颗粒强化合金制品及其形成方法技术

本发明专利技术提供一种颗粒强化合金制品及其形成方法。所述制品包含一种材料，所述材料包括金属基体和宏观上非均匀布置于基体内的第一颗粒相群。颗粒相包括氧化物相。进一步的实施方案包括诸如涡轮机械部件、紧固件和管件等制品及其形成方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及纳米结构铁素体合金。更特别地，本专利技术涉及由具有非均匀分布分散体的纳米结构铁素体合金形成的制品及其形成方法。
技术介绍
燃气涡轮机在极端环境下工作，使涡轮机部件特别是涡轮机热区中那些部件经受高的工作温度和压力。为使涡轮机部件耐受这些条件，它们由能够耐受这些严酷条件的材料来制造。当达到材料极限时，按照常规采用两种方法之一以维持热区部件的机械完整性。一种方法是使用冷却空气降低部件的有效温度。第二种方法是增大部件尺寸以减小压力。然而，这些方法会降低涡轮机的效率并增加成本。在一些应用中，超耐热合金已用于这些要求严格的应用，这是因为它们在最高达到其熔融温度90%时仍保持其强度并具有优异的环境耐受性。特别是，镍基超耐热合金已广泛用于整个燃气涡轮发动机，例如应用于涡轮叶片、喷嘴、叶轮(wheel)、中间盘(spacer)、叶片盘、转子轴、叶盘和罩体。在一些温度和压力较低的应用中，可将钢铁用于涡轮机部件。然而，传统钢铁的使用通常在高温、高压应用中受到限制，因为不满足必需的机械性能要求和/或设计要求。纳米结构铁素体合金(NFA)是新兴的一类合金，对于燃气涡轮机转子而言具有重要意义。这些合金(NFA)表现出非凡的高温性能，这被认为源于机械合金化步骤之后热固结过程中析出的纳米尺寸氧化物团簇。高温下存在的这些氧化物团簇在使用过程中提供了强化稳定的微结构。另外，与许多要求随后进行铸造和锻造(C&W)工艺以获得所需性能的镍基超高温合金不同，NFA通过要求较少熔融步骤的不同工艺方法进行制造。尽管NFA与传统钢铁相比具有提高的拉伸和蠕变性能，但对于转子应用要求更多的益处。应当指出的是，对于重型蒸汽涡轮机转子，关键性机械性能要求由叶轮孔至叶轮缘发生改变。例如，叶轮孔受限于破裂强度，因而要求较高的极限拉伸强度，叶轮缘受限于材料的蠕变寿命。因而，期望获得一种渐变合金制品，该制品在其各个区域(位置)表现出提高的机械完整性并达到机械性能的适当平衡。
技术实现思路
在一个实施方案中，提供一种制品。该制品含有包括金属基体和宏观上非均匀布置于基体内的第一颗粒相群的材料。颗粒相包括氧化物相。其它实施方案包括一些制品，例如涡轮机械部件、紧固件和管件。一个实施方案是涡轮机械部件。该部件包括径向对称主体，所述径向对称主体具有邻近所述主体的中心的内表面和远离所述主体的中心的外表面。所述径向对称主体含有包括金属基体和第一颗粒相群的材料。金属基体包括铁和铬。第一颗粒相群包括含有钛和钇的氧化物相并具有小于约20纳米的中值粒径。内表面处第一颗粒相群的浓度小于外表面处第一颗粒相群的浓度。内表面处第一颗粒相群的浓度在约0.1体积百分比至约2体积百分比范围，外表面处的浓度在约0.7体积百分比至约3体积百分比范围。在一个实施方案中，一种方法包括将具有第一氧浓度的第一组成与具有第二氧浓度的第二组成结合来形成一种材料。第二氧浓度不同于第一氧浓度。所述材料包括金属基体和宏观上非均匀布置于基体内的第一颗粒相群。颗粒相包括氧化物相。所述材料经加工以提供一种制品。在一个实施方案中，提供一种涡轮机械部件的形成方法。该方法包括以下步骤:在氧化物存在的情况下对包含铁和铬的第一粉末进行研磨，直至氧化物至少部分地溶解在合金粉末中，从而形成具有第一氧浓度的第一组成；在氧化物存在的情况下对包含铁和铬的第二粉末进行研磨，直至氧化物至少部分地溶解在合金粉末中，从而形成具有第二氧浓度的第二组成，第二氧浓度大于第一氧浓度。将具有第一组成的粉末置于容器的第一区域，将具有第二组成的粉末置于容器的第二区域。在一定温度下使这些粉末固结(consolidate)而使第一和第二组成结合，以使包含钛和钇的氧化物相在包含铁和铬的基体内析出。容器的第一区域和容器的第二区域分别对应于涡轮机械部件的径向对称主体的内表面和外表面。本专利技术提供了:1.一种制品，所述制品包含:一种材料，所述材料包括金属基体和宏观上非均匀布置于所述基体内的第一颗粒相群，所述颗粒相包括氧化物相。2.根据项目I所述的制品，其特征在于，所述基体包含镍、铁、铬、铝、钴、钛或其组入口 ο3.根据项目I所述的制品，其特征在于，所述基体包含铁和铬。4.根据项目I所述的制品，其特征在于，所述氧化物相包含铝、钇、镁、钼、锆、硅、钛、铪、钨、钽或其组合。5.根据项目I所述的制品，其特征在于，所述氧化物相包含钛和钇。6.根据项目I所述的制品，其特征在于，所述第一颗粒相群具有小于约20nm的中值粒径。7.根据项目I所述的制品，其特征在于，所述第一颗粒相群具有小于约1nm的中值粒径。8.根据项目I所述的制品，所述制品还包含布置于所述基体内的第二颗粒相群，其中所述第二颗粒相群的粒度分布不同于第一颗粒相群的粒度分布。9.根据项目8所述的制品，其特征在于，所述第二颗粒相群宏观上非均匀分布于所述基体内。10.根据项目8所述的制品，其特征在于，所述第二颗粒相群包括金属间化合物。11.根据项目8所述的制品，其特征在于，所述第二颗粒相群包括氧化物、硼化物、碳化物、氮化物或其组合。12.根据项目8所述的制品，其特征在于，所述第二颗粒相群具有约25nm至约10微米的中值粒径。13.根据项目I所述的制品，其特征在于，所述第一颗粒相群在所述制品的第一区域中的第一浓度不等于第一颗粒相群在所述制品的第二区域中的第二浓度，并且其中所述第一浓度和所述第二浓度各自独立地落于约0.1体积百分比至约5体积百分比范围。14.根据项目13所述的制品，其特征在于，在所述第一区域和所述第二区域之间设有至少一个中间区域，并且其中所述至少一个中间区域中第一颗粒相群的浓度具有介于所述第一浓度和所述第二浓度之间的数值。15.根据项目13所述的制品，其特征在于，所述制品为涡轮机械部件、紧固件或管件。16.根据项目15所述的制品，其特征在于，所述制品为叶轮或中间盘。17.根据项目16所述的制品，其特征在于，第一区域包括所述叶轮或中间盘的内表面，第二区域包括所述叶轮或中间盘的外表面，并且其中所述内表面处所述第一颗粒相群的第一浓度低于所述外表面处所述第一颗粒相群的第二浓度。18.根据项目17所述的制品，其特征在于，所述第一浓度在约0.1体积百分比至约2体积百分比范围，所述第二浓度在约0.7体积百分比至约3体积百分比范围。19.一种涡轮机械部件，所述涡轮机械部件包括:径向对称主体，所述径向对称主体包括邻近所述主体的中心的内表面和远离所述主体的中心的外表面；其中，所述径向对称主体包含:—种材料，所述材料包括:金属基体，所述基体包含铁和络；中值粒径小于约20纳米的第一颗粒相群，所述颗粒相群包括氧化物相，所述氧化物相包含钛和钇，其中，所述内表面处所述第一颗粒相群的浓度低于所述外表面处所述第一颗粒相群的浓度，并且其中所述内表面处所述颗粒相的浓度在约0.1体积百分比至约2体积百分比范围，所述外表面处所述颗粒相的浓度在约0.7体积百分比至约3体积百分比范围。20.—种方法，所述方法包括:将具有第一氧浓度的第一组成与具有第二氧浓度的第二组成结合，所述第二氧浓度不同于所述第一氧浓度，以形成包括金属基体和宏观上非均匀布置于所述基体内的第一颗粒相群的材料，所述颗粒相包括氧化物相。21.根据项目20所述的方法，所述方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制品，所述制品包含：一种材料，所述材料包括金属基体和宏观上非均匀布置于所述基体内的第一颗粒相群，所述颗粒相包括氧化物相。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：R迪多米齐奥，LC戴尔，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US