KR20200002965A - 석출 경화성의 코발트-니켈 베이스 초합금 및 이로부터 제조된 물품 - Google Patents
석출 경화성의 코발트-니켈 베이스 초합금 및 이로부터 제조된 물품 Download PDFInfo
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Abstract
석출 경화성의 코발트-니켈 베이스 초합금이 개시된다. 이 합급은 하기의 중량 퍼센트 조성을 특징으로 한다:
합금의 나머지는 코발트 및 일반적인 불순물이다. 상기 합금은 가스 터빈 및 제트 엔진에서 발견되는 높은 작동 온도에 장기간 노출된 후에도 강도와 연성의 새로운 조합을 제공한다. 이 합금으로부터 제조된 세립 강철 물품이 또한 개시된다. 상기 강철 물품은 또한 높은 작동 온도에서 산화로부터 합금을 보호하는 Al2O3 및 Cr2O3의 연속적인 표면층을 특징으로 한다.
합금의 나머지는 코발트 및 일반적인 불순물이다. 상기 합금은 가스 터빈 및 제트 엔진에서 발견되는 높은 작동 온도에 장기간 노출된 후에도 강도와 연성의 새로운 조합을 제공한다. 이 합금으로부터 제조된 세립 강철 물품이 또한 개시된다. 상기 강철 물품은 또한 높은 작동 온도에서 산화로부터 합금을 보호하는 Al2O3 및 Cr2O3의 연속적인 표면층을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 초고온 적용 분야를 위한 초합금 및 공지된 니켈 베이스 초합금 및 공지된 코발트 베이스 초합금보다 훨씬 더 높은 온도에서 우수한 내산화성, 매우 우수한 강도 및 미세구조 안정성을 제공하는 석출 경화성의 코발트-니켈 베이스 초합금에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 합금으로부터 제조된 세립 물품에 관한 것이다.
가스 터빈 발전기 및 제트 엔진에서 현재 이용 가능한 것보다 더 나은 연료 효율 및 성능을 얻기 위해, 이러한 장비의 제조업체들은 현재 이용되고 있는 것보다 훨씬 더 높은 온도에서 작동하도록 차세대 가스 터빈을 설계하고 있다. INCONEL® 718, INCONEL® 706 및 WASPALOY와 같은 니켈 베이스 초합금은 가스 터빈 로터 및 기타 부품을 만드는 데 사용되었다. 공지된 니켈 베이스 초합금은 최대 약 750℃(1380℉)의 온도에서 매우 우수한 강도와 내크리프성을 제공한다. 그러나, 최신 가스 터빈 설계에는 800℃(1472℉) 이상의 온도에서 높은 강도를 제공할 수 있는 초합금이 필요할 것으로 예상된다.
공지된 니켈 베이스 석출 경화형 초합금은 주로 합금 기지 재료(matrix material)에서 금속간 상 감마 프라임(γ')의 석출을 통해 그들의 고온 강도를 얻는다. WASPALOY에서 니켈 베이스 γ'의 솔버스(solvus) 온도는 약 1020℃(1870℉)이다. 결과적으로, 공지된 니켈 베이스 초합금은 사용중인 작동 온도가 그 온도에 접근할 때 강도와 내크리프성이 급격히 감소한다. 가스 터빈 및 제트 엔진의 더 높은 작동 온도로의 이동이 예상됨을 고려할 때, 630 MPa(91.4 ksi)에서 1000 시간 테스트 시 675℃(1250℉)보다 높은 온도에서 매우 높은 강도 및 매우 우수한 내크리프성을 제공하는 석출 경화성 초합금에 대한 필요가 생겼다.
Al 및 W를 함유하는 코발트-니켈 합금은 L12 질서 상, γ' 석출물(Co3(Al, W))의 석출과 공지된 Ni 베이스 초합금에서 발견되는 Ni3(Al, Ti)γ' 석출물의 석출에 의해 강화될 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 실제로, 3원 Co-W-Al 상만으로는, 특히 장기간 고온 노출 동안, 기존의 Ni 베이스 합금과 비교하여 충분히 개선된 특성을 제공하지 못하는 것으로 밝혀졌다. 또한, 3원 Co-W-Al 상은 고온 노출 동안 산화가 가속화되어, 합금의 질량 손실을 초래하여, 결과적으로 이러한 온도에서의 서비스 수명이 단축된다.
따라서, 초고온 적용 분야를 위한 특성들의 조합, 즉, 강도, 내크리프성, 내산화성 및 장기 안정성을 겸비하는 초합금이 필요하다.
상기에 기재한 바와 같이 공지된 니켈 및 코발트 베이스 초합금의 단점은 차세대 가스 터빈 및 제트 엔진을 위한 기계적 특성과 내산화성의 원하는 조합을 제공하도록 설계된 신규한 화학적 성질을 갖는 코발트 베이스 초합금에 의해 상당 수준 해결된다. 본 발명에 따르면, 중량 퍼센트로 하기의 넓은 조성 및 바람직한 조성을 갖는 석출 경화성의 코발트 베이스 초합금이 제공된다:
합금 조성물의 나머지는 코발트 및 동일하거나 유사한 서비스 또는 사용을 목적으로 하는 석출 경화성 초합금에서 발견되는 일반적인 불순물이다.
고용화 처리되고 시효 경화된 상태에서, 본 발명에 따른 합금은 650∼815℃(1200∼1500℉)의 온도에서 약 700∼1380 MPa(100∼200 ksi)의 항복 강도를 제공하도록 설계된다. 이 합금은 또한 합금이 약 700∼1050℃(1300∼1920℉)의 온도에서 1000 시간 이상 노출될 때 γ' 강화 석출물의 안정성을 보장하도록 설계된다.
상기 표는 편의상의 요약으로서 제공된 것이므로, 서로 조합하여 사용하기 위한 본 발명의 합금의 개별 원소들의 범위의 하한값과 상한값을 제한하거나, 단독으로 서로 조합하여 사용하기 위한 원소들의 범위를 제한하는 것으로 의도하지 않는다. 따라서, 넓은 조성의 원소 범위 중 하나 이상을 바람직한 조성의 나머지 원소들에 대한 다른 범위 중 하나 이상과 함께 사용할 수 있다. 또한, 넓은 범위의 원소에 대한 최소값 또는 최대값이 바람직한 범위로부터의 그 원소에 대한 최대값 또는 최소값과 함께 사용될 수 있다.
본 출원의 명세서 및 청구범위 전반에 있어서, 달리 나타내지 않는 한, 용어 "퍼센트" 및 기호 "%"는 중량 퍼센트 또는 질량 퍼센트를 의미한다. 또한, 기호 γ는 기지 재료를 나타내고, γ' 및 γ"은 고용화 열처리 단계 및 시효 경화 단계를 포함하는 2단계 열처리 후 합금 중에 존재하는 금속간 석출물을 나타낸다.
전술한 요약뿐만 아니라 하기의 상세한 설명은 도면과 함께 읽을 때 더 잘 이해될 것이다.
도 1a는 100 시간 동안 704℃(1300℉)의 온도에 노출된 후 1000× 배율에서의 본 발명에 따른 합금의 샘플의 광학 현미경 사진이다.
도 1b는 100 시간 동안 760℃(1400℉)의 온도에 노출된 후 1000× 배율에서의 합금의 제2 샘플의 광학 현미경 사진이다.
도 1c는 100 시간 동안 815.5℃(1500℉)의 온도에 노출된 후 1000× 배율에서의 합금의 제3 샘플의 광학 현미경 사진이다.
도 2는 열기계적 처리 후 500× 배율에서의 본 발명의 합금의 샘플의 광학 현미경 사진이다.
도 3은 50677× 배율에서의 합금 샘플로부터의 재료의 FEG-SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 합금 샘플 및 Waspaloy 샘플에 대한 온도의 함수로서의 항복 강도의 그래프를 도시한다.
도 5a는 시효처리 상태 및 1000 시간 동안 704℃(1300℉)의 온도에 노출된 후의 합금 샘플에 대한 항복 강도의 막대 그래프이다.
도 5b는 시효처리 상태 및 1000 시간 동안 815.5℃(1500℉)의 온도에 노출된 후의 합금의 제2 샘플에 대한 항복 강도의 막대 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 합금의 샘플로부터 Ni, Co, O, Al, Cr, Ti 및 W에 대한 BS 이미지 및 EDS 맵을 도시한다.
도 7은 본 발명의 합금의 샘플 및 Waspaloy 샘플에 대한 1000℃에서의 시간의 함수로서의 산화 속도(비중량 변화)의 그래프를 도시한다.
도 8은 THERMO-CALC® 합금 모델링 소프트웨어를 이용하여 작성된 본 발명에 따른 합금의 합금 상 다이어그램이다.
도 1a는 100 시간 동안 704℃(1300℉)의 온도에 노출된 후 1000× 배율에서의 본 발명에 따른 합금의 샘플의 광학 현미경 사진이다.
도 1b는 100 시간 동안 760℃(1400℉)의 온도에 노출된 후 1000× 배율에서의 합금의 제2 샘플의 광학 현미경 사진이다.
도 1c는 100 시간 동안 815.5℃(1500℉)의 온도에 노출된 후 1000× 배율에서의 합금의 제3 샘플의 광학 현미경 사진이다.
도 2는 열기계적 처리 후 500× 배율에서의 본 발명의 합금의 샘플의 광학 현미경 사진이다.
도 3은 50677× 배율에서의 합금 샘플로부터의 재료의 FEG-SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 합금 샘플 및 Waspaloy 샘플에 대한 온도의 함수로서의 항복 강도의 그래프를 도시한다.
도 5a는 시효처리 상태 및 1000 시간 동안 704℃(1300℉)의 온도에 노출된 후의 합금 샘플에 대한 항복 강도의 막대 그래프이다.
도 5b는 시효처리 상태 및 1000 시간 동안 815.5℃(1500℉)의 온도에 노출된 후의 합금의 제2 샘플에 대한 항복 강도의 막대 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 합금의 샘플로부터 Ni, Co, O, Al, Cr, Ti 및 W에 대한 BS 이미지 및 EDS 맵을 도시한다.
도 7은 본 발명의 합금의 샘플 및 Waspaloy 샘플에 대한 1000℃에서의 시간의 함수로서의 산화 속도(비중량 변화)의 그래프를 도시한다.
도 8은 THERMO-CALC® 합금 모델링 소프트웨어를 이용하여 작성된 본 발명에 따른 합금의 합금 상 다이어그램이다.
이 합금에는 약 0.01% 이상, 바람직하게는 약 0.02% 이상의 탄소가 존재한다. 탄소는 다른 원소들과 결합하여 탄화물을 형성함으로써 고온에서 합금에 의해 제공되는 고강도 및 우수한 내크리프성에 기여한다. 이 합금 중에 존재하는 유익한 탄화물 중에는 MC, M23C6, M6C, 및 M7C3 탄화물이 있으며, 여기서 M은 원소 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 티탄, 탄탈 및 하프늄 중 하나 이상이다. 탄소가 너무 많으면 강도에 추가적인 이익을 제공하지 못하며 이 합금이 제공하는 고온 내산화성에 악영향을 미친다. 따라서, 이 합금에서 탄소는 약 0.15% 이하, 바람직하게는 약 0.10% 이하로 제한된다.
이 합금은 약 3.00% 이상의 텅스텐 및 약 3.00% 이상의 알루미늄을 함유한다. 텅스텐 및 알루미늄은 이 합금에서 코발트와 결합하여 고용화 열처리 및 시효 경화 열처리 후에 코발트 베이스 γ' 석출물(Co3(Al, W))을 형성한다. 3원 Co-Al-W 합금 시스템에서의 코발트 베이스 γ' 상은 매우 오랜 시간 동안 약 900℃(1650℉)의 온도에 노출될 때 γ, B2 및 D019 상으로 분해되기 때문에 준안정성이다. 코발트 베이스 γ' 상을 안정화시키기 위해, 하기에 추가로 기재된 바와 같이 제어된 양의 니켈 및 티탄이 합금에 포함된다. Co-Al-W-Ni-Ti 시스템에서의 코발트 베이스 γ'의 솔버스 온도는 약 1050℃(1922℉)보다 클 것으로 예상된다. 차세대 가스 터빈 및 제트 엔진의 예상 작동 온도에서 이 합금 중에 상당량의 γ' 상을 유지하면, 합금에 의해 제공되는 강도 및 내크리프성이 상당히 유지될 것이다. 알루미늄은 또한 이 합금에 의해 제공되는 우수한 고온 내산화성 및 내식성에 기여한다. 이와 관련하여, 알루미늄은 가용 산소와 결합하여 합금으로 만들어진 제품의 표면 상에 Al2O3 산화물 층을 형성하는데, 이는 연속 층으로서 형성될 때 합금을 추가 산화로부터 보호한다. Al2O3 층은 산소가 쉽게 침투할 수 있는 개구부 또는 불연속성이 실질적으로 없을 때 연속적이다. 이 특허에서 청구된 합금의 화학 균형은 800℃(1472℉) 초과의 온도에서 연속적인 Al2O3 층의 형성을 촉진한다. 너무 많은 알루미늄 및/또는 텅스텐은 B2 및 D019와 같은 바람직하지 않은 상의 석출을 촉진시킨다. 따라서, 알루미늄은 본 발명의 합금에서 약 7.00% 이하, 바람직하게는 약 5.00% 이하로 제한된다. 텅스텐은 이 합금에서 약 15.00% 이하, 바람직하게는 약 12.00% 이하로 제한된다.
티탄은 이 합금에서 형성되는 코발트 베이스 γ' 강화 석출물에서 알루미늄의 일부를 대체하여, 가스 터빈 및 제트 엔진의 작동 중에 겪게 되는 고온에서 안정한 γ' 석출물을 제공하는 화학 조성의 범위를 증가시킨다. 티탄은 또한 γ' 강화 석출물의 솔버스 온도를 증가시킴으로써 합금에 의해 제공되는 강도를 향상시킨다. 따라서, 합금은 약 0.50% 이상, 바람직하게는 약 0.60% 이상의 티탄을 함유한다. 티탄이 너무 많으면, 예를 들어 B2와 같은 바람직하지 않은 2차 상이 형성된다. 이러한 이유로, 합금은 약 4.00% 이하의 티탄, 바람직하게는 2.00% 이하의 티탄을 함유한다.
탄탈은 티탄과 동일한 이점을 제공하기 때문에 이 합금에 최대 약 6.00%의 탄탈이 존재할 수 있다. 탄탈은 또한 이 합금에 의해 제공되는 고용체 강도에 기여한다. 바람직하게는, 합금은 적어도 약 0.50%를 함유하고, 더 바람직하게는 적어도 약 2.00%의 탄탈을 함유한다. 티탄과 마찬가지로, 탄탈이 너무 많으면 Mu(μ) 상 및 라베스 상(Laves phase)과 같은 바람직하지 않은 2차 상이 형성될 수 있다. 따라서, 이 합금 중의 탄탈의 양은 약 6.00% 이하, 바람직하게는 약 5.00% 이하로 제한된다.
이 합금에는 약 6.00% 이상, 더 좋게는 약 7.00% 이상, 바람직하게는 약 8.00% 이상의 크롬이 존재하여, 가스 터빈 및 제트 엔진에서 발생하는 고온에서의 합금의 내산화성 및 내식성(전체적 내식성 및 국부적 내식성 포함)을 향상시킨다. 8% 이상의 양으로 존재하는 경우, 크롬은 산소 게터로서 작용하여, Al2O3의 보다 내부적이고 보호적인 연속적 부착성 층의 형성에 기여하는 보호성의 조밀한 Cr2O3 상의 형성을 촉진한다. 크롬이 너무 많으면, μ 및 B2와 같은 바람직하지 않은 2차 상이 형성될 수 있다. μ 상은 이 합금에서 입간 및 입내 석출될 수 있는 바람직하지 않은 TCP 상으로 간주된다. 10% 초과의 크롬을 함유한 아래에 기술된 실시예 중 하나는 상당한 양의 이러한 석출물을 보여주었다(도 1 참조). μ 상은 또한 장기간 노출 동안 이 합금의 고온 기계적 특성에 악영향을 미친다. μ 상은 또한 본 발명에 따른 합금에 의해 제공되는 내식성 및 내산화성에 악영향을 미친다.
또한, 크롬의 양이 약 9.8%를 초과할 경우, γ'의 솔버스 온도가 감소되는 것으로 관찰되었다. 이 효과는 1000℃(1832℉) 초과의 온도에서 이 합금의 강화 능력을 저하시킨다. 전술한 모든 이유로, 크롬은 이 합금에서 약 15.00% 이하 또는 12.00% 이하, 바람직하게는 약 9.8% 이하, 예를 들어 9.5% 또는 9.0% 이하로 제한된다.
니켈은 가용 알루미늄 및 티탄과 결합하여 합금의 열처리 동안 니켈 베이스 γ' 강화 상을 형성한다. 니켈은 또한 코발트 베이스 γ' 상을 안정화시키고 γ/γ' 부정합을 보다 유리한 범위로 조정한다. γ/γ' 부정합은 당업자에게 공지된 파라미터이며 다음의 관계에 의해 정의된다: ((석출물의 격자 파라미터 - 합금 기지의 격자 파라미터) ÷ (합금 기지의 격자 파라미터)) × 100%. γ 기지 재료와 γ' 석출물 사이의 응집성 계면은 안정한 미세구조를 얻기 위해 필요하며, γ/γ' 부정합 파라미터의 절댓값이 가능한 한 작을 때 생성된다. 전술한 이유로, 본 발명의 합금은 약 30.00% 이상, 바람직하게는 약 34.00% 이상의 니켈을 함유한다. 니켈 첨가는 합금 밸런스에서 코발트의 양을 감소시키기 때문에, 너무 많은 니켈은 이 합금의 주요 합금 원소로서 코발트를 갖는 이점을 감소시킬 것이다. 따라서, 합금은 약 45.00% 이하, 바람직하게는 약 41.00% 이하의 니켈을 함유한다.
합금은 합금의 고온 내식성을 향상시키는 약 1.50% 이하의 지르코늄을 함유 할 수 있다. 원하는 이점을 얻기 위해, 합금에 약 0.02% 이상의 지르코늄이 존재한다. 바람직하게는, 합금은 약 1.00% 이하의 지르코늄을 함유한다. 본 발명의 합금은 또한 약 0.20% 이하의 붕소를 함유할 수 있으며, 이는 합금에 의해 제공되는 결정립계 강도 및 내산화성에 기여한다. 이러한 목적으로 약 0.02% 이상의 붕소가 존재한다. 바람직하게는, 합금은 약 0.10% 이하의 붕소를 함유한다. 합금은 임의로 약 2.50% 이하의 니오븀을 함유할 수 있으며, 이는 고용체 강화에 의해, 그리고 니켈과 결합하여 γ" 강화 상을 형성하는 것에 의해 합금에 의해 제공되는 고온 강도에 기여한다. 그러나, 니오븀이 너무 많으면, μ 상 및 라베스 상과 같은 바람직하지 않은 2차 상이 형성될 수 있다. 따라서, 합금은 약 2.00% 이하의 니오븀을 함유하는 것이 바람직하다.
하프늄은 강력한 MC형 탄화물 형성제이다. 존재하는 경우, 이것은 미세한 HfC를 형성하고, 이는 텅스텐과 티탄이 MC 탄화물을 형성하는 것을 방지하고 이러한 원소들이 주요 강화 상 감마 프라임에 이용될 수 있게 한다. 소량의 하프늄은 또한 톱니모양(구불구불한) 결정립계의 형성을 촉진하여, 합금에 의해 제공되는 응력 파열 및 드웰 피로 수명 특성을 향상시킨다. 소량이지만 유효량의 Hf는 이 합금에서 고온 부식 및 황화 내성을 증가시킨다. 하프늄이 너무 많으면, 솔리더스(solidus) 온도가 현저히 낮아져, 합금이 열간 가공될 때 초기 용해이 일어날 수 있음이 밝혀졌다. 따라서, 합금은 약 1.50% 이하, 바람직하게는 약 0.50% 이하의 하프늄을 함유한다.
또한, 합금의 밀도를 낮추기 위해 일부 텅스텐 대신에 약 2.50% 이하의 몰리브덴이 이 합금에 존재할 수 있다. 몰리브덴은 또한 합금에 의해 제공되는 내크리프성에 유익하다. 그러나, 바람직하게는, 합금은, μ 및 D019와 같은 원하지 않는 상의 형성을 피하기 위해, 약 2.00% 이하의 몰리브덴을 함유한다. 이 합금은 합금의 고온 산화 동안 보호 표면층의 형성을 촉진하기 위해 약 1.50% 이하의 규소를 추가로 함유할 수 있다. 규소가 너무 많으면 산화 방지층이 파열될 수 있다. 따라서, 합금은 바람직하게는 약 1.00% 이하의 규소를 함유한다.
합금의 나머지(밸런스)는, 유사한 서비스를 목적으로 하는 상업용 등급의 초합금에서 발견되는 일반적인 불순물 및 코발트이다. 바람직하게는, 합금은 약 35.00∼43.00%의 코발트를 함유한다.
전술한 원소 및 그 중량 퍼센트 범위는 특성들의 신규한 조합을 제공하도록 선택된다. 앞서 언급한 바와 같이, 합금은 가스 터빈 및 제트 엔진에서 현재 사용되는 것보다 높은 작동 온도에서 사용될 때 합금이 높은 강도 및 우수한 내크리프성을 제공할 수 있도록 약 1050℃(1922℉)보다 높은 γ' 솔버스 온도를 제공하도록 설계된다. 합금 조성은 또한 D019, B2, μ 및 라베스 상과 같은 바람직하지 않은 2차 상이 γ' 강화 상보다 현저히 더 낮은 온도에서 용해되도록 선택된다. 고온에서 고강도를 실현하기 위해, 합금은 고용화 처리되고 시효 경화된 상태에서 약 45 부피% 초과의 γ' 강화 상을 제공하도록 설계된다. 합금 조성은 또한 약 110℃(200℉)보다 큰 열간 가공성 창을 제공하도록 설계된다. 열간 가공성 창은 γ' 솔버스 온도와 솔리더스 온도 사이의 차이로서 정의된다. 이것은 합금을 쉽게 열간 가공할 수 있는 온도 범위를 나타낸다.
본 발명의 합금을 제조하기 위해 특별한 용해 기술이 필요하지는 않다. 바람직하게는, 합금은 진공 유도 용해(vacuum induction melting; VIM)에 의해 용해되고, 일렉트로슬래그 재용해(electroslag remelting; ESR) 및/또는 진공 아크 재용해(vacuum arc remelting; VAR)와 같은 용극 재용해에 의해 정련된다. 중요한 응용 분야에는, VIM + ESR + VAR을 포함하는 3중 용해 공정이 이용될 수 있다. 재용해된 잉곳은 전형적으로 중간 형상 및 크기로 열간 가공된다. 고온에서의 장기 안정성뿐만 아니라 최적의 기계적 특성을 얻기 위해, 이 합금을 바람직하게 열기계적으로 가공한다. 보다 구체적으로, 캐스트 잉곳을 잉곳 내에서의 합금 화학의 균질화를 제공하도록 선택된 온도에서 가열한다. 균질화 온도는 주로 합금 잉곳의 화학적 조성에 기초하여 선택되며, 바람직하게는 약 1120℃(2050℉) 이상이다. 각 단계에 대한 온도에서의 시간은 잉곳 크기를 기초로 선택된다.
균질화 사이클이 완료된 후, 재료를 바람직하게는 약 1205℃(2200℉) 이하의 온도에서 열간 가공한다. 후속 열간 성형 공정이 추가적인 변형을 위해 합금 재료에 적용될 수 있다. 가압, 단조, 열간 압연, 롤 성형 또는 유사한 열간 가공 기술 중 하나 이상을 포함할 수 있는 추가적인 열간 성형 단계를 γ' 솔버스 온도 또는 그 부근의 출발 온도로부터 수행한다. 추가적인 열간 성형 단계는 원하는 미세구조를 달성하기에 적절한 변형률로 충분한 양의 변형을 부여한다. 바람직하게는, 빌릿(billet) 재료의 열간 성형 온도는 약 1120℃(2050℉) 이하이다. 신규 화학과 열기계적 처리의 조합은 본 발명자들에 의해 6∼12의 ASTM 입도 번호를 갖는 세립 구조를 제공하는 것으로 확인되었다. 바람직하게는, 합금은 8보다 큰 입도 번호를 특징으로 한다. 합금은 또한 열기계적 가공 후에도 제한적인 수준으로 냉간 가공될 수 있다.
바, 빌릿, 스트립, 와이어 및 로드와 같은 합금의 제품 형태는 열처리되어 합금을 특징짓는 매우 높은 강도를 발현한다. 이와 관련하여, 합금은 871∼1260℃(1600∼2300℉)의 온도에서 0.1∼100 시간 동안 고용화 처리된 후, 482∼871℃(900∼1600℉)의 온도에서 0.1∼100 시간 동안 일단계 또는 다단계로 시효 경화된다. 고용화 처리 및 시효 경화 처리를 위한 온도, 시간 및 냉각 파라미터는 합금 재료의 단면 크기 및 합금의 의도된 용도에 필요한 강도, 응력 파열 및 내크리프성의 조합에 따라 달라질 것이다.
본 발명의 합금에 의해 제공되는 기계적 특성은 650℃(1200℉)보다 높은 온도에서 Waspaloy, INCONEL® 718 등과 같은 공지된 Ni 베이스의 초합금에 의해 제공되는 전형적인 특성을 능가한다. 이러한 온도에서의 기계적 특성의 뛰어난 조합은 본 발명의 합금을 차세대 가스 터빈 및 제트 엔진에 사용하기에 적합하게 한다.
강화 마이크로성분, 주로 γ'의 우수한 안정성은, 815℃(1500℉) 이상의 온도에서 1000 시간 이상 노출 후의 안정된 기계적 특성에 반영된다. 본 발명의 합금의 이러한 특별한 특징은 합금으로 제조된 부품 및 구성요소의 수명을 연장시킨다. 또한, 본 발명의 고온 내산화성은 공지된 상업적 Ni 베이스 초합금보다 우수하다. 1472℉(800℃), 1832℉(1000℃) 및 2012F(1100℃)에서 600 시간의 주기적 테스트 후, 본 발명에 따른 합금은 더 우수한 내산화성을 제공하여, 질량 손실을 줄이고, 이로써 고온 서비스 수명을 연장시킨다.
실시예
본 발명의 합금에 의해 제공되는 신규하고 유익한 특성의 조합을 입증하기 위해, 여섯개(6)의 40-lb 히트선을 진공 용해시켰다. 히트선의 중량 퍼센트 화학 조성은 하기 표에 제시된다.
실시예의 잉곳을 24 시간 동안 균질화하고, 그 후 1.0 인치 정사각형 바로 열간 단조하였다. 인장 테스트를 위한 표준 시편을 상기 바로부터 컷팅한 블랭크로부터 가공하였다. 각 실시예의 인장 시편을 2000℉에서 1 시간 동안 고용화 열처리하고, 오일로 켄칭한 다음, 테스트를 수행하기 전에 1450℉에서 24 시간 동안 시효처리하였다.
실시예 EX-3121
EX-3121로부터의 재료의 금속조직 검사 시편을 바 재료로부터 준비하고 열간 가공 후 열처리된 상태에서 재료의 미세구조를 결정하기 위해 검사하였다. 도 2는 EX-3121로부터의 재료의 세립 구조(ASTM 입도 번호 11)를 도시한다.
실시예 EX-3015 및 EX-3031
미세구조의 분석을 위해 실시예 EX-3015의 바로부터 재료의 시편을 얻었다. 도 3은 시효처리 상태의 실시예 EX-3015로부터의 재료의 미세구조의 전계방출 전자총 - 주사 전자 현미경(FEG-SEM) 이미지이다. 도 3으로부터, 재료는 기지 재료 내에 균일하게 분산된 상당량의 서브마이크론 크기의 γ' 입자를 갖는 γ 상의 기지로 이루어진 미세구조를 가짐을 알 수 있다.
실시예 EX-3015, EX-3031 및 EX-3121의 샘플의 인장 테스트는 24℃(76℉), 593℃(1100℉), 704℃(1300℉), 760℃(1400℉), 815℃(1500℉) 및 870℃(1600℉)에서 수행하였다. 각 테스트 온도에서의 실시예 EX-3015, EX-3031 및 EX-3121에 의해 제공된 항복 강도의 그래프가 도 4에 제시되어 있다. 비교를 위해, 유사하게 제조된 Waspaloy 합금 샘플의 항복 강도의 그래프가 또한 도시되어 있다. 실시예 EX-3015, EX-3031 및 EX-3121의 항복 강도는, 특히 600℃(1112℉) 초과의 온도에서, Waspaloy 재료의 항복 강도보다 현저히 크다는 것을 도 4로부터 쉽게 알 수 있다.
EX-3015의 샘플은 유사하게 제조된 Waspaloy의 샘플과 비교하여 그 산화 속도가 테스트되었다. 도 7은 실시예 EX-3015로부터의 샘플 재료 및 Waspaloy의 샘플의 산화 속도를 보여준다.
실시예 EX-3033
EX-3033의 시효처리된 테스트 샘플은 704℃(1300℉) 및 815℃(1500℉)에서 인장 테스트가 수행되었고, 제1 온도에서 791 MPa(114.7 ksi)의 항복 강도 및 제2 온도에서 720.5 MPa(104.5 ksi)의 항복 강도를 제공하였다. 또한, 일련의 테스트 쿠폰을 1300℉(704℃)에서 작동하는 퍼니스에 넣고 등온 조건으로 1000 시간 동안 유지시켰다. 제2 세트의 테스트 쿠폰을 1500℉(815℃)에서 작동하는 퍼니스에 넣고 등온 조건으로 1000 시간 동안 유지시켰다. 기재된 온도에 1000 시간 노출시킨 후, 테스트 쿠폰으로부터 인장 샘플을 가공하고, 이들이 노출된 것과 동일한 온도에서, 공칭 1300℉ 및 1500℉에서 인장 테스트를 수행하였다. 1300℉로 테스트된 샘플은 789.5 MPa(114.5 ksi)의 항복 강도를 제공하였고, 샘플을 1500℉, 738 MPa(107.0 ksi)에서 테스트하였다. 이러한 결과는 본 발명에 따른 합금이 고온에서 장기간 노출되는 동안 매우 안정하다는 것을 보여주며, 이는 사용 시 매우 신뢰할 수 있는 성능을 보장한다. 고온 인장 테스트의 결과는 도 5a 및 5b에 그래프로 제시되어 있다.
실시예 EX-2969
실시예 EX-2969는 고온 내산화성을 테스트하였다. 0.5"(12.65 mm) 높이 및 0.5"(12.65 mm) 직경의 원통형 샘플을 1.0 인치 바로부터 제조하고, 400 그릿 연마제로 표면 마무리하였다. 열 처리된 상태 그대로의 추가 샘플을 또한 상업적으로 이용 가능한 Waspaloy로부터 제조하였다. 모든 샘플을 개방된 도가니에 넣은 후, 600℃, 800℃, 1000℃ 및 1100℃에서 총 600 시간 동안 주기적 산화에 노출시켰다. 각각의 50 시간 주기 후에, 파쇄 물질의 손실을 방지하기 위해 샘플에 세라믹 뚜껑을 덮어 냉각되도록 하였다. 주기적 노출 후, 모든 샘플은 베이스 금속 및 그 아래의 다른 금속 산화물에 부착된 연속적인 Al2O3 층을 나타내었다. 커런덤 구조를 갖는 Al2O3는 금속으로의 산소 이온의 추가 확산에 대한 보호 장벽을 제공하여, 고온에서 금속의 산화 속도를 감소시키는 것으로 알려져 있다. 커런덤 구조를 갖는 다른 산화물인 Cr2O3의 보호 작용은, 이 온도에서 산소의 존재하에 Cr2O3가 반응하여 보호성이 적고 더 휘발성인 CrO3를 제공할 수 있기 때문에 1800℉ 초과에서 멈춘다.
연속적인 보호 산화알루미늄 층은 모든 Al 함유 합금에서 자발적으로 형성되지는 않는다. 따라서, 산소 음이온의 이동성을 제어하고 연속 층이 형성되도록 하기 위해 구성 원소들의 균형을 맞출 필요가 있다. 그렇지 않으면, 결정립계를 추가 산화에 노출시키는 불연속 산화알루미늄 층이 형성된다. 도 6은, 베이스 합금 및 다른 산화물(예를 들어, Cr-산화물, Ti-산화물 및 W-산화물)에 부착된 산화알루미늄의 연속 층의 존재를 보여주는 실시예 EX-2969로부터의 재료의 EDS 맵을 도시한다.
실시예 EX-3078
실시예 EX-3078은, 8.5%∼8.98% 범위인 다른 실시예와 비교하여 더 높은 Cr(13.82%)을 갖는다. 실시예 EX-3078에서의 더 많은 양의 Cr은 THERMO-CALC® 소프트웨어에 의해 예측되고 도 8에 도시된 바와 같이 열처리 온도 범위 내에서 바람직하지 않은 μ 상을 안정화시키는 것으로 밝혀졌다. 도 8은 본 발명에 따른 합금의 바람직한 화학 조성에서의 Cr의 최대 용해도가 약 9.8%이고 940℃의 온도에서 발생한다는 것을 보여준다. 이 합금에서 감마 프라임 상을 석출시키기 위한 시효 열처리는 850℃ 미만의 온도에서 수행되며, 이것은 μ 상의 석출을 유도한다. 이 발견은, 도 1a∼1c에 도시된 바와 같은 광학 현미경으로 확인되었으며, 이는 704℃(1300℉)(도 1a), 760℃(1400℉) 및 815.5℃(1500℉)(도 1c)의 온도에 노출된 후 합금 기지 및 결정립계에서의 μ 상의 실질적인 석출을 보여준다. 이러한 발견의 결과, 합금은 9% 미만의 크롬을 함유하는 것이 바람직하다.
전술한 내용을 고려할 때, 본 발명에 따른 코발트-니켈 베이스 초합금은 가스 터빈 및 제트 엔진의 현재 알려진 작동 온도보다 더 높은 온도에서 우수한 강도 및 연성을 포함한 특성들의 새로운 조합을 제공함을 알 수 있다. 또한, 합금의 미세구조는, 그러한 온도(예를 들어, 1500℉에서)에 장기간 노출될 때 합금에 의해 제공되는 강도 및 연성을 열화시키지 않도록 그러한 온도에서 안정적이다. 이와 관련하여, 합금의 조성은 μ 상과 같은 바람직하지 않은 TCP 상의 형성을 억제하도록 균형을 이룬다. 본 발명에 따른 합금은 또한 그 표면 상에 Al2O3 및 Cr2O3를 함유하는 연속적인 보호층을 형성하기 때문에 그러한 온도에서 우수한 내산화성을 제공한다. 또한, 합금을 세립 미세구조를 제공하도록 열기계적으로 처리하여, 이 합금을 특징짓는 강도와 연성의 원하는 조합을 달성할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 및 표현은 설명의 용어로 사용되며, 제한적인 것이 아니다. 제시되고 기술된 특징들의 임의의 등가물 또는 그 일부를 배제하는 그러한 용어 및 표현의 사용에 대한 의도는 없다. 본원에 기술되고 청구된 발명 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것이 인식되어야 한다.
Claims (16)
- 중량 퍼센트로 하기를 포함하는, 석출 경화성의 코발트-니켈 베이스 초합금:
나머지는 코발트 및 일반적인 불순물임. - 제1항에 있어서, 약 0.50% 이상의 탄탈을 포함하는 합금.
- 제1항에 있어서, 약 9.8% 이하의 크롬을 포함하는 합금.
- 제3항에 있어서, 약 7.00% 이상의 크롬을 포함하는 합금.
- 제1항에 있어서, 약 34.00% 이상의 니켈을 포함하는 합금.
- 제1항에 있어서, 약 12.00% 이하의 텅스텐을 포함하는 합금.
- 중량 퍼센트로 하기를 포함하는, 석출 경화성의 코발트-니켈 베이스 초합금:
나머지는 코발트 및 일반적인 불순물임. - 제6항에 있어서, 약 9.8% 이하의 크롬을 포함하는 합금.
- 제8항에 있어서, 약 7.00% 이상의 크롬을 포함하는 합금.
- 제7항에 있어서, 약 34.00% 이상의 니켈을 포함하는 합금.
- 제7항에 있어서, 약 12.00% 이하의 텅스텐을 포함하는 합금.
- 중량 퍼센트로 하기로 실질적으로 이루어지는, 석출 경화성의 코발트-니켈 베이스 초합금:
나머지는 코발트 및 일반적인 불순물임. - 중량 퍼센트로 하기로 실질적으로 이루어지는, 석출 경화성의 코발트-니켈 베이스 초합금:
나머지는 코발트 및 일반적인 불순물임. - 제1항에 기재된 합금으로부터 제조된 물품으로서, 상기 합금이 ASTM 입도 번호가 약 6 이하인 입도를 갖는 것인 물품.
- 제14항에 있어서, 상기 합금이 ASTM 입도 번호가 약 8 이하인 입도를 갖는 것인 물품.
- 제1항에 기재된 합금으로부터 제조된 물품으로서, Al2O3 및 Cr2O3를 포함하는 연속적인 보호 표면층을 갖는 물품.
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