专利名称：镍基高温合金的开发方法
技术领域：
本发明涉及一种镍基高温合金的开发方法，该合金用于制造单晶或者定向凝固的材料体。
背景技术：
现有技术已经公开了一系列用于制造单晶或者定向凝固材料体的镍基高温合金。这样的材料体例如用于建造具有耐高温要求的发电厂。例如可以借助于单晶组份使得材料的高温强度最大，由此可以再次提高燃气透平的进口温度，从而提高燃气透平的效率。
迄今为止，按照以下思路开发这样的合金—提高持久强度—提高抗氧化性和抗腐蚀性—提高阻止裂纹增长性能，特别是抗LCF(Low Cycle Fatigue＝在低载荷循环次数时的疲劳)性能—改进可浇铸性和热处理性能—降低成本。
已知的镍基高温合金例如有CMSX-2、CMSX-4、CMSX-10、Rene N5、ReneN6、PWA 1484和PWA1483合金，其组成例如已经由G.L.EricksonCorrosionresistant Single Crystal Superalloys for Industrial Gas Turbine Application，Intemational Gas & Turbine Aeroengine Congress & Exhibition，Orlando，Florida，June 2-June 5，1997所公开。这样的合金在浇铸工艺之后进行热处理，其中在一个第一固溶退火步骤，全部或部分地溶解在浇铸工艺不均匀析出的γ′-相。在第二热处理步骤该相重新在控制下析出。为了得到最佳的性能，如此进行析出热处理，使得形成γ-相颗粒在γ’-相中的均匀分布。
已知晶格位错可以对高温下的持久强度起决定性的作用。许多已知的镍基高温合金具有介于γ-基体和γ’-相之间的正或者负晶格位错。通过这种点阵畸变抑制了γ’-颗粒滑动或切割时的位错，从而提高了高温下的短期强度。一方面，文献中要求镍基高温合金在室温下具有尽可能高振幅的负晶格位错(P.CaronHighγ′solvus new generation nickel-based superalloys for single crystalturbine blade applications.Proceedings of the 9thinternational symposium onSuperalloys-SUPERALLOY 2000，p.737-746，Champion，USA，September 17-21，2000)，而其他的镍基高温合金(参见例如EP 0 914 483 B1)通过相应地选择合金元素来调节(Konzipiert)，使得不存在晶格位错，原因是已经确定了在高温下长期存在一种大的或长久的机械应力时，通过γ-和γ′-相之间的晶格位错，可以产生定向的γ′-颗粒糙化，接着产生γ′-结构的降解。
发明内容
本发明试图避免已知现有技术的缺点。其任务是提供一种基于新的简单思路的镍基高温合金的开发方法。
本发明通过以下方式完成了该任务，即选择合金的组份，使得在室温下存在尽可能高的γ-相和γ′-相之间的正晶格位错δ，从而使得γ′-相体积含量至少为50％的镍基高温合金的性能在室温下降解后达到最佳，其中δ[％]＝2(aγ’-aγ)/(aγ’+aγ)，aγ是γ-相的晶格常数，aγ’是γ′-相的晶格常数。
本发明的优点在于，利用本方法可以比较简单地开发具有最佳降解性能的镍基高温合金。
业已确定，在存在一种机械应力和一种持久的高温应力时会导致定向的γ′-颗粒糙化，称为金属块形成(熔合物)，在γ′-含量高时(即γ′-体积含量至少为50％)导致微观结构的转换，也就是说γ′-相变成连续相，早期的γ-基质嵌入其中。由于金属间的γ′-相趋于环境脆化，这在一定的应力条件下会导致在室温下机械性能尤其是屈服极限的大幅度下降。当潮湿和长时间保持拉伸张力时，特别容易出现环境脆化。本发明选择高正性的γ-相和γ’-相之间的晶格位错δ，性能的降低表现得不太强烈，也就是说，降低后状态相对于未降低状态的屈服极限损失很小。
有利的是按照以下公知的公式确定γ-相和γ′相的晶格常数aγ和aγ’aγ[]＝3.524+0,0196Co+0.110Cr+0.478Mo+0.444W+0.441Re+0.3125Ru+0.179Al+0.422Ti+0.7Ta+0.7Nb，其中元素符号前的数字表示相应元素在γ-相的相对原子分数，和
aγ′[]＝3.57-0.004Cr+0.208Mo+0.194W+0.262Re+0.1335Ru+0.258Ti+0.5Ta+0.46Nb，其中元素符号前的数字表示相应元素在γ′-相的相对原子分数。
为了表征镍基高温合金的持久性能，现在引入一个按照下式确定的降解参数DD＝(T-800)t1/2σ1/5式中T＝温度，单位是oK，t＝时间，单位是小时，σ是应力，单位是Mpa。在室温下根据降解参数确定不同镍基高温合金降解状态的屈服极限σ0.2’选择相应的原始状态与降解状态屈服极限差最小的合金，也就是在降解状态屈服极限值尽可能最高的合金。
附图中示出了本发明的实施例。其中图1表示不同的已知镍基高温合金在室温下降解后的屈服极限与γ-相和γ′-相之间的晶格位错的关系；和图2表示不同的已知镍基高温合金在室温下的屈服极限与降解参数的关系。
现在只说明本发明的基本特征。相同的元素在不同的附图中具有相同的符号。
具体实施例方式
下面借助于实施例和附图1和2详细解释本发明。
业已确定，在存在机械应力和持久的高温应力时会导致定向的γ′-颗粒糙化，称为金属块形成(溶合物)，在γ′-含量高时(即γ′-体积含量至少为50％)导致微观结构的转换，也就是说γ′-相变成连续相，早期的γ-基质嵌入其中。由于金属间的γ′-相趋于环境脆化，这在一定的应力条件下会导致在室温下机械性能尤其是屈服极限的大幅度下降。从而导致性能的下降。当潮湿和长时间保持在拉伸张力时，特别容易出现环境脆化。本发明选择在γ-相和γ′-相之间的高正性晶格位错δ，性能的降低表现得不太强烈，也就是说，降低后状态相对于未降低状态的屈服极限损失很小。
图1表示用于制造单晶或定向凝固材料的各种已知镍基高温合金在室温下降解后的屈服极限σ0.2与γ-相和γ′-相之间的晶格位错δ的关系。γ-相和γ′-相之间的晶格位错δ可以按照已知的方式如下计算δ[％]＝2(aγ′-aγ)/(aγ′+aγ)其中aγ是γ-相的晶格常数，aγ’是γ′-相的晶格常数。
表1列出了合金的化学组成(按重量％计)。
所测试的合金在室温下的γ-相和γ′-相之间的晶格位错δ范围为约-0.24％至+0.58％。随着正晶格位错的增加，室温下降解后的屈服极限σ0.2也上升。在试验的合金中，合金PW1480具有最高的γ-相和γ′-相之间的正晶格位错δ，因此在室温下降解后具有最高的屈服极限σ0.2。
按照以下公知(P.CaronHighγ′solvus new generation nickel-basedsuperalloys for single crystal turbine blade applications.Proceedings of the 9thintemational symposium on Superalloys-SUPERALLOY 2000，p.737-746，Champion，USA，September 17-21，2000)的公式确定γ-相和γ′相的晶格常数aγ和aγ’aγ[]＝3.524+0，0196Co+0.110Cr+0.478Mo+0.444W+0.441Re+0.3125Ru+0.179Al+0.422Ti+0.7Ta+0.7Nb，其中元素符号前的数字表示相应元素在γ-相的相对原子分数，和aγ′·[]＝3.57-0.004Cr+0.208Mo+0.194W+0.262Re+0.1335Ru+0.258Ti+0.5Ta+0.46Nb，其中元素符号前的数字表示相应元素在γ′-相的相对原子分数。合金元素B、Zr和C在晶格位错中作用不大，特别是因为它们仅仅作为微量元素以很小的量存在。
现在，人们可以按照本发明使得合金的降解性能最佳化，办法是通过改变组成使得γ-相和γ′-相之间的正晶格位错δ尽可能高。为了表征镍基高温合金的持久性能，引入一个按照下式确定的降解参数D
D＝(T-800)t1/2σ1/5式中T＝温度，单位oK，t＝时间，单位是小时，σ是应力，单位是Mpa。
接着，根据所述的降解参数确定在室温下降解状态的屈服极限σ0.2°在图2中列出了表1合金的该数值。为了使得性能最佳化，室温下各降解参数的屈服极限应当尽可能高。合金PW1480最好地满足了该要求，它在室温下γ-相和γ′-相之间的正晶格位错δ是+0.58％。与此相反，合金CMSX4γ-相和γ′-相之间的正晶格位错δ仅为-0.24％，在本发明的数据中是最低的，根据最低约5000KhMPa的降解参数，其屈服极限值最低。因此，该合金由于其降解性能而不适合。
符号表σ0.2屈服极限δ晶格位错aγγ-相的晶格常数aγ’γ′相的晶格常数D 降解参数T 温度t 时间表1
表1合金的化学组成(重量％)
权利要求
1.镍基高温合金的开发方法，该合金由γ-相和γ′-相构成，用于制造单晶或者定向凝固的材料体，其特征在于，通过选择合金的组份，使得在室温下存在尽可能高的γ-相和γ′-相之间的阳极晶格位错(δ)，从而使得γ′-相体积含量至少为50％的镍基超级高温合金的性能在室温下降解后达到最佳，其中δ[％]＝2(aγ′-aγ/(aγ′+aγ)其中aγ是γ-相的晶格常数，aγ’是γ′-相的晶格常数。
2.权利要求1所述的方法，其特征是，按照以下公知的公式确定γ-相的晶格常数(aγ)和γ′相的晶格常数(aγ’)aγ[]＝3.524+0,0196Co+0.110Cr+0.478Mo+0.444W+0.441Re+0.3125Ru+0.179Al+0.422Ti+0.7Ta+0.7Nb，其中元素符号前的数字表示相应元素在γ-相的相对原子分数，和aγ[]＝3.57-0.004Cr+0.208Mo+0.194W+0.262Re+0.1335Ru+0.258Ti+0.5Ta+0.46Nb，其中元素符号前的数字表示相应元素在γ′-相的相对原子分数。
3.权利要求1所述的方法，其特征是，为了表征镍基高温合金的持久性能，引入一个按照下式确定的降解参数(D)D＝(T-800)t1/2σ1/5式中T＝温度，单位是oK，t＝时间，单位是小时，σ是应力，单位是Mpa，其中根据所说的降解参数(D)确定在室温下降解后的屈服极限(σ0.2)，为了使得性能最佳化，该数值应当尽可能高。
全文摘要
本发明涉及一种镍基超级高温合金的开发方法，该合金由γ－相和γ′－相构成，用于制造一种单晶或者定向凝固的材料体。本发明的特征在于，通过选择合金的组份，使得在室温下存在尽可能高的γ－相和γ′－相之间的晶格位错(δ)，从而使得γ′－相体积含量至少为50％的镍基超级高温合金的性能在室温下降解后达到最佳。由此实现了室温下降解后的屈服极限比较高，从而出现了原始状态与降解后状态下屈服极限差很小的情况。
文档编号C22C1/00GK1585829SQ02822233
公开日2005年2月23日 申请日期2002年11月5日 优先权日2001年11月9日
发明者M·纳兹米 申请人:阿尔斯托姆科技有限公司