CN1886526A - 含镍合金、其制造方法和由其得到的制品 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种制造制品的方法，包括浇铸合金到模具内，其中该合金包括约1.5wt％至约4.5wt％的铝；约1.5wt％至约4.5wt％的钛；最高约3wt％的铌；约14wt％至约28wt％的铬；约10wt％至23wt％的钴；约1wt％至约3wt％的钨、铼、钌、钼或它们的组合；约0.02wt％至约0.15wt％的碳；约0.001wt％至约0.025wt％的硼；最高约0.2wt％的锆、铪或其组合；和凝固该铸件。

Description

含镍合金、其制造方法和由其得到的制品
技术领域
本公开涉及含镍合金、其制造方法和由其得到的制品。
背景技术
适用于涡轮喷嘴和翼片应用的高温合金通常显示出高温强度、耐蚀性和如可铸性和可焊性等性能。不幸的是，优化一种性能的方法通常导致另一种性能的降低。合金设计的方法通常导致折中以获得满足部件设计各种要求的最佳整体性能混合。在这种设计方法中，很少使任何一种性能最佳。相反，通过开发平衡的化学组成和适当的热处理，获得所需性能之间的最佳折中。
含钴合金被发现用于第一级涡轮喷嘴应用，尽管它们对热疲劳断裂敏感。接受这些合金的原因在于它们容易被焊接修补。但是，在后级喷嘴中，发现钴基合金蠕变极限至这样一个点处，即喷嘴的下游蠕变会导致不可接受的涡轮隔膜间隙减小。尽管用于这些后级喷嘴应用的具有充分蠕变强度的钴基合金是可以得到的，但它们不具有所需的可焊性特征。因此需要寻找表现出抗蠕变性、耐热腐蚀性、可铸性和可焊性并且可用于第一级和后级涡轮喷嘴应用的其它合金。
发明简述
本文公开了一种含镍合金，其包括约1.5wt％至约4.5wt％的铝；约1.5wt％至约4.5wt％的钛；最高约3wt％的铌；约14wt％至约28wt％的铬；余量为镍。
本文公开了一种含镍合金，包括约1.6wt％至约1.8wt％的铝；约2.2wt％至约2.4wt％的钛；约1.25wt％至1.45wt％的铌；约22wt％至约23wt％的铬；约18.5wt％至约19.5wt％的钴；约0.08wt％至约0.12wt％的碳；约1.9wt％至约2.1wt％的钨；和约0.002wt％至约0.006wt％的硼；最高0.01wt％的锆；余量为镍。
本文公开了一种制造制品的方法，包括浇铸合金到模具内，其中该合金包括约1.5wt％至约4.5wt％的铝；约1.5wt％至约4.5wt％的钛；最高约3wt％的铌；约14wt％至约28wt％的铬；约10wt％至约23wt％的钴；约1wt％至约3wt％的钨、铼、钌、钼或它们的组合；约0.02wt％至约0.15wt％的碳；约0.001wt％至约0.025wt％的硼；最高0.2wt％的锆、铪或其组合；和凝固该铸件。
本文还公开了一种由上述组合物得到的制品。
附图简述
该图为在871℃的温度下经受15ksi恒压的两个样品的应变对时间的图示。
优选实施方案详述
本文公开了用于涡轮应用的含镍合金。该含镍合金可有利地用于第一级和后级涡轮喷嘴应用以及用于涡轮的大叶片。该含镍合金包含镍、铬、钴、钨、铝、钛、铌和其它必要元素。与其它类似合金相比，该含镍合金尤其具有铝和钛的独特浓度组合。这导致非所需相如具有六方晶体结构和式M3Ti的η相存在的减少或消除，其中M为镍或镍合金，如镍-钴合金等。η相的这种减少促进了抗蠕变性的提高并使合金在高温例如600℃以上时冶金稳定。
该含镍合金主要包括与铬、钛、铝和铌形成合金的镍。可加入到该含镍合金中的任选金属有钴、碳、锆、钨、硼、钽、铪、铼、钌、钼或包括至少一种上述金属的组合。
在一种实施方案中，该含镍合金包括量为该含镍合金的约2至约9重量百分数(wt％)的铝和钛。在这个范围内，可使用大于或等于含镍合金的约2.5wt％，优选大于或等于约3wt％，更优选大于或等于约4wt％的钛和铝量。在这个范围内还希望该量小于或等于含镍合金的约8.8wt％，优选小于或等于约8.6wt％，更优选小于或等于约8.0wt％。
含镍合金中的铝含量为含镍合金的约1.5wt％至约4.5wt％。铝的优选值大于或等于约1.6wt％，更优选大于或等于约1.7wt％。铝的优选值小于或等于约4.00wt％，更优选小于或等于约3wt％，甚至更优选小于或等于约2.5wt％.含镍合金中的钛含量为含镍合金的约1.5wt％至约4.5wt％。钛的优选值大于或等于约1.65wt％，更优选大于或等于约2wt％，甚至更优选大于或等于约2.25wt％。钛的优选值小于或等于约4.00wt％，更优选小于或等于约3.5wt％，甚至更优选小于或等于约3wt％。
通常，需要含镍合金中铝对钛的原子比为约0.2至约1.5。在这个范围内的铝对钛原子比能提高耐热腐蚀性、可焊性和可铸性。在该范围内可利用的其它铝对钛原子比大于或等于约0.3，优选大于或等于约0.4，更优选大于或等于约0.5。在该范围内还希望铝对钛原子比小于或等于约1.4，优选小于或等于约1.3，更优选小于或等于约1.2。
在另一实施方案中，希望控制含镍合金中存在的铝、钛和铌的总量到有效保持λ＇相的约2wt％至约13wt％的量。λ＇相的优选值为15-45体积％。高温含镍合金中的强度通常源于几种不同的机理，如λ′相的沉淀强化、晶界处的固溶体强化和碳化物强化。(λ′)相由[Ni3(Al，Ti)]组成。其中，λ′相的沉淀强化是含镍合金的主要强化机理。
为了获得用于燃气轮机喷嘴和机翼应用的合金性能之间的最佳折中，主要沉淀强化元素即钛、铝和铌的含量保持为含镍合金的约2wt％至约12wt％的量。在这个范围内，通常希望使钛、铝和铌的量大于或等于含镍合金的约4.35wt％，优选大于或等于约4.5wt％，更优选大于或等于约4.75wt％。在这个范围内，还希望该量小于或等于含镍合金的约11.5wt％，优选小于或等于约11wt％，更优选小于或等于约10wt％。通过保持铝、钛和铌的量在上述界限内，可获得抗蠕变性和可焊性性能之间的良好平衡。另外，仔细平衡和控制碳和锆的含量以提高含镍合金的可铸性。
在另一实施方案中，含镍合金不含钽。通常需要铌的存在量为含镍合金的最高约3wt％。在这个范围内，可使用小于或等于约2.5wt％、优选小于或等于约2.0wt％、更优选小于或等于约1.75wt％的量。铌的典型值为含镍合金的约1.35wt％。
铬的存在量通常为含镍合金的约14wt％至约28wt％。在这个范围内，通常希望使用量大于或等于含镍合金的约16wt％、优选大于或等于约17wt％、更优选大于或等于约20wt％的铬。在这个范围内还希望该量小于或等于含镍合金的约27wt％，优选小于或等于约26wt％，更优选小于或等于约25wt％。铬的典型量为含镍合金总量的约22wt％至约23wt％。
镍构成含镍合金的剩余重量百分比。镍的存在量为含镍合金的约40wt％至约70wt％。在这个范围内，通常希望使用量大于或等于含镍合金的约43wt％、优选大于或等于约44wt％、更优选大于或等于约46wt％的镍。在这个范围内还希望该量小于或等于含镍合金的约65wt％，优选小于或等于约60wt％，更优选小于或等于约55wt％。镍的典型量为含镍合金的约45wt％至约55wt％。
如上所述，可加入到含镍合金中的任选金属为钴、碳、钨、锆和硼。通常加入量为含镍合金总量的约10wt％至约24wt％的钴。在这个范围内，可使用大于或等于含镍合金的约14wt％、优选大于或等于约15wt％和更优选大于或等于约17wt％的量。在这个范围内，还希望使用小于或等于含镍合金总量的约23.5wt％、优选小于或等于约22.5wt％和更优选小于或等于约21wt％的量。钴的典型量为含镍合金总量的约18.5wt％至约19.5wt％。
通常加入量小于0.15wt％的碳。碳的优选量为0.02-约0.15wt％。碳通常与金属如钛、钨等形成合金以形成一碳化物。通常，一碳化物中的钛和/或钨构成小于或等于碳化物相约80wt％的量。碳的典型量为含镍合金的约0.02wt％至约0.15wt％。
可存在量小于或等于含镍合金的约3wt％的钨。如果需要，钨可被钼、铼、钌等代替。钨的典型量为含镍合金的约1.9wt％至约2.1wt％。
还可存在量小于或等于含镍合金的约0.025wt％的硼。硼的优选量为含镍合金的约0.001wt％至约0.025wt％。硼通常与含镍合金中的金属反应形成金属硼化物。含镍合金中硼的典型量为含镍合金的约0.002wt％至约0.006wt％。
还可加入量小于或等于含镍合金的约0.2wt％的锆。如果需要，锆可被铪代替。锆的典型量为含镍合金的约0.01wt％。
可用几种已有的方法之一加工含镍合金形成燃气轮机的部件。这种部件的例子包括旋转叶片(或浆片)、非旋转喷嘴(或翼)、护罩、燃烧器等。使用含镍合金的优选部件为燃气轮机中的喷嘴和叶片。涡轮部件可通过各种不同的方法形成，如但不限于粉末冶金方法(例如烧结、热压、热等静压加工、热真空压实等)、铸锭然后定向凝固、熔模精密铸造、铸锭然后热机械处理、近网状形状浇铸、化学气相沉积、物理气相沉积等。优选的方法为铸锭然后定向凝固和熔模精密铸造。
在一种实施方案中，在由含镍合金制造燃气轮机翼片的一种方式中，将粉末、颗粒等形式的含镍合金成分加热到约1350℃-约1750℃的温度以熔化金属组分。
然后在浇铸过程中将熔融金属倒入到模具中产生所需的形状。浇铸方法可包括熔模精密铸造、铸锭等。通常使用熔模精密铸造制造不能通过常规制造技术生产的零件，如具有复杂形状的涡轮叶片，或必须承受高温的涡轮部件。通过使用蜡或可融掉的其它材料制备模来制造模具。将该蜡模浸到难熔浆液中，其涂覆蜡模并形成表皮。将其干燥，并重复浸到浆液中和干燥的过程直到获得坚固的厚度。然后，将整个模放在炉中，并融掉蜡。这产生可用熔融的含镍合金填充的模具。由于模具围绕整体模形成，(其不必象在传统砂型铸造方法中一样从模具中抽出)，因此可制造非常复杂的零件和凹槽。蜡模本身通过使用立体光刻或类似模型复制来制造，其中类似模型使用计算机实体模型原版制造。
在正要倒入前，模具被预热至约1000℃以除去任何蜡残余物并硬化粘合剂。向预热模具中的倒入还确保模具将被完全充满。可利用重力、压力、惰性气体或真空条件完成倒入。优选的实施方案是在真空中浇铸。在另一实施方案中，可利用铸锭形成涡轮部件。在浇铸后，定向凝固模具中的熔体。定向凝固通常在生长方向上产生细长晶粒，因此翼片蠕变强度比等轴浇铸更高。定向凝固的成本比等轴浇铸的成本高。根据翼片的指定要求，可为等轴或定向凝固。在定向和/或等轴凝固后，空气冷却铸件。
包括含镍合金的铸件然后可任选地进行不同的热处理，以便最优化强度和提高抗蠕变性。在一种实施方案中，在约1095℃至约1200℃的温度下热处理铸件以优化屈服强度和降低抗蠕变性。这种热处理通常进行约1-约6小时的时间。热处理的优选时间为4小时。在另一实施方案中，可利用热处理循环降低抗蠕变性。该循环包括加热铸件到约1150℃的温度保持4小时，然后1000℃保持6小时，然后900℃保持4小时，并以700℃保持16小时结束。这种热处理产生显著提高的抗拉强度和屈服强度值。
在又一实施方案中，材料为在750℃-约850℃的温度下热处理的溶液。溶液处理通常进行约8-约36小时的时间。典型的时间为约24小时。通常，使用热处理和溶液热处理减少任何非所需相如η相的存在。
铸件可任选地进行热等静压(HIP)。热等静压通常被优选是因为它在这类部件的生产中有利于大大降低孔隙率和减少收缩的能力。通常，选择热等静压的工艺条件以便获得压实，其中以复合材料制品的总体积计，最终复合材料具有小于或等于约10体积％的孔隙率，更优选小于或等于约2体积％。这种方法一般包括通过加压气体介质施加高的压力和温度以除去内部孔隙和空隙，从而增加密度和提高得到的复合材料的性能。热等静压通常在大于或等于约1000℃、优选大于或等于约1050℃、更优选大于或等于约1150℃的温度下进行。热等静压过程中使用的气体压力通常大于或等于约100兆帕斯卡(MPa)，优选大于或等于约150MPa，更优选大于或等于约200MPa。用于该方法的优选气体包括但不限于氩气、氮气、氦气、氙气和包括前述中一种的组合。
如上所述，含镍合金可有利地用于大涡轮中的大翼片。非所需相如η相的减少和γ′相体积分数增加至含镍合金的约15-45体积％，使含镍合金表现出提高的抗蠕变性、耐高温腐蚀性和提高的可铸性和可焊性。
用于说明而非限制的以下实施例说明了组合物和使用各种材料和装置制造含镍合金的各种实施方案的一部分的方法。
实施例
采用该实施例说明不包含任何钽的含镍合金对包含钽的对比含镍合金样品的性能提高。具有对比组成的样品以及体现本发明改进的那些示于表1。从表中可看出，对比样品(样品#1)具有钽，而其它样品(样品#2-6)不具有钽。
通过取表1中所示样品的各种组分并将其加热至1550℃的温度以形成然后被浇铸的熔体来制备样品。空气冷却该样品。在1150℃下退火样品4小时并在780℃下时效24小时。在1600的温度和15千克/平方英寸(Ksi)的压力下在拉伸试验机中对样品进行蠕变试验。测量达到1％应变需要的时间，并记录为样品显示抗蠕变性能力的函数。该样品为圆柱状八字试块型标准蠕变样品，总长度为4英寸，基准直径为约0.25英寸。此页无内容
表1
  样品#   碳(wt％)   铬(wt％)   钴(wt％)   钨(wt％)   铌(wt％)   钽(wt％)   钛(wt％)   铝(wt％)   锆(wt％)   硼(wt％)   镍(wt％)
  对比样品#1   0.1   22.5   19   2   0.8   1   2.3   1.2   0.01   0.004   51.05
  #2   0.1   22.5   19   2   1.35   0   2.3   1.7   0.01   0.004   51.03
  #3   0.1   22.5   19   2   1.35   0   1.6   1.6   0.01   0.004   51.83
  #4   0.1   22.5   19   2   1.35   0   1.95   1.4   0.01   0.004   51.68
  #5   0.1   22.5   19   2   1.64   0   1.77   1.51   0.01   0.004   51.46
蠕变试验的结果示于附图中，其中比较了两个样品达到约0.5％和1％的应变所需的时间。从图中可看出，不含钽的样品表现出相对于如上所述具有钽的对比样品200％的蠕变提高。同样，在1％应变处，不含钽的样品表现出相对于对比组合物220％的蠕变提高。
在样品#2-6上进行的金相和图象分析表明它们中的每一个都有约相同量的γ′相，和非常少的非所需η相。
从上面的实施例可看出，不含钽的含镍合金表现出优于那些含钽的含镍合金的抗蠕变性能，因此可有利地用于高温应用如燃气轮机等。包括含镍合金的涡轮可用于飞机和飞船、地面基地的发电系统和在水上和水中行进的船舶如船、潜艇、驳船等。
尽管参考示例性的实施方案描述了本发明，但本领域那些技术人员能认识到，只要不脱离本发明的范围，可作出各种变化，并且等价物可取代它的要素。另外，在不脱离本发明的基本范围时，可作出多种改进以使特定的情况或材料适应本发明的教导。因此，目的在于本发明不限制于作为考虑进行本发明的最佳方式公开的特定实施方案，而是本发明包括落在附加权利要求范围内的所有实施方案。

Claims (13)

1.一种含镍合金，包括：
约1.5wt％至约4.5wt％的铝；
约1.5wt％至约4.5wt％的钛；
最高约3wt％的铌；
约14wt％至约28wt％的铬；
余量为镍。
2.权利要求1的含镍合金，其中铝和钛的量之和为含镍合金的约2wt％至约9wt％。
3.权利要求1的含镍合金，其中铝对钛的原子比为约0.5至约1.5。
4.权利要求1的含镍合金，其中钛、铝和铌的总量为含镍合金的约2wt％至约12wt％。
5.权利要求1的含镍合金，其中存在其量为含镍合金约40wt％至约70wt％的镍。
6.权利要求1的含镍合金，还包括钴、碳、锆、钨、硼、钽、铪、铼、钌、钼或包括上述至少一种的组合。
7.一种含镍合金，包括
约1.6wt％至约1.8wt％的铝；
约2.2wt％至约2.4wt％的钛；
约1.25wt％至1.45wt％的铌；
约22wt％至约23wt％的铬；
约18.5wt％至约19.5wt％的钴；
约0.08wt％至约0.12wt％的碳；
约1.9wt％至约2.1wt％的钨；
约0.002wt％至约0.006wt％的硼；
最高0.01wt％的锆；余量为镍。
8.权利要求7的含镍合金，其中锆可被铪代替。
9.一种制造制品的方法，包括：
浇铸合金到模具内，其中该合金包括约1.5wt％至约4.5wt％的铝；约1.5wt％至约4.5wt％的钛；最高约3wt％的铌；约14wt％至约28wt％的铬；约10wt％至23wt％的钴；约1wt％至约3wt％的钨、铼、钌、钼或它们的组合；约0.02wt％至约0.15wt％的碳；约0.001wt％至约0.025wt％的硼；最高0.2wt％的锆、铪或其组合；和
凝固该铸件。
10.权利要求9的方法，还包括定向凝固该铸件。
11.由权利要求1的组合物制造的涡轮部件。
12.由权利要求7的组合物制造的涡轮部件。
13.通过权利要求9的方法制造的涡轮部件。
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