[发明专利]镍基合金

说明书

技术领域

本发明通常涉及用于燃气轮机应用的镍基合金，其具有机械性质、微观结构稳定性、耐局部点蚀和热腐蚀的独特组合。更具体地讲，本发明涉及一类具有非常低分数的η相和析出的(segregated)钛的镍基合金，导致由此形成的物品的提高的产率、可制造性和可修复性。

背景技术

本发明是对2002年7月9日颁发给John H.Wood等的美国专利第6416596B1号中公开和要求保护的合金种类的改进。上述美国专利是对1971年10月26日颁发给Earl W.Ross的美国专利第3615376号中公开和要求保护的合金种类的改进。上述两个专利都已转让给本发明的受让人。本发明保持了这些合金的有利特性，包括高强度和高延展性、高耐蠕变和耐疲劳性、优良的微观结构稳定性以及高温腐蚀环境下的高耐局部点蚀和热腐蚀性。这些性质的独特组合使得这些合金用于燃气轮机更具吸引力。

然而，美国专利第6416596号中公开的和要求保护的合金(后文中称为“参比合金”)的特性是存在“η”相、六方密堆形式的金属间Ni₃Ti以及固化合金中的析出的钛金属。在合金固化过程中，钛具有较强的从固/液界面的液相侧排出的倾向，导致钛在固化前沿析出(局部富集)，并且促进在最后固化的液体中形成η相。钛的析出也减小固相线温度，增大了γ/γ’共晶相的分数，并且导致固化的合金中出现显微缩孔(micro-shrinkages)。特别是η相可引起自这些合金形成的某些物品在初期成型工艺期间以及后续成型制造和修复工艺期间成为次品。另外，η相的存在可导致合金机械性能在使用期间退化。

从实验评估中可以看出，可以通过下面的方式改变合金组成，使得固化合金中的η相和析出钛两者的分数减小，即相对于参比合金的组成减小钛的含量，并增大铝与钛的比率。这是由于在合金固化期间的固/液界面的原子分区，导致固化的合金中的γ/γ′共晶相的分数减少。从这些评估中还能知道，通过用下面的方式改变合金组成，使得η相进一步减小，即相对于参比合金的组成，增大钽的含量，和减小铝与钽的比率。已知钽能够稳定γ初始(γ＇)相(Ni₃Al)，进一步减少合金中钛的可用性。

也已知当钽含量减小和铌含量增大时，能够保持有利数量的γ初始相(γ＇)，以至于如果需要，可以用铌完全替代钽，如在2005年6月7日颁发给Warren T.King等并且转让给本发明的受让人的美国专利第6902633B2号；和2007年5月3日公开的Liang Jiang等的并且已转让给本发明的受让人的美国专利申请公布第2007/0095441A1号中教导的。

也已知相对于参比合金，增大钽和钨的含量导致通过固溶强化和析出强化的组合改善机械性质。这些变化产生的合金所具有的抗拉强度、屈服强度、延展性和低循环疲劳(LCF)强度通常与参比合金相当；以及相对于参比合金，本发明的某些实施方案具有改善的蠕变强度和较低的机械加工能量。

这些变化的总和产生另外的益处。例如，所述合金呈现窄的固化范围(定义为合金液相线和固相线之间的温度差)，以及与参比合金的微观结构相比，所述固化合金的微观结构呈现更细小的γ/γ′共晶和碳化物结构。

发明内容

本发明提供一类用于燃气轮机应用的镍基合金以及由此形成的有用的制造物品，其具有机械性质、微观结构稳定性、高温腐蚀环境下的耐局部点蚀和热腐蚀的独特组合，以及在初始成型工艺和后续成型制造工艺和修复工艺中的高产率。本发明的特征还在于固化的镍基合金中具有非常低分数的η相和析出的钛。

根据本发明的一个具体实施方案，所述镍基合金包含按重量计约13.7％-约14.3％的铬、约5.0％-约10.0％的钴、约3.5％-约5.2％的钨、约2.8％-约5.2％的钛、约2.8％-约4.6％的铝、约0.0％-约3.5％的钽、约1.0％-约1.7％的钼、约0.08％-约0.13％的碳、约0.005％-约0.02％的硼、约0.0％-约1.5％的铌、约0.0％-约2.5％的铪、约0.0％-约0.04％的锆，余量基本上为镍。