專利名稱：高溫低熱膨脹的Ni-Mo-Cr合金的制作方法

　　高溫低熱膨脹的N1-Mo-Cr合金

　　背景技術：

　　金屬和合金在經(jīng)受高溫時將經(jīng)歷尺寸膨脹。通過稱為熱膨脹系數(shù)(COTE)的材料性質來表征這種膨脹的程度。COTE是材料性質(組成、熱歷史等)和外部變量(最顯著的是溫度)兩者的函數(shù)。合金的COTE是在高溫下操作的大多數(shù)類型的機械系統(tǒng)中的部件設計中考慮的關鍵性質。在燃氣渦輪發(fā)動機中已利用低熱膨脹合金來在諸如密封和收容環(huán)、殼體和緊固件的關鍵部件中提供高水平的尺寸控制。在此類應用中，其它重要性質可包括機械強度、收容能力以及抗氧化性。擁有此類性質的一種合金是由Haynes International公司開發(fā)、制造和出售的HAYNESx' 242 合金。這是一種名義組成為N1-25M0-8Cr的N1-M0-Cr合金(本文中的所有組成是以重量％給出，除非另外說明)。Michael F.Rothman和Hani M.Tawancy的美國專利US4, 818，486 (其被轉讓給Haynes International公司)涉及這種合金。這種242合金目前被用于航空以及陸基的燃氣渦輪機工業(yè)中的許多燃氣渦輪機應用中。HAYNES242合金是一種為燃氣渦輪發(fā)動機中的使用所設計的高強度、低COTE的合金。通過時效硬化熱處理熱使其強化，該時效硬化熱處理導致形成Ni2 (Mo, Cr)相的長程有序疇域。這些疇域在高達約704°C (1300 °F)的溫度下提供高的拉伸強度和蠕變強度。與其它Ni基合金相比，該242合金的COTE是低的。這可以歸因于合金中存在高的鑰(Mo)含量(25重量％)。眾所周知Mo會降低鎳基合金的C0TE。242合金的另一關鍵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，以便在無保護涂層的情況下使用或者在保護涂層剝落的情況下期望某種抗氧化性措施的應用中使用。242合金的另一關鍵特征是其相對于其它可時效硬化的鎳基合金的優(yōu)良加工性(可成形性、熱/冷加工能力和可焊性)。眾所周知，例如通過r相可時效硬化的Ni基合金易受由r相的快速析出動力學引起的制造問題的影響。相反，造成242合金中的時效硬化的Ni2 (Mo, Cr)相具有緩慢的析出動力學，并且因此242合金不會遭受上述的加工性問題。

　　然而，時效硬化242合金的最大使用溫度(約649至704°C (1200至1300 0F))能夠限制該合金在某些應用中的使用。隨著設計者將操作溫度推至越來越高的水平，對能夠在較高溫度下操作的低COTE合金的需求正變得必要。能夠將其高機械強度保持到760V(1400 T)以上的溫度的低COTE合金將對于燃氣渦輪機工業(yè)表現(xiàn)出顯著優(yōu)點。發(fā)明概述本發(fā)明的主要目的是提供在高達至少760V (1400 °F)下具有低熱膨脹系數(shù)、良好的抗氧化性以及優(yōu)良強度的合金。在具有特定范圍內(nèi)并且受定量關系限定的元素組成的合金中發(fā)現(xiàn)了這些合意的性質，所述定量關系不能由現(xiàn)有技術預期到。這些合金的組成是鎳基的，含有從21至24重量％的鑰、從7至9重量％的鉻以及大于5重量％的鎢。此外，這些合金的總組成必須具有介于31.95和33.45之間的“R值”，其中所述R值是由以下關系限定(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

　　硼可以按小但卻有效的痕量直至0.015重量％存在于這些合金中，以獲得本領域中已知的某些益處。為了使得能夠在熔煉過程期間進行氧和硫的去除，這些合金通常包含少量的鋁和錳(分別至多約0.5重量％和I重量％)，以及可能的痕量的鎂、鈣和稀土元素(至多約0.05重量％)。此外，鐵、銅、碳以及鈷在此類材料中可能是雜質，因為它們可能攜帶自于相同熔爐中熔化的其它鎳合金。鐵是最可能的雜質，并且在諸如B-2和242合金的材料中容許至多2重量％的水平。在242合金中，容許至多0.5重量％的銅，容許至多0.03重量％的碳，以及容許至多I重量％的鈷。預期在本發(fā)明的合金中能夠容許類似的雜質含量?？纱嬖诘钠渌匕ǖ幌抻阝?、硅、鉭、鈦以及釩。預期這些雜質的水平分別不超過約

　　0.2%，并且本發(fā)明合金可容許這些水平。為了確保優(yōu)良的加工性，必須將r形成元素(Al、T1、Nb以及Ta)保持在足以確保(相不以顯著量發(fā)生的低水平。附圖簡述

　　圖1是其中相對于R值繪制的若干N1-Mo-Cr和N1-Mo-Cr-W合金的RT屈服強度的坐標圖。圖2是其中相對于R值繪制的相同的若干N1-Mo-Cr和N1-Mo-Cr-W合金的RT屈服強度的坐標圖。圖3是示出在施加760°C (1400 °F)下的時效熱處理之前和之后的若干合金的硬度的坐標圖。

　　具體實施例方式我們提供了 N1-Mo-Cr-W基合金，其典型包含21至24%的鑰、7至9%的鉻和大于5重量％的鎢，以及典型的 雜質和微量元素添加物，其具有低的熱膨脹系數(shù)并且其在范圍從室溫至高達760°C (1400 °F)的溫度下具有優(yōu)良的強度和延展性。還預期這些合金具有良好的抗氧化性。這種性質組合對于許多燃氣渦輪機應用而言是期望的，包括但不限于:密封和收容環(huán)、殼體以及緊固件。我們還已發(fā)現(xiàn):需要將R值保持在31.95至33.45的范圍內(nèi)，其中R由以下等式定義: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并且元素組成是以重量％給出。在這里測試并給出了總共36種合金以描述本發(fā)明。其中，35種是實驗合金(標記為A至Y和AA至JJ)，并且另一個是商業(yè)242合金。在表I中給出了全部36種合金的組成，連同每種組成的計算R值。表I在本研究中測試的合金的組成

　　權利要求

　　1.一種鎳-鑰-鉻-鎢基合金，其具有按重量百分比計包含如下的組成:7至9鉻21至24鉬 大于5鴒 至多3鐵 余量的鎳和雜質，該合金還滿足如下組成關系:31.95〈R〈33.45 其中R值由如下等式定義: 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.權利要求1的合金，其中鎢以大于5直至10重量％存在。

　　3.權利要求1的合金，其中鎢以大于5直至7重量％存在。

　　4.權利要求1的合金，其中鈷以至多5重量％存在。

　　5.權利要求1的合金,還包含下列中的至少一種:至多0.015重量％的硼，和至多0.1重量％的碳。

　　6.權利要求1的合金，還包含小于0.7重量％的鋁。

　　7.權利要求1的合金，還包含至多2重量％的錳。

　　8.權利要求1的合金，還包含下列中的至少一種:小于0.5重量％的鈮、小于0.5重量％的鉭和小于0.5重量％的鈦。

　　9.權利要求1的合金,還包含下列中的至少一種:至多0.8重量％的銅，和至多0.5重量％的娃。

　　10.權利要求1的合金，還包含至多0.5重量％的釩。

　　11.權利要求1的合金，還包含選自下列中的至少一種元素:鎂、I丐、鉿、乾、鋪和鑭，其中每種所述元素的存在量占所述合金的至多0.1重量％。

　　12.—種鎳-鑰-鉻-鎢基合金，按重量百分比計基本由如下組成:

　　13.一種鎳-鑰-鉻-鎢基合金，按重量百分比計基本由如下組成:

　　14.一種鎳-鑰-鉻-鎢基合金，按重量百分比計基本由如下組成:

　　15.權利要求14的合金，還含有至多5.17重量％的鈷。

　　16.一種在高達約760°C的溫度下具有高強度和低熱膨脹的合金，該合金可含有7至9重量％的鉻、21至24重量％的鑰、大于5重量％的鶴、至多3重量％的鐵,余量的鎳和雜質；該合金還必須滿足如下組成關系:31.95〈R〈33.45，其中R值由如下等式定義: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 如果鎢以大于5直至10%存在，則該合金在760°C (1400 °F )下時效硬化之后具有較好的 硬度。

　　全文摘要

　　公開了一種設計用于燃氣渦輪機中的合金，該合金具有高強度和低熱膨脹系數(shù)。該合金可含有7至9重量%的鉻、21至24重量%的鉬、大于5重量%的鎢、至多3重量%的鐵，余量為鎳和雜質。該合金還必須滿足如下組成關系31.95<R<33.45，其中R值由如下等式定義R=2.66Al+0.19Co+0.84Cr-0.16Cu+0.39Fe+0.60Mn+Mo+0.69Nb+2.16Si+0.47Ta+1.36Ti+1.07V+0.40W。如果鎢以大于5％直至10%存在，則該合金在760℃(1400℉)下時效硬化之后具有較好的硬度，并且如果該合金含有大于5％直至7%的鎢則具有優(yōu)選的密度。

　　文檔編號C22C19/05GK103189531SQ201280003417

　　公開日2013年7月3日 申請日期2012年2月17日 優(yōu)先權日2011年2月18日

　　發(fā)明者L·派克, S·K·斯里瓦斯塔瓦 申請人:海恩斯國際公司