高温耐损伤超合金、由该合金制造的制品和制造该合金的方法技术

公开了一种镍基合金，其具有以下重量百分数组成。C约0.005至约0.06，Cr约13至约17，Fe约4至约20，Mo约3至约9，W至多约8，Co至多约12，Al约1至约3，Ti约0.6至约3，Nb至多约5.5，B约0.001至约0.012，Mg约0.0010至约0.0020，Zr约0.01至约0.08，Si至多约0.7，P至多约0.05，余量为镍、常见杂质和作为来自熔炼过程中的合金化添加物的残余物的少量其他元素。所述合金提供高强度、良好的抗蠕变性和良好的抗裂纹扩展性的组合。还公开了一种热处理镍基超合金以改善合金的拉伸延展性的方法。还公开了一种由本文所述的镍基超合金制成的制品。

Damage-resistant superalloy at high temperature, products manufactured from the alloy and methods for manufacturing the alloy

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高温耐损伤超合金、由该合金制造的制品和制造该合金的方法专利技术背景。专利
本专利技术一般涉及镍基超合金，特别地涉及一种提供高强度、良好的蠕变强度和良好的应力下抗裂纹扩展性的新组合的镍基超合金。相关技术描述设计用于在高温(例如，≥1100℉)下工作的结构合金通常需要高强度和抗蠕变性。然而，随着此类合金中强度和抗蠕变性能的提高，合金可能变得更易受环境影响，即受大气中的氧气影响。这种敏感性可表现为缺口脆性和/或裂纹扩展速率的增加。就裂纹扩展速率来说，当疲劳以较快的速率循环时，镍基超合金可耐受这种类型的损伤，但当合金在低频下受到应力并且在每个应力/无应力循环中具有保压时，可能出现对损伤敏感性的增加。关于这种敏感性的一个理论是在循环的加应力部分期间增加的保压时间为氧气向下沿晶界扩散而在裂纹内形成氧化物层提供时间。然后，当载荷被释放时，该氧化物层可充当楔子，从而以更快的总体速率推进裂纹尖端的移动。在镍基超合金中，影响强度和抗蠕变性能的组成和结构因素也会影响裂纹扩展速率。此类因素包括固溶强化、沉淀强化(如γ′沉淀)；反相边界能；基质中沉淀物的体积、尺寸和共格性；晶粒尺寸；晶界结构；晶界沉淀(组成和形态)；以及晶界中某些有效元素的低含量的影响。在某种程度上蠕变的合金允许在裂纹尖端处发生蠕变松弛(钝化)。合金的综合抗氧化性也会影响裂纹扩展速率。鉴于如上文所述的现有技术，希望有不仅提供良好的高温强度和抗蠕变性而且提供在氧化环境中应力循环期间改善的抗裂纹扩展性的镍基超合金。用于可沉淀硬化(PH)的Ni基超合金的已知热处理通常包括对在合金基质材料中沉淀的溶液离散相的高温退火处理。该固溶退火处理还减轻材料中的应力并改变合金的晶粒尺寸和结构。取决于所使用的退火温度是高于还是低于在PHNi基超合金中形成的γ'沉淀物的溶线温度，退火温度可被称为超溶线和亚溶线。固溶退火处理之后是较低温度的时效热处理，其中γ'和γ''相沉淀。γ'和γ''相是PHNi基超合金中的主要强化相。时效热处理可由在不同温度下进行的一个或两个加热步骤组成，该温度选择为引起γ'和在一些情况下γ''的沉淀，并且改变合金中γ'和γ''沉淀物的尺寸、形态和体积分数。专利技术概述上述已知合金的缺点在很大程度上通过具有以下宽、中间和优选重量百分数范围的镍基超合金来克服。合金的余量基本上为镍、在预期用于类似用处的可沉淀硬化镍基超合金中常见的杂质如磷和硫、以及少量的其他元素如锰，其可以如下文所述不会不利地影响该合金所提供的基本和新性能的量存在。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种改善镍基超合金制品的拉伸延展性的方法。该方法包括提供中间产品形式如棒或杆的步骤，所述中间产品形式由其组成包含可组合形成合金中的γ'沉淀物的元素的可沉淀硬化镍基超合金制成。在第一步中，将中间产品形式在高于γ'沉淀物的溶线温度的温度(超溶线温度)下加热足以使γ'沉淀物进入到合金中的固溶体中的时间。在第二步中，将中间产品形式在比γ'溶线温度低约10-150℉的温度(亚溶线温度)下加热足以引起γ'沉淀和粗化的时间。然后将合金从亚溶线温度冷却至室温。在第三步中，将中间产品形式在时效温度下加热并历时足以引起细小γ'沉淀物沉淀的时间。在一个优选的实施方案中，第三步可包括双时效，其中中间产品形式在第一时效温度下加热，从第一时效温度快速冷却，在低于所述第一时效温度的第二时效温度下加热，且随后以较慢的速率将合金冷却至室温。前面的表格作为方便的概述提供，并无意于由此限制本专利技术合金的各个元素的范围的下限值和上限值的彼此组合使用，也不限制元素的范围于仅彼此组合使用。因此，宽组成的一个或多个元素范围可与在优选组成中的剩余元素的一个或多个其他范围一起使用。另外，一个优选实施方案的元素的最小值或最大值可与来自另一个优选实施方案的该元素的最大值或最小值一起使用。还应指出，上述重量百分数组成限定了对于获得表征根据本专利技术的合金的性质的组合必不可少的合金组分。因此，可以预期，在整个以下说明书和附随的权利要求中，根据本专利技术的合金包含上述元素或基本上由上述元素组成。除非另有说明，否则这里及在整个本申请中，术语百分数或符号“%”指的是重量百分数或质量百分数。根据本专利技术的合金和由其制成的有用制品所提供的基本和新颖性能包括高强度、良好的抗蠕变性和良好的抗裂纹扩展性。这里及在整个说明书中，术语“溶线温度”指的是γ'沉淀物的溶线温度。如本申请中所用，术语“高强度”指的是至少约120ksi的室温屈服强度和当在1300℉的温度下测试时至少约115ksi的屈服强度。术语“良好的抗蠕变性”指的是当合金在1350℉下以80ksi的施加应力测试时应力破裂寿命为至少约23小时。术语“良好的抗裂纹扩展性”指的是当在40ksi√in的应力强度因子范围(ΔK)下测试时亚临界保压裂纹扩展速率不大于约10-3英寸/循环、在20ksi√in的ΔK下不大于5×10-5英寸/循环并且在20ksi√in的ΔK与40ksi√in的ΔK之间的裂纹扩展速率不大于由下面的等式算出的值：附图的多个视图的简述结合附图阅读时，可进一步理解前述的专利技术概述和以下详述，在附图中：图1为第一系列实施例的裂纹扩展速率(da/dN)与应力强度范围的关系图，这些实施例在1800℉下固溶退火1小时并随后进行时效；图2为第一系列实施例的裂纹扩展速率(da/dN)与应力强度范围的关系图，这些实施例在2075℉下固溶退火1小时并随后进行时效；和图3为第二系列实施例的裂纹扩展速率(da/dN)与应力强度范围的关系图，这些实施例在1850℉下固溶退火1小时并随后进行时效。专利技术详述现在描述构成本专利技术的合金的元素的浓度及它们对合金所提供的性质的各自贡献。碳：该合金中存在碳，因为它形成晶界碳化物，晶界碳化物有利于合金所提供的延展性。因此，该合金含有至少约0.005%的碳、更好的是至少约0.01%的碳、优选至少约0.02%的碳。为获得最佳结果，合金含有约0.03%的碳。该合金中可存在至多约0.1%的碳。然而，过多的碳会产生碳氮化物颗粒，这可能不利地影响疲劳行为。因此，在该合金中，碳被优选限制在不多于约0.06%，更优选不多于约0.05%，最优选不多于约0.04%。铬：铬有利于该合金所提供的抗氧化性和抗裂纹扩展性。为了获得这些益处，合金含有至少约13%的铬，更好的是至少约14%的铬，优选至少约14.5%的铬。为获得最佳结果，合金含有约15%的铬。过多的铬会因在高温暴露期间形成拓扑密堆积相而导致合金相不稳定。这种相的存在会不利地影响合金所提供的延展性。因此，合金含有不多于约17%的铬，更好的是不多于约16%的铬，优选不多于约15.5%的铬。钼：钼有助于该合金所提供的固溶强度和良好的韧性。当合金含有很少的钨或不含钨时，钼将有利于抗裂纹扩展性。由于这些原因，该合金含有至少约3%的钼，更好的是至少约3.5%的钼，优选至少约3.8%的钼。在存在铬的情况下过多的钼会不利地影响该合金的相平衡，因为与铬一样，它会导致将不利地影响合金延展性的拓扑密堆积相的形成。因此，含有不多于约9%、更好的是不多于约8%、优选不多于约4.5%的钼。铁：根据本专利技术的合金含有至少约4%的铁代替一些镍和当合金中存在钴时代替一些钴。用铁的存在代替一些镍会导致γ'和γ''沉淀物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提供高强度、良好的抗蠕变性和良好的抗裂纹扩展性的组合的镍基超合金，所述合金基本上由以下重量百分数的以下成分组成：

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.12 US 15/2915701.一种提供高强度、良好的抗蠕变性和良好的抗裂纹扩展性的组合的镍基超合金，所述合金基本上由以下重量百分数的以下成分组成：余量为镍、常见杂质和作为来自熔炼过程中的合金化添加物的残余物的少量其他元素。2.根据权利要求1所述的合金，所述合金含有至少约0.01％的碳。3.根据权利要求1所述的合金，所述合金含有至少约14％的铬。4.根据权利要求1所述的合金，所述合金含有至少约3.5％的钼。5.根据权利要求1所述的合金，所述合金含有不多于约17％的铁。6.根据权利要求1所述的合金，所述合金含有至多约8％的钴。7.根据权利要求1所述的合金，所述合金含有至少约1％的铌。8.根据权利要求1所述的合金，所述合金含有至少约1％的钛。9.一种提供高强度、良好的抗蠕变性和良好的抗裂纹扩展性的组合的镍基超合金，所述合金基本上由以下重量百分数的以下成分组成：余量为镍、常见杂质和作为来自熔炼过程中的合金化添加物的残余物的少量其他元素。10.根据权利要求9所述的合金，所述合金含有至少约0.02％的碳。11.根据权利要求9所述的合金，所述合金含有至少约14.5％的铬。12.根据权利要求9所述的合金，所述合金含有至少约3.8％的钼。13.根据权利要求9所述的合金，所述合金含有不多于约16％的铁。14.根据权利要求9所述的合金，所述合金含有至多约5％的钴。15.根据权利要求9所述的合金，所述合金含有至少约2％的铌。16.根据权利要求9所述的合金，所述合金含有至少约1.5％的钛。17.一种提供高强度、良好的抗蠕变性和良好的抗裂纹扩展性的组合的镍基超合金，所述合金基本上由以下重量百分数的以下成分组成：余量为镍、常见杂质和作为来自熔炼过程中的合金化添加物的残余物的少量其他元素。18.一种具有高强度、良好的抗蠕变性和良好的抗裂纹扩展性的组合的制品，所述制品由镍基超合金制成，所述合金基本上由以下重量百分数的以下成分组成：余量为镍、常见杂质和作为来自熔炼过程中的合金化添加物的残余物的少量其他元素，其中所述合金以溶线温度为特征并且当所述制品在高于所述溶线...

【专利技术属性】
技术研发人员：KA赫克，SJ克尔尼安，
申请(专利权)人：CRS控股公司，
类型：发明
国别省市：美国,US