用于铸造发动机阀的高温合金的制作方法

用于铸造发动机阀的高温合金
1.本技术是申请日为2017年12月21日、申请号为201711396877.7、名称为“用于铸造发动机阀的高温合金”的专利申请的分案申请。
技术领域
2.本发明总体上涉及高温合金，并且更具体地涉及用于铸造发动机阀的高温合金。


背景技术：

3.内燃机通常包括一个或多个阀，其允许新鲜空气进入发动机的燃烧室和/或允许废气从燃烧室排出。这些发动机阀，尤其是排气阀，在发动机运转期间经受非常高的温度。例如，尽管只是发动机整体寿命的一小部分，由于燃烧室内燃料燃烧释放的热量，阀通常可能达到800℃或更高的温度(例如，800-850℃)。用于制造发动机阀的传统材料可以在如此高的温度下经受相对较短的时间，例如，高达2000小时，此后发动机阀可能需要维修或更换。然而，对发动机阀进行这种维护需要使发动机停止工作，并且还涉及与所需维修相关的时间和费用。因此，希望增加发动机阀的使用寿命。例如，可能希望将发动机阀的使用寿命延长近10倍，范围在10,000小时至30,000小时之间。
4.发动机阀通常由锻造合金制成，诸如，镍基高温合金，并且通常使用锻造工艺制造。改变锻造材料的组成以提高其耐高温能力通常降低了材料的延展性，使得使用诸如锻造、轧制和/或挤压的制造工艺更难。而且，降低的延展性也会在制造过程中引起阀开裂，从而显着降低产量并增加制造成本。因此，希望开发一种能够承受反复暴露于850℃或更高的温度超过10000-30000小时的合金材料，并且适合用于使用制造工艺(诸如，铸造)来制造阀。
5.颁发于1965年1月5日的thielemann的美国专利3,164,465号(
“’
465专利”)公开了一种适用于铸造工艺的非铁镍基合金，在高达约2000
°
f的温度(即1093℃)下具有耐腐蚀性和机械强度。’465专利公开了一种优选的合金组合物，其包含各种组成元素的以下重量百分比：约8.75％-约10.25％的铬，约11％至约16％的钨，约0.8％至约1.8％的铌和/或钽，约4.75％至约5.5％的铝，约0.75％至约2.5％的钛，其中，条件是钛的量不超过铝的量，约8％至约12％的钴，选自由以下组成的元素的指明的数量中的至少一种金属：0.03％至0.12％的锆，约0.01％至约0.03％的硼，约0.12％至约0.17％的碳，最多约1.5％的铁，最多约0.10％的硅，最多约0.1％的锰，其余为镍和不可避免的杂质，镍含量在约50％至77％的范围内。’465专利公开了钼是可选的，但是如果存在的话可以不超过3重量％。’465专利还公开了组成组合物必须优选满足等式1x％cr+1.1x％w+3.4x％cb或ta+4.3x％ti+6x％al＝60-70。’465专利公开了优选将锆与硼的比例保持在约4:1，以保持所公开的合金的高温冶金稳定性和强度特性。
6.尽管在’465专利中公开的合金可以提供在较高温度下改进的机械性能，但是材料特性的进一步改进是可能的。具体而言，’465专利中公开的合金在铸造过程中可能形成微孔。成品阀中的微孔可能产生应力集中的区域，这反过来可能导致疲劳裂纹发生的早期开
始，特别是当反复暴露于高温时。此外，’465专利公开的合金组合物可能易于在高温下沉淀m6c碳化物。m6c碳化物具有板形态，并且可以降低’465专利中公开的材料的高温强度并降低延展性。
7.本公开的高温合金解决了上述问题中的一个或多个和/或本领域中的其它问题。


技术实现要素：

8.在一个方面，本公开涉及高温合金。该高温合金按重量计可以具有：约9.0-10.0重量％的co，约0.25重量％的fe，约8.0-9.0重量％的cr，约4.75-5.50重量％的al，约1.0-1.5重量％的ti，约0-2.0重量％的mo，约6.0-9.0重量％的w，约0.12-0.18重量％的c，约0.01-0.03％重量的zr，约0.005-0.015重量％的b，约0.5-1.5重量％的ta，余量ni和不可避免的杂质。
9.在另一方面，本公开涉及发动机。该发动机可以包括至少一个燃烧室。该发动机还可以包括设置在燃烧室内的活塞。此外，该发动机可以包括构造成通过活塞的往复运动而旋转的曲轴。该发动机还可以包括至少一个阀，其构造成允许进气进入燃烧室或排气流出燃烧室。该至少一个阀可以由高温合金制成，该高温合金按重量计包括：约9.0-10.0重量％的co，约0.25重量％的fe，约8.0-9.0重量％的cr，约4.75-5.50重量％的al，约1.0-1.5重量％的ti，约0-2.0重量％的mo，约6.0-9.0重量％的w，约0.12-0.18重量％的c，约0.01-0.03重量％的的zr，约0.005-0.015重量％的b，约0.5-1.5重量％的ta，余量ni和不可避免的杂质。
附图说明
10.图1是示例性公开的发动机的示意图；
11.图2是与图1的发动机相关的阀的示意图；和
12.图3是与镍基高温合金相关的等温相图的图示。
具体实施方式
13.图1示出了内燃机10的示例性截面。发动机10可以是任何类型的发动机，例如，二冲程或四冲程柴油或汽油发动机、二冲程或四冲程气体燃料发动机、或二冲程或四冲程双冲程燃料动力发动机。发动机10可以是压燃式发动机或火花点火式发动机。发动机10尤其可以包括至少部分地限定汽缸14的发动机缸体12。尽管在图1中仅示出了一个汽缸14，但是可以设想，发动机10可以包括任何数量的汽缸14。而且，发动机10中的汽缸14可以以“轴向”构造、“v”构造、相对活塞构造或以任何其它合适的构造设置。
14.活塞16可以可滑动地设置在汽缸14内。汽缸盖18可连接至发动机缸体12以封闭汽缸14的一端。活塞16与汽缸盖18一起可限定燃烧室20。发动机10的每个汽缸14可以包括燃烧室20。活塞16可构造成在汽缸14内的下死点(bdc)或最下位置与上死点(tdc)或最上位置之间往复运动。发动机10还可以包括曲轴22，曲轴22在与汽缸盖18相对的位置处可旋转地布置在发动机缸体12内。连杆24可以在一端通过销26可枢转地连接到活塞16，而在另一端可以连接到曲轴22。活塞16在汽缸14内从相邻汽缸盖18向曲轴22的往复运动可以通过连杆24传递到曲轴22的旋转运动。类似地，曲轴22的旋转可以通过连杆24传递为活塞16在汽缸
14内的往复运动。当曲轴22旋转大约180度时，活塞16和连杆24可以在bdc和tdc之间的一个全冲程中移动。
15.当活塞从tdc移动到bdc位置时，空气可以经由一个或多个进气阀30从进气歧管28抽吸到燃烧室20中。特别地，随着活塞16在汽缸14内向下移动离开汽缸盖18，一个或多个进气阀30可以打开并且允许空气从进气歧管28流入燃烧室20。当进气阀30打开并且进气口32处的空气压力大于燃烧室20内的压力时，空气将经由进气口32进入燃烧室20。例如，在活塞16从bdc向tdc向上运动期间，进气阀30可以随后关闭。
16.发动机10可以包括燃料喷射器34，其可以构造成将燃料喷射到燃烧室20中。在如图1所示的一个示例性实施例中，燃料喷射器34可以设置在汽缸盖18中。在另一个示例性实施例中，燃料喷射器34可以布置在进气歧管28中，并且可以构造成将燃料喷射到流过进气歧管28的进气中。在该示例性实施例中，当活塞从tdc移动到bdc位置时，燃料和空气的混合物可以经由进气阀30进入燃烧室20。在又一个示例性实施例中，燃料喷射器34可以设置在汽缸14的侧壁上，并且可以构造成将燃料喷射到燃烧室20中。尽管在图1中仅示出了一个燃料喷射器34，但是可以设想，每个汽缸14可以与任何数量的燃料喷射器34相关联。
17.当活塞16从相邻的曲轴22朝向汽缸盖18从bdc移动到tdc位置时，活塞16可混合并压缩存在于燃烧室20中的空气和燃料。当燃烧室20内的混合物被压缩时，混合物的压力和温度将升高。最终，混合物的压力和温度将达到将点燃燃料的点。燃烧室20中燃料的燃烧可以显着增加燃烧室20内的压力和温度。燃烧室20中的压力的增加可能导致活塞16从汽缸盖18滑动离开朝向曲轴22。活塞16在汽缸14内的平移运动可以通过连杆24传递到曲轴22的旋转运动中。虽然上面已经描述了空气燃料混合物的压缩点火，但是也可以预期的是，燃烧室20中的空气-燃料混合物的燃烧可以使用火花塞、电热塞、引燃火焰或任何本领域已知的其它方法。
18.在活塞16从tdc向bdc向下行进期间的特定点处，位于汽缸盖18内的一个或多个排气口36可打开，以允许燃烧室20内的加压排气排出到排气歧管38中。随着活塞16在汽缸14内向下移动时，活塞16可最终到达使排气阀40移动以使燃烧室20与排气口36流体连通的位置。当燃烧室20与排气口36流体连通并且燃烧室20中的排气压力大于排气歧管38内的压力时，排气将通过排气口36离开燃烧室20进入排气歧管38。在所公开的实施例中，进气阀30和排气阀40的运动可以是循环的，并且通过机械地连接到曲轴22的一个或多个凸轮(未示出)来控制。然而，可以预期的是，进气阀30和排气阀40的运动可以根据需要以任何其它常规方式进行控制。另外，尽管以上关于图1描述了四冲程发动机的操作，但是可以设想，发动机10可以替代地是二冲程发动机。
19.图2示出了示例性阀50，其可以是进气阀30或排气阀40。阀50可以包括附接到阀盖54的阀杆52。阀杆52可从第一杆端56延伸到远离第一杆端56设置的第二杆端58。阀杆52可以附接到邻近第二杆端部58的阀盖54。阀盖54可以包括阀座62和与阀座62相对设置的燃烧面64。
20.在燃烧室20中燃烧期间，阀50的燃烧面64可暴露于热的燃烧气体。因此，阀50的燃烧面64可以暴露于约850℃或更高的温度。如在本公开中所使用的，术语“大约”可以指示典型的测量最小计数和/或尺寸四舍五入。因此，例如，该术语约可以表示
±
50℃的温度变化和
±
1重量％百分比变化。尽管阀50的燃烧面64可暴露于高温，但第一杆端56可暴露于约
100℃或更低的非常低的温度。结果，阀50可能沿阀杆52经历显着的温度梯度，这可能在阀50中产生大的热应力。此外，燃烧面64可以在燃烧事件之后由进入燃烧室20的新鲜进气冷却。因此，阀盖54不仅可以在燃烧室20中的燃料燃烧期间和之后经历非常高的温度，而且在发动机10的运转期间也可以经历循环加热和冷却。循环加热和冷却可能导致用于制造阀50的材料的循环膨胀和收缩。阀50的循环膨胀和收缩可以在阀50中产生周期性拉伸和/或压缩应力。应力的大小可以与阀50经历的温度变化的大小成比例。阀50的使用寿命可以取决于在用于制造阀50的材料的这种周期性压力下的故障时间。
21.阀盖54和/或阀50的所有部分可以使用铸造工艺由高温镍基合金制成。本领域的普通技术人员将认识到，所公开的高温合金可以用于制造阀50的一些或全部部分，其可以或不可以使用液态金属(例如，钠)。进一步设想，所公开的合金可以用于其它发动机部件(例如，涡轮增压器涡轮叶轮、涡轮发动机翼型)或在升高的温度下需要高强度和抗氧化性的其它应用。在一个示例性实施例中，可选择用于阀50的合金材料的组合物，使得熔融合金材料可流入并填充用于铸造阀50的模具。此外，可以选择合金的组成，使得合金可以包括具有面心立方(fcc)晶格结构的γ奥氏体相，该面心立方(fcc)晶格结构包括镍(ni)和组成元素，诸如，钴(co)、铬(cr)、铁(fe)、钼(mo)和钨(w)。还可以选择合金的组成，使得合金可以包括基于包含镍、铝(al)和钛(ti)的金属间化合物的γ’相。该γ’相可以与所公开的合金中的γ相一致。可以选择所公开的合金的组成，以使较高温度下的γ’相粗化最小化。也可以选择所公开的合金材料的组成，以最小化某些碳化物相(例如，m6c碳化物)的形成，这会降低合金在高温下的机械强度。另外，可以选择所公开的合金材料的组成，以最小化形成拓扑密排(tcp)相的风险，该tcp相是脆性的并倾向于降低合金的韧性和延展性。
22.镍基合金在一定温度范围内从完全液态变为完全固态，称为固化温度范围。例如，固化过程可以在称为“液相线温度”的温度下开始并且可以在被称为“固相线温度”的温度下完成。固化温度范围可以是液相线温度“t
l”和固相线温度“t
s”。与较小的冷冻温度范围相比，较大的固化温度范围可以产生增加的微孔隙率(即在固化的合金中形成更多的微孔)。微孔往往会增加固化合金的应力集中。应力集中的区域易于引发裂纹，特别是当合金受到循环加载时，如阀50可能经受的那样。因此，微孔可能会降低阀50的疲劳寿命。因此，可以选择合金组成以使固化温度范围最小化，以降低铸造阀50中的微孔隙率。在一个示例性实施例中，可以选择合金组合物，使得固化温度范围可以在约50℃至约60℃的范围内。
23.在一个示例性实施例中，合金组成可以通过调节各种元素(例如，钼、钨、铝、钛、铬等)的组成来确定，以使固化温度范围最小化。也可以调整这些元素的组成以确保形成可以为合金提供足够机械强度的γ’相。尽管γ’相有助于机械强度，但是更多γ’相可能需要更多的铝、钛和其它元素，这可能会增加固化温度范围。因此，必须平衡合金中γ’相的量，以确保合金具有足够的机械强度和小的固化温度范围。在一个示例性实施例中，可以选择合金组成以使合金中的γ’相的量可以在约50重量％至60重量％的范围内。此外，可以调节组合物以确保在高温下降低m6c碳化物的沉淀的可能性。另外，可以调节组合物以确保材料在固化过程中的收缩量最小化。最小化收缩可能有助于减少铸造阀50的收缩缺陷。在一个示例性实施例中，可以选择合金组合物，使得合金的收缩量可以在约5％和约5.5％之间的范围内。可以使用市售的分析工具(例如，jmatpro)来模拟合金组合物对各种材料性能的影响。
24.图3示出了使用jmatpro工具的示例性模拟的结果。例如，图3示出了镍基合金的等温相图100。相图100示出了在一定温度下改变合金中钼和钨的量对合金中相组分的影响。尽管图3仅示出了合金的两种成分(mo和w)，但是可以预期，对于合金的组成元素的任何组合，可以使用jmatpro获得类似的等温相图。
25.如图3所示，相图100可以包括标记为“区域1”的部分102，其可以包括γ和γ’相，具有m6c碳化物。m6c中的“m”可以代表一个或多个组成元素，例如，铬、钼、钨等。相图100可以包括标记为“区域2”的部分104，其可以包括γ和γ’相，具有m6c和m
23
c6碳化物。相图100可以包括标记为“区域3”的部分106，其可以包括γ和γ’相，具有m6c和m7c3碳化物。相图100可以包括标记为“区域4”的部分108，其可以包括γ和γ’相，具有m7c3碳化物。相图100可以包括标记为“区域5”的部分110，其可以包括γ和γ’相，具有m7c3碳化物。虽然以上仅描述了几个部分，但是可以预期，相图100可以具有任何数量的部分。还可以设想，相图100的一个或多个部分102-108可以包括其它相，例如，硼化物或其它类型的碳化物。m6c和m7c3碳化物可能在晶界沉淀并形成碳化物膜和/或针状结构。众所周知，这种m6c和m7c3的沉淀形态可能会显着降低合金的韧性。尽管相图100中的一些区域也包括m
23
c6碳化物，但是与m6c和m7c3碳化物相比，m
23
c6碳化物的沉淀是相对较慢的动力学过程，并且对合金的机械性能具有较小的有害影响。如下面详细讨论的，可以对合金组合物进行改性以改变合金的相组成，以便减少和/或消除m6c和m7c3碳化物的形成。
26.如图3所示，对比示例1可以表示具有约1.75重量％的钼和8.5重量％的钨的合金。同样如图3所示，对比示例1的合金可以具有包括m6c碳化物的区域2微结构。改变对比示例1的合金的组成，通过将钨的量降低至7.5重量％可以产生实施例1的合金。如图3所示，示例1的合金可具有不包含m6c碳化物的区域5微结构。因此，通过减少合金组成中钨的量，可以减少和/或消除m6c碳化物的沉淀，这倾向于降低合金的韧性。
27.作为另一个示例，对比示例2可以代表不含钼和6重量％钨的合金。如图3所示，对比示例2的合金可具有包括m7c3碳化物的区域4微结构。改变对比示例2的合金的组成，通过添加约0.75重量％的钼可以产生实施例2的合金。如图3所示，示例2的合金可具有不包含m7c3碳化物的区域5微结构。因此，通过增加合金组成中钼的量，可以减少和/或消除m7c3碳化物的沉淀，这趋向于降低合金的机械性能。
28.下表1列出了基于模拟使用工具获得的两种合金(合金1和合金2)的示例性化学组成。所公开的组合物可以帮助减少或消除合金1和2中的m6c和m7c3碳化物的沉淀。
[0029][0030]
表1：以重量百分比示例性公开的高温合金的组成。
[0031]
下面的表2比较了两种示例性公开的合金1和合金2的性质与常规镍基合金的性能，例如，与’465专利中公开的优选合金组合物具有类似组成的合金。表2中列出的合金(合金1和合金2)和常规镍基合金的性能通过使用工具进行模拟获得。此外，常规镍基合金的一些模拟特性也与具有’465专利中公开的优选合金组成的合金样品的这些特性的测量值进行比较。
[0032]
[0033][0034]
表2：所公开的合金组合物的性能与常规镍基合金的性能的比较
[0035]
如表2所示，示例性合金1和合金2示出比常规镍基合金低35％的固化温度范围。这样的固化温度范围的降低可以减少合金1和合金2中微孔的形成，从而提高合金1和合金2的疲劳寿命。如表2所示，与传统的镍基合金相比，合金1的收缩率可以降低3％，合金2的收缩率可以降低13％。收缩的减少表明铸造发动机阀将具有较少的收缩缺陷。表2进一步表明，合金1和合金2中γ’相的量分别可以是16％和26％，这比常规镍基合金中γ’相的量少。尽管合金1和合金2中的γ’相比常规镍基合金的相低，但合金1和合金2中微孔形成的减少仍然可以允许合金1或合金2制成的阀具有比使用传统的镍基合金制成的阀更长的寿命。而且，合金1和2中的γ’相的量可以是常规用于制造阀的锻造合金中γ’相的量的两倍。因此，尽管材料硬化γ’相的量稍微减少，但是合金1和2仍然可以提供具有比使用传统镍基合金制成的阀50更高的疲劳寿命的阀50。
[0036]
表2还表明，合金1和合金2所具有平均电子空位，分别可以是常规镍基合金中平均电子空位的15％和3％。fcc结构中的平均电子空位可以用作脆性tcp相的沉淀可能性的量度。例如，平均电子空位的较高值可能表明合金可能具有形成tcp相的较高可能性，这倾向于降低合金的材料韧性。因为合金1和2具有较低的平均电子空位，所以合金1和合金2在高温长时间使用中形成脆性tcp相的可能性可能低于传统的镍基合金。因此，使用传统的镍基合金，合金1和合金2可适合于使用铸造工艺制造阀50，具有降低的微孔隙率，并相对于制成的阀50提高了疲劳寿命。合金1和合金2的这些特殊特点(足够高的强度、在高温下的长期稳定性以及降低的微孔隙率)可以允许用这些合金制成的阀承受850℃或更高的温度10,000到30,000小时，而阀材料不会损坏。
[0037]
下表3列出了与本公开一致的另外的示例性合金组合物。所公开的组合物可以帮助降低或消除m6c和m7c3碳化物在高温下的沉淀。
[0038][0039]
表3：以重量百分比示例性公开的高温合金的组成。
[0040]
下面的表4比较了表3的五个示例性公开合金1a、合金1b、合金1c、合金2a和合金2b的性能与常规镍基合金(例如，具有类似于’465专利中公开的优选合金组成)的性能。所公开的合金(合金1a、合金1b、合金1c、合金2a和合金2b)以及常规镍基合金的特性通过使用工具进行模拟而获得。
[0041]
[0042][0043]
表4：所公开的合金组合物的性能与常规镍基合金的性能的比较。
[0044]
如表4所示，与传统的镍基合金相比，所有五种公开的合金(合金1a、合金1b、合金1c、合金2a和合金2b)表现出较低的固化温度范围。因此，可以期望合金1a、1b、1c、2a和2b具有较低水平的微孔，这又可以增加使用合金1a、1b、1c、2a或2b中的任何一种制成的阀50的疲劳寿命。尽管合金1a、1b、1c、2a和2b预期与常规镍基合金相比具有较少的γ’相，但合金1a、1b、1c、2a和2b中的γ’相仍远远超过在锻造合金中γ’相的量，并且足以达到所需的强度。另外，合金1a、1b、1c、2a和2b的材料降低的微孔率可以降低内部的断裂开始，产生高于常规镍基合金获得的疲劳寿命。如表4所示，全部合金1a、1b、1c、2a、2b的平均电子空位少于常规的镍基合金。由合金1a、1b、1c、2a和2b的组合物提供的较低的平均电子空位预期会降低tcp相在高温下沉淀的可能性，这可能导致合金1a、1b、1c、2a和2b在高温下的长期稳定性。因此，合金1a、1b、1c、2a和2b可适用于使用铸造工艺制造阀50，相对于常规镍基合金具有降低的微孔隙率和可比机械强度。由于微孔隙率较低，使用合金1a、1b、1c、2a和2b中的任何一种制成的发动机阀可比使用常规镍基合金制造的发动机阀具有更长的使用寿命。
[0045]
工业实用性
[0046]
所公开的高温镍基合金可以提供能够承受850℃或更高温度超过10,000至30,000小时的使用寿命的发动机阀。特别地，所公开的合金组合物可以提供较小的固化温度范围，这可以帮助减少铸造阀50中的微孔的形成。阀50的微孔率的降低可以有助于改善阀50的疲劳寿命性能，因为在发动机运行期间经受周期性变化的温度时，内部裂纹发生较少。另外，所公开的合金组合物在高温下不易沉淀有害的碳化物，例如m6c碳化物，并且也不易于形成脆性的tcp相，这两者倾向于降低阀50的韧性和疲劳寿命。
[0047]
所公开的合金组合物的微孔隙率的降低的另一个优点可以伴随着制造成本的降低。特别地，使用传统的高温合金进行铸造通常需要额外的制造工艺步骤以减少和/或消除铸造部件中的微孔。这种附加的制造工艺包括热等静压(hip)工艺，其中，浇铸部件可以在存在惰性气体的压力室中经受高温和高压，以降低微孔隙率。因为所公开的合金以较小的微孔隙固化，所以在使用所公开的合金材料制造阀50时可不需要hip工艺，这又可降低制造阀50的成本。因此，所公开的合金可以提供即使当重复经受850℃或更高的温度时也具有显着改善的疲劳寿命(例如，超过10,000至30,000小时)的发动机阀。
[0048]
对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对所公开的高温合金进行各种修改和变化。考虑到本文公开的高温合金的说明书和实践，高温合金的其它实施例对本领域技术人员而言将是显而易见的。意图是说明书和示例仅被认为
是示例性的，本公开的真实范围由以下权利要求及其等价内容指出。