專利名稱：含鎳合金、其制造方法和由其得到的制品的制作方法
技術領域：
本公開涉及含鎳合金、其制造方法和由其得到的制品。
背景技術：
適用于渦輪噴嘴和翼片應用的高溫合金通常顯示出高溫強度、耐蝕性和如可鑄性和可焊性等性能。不幸的是，優化一種性能的方法通常導致另一種性能的降低。合金設計的方法通常導致折中以獲得滿足部件設計各種要求的最佳整體性能混合。在這種設計方法中，很少使任何一種性能最佳。相反，通過開發平衡的化學組成和適當的熱處理，獲得所需性能之間的最佳折中。
含鈷合金被發現用于第一級渦輪噴嘴應用，盡管它們對熱疲勞斷裂敏感。接受這些合金的原因在于它們容易被焊接修補。但是，在后級噴嘴中，發現鈷基合金蠕變極限至這樣一個點處，即噴嘴的下游蠕變會導致不可接受的渦輪隔膜間隙減小。盡管用于這些后級噴嘴應用的具有充分蠕變強度的鈷基合金是可以得到的，但它們不具有所需的可焊性特征。因此需要尋找表現出抗蠕變性、耐熱腐蝕性、可鑄性和可焊性并且可用于第一級和后級渦輪噴嘴應用的其它合金。
發明簡述本文公開了一種含鎳合金，其包括約1.5wt％至約4.5wt％的鋁；約1.5wt％至約4.5wt％的鈦；最高約3wt％的鈮；約14wt％至約28wt％的鉻；余量為鎳。
本文公開了一種含鎳合金，包括約1.6wt％至約1.8wt％的鋁；約2.2wt％至約2.4wt％的鈦；約1.25wt％至1.45wt％的鈮；約22wt％至約23wt％的鉻；約18.5wt％至約19.5wt％的鈷；約0.08wt％至約0.12wt％的碳；約1.9wt％至約2.1wt％的鎢；和約0.002wt％至約0.006wt％的硼；最高0.01wt％的鋯；余量為鎳。
本文公開了一種制造制品的方法，包括澆鑄合金到模具內，其中該合金包括約1.5wt％至約4.5wt％的鋁；約1.5wt％至約4.5wt％的鈦；最高約3wt％的鈮；約14wt％至約28wt％的鉻；約10wt％至約23wt％的鈷；約1wt％至約3wt％的鎢、錸、釕、鉬或它們的組合；約0.02wt％至約0.15wt％的碳；約0.001wt％至約0.025wt％的硼；最高0.2wt％的鋯、鉿或其組合；和凝固該鑄件。
本文還公開了一種由上述組合物得到的制品。
附圖
簡述該圖為在871℃的溫度下經受15ksi恒壓的兩個樣品的應變對時間的圖示。
優選實施方案詳述本文公開了用于渦輪應用的含鎳合金。該含鎳合金可有利地用于第一級和后級渦輪噴嘴應用以及用于渦輪的大葉片。該含鎳合金包含鎳、鉻、鈷、鎢、鋁、鈦、鈮和其它必要元素。與其它類似合金相比，該含鎳合金尤其具有鋁和鈦的獨特濃度組合。這導致非所需相如具有六方晶體結構和式M3Ti的η相存在的減少或消除，其中M為鎳或鎳合金，如鎳-鈷合金等。η相的這種減少促進了抗蠕變性的提高并使合金在高溫例如600℃以上時冶金穩定。
該含鎳合金主要包括與鉻、鈦、鋁和鈮形成合金的鎳。可加入到該含鎳合金中的任選金屬有鈷、碳、鋯、鎢、硼、鉭、鉿、錸、釕、鉬或包括至少一種上述金屬的組合。
在一種實施方案中，該含鎳合金包括量為該含鎳合金的約2至約9重量百分數(wt％)的鋁和鈦。在這個范圍內，可使用大于或等于含鎳合金的約2.5wt％，優選大于或等于約3wt％，更優選大于或等于約4wt％的鈦和鋁量。在這個范圍內還希望該量小于或等于含鎳合金的約8.8wt％，優選小于或等于約8.6wt％，更優選小于或等于約8.0wt％。
含鎳合金中的鋁含量為含鎳合金的約1.5wt％至約4.5wt％。鋁的優選值大于或等于約1.6wt％，更優選大于或等于約1.7wt％。鋁的優選值小于或等于約4.00wt％，更優選小于或等于約3wt％，甚至更優選小于或等于約2.5wt％.含鎳合金中的鈦含量為含鎳合金的約1.5wt％至約4.5wt％。鈦的優選值大于或等于約1.65wt％，更優選大于或等于約2wt％，甚至更優選大于或等于約2.25wt％。鈦的優選值小于或等于約4.00wt％，更優選小于或等于約3.5wt％，甚至更優選小于或等于約3wt％。
通常，需要含鎳合金中鋁對鈦的原子比為約0.2至約1.5。在這個范圍內的鋁對鈦原子比能提高耐熱腐蝕性、可焊性和可鑄性。在該范圍內可利用的其它鋁對鈦原子比大于或等于約0.3，優選大于或等于約0.4，更優選大于或等于約0.5。在該范圍內還希望鋁對鈦原子比小于或等于約1.4，優選小于或等于約1.3，更優選小于或等于約1.2。
在另一實施方案中，希望控制含鎳合金中存在的鋁、鈦和鈮的總量到有效保持λ＇相的約2wt％至約13wt％的量。λ＇相的優選值為15-45體積％。高溫含鎳合金中的強度通常源于幾種不同的機理，如λ′相的沉淀強化、晶界處的固溶體強化和碳化物強化。(λ′)相由[Ni3(Al，Ti)]組成。其中，λ′相的沉淀強化是含鎳合金的主要強化機理。
為了獲得用于燃氣輪機噴嘴和機翼應用的合金性能之間的最佳折中，主要沉淀強化元素即鈦、鋁和鈮的含量保持為含鎳合金的約2wt％至約12wt％的量。在這個范圍內，通常希望使鈦、鋁和鈮的量大于或等于含鎳合金的約4.35wt％，優選大于或等于約4.5wt％，更優選大于或等于約4.75wt％。在這個范圍內，還希望該量小于或等于含鎳合金的約11.5wt％，優選小于或等于約11wt％，更優選小于或等于約10wt％。通過保持鋁、鈦和鈮的量在上述界限內，可獲得抗蠕變性和可焊性性能之間的良好平衡。另外，仔細平衡和控制碳和鋯的含量以提高含鎳合金的可鑄性。
在另一實施方案中，含鎳合金不含鉭。通常需要鈮的存在量為含鎳合金的最高約3wt％。在這個范圍內，可使用小于或等于約2.5wt％、優選小于或等于約2.0wt％、更優選小于或等于約1.75wt％的量。鈮的典型值為含鎳合金的約1.35wt％。
鉻的存在量通常為含鎳合金的約14wt％至約28wt％。在這個范圍內，通常希望使用量大于或等于含鎳合金的約16wt％、優選大于或等于約17wt％、更優選大于或等于約20wt％的鉻。在這個范圍內還希望該量小于或等于含鎳合金的約27wt％，優選小于或等于約26wt％，更優選小于或等于約25wt％。鉻的典型量為含鎳合金總量的約22wt％至約23wt％。
鎳構成含鎳合金的剩余重量百分比。鎳的存在量為含鎳合金的約40wt％至約70wt％。在這個范圍內，通常希望使用量大于或等于含鎳合金的約43wt％、優選大于或等于約44wt％、更優選大于或等于約46wt％的鎳。在這個范圍內還希望該量小于或等于含鎳合金的約65wt％，優選小于或等于約60wt％，更優選小于或等于約55wt％。鎳的典型量為含鎳合金的約45wt％至約55wt％。
如上所述，可加入到含鎳合金中的任選金屬為鈷、碳、鎢、鋯和硼。通常加入量為含鎳合金總量的約10wt％至約24wt％的鈷。在這個范圍內，可使用大于或等于含鎳合金的約14wt％、優選大于或等于約15wt％和更優選大于或等于約17wt％的量。在這個范圍內，還希望使用小于或等于含鎳合金總量的約23.5wt％、優選小于或等于約22.5wt％和更優選小于或等于約21wt％的量。鈷的典型量為含鎳合金總量的約18.5wt％至約19.5wt％。
通常加入量小于0.15wt％的碳。碳的優選量為0.02-約0.15wt％。碳通常與金屬如鈦、鎢等形成合金以形成一碳化物。通常，一碳化物中的鈦和/或鎢構成小于或等于碳化物相約80wt％的量。碳的典型量為含鎳合金的約0.02wt％至約0.15wt％。
可存在量小于或等于含鎳合金的約3wt％的鎢。如果需要，鎢可被鉬、錸、釕等代替。鎢的典型量為含鎳合金的約1.9wt％至約2.1wt％。
還可存在量小于或等于含鎳合金的約0.025wt％的硼。硼的優選量為含鎳合金的約0.001wt％至約0.025wt％。硼通常與含鎳合金中的金屬反應形成金屬硼化物。含鎳合金中硼的典型量為含鎳合金的約0.002wt％至約0.006wt％。
還可加入量小于或等于含鎳合金的約0.2wt％的鋯。如果需要，鋯可被鉿代替。鋯的典型量為含鎳合金的約0.01wt％。
可用幾種已有的方法之一加工含鎳合金形成燃氣輪機的部件。這種部件的例子包括旋轉葉片(或漿片)、非旋轉噴嘴(或翼)、護罩、燃燒器等。使用含鎳合金的優選部件為燃氣輪機中的噴嘴和葉片。渦輪部件可通過各種不同的方法形成，如但不限于粉末冶金方法(例如燒結、熱壓、熱等靜壓加工、熱真空壓實等)、鑄錠然后定向凝固、熔模精密鑄造、鑄錠然后熱機械處理、近網狀形狀澆鑄、化學氣相沉積、物理氣相沉積等。優選的方法為鑄錠然后定向凝固和熔模精密鑄造。
在一種實施方案中，在由含鎳合金制造燃氣輪機翼片的一種方式中，將粉末、顆粒等形式的含鎳合金成分加熱到約1350℃-約1750℃的溫度以熔化金屬組分。
然后在澆鑄過程中將熔融金屬倒入到模具中產生所需的形狀。澆鑄方法可包括熔模精密鑄造、鑄錠等。通常使用熔模精密鑄造制造不能通過常規制造技術生產的零件，如具有復雜形狀的渦輪葉片，或必須承受高溫的渦輪部件。通過使用蠟或可融掉的其它材料制備模來制造模具。將該蠟模浸到難熔漿液中，其涂覆蠟模并形成表皮。將其干燥，并重復浸到漿液中和干燥的過程直到獲得堅固的厚度。然后，將整個模放在爐中，并融掉蠟。這產生可用熔融的含鎳合金填充的模具。由于模具圍繞整體模形成，(其不必象在傳統砂型鑄造方法中一樣從模具中抽出)，因此可制造非常復雜的零件和凹槽。蠟模本身通過使用立體光刻或類似模型復制來制造，其中類似模型使用計算機實體模型原版制造。
在正要倒入前，模具被預熱至約1000℃以除去任何蠟殘余物并硬化粘合劑。向預熱模具中的倒入還確保模具將被完全充滿。可利用重力、壓力、惰性氣體或真空條件完成倒入。優選的實施方案是在真空中澆鑄。在另一實施方案中，可利用鑄錠形成渦輪部件。在澆鑄后，定向凝固模具中的熔體。定向凝固通常在生長方向上產生細長晶粒，因此翼片蠕變強度比等軸澆鑄更高。定向凝固的成本比等軸澆鑄的成本高。根據翼片的指定要求，可為等軸或定向凝固。在定向和/或等軸凝固后，空氣冷卻鑄件。
包括含鎳合金的鑄件然后可任選地進行不同的熱處理，以便最優化強度和提高抗蠕變性。在一種實施方案中，在約1095℃至約1200℃的溫度下熱處理鑄件以優化屈服強度和降低抗蠕變性。這種熱處理通常進行約1-約6小時的時間。熱處理的優選時間為4小時。在另一實施方案中，可利用熱處理循環降低抗蠕變性。該循環包括加熱鑄件到約1150℃的溫度保持4小時，然后1000℃保持6小時，然后900℃保持4小時，并以700℃保持16小時結束。這種熱處理產生顯著提高的抗拉強度和屈服強度值。
在又一實施方案中，材料為在750℃-約850℃的溫度下熱處理的溶液。溶液處理通常進行約8-約36小時的時間。典型的時間為約24小時。通常，使用熱處理和溶液熱處理減少任何非所需相如η相的存在。
鑄件可任選地進行熱等靜壓(HIP)。熱等靜壓通常被優選是因為它在這類部件的生產中有利于大大降低孔隙率和減少收縮的能力。通常，選擇熱等靜壓的工藝條件以便獲得壓實，其中以復合材料制品的總體積計，最終復合材料具有小于或等于約10體積％的孔隙率，更優選小于或等于約2體積％。這種方法一般包括通過加壓氣體介質施加高的壓力和溫度以除去內部孔隙和空隙，從而增加密度和提高得到的復合材料的性能。熱等靜壓通常在大于或等于約1000℃、優選大于或等于約1050℃、更優選大于或等于約1150℃的溫度下進行。熱等靜壓過程中使用的氣體壓力通常大于或等于約100兆帕斯卡(MPa)，優選大于或等于約150MPa，更優選大于或等于約200MPa。用于該方法的優選氣體包括但不限于氬氣、氮氣、氦氣、氙氣和包括前述中一種的組合。
如上所述，含鎳合金可有利地用于大渦輪中的大翼片。非所需相如η相的減少和γ′相體積分數增加至含鎳合金的約15-45體積％，使含鎳合金表現出提高的抗蠕變性、耐高溫腐蝕性和提高的可鑄性和可焊性。
用于說明而非限制的以下實施例說明了組合物和使用各種材料和裝置制造含鎳合金的各種實施方案的一部分的方法。
實施例采用該實施例說明不包含任何鉭的含鎳合金對包含鉭的對比含鎳合金樣品的性能提高。具有對比組成的樣品以及體現本發明改進的那些示于表1。從表中可看出，對比樣品(樣品#1)具有鉭，而其它樣品(樣品#2-6)不具有鉭。
通過取表1中所示樣品的各種組分并將其加熱至1550℃的溫度以形成然后被澆鑄的熔體來制備樣品。空氣冷卻該樣品。在1150℃下退火樣品4小時并在780℃下時效24小時。在1600的溫度和15千克/平方英寸(Ksi)的壓力下在拉伸試驗機中對樣品進行蠕變試驗。測量達到1％應變需要的時間，并記錄為樣品顯示抗蠕變性能力的函數。該樣品為圓柱狀八字試塊型標準蠕變樣品，總長度為4英寸，基準直徑為約0.25英寸。此頁無內容表1
蠕變試驗的結果示于附圖中，其中比較了兩個樣品達到約0.5％和1％的應變所需的時間。從圖中可看出，不含鉭的樣品表現出相對于如上所述具有鉭的對比樣品200％的蠕變提高。同樣，在1％應變處，不含鉭的樣品表現出相對于對比組合物220％的蠕變提高。
在樣品#2-6上進行的金相和圖象分析表明它們中的每一個都有約相同量的γ′相，和非常少的非所需η相。
從上面的實施例可看出，不含鉭的含鎳合金表現出優于那些含鉭的含鎳合金的抗蠕變性能，因此可有利地用于高溫應用如燃氣輪機等。包括含鎳合金的渦輪可用于飛機和飛船、地面基地的發電系統和在水上和水中行進的船舶如船、潛艇、駁船等。
盡管參考示例性的實施方案描述了本發明，但本領域那些技術人員能認識到，只要不脫離本發明的范圍，可作出各種變化，并且等價物可取代它的要素。另外，在不脫離本發明的基本范圍時，可作出多種改進以使特定的情況或材料適應本發明的教導。因此，目的在于本發明不限制于作為考慮進行本發明的最佳方式公開的特定實施方案，而是本發明包括落在附加權利要求范圍內的所有實施方案。
權利要求
1.一種含鎳合金，包括約1.5wt％至約4.5wt％的鋁；約1.5wt％至約4.5wt％的鈦；最高約3wt％的鈮；約14wt％至約28wt％的鉻；余量為鎳。
2.權利要求1的含鎳合金，其中鋁和鈦的量之和為含鎳合金的約2wt％至約9wt％。
3.權利要求1的含鎳合金，其中鋁對鈦的原子比為約0.5至約1.5。
4.權利要求1的含鎳合金，其中鈦、鋁和鈮的總量為含鎳合金的約2wt％至約12wt％。
5.權利要求1的含鎳合金，其中存在其量為含鎳合金約40wt％至約70wt％的鎳。
6.權利要求1的含鎳合金，還包括鈷、碳、鋯、鎢、硼、鉭、鉿、錸、釕、鉬或包括上述至少一種的組合。
7.一種含鎳合金，包括約1.6wt％至約1.8wt％的鋁；約2.2wt％至約2.4wt％的鈦；約1.25wt％至1.45wt％的鈮；約22wt％至約23wt％的鉻；約18.5wt％至約19.5wt％的鈷；約0.08wt％至約0.12wt％的碳；約1.9wt％至約2.1wt％的鎢；約0.002wt％至約0.006wt％的硼；最高0.01wt％的鋯；余量為鎳。
8.權利要求7的含鎳合金，其中鋯可被鉿代替。
9.一種制造制品的方法，包括澆鑄合金到模具內，其中該合金包括約1.5wt％至約4.5wt％的鋁；約1.5wt％至約4.5wt％的鈦；最高約3wt％的鈮；約14wt％至約28wt％的鉻；約10wt％至23wt％的鈷；約1wt％至約3wt％的鎢、錸、釕、鉬或它們的組合；約0.02wt％至約0.15wt％的碳；約0.001wt％至約0.025wt％的硼；最高0.2wt％的鋯、鉿或其組合；和凝固該鑄件。
10.權利要求9的方法，還包括定向凝固該鑄件。
11.由權利要求1的組合物制造的渦輪部件。
12.由權利要求7的組合物制造的渦輪部件。
13.通過權利要求9的方法制造的渦輪部件。
全文摘要
本文公開了一種制造制品的方法，包括澆鑄合金到模具內，其中該合金包括約1.5wt％至約4.5wt％的鋁；約1.5wt％至約4.5wt％的鈦；最高約3wt％的鈮；約14wt％至約28wt％的鉻；約10wt％至23wt％的鈷；約1wt％至約3wt％的鎢、錸、釕、鉬或它們的組合；約0.02wt％至約0.15wt％的碳；約0.001wt％至約0.025wt％的硼；最高約0.2wt％的鋯、鉿或其組合；和凝固該鑄件。
文檔編號C22C19/05GK1886526SQ200480035416
公開日2006年12月27日 申請日期2004年9月29日 優先權日2003年9月30日
發明者L·蔣, J·-C·趙, G·馮 申請人:通用電氣公司