KR20030051386A

KR20030051386A - 고강도 고온 내부식성 및 내산화성의, 방향성 고화 니켈계초합금 및 제품

Info

Publication number: KR20030051386A
Application number: KR1020020081052A
Authority: KR
Inventors: 세텔앨런디.; 샤딜립엠.
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 2001-12-18
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2003-06-25
Also published as: CN1322157C; US20030111138A1; ES2261604T3; EP1329527A2; JP4413492B2; DE60211297D1; EP1329527B1; CN1432659A; EP1329527A3; RU2295585C2; KR100954683B1; IL153479A0; ATE325901T1; UA73989C2; DE60211297T2; JP2003231933A

Abstract

본 발명은 고강도의 내부식성 및 내산화성의, 방향성 고화 초합금 및 제품에 관한 것이다. 제품은 약 12 중량%의 크롬, 9 중량%의 코발트, 1.9 중량%의 몰리브덴, 3.8 중량%의 텅스텐, 5 중량%의 탄탈, 3.6 중량%의 알루미늄, 4.1 중량%의 티타늄, 0.015 중량%의 붕소, 0.10 중량%의 탄소, 0.02 중량% 이하의 지르코늄과 나머지량으로서 니켈을 포함하고, 니오븀과 하프늄을 의도적으로 첨가하지 않고, 또한 소량의 탄화 탄탈륨을 포함한다. 결과적인 제품은 우수한 고온 내부식성과 우수한 내산화성 및 크리프 특성을 갖는다. 제품은 바람직하게는 주상 입자이나, 단결정일 수도 있다.

Description

고강도 고온 내부식성 및 내산화성의, 방향성 고화 니켈계 초합금 및 제품 {HIGH STRENGTH HOT CORROSION AND OXIDATION RESISTANT, DIRECTIONALLY SOLIDIFIED NICKEL BASE SUPERALLOY AND ARTICLES}

본 발명은 방향성 고화 제품용 니켈계 초합금 분야에 관한 것인데, 보다 구체적으로, 상승된 온도에서의 양호한 기계적 성질, 고온 부식에 대한 양호한 저항성 및 양호한 내산화성을 갖는 제품을 제공하는 합금에 관한 것이다.

가스 터빈 엔진의 효율성에 대한 많은 요구는 보다 혹독한 작동 조건에 견딜 수 있는 재료에 대한 요구를 발생시켰다. 특히, 열 부식, 산화 및 크리프에 대한저항성과 더불어 양호한 강도가 특정 응용에 대해 요구된다.

미국 특허 제3,619,182호는 탁월한 내부식성을 갖는 것으로 알려져 있고 상업적으로 IN 792로 알려진 중등 강도 초합금을 개시한다. 특허 제'182호는 9.5 내지 14 중량%의 크롬, 7 내지 11 중량%의 코발트, 1 내지 2.5 중량%의 몰리브덴, 3 내지 4 중량%의 텅스텐, 1 내지 4 중량%의 탄탈륨, 1 중량%의 이하의 콜럼븀, 3 내지 4 중량%의 알루미늄, 3 내지 5 중량%의 티타늄, 알루미늄과 티타늄의 합이 6.5 내지 8 중량%, 0.005 내지 0.05 중량%의 붕소, 0.01 내지 0.25 중량%의 지르코늄, 0.02 내지 0.25 중량%의 탄소, 그 외 니켈의 조성을 갖는 합금을 개시한다. 특허 제'182호가 출원되었을 때, 합금은 예를 들면, 가스 터빈 엔진 부품을 위해 등축(예를 들면, 결정학상의 방위 표시가 없는) 제품을 형성하도록 주조되었다. 특허 제'182호는 명확히 참조로 여기에 합체된다.

일반적으로 GTD-111로 알려진 합금은 등축 및 방향성 고화 형태로 주조된다. 등축 주조 시, GTD-111은 14 중량%의 크롬, 9.7 중량%의 코발트, 1.5 중량%의 몰리브덴, 3.8 중량%의 텅스텐, 3 중량%의 탄탈륨, 3 중량%의 알루미늄, 0.10 중량%의 탄소, 5 중량%의 티타늄, 0.02 중량%의 붕소, 0.04 중량%의 지르코늄, 그 외 니켈의 공칭 조성을 갖는다. 쉴크 등의 1992년 4월 발간된 진보된 재료 및 공정의 페이지__의 "랜드계(land-base) 가스 터빈의 진보된 재료 추진 발전"을 참조할 수 있다. 또는, 영국 특허 제1,511,562호(13.7 내지 14.3 크롬, 9 내지 10 코발트, 1 내지 1.5 몰리브덴, 4.8 내지 5.5 티타늄, 2.8 내지 3.2 알루미늄, 3.7 내지 4.3 텅스텐, 1 내지 1.5 니오븀, 2.5 내지 3 탄탈륨, 2.8 내지 3.2 알루미늄, 0.08 내지 0.2 탄소, 4.8 내지 5.5 티타늄, 0.01 내지 0.02 붕소, 0.02 내지 0.1 지르코늄, 1.5 내지 3.5 탄탈륨, 콜럼븀 및 하프늄의 혼합물, 또는 2.5 내지 3 탄탈륨 또는 2 내지 2.5 하프늄 또는 1 내지 1.5 콜럼비움[또는 탄탈륨+콜럼비움+하프늄=1.5 내지 3.5]; 몰리브덴 및 텅스텐의 총량이 카바이드 상의 15 중량% 보다 작은 그러한 비율로 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐 및/또는 탄탈륨 및/또는 콜럼비움 및/또는 하프늄으로 구성된 매트릭스를 통해 분포된 모노카바이드 상 및 매트릭스로 구성됨)를 참조할 수 있다. 방향성 고화 주조 시, 공칭 조성은 지르코늄의 양이 약간 적은 것을 제외하고는 유사하다. 펜실베니아, 세븐 스프링, 1996년 초합금에 설명된 지.케이. 보우스의 "피복 주조 초합금의 에타(η) 및 혈소판 상"을 참조할 수 있다.

미국 특허 제3,615,376호는 0.15 내지 0.3 탄소(탈산을 위해 요구되고 결정 경계 카바이드를 형성하기에 충분한 것보다 더 많은 것으로 표시됨), 13 내지 15.6 크롬, 5 내지 15 코발트, 2.5 내지 5 몰리브덴, 3 내지 6 텅스텐, 4 내지 6 티타늄, 2 내지 4 알루미늄, 0.005 내지 0.02 지르코늄, 그 외 니켈 및 우연한 불순물의 중량%의 청구된 조성을 갖고, 또한, 티타늄/알루미늄이 1:1 내지 3:1 중량%, 티타늄+알루미늄이 7.5 내지 9 중량%, 몰리브덴+0.5텅스텐이 5 내지 7 중량%일 것이 요구되고, 시그마 상이 거의 없고 982℃(1800°F) 및 1930 kg/cm²(27.5 ksi)에서 적어도 25 시간의 응력 파단 기간을 갖는 합금에 관한 것이다. 또한, 이 합금의 방향성 고화형은 예를 들면, 0.5 중량% 이하 또는 이상의 의도적으로 첨가된 상당한양의 하프늄을 포함할 수 있다. 주상 결정 용도로 합금을 사용할 때, 초기 합금이 등축성이든 또는 단결정이든, 가스 터빈 엔진 부품 등에서의 사용을 위해 요구되는, 허용 가능한 횡방향 연성과 같은 임계 성질을 제공하고, 주조 중 열간 균열을 방지하도록 상당한 양의 하프늄이 합금에 첨가되어야 한다는 것이 일반적 경험이었다.

미국 특허 제4,597,809호에 개시된 합금은 단결정 형태인 특정 상용 합금의 특성에서 부원소인 탄소, 붕소, 지르코늄 및 하프늄의 효과를 연구하여 얻어졌다(이들 부원소의 주기능은 결정입계를 강화시키는 것으로 나타났다). 특허 제'182호에 변경된 IN 792 합금의 단결정 형태로의 제조-결정입계 강화 없음-는 기계적 특성에 있어서 중요하며 예기치 않은 효과를 제공한다. 평가된 단결정 IN 792 제품은 탄소, 붕소, 지르코늄 또는 하프늄의 의도적인 첨가가 없었다. IN 792의 부원소의 효과를 검사하는 동안, IN 792 단결정에 소량의 탄소, 즉 0.10 중량%를 첨가하는 것은 사실상 고온 내부식성을 향상시키지만 동시에 물질의 기계적 특성을 감소시킨다는 것이 관측되었다. 고온 내부식성의 향상은 완전히 예기치 않은 것이며 이해되지 않았다. 연구의 다음 단계로서, 탄소 첨가와 함께 기본 IN 792 조성물에 탄탈의 첨가가 이루어지고, 첨가된 탄탈 및 탄소 함유량은 (탄화 탄탈과 같이 탄소를 구속하도록) 양호한 조합으로 균형을 맞추어 향상된 기계적 특성 및 향상된 내부식성을 야기시킨다.

단결정 제품은 많은 경우에 주상 결정 대응물에 비해, 특히 구성 성분의 크기가 증가되기 때문에 제조하기가 더욱 어렵고 비싸다. 더욱이, 예컨대 랜드계 가스 터빈 적용을 위해 비교적 큰 제품이 제조되는 경우, 어려움과 비용이 사실상 증가될 수 있다.

전술한 바와 같이, 원래 단결정 제품에 사용하기 위해 설계된 합금을 주상 결정 방향성 고화 적용예에 사용하도록 적용할 때, 특정 조성물의 변화는 결정입계 강도 및 연성을 증가시키도록 일반적으로 보장된다. 예컨대, 횡방향 크리프 강도 및/또는 연성과 같은 특성을 향상시키기 위해 전형적으로 하프늄, 탄소, 붕소 및 지르코늄이 단결정 또는 등축 조성물에 첨가된다. 그러나, 비록 0.5 내지 2 중량%와 같이 작은 양의 하프늄을 첨가하더라도 증가된 분리 밴딩(banding)을 포함하는 바람직하지 않은 여러 가지 결과를 갖고, 합금의 주조성을 상당히 감소시킬 수 있다. 또한, 하프늄은 증가된 공융 γ/γ' 구성을 촉진시킨다.

하프늄은 또한 합금의 초기 녹는점을 낮춤으로써 합금의 용해 열처리에 사용되는 온도 범위 또는 시간을 감소시킨다. 양호한 크리프 강도를 달성하는 것은 전형적으로 부품을 적절히 용해 열처리시키는 것을 요구하기 때문에, 감소된 시간은 적절한 용해 열처리를 제공하는 것을-일부 경우에는 불가능하고-더욱 어렵게 만든다. 이 문제는 분리가 더욱 불량하게 되는 랜드계 가스 터빈 구성 성분과 같이 더욱 큰 제품에서 더욱 악화된다. 하프늄의 첨가는 또한 합금으로부터 제조된 부품의 무게를 증가시키면서 합금의 밀도를 증가시키고, 합금의 미세구조의 안정성을 감소시킬 수 있다.

주상 결정 제품의 제조를 위한 물질을 제공하고, 단결정 형태로 유사 제품에 비해 충분한 강도를 갖는 이러한 제품을 제공하고, 또한 적어도 충분한 산화 및 내부식성을 가지는 것이 바람직하다.

단결정 제품에 사용하도록 된 합금의 장점을 유지하면서 주상 결정 방향성 고화 부품에 사용하도록 된 합금 조성물의 장점을 제공하는 것이 바람직하다.

마찬가지로 단결정 형태와 비교되는 주상 결정 형태로 내산화성을 제공하는 이러한 합금을 제공하는 것이 바람직하다.

또한 하프늄을 첨가하지 않고 충분한 횡방향 연성을 제공하는 이러한 합금을 제공하는 것이 바람직하다.

또한 충분한 크리프 강도를 달성하도록 용해 열처리를 요구하지 않는 이러한 합금을 제공하는 것이 바람직하다.

단결정 대응물에 대해 적어도 필적하는 내산화성과 이러한 합금에 적어도 필적하는 내부식성을 갖는 주상 입자 방향성 고화 제품용 합금이 개시된다. 더욱이, 본 발명의 합금은 등축 대응물과 적어도 동일한 내산화성과 적어도 동일한 내부식성을 갖는다. 많은 예에서, 본 발명의 합금은 등축 또는 단결정 형태의 비교되는 제품 및 합금보다 우수한 내산화성을 갖는 주상 입자 방향성 고화 형태의 제품을 제공한다.

본 발명의 합금은 중량％로 10 내지 14.5％ 크롬, 8 내지 10％ 코발트, 1.25 내지 2.5％ 몰리브덴, 3.25 내지 4.25％ 텅스텐, 4.5 내지 6％ 탄탈륨, 3.25 내지 4.5％ 알루미늄, 3 내지 5％ 티타늄, 0.0025 내지 0.025％ 붕소, 약 0.02％ 까지의 지르코늄(의도적으로 첨가하지 않음), 0.05 내지 0.15％ 탄소와 나머지량으로 주로니켈을 포함하고, 니오븀과 하프늄을 의도적으로 첨가하지 않고, 알루미늄과 탄탈륨의 합은 6.5 내지 8 중량％인 일반 조성을 갖는 매트릭스를 포함한다. 또한 합금은 대략 0.4 내지 1.5 부피％의 탄화 탄탈륨 기초 상을 포함한다.

주상 입자 형태에서, 14 크롬, 4.9 티타늄, 1.5 몰리브덴, 3.8 텅스텐, 2.8 탄탈, 3 알루미늄, 9.5 코발트, 0.01 붕소, 0.02 지르코늄, 0.1 탄소 및 나머지량으로 니켈의 공칭 조성을 갖는 유사 제품과 비교하여, 상기 합금은 1090℃(2000℉)에서 적어도 대략 2.5배의 내산화성, 760℃(1400℉)에서 적어도 대략 2.4배 그리고 982℃(1800℉)에서 적어도 대략 1.5배의 크리프 파단 수명을 나타낸다.

본 발명의 조성은 이 분야에 공지된 바와 같은 다양한 종래 특허에 개시된 것에 따라 주상 입자, 방향성 고화(또는 단결정) 형태로 주조될 수 있다. 통상 주물의 입자는 편차가 허용될 수 있더라도, 구성 요소의 주응력 축에 평행한 배향, 예컨대 <100>을 가질 것이다. 단결정 제품의 경우에서, 제품은 20 °에 이르는 그리고 이를 초과하는 높은 각도 경계를 포함할 수 있다. 필요하다면, 합금의 기계적 특성을 향상시키도록, 예컨대 본 명세서에 참고로 명백하게 합체된 미국 특허 제4,116,723호에 개시된 것에 따라 감마 프라임 입자 크기를 제어함으로써 방향성 고화 형태로 주조된 후 본 발명의 조성은 열처리될 수 있다. 그러나, 주물과 같은 이러한 제품은 용액 열처리가 불필요하도록 (의도된 용도에 의존하는) 적절한 크리프 강도를 가질 수 있다.

다른 특징 및 장점은 본 발명의 실시예를 설명하는 명세서 및 특허청구범위로부터 명백할 것이다.

도1은 본 발명에 따른 탄소와 붕소의 바람직한 양을 도시하는 그래프.

도2는 본 발명의 합금의 상대적인 고온 내부식성을 도시하는 그래프.

도3은 본 발명의 합금의 상대적인 내산화성을 도시하는 그래프.

도4, 도4a, 도5, 도6a 및 도6b는 본 발명 합금의 몇몇 변경예의 크리프 파단 수명을 도시하는 그래프.

도7은 본 발명 합금의 횡방향 크리프 연성을 도시하는 그래프.

본 발명은 예를 들어, 본 명세서에 명백히 참조되는 공유인 미국 특허 제4,597,809호의 단결정 제품에 사용되도록 원래 구성되는 화학조성을 본 발명의 합금이 단결정 입자의 제조에도 사용될 수 있다고 생각되지만, 주상 입상 입자를 제조하는 데 특히 유용한 합금으로 변경하는 것에 기초하고 있다. 주상 입자 형태에 있어서, 본 발명에 따른 주조 입자는 우수한 고온 내부식성, 우수한 내산화성, 우수한 종방향 및 횡방향 크리프 파단 특성을 특징으로 한다. 등축 주상 입자 형태로 사용되고, 14 크롬, 4.9 티타늄, 1.5 몰리브덴, 3.8 텅스텐, 2.8 탄탈, 3 알루미늄, 9.5 코발트, 0.01 붕소, 0.02 이하의 지르코늄, 0.05 이하의 탄소 및 나머지량의 니켈의 중량%의 공칭 조성을 갖는, 예를 들어 영국 특허 제1,511,652호에서 통상 "GTD-111"로 지정된 합금의 조성으로 또한 고려된다. 유익하고 상이한 특성들은, 한편으로는 탄소 및 붕소 레벨을 상당히 증가시켜 (그리고 합금 내에 지르코늄의 최대량을 허용하여) 단결정 '809 합금의 조성을 변경함으로써, 또는 다른 한편으로는 탄탈, 알루미늄, 몰리브덴 및 붕소 함량을 상당히 증가시키고 티타늄 및 크롬 함량을 상당히 감소시켜 동축/주상 입상 -111 합금의 공칭 조성을 변경함으로써 다른 것들 중에서 달성될 수 있다[예를 들어, 특허 제'562호는 다른 것들 중에서 (13.7 중량% 이상의) 높은 크롬과 (9.5 중량 % 이상의) 비교적 높은 코발트를 교시하고, 0.02 % 이상의 지르코늄이 수용되고, 3 내지 3.5 중량 % 이상의 탄탈은 수용될 수 없는 미세구조 불안정을 발생시킨다]. 이는 전체 조성의 정밀한 제어와 함께 주상 입자 제품의 경우에 특히 바람직하다.

본 발명의 일반적으로 바람직한 조성은 중량%로, 약 10 내지 14.5%의 크롬, 8 내지 10%의 코발트, 1.25 내지 2.5%의 몰리브덴, 3.25 내지 4.25%의 텅스텐, 4.5 내지 6%의 탄탈, 3.25 내지 4.5%의 알루미늄, 3 내지 5%의 티타늄, 0.0025 내지 0.025%의 붕소, 약 0.02 이하의 지르코늄, 0.05 내지 0.15%의 탄소와 나머지량의 니켈로 구성되며, 니오븀과 하프늄이 의도적으로 첨가되지 않고, 여기서 알루미늄과 티타늄의 합은 6.5 내지 8%이다. 또한, 합금은 약 0.4 내지 1.5 부피%의 탄화 탄탈륨 기초 상을 포함한다. 특히, 합금은 약 11 내지 13%의 크롬, 8.25 내지 9.75%의 코발트, 1.5 내지 2.25%의 몰리브덴, 3.4 내지 4.3%의 텅스텐, 4.7 내지 5.5%의 탄탈, 3.3 내지 4%의 알루미늄, 3.75 내지 4.3%의 티타늄, 0.008 내지 0.025%의 붕소, 0.02% 이하의 지르코늄, 0.08 내지 0.13%의 탄소를 포함하고, 여기서 알루미늄과 티타늄의 합은 약 7 내지 8%이다. 보다 특히, 합금은 약 12%의 크롬, 9%의 코발트, 1.9%의 몰리브덴, 3.8%의 텅스텐, 5%의 탄탈, 3.6%의 알루미늄, 4.1%의 티타늄, 0.015%의 붕소, 0.025% 이하의 지르코늄, 0.10%의 탄소과 나머지량의 니켈을 포함하고, 지르코늄(임의 경우에는 약 0.02 이하)과 니오븀을 의도적으로 첨가하지 않는다.

지르코늄의 적은 첨가는 랜드계 가스 터빈 엔진 블레이드와 같은 특히 큰 부품의 부품 주조성에 악영향을 미친다는 것을 알아냈다. 0.02 중량% 이상의 지르코늄을 갖는 입자는 용융 재료의 냉각과 고화 중에 피복 주조 시 후에 파열되기 쉽다. 완전히 이해되지는 않지만, 파열 문제는 지르코늄이 0.02 중량% 이하가 존재하는 경우 방지된다. 따라서, 본 발명의 조성은 지르코늄의 의도적인 첨가를 포함하지 않으며, 약 0.02 중량%까지 견디는데 효과적이든 아니든 덜 바람직하다. 파열 문제를 개선하려는 노력으로, 문제점을 제거하지 않고 합금의 중량을 증가시키고 합금의 초기 용융 온도를 감소시키는 것으로 예측되는, 약 1.0 중량% 이하의 하프늄의 의도적인 첨가를 포함하는 여러 조성을 시도하였다. 이러한 결과는 랜드계 가스 터빈 구성 성분과 같은 특히 큰 입자인 입자의 용해 열처리를 위해 이용 가능한 온도대(temperature window)를 제한한다. 따라서, 또한 합금과 입자가 하프늄의 의도적인 첨가를 포함하지 않는 것이 바람직하다.

다수의 변형들("모드(Mod)")이 주상 입자를 인베스트먼트(investment) 주조에 의해 마련되어 이하 설명되는 바와 같이 평가되었다. (모두 중량%인) 몇몇 조성은 양호한 범위의 발명을 벗어나지만, 본 발명에 포함된다. 전체적으로, 모드(4)의 조성은 이하 열거된 양호한 여섯 개의 조성이지만, 본 발명의 범위 내의 다른 모드 및 다른 조성도 유용하다. 각각의 경우에, 조성의 균형은 니켈과 약간의 부수적인 불순물을 포함한다. 예를 들어, 우리는 다른 특성을 이용하지 않고 탄소를 약 0.08 중량%까지 증가시키고 붕소를 약 0.015 중량%까지 증가시켜 주조 성능을 위한 합금을 최적화했다. 최적화 노력은 대형 부품의 주조 중 매우 고온의 파열에 의해 부분적으로 초래되었다. 파열은 탄소 레벨이 적어도 약 0.08 중량%까지 상승될 때 감소 또는 제거되었다. 우리는 파열 문제가 탄소 레벨이 약 0.07로부터 0.08 중량%까지 상승되었을 때 대부분 제거되는 것에 주목했다.

표

평가될 제품들은 인베스트먼트 주조되어 2시간동안 약 1120℃(2050℉)의 용해 열처리와 유사하게 열처리되고, 4시간 동안 1079.44℃(1975℉)의 침전 열처리에 의해 후속되고, 24시간 동안 약 843.33℃(1550℉)의 안정화 열처리를 받게 된다. 몇몇 경우에, 제품들은 1176.67℃(2150℉) 내지 1204.44℃(2200℉)로 적은 시간동안 용해 열처리되지만, 특성에서 상당한 개선을 보이지는 못한다.

도2는 본 발명의 합금의 상대적 고온 부식 저항성을 -111 합금을 포함하는 다른 합금과 비교하여 도시한다. 부식 시험은 연료 내에 1.3% 황 함유물과 등가인 황 함유물을 생산하기 위해 20ppm의 ASTM 해염과 충분한 황 다이옥시드를 첨가한 제트 연료(공연비 30:1)의 연소에 의해 생성되는 부식 가스 환경에서 약 898.89℃(1650℉)로 수행되었다. 제시된 숫자들은 1 밀(mil)의 부식 침범(attack)을 만들기 위해 요구되는 노출 시간들이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 합금은 본 명세서에 참조로 합체된 미국 특허 제4,209,348호 및 제4,719,080호에 공통적으로 개시된 유사한 조성의 단결정 합금보다 상당히 양호하며 GTD-111과 비교 가능한 내부식성을 나타낸다.

도3은 몇몇 다른 합금들과 1090℃(2000℉)에서의 본 발명의 합금의 몇몇 모드의 비교적 코팅되지 않은 연소기 리그(rig) 내산화성을 도시한다. 산화 저항성이 GTD-111의 내산화성을 초과하는 반면에, 모드(4)는 (적어도 2.5배) 보다 상당히 높으며 미국 특허 제4,719,080호의 단결정 합금의 내산화성과 유사하다. 본 발명의 GTD-111에 대한 합금이 본 발명 합금의 보다 우수한 내산화성에 대해 대부분 신뢰할 수 있다면, 알루미늄 함유물은 증가하고 티타늄 함유물은 감소한다.

1%의 크리프를 생산하는 시간은 5980 kgf/cm²(85ksi)의 인가된 응력과 760℃(1400℉) 및 1900 kgf/cm²(27ksi)의 인가된 응력과 982℃(1800℉)의 표본에서 (횡방향 및 종방향 모두 많은 경우에서) 시험되었다. 결과는 도4, 도4a, 도5, 도6a 및 도6b에 도시된다. 다시, 크리프 파단을 나타내는 본 발명의 합금은 -111 합금을 초과하여 생성된다.

횡방향 크리프 파단 연성도 도7에 도시된 바와 같이 몇몇 모드에 대해 시험되었다. 파단에서의 최소 연신율(도4 참조)은 적어도 약 5%이었다. 이러한 횡방향 연성은 주조 크랙의 형성에 대한 보다 큰 저항성을 갖는 재료를 제공하는 것으로 예측될 수 있다.

요컨대, 본 발명은 종래 기술의 주상 입자 제품에 대한 공지된 조성의 변형 또는 종래 기술의 단결정 제품에 대한 공지된 조성 중 하나를 기초로 한다. 종래 기술의 주상 입자 제품 사용시, 본 발명은 다른 함유물 사이에서 탄탈, 알루미늄 및 몰리브덴 함유물의 상당한 증가와 티타늄 및 크롬 함유물의 상당한 감소를 포함한다. 종래 기술의 단결정 제품 사용시, 본 발명은 다른 함유물 중에서 (각각 종래 기술의 합금에서 명백하게 관계되지 않았던) 지르코늄의 존재량을 조절하면서 약간 양의 붕소 및 탄소를 포함한다. 어떠한 경우에서도, 본 발명의 합금 및 합금으로부터 제조된 제품은 다양한 온도에서 내산화성, 내부식성 및 크리프 파단 저항성의 양호한 조합을 나타낸다.

본 발명은 본 명세서에 도시되고 설명된 특정 실시예들에 제한되지 않으며 다양한 변형과 변경이 후속하는 청구항들에 의해 정의되는 바와 같이 본 신규 개념의 기술사상과 범주를 벗어남이 없이 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

본 발명에 따르면, 등축 또는 단결정 형태의 비교되는 제품 및 합금과 비교하여 적어도 동일한 내부식성과 내산화성을 갖는 주상 입자 방향성 고화 형태의 합금 및 제품을 제공할 수 있다.

Claims

0.4 내지 1.5 부피%의 탄화 탄탈륨 기초 상을 함유하는 매트릭스를 포함하고 내부식성 및 내산화성의 고강도 니켈계 초합금을 포함하는 방향성 고화 제품이며,

상기 합금은 10 내지 13.5 중량%의 크롬, 8 내지 10 중량%의 코발트, 1.25 내지 2.5 중량%의 몰리브덴, 3.25 내지 4.25 중량%의 텅스텐, 4.5 내지 6 중량%의 탄탈, 3.25 내지 4.5 중량%의 알루미늄, 3 내지 4.75 중량%의 티타늄, 0.0025 내지 0.025 중량%의 붕소, 약 0.05 중량% 이하의 지르코늄, 0.05 내지 0.15 중량%의 탄소와, 나머지량으로서 니켈을 포함하고, 니오븀과 하프늄을 의도적으로 첨가하지 않으며, 알루미늄과 티타늄의 합은 약 6.5 내지 8 중량%이고,

상기 제품은 14 크롬, 4.9 티타늄, 1.5 몰리브덴, 3.8 텅스텐, 2.8 탄탈, 3 알루미늄, 9.5 코발트, 0.01 붕소, 0.02 지르코늄, 0.1 탄소 및 나머지량으로 니켈의 공칭 조성을 갖는 방향성 고화 제품과 비교할 때, 적어도 동등한 고온 내부식성[871℃(1600℉)에서 측정]과 적어도 2배의 내산화성[1090℃(2000℉)에서 측정]을 갖는 것을 특징으로 하는 제품.
제1항에 있어서, 제품은 주상 입자 방향성 고화 제품을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
제2항에 있어서, 제품은 760℃(1400℉) 및 982℃(1800℉)에서 5%를 초과하는횡방향 연성을 갖는 것을 특징으로 하는 제품.
제1항에 있어서, 제품은 적어도 약 20°까지의 높은 각도 경계를 포함하는 단결정 제품을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
제1항에 있어서, 982℃(1800℉)에서, 약 1,900kg/cm²(27ksi)의 하중이 인가되었을 때 45시간 이상 경과한 후에야만 파단되고 15시간 이상의 1% 크리프 시간을 갖는 것을 보장하는데 충분한 응력 파단 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 제품.
제5항에 있어서, 응력 파단은 85시간 이상 경과한 후에야만 발생하는 것을 특징으로 하는 제품.
제1항에 있어서, 11 내지 13 중량%의 크롬, 8.25 내지 9.75 중량%의 코발트, 1.5 내지 2.25 중량%의 몰리브덴, 3.4 내지 4.3 중량%의 텅스텐, 4.7 내지 5.5 중량%의 탄탈, 3.3 내지 4 중량%의 알루미늄, 3.75 내지 4.3 중량%의 티타늄, 0.008 내지 0.025 중량%의 붕소, 약 0.04 중량% 이하의 지르코늄, 0.04 내지 0.15 중량%의 탄소를 포함하고, 알루미늄과 티타늄의 합은 약 7 내지 8 중량%인 것을 특징으로 하는 제품.
제1항에 있어서, 약 12 중량%의 크롬, 9 중량%의 코발트, 1.9 중량%의 몰리브덴, 3.8 중량%의 텅스텐, 5 중량%의 탄탈, 3.6 중량%의 알루미늄, 4.1 중량%의 티타늄, 0.015 중량%의 붕소, 0.10 중량%의 탄소, 약 0.02 중량% 이하의 지르코늄과 나머지량으로서 니켈을 포함하고, 니오븀과 하프늄을 의도적으로 첨가하지 않는 것을 특징으로 하는 제품.
제1항에 있어서, 제품은 가스 터빈 엔진 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
제9항에 있어서, 터빈 블레이드 또는 베인을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
제1항에 있어서, 공칭 조성인 14 크롬, 4.9 티탄늄, 1.5 몰리브덴, 3.8 텅스텐, 2.8 탄탈, 3 알루미늄, 9.5 코발트, 0.01 붕소, 0.02 지르코늄, 0.1 탄소 및 나머지량으로 니켈을 갖는 유사 제품보다, 1090℃(2000℉)에서 약 2.5배의 내산화성, 760℃(1400℉)에서 약 2.4배 및 982℃(1800℉)에서 적어도 약 1.5배의 크리프 파단 수명을 갖는 것을 특징으로 하는 제품.
주상 입자 방향성 고화 제품에 사용되도록 된 내부식성 및 내산화성의 고강도 니켈계 초합금이며,

상기 합금은 약 12 중량%의 크롬, 9 중량%의 코발트, 1.9 중량%의 몰리브덴, 3.8 중량%의 텅스텐, 5 중량%의 탄탈, 3.6 중량%의 알루미늄, 4.1 중량%의 티타늄, 0.015 중량%의 붕소, 0.10 중량%의 탄소와 나머지량으로서 니켈과 우연한 불순물을 포함하고, 지르코늄을 의도적으로 첨가하지 않고(어떠한 경우에도 약 0.02 중량% 미만임), 니오븀을 의도적으로 첨가하지 않으며, 알루미늄과 티타늄의 합은 약 6.5 내지 8 중량%이고, 0.4 내지 1.5 부피%의 탄화 탄탈륨 기초 상을 함유하는 매트릭스를 포함하고,

상기 제품은 공칭 조성인 14 크롬, 4.9 티타늄, 1.5 몰리브덴, 3.8 텅스텐, 2.8 탄탈, 3 알루미늄, 9.5 코발트, 0.01 붕소, 0.02 지르코늄, 0.1 탄소와 나머지량으로 니켈을 가지는 유사 제품과 비교하여, 1090℃(2000℉)에서 약 2.5배의 내산화성과, 760℃(1400℉)에서 약 2.4배의 크리프 파단 수명을 갖는 것을 특징으로 하는 합금.
제9항에 있어서, 가스 터빈 엔진 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 합금.
제13항에 있어서, 터빈 블레이드 또는 베인을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.