專利名稱：鎳基高溫合金的開發(fā)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鎳基高溫合金的開發(fā)方法，該合金用于制造單晶或者定向凝固的材料體。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)公開了一系列用于制造單晶或者定向凝固材料體的鎳基高溫合金。這樣的材料體例如用于建造具有耐高溫要求的發(fā)電廠。例如可以借助于單晶組份使得材料的高溫強度最大，由此可以再次提高燃氣透平的進口溫度，從而提高燃氣透平的效率。
迄今為止，按照以下思路開發(fā)這樣的合金—提高持久強度—提高抗氧化性和抗腐蝕性—提高阻止裂紋增長性能，特別是抗LCF(Low Cycle Fatigue＝在低載荷循環(huán)次數(shù)時的疲勞)性能—改進可澆鑄性和熱處理性能—降低成本。
已知的鎳基高溫合金例如有CMSX-2、CMSX-4、CMSX-10、Rene N5、ReneN6、PWA 1484和PWA1483合金，其組成例如已經(jīng)由G.L.EricksonCorrosionresistant Single Crystal Superalloys for Industrial Gas Turbine Application，Intemational Gas & Turbine Aeroengine Congress & Exhibition，Orlando，F(xiàn)lorida，June 2-June 5，1997所公開。這樣的合金在澆鑄工藝之后進行熱處理，其中在一個第一固溶退火步驟，全部或部分地溶解在澆鑄工藝不均勻析出的γ′-相。在第二熱處理步驟該相重新在控制下析出。為了得到最佳的性能，如此進行析出熱處理，使得形成γ-相顆粒在γ’-相中的均勻分布。
已知晶格位錯可以對高溫下的持久強度起決定性的作用。許多已知的鎳基高溫合金具有介于γ-基體和γ’-相之間的正或者負晶格位錯。通過這種點陣畸變抑制了γ’-顆?；瑒踊蚯懈顣r的位錯，從而提高了高溫下的短期強度。一方面，文獻中要求鎳基高溫合金在室溫下具有盡可能高振幅的負晶格位錯(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)，而其他的鎳基高溫合金(參見例如EP 0 914 483 B1)通過相應(yīng)地選擇合金元素來調(diào)節(jié)(Konzipiert)，使得不存在晶格位錯，原因是已經(jīng)確定了在高溫下長期存在一種大的或長久的機械應(yīng)力時，通過γ-和γ′-相之間的晶格位錯，可以產(chǎn)生定向的γ′-顆粒糙化，接著產(chǎn)生γ′-結(jié)構(gòu)的降解。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明試圖避免已知現(xiàn)有技術(shù)的缺點。其任務(wù)是提供一種基于新的簡單思路的鎳基高溫合金的開發(fā)方法。
本發(fā)明通過以下方式完成了該任務(wù)，即選擇合金的組份，使得在室溫下存在盡可能高的γ-相和γ′-相之間的正晶格位錯δ，從而使得γ′-相體積含量至少為50％的鎳基高溫合金的性能在室溫下降解后達到最佳，其中δ[％]＝2(aγ’-aγ)/(aγ’+aγ)，aγ是γ-相的晶格常數(shù)，aγ’是γ′-相的晶格常數(shù)。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，利用本方法可以比較簡單地開發(fā)具有最佳降解性能的鎳基高溫合金。
業(yè)已確定，在存在一種機械應(yīng)力和一種持久的高溫應(yīng)力時會導(dǎo)致定向的γ′-顆粒糙化，稱為金屬塊形成(熔合物)，在γ′-含量高時(即γ′-體積含量至少為50％)導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，也就是說γ′-相變成連續(xù)相，早期的γ-基質(zhì)嵌入其中。由于金屬間的γ′-相趨于環(huán)境脆化，這在一定的應(yīng)力條件下會導(dǎo)致在室溫下機械性能尤其是屈服極限的大幅度下降。當潮濕和長時間保持拉伸張力時，特別容易出現(xiàn)環(huán)境脆化。本發(fā)明選擇高正性的γ-相和γ’-相之間的晶格位錯δ，性能的降低表現(xiàn)得不太強烈，也就是說，降低后狀態(tài)相對于未降低狀態(tài)的屈服極限損失很小。
有利的是按照以下公知的公式確定γ-相和γ′相的晶格常數(shù)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，其中元素符號前的數(shù)字表示相應(yīng)元素在γ-相的相對原子分數(shù)，和
aγ′[]＝3.57-0.004Cr+0.208Mo+0.194W+0.262Re+0.1335Ru+0.258Ti+0.5Ta+0.46Nb，其中元素符號前的數(shù)字表示相應(yīng)元素在γ′-相的相對原子分數(shù)。
為了表征鎳基高溫合金的持久性能，現(xiàn)在引入一個按照下式確定的降解參數(shù)DD＝(T-800)t1/2σ1/5式中T＝溫度，單位是oK，t＝時間，單位是小時，σ是應(yīng)力，單位是Mpa。在室溫下根據(jù)降解參數(shù)確定不同鎳基高溫合金降解狀態(tài)的屈服極限σ0.2’選擇相應(yīng)的原始狀態(tài)與降解狀態(tài)屈服極限差最小的合金，也就是在降解狀態(tài)屈服極限值盡可能最高的合金。


附圖中示出了本發(fā)明的實施例。其中圖1表示不同的已知鎳基高溫合金在室溫下降解后的屈服極限與γ-相和γ′-相之間的晶格位錯的關(guān)系；和圖2表示不同的已知鎳基高溫合金在室溫下的屈服極限與降解參數(shù)的關(guān)系。
現(xiàn)在只說明本發(fā)明的基本特征。相同的元素在不同的附圖中具有相同的符號。
具體實施例方式
下面借助于實施例和附圖1和2詳細解釋本發(fā)明。
業(yè)已確定，在存在機械應(yīng)力和持久的高溫應(yīng)力時會導(dǎo)致定向的γ′-顆粒糙化，稱為金屬塊形成(溶合物)，在γ′-含量高時(即γ′-體積含量至少為50％)導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，也就是說γ′-相變成連續(xù)相，早期的γ-基質(zhì)嵌入其中。由于金屬間的γ′-相趨于環(huán)境脆化，這在一定的應(yīng)力條件下會導(dǎo)致在室溫下機械性能尤其是屈服極限的大幅度下降。從而導(dǎo)致性能的下降。當潮濕和長時間保持在拉伸張力時，特別容易出現(xiàn)環(huán)境脆化。本發(fā)明選擇在γ-相和γ′-相之間的高正性晶格位錯δ，性能的降低表現(xiàn)得不太強烈，也就是說，降低后狀態(tài)相對于未降低狀態(tài)的屈服極限損失很小。
圖1表示用于制造單晶或定向凝固材料的各種已知鎳基高溫合金在室溫下降解后的屈服極限σ0.2與γ-相和γ′-相之間的晶格位錯δ的關(guān)系。γ-相和γ′-相之間的晶格位錯δ可以按照已知的方式如下計算δ[％]＝2(aγ′-aγ)/(aγ′+aγ)其中aγ是γ-相的晶格常數(shù)，aγ’是γ′-相的晶格常數(shù)。
表1列出了合金的化學(xué)組成(按重量％計)。
所測試的合金在室溫下的γ-相和γ′-相之間的晶格位錯δ范圍為約-0.24％至+0.58％。隨著正晶格位錯的增加，室溫下降解后的屈服極限σ0.2也上升。在試驗的合金中，合金PW1480具有最高的γ-相和γ′-相之間的正晶格位錯δ，因此在室溫下降解后具有最高的屈服極限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)的公式確定γ-相和γ′相的晶格常數(shù)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，其中元素符號前的數(shù)字表示相應(yīng)元素在γ-相的相對原子分數(shù)，和aγ′·[]＝3.57-0.004Cr+0.208Mo+0.194W+0.262Re+0.1335Ru+0.258Ti+0.5Ta+0.46Nb，其中元素符號前的數(shù)字表示相應(yīng)元素在γ′-相的相對原子分數(shù)。合金元素B、Zr和C在晶格位錯中作用不大，特別是因為它們僅僅作為微量元素以很小的量存在。
現(xiàn)在，人們可以按照本發(fā)明使得合金的降解性能最佳化，辦法是通過改變組成使得γ-相和γ′-相之間的正晶格位錯δ盡可能高。為了表征鎳基高溫合金的持久性能，引入一個按照下式確定的降解參數(shù)D
D＝(T-800)t1/2σ1/5式中T＝溫度，單位oK，t＝時間，單位是小時，σ是應(yīng)力，單位是Mpa。
接著，根據(jù)所述的降解參數(shù)確定在室溫下降解狀態(tài)的屈服極限σ0.2°在圖2中列出了表1合金的該數(shù)值。為了使得性能最佳化，室溫下各降解參數(shù)的屈服極限應(yīng)當盡可能高。合金PW1480最好地滿足了該要求，它在室溫下γ-相和γ′-相之間的正晶格位錯δ是+0.58％。與此相反，合金CMSX4γ-相和γ′-相之間的正晶格位錯δ僅為-0.24％，在本發(fā)明的數(shù)據(jù)中是最低的，根據(jù)最低約5000KhMPa的降解參數(shù)，其屈服極限值最低。因此，該合金由于其降解性能而不適合。
符號表σ0.2屈服極限δ晶格位錯aγγ-相的晶格常數(shù)aγ’γ′相的晶格常數(shù)D 降解參數(shù)T 溫度t 時間表1

表1合金的化學(xué)組成(重量％)
權(quán)利要求
1.鎳基高溫合金的開發(fā)方法，該合金由γ-相和γ′-相構(gòu)成，用于制造單晶或者定向凝固的材料體，其特征在于，通過選擇合金的組份，使得在室溫下存在盡可能高的γ-相和γ′-相之間的陽極晶格位錯(δ)，從而使得γ′-相體積含量至少為50％的鎳基超級高溫合金的性能在室溫下降解后達到最佳，其中δ[％]＝2(aγ′-aγ/(aγ′+aγ)其中aγ是γ-相的晶格常數(shù)，aγ’是γ′-相的晶格常數(shù)。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，按照以下公知的公式確定γ-相的晶格常數(shù)(aγ)和γ′相的晶格常數(shù)(aγ’)aγ[]＝3.524+0,0196Co+0.110Cr+0.478Mo+0.444W+0.441Re+0.3125Ru+0.179Al+0.422Ti+0.7Ta+0.7Nb，其中元素符號前的數(shù)字表示相應(yīng)元素在γ-相的相對原子分數(shù)，和aγ[]＝3.57-0.004Cr+0.208Mo+0.194W+0.262Re+0.1335Ru+0.258Ti+0.5Ta+0.46Nb，其中元素符號前的數(shù)字表示相應(yīng)元素在γ′-相的相對原子分數(shù)。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，為了表征鎳基高溫合金的持久性能，引入一個按照下式確定的降解參數(shù)(D)D＝(T-800)t1/2σ1/5式中T＝溫度，單位是oK，t＝時間，單位是小時，σ是應(yīng)力，單位是Mpa，其中根據(jù)所說的降解參數(shù)(D)確定在室溫下降解后的屈服極限(σ0.2)，為了使得性能最佳化，該數(shù)值應(yīng)當盡可能高。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鎳基超級高溫合金的開發(fā)方法，該合金由γ－相和γ′－相構(gòu)成，用于制造一種單晶或者定向凝固的材料體。本發(fā)明的特征在于，通過選擇合金的組份，使得在室溫下存在盡可能高的γ－相和γ′－相之間的晶格位錯(δ)，從而使得γ′－相體積含量至少為50％的鎳基超級高溫合金的性能在室溫下降解后達到最佳。由此實現(xiàn)了室溫下降解后的屈服極限比較高，從而出現(xiàn)了原始狀態(tài)與降解后狀態(tài)下屈服極限差很小的情況。
文檔編號C22C1/00GK1585829SQ02822233
公開日2005年2月23日 申請日期2002年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月9日
發(fā)明者M·納茲米 申請人:阿爾斯托姆科技有限公司