專利名稱：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。通過稱為熱膨脹系數(shù)(COTE)的材料性質(zhì)來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。擁有此類性質(zhì)的一種合金是由Haynes International公司開發(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，除非另外說明)。Michael F.Rothman和Hani M.Tawancy的美國專利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似的雜質(zhì)含量?？纱嬖诘钠渌匕ǖ幌抻阝?、硅、鉭、鈦以及釩。預(yù)期這些雜質(zhì)的水平分別不超過約

　　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:海恩斯國際公司