CN102414331A - 具有多活性元素的镍基γ/γ＇超合金和所述超合金在复杂材料体系中的用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种镍基γ/γ’超合金，其具有如下多个独特优点：至多中等成本、高抗氧化性、高抗热腐蚀性、中等强化、合适的合金稳定性和相对良好的可焊接性。所述合金包含：至多20wt％的Co与Fe之和、17～21wt％的Cr、0.5～3wt％的Mo与W之和、至多2wt％的Mo、4.8～6wt％的Al、1.5～5wt％的Ta、0.01～0.2wt％的C与B之和、0.01～0.2wt％的Zr、0.05～1.5wt％的Hf、0.05～1.0wt％的Si、和0.01～0.5wt％的稀土元素如Sc、Y、镧系元素和锕系元素之和，使得这些稀土元素中的至少两种存在于所述合金中，以及任意这些稀土元素不超过0.3wt％。还涉及其在热部件例如但不限于燃汽轮机中的叶片、轮片、热屏蔽体、密封物和燃烧器部件中的用途。还涉及其作为用于补焊和/或包覆这类热部件的用途。还涉及其作为这类热部件上的TBC体系中的保护涂层和/或粘合涂层的用途。还涉及其作为这类热部件上的涂层和/或粘合涂层以及用于修复和/或包覆的双重用途。还涉及其作为这类热部件上的基础合金和另一涂层和/或粘合涂层之间的中间层的用途。还涉及在这类部件中以多晶、定向凝固或单晶形式的用途。还涉及其通过例如但不限于精密铸造、激光焊接/包覆、热匣焊接、激光烧结、冷喷涂、爆炸焊接和真空等离子体喷涂的工艺来生产。还涉及其通过低S加工来生产。还涉及其作为如通过低S加工生产的上述示例性材料体系的一部分的用途。

Description

具有多活性元素的镍基γ/γ＇超合金和所述超合金在复杂材料体系中的用途
技术背景
镍基γ/γ’超合金对航空和陆基燃气轮机中的关键部件而言是必不可少的，但是也用于其他应用中。所述超合金之间的区别取决于开发它们时可用的知识和生产技术水平，以及不同的相对性能侧重点，如成本、抗氧化性、耐腐蚀性、加强性、合金稳定性、延展性、可焊性和与复杂材料体系中其它合金的相容性。
镍基γ/γ’超合金以单晶、定向凝固或等轴形式使用。在每种晶体中都有γ基质，其基本上是固溶体形式的Ni与元素如Co、Cr、Mo、W和Re；和γ’颗粒，其基本上是固溶体形式的Ni3Al与元素如Ta、Ti、Nb和V。如果存在，晶界通常用提供内聚强度的碳化物和/或硼化物装饰。Zr也有助于晶界的内聚力。定向凝固的组分中的晶界通常通过添加大量Hf来保护。Zr和Hf也可有助于用于改善的抗循环氧化性的活性元素效应。活性元素效应也可以获自Si和稀土。
元素如Mo、W和Re提供了γ基质的固溶强化，而Ta、Ti、Nb和V提供了γ’颗粒的固溶强化。Al因为增加γ’颗粒的量以及增加γ基质中Mo、W和Re的浓度而提供强化。
镍基γ/γ’超合金很少可以被视为低成本，但是，如果昂贵元素如W和Ta保持在中等水平，并且非常昂贵的元素如Re、Ru和贵金属如Pt保持在非常低的水平或不使用，则在上下文中成本可以被视为中等。
在热部件如燃气轮机的上下文中，通常认为优异的抗氧化性需要形成非常粘着且连续的低渗透性Al2O3表层(scale)的能力。
[Barrett]教导了通过Al(通过Cr和Ta增强，用Mo和W轻度还原，并且用Ti、Nb和V重度还原)提供形成连续Al2O3表层的能力。这意味着，如果Cr和Ta的水平增加或Ti、Nb和V的水平降低，则需要较少的Al来形成这种Al2O3外层。
[Sarioglu]教导了通过夹入元素(tramp element)、尤其是S来明显降低表层附着力，但是该效应能够被清洁铸造和少量可测水平的活性元素如Hf、Zr和稀土元素的添加的组合抵消掉。[Sarioglu]还教导，S的有害作用与其扩散到金属/表层相间、然后使其弱化的倾向有关。
[Pint 1]强调了S的重要性，并且还教导了结合低水平的Hf和稀土Y时的有益RE效果。
[Harris]教导，两种稀土元素La和Y的组合比单独使用Y或La时提供了更好的抗循环氧化性。[Harris]还教导，虽然Y是最常使用的稀土，但是其未必总是最有效的，而Ce可能非常有效。
[Pint 2]教导，对于提高相同浓度水平下氧化物表层附着力而言，Ce、Gd、Sm、Tb、Nd和La比例如Hf、Zr和Y更为有效。
[Caron 1]教导了当组合低水平的Hf和Si时有益的活性元素效应。
[Pint 3]教导，当使用多活性元素时，可以获得优异的活性元素效应，一个例子是在对包含少量可测水平的Zr、Si和Y的Haynes-214进行的测试中看到了优异的抗循环氧化性。在包含低水平的Hf、Zr、Si和Y的Rene-N5中也看到了优异的抗循环氧化性。
[Aimone]教导，在主热浇铸期间，由于蒸发或与周围材料的反应，通常只保留约10％的稀土元素添加量。[Aimone]进一步教导，添加20ppm的Y无效，添加200-500ppm范围非常有效，而添加1000-2000ppm范围效力较低，这意味着合金中保留的20-50ppm范围的Y水平非常有效，并且，过高的稀土元素保留水平不是最佳的。
一个结论是，出人意料地，当用适当的元素如Cr、Ta和Si水平负载时，为形成连续的Al2O3表层需要低Al水平，条件是过高水平的有害元素如Ti和Nb得以避免。另一个结论是，优异的表层附着力需要低S生产工艺和选自Hf、Zr、Si和稀土元素中的多活性元素的组合。稀土元素应当以低的保留可测水平使用，并且有利的是使用至少两种。此外，初始的稀土组成必须基于所用具体生产工艺的保留来选择。
耐腐蚀性通过Cr提供。少于12wt％的Cr被视为差，至少12wt％的Cr被视为中等，至少16wt％的Cr被视为良好，并且至少20wt％的Cr被视为优异。
[Goldschmidt]教导，具有16wt％的Cr和3wt％的Mo的合金SC16的耐热腐蚀性明显劣于具有16wt％的Cr和1.8wt％的Mo的公知合金IN738LC。IN738LC通常被认为具有良好的耐腐蚀性。因此，在新合金中限制至多2wt％的Mo看起来是慎重的，并且我们希望具有16wt％的Cr，优选具有一些裕度(margin)，因为我们可能正进入将使用相对腐蚀性的燃料如某些生物燃料的时代。
高强度基础合金通常使用约4～10wt％的Mo+W+Re用于基质强化，并且约4-10wt％的Ti+Ta+Nb用于γ’颗粒的强化，并且包含40～70体积％的γ’颗粒。IN738LC包含约43体积％的颗粒，4.4wt％的Mo+W和6.2wt％的Ti+Ta+Nb。与此相反，低强度合金如Haynes-214在强度上仍然等同于传统的焊接填料合金如IN625，不包含基质或颗粒强化，并且在高工作温度下γ’颗粒的含量少或为零。在本文中，中等强化水平是指30-50体积％范围的γ’含量，以及2至8wt％范围的基质和颗粒强化元素之和。
如果γ基质中Cr、Mo、W和Re的浓度过高，则会直接形成或在工作中形成诸如αCr的相或拓扑学上紧密堆积的相。因此，如果要避免这些相的大量析出，增加γ’含量或增加Mo、W或Re水平必须伴随Cr含量的减少。这种相析出的一个具体效果是蠕变强度降低，因此相稳定性成为基础合金设计的一个重要主题。此外，大量的相析出可导致延展性损失，所述相经常被称为脆性相。应当指出，由于相互扩散，可能局部增加如上所述合金添加浓度，因而对于复杂材料体系中的合金而言稳定性甚至可能更为重要。
[Caron 2]教导，对合金而言脆性相析出的风险可以通过将该合金和具有已知TCP风险的相对类似合金的Md值进行比较来评价。对于此处讨论的合金，Md值可以由下式计算：
Md＝0.717aNi+0.777aCo+1.142aCr+1.267aRe+1.55aMo+1.655aW+1.9aAl+1.9aSi+2.117aNb+2.224aTa+2.271aTi+3.02aHf
其中Co是以原子％等计的Co含量。在上下文中，良好的稳定性是指优于由该式计算的IN738LC。
[Yeh]教导，Si优选与γ’相隔开，使得γ’含量增加，这意味着向初始稳定的合金任意添加显著水平的Si必须通过减少Al、Cr或强化元素的水平来平衡以避免显著的脆性相析出。
典型的涂层合金倾向于为基于提供高Al储藏的β和γ/β相结构。β相基本上是NiAl。这些合金的问题在于，其脆性意味着它们通常只作为薄层使用。因此，它们易于与基础合金相互扩散，例如因为扩散到低Al的基础合金中损失Al和/或因为Ti从基础合金相互扩散到涂层中而降低抗氧化性。近来，已经向这些典型涂层合金添加强化元素以减缓相互扩散速率，通常使用Re、Ru和Ta添加来减缓。[Subramanian]教导，由于Al相互扩散速率降低，在SiCoat2464中添加Re显著增加抗氧化性。
与典型的涂层合金相比，如果避免了高水平的例如脆性相、低共熔混合物、铸造孔隙率和焊接裂纹，则几乎所有的γ/γ’超合金都会提供良好的延展性。
还应提及，已经开发了一些基于γ/γ’结构的包覆型(overlay)涂层合金，常常侧重于利用高Cr和Si水平的抗腐蚀性，并且最新的进展也包括一些强化元素添加。
还应提及，已经开发了添加贵重元素如Pt以用于强化和抗氧化性的基于γ/γ’结构的涂层合金，例如，参见[Zhang]。
当合金可以用于包含铝化物的材料体系中时，对于合金而言重要的是与所述铝化物相容。
[Vedula]教导，向NiAl少量添加Hf导致蠕变强度显著提高。[Tolpygo]教导，基础合金中的Hf会扩散到所施加的铝化物涂层中，并且降低涂层表面的起皱，使得氧化物表层的附着力增加，其可以被解释为向NiAl添加Hf时蠕变强度提高的效果。
还应提及，起皱增加了表面粗糙度，因此也增加了表面的传热系数，并且这也可以导致加快的氧化攻击。
热部件的焊接和包覆通常利用γ基合金或IN625作为填料来进行。诸如激光焊接的技术随后使得能够使用例如IN738LC基填料合金用于IN738LC基础合金。近来，已经引入基于高Al、高强度、高γ’含量合金的填料合金来例如修复氧化损伤。[Fujita]教导，基于Rene-142的填料合金可以用于激光焊接修复CMSX-4，使得CMSX-4的单晶结构得以保留。两种合金均具有60-70体积％范围的γ’含量。
在具有高抗氧化性的填料合金的上下文中，我们因此认为具有40-50体积％γ’和中等强化的合金具有良好的可焊接性，并且对于本领域的技术人员而言应该显而易见的是，如同诸如Rene-142的合金的使用，这种合金的使用会较不困难且成本不高。
还应提及，内部网络已经显示，许多典型的损伤情况不需要使用具有Rene-142水平强度的填料合金来修复。例如，已经对以CMSX-4制成的第一级叶片进行了模拟，其中相对于真实的发动机环境增加热气体温度以模拟将来的升级。此外，为了模拟在该特定声响器尖端上的氧化损伤焊接修复，在所述尖端上将蠕变速率(在给定的应力和温度水平下)相对于CMSX-4提高了100倍，但是由于在所述尖端上的低蠕变载荷，没有导致过度蠕变。
合金用于涂层和修复的双重用途将使修复和刷新过程变得更容易且成本更低廉。在需要时，包括在涂层被消耗且部分基材损失的情况下，添加更多的涂覆合金，在该情况下，使用涂层合金来重建部件以产生必要的几何形状。
还考虑热部件，例如以[低Al高Ti]合金如IN939制成的燃气轮机第一级叶片。一个常见问题是平台上的局部过热，并且典型的涂覆系统因为与[低Al高Ti]合金相互扩散而倾向于提供相当有限的寿命。将厚度从标准水平增加至例如局部热区域中2mm(即施加包覆)的能力将显著增加部件寿命。随后将例如PtAl涂层施加到顶部能够用来进一步增加该部件的寿命。在这样的区域中，基材的全蠕变强度不是必须的，但是部分蠕变强度仍然可用于抵抗因高速热气流引起的表面腐蚀和起皱，这是因为增加的表面粗糙度意味着更高的热被传递到部件，因此氧化过程加快。
现有技术
早期的γ/γ’超合金开发导致诸如U-700的合金，以wt％计其具有由Ni-17Co-15Cr-4.5Mo-4.3Al-3.5Ti-0.07Zr-0.08C给出的组成。由于15wt％的Cr的和尽管3.5wt％的Ti，U-700可形成具有4.3wt％的Al的连续的Al2O3表层。由于具有高水平的、在其开发时使用的主要强化元素Mo，所以这些合金比由其Cr水平所示具有较低的抗热腐蚀性。其γ’含量在45至55体积％范围内。
随后一系列合金开发导致诸如IN939、IN738LC和IN792的合金，并且这类合金迄今仍保留陆基燃气轮机中的标准。以wt％计，IN939具有由Ni-19Co-22Cr-2W-2Al-3.7Ti-1.4Ta-INb-0.1Zr-0.15C-0.01B给出的组成。IN738LC的组成为Ni-8.5Co-16Cr-1.8Mo-2.6W-3.4Al-3.4Ti-1.8Ta-0.9Nb-0.09Zr-0.08C-0.01B。IN792的组成为Ni-9Co-12.5Cr-1.8Mo-4.2W-3.4Al-4.2Ti-4.2Ta-0.08C-0.015B。
与诸如U-700的合金相比，Mo被W部分取代以提高抗腐蚀性，Al被Ti、Nb和Ta部分取代以通过提高γ’颗粒的强化来提高蠕变强度。特别地，这些合金包含高Ti水平。
根据其Cr含量，它们的抗热腐蚀性依次为：IN939优异，IN738LC良好，IN792中等。这些合金不具有形成连续Al2O3表层的能力，因此它们不提供良好的抗氧化性。γ’颗粒含量通常在30-55体积％范围内。知识的改进允许合金设计人员比上述老的合金更好地处理相稳定性。蠕变强度从诸如IN939的合金中的中等变成诸如IN792的合金中的高强度。
随后另一系列合金的开发导致诸如Mar M-247的合金，以wt％计其具有由Ni-10Co-8Cr-0.7Mo-10W-5.65Al-1Ti-3Ta-1.5Hf-0.15C给出的组成。定向凝固的引入导致衍生合金如CM247DS，并且单晶铸造导致衍生合金如Rene N5和CMSX-4，以wt％计其分别具有由Ni-7.5Co-7Cr-1.5Mo-5W-3Re-6.1Al-6.5Ta-0.1Hf-0.05C和Ni-9Co-6.5Cr-0.6Mo-6.5W-3Re-5.65Al-1Ti-6.5Ta-0.1Hf给出的组成。
该类合金的抗腐蚀性由于其非常低的Cr水平而不良。其由中等至高Ta水平负载的高Al水平允许其形成连续的Al2O3表层，尽管其具有非常低的Cr水平。近来，已经通过清洁铸造和利用活性元素效应进行了大量的工作来增强其抗氧化性和涂层相容性。其可焊接性由于其非常高的60～75体积％范围的γ’含量而不良。已经注意实现良好的合金稳定性来避免蠕变强度降低。其蠕变强度依次为：从诸如Mar M-247的合金的高，到诸如Rene N5和CMSX-4的合金的非常高。
除了这三种主要类别的合金之外，存在一些感兴趣的专门合金。以wt％计，Haynes-214具有由Ni-3Fe-16Cr-4.5Al给出的基础组成，并且还包含低水平的Zr、Si和Y以提供活性元素效应。它兼具良好的抗腐蚀性、优异的抗氧化性和高可焊接性。因为它不包含强化元素，所以蠕变强度比较差。
最近公开了两个专利申请。这些合金在一定程度上可以被视为U-700的衍生物，其中Mo至少部分被W取代，Ti至少部分被Ta取代：
专利申请EP20060021724公开了一种合金，其具有至少12wt％的Cr、至少4wt％的Al、至少7.5wt％的Ta和至少3wt％的基质强化元素Mo+W+Re之和。这意味着它是高强度合金，并且因此在上述意义上我们不能假定良好的可焊接性。
专利申请2008P02248WO公开了一种合金，其具有17～21wt％的Cr、4.0～4.7wt％的Al和中等水平的基质和颗粒强化元素。这可能具有大多数的本发明性能，但是即使中等Al损失也会降低原本可能优异的抗氧化性。一个典型实施方案是STAL18，以wt％计具有Ni-5Co-18Cr-0.8Mo-2.5W-4.4Al-4.4Ta-0.03C-0.03Zr-0.005B-0.1Hf-0.1Si-0.02Ce的组成。
γ/γ’基涂层的一个典型例子是以wt％计名义组成为Ni-25Cr-2.7Si-5.5Al-0.5Y-1Ta的SV-20。因为由这些Al和Si水平导致的高Cr含量和相对高的γ’含量，所以γ/γ’结构不稳定。专利EP1426759教导，SV-20在低于900℃时具有～20体积％的α-Cr的平衡含量，并且室温和高于900℃的温度之间的热循环将导致溶液化、再析出和一定水平的非平衡产物。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有如下多个独特优点的镍基γ/γ’超合金：中等成本、优异的抗氧化性、良好的抗腐蚀性、中等强度、良好的稳定性、良好的延展性、良好的可焊接性、与铝化物涂层的良好相容性，以及在复杂材料体系中对抗中等Al损失的裕度。
另一目的是其在热部件中的用途，所述热部件例如但不限于燃汽轮机中的叶片、轮片、热屏蔽体、密封物和燃烧器部件。又一目的是其作为用于补焊和/或包覆这类热部件的填料合金的用途。又一目的是其作为这类热部件上TBC体系中的保护涂层和/或粘合涂层的用途。又一目的是其作为这类热部件上的涂层和/或粘合涂层以及用于修复和/或包覆的双重用途。又一目的是其作为在这类热部件上的基础合金和另一涂层和/或粘合涂层之间的中间层的用途。又一目的是其在这类部件中以多晶、定向凝固或单晶形式的用途。又一目的是其通过例如，但不限于精密铸造、激光焊接/包覆、热匣焊接(hot box welding)、激光烧结、冷喷涂、爆炸焊接和真空等离子体喷涂的工艺来生产。又一目的是其通过低S加工来生产。又一目的是其作为如通过低S加工生产的上述示例性材料体系的一部分的用途。
虽然本发明中公开的合金不具有其用作热部件高载荷区域中的基础合金所需的强度，例如避免燃汽轮机叶片过度伸长所需的强度，但是其强度对许多热部件和对于大多数热部件的大部分区域(如在平台上和叶片尖端上的)而言是足够的。因此，由于上述其它性质范围，所述合金可用于例如制造许多热部件以及包覆或修复大多数热部件。
本发明的组合物基于如下构思：良好的耐腐蚀性和稳定性需要至多中等水平的γ’颗粒和至多中等水平的强化元素以允许高的Cr含量，而没有大量的脆性相析出。这也意味着良好的延展性和可焊接性。同时，优异的抗氧化性需要形成连续且非常粘着的Al2O3表层，并且这必须实现，而不管对γ’含量和因此对Al含量的限制如何，以及必须具有至少一些也添加到γ’含量的γ’颗粒强化的事实。解决方案是依赖于有益于抗氧化性的Ta而不是用于强化γ’颗粒的有害元素Ti、Nb或V，并且使用清洁生产方法和多活性元素，以补足相对中等的Al水平。
由于与γ/γ’结构相关的相对良好的延展性，作为涂层和填料合金的双重用途是可能的。对于典型的基于β相的脆性涂层合金，这可能明显更为困难。在理论上，可以通过贵重元素来强化γ/γ’涂层，但是成本将会明显更高。对于诸如SV-20的γ/γ’涂层是可能的，但是我们优选避免与在这类涂层合金中缺乏合金稳定性相关的不确定性，尤其是在可能存在因为复杂材料体系中的相互扩散引起的脆性相形成元素进一步富集的情况下。
具体实施方式
通常至多20wt％的钴水平用于镍基γ/γ’超合金中，并且看起来允许相同的变化以例如允许与不同基础合金匹配的实施方案是合理的。Fe添加较不常见，但是中等Fe添加用于例如高抗氧化性的合金Haynes-214中。
通过与例如IN738LC比较，本领域的技术人员应当清楚，考虑到限制一般的有害元素、特别是Mo的水平，17～21wt％的Cr应当足以提供良好的抗热腐蚀性。
基质元素的中等强化通过0.5～3的wt的Mo+W来提供，限制Mo至多为2wt％，以保持由高Cr含量所提供的良好抗热腐蚀性。
抗氧化性基于4.8～6wt％的Al。虽然4.8wt％的Al与例如基于β相的涂层合金和抗氧化的叶片合金如CM247CC相比较低，但是Haynes-214显示，当得到高水平Cr和合适的多活性元素配方支持时，4.5wt％可足以获得优异的抗循环氧化性。Al下限设定为比在Haynes-214中使用的4.5wt％稍高，以在合金用于上述材料体系中时对相互扩散作用提供一定的裕度。由于要求合适的相稳定性，所以多于6wt％的Al与良好的抗热腐蚀性所需的Cr水平不相容。
γ’颗粒的中等强化由1.5～5wt％的Ta提供。
至多0.2wt％的C+B水平通常用于晶界强化，并且甚至当合金以单晶形式使用时，有利的是包括至少0.01wt％以获得低角度边界容限。
Zr含量应当为至少0.01wt％以有助于多活性元素掺杂，并且可至多0.2wt％，从而例如有助于晶界强化。
Hf含量应当为至少0.05wt％以有助于多活性元素掺杂，并且可以至多1.5wt％以有助于例如所施用铝化物涂层的抗起皱性，或者，在合金以定向凝固形式使用时用于晶界强化。
Si含量应当为至少0.05wt％以有助于多活性元素掺杂，但是可以至多1.0wt％，以例如提高抗腐蚀性。设定1wt％的限制以避免不稳定的合金行为。
稀土元素之和应当为至少0.01wt％，以在生产工艺具有高稀土元素保留度时在该生产工艺之后提供合适的稀土元素保留水平。稀土元素之和可以必须高至0.5wt％，以在生产工艺具有低稀土元素保留度时在该生产工艺之后提供合适的稀土元素保留水平。
此处公开的组成涉及实际应用之前的生产链中的阶段，其可能为例如来自棒材的部件铸造、粉末的真空等离子体喷涂或粉末的激光焊接，但是在冷喷涂和类似的非熔化工艺的情况下，其涉及所述冷喷涂或类似工艺之前在最后熔化之前的阶段。
根据本发明的一个实施方案，所述合金可包括至多20wt％的Co+Fe、17～21wt％的Cr、0.5～3wt％的Mo+W、至多2wt％的Mo、4.8～6wt％的Al、1.5～5wt％的Ta、0.01～0.2wt％的C+B、0.01～0.2wt％的Zr、0.05～1.5wt％的Hf、0.05～1.0wt％的Si和0.01～0.5wt％的稀土元素之和以便存在至少两种稀土元素，并且存在至多0.3wt％的任意一种稀土元素。
另外，所述合金可包括至多20wt％的Co+Fe、17～21wt％的Cr、0.5～3wt％的Mo+W、至多2wt％的Mo、4.8～6wt％的Al、1.5～5wt％的Ta、0.01+0.2wt％的C+B、0.01～0.2wt％的Zr、0.05～1.5wt％的Hf、0.05～1.0wt％的Si和0.01～0.5wt％稀土元素之和以便存在至少两种稀土元素，并且存在至多0.3wt％的任意一种稀土元素，而且Y仅作为不可避免的杂质存在。
或者，所述合金可包括2～8wt％的Co、17～19wt％的Cr、1～2.2wt％的W、4.8～5.8wt％的Al、2～4.5wt％的Ta、0.01～0.1wt％的C+B、0.02～0.08wt％的Zr、0.1～0.5wt％的Hf、0.05～0.4wt％的Si和0.02～0.2wt％的至少以两种存在的稀土元素之和。
此外，所述合金可包括4.5～5.5wt％的Co、18.2～19wt％的Cr、1.4～1.8wt％的W、5.2～5.5wt％的Al、2.8～3.6wt％的Ta、0.015～0.025wt％的C、0.04～0.07wt％的Zr、0.25～0.4wt％的Hf、0.07～0.13wt％的Si和0.05～0.15wt％的(La+Y)、至少0.02的La、至少0.02的Y。
在一个称为STAL185W1的优选实施方案中，所述合金可以包括约5.0wt％的Co、约18.5wt％的Cr、约1.6wt％的W、约5.3wt％的Al、约3.2wt％的Ta、约0.02wt％的C、约0.05wt％的Zr、约0.3wt％的Hf、约0.1wt％的Si、约0.05wt％的Y和约0.05wt％的La。
或者，所述合金可以包括2～8wt％的Co、17～19wt％的Cr、1～2.2wt％的W、4.8～5.8wt％的Al、2～4.5wt％的Ta、0.01～0.1wt％的C+B、0.02～0.08wt％的Zr、0.1～0.5wt％的Hf、0.05～0.4wt％的Si和0.05～0.5wt％的稀土元素之和、至多0.3的任意一种稀土元素，并且Y仅作为不可避免的杂质存在。
另外，所述合金可包括4.5～5.5wt％的Co、18.2～19wt％的Cr、1.4～1.8wt％的W、5.2～5.5wt％的Al、2.8～3.6wt％的Ta、0.015～0.025wt％的C、0.04～0.07wt％的Zr、0.25～0.4wt％的Hf、0.07～0.13wt％的Si和0.05～0.5wt％的Ce+Gd之和、至少0.02wt％的Ce、至少0.02wt％的Gd和至多0.3wt％的Gd或Ce。
在一个称为STAL185W2的优选实施方案中，所述合金可包括约5wt％的Co、约18.5wt％的Cr、约1.6wt％的W、约5.3wt％的Al、约3.2wt％的Ta、约0.02wt％的C、约0.05wt％的Zr、约0.3wt％的Hf、约0.1wt％的Si、约0.05wt％的Ce和约0.05wt％的Gd。
或者，合金可以包括2～8wt％的Co、17～19wt％的Cr、0.5～1.5wt％的Mo、4.8～5.8wt％的Al、2～4.5wt％的Ta、0.01～0.1wt％的C+B、0.02～0.08wt％的Zr、0.1～0.5wt％的Hf、0.05～0.4wt％的Si和0.02～0.2wt％的在合金中存在的至少两种的稀土元素之和。
此外，以wt％计，合金可以包括4.5～5.5wt％的Co、18.2～19wt％的Cr、0.8～1.2wt％的Mo、5.2～5.5wt％的Al、2.8～3.6wt％的Ta、0.015～0.025wt％的C、0.04～0.07wt％的Zr、0.25～0.4wt％的Hf、0.07～0.13wt％的Si和0.05～0.15wt％的(La+Y)、至少0.02wt％的La、至少0.02wt％的Y。
在一个称为STAL185Mo1的优选实施方案中，合金可以包括约5.3wt％的Co、约18.5wt％的Cr、约1.0wt％的Mo、约5.3wt％的Al、约3.2wt％的Ta、约0.02wt％的C、约0.05wt％的Zr、约0.3wt％的Hf、约0.1wt％的Si、约0.05wt％的Y和约0.05wt％的La。
或者，合金可以包括2～8wt％的Co、17～19wt％的Cr、0.5～1.5wt％的Mo、4.8～5.8wt％的Al、2～4.5wt％的Ta、0.01～0.1wt％的C+B、0.02～0.08wt％的Zr、0.1～0.5wt％的Hf、0.05～0.4wt％的Si和0.02～0.5wt％的在合金中存在的至少两种的稀土元素之和、至多0.3wt％的任意稀土，并且Y仅作为不可避免的杂质存在。
此外，以wt％计，合金可以包括4.8～5.8wt％的Co、18.2～19wt％的Cr、0.8～1.2wt％的Mo、5.2～5.5wt％的Al、2.8～3.6wt％的Ta、0.015～0.025wt％的C、0.04～0.07wt％的Zr、0.25～0.4wt％的Hf、0.07～0.13wt％的Si和0.05～0.5wt％的(Ce+Gd)、至少0.02wt％的Ce、至少0.02wt％的Gd、至多0.3wt％的Ce或Gd。
在一个称为STAL185Mo2的优选实施方案中，所述合金可以包括约5.3wt％的Co、约18.5wt％的Cr、约1.0wt％的Mo、约5.3wt％的Al、约3.2wt％的Ta、约0.02wt％的C、约0.05wt％的Zr、约0.3wt％的Hf、约0.1wt％的Si、约0.05wt％的Ce和约0.05wt％的Gd。
或者，为了增加抗热腐蚀性，所述合金可以包括(以wt％计)2～8wt％的Co、20～21wt％的Cr、0.5～1.5wt％的W、4.7～5.3wt％的Al、1.5～2.5wt％的Ta、0.01～0.1wt％的C+B、0.02～0.08wt％的Zr、0.1～0.5wt％的Hf、0.1～0.7wt％的Si和0.02～0.2wt％的在所述合金中存在的至少两种的稀土元素之和。
此外，所述合金可以包括(以wt％计)4.5～5.5wt％的Co、20.2～21.8wt％的Cr、0.8～1.2wt％的W、4.8～5.2wt％的Al、1.8～2.2wt％的Ta、0.015～0.025wt％的C、0.04～0.07wt％的Zr、0.25～0.4wt％的Hf、0.3～0.5wt％的Si和0.05～0.15wt％的(La+Y)、至少0.02wt％的La、至少0.02wt％的Y。
在一个称为STAL205W1的优选实施方案中，所述合金可以包括约5wt％的Co、约20.5wt％的Cr、约1wt％的W、约5wt％的Al、约2wt％的Ta、约0.02wt％的C、约0.05wt％的Zr、约0.3wt％的Hf、约0.4wt％的Si、约0.05wt％的Y和约0.05wt％的La。
或者，所述合金可以包括2～8wt％的Co、20～21wt％的Cr、0.5～1.5wt％的W、4.7～5.3wt％的Al、1.5～2.5wt％的Ta、0.01～0.1wt％的的C+B、0.02～0.08wt％的Zr、0.1～0.5wt％的Hf、0.1～0.7wt％的Si、0.02～0.5wt％的在所述合金中存在的至少两种的稀土元素之和，Y仅作为不可避免的杂质存在，至多0.3wt％的任意一种稀土元素。
此外，所述合金可以包括(以wt％测得)4.5～5.5wt％的Co、20.2～20.8wt％的Cr、0.8～1.2wt％的W、4.8～5.2wt％的Al、1.8～2.2wt％的Ta、0.015～0.025wt％的C、0.04～0.07wt％的Zr、0.25～0.4wt％的Hf、0.3～0.5wt％的Si和0.05～0.5wt％的(Ce+Gd)、至少0.02wt％的Ce和至少0.02wt％的Gd、至多0.3wt％的Ce或Gd。
在一个称为STAL205W2的优选实施方案中，所述合金可以包括约5wt％的Co、约20.5wt％的Cr、约1wt％的W、约5wt％的Al、约2wt％的Ta、约0.02wt％的C、约0.05wt％的Zr、约0.3wt％的Hf、约0.4wt％的Si、约0.05wt％的Ce和约0.05wt％的Gd。
利用我们内部的合金设计系统，对STAL185W1，我们计算出45体积％的γ’颗粒含量和0.9580的Md值，并且其数值与STAL185W2、STAL185Mo1和STAL185Mo2的类似。对于STAL205，我们计算出约41体积％的γ’颗粒含量和0.9563的Md值。为了比较，对于IN738LC，我们计算43体积％的γ’颗粒含量和0.9818的Md值。所有的颗粒含量都涉及900摄氏度的参考值。这些值表明相对良好的合金稳定性和可焊接性。
根据本发明的超合金应利用清洁生产工艺加工以生产具有至多10ppmw的S、优选低于2ppmw的S的合金。此外，其中包括根据本发明的超合金的复杂材料体系的每个部分都应当用清洁生产工艺加工，这导致至多10ppmw的S、优选低于2ppmw的S。
我们不期望上述任一实施方案对本发明范围内所关注的所有材料体系和条件都是最佳的。例如，Mo会例如降低溶线温度，而W使之升高，虽然差值可能仅为几摄氏度，但是这可能能够或防止目标为复杂材料体系内合金之一的热处理。活性元素的选择可能需要被调节为在复杂材料体系中其它合金中使用的活性元素。因此，需要不止一个实施方案，并且其它实施方案可以设计为优化与例如特殊基础合金的相容性或用于特定的腐蚀性环境。
与现有技术的比较
如果我们限制形成Al2O3表层的合金，则排除与IN939、IN738LC和IN792类似的典型合金类别。
如果我们进一步限制为具有至少16wt％的Cr以获得良好抗腐蚀性的合金，则排除与CMSX-4和Rene N5类似的合金类别。
如果我们进一步限制为具有至多2wt％的Mo以避免抗腐蚀性劣化的合金，则排除与U-700类似的旧合金类别。
如果我们进一步限制为具有良好延展性的合金，则排除所有的基于β相的合金。
如果我们进一步限制为基质强化元素如Mo、W和Re和颗粒强化元素如Ti、Ta、Nb和V之和为至少2wt％的合金，则排除诸如Haynes 214的合金。
如果我们进一步限制为不包含贵重元素或诸如Re和Ru的元素的合金，则排除包含Pt的γ/γ’涂层合金以及一些新型的Re和Re+Ru强化涂层合金类别。
如果我们进一步限制为具有良好可焊接性的合金，则排除高强度合金如在EP20060021724中公开的合金。
如果我们限制为具有良好合金稳定性的合金，则排除诸如SV-20的合金。
专利申请2008P02248WO在诸多方面与本发明类似。不同之处在于其具有比本发明中更少的Al，以及因此具有在开始丧失其初始的良好至优异的抗氧化性之前的更小的对抗复杂材料体系中Al损失的裕度。
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Claims (23)

1.一种镍基γ/γ’超合金，其包含：
至多20wt％的Co与Fe之和，
17～21wt％的Cr，
0.5～3wt％的Mo与W之和，
至多2wt％的Mo，
4.8～6wt％的Al，
1.5～5wt％的Ta，
0.01～0.2wt％的C与B之和，
0.01～0.2wt％的Zr，
0.05～1.5wt％的Hf，
0.05～1.0wt％的Si，和
0.01～0.5wt％的稀土元素如Sc、Y、镧系元素和锕系元素之和，其中所述合金中存在至少两种稀土元素，并且任意一种稀土元素至多为0.3wt％。
2.一种镍基γ/γ’超合金，其由如下组分组成：
至多20wt％的Co与Fe之和，
17～21wt％的Cr，
0.5～3wt％的Mo与W之和，
至多2wt％的Mo，
4.8～6wt％的Al，
1.5～5wt％的Ta，
0.01～0.2wt％的C与B之和，
0.01～0.2wt％的Zr，
0.05～1.5wt％的Hf，
0.05～1.0wt％的Si，和
0.01～0.5wt％稀土元素如Sc、Y、镧系元素和锕系元素之和，其中所述合金中存在至少两种稀土元素，任意一种稀土元素至多为0.3wt％，其余为Ni和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的镍基γ/γ’超合金，其中Y仅作为不可避免的杂质存在。
4.根据权利要求2所述的镍基γ/γ’超合金，其包含：
4.5～5.5wt％的Co，
18.2～19wt％的Cr，
1.4～1.8wt％的W，
5.2～5.5wt％的Al，
2.8～3.6wt％的Ta，
0.015～0.025wt％的C，
0.04～0.07wt％的Zr，
0.25～0.4wt％的Hf，
0.07～0.13wt％的Si，
0.05～0.15wt％的La与Y之和，至少0.02wt％的La和至少0.02wt％的Y。
5.根据权利要求3所述的镍基γ/γ’超合金，其包含：
4.5～5.5wt％的Co，
18.2～19wt％的Cr，
1.4～1.8wt％的W，
5.2～5.5wt％的Al，
2.8～3.6wt％的Ta，
0.015～0.025wt％的C，
0.04～0.07wt％的Zr，
0.25～0.4wt％的Hf，
0.07～0.13wt％的Si，和
0.05～0.5wt％的稀土元素之和，任意一种稀土元素至多为0.3，且La和Y仅作为杂质存在。
6.根据权利要求5所述的镍基γ/γ’超合金，其包含：约5wt％的Co，约18.5wt％的Cr，约1.6wt％的W，约5.3wt％的Al，约3.2wt％的Ta，约0.02wt％的C，约0.05wt％的Zr，约0.3wt％的Hf，约0.1wt％的Si，约0.05wt％的Ce和约0.05wt％的Gd。
7.根据权利要求3所述的镍基γ/γ’超合金，其包含：
4.5～5.5wt％的Co，
18.2～19wt％的Cr，
0.8～1.2wt％的Mo，
5.2～5.5wt％的Al，
2.8～3.6wt％的Ta，
0.015～0.025wt％的C，
0.04～0.07wt％的Zr，
0.25～0.4wt％的Hf，
0.07～0.13wt％的Si，和
0.05～0.5wt％的Ce与Gd之和，至少0.02wt％的Ce，和至少0.02wt％的Gd，至多0.3wt％的Ce或Gd。
8.根据权利要求3所述的镍基γ/γ’超合金，其包含：
4.5～5.5wt％的Co，
20.2～20.8wt％的Cr，
0.8～1.2wt％的W，
4.8～5.2wt％的Al，
1.8～2.2wt％的Ta，
0.015～0.025wt％的C，
0.04～0.07wt％的Zr，
0.25～0.4wt％的Hf，
0.3～0.5wt％的Si，
0.05～0.5wt％的稀土元素之和，La和Y仅作为杂质存在。
9.根据权利要求15所述的镍基γ/γ’超合金，其包含：约5wt％的Co，约20.5wt％的Cr，约1wt％的W，约5wt％的Al，约2wt％的Ta，约0.02wt％的C，约0.05wt％的Zr，约0.3wt％的Hf，约0.4wt％的Si，约0.05wt％的Ce和约0.05wt％的Gd。
10.一种用于热环境的部件，特别是燃汽轮机的叶片、轮片、热屏蔽体、密封或燃烧器部件，其特征在于，所述部件的至少一部分包含根据权利要求1至9中至少一项所述的镍基γ/γ’合金。
11.根据权利要求10所述的部件，用作这类热部件的补焊的填料合金。
12.根据权利要求10所述的部件，用作包覆这类热部件的填料合金。
13.根据权利要求10所述的部件，用作这类热部件上TBC体系中的保护涂层和/或粘合涂层。
14.根据权利要求10所述的部件，具有作为这类热部件上TBC体系中的涂层和/或粘合涂层以及作为在这类热部件上进行补焊的填料合金的双重用途。
15.根据权利要求10所述的部件，具有作为这类热部件上TBC体系中的涂层和/或粘合涂层以及作为在这类热部件上进行包覆的填料合金的双重用途。
16.根据权利要求10至12中至少一项所述的部件，用作这类热部件上TBC体系中的基础合金和涂层和/或粘合涂层之间的中间层。
17.根据权利要求10至16中至少一项所述的部件，其中所述镍基γ/γ’超合金为等轴形式。
18.根据权利要求10至16中至少一项所述的部件，其中所述镍基γ/γ’超合金为定向凝固的形式。
19.根据权利要求10至16中至少一项所述的部件，其中所述镍基γ/γ’超合金为单晶形式。
20.根据权利要求10至19中至少一项所述的部件，其中所述镍基γ/γ’超合金通过导致所述合金中S含量低于10ppmw的生产工艺来生产。
21.根据权利要求20所述的部件，其中所述镍基γ/γ’超合金通过使所述合金中S含量低于2ppmw的生产工艺来生产。
22.根据权利要求10至21所述的部件，其中所述镍基γ/γ’超合金是材料体系的一部分，所述材料体系利用导致所述材料体系中S含量低于10ppmw的生产工艺来生产。
23.根据权利要求22所述的部件，其中所述材料体系具有低于2ppmw的S含量。
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