[发明专利]高温低热膨胀的Ni-Mo-Cr合金

说明书

发明背景

金属和合金在经受高温时将经历尺寸膨胀。通过称为热膨胀系数（COTE）的材料性质来表征这种膨胀的程度。COTE是材料性质（组成、热历史等）和外部变量（最显著的是温度）两者的函数。合金的COTE是在高温下操作的大多数类型的机械系统中的部件设计中考虑的关键性质。

在燃气涡轮发动机中已利用低热膨胀合金来在诸如密封和收容环、壳体和紧固件的关键部件中提供高水平的尺寸控制。在此类应用中，其它重要性质可包括机械强度、收容能力以及抗氧化性。拥有此类性质的一种合金是由Haynes International公司开发、制造和出售的合金。这是一种名义组成为Ni-25Mo-8Cr的Ni-Mo-Cr合金（本文中的所有组成是以重量%给出，除非另外说明）。Michael F.Rothman和Hani M.Tawancy的美国专利US4,818,486（其被转让给Haynes International公司）涉及这种合金。这种242合金目前被用于航空以及陆基的燃气涡轮机工业中的许多燃气涡轮机应用中。

HAYNES242合金是一种为燃气涡轮发动机中的使用所设计的高强度、低COTE的合金。通过时效硬化热处理热使其强化，该时效硬化热处理导致形成Ni₂（Mo,Cr）相的长程有序畴域。这些畴域在高达约704℃（1300℉）的温度下提供高的拉伸强度和蠕变强度。与其它Ni基合金相比，该242合金的COTE是低的。这可以归因于合金中存在高的钼（Mo）含量（25重量%）。众所周知Mo会降低镍基合金的COTE。242合金的另一关键特征是良好的抗氧化性。8重量%Cr的存在提供充分的抗氧化性，以便在无保护涂层的情况下使用或者在保护涂层剥落的情况下期望某种抗氧化性措施的应用中使用。242合金的另一关键特征是其相对于其它可时效硬化的镍基合金的优良加工性（可成形性、热/冷加工能力和可焊性）。众所周知，例如通过γ'相可时效硬化的Ni基合金易受由γ'相的快速析出动力学引起的制造问题的影响。相反，造成242合金中的时效硬化的Ni₂（Mo,Cr）相具有缓慢的析出动力学，并且因此242合金不会遭受上述的加工性问题。

然而，时效硬化242合金的最大使用温度（约649至704℃（1200至1300℉））能够限制该合金在某些应用中的使用。随着设计者将操作温度推至越来越高的水平，对能够在较高温度下操作的低COTE合金的需求正变得必要。能够将其高机械强度保持到760℃（1400℉）以上的温度的低COTE合金将对于燃气涡轮机工业表现出显著优点。

发明概述

本发明的主要目的是提供在高达至少760℃（1400℉）下具有低热膨胀系数、良好的抗氧化性以及优良强度的合金。在具有特定范围内并且受定量关系限定的元素组成的合金中发现了这些合意的性质，所述定量关系不能由现有技术预期到。这些合金的组成是镍基的，含有从21至24重量%的钼、从7至9重量%的铬以及大于5重量%的钨。此外，这些合金的总组成必须具有介于31.95和33.45之间的“R值”，其中所述R值是由以下关系限定（其中元素量是以重量%表示）。

R=2.66Al+0.19Co+0.84Cr－0.16Cu+0.39Fe+0.60Mn+Mo+0.69Nb+2.16Si+0.47Ta+1.36Ti+1.07V+0.40W

硼可以按小但却有效的痕量直至0.015重量%存在于这些合金中，以获得本领域中已知的某些益处。为了使得能够在熔炼过程期间进行氧和硫的去除，这些合金通常包含少量的铝和锰（分别至多约0.5重量%和1重量%），以及可能的痕量的镁、钙和稀土元素（至多约0.05重量%）。此外，铁、铜、碳以及钴在此类材料中可能是杂质，因为它们可能携带自于相同熔炉中熔化的其它镍合金。铁是最可能的杂质，并且在诸如B-2和242合金的材料中容许至多2重量%的水平。在242合金中，容许至多0.5重量%的铜，容许至多0.03重量%的碳，以及容许至多1重量%的钴。预期在本发明的合金中能够容许类似的杂质含量。可存在的其它元素包括但不限于铌、硅、钽、钛以及钒。预期这些杂质的水平分别不超过约0.2%，并且本发明合金可容许这些水平。为了确保优良的加工性，必须将γ'形成元素（Al、Ti、Nb以及Ta）保持在足以确保γ'相不以显著量发生的低水平。

附图简述

图1是其中相对于R值绘制的若干Ni-Mo-Cr和Ni-Mo-Cr-W合金的RT屈服强度的坐标图。