[发明专利]镍－基超合金

说明书

发明领域

本发明涉及一种镍-基超合金，该合金特别适于制造单晶-部件。

发明背景

镍-基超合金用于制造单晶-部件或定向结晶部件，特别是气轮机的涡轮叶片。采用这种单晶部件可使高温下的材料强度达最高。由此可提高气轮机的入口温度，从而提高气轮机的效率。

单晶-合金含有混晶增强元素，诸如，Re、W、Mo、Co、Cr以及γ’相(即L10型Ni3Al基金属间相)组成元素，诸如Al、Ta、和Ti。无缺陷的单晶-超合金铸件之特点在于其较高的蠕变强度、疲劳强度及抗氧化能力。另一方面，制造无缺陷的单晶部件，特别是气轮机的叶片，甚为困难，特别是在部件大，几何形状复杂的情况下尤为困难。因此，形成小角度晶界是大型单晶-部件的特征性缺陷。

通常的单晶-超合金，诸如公布于US 4,459,160、US 4,643,782和EP 076 360的超合金，选择了尽可能小的碳和硼含量(C≤150ppm，B≤30ppm)，避免使用另一些晶界硬化元素，诸如Zr、Ce等，以便使单晶-超合金具有大的热处理窗(Wrmebehandlungsfenster)。在这种合金中小角晶界甚弱，因而不可接受。用C和B含量低的合金制成之大型单晶-部件的横向力学性能甚差，因此，甚至在铸造时部件可能发生断裂。小角晶界在此起了氧化和腐蚀过程中扩散途径的作用。

这种合金曾为飞机用涡轮机研制的，因而只对短期和中期性能进行优化，即其使用寿命设计为20000小时。为对该合金在高温和高压力下的蠕变压力进行最优化，应使其具有正的热处理窗，即无需合金的局部初熔就可使初级γ’相完全溶解。

与前言所述之合金相反，诸如GB 2 234 521，EP 240 451和EP 208645所公开的，C-，B-和Hf-含量较高的单晶-超合金明显有较高的横向断裂物性。小角晶界的抗氧化和抗腐蚀性仍然是低的。此外，纵向LCF(低荷载循环次数疲劳)性能比前述合金低10％，其原因在于生成条状碳化物的有害影响。

WO-A-93/24683描述了一种镍-基超合金，该合金选择性地含有达0.1％(重量)C，和达0.5％(重量)Hf和5-200ppm Mg，但不含B。添加Mg以改善抗氧化能力。

发明概述

本发明之目的在于，在镍-基超合金情况下，特别是用于制造前言中所提及类型的大型单晶-部件以及在大铸件时，提高纵向和横向疲劳强度，同时得到良好的抗氧化和抗腐蚀能力。

本发明通过第一权利要求的特征部分达到上述目的。

因此，本发明的核心在于，该镍-基超合金的基本组成(以％(重量)计)如下：6.0-6.8％ Cr、8.0-10.0％ Co、0.5-0.7％ Mo、6.2-6.6％ W、2.7-3.2％ Re、5.4-5.8％ Al、0.6-1.2％ Ti、6.3-7.0％ Ta、0.15-0.3％ Hf、0.02-0.04％ C、40-100ppm B、15-50ppm Mg、0-400ppm Y，其余为镍及杂质。

在本发明的优点中值得指出，合金所含诸如C、B、Hf等晶界-元素的量对小角晶界具有有利的影响，所生成的碳化物非常精细并呈岛形。而且碳化物主要分布在小角晶界，从而使单晶-部件的纵向和横向力学性能和疲劳强度得到有效的改进。

添加Mg与B，C和Hf相组合，会阻碍沿小角晶界的扩散，从而提高小角晶界的抗氧化能力。

特别适宜的是使Hf＝(8-12)×C，B＝(0.18-0.25)×C，Mg＝(0.08-0.2)×C或Hf∶C∶B∶Mg＝100∶10∶2∶1(以重量％计)。从而对合金的纵向和横向力学性能、疲劳强度、小角晶界的抗氧化能力产生有利的影响。

本发明的其它有利特点列于各从属权利要求。发明的实施途径

与前言提及的US 4,459,160、US 4,643,782和EP 076 360的合金相反，设计寿命为75000小时的工业气轮机部件的只进行部分固溶液处理，这样可保留部分初级γ’相，这对于阻碍单晶-结构的再结晶是必要的。因此采用一种热处理，它使初级γ’相溶解90-97％，这就可能采用晶界-元素，而这些元素通常基于其具有降低局部初熔温度的倾向而在单晶-超合金中不采用。这些晶界元素，诸如C、B、Hf和Mg对小角晶界具有利影响。

与前言中提及的GB 2 234 541、EP 240 451和EP 208 645的合金相反，本发明不仅使横向力学性能，而且还使小角晶界的抗腐蚀和抗氧化能力以及疲劳强度得到改善。