高温低热膨胀的Ni-Mo-Cr合金的制作方法

专利名称：高温低热膨胀的Ni-Mo-Cr合金的制作方法

高温低热膨胀的N1-Mo-Cr合金

背景技术：

金属和合金在经受高温时将经历尺寸膨胀。通过称为热膨胀系数(COTE)的材料性质来表征这种膨胀的程度。COTE是材料性质(组成、热历史等)和外部变量(最显著的是温度)两者的函数。合金的COTE是在高温下操作的大多数类型的机械系统中的部件设计中考虑的关键性质。在燃气涡轮发动机中已利用低热膨胀合金来在诸如密封和收容环、壳体和紧固件的关键部件中提供高水平的尺寸控制。在此类应用中,其它重要性质可包括机械强度、收容能力以及抗氧化性。拥有此类性质的一种合金是由Haynes International公司开发、制造和出售的HAYNESx' 242 合金。这是一种名义组成为N1-25M0-8Cr的N1-M0-Cr合金(本文中的所有组成是以重量％给出,除非另外说明)。Michael F.Rothman和Hani M.Tawancy的美国专利US4, 818,486 (其被转让给Haynes International公司)涉及这种合金。这种242合金目前被用于航空以及陆基的燃气涡轮机工业中的许多燃气涡轮机应用中。HAYNES242合金是一种为燃气涡轮发动机中的使用所设计的高强度、低COTE的合金。通过时效硬化热处理热使其强化,该时效硬化热处理导致形成Ni2 (Mo, Cr)相的长程有序畴域。这些畴域在高达约704°C (1300 °F)的温度下提供高的拉伸强度和蠕变强度。与其它Ni基合金相比,该242合金的COTE是低的。这可以归因于合金中存在高的钥(Mo)含量(25重量％)。众所周知Mo会降低镍基合金的C0TE。242合金的另一关键特征是良好的抗氧化性。8重量％Cr的存在提供充分的抗氧化性,以便在无保护涂层的情况下使用或者在保护涂层剥落的情况下期望某种抗氧化性措施的应用中使用。242合金的另一关键特征是其相对于其它可时效硬化的镍基合金的优良加工性(可成形性、热/冷加工能力和可焊性)。众所周知,例如通过r相可时效硬化的Ni基合金易受由r相的快速析出动力学引起的制造问题的影响。相反,造成242合金中的时效硬化的Ni2 (Mo, Cr)相具有缓慢的析出动力学,并且因此242合金不会遭受上述的加工性问题。

然而,时效硬化242合金的最大使用温度(约649至704°C (1200至1300 0F))能够限制该合金在某些应用中的使用。随着设计者将操作温度推至越来越高的水平,对能够在较高温度下操作的低COTE合金的需求正变得必要。能够将其高机械强度保持到760V(1400 T)以上的温度的低COTE合金将对于燃气涡轮机工业表现出显著优点。发明概述本发明的主要目的是提供在高达至少760V (1400 °F)下具有低热膨胀系数、良好的抗氧化性以及优良强度的合金。在具有特定范围内并且受定量关系限定的元素组成的合金中发现了这些合意的性质,所述定量关系不能由现有技术预期到。这些合金的组成是镍基的,含有从21至24重量％的钥、从7至9重量％的铬以及大于5重量％的钨。此外,这些合金的总组成必须具有介于31.95和33.45之间的"R值",其中所述R值是由以下关系限定(其中元素量是以重量％表示)。R=2.66A1+0.19Co+0.84Cr — 0.16Cu+0.39Fe+0.60Mn+Mo+0.69Nb+2.16Si+0.47Ta+1.36Τ +1.07V+0.40W

硼可以按小但却有效的痕量直至0.015重量％存在于这些合金中,以获得本领域中已知的某些益处。为了使得能够在熔炼过程期间进行氧和硫的去除,这些合金通常包含少量的铝和锰(分别至多约0.5重量％和I重量％),以及可能的痕量的镁、钙和稀土元素(至多约0.05重量％)。此外,铁、铜、碳以及钴在此类材料中可能是杂质,因为它们可能携带自于相同熔炉中熔化的其它镍合金。铁是最可能的杂质,并且在诸如B-2和242合金的材料中容许至多2重量％的水平。在242合金中,容许至多0.5重量％的铜,容许至多0.03重量％的碳,以及容许至多I重量％的钴。预期在本发明的合金中能够容许类似的杂质含量。可存在的其它元素包括但不限于铌、硅、钽、钛以及钒。预期这些杂质的水平分别不超过约

0.2%,并且本发明合金可容许这些水平。为了确保优良的加工性,必须将r形成元素(Al、T1、Nb以及Ta)保持在足以确保(相不以显著量发生的低水平。附图简述

图1是其中相对于R值绘制的若干N1-Mo-Cr和N1-Mo-Cr-W合金的RT屈服强度的坐标图。图2是其中相对于R值绘制的相同的若干N1-Mo-Cr和N1-Mo-Cr-W合金的RT屈服强度的坐标图。图3是示出在施加760°C (1400 °F)下的时效热处理之前和之后的若干合金的硬度的坐标图。

具体实施例方式我们提供了 N1-Mo-Cr-W基合金,其典型包含21至24%的钥、7至9%的铬和大于5重量％的钨,以及典型的 杂质和微量元素添加物,其具有低的热膨胀系数并且其在范围从室温至高达760°C (1400 °F)的温度下具有优良的强度和延展性。还预期这些合金具有良好的抗氧化性。这种性质组合对于许多燃气涡轮机应用而言是期望的,包括但不限于:密封和收容环、壳体以及紧固件。我们还已发现:需要将R值保持在31.95至33.45的范围内,其中R由以下等式定义:R=2.66A1+0.19Co+0.84Cr — 0.16Cu+0.39Fe+0.60Mn+Mo+0.69Nb+2.16Si+0.47Ta+1.36Τ +1.07V+0.40W并且元素组成是以重量％给出。在这里测试并给出了总共36种合金以描述本发明。其中,35种是实验合金(标记为A至Y和AA至JJ),并且另一个是商业242合金。在表I中给出了全部36种合金的组成,连同每种组成的计算R值。表I在本研究中测试的合金的组成

权利要求

1.一种镍-钥-铬-钨基合金,其具有按重量百分比计包含如下的组成:7至9铬21至24钼 大于5鴒 至多3铁 余量的镍和杂质,该合金还满足如下组成关系:31.95〈R〈33.45 其中R值由如下等式定义: R=2.66A1+0.19Co+0.84Cr — 0.16Cu+0.39Fe+0.60Mn+Mo+0.69Nb+2.16Si+0.47Ta+l.36Τ +1.07V+0.40ffo

2.权利要求1的合金,其中钨以大于5直至10重量％存在。

3.权利要求1的合金,其中钨以大于5直至7重量％存在。

4.权利要求1的合金,其中钴以至多5重量％存在。

5.权利要求1的合金,还包含下列中的至少一种:至多0.015重量％的硼,和至多0.1重量％的碳。

6.权利要求1的合金,还包含小于0.7重量％的铝。

7.权利要求1的合金,还包含至多2重量％的锰。

8.权利要求1的合金,还包含下列中的至少一种:小于0.5重量％的铌、小于0.5重量％的钽和小于0.5重量％的钛。

9.权利要求1的合金,还包含下列中的至少一种:至多0.8重量％的铜,和至多0.5重量％的娃。

10.权利要求1的合金,还包含至多0.5重量％的钒。

11.权利要求1的合金,还包含选自下列中的至少一种元素:镁、I丐、铪、乾、铺和镧,其中每种所述元素的存在量占所述合金的至多0.1重量％。

12.—种镍-钥-铬-钨基合金,按重量百分比计基本由如下组成:

13.一种镍-钥-铬-钨基合金,按重量百分比计基本由如下组成:

14.一种镍-钥-铬-钨基合金,按重量百分比计基本由如下组成:

15.权利要求14的合金,还含有至多5.17重量％的钴。

16.一种在高达约760°C的温度下具有高强度和低热膨胀的合金,该合金可含有7至9重量％的铬、21至24重量％的钥、大于5重量％的鹤、至多3重量％的铁,余量的镍和杂质；该合金还必须满足如下组成关系:31.95〈R〈33.45,其中R值由如下等式定义:R=2.66A1+0.19Co+0.84Cr — 0.16Cu+0.39Fe+0.60Mn+Mo+0.69Nb+2.16Si+0.47Ta+l.36Τ +1.07V+0.40W 如果钨以大于5直至10%存在,则该合金在760°C (1400 °F )下时效硬化之后具有较好的 硬度。

全文摘要

公开了一种设计用于燃气涡轮机中的合金,该合金具有高强度和低热膨胀系数。该合金可含有7至9重量%的铬、21至24重量%的钼、大于5重量%的钨、至多3重量%的铁,余量为镍和杂质。该合金还必须满足如下组成关系31.95

文档编号C22C19/05GK103189531SQ201280003417

公开日2013年7月3日 申请日期2012年2月17日 优先权日2011年2月18日

发明者L·派克, S·K·斯里瓦斯塔瓦 申请人:海恩斯国际公司