專利名稱：用于先進燃氣渦輪發動機的Ni-Cr-Co合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于高溫用途的可加工高強度合金。特別地，本發明涉及具有足夠的蠕變強度，熱穩定性，和耐應變時效開裂的合金以便允許制造和用在燃氣渦輪機的過渡管 (transition duct)和其它燃氣潤輪機元件。
背景技術：
為滿足日益增加的工作效率的要求，燃氣渦輪發動機設計者希望使用越來越高的工作溫度。然而，材料的性能通常限制了提高工作溫度的能力。具有這種限制的一個應用是燃氣渦輪機過渡管。過渡管通常是由薄板(sheet or thin plate)材料制成的焊接元件因此需要可焊以及可加工。通常在過渡管中使用Y-prime強化合金，因為它們在高溫下具有高的強度。然而，目前可商購的加工Y-prime強化合金既不具有在先進燃氣渦輪機設計理念所要求的極高溫度下使用的強度也不具有在該溫度下使用的穩定性，或者可能在加工期間存在困難。具體地，這樣的一種制造困難是許多加工Y-prime強化合金對應變時效開裂敏感。本文中將更詳細描述應變時效開裂的問題。加工Y -prime強化合金通常是基于鎳-鉻-鈷系統，盡管也使用其它為基礎的系統。這些合金典型具有鋁和鈦的添加物，該添加物可引起Y-prime相Ni3(Al,Ti)的形成。 也可以使用其它Y-prime形成元素,例如銀和/或鉭。使用時效硬化熱處理將該Y-prime 相發展成合金顯微組織。通常當合金處于退火狀態時向該合金提供該熱處理。Y-prime相的存在可以在寬的溫度范圍上引起相當大的合金強化。其它元素添加可包括用于固溶強化的鑰或鎢，用于碳化物形成的碳，和用于改善高溫延展性的硼。應變時效開裂是限制許多Y-prime強化合金的可焊性的問題。當焊接部件在焊接操作之后首次經受高溫時可典型發生這種現象。通常這是在對大多數焊接Y-prime合金加工件的后焊接退火處理期間。該開裂的發生是加熱到退火溫度期間形成Y-prime合金相的結果。強化Y-prime相的形成連同許多這些合金在中間溫度具有的低延展性，以及典型由焊接操作施加的機械約束常?？蓪е麻_裂。該應變時效開裂問題會限制使用合金只能達到一定的厚度，因為更大的材料厚度會引起更大的機械約束。已開發出幾種類型的測試以評價合金對應變時效開裂的敏感性。這些測試包括圓形補塊(circular patch)測試,約束板測試,和多種動態熱-機械測試。一個可用來評價合金對應變時效開裂的敏感性的測試是I960年代開發的受控加熱速率拉伸(CHRT)測試。 近期在Haynes International的測試發現CHRT測試可以按照與現場經驗一致的順序成功排列多種商用合金的敏感性。在CHRT測試中，將薄板拉伸試樣以恒定速率(在Haynes International進行的測試使用每分鐘25° F至30° F的速率)從低溫加熱到測試溫度。 一旦達到測試溫度，以恒定工程應變速率拉伸試樣至斷裂。該測試試樣開始是處于退火(無時效硬化)狀態，因此Y-prime相在加熱階段析出，加熱階段正如同焊接元件經受后焊接熱處理的情形。取測試試樣至斷裂的百分延伸率來度量對應變時效開裂的敏感性(延伸率值越低表明對應變時效開裂的越敏感)。CHRT中的延伸率是測試溫度的函數且通常會在特定的溫度顯示出最小值。對于許多加工Y-prime強化合金，發生這種情況的溫度是 1500° F 左右。先進燃氣渦輪機理念所要求的高溫下的良好強度和熱穩定性是目前許多商品化加工Y-prime強化合金所缺少的兩種性質。長期以來使用蠕變破斷測試來評價高溫強度， 其中在恒溫下對試樣施加恒定的載荷直到試樣斷裂。這時使用到達斷裂的時間，或者破斷壽命來度量在該溫度下的合金強度。熱穩定性度量的是合金的顯微組織是否在受熱期間保持相對不受影響。在受熱期間，許多高溫合金會形成脆的金屬間相或碳化物相。這些相的存在會顯著降低該材料的室溫延展性。使用標準拉伸試驗可有效測量這種延展性的損失。目前的市場上可以購得的許多加工Y-prime強化合金是薄板形式的。1950年代， General Electric開發了用于潤輪發動機的Rene_41或R-41合金(美國專利第2，945，758 號)。該合金具有優異的蠕變強度，但是受不良的熱穩定性和耐應變時效開裂性的限制。 1950年代還開發出類似的General Electric合金，M-252合金(美國專利第2，747，993 號)。雖然目前只能以棒材形式獲得，但是組成使其易于進行薄板制造。M-252合金具有良好的蠕變強度和耐應變時效開裂性，但是類似于R-41該合金也受不良熱穩定性的限制。 The Pratt&Whitney開發的市場上稱為WASPAL0Y合金(無美國專利覆蓋)的合金是另ー 種計劃用于渦輪發動機并且可以以薄板形式得到的Y-prime強化合金。然而，這種合金在1500° F具有以上的微小的蠕變強度，微小的熱穩定性，并且具有相當差的耐應變時效開裂性能。市場上稱為263合金的合金(美國專利第3，222，465號)是1950年代后期開發出并且在1960年由Rolls-Royce Limited引入的。該合金具有優異的熱穩定性和耐應變時效開裂性能，但是該合金在1500° F以上的溫度具有非常差的蠕變強度。PK-33合金 (美國專利第3, 248, 123號)是由International Nickel Company開發的并于1961年引入。這種合金具有良好的熱穩定性和蠕變強度，但是該合金受不良耐應變時效開裂性能的限制。如這些實例顯示，目前市場上沒有具有三種關鍵性能的獨一無ニ的組合的合金良好的蠕變強度和在1600至1700° F溫度范圍內的良好熱穩定性以及良好的耐應變時效開裂性能。

發明內容
本發明的主要目標是提供新的加工可時效硬化鎳-鉻-鈷基合金，該合金適用于高溫燃氣渦輪機過渡管和其它燃氣渦輪機元件，該合金具有三種特定的關鍵性能的組合， 即耐應變時效開裂，良好的熱穩定性，和良好的蠕變破斷強度。據發現使用含如下成分的合金可以實現這個目的一定范圍的鉻和鈷，一定范圍的鑰和可能的鎢，和一定范圍的鋁，鈦和可能的鈮，余量的鎳和各種微量的元素和雜質。具體地,優選的范圍是17至22wt%的鉻,8至15wt%的鈷,4. 0至9. 5wt%的鑰， 至多7. Owt %的鎢，I. 28至I. 65wt %的鋁，I. 50至2. 30wt %的鈦，至多0. 80wt %的鈮，至多 3wt%的鐵，0. 01至0. 2wt%的碳，和至多0. 015wt%的硼，和余量的鎳和雜質。


圖I是所研究的加工可時效硬化鎳-鉻-鈷基合金在1500° F下的受控加熱速率拉伸測試中的延展性的圖樣。圖2是所研究的加工可時效硬化鎳-鉻-鈷基合金在室溫下的標準拉伸測試中的延展性的圖樣。
具體實施例方式這里描述的加工可時效硬化鎳-鉻-鈷基合金具有足夠的蠕變強度，熱穩定性，和耐應變時效開裂性能，從而允許以薄板或厚板形式用在燃氣渦輪機過渡管中，以及以其它的產品形式和用于其它苛刻的燃氣渦輪機應用。通過控制各自具有一定功能的若干重要元素來獲得這些重要性質的組合。Y-prime形成元素例如鋁，鈦，和鈮的存在可通過在時效硬化過程期間形成Y-prime相而對高的蠕變破斷強度有重要作用。然而，必需仔細控制鋁， 鈦，和鈮的總量以便允許良好的耐應變時效開裂性能。加入鑰和可能的鎢，通過固溶強化提供額外的蠕變破斷強度。然而，此外，在這種情形中必需仔細控制鑰和鎢的總濃度以便確保該合金足夠的熱穩定性?；趯ο乱淮細鉁u輪機和過渡管所提出的要求，Y-prime強化合金具有相當大的潛力。三個較為關鍵的性能是蠕變強度，可焊性(即耐應變時效開裂性)，和熱穩定性。 然而，制造這三種性能全都優異的Y -prime強化合金并不容易，而且市場上沒有發現全部三種性能都達到足夠程度的合金。我測試了 26種試驗合金和5種商品化合金,表I種列出了它們的組成。以A至Z 對試驗合金進行標記。商品化合金是HAYNES R-41合金，HAYNES WASPAL0Y合金，HAYNES 263合金，M-252合金，和NMONIC PK-33合金。這些合金(既包括試驗合金也包括商品化合金)具有17. 5至21. 3wt%范圍的Cr含量，以及8. 3至19. 6被％范圍的鈷含量。鋁含量的范圍是0. 49至I. 89wt%，鈦的含量為I. 53至3. 12wt%，且鈮含量的范圍是0至0. 79wt%0 鑰含量的范圍是3. 2至10. 5wt%而鶴的范圍是0至8. 3wt%。有意加入的微量元素碳和硼的范圍分別為0. 034至0. 163wt%和0至0. 008wt%。鐵的范圍是0至3. 6wt%。在厚度為0. 047”至0. 065”的薄板材料上進行合金的所有測試。以50磅的爐容量， 將試驗合金真空感應熔煉，然后進行電渣重熔。在2150° F下對如此制得的錠(ingot)進行均熱然后使用2150° F的起始溫度進行鍛造和軋制。熱軋之后該薄板的厚度為0.085”。 在2150° F下對該薄板進行退火15分鐘然后進行水淬。然后將該薄板冷軋至0.060”的厚度。必要時，在2050至2175° F的溫度下對該冷軋薄板進行退火以產生完全再結晶的、且具有4至5的ASTM晶粒尺寸的等軸晶粒組織。最后，對該薄板材料提供1475° F的時效硬化熱處理并持續8小時以便產生Y-pr ime相。得到的商品化合金HAYNES R-41合金， HAYNES WASPAL0Y合金，HAYNES 263合金，和NMONIC PK-33合金為薄板形式并且處于廠內退火狀態。由于沒能得到市售的M-252合金薄板，使用與上述試驗合金相同的方法制造50 磅的爐量(heat)用于評價。依照公認的標準對全部的五種商品化合金提供退火后時效硬化熱處理。表2種記錄了這些熱處理。為評價上文認為重要的三種性能(耐應變時效開裂性，熱穩定性，和蠕變強度)， 對每種合金進行三個不同的測試。第一個測試是受控加熱速率拉伸測試(CHRT)。表3中
8給出了 CHRT測試的結果。該測試中的關鍵性能是拉伸延展性，通過測量達到破壞時的延伸率來測量該性能。在該測試中，具有更大延展性的合金被認為具有更大的耐應變時效開裂性能。本發明研究工作的目標是具有4. 5%或更大的延展性。在試驗的合金中，只有合金 W不能滿足這個要求。對于商品化的合金，M-252和263合金滿足該要求，而PK-33合金， WASPAL0Y合金，和R-41合金不滿足。據發現CHRT測試中指定合金的性能可使用下式(其中元素組成以wt%表示)與合金中的Y-prime形成元素的量相聯系Al+0. 56Ti+0. 29Nb < 2. 9(1)表I中給出了該研究中所有合金的式⑴左側的值。發現所有通過CHRT測試的合金都服從式(I)。此外，所有不服從式(I)的合金都沒有通過CHRT測試的要求，即據發現它們具有小于4. 5%的1500° F CHRT延展性。圖I中清楚地顯示了這種關系，其中繪出了研究中的所有合金其1500° F CHRT延展性相對于式(I)左側值的圖樣。針對退火狀態的試樣進行所有的測試。繪出了拉伸延展性(以破壞時的百分比延伸率度量)作為組成變量Al+0. 56Ti+0. 29Nb (其中元素組成以wt%表示)函數的圖樣。在圖中畫出了對應于 4. 5%拉伸延展性的直線。認為該直線之上標繪出的所有合金(符號實心圓)通過了受控加熱速率拉伸測試，而認為該直線之下標繪的合金(符號X標記)未能通過。在組成變量 Al+0. 56Ti+0. 29Nb值為2. 9被％處畫一條垂直虛線。發現其值大于2. 9的所有合金未能通
過受控加熱速率拉伸測試。
權利要求
1-種鎳-鉻-鈷基合金，其具有如下組成·17 至 22wt%鉻·8 至 15wt%鈷·4. O 至 9. 5wt%鉬至多7. Owt%鎢I. 39 至 I. 65wt%鋁·1.50S2.30wt%欽至多 O. 80wt%鈮·O. 01 至 O. 2wt%碳至多 O. 015wt%硼·O. 2 至 2. 6wt%鐵至多 0. 05wt%鋯至多1. 5wt%鉭余量的鎳和雜質，此外該合金滿足以重量百分比表示的用元素量限定的如下的組成關·2.2 < A1+0. 56Τ +0. 29Nb < 2. 9·6.5 < Mo+0. 52W < 9· 5。
2.權利要求I的鎳-鉻-鈷基合金，該合金還包含下列元素中的至少一種至多.1.5wt%的猛，至多O. 5wt%的娃，和至多O. 5wt%的銅。
3.權利要求I的鎳-鉻-鈷基合金，該合金還包含至少一種選自鎂，鈣，鉿，釔，鈰和鑭的元素，其中每種所述元素在合金中的含量至多為O. 5wt%。
4.權利要求I的鎳-鉻-鈷基合金，其中該合金是選自薄板，厚板，棒材，線材，管材和鍛件的加工形式。
5.權利要求I的鎳-鉻-鈷基合金，其中該合金是鑄造形式。
6.權利要求I的鎳-鉻-鈷基合金，其中該合金是噴射成型的。
7.權利要求I的鎳-鉻-鈷基合金，其中該合金是粉末冶金的形式。
8.權利要求I的鎳-鉻-鈷基合金，其中該合金成型為燃氣渦輪發動機的元件。 適合用于燃氣渦輪發動機過渡管的鎳-鉻-鈷基合金，該合金具有如下的組成
9..17. 5 至 21. 3wt%鉻.8. 3 至 14. 2wt%鈷.4. 3 至 9. 3wt%鉬至多7. Owt%鎢.1. 39 至 I. 63wt%鋁.1. 59 至 2. 28wt%欽至多 O· 79wt%鈮.0. 034 至 O. 097wt%碳.0. 002 至 O. 007wt%硼.0. 2 至 2. 6wt%鐵至多 O· 05wt%鋯至多I. 5wt%鉭余量的鎳和雜質，此外該合金滿足以重量百分比表示的用元素量限定的組成關系.2.35 < A1+0. 56Τ +0. 29Nb < 2. 84.7.I < Mo+0. 52W < 9· 3。
10.權利要求9的鎳-鉻-鈷基合金，該合金還包含下列元素中的至少一種至多.1.5wt%的猛，至多O. 5wt%的娃，和至多O. 5wt%的銅。
11.權利要求9的鎳-鉻-鈷基合金，該合金還包含至少一種選自鎂，鈣，鉿，釔，鈰和鑭的元素，其中每種所述元素在合金中的含量至多為O. 05wt%。
12.權利要求9的鎳-鉻-鈷基合金，其中該合金是選自薄板，厚板，棒材，線材，管材和鍛件的加工形式。
13.權利要求9的鎳-鉻-鈷基合金，其中該合金是鑄造形式。
14.權利要求9的鎳-鉻-鈷基合金，其中該合金是噴射成型的。
15.權利要求9的鎳-鉻-鈷基合金，其中該合金是粉末冶金的形式。
16.權利要求9的鎳-鉻-鈷基合金，其中該合金成型為燃氣渦輪發動機的元件。
17.具有多種金屬元件的類型的改進的燃氣渦輪發動機，其中該改進包括基本上由下列成分組成的至少一個金屬元件.17 至 22wt%鉻.8 至 15 wt%鈷.4· O 至 9· Swt%鉬至多7. Owt%鎢.1. 39 至 I. 65wt°/ 鋁.1. 50 至 2. 30wt°/ 鈥至多 O. 80wt°/ 銀.0. 01 至 O. 2wt%碳至多 O. 015wt%硼.0. 2 至 2. 6wt%鐵至多 O. 05wt%鋯至多I. 5wt%鉭余量的鎳和雜質，此外該合金滿足以重量百分比表示的用元素量限定的組成關系 2. 2 < A1+0. 56Τ +0. 29Nb < 2. 9.6. 5 18. 19.< Mo+0. 52W 權利要求17 權利要求17< 9. 5o
18.權利要求17的改進的燃氣渦輪發動機，其中至少一個金屬元件是過渡管。
19.權利要求17的改進的燃氣渦輪發動機，其中至少一個金屬元件基本上由下列成分組成.17. 5 至 21. 3wt%鉻.8. 3 至 14. 2wt%鈷.4. 3 至 9. 3wt%鉬至多 7. OwtVo鎢.1. 39 至 I. 63wt%鋁.1. 59 至 2. 28wt%鈦.至多 O. 79wt%銀.0. 034 至 O. 097wt%碳.0. 002 至 O. 007wt%硼.0. 2 至 2. 6wt%鐵至多 O. 05wt%鋯至多I. 5wt%鉭余量的鎳和雜質，此外該合金滿足以重量百分比表示的用元素量限定的組成關系 2. 35 < A1+0. 56Τ +0. 29Nb < 2. 84.7. 1 < Mo+0. 52W < 9. 3。
20. 一種鎳-鉻-鈷基合金，其具有如下組成.17 至 22wt%鉻.8 至 15wt%鈷.4. 0 至 9. lwt%鉬至多7. Owt%鎢.1. 39 至 I. 65wt%鋁.1. 50 至 2. 30wt%欽至多 0. 80wt%鈮0. 01 至 0. 2wt%碳至多 0. 015wt%硼至多I. 5wt%鉭小于 0. 02wt%鋯余量的鎳和雜質，此外該合金滿足以重量百分比表示的用元素量限定的如下的組成關.2. 2 < A1+0. 56Τ +0. 29Nb < 2. 9 6. 5 < Mo+0. 52W ≤ 9. 1。
21. 一種鎳-鉻-鈷基合金，該合金包含 20% Cr, 10% Co, 8. 5% Mo, 2. 1% Ti,I. 5% Al, I. 5% Fe，至多 O. 3% Mn，至多 O. 15% Si，至多 0. 05% Zr，至多 O. 06% C，至多 O. 005% B，和余量的鎳和雜質。
全文摘要
本發明涉及用于先進燃氣渦輪發動機的Ni-Cr-Co合金。本發明公開了適合用于高溫燃氣渦輪發動機過渡管的加工可時效硬化鎳-鉻-鈷基合金，該合金具有三種特別關鍵性能的組合，即耐應變時效開裂性，良好的熱穩定性，和良好的蠕變破壞強度，且包含17至22wt％的鉻，8至15wt％的鈷，4.0至9.5wt％的鉬，至多7wt％的鎢，1.28至1.65wt％的鋁，1.50至2.30wt％的鈦，至多0.80wt％的鈮，0.01至0.2wt％的碳，至多0.01wt％的硼，和至多2.6wt％的鐵，和余量的鎳和雜質。某些合金化元素的存在量必需依照這里所公開的兩個式。
文檔編號C22C19/05GK102586652SQ20121005773
公開日2012年7月18日 申請日期2005年6月17日 優先權日2004年9月3日
發明者L·M·小派克 申請人:海恩斯國際公司