[发明专利]钴镍超合金及相关制品

说明书

技术领域

总体而言，本发明涉及金属合金组合物。更具体而言，本发明涉及可用于其中需要优良的高温蠕变强度和环境耐受性、特别是抗硫化性的高温结构应用中的钴镍合金，及相关制品。

背景技术

超合金通常为用于高温环境的部件的所选材料。(术语“超合金”通常用以涵盖用于高温应用的复合镍-、铁-或钴-基合金，其包含一种或多种其他元素，诸如铝(Al)和铬(Cr))。例如，飞机发动机、工业燃气轮机和气化体系中的许多热气路部件常由镍基或钴基超合金形成，因为它们需要在高温下保持其机械和/或环境完整性。这类合金可通过诸如常规铸造和单向铸造技术的多种工艺形成。一些常规铸造材料常常经历热机械加工，诸如辊轧、锻造和挤出。在铸造后通常有许多热处理步骤，诸如固溶、时效处理和沉淀强化。这类合金还可提供有环境保护涂层。

许多镍基超合金通过为合金提供“L1₂”-结构的γ′相而采用沉淀强化。向镍(Ni)基体中加入诸如Al、Ta、Ti和Nb的各种元素导致形成具有L1₂结构的γ′-Ni₃(Al，M)相，其中M代表至少一种金属元素。如本领域中所理解，L1₂相的存在在极高使用温度下为合金提供较大强度。实际上，在许多情况下，L1₂相显示出反向温度依赖性，其中强度随温度升高而增加。

所述钴基合金对某些最终用途还具有特殊意义。例如，这些合金往往显示出比其镍对应物更高的熔融温度。根据具体配方，所述钴(Co)合金在含有诸如硫化氢(H₂S)的腐蚀性气体的多种高温环境中可潜在地提供增强的抗氧化和抗腐蚀性。然而，钴基合金在高温结构部件中的应用可由于其通常比镍基超合金差的高温强度而受到限制。大部分常规钴基合金使用碳化物沉淀和加入固溶强化元素，在实现高温强度方面，这些不如L1₂γ′相沉淀有效。

直到近来，包含所要的L1₂相的钴基合金似乎仍然不能得到。然而，在美国专利公开2008/0185078中，Ishida等描述了具有耐高热性和高强度且含有沉淀的L1₂相的钴基合金。在该情况下，L1₂γ′相为式Co₃(Al，W)的金属间化合物。虽然Ishida中的合金组合物可含有许多其他元素，但各组合物中的大部分似乎是基于比较大量的钴、铝和钨。

冶金学家理解，在所需应用中使用的镍和钴合金常常需要非常审慎地平衡各种性质。在此仅提到这些性质中的几个：(在高温和中温下的)强度、延展性、抗氧化性、抗腐蚀性和抗磨性。其他性质和特征包括“可铸造性”、热加工性、密度和成本。在要求苛刻的服务环境中，实现所有这些性质之间的必要平衡对于合金配方师而言代表着不断增加的挑战。

在镍基和钴基超合金中，抗氧化性和抗腐蚀性强烈取决于合金中Al和Cr的含量。更具体地讲，认为铝的存在在高温下在合金表面上形成保护性Al₂O₃垢。与铬相比，氧化铝是生长迟缓的氧化物，且在一些氧化环境中形成氧化铝是优选的。还已知氧化铝在含有H₂S的腐蚀性环境中具有抗硫化性。认为铬的存在对Al₂O₃垢的形成有益，且在低于900℃的温度下，也可形成稳定的Cr₂O₃垢。一般来说，认为实现在一些应用中需要的抗环境性需要至少约12％重量的较高Cr含量。

与不含Al的许多常规钴基超合金不同，Co-Al-W基合金体系可由于存在Al而具有形成保护性氧化铝垢的能力。然而，在γ′-Co₃(Al，W)相沉淀的Co-Al-W基合金中，加入Cr会降低γ′-Co₃(Al，W)相的相稳定性。在含有Cr的Co-Al-W基合金中，γ′固溶线温度(其中γ′相溶解于γ-Co基体相中)比不含Cr的合金低。通常希望保持尽可能高的γ′固溶线温度，因为该类型合金的高温强度强烈取决于在目标温度下γ′相的体积分数。因此，重要的是平衡Cr含量和γ′相的稳定性以实现抗环境性和高温强度两者。

基于这些考虑，新的超合金组合物在本领域中将受到欢迎。与常规钴基合金相比，这些合金应该显示出诸如抗环境性、高温强度和增强的抗蠕变性的上述性质的所要组合。

发明内容

本文公开了钴镍合金组合物，其包含，基于重量计算：

约30％-约50％的钴；

约20％-约40％的镍；