專利名稱：具有改進的機械性能的NiCrMoNb合金的制作方法
具有改進的機械性能的NiCrMoNb合金相關申請的交叉引用本申請是2009年5月6日提交、名為具有改進的機械性能的NiCrMoNb合金的美國申請序號12/436，194的部分繼續(xù)申請。本申請根據(jù)35U. S. C. §120要求申請日的優(yōu)先權，且所述美國申請的整體通過引用結合到本文中。
背景技術：
本發(fā)明的實施方案涉及到改進的鎳-鉻-銷-鈮(NiCrMoNb)合金。具體地，實施方案涉及到這種改進的NiCrMoNb合金，以及它在廣泛范圍的先進汽輪機部件中的應用，包括但不限于，葉片(bucket)和噴嘴。汽輪機組件中使用的部件通常由鎳-鉻、馬氏體或奧氏體合金構成。這些合金具有良好的高強度和抗腐蝕特性，這使它們在工業(yè)發(fā)電應用中受到歡迎。另外，它們通常具有高的極限拉伸、屈服和蠕變斷裂強度，使它們在應用中長時間段內的持續(xù)使用成為可能。‘‘合金625"是具有許多工業(yè)汽輪機應用所期望性質的鎳-鉻基合金的實例。 合金625的組成可略微變化，其中一個特別制造者的組成規(guī)格以重量百分數(shù)計為，最少 58. O % 11,20. 0-23. 0% 鉻、最多 5. 0% 鐵、8. 0-10· 0% 鉬、約 3. 15-4. 15% 鈮、最多 0. 10% 碳、最多0. 50%錳、最多0. 50%硅、最多0. 015%磷、最多0. 015%硫、最多0. 40%鋁、最多 0. 40%鈦，以及最多1.0%鈷。在過去幾年，汽輪機技術的許多發(fā)展已經(jīng)成熟，這產(chǎn)生了特征為進口溫度超過 1050° F的下一代汽輪機組件。由于與先進汽輪機組件相關的升高的溫度，早期階段汽輪機的葉片和噴嘴部件特別容易故障。另外，在聯(lián)合循環(huán)淡化裝置中，渦輪機級在早期潮濕區(qū)域高負荷運行，且在低負荷使用下高溫運行。在這些渦輪潮濕線路條件下，對于點蝕、強度退化和應力腐蝕裂紋的優(yōu)良抵抗力的要求是明顯的。這種廣泛范圍的挑戰(zhàn)性環(huán)境給合金現(xiàn)用于汽輪機部件提供了獨特的阻礙。氯化鈉、酸和腐蝕性沉積物引起的退化一直是汽輪機葉片應用中通常使用的馬氏體不銹鋼合金的重大憂慮。另外，現(xiàn)有的馬氏體不銹鋼輪葉(blading)合金在溫度超過 1050° F的應用中的使用是不理想的。低溫抗腐蝕合金，諸如Ti-6A1-4V，因其工作溫度接近1000° F而不推薦。因此，雖然許多合金可用于解決渦輪機級的某些部分中存在的狀況， 它們最終可能要求在渦輪機組件的其他區(qū)域中的設計做出妥協(xié)，這將影響部件的可靠性。熱處理是用于改變和提高化合物冶金性能的方法。這些方法通常用于改變合金的特性。這些改變通過諸如退火、沉淀硬化、老化和淬火的過程完成，其最后結果是化合物機械性能的提高。對化合物施以這些外部應激源時，其微觀結構被改變以符合所期待的指定的設計特性。由于下一代汽輪機以挑戰(zhàn)與汽輪機葉片和噴嘴應用相關的環(huán)境為特色，組件可獲益于經(jīng)熱處理的鎳基合金的使用。因此，具有優(yōu)良的抗腐蝕性和承受高溫環(huán)境應激源能力的結合的熱處理合金可能是合意的。發(fā)明概述本發(fā)明的實施方案包括通過以下方法形成的部件，其將合金在低于約982°C的溫度退火，且持續(xù)時間少于約1小時，該合金包含少于約0. 04重量％的碳、約0. 0到約0. 2重量％的錳、約0. 0到約0. 25重量％的硅、約0. 0到約0. 015重量％的磷、約0. 0到約0. 015 重量％的硫、約20. 0到約23. 0重量％的鉻、約8. 5到約9. 5重量％的鉬、約3. 25到約4重量％的鈮、約0. 0到約0. 05重量％的鉭、約0. 2到約0. 4重量％的鈦、約0. 15到約0. 3重量％的鋁、約3. 0到約4. 5重量％的鐵，且余部為鎳。該方法也包括將合金在約538°C到 760°C的溫度老化，且持續(xù)時間至多約100小時。本發(fā)明的另一實施方案包括可應用于汽輪機部件的處理合金的方法，該方法包括將合金在約538°C到約760°C的溫度老化，持續(xù)時間少于約100小時，該合金包含少于約 0. 04重量％的碳、約0. 0到約0. 2重量％的錳、約0. 0到約0. 25重量％的硅、約0. 0到約 0. 015重量％的磷、約0. 0到約0. 015重量％的硫、約20. 0到約23. 0重量％的鉻、約8. 5到約9. 5重量％的鉬、約3. 25到約4重量％的鈮、約0. 0到約0. 05重量％的鉭、約0. 2到約 0. 4重量％的鈦、約0. 15到約0. 3重量％的鋁、約3. 0到約4. 5重量％的鐵，且余部為鎳。本發(fā)明的實施方案也包括另外的可應用于汽輪機部件的處理合金的方法，該方法包括提供合金，其包含約0. 015到約0. 035重量％的碳、約0. 0到約0. 2重量％的錳、約0. 0 到約0. 15重量％的硅、約0. 0到約0. 015重量％的磷、約0. 0到約0. 015重量％的硫、約 20. 0到約23. 0重量％的鉻、約8. 5到約9. 5重量％的鉬、約3. 25到約4重量％的鈮、約0. 0 到約0. 05重量％的鉭、約0. 2到約0. 4重量％的鈦、約0. 15到約0. 3重量％的鋁、約3. 0 到約4. 5重量％的鐵、約0. 0到約0. 005重量％的硼，且余部為鎳。對合金退火可能隨后在約899°C的溫度進行，且持續(xù)時間為約1小時。該方法隨后包括冷卻合金并在約677°C的溫度將其老化，且持續(xù)時間為約50小時。上述和其他特征通過以下詳細說明而例證。附圖簡述

圖1是標繪以千磅力每平方英寸(Ksi)計的極限拉伸強度(UTS)與以華氏度(F) 計的溫度的曲線圖。該曲線圖標繪了原樣的合金和經(jīng)過某些熱處理后的相同合金。圖2是標繪以千磅力每平方英寸(Ksi)計的0.2%屈服強度(YS)與以華氏度(F) 計的溫度的曲線圖。該曲線圖標繪了原樣的合金和經(jīng)過某些熱處理后的相同合金。圖3是說明處理合金方法的流程圖。發(fā)明詳述本發(fā)明的實施方案提供具有改進的屈服強度、蠕變和應力松弛特性以及在蒸汽中優(yōu)異的抗腐蝕性能的合金。它可用于整體結合葉片(ICB，integrally coupled bucket)、 噴嘴或任何其它汽輪機部件。以下定義將應用于本文獻的整體。術語"合金625"是指通常制造的鎳-鉻基合金，其具有與本發(fā)明的實施方案相似的化學組成。術語"合金"是指符合本文獻中提出的組成規(guī)格的鎳-鉻基合金，在應用熱處理程序之前。術語"熱處理合金"或"ΗΤΑ"是指符合本文獻中提出的組成規(guī)格的鎳-鉻基合金，在應用熱處理程序之后。合金625是諸如工業(yè)發(fā)電、航空航天的廣泛系列應用中和核領域中使用的鎳-鉻基合金。合金625的多功能性來源于鉬和鈮在其鎳-鉻基體上的硬化效應。它與其它可用的合金替代品相比，具有高的強度和抗腐蝕性。然而，先進的渦輪機組件被強加了比最初預期更苛刻的條件。為此，當結合特殊熱處理和過程控制地應用時，發(fā)現(xiàn)合金625具有符合現(xiàn)代汽輪機組件所提出的要求的能力。已發(fā)現(xiàn)嚴格的化學組成(tightened chemistry)和特定的熱處理工藝過程提供一種合金，其保持變形微觀結構的臨界形態(tài)(critical aspect)，并產(chǎn)生伽馬雙撇)強化沉淀物(precipitate)。這些、”沉淀物在合金中構成有序鎳鈮相。本發(fā)明的一個實施方案中使用的合金的化學組成是最大負荷約為0.04重量％ (w/o)碳(C)、最大負荷為0. 2w/o錳(Mn)、最大負荷為0. 25w/o硅(Si)、最大負荷為0. 015w/ ο 磷(P)、最大負荷為 0. 015w/o 硫(S)、約 20. 0 到 23. Ow/ο 鉻(Cr)、約 8. 5 到 9. 5w/o 鉬(Mo)、 約3. 25到4. 00w/o鈳(也指鈮)(Nb)、最大負荷為0. 05w/o鉭(Ta)、約0. 0到0. 40w/o鈦 (Ti)、約 0. 15 到 0. 30w/o 鋁(Al)、最大負荷為 0. 005w/o 硼(B)、約 3. 0 到 4. 5w/o 鐵(Fe)， 和其間所有的子范圍，且余部為鎳(Ni)。本發(fā)明的另一實施方案中使用的合金的化學組成是負荷為約0. 015-0. 035重 fi% (w/o)碳(C)、最大負荷為0. 2w/o錳(Mn)、最大負荷為0. 15w/o硅(Si)、最大負荷為 0. Olw/ο 磷(P)、最大負荷為 0. 002w/o 硫(S)、約 20. 0 到 23. Ow/ο 鉻(Cr)、約 8. 5 到 9. 5w/o 鉬(Mo)、約3. 25到4. 00w/o鈳(也稱為鈮)(Nb)、最大負荷為0. 05w/o鉭(Ta)、約0. 20到 0. 40w/o 鈦(Ti)、約 0. 15 到 0. 30w/o 鋁(Al)、最大負荷為 0. 005w/o 硼(B)、約 3. 0 到 4. 5w/ ο鐵0^)，和其間所有的子范圍，且余部為鎳(Ni)。熱處理程序的一個實施方案可包括對合金退火并隨后將其老化以形成Y “沉淀物。退火熱處理可在低于約982°C (1800° F)的溫度且持續(xù)時間少于約1小時。老化熱處理可能在約538°C (1000° F) IlJ 760°C (1400° F)的溫度進行，時間至多100小時。在低于538°C或高于760°C的溫度處理合金，這需要在低溫狀態(tài)下延長熱處理時間(多于100小時)或在高溫狀態(tài)下非常短的熱處理時間(少于10小時)，具有達到例如 ICB應用所需要的高于90ksi屈服強度的不確定性。這些熱處理方法中的問題是，它們在高溫(高于760V )產(chǎn)生Y “和δ (較不期望的平衡相)的雙相結構，且在較低的老化溫度 (低于538°C)不產(chǎn)生Y"。低于538°C的溫度需要長的老化時間以產(chǎn)生等價的強度，而高于760°C的溫度由于形成δ而復雜化。熱處理工藝過程的示例性實施方案可在任何金屬成型過程后使用，但特定為棒狀、板狀、片狀或鍛造產(chǎn)品。熱機械加工成必要的部件形狀后，進行產(chǎn)生HTA的老化熱處理，其中，在538°C (1000° F)到760°C (1400° F)的范圍進行時間至多100小時的熱處理前，對合金低溫退火(低于954°C (1750° F)下進行少于1小時)或無退火。在圓棒的特定情形，熱處理序列可包括以下步驟棒狀成型之后，軋后廠內退火(mill anneal)在 954°C (1750° F)進行30分鐘，或在低于982°C (1800° F)的溫度下任何合適的時間和溫度熱處理，或無軋后廠內退火，棒狀成型之后在677°C (1250° F)熱處理50小時。另一示例性實施方案可包括退火、冷卻和老化合金。退火可在約899°C (1650° F) 的溫度下持續(xù)時間少于約1小時。隨后合金可通過多種方法冷卻，包括但不限于，淬火或空氣冷卻。合金可在水或其他任何合適的介質中淬火。最后，可在約677°C的溫度老化且持續(xù)時間約50小時。使用合金的熱處理可通過位錯亞結構的保持(retention)(通過部件成型操作) 和Y “沉淀物的成長而賦予二次強度。合金的組分與AMS5666F(SAE Standards)中詳述的化學組成相似，但更精確。這種更精確限定的化學組成范圍(chemistry window)在合金制造時提供一致性。AMS5666F為限定合金化學組成的限度提供了不精確的框架。以上詳述的優(yōu)選合金化學組成允許它在多種應用中使用，包括但不限于，高壓/中壓(HP/IP)葉片、低壓(LP)葉片和集成水和電力裝置(IWPP)末級葉片。本發(fā)明的實施方案適合于蒸汽應用，且由于在機械變性加工時產(chǎn)生位錯亞結構的保持和Y"強化沉淀物，HTA具有額外的屈服強度和應力松弛能力。為了使γ “強化沉淀物最大化，碳水平必須低于0. 04w/oo相比之下，AMS5666F中碳的最大限度為0. lw/o。超過0. (Mw/o的碳水平通過使用基體中的溶質，主要是Nb (鈮，也稱為鈳)，形成碳化物而阻礙Y"的形成。另外，Nb必須充分以形成γ"(即與YNi基體一致的有序體心四方晶體結構的Ni3Nb)，且Al和Ti (即0. 35到0. 70w/o :A1+Ti)必須以足夠的數(shù)量存在，因為兩者可替代、"沉淀物晶格中的Nb。汽輪機運行前的老化熱處理用于形成基體中的Y “，以在葉片或噴嘴部件制造前增加屈服強度。由于合金625不是特定的可時效硬化合金，用于形成γ"的熱處理溫度須為如此，有足夠的時間能夠使Y “成核和生長，且同時不產(chǎn)生平衡S相(也是Ni3Nb但具有正交晶體結構)。另外，Y"形成的時間和溫度不能太高，低于760°C (1400° F)，或太長，多于100小時，不利地影響位錯亞結構(即YNi基體中自由位錯的減少)。對于低于 6490C (1200° F)的運行溫度，一旦Y"已通過老化熱處理形成，該相是長時間相對穩(wěn)定的，且在運行中不會回復為較不期望的δ相。這樣，從制造過程的開始強度就高，且始終保持在這樣的高水平。雖然本發(fā)明的實施方案不針對任何特別的汽輪機部件，對于整體蓋式葉片(ICB， integral cover bucket)的本發(fā)明實施方案的使用產(chǎn)生了對合金特性進行特別考慮的需要。ICB設計中使用的任何合金的應力-松弛是極其重要的，因為成排葉片間(在接觸點上)的接觸力是在運行中將它們保持在適當位置的力。對于任何ICB應用，需要特定水平的應力以保持葉片在它們的使用壽命期限內互相接觸。某些合金，如IOCr鋼具有優(yōu)異的屈服強度和好的抗蠕變性，但進行應力-松弛測試時，強度迅速下降，下降到低于葉片運行壽命的前幾小時中葉片與葉片有效接觸所需的臨界應力水平。在ICB正常的運行條件下，IOCr 鋼很快地失去其強度。對原樣的合金625、HTA和IOCr鋼進行測試。總的來說，對于標準運行條件下的 ICB葉片應用，IOCr鋼松弛太快。盡管相對于IOCr鋼，合金625提供改進的性能，但不足以滿足目標ICB壽命。熱處理合金滿足期望的特定設計的要求。不希望被理論約束，認為HTA通過前期成型操作中所獲得位錯亞結構的保持和通過Y"的析出，減緩無法滿足目標ICB壽命的問題。Y"的析出和來自制造過程中的高位錯密度的保持，確保對于制造期間葉片嵌入有足夠的屈服強度，以及汽輪機運行時有足夠的應力-松弛性能，以滿足ICB部件的設計要求。熱處理合金允許ICB葉片用于高溫(蒸汽溫度在582°C到649°C間)和低溫(應力-松弛性能和抗腐蝕性)汽輪機二者，在渦輪機總效率上提供相伴隨的改進。熱處理合金提供正常運行條件下這些汽輪機中的ICB部件期望的運行壽命。它也允許ICB葉片用于長運行時間的超過582°C溫度的HP/IP汽輪機的第一 2-3葉片列中，以及用于集成水和電力裝置中的低壓列中。
γ ”的形成和位錯的保持對本發(fā)明是關鍵的。為了強度，化學組成，盡管仍處于 AMS5666F的標稱范圍內，收緊于關鍵元素C、Nb、Al和Ti，以保證可得到足夠的、'‘。熱處理范圍提供形成Y"的幅度，而不會由于位錯減少而出現(xiàn)相伴隨的強度損失。
實施例對合金625進行了熱處理，樣品從五個不同的來源獲得。表1列出四個樣品A-D 的組成，以及本發(fā)明的一個實施方案中HTA的元素的最小和最大近似量。表2列出五個樣品A-E的組成，以及本發(fā)明的另一實施方案中HTA的元素的最小和最大近似量。表 權利要求
1.由以下方法形成的部件將合金在低于約982°C的溫度退火，且持續(xù)時間少于約1小時，所述合金包含少于約 0. 04重量％的碳、約0. 0到約0. 2重量％的錳、約0. 0到約0. 25重量％的硅、約0. 0到約 0. 015重量％的磷、約0. 0到約0. 015重量％的硫、約20. 0到約23. 0重量％的鉻、約8. 5% 到約9. 5重量％的鉬、約3. 25到約4重量％的鈮、約0. 0到約0. 05重量％的鉭、約0. 2到 0. 4重量％的鈦、約0. 15到約0. 3重量％的鋁、約3. 0到約4. 5重量％的鐵，且余部為鎳；和將所述合金在約538°C到約760°C的溫度老化，持續(xù)時間為至多約100小時。
2.根據(jù)權利要求1所述的部件，其中所述合金進一步包含約0.0-0. 005重量％的硼。
3.根據(jù)權利要求1所述的部件，其中將所述合金在約677°C的溫度老化，且持續(xù)時間約為50小時。
4.根據(jù)權利要求1所述的部件，其中所述合金的室溫屈服強度大于90千磅力每平方英寸(ksi)。
5.根據(jù)權利要求1所述的部件，其中所述合金包含三-鎳-鈮(Ni3Nb)的γ"相沉淀物。
6.根據(jù)權利要求1所述的部件，其中所述合金不含δ相三-鎳-鈮Ni3Nb沉淀物。
7.根據(jù)權利要求1所述的部件，其中將所述合金在低于約％4°C的溫度退火。
8.根據(jù)權利要求7所述的部件，其中將所述合金在低于約899°C的溫度退火。
9.根據(jù)權利要求8所述的部件，其中所述方法進一步包括在退火后冷卻所述合金。
10.處理合金的方法，所述方法包括將合金在約538°C到約760°C的溫度老化，持續(xù)時間少于約100小時，所述合金包含少于約0. 04重量％的碳、約0. 0到約0. 2重量％的錳、約0. 0到約0. 25重量％的硅、約0. 0 到約0. 015重量％的磷、約0. 0到約0. 015重量％的硫、約20. 0到約23. 0重量％的鉻、約 8. 5到約9. 5重量％的鉬、約3. 25到約4重量％的鈮、約0. 0到約0. 05重量％的鉭、約0. 2 到約0. 4重量％的鈦、約0. 15到約0. 3重量％的鋁、約3. 0到約4. 5重量％的鐵，且余部為ο
11.權利要求10所述的方法，其中所述合金進一步包含約0.0-0. 005重量％的硼。
12.權利要求10所述的方法，其中將所述合金在約677°C的溫度老化，且持續(xù)時間約50 小時。
13.權利要求10所述的方法，所述方法進一步包括老化前，將所述合金在低于約982°C的溫度退火，持續(xù)時間少于約1小時。
14.權利要求13所述的方法，其中將所述合金在低于約％4°C的溫度退火。
15.權利要求14所述的方法，其中將所述合金在低于約899°C的溫度退火。
16.權利要求10所述的方法，所述方法進一步包括退火后冷卻所述合金。
17.權利要求16所述的方法，其中冷卻所述合金可通過淬火或空氣冷卻。
18.處理合金的方法，所述方法包括提供合金，所述合金包含約0. 015到約0. 035重量％的碳、約0. 0到約0. 2重量％的錳、約0. 0到約0. 15重量％的硅、約0. 0到約0. 015重量％的磷、約0. 0到約0. 015重量％ 的硫、約20. 0到約23. 0重量％的鉻、約8. 5到約9. 5重量％的鉬、約3. 25到約4重量％的鈮、約0. 0到約0. 05重量％的鉭、約0. 2到約0. 4重量％的鈦、約0. 15到約0. 3重量％的鋁、約3. 0到約4. 5重量％的鐵、約0. 0到約0. 005重量％的硼，且余部為鎳； 將所述合金在約899°C的溫度退火，且持續(xù)時間為約1小時； 冷卻所述合金；將所述合金在約677°C的溫度老化，且持續(xù)時間為約50小時。
19.權利要求18所述的方法，其中冷卻所述合金可通過淬火或空氣冷卻。
全文摘要
本發(fā)明涉及由合金制成的部件，所述合金包含少于約0.04重量％的碳、約0.0到約0.2重量％的錳、約0.0到約0.25重量％的硅、約0.0到約0.015重量％的磷、約0.0到約0.015重量％的硫、約20.0到約23.0重量％的鉻、約8.5％到約9.5重量％的鉬、約3.25到約4重量％的鈮、約0.0到約0.05重量％的鉭、約0.2到約0.4重量％的鈦、約0.15到約0.3重量％的鋁、約3.0到約4.5重量％的鐵，且余部為鎳。該合金可能隨后經(jīng)歷熱處理持續(xù)，諸如在低于約982℃的溫度退火且持續(xù)時間少于約1小時，并在介于約538℃到760℃的溫度老化且持續(xù)時間至多約100小時。也公開了處理合金的方法。
文檔編號C22F1/10GK102443722SQ20111030970
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權日2010年10月6日
發(fā)明者A·盧普勒斯庫, J·A·豪克, J·M·布雷斯納克, R·C·施萬特, R·E·迪倫巴赫 申請人:通用電氣公司