(1)发明领域 本发明一般涉及镍基合金。更特别地，本发明涉及一种具有适于气体涡轮 发动机应用所需性能的可铸和可焊镍基高温合金。 (2)相关技术描述 高温合金IN-738和它的低碳变型(IN-738LC)具有许多适合于气体涡 轮发动机应用所需的性能，比如工业气体涡轮叶轮部分的内轮盖、后级铲斗(刀 刃)和喷嘴(叶片)。IN-738的组分随生产商的不同而稍有差别，其中一个 公开物列举的IN-738组成为，以重量计，15.7～16.3％铬、8.0～9.0％钴、1.5～ 2.0％钼、2.4～2.8％钨、1.5～2.0％钽、0.6～1.1％铌、3.2～3.7％铝、3.2～3.7 ％钛(Al+Ti＝6.5～7.2％)、0.05～0.15％锆、0.005～0.015％硼、0.15～0.20 ％碳，余量为镍和杂质(例如铁、锰、硅和硫)。IN-738LC中具有不同的硼、 锆和碳含量，这些组分合适的范围为，以重量计，0.007～0.012％硼、0.03～0.08 ％锆和0.09～0.13％碳。 与其它高温合金的配方一样，IN-738组分的特征在于控制某些决定性合 金元素的含量以获得所需性能的组合。应用于气体涡轮时，这些性能包括高温 蠕变强度、抗氧化性和抗腐蚀性、抗低周期疲劳性、可铸性和可焊性。如果想 优化高温合金的任何一种所需性能，其它性能则常常会受到负面影响。可焊性 和抗蠕变性就是一个特例，两者对于气体涡轮发动机铲斗都非常重要。然而， 抗蠕变性越大会导致合金更加难以焊接，而可焊性是通过焊接进行修理所必须 的。 虽然IN-738在气体涡轮发动机中的某些应用中表现良好，但是需要代替 品。考虑到钽的成本较高，目前的注意力在于降低其用量。虽然，IN-738中 钽的公称含量只有约1.8wt％，但是，考虑到合金使用的大规模性，其含量的 降低或消除必将对生产成本产生实质性影响。 发明概述 本发明提供了一种镍基合金，其呈现预期的平衡的高温强度(包括抗蠕变 性)、抗氧化性和抗腐蚀性、抗低周期疲劳性、可铸性和可焊性，以便适于气 体涡轮发动机的特定部件、特别是工业涡轮发动机的内轮盖和被选后级铲斗的 应用。这些性能通过一种合金获得，与In-738相比，该合金中的钽被去除或 处于相对较低的含量，而铌的含量相对较高。 根据本发明，镍基合金的组成为，以重量计，约15.0至约17.0％铬、约7.0 至约10.0％钴、约1.0至约2.5％的钼、约2.0至约3.2％钨、约0.6至约2.5％ 铌、小于1.5％钽、约3.0至约3.9％的铝、约3.0至约3.9％钛、约0.005至约 0.060％锆、约0.005至约0.030％硼、约0.07至约0.15％碳，余量为镍和杂质。 优选地，铌的量大于钽，比如至少为1.4wt％，而合金的钽含量更优选小于1.0 ％，合金中也可以基本不含，也就是，仅存在痕量(例如约0.05％或更少)。 本发明的合金具有与IN-738合金类似的，有时甚至优于其的性能。因此，由 于减少或去除了钽的需求量，本发明的合金提供了一种良好的，潜在低成本的 IN-738代替品。 本发明的其它目的和优势从随后详细的描述中会得到更好的理解。 附图简述 图1-3为本发明范围内镍基合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率同温度 的关系曲线。 图4和5的曲线图分别绘制了图1-3中所示合金在1400°F和1600°F的低 周期疲劳寿命。 图6的曲线图绘制了图1-3中所示合金在1200°F的高周期疲劳寿命。 图7的曲线图绘制了图1-3中所示合金在1350°F和1500°F的蠕变寿命。 发明详述 本发明是试图研制一种与已知的市售IN-738镍基合金的性能类似，但化 学上允许降低或完全去除钽的镍基合金的结果。研究导致了该镍基合金的发 展，其性能特别适于工业涡轮发动机内轮盖和被选后级铲斗的应用，虽然其它 高温应用也是可以预见的。对于特别的应用，必要的性能包括高温强度(包括 抗蠕变性)、抗氧化和抗腐蚀性、抗低周期疲劳性、可铸性和可焊性。本研究 方法使得增加铌来代替稀缺的钽，结果，从根本上改变了IN-738中两个已知 影响γ’沉淀硬化相的主要合金化元素。 镍基高温合金的高温强度直接关系到γ’相的体积分数，它反过来直接关系 到存在的γ’形成元素(铝、钛、钽和铌)的总量。基于这些关系，就可以估 算出为了获得给定的强度水平所需的这些元素的量。γ’相和其它第二相(比 如碳化物和硼化物)的组分和γ’相的体积分数也可以基于合金的初始化学成 分和关于形成相的基本假设进行估算。然而，对于涡轮发动机和铲斗的其它重 要的性能，比如可焊性、疲劳寿命、可铸性、冶金稳定性和抗氧化性，就不能 从合金中存在的这些和其它元素的总量预见。 下表I中列出的是研究过程中配制出的具有大致相同的化学组成的两种合 金。尺寸大小约为7/8×5×9英寸(约2×13×23cm)的试验坯通过下述方法 制得：熔模铸造，然后在约2050°F(约1120℃)固溶热处理约2小时，接着 在约1550°F(约845□)时效约4小时。然后，将试样通过EDM线剖开并用 传统的方法由铸件加工。为了评价可铸性，几个全尺寸的气体涡轮铲斗也用炉 次1的合金铸造，并剖开用于机械试验。 表I 合金 炉次1 炉次2 Cr 16.0 16.3 Co 8.3 8.6 Mo 1.6 1.7 W 2.6 2.5 Ta ＜0.01 0.05 Cb 1.75 1.85 Al 3.32 3.49 Ti 3.34 3.43 Zr 0.040 0.021 B 0.008 0.016 C 0.11 0.10 Ni 余量 余量 选择上述合金成分含量以评价用铌代替钽的潜力，但是除了碳(在IN- 738LC的水平)和锆(在IN-738LC的水平(炉次1)以及在IN-738和IN -738LC之间的水平(炉次2))的含量外，其它则保留IN-738的组分。 合金的抗拉性能通过标准光滑棒状试样测定。标准化数据概括于图1、2 和3，其中“738基线，平均”和“738基线，-3S”绘制了IN-738特定性 能的历史平均值。同时也对由炉次1合金的铲斗铸件加工成的试样进行了评估。 数据表明炉次1和炉次2的试样的抗拉和屈服强度类似于或高于IN-738基线， 且延展性也稍有提高，证明实验合金可能是IN-738合适的代替品。 图4和图5曲线图分别绘制了约1400°F(约760℃)和约1600°F(约870 ℃)时，炉次1和炉次2的合金与IN-738基线数据相比的低周期疲劳(LCF) 寿命。测试是在应变控制、约0.333Hz周期载荷、并且在压缩应变高峰值保持 约两分钟的条件下进行的，在两个测试中，对每个美国材料实验协会(ASTM) 规范E606，0.25英寸(约8.2mm)棒轮循环到裂纹开始产生。 图表明在两个温度测试中，炉次1和炉次2合金的LCF寿命与IN-738 基线基本上相同。 图6的古德曼(Goodman’s)图比较了炉次1和炉次2合金与IN-738基 线在约1200°F(约650℃)时的平均高周期疲劳寿命。与LCF测试不同，HCF 测试在应力控制条件和约30～60Hz周期载荷下进行。古德曼(Goodman’s) 曲线代表在千万循环周期时的疲劳耐久极限。从图6，可以看出，炉次1和炉 次2合金的HCF寿命显著优于IN-738基线。 图7的曲线图绘制了炉次1和炉次2及IN-738在应变约为0.5％，温度 为约1350°F(约730℃)和约1500°F(约815℃)时的蠕变寿命。在两种测试 温度下，炉次1和炉次2的合金呈现的蠕变寿命基本上与IN-738相同。 对炉次1和炉次2的合金进行其他的测试以便与IN-738的其他性能进行 对比。这样的测试包括抗氧化性、可焊性、可铸性、疲劳裂纹增长和物理性能。 在所有这些研究中，炉次1和炉次2合金的性能基本上与IN-738基线的性能 相同。 在上述基础上，表2中概括的具有更宽的、优选的和公称成分(以重量计) 的合金具有可与IN-738相比的性能，因此适合作为用于内轮盖和工业气体涡 轮发动机的铲斗以及所需性能与此相似的其他应用的合金。 表II 较宽范围 优选 额定 Cr 15～17 15.7～16.3 16.3 Co 7～10 8.0～9.0 8.6 Mo 1～2.5 1.5～2.0 1.7 W 2～3.2 2.4～2.8 2.5 Cb 0.6～2.5 1.4～2.1 1.85 Ta ＜1.5 ＜1.0 0.05 Al 3～3.9 1.1～1.3 3.5 Ti 3～3.9 2.2～2.4 3.4 Zr 0.005～0.060 0.015～0.050 0.02 B 0.005～0.030 0.005～0.020 0.016 C 0.07～0.15 0.09～0.13 0.10 Ni 余量 余量 余量 合金中的Cb+Ta含量优选保持γ’相的体积分数，其中铌和钽(以及其他 γ’相形成元素，比如铝和钛)的含量与IN-738相似。基于上述研究，为了 减少原材料成本，合金中铌的重量含量可以大于钽，更优选的是合金中基本上 不含钽(也就是，约0.05％或更少的杂质水平)。据信，表II中定义的上述合 金可以用上述处理方法进行令人满意的热处理，当然，也可以采用传统上用于 镍基合金的热处理方法。 尽管已经根据优选实施例对本发明进行了描述，但是很显然，本领域技术 人员也可采用其他形式。因此本发明的范围只能由下面的权利要求进行限制。 发明背景