专利名称：一种镍铁基合金和形成镍铁基合金的方法
技术领域：
本发明涉及合金、包含合金的物品及形成合金的方法。更具体地讲，本发明涉及镍铁基合金和形成镍铁基合金的方法。
背景技术：
燃气涡轮发动机中的工作温度在热学和化学上都是不友善的(hostile)。通过开发铁、镍和钴基超级合金以及使用能够防止超级合金氧化、热腐蚀等的环境涂层，已实现了高温能力的显著进步，但是涂层系统继续得到开发以改善材料性能。在燃气涡轮发动机的压缩机部分中，将大气空气压缩至10-25倍大气压，并在所述过程中绝热加热至800° -1250° W427°C-677°C)。将该经过加热和压缩的空气导入燃烧室，在那里它和燃料混合。点燃燃料，并且燃烧过程将气体加热至超过3000° F(1650°C)的很高温度。这些热气通过涡轮机，其中固定于旋转涡轮盘的螺旋桨提取能量以驱动发动机的风扇和压缩机以及排气系统，其中气体提供足够推力以推动飞行器。为了改善发动机的工作效率，已经升高了燃烧温度。当然，随着燃烧温度被升高，必须采取措施以防止形成这些热燃烧气体的流动路径的材料的热降解。对增强的性能的需求继续增大。这个对于增强的性能的需求需要更新的发动机和对已证明设计的改进。具体地讲，更高的推力和更好的燃料经济性处于性能需求当中。为了改善发动机性能，已将燃烧温度升至很高温度。这可以带来更高的推力和/或更好的燃料经济性。定子部件(喷嘴和罩)是燃气涡轮机的热气路部件。期望定子部件具有耐氧化性、抗热-机械疲劳能力和高温抗蠕变强度。传统上，定子部件由Ni基或Co基铸造超级合金制成。这些超级合金具有它们可具有很高成本的缺点。已知的使用不同材料的尝试尚未得到成功。例如，先进不锈钢(例如由Oak RidgeNational Laboratory Jf(Alumina-Forming Austenitic,AFA) ^金)包含纳米沉淀和形成氧化物的元素并且显示出众的耐热性。然而，这些先进不锈钢对于喷嘴而言具有不期望的低抗蠕变强度。特别地，这些先进不锈钢的抗蠕变强度仅达到燃气涡轮机喷嘴设计要求的大约一半。另一组低成本的替代材料——镍铁基超级合金(包括A^6、INCOLOY 901、INCOLOY 903和IN706)已经被认为具有数个缺点。“INCOLOY”是Inco Alloys International, Inc. ,Huntington,West Virginia 生产的合金的联邦注册商标。例如INCX)LOY 901已被认为缺少、基本相(导致低蠕变强度)、包含显著量的η>σ和莱维氏相(导致低延展性和/或差的长期机械性能)以及具有宽固化范围和差铸造性。本领域期望没有以上缺点的镍铁基合金和镍铁基合金的形成方法。发明概述按照本公开的一个示例性实施方案，镍铁基合金具有按重量计约0. 06 % -约0. 09% C、约；35%-约 37% Fe、约 12. 0%-约 16. 5% Cr、约 1.0%-约 2.0% Al、约 1.0%-约3. 0% Ti、约 1. 5% -约 3. 0% W、最高约 5. 0% Mo、最高约 0. 75% Nb、最高约 0. 2% Mn、最高约0. Si、最高约0. 006% B和基本为Ni的余量。按照本公开的另一个示例性实施方案，镍铁基合金具有小于约110° F的固化范围、大于约1700° F的γ基本固溶相线、基本上不含η相、具有小于约5%的莱维氏相、小于约5%的σ相并且没有Co。按照本公开的另一个示例性实施方案，形成改性合金的方法包括提供基础合金组合物、鉴定多种预定性能和改性基础合金组合物以形成具有多种预定性能的改性合金组合物。所述多种预定性能包括具有小于约110° F的固化范围、具有大于约1700° F的γ基本固溶相线、基本不含η相、具有小于约5%的莱维氏相和具有小于约5%的ο相。基础合金组合物包括第一组合物和第二组合物的一种或多种，所述第一组合物含有约0. 05%C、约 36% Fe、约 12. 50% Cr、约 0. 20% Al、约 2. 80% Ti、最高约 0. 12% W、约 5. 70% Mo、最高约0. Nb、最高约0. 2% Mn、最高约0. 1% Si、最高约0. 006% B、基本为Ni的余量；所述第二组合物包括约0. 02% C、约37%佝、16. 00% Cr、约0. 20% Al、约1.75% Ti、最高约0. 12% W、最高约0. 12% Mo、约2. 90% Nb、最高约0. 2% Mn、最高约0. 1% Si、最高约
0.006% B、基本为Ni的余量。本公开实施方案的一个优势包括通过形成足够量的Y基本相和减少或消除的η相而具有期望的蠕变强度的改性合金。本公开实施方案的另一个优势包括具有期望的延展性和/或长期机械性能的改性合金。本公开实施方案的另一个优势包括具有期望的铸造性的改性合金。本发明的其它特征和优势将从下列更为详细的优选实施方案的描述而显而易见。发明详述本发明提供具有多种预定性能的镍铁基合金和形成具有多种预定性能的镍铁基合金的方法。本公开的实施方案涉及从先前被认为是不适合于热气路部件(例如发动机涡轮定子)的一种或多种低成本合金形成的镍铁基合金。所述镍铁基合金不包含n相，带来期望的抗蠕变强度。所述镍铁基合金具有期望的延展性和/或长期机械性能。而且，所述镍铁基合金具有期望的铸造性。所述镍铁基合金可通过任何合适的方法形成。在一个实施方案中，所述镍铁基合金在约1400° F和在约至约30ksi载荷下具有约1000小时的蠕变破裂寿命。在一个实施方案中，所述镍铁基合金耐氧化48000小时。在一个实施方案中，所述改性合金的低循环疲劳基本上与FSX414合金相同。在一个实施方案中，所述方法包括提供基础合金。所述基础合金为先前被认为不适合于热气路部件的一种或多种合金。例如，在一个实施方案中，所述基础合金为基础合金
1。本文使用的“基础合金1”指组成为约0.05% C、约0. 20% Al、约2. 80% Ti、约12. 50%Cr、约5. 70% Mo、约36% Fe及其它合适元素(在整个本公开中，所有百分数按重量计，除非另外指明)的合金。在一个实施方案中，基础合金1进一步包含最高约0.12% W、最高约0. Nb、最高约0. 2% Mn、最高约0. 1% Si、最高约0. 006B和基本为Ni的余量。在另一个实施方案中，基础合金1不包含Co。
在另一个实施方案中，所述基础合金为基础合金2。本文使用的“基础合金2”指组成为约 16. 00% Cr、约 37% Fe、约 2. 90% Nb、约 1. 75% Ti、约 0. 20% Al、约 0. 02% C 及其它合适元素的合金。在一个实施方案中，基础合金2进一步包含最高约0. 12% W、最高约0. 2% Mn、最高约0. 1% Si、最高约0. 006B和基本为Ni的余量。在另一个实施方案中，基础合金2不包含Co。所述方法继续鉴定对改性合金期望的多种预定性能。相应于所述多种预定性能的数据可通过计算机执行的程序(例如计算机热力学模拟程序)进行分析。计算机执行的程序将关于基础合金的数据相互关联并产生相应于改性合金的性能的输出。所产生的输出为基于对形成改性合金的基础合金的组成的修改。分析所产生的输出使得能够鉴定一种或多种有待进一步分析的组合物。所述性能包括任何合适的可计量性能。所述性能包括固化范围、Y基本固溶相线、缺少η相、莱维氏相百分数、σ相百分数、莱维氏相形成温度、其它合适的性能或它们的任何组合。在一个实施方案中，固化范围小于约110° F，带来良好铸造性。在一个实施方案中，Y基本固溶相线大于约1700° F。在一个实施方案中，缺少η相包括没有η相。在一个实施方案中，莱维氏σ百分数小于约5%。在一个实施方案中，形成温度小于约1200° F。关于基础合金的数据与相应于镍铁基合金的性能的输出的相互关联包括对基础合金的组成修改与受影响的性能之间的任何合适关系。例如，Al减少η相。包含大于约
Al的浓度消除η相。因此，数据的相互关联可产生表明在Al浓度超过约时不存在n相的输出。其它可进行相互关联的关系为，增大M0浓度增大η相、增大W浓度减少η相、增大Al浓度减小固化范围以及它们的组合。也可采用组合的相互关联。例如，当Al为约0.8%时，增大W浓度增大固化。然而，当Al为约1.5%时，增大W浓度减小固化。因此，Al浓度和W浓度可以在相互关联中建立关系。相互关联可进一步包括另外的实验数据，所述数据基于用镍铁基合金形成的部件的分析和对镍铁基合金的不同组成的预定性能的比较。例如，所述数据可包括特定化学(specific chemistry)、按比例放大热量、长期微观结构稳定性研究、长期氧化试验、蠕变试验(例如5000小时蠕变试验)及其它机械性能试验的任何组合。基于相互关联，(手工或自动)选择所采用的基础合金并制造形成部件的改性镍铁基合金。部件可通过任何合适的技术(例如铸造、锻造、热处理、补焊或它们的任何合适的组合)形成。在一个实施方案中，镍铁基合金包括以下组成范围约0.07% -约0.09% C、约35% -约 37% Fe、约 12. 0% -约 16. 5% Cr、约 1. 0% -约 2. 0% Al、约 2. 0 % -约 3. 0%Ti、约 2. 0% -约 3. 0% W、约 3. 0% -约 5. 0% Mo、最高约 0. 1% Nb、最高约 0. 2% Mn、最高约0. Si、最高约0.006% B和基本为Ni的余量。在另一个实施方案中，镍铁基合金包括以下组成范围约0. 07% -约0. 09% C、约-约37% Fe、约12. 0% -约13. 0% Cr、约 1. 35% -约 1. 65% Al、约 2. 25% -约 2. 75% Ti、约 2. 3% -约 2. 7% W、约 3. 4% -约3. 6% Mo、最高约0. 1% Nb、最高约0. 2% Mn、最高约0. 1% Si、最高约0. 006% B和基本为M的余量。在另一个实施方案中，镍铁基合金没有Co。在另一个实施方案中，镍铁基合金包括以下组成范围约0. 07% -约0. 09% C、约35% -约 37% Fe、约 12. 0% -约 16. 5% Cr、约 1. 0% -约 2. 0% Al、约 2. 0 % -约 3. 0%Ti、约 1. 5% -约 2. 5% W、约 3. 0% -约 5. 0% Mo、最高约 0. 1% Nb、最高约 0. 2% Mn、最高约0. Si、最高约0. 006% B和基本为Ni的余量。在另一个实施方案中，镍铁基合金包括以下组成范围约0. 07% -约0. 09% C、约-约37% Fe、约13. 5% -约14. 5% Cr、约1. 35% -约 1. 65% Al、约 2. 25% -约 2. 75% Ti、约 1. 8% -约 2. 2% W、约 3. 9% -约 4.Mo、最高约0. 1 % Nb、最高约0.2% Mn、最高约0. 1%3丨、最高约0. 006% B和基本为Ni的余量。在另一个实施方案中，镍铁基合金没有Co。在一个实施方案中，镍铁基合金包括以下组成范围约0.07% -约0.09% C、约35% -约 37% Fe、约 12. 0% -约 16. 5% Cr、约 1. 0% -约 2. 0% Al、约 2. 0 % -约 3. 0%Ti、约 1. 5% -约 2. 5% W、约 0. 5% -约 1. 5% Mo、最高约 0. 1% Nb、最高约 0. 2% Mn、最高约0. Si、最高约0. 006% B和基本为Ni的余量。在另一个实施方案中，镍铁基合金包括以下组成范围约0. 07% -约0. 09% C、约-约37% Fe、约15. 5% -约16. 5% Cr、约1. 35% -约 1. 65% Al、约 2. 25% -约 2. 75% Ti、约 1. 8% -约 2. 2% W、约 0. 9% -约 1.Mo、最高约0. 1 % Nb、最高约0.2% Mn、最高约0. 1%3丨、最高约0. 006% B和基本为Ni的余量。在另一个实施方案中，镍铁基合金没有Co。在一个实施方案中，镍铁基合金包括以下组成范围约0.06% -约0.08% C、约35% -约 37% Fe、约 12. 0% -约 16. 5% Cr、约 1. 0% -约 2. 0% Al、约 1. 0% -约 2. 5%Ti、约 1. 5% -约 2. 5% W、最高约 0. 25% Mo、约 0. 25% -约 0. 75% Nb、最高约 0. 2% Mn、最高约0. 1% Si、最高约0.006% B和基本为Ni的余量。在另一个实施方案中，镍铁基合金包括以下组成范围约0. 06% -约0.08% C、约-约37% Fe、约15. 5% -约16. 5%Cr、约 1. 35% -约 1. 65% Al、约 1. 5% -约 1. 8% Ti、约 1. 8% -约 2. 2% W、最高约 0. 12%Mo、约0. 4% -约0. 6% Nb、最高约0. 2% Mn、最高约0. 1% Si、最高约0. 006% B和基本为M的余量。在另一个实施方案中，镍铁基合金没有Co。在一个实施方案中，镍铁基合金可具有起初基于基础合金1的组合物的组成。在一个实施方案中，镍铁基合金包括以下组成约0. 08% C、约36% Fe、约12. 5% Cr、约1. 50% Al、约 2. 50% Ti、约 2. 50% W、约 3. 50% Mo、最高约 0. Nb、最高约 0. 2% Mn、最高约0. 1%31、最高约0. 006% B和基本为Ni的余量。在另一个实施方案中，镍铁基合金包括以下组成约 0. 08% C、约 36% Fe、约 14. 0% Cr、约 1. 50% Al、约 2. 50% Ti、约 2. 50% W、约4. 00% Mo、最高约0. Nb、最高约0. 2% Mn、最高约0. 1% Si、最高约0. 006% B和基本为Ni的余量。在另一个实施方案中，镍铁基合金包括以下组成约0. 08% C、约36% Fe、约16. 0% Cr、约 1. 50% Al、约 2. 50% Ti、约 2. 50% W、约 1. 00% Mo、最高约 0. 1% Nb、最高约
0.2% Mn、最高约0. 1% Si、最高约0. 006% B和基本为Ni的余量。在一个实施方案中，镍铁基合金可具有起初基于基础合金2的组合物的组成。在一个实施方案中，镍铁基合金包括以下组成约0. 07% C、约37% Fe、约16.0% Cr、约
1.50% Al、约 1. 75% Ti、约 2. 00% W、最高约 0. 12% Mo、约 0. 50% Nb、最高约 0. 2% Mn、最高约0. 1% Si、最高约0. 006% B和基本为Ni的余量。在一个实施方案中，所述合金组合物用于热燃气涡轮机部件。例如，所述合金可用于定子部件，包括(但不限于)喷嘴、罩、其它合适的部分或它们的组合。尽管本发明已经参照优选实施方案得到描述，但是本领域技术人员应该理解可进行各种变化并且等价物可替代其元素而不脱离本发明的范围。另外，可作出许多修改以使特定情况或材料适应于本发明的讲授而不脱离其根本范围。因此，旨在使本发明不局限于作为实施本发明而设想的最佳实施方式所公开的特定实施方案，而是本发明包括落入权利要求范围内的所有实施方案。
权利要求
1.一种镍铁基合金，所述合金包含按重量计约0. 06% -约0. 09% C、约35% -约37%Fe、约 12. 0% -约 16. 5% Cr、约 1. 0% -约 2. 0% Al、约 1. 0% -约 3. 0% Ti、约 1. 5% -约3. 0% W、最高约5. 0% Mo、最高约0. 75% Nb、最高约0. 2% Mn、最高约0. 1% Si、最高约0.006% B和基本为Ni的余量。
2.权利要求1的合金，所述合金包含约0.07%-约0.09% C、约2.0% -约3.0% Ti、约 2. 0% -约 3. 0% W、约 3. 0% -约 5. 0% Mo 和最高约 0. 1% Nb。
3.权利要求1的合金，所述合金包含约0.07% -约0. 09% C、约2. 0% -约3. 0% Ti、约 1. 5% -约 2. 5% W、约 3. 0% -约 5. 0% Mo 和最高约 0. 1% Nb。
4.权利要求1的合金，所述合金包含约0.07% -约0. 09% C、约2. 0% -约3. 0% Ti、约 1. 5% -约 2. 5% W、约 0. 5-约 1. 5% Mo 和最高约 0. 1% Nb。
5.权利要求1的合金，所述合金包含约0.06% -约0. 08% C、约1. 0% -约2. 5% Ti、约 1. 5% -约 2. 5% W、最高约 0. 25% Mo 和 0. 25% -约 0. 75% Nb。
6.权利要求1的合金，所述合金包含约0.07%-约0.09% C、约12.0% -约13.0%Cr、约 1. -约 1. 65% Al、约 2. 25% -约 2. 75% Ti、约 2. 3% -约 2. 7% W、约 3. 4% -约3.6% Mo、最高约 0. 1% Nb。
7.权利要求1的合金，所述合金包含约0.07%-约0.09% C、约13. 5% -约14.5%Cr、约 1. 35% -约 1. 65% Al、约 2. 25% -约 2. 75% Ti、约 1. 8% -约 2. 2% W、约 3. 9% -约4.Mo、最高约 0. 1% Nb。
8.权利要求1的合金，所述合金包含约0.07%-约0.09% C、约15. 5% -约16.5%Cr、约 1. 35% -约 1. 65% Al、约 2. 25% -约 2. 75% Ti、约 1. 8% -约 2. 2% W、约 0. 9% -约1.Mo、最高约 0. 1% Nb。
9.权利要求1的合金，所述合金包含约0.06%-约0.08% C、约15. 5% -约16.5%Cr、约 1. 35% -约 1. 65% Al、约 1. 5% -约 1. 8% Ti、约 1. 8% -约 2. 2% W、最高约 0. 12%Mo、约 0. 4% -约 0. 6% Nb。
10.权利要求1的合金，其中所述合金具有小于约110°F的固化范围、大于约1700° F的Y基本固溶相线、基本上不含Π相，具有小于约5%的莱维氏相和小于约5%的σ相。
全文摘要
一种镍铁基合金具有按重量计约0.06％-约0.09％C、约35％-约37％Fe、约12.0％-约16.5％Cr、约1.0％-约2.0％Al、约1.0％-约3.0％Ti、约1.5％-约3.0％W、最高约5.0％Mo、最高约0.75％Nb、最高约0.2％Mn、最高约0.1％Si、最高约0.006％B和基本为Ni的余量。也公开了制造所述镍铁基合金的方法。
文档编号C22C30/00GK102383024SQ20111027020
公开日2012年3月21日 申请日期2011年8月30日 优先权日2010年8月30日
发明者G·戈勒, J·拉祖姆, M·莱洛克, 冯干江 申请人:通用电气公司