[发明专利]具有多活性元素的镍基γ/γ＇超合金和所述超合金在复杂材料体系中的用途

说明书

技术背景

镍基γ/γ’超合金对航空和陆基燃气轮机中的关键部件而言是必不可少的，但是也用于其他应用中。所述超合金之间的区别取决于开发它们时可用的知识和生产技术水平，以及不同的相对性能侧重点，如成本、抗氧化性、耐腐蚀性、加强性、合金稳定性、延展性、可焊性和与复杂材料体系中其它合金的相容性。

镍基γ/γ’超合金以单晶、定向凝固或等轴形式使用。在每种晶体中都有γ基质，其基本上是固溶体形式的Ni与元素如Co、Cr、Mo、W和Re；和γ’颗粒，其基本上是固溶体形式的Ni₃Al与元素如Ta、Ti、Nb和V。如果存在，晶界通常用提供内聚强度的碳化物和/或硼化物装饰。Zr也有助于晶界的内聚力。定向凝固的组分中的晶界通常通过添加大量Hf来保护。Zr和Hf也可有助于用于改善的抗循环氧化性的活性元素效应。活性元素效应也可以获自Si和稀土。

元素如Mo、W和Re提供了γ基质的固溶强化，而Ta、Ti、Nb和V提供了γ’颗粒的固溶强化。Al因为增加γ’颗粒的量以及增加γ基质中Mo、W和Re的浓度而提供强化。

镍基γ/γ’超合金很少可以被视为低成本，但是，如果昂贵元素如W和Ta保持在中等水平，并且非常昂贵的元素如Re、Ru和贵金属如Pt保持在非常低的水平或不使用，则在上下文中成本可以被视为中等。

在热部件如燃气轮机的上下文中，通常认为优异的抗氧化性需要形成非常粘着且连续的低渗透性Al₂O₃表层(scale)的能力。

[Barrett]教导了通过Al(通过Cr和Ta增强，用Mo和W轻度还原，并且用Ti、Nb和V重度还原)提供形成连续Al₂O₃表层的能力。这意味着，如果Cr和Ta的水平增加或Ti、Nb和V的水平降低，则需要较少的Al来形成这种Al₂O₃外层。

[Sarioglu]教导了通过夹入元素(tramp element)、尤其是S来明显降低表层附着力，但是该效应能够被清洁铸造和少量可测水平的活性元素如Hf、Zr和稀土元素的添加的组合抵消掉。[Sarioglu]还教导，S的有害作用与其扩散到金属/表层相间、然后使其弱化的倾向有关。

[Pint 1]强调了S的重要性，并且还教导了结合低水平的Hf和稀土Y时的有益RE效果。

[Harris]教导，两种稀土元素La和Y的组合比单独使用Y或La时提供了更好的抗循环氧化性。[Harris]还教导，虽然Y是最常使用的稀土，但是其未必总是最有效的，而Ce可能非常有效。

[Pint 2]教导，对于提高相同浓度水平下氧化物表层附着力而言，Ce、Gd、Sm、Tb、Nd和La比例如Hf、Zr和Y更为有效。

[Caron 1]教导了当组合低水平的Hf和Si时有益的活性元素效应。

[Pint 3]教导，当使用多活性元素时，可以获得优异的活性元素效应，一个例子是在对包含少量可测水平的Zr、Si和Y的Haynes-214进行的测试中看到了优异的抗循环氧化性。在包含低水平的Hf、Zr、Si和Y的Rene-N5中也看到了优异的抗循环氧化性。

[Aimone]教导，在主热浇铸期间，由于蒸发或与周围材料的反应，通常只保留约10％的稀土元素添加量。[Aimone]进一步教导，添加20ppm的Y无效，添加200-500ppm范围非常有效，而添加1000-2000ppm范围效力较低，这意味着合金中保留的20-50ppm范围的Y水平非常有效，并且，过高的稀土元素保留水平不是最佳的。

一个结论是，出人意料地，当用适当的元素如Cr、Ta和Si水平负载时，为形成连续的Al₂O₃表层需要低Al水平，条件是过高水平的有害元素如Ti和Nb得以避免。另一个结论是，优异的表层附着力需要低S生产工艺和选自Hf、Zr、Si和稀土元素中的多活性元素的组合。稀土元素应当以低的保留可测水平使用，并且有利的是使用至少两种。此外，初始的稀土组成必须基于所用具体生产工艺的保留来选择。

耐腐蚀性通过Cr提供。少于12wt％的Cr被视为差，至少12wt％的Cr被视为中等，至少16wt％的Cr被视为良好，并且至少20wt％的Cr被视为优异。