KR20210114478A

KR20210114478A - 부가적 제조를 위한 Ni-계 초내열합금 분말 및 그로부터 이루어지는 물품

Info

Publication number: KR20210114478A
Application number: KR1020217025666A
Authority: KR
Inventors: 닝 조우; 카일 비. 스트리트; 타오 왕; 스테판 에이.제이. 포르식; 기안 에이. 콜롬보; 사무엘 제이. 커니온; 마리오 이. 에플러; 오스틴 디커스
Original assignee: 씨알에스 홀딩즈 인코포레이티드
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2021-09-23
Also published as: EP3914453A1; WO2020154494A1; US20220349032A1; US20210180158A1; KR102534546B1

Abstract

부가적 제조 적용들을 위한 니켈-계 초내열합금 분말이, 개시된다. 합금 분말은, 뒤따르는 넓은 중량 퍼센트 조성을 갖는다: C 0-0.1, Mn 0.5 최대, Si 0-0.03, Cr 4-16, Fe 0-1.5, Mo 0-6, W 0-8, Co 0-15, Ti 0-2, Al 0.5-5.5, Nb 0-6, Ta 7.5-14.5, Hf 0-2.0, Zr 0-0.1, Re 0-6, Ru 0-3, B 0-0.03. 합금의 나머지는, 적어도 니켈 및 일반적인 불순물들이다. 합금으로 이루어지는 제조 물품이, 또한 개시된다.

Description

부가적 제조를 위한 Ni-계 초내열합금 분말 및 그로부터 이루어지는 물품

본 발명은, 개괄적으로, Ni-계 초내열합금에 관한 것으로, 특히, 그로부터 물품을 제조하기 위한 부가적 제조 프로세스에서 유용한, Ni-계 초내열합금 분말에 관한 것이다.

부가적 제조 기술들의 발전과 더불어, 터보 기계류(고온 가스 터빈들 및 제트 엔진들)의 제조업체들은, 가스 터빈들 및 제트 엔진들의 뜨거운 가스 경로에서의 사용을 위한 복잡한 특징부들을 갖는 부품들을 직접적으로 생성하기 위해, 부가적 제조 프로세스에 의해 제공되는 설계 유연성을 활용하는 방법을 찾고 있다. 선택적 레이저 용융을 사용하는 분말 베드 융합 기술(powder bed fusion technique)이, 가장 유망한 부가적 제조 기술들 중 하나이다. 공지된 전자빔 분말 베드 프로세스와 비교하여, 분말 베드를 동반하는 선택적 레이저 용융은, 사전 소결을 요구하지 않는다. 결과적으로, 설계자들은, 인쇄 이후에 부품의 중공부 내부에 포획된 소결된 분말을 제거하는 것에 대해 걱정하지 않고, 부품들에 복잡한 내부 특징부들을 통합할 수 있다. 레이저 시스템들이 또한, 복잡한 특징부들을 인쇄하기 위한 더욱 미세한 해상도를 제공한다.

레이저 용융 시스템의 단점은, 응고 도중에 부품 내에서 발생하는, 큰 온도 구배이다. 매우 큰 온도 구배는, 특히, CM247LC 및 Rene142와 같은 우수한 강도 및 크리프 저항성을 제공하는, 감마 프라임(γ') 상의 높은 체적 분율을 갖는 초내열합금들에 대한, 합금의 균열로 이어진다. 선택적 레이저 용융 프로세스에 대해, 균열은, 구축 도중 또는 구축 후 열처리 도중에 발생한다. 균열 문제점을 완화시키기 위한, 노력들이, 초내열합금 연구 커뮤니티에 의해, 이루어진 바 있지만, 주로 전력 및 스캐닝 속도와 같은 레이저 파라미터들을 조절하는 데 중점을 두었다. US 20180347014 A1에 설명된 바와 같은, 공지의 초내열합금의 화학적 성분들을 수정하려는 시도는, 공지된 그리고 용인된 합금 화학적 성분 사양으로부터 벗어나는 것에 대한 꺼림 때문에, 거의 없었다.

이상에 논의된 바와 같은 공지된 초내열합금들과 연관된 문제점들은, 뒤따르는 넓은 그리고 중간적 중량 퍼센트 범위들을 갖는, 합금 분말에 의해 상당 부분 해결된다.

합금의 나머지는, 적어도 약 50%의 니켈 및, 동일한 용도 및 서비스를 위해 의도되는 Ni-계 초내열합금들의 상업용 등급들에서 발견되는, 일반적인 불순물들이다. 합금은, 추가로, 합금의 구성 원소들 사이의 뒤따르는 관련성들에 의해 특징지어진다:

%Al + % Ti ≤ 6;

%W + %Mo + %Ru + % Re < 10; 및

%C + %B + %Si + %Zr < 0.15.

본 발명의 다른 양태에 따르면, Ni-계 초내열합금 분말은, 뒤따르는 바람직한 합금 중량 퍼센트 조성들 중의 임의의 것과 함께 실시될 수 있을 것이다.

%Al + % Ti ≤ 6;

%W + %Mo + %Ru + % Re < 10; 및

%C + %B + %Si + %Zr < 0.1.

상기한 표는, 편리한 개요로서 제공되며 그리고 서로의 조합으로의 사용을 위한 개별적인 원소들의 범위들의 하한 값 및 상한 값을 제한하거나 또는, 오로지 서로의 조합으로의 사용을 위한 원소들의 범위들을 제한하도록 의도되지 않는다. 그에 따라, 하나 이상의 범위가, 나머지 원소들에 대한 하나 이상의 다른 범위와 함께 사용될 수 있다. 부가적으로, 하나의 범위의 원소에 대한 최소 또는 최대가, 다른 범위의 동일한 원소에 대한 최소 또는 최대와 함께 사용될 수 있으며, 그리고 그 반대도 마찬가지이다. 더불어, 본 발명에 따른 합금은, 이상에 그리고 본 출원 전체에 걸쳐 설명되는 구성 원소들을 포함하거나, 그러한 구성 원소들로 본질적으로 구성되거나, 또는 그러한 구성 원소들로 구성될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 합금은, 냉각 도중의 γ'의 석출과 연관되는 변형 스트레인 및 시효 열처리 도중 발생하는 내부 응력 축적과 같은 문제점들을 해소하도록 설계된다. 빠른 γ' 석출 동태 및 부가적 제조 프로세스에 고유한 잔류 응력과 조합되는 이러한 현상은, 공지의 합금들이 쉽게 스트레인-시효 균열 결함을 갖도록 한다. 본 발명의 목적은, 공지의 합금 화학적 성분을 수정하는 것, 그리고 그로 인해, 선택적 레이저 부가적 제조 프로세스를 위해 최적화되는 그리고 우수한 상승된 온도 강도 및 크리프 저항성을 위한 높은 γ' 체적 분율을 유지하는 가운데 스트레인-시효 균열 저항성인, 새로운 합금을 제공하기 위해, 격자 부적합(lattice misfit) 및 석출 동태(precipitation kinetics)를 조정하는 것이다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 이상에 설명된 합금들 중의 임의의 것으로 생성되는 통합된 분말로 이루어지는 물품이 제공된다. 물품은, 물품이 시효 경화된 상태일 때 감마(γ) 상 매트릭스에서 약 35 체적 퍼센트(체적%) 초과의 γ' 상을 갖는 것에 의해 특징지어진다. 물품은, 추가로, 격자 부적합 파라미터가,

와 같이 정의될 때, 약 -0.1% 보다 큰 그리고 바람직하게 약 -0.05% 내지 약 +0.6%인, 격자 부적합 파라미터(δ)에 의해 특징지어진다.

파라미터 α_γ _'는, γ' 석출물에 대한 격자 상수이며, 그리고 파라미터 α_γ는, γ 매트릭스 물질에 대한 격자 상수이다.

여기에서 그리고 본 명세서 전체에 걸쳐, 용어 "퍼센트" 또는 기호 "%"는, 달리 명시되지 않는 한, 중량 퍼센트 또는 질량 퍼센트를 의미한다. 용어 "높은 γ' 체적 분율"은, 시효 경화된 상태일 때 합금의 감마(γ) 상 매트릭스 내에서의, γ' 상의 적어도 체적 기준 35%(부피% 또는 체적%)를 의미한다. 용어 "높은 강도"는, 1500℉(816℃)를 넘는 온도에서 시험되는, 부가적 제조 프로세스로 생성된 합금 718에 의해 제공되는 것보다 더 높은, 항복 강도를 의미한다. 용어 "높은 크리프 저항성"은, 1500℉(816℃)를 넘는 온도에서 시험되는, 부가적 제조 프로세스로 생성된 합금 718에 의해 제공되는 것보다 더 높은, 크리프 강도를 의미한다. 용어 "시효"는, "시효 경화" 및 "석출 경화"와 동의어로 사용된다. 더불어, 용어 "솔버스(solvus)"는, 그러한 용어가 일반적으로 이해되는 바와 같이, 솔버스 온도를 의미합니다.

본 발명의 뒤따르는 상세한 설명에서 설명되는 가공 예들은, 도면들을 참조하여 읽을 때, 더욱 잘 이해될 것이다:
도 1a는 본 발명에 따른 합금의 예 1의 시효 처리된 샘플의 후방 산란 SEM 이미지이고;
도 1b는 본 발명에 따른 합금의 예 2의 시효 처리된 샘플의 후방 산란 SEM 이미지이며;
도 1c는 본 발명에 따른 합금의 예 3의 시효 처리된 샘플의 후방 산란 SEM 이미지이고;
도 1d는 CM247LC 합금의 시효 처리된 샘플의 후방 산란 SEM 이미지이며;
도 2는, 예 1 내지 예 3 그리고 CM247L 합금에 대한 부적합 파라미터의 실제 측정된 값들과 비교되는, 계산된 부적합 파라미터의 그래프를 도시하고;
도 3a는, 샘플의 표면에 있는 산화물 층을 보여주는, 1600℉(871℃)에서 1000시간 동안의 노출 이후의, 예 1의 샘플의 광학 현미경 이미지이며;
도 3b는, 샘플의 표면에 있는 산화물 층을 보여주는, 1600℉(871℃)에서 1000시간 동안의 노출 이후의, 예 2의 샘플의 광학 현미경 이미지이고;
도 3c는, 샘플의 표면에 있는 산화물 층을 보여주는, 1600℉(871℃)에서 1000시간 동안의 노출 이후의, 예 3의 샘플의 광학 현미경 이미지이며;
도 4a는, 금속의 레이저 용융 이후의 재응고된 용융 풀(resolidified melt pool)을 보여주는, 본 발명에 따른 합금의 예 1의 샘플의 광학 현미경 이미지이고;
도 4b는, 금속의 레이저 용융 이후의 재응고된 용융 풀을 보여주는, 본 발명에 따른 합금의 예 2의 샘플의 광학 현미경 이미지이며;
도 4c는, 금속의 레이저 용융 이후의 재응고된 용융 풀을 보여주는, 본 발명에 따른 합금의 예 3의 샘플의 광학 현미경 이미지이고;
도 4d는, 금속의 레이저 용융 이후의 재응고된 용융 풀을 보여주는, CM247LC 합금의 샘플의 광학 현미경 이미지이며;
도 5a는, 레이저 용융 및 시효 열처리 이후의, 본 발명에 따른 합금의 예 1의 샘플의 광학 현미경 이미지이고;
도 5b는, 레이저 용융 및 시효 열처리 이후의, 본 발명에 따른 합금의 예 2의 샘플의 광학 현미경 이미지이며;
도 5c는, 레이저 용융 및 시효 열처리 이후의, 본 발명에 따른 합금의 예 3의 샘플의 광학 현미경 이미지이고;
도 5d는, 레이저 용융 및 시효 열처리 이후의, CM247LC 합금의 샘플의 광학 현미경 이미지이며;
도 6a는, 다양한 레이저 출력 밀도들 및 다양한 해치 간격들(hatch spacings)에서 레이저 분말 베드 융합 시스템으로 준비되는, CM247LC 합금 분말의 구축물들로부터의 샘플들의 일련의 광학 현미경 이미지들이고;
도 6b는, 다양한 레이저 출력 밀도들 및 다양한 해치 간격들에서 레이저 분말 베드 융합 시스템으로 준비되는, 예 1로 이루어진 합금 분말의 구축물들로부터의 샘플들의 일련의 광학 현미경 이미지들이며;
도 6c는, 다양한 레이저 출력 밀도들 및 다양한 해치 간격들에서 레이저 분말 베드 융합 시스템으로 준비되는, 예 2로 이루어진 합금 분말의 구축물들로부터의 샘플들의 일련의 광학 현미경 이미지들이고;
도 7a는, 용체화 열처리 및 시효 열처리 이후의, 구축된 CM247LC 합금의 하나의 샘플의 광학 현미경 이미지이며;
도 7b는, 용체화 열처리 및 시효 열처리 이후의, 구축된 예 1의 합금의 하나의 샘플의 광학 현미경 이미지이고;
도 7c는, 용체화 열처리 및 시효 열처리 이후의, 구축된 예 2의 합금의 하나의 샘플의 광학 현미경 이미지이며;
도 8은, 실온으로부터 1800℉(982℃)의 범위 내의 온도의 함수로서, 예 4 및 예 5에 대한 인장 강도 및 항복 강도의 그래프들을 도시하고;
도 9는, 라슨-밀러 지수(Larson-Miller parameter)에 기초한, 예 4 및 예 5에 대한 응력 파열 생명을 나타내는 그래프들을 도시하며; 그리고
도 10은, 예 4 및 예 5에 대한 1800℉(982℃) 사이클별 산화 시험의 결과들의 그래프들을 도시한다.

본 발명의 합금은, 레이저 용융 이후의 냉각 도중에 그리고 통합된 형태에서의 합금의 후속 시효 도중에, γ' 상, Ni₃(Al, Ti)을 형성하기 위해, 이용 가능한 니켈과 결합하기 위해 적어도 약 0.5%의 그리고 바람직하게 적어도 약 3%의 알루미늄을 함유한다. 합금은, 합금의 용접성을 획득하도록 하기 위해, 약 5.5% 이하의 그리고 바람직하게 약 5% 이하의 알루미늄을 함유한다. 최대 약 2%의 티타늄이, 유사한 이유로, 알루미늄 중의 일부에 대해 대체될 수 있다. 바람직하게, 합금은, 약 1% 이하의 그리고 일부 적용에 대해 약 0.5%이하의, 티타늄을 함유한다. Ti 및 Al의 조합된 양은, 약 6% 초과하지 않아야 한다. 바람직하게, 합금은, 약 3% 내지 6% 그리고 더 양호하게 약 3.5% 내지 5%의, 조합된 알루미늄 및 티타늄(Al+Ti)을 함유할 수 있을 것이다.

이러한 합금은 또한, 적어도 약 7.5%의 탄탈룸을 함유한다. 그러나, 바람직한 실시예에서, 합금은, 적어도 약 8.5%의 탄탈룸을 함유할 수 있을 것이다. 탄탈룸은 또한, 레이저 용융 이후의 냉각 도중에 그리고 통합된 형태에서의 합금의 후속 시효 도중에, γ' 상을 형성하기 위해 니켈과 결합된다. 너무 많은 탄탈룸은, 에타 상 및 델타 상과 같은, 원치 않는 상들의 형성으로 이어질 수 있다. 따라서, 탄탈룸은, 10.5% 이하 그리고 바람직하게 약 9.5% 이하로 제한된다. 상이한 실시예에서, 합금은, 약 9.5% 내지 약 11.5%의 탄탈룸을 함유한다. 최대 약 6%의 니오븀 및 최대 약 2.0%의 하프늄이, 동일한 목적을 위해 탄탈룸의 일부를 대체하여, 이러한 합금 내에 존재할 수 있을 것이다. 탄탈룸, 그리고 존재할 때 니오븀 및 하프늄은, 충분한 체적의 γ' 상이 부가적으로 제조된 제품의 시효 열처리 도중에 형성되는 것을 보장한다.

합금은 선택적으로, 최대 약 6%의 몰리브덴, 최대 약 8%의 텅스텐, 최대 약 6%의 레늄, 및 최대 약 3%의 루테늄을 함유할 수 있을 것이다. 그러한 원소들은, 매트릭스 물질에 대해 분할되는 경향이 있으며 그리고 그들의 농도는, 격자 부적합 파라미터를 더욱 양의 값을 향해 이동시키도록 제어된다. 더욱 양의 격자 부적합 파라미터가, 그렇지 않은 경우 응고 및 후속 시효 열처리 도중에 합금 내에서 발생할 수 있는, 스트레인-시효 균열을 완화시키는 것으로 믿어진다. 존재할 때, 몰리브덴은 바람직하게, 약 5% 이하로 제한되고, 레늄은 약 5% 이하로 제한되며, 루테늄 약 1% 이하로 제한된다. 특정 적용을 위해, 몰리브덴은, 약 1.5% 이하로 제한되고, 텅스텐은 약 2% 이하로 제한되며, 그리고 레늄은 약 1% 이하로 제한된다. 본 합금 내에 존재할 때, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 및 루테늄의 조합된 양은, %Mo+%W+%Re+%Rh가, 12% 미만, 바람직하게 약 2% 내지 약 12%, 그리고 더 양호하게 약 3% 내지 약 10%이도록, 제어된다.

이러한 합금은, 최대 약 15%의 코발트 또는 최대 약 11%의 코발트를 함유할 수 있을 것이다. 코발트는, 결정 격자 내의 적층 결함 에너지를 낮추며, 그리고 합금에 의해 제공되는 크리프 저항 속성을 획득한다. 코발트는 또한, 합금에 의해 제공되는 내부식성에 기여한다. 그러한 목적을 향한, 합금의 바람직한 실시예가, 적어도 약 0.5%의 코발트를 함유한다. 제2 바람직한 실시예가, 적어도 약 4%의 코발트를 함유한다. 다른 실시예가, 적어도 약 9%의 코발트를 함유한다. 너무 많은 코발트는, 시그마 상(Co-Cr)과 같은 원치 않는 상들의 석출을 야기할 수 있다. 그에 따라, 합금은 바람직하게, 약 10% 이하의 코발트를 함유한다. 하나의 바람직한 실시예에서, 합금은, 약 6% 이하의 코발트를 함유한다. 다른 바람직한 실시예에서, 합금은, 약 2% 이하의 코발트를 함유한다. 다른 실시예에서, 합금은, 약 1% 이하의 코발트를 함유한다.

원소들, 탄소, 지르코늄, 및 붕소가, 이러한 합금 내에 존재할 수 있을 것이다. 그러나, 그러한 원소들은, 합금의 고상선 온도를 낮추는 경향이 있으며 그리고 합금 매트릭스의 결정립계들로 분리될 수 있다. 응고 시의 균열을 방지하거나 제한하기 위해, 좁은 응고 온도 범위가 좁은 것이 바람직합니다. 이러한 이유로, 본 합금 내에서, 탄소는, 약 0.1% 이하로 제한되고, 규소는 약 0.03% 이하로 제한되며, 지르코늄은 약 0.1% 이하로 제한되고, 그리고 붕소는 약 0.03% 이하로 제한된다. 본 발명의 합금에서, 원소들 C, Si, Zr, 및 B의 조합된 양은, 약 0.15% 이하 그리고 바람직하게 약 0.1% 이하이다.

최대 약 1.5%의 철이, 본 발명의 합금 내에 존재할 수 있을 것이다. 그러나, 너무 많은 철은, 합금의 미세구조 안정성에 부정적으로 영향을 미치며, 그리고 시그마 상(Fe-Cr) 및 라베스 상(예를 들어, Fe₂Nb, Fe₂Ti, 및 Fe₂Mo)과 같은 원치 않는 2차적 상들을 형성하기 위해 다른 원소들과 결합할 수 있다. 그에 따라, 철의 양은 바람직하게, 약 1.0% 이하로 제한된다. 비록 의도적으로 부가되는 것은 아니지만, 최대 약 0.5%의 망간이, 용융 도중의 합금 첨가로 인한 잔류물로서, 이러한 합금 내에 존재할 수 있을 것이다.

합금의 나머지는, 적어도 약 50%의 니켈이다. 바람직하게, 합금은, 약 50-75%의 니켈을 함유한다. 나머지는 또한, 인, 황, 산소, 및 질소와 같은 소량의 불가피한 불순물 원소들을, 예를 들어, 약 0.03% 이하의 인 그리고 각각 약 0.01% 이하의 황, 산소 및 질소를 포함할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 합금은 바람직하게, 분말 형태로 제공된다. 그러한 목적을 향해, 합금은, 진공 유도 용융되며, 그리고 이어서, 미세 분말을 형성하기 위해 무화된다. 생성되는 분말은 이어서, 부가적 제조 프로세스를 위한 적절한 사이즈로 걸러진다. 유용한 물품들이, 금속 분말 통합을 위한 임의의 공지된 기술을, 예를 들어 선택적 레이저 분말 베드 융합을 사용하여 준비된다. 물품이 완전히 형성된 이후에, 물품은 바람직하게, 요구되는 미세 구조 및 속성들을 발달시키기 위해, 열간 등방압 압축(HIP), 용체화 열처리, 담금질 및 시효 경화의 상이한 조합들 및 변형들을 사용하여, 처리된다. 가스 터빈 구성요소들(예를 들어, 터빈 블레이드들)과 같은 유용한 물품들이, 또한, 방향성 응고, 등축 입자 주조, 및 단결정 인베스트먼트 주조와 같은, 주조 기술들을 사용하는, 합금의 직접적 주조에 의해 제작될 수 있다.

가공 예들

본 발명의 합금에 의해 제공되는 속성들의 바람직한 조합을 입증하기 위해, 한 세트의 비교예들이, 용융, 처리, 및 시험되었다. 이하의 표 1에, 용융 및 시험된 4개의 시도에 대한 중량 퍼센트 조성들이, 기술된다.

¹ 나머지는 일반적인 불순물 원소들을 포함함.

² 또한 0.03%의 Zr, 0.014%의 B, 및 0.082%의 C를 포함함.

예 1, 예 2, 및 예 3은, 진공 하에서 용융되었으며, 그리고 응고 이후에 균질화 열처리를 받은 잉곳들로 주조되었다. 예 1 및 예 2는, 1시간 동안 2250℉(1232℃)에서 용체화 열처리되었으며, 그리고 물 내에서 담금질되었다. 예 3은, 10 bar의 질소로 다시 채워진 챔버 내에서 균질화 온도로부터 기체 담금질되었다. CM247LC 예는, 진공 하에서 용융되었고, 응고 이후에 균질화되었으며, 1시간 동안 2250℉(1232℃)에서 용체화 열처리되었고, 그리고 물에서 담금질되었다. 담금질 이후에, 각 합금의 시편들은, 4시간 동안 1975℉(1079℃)에서 시효 처리되었고, 공기 냉각이 뒤따랐다. 시편들은, 이어서, 20시간 동안 1600℉(871℃)에서 제2 시효 열처리되었으며, 그리고 이어서 공기 냉각되었다.

시효 처리 이후의 예 1 내지 예 3의 미세 구조는, 개별적으로, 도 1a 내지 도 1c에 도시된다. CM247LC 예의 시효 처리된 시편의 미세 구조는, 비교를 위해 도 1d에 도시된다. 시효 처리 이후의 예 1 내지 예 3 내의 γ'의 체적 퍼센트는, 이미지 분석에 기초하여 약 60 체적%이다. 시효 처리 이후의 예 3 내의 γ'의 체적 분율은, 예 1 및 예 2 내의 γ'의 체적 분율보다 약간 더 높다. 시효 처리 이후의 3개의 예 모두의 γ' 석출물들의 등가 직경은, 약 300 내지 500 nm이다.

예 1 내지 예 3 및 CM247LC의 격자 부적합 파라미터들(δ)은, 1600℉(871℃)의 온도에 대해, THERMO-CALC 소프트웨어를 사용하여 계산되었다. 예 1 내지 예 3 및 CM247LC에 대한 실제 격자 부적합 파라미터들은, x-레이 회절(XRD)에 의해 측정되었다. 각 예에 대한 δ의 계산된 값 및 측정된 값이, 아래의 표 2에 나타난다.

표 2에 제시된 결과들은, 실제 값과 계산된 값 사이의 양호한 상관관계를 보여주기 위해, 도 2에 그래프화된다.

도 3a 내지 도 3c에, 용체화 열처리되고, 시효 처리되며, 그리고 이어서 1600℉(871℃)에서 1000시간 동안 열처리된 이후의, 예 1 내지 예 3의 시편들의 광학 이미지들이, 도시된다. 연속적인 외부 산화물 층이 합금 표면 상에 형성되는 것이, 확인될 수 있다. 3개의 예 모두, 노출 도중에 해로운 상들의 형성 없이, 미세 구조적으로 안정적이다.

도 4a 내지 도 4d는, 비드-온-플레이트 시험(bead-on-plate test) 이후의 합금 시편들 내의 용융 풀 구조들을 도시한다(외부 표면이 도면에서 하방을 지향함). CM247LC(도 4d)의 샘플은, 예 1 내지 예 3(개별적으로, 도 4a, 도 4b, 및 도 4c)이 시험된 모든 전력 밀도 및 해지-간격 조합들과 더불어 균열들을 갖지 않는 가운데, 용융 풀 내에 균열들을 갖는다.

부가적인 열처리가, 비드-온-플레이트 시험 이후에, 예들 상에서 수행되었다. 열처리는, 4시간 동안 1975℉(1079℃)에서 예들을 가열하는 것, 공기 중에서 냉각하는 것, 그리고 이어서, 20시간 동안 1600℉(871℃)에서 가열하는 것으로 구성되었고, 공기 중에서 냉각하는 것이 뒤따랐다. 이러한 절차에서, 레이저가, 금속 플레이트 상에 용접-비드 트랙을 생성하기 위해 사용된다. 결과들이, 도 5a 내지 도 5d에 도시된다. 시효 열처리는, 구축된 상태에서 수지상 구조를 제거했으며, 그리고 용융 풀 개소를 위치를 식별하기 어렵게 만들었다. 스트레인-시효 균열을 보인 합금 CM247LC(도 5d)와 비교하면, 본 발명의 합금의 3개의 예(도 5a, 도 5b, 및 도 5c)는, 균열들의 흔적을 보여주지 않으며, 그리고 이는 이들이 스트레인-시효 균열에 대해 매우 저항한다는 것을 입증한다.

비드-온-플레이트 시험으로부터의 결과에 기초하여, 예시적 합금들의 기체-무화된 분말의 배치들(batches)이, 생성되었다. 부가적으로 제조되는 샘플들이, 레이저 분말 베드 융합 시스템으로 인쇄되었다. 처리 파라미터들(레이저 전력, 스캔 속도, 해치 간격, 등을 포함함)이, 복수의 구축 샘플을 제공하기 위해 변동되었다. 여러 샘플들의 구축된 미세 구조들은, 도 6a 내지 도 6b에 도시된다. 각 이미지는, 50X 배율로 취해졌다. 따라서, 각 이미지는, 약 2.6mm x 2.2mm의 시야에 대응한다. 도 6a 내지 도 6c에서, 레이저 출력 밀도는, 좌측으로부터 우측으로 증가하는 가운데, 해치 간격은, 위로부터 아래로 감소한다. 도 6a는, CM247LC 샘플의 구축된 미세 구조들이 대부분의 시험 조건에 대해 균열 문제점을 갖는다는 것을 보여준다. 도 6b는, 예 1의 구축된 미세 구조들을 도시하며, 그리고 도 6c는, 예 2의 구축된 미세 구조들을 도시한다. 도 6b 및 도 6c는, 우수한 균열 저항을 보여주며 그리고, 예 1 및 예 2가, 매우 낮은 다공도 및 매우 낮은 균열 밀도와 더불어 우수한 구축 품질을 그 내부에서 달성하기 위한, 큰 프로세싱 윈도우를 제공한다는 것을 입증한다.

가장 낮은 균열 밀도 및 다공도를 갖는 샘플들이, 각 합금으로부터 선택되었으며, 그리고, 용체화 열처리 및 시효 열처리로 구성되는 구축 후 열처리로, 추가로 처리되었다. 샘플들은, 1시간 동안 2250℉(1232℃)에서 용체화 열처리되었고, 물에서 담금질되었으며, 4시간 동안 1975℉(1079℃)에서 시효 처리되었고, 공기 냉각되었으며, 20시간 동안 1600℉(871℃)에서 시효 처리되었고, 그리고 이어서, 공기 중에서 냉각되었다. 도 7a는, 시효 처리 이후의 CM247LC 재료 내의 상당한 개수의 가는 세선 균열들을 보여주는 가운데, 도 7b 및 도 7c는, 예 1 및 예 2의 재료가 구축 후 열처리 이후에 균열 없이 남는다는 것을 보여준다.

아래의 표 3에 나타나는 중량 퍼센트 조성들을 갖는, 부가적인 예들이, 아르곤 가스 무화에 의해 준비되었다. 합금 분말의 배치들은, 통합되었으며, 그리고 이어서, 인장 및 응력 파열 시험을 위한 표준 시편들을 제공하기 위해 처리되었다.

인장 시험이, 실온으로부터 최대 1800℉(982℃)까지의 범위 내의 여러 온도들에서, 예 4 및 예 5의 시편들에 관해 실행되었다. 섭씨 온도 단위의 시험 온도 그리고 MPa 단위의 극한 인장 강도 및 항복 강도를 포함하는, 인장 시험의 결과는, 아래의 표 4에 기술된다. 결과는, 또한, 도 8에 작도된다.

응력 파열 시험이, 1300℉로부터 1700℉의 범위(704℃ 내지 927℃) 내의 여러 온도들에서, 예 4 및 예 5의 시편들에 관해 실행되었다. 응력 파열 시험의 결과는, 라슨-밀러 지수에 기초하여 도 9에 작도된다.

사이클별 산화 시험이, 예 4 및 예 5의 시편들에 관해 실행되었다. 사이클별 산화 시험은, 1800℉(982℃)에서, 실행되었으며, 각 사이클은, 0.25시간 승온, 1800℉(982℃)에서 1시간 유지, 및 0.25시간 강제 공기 냉각으로 이루어졌다. 사이클 수 및 G/cm2 단위의 비중 변화를 포함하는, 사이클별 산화 시험의 결과는, 아래의 표 5에 기술된다.

도 10은 표 5에 제시된 데이터에 대한 그래프들을 도시한다. 예 4 및 예 5 양자 모두, 이들이 최대 1000 사이클까지 중량 손실을 경험하지 않았기 때문에, 내산화성인 것으로 나타난다.

본 명세서에 사용되는 용어들 및 표현들은, 설명의 용어로서 사용되며 그리고 제한의 용어로서 사용되는 것이 아니다. 그러한 용어들 및 표현의 사용에서, 도시된 그리고 설명된 특징부들의 임의의 균등물 또는 그의 부분들을 배제할 의도는 없다. 다양한 수정들이 본 명세서에서 설명되며 청구되는 본 발명 이내에서 가능하다는 것이, 인식된다.

Claims

개선된 응고 및 스트레인-시효 균열 저항성 그리고 상승된 온도에서 높은 강도 및 크리프 저항성을 갖는, 레이저 및 전자 빔 부가적 제조 프로세스들을 위해 최적화된, 높은 γ' 체적 분율의 Ni-계 합금으로서,
상기 합금은, 본질적으로, 중량 퍼센트 단위로, 약
C 0-0.1
Mn 0.5 최대
Si 0-0.03
Cr 4-16
Fe 1.5 최대
Mo 0-6
W 0-8
Co 0-15
Ti 0-2
Al 0.5-5.5
Nb 0-6
Ta 7.5-14.5
Hf 0-2.0
Zr 0-0.1
Re 0-6
Ru 0-3
B 0-0.03으로 구성되며,
그리고, 합금의 나머지는, 적어도 약 50%의 니켈 및, 동일한 용도 및 서비스를 위해 의도되는 Ni-계 초내열합금들의 상업용 등급들에서 발견되는, 일반적인 불순물들인 것인, 합금.
제1항에 있어서,
약 Cr 9-11
Fe 1 최대
Mo 2-5
W 0.5-2
Co 4-6
Ti 0-0.5
Al 3-5
Nb 3-5
Ta 7.5-9.5
Hf 0-0.5
Re 0-1
Ru 0-1을 함유하며,
그리고, 합금의 나머지는, 적어도 약 50%의 니켈 및 일반적인 불순물들인 것인, 합금.
제1항에 있어서,
약 Cr 9-11
Fe 1 최대
Mo 2-5
W 0.5-2
Co 0.5-2
Ti 0-0.5
Al 3-5
Nb 2.5-4
Ta 8.5-10.5
Hf 0-0.5
Re 0-1
Ru 0-1을 함유하며,
그리고, 합금의 나머지는, 적어도 약 50%의 니켈 및 일반적인 불순물들인 것인, 합금.
제1항에 있어서,
약 Cr 4-8
Fe 1 최대
Mo 0.5-1.5
W 6-8
Co 0-1
Ti 0-1
Al 3-5
Nb 0-1
Ta 8.5-10.5
Hf 0.5-1.5
Re 0-1
Ru 0-1을 함유하며,
그리고, 합금의 나머지는, 적어도 약 50%의 니켈 및 일반적인 불순물들인 것인, 합금.
제1항에 있어서,
약 Cr 9-11
Fe 1 최대
Mo 2-5
W 3.5-4.5
Co 0.5-2
Ti 0-0.5
Al 3-5
Nb 2.5-4
Ta 8.5-10.5
Hf 0-0.5
Re 0-1
Ru 0-1을 함유하며,
그리고, 합금의 나머지는, 적어도 약 50%의 니켈 및 일반적인 불순물들인 것인, 합금.
제1항에 있어서,
약 Cr 8-10
Fe 1 최대
Mo 2-5
W 4-6
Co 9-11
Ti 0-0.5
Al 4-5.5
Nb 0-1
Ta 9.5-11.5
Hf 0-0.5
Re 0-1
Ru 0-1을 함유하며,
그리고, 합금의 나머지는, 적어도 약 50%의 니켈 및 일반적인 불순물들인 것인, 합금.
제1항에 있어서,
Al+Ti는 약 3 내지 약 6 중량 퍼센트이며, 그리고 W+Mo+Ru+Re는 약 2 내지 약 12 중량 퍼센트인 것인, 합금.
제7항에 있어서,
C+B+Si+Zr은, 응고 범위를 감소시키기 위해 그리고 응고 균열 저항을 개선하기 위해, 약 0.15 중량 퍼센트 미만인 것인, 합금.
개선된 응고 및 스트레인-시효 균열 저항성 그리고 상승된 온도에서 높은 강도 및 크리프 저항성을 갖는, 레이저 및 전자 빔 부가적 제조 프로세스들을 위해 최적화된, 높은 γ' 체적 분율의 Ni-계 합금으로서,
상기 합금은, 본질적으로, 중량 퍼센트 단위로, 약
C 0-0.1
Mn 0.5 최대
Si 0-0.03
약 Cr 4-11
Fe 1 최대
Mo 0-5
W 0.5-8
Co 0-10
Ti 0-1
Al 3-5
Nb 0-5
Ta 7.5-11.5
Hf 0-1.5
Zr 0-0.1
Re 0-5
Ru 0-3,
B 0-0.03으로 구성되며,
그리고, 합금의 나머지는, 적어도 약 50%의 니켈 및, 동일한 용도 및 서비스를 위해 의도되는 Ni-계 초내열합금들의 상업용 등급들에서 발견되는, 일반적인 불순물들인 것인, 합금.
제9항에 있어서,
약 Cr 9-11
Fe 1 최대
Mo 2-5
W 0.5-2
Co 4-6
Ti 0-0.5
Al 3-5
Nb 3-5
Ta 7.5-9.5
Hf 0-0.5
Re 0-1
Ru 0-1을 함유하며,
그리고, 합금의 나머지는, 적어도 약 50%의 니켈 및 일반적인 불순물들인 것인, 합금.
제9항에 있어서,
약 Cr 9-11
Fe 1 최대
Mo 2-5
W 0.5-2
Co 0.5-2
Ti 0-0.5
Al 3-5
Nb 2.5-4
Ta 8.5-10.5
Hf 0-0.5
Re 0-1
Ru 0-1을 함유하며,
그리고, 합금의 나머지는, 적어도 약 50%의 니켈 및 일반적인 불순물들인 것인, 합금.
제9항에 있어서,
약 Cr 4-8
Fe 1 최대
Mo 0.5-1.5
W 6-8
Co 0-1
Ti 0-1
Al 3-5
Nb 0-1
Ta 8.5-10.5
Hf 0.5-1.5
Re 0-1
Ru 0-1을 함유하며,
그리고, 합금의 나머지는, 적어도 약 50%의 니켈 및 일반적인 불순물들인 것인, 합금.
제9항에 있어서,
약 Cr 9-11
Fe 1 최대
Mo 2-5
W 3.5-4.5
Co 0.5-2
Ti 0-0.5
Al 3-5
Nb 2.5-4
Ta 8.5-10.5
Hf 0-0.5
Re 0-1
Ru 0-1을 함유하며,
그리고, 합금의 나머지는, 적어도 약 50%의 니켈 및 일반적인 불순물들인 것인, 합금.
제9항에 있어서,
Al+Ti는 약 3.5 내지 약 5.5 중량 퍼센트이며, 그리고 W+Mo+Ru+Re는 약 3 내지 약 10 중량 퍼센트인 것인, 합금.
제14항에 있어서,
C+B+Si+Zr은, 응고 범위를 감소시키기 위해 그리고 응고 균열 저항을 개선하기 위해, 약 0.10 중량 퍼센트 미만인 것인, 합금.
제1항 또는 제9항에 있어서,
γ' 강화 상을 포함하는 것인, 합금.
제16항에 있어서,
γ' 상은, 35% 초과인 체적 분율을 갖는 것인, 합금.
제17항에 있어서,
γ' 상은, 50% 초과인 체적 분율을 갖는 것인, 합금.
제1항 또는 제9항에 있어서,
2050℉(1121℃) 보다 7도 더 높은 γ' 솔버스 온도를 갖는 것인, 합금.