用于涡轮增压器部件的新合金制造技术

本发明专利技术涉及一种涡轮增压器部件，其包括相对轻质的基于切口的超级合金，该超级合金在大约1000℃下老化部件大约300小时之后具有大于大约40％的γ’相畴量。

New alloy for turbocharger components

The invention relates to a turbocharger component, which comprises a relatively light cut based superalloy having a \u03b3 'phase domain amount of more than about 40% after aging the component at about 1000 \u2103 for about 300 hours.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于涡轮增压器部件的新合金
本专利技术涉及涡轮增压器领域，特别是用于内燃机的涡轮增压器。
技术介绍
涡轮增压器用于增加燃烧空气通过量和密度，从而增加内燃机的功率和效率。涡轮增压器的设计和功能在现有技术中有详细描述，例如美国专利4,705,463和5,399,064，其公开内容通过引用并入本文。为了满足燃料效率和排放要求，现代客车汽油发动机对排气涡轮增压器的热负载能力提出非常高的要求。在稳态发动机条件下，涡轮机入口上的温度可以达到高达约1050℃。涡轮机叶轮是经受最高性能要求的涡轮增压器的部件，因为除了高温之外它还具有高机械负荷。目前，特别是MARM247被用于/考虑用于这种高要求的涡轮增压器部件。然而，MARM247含有1.5wt.-％的Hf，因此非常昂贵。或者，可以使用航空航天级含Re的Ni基超合金。然而，这些合金对于汽车工业而言仍然太过昂贵。在涡轮增压器应用中，希望采用具有类似性能的更节省成本的合金代替昂贵的合金，例如MarM247。
技术实现思路
现已令人惊奇地发现，可通过提供在室温下具有小于约8.35g/cm3的相对低密度的镍基超合金来解决上述目的。可以预期，这些合金的样品在约1000℃至约1050℃的预期操作温度下具有优异的TMF、LCF和蠕变性能。而合金测试样品的TMF和LCF性能可能略低于例如MARM247，由于较低的密度，实际工件的性能可以预期为基本上等同于例如MARM247的合金的性能：涡轮增压器叶轮在高达约280,000rpm下旋转，并且永久地经受加速和减速力以及离心力。这些力以及由此产生的应力取决于涡轮增压器叶片的质量。使用由更轻质的合金制成的叶片减小了叶片上的应力并提高了涡轮机叶轮的TMF和LCF性能。因此，合金固有的TMF和LCF性能及其较低密度共同有助于增加涡轮机叶轮的总体性能和寿命。此外，本专利技术的合金的特征在于足够的抗氧化和耐腐蚀性以及优异的抗热疲劳性。同时，这些益处通过非常节省成本的合金来实现，因为其不依赖于更大量的昂贵元素，如铪和铼。最后，由于相对低的钴含量，可以预期该合金具有良好的可加工性。在第一方面，本专利技术涉及涡轮增压器部件，特别是用于内燃机的涡轮机叶轮，其包含具有以下组成的多晶镍基合金：约10.0至约15.0wt.-％的Cr；约4.0至约9.0wt.-％的Co；约0.05至约0.15wt.-％的C；Al、Ti、Nb和Ta的总量为约7.0至约15.0wt.％，条件是Al的量为至少约3.7wt.-％，在约1000℃下老化部件约300小时后，γ’相的量大于约40％；Mo和W的总量为约2.0至约5.0wt.-％，其中Mo和W以Mo：W＝约0.7至约1.8的重量比存在；可选地，Re和Hf，条件是每种元素以小于约1wt.-％的量存在；可选地，总量小于约3wt.-％的其他元素(杂质)，特别是彼此独立地量小于约0.05wt.-％的Fe、Mn、P、S和Si；以及作为余量的Ni。在本专利技术的第二方面中，提供了一种涡轮增压器部件，特别是用于内燃机的涡轮机叶轮，其包含具有以下组成的多晶镍基合金：约10.0至约15.0wt.-％的Cr；约4.0至约9.0wt.-％的Co；约0.05至约0.15wt.-％的C；约4.0至约5.5wt.-％的Al；约1.2至约2.4wt.-％的Ta；约0.3至约1.5wt.-％的Nb；约1.3至约2.3wt.-％的Mo；约0.9至约2.1wt.-％的W；约2.4至约3.5wt.-％的Ti；可选地，Re和Hf，条件是每种元素以小于约1wt.-％的量存在；可选地，总量小于约3wt.-％的其他元素(杂质)，特别是彼此独立地量小于约0.05wt.-％的Fe、Mn、P、S和Si；以及作为余量的Ni。附图说明图1示出了本专利技术的示例性合金的γ’相的重量百分比的计算。图2示出了在暴露于循环热负载之后的热疲劳的涡轮增压器叶轮。具体实施方式在第一方面，本专利技术涉及涡轮增压器部件，特别是用于内燃机的涡轮机叶轮，其包含具有以下组成的多晶镍基合金：约10.0至约15.0wt.-％的Cr；约4.0至约9.0wt.-％的Co；约0.05至约0.15wt.-％的C；Al、Ti、Nb和Ta的总量为约7.0至约15.0wt.％，条件是Al的量为至少约3.7wt.-％，在约1000℃下老化部件约300小时后，γ’相的量大于约40％；Mo和W的总量为约2.0至约5.0wt.-％，其中Mo和W以Mo：W＝约0.7至约1.8的重量比存在；可选地，Re和Hf，条件是每种元素以小于约1wt.-％的量存在；可选地，总量小于约3wt.-％的其他元素(杂质)，特别是彼此独立地量小于约0.05wt.-％的Fe、Mn、P、S和Si；以及作为余量的Ni。上述合金是含有Cr作为其主要合金元素之一的Ni基合金。Cr是提高抗氧化性必不可少的元素，并有助于合金的高温强度。该合金进一步包含至少约3.7wt.-％的Al，以促进在涡轮增压器部件的表面上形成氧化铝。这些氧化物通过钝化进一步增加涡轮增压器部件的抗氧化性。Al与Ti、Nb和Ta的结合对于γ’相的产生也是重要的。γ’相是fcc奥氏体Ni基体中的第二相沉淀物，并且形式上由Ni3(Al,X)组成，其中X＝Ti、Nb或Ta。尤其γ’相的比例与γ’形成元素(特别是铝)的量相关。在本专利技术中，可以使用总量为约7.0至约15.0wt.-％的Al、Ti、Nb和Ta来产生其中在约1000℃下老化部件约300小时之后γ’相的比例大于约40％的形态。对于任何给定的合金，γ’相的量(在下文中也称为比例)可以常规地确定。示例性的方法是光学分析，包括制备金相切片，抛光和/或蚀刻样品的切割表面，获得金相切片的显微照片，手动或使用自动图像分析确定代表性数量的典型立方形γ’相畴的面积，并将该值与总分析面积相关联。在本文中，畴的代表性数量可以认为是一个或多个晶粒、通常约为3-5个晶粒中的γ’相畴的数量。在这种情况下，总的分析面积将是晶粒的总面积。或者，代表性数量的畴可以被认为是至少100个γ’相畴，在这种情况下，γ’相的量是相对于给定分析区域的所述分析区域中所有γ’相畴的面积。获得的百分比是面积百分比，但代表合金中γ’相的体积(或重量)分数。γ'相充当通过fcc的Ni基体的位错运动的屏障，因此高比例的γ'相有利于获得高温抗蠕变性和强度。在约1000℃下大于约40％的γ’相的比例被认为提供高温强化、可铸造性和可加工性的平衡混合。Al、Ti、Nb和Ta的总量为约7.0至约15.0wt.-％的范围内，本领域技术人员可以常规地估计/确定γ’相在约1000℃下的所得比例。还可以另外依赖于计算的模型，如图1所示。图1示出了根据本专利技术的示例性合金的γ’相相对于温度的计算重量百分比。图1使用软件JMatPro计算，该软件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.涡轮增压器部件，特别是用于内燃机的涡轮机叶轮，包含具有以下组成的多晶镍基合金：/n约10.0至约15.0wt.-％的Cr；/n约4.0至约9.0wt.-％的Co；/n约0.05至约0.15wt.-％的C；/nAl、Ti、Nb和Ta的总量为约7.0至约15.0wt.％，条件是Al的量为至少约3.7wt.-％，在约1000℃下老化部件约300小时后，γ’相的量大于约40％；/nMo和W的总量为约2.0至约5.0wt.-％，其中Mo和W以Mo：W＝约0.7至约1.8的重量比存在；/n可选地，Re和Hf，条件是每种元素以小于约1wt.-％的量存在；/n可选地，总量小于约3wt.-％的其他元素(杂质)，特别是彼此独立地量小于约0.05wt.-％的Fe、Mn、P、S和Si；以及/n作为余量的Ni。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170208 EP 17155147.61.涡轮增压器部件，特别是用于内燃机的涡轮机叶轮，包含具有以下组成的多晶镍基合金：
约10.0至约15.0wt.-％的Cr；
约4.0至约9.0wt.-％的Co；
约0.05至约0.15wt.-％的C；
Al、Ti、Nb和Ta的总量为约7.0至约15.0wt.％，条件是Al的量为至少约3.7wt.-％，在约1000℃下老化部件约300小时后，γ’相的量大于约40％；
Mo和W的总量为约2.0至约5.0wt.-％，其中Mo和W以Mo：W＝约0.7至约1.8的重量比存在；
可选地，Re和Hf，条件是每种元素以小于约1wt.-％的量存在；
可选地，总量小于约3wt.-％的其他元素(杂质)，特别是彼此独立地量小于约0.05wt.-％的Fe、Mn、P、S和Si；以及
作为余量的Ni。


2.根据权利要求1所述的涡轮增压器部件，其中，所述γ’相的平均尺寸小于约1.0μm并且所述部件的密度小于约8.35g/cm3。


3.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器部件，其中所述合金包含约1.2至约2.4wt.％的Ta，特别是约1.5至约2.0wt.-％的Ta。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮增压器部件，其中，所述合金包含约0.3至约1.5wt.-％的Nb，特别是约0.6至约1.1wt.-％的Nb。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮增压器部件，其中，所述合金包含约4.0至约5.5wt.-％的Al，特别是约4.3至约5.1wt.-％的Al。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮增压器部件，其中，Re和Hf的量彼此独立地小于约0.15wt.-％，特别地小于约0.1wt.-％。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的涡轮增压器部件，其中，Al与Ti的重量比在约1.1至约1.9，或约1.3至约1.8，并且特别是约1.35至约1.65的范围内。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的涡轮增压器部件，其中，所述合金包含约2.4至约3.5wt.-％的Ti，特别是约2.7至约3.2wt.-％...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·沙尔，A·齐格勒，
申请(专利权)人：博格华纳公司，
类型：发明
国别省市：美国;US