專利名稱：具有改善的劣化行為的鎳基高溫合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及材料技術領域。所涉及的是一種鎳基高溫合金 (Nickel-Basis-Superlegierung)，尤其用來生產單晶部件(SX合金)或者具有定向凝固結 構(gerichtet erstarrtem Gefuge)的部件(DS合金)，例如燃氣輪機的葉片，該鎳基高溫 合金的特征在于改善的劣化行為(Degradationsverhalt)。
背景技術：
鎳基高溫合金是已知的。這些合金制成的單晶部件在高溫下具有非常好的材料強 度。由此可以力圖提高燃氣輪機(Gasturbine)的進氣溫度，從而提高燃氣輪機的效率。用于單晶部件的鎳基高溫合金(例如由US 4, 643, 782, EP O 208 645和US 5，270，123已知)為此含有混合晶體硬化合金元素，例如Re、W、Mo、Co、Cr，以及形成 Y ‘-相的元素，例如Al、Ta和Ti?；w(奧氏體Y-相)中高熔點合金元素(W、Mo、Re) 的含量隨合金的負荷溫度增大而連續增大。這樣，例如用于單晶的常規鎳基高溫合金含有 6-8% W、至多6%的Re和至多2%的Mo (均以重量％給出)。上述出版物所公開的合金均 具有高的蠕變強度、良好的LCF(低周疲勞)和HCF(高周疲勞)特性以及高的抗氧化性。這些已知的合金都是專為飛機渦輪而開發的，因此針對短期和中期使用優化，即 將負荷持續時間長度設計為至多20000小時。而工業燃氣輪機部件則與此不同，必須將其 負荷持續時間設計為至多75000小時。例如，在燃氣輪機中的試驗性使用中，得自US 4，643，782的合金CMSX-4在高于 1000°c的溫度下經過300小時負荷持續時間之后顯示出強烈的Y ‘“相粗化，這不利地導 致合金的蠕變速度增大。還需要改善已知合金在極高溫度下的耐氧化性。例如按照文件US4，719，080所 述，加入Pt、Pd、Ru和Os有利于提高該文件所述單晶高溫合金的抗氧化性和耐腐蝕性，且這 些元素的總份額應為0 10重量％。已知鎳基高溫合金例如由US 5，435，861已知的合金的另一個問題在于，大型部 件(例如長度大于80mm的燃氣輪機葉片)的可鑄造性不盡人意。很難用鎳基高溫合金鑄造 完美無缺的相對大型定向凝固單晶部件，因為這些部件多數具有缺陷，例如小角晶界、“雀 斑(Freckles)”(具有高共晶體含量的整直(gleichgerichtet)晶粒鏈引起的缺陷)、等軸 散射晶界(Streugrenz)、微孔率等等。這些缺陷會使得部件在高溫下弱化，從而無法達到所 需的渦輪機使用壽命或者工作溫度。但由于鑄造無缺陷單晶部件極其昂貴，工業界傾向于 容忍一定數量的缺陷，只要不會影響使用壽命或工作溫度即可。最為常見的缺陷之一是那些尤其損害單晶部件高溫特性的晶界。小角晶界在小型 部件中相對少出現，但是對于大型SX或DS構件的可鑄造性、機械特性以及高溫下的氧化行 為而言很重要。晶界是晶格的高度局部無序區域，這是因為在這些區域中相鄰晶粒相互碰撞 (zusammenstossen)，從而在晶格之間存在一定的錯誤取向(Desorientierung)。取向錯誤程度越大，則無序度越大，也就是晶界中用來使兩個晶粒相互配合的位錯數越大。這種無序 度與材料在高溫下的行為有直接關系。如果溫度高于等內聚溫度(=0. 5x熔點(K))，則會 使材料弱化。由GB 2 234 521 A已知這種效應。在傳統型鎳基單晶合金和例如在871°C試驗溫 度下，如果晶粒的錯誤取向度大于6°，其斷裂強度就會急劇下降。即使在定向凝固結構的 單晶部件情況下，也發現了這種現象，因此一般存在這樣的觀點，不允許錯誤取向大于6°。由上述GB 2 234 521 A還已知的是，在定向凝固時增加鎳基高溫合金的硼或碳含 量，產生具有等軸或者棱柱狀晶粒構造的結構。碳和硼增強晶界，這是因為碳和硼引起在晶 界上析出碳化物和硼化物，它們在高溫下是穩定的。此外存在于晶界之中或者沿著晶界存 在的這些元素還會減少擴散過程，擴散過程是晶界削弱的主要原因。因此可以將取向錯誤 度提高到10° 12°，并盡管如此仍然可以在高溫下實現良好的材料特性。但是，特別是 在由鎳基高溫合金制成的大型單晶部件情況下，這些小角晶界對于特性有不利影響。由EP 1 359 231 Bl已知用于制備單晶部件的鎳基高溫合金，與上述合金相比該 合金具有改善的可鑄造性，和提高的抗氧化性，特征在于以下化學組成(以重量％給出)7. 7-8. 3Cr5. 0-5. 25Co2. 0-2. IMo7. 8-8. 3ff5. 8-6. ITa4. 9-5. IAl1. 3-1. 4Ti0. 11-0. 15Si0. 11-0. 15Hf200-750ppm C50-400ppm B余量的鎳和生產引起的雜質。在澆鑄過程之后對這類高溫合金進行熱處理，在第一固溶退火步驟使得鑄造期間 在結構中不均勻析出的Y ’ _相完全或部分溶解。在第二熱處理步驟中使得該相重新受控 析出。為了實現最佳特性，如此進行這種析出熱處理，使得在Y-相(=基體)中產生細小 均勻分布的Y'-相粒子。已發現如果在長時間高溫負荷下受到機械負荷作用(蠕變應力)，或者在材料承 受高溫負荷而出現塑性變形之后，會在這類合金的結構中引起Y ‘ _粒子定向粗化，也就 是所謂形成筏(rafting)。在高Y ‘-含量情況(即Y ‘ _體積份額至少為50% )，這就 會導致微觀結構轉變，也就是Y ‘變為連續相，其中已嵌入了之前的Y-基體。熱處理(高 溫退火)之后出現的高溫合金塑性變形也會形成這種結構變化。由于金屬間Y ‘-相傾向于環境脆化(environmental embrittlement)，隨后這 就會在某些負荷條件下導致機械特性(主要是屈服強度)在室溫下(25°C )與沒有承受這 類蠕變應力的試樣相比大大下降。這種屈服強度變差稱作性能“退化(Degradierimg)”(參 見Pessah—Simonetti，P. Caron禾口T. Khan :Effeet of long-term prior aging on tensilebehaviour of high—performance single crystal superalloy,Journal de Physique IV, Colloque C7，第 3 卷，1993 年 11 月)。但如果并非在室溫下、而是在例如950°C的高試驗溫度下進行拉伸試驗，那么在受 到不同負荷的材料之間則不存在或者幾乎不存所述的屈服強度和可鍛性差異。

發明內容
本發明的目的在于避免上述缺點。本發明基于如下任務開發上述類型的鎳基高 溫合金，其特征在于改善的劣化行為，例如在高溫下經受長時間機械負荷之后，在室溫下存 在盡可能高的(剩余)強度％硬度。根據本發明，上述任務通過如下方式解決根據本發明的具有改善的劣化行為的 鎳基高溫合金，其特征在于以下化學組成(以重量％給出)7. 7-8. 3Cr5. 0-5. 25Co2. 0-2. IMo7. 8-8. 3ff5. 8-6. ITa4. 9-5. IAl1. 3-1. 4Ti0. 1-0. 6Pt0. 1-0. 5Nb0. 11-0. 15Si0. 11-0. 15Hf200-750ppm C50-400ppm B余量的鎳和生產引起的雜質。本發明的優點在于，該合金具有由EP 1 359 231 Bl已知合金的非常好的特性 (好的可鑄造性，高溫下有好的抗氧化性，好的持久強度)，而且在經過預先高溫蠕變應力 之后屈服強度在室溫下不會下降，也就是具有良好的劣化行為。如果合金具有以下組成(以重量％給出)，則特別有益7.7-8.3Cr
5.0-5.25Co
2.0-2.IMo
7.8-8.3ff
5.8-6.ITa
4.9-5.IAl
1.3-1.4Ti
0.1-0.5Pt
0.1-0.2Nb
0.11-0. 15Si
0. 11-0. 15Hf200-300ppm C50-100ppm B余量的鎳和生產引起的雜質。特別優選的合金具有以下化學組成(以重量％給出)8Cr5Co2Mo8ff6Ta5A11. 4Ti0. 5Pt0. 2Nb0. ISi0. IHf200ppm C80ppm B余量的鎳和生產引起的雜質。這種合金特別適用于生產大型單晶部件，例如用于 燃氣輪機的葉片。


附圖中示出本發明的工作實施例。其中附圖1各自示出對比合金的顯微照片，a)初始狀態下，以及b)經過冷軋并且隨后在1050°C溫度下進行204小時高溫處理之后；附圖2各自示出本發明的合金的顯微照片，a)初始狀態下，以及b)經過冷軋并且隨后在1050°C溫度下進行204小時高溫處理之后；附圖3對比合金VL和本發明的合金L的硬度與各組織狀態((iefUgezustand)之 間的關系。
具體實施例方式以下將根據附圖1 3的工作實施例，對本發明進行詳細闡述。對具有表1中給 出的化學組成的鎳基高溫合金進行研究(以重量％給出)
權利要求
1.具有改善的劣化行為的鎳基高溫合金，特征在于以下化學組成(以重量％給出): 7. 7-8. 3Cr/5. 0-5. 25Co/2.0-2. IMo 7. 8-8. 3ff 5. 8-6. ITa/4.9-5. IAl/1.3-1. 4Ti 0. 1-0. 6Pt 0. 1-0. 5Nb 0. 11-0. 15Si/0.11-0. 15Hf 200-750ppm C 50-400ppm B余量的鎳和生產引起的雜質。
2.根據權利要求1所述的鎳基高溫合金，尤其用于生產單晶部件，特征在于以下化學 組成(以重量％給出)/7. 7-8. 3Cr/5.0-5. 25Co/2.0-2. IMo 7. 8-8. 3ff 5. 8-6. ITa 4. 9-5. IAl/1.3-1. 4Ti 0. 1-0. 5Pt 0. 1-0. 2Nb 0. 11-0. 15Si/0.11-0. 15Hf 200-300ppm C 50-100ppm B余量的鎳和生產引起的雜質。
3.根據權利要求2所述的鎳基高溫合金，特征在于以下化學組成(以重量％給出) 8Cr/5Co 2Mo 8ff 6Ta 5A1 1.4Ti/0. 5Pt /0. 2Nb /0. 1Si /0. 1Hf /200ppm C /8/0ppm B余量的鎳和生產引起的雜質。
全文摘要
本發明涉及具有改善的劣化行為的鎳基高溫合金，具體地，涉及一種鎳基高溫合金。本發明所述合金的特征在于以下化學組成(以重量％給出)7.7-8.3Cr、5.0-5.25Co、2.0-2.1Mo、7.8-8.3W、5.8-6.1Ta、4.9-5.1Al、1.3-1.4Ti、0.1-0.6Pt、0.1-0.5Nb、0.11-0.15Si、0.11-0.15Hf、200-750、優選200-300ppm C、50-400、優選50-100ppm B，余量的鎳和生產引起的雜質。其特征在于改善的劣化行為。
文檔編號C22C19/05GK102146538SQ20111005288
公開日2011年8月10日 申請日期2011年2月1日 優先權日2010年2月5日
發明者A·金茨勒, C·P·格德斯, M·納茲米 申請人:阿爾斯托姆科技有限公司