CN1570171A - 镍基耐热铸造合金及由其制备的涡轮机叶轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镍基耐超耐热铸造合金，可由此合金通过铸造制成汽车发动机涡轮机叶轮。该合金基本由下列组成，以重量％计，C：0.02－0.50％，Si：最高达1.0％，Mn：最高达1.0％，Cr：4.0－10.0％，Al：2.0－8.0％，Co：最高达15.0％，W：8.0－16.0％，Ta：2.0－8.0％，Ti：最高达3.0％，Zr：0.001－0.200％和B：0.005－0300％，余量为镍和不可避免的杂质，如果[％Al]+[％Ti]+[％Ta]，以原子％计，总计为12.0－15.5％，含有1－15％的γ/γ’共析体，以面积百分数计，含有1－10％的碳化物，以面积百分数计，以及由合金成分决定的“M－值”在93－98的范围。该涡轮机叶轮可承受废气温度的升高。

Description

镍基耐热铸造合金及由其制备的涡轮机叶轮
技术领域
本发明涉及一种镍基耐热铸造合金和由此合金制备的汽车发动机涡轮机叶轮。本发明提供成本基本相同但强度高于传统涡轮机叶轮的涡轮机叶轮。
背景技术
由于汽车发动机用涡轮机叶轮属于直接接触高温废气的部件，因此，对其耐热性能以及足够的高温强度的要求非常严格。迄今为止，INCONEL 713C(下文中缩写为“713C”)已被用作普通客车的涡轮机叶轮材料。该合金在实际应用中已有较长历史(日本专利公报Sho.42[1967]-11915)。另一方面，强度高于713C的Mar-M247(下文缩写为“MM-247”)已被用作在更恶劣条件下工作的涡轮机叶轮(比如集中强化试验用车的发动机的涡轮机叶轮)的材料。此合金也已广为人知并被使用多年(日本专利公报Sho.47[1972]-13204)。
但是人们预测由于客车发动机输出功率的提高，在不久的将来废气的温度将会大大升高，713C则由于其高温强度不够，可能无法满足该需求。另一方面，MM-247含有一种昂贵的合金成分铪(hafnium)，因此材料成本太高。而且，为了使铸件中不产生空隙，制造叶轮时通常采用HIP工艺，因此，生产成本较高。
多年来，为了解决这些问题，人们不懈地努力，提出了由镍基耐热铸造合金制备的涡轮机叶轮，该合金的蠕变断裂强度高于713C(日本专利公报Hei.11[1998]-131162和2000-169924)。然而，这些材料包括含铌(niobium)的合金组成(前者含有0.5-3.5％，后者含有6.0-8.0％)，这就带来了新的问题：铌容易偏析。而且，这些合金含钼(两者都为1.0-5.0％)，因而，耐高温氧化性不是很高。所以，从平衡节约成本和提高优势的角度来看，还不能说已经制得了令人十分满意的低成本镍基耐热铸造合金。
发明内容
本发明的目的是提供一种用作汽车发动机涡轮机叶轮材料的镍基耐热铸造合金，它具有较高的高温强度以满足废气温度升高趋势的需求，至于材料成本，尽管稍高，但基本上相同，而且其耐热性能和高温强度与MM-247几乎一样。提供由此材料制备的涡轮机叶轮也是本发明的目的。
本发明的镍基耐热铸造合金基本由下列组成：以重量％计，C：0.02-0.50％，Si：最高达1.0％，Mn：最高达1.0％，Cr：4.0-10.0％，Al：2.0-8.0％，Co：最高达15.0％，W：8.0-16.0％，Ta：2.0-8.0％，Ti：最高达3.0％，Zr：0.001-0.200％和B：0.005-0.300％，余量为镍和不可避免的杂质，条件是[％Al]+[％Ti]+[％Ta]，以原子％计，总量为12.0-15.5％，并含有1-15％(面积百分数)的γ/γ’共析体，以面积百分数计，含有1-10％的碳化物，且以下式(其中％为原子％)定义的“M-值”在93-98的范围内：
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]
优选实施方案详述
本发明的镍基耐热铸造合金可以包含，除了上述提到的基本合金成分外，选自Mg：最高达0.01％，Ca：最高达0.01％，和REM：最高达0.1％中的至少一种。
本发明镍基耐热铸造合金中可能存在的主要杂质为由原料引入的Fe、Si、Mn、P和S，依据不同情况，也可包含Cu和Mo。优选分别调整杂质含量至其下述最高上限值：Fe：最高达5.0％，Mo：1.0％，Cu：03％，P：0.03％，S：0.03％和V：1.0％。
合金成分的作用和如上限制合金组分的原因将在下面与限制上述[％Al]+[％Ti]+[％Ta]，γ/γ’共析体的面积百分数，碳化物的面积百分数和“M-值”的重要性一起进行解释。
C：0.02-0.50％，优选0.05-0.30％，更优选0.05-0.20％。
如果有一种元素选自Ti、Zr和Hf或者选自Nb、Ta、V，碳会通过与其结合形成一种或多种碳化物而促进晶界的强化。低于0.02％的碳含量可能没有足够的作用，而高于0.50％的含量则会引起过量碳化物的形成，从而导致耐腐蚀性能和延展性能(ductility)的降低。优选C含量在0.05-0.30％的范围，更优选范围是0.02-0.20％。
Si：最高达1.0％。
硅在合金熔化和精炼时，通常被用作脱氧剂。虽然，少量作为脱氧剂很有效的Si可能不会引起问题，但是大量的加入则会降低合金的延展性。因此，将1.0％设定为上限值。优选Si含量最高达0.5％。
Mn：最高达1.0％。
与硅类似，锰也是作为脱氧剂加入的。少量作为脱氧剂很有效的锰可能不会引起问题，但是，大量的加入就会降低合金的强度和延展性。因此设定其上限值为1.0％。
Cr：4.0-10.0％。
铬是提高高合金耐腐蚀性能最重要的元素。通过在基质相中固溶，它也有助于提高强度。低于4.0％的加入量几乎没有作用，而超过10.0％则会降低相稳定性以及涡轮机叶轮在高温下长时间工作后的强度和延展性。Cr含量的优选范围为6.0-10.0％。
Al：2.0-8.0％。
铝是形成γ’-相的重要元素，而且有助于提高高温耐腐蚀性能。其含量低于2.0％时，这些作用可能较小。另一方面，加入量超过8.0％则会在铸造过程中引起大量低共熔γ’-相的沉积，结果，蠕变断裂强度就会降低。Al含量的优选范围为4.5-5.5％。
Co：最高达15.0％。
钴通过固溶强化γ-相。它也溶于γ’-相，从而可有效提高合金强度并强化γ’-相。Co增加γ-相的沉积量。然而，由于Co是一种昂贵材料，从成本角度看，大量的加入是不利的。建议选择最高达15.0％的加入量。为了确保在900℃或更高温度时具有足够的高温性能，希望加入5.0％或更多的Co。
W：8.0-16.0％
钨大大有助于γ-相的固溶强化和强度的提高，低于8.0％的量不能充分起作用，但是高于16.0％的量则会降低相稳定性。相稳定性的降低会导致使用较长时间后合金中α-Cr的沉积，并且破坏涡轮机叶轮的强度。优选其加入量范围为10.0-14.0％。
Ta：2.0-8.0％。
钽不仅与碳结合形成碳化物，而且溶于γ’-相而使其强化。其含量低于2.0％时作用较小。由于钽与Hf一样是昂贵材料，所以从成本观点看，希望它的用量尽可能少。因此设定上限值为8.0％。
Ti：最高达3.0％。
钛与Ni反应形成γ’-相，该相可有效提高合金的强度。Ti还具有代替Al促进γ’-相固溶强化的作用，因此，还能提高合金的强度。然而，超过3.0％的Ti加入量容易导致η相(Ni3Ti)的沉积，从而不利于合金的高温强度和延展性。优选的加入量为2.0％或者更低。
Zr：0.001-0.200％。
锆同时兼具与碳结合形成碳化物和在晶界偏析强化的作用。这些作用即使在非常小的加入量(如0.001％)时也能观察到。由于大量加入会导致延展性的降低，因此其上限值设定为0.200％。最优加入量可能在最高达0.1％的范围内。
B：0.005-0.300％，优选0.050-0.200％。
加入B的作用是抑制η相的形成以阻止高温强度和延展性的降低，而且，还可以提高高温蠕变断裂强度。同时B也会与Cr以及其它一些元素形成硼化物。由于硼化物的熔点低，固-液共存的温度范围较宽，因此合金的可铸性就会提高。为了实现这些作用，有必要加入0.005％或者更多的适量B。然而，加入过量会导致合金强度和延展性的降低。所以，加入量的上限值设定为0.300％。在0.050-0.200％的范围内可获得可铸性和强度-韧性(resilience)的良好平衡。
一种或多种选自Mg：最高达0.01％，Ca：最高达0.01％和REM：最高达0.1％。
镁和钙都在晶界偏析强化。REM有同样的作用。任何一种或多种所述元素都不适于大量加入，因为这会导致合金强度和延展性的降低。所以加入量的上限值设定为Mg和Ca 0.01％，REM 0.1％。
调整杂质含量至下列上限值：
Fe：5.0％，Mo：1.0％，Cu：0.3％，P：0.03％，S：0.03％和V：1.0％。
在为了降低生产成本而准备使用废铁(一种便宜原料)的情况下，各种杂质将会引入产品合金。最有可能混入的元素是Fe，它对室温-和高温下的强度、耐腐蚀性能全都有害。允许的Fe含量极限值为5.0％，优选3.0％或更低。磷在晶界偏析会导致强度降低，因而，不希望有较高的P含量。然而，合金中仍有一定量存在是不可避免的。允许的P极限值为0.03％。硫和P一样，也是降低强度的元素，S含量优选限制在0.03％或者更低。钼，虽然，它溶于合金基质相有助于提高强度，但是其高含量会破坏高温抗氧化性能，因此，Mo含量应该是最高达1.0％。Cu也是强度降低的原因，因而，也不希望Cu大量存在，允许的上限值为1.0％，优选0.3％或更低。钒带来的坏处是高温强度的降低，V含量应该限制在小于上限值1.0％。
[％Al]+[％Ti]+[％Ta]：12.0-15.5at％
为了确保合金足够的强度和可加工性，必须满足此条件。超出这些范围就会存在以下坏处。如果总量低于12.0％(下限值)，则不能获得满意的强度，如果总量高于15.5％(上限值)，则铸件中容易出现裂纹。
γ/γ’共析体的面积百分数：1-15％。
为确保合金的可加工性，特别是可铸性，保持下限值1％是必要的。如果该面积百分数低于1％，在铸造的最后阶段就会产生空隙，产品轮的可靠性就会降低。另一方面，如果面积百分数高于15％，共析体就可能成为裂纹的起点。
碳化物的面积百分数：1-10％，优选1-5％。
适量碳化物的形成有利于强化晶界，并提高1000℃或者更高温度时的高温强度。当碳化物的面积百分数为1％或更高时，即可获得此效果。当其面积百分数超过10％时，则无此效果。优选碳化物的面积百分数范围为1-5％。
M-值：93-98。
由上式定义的M值是衡量相稳定性的一个标准。93-98范围内的M值可以确保产品涡轮机叶轮的耐久性。由于本发明的合金用于汽车零件，所以更高的M值有利于使零件具有更长的耐久性。然而，当M值超过98时，使用较长时间后就容易产生有害相(如σ相)，其耐久性将会降低。
虽然，本发明的镍基耐热铸造合金不含昂贵却可有效增强合金的Hf，但其蠕变断裂强度大大优于最广泛用作涡轮机叶轮材料的713C合金，且本发明合金的蠕变断裂强度基本上与含Hf的MM-247相同。基于合金成分而言，材料成本可能会比713C稍高，但仍低于MM-247。由于本发明合金具有较高的可铸性，不需要采用HIP工艺，因此，涡轮机叶轮的生产成本可能不会很高。因此，本发明使得以低价格提供一种能够满足所预测不久的将来废气温度将会升高需求的涡轮机叶轮成为可能。
实施例
制备具有如表1(工作实施例)和表2(对照实施例)所示合金成分的镍基耐热合金并将其铸造成重50kg的铸锭。对照实施例No.A为常规的713C合金，No.B为相应的MM-247。这些合金的性能，如[％Al]+[％Ti]+[％Ta]示于表3(工作实施例)和表4(对照实施例)。从铸锭上通过机械加工取样，然后在1000℃和180MPa的条件下对其进行蠕变断裂测试。测定的蠕变性能示于表3和表4。
关于工作实施例No.8和No.9的合金，通过调节铸造后的冷却速率将γ/γ’共析体的面积百分数调整为3.2％(No.8和No.9)和18.5(No.8A和No.9A)。该试样也在相同的条件下，1000℃和180MPa，进行蠕变测试。结果示于表5。为了方便进行对比，将面积百分数为7.1％情形下的数据在表5中又列了一次。
                               表1合金成分(工作实施例)
编号    C       Si      Mn     Cr      Co      W      Ta     Al     Ti      Zr       B     其它
 1     0.15    0.06    0.08    8.1    11.6    11.9    4.9    5.2    1.1    0.05    0.015    -
 2     0.13    0.11    0.07    4.3    9.1     10.3    5.1    5.0    1.0    0.04    0.015    -
 3     0.16    0.08    0.06    5.9    -       13.1    4.5    5.2    1.4    0.05    0.013    -
 4     0.11    0.07    0.06    7.4    12.2    8.3     4.7    5.3    1.3    0.04    0.020    -
 5     0.13    0.12    0.04    9.0    10.9    14.2    2.2    5.6    1.2    0.05    0.018    -
 6     0.12    0.42    0.06    7.9    9.2     11.1    7.6    5.1    0.9    0.04    0.016    -
 7     0.14    0.14    0.39    7.3    10.0    13.2    5.1    4.1    2.6    0.05    0.015    -
 8     0.12    0.08    0.08    6.2    13.6    11.2    3.2    6.8    0.4    0.03    0.011    -
 9     0.11    0.07    0.07    6.3    12.8    10.9    7.9    2.1    2.9    0.04    0.013    -
 10    0.05    0.13    0.06    8.2    10.4    12.3    4.6    5.3    0.9    0.03    0.013    -
 11    0.18    0.12    0.08    9.2    11.4    13.0    4.5    5.2    1.0    0.05    0.014    -
 12    0.14    0.12    0.09    7.3    9.1     13.0    4.8    4.9    1.4    0.01    0.015    -
 13    0.13    0.10    0.10    8.2    11.2    9.3     4.6    5.1    0.9    0.18    0.012    -
 14    0.12    0.13    0.06    9.3    10.9    12.2    4.7    5.4    1.1    0.04    0.006    -
 15    0.04    0.12    0.05    8.2    10.1    12.1    4.7    5.3    1.2    0.05    0.14     -
 16    0.10    0.14    0.08    8.2    10.1    11.6    4.3    5.2    0.9    0.04    0.003    Mg0.005
 17    0.11    0.11    0.09    8.3    10.6    12.1    4.6    5.3    1.1    0.05    0.002    Ca0.006
 18    0.13    0.09    0.12    8.2    10.1    12.2    4.6    5.3    1.0    0.05    0.056    -
 19    0.14    0.10    0.11    8.4    10.9    12.4    4.3    5.2    0.9    0.05    0.260    -
 20    0.14    0.12    0.09    7.3    9.1     13.0    4.8    4.9    1.4    0.01    0.058    -
                                 表2合金成分(对照实施例)
编号   C       Si      Mn     Cr      Co      W      Ta     Al     Ti      Zr       B      其它
 A    0.15    0.12    0.08    8.3    10.0    10.0    2.9    5.6    1.1    0.05    0.015    Mo0.7
                                                                                           Hf1.5
 B    0.12    0.12    0.06    12.0   -       -       -      5.9    0.8    0.15    0.015    Mo4.0
                                                                                           Nb2.3
 C    0.19    0.11    0.08    8.4    9.8     9.8     4.7    5.1    1.2    0.16    0.014    -
 D    0.11    0.12    0.06    9.5    14.2    14.2    5.8    5.2    2.9    0.05    0.015    -
 E    0.12    0.09    0.08    9.1    9.5     9.5     4.7    5.1    1.0    0.04    0.012    Fe5.3
 F    0.10    0.12    0.09    8.6    10.3    10.3    4.5    5.2    1.1    0.05    0.012    S0.1
                               表3结果(工作实施例)
No.    Ti+Al+Ta   γ/γ’-共折体      碳化物       M-值        蠕变性能
       (原子％)    (面积百分数)     (面积百分数)        寿命(小时)  延伸率
 1      12.58           3.9             4.2         94      47        3
 2      12.28           2.5             3.8         92      45        4
 3      12.45           3.3             4.1         93      48        3
 4      12.19           2.0             4.7         94      44        3
 5      12.73           4.1             4.3         95      45        4
 6      12.89           4.6             4.2         94      44        5
 7      12.21           2.7             3.9         94      45        3
 8      14.33           12.2            4.0         95      47        4
 9      12.16           2.1             4.5         94      42        6
 10     12.25           2.4             1.3         93      41        7
 11     12.29           2.6             4.2         94      45        4
 12     12.30           2.7             3.7         94      43        3
 13     12.19           2.5             3.8         93      48        4
 14     12.86           9.2             3.6         95      47        4
 15     12.76           3.6             1.1         94      43        5
 16     12.22           2.7             4.2         94      46        4
 17     12.67           3.1             4.4         94      45        4
 18     12.52           4.0             4.7         94      52        6
 19     12.03           3.9             4.9         94      46        7
 20     12.30           2.7             37          94      48        6
                            表4结果(对照实施例)
No.   Ti+Al+Ta   γ/γ’共析体     碳化物       M-值          蠕变性能
      (原子％)   (面积百分数)    (面积百分数)         寿命(小时)    延伸率
 A     13.61          8.5            4.7         96      46           3
 B     13.63          3.2            3.2         96      14           11
 C     12.30          7.3            5.7         95      32           2
 D     14.52          6.2            3.9         99      36           4
 E     12.15          1.9            4.0         96      34           5
 F     12.40          2.3            4.2         95      38           4
                        表5
          γ/γ’共折体              蠕变性能
编号      (面积百分数)   寿命(小时)           延伸率
 8            12.2           47                  4
 8A           18.1           36                  10
 9            2.1            42                  6
 9A           0.4            (产生许多铸造缺陷)

Claims (5)

1.一种镍基耐热铸造合金，该合金基本由下列组成：以重量％计，C：0.02-0.50％，Si：最高达1.0％，Mn：最高达1.0％，Cr：4.0-10.0％，Al：2.0-8.0％，Co：最高达15.0％，W：8.0-16.0％，Ta：2.0-8.0％，Ti：最高达3.0％，Zr：0.001-0.200％和B：0.005-0.300％，余量为镍和不可避免的杂质，条件是[％Al]+[％Ti]+[％Ta]，以原子％计，总量为12.0-15.5％，并含有1-15％的γ/γ’共析体，以面积百分数计，含有1-10％的碳化物，以面积百分数计，且以下式(其中％为原子％)定义的“M-值”在93-98的范围内：
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.根据权利要求1的镍基耐热铸造合金，其中该合金还包含选自Mg：最高达0.01％，Ca：最高达0.01％和REM：最高达0.1％中的至少一种。
3.根据权利要求1的镍基耐热铸造合金，其中的杂质含量调整最高至下述各自上限值：Fe：5.0％，Mo：1.0％，Cu：0.3％，P：0.03％，S：0.03％和V：1.0％。
4.根据权利要求1的镍基耐热铸造合金，其中该合金还包含选自Mg：最高达0.01％，Ca：最高达0.01％和REM：最高达0.1％中的至少一种，且其中的杂质含量调整最高至下述各自上限值：Fe：5.0％，Mo：1.0％，Cu：0.3％，P：0.03％，S：0.03％和V：1.0％。
5.一种由权利要求1-4中任一项所述镍基耐热铸造合金制备的汽车发动机涡轮机叶轮。
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