專利名稱：鎳－基超合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鎳-基超合金，該合金特別適于制造單晶-部件。
背景技術(shù)：
鎳-基超合金用于制造單晶-部件或定向固化組件，特別是氣輪機(jī)的渦輪葉片。采用這種單晶部件可使高溫下的材料強(qiáng)度達(dá)最高。由此可提高氣輪機(jī)的入口溫度，從而提高氣輪機(jī)的效率。
單晶-合金含有混晶固化元素，諸如，Re、W、Mo、Co、Cr以及γ’-相組成元素，諸如Al、Ta、和Ti。無缺陷的單晶-超合金鑄件之特點(diǎn)在于其較高的蠕變強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及抗氧化能力。另一方面，制造無缺陷的單晶部件，特別是氣輪機(jī)的葉片，甚為困難，特別是在部件大，幾何形狀復(fù)雜的情況下尤為困難。因此，形成小角度晶界是大型單晶-部件的特征性缺陷。
通常的單晶-超合金，諸如公布于US4,459,160、US4,643,782和EP076360的超合金，選擇了盡可能小的碳和硼含量(C≤150ppm,B≤30ppm)，避免使用另一些晶界固化元素，諸如Zr、Ce等，以便使單晶-超合金具有大的熱處理窗(Wrmebehandlungsfenster)。在這種合金中小角晶界甚弱，因而不可接受。用C和B含量低的合金制成之大型單晶-部件的橫向力學(xué)性能甚差，因此，甚至在鑄造時(shí)部件可能發(fā)生斷裂。小角晶界在此起了氧化和腐蝕過程中擴(kuò)散途徑的作用。
這種合金曾為飛機(jī)用渦輪機(jī)研制的，因而只對(duì)短期和中期性能進(jìn)行優(yōu)化，即其使用壽命設(shè)計(jì)為20000小時(shí)。為對(duì)該合金在高溫和高壓力下的蠕變壓力進(jìn)行最優(yōu)化，應(yīng)使其具有正的熱處理窗，即無需合金的局部初熔就可使初級(jí)γ’相完全溶解。
與前言所述之合金相反，諸如GB2234521,EP240451和EP208645所公開的，C-,B-和Hf-含量較高的單晶-超合金明顯有較高的橫向斷裂物性。小角晶界的抗氧化和抗腐蝕性仍然是低的。此外，縱向LCF(低荷載循環(huán)次數(shù)疲勞)性能比前述合金低10％，其原因在于生成條狀碳化物的有害影響。
發(fā)明概述本發(fā)明之目的在于，在鎳-基超合金情況下，特別是用于制造前言中所提及類型的大型單晶-部件以及在大鑄件時(shí)，提高縱向和橫向疲勞強(qiáng)度，同時(shí)得到良好的抗氧化和抗腐蝕能力。
本發(fā)明通過第一權(quán)利要求的特征部分達(dá)到上述目的。
因此，本發(fā)明的核心在于，該鎳-基超合金的基本組成(以％(重量)計(jì))如下6.0-6.8％Cr、8.0-10.0％Co、0.5-0.7％Mo、6.2-6.6％W、2.7-3.2％Re、5.4-5.8％Al、0.6-1.2％Ti、6.3-7.0％Ta、0.15-0.3％Hf、0.02-0.04％C、40-100ppmB、15-50ppmMg、0-400ppmY，其余為鎳及雜質(zhì)。
在本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)中值得指出，合金所含諸如C、B、Hf等晶界-元素的量對(duì)小角晶界具有有利的影響，所生成的碳化物非常精細(xì)并呈島形。而且碳化物主要分布在小角晶界，從而使單晶-部件的縱向和橫向力學(xué)性能和疲勞強(qiáng)度得到有效的改進(jìn)。
添加Mg與B,C和Hf相組合，會(huì)阻礙沿小角晶界的擴(kuò)散，從而提高小角晶界的抗氧化能力。
特別適宜的是使Hf=(8-12)*C,B=(0.18-0.25)*C,Mg=(0.08-0.2)*C或Hf∶C∶B∶Mg=100∶10∶2∶1(以％(重量)計(jì))。從而對(duì)合金的縱向和橫向力學(xué)性能、疲勞強(qiáng)度、小角晶界的抗氧化能力產(chǎn)生有利的影響。
本發(fā)明的其它有利特點(diǎn)列于各從屬權(quán)利要求。
發(fā)明的實(shí)施途徑與前言提及的US4,459,160、US4,643,782和EP076360的合金相反，設(shè)計(jì)壽命為75000小時(shí)的工業(yè)氣輪機(jī)部件的只進(jìn)行部分固溶液處理，這樣可保留部分初級(jí)γ’相，這對(duì)于阻礙單晶-結(jié)構(gòu)的再結(jié)晶是必要的。因此采用一種熱處理，它使初級(jí)γ’相溶解90-97％，這就可能采用晶界-元素，而這些元素通常基于其具有降低局部初熔溫度的傾向而在單晶-超合金中不采用。這些晶界元素，諸如C、B、Hf和Mg對(duì)小角晶界具有利影響。
與前言中提及的GB2234541、EP240451和EP208645的合金相反，本發(fā)明不僅使橫向力學(xué)性能，而且還使小角晶界的抗腐蝕和抗氧化能力以及疲勞強(qiáng)度得到改善。
本發(fā)明的合金是為鑄造定向固化的大型單晶-部件研制的，其基本組成(以％(重量)計(jì))為Cr 6.0-6.8Co 8.0-10.0Mo 0.5-0.7W 6.2-6.6Re 2.7-3.2Al 5.4-5.8Ti 0.6-1.2Ta 6.3-7.0Hf 0.15-0.3C 0.02-0.04B 40-100ppmMg 15-50ppmNi 余量，以及不可避免的雜質(zhì)其中Hf=(8-12)*C，優(yōu)選10*C；B=(0.18-0.25)*C，優(yōu)選0.2*C；Mg=(0.08-0.2)*C，優(yōu)選0.1*C；或Hf∶C∶B∶Mg=100∶10∶2∶1表1將從本發(fā)明范圍內(nèi)選出的合金L1和L2與幾種參比合金VL10-VL17進(jìn)行對(duì)比。參比合金的化學(xué)組成在本發(fā)明的化學(xué)組成范圍之外。參比合金VL16和VL17是市售的合金“CMSX-4”和“RenéN5”，它取自表1中所列出版文件US4,643,782和US5,270,123。
表2將本發(fā)明的合金L1和L2的LCF-性質(zhì)與某些參比合金進(jìn)行對(duì)比。表2列出了對(duì)稱LCF循環(huán)R=-1、總拉伸Δεtot=1.2％下直至失效的循環(huán)數(shù)Nf。
表3將本發(fā)明的合金L1和L2的循環(huán)抗氧化能力與某些參比合金進(jìn)行對(duì)比。
參比合金VL10是GB2234521、EP240451和EP208645所公布的合金的典型例子，該合金的C-、B-、和Hf-含量較高。由于沿小角晶界生成碳-硼化物，VL10的橫向力學(xué)性能有所改善。對(duì)用參比合金VL10制造的大型渦輪葉片進(jìn)行的金屬學(xué)研究表明，生成的碳化物為條狀結(jié)構(gòu)并幾乎均勻分布在體積中。因此，只有結(jié)合在小角晶界的碳-硼化物中的少量碳對(duì)其力學(xué)行為具有有利作用。其余份額的C在合金中形成條狀碳化物，從表2可以看出，這種碳化物使其縱向疲勞強(qiáng)度降低。
少量合金元素Mg，約為碳含量的10-20％，與雙倍量的B和Hf相組合，可大大改變單晶-超合金中的碳化物生成過程。本發(fā)明合金L1和L2中的碳化物極為精細(xì)并呈島狀，與之相反，在參比合金VL10中碳化物呈薄片狀。碳化物在合金體積中的分布是不均勻地集中在小角晶界處。強(qiáng)烈地向晶界偏析的Mg影響碳化物形成元素Hf,Ta和Ti的偏析，并且Mg與這些元素進(jìn)行相互作用。Mg的較大原子半徑大使小角晶界的晶格發(fā)生強(qiáng)烈的畸變，從而使C在小角晶界上的偏析容易進(jìn)行。由此沿晶界生成的精細(xì)和密集的碳-硼化物結(jié)構(gòu)使單晶-部件的橫向性能和疲勞強(qiáng)度同時(shí)得到改善。與此相反，參比合金VL10中由于形成薄片狀碳化物而使疲勞強(qiáng)度降低。
從表2的參比例VL11可以看出，當(dāng)Mg的含量超過50ppm，其橫向力學(xué)性能急劇下降。其原因在于沿晶界形成了粗粒碳化物和Ni-Mg化合物。
在B含量(相當(dāng)于參比合金VL12)或Hf含量(相當(dāng)于參比合金VL13)，不足的情況下，析出有害的粗粒碳化物。它導(dǎo)致表2中VL12和VL13的低劣LCF-性能。
如果B-和Hf-含量過高，則生成低熔點(diǎn)共晶，參比合金VL14就是這種情況，它導(dǎo)致低劣的LCF性能。
如果C的含量過高(相當(dāng)于參比合金VL15)，在橫向強(qiáng)度方面無任何改善，還使其縱向性能變壞。
小角晶界的存在亦有害于單晶-部件的抗氧能力。小角晶界對(duì)于氧化產(chǎn)物起擴(kuò)散途徑的作用，沿小角晶界的氧化比無缺陷單晶-超合金更為劇烈。從表3可以看出，相當(dāng)于VL10添加B、C和Hf只稍微提高小角晶界的抗氧化能力。
相當(dāng)于合金L1和L2添加Mg與B、C和Hf相組合，導(dǎo)致非常有利的小角晶界的抗氧化能力。這可通過鎂“俘獲”氧-和硫-原子，生成Mg-O-S化合物來解釋，該化合物阻礙了沿小角晶界的擴(kuò)散。
還可添加另一元素釔。含量達(dá)400ppm，特別是含量為10-400ppm的釔能改善抗氧化和抗腐蝕能力。提高Y含量使延展性降低。但摻雜Y的合金要求專門的鑄造技術(shù)以防止鑄模和金屬之間發(fā)生反應(yīng)。
本發(fā)明之合金特別適于熱處理，其處理工序如下在850-1100℃下退火，特別是在930-970℃處理1-4小時(shí)和在1030-1070℃下處理2-20小時(shí)；再加熱到1200℃；以小于或等于1℃/min的加熱速度加熱到1200℃＜T≤1300℃，特別是以約0.5℃/min的加熱速度；在1300℃≤T≤1315℃的溫度下進(jìn)行多級(jí)勻質(zhì)化和固溶過程，特別是在約1300℃下處理約2小時(shí)，再在1310℃下處理6-12小時(shí)。
在熱處理的優(yōu)點(diǎn)中值得指出，通過本方法排除了位錯(cuò)源，從而阻礙另一位錯(cuò)的產(chǎn)生。另外，避免了加熱過程中的再結(jié)晶及促使位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的湮滅。通過多級(jí)勻質(zhì)化和固溶過程可使材料工件具有很高的勻質(zhì)度。殘留的1-4％(體積)的共晶足以牽制再結(jié)晶晶粒的晶界。
當(dāng)然，本發(fā)明不限于所列舉和所描述的實(shí)施例。本發(fā)明之合金亦可用于制造在高溫下需要保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和良好力學(xué)性能的其它機(jī)器的大型部件。
表1合金的化學(xué)組成，其余為Ni
表2單晶-超合金的LCF-性質(zhì)
表3單晶-超合金直循環(huán)下的抗氧化能力
權(quán)利要求
1．一種鎳-基超合金，該合金特別適于制造單晶部件，其基本組成如下(以％(重量)計(jì))6.0-6.8％Cr、8.0-10.0％Co、0.5-0.7％Mo、6.2-6.6％W、2.7-3.2％Re、5.4-5.8％Al、0.6-1.2％Ti、6.3-7.0％Ta、0.15-0.3％Hf、0.02-0.04％C、40-100ppmB、15-50ppmMg、0-400ppmY，其余為鎳和雜質(zhì)。
2．權(quán)利要求1的鎳-基超合金，其特征在于，其組成為(以％(重量)計(jì))6.2-6.4％Cr、9.4-9.6％Co、0.6％Mo、6.5-6.7％W、2.9-3.1％Re、5.7％Al、0.7-0.9％Ti、6.6-6.8％Ta、0.25-0.3％Hf、0.02-0.03％C、50-60ppmB、25-40ppmMg，其余為鎳及雜質(zhì)。
3．權(quán)利要求1或2的鎳-基超合金，其特征在于，Hf=(8-12)*C、B=(0.18-0.25)*C、Mg=(0.08-0.2)*C、或Hf∶C∶B∶Mg=100∶10∶2∶1(以％(重量)計(jì))。
4．權(quán)利要求1,2或3的鎳-基超合金，其特征在于，Hf=10*C和/或B=0.2*C和/或Mg=0.1*C。
5．權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)的鎳-基超合金，其特征在于，Y的含量為10-400ppm。
6．一種鎳-基超合金-單晶部件，其組成為(以％(重量)計(jì))6.0-6.8％Cr、8.0-10.0％Co、0.5-0.7％Mo、6.2-6.6％W、2.7-3.2％Re、5.4-5.8％Al、0.6-1.2％Ti、6.3-7.0％Ta、0.15-0.3％Hf、0.02-0.04％C、40-100ppmB、15-50ppmMg、0-400ppmY，其余為鎳及雜質(zhì)。
7．權(quán)利要求6的鎳-基超合金-單晶部件，其特征在于，其組成為(以％(重量)計(jì))6.2-6.4％Cr、9.4-9.6％Co、0.6％Mo、6.5-6.7％W、2.9-3.1％Re、5.7％Al、0.7-0.9％Ti、6.6-6.8％Ta、0.25-0.3％Hf、0.02-0.03％C、50-60ppmB、25-40ppmMg，其余為鎳及雜質(zhì)。
8．權(quán)利要求6或7的鎳-基超合金-單晶部件，其特征在于，Hf=(8-12)*C、B=(0.18-0.25)*C、Mg=(0.08-0.2)*C、或Hf∶C∶B∶Mg=100∶10∶2∶1(以％(重量)計(jì))。
9．權(quán)利要求6,7或8的鎳-基超合金-單晶部件，其特征在于，Hf=10*C和/或B=0.2*C和/或Mg=0.1*C
10．權(quán)利要求6-9中任一項(xiàng)的鎳-基超合金-單晶部件，其特征在于，該單晶部件為氣輪機(jī)的葉片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鎳—基超合金,該合金特別適于制造大型單晶部件,其基本組成(以%(重量)計(jì))為:6.0—6.8%Cr、8.0—10.0%Co、0.5—0.7%Mo、6.2—6.6%W、2.7—3.2%Re、5.4—5.8%Al、0.6—1.2%Ti、6.3—7.0%Ta、0.15—0.3%Hf、0.02—0.04%C、40—100ppmB、15—50ppm Mg,其余為鎳及雜質(zhì)。
文檔編號(hào)C22C19/05GK1222199SQ97195550
公開日1999年7月7日 申請(qǐng)日期1997年6月9日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月17日
發(fā)明者M·肯特, M·紐納姆, C·特內(nèi)斯 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司