KR20110120831A - 코발트-니켈 초합금 및 관련 물품 - Google Patents

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마틴 매튜 모라
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 발명은, 약 30 중량% 내지 약 50 중량%의 코발트; 약 20 중량% 내지 약 40 중량%의 니켈; 약 10 중량% 이상의 크롬; 알루미늄; 및 하나 이상의 내화성 금속을 포함하는 코발트-니켈 합금 조성물에 관한 것이다. 또한, 상기 합금 조성물은, 구조식 (Co,Ni)3(Al,Z)를 갖는 L1 2 -구조의 γ' 상을 포함하며, 이때 Z는 하나 이상의 내화성 금속이다. 본 발명은 또한, 상기 코발트-니켈 합금 조성물로부터 제조되거나 이로 피복된 다양한 컴포넌트에 관한 것이다.

Description

코발트-니켈 초합금 및 관련 물품{COBALT-NICKEL SUPERALLOYS, AND RELATED ARTICLES}
본 발명은 일반적으로, 금속성 합금 조성물에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은, 우수한 고온 크리프(creep) 강도 및 환경적 내성, 특히 황화(sulfidation) 내성이 요구되는 고온 구조 용도에 유용한 코발트-니켈 합금 및 관련 물품에 관한 것이다.
초합금은 종종, 고온 환경용으로 의도되는 컴포넌트로 선택되는 물질이다("초합금"이라는 용어는 일반적으로, 하나 이상의 다른 원소[예컨대, 알루미늄(Al) 및 크롬(Cr)]을 포함하는 고온 용도를 위한 복합 니켈계, 철계 또는 코발트계 합금을 포괄하는 것으로 의도된다). 예로서, 항공기 엔진, 산업용 기체 터빈 및 가스화 시스템의 많은 고온 기체 통로 컴포넌트는 흔히 니켈계 또는 코발트계 초합금으로 형성되며, 그 이유는, 이들이 고온에서 기계적 및/또는 환경적 완전성을 유지하는 데 필요하기 때문이다. 상기 합금은 다양한 방법, 예컨대 통상적인 주조 및 단방향 주조 기술에 의해 형성될 수 있다. 몇몇 통상적인 주조 물질은 종종 열-기계적 가공, 예를 들어 압연, 단조 및 압출을 겪는다. 많은 열 처리 단계가 일반적으로, 주조, 예를 들어 용액화, 에이징 및 석출-강화에 뒤따른다. 상기 합금은 또한, 환경적 보호 코팅을 구비할 수 있다.
많은 니켈계 초합금은, 상기 합금에 "L12"-구조의 γ' 상을 제공함으로써 석출-강화를 이용한다. 다양한 원소(예컨대, Al, Ta, Ti 및 Nb)를 니켈(Ni) 매트릭스에 가하면, "L12"-구조를 갖는 γ'-Ni3(Al,M) 상(여기서, M은 하나 이상의 금속 원소를 나타냄)이 형성된다. 당업자가 이해하는 바와 같이, L12 상의 존재는, 매우 고온의 사용 온도에서 합금에 더 큰 강도를 부여한다. 사실, 많은 경우, L12 상은, 온도가 증가함에 따라 강도가 증가하는 역 온도 의존성을 나타낸다.
코발트계 합금은 또한, 특정 최종 용도에서 특히 관심을 받는다. 예로서, 이러한 합금은 종종 이의 니켈 대응물에 비해 더 높은 융점을 나타낸다. 특정 조성에 따라, 코발트(Co) 합금은, 부식성 기체(예컨대, 황화수소(H2S))를 함유하는 다양한 고온 환경에서 개선된 내산화성 및 내부식성을 제공한다. 그러나, 코발트계 합금은 니켈계 초합금에 비해 일반적으로 고온 강도가 불량하기 때문에, 코발트계 합금을 고온 구조 컴포넌트에 적용하는 것은 제한될 수 있다. 대부분의 통상적인 코발트계 합금은 카바이드의 석출 및 고체-용액 강화 원소의 첨가를 이용하며, 이는, 고온 강도를 달성하는데 있어서, L12 γ' 상의 석출에 효과적이지 않다.
최근까지, 바람직한 L12 상을 포함하는 코발트계 합금은 이용가능하지 않은 것처럼 보였다. 그러나, 이쉬다(Ishida) 등의 미국특허출원공개 제 2008/0185078 호는, 높은 내열성 및 강도를 갖고 석출된 L12 상을 함유하는 코발트계 합금을 기술하고 있다. 이 경우, L12 γ' 상은 구조식 Co3(Al,W)의 금속간 화합물이다. 이쉬다의 특허에서 합금 조성은 다수의 다른 원소를 포함할 수 있으며, 이러한 조성의 대부분은 비교적 과량의 코발트, 알루미늄 및 텅스텐에 기초한 것으로 나타났다.
금속공학자는, 요구되는 용도에 사용되는 니켈 및 코발트 합금에서 흔히 매우 주의깊게 특성들이 균형을 이루어야 함을 이해한다. 이러한 특성 중 단지 몇개만 언급하자면 강도(고온 및 중간 온도에서), 연성, 내산화성, 내부식성 및 내마모성을 들 수 있다. 다른 특성 및 특징은 "주조성," 고온 작업성, 밀도 및 비용을 포함한다. 고도로 요구되는 서비스 환경에서, 이러한 모든 특성들 간의 필요한 균형을 달성하는 것은, 합금 제조자가 계속 도전해야 할 과제이다.
니켈계 및 코발트계 초합금에서, 내산화성 및 내부식성은 합금 중의 Al 및 Cr 함량에 매우 의존한다. 더욱 구체적으로, Al의 존재는 고온에서 합금의 표면 상에 보호성 Al2O3 스케일을 형성하는 것으로 생각된다. 알루미나는, 크롬에 비해 느리게 성장하는 옥사이드이며, 알루미나의 형성은 몇몇 산화 환경에서 바람직하다. 알루미나는 또한, H2S를 함유하는 부식성 환경 하에서 황화에 내성인 것으로 공지되어 있다. Cr의 존재는, Al2O3 스케일의 형성에 이로운 것으로 생각되며, 이는 또한 900℃ 미만의 온도에서, 안정한 Cr2O3 스케일을 형성할 수 있다. 일반적으로, 더 높은 Cr 함량(약 12 중량% 이상)이, 몇몇 용도에서 요구되는 환경적 내성을 달성하는데 필요한 것으로 생각된다.
Al을 함유하지 않는 많은 통상적인 코발트계 초합금과 달리, Co-Al-W계 합금 시스템은 Al의 존재로 인해 보호성 알루미나 스케일을 형성하는 능력을 가질 수 있다. 그러나, Co-Al-W계 합금에서, γ'-Co3(Al,W) 상이 석출되는 경우, Cr의 첨가는 γ'-Co3(Al,W) 상의 상 안정성을 감소시키는 경향이 있다. Cr을 함유하는 Co-Al-W계 합금에서의 γ' 고용선(solvus) 온도(이때, γ' 상이 γ-Co 매트릭스 상에 용해됨)는, Cr이 없는 합금보다 낮다. 일반적으로, γ' 고용선 온도를 가능한 한 높게 유지하는 것이 바람직하며, 그 이유는, 이러한 유형의 합금의 고온 강도가 목적 온도에서 γ' 상의 부피 분율에 상당히 의존하기 때문이다. 따라서, 환경적 내성 및 고온 강도를 둘 다 달성하기 위해서는 Cr 함량과 γ' 상의 안정성의 균형을 맞추는 것이 중요할 수 있다.
이러한 점을 고려하면, 새로운 초합금 조성물이 당분야에서 환영받을 것이다. 이러한 합금은, 전술된 특성들(예를 들어, 환경적 내성, 고온 강도, 및 통상적인 코발트계 합금에 비해 개선된 크리프 내성)의 바람직한 조합을 나타내야 한다.
본원에서, 약 30 중량% 내지 약 50 중량%의 코발트; 약 20 중량% 내지 약 40 중량%의 니켈; 약 10 중량% 이상의 크롬; 알루미늄; 및 하나 이상의 내화성 금속을 포함하는 코발트-니켈 합금 조성물이 개시된다. 또한, 상기 합금 조성물은, 구조식 (Co,Ni)3(Al,Z)[이때, Z는 하나 이상의 내화성 금속임]를 갖는 L1 2 -구조의 γ' 상 석출물, 및 Co-Ni의 γ 매트릭스 상을 포함한다.
상기 조성물로부터 부분적으로 또는 전체적으로 제조된 물품이 본 발명의 다른 실시양태를 나타낸다. 이러한 물품의 예는, 고온 강도 및 환경적 내성, 특히 황화 내성이 요구되는 구조적 가스화 컴포넌트, 예를 들어 가스화 노즐, 선반 및 냉각 시스템을 포함한다.
도 1a 및 1b는, 상기 합금 조성물의 2가지 실시양태에 대해 900℃로 100 시간 동안 에이징한 후에 형성된 γ' 석출물을 나타내는 투과 전자 현미경 사진이다.
도 2a 및 2b는, 다양한 합금 샘플의 γ' 고용선 온도를 알루미늄과 탄탈륨 함량의 함수로서 나타낸 도표이다.
본원에 개시된 조성 범위는 끝값을 포함하며, 범위들은 조합될 수 있다(예를 들어, "약 25 중량% 이하" 또는 더욱 구체적으로 "약 5 중량% 내지 약 20 중량%"의 범위는, 상기 범위의 끝값 및 모든 중간 값을 포함함). 중량 수준은, 달리 명시되지 않는 한, 전체 조성물의 중량을 기준으로 제공되며, 비도 중량을 기준으로 제공된다. 또한, "조합물"이라는 용어는, 블렌드, 혼합물, 합금, 반응 생성물 등을 포함한다. 또한, 본원에서 "제 1", "제 2" 등의 용어는, 임의의 순서, 양 또는 중요도를 나타내는 것이 아니며, 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해 사용되는 것이다. 본원에서 단수의 용어는 양의 한정을 나타내는 것이 아니며, 오히려 언급된 항목이 하나 이상 존재함을 나타낸다. 양과 관련하여 사용되는 "약"이라는 수식어는, 언급된 값을 포함하며, 문맥상 언급되는 의미를 갖는다(예를 들어, 특정 양의 측정과 관련되는 오차 정도를 포함함). 본원에서 사용되는 "(들)"이라는 접미사는, 이것이 수식하는 용어의 단수형 및 복수형을 모두 포함하는 것으로 의도되며, 따라서 이러한 용어의 하나 이상을 포함하는 것으로 의도된다(예를 들어, "내화성 원소(들)"은, 하나 이상의 내화성 요소를 포함할 수 있음). 명세서 전체에 걸쳐 "하나의 실시양태", "다른 실시양태", "실시양태" 등에 대한 언급은, 이러한 실시양태와 관련하여 기술된 특정 요소(예를 들어, 특징, 구조 및/또는 특성)가 본원에 기술된 하나 이상의 실시양태에 포함되고, 다른 실시양태에는 존재하거나 존재하지 않을 수 있음을 의미한다. 또한, 기술된 본 발명의 특징은 다양한 실시양태에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있음을 이해해야 한다.
본원에 기술된 합금 물질은 비제한적으로, 와이어, 바, 막대, 플레이트 또는 시트로서 제공되는 물질; 등축 미세구조 또는 단결정 구조를 갖는 물질; 및 방향성있게 고화된 미세구조를 갖는 물질을 포함할 수 있다. 본원에서 논의되는 물질 특성은, 달리 명시되지 않는 한, 특정 조건에서 표준 산업 시험 하에 결정된다. 본원에 개시되는 물질 조성은, 달리 언급되지 않는 한, 합금의 총 중량을 기준으로 결정되는 대략적인 중량%로 제공된다.
본 발명의 합금 조성물은 코발트 및 니켈을 둘 다 포함한다. 후술되는 몇몇 다양한 공정 단계 후에, 코발트, 니켈 및 몇몇 다른 원소들은 합금 내에서 면심 입방(FCC) 매트릭스 상을 형성한다. 이러한 상은 전형적으로 초합금과 관련되며, 당분야에서 "감마"(γ) 상으로서 공지되어 있다. 따라서, 이러한 상은 Co-Ni의 γ 매트릭스 상을 갖는 것으로 기술될 수 있다.
상기 합금 중의 코발트의 양은 약 30 중량% 내지 약 50 중량% 범위이고, 몇몇 특정 실시양태에서는, 약 32 중량% 내지 약 48 중량%이다. 특정 최종 용도에 특히 바람직한 몇몇 실시양태에서, 코발트의 수준은 약 38 중량% 내지 약 46 중량%이다.
γ' 상을 안정화시키는 데는 20 중량% 초과량의 니켈이 효과적이다. 따라서, 상기 합금 중의 니켈의 양은 약 20 중량% 내지 약 40 중량%, 몇몇 실시양태에서는, 약 20 중량% 내지 약 35 중량%, 몇몇 특정 실시양태에서는 약 20 중량% 내지 약 25 중량% 범위일 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명의 합금 조성물은 추가로 크롬을 포함한다. 크롬은 환경적 내성, 예를 들어 내산화성 및 내부식성에 중요한 요소이다. 그러나, 과량의 크롬은 γ'-(Co,Ni)3(Al,W) 상을 불안정하게 만드는 경향을 가질 수 있다. 따라서, 예를 들어, 몇몇 실시양태에서, 상기 합금 조성물은 약 10 중량% 이상의 크롬을 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 합금 중의 크롬의 양은 약 10 중량% 내지 약 18 중량%, 약 12 중량% 내지 약 18 중량%, 또는 몇몇 특정 실시양태에서는 약 14 중량% 내지 약 18 중량% 범위일 수 있다.
알루미늄이, 본원에서 기술되는 합금의 또다른 중요한 요소이다. 크롬과 마찬가지로, 알루미늄도 알루미나 스케일을 형성함으로써 상기 합금에 환경적 내성을 제공한다. 또한, 지금까지 기술된 합금의 경우, 알루미늄은 베이스 금속과 함께 중요한 금속간 화합물을 형성하며, 즉 (Co,Ni)3(Al,Z) γ' 상을 형성한다. 전술된 바와 같이, 이러한 상은 일반적으로 L12 상으로 공지되어 있으며, 매우 중요한 고온 강화제로서 작용한다. 추가로 후술되는 바와 같이, "Z"는, 내화성 금속으로부터 선택되는 것을 의미한다(많은 실시양태에서, 텅스텐-함유 상, 즉 (Co,Ni)3(Al,W)이 흔히 바람직하다)
Al을 Co-Ni-Cr-W계 합금에 첨가하면, γ'-(Co,Ni)3(Al,W) 상이 형성된다. 그러나, Al을 과량으로 첨가하면, 상기 γ' 상에 비해 CoAl 상(몇몇 용도에서, 바람직하지 않음)이 우선적으로 형성될 수 있다. 몇몇 특정 실시양태에서, 존재하는 알루미늄의 양은 약 2 중량% 이상, 더욱 전형적으로는 약 3 중량% 이상이다. 알루미늄의 상한은 일반적으로 약 5%이다.
전술된 바와 같이, 상기 합금 조성물은 하나 이상의 내화성 금속을 포함한다. 일반적으로, 상기 내화성 금속은 상기 합금의 고온 경도 및 고온 강도를 개선한다. 또한, 텅스텐은 특히 L12 상의 형성에 참여할 수 있다. 다른 내화성 금속은 몰리브덴, 탄탈륨, 니오븀, 바나듐 및 레늄을 포함하며, 이들 중 임의의 금속은 또한 합금 원소로도 사용될 수 있다. 또한, 이러한 금속들의 다양한 조합이 상기 합금 중에 존재할 수 있다. 일반적으로, 상기 내화성 금속은 전체 조성물의 중량을 기준으로 (총) 약 1 중량% 이상의 수준, 더욱 흔히, 약 10 중량% 이상의 수준으로 존재한다. 총 내화성 원소 함량은 일반적으로 30 중량% 이하이다. 몇몇 바람직한 실시양태에서, 내화성 금속의 총량을 일반적으로 약 10 중량% 내지 약 20 중량% 범위이다.
몇몇 특정 실시양태에서는, 텅스텐 및 탄탈륨이 바람직한 내화성 금속이다. 또한, 몇몇 경우, 총 내화성 금속 함량의 약 50 중량% 이상이 텅스텐을 포함하는 것이 바람직하다(텅스텐은 종종, 합금에 강도를 제공하는 γ' 상의 형성에 특히 유용함). 텅스텐의 유용한 범위는 흔히, 약 1 중량% 내지 약 20 중량%이며, 몇몇 특정 실시양태에서는 약 10 중량% 내지 약 16 중량%, 또는 약 11 중량% 내지 약 15 중량%이다. 탄탈륨이 존재하는 경우, 이의 수준은 일반적으로 약 4 중량% 이하, 몇몇 경우, 약 3 중량% 이하이다.
본 발명의 합금 조성물은 추가로, 특정 최종 사용 용도에 적합한 특성을 부여하는 다수의 다른 원소를 포함할 수 있다. 이러한 원소의 비제한적인 예는 탄소, 규소, 붕소, 티타늄, 망간, 철, 하프늄 및 지르코늄이다. 이러한 각각의 원소의 적절한 양은 다양한 최종 사용 요건에 의존할 것이다.
예로서, 용해도 한계 이하 수준의 붕소는, 고온 경도 및 내마모성뿐만 아니라 강도를 개선하는데 유용할 수 있다. 때때로, 선택된 수준의 탄소는, 다양한 다른 원소(예컨대, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴, 티타늄, 하프늄, 니오븀 등)와 조합되어 카바이드를 형성하는데 유용하다. 이러한 카바이드는 또한, 실온 및 고온 조건 하에 합금의 경도를 개선할 수 있다. 또한, 선택된 양의 규소는, 합금의 주조 및 용접 특성뿐만 아니라 용융 금속 유동성 및 환경적 내성을 개선하는데 유용할 수 있다.
흔히, 선택된 수준의 티타늄, 하프늄 및 지르코늄은 γ' 상의 안정화 및 고온 강도의 개선에 효과적이다. 또한, 지르코늄 및 하프늄은 붕소와 조합되어 그레인 경계를 강화하는데 유용할 수 있다. 또한, 망간은, 용접 특성을 개선하는데 유용할 수 있다.
이러한 원소들이 존재하는 경우, 이들의 조성의 비제한적이고 예시적인 범위는 조성물의 총 중량%를 기준으로 다음과 같이 제공될 수 있다:
C: 약 0.001 중량% 내지 약 0.5 중량%;
Si: 약 0.01 중량% 내지 약 0.5 중량%;
B: 약 0.001 중량% 내지 약 0.2 중량%;
Ti: 약 0.01 중량% 내지 약 1 중량%;
Mn: 약 0.01 중량% 내지 약 5 중량%;
Fe: 약 0.01 중량% 내지 약 5 중량%;
Zr: 약 0.01 중량% 내지 약 1 중량%;
Hf: 약 0.01 중량% 내지 약 2 중량%.
당업자는, 전술된 합금 구성요소들의 특정 수준을 선택하는 것이 다수의 요인에 영향을 받음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 교시 내에서, 합금 배합자는 일반적으로, 강도 및 연성뿐만 아니라 환경적 내성 간의 절충지점을 고려할 것이다. 다른 요인, 예를 들어 경제적 요인(원료의 비용)뿐만 아니라 물질 중량(밀도)도 이러한 합금의 "균형"에서 하나의 역할을 한다.
당업자는, 예를 들어 시판되는 합금에서 또는 가공 기술에 의해, 불순물 수준으로 소량의 다른 원소들이 불가피하게 존재함을 이해할 것이다. 본원에 기술된 조성물의 특성을 손상시키지 않는 한, 이러한 불순물 수준의 첨가도 본 발명의 일부로서 간주될 수 있다.
몇몇 실시양태에서 특정 합금 조성물은 하기 구성요소를 포함한다:
Co: 약 30 중량% 내지 약 50 중량%;
Ni: 약 20 중량% 내지 약 40 중량%;
Cr: 약 10 중량% 내지 약 18 중량%;
Al: 약 2 중량% 내지 약 5 중량%;
W: 약 10 중량% 내지 약 16 중량%; 및
Ta: 약 4 중량% 이하.
다른 실시양태에서, 상기 합금 조성물을 하기 구성요소를 포함한다:
Co: 약 32 중량% 내지 약 48 중량%;
Ni: 약 20 중량% 내지 약 35 중량%;
Cr: 약 12 중량% 내지 약 18 중량%;
Al: 약 3 중량% 내지 약 5 중량%;
W: 약 10 중량% 내지 약 16 중량%; 및
Ta: 약 4 중량% 이하.
또다른 실시양태에서, 상기 합금 조성물을 하기 구성요소를 포함한다:
Co: 약 32 중량% 내지 약 48 중량%;
Ni: 약 20 중량% 내지 약 35 중량%;
Cr: 약 14 중량% 내지 약 18 중량%;
Al: 약 3 중량% 내지 약 5 중량%;
W: 약 11 중량% 내지 약 15 중량%; 및
Ta: 약 3 중량% 이하.
또다른 실시양태에서, 상기 합금 조성물을 하기 구성요소를 포함한다:
Co: 약 38 중량% 내지 약 46 중량%;
Ni: 약 20 중량% 내지 약 25 중량%;
Cr: 약 14 중량% 내지 약 18 중량%;
Al: 약 3 중량% 내지 약 5 중량%;
W: 약 11 중량% 내지 약 15 중량%; 및
Ta: 약 3 중량% 이하.
본 발명의 합금 조성물은 임의의 다양한 통상적인 금속 제조 및 성형 방법으로 제조될 수 있다. 통상적인 주조, 분말 야금 가공, 방향성 고화 및 단결정 고화가 이러한 합금의 잉곳 형성에 적합한 방법의 비제한적인 예이다. 다른 합금의 형성의 경우, 당분야에 통상적인 열적 및 열-기계적 가공 기술이 본 발명의 합금의 제조 및 강화에 사용되기 적합하다. 가공 기술 및 합금 열처리에 대한 다양한 세부사항은 많은 출처로부터 이용가능하다. 이의 하나의 예는, 미국 특허 제 6,623,692 호(잭슨(Jackson) 등)를 포함하며, 이를 본원에 참고로 인용한다. 또한, 다양한 단조 및 기계가공 기술이, 상기 합금 조성물로부터 형성된 물품의 성형 및 절단에 사용될 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 상기 합금 조성물은 미리 결정된 형태로 성형되고, 이어서 용액 처리 및 이어서 에이징 처리로 처리될 수 있다. 용액 처리는 γ' 고용선 온도 초과 내지 상기 합금의 고상선(solidus) 온도 미만에서 수행된다. 에이징 처리에서는, 목적하는 상[예를 들어, Co-Ni의 γ 매트릭스 상 중의 (Co,Ni)3(Al,Z); 여기서 Z는 하나 이상의 내화성 금속임]을 석출시키기 위해, 상기 합금을 전형적으로 γ' 고용선 온도 미만으로 가열한다. 전술된 바와 같이, (Co,Ni)3(Al,Z)는 상기 합금의 "L12"-구조의 상이며, 이는 상기 합금의 중요한 특성 중 일부를 제공한다(전체 조성에 따라, "L12"-구조의 상은, 상기 논의된 바와 같은 몇몇 다른 원소(예컨대, 크롬)를 함유할 수 있음).
본 발명의 코발트-니켈 합금은 많은 형태 및 물품, 예를 들어 플레이트, 바, 와이어, 막대, 시트 등으로 성형될 수 있다. 상기 암시된 바와 같이, 상기 합금의 특성은, 고온 물품, 및 통상적인 코발트계 합금으로부터 형성되는 경우 고온 크리프 강도에 의해 수명이 제한되는 경향이 있는 물품에 상기 합금이 특히 적합하도록 한다. 이의 예는, 환경적 내성 및 고온 강도를 둘 다 요구하는 다양한 가스화 컴포넌트를 포함한다. 이러한 컴포넌트의 특정 비제한적인 예는 가스화 노즐, 선반, 냉각 시스템 컴포넌트 등이다.
본 발명의 또다른 양태에서, 코발트-니켈 초합금은 다른 물품 또는 합금 구조물을 보호하는데 사용될 수 있다. 예로서, 상기 합금 조성물의 층은, 상기 합금 조성물의 특성(예컨대, 환경적 내성 및 고온 강도)을 요구하는 다른 합금 구조물 또는 컴포넌트에 부착되거나 다르게는 이들의 상부에 형성될 수 있다[하부 기재는 다양한 금속 및 금속 합금(예컨대, 철, 강(steel) 합금 또는 다른 니켈 합금 또는 코발트 합금)으로 형성될 수 있음]. 전체 생성물은 복합 구조체, 또는 베이스 금속 또는 베이스 금속 코어 위쪽의 "합금 피복"으로 간조될 수 있다. 하부 기재에 피복 층을 결합시키는 것은 통상적인 방법, 예를 들어 확산 결합, 열간 등방향 프레스 또는 브레이징에 의해 수행될 수 있다. 당업자는 또한, 제시된 최종 용도를 위해, 본원에 교시된 부분에 기초하여 피복 층의 가장 적절한 두께를 선택할 수 있을 것이다.
[실시예]
하기 제시되는 실시예는 단지 예시적인 것으로 의도되며, 본 발명의 범주를 어떠한 식으로도 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다.
주로 Co-22%Cr-22%Ni-14%W-3%Fe-0.1%C로 이루어진 통상적인 코발트계 합금 하이네스(Haynes) 188에 기초하여 합금 조성물을 선택하였다. 2 내지 5 중량%의 Al을 첨가하여, Co-22%Cr-22%Ni-14%W 및 Co-16%Cr-22%Ni-14%W을 제조하였다. 또한, 1 내지 2 중량%의 Ta를 첨가하여, Co-22%Cr-22%Ni-14%W-4%Al 및 Co-16%Cr-22%Ni-14%W-4%Al을 제조하였다. 4% Al을 첨가하여, 높은 Ni 함량을 갖는 합금을 제조하였다.
[표 1]
Figure pat00001
각각의 합금을 유도 용융에 의해 1 lb 잉곳으로 제조하였다. 이 합금을 1200℃로 6시간 동안 용액 처리하고, 이어서 공기 냉각시켰다. 각각의 합금으로부터 2개의 시편을 절단하여 각각 900℃ 및 1000℃로 100시간 동안 에이징하였다. 에이징 처리는 공기 냉각으로 마쳤다. 투과 전자 현미경 및 주사 전자 현미경으로, γ'-(Co,Ni)3(Al,W) 상의 존재를 검사하였다. 시차 주사 열량법(DSC)으로 액상선(liquidus) 온도, 고상선 온도 및 γ' 고용선 온도를 결정하였다.
도 1a 및 1b는 각각, 샘플 16Cr-4Al-2Ta 및 16Cr-34Ni-4Al의 투과 전자 현미경 사진이다. 알 수 있는 바와 같이, 16 중량%의 크롬 및 4 중량%의 Al을 포함하는 합금은, 900℃로 열처리한 후에 γ-(Co,Ni) 매트릭스 상 중의 γ'-(Co,Ni)3(Al,W) 상의 석출을 나타냈다. γ' 석출물의 크기는 대략 200 nm였다. 또한, 샘플 16Cr-4Al-1Ta도 γ' 상의 석출을 나타냈지만, γ' 상의 부피 분율이 샘플 16Cr-4Al-2Ta에서 관찰되는 것의 절반이었다. 22 중량%의 Cr을 함유하는 합금은, 900℃ 및 1000℃로 열처리한 후 γ' 상의 존재를 나타내지 않았다.
16 중량%의 Cr을 함유하는 다른 합금의 투과 전자 현미경 사진은, 900℃로 열처리한 후, 3 중량%의 Al을 갖는 합금 및 5 중량%의 Al을 갖는 합금 중에 초미세 γ' 석출물(5 nm 미만)이 존재함을 보여준다. 초미세 γ' 석출물의 존재는, 이러한 합금의 γ' 고용선 온도가 900℃ 미만이며, γ' 상의 석출이 900℃로부터 공기 냉각 동안 일어남을 나타낸다. 냉각 동안 형성된 γ' 석출물의 크기는, 900℃에서 에이징하는 동안 형성된 것에 비해 훨씬 더 작았으며(도 1a 및 1b에 도시된 바와 같음), 그 이유는, 냉각 동안 원자가 확산되어 침전물을 성장시킬 시간이 충분하지 않았기 때문이다.
도 2a는, 16 중량%의 Cr을 함유하는 합금 중의 Al 함량에 대한 γ' 고용선 온도의 의존도를 도시한 것이다. 3 중량%의 Al에서, γ' 고용선 온도는 826℃였으며, Al을 4 중량%로 증가시키면 γ' 고용선 온도가 873℃로 상승하였다. Al을 5 중량%까지 더 첨가하면, γ' 고용선 온도가 893℃까지 추가로 상승하지만, 이러한 상승은 3 중량%의 Al과 4 중량%의 Al 사이에서 관찰되는 것보다 더 작았다.
5 중량%의 Al을 함유하는 합금은, 900℃에서 상당량의 B2-(Co,Ni)Al 석출물을 나타냈다. 이는, 4 중량%와 5 중량% 사이의 γ+γ' 상 영역에서 Al의 용해도 한계가 존재하며, 이러한 용해도 한계를 초과하는 과량의 Al은 바람직하지 않은 B2 상의 형성을 야기함을 나타낸다.
도 2b는, 16 중량%의 Cr 및 4 중량%의 Al을 함유하는 합금에서 Ta 함량에 대한 γ' 고용선 온도의 의존도를 도시한 것이다. γ' 고용선 온도는 Ta를 첨가함에 따라 873℃로부터 선형으로 증가하였으며, 2 중량%의 Ta에서 932℃에 도달하였다.
종합하면, 이러한 데이터는, 16 중량%의 Cr 및 4 중량%의 Al 근처에서 다른 바람직한 상을 형성하지 않으면서 γ' 상이 강화 상으로서 사용되지 못하는 경우, 예상치 못한 국부적 조성 윈도우가 존재함을 나타낸다. 4 중량% 미만의 Al 함량에서는, γ' 고용선 온도가 더 낮고(달리 말하면, γ' 상의 부피 분율이 더 낮고), 반대로, 4 중량%보다 더 높은 Al 함량은 바람직하지 않은 B2 상의 형성을 야기한다. 16 중량%의 Cr 및 4 중량%의 Al에서, Ta를 첨가함으로써 관찰되는 γ' 고용선 온도의 증가는, Ta가 γ' 상의 안정성을 증가시키는데 매우 효과적인 원소임을 나타낸다. Co-Al-W-Ta 합금에서는, 약 3 중량%의 Cr을 첨가함으로써 γ' 고용선 온도가 1079℃ 에서 960℃로 떨어졌다(Suzuki and Pollock: Acta Mater, vol. 56, 2008, pp. 1288-1297). γ' 상의 불안정화에 대한 Cr의 강한 영향을 고려하면, 16 중량%의 Cr을 함유하는 합금에서는 4 중량%의 Al에서 국부적 조성 윈도우가 존재하고, 4 중량%의 Al 및 2 중량%의 Ta에서 900℃보다 높은(약 930℃) γ' 고용선 온도가 달성된다는 것은 매우 주목할 만하다.
샘플 16Cr-34Ni-4Al에서, γ' 고용선 온도는 930℃였으며, 이는 16Cr-4Al-2Ta 합금의 γ' 고용선 온도와 동등한 것이다. 이러한 결과는, Ta 및 Ni이 둘다 γ' 안정화 원소임을 암시하는 것이다. 그러나, γ' 상을 안정화시키는 데 있어서는 Ni보다 Ta가 더 효과적이며, 그 이유는, 2 중량%의 Ta을 첨가했을 때와 12 중량%의 Ni을 첨가했을 때에, 16Cr-4Al(22 중량%의 Ni 함유)에 기초한 합금의 γ' 고용선 온도가 동등하기 때문이다.
본 발명은 몇몇 특정 실시양태에 대해 기술되었다. 이러한 실시양태는 단지 예시를 위한 것이며, 어떤 식으로든 본 발명을 한정하는 것으로 간주되어서는 안된다. 따라서, 본 발명에 대한 변형이 수행될 수 있으며, 이러한 변형이 본 발명 및 첨부된 특허청구범위의 범주 이내임을 이해해야 한다. 또한, 상기 언급된 특허, 특허 출원 및 문헌을 모두 본원에 참고로 인용한다.

Claims (10)

  1. 약 30 중량% 내지 약 50 중량%의 코발트;
    약 20 중량% 내지 약 40 중량%의 니켈;
    약 10 중량% 이상의 크롬;
    알루미늄; 및
    하나 이상의 내화성 금속
    을 포함하는, 코발트-니켈 합금 조성물로서,
    상기 합금 조성물이, 구조식 (Co,Ni)3(Al,Z)를 갖는 L1 2 -구조의 γ' 상 석출물, 및 γ-(Co,Ni) 매트릭스 상을 포함하고, 이때 Z는 하나 이상의 내화성 금속인, 합금 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    총 내화성 금속 함량의 약 50 중량% 이상이 텅스텐을 포함하는, 합금 조성물.
  3. 약 30 중량% 내지 약 50 중량%의 코발트;
    약 20 중량% 내지 약 40 중량%의 니켈;
    약 10 중량% 내지 약 18 중량%의 크롬;
    약 2 중량% 내지 약 5 중량%의 알루미늄;
    약 10 중량% 내지 약 16 중량%의 텅스텐; 및
    약 4 중량% 이하의 탄탈륨
    을 포함하는, 합금 조성물.
  4. 제 3 항에 있어서,
    약 32 중량% 내지 약 48 중량%의 코발트;
    약 20 중량% 내지 약 35 중량%의 니켈;
    약 12 중량% 내지 약 18 중량%의 크롬;
    약 3 중량% 내지 약 5 중량%의 알루미늄;
    약 10 중량% 내지 약 16 중량%의 텅스텐; 및
    약 4 중량% 이하의 탄탈륨
    을 포함하는, 합금 조성물.
  5. 제 4 항에 있어서,
    약 32 중량% 내지 약 48 중량%의 코발트;
    약 20 중량% 내지 약 35 중량%의 니켈;
    약 14 중량% 내지 약 18 중량%의 크롬;
    약 3 중량% 내지 약 5 중량%의 알루미늄;
    약 11 중량% 내지 약 15 중량%의 텅스텐; 및
    약 3 중량% 이하의 탄탈륨
    을 포함하는, 합금 조성물.
  6. 제 5 항에 있어서,
    약 38 중량% 내지 약 46 중량%의 코발트;
    약 20 중량% 내지 약 25 중량%의 니켈;
    약 14 중량% 내지 약 18 중량%의 크롬;
    약 3 중량% 내지 약 5 중량%의 알루미늄;
    약 11 중량% 내지 약 15 중량%의 텅스텐; 및
    약 3 중량% 이하의 탄탈륨
    을 포함하는, 합금 조성물.
  7. 제 1 항에 따른 코발트-니켈 합금 조성물을 포함하는 주조 물품.
  8. 약 30% 내지 약 50%의 코발트;
    약 20% 내지 약 40%의 니켈;
    약 10% 이상의 크롬;
    알루미늄; 및
    하나 이상의 내화성 금속
    을 포함하는 합금을 포함하는 가스화 컴포넌트(component)로서,
    상기 합금의 조성이, 구조식 (Co,Ni)3(Al,Z)를 갖는 L1 2 -구조의 γ' 상 석출물, 및 γ-(Co,Ni) 매트릭스 상을 포함하고, 이때 Z는 하나 이상의 내화성 금속인, 가스화 컴포넌트.
  9. (a) 금속 또는 금속 합금을 포함하는 기재; 및
    (b) 약 30 중량% 내지 약 50 중량%의 코발트; 약 20 중량% 내지 약 40 중량%의 니켈; 약 10 중량% 이상의 크롬; 알루미늄; 및 하나 이상의 내화성 금속을 포함하고, 상기 기재의 적어도 일부에 결합된 피복(cladding)
    을 포함하는 물품으로서,
    상기 합금의 조성이, 구조식 (Co,Ni)3(Al,Z)를 갖는 L1 2 -구조의 γ' 상 석출물, 및 γ-(Co,Ni) 매트릭스 상을 포함하고, 이때 Z는 하나 이상의 내화성 금속인, 물품.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기재가 가스화 컴포넌트인, 물품.
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