可制作的高強(qiáng)度抗氧化Ni-Cr-Co-Mo-Al合金的制作方法
【專利說明】可制作的高強(qiáng)度抗氧化Ni-Cr-Co-Mo-AI合金
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求于2013年3月15日提交的序列號(hào)為61/790, 137的美國(guó)臨時(shí)專利申 請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，通過引用將其并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及在高溫下使用的可制作的高強(qiáng)度合金。特別地，本發(fā)明涉及具有極佳 抗氧化性、高蠕變-斷裂強(qiáng)度和允許在要求高溫環(huán)境的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器及其它中使 用的充足的可制作性的合金。
【背景技術(shù)】
[0004] 對(duì)于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的片材制作，各種商業(yè)合金是可獲得的。這些合金可以基 于它們的關(guān)鍵性質(zhì)分為不同的種類。注意到，下文的討論涉及可冷制作/可冷焊接的合金， 這意味著可將其制造成冷乳片材，冷成形為制作部件，并焊接。
[0005] Y'形成劑。這些包括R-41合金、Waspaloy合金、282@合金、263合金等。這些 合金的特征在于它們的高蠕變-斷裂強(qiáng)度。然而，這些合金的最高使用溫度受y'固溶相 線溫度的限制，并通常不在高于1600-1700°F(871至927°C)下使用。此外，雖然這些合金 的抗氧化性在使用溫度范圍內(nèi)是非常好的，但是在更高的溫度下沒有這么好。
[0006]氣化鋁形成劑。這些包括214?合金和HH-224?合金，但不包括ods合金（其 不具有必要的可制作性）。這類合金在高至2100°F(1149°C)的溫度下具有極佳的抗氧化 性。然而，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)部件中的使用由于在高于約1600-1700°F(871至927°C)的溫度下 不良的蠕變強(qiáng)度而受到限制。注意到這些合金還將形成強(qiáng)化的Y'，但是這種相在更高的溫 度范圍內(nèi)是不穩(wěn)定的。
[0007]固溶強(qiáng)化合金。這些包括230?合金、HASTELLOY?x合金、617合金等。 如它們的名稱所暗示的，這些合金主要由固溶強(qiáng)化效應(yīng)以及碳化物形成來獲得它們的高蠕 變-斷裂強(qiáng)度。這種強(qiáng)化甚至在極高的溫度（例如遠(yuǎn)高于y'形成劑的最高溫度）下仍然 有效。大多數(shù)的固溶強(qiáng)化合金由于形成保護(hù)性氧化鉻皮（chromiascale)而具有非常好 的抗氧化性。然而，它們的抗氧化性與氧化鋁形成劑不可比，特別是在非常高的溫度、例如 2100T(1149。(：）下。
[0008] 氮化物彌散強(qiáng)化合金。這些包括NS-163?合金，其在高至2100°F(1149°C)的 溫度下具有非常高的蠕變-斷裂強(qiáng)度。雖然NS-163合金的蠕變-斷裂強(qiáng)度優(yōu)于固溶合金， 但是其抗氧化性僅為相似的。其不具有氧化鋁形成劑的極佳的抗氧化性。
[0009] 根據(jù)如上的討論清楚的是，不存在將高蠕變-斷裂強(qiáng)度和極佳的抗氧化性兩者組 合的可商購(gòu)的可冷制作/可冷焊接的合金。然而，在不斷地使燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)操作溫度越 來越高的嘗試中，顯然會(huì)極其需要組合這些品質(zhì)的合金。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的主要目的在于提供具有高蠕變-斷裂強(qiáng)度和極佳的抗氧化性兩者的可 容易制作的合金。這是在現(xiàn)有技術(shù)中未發(fā)現(xiàn)（或預(yù)期）的高度有價(jià)值的性質(zhì)組合。發(fā)現(xiàn) 具有這些性質(zhì)的合金的組成為：15至20wt. %的鉻（Cr)，9. 5至20wt. %的鈷（Co)，7. 25至 10wt. %的鉬（Mo)，2. 72至3. 9wt. %的鋁（A1)和以最高至0. 15wt. %存在的碳（C)。元素鈦 (Ti)和鈮（Nb)是可存在的，例如用以提供強(qiáng)化，但是由于它們對(duì)可制作性的某些方面具有 不利影響因而數(shù)量應(yīng)當(dāng)受到限制。特別地，這些元素的充足可提高合金對(duì)于應(yīng)變時(shí)效開裂 的傾向性。如果存在的話，鈦應(yīng)當(dāng)限制在不大于〇.75wt. %，并且鈮限制在不大于lwt. %。
[0011] 出乎預(yù)料地發(fā)現(xiàn)元素鉿（Hf)和/或鉭（Ta)的存在與這些合金的甚至更長(zhǎng)的蠕 變-斷裂壽命有關(guān)。因此，可以將一種或兩種這樣的元素添加至這些合金，從而進(jìn)一步改進(jìn) 蠕變-斷裂強(qiáng)度?？梢砸宰罡咧良slwt. %的含量添加鉿，而可以以最高至約1.5wt. %的含 量添加鉭。為了為最有效的，鉭和鉿含量的總和應(yīng)當(dāng)介于0. 2wt. %和1. 5wt. %之間。
[0012] 為了維持可制作性，可存在或不存在的某些元素（特別是鋁、鈦、鈮和鉭）的數(shù)量 應(yīng)當(dāng)以滿足如下的額外關(guān)系（其中元素?cái)?shù)量以wt. %計(jì)）的方式來限制：
[0013] Al+0. 56Ti+0. 29Nb+0. 15Ta^ 3. 9 [1]
[0014] 另外，硼（B)可以以少量但是最高至0.015wt. %的有效痕量含量存在，以獲得本 領(lǐng)域中已知的某些益處。鎢（W)可以以最高至約2wt. %存在于這種合金中。鐵（Fe)也可 作為雜質(zhì)存在，或者可為有意添加物以降低原材料的總體成本。然而，鐵的存在應(yīng)當(dāng)不超 過約10. 5wt. %。如果鈮和/或鎢作為微量元素添加物存在，那么鐵含量應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步限制 于5wt. %或更小。為了能夠在熔化過程期間去除氧（0)和硫（S)，這些合金典型地包含少 量的最高至約lwt. %的猛（Mn)和最高至約0. 6wt. %的娃（Si)，并且可能包含分別最高至 約0. 05wt. %的痕量的鎂（Mg)、鈣（Ca)和稀土元素（包括釔（Y)、鈰（Ce)、鑭（La)等）。鋯 (Zr)可存在于合金中，但是在這些合金中應(yīng)當(dāng)保持在小于0.06wt. %以維持可制作性。
[0015] 優(yōu)選實(shí)施方案的說明
[0016] 申請(qǐng)人提供了Ni-Cr-C〇-M〇-Al基合金，其包含15至20wt. %的鉻、9. 5至20wt. % 的鈷、7. 25至10wt. %的鉬、2. 72至3. 9wt. %的鋁，以及典型的雜質(zhì)，最高至10. 5wt. % 鐵的容限，微量元素添加物和余量的鎳，其為可容易制作的，具有高蠕變強(qiáng)度，和最高至 2100°F(1149°C)的極佳抗氧化性。這種性質(zhì)組合適用于各種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件，例如 包括燃燒器。
[0017] 基于對(duì)未來燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器的要求的理解，具有以下屬性的合金會(huì)是高度 需要的：1)在高至2100°F(1149°C)的溫度下極佳的抗氧化性，2)良好的可制作性，使得 其能夠以鍛造片材的形式制造，冷成型，焊接等，3)與常見商業(yè)合金例如HASTELL0YX合金 一樣的或者優(yōu)于其的高溫蠕變強(qiáng)度，和4)在提高的溫度下的良好熱穩(wěn)定性。在過去，開發(fā) 組合所有四種性質(zhì)的合金的嘗試并未成功，并且相應(yīng)地，市場(chǎng)中不能獲得具有所有這四種 品質(zhì)的商業(yè)合金。
[0018] 申請(qǐng)人測(cè)試了 30種實(shí)驗(yàn)合金，其組成在表1中列出。實(shí)驗(yàn)合金已被標(biāo)記為A至Z 和AA至DD。實(shí)驗(yàn)合金具有從15. 3至19. 9wt. %范圍的Cr含量，以及從9. 7至20.Owt. % 范圍的鈷含量。鉬含量范圍為從5. 2至12. 3wt. %。鋁含量范圍為從1. 93至4. 30wt. %。 鐵范圍為從小于0. 1直至10. 4wt. %。包括鈦、鈮、鉭、鉿、鎢、釔、硅、碳和硼的微量元素添加 物存在于某些實(shí)驗(yàn)合金中。
[0019] 對(duì)0. 065"至0. 125"（1. 6至3. 2mm)厚度的片材材料進(jìn)行合金的所有測(cè)試。將實(shí) 驗(yàn)合金真空感應(yīng)熔化，并隨后經(jīng)電渣重熔，爐容量為30至501b(13. 6至27. 2kg)。將如此制 成的錠熱鍛和乳制至中間規(guī)格。將所述片材退火、水淬和冷乳來制造所需規(guī)格的片材。經(jīng) 冷乳的片材的中間退火在制造0.065"片材（1.6mm)期間為必要的。根據(jù)需要將經(jīng)冷乳的 片材退火以制造ASTM晶粒尺寸在31/2和41/2之間的完全再結(jié)晶的等軸晶粒結(jié)構(gòu)。
[0020] 表 1
[0021] 實(shí)驗(yàn)合金的組成（以wt. %計(jì)）
[0022]
[0024] 為了評(píng)估關(guān)鍵性質(zhì)（抗氧化性、可制作性、蠕變強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性），對(duì)實(shí)驗(yàn)合金進(jìn) 行四種不同類型的測(cè)試以確定它們對(duì)于預(yù)期應(yīng)用的適用性。在下文的部分中描述這些測(cè)試 的結(jié)果。
[0025] 抗氧化性抗氧化性為先進(jìn)高溫合金的關(guān)鍵性質(zhì)。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器中的 溫度可以是非常高的并且工業(yè)中總是推動(dòng)越來越高的使用溫度。在高至2100°F(1149°C) 下具有極佳抗氧化性的合金將會(huì)是多種應(yīng)用的良好候選物。鎳基合金的抗氧化性強(qiáng)烈地受 到熱暴露時(shí)在合金表面上形成的氧化物的屬性的影響。通常有利的是形成保護(hù)性表面層， 例如富鉻和富鋁氧化物。形成這樣的氧化物的合金通常分別稱為氧化鉻和氧化鋁形成劑。 大多數(shù)鍛造高溫鎳合金為氧化鉻形成劑。然而，少數(shù)氧化鋁形成劑為可商購(gòu)的。一種這樣 的例子為HAYNES?214?合金。