CN1914339A - 具有增强的抗疲劳和抗蠕变性的高温粉末冶金超合金 - Google Patents

具有增强的抗疲劳和抗蠕变性的高温粉末冶金超合金 Download PDF

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Abstract

一种镍基超合金组合物，所述组合物包含约16.5－约20.5％重量的Co、约9.5－约12.5％重量的Cr、约1.8－约3.2％重量的Mo、约4.25－约6.0％重量的W、约3.0－约4.2％重量的Al、约3.0－约4.4％重量的Ti、约1.0－约2.0％重量的Ta、约0.6－约1.8％重量的Nb、约0.01－约0.08％重量的C、约0.01－约0.06％重量的B、约0.04－约0.15％重量的Zr和余量的Ni。

Description

具有增强的抗疲劳和抗蠕变性的高温粉末冶金超合金
相关申请的交叉引用
该申请为2003年8月29日提交的美国申请号10/651,480的部分继续申请，其全部内容通过引用结合到本文中。
发明背景
本发明主要涉及镍基超合金组合物。本发明还涉及包含镍基超合金组合物的部件。
镍基超合金已广泛用于制造燃气轮机发动机部件。燃气轮机发动机排出的气体较热，在更高的温度下运行效率更高。为了使燃气轮机发动机的效率最高，人们进行了各种努力开发能在更高温度下工作的燃气轮机发动机部件(例如涡轮盘)。更具体地讲，在较高的温度(例如1300-1500)下具有较好强度和抗蠕变性，同时在较低的温度(例如500-1100)下抗疲劳裂纹产生的用于涡轮机和压缩机盘的超合金具有极大的商业价值，这些较高或较低温度在压缩机和涡轮机盘孔处经常发生。高温保载条件下的抗裂纹扩展性(dwell crack growthresistance)也是一个重要的参数。
现有技术的上一代耐高温盘合金局限于约1200-1300工作温度，例如工业用合金P/M Astroloy、Rene’88DT和IN100。这些盘合金(包括最近一代的合金)通常经惰性气体原子化制成粉末形式。随后将粉末筛分成适当的粒径范围，通过热压或热等静压(HIP)压实(consolidate)。随后将已压实的粉末挤成适用于等温锻造成可加工成发动机部件形状的形式。还可无需挤出和等温锻造步骤，通过热等静压(HIP)，随后加工成最终的形状来制成部件。这些制造方法在高γ体积分数盘合金行业来说是通用的。
Mourer等在美国专利6,521,175B1中公开了一种含有1.9-4.0％重量钨的镍基超合金。为了得到改进的蠕变性，Mourer等的超合金牺牲了某些低温保载条件下的抗疲劳裂纹扩展性(dwell fatigue crackgrowth)。
可见需要这样一种镍基超合金组合物，该组合物在500-1200下可提高疲劳裂纹发生寿命(fatigue crack initiation life)，同时在1200-1500下具有增强的抗蠕变性。同样重要的还有在这些较高温度(1200-1500)下的保载条件下的抗裂纹扩展性。
发明概述
本发明的一方面提供了一种镍基超合金组合物，所述组合物包含：Ni、Co、Cr、Mo、W、Al、Ti、Ta、Nb、C、B和Zr，其中W的量大于4％重量。
本发明的另一方面提供了一种镍基超合金组合物，所述组合物包含：约16.5-约20.5％重量的Co、约9.5-约12.5％重量的Cr、约1.8-约3.2％重量的Mo、约4.25-约6.0％重量的W、约3.0-约4.2％重量的Al、约3.0-约4.4％重量的Ti、约1.0-约2.0％重量的Ta、约0.6-约1.8％重量的Nb、约0.01-约0.08％重量的C、约0.01-约0.06％重量的B和约0.03-约0.15％重量的Zr和余量的Ni。
本发明的另一方面提供了一种镍基超合金组合物，所述组合物包含：约16.8-约19.8％重量的Co、约10.0-约12％重量的Cr、约2.2-约3.0％重量的Mo、约4.25-约5.5％重量的W、约3.3-约3.9％重量的Al、约3.3-约4.1％重量的Ti、约1.30-约1.80％重量的Ta、约0.80-约1.60％重量的Nb、约0.02-约0.05％重量的C、约0.02-约0.05％重量的B、约0.04-约0.12％重量的Zr和余量的Ni。
本发明的另一方面提供了一种镍基超合金组合物，所述组合物包含：约17.8-约19.8％重量的Co、约10.0-约12.0％重量的Cr、约2.3-约2.9％重量的Mo、约4.25-约5.0％重量的W、约3.3-约3.8％重量的Al、约3.5-约4.0％重量的Ti、约1.3-约1.8％重量的Ta、约0.90-约1.6％重量的Nb、约0.02-约0.05％重量的C、约0.020-约0.040％重量的B、约0.05-约0.10％重量的Zr和余量的Ni。
本发明的另一方面提供了一种镍基超合金组合物，所述组合物包含：约16.8-约17.2％重量的Co、约10.5-约12％重量的Cr、约2.4-约2.8％重量的Mo、约5.1-约5.5％重量的W、约3.4-约3.8％重量的Al、约3.6-约4.0％重量的Ti、约1.3-约1.7％重量的Ta、约0.80-约1.40％重量的Nb、约0.02-约0.05％重量的C、约0.020-约0.040％重量的B、约0.05-约0.10％重量的Zr和余量的Ni。
本发明的另一方面提供了一种镍基超合金组合物，所述组合物包含：约16.8-约19.8％重量的Co、约10.0-约12.0％重量的Cr、约2.2-约3.0％重量的Mo、约4.25-约5.5％重量的W、约3.3-约3.9％重量的Al、约3.3-约4.1％重量的Ti、约1.3-约1.8％重量的Ta、约0.80-约1.60％重量的Nb、约0.02-约0.05％重量的C、约0.02-约0.05％重量的B、约0.04-约0.12％重量的Zr和余量的Ni，其中所述超合金在1100、R＝0、0.7％应变下的LCF(低疲劳循环)寿命大于200,000周，在1300、100ksi下0.2％蠕变时间大于约400小时。
参考以下的附图、说明书和权利要求书可更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。
附图简述
图1A为本发明的合金试样B和常规合金(Astroloy)的0.2％蠕变和低循环疲劳(0.65％应变)的数据图；
图1B为本发明的合金试样C和D和常规合金U720LI的0.2％蠕变和低循环疲劳(0.7％应变)的数据图；和
图1C为本发明的合金试样C和D和常规合金U720LI的0.2％蠕变和低循环疲劳(0.9％应变)的数据图。
发明详述
以下的详细说明是目前实施本发明的最佳方式。该说明不是要局限本发明，仅用于说明本发明的总的原则，因为本发明的范围在附加的权利要求书中有最佳定义。
本发明提供了用于形成燃气轮机发动机部件(例如压缩机盘、涡轮机盘、盘密封板和隔板)的镍基超合金组合物。本发明的超合金组合物与现有技术的镍基超合金(例如参见Mourer等的U.S.6,521,175B1)的不同之处特别是在于，本发明的合金中钨(W)含量大于4.0％重量，通常W含量等于或大于约4.25％重量。
与以前公开的超合金组合物相比，本发明的组合物在中间温度(500-1200)下的疲劳裂纹发生寿命要高约一个数量级。与以前公开的镍基超合金相比，本发明的组合物具有优异的低循环疲劳(LCF)性能。例如，本发明的合金在1100、0.7％应变下的LCF寿命超过470,000周。此外，与近来的组合物U720和Astroloy相比，本发明的组合物在更高温度(1200-1500)下的保载条件下的抗裂纹扩展性优异。本发明的合金在1300、100ksi下0.2％蠕变时间大于400小时，在1450、65ksi下0.2％蠕变时间大于50小时。
本发明的合金组合物可适用于形成燃气轮机发动机部件(例如涡轮机盘)并且当长时间暴露于高温(1300+)下时表现出抗有害组分(如σ相)形成。后一种性能为本领域所周知的“稳定性”。根据预测冶金稳定性的专用计算(proprietary calculations)在宽范围内选择组合物。本发明的合金组合物能保证涡轮机盘边缘在超过1400的温度下工作，同时在盘孔温度(通常为500-1100)下抗疲劳裂纹发生的水平至少与以前公开的合金所能达到的抗疲劳裂纹发生的已知的最好水平相当，与本发明的合金相比，以前公开的合金抗高温的能力更低。
共同转让的Merrick等的US 6,468,368B1和共同转让的Merrick等的美国专利申请公开第2003/0079809A1号公开了含有4.5-7.5％重量的(钨+铼)的镍基超合金，这些专利所公开的内容通过全文引用结合到本文中来用于所有目的。
Merrick等公开的合金组合物)(US 6,468,368)具有较高强度、抗蠕变和高温(例如1200-1500)稳定性(参见称为合金1的试样的数据，图1B-C)。可以理解，根据各种组分的含量，含有相似或相同组分的镍基超合金可有显著不同和意想不到的性能。例如合金组分(例如W、Nb、Mo、Co和Ta)的含量可对合金的强度、抗蠕变和抗裂纹发生有较大的影响。与以前公开的组合物相比，本申请者已确定这样的组合物，该组合物在较高温度(1200-1500)下具有优异的保载条件下的抗裂纹扩展性且在盘孔温度(通常为500-1100)下抗疲劳裂纹发生的水平高。
本发明的超合金组合物可通过惰性气体原子化，随后高温等静压(HIP)或热压压实来制备。所述材料可以HIP形式使用，或者可将所述材料挤出成锻造原料来等温锻造燃气轮机发动机盘或其他部件。这些制备方法为本领域熟知。
在本发明的一个实施方案中，所述镍基超合金组合物可包含Ni、Co、Cr、Mo、W、Al、Ti、Ta、Nb、C、B和Zr，其中W大于4％重量。更具体地讲，镍基超合金组合物可包含约16.5-约20.5％重量的Co、约9.5-约12.5％重量的Cr、约1.8-约3.2％重量的Mo、约4.25-约6.0％重量的W、约3.0-约4.2％重量的Al、约3.0-约4.4％重量的Ti、约1.0-约2.0％重量的Ta、约0.06-约1.8％重量的Nb、约0.01-约0.08％重量的C、约0.01-约0.06％重量的B、约0.03-约0.15％重量的Zr和余量的Ni。
在本发明的示例性的实施方案中，所述镍基超合金组合物包含约16.8-约19.8％重量的Co、约10.0-约12.0％重量的Cr、约2.2-约3.0％重量的Mo、约4.25-约5.5％重量的W、约3.3-约3.9％重量的Al、约3.3-约4.1％重量的Ti、约1.30-约1.8％重量的Ta、约0.80-约1.60％重量的Nb、约0.02-约0.05％重量的C、约0.02-约0.05％重量的B，约0.05-约0.12％重量的Zr和余量的Ni。
在本发明的第一个更优选实施方案中，可称作合金1.1的镍基超合金组合物包含约17.8-约19.8％重量的Co、约10.0-约12.0％重量的Cr、约2.3-约2.9％重量的Mo、约4.25-约5.0％重量的W、约3.3-约3.8％重量的Al、约3.5-约4.0％重量的Ti、约1.3-约1.8％重量的Ta、约0.90-约1.60％重量的Nb、约0.02-约0.050％重量的C、约0.02-约0.040％重量的B，约0.05-约0.10％重量的Zr和余量的Ni。称为合金1.1的镍基超合金组合物在800、R＝-1、0.65％应变下的LCF寿命大于约260,000周。
实施例1
作为合金1.1的实例，镍基超合金组合物包含约18.5％重量的Co、约11％重量的Cr、约3.55％重量的Al、约2.6％重量的Mo、约4.6％重量的W、约3.75％重量的Ti、约1.5％重量的Ta、约0.90-约1.60％重量的Nb、约0.03％重量的C、约0.03％重量的B、约0.075％重量的Zr和余量的Ni。对于该合金(1.1)，为了降低溶线温度(solvustemperature)而不对稳定性和性能产生不利影响，值得注意的是Co含量可被降低至约20％的水平。合金1.1的溶线形态降低(reduced solvusversion)的平均Co含量可为约19.25。降低溶线温度(solvus temperature)对于某些用途而言可改善其加工容易性。
在本发明的第二个更优选实施方案中，可称作合金1.2的镍基超合金组合物包含约16.8-约17.2％重量的Co、约10.5-约12％重量的Cr、约2.4-约2.8％重量的Mo、约5.1-约5.5％重量的W、约3.4-约3.8％重量的Al、约3.6-约4.0％重量的Ti、约1.3-约1.7％重量的Ta、约0.85-约1.15％重量的Nb、约0.02-约0.05％重量的C、约0.020-约0.040％重量的B，约0.05-约0.10％重量的Zr和余量的Ni。该实施方案较第一个优选实施方案次为优选。称作合金1.2的镍基超合金组合物在1100、R＝0、0.7％应变下的LCF寿命大于约470,000周。细粒形式的合金1.2在1300、100ksi下0.2％蠕变时间大于约400小时。
实施例2
作为合金1.2的实例，镍基超合金组合物包含约17％重量的Co、约11.25％重量的Cr、约3.6％重量的Al、约2.55％重量的Mo、约5.3％重量的W、约3.8％重量的Ti、约1.5％重量的Ta、约1.0％重量的Nb、约0.03％重量的C、约0.03％重量的B、约0.075％重量的Zr和余量的Ni。
与合金1.2相比，由于Co的含量增加，相应于合金1.1的本发明的实施方案的特征通常为易生产且溶线温度降低。与合金1.1相比，合金1.2提高了抗高温蠕变和抗裂纹扩展能力。根据合金1.1(例如试样B，合金1.1B)与合金1.2(例如试样C，合金1.2C)的性能和组成的差异，本领域的技术人员可确定如何配制具有这些性能变化的各种组合物。根据本发明的一个实施方案，实施例3描述了C、Cr、Co、Nb、Al和B的含量介于合金1.1和合金1.2之间的称为试样D(合金1.3)的镍基超合金的组成和性能特征。
组成介于合金1.1和合金1.2之间的合金(例如合金1.3(实施例3))可包含约17.4％重量的Co、约11.0％重量的Cr、约2.56％重量的Mo、约5.5％重量的W、约3.64％重量的Al、约3.8％重量的Ti、约1.47％重量的Ta、约0.94％重量的Nb、约0.03％重量的C、约0.03％重量的B，约0.1％重量的Zr和余量的Ni。超合金例如合金1.3在1100、0.7％应变下的LCF寿命可大于约200,000周。
在一个实施方案中，本发明的镍基超合金组合物可采用粉末冶金(P/M)路线制备，如共同转让的Merrick等的US 6,468,368B1中所述的路线，该专利所公开的内容通过全文引用结合到本文中来。
在某些实施方案中，本发明的镍基超合金组合物还可任选包含0-约2.0％重量的铼，通常为0％重量或接近0％重量。通常铼对超合金的性能几乎没有或没有影响，但能稍微提高抗蠕变性。
尽管铪含量大于0％对LCF性能有负面影响(如在某些现有技术的超合金中所见)，但在某些实施方案中，本发明的镍基超合金组合物还可任选包含0-约1.0％重量的铪。本发明的超合金组合物中还可加入其他元素，例如镁(最高可达0.1％重量)，通常对性能没有实质的影响。
实施例3
制备具有以下组成的称作试样B(合金1.1B)的本发明的合金(用％重量表示)：约18.2％的Co、约11.2％的Cr、约2.65％的Mo、约4.8％的W、约3.57％的Al、约3.86％的Ti、约1.65％的Ta、约0.95％的Nb、约0.027％的C、约0.028％的B、约0.07％的Zr和余量的Ni。还制备了常规合金(Astroloy)，比较了经HIP加工的试样B和Astroloy的抗疲劳和抗蠕变性。Astroloy和试样B合金均使用270目的粉末。在约2215下溶线以上(supersolvus)进行HIP加工Astroloy和试样B，处理溶液得到ASTM 7-8的粒径。Astroloy和试样B的冷却速率为约75/分钟，从溶液处理温度开始冷却。
常规Astroloy和本发明的试样B在800、R＝-1、0.65％应变下的LCF寿命和在1450、65ksi下0.2％蠕变时间数据示于图1A。在这些条件下，常规材料Astroloy的LCF为166,810周。与此相比，本发明的试样B(合金1.1B)的LCF为266,154周。类似的，常规材料Astroloy在1450、65ksi下0.2％蠕变时间为5小时。与此相比，本发明的试样B(合金1.1B)在1450、65ksi下0.2％蠕变时间为85小时。图1A中的数据列表如下(表1)
表1.试样B和PM Astroloy的LCF和0.2％蠕变值
  合金材料   0.2％蠕变时间(小时)(1450、65ksi)  LCF寿命(周)(800、R＝-1、0.65％应变)
  试样B   85   266,154
  PMAstroloy1   5   166,810
1常规超合金
实施例4
制备具有以下组成的称作试样A(合金1.1A)的本发明的合金(用％重量表示)：约17.8％的Co、约11.0％的Cr、约2.6％的Mo、约5.0％的W、约3.58％的Al、约3.9％的Ti、约1.47％的Ta、约1.03％的Nb、约0.028％的C、约0.028％的B、约0.10％的Zr和余量的Ni。通常HIP加工的试样A的疲劳和蠕变特征与上述HIP加工的试样B(实施例3和图1A)的疲劳和蠕变特征类似。
实施例5
制备具有以下组成的称作试样C(合金1.2C)的本发明的合金(用％重量表示)：约16.9％的Co、约11.1％的Cr、约2.55％的Mo、约5.5％的W、约3.79％的Al、约3.97％的Ti、约1.57％的Ta、约0.91％的Nb、约0.033％的C、约0.035％的B、约0.09％的Zr和余量的Ni。试样C由270目的粉末制得，热压，挤出，随后等温锻造。该试验材料处理为溶线以下的(subsolvus)溶液处理，得到ASTM 11-12的粒径。从溶液温度开始的冷却速率为约130/分钟。
实施例6
还制备具有以下组成的称作试样D(合金1.3)的本发明的合金(用％重量表示)：约17.4％的Co、约11.0％的Cr、约2.56％的Mo、约5.5％的W、约3.64％的Al、约3.8％的Ti、约1.47％的Ta、约0.94％的Nb、约0.03％的C、约0.03％的B、约0.1％的Zr和余量的Ni。试样D由270目的粉末制成，热压，挤出，随后等温锻造。将该溶液处理为溶线以下的溶液处理，得到ASTM 10-11的粒径。从溶液温度开始的冷却速率为约500/分钟。
本发明的试样C和D在1100、R＝0、0.7％应变下的低循环疲劳(LCF)寿命和在1300、100ksi下0.2％蠕变时间数据示于图1B。为了比较，在相同的条件下测试常规合金U720 LI。合金1表示共同转让的Merrick等的US 6,468,368 B1的合金组合物。本发明的试样C和D的LCF寿命分别为472,876周和205,610周，在1300、100ksi下0.2％蠕变时间分别为432小时和450小时。
在这些条件下，试样C和D的LCF值分别为常规合金U720LI的LCF值的约5倍和大于2倍。本发明的试样C和D的0.2％蠕变时间比常规合金720的0.2％蠕变时间高约2个数量级。从图1B还可见，在特定的测试条件下，试样C和D的LCF值和0.2％蠕变时间比合金1的LCF值和0.2％蠕变时间至少高数倍。
本发明的试样C和D(实施例5和6)在1100、R＝0、0.9％应变下的LCF寿命数据示于图1C。为了比较，还在相同的条件下测试了常规合金U720LI和合金1的数据。从图1C可见，在特定的测试条件下，试样C和D的LCF值和0.2％蠕变时间比合金U720LI和合金1的LCF值和0.2％蠕变时间至少高数倍。图1B和1C中的数据列表如下(表2)
表2.各种超合金的LCF和0.2％蠕变值
  合金材料   0.2％蠕变时间(小时)(1300、100ksi)   LCF寿命(周)(1100、R＝0、0.7％应变)   LCF寿命(周)(1100、R＝0、0.9％应变)
  试样C   432   472,876   221,776
  试样D   450   205,610   61,860
  U720LI 2   5   95,911   7,263
  合金13   85   66,550   9,850
2常规超合金；
3Merrick等的合金(US 6,468,368)。
当然应理解的是，上述内容涉及本发明的实施方案，在不脱离以下权利要求所述的本发明的精神和范围的前提下，可进行修改。

Claims (10)

1.一种镍基超合金组合物，所述组合物包含：Ni、Co、Cr、Mo、W、Al、Ti、Ta、Nb、C、B和Zr，其中W的量大于4％重量。
2.权利要求1的镍基超合金组合物，其中所述W的量为约4.25-约6.0％重量。
3.权利要求1的镍基超合金组合物，所述组合物包含：约18.2％重量的Co、约11.2％重量的Cr、约2.65％重量的Mo、约4.8％重量的W、约3.57％重量的Al、约3.86％重量的Ti、约1.65％重量的Ta、约0.95％重量的Nb、约0.027％重量的C、约0.028％重量的B和约0.07％重量的Zr。
4.权利要求1的镍基超合金组合物，所述组合物包含：约17.8％重量的Co、约11.0％重量的Cr、约2.6％重量的Mo、约5.0％重量的W、约3.58％重量的Al、约3.9％重量的Ti、约1.47％重量的Ta、约1.03％重量的Nb、约0.028％重量的C、约0.028％重量的B和约0.10％重量的Zr。
5.权利要求1的镍基超合金组合物，所述组合物包含：约16.9％重量的Co、约11.1％重量的Cr、约2.55％重量的Mo、约5.5％重量的W、约3.79％重量的Al、约3.97％重量的Ti、约1.57％重量的Ta、约0.91％重量的Nb、约0.033％重量的C、约0.035％重量的B和约0.09％重量的Zr。
6.权利要求1的镍基超合金组合物，所述组合物包含：约17.4％重量的Co、约11.0％重量的Cr、约2.56％重量的Mo、约5.5％重量的W、约3.64％重量的Al、约3.8％重量的Ti、约1.47％重量的Ta、约0.94％重量的Nb、约0.03％重量的C、约0.03％重量的B和约0.1％重量的Zr。
7.一种镍基超合金组合物，所述组合物包含：约16.5-约20.5％重量的Co、约9.5-约12.5％重量的Cr、约1.8-约3.2％重量的Mo、约4.25-约6.0％重量的W、约3.0-约4.2％重量的Al、约3.0-约4.4％重量的Ti、约1.0-约2.0％重量的Ta、约0.06-约1.8％重量的Nb、约0.01-约0.08％重量的C、约0.01-约0.06％重量的B、约0.03-约0.15％重量的Zr和Ni。
8.权利要求7的镍基超合金组合物，所述组合物包含：约16.8-约19.8％重量的Co、约10.0-约12.0％重量的Cr、约2.2-约3.0％重量的Mo、约4.25-约5.5％重量的W、约3.3-约3.9％重量的Al、约3.3-约4.1％重量的Ti、约1.30-约1.80％重量的Ta、约0.80-约1.60％重量的Nb、约0.02-约0.05％重量的C、约0.02-约0.05％重量的B、约0.05-约0.12％重量的Zr和Ni。
9.权利要求8的镍基超合金组合物，所述组合物包含：约17.8-约19.8％重量的Co、约10.0-约12.0％重量的Cr、约2.3-约2.9％重量的Mo、约4.25-约5.0％重量的W、约3.3-约3.8％重量的Al、约3.6-约4.0％重量的Ti、约1.3-约1.8％重量的Ta、约0.90-约1.60％重量的Nb、约0.02-约0.050％重量的C、约0.020-约0.040％重量的B、约0.05-约0.10％重量的Zr和Ni。
10.权利要求8的镍基超合金组合物，所述组合物包含：约16.8-约17.2％重量的Co、约10.5-约12.0％重量的Cr、约2.4-约2.8％重量的Mo、约5.1-约5.5％重量的W、约3.4-约3.8％重量的Al、约3.6-约4.0％重量的Ti、约1.3-约1.7％重量的Ta、约0.80-约1.40％重量的Nb、约0.02-约0.05％重量的C、约0.020-约0.040％重量的B、约0.05-约0.10％重量的Zr和Ni。
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