專利名稱：鈷基鍛造合金組合物及制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金技術(shù)的超耐熱合金分支，更具體地說，涉及具有獨(dú)特的兼有高溫強(qiáng)固性，耐氧化性，耐熱腐蝕性和抗熱疲勞裂紋等性質(zhì)的新的鈷基合金其制品。
燃?xì)廨啓C(jī)熱段部件必須能夠在熱腐蝕和侵蝕介質(zhì)中，在應(yīng)力和溫度的苛刻條件下連續(xù)操作，迄今僅有高溫鈷基和鎳基超耐熱合金被證明可勝任此項(xiàng)任務(wù)。用于燃?xì)廨啓C(jī)的幾種鑄造鈷合金在市場(chǎng)上是可買得到的。然而，意想不到的是市場(chǎng)上買得到的鍛造鈷合金，其類號(hào)是十分有限的，盡管長(zhǎng)期需要更好的產(chǎn)品。因此，用于生產(chǎn)制造或修補(bǔ)熱段鈷合金構(gòu)件焊絲的鍛造合金缺少若干種所需要的性質(zhì)。目前，廣泛使用的兩種這樣的鍛造合金不能生產(chǎn)需長(zhǎng)期經(jīng)受熱循環(huán)的修理用的零部件。因而，昂貴的熱段零部件的壽命仍然是工業(yè)上的主要問題。
根據(jù)本發(fā)明，基于我們的新構(gòu)思和下述的發(fā)現(xiàn)，避免了先有技術(shù)鍛造合金的短處，并獲得許多新優(yōu)點(diǎn)和重要結(jié)果。而且是在沒有明顯彌補(bǔ)成本負(fù)擔(dān)或其它損失下獲得這些利益。
在完成本發(fā)明時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)它可能符合和滿足鈷基鍛造合金的長(zhǎng)期間的要求，該合金需經(jīng)受燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)和長(zhǎng)時(shí)期的熱腐蝕破壞。另外，我們還發(fā)現(xiàn)獲得這種新性質(zhì)的同時(shí)還具有優(yōu)良的焊接(以焊絲形式)特性，如流動(dòng)性、潤(rùn)濕性，以及良好的機(jī)械性能。
另一發(fā)現(xiàn)是，按本發(fā)明制成的焊絲在維修鑄造鈷基合金燃?xì)廨啓C(jī)部件時(shí)是特別有用的。事實(shí)上，用本發(fā)明焊絲維修的這些部件已被證明比用先有技術(shù)合金維修的相應(yīng)部件性能改進(jìn)近十倍，特別是在熱疲勞流化床試驗(yàn)中抗裂紋產(chǎn)生方面更是如此。
出乎意料的是，只要對(duì)至今已知的鈷基鍛造合金的組成作很小的，但是關(guān)鍵性地改變，即可獲得上述新的結(jié)果和優(yōu)點(diǎn)。因此，本發(fā)明合金含有與U.S.P.3，366，478中所公開之合金相類似比例的碳、鎳、鉭，稍多的鉻和相應(yīng)較小的鈷。但是，作為本發(fā)明合金重要的添加組分還有小比例，卻是有效的鈰。
一般說來，本發(fā)明之新的合金除了鈷之外還含有約0.03-0.10%(重量)的碳，約24-32%(重量)的鉻，約14-22%(重量)鎳，約2-8%(重量)鉭，和約0.02-0.75%(重量)鈰。此外，這些合金金還可能含有少量鋁、銅、鎂、硅、硼、鎢、鉬、鐵和鋯，其總量最高達(dá)1.38%(重量)。氧、氮及低溫熔點(diǎn)金屬元素如鉍、砷和鉛盡可能地保持在最低濃度水平。本發(fā)明最佳形式的合金含有29%鉻，20%鎳，6%鉭，0.05%碳，0.25%鈰，余量為鈷。
作為生產(chǎn)的制品，本發(fā)明可采取各種形式。簡(jiǎn)單地說明，可以是本發(fā)明之新合金焊絲，或者是復(fù)合結(jié)構(gòu)例如用所述新合金涂覆有防護(hù)層的熱段燃?xì)廨啓C(jī)部件。還可以是須用所述新合金焊接修補(bǔ)和填充裂紋的燃?xì)廨啓C(jī)噴咀。
在構(gòu)成說明書一部分的附圖中，

圖1是表示產(chǎn)生裂紋的時(shí)間和裂紋長(zhǎng)度(密耳)對(duì)循環(huán)數(shù)的曲線圖，用連接各有關(guān)的合金數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲線表示實(shí)施本發(fā)明的樣品以及兩個(gè)選自先有技術(shù)填角焊縫的焊絲合金樣品的熱疲勞試驗(yàn)結(jié)果。
圖2是表示1000小時(shí)斷裂強(qiáng)度圖，圖中表示應(yīng)力與溫度之間的關(guān)系，用各數(shù)據(jù)點(diǎn)表示實(shí)施本發(fā)明的試樣斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的四種先有技術(shù)合金的相應(yīng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。
圖3是用連接試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲線，表示在1800°F，天然氣中的抗氧化性圖，該圖表示平均侵透性(密耳)與時(shí)間(千小時(shí))的關(guān)系;
圖4是燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)殼、擋板塊及渦輪葉片個(gè)別的橫截面圖，其中的擋板，在其對(duì)著葉片尖的擋板塊表面上是用本發(fā)明的合金涂覆的。
圖5是用于評(píng)價(jià)本發(fā)明合金和圖1示有結(jié)果的先有技術(shù)用作填角焊縫的焊接材料的熱疲勞試驗(yàn)樣品的平面視圖。
圖6是圖5所示樣品中的線6-6處的截面圖。
本發(fā)明合金的生產(chǎn)可由操作人員選擇，但根據(jù)我們目前的實(shí)踐是在真空下，即用真空感應(yīng)熔化方法熔煉鈷、鉻、鎳、鉭和碳。在接近熔煉終了時(shí)添加鈰或含鈰的稀土元素合金。然后將鑄塊第二次再熔以促使均勻化和組織精煉，以便能成功地進(jìn)行粗軋。得到的坯錠再加工成各種形式鍛件;棒材和焊絲。另一方面可以將鑄塊變成粉末形式。
當(dāng)這些新的合金用作燃?xì)廨啓C(jī)擋板塊之類的外涂層形式時(shí)，我們建議最好是采用低壓(即真空)等離子噴鍍，電子束物理汽相沉積(PVD)，氬氣保護(hù)的等離子噴鍍。在Powell等人著的Vapor Deposition(John Wiley & Sons，Inc.Pages 242-246(1966)和Smith等人所著“Low PressurePlasma Spray Coatings for Hot Corrosion Resistance”(Trans、9th Int.Spraying Confernce，page 334(1980)]的教科書中，所述的各種合適的方法都是有效的。
在用本發(fā)明焊絲修補(bǔ)鑄造合金物體的裂縫時(shí)，我們建議最好是使用氣體鎢極弧焊，但本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，其它方法也可使用，只要提供焊接所必需的強(qiáng)度、韌性和完整性。
先有技術(shù)合金和本發(fā)明合金(29%Cr，20%Ni;6%Ta，0.25%Ce，0.05%C，余量為Co)的樣品已進(jìn)行了試驗(yàn)。通過使用的試驗(yàn)樣品在一個(gè)試驗(yàn)中測(cè)定了一組焊縫熱疲勞行為，如圖5所示的10，是用于生產(chǎn)具有用焊接金屬(如圖6所示的14)充填的缺口11，12和13的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴的鈷基超耐熱合金。圖1中的裂紋產(chǎn)生和增長(zhǎng)曲線A、B和C分別表示在模擬條件下進(jìn)行這些熱疲勞試驗(yàn)中收集到的數(shù)據(jù)，該模擬條件是噴嘴在正常操作狀態(tài)下一般所承受的條件，具體地說，流化床溫度-時(shí)間循環(huán)是1588°F-4分鐘加上70°F-4分鐘。在20，40，60，80，100，150，200和300循環(huán)時(shí)中斷試驗(yàn)以檢查裂紋產(chǎn)生和測(cè)量裂紋延展的程度，并在500循環(huán)后終止。由本發(fā)明合金、合金L-605和合金FSX-414 LC進(jìn)行上述試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)在圖1中分別用曲線A、B和C表示。
緊接上述試驗(yàn)進(jìn)行另一組試驗(yàn)，在1500°F/25ksi測(cè)量本發(fā)明相同合金的斷裂強(qiáng)度。所得數(shù)據(jù)在圖2中以H點(diǎn)表示，而合金L-650，F(xiàn)SX-414-，HS-188和MM-918的文獻(xiàn)的各數(shù)據(jù)點(diǎn)則分別表示為K、L、M和N。1003小時(shí)之后，本發(fā)明任一合金樣品沒有發(fā)現(xiàn)斷裂跡象，隨后終止試驗(yàn)。另一方面，代表其它各合金的數(shù)據(jù)點(diǎn)都顯示試驗(yàn)樣品已損壞。本發(fā)明合金在斷裂強(qiáng)度方面的優(yōu)勢(shì)是很明顯的。
從本發(fā)明之上述含29%鉻合金樣品所做的拉力試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)列于下表Ⅰ中。由文獻(xiàn)中獲得的L-605，HS-188和MM-918合金的對(duì)比數(shù)據(jù)也示于表1中。
表1合金 試驗(yàn)溫 極限抗拉 0.2%屈服 拉伸伸長(zhǎng)度(°F) 強(qiáng)度(psi) 強(qiáng)度(psi) 率(%)本發(fā)明 1400 103，400 71，800 41.2L605 1400 66，000 38，000 12.0HS188 1400 92，000 42，000 43.0MM918 1400 81，100 26，800 52.8本發(fā)明 1600 60，100 54，500 48.8L605 1600 47，000 35，000 35.0HS188 1600 61，000 38，000 73.0MM918 1600 64，600 23，700 65.3
由表1可清楚地看出上述本發(fā)明之含29%鉻合金在兩種溫度狀況(1400°F和1600°F)下都具有優(yōu)良的屈服強(qiáng)度。
對(duì)本發(fā)明合金和現(xiàn)有技術(shù)中最佳合金的熱腐蝕/氧化已做了對(duì)比試驗(yàn)，其結(jié)果列于下表Ⅱ，該對(duì)比試驗(yàn)是使用普通的燃燒設(shè)備，將每一種合金的圓銷樣品置于1350°F，1600°F和1700°F溫度下進(jìn)行的。用于1350°F和1600°F試驗(yàn)的燃料是摻有叔丁基硫化物(提供1%硫)的＃2柴油和約百萬分之500的合成海鹽。在燃燒空氣中添加足夠的SO2使硫的近似水平達(dá)到一般航海和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)操作時(shí)的含硫水平。1700°F試驗(yàn)是在純氧化條件下用天然氣燃料進(jìn)行。本發(fā)明合金在1350°F，在苛刻的類型Ⅱ的熱腐蝕條件下，2000小時(shí)后的平均穿透深度為0.00015英寸，而作為對(duì)比的MM-918合金的穿透深度則為0.0009英寸。
本發(fā)明合金在1600°F，也是在類型Ⅱ的條件下，2000小時(shí)后的平均穿透深度為4.7密耳，而作為對(duì)比的MM-918合金的穿透深度則為6.7密耳。因此，本發(fā)明合金再次顯示比MM-918合金優(yōu)良。
表Ⅱ合金 溫度/燃料 小時(shí) 平均穿透深度，密耳本發(fā)明 1350F/柴油 2000 0.15MM-918 1350F/柴油 2000 0.90本發(fā)明 1600F/柴油 2000 4.7MM-918 1600F/柴油 2000 6.7最后，用所述含29%鉻的本發(fā)明合金進(jìn)行一組抗高溫氧化試驗(yàn)。該試驗(yàn)是按上述熱腐蝕/氧化試驗(yàn)，使用燃燒設(shè)備和圓銷樣品進(jìn)行的。在這些試驗(yàn)中使用了天然氣。所得數(shù)據(jù)在圖3中表示為用曲線R連接的數(shù)據(jù)點(diǎn)。
上述實(shí)驗(yàn)中所選用的商品合金如下
合金L-605-一種最早期的Co基鍛造合金;
合金FSX-414 LC-低碳焊絲型的GE專利鑄造Co基合金;
合金HS-188-改進(jìn)的L-605，含有少量的La;
合金MM-918-美國(guó)專利No.3，366，478的權(quán)利要求9。
如圖4所示，本發(fā)明采取的復(fù)合物體形式，具體為用本發(fā)明合金涂覆的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)擋塊15。因此，正對(duì)著渦輪葉片尖17的擋板塊15的表面具有本發(fā)明合金涂層16。由于擋板塊15是固定在渦輪殼18上，通過抗熱腐蝕和裂紋的涂層16保護(hù)關(guān)鍵性位置上免受熱疲勞的氧化和腐蝕作用。涂層16合適的厚度約8-10密耳，該涂層是由空氣等離子噴鍍或真空等離子噴鍍方法涂覆的。
在本申請(qǐng)說明書和附上的權(quán)利要求書中所說的比例、份或百分?jǐn)?shù)，若沒有其它說明，均以重量為基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
1.一種鈷基鍛造合金，它具有獨(dú)特的兼有優(yōu)良的高溫強(qiáng)固性、抗氧化性、耐熱腐蝕性、抗熱疲勞的綜合性能，特別適用于1800℃的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境，它主要含有24-32%鉻、14-22%鎳、2-8%鉭、0.02-0.75%鈰、0.03-0.1%碳，余量為鈷。
2.權(quán)利要求1所述合金，它主要含有29%鉻、20%鎳、6%鉭、0.05%碳、0.25%鈰，余量為鈷。
3.一種局部涂覆有鈷基合金涂層的熱段燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件形式的復(fù)合物制品，該合金主要含有24-32%鉻、14-22%鎳、2-8%鉭、0.02-0.75%鈰、0.03-0.1%碳，余量為鈷。
4.權(quán)利要求3所述之復(fù)合物制品，該制品是擋板塊，其涂層合金主要含有29%鉻、20%鎳、6%鉭、0.05%碳、0.75%鈰，余量為鈷。
全文摘要
一種新的鈷基鍛造合金，它具有獨(dú)特的兼有高溫強(qiáng)固性，耐熱腐蝕性、抗氧化性和抗熱疲勞裂紋等性質(zhì)，它適于焊接修補(bǔ)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴裂紋，作為這種發(fā)動(dòng)機(jī)熱段部件的保護(hù)涂層以及其它類似的用途。
文檔編號(hào)C22C30/00GK1054448SQ9110132
公開日1991年9月11日 申請(qǐng)日期1991年2月28日 優(yōu)先權(quán)日1990年2月28日
發(fā)明者馬文·菲什曼 申請(qǐng)人:通用電氣公司