包含鐵的澆鑄鎳基高溫合金的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種澆鑄鎳基高溫合金，其包含添加以替代鎳的鐵。所述澆鑄鎳基高溫合金以重量％計包含約1-6％的鐵、約7.5-19.1％的鈷、約7-22.5％的鉻、約1.2-6.2％的鋁、任選的至多約5％的鈦、任選的至多約6.5％的鉭、任選的至多約1％的Nb、約2-6％的W、任選的至多約3％的Re、任選的至多約4％的Mo、約0.05-0.18％的C、任選的至多約0.15％的Hf、約0.004-0.015的B、任選的至多約0.1％的Zr，和余量Ni和偶然混入的雜質。所述高溫合金的特征在于下述γ’溶線溫度和γ’的摩爾分數，所述γ’溶線溫度在不包含1-6％的Fe的高溫合金的γ’溶線溫度的5％以內，所述γ’的摩爾分數在不包含1-6％的Fe的高溫合金的摩爾分數的15％以內。
【專利說明】包含鐵的澆鑄鎳基高溫合金
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種包含少量鐵的成本有效的鎳基高溫合金，更具體地涉及一種用于 渦輪翼型應用中的包含低重量百分比的鐵來替代鎳的澆鑄鎳基高溫合金。
【背景技術】
[0002] 位于燃氣渦輪發動機的高溫部段中的部件通常由高溫合金形成，所述高溫合金包 括鎳基高溫合金、鐵基高溫合金、鈷基高溫合金和它們的組合。燃氣渦輪發動機的高溫部段 包括燃燒器部段和渦輪機部段。在一些類型的渦輪發動機中，高溫部段可包括排氣部段。發 動機的不同熱部段可經受不同的條件，從而要求包含在不同部段中的組件的材料具有不同 的性質。實際上，在相同部段中的不同部件可經歷不同的條件，從而需要在不同部段中的不 同的材料。
[0003] 在發動機的渦輪機部段中的渦輪機葉片或渦輪翼型附接至渦輪機葉輪，并在由發 動機的渦輪機部段排出的燃燒熱廢氣中以極高速度旋轉。這些葉片或翼型必須同時抗氧化 和耐腐蝕，從而在使用的高溫下保持它們的微結構，同時保持機械性質，如抗蠕變性/應力 破裂、強度和延展性。由于這些渦輪機葉片具有復雜的形狀，為了降低成本，它們應該可澆 鑄以降低加工材料的加工時間以及獲得復雜形狀的機械加工時間。
[0004] 鎳基高溫合金通常已用于制備在發動機的熱部段中使用的部件，因為它們可提供 滿足渦輪機部段環境的高要求條件的所需性質。這些鎳基高溫合金具有高溫性能，同時由 析出強化機制獲得強度，所述析出強化機制包括產生Y '相析出物。澆鑄形式的鎳基高溫合 金用于葉片，且目前由諸如Rene'N4、Rene'N5(當適當熱處理時,其形成高體積分數的γ ' 相析出物）和GTD?-1 1 1、Rene80和In738(當適當熱處理時，其形成略微更低體積分數 的相析出物）的鎳基高溫合金制得。GTDK為康涅狄格州費爾菲爾德的通用電氣公司 (General Electric Company, Fairfield, CT)的商標。諸如 GTD? 222 和 IN939 的形成甚 至更低的體積分數的相的其他鎳基高溫合金在更低溫度應用（如噴嘴或排氣應用）中 使用。
[0005] 高重量百分比的鎳增加了鎳基高溫合金的成本，因為鎳是昂貴的材料。另外，鎳為 戰略合金，在全球許多關鍵行業中使用。即使其為戰略資源，但鎳的主要來源為澳大利亞、 加拿大、新喀里多尼亞和俄羅斯。目前，在美國僅有一個運行的鎳礦。因此，就成本方面和 戰略方面，尋找鎳的有效低成本的替代品是有益的。
[0006] 需要諸如鎳基高溫合金的高溫合金中的鎳的低成本替代品。更具體地，對于渦輪 機應用，需要鎳基高溫合金的易于獲得的低成本替代品，可使用所述低成本替代品而不影 響合金的高溫機械性質，包括諸如蠕變性/應力破裂、拉伸性質以及抗氧化性、耐腐蝕性和 可澆鑄性的性質。
【發明內容】
[0007] 提供了一種澆鑄鎳基高溫合金。在其最廣實施例中，所述澆鑄鎳基高溫合金以 重量％計包含約1-6 %的鐵（Fe)、約7. 5-19. 1 %的鈷（Co)、約7-22. 5 %的鉻（Cr)、約 1. 2-6. 2 %的鋁（A1)、任選的至多約5 %的鈦（Ti)、任選的至多約6. 5 %的鉭（Ta)、任選的至 多約1%的Nb、約2-6%的鎢（W)、任選的至多約3%的錸（Re)、任選的至多約4%的鑰（Mo)、 約0. 05-0. 18%的碳（C)、任選的至多約0. 15%的鉿（Hf)、約0. 004-0. 015的硼（B)、任選的 至多約0. 1 %的鋯（Zr)，和余量的鎳（Ni)和偶然混入的雜質。
[0008] 該澆鑄鎳基高溫合金的特征在于，Fe以一對一的原子計替代基質中的Ni。然而， 鐵以不會不利地影響澆鑄鎳基高溫合金的重要機械性質、鎳基高溫合金的微結構、其抗氧 化性或其耐腐蝕性的量添加。鐵替代鎳降低了澆鑄產品的全部成本。
[0009] 根據與以舉例的方式說明本發明的原理的附圖結合的如下優選實施例的更詳細 的描述，本發明的其他特征和優點將顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1顯示了鎳基高溫合金GTDK 222中增加的Fe對如下性質的影響：γ '相溶 線、在1550° F下的γ'相摩爾分數、液相線-固相線差異（或凝固范圍）和在1400° F 下的σ相形成。
[0011] 圖2顯示了鎳基高溫合金ΙΝ939中增加的Fe對如下性質的影響：γ '相溶線、在 1550° F下的γ'相摩爾分數、液相線-固相線差異（或凝固范圍）和在1550° F下的σ 相形成。
[0012] 圖3顯示了鎳基高溫合金GTDK 1 1 1中增加的Fe對如下性質的影響：Υ '相溶 線、在1700° F下的γ'相摩爾分數、液相線-固相線差異（或凝固范圍）和在1700° F 下的μ相形成。
[0013] 圖4顯示了鎳基高溫合金RENE' 80中增加的Fe對如下性質的影響：γ '相溶線、 在1700° F下的γ'相摩爾分數、液相線-固相線差異（或凝固范圍）和在1700° F下的 TCP相形成。
[0014] 圖5顯示了鎳基高溫合金IN738中增加的Fe對如下性質的影響：γ '相溶線、在 1700° F下的γ'相摩爾分數、液相線-固相線差異（或凝固范圍）和在1700° F下的TCP 相形成。
[0015] 圖6顯示了鎳基高溫合金RENE' N4中增加的Fe對如下性質的影響：γ '相溶線、 在1800° F下的γ'相摩爾分數、液相線-固相線差異（或凝固范圍）和在1800° F下的 TCP相形成。
[0016] 圖7顯示了鎳基高溫合金RENE' N5中增加的Fe對如下性質的影響：γ '相溶線、 在1800° F下的γ'相摩爾分數、液相線-固相線差異（或凝固范圍）和在1800° F下的 TCP相形成。
【具體實施方式】
[0017] 在本發明的一個廣泛實施例中，所述澆鑄鎳基高溫合金以重量％計包含1-5 %的 鐵（Fe)、7. 5-19. 1 % 的鈷（Co)、7-22. 5 % 的鉻（Cr)、1.2-6. 2 % 的鋁（A1)、至多 5 % 的鈦 (Ti)、至多6. 5%的鉭（Ta)、至多1%的Nb、2-6%的鎢（W)、至多3%的錸（Re)、至多4%的鑰 (Mo)、0. 05-0. 18%的碳（C)、至多 0. 15%的鉿（Hf)、0. 004-0. 015 的硼（B)、至多 0. 1%的鋯 (Zr)，以及余量的鎳（Ni)和偶然混入的雜質。然而，由于Fe以原子水平替代性地添加至鎳 基質內以降低戰略元素 Ni的量，因此必須將超過痕量的Fe添加至合金以降低合金的全部 成本，但不應添加過多的Fe而不利地影響合金的機械性質、耐腐蝕性、抗氧化性、可澆鑄性 或微結構。Fe的優選的量為1-4. 5重量％。其他優選的量為1. 5-3. 5重量％的Fe，和3-5 重量％的？6。最優選的量在2-3%范圍內。
[0018] 包含Fe作為Ni替代品的鎳基高溫合金應具有比現有技術的不含Fe的合金的組 成的Y '相U '）溶線溫度小不超過5%的Y '相（Y '）溶線溫度。合金也應該具有比現 有技術的不含Fe的組成的γ '摩爾分數小不超過15%的γ '摩爾分數，優選比現有技術 的不含Fe的組成的γ '摩爾分數小不超過10%的γ '摩爾分數。這些性質可影響操作溫 度、在溫度下的強度、和在溫度下的抗蠕變性/抗破裂性。
[0019] 除非另外指出，否則本說明書所述的包含于合金中的各種元素的量以重量百分比 表示。術語"余量基本上為Ni"或"合金的余量基本上為Ni"用于包括除了 Ni之外的澆鑄 鎳基高溫合金中所固有的少量雜質和其他偶然混入的元素（其中的一些已在前描述），所 述雜質和其他附帶元素的特性和/或量不影響鎳基高溫合金的有利方面。除非另外指出， 否則本說明書討論的析出可硬化鎳基高溫合金中的析出的量以摩爾分數表示，所述析出包 括有利的析出（如Y '相）和不利的析出（如μ、〇和TCP相）。如本文所用，合金的名 義組成（nominal composition)包括單獨元素的組成的公認范圍，包括合金的可得的公知 規格（如以引用方式并入本文的AMS、SAE、MIL-標準）中認定的合金，即使單獨的元素可被 認定為通常與組成范圍的中點相關的單個代表值。
[0020] 數種不同類型的現有技術的澆鑄鎳基高溫合金的名義組成如下提供于表1中。盡 管這些澆鑄鎳基高溫合金具有不同的組成，但大多數不包含任何Fe。僅In738包含Fe，且 其保持在約〇. 5 %的標稱水平下。澆鑄鎳基高溫合金通常被視為不含鐵，并以基本上不含鐵 的組成提供。不希望受限于理論，據信不以更大的濃度包含Fe，因為已認為鐵會不利地影響 鎳基高溫合金的機械性質和抗氧化性。
[0021] 表 1
[0022]
【權利要求】
1. 一種澆鑄鎳基高溫合金，其以重量％計包含： 約1-6%的卩6; 約 7. 5-19. 1% 的 Co ; 約 7-22. 5%的 Cr ; 約 L 2-6. 2%的 A1 ; 至多約5%的Ti ; 約 0· 94-6. 5%的 Ta ; 約2-6%的W ; 至多約3%的Re ; 至多約4%的Mo ; 至多約0. 18%的C ; 至多約0. 15%的Hf ; 約 0· 004-0. 015 的 B ; 約 0. 01-0. 1% 的 Zr ;和 余量的Ni和偶然混入的雜質。
2. 根據權利要求1所述的澆鑄鎳基高溫合金，其特征在于，包含約1-5重量％的Fe。
3. 根據權利要求1所述的澆鑄鎳基高溫合金，其特征在于，包含約3-5重量％的Fe。
4. 根據權利要求1所述的澆鑄鎳基高溫合金，其特征在于，包含1-4. 5重量％的Fe。
5. 根據權利要求4所述的澆鑄鎳基高溫合金，其特征在于，包含1.5-3. 5重量％范圍內 的Fe。
6. 根據權利要求5所述的澆鑄鎳基高溫合金，其特征在于，包含2-3重量％范圍內的 Fe〇
7. 根據權利要求1所述的澆鑄鎳基高溫合金，其特征在于，所述高溫合金的特征在于 比不包含1-6%的Fe的高溫合金的γ '溶線溫度小不超過5%的γ '溶線溫度。
8. 根據權利要求1所述的澆鑄鎳基高溫合金，其特征在于，所述高溫合金的特征在于 比不包含1-6%的Fe的高溫合金的γ '摩爾分數小不超過15%的γ '摩爾分數。
9. 根據權利要求1所述的澆鑄鎳基高溫合金，其特征在于，所述高溫合金為低高溫 合金，其中所述高溫合金具有以重量％計包含如下的組成： 1- 6%的卩6， 16-19. 1% 的 Co， 20-22. 5%的 Cr， 0· 8-2. 5%的 A1， 1. 2-4% 的 Ti， 0· 75-1. 5%的 Ta， 0.5-1%的恥， 2- 3 % 的 W， 0· 08-0. 15% 的 C， 0· 004-0. 01 的 B， 至多0. 02 %的Zr，和 余量的Ni和偶然混入的雜質。
10. 根據權利要求9所述的低γ'高溫合金，其特征在于，所述高溫合金具有以重量％ 計包含如下的名義組成： 1-6% 的 Fe， 19. 1% 的 Co， 22. 5%的 Cr， 1. 2%的 A1， 2. 3%的 Ti， 0· 94% 的 Ta， 0.5-1%的恥， 0· 8%的 Nb， 2%的 W， 0· 08% 的 C， 0. 004% 的 B， 0. 02 % 的 Zr，和 余量的Ni和偶然混入的雜質。
11. 根據權利要求9所述的低γ'高溫合金，其特征在于，所述高溫合金具有以重量％ 計包含如下的名義組成： 1-6% 的 Fe， 19% 的 Co， 22. 5%的 Cr， 1·9_Α1， 3· 7%的 Ti， 1· 4%的 Ta， 1% 的 Nb， 2%的 W， 0· 15% 的 C， 0. 01% 的 B， 0. 1% 的 Zr，和 余量的Ni和偶然混入的雜質。
12. 根據權利要求1所述的澆鑄鎳基高溫合金，其特征在于，所述高溫合金為中合 金，其中所述高溫合金具有以重量％計包含如下的組成： 1-6% 的 Fe， 8. 5-9. 5%的 Co， 14-16 % 的 Cr， 3-3. 5%的 A1， 3. 4-5 % 的 Ti， 至多2. 8%的Ta， 至多約0.85%的Nb， 2.6-4 % 的 W， 1· 5-4%的 Mo， 0· 1-0. 18% 的 C， 0. 01-0. 015 的 B， 至多0. 03%的Zr，和 余量的Ni和偶然混入的雜質。
13. 根據權利要求12所述的中γ'高溫合金，其特征在于，所述高溫合金具有以重量％ 計包含如下的名義組成： 1-6% 的 Fe， 9. 5%的 Co， 14% 的 Cr， 3%的 A1， 4. 9%的 Ti， 2. 8%的 Ta， 3.8%的評， 1. 5%的 Mo， 0· 1% 的 C， 0. 01 % 的 B，和 余量的Ni和偶然混入的雜質。
14. 根據權利要求12所述的中γ'高溫合金，其特征在于，所述高溫合金具有以重量％ 計包含如下的名義組成： 1-6% 的 Fe， 9. 5%的 Co， 14% 的 Cr， 3%的 A1， 5%的 Ti， 4%的 W， 4%的 Mo， 0· 17% 的 C， 0.015 的 B， 0. 03 % 的 Zr，和 余量的Ni和偶然混入的雜質。
15. 根據權利要求12所述的中γ'高溫合金，其特征在于，所述高溫合金具有以重量％ 計包含如下的名義組成： 1-6% 的 Fe， 8. 5%的 Co， 16%的0， 3.45%的八1， 3. 45%的 Ti， 至多1· 75%的Ta， 至多約0.85%的Nb， 2.6%的 W， 1. 75% 的 Mo， 0· 18% 的 C， 0. 01 % 的 B， 0. 01 % 的 Zr，和 余量的Ni和偶然混入的雜質。
16. 根據權利要求1所述的澆鑄鎳基高溫合金，其特征在于，所述高溫合金為高合 金，其中所述高溫合金具有以重量％計包含如下的組成： 1-6% 的 Fe， 7. 0-8. 0%的 Co， 6. 5-10. 5%的 Cr， 3. 5-6. 5%的 A1， 至多約4%的Ti， 4. 5-6. 8%的 Ta， 至多0.6%的Nb， 4. 6-6. 4%的 W， 至多3. 2%的Re, 1. 3-1. 7%的 Mo， 0· 04-0. 06% 的 C， 0· 13-0. 17% 的 Hf， 0. 003-0. 005% 的 B，和 余量的Ni和偶然混入的雜質。
17. 根據權利要求16所述的高γ'高溫合金，其特征在于，所述高溫合金具有以重量％ 計包含如下的名義組成： 1-6% 的 Fe， 7. 5%的 Co， 9. 75% 的 Cr， 4. 2%的 A1， 3. 5%的 Ti， 4. 8%的 Ta， 0· 5%的 Nb， 6%的 W， 1. 5%的 Mo， 0· 05% 的 C， 0. 15% 的 Hf， 0. 004% 的 B，和 余量的Ni和偶然混入的雜質。
18.根據權利要求16所述的高γ'高溫合金，其特征在于，所述高溫合金具有以重量％ 計包含如下的名義組成： 1-6% 的 Fe， 7. 5%的 Co， 7%的 Cr， 6. 2%的 A1， 6. 5%的 Ta， 5%的 W， 3%的 Re， 1. 5%的 Mo， 0· 05% 的 C， 0. 15% 的 Hf， 0. 004% 的 B，和 余量的Ni和偶然混入的雜質。
【文檔編號】C22C19/05GK104120307SQ201410165340
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年4月23日 優先權日:2013年4月23日
【發明者】馮干江, J.C.謝菲爾, M.D.阿內特 申請人:通用電氣公司