具有多活性元素的鎳基γ/γ＇超合金和所述超合金在複雜材料體系中的用途的製作方法

2023-04-25 05:31:11

專利名稱：具有多活性元素的鎳基γ/γ＇超合金和所述超合金在複雜材料體系中的用途的製作方法
具有多活性元素的鎳基Y/Y 』超合金和所述超合金在復
雜材料體系中的用途
背景技術：
鎳基Y/Y 』超合金對航空和陸基燃氣輪機中的關鍵部件而言是必不可少的，但是也用於其他應用中。所述超合金之間的區別取決於開發它們時可用的知識和生產技術水平，以及不同的相對性能側重點，如成本、抗氧化性、耐腐蝕性、加強性、合金穩定性、延展性、可焊性和與複雜材料體系中其它合金的相容性。鎳基Y/Y 』超合金以單晶、定向凝固或等軸形式使用。在每種晶體中都有Y基質，其基本上是固溶體形式的Ni與元素如Co、Cr、Mo、W和Re ；和γ 』顆粒，其基本上是固溶體形式的M3Al與元素如Ta、Ti、Nb和V。如果存在，晶界通常用提供內聚強度的碳化物和 /或硼化物裝飾。^ 也有助於晶界的內聚力。定向凝固的組分中的晶界通常通過添加大量 Hf來保護。^ 和Hf也可有助於用於改善的抗循環氧化性的活性元素效應。活性元素效應也可以獲自Si和稀土。元素如Mo、W和Re提供了 γ基質的固溶強化，而Ta、Ti、Nb和V提供了 Y，顆粒的固溶強化。Al因為增加Y 』顆粒的量以及增加Y基質中Mo、W和Re的濃度而提供強化。鎳基Y/Y 』超合金很少可以被視為低成本，但是，如果昂貴元素如W和Ta保持在中等水平，並且非常昂貴的元素如Re、Ru和貴金屬如Pt保持在非常低的水平或不使用，則在上下文中成本可以被視為中等。在熱部件如燃氣輪機的上下文中，通常認為優異的抗氧化性需要形成非常粘著且連續的低滲透性Al2O3表層(scale)的能力。[Barrett]教導了通過Al (通過Cr和Ta增強，用Mo和W輕度還原，並且用Ti、Nb 和V重度還原)提供形成連續Al2O3表層的能力。這意味著，如果Cr和Ta的水平增加或 Ti、Nb和V的水平降低，則需要較少的Al來形成這種Al2O3外層。[Sarioglu]教導了通過夾入元素(tramp element)、尤其是S來明顯降低表層附著力，但是該效應能夠被清潔鑄造和少量可測水平的活性元素如Hf、Zr和稀土元素的添加的組合抵消掉。[Sarioglu]還教導，S的有害作用與其擴散到金屬/表層相間、然後使其弱化的傾向有關。[Pint 1]強調了 S的重要性，並且還教導了結合低水平的Hf和稀土 Y時的有益 RE效果。[Harris]教導，兩種稀土元素La和Y的組合比單獨使用Y或La時提供了更好的抗循環氧化性。[Harris]還教導，雖然Y是最常使用的稀土，但是其未必總是最有效的，而 Ce可能非常有效。[Pint 2]教導，對於提高相同濃度水平下氧化物表層附著力而言，Ce、Gd、Sm、Tb、 Nd和La比例如Hf、Zr和Y更為有效。[Caron 1]教導了當組合低水平的Hf和Si時有益的活性元素效應。[Pint 3]教導，當使用多活性元素時，可以獲得優異的活性元素效應，一個例子是在對包含少量可測水平的Zr、Si和Y的Haynes-214進行的測試中看到了優異的抗循環氧化性。在包含低水平的Hf、Zr、Si和Y的Rene-N5中也看到了優異的抗循環氧化性。[Aimone]教導，在主熱澆鑄期間，由於蒸發或與周圍材料的反應，通常只保留約 10%的稀土元素添加量。[Aimone]進一步教導，添加20ppm的Y無效，添加200-500ppm範圍非常有效，而添加1000-2000ppm範圍效力較低，這意味著合金中保留的20-50ppm範圍的 Y水平非常有效，並且，過高的稀土元素保留水平不是最佳的。一個結論是，出人意料地，當用適當的元素如Cr、Ta和Si水平負載時，為形成連續的Al2O3表層需要低Al水平，條件是過高水平的有害元素如Ti和Nb得以避免。另一個結論是，優異的表層附著力需要低S生產工藝和選自Hf、Zr、Si和稀土元素中的多活性元素的組合。稀土元素應當以低的保留可測水平使用，並且有利的是使用至少兩種。此外，初始的稀土組成必須基於所用具體生產工藝的保留來選擇。耐腐蝕性通過Cr提供。少於12wt%的Cr被視為差，至少12wt%的Cr被視為中等，至少16wt %的Cr被視為良好，並且至少20wt %的Cr被視為優異。[Goldschmidt]教導，具有Cr和Mo的合金SC16的耐熱腐蝕性明顯劣於具有Cr和1.Mo的公知合金IN738LC。IN738LC通常被認為具有良好的耐腐蝕性。因此，在新合金中限制至多2wt %的Mo看起來是慎重的，並且我們希望具有16wt%的Cr，優選具有一些裕度(margin)，因為我們可能正進入將使用相對腐蝕性的燃料如某些生物燃料的時代。高強度基礎合金通常使用約4 IOwt %的Mo+W+Re用於基質強化，並且約 4-10襯％的Ti+Ta+Nb用於γ，顆粒的強化，並且包含40 70體積％的、，顆粒。IN738LC 包含約43體積％的顆粒，4. 的Mo+W和6. 2襯％的Ti+h+Nb。與此相反，低強度合金如Haynes-214在強度上仍然等同於傳統的焊接填料合金如IN625，不包含基質或顆粒強化，並且在高工作溫度下Y』顆粒的含量少或為零。在本文中，中等強化水平是指30-50體積％範圍的Y 』含量，以及2至8wt%範圍的基質和顆粒強化元素之和。如果γ基質中Cr、Mo、W和Re的濃度過高，則會直接形成或在工作中形成諸如 α Cr的相或拓撲學上緊密堆積的相。因此，如果要避免這些相的大量析出，增加Y』含量或增加Mo、W或Re水平必須伴隨Cr含量的減少。這種相析出的一個具體效果是蠕變強度降低，因此相穩定性成為基礎合金設計的一個重要主題。此外，大量的相析出可導致延展性損失，所述相經常被稱為脆性相。應當指出，由於相互擴散，可能局部增加如上所述合金添加濃度，因而對於複雜材料體系中的合金而言穩定性甚至可能更為重要。[Caron 2]教導，對合金而言脆性相析出的風險可以通過將該合金和具有已知 TCP風險的相對類似合金的Md值進行比較來評價。對於此處討論的合金，Md值可以由下式計算Md = 0. 717aNi+0. 777aCo+l. 142aCr+l. 267aRe+l. 55aMo+l. 655aff+l. 9aAl+l. 9aS i+2. 117aNb+2. 224aTa+2. 271aTi+3. 02aHf其中Co是以原子％等計的Co含量。在上下文中，良好的穩定性是指優於由該式計算的IN738LC。[Yeh]教導，Si優選與Y，相隔開，使得Y，含量增加，這意味著向初始穩定的合金任意添加顯著水平的Si必須通過減少Al、Cr或強化元素的水平來平衡以避免顯著的脆性相析出。
典型的塗層合金傾向於為基於提供高Al儲藏的β和Υ/β相結構。β相基本上是NiAl。這些合金的問題在於，其脆性意味著它們通常只作為薄層使用。因此，它們易於與基礎合金相互擴散，例如因為擴散到低Al的基礎合金中損失Al和/或因為Ti從基礎合金相互擴散到塗層中而降低抗氧化性。近來，已經向這些典型塗層合金添加強化元素以減緩相互擴散速率，通常使用Re、Ru和Ta添加來減緩。[Subramanian]教導，由於Al相互擴散速率降低，在SiCoatM64中添加Re顯著增加抗氧化性。與典型的塗層合金相比，如果避免了高水平的例如脆性相、低共熔混合物、鑄造孔隙率和焊接裂紋，則幾乎所有的Y/Y』超合金都會提供良好的延展性。還應提及，已經開發了一些基於Y/Y，結構的包覆型(overlay)塗層合金，常常側重於利用高Cr和Si水平的抗腐蝕性，並且最新的進展也包括一些強化元素添加。還應提及，已經開發了添加貴重元素如Pt以用於強化和抗氧化性的基於Y/Y』 結構的塗層合金，例如，參見Bhang]。當合金可以用於包含鋁化物的材料體系中時，對於合金而言重要的是與所述鋁化物相容。[Vedula]教導，向NiAl少量添加Hf導致蠕變強度顯著提高。[Tolpygo]教導，基礎合金中的Hf會擴散到所施加的鋁化物塗層中，並且降低塗層表面的起皺，使得氧化物表層的附著力增加，其可以被解釋為向MAl添加Hf時蠕變強度提高的效果。還應提及，起皺增加了表面粗糙度，因此也增加了表面的傳熱係數，並且這也可以導致加快的氧化攻擊。熱部件的焊接和包覆通常利用Y基合金或IN625作為填料來進行。諸如雷射焊接的技術隨後使得能夠使用例如IN738LC基填料合金用於IN738LC基礎合金。近來，已經引入基於高Al、高強度、高Y』含量合金的填料合金來例如修復氧化損傷。[Fujita]教導， 基於Rene-142的填料合金可以用於雷射焊接修復CMSX-4，使得CMSX-4的單晶結構得以保留。兩種合金均具有60-70體積％範圍的Y』含量。在具有高抗氧化性的填料合金的上下文中，我們因此認為具有40-50體積％ γ' 和中等強化的合金具有良好的可焊接性，並且對於本領域的技術人員而言應該顯而易見的是，如同諸如Rene-142的合金的使用，這種合金的使用會較不困難且成本不高。還應提及，內部網絡已經顯示，許多典型的損傷情況不需要使用具有Rene-142水平強度的填料合金來修復。例如，已經對以CMSX-4製成的第一級葉片進行了模擬，其中相對於真實的發動機環境增加熱氣體溫度以模擬將來的升級。此外，為了模擬在該特定聲響器尖端上的氧化損傷焊接修復，在所述尖端上將蠕變速率(在給定的應力和溫度水平下) 相對於CMSX-4提高了 100倍，但是由於在所述尖端上的低蠕變載荷，沒有導致過度蠕變。合金用於塗層和修復的雙重用途將使修復和刷新過程變得更容易且成本更低廉。 在需要時，包括在塗層被消耗且部分基材損失的情況下，添加更多的塗覆合金，在該情況下，使用塗層合金來重建部件以產生必要的幾何形狀。還考慮熱部件，例如以[低Al高Ti]合金如IN939製成的燃氣輪機第一級葉片。 一個常見問題是平臺上的局部過熱，並且典型的塗覆系統因為與[低Al高Ti]合金相互擴散而傾向於提供相當有限的壽命。將厚度從標準水平增加至例如局部熱區域中2mm(即施加包覆)的能力將顯著增加部件壽命。隨後將例如PtAl塗層施加到頂部能夠用來進一步增加該部件的壽命。在這樣的區域中，基材的全蠕變強度不是必須的，但是部分蠕變強度仍然可用於抵抗因高速熱氣流引起的表面腐蝕和起皺，這是因為增加的表面粗糙度意味著更高的熱被傳遞到部件，因此氧化過程加快。
現有技術早期的、I、』超合金開發導致諸如U-700的合金，以計其具有由Ni-17Co_l 5Cr-4. 5Mo-4. 3A1-3. 5Τ -0. 07Zr-0. 08C 給出的組成。由於Cr 的和儘管 3. 5wt% 的Ti，U-700可形成具有4. 3wt%的Al的連續的Al2O3表層。由於具有高水平的、在其開發時使用的主要強化元素Mo，所以這些合金比由其Cr水平所示具有較低的抗熱腐蝕性。其 Y，含量在45至55體積％範圍內。隨後一系列合金開發導致諸如IN939、IN738LC和IN792的合金，並且這類合金迄今仍保留陸基燃氣輪機中的標準。以wt%計，IN939具有由Ni-19Co-22Cr-2W-2Al-3. 7Ti_ 1. 4Ta-INb-0. IZr-O. 15C-0. OlB 給出的組成。IN738LC 的組成為 Ni_8. 5Co-16Cr-l. 8Mo_2. 6W-3. 4A1-3. 4Τ -1. 8Ta_0. 9Nb_0. 09Zr-0. 08C-0. 01B。IN792 的組成為 Ni-9Co_12. 5Cr-l. 8M 0-4. 2W-3. 4A1-4. 2Ti_4. 2Ta_0. 08C-0. 015B。與諸如U-700的合金相比，Mo被W部分取代以提高抗腐蝕性，Al被Ti、Nb和Ta部分取代以通過提高Y』顆粒的強化來提高蠕變強度。特別地，這些合金包含高Ti水平。根據其Cr含量，它們的抗熱腐蝕性依次為IN939優異，IN738LC良好，IN792中等。這些合金不具有形成連續Al2O3表層的能力，因此它們不提供良好的抗氧化性。Y』顆粒含量通常在30-55體積％範圍內。知識的改進允許合金設計人員比上述老的合金更好地處理相穩定性。蠕變強度從諸如IN939的合金中的中等變成諸如IN792的合金中的高強度。隨後另一系列合金的開發導致諸如Mar M-247的合金，以計其具有由Ni-IO Co-8Cr-0. 7Mo-10ff-5. 65Al-lTi-3Ta_l. 5Hf-0. 15C給出的組成。定向凝固的引入導致衍生合金如CMM7DS，並且單晶鑄造導致衍生合金如Rene N5和CMSX-4，以襯％計其分別具有由 Ni-7. 5Co-7Cr-l. 5Mo-5ff-3Re-6. 1A1-6. 5Ta_0. IHf-0. 05C 和 Ni-9Co_6. 5Cr-0. 6Mo_6. 5ff-3 Re-5. 65Α1-1Τ -6. 5Ta_0. IHf 給出的組成。該類合金的抗腐蝕性由於其非常低的Cr水平而不良。其由中等至高Ta水平負載的高Al水平允許其形成連續的Al2O3表層，儘管其具有非常低的Cr水平。近來，已經通過清潔鑄造和利用活性元素效應進行了大量的工作來增強其抗氧化性和塗層相容性。其可焊接性由於其非常高的60 75體積％範圍的Y』含量而不良。已經注意實現良好的合金穩定性來避免蠕變強度降低。其蠕變強度依次為從諸如Mar M-247的合金的高，到諸如Rene N5和CMSX-4的合金的非常高。除了這三種主要類別的合金之外，存在一些感興趣的專門合金。以Wt %計， Haynes-214具有由Ni-3Fe-16Cr_4. 5A1給出的基礎組成，並且還包含低水平的Zr、Si和Y 以提供活性元素效應。它兼具良好的抗腐蝕性、優異的抗氧化性和高可焊接性。因為它不包含強化元素，所以蠕變強度比較差。最近公開了兩個專利申請。這些合金在一定程度上可以被視為U-700的衍生物， 其中Mo至少部分被W取代，Ti至少部分被Ta取代專利申請EP200600217M公開了一種合金，其具有至少12wt %的Cr、至少%的
8Al、至少7. 5襯％的I1a和至少3襯％的基質強化元素Mo+W+Re之和。這意味著它是高強度合金，並且因此在上述意義上我們不能假定良好的可焊接性。專利申請2008P02248W0公開了一種合金，其具有17 21wt %的Cr、4. 0 4. 7wt%的Al和中等水平的基質和顆粒強化元素。這可能具有大多數的本發明性能，但是即使中等Al損失也會降低原本可能優異的抗氧化性。一個典型實施方案是STAL18，以計具有 Ni-5Co-18Cr-0. 8Μο_2· 5ff-4. 4A1-4. 4Ta_0. 03C-0. 03Zr-0. 005B-0. IHf-0. lSi-0. 02 Ce的組成。y/y 『基塗層的一個典型例子是以wt %計名義組成為 Ni-25Cr-2. 7Si_5. 5A1-0. 5Y_lTa的SV-20。因為由這些Al和Si水平導致的高Cr含量和相對高的Y』含量，所以Υ/Υ』結構不穩定。專利EPl似6759教導，SV-20在低於900°C時具有 20體積％的α -Cr的平衡含量，並且室溫和高於900°C的溫度之間的熱循環將導致溶液化、再析出和一定水平的非平衡產物。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種具有如下多個獨特優點的鎳基Y/Y 』超合金中等成本、優異的抗氧化性、良好的抗腐蝕性、中等強度、良好的穩定性、良好的延展性、良好的可焊接性、與鋁化物塗層的良好相容性，以及在複雜材料體系中對抗中等Al損失的裕度。另一目的是其在熱部件中的用途，所述熱部件例如但不限於燃汽輪機中的葉片、 輪片、熱屏蔽體、密封物和燃燒器部件。又一目的是其作為用於補焊和/或包覆這類熱部件的填料合金的用途。又一目的是其作為這類熱部件上TBC體系中的保護塗層和/或粘合塗層的用途。又一目的是其作為這類熱部件上的塗層和/或粘合塗層以及用於修復和/或包覆的雙重用途。又一目的是其作為在這類熱部件上的基礎合金和另一塗層和/或粘合塗層之間的中間層的用途。又一目的是其在這類部件中以多晶、定向凝固或單晶形式的用途。又一目的是其通過例如，但不限於精密鑄造、雷射焊接/包覆、熱匣焊接(hot box welding), 雷射燒結、冷噴塗、爆炸焊接和真空等離子體噴塗的工藝來生產。又一目的是其通過低S加工來生產。又一目的是其作為如通過低S加工生產的上述示例性材料體系的一部分的用途。雖然本發明中公開的合金不具有其用作熱部件高載荷區域中的基礎合金所需的強度，例如避免燃汽輪機葉片過度伸長所需的強度，但是其強度對許多熱部件和對於大多數熱部件的大部分區域(如在平臺上和葉片尖端上的)而言是足夠的。因此，由於上述其它性質範圍，所述合金可用於例如製造許多熱部件以及包覆或修復大多數熱部件。本發明的組合物基於如下構思良好的耐腐蝕性和穩定性需要至多中等水平的 Y，顆粒和至多中等水平的強化元素以允許高的Cr含量，而沒有大量的脆性相析出。這也意味著良好的延展性和可焊接性。同時，優異的抗氧化性需要形成連續且非常粘著的Al2O3 表層，並且這必須實現，而不管對Y 』含量和因此對Al含量的限制如何，以及必須具有至少一些也添加到Y』含量的Y』顆粒強化的事實。解決方案是依賴於有益於抗氧化性的Ta 而不是用於強化Y』顆粒的有害元素Ti、Nb或V，並且使用清潔生產方法和多活性元素，以補足相對中等的Al水平。
由於與Y/Y 』結構相關的相對良好的延展性，作為塗層和填料合金的雙重用途是可能的。對於典型的基於β相的脆性塗層合金，這可能明顯更為困難。在理論上，可以通過貴重元素來強化Y/Y 』塗層，但是成本將會明顯更高。對於諸如SV-20的Y/Y 』塗層是可能的，但是我們優選避免與在這類塗層合金中缺乏合金穩定性相關的不確定性，尤其是在可能存在因為複雜材料體系中的相互擴散引起的脆性相形成元素進一步富集的情況下。
具體實施例方式通常至多20wt%的鈷水平用於鎳基Y/Y』超合金中，並且看起來允許相同的變化以例如允許與不同基礎合金匹配的實施方案是合理的。狗添加較不常見，但是中等狗添加用於例如高抗氧化性的合金Haynes-214中。通過與例如IN738LC比較，本領域的技術人員應當清楚，考慮到限制一般的有害元素、特別是Mo的水平，17 21wt%的Cr應當足以提供良好的抗熱腐蝕性。基質元素的中等強化通過0. 5 3的wt的Mo+W來提供，限制Mo至多為2wt%，以保持由高Cr含量所提供的良好抗熱腐蝕性。抗氧化性基於4. 8 6wt%的Al。雖然4. 8wt%的Al與例如基於β相的塗層合金和抗氧化的葉片合金如CMM7CC相比較低，但是Haynes-214顯示，當得到高水平Cr和合適的多活性元素配方支持時，4. 5wt%可足以獲得優異的抗循環氧化性。Al下限設定為比在 Haynes-214中使用的4. 5wt%稍高，以在合金用於上述材料體系中時對相互擴散作用提供一定的裕度。由於要求合適的相穩定性，所以多於6wt%的Al與良好的抗熱腐蝕性所需的 Cr水平不相容。Y，顆粒的中等強化由1. 5 5wt %的I1a提供。至多0. 2wt%的C+B水平通常用於晶界強化，並且甚至當合金以單晶形式使用時， 有利的是包括至少0. 01wt%以獲得低角度邊界容限。^ 含量應當為至少0. Olwt%以有助於多活性元素摻雜，並且可至多0. 2wt%，從而例如有助於晶界強化。Hf含量應當為至少0. 05wt%以有助於多活性元素摻雜，並且可以至多1. 5wt%以有助於例如所施用鋁化物塗層的抗起皺性，或者，在合金以定向凝固形式使用時用於晶界強化。Si含量應當為至少0.05wt%以有助於多活性元素摻雜，但是可以至多1.0wt%， 以例如提高抗腐蝕性。設定的限制以避免不穩定的合金行為。稀土元素之和應當為至少0. Olwt%，以在生產工藝具有高稀土元素保留度時在該生產工藝之後提供合適的稀土元素保留水平。稀土元素之和可以必須高至0. 5wt%，以在生產工藝具有低稀土元素保留度時在該生產工藝之後提供合適的稀土元素保留水平。此處公開的組成涉及實際應用之前的生產鏈中的階段，其可能為例如來自棒材的部件鑄造、粉末的真空等離子體噴塗或粉末的雷射焊接，但是在冷噴塗和類似的非熔化工藝的情況下，其涉及所述冷噴塗或類似工藝之前在最後熔化之前的階段。根據本發明的一個實施方案，所述合金可包括至多20wt%的Co+Fe、17 21wt% 的 Cr、0. 5 3wt%&Mo+W、至多 2wt%&Mo、4. 8 Al、l. 5 Ta、0. 01 0. 2wt%&C+B、0. 01 0. 2wt%&Zr、0. 05 1. 5wt%&Hf、0. 05 1.01 0. 5wt%的稀土元素之和以便存在至少兩種稀土元素，並且存在至多0. 3wt%的任意一種稀土元素。另外，所述合金可包括至多Co+Fe、17 Cr、0. 5 3wt %的 Mo+W、至多 2wt%&Mo、4. 8 Al、l. 5 Ta、0. 01+0.C+B、0. 01 0. Zr、0. 05 1. Hf、0. 05 1. Owt %的 Si 和 0· 01 0. 5wt%稀土元素之和以便存在至少兩種稀土元素，並且存在至多0. 3wt%的任意一種稀土元素，而且Y僅作為不可避免的雜質存在。或者，所述合金可包括2 8wt %的Co、17 19wt %的Cr、1 2. 2wt %的W、4. 8 5. 8wt % 的 Al、2 4. 5wt % 的 Ta、0. 01 0. Iwt % 的 C+B、0. 02 0. 08wt % 的 Zr、0. 1 0. 5wt_Hf、0. 05 0.02 0. 2wt%的至少以兩種存在的稀土元素之和。此外，所述合金可包括4. 5 5.Co、18. 2 Cr、l. 4 1. 8wt% 的 W、5. 2 5. Al、2. 8 3. 6wt%^ Ta、0. 015 0. 025wt%^ C、0. 04 0. 07wt% 的 Zr、0. 25 0. 4wt % 的 Hf、0. 07 0. 13wt % 的 Si 和 0. 05 0. 15wt % 的(La+Y)、至少 0. 02 的 La、至少 0. 02 的 Y。在一個稱為STAL185W1的優選實施方案中，所述合金可以包括約5. Owt %的Co、 約 18. 5wt % 的 Cr、約 1. 6wt % 的 W、約 5. 3wt % 的 Al、約 3. 2wt % 的 Ta、約 0. 02wt % 的 C、約 0. 05wt%^ Zr、約 0. 3wt%^ Hf、約 0. Iwt%^ Si、約 0. 05wt%^ Y 和約 0. 05wt%^ La。或者，所述合金可以包括2 8wt %的Co、17 19wt %的Cr、1 2. 2wt %的W、 4. 8 5. 8wt % 的 Al、2 4. 5wt % 的 Ta、0. 01 0. Iwt % 的 C+B、0. 02 0. 08wt % 的 Zr、 0. 1 0. Hf、0. 05 0.Si 和 0. 05 0. 5wt % 的稀土元素之和、至多 0. 3 的任意一種稀土元素，並且Y僅作為不可避免的雜質存在。另外，所述合金可包括4. 5 5.Co、18. 2 Cr、l. 4 1. 8wt% 的 W、5. 2 5. Al、2. 8 3. 6wt%^ Ta、0. 015 0. 025wt%^ C、0. 04 0. 07wt% 的 Zr、0. 25 0. 4wt % 的 Hf、0· 07 0. 13wt % 的 Si 和 0. 05 0. 5wt % 的 Ce+Gd 之和、至少 0. 02wt % 的 Ce、至少 0. 02wt % 的 Gd 和至多 0. 3wt % 的 Gd 或 Ce。在一個稱為STAL185W2的優選實施方案中，所述合金可包括約5wt %的Co、約 18. 5wt % 的 Cr、約 1. 6wt % 的 W、約 5. 3wt % 的 Al、約 3. 2wt % 的 Ta、約 0. 02wt % 的 C、約 0. 05wt%^ Zr、約 0. 3wt%^ Hf、約 0. Iwt%^ Si、約 0. 05wt%^ Ce 和約 0. 05wt%^ Gd。或者，合金可以包括2 8wt%的Co、17 19wt %的Cr、0. 5 1. 5wt %的Mo、 4. 8 5. 8wt % 的 Al、2 4. 5wt % 的 Ta、0. 01 0. Iwt % 的 C+B、0. 02 0. 08wt % 的 Zr、
0.1 0.Hf、0. 05 0.Si和0. 02 0. 2wt%的在合金中存在的至少兩種的稀土元素之和。此夕卜，以wt%計，合金可以包括4. 5 5.Co、18. 2 Cr、0. 8
1.2wt%^ Mo,5. 2 5. 5wt%^ Al,2. 8 3. 6wt%^ Ta、0. 015 0. 025wt%^ C、0. 04 0. 07wt%&Zr、0. 25 0. 4wt%&Hf、0. 07 0.禾口 0· 05 0. 15wt%^ (La+Y)、 至少 0. La、至少 0. Y。在一個稱為STAL185Mol的優選實施方案中，合金可以包括約5. 3wt %的Co、約 18. 5wt % 的 Cr、約 1. Owt % 的 Mo、約 5. 3wt % 的 Al、約 3. 2wt % 的 Ta、約 0. 02wt % 的 C、約 0. 05wt%^ Zr、約 0. 3wt%^ Hf、約 0. Iwt% ^ Si、約 0.Y 和約 0. 05wt%^ La。
或者，合金可以包括2 Co、17 19wt % 的 Cr、0. 5 1.5wt%&Mo、 4. 8 5. 8wt % 的 Al、2 4. 5wt % 的 Ta、0. 01 0. Iwt % 的 C+B、0. 02 0. 08wt % 的 Zr、
0.1 0.Hf、0. 05 0.Si和0. 02 0. 5wt%的在合金中存在的至少兩種的稀土元素之和、至多0. 3wt%的任意稀土，並且Y僅作為不可避免的雜質存在。此夕卜，以wt%計，合金可以包括4. 8 5.Co、18. 2 Cr、0. 8
1.2wt%^ Mo,5. 2 5. 5wt%^ Al,2. 8 3. 6wt%^ Ta、0. 015 0. 025wt%^ C、0. 04 0. 07wt%&Zr、0. 25 0. 4wt%&Hf、0. 07 0.禾口 0· 05 0. 5wt%^ (Ce+Gd)、 至少 0. 02wt%^ Ce、至少 0. 02wt%^ Gd、至多 0. 3wt%^ Ce 或 Gd。在一個稱為STAL185Mo2的優選實施方案中，所述合金可以包括約5. 3襯％的Co、 約 18. Cr、約 1. 0wt%&Mo、約 5.Al、約 3.Ta、約 0.C、約 0. 05wt%^ Zr、約 0. 3wt%^ Hf、約 0. Iwt%^ Si、約 0. 05wt%^ Ce 和約 0. 05wt%^ Gd。或者，為了增加抗熱腐蝕性，所述合金可以包括(以計)2 8wt%的Co、20 21wt%&Cr、0. 5 1. 5wt% 的 W、4. 7 5. 3wt% 的 Al、1. 5 2. 5wt%&Ta、0. 01 0. Iwt% 的 C+B、0. 02 0. 08wt%&Zr、0. 1 0. 5wt%&Hf、0. 1 0.02 0. 2wt% 的在所述合金中存在的至少兩種的稀土元素之和。此外，所述合金可以包括(以胃1%計)4· 5 5.Co、20. 2 21. 8wt % ^ Cr、0. 8 1. 2wt % ^ W、4. 8 5. 2wt % 的 Al、l. 8 2. 2wt % 的 Ta、0. 015 0. 025wt % 的 C、0. 04 0. Zr、0. 25 0. Hf、0. 3 0. Si 和 0. 05 0. 15wt% 的(La+Y)、至少 0. La、至少 0. Y。在一個稱為STAL205W1的優選實施方案中，所述合金可以包括約5wt%的Co、約 20. 5wt % 的 Cr、約 Iwt % 的 W、約 5wt % 的 Al、約 2wt % 的 Ta、約 0. 02wt % 的 C、約 0. 05wt % 的 Zr、約 0. 3wt%^ Hf、約 0. 4wt%^ Si、約 0.Y 和約 0. 05wt%^ La。或者，所述合金可以包括2 Co、20 Cr、0. 5 1.W、 4. 7 5. Al、l. 5 2. Ta、0. 01 0. Iwt %的的 C+B、0. 02 0.
Zr、0. 1 0. 5wt%&Hf、0. 1 0.Si、0. 02 0. 5wt%的在所述合金中存在的至少
兩種的稀土元素之和，Y僅作為不可避免的雜質存在，至多0. 3wt%的任意一種稀土元素。此外，所述合金可以包括(以wt %測得)4. 5 5. 5wt %的Co、20. 2 20. 8wt %的 Cr、0. 8 1. 2wt % ^ W、4. 8 5. 2wt % ^ Al、l. 8 2. 2wt % ^ Ta、0. 015 0. 025wt % 的 C、0. 04 0. 07wt % 的 Zr、0. 25 0. 4wt % 的 Hf、0. 3 0. 5wt % 的 Si 和 0. 05 0. 5wt % 的 (Ce+Gd)、至少 0.Ce 和至少 0.Gd、至多 0.Ce 或 Gd。在一個稱為STAL205W2的優選實施方案中，所述合金可以包括約5wt%的Co、約 20. 5wt % 的 Cr、約 Iwt % 的 W、約 5wt % 的 Al、約 2wt % 的 Ta、約 0. 02wt % 的 C、約 0. 05wt % 的 Zr、約 0. 3wt%^ Hf、約 0. 4wt%^ Si、約 0. 05wt%^ Ce 和約 0. 05wt%^ Gd。利用我們內部的合金設計系統，對STAL185W1，我們計算出45體積％的、，顆粒含量和0. 9580的Md值，並且其數值與STAL185W2、STAL185Mol和STAL185Mo2的類似。對於STAL205，我們計算出約41體積％的Y 』顆粒含量和0. 9563的Md值。為了比較，對於 IN738LC，我們計算43體積％的Y 』顆粒含量和0. 9818的Md值。所有的顆粒含量都涉及 900攝氏度的參考值。這些值表明相對良好的合金穩定性和可焊接性。根據本發明的超合金應利用清潔生產工藝加工以生產具有至多IOppmw的S、優選低於2ppmw的S的合金。此外，其中包括根據本發明的超合金的複雜材料體系的每個部分都應當用清潔生產工藝加工，這導致至多IOppmw的S、優選低於2ppmw的S。我們不期望上述任一實施方案對本發明範圍內所關注的所有材料體系和條件都是最佳的。例如，Mo會例如降低溶線溫度，而W使之升高，雖然差值可能僅為幾攝氏度，但是這可能能夠或防止目標為複雜材料體系內合金之一的熱處理。活性元素的選擇可能需要被調節為在複雜材料體系中其它合金中使用的活性元素。因此，需要不止一個實施方案，並且其它實施方案可以設計為優化與例如特殊基礎合金的相容性或用於特定的腐蝕性環境。與現有技術的比較如果我們限制形成Al2O3表層的合金，則排除與IN939、IN738LC和IN792類似的典
型合金類別。如果我們進一步限制為具有至少16wt%的Cr以獲得良好抗腐蝕性的合金，則排除與CMSX-4和Rene N5類似的合金類別。如果我們進一步限制為具有至多2wt%的Mo以避免抗腐蝕性劣化的合金，則排除與U-700類似的舊合金類別。如果我們進一步限制為具有良好延展性的合金，則排除所有的基於β相的合金。如果我們進一步限制為基質強化元素如Mo、W和Re和顆粒強化元素如Ti、Ta、Nb 和V之和為至少的合金，則排除諸如Haynes 214的合金。如果我們進一步限制為不包含貴重元素或諸如Re和Ru的元素的合金，則排除包含Pt的γ / γ 』塗層合金以及一些新型的Re和Re+Ru強化塗層合金類別。如果我們進一步限制為具有良好可焊接性的合金，則排除高強度合金如在 EP20060021724中公開的合金。如果我們限制為具有良好合金穩定性的合金，則排除諸如SV-20的合金。專利申請2008P02248W0在諸多方面與本發明類似。不同之處在於其具有比本發明中更少的Al，以及因此具有在開始喪失其初始的良好至優異的抗氧化性之前的更小的對抗複雜材料體系中Al損失的裕度。參考文獻[Barrett]C. A. Barrett A Statistical Analysis of Elevated Temperature Gravimetric Cyclic Oxidation Data of 36 Ni—and Co-base Superalloys based on an Oxidation Attack Parameter NASA TM 105934[Sarioglu]C. Sarioglu,et al. The Control of Sulfur Content in Nickel-Base Single Crystal Superalloys and its Effect on Cyclic Oxidation Resistance Proceedings ' Superalloys 1996'[Pint 1]B.A. Pint et al Effect of Cycle Frequency on High-Temperature Oxidation Behavior of Alumina—and Chromia-Forming Alloys Oxidation of Metals, 58(1/2),73-101 (2002)[Harris]K. Harris et al. Improved Performance CMSX-4 Alloy Turbine Blades Utilising PPM Levels of Lanthanum and Yttrium Proceedings ' Materials for Advanced Power Engineering,5_70ctober, 1998, Liege, Belgium'[Pint 2]Progress in Understanding the Reactive Element Effect sincethe Whittle and Stringer Literature Review ' Proc. of the J. Stringer Symposium, November 2001r[Caron 1]P. Caron et al.Improvement of the Cyclic Oxidation Behaviour of Uncoated Nickel Based Single Crystal Superalloys Proceedings ' Materials for Advanced Power Engineering 1994r[Pint 3]B. A. Pint et al. The use of Two Reactive Elements to Optimize Oxidation Performance of Alumina-Forming Alloys Materials at High Temperature 20(3)375-386,2003[Aimone]P. R. Aimone,R. L. McCormick The Effects of Yttrium and Sulphur on the Oxidation Resistance of an Advanced Single Crystal Nickel Base Superalloy Proceedings ' Superalloys 1992'[Goldschmidt]D. Goldschmidt Single-Crystal Blades Proc. from Materials for Advanced Power Engineering 1994，Part I，p.661—674[Caron 2]P. Caron High Gamma Prime Solvus New Generation Nickel-Based SuperalIoys for Single Crystal Turbine Blade Applications Proceedings 丨 Superalloys 2000r[YehjYeh et al. Development of Si-Bearing 4th Generation Ni-Base Single Crystal Superalloys Proceedings ' Superalloys 2008r[Subramanian]R. Subramahian Advanced Multi-Functional Coatings for Land-Based Industrial Gas Turbines Proceedings ' ASME Turbo Expo 2008，Berlin， Germany,GT2008-51532'[Zhang]Y. Zhang et al. A Platinum-Enriched γ + γ r Two-Phase Bond Coat on Ni-Based Superalloys Surface and Coatings Technology. Volume 200. Issues 5-6.21 November 2005. Pp. 1259-1263[Vedula]K. Vedula et al. Alloys based on NiAl for High Temperature Applications Proceedings ' High-Temperature Ordered Intermetallic Alloys, Vol. 39 Materials Research Society Symposia Proceedings,1984r[Tolpygo]V. K. Tolpygo Effect of Hf, Y and C in the underlying superalloy on the rumpling of diffusion aluminide coatings Acta Materialia，ν 56，η 3， February，2008，ρ 489-499[Fujita]Y. Fujita et al. Laser Epitaxial Cladding of Ni-Base Single Crystal Superalloy Materials Science Forum，Vols.580—582(2008)，pp.67—70
權利要求
1. 一種鎳基Y / Y 』超合金，其包含 至多Co與!^e之和， 17 Cr，0.5 Mo與W之和， 至多 2wt%&Mo，4. 8 Al，1.5 Ta，0.01 0.與 B 之和，0. 01 0. 2wt%^ Zr, 0. 05 1. 5wt%^ Hf, 0. 05 1. Owt%^ Si，和0. 01 0. 5wt%的稀土元素如Sc、Y、鑭系元素和錒系元素之和，其中所述合金中存在至少兩種稀土元素，並且任意一種稀土元素至多為0. 3wt%。
2.一種鎳基Y/Y 』超合金，其由如下組分組成 至多Co與!^e之和，17 Cr，0.5 與W之和， 至多 2wt%&Mo，4. 8 Al，1.5 Ta，0.01 0.與 B 之和，0. 01 0.Zr，0. 05 1. 5wt%^ Hf, 0. 05 1. Owt%^ Si，和0.01 0. 5wt%稀土元素如Sc、Y、鑭系元素和錒系元素之和，其中所述合金中存在至少兩種稀土元素，任意一種稀土元素至多為0. 3wt%，其餘為Ni和不可避免的雜質。
3.根據權利要求2所述的鎳基Y/Y』超合金，其中Y僅作為不可避免的雜質存在。
4.根據權利要求2所述的鎳基Y/ Y 』超合金，其包含4.5 5.Co， 18. 2 Cr，1.4 1.W，5.2 5.Al，2.8 3.Ta，0. 015 0. 025wt%^ C, 0. 04 0. 07wt%^ Zr, 0. 25 0. 4wt%^ Hf, 0. 07 0. 13wt%^ Si,0. 05 0.La 與 Y 之和，至少 0.La 和至少 0.Y。
5.根據權利要求3所述的鎳基Y / Y 』超合金，其包含·4.5 5.Co， 18. 2 Cr，·1.4 1.W，·5.2 5.Al，··2.8 3.Ta， ·0. 015 0. 025wt%^ C, 0. 04 0. 07wt%^ Zr, 0. 25 0. 4wt%^ Hf, 0. 07 0. 13wt%^ Si，和·0. 05 0. 5wt %的稀土元素之和，任意一種稀土元素至多為0. 3，且La和Y僅作為雜質存在。
6.根據權利要求5所述的鎳基γ/γ』超合金，其包含約5wt%的Co，約18.5wt%的 Cr，約 1. 6wt % 的 W,約 5. 3wt % 的 Al，約 3. 2wt % 的 Ta,約 0. 02wt % 的 C,約 0. 05wt % 的 Zr， 約 0. 3wt % 的 Hf,約 0. Iwt % 的 Si，約 0. 05wt % 的 Ce 和約 0. 05wt % 的 Gd。
7.根據權利要求3所述的鎳基、I、,超合金，其包含4.5 5.Co， 18. 2 Cr， 0. 8 1. Mo，5.2 5.Al， 2. 8 3. Ta，0. 015 0. 025wt%^ C, 0. 04 0. 07wt%^ Zr, 0. 25 0. 4wt%^ Hf, 0. 07 0. 13wt%^ Si，和0. 05 0. 5wt %的Ce與Gd之和，至少0. 02wt %的Ce，和至少0. 02wt %的Gd，至多 0.Ce 或 Gd。
8.根據權利要求3所述的鎳基、I、,超合金，其包含 4. 5 5.Co，20. 2 20.Cr，0.8 1.W， 4. 8 5. Al，1.8 2.Ta，0. 015 0. 025wt%^ C, 0. 04 0. 07wt%^ Zr, 0. 25 0. 4wt%^ Hf, 0. 3 0.Si，0. 05 0. 5wt%的稀土元素之和，La和Y僅作為雜質存在。
9.根據權利要求15所述的鎳基Y/Y』超合金，其包含約5^^^90)3420.5^% 的 Cr，約 Iwt % 的 W，約 5wt % 的 Al，約 2wt % 的 Ta，約 0. 02wt % 的 C，約 0. 05wt % 的 Zr，約~0. 3wt % 的 Hf,約 0. 4wt % 的 Si，約 0. 05wt % 的 Ce 和約 0. 05wt % 的 Gd。
10.一種用於熱環境的部件，特別是燃汽輪機的葉片、輪片、熱屏蔽體、密封或燃燒器部件，其特徵在於，所述部件的至少一部分包含根據權利要求1至9中至少一項所述的鎳基y/y 『合金。
11.根據權利要求10所述的部件，用作這類熱部件的補焊的填料合金。
12.根據權利要求10所述的部件，用作包覆這類熱部件的填料合金。
13.根據權利要求10所述的部件，用作這類熱部件上TBC體系中的保護塗層和/或粘合塗層ο
14.根據權利要求10所述的部件，具有作為這類熱部件上TBC體系中的塗層和/或粘合塗層以及作為在這類熱部件上進行補焊的填料合金的雙重用途。
15.根據權利要求10所述的部件，具有作為這類熱部件上TBC體系中的塗層和/或粘合塗層以及作為在這類熱部件上進行包覆的填料合金的雙重用途。
16.根據權利要求10至12中至少一項所述的部件，用作這類熱部件上TBC體系中的基礎合金和塗層和/或粘合塗層之間的中間層。
17.根據權利要求10至16中至少一項所述的部件，其中所述鎳基軸形式。
18.根據權利要求10至16中至少一項所述的部件，其中所述鎳基向凝固的形式。
19.根據權利要求10至16中至少一項所述的部件，其中所述鎳基晶形式。
20.根據權利要求10至19中至少一項所述的部件，其中所述鎳基導致所述合金中S含量低於IOppmw的生產工藝來生產。
21.根據權利要求20所述的部件，其中所述鎳基Y/Y』超合金通過使所述合金中S含量低於2ppmw的生產工藝來生產。
22.根據權利要求10至21所述的部件，其中所述鎳基Y/Y』超合金是材料體系的一部分，所述材料體系利用導致所述材料體系中S含量低於IOppmw的生產工藝來生產。
23.根據權利要求22所述的部件，其中所述材料體系具有低於2ppmw的S含量。Y/Y』超合金為等 Y/Y』超合金為定 Y/Y』超合金為單 Y/Y』超合金通過
全文摘要
本發明涉及一種鎳基γ/γ』超合金，其具有如下多個獨特優點至多中等成本、高抗氧化性、高抗熱腐蝕性、中等強化、合適的合金穩定性和相對良好的可焊接性。所述合金包含至多20wt％的Co與Fe之和、17～21wt％的Cr、0.5～3wt％的Mo與W之和、至多2wt％的Mo、4.8～6wt％的Al、1.5～5wt％的Ta、0.01～0.2wt％的C與B之和、0.01～0.2wt％的Zr、0.05～1.5wt％的Hf、0.05～1.0wt％的Si、和0.01～0.5wt％的稀土元素如Sc、Y、鑭系元素和錒系元素之和，使得這些稀土元素中的至少兩種存在於所述合金中，以及任意這些稀土元素不超過0.3wt％。還涉及其在熱部件例如但不限於燃汽輪機中的葉片、輪片、熱屏蔽體、密封物和燃燒器部件中的用途。還涉及其作為用於補焊和/或包覆這類熱部件的用途。還涉及其作為這類熱部件上的TBC體系中的保護塗層和/或粘合塗層的用途。還涉及其作為這類熱部件上的塗層和/或粘合塗層以及用於修復和/或包覆的雙重用途。還涉及其作為這類熱部件上的基礎合金和另一塗層和/或粘合塗層之間的中間層的用途。還涉及在這類部件中以多晶、定向凝固或單晶形式的用途。還涉及其通過例如但不限於精密鑄造、雷射焊接/包覆、熱匣焊接、雷射燒結、冷噴塗、爆炸焊接和真空等離子體噴塗的工藝來生產。還涉及其通過低S加工來生產。還涉及其作為如通過低S加工生產的上述示例性材料體系的一部分的用途。
文檔編號C22C19/05GK102414331SQ201080018553
公開日2012年4月11日 申請日期2010年4月7日 優先權日2009年4月27日
發明者馬格努斯·哈斯爾奎斯特 申請人:西門子公司