CN1550561A - 镍基合金 - Google Patents

Abstract

一种镍基合金，组成为，以重量计，约15.0至约17.0％铬、约7.0至约10.0％钻、约1.0至约2.5％的钼、约2.0至约3.2％钨、约0.6至约2.5％铌、小于1.5％钽、约3.0至约3.9％的铝、约3.0至约3.9％钛、约0.005至约0.060％锆、约0.005至约0.030％硼、约0.07至约0.15％碳，余量为镍和杂质。优选地，铌的量大于钽。合金也可以基本不含钽，也就是，仅以痕量存在。

Description

镍基合金

发明背景

(1)发明领域

本发明一般涉及镍基合金。更特别地，本发明涉及一种具有适于气体涡轮发动机应用所需性能的可铸和可焊镍基高温合金。

(2)相关技术描述

高温合金IN-738和它的低碳变型(IN-738LC)具有许多适合于气体涡轮发动机应用所需的性能，比如工业气体涡轮叶轮部分的内轮盖、后级铲斗(刀刃)和喷嘴(叶片)。IN-738的组分随生产商的不同而稍有差别，其中一个公开物列举的IN-738组成为，以重量计，15.7～16.3％铬、8.0～9.0％钴、1.5～2.0％钼、2.4～2.8％钨、1.5～2.0％钽、0.6～1.1％铌、3.2～3.7％铝、3.2～3.7％钛(Al+Ti＝6.5～7.2％)、0.05～0.15％锆、0.005～0.015％硼、0.15～0.20％碳，余量为镍和杂质(例如铁、锰、硅和硫)。IN-738LC中具有不同的硼、锆和碳含量，这些组分合适的范围为，以重量计，0.007～0.012％硼、0.03～0.08％锆和0.09～0.13％碳。

与其它高温合金的配方一样，IN-738组分的特征在于控制某些决定性合金元素的含量以获得所需性能的组合。应用于气体涡轮时，这些性能包括高温蠕变强度、抗氧化性和抗腐蚀性、抗低周期疲劳性、可铸性和可焊性。如果想优化高温合金的任何一种所需性能，其它性能则常常会受到负面影响。可焊性和抗蠕变性就是一个特例，两者对于气体涡轮发动机铲斗都非常重要。然而，抗蠕变性越大会导致合金更加难以焊接，而可焊性是通过焊接进行修理所必须的。

虽然IN-738在气体涡轮发动机中的某些应用中表现良好，但是需要代替品。考虑到钽的成本较高，目前的注意力在于降低其用量。虽然，IN-738中钽的公称含量只有约1.8wt％，但是，考虑到合金使用的大规模性，其含量的降低或消除必将对生产成本产生实质性影响。

发明概述

本发明提供了一种镍基合金，其呈现预期的平衡的高温强度(包括抗蠕变性)、抗氧化性和抗腐蚀性、抗低周期疲劳性、可铸性和可焊性，以便适于气体涡轮发动机的特定部件、特别是工业涡轮发动机的内轮盖和被选后级铲斗的应用。这些性能通过一种合金获得，与In-738相比，该合金中的钽被去除或处于相对较低的含量，而铌的含量相对较高。

根据本发明，镍基合金的组成为，以重量计，约15.0至约17.0％铬、约7.0至约10.0％钴、约1.0至约2.5％的钼、约2.0至约3.2％钨、约0.6至约2.5％铌、小于1.5％钽、约3.0至约3.9％的铝、约3.0至约3.9％钛、约0.005至约0.060％锆、约0.005至约0.030％硼、约0.07至约0.15％碳，余量为镍和杂质。优选地，铌的量大于钽，比如至少为1.4wt％，而合金的钽含量更优选小于1.0％，合金中也可以基本不含，也就是，仅存在痕量(例如约0.05％或更少)。本发明的合金具有与IN-738合金类似的，有时甚至优于其的性能。因此，由于减少或去除了钽的需求量，本发明的合金提供了一种良好的，潜在低成本的IN-738代替品。

本发明的其它目的和优势从随后详细的描述中会得到更好的理解。

附图简述

图1-3为本发明范围内镍基合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率同温度的关系曲线。

图4和5的曲线图分别绘制了图1-3中所示合金在1400°F和1600°F的低周期疲劳寿命。

图6的曲线图绘制了图1-3中所示合金在1200°F的高周期疲劳寿命。

图7的曲线图绘制了图1-3中所示合金在1350°F和1500°F的蠕变寿命。

发明详述

本发明是试图研制一种与已知的市售IN-738镍基合金的性能类似，但化学上允许降低或完全去除钽的镍基合金的结果。研究导致了该镍基合金的发展，其性能特别适于工业涡轮发动机内轮盖和被选后级铲斗的应用，虽然其它高温应用也是可以预见的。对于特别的应用，必要的性能包括高温强度(包括抗蠕变性)、抗氧化和抗腐蚀性、抗低周期疲劳性、可铸性和可焊性。本研究方法使得增加铌来代替稀缺的钽，结果，从根本上改变了IN-738中两个已知影响γ’沉淀硬化相的主要合金化元素。

镍基高温合金的高温强度直接关系到γ’相的体积分数，它反过来直接关系到存在的γ’形成元素(铝、钛、钽和铌)的总量。基于这些关系，就可以估算出为了获得给定的强度水平所需的这些元素的量。γ’相和其它第二相(比如碳化物和硼化物)的组分和γ’相的体积分数也可以基于合金的初始化学成分和关于形成相的基本假设进行估算。然而，对于涡轮发动机和铲斗的其它重要的性能，比如可焊性、疲劳寿命、可铸性、冶金稳定性和抗氧化性，就不能从合金中存在的这些和其它元素的总量预见。

下表I中列出的是研究过程中配制出的具有大致相同的化学组成的两种合金。尺寸大小约为7/8×5×9英寸(约2×13×23cm)的试验坯通过下述方法制得：熔模铸造，然后在约2050°F(约1120℃)固溶热处理约2小时，接着在约1550°F(约845□)时效约4小时。然后，将试样通过EDM线剖开并用传统的方法由铸件加工。为了评价可铸性，几个全尺寸的气体涡轮铲斗也用炉次1的合金铸造，并剖开用于机械试验。

表I

合金

                         炉次1         炉次2

     Cr                   16.0          16.3

     Co                   8.3           8.6

     Mo                   1.6           1.7

     W                    2.6           2.5

     Ta                 ＜0.01          0.05

     Cb                   1.75          1.85

     Al                   3.32          3.49

     Ti                   3.34          3.43

     Zr                   0.040         0.021

     B                    0.008         0.016

     C                    0.11          0.10

     Ni                   余量          余量

选择上述合金成分含量以评价用铌代替钽的潜力，但是除了碳(在IN-738LC的水平)和锆(在IN-738LC的水平(炉次1)以及在IN-738和IN-738LC之间的水平(炉次2))的含量外，其它则保留IN-738的组分。

合金的抗拉性能通过标准光滑棒状试样测定。标准化数据概括于图1、2和3，其中“738基线，平均”和“738基线，-3S”绘制了IN-738特定性能的历史平均值。同时也对由炉次1合金的铲斗铸件加工成的试样进行了评估。数据表明炉次1和炉次2的试样的抗拉和屈服强度类似于或高于IN-738基线，且延展性也稍有提高，证明实验合金可能是IN-738合适的代替品。

图4和图5曲线图分别绘制了约1400°F(约760℃)和约1600°F(约870℃)时，炉次1和炉次2的合金与IN-738基线数据相比的低周期疲劳(LCF)寿命。测试是在应变控制、约0.333Hz周期载荷、并且在压缩应变高峰值保持约两分钟的条件下进行的，在两个测试中，对每个美国材料实验协会(ASTM)规范E606，0.25英寸(约8.2mm)棒轮循环到裂纹开始产生。

图表明在两个温度测试中，炉次1和炉次2合金的LCF寿命与IN-738基线基本上相同。

图6的古德曼(Goodman’s)图比较了炉次1和炉次2合金与IN-738基线在约1200°F(约650℃)时的平均高周期疲劳寿命。与LCF测试不同，HCF测试在应力控制条件和约30～60Hz周期载荷下进行。古德曼(Goodman’s)曲线代表在千万循环周期时的疲劳耐久极限。从图6，可以看出，炉次1和炉次2合金的HCF寿命显著优于IN-738基线。

图7的曲线图绘制了炉次1和炉次2及IN-738在应变约为0.5％，温度为约1350°F(约730℃)和约1500°F(约815℃)时的蠕变寿命。在两种测试温度下，炉次1和炉次2的合金呈现的蠕变寿命基本上与IN-738相同。

对炉次1和炉次2的合金进行其他的测试以便与IN-738的其他性能进行对比。这样的测试包括抗氧化性、可焊性、可铸性、疲劳裂纹增长和物理性能。在所有这些研究中，炉次1和炉次2合金的性能基本上与IN-738基线的性能相同。

在上述基础上，表2中概括的具有更宽的、优选的和公称成分(以重量计)的合金具有可与IN-738相比的性能，因此适合作为用于内轮盖和工业气体涡轮发动机的铲斗以及所需性能与此相似的其他应用的合金。

表II

             较宽范围        优选      额定

Cr           15～17        15.7～16.3    16.3

Co           7～10         8.0～9.0      8.6

Mo           1～2.5        1.5～2.0      1.7

W            2～3.2        2.4～2.8      2.5

Cb           0.6～2.5      1.4～2.1      1.85

Ta           ＜1.5         ＜1.0         0.05

Al           3～3.9        1.1～1.3      3.5

Ti           3～3.9        2.2～2.4      3.4

Zr           0.005～0.060  0.015～0.050  0.02

B            0.005～0.030  0.005～0.020  0.016

C            0.07～0.15    0.09～0.13    0.10

Ni           余量          余量          余量

合金中的Cb+Ta含量优选保持γ’相的体积分数，其中铌和钽(以及其他γ’相形成元素，比如铝和钛)的含量与IN-738相似。基于上述研究，为了减少原材料成本，合金中铌的重量含量可以大于钽，更优选的是合金中基本上不含钽(也就是，约0.05％或更少的杂质水平)。据信，表II中定义的上述合金可以用上述处理方法进行令人满意的热处理，当然，也可以采用传统上用于镍基合金的热处理方法。

尽管已经根据优选实施例对本发明进行了描述，但是很显然，本领域技术人员也可采用其他形式。因此本发明的范围只能由下面的权利要求进行限制。

Claims (10)

1.一种可铸、可焊镍基合金，组成为，以重量计，约15.0至约17.0％铬、约7.0至约10.0％钴、约1.0至约2.5％钼、约2.0至约3.2％钨、约0.6至2.5％铌、小于1.5％钽、约3.0至3.9％铝、约3.0至约3.9％钛、约0.005至约0.060％锆、约0.005至0.030％硼、约0.07至约0.15％碳，余量为镍和杂质。

2.根据权利要求1的合金，其中合金中的铌含量，以重量计，大于合金中的钨含量。

3.根据权利要求1的合金，其中铌含量至少为1.4wt％。

4.根据权利要求1的合金，其中铌含量为约1.85wt％。

5.根据权利要求1的合金，其中钽含量小于1.0wt％。

6.根据权利要求1的合金，其中的合金是铸件形式。

7.根据权利要求6的合金，其中的铸件是气体涡轮发动机部件。

8.根据权利要求7的合金，其中的气体涡轮发动机部件选自轮盖、喷嘴和铲斗。

9.根据权利要求1的合金，其中合金的组成为，以重量计，约15.7至约16.3％铬、约8.0至约9.0％钴、约1.5至约2.0％铝、约2.4至约2.8％钨、约1.4至2.1％铌、小于1.5％钽、约32至3.7％铝、约3.2至约3.7％钛、约0.015至约0.050％锆、约0.005至0.020％硼、约0.09至约0.13％碳，余量为镍和杂质。

10.根据权利要求9的合金，其中合金的组成为，以重量计，约16.3％铬、约8.6％钴、约1.7％钼、约2.5％钨、约1.85％铌、约0.05％钽、约3.5％铝、约3.4％钛、约0.02％锆、约0.016％硼、约0.10％碳，余量为镍和杂质。

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