可沉淀硬化的钴-镍基高温合金和由其制造的制品制造技术

公开了一种可沉淀硬化的钴‑镍基高温合金。其特征在于以下重量百分比组成：

Precipitation hardenable cobalt nickel base superalloys and products thereof

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】可沉淀硬化的钴-镍基高温合金和由其制造的制品专利技术背景专利
本专利技术涉及用于极高温应用的高温合金，并涉及在明显高于已知的镍基高温合金和已知的钴基高温合金的温度下提供良好的抗氧化性、非常好的强度和微观结构稳定性的可沉淀硬化的钴-镍基高温合金。本专利技术还涉及由该合金制成的细晶粒制品。相关技术描述为了在燃气涡轮发电机和喷气发动机中获得优于目前可得的燃料效率和性能，此类设备的制造商正在设计下一代燃气涡轮机，以在明显高于目前使用中的温度的温度下运行。镍基高温合金例如和WASPALOY已经用于制造燃气涡轮机转子和其它组件。已知的镍基高温合金在至多约750℃(1380°F)的温度下提供非常好的强度和抗蠕变性。但是，预期更新的燃气涡轮机设计将需要可以在800℃(1472°F)和更高的温度下提供高强度的高温合金。已知的镍基沉淀硬化高温合金主要通过在该合金基质材料中沉淀金属间相γ′(gammaprime)来获得它们的高温强度。WASPALOY中镍基γ′的溶线温度为约1020℃(1870°F)。因此，已知的镍基高温合金在使用操作温度接近该温度时经历强度与抗蠕变性的快速下降。考虑到对于燃气涡轮机和喷气发动机预期提至更高的操作温度，已出现对于在630MPa(91.4ksi)下、在1000小时测试中，在高于675℃(1250°F)的温度下提供非常高的强度和非常好的抗蠕变性的可沉淀硬化的高温合金的需求。已知含有Al和W的钴-镍合金可以通过L12有序相、γ′沉淀物(Co3(Al，W))的沉淀和通过在已知的Ni基高温合金中发现的Ni3(Al，Ti)γ′沉淀物的沉淀来强化。但是，在实践中，已经发现，与现有的Ni基合金相比，单独的三元Co-W-Al相不提供充分改善的性质，尤其是在长期高温暴露期间。并且，三元Co-W-Al相受困于高温暴露期间的加速氧化，这导致合金质量损失，并因此导致此类温度下的使用寿命缩短。因此，需要具有针对极高温应用的性质的组合，即强度、抗蠕变性、抗氧化性和长期稳定性的高温合金。专利技术概述如上所述的已知的镍和钴基高温合金的缺点在很大程度上通过具有新颖化学性质的钴基高温合金得到了解决，该钴基高温合金被设计为向下一代燃气涡轮机和喷气发动机提供机械性质和抗氧化性的所需组合。根据本专利技术，提供了可沉淀硬化的钴基高温合金，其具有以下宽泛和优选的组成(以重量百分比计)。该合金组成的余量是钴和意在用于相同或相似作用或用途的可沉淀硬化的高温合金中常见的杂质。在固溶处理和时效硬化条件下，根据本专利技术的合金被设计为在650-815℃(1200-1500°F)的温度下提供约700-1380MPa(100-200ksi)的屈服强度。该合金还被设计为确保当该合金暴露于约700-1050℃(1300-1920°F)的温度下1000小时或更久时的γ′强化沉淀物的稳定性。前述表格作为方便的概述来提供，并且由此不意在限制本专利技术的合金的个体元素的范围的下限值和上限值彼此组合使用，或限制元素的范围仅彼此组合使用。因此，宽泛组成中的一个或更多个元素范围可以与优选组成中其余元素的一个或更多个其它范围一起使用。此外，元素的宽范围的最小值或最大值可以与该元素的优选范围的最大值或最小值一起使用。除非另行说明，在此处以及在本申请的说明书和权利要求书通篇中，术语“百分比”和符号“％”表示重量百分比或质量百分比。此外，符号γ表示基质材料，并且γ′和γ"表示在包括固溶退火和时效硬化步骤的两步热处理之后存在于该合金中的金属间沉淀物。附图简述在结合附图阅读时，将更好地理解前述概述以及以下详述，其中：图1A是根据本专利技术的合金样品在暴露于704℃(1300°F)的温度下100小时后放大1000倍的光学显微照片；图1B是合金的第二样品在暴露于760℃(1400°F)的温度下100小时后放大1000倍的光学显微照片；图1C是合金的第三样品在暴露于815.5℃(1500°F)的温度下100小时后放大1000倍的光学显微照片；图2是本专利技术的合金样品在热机械加工后放大500倍的光学显微照片；图3是来自该合金样品的材料放大50677倍的FEG-SEM图像；图4显示了本专利技术的合金与Waspaloy的样品的屈服强度随温度变化的图；图5A是在时效条件下和在暴露于704℃(1300°F)的温度下1000小时后合金样品的屈服强度的条形图；图5B是在时效条件下和在暴露于815.5℃(1500°F)的温度下1000小时后合金的第二样品的屈服强度的条形图；图6显示了来自根据本专利技术的合金样品中的Ni、Co、O、Al、Cr、Ti和W的BS图像和EDS图；图7显示了本专利技术的合金样品与Waspaloy的样品在1000℃下的氧化速率(比重变化)随小时数变化的图；和图8是使用合金建模软件制作的根据本专利技术的合金的合金相图。专利技术详述在该合金中存在至少约0.01％并优选至少约0.02％的碳。碳通过与其它元素结合形成碳化物而有益于该合金在提高的温度下所提供的高强度和良好的抗蠕变性。存在于该合金中的有益碳化物有MC、M23C6、M6C和M7C3碳化物，其中M是元素铬、钼、钨、钛、钽和铪中的一种或更多种。太多的碳不会为强度提供额外的益处，并且会不利地影响该合金所提供的抗高温氧化性。因此，将碳限制为在该合金中不超过约0.15％，并优选不超过约0.10％。该合金含有至少约3.00％的钨和至少约3.00％的铝。钨和铝与该合金中的钴结合，以在固溶退火和时效硬化热处理之后形成钴基γ′沉淀物(Co3(Al，W))。三元Co-Al-W合金体系中的钴基γ′相是亚稳的，因为其在暴露于约900℃(1650°F)的温度下非常长的时间段时分解成γ、B2和D019相。为了稳定该钴基γ′相，如下文进一步描述的，在该合金中包含受控量的镍和钛。预期在Co-Al-W-Ni-Ti体系中，钴基γ′的溶线温度将大于约1050℃(1922°F)。在下一代燃气涡轮机和喷气发动机的预期操作温度下在该合金中保留大量γ′相将致使显著保留由该合金提供的强度和抗蠕变性。铝也有助于由该合金提供的良好的抗高温氧化性和耐高温腐蚀性。在这方面，铝与可用的氧结合以在由该合金制成的产品表面上形成Al2O3氧化物层，该层在作为连续层形成时保护该合金免受进一步氧化。当该Al2O3层基本上不具有氧气可以轻易透过的开口或不连续处时，该层是连续的。本专利中所要求保护的合金中的化学平衡促进在800℃(1472°F)以上的温度下形成连续的Al2O3层。太多的铝和/或钨促进有害相例如B2和D019的沉淀。因此，在本专利技术的合金中，将铝限制为不超过约7.00％，并优选不超过约5.00％。在该合金中，将钨限制为不超过约15.00％，并优选不超过约12.00％。钛取代了在该合金中形成的钴基γ′强化沉淀物中的一部分铝，并由此增加了提供γ′沉淀物的化学组成(chemistries)的范围，该γ′沉淀物在燃气涡轮机和喷气发动机的运行过程中所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可沉淀硬化的钴-镍基高温合金，以重量百分比计，其包含：/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170421 US 62/4882941.一种可沉淀硬化的钴-镍基高温合金，以重量百分比计，其包含：



余量为钴和常见杂质。


2.如权利要求1所要求保护的合金，其含有至少约0.50％的钽。


3.如权利要求1所要求保护的合金，其含有不超过约9.8％的铬。


4.如权利要求3所要求保护的合金，其含有至少约7.00％的铬。


5.如权利要求1所要求保护的合金，其含有至少约34.00％的镍。


6.如权利要求1所要求保护的合金，其含有不超过约12.00％的钨。


7.一种可沉淀硬化的钴-镍基高温合金，以重量百分比计，其包含：






余量为钴和常见杂质。


8.如权利要求6所要求保护的合金，其含有不超过约9.8％的铬。


9.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：S富尔西克，A波拉罗萨斯，T王，S克尔尼安，M埃普勒，N周，
申请(专利权)人：CRS控股公司，
类型：发明
国别省市：美国;US