被用作普通客車(chē)的渦輪機(jī)葉輪材料。該合金在實(shí)際應(yīng)用中已有較長(zhǎng)歷史(日本專(zhuān)利公報(bào)Sho.42 -11915)。另一方面，強(qiáng)度高于713C的Mar-M247(下文縮寫(xiě)為“MM-247”)已被用作在更惡劣條件下工作的渦輪機(jī)葉輪(比如集中強(qiáng)化試驗(yàn)用車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)葉輪)的材料。此合金也已廣為人知并被使用多年(日本專(zhuān)利公報(bào)Sho.47 -13204)。
但是人們預(yù)測(cè)由于客車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的提高，在不久的將來(lái)廢氣的溫度將會(huì)大大升高，713C則由于其高溫強(qiáng)度不夠，可能無(wú)法滿(mǎn)足該需求。另一方面，MM-247含有一種昂貴的合金成分鉿(hafnium)，因此材料成本太高。而且，為了使鑄件中不產(chǎn)生空隙，制造葉輪時(shí)通常采用HIP工藝，因此，生產(chǎn)成本較高。
多年來(lái)，為了解決這些問(wèn)題，人們不懈地努力，提出了由鎳基耐熱鑄造合金制備的渦輪機(jī)葉輪，該合金的蠕變斷裂強(qiáng)度高于713C(日本專(zhuān)利公報(bào)Hei.11 -131162和2000-169924)。然而，這些材料包括含鈮(niobium)的合金組成(前者含有0.5-3.5％，后者含有6.0-8.0％)，這就帶來(lái)了新的問(wèn)題鈮容易偏析。而且，這些合金含鉬(兩者都為1.0-5.0％)，因而，耐高溫氧化性不是很高。所以，從平衡節(jié)約成本和提高優(yōu)勢(shì)的角度來(lái)看，還不能說(shuō)已經(jīng)制得了令人十分滿(mǎn)意的低成本鎳基耐熱鑄造合金。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用作汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)葉輪材料的鎳基耐熱鑄造合金，它具有較高的高溫強(qiáng)度以滿(mǎn)足廢氣溫度升高趨勢(shì)的需求，至于材料成本，盡管稍高，但基本上相同，而且其耐熱性能和高溫強(qiáng)度與MM-247幾乎一樣。提供由此材料制備的渦輪機(jī)葉輪也是本發(fā)明的目的。
本發(fā)明的鎳基耐熱鑄造合金基本由下列組成以重量％計(jì)，C0.02-0.50％，Si最高達(dá)1.0％，Mn最高達(dá)1.0％，Cr4.0-10.0％，Al2.0-8.0％，Co最高達(dá)15.0％，W8.0-16.0％，Ta2.0-8.0％，Ti最高達(dá)3.0％，Zr0.001-0.200％和B0.005-0.300％，余量為鎳和不可避免的雜質(zhì)，條件是[％Al]+[％Ti]+[％Ta]，以原子％計(jì)，總量為12.0-15.5％，并含有1-15％(面積百分?jǐn)?shù))的γ/γ’共析體，以面積百分?jǐn)?shù)計(jì)，含有1-10％的碳化物，且以下式(其中％為原子％)定義的“M-值”在93-98的范圍內(nèi)M＝0.717[％Ni]+1.142[％Cr]+2.271[％Ti]+1.9[％Al]+2.117[％Nb]+1.55[％Mo]+0.777[％Co]+3.02[％Hf]+2.224[％Ta]+1.655[％W]+2.994[％Zr]優(yōu)選實(shí)施方案詳述本發(fā)明的鎳基耐熱鑄造合金可以包含，除了上述提到的基本合金成分外，選自Mg最高達(dá)0.01％，Ca最高達(dá)0.01％，和REM最高達(dá)0.1％中的至少一種。
本發(fā)明鎳基耐熱鑄造合金中可能存在的主要雜質(zhì)為由原料引入的Fe、Si、Mn、P和S，依據(jù)不同情況，也可包含Cu和Mo。優(yōu)選分別調(diào)整雜質(zhì)含量至其下述最高上限值Fe最高達(dá)5.0％，Mo1.0％，Cu03％，P0.03％，S0.03％和V1.0％。
合金成分的作用和如上限制合金組分的原因?qū)⒃谙旅媾c限制上述[％Al]+[％Ti]+[％Ta]，γ/γ’共析體的面積百分?jǐn)?shù)，碳化物的面積百分?jǐn)?shù)和“M-值”的重要性一起進(jìn)行解釋。
C0.02-0.50％，優(yōu)選0.05-0.30％，更優(yōu)選0.05-0.20％。
如果有一種元素選自Ti、Zr和Hf或者選自Nb、Ta、V，碳會(huì)通過(guò)與其結(jié)合形成一種或多種碳化物而促進(jìn)晶界的強(qiáng)化。低于0.02％的碳含量可能沒(méi)有足夠的作用，而高于0.50％的含量則會(huì)引起過(guò)量碳化物的形成，從而導(dǎo)致耐腐蝕性能和延展性能(ductility)的降低。優(yōu)選C含量在0.05-0.30％的范圍，更優(yōu)選范圍是0.02-0.20％。
Si最高達(dá)1.0％。
硅在合金熔化和精煉時(shí)，通常被用作脫氧劑。雖然，少量作為脫氧劑很有效的Si可能不會(huì)引起問(wèn)題，但是大量的加入則會(huì)降低合金的延展性。因此，將1.0％設(shè)定為上限值。優(yōu)選Si含量最高達(dá)0.5％。
Mn最高達(dá)1.0％。
與硅類(lèi)似，錳也是作為脫氧劑加入的。少量作為脫氧劑很有效的錳可能不會(huì)引起問(wèn)題，但是，大量的加入就會(huì)降低合金的強(qiáng)度和延展性。因此設(shè)定其上限值為1.0％。
Cr4.0-10.0％。
鉻是提高高合金耐腐蝕性能最重要的元素。通過(guò)在基質(zhì)相中固溶，它也有助于提高強(qiáng)度。低于4.0％的加入量幾乎沒(méi)有作用，而超過(guò)10.0％則會(huì)降低相穩(wěn)定性以及渦輪機(jī)葉輪在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作后的強(qiáng)度和延展性。Cr含量的優(yōu)選范圍為6.0-10.0％。
Al2.0-8.0％。
鋁是形成γ’-相的重要元素，而且有助于提高高溫耐腐蝕性能。其含量低于2.0％時(shí)，這些作用可能較小。另一方面，加入量超過(guò)8.0％則會(huì)在鑄造過(guò)程中引起大量低共熔γ’-相的沉積，結(jié)果，蠕變斷裂強(qiáng)度就會(huì)降低。Al含量的優(yōu)選范圍為4.5-5.5％。
Co最高達(dá)15.0％。
鈷通過(guò)固溶強(qiáng)化γ-相。它也溶于γ’-相，從而可有效提高合金強(qiáng)度并強(qiáng)化γ’-相。Co增加γ-相的沉積量。然而，由于Co是一種昂貴材料，從成本角度看，大量的加入是不利的。建議選擇最高達(dá)15.0％的加入量。為了確保在900℃或更高溫度時(shí)具有足夠的高溫性能，希望加入5.0％或更多的Co。
W8.0-16.0％鎢大大有助于γ-相的固溶強(qiáng)化和強(qiáng)度的提高，低于8.0％的量不能充分起作用，但是高于16.0％的量則會(huì)降低相穩(wěn)定性。相穩(wěn)定性的降低會(huì)導(dǎo)致使用較長(zhǎng)時(shí)間后合金中α-Cr的沉積，并且破壞渦輪機(jī)葉輪的強(qiáng)度。優(yōu)選其加入量范圍為10.0-14.0％。
Ta2.0-8.0％。
鉭不僅與碳結(jié)合形成碳化物，而且溶于γ’-相而使其強(qiáng)化。其含量低于2.0％時(shí)作用較小。由于鉭與Hf一樣是昂貴材料，所以從成本觀點(diǎn)看，希望它的用量盡可能少。因此設(shè)定上限值為8.0％。
Ti最高達(dá)3.0％。
鈦與Ni反應(yīng)形成γ’-相，該相可有效提高合金的強(qiáng)度。Ti還具有代替Al促進(jìn)γ’-相固溶強(qiáng)化的作用，因此，還能提高合金的強(qiáng)度。然而，超過(guò)3.0％的Ti加入量容易導(dǎo)致η相(Ni3Ti)的沉積，從而不利于合金的高溫強(qiáng)度和延展性。優(yōu)選的加入量為2.0％或者更低。
Zr0.001-0.200％。
鋯同時(shí)兼具與碳結(jié)合形成碳化物和在晶界偏析強(qiáng)化的作用。這些作用即使在非常小的加入量(如0.001％)時(shí)也能觀察到。由于大量加入會(huì)導(dǎo)致延展性的降低，因此其上限值設(shè)定為0.200％。最優(yōu)加入量可能在最高達(dá)0.1％的范圍內(nèi)。
B0.005-0.300％，優(yōu)選0.050-0.200％。
加入B的作用是抑制η相的形成以阻止高溫強(qiáng)度和延展性的降低，而且，還可以提高高溫蠕變斷裂強(qiáng)度。同時(shí)B也會(huì)與Cr以及其它一些元素形成硼化物。由于硼化物的熔點(diǎn)低，固-液共存的溫度范圍較寬，因此合金的可鑄性就會(huì)提高。為了實(shí)現(xiàn)這些作用，有必要加入0.005％或者更多的適量B。然而，加入過(guò)量會(huì)導(dǎo)致合金強(qiáng)度和延展性的降低。所以，加入量的上限值設(shè)定為0.300％。在0.050-0.200％的范圍內(nèi)可獲得可鑄性和強(qiáng)度-韌性(resilience)的良好平衡。
一種或多種選自Mg最高達(dá)0.01％，Ca最高達(dá)0.01％和REM最高達(dá)0.1％。
鎂和鈣都在晶界偏析強(qiáng)化。REM有同樣的作用。任何一種或多種所述元素都不適于大量加入，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致合金強(qiáng)度和延展性的降低。所以加入量的上限值設(shè)定為Mg和Ca 0.01％，REM 0.1％。
調(diào)整雜質(zhì)含量至下列上限值Fe5.0％，Mo1.0％，Cu0.3％，P0.03％，S0.03％和V1.0％。
在為了降低生產(chǎn)成本而準(zhǔn)備使用廢鐵(一種便宜原料)的情況下，各種雜質(zhì)將會(huì)引入產(chǎn)品合金。最有可能混入的元素是Fe，它對(duì)室溫-和高溫下的強(qiáng)度、耐腐蝕性能全都有害。允許的Fe含量極限值為5.0％，優(yōu)選3.0％或更低。磷在晶界偏析會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低，因而，不希望有較高的P含量。然而，合金中仍有一定量存在是不可避免的。允許的P極限值為0.03％。硫和P一樣，也是降低強(qiáng)度的元素，S含量?jī)?yōu)選限制在0.03％或者更低。鉬，雖然，它溶于合金基質(zhì)相有助于提高強(qiáng)度，但是其高含量會(huì)破壞高溫抗氧化性能，因此，Mo含量應(yīng)該是最高達(dá)1.0％。Cu也是強(qiáng)度降低的原因，因而，也不希望Cu大量存在，允許的上限值為1.0％，優(yōu)選0.3％或更低。釩帶來(lái)的壞處是高溫強(qiáng)度的降低，V含量應(yīng)該限制在小于上限值1.0％。
+[％Ti]+[％Ta]12.0-15.5at％為了確保合金足夠的強(qiáng)度和可加工性，必須滿(mǎn)足此條件。超出這些范圍就會(huì)存在以下壞處。如果總量低于12.0％(下限值)，則不能獲得滿(mǎn)意的強(qiáng)度，如果總量高于15.5％(上限值)，則鑄件中容易出現(xiàn)裂紋。
γ/γ’共析體的面積百分?jǐn)?shù)1-15％。
為確保合金的可加工性，特別是可鑄性，保持下限值1％是必要的。如果該面積百分?jǐn)?shù)低于1％，在鑄造的最后階段就會(huì)產(chǎn)生空隙，產(chǎn)品輪的可靠性就會(huì)降低。另一方面，如果面積百分?jǐn)?shù)高于15％，共析體就可能成為裂紋的起點(diǎn)。
碳化物的面積百分?jǐn)?shù)1-10％，優(yōu)選1-5％。
適量碳化物的形成有利于強(qiáng)化晶界，并提高1000℃或者更高溫度時(shí)的高溫強(qiáng)度。當(dāng)碳化物的面積百分?jǐn)?shù)為1％或更高時(shí)，即可獲得此效果。當(dāng)其面積百分?jǐn)?shù)超過(guò)10％時(shí)，則無(wú)此效果。優(yōu)選碳化物的面積百分?jǐn)?shù)范圍為1-5％。
M-值93-98。
由上式定義的M值是衡量相穩(wěn)定性的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。93-98范圍內(nèi)的M值可以確保產(chǎn)品渦輪機(jī)葉輪的耐久性。由于本發(fā)明的合金用于汽車(chē)零件，所以更高的M值有利于使零件具有更長(zhǎng)的耐久性。然而，當(dāng)M值超過(guò)98時(shí)，使用較長(zhǎng)時(shí)間后就容易產(chǎn)生有害相(如σ相)，其耐久性將會(huì)降低。
雖然，本發(fā)明的鎳基耐熱鑄造合金不含昂貴卻可有效增強(qiáng)合金的Hf，但其蠕變斷裂強(qiáng)度大大優(yōu)于最廣泛用作渦輪機(jī)葉輪材料的713C合金，且本發(fā)明合金的蠕變斷裂強(qiáng)度基本上與含Hf的MM-247相同。基于合金成分而言，材料成本可能會(huì)比713C稍高，但仍低于MM-247。由于本發(fā)明合金具有較高的可鑄性，不需要采用HIP工藝，因此，渦輪機(jī)葉輪的生產(chǎn)成本可能不會(huì)很高。因此，本發(fā)明使得以低價(jià)格提供一種能夠滿(mǎn)足所預(yù)測(cè)不久的將來(lái)廢氣溫度將會(huì)升高需求的渦輪機(jī)葉輪成為可能。
實(shí)施例制備具有如表1(工作實(shí)施例)和表2(對(duì)照實(shí)施例)所示合金成分的鎳基耐熱合金并將其鑄造成重50kg的鑄錠。對(duì)照實(shí)施例No.A為常規(guī)的713C合金，No.B為相應(yīng)的MM-247。這些合金的性能，如[％Al]+[％Ti]+[％Ta]示于表3(工作實(shí)施例)和表4(對(duì)照實(shí)施例)。從鑄錠上通過(guò)機(jī)械加工取樣，然后在1000℃和180MPa的條件下對(duì)其進(jìn)行蠕變斷裂測(cè)試。測(cè)定的蠕變性能示于表3和表4。
關(guān)于工作實(shí)施例No.8和No.9的合金，通過(guò)調(diào)節(jié)鑄造后的冷卻速率將γ/γ’共析體的面積百分?jǐn)?shù)調(diào)整為3.2％(No.8和No.9)和18.5(No.8A和No.9A)。該試樣也在相同的條件下，1000℃和180MPa，進(jìn)行蠕變測(cè)試。結(jié)果示于表5。為了方便進(jìn)行對(duì)比，將面積百分?jǐn)?shù)為7.1％情形下的數(shù)據(jù)在表5中又列了一次。
表1合金成分(工作實(shí)施例)編號(hào)C Si Mn Cr Co W Ta Al Ti Zr B 其它1 0.150.060.088.111.611.94.95.21.10.050.015-2 0.130.110.074.39.1 10.35.15.01.00.040.015-3 0.160.080.065.9- 13.14.55.21.40.050.013-4 0.110.070.067.412.28.3 4.75.31.30.040.020-5 0.130.120.049.010.914.22.25.61.20.050.018-6 0.120.420.067.99.2 11.17.65.10.90.040.016-7 0.140.140.397.310.013.25.14.12.60.050.015-8 0.120.080.086.213.611.23.26.80.40.030.011-9 0.110.070.076.312.810.97.92.12.90.040.013-100.050.130.068.210.412.34.65.30.90.030.013-110.180.120.089.211.413.04.55.21.00.050.014-120.140.120.097.39.1 13.04.84.91.40.010.015-130.130.100.108.211.29.3 4.65.10.90.180.012-140.120.130.069.310.912.24.75.41.10.040.006-150.040.120.058.210.112.14.75.31.20.050.14 -160.100.140.088.210.111.64.35.20.90.040.003Mg0.005170.110.110.098.310.612.14.65.31.10.050.002Ca0.006180.130.090.128.210.112.24.65.31.00.050.056-190.140.100.118.410.912.44.35.20.90.050.260-200.140.120.097.39.1 13.04.84.91.40.010.058-
表2合金成分(對(duì)照實(shí)施例)編號(hào) C Si Mn Cr Co W Ta Al Ti Zr B 其它A0.150.120.088.310.010.02.95.61.10.050.015Mo0.7Hf1.5B0.120.120.0612.0 - - - 5.90.80.150.015Mo4.0Nb2.3C0.190.110.088.49.8 9.8 4.75.11.20.160.014-D0.110.120.069.514.214.25.85.22.90.050.015-E0.120.090.089.19.5 9.5 4.75.11.00.040.012Fe5.3F0.100.120.098.610.310.34.55.21.10.050.012S0.1
表3結(jié)果(工作實(shí)施例)No.Ti+Al+Ta γ/γ’-共折體 碳化物 M-值蠕變性能(原子％)(面積百分?jǐn)?shù)) (面積百分?jǐn)?shù))壽命(小時(shí)) 延伸率1 12.58 3.9 4.2 94 4732 12.28 2.5 3.8 92 4543 12.45 3.3 4.1 93 4834 12.19 2.0 4.7 94 4435 12.73 4.1 4.3 95 4546 12.89 4.6 4.2 94 4457 12.21 2.7 3.9 94 4538 14.33 12.24.0 95 4749 12.16 2.1 4.5 94 42610 12.25 2.4 1.3 93 41711 12.29 2.6 4.2 94 45412 12.30 2.7 3.7 94 43313 12.19 2.5 3.8 93 48414 12.86 9.2 3.6 95 47415 12.76 3.6 1.1 94 43516 12.22 2.7 4.2 94 46417 12.67 3.1 4.4 94 45418 12.52 4.0 4.7 94 52619 12.03 3.9 4.9 94 46720 12.30 2.7 37 94 486
表4結(jié)果(對(duì)照實(shí)施例)No. Ti+Al+Ta γ/γ’共析體 碳化物 M-值 蠕變性能(原子％) (面積百分?jǐn)?shù))(面積百分?jǐn)?shù)) 壽命(小時(shí))延伸率A 13.61 8.54.7 96 46 3B 13.63 3.23.2 96 14 11C 12.30 7.35.7 95 32 2D 14.52 6.23.9 99 36 4E 12.15 1.94.0 96 34 5F 12.40 2.34.2 95 38 4表5γ/γ’共折體 蠕變性能編號(hào) (面積百分?jǐn)?shù)) 壽命(小時(shí)) 延伸率812.2 47 48A 18.1 36 1092.142 69A 0.4(產(chǎn)生許多鑄造缺陷)
權(quán)利要求
1.一種鎳基耐熱鑄造合金，該合金基本由下列組成以重量％計(jì)，C0.02-0.50％，Si最高達(dá)1.0％，Mn最高達(dá)1.0％，Cr4.0-10.0％，Al2.0-8.0％，Co最高達(dá)15.0％，W8.0-16.0％，Ta2.0-8.0％，Ti最高達(dá)3.0％，Zr0.001-0.200％和B0.005-0.300％，余量為鎳和不可避免的雜質(zhì)，條件是[％Al]+[％Ti]+[％Ta]，以原子％計(jì)，總量為12.0-15.5％，并含有1-15％的γ/γ’共析體，以面積百分?jǐn)?shù)計(jì)，含有1-10％的碳化物，以面積百分?jǐn)?shù)計(jì)，且以下式(其中％為原子％)定義的“M-值”在93-98的范圍內(nèi)M＝0.717[％Ni]+1.142[％Cr]+2.271[％Ti]+1.9[％Al]+2.117[％Nb]+1.55[％Mo]+0.777[％Co]+3.02[％Hf]+2.224[％Ta]+1.655[％W]+2.994[％Zr]
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鎳基耐熱鑄造合金，其中該合金還包含選自Mg最高達(dá)0.01％，Ca最高達(dá)0.01％和REM最高達(dá)0.1％中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的鎳基耐熱鑄造合金，其中的雜質(zhì)含量調(diào)整最高至下述各自上限值Fe5.0％，Mo1.0％，Cu0.3％，P0.03％，S0.03％和V1.0％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的鎳基耐熱鑄造合金，其中該合金還包含選自Mg最高達(dá)0.01％，Ca最高達(dá)0.01％和REM最高達(dá)0.1％中的至少一種，且其中的雜質(zhì)含量調(diào)整最高至下述各自上限值Fe5.0％，Mo1.0％，Cu0.3％，P0.03％，S0.03％和V1.0％。
5.一種由權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述鎳基耐熱鑄造合金制備的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)葉輪。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種鎳基耐超耐熱鑄造合金，可由此合金通過(guò)鑄造制成汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)葉輪。該合金基本由下列組成，以重量％計(jì)，C0.02－0.50％，Si最高達(dá)1.0％，Mn最高達(dá)1.0％，Cr4.0－10.0％，Al2.0－8.0％，Co最高達(dá)15.0％，W8.0－16.0％，Ta2.0－8.0％，Ti最高達(dá)3.0％，Zr0.001－0.200％和B0.005－0300％，余量為鎳和不可避免的雜質(zhì)，如果[％Al]+[％Ti]+[％Ta]，以原子％計(jì)，總計(jì)為12.0－15.5％，含有1－15％的γ/γ’共析體，以面積百分?jǐn)?shù)計(jì)，含有1－10％的碳化物，以面積百分?jǐn)?shù)計(jì)，以及由合金成分決定的“M－值”在93－98的范圍。該渦輪機(jī)葉輪可承受廢氣溫度的升高。
文檔編號(hào)F02B39/00GK1570171SQ20041007147
公開(kāi)日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2004年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月24日
發(fā)明者高畑紀(jì)孝, 植田茂紀(jì), 野田俊治, 清水哲也 申請(qǐng)人:大同特殊鋼株式會(huì)社