KR20060050963A

KR20060050963A - 개선된 가스 터빈 엔진을 위한 Ｎｉ-Ｃｒ-Ｃｏ 합금

Info

Publication number: KR20060050963A
Application number: KR1020050081625A
Authority: KR
Inventors: 주니어. 리 엠. 파이크
Original assignee: 헤인스 인터내셔널, 인코포레이티드
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2006-05-19
Also published as: DK1640465T3; EP1640465A3; RU2005117714A; CN102586652A; CN102586652B; GB2417729A; MXPA05009401A; ATE447048T1; JP4861651B2; PL1640465T3; KR100788527B1; AU2005205736A1; TWI359870B; CA2517056A1; DE602005017338D1; CN1743483A; ES2335503T3; GB0517657D0; AU2005205736B2; TW200609359A

Abstract

세 가지 특이한 중요 성질, 즉 변형 노화 균열(strain age cracking)에 대한 저항성, 우수한 열적 안정성, 및 우수한 크리프 파단 강도(creep-rupture strength)의 조합을 가지는 고온 가스 터빈 트랜지션 도관(high temperature gas turbine transition ducts)에 사용하기에 적합한 세공한 시효-경화성(age-hardenable) 니켈-크롬-코발트 기초 합금은 니켈 및 불순물과 조화되는, 17 내지 22 중량%의 크롬, 8 내지 15 중량%의 코발트, 4.0 내지 9.5 중량%의 몰리브덴, 최고 7 중량%의 텅스텐, 1.28 내지 1.65 중량%의 알루미늄, 1.50 내지 2.30 중량%의 티타늄, 최고 0.80 중량%의 니오븀, 0.01 내지 0.2 중량%의 탄소, 최고 0.01 중량%의 붕소, 및 최고 3 중량%의 철을 함유한다. 특정 합금 원소들은 여기 개시된 두 개의 식에 따른 양으로 존재하여야 한다.

Description

개선된 가스 터빈 엔진을 위한 Ｎｉ-Ｃｒ-Ｃｏ 합금{Ni-Cr-Co ALLOY FOR ADVANCED GAS TURBINE ENGINES}

도면의 간단한 설명

도 1은 1500°F의 제어된 가열 속도 인장 테스트(controlled heating rate tensile test)에서 세공한 시효-경화성(age-hardenable) 니켈-크롬-코발트 기초 합금에 대하여 조사한 연성(ductility)에 관한 그래프이다.

도 2는 실온의 표준 인장 테스트(standard tensile test)에서 세공한 시효-경화성 니켈-크롬-코발트 기초 합금에 대하여 조사한 연성에 관한 그래프이다.

발명의 기술 분야

본원 발명은 상승된 온도에서 사용하기 위한 세공가능한 고강도 합금에 관한다. 특히, 가스 터빈 트랜지션 도관(gas turbine transition ducts) 및 그 밖의 다른 가스 터빈 구성 요소(component)에서 제조 및 사용할 수 있게 하는 충분한 크리프 강도(creep strength), 열적 안정성(thermal stability), 및 변형 노화 균열(strain age cracking)에 대한 저항성을 가지는 합금에 관련된다.

발명의 배경 기술

증가된 작업 효율성에 대한 수요를 충족시키기 위하여, 가스 터빈 엔진 디자이너들은 보다 더 높은 작업 온도를 사용하고 싶어한다. 그러나 작업 온도를 증가시키는 능력은 종종 재료의 성질에 의하여 제한된다. 이러한 제한을 가지는 하나의 적용은 가스 터빈 트랜지션 도관이다. 트랜지션 도관은 종종 시트(sheet) 또는 얇은 판 재료로 된 성분으로 용접되고, 이 때 세공가능할 뿐만 아니라 용접가능할 것을 필요로 한다. 종종 γ' 강화 합금(gamma-prime strengthened alloys)은 상승된 온도에서의 이들의 고-강도를 이유로 트랜지션 도관에서 사용된다. 그러나 현재 상업적으로 입수가능한 세공한 γ' 강화 합금은 개선된 가스 터빈 고안 개념에 의하여 요구되는 매우 고온에서 사용되기 위한 강도 또는 안정성을 가지지 않거나, 제조하는 동안 어려움이 존재할 수 있다. 특히, 이러한 제조 어려움의 하나는 많은 세공한 γ' 강화 합금의 변형 노화 균열에 대한 감응성(susceptibility)이다. 변형 노화 균열의 문제는 본 출원에서 다음에 보다 자세히 기술할 것이다.

비록 다른 기초 시스템이 또한 사용된다 하더라도, 세공한 γ' 강화 합금은 종종 니켈-크롬-코발트 시스템에 기초된다. 이러한 합금은 전형적으로 γ' 상, Ni₃(Al, Ti)의 형성에 원인이 되는 알루미늄 및 티타늄 첨가물을 가진다. 니오븀 및/또는 탄탈륨과 같은 다른 γ' 형성 원소들 또한 사용될 수 있다. 시효-경화성 열처리는 γ'상을 합금 마이크로구조로 발달시키는데 사용된다. 이러한 열처리는 일반적으로 합금이 벼리된(annealed) 상태일 때 합금에 제공된다. γ'상의 존재는 폭 넓은 온도 범위에 걸쳐 합금의 현저한 강화를 초래한다. 다른 원소 첨가물은 고용체 강화를 위하여 몰리브덴 또는 텅스텐, 카바이드 형성을 위하여 탄소, 및 개선된 고온 연성을 위하여 붕소를 포함할 수 있다.

변형 노화 균열은 많은 γ' 강화 합금의 용접성을 제한하는 문제점이다. 이러한 현상은 전형적으로 용접된 부분이 용접 작업 이후에 첫번째 시간 동안 고온에 주입될 때 발생한다. 종종 변형 노화 균열은 대부분의 용접된 γ' 합금 제조에 제공되는 용접-이후의 벼리 처리를 하는 동안에 존재한다. 균열은 벼리 온도까지 가열하는 동안 γ'상의 형성의 결과로서 발생한다. 용접 작용에 의하여 전형적으로 가해지는 기계적 구속(restraint) 뿐만 아니라, 중간 온도에서 많은 이러한 합금이 가지는 낮은 연성에 관련한 강화 γ' 상의 형성은 종종 균열을 초래하게 될 것이다. 재료 두께가 두꺼울수록 보다 큰 기계적 구속을 초래하기 때문에, 변형 노화 균열의 문제점은 사용되는 합금을 특정 두께까지만으로 제한할 수 있다.

변형 노화 균열에 대한 합금의 감응성을 평가하기 위한 몇가지 유형의 테스트를 개발하였다. 이들은 원형 단편 테스트(circular patch test), 구속된 판 테스트(restrained plate test), 및 다양한 동적 열-기계 테스트(dynamic thermal-mechanical test)를 포함한다. 변형 노화 균열에 대한 합금의 감응성을 평가하기 위해 사용될 수 있는 한 가지 테스트는 1960년대에 개발된 제어된 가열 속도 인장(CHRT) 테스트이다. Haynes International 사의 최근의 테스트는 몇몇 상업적인 합금의 감응성을 실무와 일치하는 순서로 성공적으로 등급을 매기기 위한 CHRT 테스 트를 개발하였다. CHRT 테스트에서, 시트 인장 샘플은 저온에서 테스트 온도까지 일정한 속도(1분당 25 °F 내지 30 °F의 속도가 Haynes International 사의 테스트 수행에서 사용되었다)로 가열된다. 테스트 온도에 도달하였을 때, 샘플을 일정한 공학적 변형 속도로 분쇄한다. 테스트 샘플은 용접된 구성 요소가 용접 이후 열처리에 주입되는 경우와 같이 γ'상이 가열하는 단계 동안 침전되도록 하기 위하여, 벼리된(시효-경화되지 않은) 상태에서 시작한다. 테스트 샘플에서 분쇄되기 까지의 연신(elongation) 백분율은 변형 노화 균열에 대한 감응성의 정도로서 측정된다(보다 낮은 연신 값은 변형 노화 균열에 대한 보다 큰 감응성을 암시한다). CHRT에서 연신은 테스트 온도의 기능이며, 일반적으로 특정한 온도에서 최소치를 나타낼 것이다. 많은 세공된 γ' 강화 합금에 대하여 연신이 발생하는 온도는 약 1500 °F이다.

개선된 가스 터빈 개념이 요구하는 고온에서의 우수한 강도 및 열적 안정성은 현재 상업적으로 입수가능한 많은 세공한 γ' 강화 합금에서 부족한 두 가지 성질이다. 고온 강도는 크리프-파단 테스트를 사용하여 오랫동안 평가되어 왔는데, 여기서 샘플은 샘플이 분쇄할 때까지 일정한 부하에 등온적으로 주입된다. 이 때 분쇄까지의 시간, 또는 파단 수명은 이러한 온도에서 합금 강도의 측정으로서 사용된다. 열적 안정성은 열적 노출 동안 합금 마이크로구조가 상대적으로 영향을 받지 않고 유지되는지 여부의 측정이다. 많은 고온 합금은 열적 노출 동안 부서지기 쉬운 금속간 상 또는 카바이드 상을 형성할 수 있다. 이러한 상들의 존재는 재료의 실온 연성을 현저하게 감소시킬 수 있다. 이러한 연성의 손실은 표준 인장 테스트 를 사용하여 효과적으로 측정될 수 있다.

많은 세공한 γ' 강화 합금은 오늘날의 시장에서 시트(sheet) 형태로 입수가능하다. Rene-41 또는 R-41 합금(미국 특허 제 2,945,758 호)은 터빈 엔진에 사용하기 위하여 1950년대에 General Electric 사에 의하여 개발되었다. 이것은 탁월한 크리프 강도를 가지지만, 불량한 열적 안정성 및 변형 노화 균열에 대한 불량한 저항성에 의하여 제한된다. 유사한 General Electric 사의 합금, M-252 합금(미국 특허 제 2,747,993호) 또한 1950년대에 개발되었다. 비록 현재에는 막대 형태로만 입수가능 하지만, 조성물은 그 자체를 용이하게 시트 제조에 제공할 수 있을 것이다. M-252 합금은 우수한 크리프 강도 및 변형 노화 균열에 대한 우수한 저항성을 가지지만, R-41 합금과 같이 불량한 열적 안정성에 의하여 제한된다. WASPALOY 합금으로 상업적으로 공지된 Pratt & Whitney 사가 개발한 합금(미국 특허 표지를 가지고 있지 않음)은 터빈 엔진에서 사용하고자 의도되고 시트 형태로 입수가능한 또 다른 γ' 강화 합금이다. 그러나 이 합금은 1500 °F 이상에서 한계 크리프 강도, 한계 열적 안정성을 가지며, 변형 노화 균열에 대한 꽤 불량한 저항성을 가진다. 263 합금으로 상업적으로 공지된 합금(미국 특허 3,222,165)은 1950년대에 개발되었으며, Rolls-Royce Limited 사에 의하여 1960년에 도입되었다. 이 합금은 탁월한 열적 안정성 및 변형 강도에 대한 저항성을 가지지만, 1500 °F 보다 높은 온도에서 매우 불량한 크리프 강도를 가진다. PK-33 합금(미국 특허 제 3,248,213 호)은 International Nickel Company 사에 의하여 개발되었으며, 1961년에 도입되었다. 이 합금은 우수한 열적 안정성 및 크리프 강도를 가지지만, 변형 노화 균열에 대한 불량한 저항성에 의하여 제한된다. 이러한 예에 의하여 제시되는 바와 같이, 현재 상업적으로 입수가능한 합금은 다음의 세 가지 중요한 성질의 독특한 조합을 가지는 합금은 없다: 우수한 크리프 강도 및 1600 내지 1700°F의 온도 범위에서 우수한 열적 안정성, 변형 노화 균열에 대한 우수한 저항성.

발명의 요약

본원 발명의 원칙적인 목적은 세 가지 특수한 중요 성질, 즉, 변형 노화 균열에 대한 저항성, 우수한 열적 안정성, 및 우수한 크리프 파단 강도의 조합을 가지는 고온 가스 터빈 트랜지션 도관 및 다른 가스 터빈 구성 요소에 사용하기에 적합한 새로운 세공한 시효-경화성 니켈-크롬-코발트 기초 합금을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 니켈 및 다양한 소수의 원소 및 불순물과 조화되는, 일정 범위의 크롬 및 코발트, 일정 범위의 몰리브덴 및 가능하게는 텅스텐, 및 일정 범위의 알루미늄, 티타늄 및 가능하게는 니오븀을 함유하는 합금을 가지고 달성될 수 있음을 발견하였다.

특히, 바람직한 범위는 니켈 및 불순물과 조화되는, 17 내지 22 중량%의 크롬, 8 내지 15 중량%의 코발트, 4.0 내지 9.5 중량%의 몰리브덴, 최고 7.0 중량%의 텅스텐, 1.28 내지 1.65 중량%의 알루미늄, 1.50 내지 2.30 중량%의 티타늄, 최고 0.80 중량%의 니오븀, 최고 3 중량%의 철, 0.01 내지 0.2 중량%의 탄소, 및 최고 0.015 중량%의 붕소이다.

바람직한 실시예의 설명

여기 기술된 세공한 시효-경화성 니켈-크롬-코발트 기초 합금은 다른 제품 형태 및 다른 요구되는 가스 터빈 적용뿐만 아니라 가스 터빈 트랜지션 도관에서 시트 또는 판 형태로 사용가능하게 하는 변형 노화 균열에 대한 저항성, 열적 안정성, 및 충분한 크리프 강도를 가진다. 이러한 중요한 성질은 특정 기능을 가진 몇몇 중요한 원소들 각각의 제어를 통하여 조합된다. 알루미늄, 티타늄, 및 니오븀과 같은 γ' 형성 원소들의 존재는 시효-경화 공정동안 γ'상의 형성을 통하여 높은 크리프-파단 강도에 상당히 기여한다. 그러나 조합된 양의 알루미늄, 티타늄, 및 니오븀은 변형 노화 균열에 대한 우수한 저항성을 허용하도록 신중하게 통제되어야 한다. 몰리브덴 및 가능하게는 텅스텐은 고용체 강화를 통하여 추가적인 크리프-파단 강도를 제공하기 위해 첨가된다. 그러나 또한 이러한 경우에 전체 조합된 몰리브덴 및 텅스텐 농도는 합금의 충분한 열적 안정성을 확보하기 위하여 신중하게 통제되어야 한다.

다음 세대의 가스 터빈 트랜지션 도관에 대하여 표출된 요구사항에 기초하였을 때, γ' 강화 합금은 상당한 잠재력을 가진다. 보다 중요한 성질 세 가지는 크리프 강도, 용접성(즉, 변형 노화 균열 저항성), 및 열적 안정성이다. 그러나 이러한 성질 세 가지 모두에서 뛰어난 γ' 강화 합금을 제조하는 것은 수월하지 않으며, 세 가지 성질 모두를 충분한 정도로 가진 상업적으로 입수가능한 합금은 찾을 수 없다.

본인은 표 1에 기술된 조성의 26개의 실험적 합금 및 5개의 상업적 합금을 테스트하였다. 실험적 합금을 A 부터 Z 까지로 명명하였다. 상업적 합금은 HAYNES R-41 합금, HAYNES WASPALOY 합금, HAYNES 263 합금, M-252 합금, 및 NIMONIC PK-33 합금이었다. 합금(실험적 및 상업적 합금 모두를 포함)은 17.5 내지 21.3 중량% 범위의 Cr 함량 뿐만 아니라, 8.3 내지 19.6 중량% 범위의 코발트 함량을 가졌다. 알루미늄 함량은 0.49 내지 1.89 중량% 범위, 티타늄 함량은 1.53 내지 3.12 중량% 범위, 니오븀 함량은 0 내지 0.79 중량% 범위였다. 몰리브덴 함량은 3.2 내지 10.5 중량%, 텅스텐 함량은 0 내지 8.3 중량% 범위였다. 의도적인 소수의 원소 첨가 탄소 및 붕소는 각각 0.034 내지 0.163 중량% 및 0 내지 0.008 중량% 범위였다. 철은 0 내지 3.6 중량% 범위였다.

합금의 모든 테스트는 0.047" 내지 0.065" 두께의 시트 재료에서 수행되었다. 실험적 합금은 50 lb의 열원 크기에서 진공 유도 용융(vacuum induction melted) 되었으며, 이후 일렉트로-슬래그 재용융(electro-slag remelted) 되었다. 이렇게 제조된 주괴(ingot)는 2150°F 에서 담금되었고, 이후 2150°F의 출발온도로 단조되고(forged) 압연되었다. 고온 압연 후 시트 두께는 0.085" 였다. 시트를 2150°F 에서 15분 동안 벼리시키고, 물속에 넣어 식혔다. 이 후 시트는 0.060" 두께로 저온 압연되었다. 저온 압연 시트는 2050 내지 2175°F의 온도에서 4 내지 5 사이의 ASTM 입자 크기를 가지는 완전히 재결정화된 등축 입자 구조를 생성하는데 필요한 만큼 벼리되었다. 마지막으로, 시트 재료는 γ' 상을 생성하기 위하여 8시간동안 1475°F의 시효-경화 열처리가 제공된다. 상업적 합금 HAYNES R-41 합금, HAYNES WASPALOY 합금, HAYNES 263 합금, 및 NIMONIC PK-33 합금은 공장 벼리된(mill annealed) 상태에서 시트 형태로 수득되었다. 상업적으로 입수가능한 M-252 합금 시트를 찾을 수 없었기 때문에, 50 lb 열원은 실험적 합금에 관하여 상기 기술된 바와 동일한 방법을 사용하는 평가를 위하여 제공되었다. 다섯 가지 모두의 상업적 합금은 수용된 표준에 따르는 벼리-이후 시효-경화 열처리가 제공되었다. 이러한 열처리는 표 2에 보고되어 있다.

상기 중요한 것으로 입증된 세 가지 성질(변형 노화 균열 저항성, 열적 안정성, 및 크리프 강도)을 평가하기 위하여, 세 가지 상이한 테스트가 각 합금에 대하여 실시되었다. 첫번째 테스트는 제어된 가열 속도 인장 테스트(CHRT)였다. CHRT 테스트의 결과가 표 3에 주어진다. 본 테스트에서 중요한 성질은 끊어지기 까지의 연신의 측정에 의하여 측정되는 인장 연성이다. 본 테스트에서 보다 큰 연성을 가지는 합금은 변형 노화 균열에 대한 보다 큰 저항성을 가질 것이 예상된다. 본 연구의 대상물은 4.5% 또는 그 이상의 연성을 가져야 했다. 실험적 합금 중에서, 합금 W만이 이러한 요구사항을 충족시키지 못했다. 상업적 합금에 있어서는, M-252 합금 및 263 합금은 요구사항을 충족시켰으나, PK-33 합금, WASPALOY 합금, 및 R-41 합금은 충족시키지 못하였다. CHRT 테스트에서 제공된 합금의 작업 능력은 합금에서 γ'를 형성하는 원소의 양에 관계될 수 있음을 다음 식을 사용하여 발견하였다(원소의 조성은 중량%임):

Al + 0.56Ti + 0.29Nb < 2.9 (1)

본 연구에서 모든 합금에 대하여 식(1)의 좌측의 값은 표 1에서 주어진다. CHRT 테스트를 통과한 모든 합금은 식(1)을 따르는 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 식(1)을 따르지 않는 모든 합금은 CHRT 테스트 요구사항을 통과하지 못하였다, 즉, 이들은 4.5% 미만의 1500°F CHRT 연성을 가지는 것으로 밝혀졌다. 이러한 관계는 도 1에서 보다 분명하게 나타나는데, 여기서 본 연구의 모든 합금에 대하여 1500°F CHRT 연성은 식(1)의 좌측의 값에 대하여 좌표상에 점을 찍는다. 모든 테스트는 벼리된 상태에 있는 샘플에 대하여 수행되었다. 인장 연성(끊어지기까지의 연신 백분율로 측정됨)은 조성 변수(compositional variable) Al + 0.56Ti + 0.29Nb 함수(여기서 원소 조성은 중량%임)에 따라 좌표상에 점을 찍는다. 4.5% 의 인장 연성에 해당하는 숫자위에 선을 그린다. 이 선 위에 점 찍힌 모든 합금(표시: 채워진 원)은 제어된 가열 속도 인장 테스트를 통과한 것으로 간주되고, 이 선 아래 점 찍힌 합금(표시: x-표시)은 통과하지 못한 것으로 간주되었다. 조성 변수 Al + 0.56Ti + 0.29Nb에 대한 2.9 중량% 값에 수직의 점선을 그린다. 2.9 보다 큰 값을 가지는 모든 합금은 제어된 가열 속도 인장 테스트를 통과하지 못한 것으로 밝혀졌다.

* 모든 열처리는 벼리 열처리 후에 수행하였다.

AC = 대기 냉각

합금의 열적 안정성을 평가하기 위하여, 장기간의 열 노출 이후에 이들의 상온 인장 연성을 측정하였다. 표 2에 주어진 시효-경화 열처리를 수행한 후, 실험적 및 상업적 합금 모두로부터의 샘플이 1600°F/1000 시간/AC의 열 노출에 제공된다. 실온 인장 테스트는 열 노출된 샘플에 대하여 수행되었으며, 결과는 표 4에 주어진다. 20% 보다 큰 연성은 수용가능한 것으로 간주되었다. 이러한 지침을 사용하여, 실험적 합금 U, V, X, 및 Z은 상업적 합금 M-252 합금, WASPALOY 합금, 및 R-41 합금과 함께 수용가능하지 못한 것으로 밝혀졌다. 몰리브덴 및 텅스텐 원소의 제어는 열적으로 안정한 합금을 개발하는데 중요한 것임을 알 수 있었다. 다음의 관계가 밝혀졌다(원소 조성은 중량%임):

Mo + 0.52W < 9.5 (2)

본 연구에서 모든 합금에 대하여 식(2)의 좌측의 값은 표 1에 주어진다. 식(2)를 따르지 않는 모든 합금은 충분한 열적 안정성을 가지지 않는 것으로 밝혀졌다, 즉, 1600°F에서 1000 시간의 열 노출 이후 이들의 실온 인장 연성은 20% 미만인 것으로 밝혀졌다. 한 합금(WASPALOY 합금)은 식(2)를 만족시키지만, 불량한 열적 안정성을 가지는 것으로 밝혀졌다. 그러나 이 합금은 식(1)을 만족시키지 못하며, 그러므로 목적 적용에 적합하지 않다. 이러한 예로부터, 이러한 종류의 합금을 위한 열적 안정성을 확보하기 위하여, 알루미늄, 티타늄, 및 니오븀, 몰리브덴, 및 텅스텐의 양을 제어할 필요가 있음이 명확해졌다. 식(2)의 유용성은 도 2를 고려할 때 아주 분명해 지는데, 여기서 열적으로 노출된 샘플의 연성을 본 연구의 모든 합금에 대하여 식(2)의 좌측의 값에 대하여 좌표상에 점으로 찍는다. 오직 Al + 0.56Ti + 0.29Nb < 2.9(여기서 원소 조성은 중량%임)의 관계를 충족시키는 합금을 그래프에서 좌표상에 점으로 찍는다. 모든 테스트는 1600°F의 열 노출에 의하여 1000시간 동안 수반된 시효-경화 열처리가 제공된 샘플에 대하여 수행되었다. 그래프에서, 인장 연성(끊어지기까지 연신 백분율로 측정됨)은 조성 변수 Mo + 0.52W (여기서 원소 조성은 중량%임)의 함수에 따라 좌표상에 점을 찍는다. 20%의 인장 연성에 해당하는 숫자 위에 선을 그린다. 이 선 위에 점 찍힌 합금(표시: 채워진 원) 모두는 열적 안정성 테스트를 통과한 것으로 간주되었지만, 이 선 아래 점 찍힌 합금(표시: x-표시)은 통과하지 못한 것으로 간주되었다. 조성 변수 Mo + 0.52W에 관하여 9.5 중량%의 값에서 수직의 점선을 그린다. 9.5보다 큰 값을 가지는 모든 합금은 열적 안정성 테스트를 통과하지 못하는 것으로 밝혀졌다.

목적 적용을 위한 세 가지 중요한 성질은 크리프 강도이다. 합금의 크리프-파단 강도는 1700°F에서 7 ksi의 부하로 측정되었다. 300 시간보다 큰 파단 수명이 설정된 목표였다. 실험적 및 상업적 합금에 대한 결과가 표 5에 나타나있다. 모든 실험적 합금은 합금 V, Y, 및 Z를 제외하고 목표를 통과하는 것으로 밝혀졌다. 모든 상업적 합금은 263 합금 및 WASPALOY 합금을 제외하고 통과하였다. 크리프-파단 목표에 이르지 못한 총 5개의 합금 중, 세 가지의 합금(합금 V 및 Z, WASPALOY 합금)은 식(1) 및 (2) 중 하나 또는 모두를 충족시키지 않았으며, 열적으로 불안정하였다. 열적 불안정성은 크리프 강도에 부정적인 영향이 될 수 있다. 크리프 강도 목표를 충족시키지 못한 다른 두 가지 합금(합금 Y 및 263 합금) 모두는 상대적으로 낮은 총 함량의 고용체 강화 원소 몰리브덴 및 텅스텐을 가졌다. 또한, 263 합금은 γ' 형성 원소 알루미늄, 티타늄, 및 니오븀의 낮은 총 함량을 가졌다. 고용체 강화 원소 및 γ' 형성 원소 모두의 적절한 수준을 확보하기 위하여, 식(1) 및 (2)를 다음과 같이 변형시켰다(원소 조성은 중량%임):

2.2 < Al + 0.56Ti + 0.29Nb < 2.9 (3)

및

6.5 < Mo + 0.52W < 9.5 (4)

본 연구에서 테스트된 총 31개의 실험적 및 상업적 합금 중에서, 20개는 세 가지 중요한 성질 테스트, 즉, CHRT 테스트, 열 노출 테스트, 및 크리프-파단 테스트 모두를 통과한 것으로 밝혀졌다. 20개의 수용가능한 합금 모두(실험적 합금 A 내지 T)는 식(3) 및 (4) 모두를 만족시키는 조성을 가졌다. 수용불가능 하다고 생각되었던 11개의 합금(실험적 합금 U 에서 Z 및 모두 5개의 상업적 합금)은 식(3) 및 (4) 중 하나 또는 모두를 만족시키지 못하는 조성을 가졌다. 표 1로부터, 수용가능한 합금은 17.5 내지 21.3 중량%의 크롬, 8.3 내지 14.2 중량%의 코발트, 4.3 내지 9.3 중량%의 몰리브덴, 최고 7.0 중량%의 텅스텐, 1.29 내지 1.63 중량%의 알루미늄, 1.59 내지 2.28 중량%의 티타늄, 최고 0.79 중량%의 니오븀, 0.034 내지 0.097 중량%의 탄소, 0.002 내지 0.007 중량%의 붕소 및 최고 2.6 중량%의 철을 함유하였다. 아래 설명된 이유로, 다음 범위에 속하며 식(3) 및 (4)를 만족시키는 이러한 원소들을 함유하는 합금은 바람직한 성질을 제공하여야 한다: 니켈과 불순물로 조화되는 17 내지 22의 크롬, 8 내지 15의 코발트, 4.0 내지 9.5의 몰리브덴, 최고 7.0의 텅스텐, 1.28 내지 1.65의 알루미늄, 1.50 내지 2.30의 티타늄, 최고 0.80의 니오븀, 0.01 내지 0.2의 탄소 및 최고 0.015의 붕소. 또한 합금은 최고 1.5 중량%의 탄탈륨, 최고 1.5 중량%의 망간, 최고 0.5 중량%의 실리콘, 및 하나 이상의 마그네슘, 칼슘, 하프늄, 지르코늄, 이트륨, 세륨 및 란탄을 함유한다. 이러한 7개의 원소 각각은 최고 0.05 중량%까지 존재할 수도 있다. 수용가능한 합금은 Al + 0.56Ti + 0.29Nb 에 대하여 2.35 내지 2.84의 값 범위를 가지며, Mo + 0.52W 에 대하여 7.1 내지 9.3의 값 범위를 가졌다.

고온 환경에서 사용된 합금안에서 크롬(Cr)의 존재는 필요한 산화 저항성 및 고온 부식 저항성을 제공한다. 일반적으로, Cr 함량이 높아질수록, 산화 저항성은 더 우수해 지지만, 너무 많은 Cr은 합금의 열적 불안정성을 초래할 수 있다. 본원 발명의 합금에 대하여, 크롬 수준은 약 17 내지 22 중량% 사이가 되어야 한다.

코발트(Co)는 많은 세공한 γ' 강화 합금에서 공통적인 원소이다. 코발트는 저온의 니켈안에서 알루미늄 및 티타늄의 용해도를 감소시키는데, 이는 주어진 수준의 알루미늄 및 티타늄에 대하여 보다 큰 γ' 함량을 허용한다. 약 8 내지 15 중량%의 Co 수준이 본원 발명에 수용가능하다는 것이 밝혀졌다.

이미 언급한 바와 같이, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 및 니오븀(Nb)은 시효-경화 열처리시 강화 γ' 의 형성을 통하여 본원 발명 합금의 크리프-강도에 기여한다. 이러한 원소의 조합 전체는 상기 식(3)에 의하여 제한된다. 개개의 원소에 관하여 보면, Al은 1.28 내지 1.65 중량% 범위, Ti은 1.50 내지 2.30 중량%, 및 Nb는 0 내지 0.80 중량% 범위일 수 있음이 발견되었다.

이미 언급한 바와 같이, 몰리브덴(Mo) 및 텅스텐(W)은 고용체 강화를 통하여 본원 발명 합금의 크리프-파단 강도에 기여한다. 이러한 원소의 조합 전체는 상기 식(4)에 의하여 제한된다. 개개의 원소에 관하여 보면, Mo는 약 4.0 내지 9.5 중량% 범위인 반면에, W는 0 내지 7.0 중량%의 범위일 수 있음이 밝혀졌다.

탄소(C)는 필요한 성분이며, 카바이드의 형성을 통하여 본원 발명 합금의 크리프-강도에 기여한다. 카바이드는 또한 적절한 입자 크기 제어를 위해 필요하다. 탄소는 약 0.01 내지 0.2 중량%의 양으로 존재하여야 한다.

철(Fe)은 필요하지 않지만, 전형적으로 존재할 것이다. Fe의 존재는 귀속(revert) 재료의 경제적인 사용을 가능하게 하며, 귀속 재료 대부분은 잔여량의 Fe를 함유한다. 수용가능한 Fe-없는 합금은 신규한 노 라이닝(furnace lining) 및 고순도 충전재(charge material)를 사용하는 것이 가능하다. 주어진 데이타는 최고 약 3 중량% 까지의 수준이 수용가능함을 나타낸다.

붕소(B)는 일반적으로 상승된 온도 연성을 개선시키기 위하여 세공한 γ' 강화 합금에 소량으로 첨가된다. 너무 많은 붕소는 용접성 문제를 야기할 수도 있다. 바람직한 범위는 최고 약 0.015 중량%이다.

탄탈륨(Ta)은 이러한 종류의 합금에서 γ' 형성 원소이다. 탄탈륨은 최고 약 1.5 중량%의 수준에서 알루미늄, 티타늄, 또는 니오븀을 부분적으로 대체할 수 있는 것으로 예상된다.

망간(Mn)은 종종 황 불순물의 존재로부터 야기되는 문제점 제어를 돕기 위하여 니켈 기초 합금에 첨가된다. Mn은 1.5 중량% 이상의 수준으로 본원 발명의 합금에 첨가될 수 있는 것으로 예상된다.

실리콘(Si)은 불순물로서 존재할 수 있으며, 때때로 증가된 환경 저항성을 위하여 의도적으로 첨가된다. Si는 0.5 중량% 이상의 수준으로 본원 발명의 합금에 첨가될 수 있는 것으로 예상된다.

구리(Cu)는 귀속 재료의 사용으로부터 또는 합금 그 자체가 용융 및 가공되는 동안에 발생하는 불순물로서 존재할 수 있다. Cu는 0.5 중량% 이상 까지의 양으로 존재할 수 있는 것으로 예상된다.

마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)의 사용은 종종 니켈 기초 합금의 초기의 용융 동안에 사용된다. 이러한 원소는 최고 약 0.05 중량%의 수준으로 본원 발명의 합금에 존재할 수 있는 것으로 예상된다.

종종 증가된 환경 저항성을 제공하기 위하여 소량의 특정 원소가 니켈 기초 합금에 첨가된다. 이러한 원소는 란탄(La), 세륨(Ce), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 및 하프늄(Hf)을 포함하지만, 이에 반드시 제한되지는 않는다. 이러한 원소 각각은 최고 약 0.05 중량%의 양으로 본원 발명의 합금에 존재할 수 있는 것으로 예상된다.

비록 테스트된 샘플이 세공한 시트에 제한되었지만, 합금은 다른 세공 형태[판, 막대, 튜브, 파이프, 단조(forging), 및 와이어]에서, 및 주조, 분사-형성된, 또는 분말 야금 형태, 즉, 분말, 압축 분말 및 소결된 압축 분말에서 유사한 성질을 나타내어야 한다. 결과적으로, 본원 발명은 모든 형태의 합금 조성물을 포함한다.

이러한 합금에 의하여 나타나는 우수한 열적 안정성, 변형 노화 균열에 대한 저항성 및 우수한 크리프 파단 강도의 조합된 성질은 이러한 합금을 가스 터빈 엔진 성분으로 제조하는데 특히 유용하게 만들며, 이러한 엔진에서 트랜지션 도관에 특히 유용하게 만든다. 이러한 성분 및 이러한 성분을 함유하는 엔진은 고장없이 보다 높은 온도에서 작동될 수 있으며, 현재 입수가능한 이러한 성분 및 엔진보다 더 긴 작업 수명을 가져야 한다.

비록 본인은 특정 바람직한 실시예의 합금을 개시하였지만, 본원 발명은 이에 제한되지 않으며, 다음의 청구항의 범위안에서 다양하게 구체화될 수도 있다는 것을 분명하게 이해하여야 한다.

Claims

니켈 및 불순물과 조화되며 다음의 중량%로 포함되는 조성물을 가지며:

17 내지 22 크롬

8 내지 15 코발트

4.0 내지 9.5 몰리브덴

최고 7.0 텅스텐

1.28 내지 1.65 알루미늄

1.50 내지 2.30 티타늄

최고 0.80 니오븀

0.01 내지 0.2 탄소

최고 0.015 붕소,

중량%에 관한 원소량으로 정의된 다음의 조성 관계를 또한 만족시키는:

2.2 < Al + 0.56Ti + 0.29Nb < 2.9

6.5 < Mo + 0.52W < 9.5,

니켈-크롬-코발트 기초 합금.
제 1항에 있어서, 최고 3 중량%의 철을 또한 함유하는 것을 특징으로 하는 니켈-크롬-코발트 기초 합금.
제 1항에 있어서, 최고 1.5 중량%의 탄탈륨, 최고 1.5 중량%의 망간, 최고 0.5 중량%의 실리콘, 최고 0.5 중량%의 구리 중 하나 이상을 또한 함유하는 것을 특징으로 하는 니켈-크롬-코발트 기초 합금.
제 1항에 있어서, 마그네슘, 칼슘, 하프늄, 지르코늄, 이트륨, 세륨, 및 란탄으로 구성되는 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소를 또한 함유하며, 각각의 상기 원소 존재는 합금의 최고 0.5 중량%를 구성하는 것을 특징으로 하는 니켈-크롬-코발트 기초 합금.
제 1항에 있어서, 상기 합금은 시트, 판, 막대, 와이어, 튜브, 파이프, 및 단조(forging)로 구성되는 그룹에서 선택된 세공 형태인 것을 특징으로 하는 니켈-크롬-코발트 기초 합금.
제 1항에 있어서, 상기 합금은 주조 형태(cast form)인 것을 특징으로 하는 니켈-크롬-코발트 기초 합금.
제 1항에 있어서, 상기 합금은 분사-형태(spray-formed)로 된 것을 특징으로 하는 니켈-크롬-코발트 기초 합금.
제 1항에 있어서, 상기 합금은 분말 야금 형태(powder metallurgy form)인 것을 특징으로 하는 니켈-크롬-코발트 기초 합금.
제 1항에 있어서, 상기 합금은 가스 터빈 엔진을 위한 성분으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 니켈-크롬-코발트 기초 합금.
니켈 및 불순물과 조화된 다음의 중량%로 포함되는 조성물을 가지며:

17.5 내지 21.3 크롬

8.3 내지 14.2 코발트

4.3 내지 9.3 몰리브덴

최고 7.0 텅스텐

1.29 내지 1.63 알루미늄

1.59 내지 2.28 티타늄

최고 0.79 니오븀

0.034 내지 0.097 탄소

0.002 내지 0.007 붕소

최고 2.6 철,

중량%에 관한 원소량으로 정의된 다음의 조성 관계를 또한 만족시키는:

2.35 < Al + 0.56Ti + 0.29Nb < 2.84

7.1 < Mo + 0.52W < 9.3 ,

가스 터빈 트랜지션 도관에서 사용하기에 적합한 니켈-크롬-코발트 기초 합 금.
제 10항에 있어서, 최고 1.5 중량%의 탄탈륨, 최고 1.5 중량%의 망간, 최고 0.5 중량%의 실리콘, 및 최고 0.5 중량%의 구리 중 하나 이상을 또한 함유하는 것을 특징으로 하는 니켈-크롬-코발트 기초 합금.
제 10항에 있어서, 마그네슘, 칼슘, 하프늄, 지르코늄, 이트륨, 세륨, 및 란탄으로 구성되는 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소를 또한 함유하는 것을 특징으로 하는 니켈-크롬-코발트 기초 합금.
제 10항에 있어서, 상기 합금은 시트, 판, 막대, 와이어, 튜브, 파이프, 및 단조로 구성되는 그룹에서 선택된 세공 형태인 것을 특징으로 하는 니켈-크롬-코발트 기초 합금.
제 10항에 있어서, 상기 합금은 주조 형태인 것을 특징으로 하는 니켈-크롬-코발트 기초 합금.
제 10항에 있어서, 상기 합금은 분사-형태로 된 것을 특징으로 하는 니켈-크롬-코발트 기초 합금.
제 10항에 있어서, 상기 합금은 분말 야금 형태인 것을 특징으로 하는 니켈-크롬-코발트 기초 합금.
제 10항에 있어서, 상기 합금은 가스 터빈 엔진을 위한 구성 요소로서 형성되는 것을 특징으로 하는 니켈-크롬-코발트 기초 합금.
개선은 니켈 및 불순물과 조화되는, 본질적으로 다음으로 구성된 하나 이상의 금속 성분을 포함하며:

17 내지 22 크롬

8 내지 15 코발트

4.0 내지 9.5 몰리브덴

최고 7.0 텅스텐

1.28 내지 1.65 알루미늄

1.50 내지 2.30 티타늄

최고 0.80 니오븀

0.01 내지 0.2 탄소

최고 0.015 붕소,

중량%에 관한 원소량으로 정의된 다음의 조성 관계를 또한 만족시키는:

2.2 < Al + 0.56Ti + 0.29Nb < 2.9

6.5 < Mo + 0.52W < 9.5 ,

복수의 금속 성분을 가지는 유형의 개선된 가스 터빈 엔진.
하나 이상의 금속 성분은 트랜지션 도관(transition ducts)인 개선된 가스 터빈 엔진.
제 18항에 있어서, 니켈 및 불순물과 조화되는 하나 이상의 금속 성분은 본질적으로 다음으로 구성되며:

17.5 내지 21.3 크롬

8.3 내지 14.2 코발트

4.3 내지 9.3 몰리브덴

최고 7.0 텅스텐

1.29 내지 1.63 알루미늄

1.59 내지 2.28 티타늄

최고 0.79 니오븀

0.034 내지 0.097 탄소

0.002 내지 0.007 붕소

최고 2.6 철,

중량%에 관한 원소량으로 정의된 다음의 조성 관계를 또한 만족시키는 것을 특징으로 하는:

2.35 < Al + 0.56Ti + 0.29Nb < 2.84

7.1 < Mo + 0.52W < 9.3,

개선된 가스 터빈 엔진.