高溫低熱膨脹的Ni-Mo-Cr合金的制作方法
專(zhuān)利名稱(chēng):高溫低熱膨脹的Ni-Mo-Cr合金的制作方法
高溫低熱膨脹的N1-Mo-Cr合金
背景技術(shù):
金屬和合金在經(jīng)受高溫時(shí)將經(jīng)歷尺寸膨脹。通過(guò)稱(chēng)為熱膨脹系數(shù)(COTE)的材料性質(zhì)來(lái)表征這種膨脹的程度。COTE是材料性質(zhì)(組成、熱歷史等)和外部變量(最顯著的是溫度)兩者的函數(shù)。合金的COTE是在高溫下操作的大多數(shù)類(lèi)型的機(jī)械系統(tǒng)中的部件設(shè)計(jì)中考慮的關(guān)鍵性質(zhì)。在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中已利用低熱膨脹合金來(lái)在諸如密封和收容環(huán)、殼體和緊固件的關(guān)鍵部件中提供高水平的尺寸控制。在此類(lèi)應(yīng)用中,其它重要性質(zhì)可包括機(jī)械強(qiáng)度、收容能力以及抗氧化性。擁有此類(lèi)性質(zhì)的一種合金是由Haynes International公司開(kāi)發(fā)、制造和出售的HAYNESx' 242 合金。這是一種名義組成為N1-25M0-8Cr的N1-M0-Cr合金(本文中的所有組成是以重量%給出,除非另外說(shuō)明)。Michael F.Rothman和Hani M.Tawancy的美國(guó)專(zhuān)利US4, 818,486 (其被轉(zhuǎn)讓給Haynes International公司)涉及這種合金。這種242合金目前被用于航空以及陸基的燃?xì)鉁u輪機(jī)工業(yè)中的許多燃?xì)鉁u輪機(jī)應(yīng)用中。HAYNES242合金是一種為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的使用所設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度、低COTE的合金。通過(guò)時(shí)效硬化熱處理熱使其強(qiáng)化,該時(shí)效硬化熱處理導(dǎo)致形成Ni2 (Mo, Cr)相的長(zhǎng)程有序疇域。這些疇域在高達(dá)約704°C (1300 °F)的溫度下提供高的拉伸強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度。與其它Ni基合金相比,該242合金的COTE是低的。這可以歸因于合金中存在高的鑰(Mo)含量(25重量%)。眾所周知Mo會(huì)降低鎳基合金的C0TE。242合金的另一關(guān)鍵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,以便在無(wú)保護(hù)涂層的情況下使用或者在保護(hù)涂層剝落的情況下期望某種抗氧化性措施的應(yīng)用中使用。242合金的另一關(guān)鍵特征是其相對(duì)于其它可時(shí)效硬化的鎳基合金的優(yōu)良加工性(可成形性、熱/冷加工能力和可焊性)。眾所周知,例如通過(guò)r相可時(shí)效硬化的Ni基合金易受由r相的快速析出動(dòng)力學(xué)引起的制造問(wèn)題的影響。相反,造成242合金中的時(shí)效硬化的Ni2 (Mo, Cr)相具有緩慢的析出動(dòng)力學(xué),并且因此242合金不會(huì)遭受上述的加工性問(wèn)題。
然而,時(shí)效硬化242合金的最大使用溫度(約649至704°C (1200至1300 0F))能夠限制該合金在某些應(yīng)用中的使用。隨著設(shè)計(jì)者將操作溫度推至越來(lái)越高的水平,對(duì)能夠在較高溫度下操作的低COTE合金的需求正變得必要。能夠?qū)⑵涓邫C(jī)械強(qiáng)度保持到760V(1400 T)以上的溫度的低COTE合金將對(duì)于燃?xì)鉁u輪機(jī)工業(yè)表現(xiàn)出顯著優(yōu)點(diǎn)。發(fā)明概述本發(fā)明的主要目的是提供在高達(dá)至少760V (1400 °F)下具有低熱膨脹系數(shù)、良好的抗氧化性以及優(yōu)良強(qiáng)度的合金。在具有特定范圍內(nèi)并且受定量關(guān)系限定的元素組成的合金中發(fā)現(xiàn)了這些合意的性質(zhì),所述定量關(guān)系不能由現(xiàn)有技術(shù)預(yù)期到。這些合金的組成是鎳基的,含有從21至24重量%的鑰、從7至9重量%的鉻以及大于5重量%的鎢。此外,這些合金的總組成必須具有介于31.95和33.45之間的“R值”,其中所述R值是由以下關(guān)系限定(其中元素量是以重量%表示)。R=2.66A1+0.19Co+0.84Cr — 0.16Cu+0.39Fe+0.60Mn+Mo+0.69Nb+2.16Si+0.47Ta+1.36Τ +1.07V+0.40W
硼可以按小但卻有效的痕量直至0.015重量%存在于這些合金中,以獲得本領(lǐng)域中已知的某些益處。為了使得能夠在熔煉過(guò)程期間進(jìn)行氧和硫的去除,這些合金通常包含少量的鋁和錳(分別至多約0.5重量%和I重量%),以及可能的痕量的鎂、鈣和稀土元素(至多約0.05重量%)。此外,鐵、銅、碳以及鈷在此類(lèi)材料中可能是雜質(zhì),因?yàn)樗鼈兛赡軘y帶自于相同熔爐中熔化的其它鎳合金。鐵是最可能的雜質(zhì),并且在諸如B-2和242合金的材料中容許至多2重量%的水平。在242合金中,容許至多0.5重量%的銅,容許至多0.03重量%的碳,以及容許至多I重量%的鈷。預(yù)期在本發(fā)明的合金中能夠容許類(lèi)似的雜質(zhì)含量。可存在的其它元素包括但不限于鈮、硅、鉭、鈦以及釩。預(yù)期這些雜質(zhì)的水平分別不超過(guò)約
0.2%,并且本發(fā)明合金可容許這些水平。為了確保優(yōu)良的加工性,必須將r形成元素(Al、T1、Nb以及Ta)保持在足以確保(相不以顯著量發(fā)生的低水平。附圖簡(jiǎn)述
圖1是其中相對(duì)于R值繪制的若干N1-Mo-Cr和N1-Mo-Cr-W合金的RT屈服強(qiáng)度的坐標(biāo)圖。圖2是其中相對(duì)于R值繪制的相同的若干N1-Mo-Cr和N1-Mo-Cr-W合金的RT屈服強(qiáng)度的坐標(biāo)圖。圖3是示出在施加760°C (1400 °F)下的時(shí)效熱處理之前和之后的若干合金的硬度的坐標(biāo)圖。
具體實(shí)施例方式我們提供了 N1-Mo-Cr-W基合金,其典型包含21至24%的鑰、7至9%的鉻和大于5重量%的鎢,以及典型的 雜質(zhì)和微量元素添加物,其具有低的熱膨脹系數(shù)并且其在范圍從室溫至高達(dá)760°C (1400 °F)的溫度下具有優(yōu)良的強(qiáng)度和延展性。還預(yù)期這些合金具有良好的抗氧化性。這種性質(zhì)組合對(duì)于許多燃?xì)鉁u輪機(jī)應(yīng)用而言是期望的,包括但不限于:密封和收容環(huán)、殼體以及緊固件。我們還已發(fā)現(xiàn):需要將R值保持在31.95至33.45的范圍內(nèi),其中R由以下等式定義:R=2.66A1+0.19Co+0.84Cr — 0.16Cu+0.39Fe+0.60Mn+Mo+0.69Nb+2.16Si+0.47Ta+1.36Τ +1.07V+0.40W并且元素組成是以重量%給出。在這里測(cè)試并給出了總共36種合金以描述本發(fā)明。其中,35種是實(shí)驗(yàn)合金(標(biāo)記為A至Y和AA至JJ),并且另一個(gè)是商業(yè)242合金。在表I中給出了全部36種合金的組成,連同每種組成的計(jì)算R值。表I在本研究中測(cè)試的合金的組成
權(quán)利要求
1.一種鎳-鑰-鉻-鎢基合金,其具有按重量百分比計(jì)包含如下的組成:7至9鉻21至24鉬 大于5鴒 至多3鐵 余量的鎳和雜質(zhì),該合金還滿足如下組成關(guān)系:31.95〈R〈33.45 其中R值由如下等式定義: R=2.66A1+0.19Co+0.84Cr — 0.16Cu+0.39Fe+0.60Mn+Mo+0.69Nb+2.16Si+0.47Ta+l.36Τ +1.07V+0.40ffo
2.權(quán)利要求1的合金,其中鎢以大于5直至10重量%存在。
3.權(quán)利要求1的合金,其中鎢以大于5直至7重量%存在。
4.權(quán)利要求1的合金,其中鈷以至多5重量%存在。
5.權(quán)利要求1的合金,還包含下列中的至少一種:至多0.015重量%的硼,和至多0.1重量%的碳。
6.權(quán)利要求1的合金,還包含小于0.7重量%的鋁。
7.權(quán)利要求1的合金,還包含至多2重量%的錳。
8.權(quán)利要求1的合金,還包含下列中的至少一種:小于0.5重量%的鈮、小于0.5重量%的鉭和小于0.5重量%的鈦。
9.權(quán)利要求1的合金,還包含下列中的至少一種:至多0.8重量%的銅,和至多0.5重量%的娃。
10.權(quán)利要求1的合金,還包含至多0.5重量%的釩。
11.權(quán)利要求1的合金,還包含選自下列中的至少一種元素:鎂、I丐、鉿、乾、鋪和鑭,其中每種所述元素的存在量占所述合金的至多0.1重量%。
12.—種鎳-鑰-鉻-鎢基合金,按重量百分比計(jì)基本由如下組成:
13.一種鎳-鑰-鉻-鎢基合金,按重量百分比計(jì)基本由如下組成:
14.一種鎳-鑰-鉻-鎢基合金,按重量百分比計(jì)基本由如下組成:
15.權(quán)利要求14的合金,還含有至多5.17重量%的鈷。
16.一種在高達(dá)約760°C的溫度下具有高強(qiáng)度和低熱膨脹的合金,該合金可含有7至9重量%的鉻、21至24重量%的鑰、大于5重量%的鶴、至多3重量%的鐵,余量的鎳和雜質(zhì);該合金還必須滿足如下組成關(guān)系:31.95〈R〈33.45,其中R值由如下等式定義:R=2.66A1+0.19Co+0.84Cr — 0.16Cu+0.39Fe+0.60Mn+Mo+0.69Nb+2.16Si+0.47Ta+l.36Τ +1.07V+0.40W 如果鎢以大于5直至10%存在,則該合金在760°C (1400 °F )下時(shí)效硬化之后具有較好的 硬度。
全文摘要
公開(kāi)了一種設(shè)計(jì)用于燃?xì)鉁u輪機(jī)中的合金,該合金具有高強(qiáng)度和低熱膨脹系數(shù)。該合金可含有7至9重量%的鉻、21至24重量%的鉬、大于5重量%的鎢、至多3重量%的鐵,余量為鎳和雜質(zhì)。該合金還必須滿足如下組成關(guān)系31.95<R<33.45,其中R值由如下等式定義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。如果鎢以大于5%直至10%存在,則該合金在760℃(1400℉)下時(shí)效硬化之后具有較好的硬度,并且如果該合金含有大于5%直至7%的鎢則具有優(yōu)選的密度。
文檔編號(hào)C22C19/05GK103189531SQ201280003417
公開(kāi)日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月18日
發(fā)明者L·派克, S·K·斯里瓦斯塔瓦 申請(qǐng)人:海恩斯國(guó)際公司