ES2654397T3

ES2654397T3 - Aleaciones de Ni-Cr-Co-Mo-Al resistentes a la oxidación, de gran resistencia, de fácil fabricación

Info

Publication number: ES2654397T3
Application number: ES14777943.3T
Authority: ES
Inventors: S. Krishna Srivastava; Lee Pike
Original assignee: Haynes International Inc
Current assignee: Haynes International Inc
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2018-02-13
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: KR20200133277A; US10358699B2; US20180230578A1; CN105143481B; CN105143481A; TWI645049B; JP2016514768A; EP2971205B1; EP2971205A1; MX374400B; MX2015012388A; KR20150129743A; US20190323107A1; TW201443241A; PL2971205T3; CA2901159A1; HUE035211T2; UA115899C2; KR102239474B1; US20160002752A1

Abstract

Aleación basada en níquel-cromo-cobalto-molibdeno-aluminio con la siguiente composición comprendida en porcentaje en peso: 15 a 20 cromo 9,5 a 20 cobalto 7,25 a 10 molibdeno 2,72 a 3,9 aluminio hasta 10,5 hierro presente hasta 0,15 carbono hasta 0,015 boro hasta 0,75 titanio hasta 1 niobio hasta 1,5 tantalio hasta 1 hafnio hasta 2 tungsteno hasta 1 manganeso hasta 0,6 silicio hasta 0,06 circonio hasta 0,05 magnesio hasta 0,05 calcio hasta 0,05 elementos de tierras raras hasta 0,05 cobre hasta 0,015 azufre hasta 0,03 fósforo siendo el resto níquel e impurezas, cumpliendo además la aleación la siguiente relación composicional definida con cantidades elementales en término de porcentaje en peso: Al + 0,56Ti + 0,29Nb + 0,15Ta <= 3,9

Description

Aleaciones de Ni-Cr-Co-Mo-Al resistentes a la oxidación, de gran resistencia, de fácil fabricación

REFERENCIA A SOLICITUDES RELACIONADAS

Esta solicitud reivindica la prioridad de la Solicitud de Patente Provisional de EE.UU. Nº 61/790.137 registrada el 15 de marzo de 2013 y que se incorpora aquí por referencia.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere a aleaciones altamente resistentes y a su fabricación para el uso a temperaturas elevadas. Se refiere, en particular, a aleaciones que tienen una excelente resistencia a la oxidación, una gran resistencia a la ruptura por termofluencia y la suficiente aptitud de fabricación para su uso en cámaras de combustión de motores de turbinas de gas y otros entornos en condiciones de alta temperatura.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Existen diversas aleaciones comerciales para fabricar chapas para motores de las turbinas de gas. Estas aleaciones pueden dividirse en diferentes grupos según sus características clave. Hay que tener en cuenta que la siguiente reflexión se refiere a aleaciones que se pueden fabricar/soldar en frío, lo que significa que se pueden producir en forma de chapas laminadas en frío, conformar en frío en un componente fabricado y soldar.

Formadoras de gama prima: Éstas incluyen la aleación R-41, la aleación de Waspaloy, la aleación 282®, la aleación 263 y otras. Estas aleaciones se caracterizan por su gran resistencia a la ruptura por termofluencia. Sin embargo, las temperaturas máximas de uso de estas aleaciones están limitadas por la temperatura del diagrama de equilibrio gama-prima y, normalmente, no se utilizan con temperaturas superiores a 871 a 927ºC (1.600-1.700ºF). Por otro lado, aunque la resistencia de estas aleaciones a la oxidación es bastante buena dentro del rango de temperaturas de uso, a temperaturas superiores no es tan buena.

Formadoras de alúmina: Éstas incluyen la aleación 214® y aleación HR-224®, pero no las aleaciones ODS (que no tienen la aptitud requerida para la fabricación). Las aleaciones de este grupo tienen una excelente resistencia a la oxidación a temperaturas altas, como de 1.149ºC (2.100ºF). Sin embargo, su uso en componentes estructurales está limitado debido a su baja resistencia a la termofluencia a temperaturas por encima de alrededor 871 a 927ºC (1.600-1.700ºF). Hay que tener en cuenta que estas aleaciones también forman la gama prima de resistencia, pero esta fase no es estable en el rango de temperaturas superiores.

Aleaciones reforzadas por solubilización de la fase sólida: Estas aleaciones incluyen la aleación 230®, la aleación de HASTELLOY® X, la aleación 617 y otras. Como implica su nombre, estas aleaciones obtienen su alta resistencia a la ruptura por termofluencia del efecto del refuerzo por solubilización de la fase sólida, así como de la formación de carburo. Este refuerzo se mantiene efectivo incluso a temperaturas muy altas – por ejemplo, muy por encima de la temperatura máxima de las matrices de gama-prima. La mayoría de las aleaciones reforzadas por solubilización de la fase sólida tienen una muy buena resistencia a la oxidación debido a la formación de una capa de protección de óxido de cromo. Sin embargo, su resistencia a la oxidación no es comparable con los formadores de alúmina, en particular a temperaturas muy altas de, por ejemplo, 1.149ºC (2.100ºF).

Aleaciones reforzadas por dispersión de nitruros: Estas aleaciones incluyen la aleación NS-163®, con una muy alta resistencia a la ruptura por termofluencia a temperaturas altas, por ejemplo de 1.149ºC (2.100ºF). Mientras que la resistencia a la ruptura por termofluencia de la aleación NS-163 es mejor que en las aleaciones de solubilización de la fase sólida, su resistencia a la oxidación sólo es similar. No tiene la excelente resistencia a la oxidación de los formadores de alúmina.

Lo que queda claro es que la reflexión anterior resulta en que no existe ninguna aleación comercial que se pueda fabricar/soldar en frío que combine tanto la alta resistencia a la ruptura por termofluencia como una excelente resistencia a la oxidación. Sin embargo, en el intento de aumentar continuamente más y más las temperaturas de servicio de los motores de turbinas de gas, queda claro que serían muy deseables aleaciones que combinaran estas cualidades.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

El objeto principal de esta invención es proporcionar aleaciones de fácil fabricación que tengan tanto una gran resistencia a la ruptura por termofluencia como una excelente resistencia a la oxidación. Esto es una combinación de propiedades altamente valiosa que no se encuentra en la técnica anterior (ni se espera de la misma). La composición de aleaciones que se ha descubierto que tienen estas características es: del 15 al 20% en peso de cromo (Cr), del 9,5 al 20% en peso de cobalto (Co), del 7,25 al 10% en peso de molibdeno (Mo), del 2,72 al 3,9% en peso de aluminio (Al) y carbono (C) presente en una cantidad de hasta un 0,15% en peso. Pueden estar presentes los elementos titanio (Ti) y niobio (Nb), por ejemplo, para proporcionar un refuerzo, pero su cantidad se debe limitar debido a su efecto adverso sobre ciertos aspectos de la aptitud para la fabricación. Un exceso de estos elementos en particular puede aumentar la propensión de la aleación a la formación de grietas por fatiga. En el caso de estar presentes, hay que limitarlos a no más del 0,75% en peso y el niobio a no más del 1% en peso.

Se ha descubierto inesperadamente que la presencia de los elementos hafnio (Hf) y/o tantalio (Ta) se asocia incluso con mayores índices de duración frente a la termofluencia de ruptura en estas aleaciones. Por esta razón se pueden añadir uno o ambos elementos a estas aleaciones para mejorar todavía más la resistencia a la ruptura por termofluencia. El hafnio puede añadirse en cantidades de aproximadamente un 1% en peso, mientras que el tantalio puede añadirse en cantidades de aproximadamente un 1,5% en peso. Para conseguir una mayor efectividad, la suma de los contenidos de tantalio y hafnio debería oscilar entre un 0,2% en peso y un 1,5% en peso.

Con el fin de mantener la aptitud para la fabricación se debería limitar la cantidad de ciertos elementos que pueden estar o no presentes (específicamente, aluminio, titanio, niobio y tantalio) de modo que se cumpla la siguiente relación adicional (donde las cantidades elementales se indican en % en peso).

Al + 0,56Ti + 0,29Nb + 0,15Ta ≤ 3,9

Además, también puede estar presente boro (B) en una cantidad traza pequeña pero efectiva, hasta un 0,015% en peso, para obtener las ventajas conocidas en la técnica actual. En esta aleación también puede estar presente tungsteno (W) hasta aproximadamente un 2% en peso. También puede estar presente hierro (Fe) en forma de impureza, o se puede añadir a propósito para reducir el coste global de la materia prima. Sin embargo, el contenido de hierro no debería ser superior a alrededor de un 10,5% en peso. Si están presentes niobio y/o tungsteno como elementos de adición menor, se debería limitar todavía más el contenido de hierro hasta un 5% en peso o menos. Para permitir la eliminación del oxígeno (O) y del azufre (S) durante el proceso de fundido, estas aleaciones contienen típicamente pequeñas cantidades de manganeso (Mn), hasta aproximadamente un 1% en peso, y silicio (Si), hasta aproximadamente un 0,6% en peso, y posiblemente trazas de magnesio (Mg), calcio (Ca) y metales de tierras raras (incluyendo itrio (Y), cerio (Ce), lantano (La), etc.), en cada caso en una cantidad de hasta aproximadamente un 0,05% en peso. La aleación puede contener circonio (Zr), que sin embargo debe mantenerse por debajo del 0,06% en peso en estas aleaciones para mantener la capacidad de fabricación.

DESCRIPCIÓN DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS

Se proporcionan aleaciones basadas en Ni-Cr-Co-Mo-Al que contienen del 15 al 20% en peso de cromo, 9,5 al 20% en peso de cobalto, 7,25 al 10% en peso de molibdeno, 2,72 al 3,9% en peso de aluminio, junto con impurezas típicas, una tolerancia de hasta un 10,5% en peso de hierro, adiciones de elementos menores y el resto de níquel, aleaciones que se fabrican fácilmente con una alta resistencia a la termofluencia y una excelente resistencia a la oxidación hasta una temperatura de 1.149ºC (2.100º F). Esta combinación de características es útil para diversos componentes del motor de turbinas de gas incluyendo, por ejemplo, las cámaras de combustión.

Comprendiendo los requisitos de las futuras cámaras de combustión de los motores de turbinas de gas, sería muy deseable una aleación con las siguientes propiedades: 1) una resistencia excelente a la oxidación a temperaturas hasta 1.149ºC (2.100º F), 2) una buena aptitud para fabricar componentes, de modo que se puedan elaborar en forma de láminas forjadas, conformadas, soldadas, etc., 3) una resistencia a la termofluencia a alta temperatura tan buena o mejor que la de las aleaciones comerciales habituales, como la aleación de HASTELLOY X, y 4) una buena estabilidad térmica a temperaturas elevadas. En el pasado, los intentos de desarrollar una aleación que combinara las cuatro características no han tenido éxito y, por ello, no existe ninguna aleación comercial en el mercado que tenga las cuatro cualidades.

Se han ensayado 30 aleaciones experimentales según se indica en la Tabla 1. Las aleaciones experimentales se etiquetan con A a Z y AA a DD. Las aleaciones experimentales tenían un contenido de Cr dentro del rango del 15,3 al 19,9% en peso, así como un contenido de cobalto en el rango del 9,7 al 20,0% en peso. El contenido de molibdeno oscilaba entre el 5,2 y el 12,3% en peso. El contenido de aluminio era del 1,93 al 4,30% en peso. El contenido de hierro era de inferior al 0,1 hasta el 10,4% en peso. En determinadas aleaciones experimentales

estaban presentes adiciones menores de elementos, incluyendo titanio, niobio, tantalio, hafnio, tungsteno, itrio, silicio, carbono y boro.

Todos los ensayos de las aleaciones se realizaron en un material en forma de lámina con un espesor de 0,065" a 0,125" (1,6 a 3,2 mm). Las aleaciones ensayadas se fundieron por inducción al vacío y después se sometieron 5 a electro-refundido con un peso de carga de 13,6 a 27,2 kg (30 a 50 lb). Los lingotes así producidos se forjaron en caliente y se laminaron hasta un ancho intermedio. Las láminas se sometieron a recocido, a templado con agua y laminado en frío para producir láminas del ancho deseado. Un recocido intermedio de la hoja laminada en frío era necesario durante la producción de la hoja con un espesor de 0,065" (1,6 mm). Las hojas laminadas en frío se sometieron a recocido según necesidad para producir una estructura de grano equiaxial y

10 completamente recristalizada con un tamaño de grano según ASTM entre 3 1/2 y 4 1/2.

Composiciones de aleaciones experimentales (% en peso)

Aleación: Ni Cr Co Mo Al Fe C Si Mn Ti Y Zr B Otros

A: Res. 19,9 14,8 7,8 3,64 1,2 0,096 0,15 - 0,25 0,02 0,04 0,004

B: Res. 19,8 10,1 7,7 3,56 1,3 0,088 0,14 - 0,25 0,02 0,04 0,004

C: Res. 16,1 19,9 7,6 3,65 1,3 0,099 0,14 - 0,24 0,02 0,04 0,004

D: Res. 16,1 19,9 7,7 3,54 5,2 0,079 0,14 - 0,25 0,02 0,02 0,004

E: Res. 16,0 19,8 7,7 3,62 9,7 0,085 0,14 - 0,25 0,02 0,01 0,004

F: Res. 16,0 10,1 7,7 3,46 1,2 0,097 0,14 - 0,22 0,01 0,02 0,004

G: Res. 16,1 9,9 7,8 3,51 9,9 0,089 0,13 - 0,23 0,01 0,02 0,005

H: Res. 16,0 19,7 9,5 3,56 1,2 0,107 0,17 - 0,24 <0,005 0,02 0,005

I: Res. 15,8 19,3 7,5 3,60 1,0 0,110 0,18 - 0,23 0,02 0,02 0,004 1,94 W

J: Res. 16,0 9,8 9,5 3,58 9,9 0,116 0,17 - 0,22 0,02 0,01 0,005

K: Res. 16,3 19,3 7,5 3,50 1,1 0,104 0,14 - 0,22 0,02 0,04 0,004 0,43Hf

L: Res. 16,2 20,0 7,8 3,48 1,0 0,106 0,22 - 0,23 0,02 0,02 0,005 0,71Ta

M: Res. 16,6 10,1 7,7 3,75 10,4 0,108 0,15 - 0,23 0,02 0,03 0,004 0,38Hf

N: Res. 16,7 10,2 7,8 3,64 10,2 0,110 0,19 - 0,23 0,02 0,02 0,005 0,78Ta

O: Res. 16,0 19,9 7,5 3,60 1,1 0,107 0,17 - 0,23 0,02 0,02 0,004 0,35Nb, 0,69Ta

P: Res. 16,0 9,9 7,5 3,63 10,0 0,107 0,19 - 0,23 0,02 0,02 0,004 1,93 W

Q: Res. 16,2 10,1 7,6 3,65 10,2 0,112 0,18 - 0,22 0,02 0,02 0,005 0,35Nb, 0,71Ta

R: Res. 15,3 20 10,0 3,32 < 0,1 0,114 0,19 0,20 0,22 0,01 0,04 0,004

S: Res. 15,9 9,9 9,5 3,78 1,0 0,107 0,47 0,19 0,02 0,011 0,04 0,004

T: Res. 16,0 9,9 7,6 2,72 4,5 0,120 0,17 0,20 0,22 0,015 0,04 0,004 1,89 W, 0,91 Nb

U: Res. 19,5 19,9 7,6 3,36 1,1 0,103 0,17 0,20 0,49 0,013 0,04 0,005

V: Res. 19,0 9,9 8,0 3,40 1,0 0,090 0,18 0,15 0,21 0,011 0,04 0,005 0,48 Hf

-: 5

W: Res. 18,9 19,9 7,5 3,31 1,0 0,086 0,18 0,14 0,21 0,009 0,03 0,004 1,0 Ta

X: Res. 19,2 19,9 7,7 3,40 1,0 0,088 0,17 0,13 0,21 0,011 0,04 0,004 0,45 Hf

Y: Res. 16,4 10,2 7,8 2,81 1,1 0,108 0,49 0,50 0,22 0,010 0,04 0,004

Z: Res. 19,0 10 7,4 3,19 1,0 0,091 0,18 0,16 0,21 0,008 0,03 0,004 1,0 Ta

AA: Res. 19,2 20 5,2 3,37 1,0 0,107 0,18 0,20 0,24 0,012 0,04 0,004

BB: Res. 19,3 20 12,3 3,67 1,0 0,099 0,51 0,53 0,42 0,011 0,04 0,004

CC: Res. 19,4 10 9,6 1,93 1,0 0,107 0,19 0,21 0,24 <0,002 <0,01 0,004

DD: Res. 18,9 10 9,5 4,30 1,0 0,117 0,49 0,21 0,43 0,005 0,05 0,004

-: 6

Para evaluar las características clave (resistencia a la oxidación, aptitud para la fabricación, resistencia a la deformación y estabilidad térmica) se realizaron cuatro tipos de ensayos diferentes en aleaciones experimentales para definir su aptitud para las aplicaciones previstas. Los resultados de estos ensayos se describen en los siguientes apartados.

Resistencia a la oxidación: La resistencia a la oxidación es una característica clave para una aleación avanzada de alta temperatura. Las temperaturas en una cámara de combustión de un motor de turbina de gas pueden ser muy altas y existe siempre una tendencia en la industria a temperaturas de servicio cada vez más altas. Una aleación con una excelente resistencia a la oxidación a una temperatura de hasta 1.149ºC (2.100ºF) sería buena candidata para diversas aplicaciones. La resistencia a la oxidación de las aleaciones basadas en níquel depende en gran medida de la naturaleza de los óxidos que se forman en la superficie de la aleación después de una exposición térmica. Normalmente, es ventajoso formar una capa superficial de protección como pueden ser óxidos ricos en cromo y aluminio. Las aleaciones que forman estos óxidos con frecuencia se denominan formadoras de cromia o alúmina, respectivamente. La gran mayoría de las aleaciones de níquel forjadas a alta temperatura son formadoras de cromia. Sin embargo, existen algunas formadoras de alúmina comerciales. Un ejemplo es la aleación HAYNES® 214®. La aleación 214 es bien conocida por su excelente resistencia a la oxidación.

Con el fin de determinar la resistencia a la oxidación de las aleaciones experimentales, se llevaron a cabo ensayos de oxidación con la mayoría de las aleaciones en una corriente de aire a una temperatura de 1.149ºC (2.100ºF) durante 1.008 horas. Al mismo tiempo del ensayo de estas muestras también se ensayaron cinco aleaciones comerciales: la aleación HAYNES 214, la aleación 263 y la aleación HASTELLOY X. Las muestras pasaron semanalmente un ciclo a temperatura ambiente. Después de las 1.008 horas se descascarillaron las muestras y se sometieron a un examen metalográfico. En la tabla 2 se muestran los resultados de los ensayos de oxidación. El valor registrado es la media del metal afectado, que es la suma de la pérdida de metal más la penetración interna media del ataque de oxidación. En el International Journal of Hydrogen Energy, vol. 36, 2011, páginas 4580-4587, se pueden encontrar detalles del tipo de ensayo. Para el propósito de esta invención, un valor medio de metal afectado de 64 µm/lado (2,5 milésimas/lado) o menos era el objetivo preferido y una indicación apropiada de si se puede considerar que una aleación dada tiene una resistencia "excelente" a la oxidación. De hecho, el examen metalográfico de las aleaciones con un nivel de ataque inferior confirma su comportamiento deseado en cuanto a la oxidación. Ciertos elementos/impurezas menores pueden resultar posiblemente en una resistencia a la oxidación algo reducida (pero todavía aceptable), por lo que el valor medio del metal afectado podría probablemente llegar a 76 µm/lado (3 milésimas/lado) mientras todavía se mantiene una excelente resistencia a la oxidación.

Tabla 2

1.149ºC (2.100ºF) Resultados del test de oxidación

aleación: Media del metal afectado

(mils/lado): (mm/lado)

A: 0,9 23

B: 0,9 23

C: 0,7 18

D: 1,0 25

E: 0,6 15

F: 0,9 23

G: 0,9 23

H: 0,4 10

I: 0,6 15

J: 0,6 15

K: 1,8 46

L: 0,7 18

M: 1,5 38

N: 0,5 13

O: 0,6 15

P: 0,5 13

Q: 0,4 10

R: 0,9 23

S: 0,6 15

T: 1,1 28

U: 1,4 36

V: 2,3 58

W: 0,5 13

X: 1,6 41

Z: 0,5 13

CC: 4,4 112

263: 16,5 419

214: 1,3 33

617: 5,1 130

230: 4,8 122

HASTELLOY X: 12,0 305

Los resultados de los ensayos de oxidación fueron impresionantes. Todas las aleaciones experimentales ensayadas (con excepción de la aleación CC) tuvieron una media del metal afectado de 58 µm/lado (2,3 milésimas/lado) o menos. Consecuentemente, todas estas aleaciones (con excepción de la aleación CC) tenían una resistencia aceptable a la oxidación para la finalidad de esta invención. Teniendo en cuenta las aleaciones comerciales, las aleaciones experimentales eran todas comparables con la aleación HAYNES 214 de formación de alúmina, con un valor medio del metal afectado de 33 µm (1,3 milésimas/lado). Por el contrario, la aleación 617 formadora de cromio, la aleación 230, la aleación HASTELLOY X y la aleación 263 tenían todas niveles de ataque de la oxidación mucho más altos, con valores medios del metal afectado de 130, 122, 305 y 419 µm/lado (5,1, 4,8, 12,0 y 16,5 milésimas/lado) respectivamente. Se supone que la excelente resistencia a la oxidación de las aleaciones experimentales es debida a la cantidad crítica de aluminio, que era del 2,72% en peso o más para todas las aleaciones experimentales salvo la aleación CC. La aleación CC tenía un contenido de Al de solamente un 1,93% en peso, lo que demuestra que este nivel de Al es demasiado bajo para obtener la excelente resistencia a la oxidación deseada. De modo similar, los niveles de Al de las cuatro aleaciones comerciales de formación de cromia eran muy bajos (el mayor el de la aleación 617 con un 1,2% en peso de Al). Por el contrario, la aleación 214 de formación de alúmina tenía un contenido de Al de 4,5% en peso. Resumiendo, se descubrió que todas las aleaciones con base en níquel ensayadas en este programa con un nivel de Al del 2,72% en peso o más tenían una excelente resistencia a la oxidación, mientras que aquellas con niveles inferiores de Al no la tenían. Por tanto, una aleación que se pueda considerar dentro de la presente invención debe tener un nivel de Al en la aleación superior o igual al 2,72% en peso.

Aptitud para la fabricación: Uno de los requisitos de las aleaciones de esta invención es que sean aptas para la fabricación. Según se explica más arriba, para una buena aptitud de fabricación de las aleaciones con cantidades significativas de ciertos elementos (como aluminio, titanio, niobio y tantalio) se necesita una estrecha relación con la resistencia de las aleaciones a la fisuración por deformación de fatiga. La resistencia de las aleaciones experimentales a la fisuración por deformación por fatiga se midió mediante el ensayo modificado CHRT descrito por Metzler en el suplemento del Welding Journal, Octuber de 2008, páginas 249s256s. Se desarrolló el ensayo para terminar la resistencia relativa de una aleación frente a la fisuración por deformación por envejecimiento. Se trata de una variación del ensayo descrito en la patente de EE.UU. Nº

8.066.938. En el ensayo CHRT modificado, el ancho de la sección a medir es variable y el ensayo se realiza en un simulador dinámico termo-mecánico en vez de en una unidad de tracción accionada por tornillo. Se supone que los resultados de las dos formas diferentes de ensayo son cualitativamente similares, pero los resultados cuantitativos absolutos serán diferentes. Los resultados del ensayo CHRT realizado en nuestras

aleaciones experimentales se muestran en la Tabla 3. El ensayo se realizó a una temperatura de 788ºC (1.450ºF) y los valores de ductilidad de CHRT registrados se midieron como alargamiento de 38 mm (1,5 pulgadas). La ductilidad de las aleaciones experimentales en el ensayo CHRT modificado oscilaba entre un 5,9% para la aleación DD y un 17,9% para la aleación X.

5 En la Tabla 3 se muestran también los resultados del ensayo CHRT modificado para tres aleaciones comerciales según publica Metzler en el suplemento del Welding Journal, octubre 2008, páginas 249s-256s. Los valores de ductilidad del ensayo modificado de CHRT para las aleaciones R-41 y Waspaloy resultaron para ambos inferiores al 7%, mientras que el valor para la aleación 263 era del 18,9%. La aleación R-41 y la aleación Waspaloy, aunque se pueden soldar, son conocidas ambas por su susceptibilidad a formar fisuras por

10 deformación de envejecimiento, mientras que la aleación 263 se considera fácilmente soldable. Por esta razón, las aleaciones de la presente invención deben tener valores de ductilidad en el ensayo modificado de CHRT superiores al 7%. De las aleaciones experimentales, solamente las aleaciones O y DD tenían un valor de ductilidad en el ensayo modificado de CHRT inferior al 7%; por tanto, no se puede considerar que las aleaciones O y DD pertenezcan a la presente invención.

15 Tabla 3

Resultados del ensayo CHRT modificado

Aleación: Ductilidad (%) en ensayo CHRT modificado

A: 13,0

B: 11,6

C: 7,7

D: 13,3

E: 13,6

F: 8,9

G: 10,3

H: 8,7

I: 9,4

J: 10,2

K: 8,6

L: 8,0

M: 9,7

N: 10,0

O: 6,3

P: 9,3

Q: 10,2

R: 10,8

S: 9,4

T: 9,9

U: 9,5

V: 15,1

W: 16,3

X: 17,9

Y: 13,5

Z: 11,9

AA: 10,5

BB: 8,9

CC: 15,3

DD: 5,9

R-41: 6,9

WASPALOY: 6,8

263: 18,9

Se ha descubierto que para estas aleaciones basadas en Ni-Cr-Co-Mo-Al, la resistencia a la fisuración por deformación de envejecimiento podría asociarse a la cantidad total de elementos formadores de gama-prima Al, Ti, Nb y Ta. Así, la cantidad combinada de estos elementos presentes en la aleación deberían satisfacer la

5 siguiente relación (donde las cantidades elementales se indican en % en peso):

Al + 0,56Ti + 0,29Nb + 0,15Ta ≤ 3,9 [1]

Los valores del lado izquierdo de la ecuación 1 se muestran en la Tabla 4 para todas las aleaciones experimentales. Se puede considerar que todas las aleaciones donde Al + 0,56Ti + 0,29Nb + 0,15Ta era inferior a 3,9 tienen una ductilidad superior al 7% según el ensayo modificado de CHRT y, por tanto, cumplen los 10 requisitos de resistencia a la fisuración por deformación de envejecimiento de la presente invención. Solamente las aleaciones O, Q y DD tenían valores superiores a 3,9. En cuanto a las aleaciones O y DD, los valores de 3,93 y 4,54 pueden correlacionarse con una pobre ductilidad según el ensayo modificado de CHRT. Por otro lado, se vio que la aleación Q tenía una ductilidad aceptable según el ensayo modificado de CHRT. Se supone que esto es resultado del alto contenido en Fe de la aleación. Se sabe que la adición de Fe impide la formación 15 de gama-prima y puede ayudar, por tanto, a mejorar la ductilidad según el ensayo modificado de CHRT. Sin embargo, una cantidad inferior de elementos formadores de gama-prima es generalmente ventajosa para la aptitud de fabricación. El valor de Al + 0,56Ti + 0,29Nb + 0,15Ta habría de mantenerse, por tanto, en menor o igual a 3,9 para todas las aleaciones de la presente invención. Es de señalar que una de las consecuencias de esto es que el contenido máximo de aluminio en las aleaciones de esta invención debe ser del 3,9% en peso

20 (lo que sería el caso en que no estuvieran presentes ni titanio, ni niobio ni tantalio).

Tabla 4

Aleaciones experimentales – valor de Ec,[1] (a la izquierda)

Aleación: Al + 0,56Ti + 0,29Nb + 0,15Ta

A: 3,78

B: 3,70

C: 3,78

D: 3,68

E: 3,76

F: 3,58

G: 3,64

H: 3,69

I: 3,73

J: 3,70

K: 3,62

L: 3,72

M: 3,88

N: 3,89

O: 3,93

P: 3,76

Q: 3,98

R: 3,44

S: 3,79

T: 3,11

U: 3,63

V: 3,52

W: 3,58

X: 3,52

Y: 2,93

Z: 3,46

AA: 3,50

BB: 3,90

CC: 2,06

DD: 4,54

Resistencia a la ruptura por termofluencia: La resistencia a la ruptura por termofluencia de las aleaciones

experimentales se determinó mediante un ensayo de ruptura por termofluencia a una temperatura de 982ºC

(1.800ºF) bajo una carga de 17 MPa (2,5 ksi). Bajo estas condiciones se estima que la resistencia a la

5 termofluencia de la aleación HASTELLOY X (basada en datos interpolados de Haynes International, Inc.

publicación #H-3009C) tiene una vida de termofluencia de ruptura de 285 horas. En cuanto al objetivo de esta

invención, se estableció una duración mínima de termofluencia de ruptura de 325 horas como un requisito que

representaría una mejora notable en cuanto a la aleación HASTELLOY X. Es útil señalar que la temperatura

de ensayo de 982ºC (1.800ºF) es superior a la temperatura de la curva de solvus gama-prima de las aleaciones 10 experimentales, por lo que cualquier efecto del endurecimiento por la fase gama-prima debería ser

despreciable.

En la Tabla 5 se muestra la duración de termofluencia de ruptura de las aleaciones del experimento junto con

la de aleaciones comerciales. En cuanto a las aleaciones de A a O, R a Z y BB, se descubrió que todas tenían

una duración de la termofluencia de ruptura superior a 325 horas bajo estas condiciones y que cumplían, por 15 tanto, los requisitos de ruptura por termofluencia de la presente invención. En cuanto a las aleaciones P, Q,

AA, CC y DD se vio que no cumplían los requisitos de ruptura por termofluencia. Teniendo en cuenta las

aleaciones comerciales, la aleación 617 y la aleación 230 tenían duraciones de termofluencia de ruptura

aceptables, de 732,2 y 915,4 horas respectivamente. Por el contrario, la aleación 214 tenía una duración de la

termofluencia de ruptura de solamente 196,0 horas – muy inferior a la duración de la termofluencia de ruptura 20 requerida que define las aleaciones de la presente invención.

Tabla 5

Duración de termofluencia de ruptura a 982ºC (1,800ºF) y 17 MPa (2,5 ksi)

Aleación: Duración de ruptura (horas)

A: 1076,7

B: 534,7

C: 486,1

D: 447,0

E: 331,9

F: 402,8

G: 722,0

H: 2051,1

I: 360,0

J: 1785,7

K: 5645,5

L: 566,7

M: 1317,4

N: 1197,3

O: 340,3

P: 134,3

Q: 254,4

R: > 500

S: > 500

T: > 330

U: > 500

V: 1624,0

W: 693,8

X: > 500

Y: > 500

Z: 909,4

AA: 276,0

BB: > 500

CC: 224,3

DD: 138,6

617: 732,2

214: 196,0

230: 915,4

HASTELLOY X: 285 (estimado)

Se descubrió que determinadas aleaciones experimentales con contenido bien de hafnio bien de tantalio mostraban duraciones de termofluencia de ruptura sorprendentemente superiores que muchas de las otras aleaciones del experimento. Por ejemplo, la aleación K con contenido en hafnio tenía una duración de 5 termofluencia de ruptura de 5.645,5 horas y la aleación N con contenido en tantalio tenía una duración de la termofluencia de ruptura de 1.197,3 horas. En la Tabla 6 se establece una comparación de aleaciones con y sin adición de hafnio y tantalio. Con fines comparativos, se agruparon las aleaciones de acuerdo con su composición base nominal. Se puede apreciar un claro beneficio de la adición de hafnio y tantalio con respecto a la duración de la termofluencia de ruptura para todas las composiciones básicas. Sin embargo, cualquier 10 efecto ventajoso del tantalio sobre la resistencia a la ruptura por termofluencia debe sopesarse contra cualquier efecto negativo sobre la aptitud para fabricación según se describe más arriba en este documento.

Tabla 6

Efectos de adiciones de hafnio y tantalio sobre la duración de termofluencia de ruptura a 982ºC (1,800ºF)/17 MPA (2,5 ksi)

Composición base nominal: Aleación Adición Duración de termof, ruptura (h)

Ni-16Cr-20Co-7,5Mo-3,5Al-1Fe: C - 486,1

L: 0,43 Hf 5645,5

K: 0,71 Ta 566,7

Ni-16Cr-10Co-7,5Mo-3,5Al-10Fe: P - 134,3

M: 0,38 Hf 1317,4

N: 0,78 Ta 1197,3

Ni-19,5Cr-10Co-7,5Mo-3,5Al-1Fe: B - 534,7

V: 0,48 Hf 1624,0

Z: 1 Ta 909,4

Según se ha mencionado más arriba, ninguna de las dos aleaciones P y Q del experimento, con alrededor de un 10% en peso de hierro, cumplía los requisitos en cuanto a la ruptura por termofluencia. Estas aleaciones contenían adiciones menores de los elementos tungsteno y niobio, respectivamente. Es útil comparar estas aleaciones con la aleación G, que es similar a estas dos aleaciones pero sin adición de tungsteno o niobio. Se observó que la aleación G tenía una duración de termofluencia de ruptura aceptable. Por tanto, cuando las aleaciones de este familia se encuentran en el margen superior del rango de hierro (~ 10% en peso), parece que los elementos tungsteno y niobio tienen un efecto negativo sobre la duración de la termofluencia de ruptura. Sin embargo, cuando el contenido de hierro es menor, por ejemplo en las aleaciones I y T, las adiciones de tungsteno no resultan en una duración de la termofluencia de ruptura inaceptable. De modo similar, las adiciones de niobio no resultan en una duración de la termofluencia de ruptura inaceptable cuando el contenido de hierro es inferior (aleación T). Las aleaciones de esta invención se limitan, por esta razón, a un 5% en peso de hierro o menos cuando hay tungsteno o niobio como adiciones menores de elementos. En cuanto a las aleaciones con un contenido de hierro superior al 5% en peso, habría que controlar el niobio y tungsteno solamente a nivel de impurezas (aproximadamente un 0,2% en peso y 0,5% en peso para el niobio y tungsteno respectivamente).

Como ya se menciona más arriba, las aleaciones AA, CC y DD no cumplieron los requisitos en lo referente a la ruptura por termofluencia. La aleación AA tenía un contenido de Mo inferior al requerido por la presente invención, mientras que todos los demás elementos quedaban dentro de los rangos aceptables. Así, se descubrió que un contenido crítico mínimo de Mo era necesario para cumplir con el requisito de resistencia a la ruptura por termofluencia. Similarmente, las aleaciones CC y DD tenían ambas contenidos de Al fuera del rango de esta invención, mientras que todos los demás elementos quedaban dentro de sus rangos aceptables. No está claro el mecanismo responsable de la baja resistencia a la ruptura por termofluencia con el contenido de Al fuera del rango definido por esta invención.

La estabilidad térmica: La estabilidad térmica de las aleaciones del experimento se comprobó mediante un ensayo de tracción a temperatura ambiente seguido por una exposición al calor a 760ºC (1.400ºF) durante 100 horas. La magnitud del alargamiento por tracción a temperatura ambiente (ductilidad residual) después de la exposición al calor puede tomarse como una medida de la estabilidad térmica de la aleación. Se seleccionó una temperatura de exposición de 760ºC (1.400ºF) debido a que muchas aleaciones a base de níquel tienen la menor estabilidad térmica alrededor de este rango de temperaturas. Para obtener una estabilidad térmica aceptable para las aplicaciones en cuestión, se determinó que es necesaria una ductilidad residual superior al 10%. De preferencia, la ductilidad residual debería ser superior al 15%. De las 30 aleaciones del experimento descritas aquí, 28 tenían una ductilidad residual del 17% o más – holgadamente por encima del mínimo preferido. Las aleaciones BB y DD eran las excepciones, ya que ambas tenían una ductilidad residual inferior al 10%. La aleación BB tenía un contenido de Mo superior al máximo para las aleaciones de la presente invención, mientras que todos los demás elementos quedaban dentro de los rangos aceptables. Así, se supone que este alto contenido de Mo era el responsable de la poca estabilidad térmica. De modo similar, la aleación DD tenía un contenido de Al superior al máximo de las aleaciones de la presente invención, mientras que todos los demás elementos quedaban dentro de sus rangos aceptables. Se supone, por tanto, que el alto contenido de Al es responsable de la poca estabilidad térmica.

Tabla 7

Ensayo de estabilidad térmica

Aleación: % alargamiento (ductilidad residual) después de 760ºC (1.400ºF)/100 horas

A: 24

B: 25

C: 23

D: 25

E: 25

F: 23

G: 23

H: 23

I: 21

J: 19

K: 24

L: 22

M: 20

N: 22

O: 23

P: 20

Q: 20

R: 21

S: 17

T: 23

U: 23

V: 21

W: 23

X: 21

Y: 23

Z: 20

AA: 22

BB: 2

CC: 29

DD: 7

Resumiendo los resultados de los ensayos para las cuatro características clave (resistencia a la oxidación, aptitud para la fabricación, resistencia a la ruptura por termofluencia y estabilidad térmica), se descubrió que las aleaciones A a N, aleaciones R a X y la aleación Z (22 en total) cumplían los requisitos de los cuatro ensayos de características clave y, por tanto, se consideran aleaciones dentro de la presente invención. La aleación Y también se considera que queda dentro del alcance de la presente invención, ya que cumplió con los ensayos de ruptura por termofluencia, el test CHRT modificado y de estabilidad térmica, pero no se ensayó en cuanto a la resistencia a la oxidación (su contenido de aluminio indica que la aleación Y debe tener también una

excelente resistencia a la oxidación según las enseñanzas de esta descripción). Las aleaciones O y DD no alcanzaron los requisitos según el ensayo de CHRT modificado y se determinó, por tanto, que su aptitud para la fabricación no era la suficiente (debido a una pobre resistencia a la fisura por envejecimiento). Se determinó que las aleaciones P, Q, AA, CC y DD no cumplían los requisitos en cuanto a la resistencia a la ruptura por 5 termofluencia. La aleación CC no cumplió el requisito de la oxidación. Finalmente, las aleaciones BB y DD no cumplieron los requisitos en cuanto a la estabilidad térmica. Así, se consideró que las aleaciones O, P, Q, AA, BB, CC y DD (7 en total) no entran dentro del alcance de la presente invención. Estos resultados se resumen en la Tabla 8. Además, se determinaron siete aleaciones comerciales diferentes junto con las aleaciones del experimento. Ninguna de las siete aleaciones comerciales cumplía en uno o más de los ensayos de

10 características clave.

Tabla 8

Resumen de las aleaciones experimentales

Aleación: Ensayo(s) fallados en característica clave Aleación de la presente invención

A: SI

B: SI

C: SI

D: SI

E: SI

F: SI

G: SI

H: SI

I: SI

J: SI

K: SI

L: SI

M: SI

N: SI

O: CHRT modificado NO

P: ruptura por termofluencia NO

Q: ruptura por termofluencia NO

R: SI

S: SI

T: SI

U: SI

V: SI

W: SI

X: SI

Y: SI

Z: SI

AA: ruptura por termofluencia NO

BB: Estabilidad térmica NO

CC: Oxidación, ruptura por termofluencia NO

DD: CHRT modificado, ruptura por termofluencia, estabilidad térmica NO

Las aleaciones aceptables del experimento contenían (por ciento en peso): 15,3 a 19,9 de cromo, 9,7 a 20,0 de cobalto, 7,5 a 10,0 de molibdeno, 2,72 a 3,78 de aluminio, menos de 0,1 a 10,4 de hierro, 0,085 a 0,120 de carbono así como elementos e impurezas menores. Las aleaciones aceptables tenían, además, valores del término de Al + 0,56Ti + 0,29Nb + 0,15Ta en el rango de 2,93 a 3,89.

Quizá el aspecto más crítico de esta invención es el estrecho margen para el elemento aluminio. En estas aleaciones se requiere un contenido crítico de aluminio de como mínimo un 2,72% en peso para estimular la formación de la costra de protección de alúmina – requisito para su excelente resistencia a la oxidación. Sin embargo, es necesario limitar el contenido de aluminio al 3,9% en peso o menos para mantener la aptitud de fabricación de las aleaciones según se definen, en parte, por la resistencia de las aleaciones a la fisuración por envejecimiento. Este control cuidadoso del contenido de aluminio es una necesidad para obtener las aleaciones de esta invención. También se vio que el estrecho margen del aluminio era muy importante para la resistencia a la termofluencia de estas aleaciones, así como para la estabilidad térmica. Además del estrecho margen para el aluminio, existen otros factores cruciales para esta invención. Éstos incluyen la adición de cobalto y molibdeno, que contribuyen en gran medida a la resistencia a la ruptura por termofluencia – una característica clave de estas aleaciones. En particular, se observó que era necesario un nivel crítico de molibdeno en esta clase de aleaciones concretas con el fin de asegurar la suficiente resistencia a la termofluencia. También es crucial el cromo debido a su contribución a la resistencia a la oxidación. La adición de ciertos elementos menores pueden proporcionar un beneficio significativo a las aleaciones de esta invención. Éstos incluyen el carbono, un elemento crítico (y necesario) para proporcionar una resistencia a la fluencia, un refinamiento del grano, etc. También se prefiere, aunque su presencia no es necesaria, que estén presentes boro y circonio, debido a sus efectos beneficiosos sobre la resistencia a la ruptura por termofluencia. De la misma forma, se prefiere la presencia de elementos de tierras raras, como es itrio, lantano, cerio, etc., debido a sus efectos beneficiosos en relación a la resistencia a la oxidación. Finalmente, aunque todas las aleaciones de esta invención tienen una gran resistencia a la ruptura por termofluencia, se ha visto que las que contienen adiciones de hafnio y/o tantalio tienen una resistencia a la ruptura por termofluencia inesperadamente elevada.

El aspecto crítico de ciertos elementos en cuanto a la capacidad de las aleaciones de esta invención de cumplir con la combinación de las cuatro características clave del material se ilustra mediante una comparación de la presente invención con la descripción de la patente de EE.UU. No. 2.712.498, de Gresham, que coincide con la presente invención. En la patente de Gresham se describen amplios intervalos elementales que cubren extensas franjas a la hora de formar composiciones. No se ha hecho ningún intento de describir aleaciones que tengan la combinación de las cuatro características clave del material de la presente invención. De hecho, la patente de Gresham describe muchas aleaciones que no cumplen los requisitos de la presente invención. Por ejemplo, Rolls-Royce Limited (a la que ha sido asignada esta patente) desarrolló la aleación comercial 263, que se ha utilizado durante décadas en la industria aeroespacial. Sin embargo, esta aleación no tiene la excelente resistencia a la oxidación requerida por la presente invención – según se refleja más arriba en la Tabla 2. Por otro lado, no hay ninguna enseñanza en Gresham et al. sobre la necesidad de un contenido mínimo crítico de aluminio para la resistencia a la oxidación. Otro ejemplo es la aleación DD descrita en la Tabla 1. Esta aleación entra dentro de los rangos de la patente de Gresham. Sin embargo, esta aleación incumple tres de los cuatro requisitos de la presente invención: la ruptura por termofluencia, la resistencia a la fisuración por deformación de envejecimiento (según se mide por el ensayo CHRT modificado) y la estabilidad térmica. Por ejemplo, se ha mostrado en la presente descripción que el fallo de la aleación DD en cumplir el requisito de fisuración por deformación plástica de envejecimiento es resultado de un nivel demasiado alto del aluminio. No hay ninguna enseñanza en Gresham et al. sobre la existencia de un nivel crítico máximo de aluminio (o un contenido máximo combinado de los elementos Al, Ti, Nb y Ta) para evitar la propensión a fisuración por deformación plástica de envejecimiento. Un tercer ejemplo es que Gresham no describe la necesidad de limitar el contenido máximo de molibdeno para evitar una pobre estabilidad térmica. Resumiendo, Gresham describe aleaciones que no cumplen la combinación de cuatro características clave del material aquí descritas y no dice nada sobre los requisitos en cuanto a la composición crítica necesaria para combinar estas cuatro características incluyendo, por ejemplo, el rango muy estrecho aceptable para el aluminio.

Las aleaciones de la presente invención deben contener (por ciento en peso): de 15 a 20 de cromo, 9,5 a 20 de cobalto, 7,25 a 10 de molibdeno, 2,72 a 3,9 de aluminio, una cantidad de carbono de hasta 0,15 y el resto níquel más impurezas de adiciones de elementos menores. Los rangos para los elementos más importantes se resumen en la Tabla 9. Además del carbono, las adiciones de elementos menores pueden incluir también

hierro, silicio, manganeso, titanio, niobio, tantalio, hafnio, circonio, boro, tungsteno, magnesio, calcio y uno o más elementos de tierras raras (incluyendo, sin quedar limitado a, itrio, lantano y cerio). Los rangos aceptables de los elementos menores se describen más adelante y se resumen en la Tabla 10.

Tabla 9

Rangos de los elementos más importantes (% en peso)

El.: Rango amplio Rango intermedio #1 Rango intermedio #2 Estrecho

Ni: resto resto resto resto

Cr: 15 a 20 16 a 20 17 a 20 17,5 a 19,5

Co: 9,5 a 20 15 a 20 17 a 20 17,5 a 19,5

Mo: 7,25 a 10 7,25 a 9,75 7,25 a 9,25 7,25 a 8,25

Al: 2,72 a 3,9 2,9 a 3,7 2,9 a 3,6 3,0 a 3,5

Los elementos titanio y niobio pueden estar presentes, por ejemplo, para proporcionar un refuerzo, sin embargo su cantidad debe limitarse debido a su efecto adverso sobre ciertos aspectos de la aptitud para la fabricación. En particular, un exceso de estos elementos puede aumentar la propensión de una aleación a la fisuración por deformación plástica de envejecimiento. En caso de estar presentes, el titanio habría de limitarse a no más del

10 0,75% en peso y el niobio a no más del 1% en peso. Si no están presentes cono adiciones previstas, el titanio y el niobio podrían existir como impurezas hasta alrededor de un 0,2% en peso cada uno.

Se ha descubierto sorprendentemente que en estas aleaciones la presencia de los elementos hafnio y/o tantalio está asociada incluso con mayor duración en relación a la ruptura por termofluencia. Por tanto, se pueden añadir a estas aleaciones opcionalmente uno o ambos elementos para mejorar todavía más la resistencia a la

15 ruptura por termofluencia. El hafnio se puede añadir en contenidos de alrededor del 1% en peso, mientras que el tantalio se puede añadir en contenidos de alrededor del 1,5% en peso. Para mayor efectividad, la suma de los contenidos de hafnio y tantalio debería ser entre un 0,2% en peso y un 1,5% en peso. Si no existen como adiciones previstas, el hafnio y el tantalio pueden estar presentes como impurezas hasta alrededor de un 0,2% en peso cada uno.

20 Con el fin de mantener la aptitud para la fabricación, ciertos elementos (específicamente el aluminio, titanio, niobio y tantalio), que pueden estar o no presentes, deben limitarse en su cantidad de modo que cumplan la siguiente relación adicional (donde las cantidades elementales son en % en peso):

Al + 0,56Ti + 0,29Nb + 0,15Ta ≤ 3,9 [1]

Además puede estar presente el boro en un contenido pequeño de trazas, pero efectivo, hasta un 0,015% en

25 peso para obtener ciertos beneficios conocidos en la técnica. El tungsteno puede añadirse hasta alrededor de un 2% en peso, pero si está presente en forma de impureza el contenido sería típicamente alrededor del 0,5% en peso o inferior. El hierro también puede estar presente como impureza con niveles de hasta un 2% en peso,

o puede ser añadido a propósito con niveles superiores para reducir el coste general de la materia prima. Sin embargo, el hierro no debería estar presente en más de aproximadamente un 10,5% en peso. Si están 30 presentes el niobio y/o el tungsteno como adiciones de elementos menores, el hierro debe limitarse todavía más, hasta un 5% en peso o menos. Para permitir la eliminación del oxígeno y azufre durante el proceso de fundición, estas aleaciones contienen típicamente pequeñas cantidades de manganeso, de hasta alrededor de un 1% en peso, y silicio, hasta alrededor un 0,6% en peso y, posiblemente, trazas de magnesio, calcio y elementos de tierras raras (incluyendo itrio, cerio, lantano etc.) hasta alrededor un 0,05% en peso cada uno. El

35 circonio puede estar presente en la aleación como impureza o añadirse a propósito (por ejemplo para mejorar la duración ante la ruptura por termofluencia), pero debería ajustarse en un 0,06% en peso o menos en estas aleaciones para mantener la aptitud de fabricación, preferiblemente en un 0,04% en peso o menos.

Tabla 10

Adición de elementos menores (% en peso)

El.: Rango amplio Rango intermedio Rango estrecho

C: presente hasta 0,15 presente hasta 0,12 0,02 a 0,12

Fe: hasta 10,5 hasta 5 hasta 2

Si: hasta 0,6 hasta 0,5 hasta 0,4

Mn: hasta 1 hasta 1 hasta 0,5

Ti: hasta 0,75 hasta 0,75 0,2 to 0,5

Nba: hasta 1 hasta 1c hasta 1d

Ta: hasta 1,5 hasta 1,5c hasta 1d

Hf: hasta 1 hasta 1c hasta 0,5d

Zr: hasta 0,06 hasta 0,04 presente hasta 0,04

B: hasta 0,015 hasta 0,008 presente hasta 0,005

Wa: hasta 2 hasta 2 hasta 0,5

Mg: hasta 0,05 hasta 0,05 hasta 0,05

Ca: hasta 0,05 hasta 0,05 hasta 0,05

REEb: hasta 0,05 cada uno hasta 0,05 cada uno presentes uno o más hasta 0,05 cada uno

a Aleaciones con presencia de Nb o W en niveles superiores a las impurezas deberían contener también ≤ 5% en peso de Fe, bR son elementos de tierras raras (REE) incluye uno o más de Y, La, Ca, etc. cEn el rango estrecho, al menos uno de niobio, tantalio y hafnio debería estar presente, y la suma ha de ser entre 0,2 y 1,5. dEn el rango estrecho, al menos uno de tántalo y hafnio debería estar presente, y la suma ha de ser entre 0,2 y 1,5.

En la Tabla 11 se resume la tolerancia en cuanto a ciertas impurezas. Algunos de los elementos indicados en la Tabla 11 (tantalio, hafnio, boro, etc.) pueden estar presentes en adiciones previstas más que como impurezas; si se ha añadido a propósito un elemento dado, éste queda sujeto a los rangos definidos en la Tabla 10 mejor que la Tabla 11. También pueden estar presentes impurezas adicionales no relacionadas y pueden tolerarse si no degradan las características clave por debajo de los niveles definidos.

Tabla 11

Tolerancias a impurezas (% en peso)

Impureza: Tolerancia máxima

Fe: 2*

Si: 0,4*

Mn: 0,5*

Ti: 0,2*

Nb*: 0,2*

Ta: 0,2*

Hf: 0,2*

Zr: 0,05*

B: 0,005*

W*: 0,5*

Cu: 0,5

S: 0,015

P: 0,03

*puede ser superior si es adición a propósito (ver Tabla 10)

De la información presentada en esta descripción podemos esperar que las composiciones de las aleaciones relacionadas en la Tabla 12 también tengan las características deseadas.

Tabla 12

Otras composiciones de aleaciones

Al.: Ni Cr Co Mo Al Fe C Si Ti Y Zr B Otras

1: Res. 16 15 8 3,9 1 0,1 0,1 - 0,02 0,04 0,004

2: Res. 16 15 7,25 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta

3: Res. 16 15 8 3,3 1 0,02 0,1 0,25 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta

4: Res. 16 15 8 3,3 1 0,15 0,1 0,25 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta

5: Res. 15 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta

6: Res. 20 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta

7: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 - 0,25 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta

8: Res. 16 9,5 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta

9: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 - 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta

10: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 - 0,004 0,5 Ta

11: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 0,04 - 0,5 Ta

12: Res. 16 15 8 3,3 1 0,05 0,1 0,25 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta

13: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 0,04 0,015 0,5 Ta

14: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,75 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta

15: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 0,04 0,004 1 Nb

16: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 0,04 0,004 1 Hf

17: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 0,04 0,004 1,5 Ta

18: Res. 16 15 8 3,3 10,5 0,1 0,1 0,25 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta

19: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 0,04 0,004 1 Mn, 0,5 Ta

20: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,5 0,25 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta

21: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,6 0,25 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta

22: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 0,06 0,004 0,5 Ta

23: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 0,04 0,008 0,5 Ta

24: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,5 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta

25: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 0,04 0,004 0,5 Hf

26: Res 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta, 0,2 W

27: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta, 0,05 Mg

28: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta, 0,05 Ca

29: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta, 0,05 La

30: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,02 0,04 0,004 0,5 Ta, 0,05 Ce

31: Res. 16 15 8 3,3 1 0,1 0,1 0,25 0,05 0,04 0,004 0,5 Ta

32: Res. 16 15 8 3,5 1 0,1 0,1 0,45 0,05 0,04 0,004 1 Ta

Además de las cuatro características clave descritas más arriba, otras características deseables para las aleaciones de esta invención pueden incluir: una alta ductilidad a la tracción en condiciones de recocido sin postratamiento, una buena resistencia a la fisuración en caliente durante la soldadura, buena resistencia a la

5 fatiga térmica y otras.

Aunque las muestras ensayadas se limitaban a chapas forjadas, las aleaciones deben tener características comparables en otras formas forjadas (como planchas, barras, tubos, tuberías, piezas forjadas y alambres) y en moldeados por colada, por inyección o formas de pulvimetalurgía, es decir, polvo, polvo compactado y polvo compactado sinterizado. La presente invención cubre, en consecuencia, todas las formas de composiciones

10 de aleación.

Las características combinadas de una excelente resistencia a la oxidación, una buena aptitud para la fabricación, una buena resistencia a la ruptura por termofluencias de esta aleación hacen sea particularmente útil para la fabricación de componentes del motor de turbinas de gas y particularmente útil para cámaras de combustión de estos motores. Estos componentes y motores que contienen estos componentes pueden

15 operarse a temperaturas superiores sin fallos y deberían tener una vida útil más larga que los componentes y motores actualmente disponibles.

Aunque se han mostrado ciertas realizaciones preferidas de la aleación, hay que entender claramente que la presente invención no queda limitada a las mismas, pero puede realizarse indistintamente dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims

Reivindicaciones

1. Aleación basada en níquel-cromo-cobalto-molibdeno-aluminio con la siguiente composición comprendida en porcentaje en peso: 15 a 20 cromo

5 9,5 a 20 cobalto 7,25 a 10 molibdeno 2,72 a 3,9 aluminio hasta 10,5 hierro presente hasta 0,15 carbono

10 hasta 0,015 boro hasta 0,75 titanio hasta 1 niobio hasta 1,5 tantalio hasta 1 hafnio

15 hasta 2 tungsteno hasta 1 manganeso hasta 0,6 silicio hasta 0,06 circonio hasta 0,05 magnesio

20 hasta 0,05 calcio hasta 0,05 elementos de tierras raras hasta 0,05 cobre hasta 0,015 azufre hasta 0,03 fósforo

25 siendo el resto níquel e impurezas, cumpliendo además la aleación la siguiente relación composicional definida con cantidades elementales en término de porcentaje en peso:

Al + 0,56Ti + 0,29Nb + 0,15Ta ≤ 3,9
2. Aleación basada en níquel-cromo-cobalto-molibdeno-aluminio según la reivindicación 1, que contiene

hafnio, tantalio o una combinación de hafnio y tantalio, estando la suma de los dos elementos entre el 30 0,2% en peso y el 1,5% en peso.
3.

Aleación basada en níquel-cromo-cobalto-molibdeno-aluminio según la reivindicación 1, que contiene titanio en una cantidad del 0,2 al 0,75% en peso.
4.

Aleación basada en níquel-cromo-cobalto-molibdeno-aluminio según la reivindicación 1, que contiene

al menos uno de hafnio y tantalio en una cantidad en el rango del 0,2% en peso a 1 y 1,5% en peso 35 respectivamente.
5. Aleación basada en níquel-cromo-cobalto-molibdeno-aluminio según la reivindicación 1, donde la

aleación contiene en porcentaje en peso: 16 a 20 cromo 15 a 20 cobalto

40 7,25 a 9,75 molibdeno 2,9 a 3,7 aluminio
6. Aleación basada en níquel-cromo-cobalto-molibdeno-aluminio según la reivindicación 1, donde la aleación contiene en porcentaje en peso: 17 a 20 cromo

45 17 a 20 cobalto 7,25 a 9,25 molibdeno 2,9 a 3,6 aluminio
7. Aleación basada en al níquel-cromo-cobalto-molibdeno-aluminio según la reivindicación 1, donde la aleación contiene en porcentaje en peso:

50 17,5 a 19,5 cromo 17,5 a 19,5 cobalto 7,25 a 8,25 molibdeno 3,0 a 3,5 aluminio
8. Aleación basada en níquel-cromo-cobalto-molibdeno-aluminio según la reivindicación 1, donde la

aleación contiene en porcentaje en peso: hasta 5 hierro presente hasta 0,12 carbono

5 hasta 0,008 boro hasta 5 silicio hasta 0,04 circonio
9. Aleación basada en níquel-cromo-cobalto-molibdeno-aluminio según la reivindicación 1, donde la aleación contiene en porcentaje en peso:

10 hasta 2 hierro 0,02 a 0,12 carbono presente hasta 0,005 boro 0,2 a 0,5 titanio hasta 0,5 manganeso

15 hasta 0,4 silicio presente hasta 0,04 circonio
10. Aleación basada en níquel-cromo-cobalto-molibdeno-aluminio según la reivindicación 1, donde la aleación tiene una resistencia a la oxidación tal que la media del metal afectado tiene un valor no superior a 64 µm/lado (2,5 mils/lado) cuando se ensaya en una corriente de aire a 1.149ºC (2.100ºF)

20 durante 1008 horas.
11.

Aleación basada en níquel-cromo-cobalto-molibdeno-aluminio según la reivindicación 1, donde la aleación tiene un valor de ductilidad en el ensayo CHRT modificado superior al 7%.
12.

Aleación basada en níquel-cromo-cobalto-molibdeno-aluminio según la reivindicación 1, donde la

aleación tiene una vida frente a la ruptura por termofluencia de como mínimo 325 horas cuando se 25 ensaya a 982ºC (1.800ºF) bajo una carga de 17 MPa (2,5 ksi).
13.

Aleación basada en níquel-cromo-cobalto-molibdeno-aluminio según la reivindicación 1, donde la aleación contiene más del 5% en peso de hierro y al menos uno de niobio hasta un 0,2 por ciento en peso y tungsteno hasta un 0,5 por ciento en peso.
14.

Aleación basada en níquel-cromo-cobalto-molibdeno-aluminio con una composición en porcentaje en

30 peso de: 15,3 a 19,9 cromo 9,7 a 20,0 cobalto 7,5 a 10,0 molibdeno 2,72 a 3,78 aluminio

35 0,1 a 10,4 hierro 0,085 a 0,120 carbono hasta 0,005 boro hasta 0,49 titanio hasta 1,0 tantalio

40 hasta 0,48 hafnio hasta 0,49 silicio hasta 0,02 itrio hasta 0,04 circonio hasta 0,2 niobio

45 hasta 0,5 tungsteno hasta 0,5 cobre hasta 0,015 azufre hasta 0,03 fósforo hasta 0,05 magnesio

50 hasta 0,05 calcio hasta 0,05 elementos de tierras raras

con un resto de níquel e impurezas, cumpliendo además la aleación, la siguiente relación composicional definida en cantidades elementales en términos de porcentaje en peso:

Al + 0,56Ti + 0,29Nb + 0,15Ta ≤ 3,89

-

22
15. Aleación basada en níquel-cromo-cobalto-molibdeno-aluminio según la reivindicación 14, que contiene uno o más de niobio hasta un 0,2% en peso, tungsteno hasta un 0,5% en peso, cobre hasta un 0,5% en peso, azufre hasta un 0,015% en peso, fósforo hasta un 0,03% en peso, magnesio hasta un 0,05% en peso, calcio hasta un 0,05% en peso y cualquier elemento de tierras raras hasta un 0,05% en peso.