铸造超合金压力密闭容器的制造方法

铸造超合金压力密闭容器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及铸造超合金压力密闭容器。公开了一种大体积、铸造超合金压力密闭容器。该容器包括具有至少约4立方英尺的体积的中空本体部分和大致无孔隙的铸造微观结构。该密闭容器构造成用于在至少约1,200℉的操作温度和至少约1,500psi的操作压力下操作。还公开了一种大体积、铸造超合金制品。该制品具有至少约4立方英尺的体积和大致无孔隙的铸造微观结构，该制品构造成用于在至少约1,400℉的操作温度下操作。
【专利说明】铸造超合金压力密闭容器
[0001]联邦研究声明
本发明根据由美国能源部(DOE)颁发的合同N0.DE-FE-0000234由政府资助作出。政府对本发明拥有一定权利。
【背景技术】
[0002]用于在要求在高操作温度和压力下使用制品的包括各种机器的各种应用中使用的大型制品的形成特别具有挑战性。例如，大型构件用于工业涡轮、特别是蒸汽涡轮中，其在包括长度、宽度、高度和壁剖面厚度的规格方面并且关于用来制造的它们的材料的体积方面非常大。这些构件通常由各种锻造的钢合金预制件形成。常常，可为大致中空本体的这些构件的尺寸和形状要求通过加工或其它成型方法来去除锻造预制件的很大一部分。制作上要求大量去除材料的事实已将用于这些高操作温度和压力制品和应用中的材料限制于可容易地加工或以其它方式制作以形成这些大型制品的材料。虽然许多等级的钢用于这些目的，但它们的材料特性已限制它们可采用的操作温度和压力范围，由此制约了使用它们的机器如各种涡轮的发展。此外，高温材料如超合金尚未用来制造这种大型制品，因为它们要求将大型制品制作为较小子构件的组件，这要求例如通过锻造接着通过子构件的结合，例如通过焊接来形成子构件，这在子构件的尺寸、特别是剖面厚度也很大时非常难以完成。
[0003]因此，非常希望提供可由高温材料如超合金形成的大型制品，例如各种大型涡轮构件。

【发明内容】

[0004]在一个示例性实施例中，公开了一种大体积、铸造超合金压力密闭容器(containment vessel)。该容器包括具有约至少4立方英尺的体积的中空本体部分和大致无孔隙的铸造微观结构。该密闭容器构造成用于在至少约1，200 T的操作温度和至少约1，500psi的操作压力下操作。
[0005]在另一示例性实施例中，公开了一种大体积、铸造超合金制品。该制品具有至少约4立方英尺的体积和大致无孔隙的铸造微观结构。该制品构造成用于在至少约1，400 T的操作温度下操作。
[0006]根据一实施例，一种大体积、铸造超合金压力密闭容器，包括具有至少约4立方英尺体积的中空本体部分和大致无孔隙的铸造微观结构，密闭容器构造成用于在至少约1，200 °F的操作温度和至少约1，500psi的操作压力下操作。
[0007]根据一实施例，超合金构造成用于在约1，300 T至约1，500 °F的操作温度下操作。
[0008]根据一实施例，高操作温度合金构造成用于在至少约3，OOOpsi的操作压力下操作。
[0009]根据一实施例，高操作温度合金构造成用于在约4，OOOpsi至约6，OOOpsi的操作压力下操作。[0010]根据一实施例，密闭容器包括涡轮构件。
[0011]根据一实施例，涡轮构件包括蒸汽涡轮构件。
[0012]根据一实施例，蒸汽涡轮构件包括涡轮壳。
[0013]根据一实施例，蒸汽涡轮构件包括喷嘴箱。
[0014]根据一实施例，蒸汽涡轮构件包括阀壳体。
[0015]根据一实施例，超合金组合物包括Ni基、Co基或Fe基超合金组合物，或它们的组
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[0016]根据一实施例，Ni基超合金组合物以重量计包含:约16.0%至约25.0%的Cr、约5.0%至约15.0%的Co、约4.0%至约12.0%的Mo、高达约10.0%的Fe、约1.0%至约6.0%的Nb、约0.3%至约4.0%的T1、约0.05%至约3.0%的Al、约0.002%至约0.04%的B、高达约
0.30%的Mn、高达约0.15%的Si和小于0.02%的C，余量为Ni和附带或微量杂质。
[0017]根据一实施例，Ni基超合金组合物以重量计包含:约16.0%至约24.0%的Cr、约
5.0%至约15.0%的Co、约5.0%至约12.0%的Mo、高达约1.5%的Fe、约0.5%至约4.0%的T1、约0.30%至约3.0%的Al、约0.002%至约0.04%的B、高达约0.30%的Mn、高达约0.15%的Si和小于0.02%的C，余量为Ni和附带或微量杂质。
[0018]根据一实施例，Ni基超合金组合物以重量计包含:约19.0%至约21.0%的Cr、约9.0%至约11.0%的Co、约7.0%至约9.0%的Mo、高达约1.5%的Fe、约1.7%至约2.5%的T1、约1.2%至约1.8%的Al、约0.002%至约0.01%的B、高达约0.30%的Mn、高达约0.15%的Si和小于0.02%的C，余量为Ni和附带或微量杂质。
[0019]根据一实施例，Ni基超合金组合物以重量计包含:约19.5%至约20.5%的Cr、约
9.5%至约10.5%的Co、约8.3%至约8.7%的Mo、高达约1.5%的Fe、约1.9%至约2.3%的T1、约1.3%至约1.7%的Al、约0.003%至约0.008%的B、高达约0.30%的Mn、高达约0.15%的Si和小于0.02%的C，余量为Ni和附带或微量杂质。
[0020]根据一实施例，Ni基超合金组合物以重量计包含:约16.0%至约25.0%的Cr、约
4.0%至约12.0%的Mo、高达约10.0%的Fe、约1.0%至约6.0%的Nb、约0.3%至约4.0%的T1、约0.05%至约1.0%的Al、约0.002%至约0.004%的B、高达约0.05%的Mn和小于0.02%的C，余量为Ni和附带或微量杂质。
[0021]根据一实施例，Ni基超合金组合物以重量计包含:约17.0%至约27.0%的Cr、约
6.0%至约12.0%的Mo、约2.0%至约7.0%的Nb或Ta或它们的组合、约0.2%至约2.0%的T1、约0.2%至约2.0%的Al、高达约5%的Fe、高达约1.0%的Co、高达约0.5%的Mn、高达约
0.5%的S1、高达约0.1%的C、高达约0.005%的B，余量为Ni和附带或微量杂质。
[0022]根据一实施例，Ni基超合金组合物以重量计包含:约20.0%至约23.0%的Cr、约8.0%至约10.0%的Mo、约3.15%至约4.15%的Nb或Ta或它们的组合、约0.2%至约0.4%的T1、约0.2%至约0.4%的Al、高达约5%的Fe、高达约1.0%的Co、高达约0.5%的Mn、高达约0.5%的S1、高达约0.1%的C、高达约0.005%的B，余量为Ni和附带或微量杂质。
[0023]根据一实施例，Ni基超合金组合物以重量计包含:约20.5%至约22.0%的Cr、约8.5%至约9.5%的Mo、约3.30%至约4.0%的Nb或Ta或它们的组合、约0.2%至约0.4%的T1、约0.15%至约0.30%的Al、约2.0%至约4.0%的Fe、高达约1.0%的Co、高达约0.2%的Mn、高达约0.15%的S1、约0.01%至约0.035%的C、高达约0.005%的B，余量为Ni和附带或微量杂质。
[0024]根据一实施例，Ni基超合金组合物以重量计包含:约17.0%至约27.0%的Cr、约
8.0%至约 18.0% 的 Co、约 6.0%至约 12.0% 的 Mo、约 0.1%至约 0.6% 的 T1、约 0.5% 至约 2.0%的Al、高达约3%的Fe、高达约0.6%的Mn、高达约0.6%的S1、高达约0.5%的Cu、约0.02%至约0.15%的C、高达约0.006%的B，余量为Ni和附带或微量杂质。
[0025]根据一实施例，铸造微观结构还包括大致无偏析的微观结构或大致细晶粒微观结构中的至少一个，或它们的组合。
[0026]根据一实施例，一种大体积、铸造超合金制品，其具有至少约4立方英尺的体积和大致无孔隙的铸造微观结构，制品构造成用于在至少约1，400 °F的操作温度下操作。
[0027]根据一实施例，一种大体积、铸造超合金压力密闭容器，其包括中空本体部分和大致无孔隙的铸造微观结构。
[0028]根据一实施例，容器包括蒸汽涡轮的构件。
[0029]根据一实施例，容器具有至少约4立方英尺的超合金的体积或者构造成用于在至少约1，200 °F的操作温度和至少约1，500psi的操作压力下操作，或前面的任意组合。
[0030]这些和其它优点及特征将从以下结合附图的说明变得更加显而易见。
【专利附图】

【附图说明】
[0031 ] 视为本发明的主题在权利要求书中具体指出并在说明书的总结处的权利要求书中清楚地主张权利。从以下结合附图的详细说明，本发明的前述和其它特征及优点显而易见，在附图中:
图1是如本文中公开的包括用于蒸汽涡轮的铸造蒸汽涡轮壳的铸造超合金压力密闭容器的示例性实施例的截面图；
图2是适合与图1的蒸汽涡轮联用的如本文公开的包括蒸汽涡轮喷嘴箱的铸造超合金压力密闭容器的第二示例性实施例的透视图；
图3是图2中所示的喷嘴箱的局部截面图；
图4适合与图1的蒸汽涡轮联用的如本文公开的包括蒸汽涡轮阀壳体的铸造超合金压力密闭容器的第三示例性实施例的截面图；以及
图5是适合用来形成本文所公开的大体积、铸造超合金压力密闭容器的Ni基超合金组合物的各种不例性实施例的表格。
[0032]详细说明参照附图通过示例的方式解释了本发明的实施例以及优点和特征。【具体实施方式】
[0033]参照附图，且特别参照图1-4，公开了大体积、铸造压力密闭容器10。在各种实施例中，大体积、铸造压力密闭容器10可包括各种涡轮压力密闭容器，如本文中所述。大体积、铸造压力密闭容器10特别适合作为在各种蒸汽涡轮构型中的非旋转构件的应用和用途，特别是适合经入口 14接收高压流体流12并典型地以通过压力密闭容器10的压力下降或上升来使高压流体流12经中空本体部分16传送到单独的出口 18的构型。因此，该容器必须构造成接受高的绝对压力，例如约1，500psi，并在将流12传送到出口 18的同时密闭压力。铸造压力密闭容器10具有至少约4立方英尺的铸造体积或用来形成铸件的材料体积和大致无孔隙的铸造微观结构20。铸造压力密闭容器10由超合金形成并构造成在至少约1，200 °F的操作温度和至少约1，500psi的操作压力下连续操作。铸造压力密闭容器10典型地还将具有大的壁剖面厚度，在一个实施例中，其包括约3英寸或以上的壁剖面厚度，并且更具体地约6英寸或以上的壁剖面厚度，并且更加具体地约8英寸或以上的非常大的壁剖面厚度。在一个实施例中，壁剖面厚度的范围为从约3英寸至约12英寸，并且更具体地约3至约8英寸，并且更加具体地约3至约6英寸。在另一实施例中，壁剖面厚度的范围为从约3英寸至约12英寸，并且更具体地约6英寸至约12英寸，并且更加具体地约8英寸至约12英寸。超合金压力密闭容器10可包括用于任何类型的高温涡轮一包括各种燃气涡轮和蒸汽涡轮一的构件6，但由于要求非常大的壁剖面厚度并因此要求非常大体积铸件的各种蒸汽涡轮构件的规格和尺寸而特别适合在蒸汽涡轮中使用。在一个实施例中，铸造大壁剖面超合金涡轮构件10可包括喷嘴箱200。在另一实施例中，铸造大壁剖面超合金涡轮构件10可包括涡轮壳106。在又一实施例中，铸造大壁剖面超合金涡轮构件10可包括阀壳体300。
[0034]这些铸造大体积超合金涡轮构件10凭借能够在比通过锻造或铸造各种非超合金子构件并将它们结合以形成构件而形成的传统大壁剖面涡轮构件明显更高的温度和/或操作压力下操作而得以改进。在更高的温度和/或操作压力下操作这些构件的能力将提供提高的涡轮操作效率。铸造提供了用于制造这些大体积超合金涡轮构件10的可生产且经济划算的方法。包括喷嘴箱200、壳106和阀壳体300以及潜在的其它部件的铸造大壁剖面超合金润轮构件10能凭借由包括沉淀硬化和固溶硬化(solution hardened)的超合金的性能更好的材料制成而在更高的温度下操作。这些铸造大体积超合金涡轮构件10可利用离心铸造形成。离心铸造将实现由超合金铸造这些部件。以不同于铸造的方式由超合金形成这些部件将由于它们的大体积和剖面厚度而极为困难并且还过于昂贵。大剖面厚度超合金的锻造困难而且昂贵，并且锻造构件通常将要求超合金的焊接，鉴于所包含的剖面厚度，这也将非常困难而且昂贵。
[0035]超合金已应用于在升高的温度下要求高强度的许多其它涡轮应用中。然而，由于若干原因，从未由超合金生产大体积涡轮构件，特别是包括喷嘴箱、壳和阀壳体的大体积蒸汽涡轮构件。第一，这些构件的尺寸在规格(长度、宽度、高度和壁剖面厚度)和重量上都非常大，并且通常具有复杂的中空形状。由实心超合金件如锻件加工大型中空构件如蒸汽涡轮喷嘴箱、壳(内或外)和阀壳体通常由于必须去除的材料的量和成本(作为废料被去除的材料量高达90%)以及通过加工或其它方式去除材料的成本而成本太高。相反,可采用离心铸造来形成中空初始形状并且还消除对已知由于它们的优秀物理和机械特性一包括强度、韧度、硬度等一而难以加工的合金进行过于复杂的加工的需要。其它铸造方法可达到这一目的但具有缺点，例如下述的那些缺点。第二，大构件尺寸和铸造体积在通过传统方法如砂铸法铸造时引起化学偏析(segregation)。超合金倾向于在构件的总体积非常大时一例如，当体积超过4立方英尺时，或者当剖面厚度大时，如文中所述一遭受由于缓慢的固化速度而导致有害的化学偏析，或铸造孔隙，或两者。离心铸造提供了将冷却速度提升至明显超过使用砂铸法所能实现的手段，由此防止不希望的缓慢固化速度和超合金的合金元素、特别是包括Al和Ti的低密度合金元素和包括Cr、Nb、Ta、Mo的提供许多优秀超合金特性的重金属的偏析。第三，超合金倾向于组成金属在熔炼期间以及使用传统方法如砂铸法的铸造期间氧化，从而形成不希望的硬、脆杂质(inclusion)，例如各种氧化物，其可显著降低韧度和疲劳性能。离心铸造可用来最大限度地减少在铸造过程中对空气的暴露并由此将夹杂的氧化物的数量和尺寸减至可接受的水平。应该注意的是，用来形成超合金的熔炼工艺，如具有氩氧脱碳(EAF/A0D)和真空感应熔炼(VIM)的电弧炉利用重熔工艺，例如电渣重熔(ESR)或真空电弧重熔(VAR)，特别是为了解决已知在这些合金的大体积铸件如锭料(ingot)中发生的偏析、孔隙和氧化。第四，很难由超合金制作大体积构件，特别是具有很大和/或厚的壁剖面的那些。通过其它方法制作大体积超合金构件通常由于与如应用于超合金组合物的传统制作方法相关的局限性而不可行。例如，钨惰性气体(TIG)焊接通常过慢而不适合结合具有厚壁剖面的长区段。电子束焊接要求真空室并且现有的真空室过小而不能容纳文中所述的大型蒸汽涡轮构件，例如阀壳体。激光焊接通常不能进行足够深的焊接以制造文中所述的大型蒸汽涡轮构件，例如阀壳体。离心铸造通过将文中所述的大型蒸汽涡轮构件生产为单件或少数件而避免了需要大量的制作，由此消除了或极大地降低了制作需求。总之，离心铸造的使用克服了与利用一个工艺制造大型超合金涡轮构件、特别是大型蒸汽涡轮构件相关的上述局限性并实现使用铸造超合金组合物制造改善的涡轮构件。
[0036]在一个实施例中，大体积、铸造超合金压力密闭容器10包括具有至少约位方英尺的体积的中空本体部分16和大致无孔隙的铸造微观结构、无偏析的微观结构或细晶粒微观结构或它们的组合。该压力密闭容器10构造成用于在至少约1，200 °F的操作温度和至少约1，500psi的操作压力下操作。大体积、铸造超合金压力密闭容器10将具有至少约位方英尺的体积，并且更具体地可具有至少约8立方英尺的体积，并且更加具体地至少约20立方英尺，并且又更加具体地至少约30立方英尺。在蒸汽涡轮喷嘴箱200的情形中，例如，铸造体积可为至少约位方英尺，并且更具体地至少约8立方英尺。在蒸汽涡轮壳106，如内壳或外壳的情形中，例如,铸造体积可为至少约位方英尺，并且更具体地至少约20立方英尺，并且更加具体地至少约30立方英尺。在蒸汽涡轮阀体300的情形中，铸造体积可为至少约位方英尺，并且更具体地至少约15立方英尺，并且更加具体地至少约25立方英尺。因此，在一个实施例中，可将大体积、铸造压力密闭容器描述为具有约4至约30立方英尺、且更具体地约8至约30立方英尺、且更加具体地约15至约30立方英尺的体积。在一实施例中，大体积、铸造超合金制品具有至少约位方英尺的体积、大致无孔隙的微观结构，并且构造成用于在至少约1，400 °F的操作 温度下操作，而不管其所采用的操作压力如何，包括大气压力。亦即，该大体积、铸造超合金制品构造成用于在至少约1，400 T的操作温度和较低压力下操作，包括在大气压力下使用。在一个实施例中，超合金铸造微观结构除了为大致无孔隙的微观结构外还是大致无偏析的微观结构或大致细晶粒微观结构中的至少一种，或它们的组合。
[0037]大体积、铸造超合金压力密闭容器10包括超合金，该超合金构造成用于在至少约
I,200 °F、且更具体地至少约1，300 °F、且更加具体地高达约1，500 0F的温度下操作，例如蒸汽涡轮的大致连续的操作。在一个实施例中，大体积、铸造超合金压力密闭容器10包括构造成用于在约1，300 T至约1，500 °?的操作温度下操作的超合金。
[0038]大体积、铸造超合金压力密闭容器10包括超合金，该超合金构造成用于在至少约
I,500ps1、且更具体地至少约1，800ps1、且再更具体地约3，OOOps1、且更加具体地至少约4，OOOps1、且更具体地高达约6，OOOpsi的操作压力下操作，例如蒸汽涡轮的大致连续的操作。在一个实施例中，大体积、铸造超合金压力密闭容器10包括构造成用于在约4，OOOpsi至约6，OOOpsi的操作压力下操作的超合金。
[0039]参照图1-4，大体积、铸造超合金压力密闭容器10可包括任何合适的压力密闭容器10，并且在一个实施例中包括涡轮的压力密闭涡轮构件6，包括蒸汽涡轮100的压力密闭蒸汽涡轮构件。图1是包括高压(HP)区段102和中压(IP)区段104的示例性对流蒸汽涡轮100发动机的截面示意图。铸造大体积超合金HP壳或壳体106被轴向地分隔成分别的铸造大体积超合金上半区段108和铸造大体积超合金下半区段110。在该示例性实施例中，壳106和半区段108和110是内壳体。备选地，铸造大体积超合金壳106以及半区段108和110是外壳体。定位在HP区段102与IP区段104之间的中心区段118包括高压蒸汽入口120和中压蒸汽入口 122。喷嘴箱(在图1中未示出)流体地联接在各高压蒸汽入口 120与高压区段102以及中压蒸汽入口 122与中压区段104之间。
[0040]在操作期间，高压蒸汽入口 120从蒸汽源例如功率锅炉(图1中未示出)接收高压/高温蒸汽。蒸汽从高压蒸汽入口 120流经第一喷嘴箱(图1中未示出)、经过输入喷嘴136且经过HP区段102，其中从蒸汽提取功以经由联接到轴140上的多个涡轮叶片或轮叶(在图1中未示出)旋转旋转轴140。
[0041]在该示例性实施例中，蒸汽涡轮100是反向流动的高压和中压蒸汽涡轮组合。备选地，本发明可与包括但不限于低压涡轮的任何单独的涡轮联用。此外，本发明并不限于与对流蒸汽涡轮联用，而是可与包括但不限于单向流动和双向流动涡轮蒸汽涡轮的蒸汽涡轮构型联用。
[0042]参照图2，在一个实施例中，大体积、铸造超合金压力密闭容器10包括具有喷嘴箱200 (图2)形式的涡轮100 (图1)的压力密闭涡轮构件6。图2是具有可供蒸汽涡轮发动机100使用的文中所述的铸造体积的铸造大体积超合金蒸汽涡轮喷嘴箱200的透视图。在示例性实施例中，喷嘴箱200包括环形腔室202和与环形腔室202流动连通地联接的两个入口 204，其中各入口 204具有轴向中心线Cp蒸汽涡轮喷嘴箱200可由如文中所述的超合金铸造成干净形状(net shape)，并且更具体地可铸造成接近干净形状且可接受各种整修操作，例如加工，以形成如图2和图3中所示的形状。图3是喷嘴箱200和环形腔室202的局部截面图。在该示例性实施例中，仅示出了环形腔室202的半圆形半部，然而，铸造大体积超合金蒸汽涡轮喷嘴箱200可作为整个环形腔室202铸造。在该示例性实施例中，喷嘴箱200包括在各入口 204之间等距隔开的竖直中心线Cp在备选实施例中，喷嘴箱200可包括多于或少于两个的入口 204。
[0043]环形腔室202包括第一区段206、第二区段208和在它们之间一体地延伸的中心区段210。在具有多于或少于两个的入口 204的实施例中，环形腔室202可包括多于或少于三个的区段。环形腔室202还包括由内环形壁214和从内环形壁214径向向外的外环形壁216限定的流动路径212。流动路径212包括流动路径第一区段218、流动路径第二区段220和流动路径中心区段222。具体而言，在该示例性实施例中，流动路径第一区段218被限定在腔室第一区段206内，流动路径第二区段220被限定在腔室第二区段208内，而流动路径中心区段222被限定在腔室中心区段210内。此外，各入口 204包括与流动路径212流动连通地联接的贯穿其形成的流动路径224。具体而言，第一输入流动路径226与流动路径第一区段218流动连通地联接，而第二输入流动路径228与流动路径第二区段220流动连通地联接。
[0044]在操作期间，处于文中所述的操作温度和压力下的蒸汽经入口 204流入环形腔室202中。具体而言，蒸汽被引导通过输入流动路径226和228并排出到环形腔室202中，其中从输入流动路径226排出的蒸汽进入流动路径第一区段218，而从输入流动路径228排出的蒸汽进入流动路径第二区段220。在环形腔室202内，流动路径第一区段218和流动路径第二区段220与流动路径中心区段222流动连通地联接，使得环形腔室202有利于提供具有通过其的均匀分布压力的单一流动路径212。具体而言，被引导通过输入流动路径226和228的蒸汽在环形腔室202内混合，使得从喷嘴箱200排出的蒸汽具有均匀的温度和压力。蒸汽经多个喷嘴(图2中未示出)从喷嘴箱200排出到蒸汽涡轮如蒸汽涡轮100的第一级中。环形腔室202内的蒸汽混合物有利于在相等的温度和压力下经多个喷嘴中的每一个喷嘴排出蒸汽。因此，该室提供了涡轮的第一级内的压力密闭和流动定向。
[0045]参照图4，在一个实施例中，大体积、铸造超合金压力密闭容器10包括用于蒸汽阀310的阀壳体300形式的涡轮8的压力密闭涡轮构件6。壳体300容纳作为蒸汽涡轮的一部分的蒸汽阀310的构件。例如，蒸汽涡轮阀310可以是组合的主截止和控制阀、再热阀、或其它类型的蒸汽涡轮阀(“流动阀”)，其引导蒸汽流如带箭头314的线所示在入口 312(例如，管道)处进入流动阀310，然后通过流动阀310内部的过滤器315中的开口并通过流动阀310，并如带箭头318的线所示从流动阀310的出口 316 (例如，管道)离开，并到达蒸汽涡轮的更多构件。
[0046]控制阀322和/或截止阀324也被容纳在流动阀310的阀壳体300内。控制阀322可包括构造成以已知方式(例如，液压地、气动地、马达驱动等)被驱动以例如进行如带箭头328的线所示的线性移动的缸或杆326。控制阀322还包括阀体330，其位于杆326的一端处并与杆326连接或一体地形成以使控制阀本体330与杆326的移动同时运动。控制阀本体330包括形成在控制阀本体330的下部中的空腔332。
[0047]大体积、铸造超合金压力密闭容器10由超合金形成。可采用任何合适的超合金。合适的超合金包括Ni基、Co基或Fe基超合金组合物,或它们的组合。在这些组合物之中，Ni基超合金特别有用，包括合金625、合金282、合金617和合金725合金组合物，如图5中所示。
[0048]在一个实施例中，超合金组合物是Ni基超合金组合物，其通常包含合金625、合金282、合金617和合金725合金组合物，包括以重量计包含以下成分的合金组合物:约16.0%至约25.0%的Cr、约5.0%至约15.0%的Co、约4.0%至约12.0%的Mo、高达约10.0%的Fe、约1.0%至约6.0%的Nb、约0.3%至约4.0%的T1、约0.05%至约3.0%的Al、约0.002%至约
0.04%的B、高达约0.30%的Mn、高达约0.15%的Si和小于0.02%的C，余量为Ni和附带或微量杂质。
[0049]在一个实施例中，超合金组合物是通常包含合金282的Ni基超合金组合物，包括以重量计包含以下成分的合金组合物:约16.0%至约24.0%的Cr、约5.0%至约15.0%的Co、约5.0%至约12.0%的Mo、高达约1.5%的Fe、约0.5%至约4.0%的T1、约0.30%至约3.0%的Al、约0.002%至约0.04%的B、高达约0.30%的Mn、高达约0.15%的Si和小于0.02%的C，余量为Ni和附带或微量杂质。
[0050]在另一实施例中，超合金组合物是以重量计包含以下成分的Ni基超合金组合物:约19.0%至约21.0%的Cr、约9.0%至约11.0%的Co、约7.0%至约9.0%的Mo、高达约1.5%的Fe、约1.7%至约2.5%的T1、约1.2%至约1.8%的Al、约0.002%至约0.01%的B、高达约
0.30%的Mn、高达约0.15%的Si和小于0.02%的C，余量为Ni和附带或微量杂质。
[0051]在又一实施例中，超合金组合物是以重量计包含以下成分的Ni基超合金组合物:约19.5%至约20.5%的Cr、约9.5%至约10.5%的Co、约8.3%至约8.7%的Mo、高达约1.5%的Fe、约1.9%至约2.3%的T1、约1.3%至约1.7%的Al、约0.003%至约0.008%的B、高达约0.30%的Mn、高达约0.15%的Si和小于0.02%的C，余量为Ni和附带或微量杂质。
[0052]在一个实施例中，超合金组合物是通常包含合金725的Ni基超合金组合物，包括以重量计包含以下成分的合金组合物:约16.0%至约25.0%的Cr、约4.0%至约12.0%的Mo、高达约10.0%的Fe、约1.0%至约6.0%的Nb、约0.3%至约4.0%的T1、约0.05%至约1.0%的Al、约0.002%至约0.004%的B、高达约0.05%的Mn和小于0.02%的C，余量为Ni和附带或微量杂质。
[0053]在一个实施例中，超合金组合物是通常包含合金625的Ni基超合金组合物，包括以重量计包含以下成分的合金组合物:约17.0%至约27.0%的Cr、约6.0%至约12.0%的Mo、约2.0%至约7.0%的Nb或Ta或它们的组合、约0.2%至约2.0%的T1、约0.2%至约2.0%的Al、高达约5%的Fe、高达约1.0%的Co、高达约0.5%的Mn、高达约0.5%的S1、高达约0.1%的C、高达约0.005%的B，余量为Ni和附带或微量杂质。
[0054]在另一实施例中，超合金组合物是以重量计包含以下成分的Ni基超合金组合物:约20.0%至约23.0%的Cr、约8.0%至约10.0%的Mo、约3.15%至约4.15%的Nb或Ta或它们的组合、约0.2%至约0.4%的T1、约0.2%至约0.4%的Al、高达约5%的Fe、高达约1.0%的Co、高达约0.5%的Mn、高达约0.5%的S1、高达约0.1%的C、高达约0.005%的B，余量为Ni和附带或微量杂质。
[0055]在又一实施例中，超合金组合物是以重量计包含以下成分的Ni基超合金组合物:约20.5%至约22.0%的Cr、约8.5%至约9.5%的Mo、约3.30%至约4.0%的Nb或Ta或它们的组合、约0.2%至约0.4%的T1、约0.15%至约0.30%的Al、约2.0%至约4.0%的Fe、高达约1.0%的Co、高达约0.2%的Mn、高达约0.15%的S1、约0.01%至约0.035%的C、高达约
0.005%的B，余量为Ni和附带或微量杂质。
[0056]在一个实施例中，超合金组合物是通常包含合金617的Ni基超合金组合物，包括以重量计包含以下成分的合金组合物:约17.0%至约27.0%的Cr、约8.0%至约18.0%的Co、约6.0%至约12.0%的Mo、约0.1%至约0.6%的T1、约0.5%至约2.0%的Al、高达约3%的Fe、高达约0.6%的Mn、高达约0.6%的S1、约0.02%至约0.15%的C、高达约0.5%的Cu、高达约0.006%的B，余量为Ni和附带或微量杂质。
[0057]在另一实施例中，超合金组合物是以重量计包含以下成分的Ni基超合金组合物:约20.0%至约24.0%的Cr、约10.0%至约15.0%的Co、约8.0%至约10.0%的Mo、约0.1%至约0.6%的T1、约0.8%至约1.5%的Al、高达约2%的Fe、高达约0.5%的Mn、高达约0.5%的S1、约0.02%至约0.15%的C、高达约0.5%的Cu、高达约0.006%的B，余量为Ni和附带或微
量杂质。
[0058]在又一实施例中，超合金组合物是以重量计包含以下成分的Ni基超合金组合物:约21.0%至约23.0%的Cr、约12.0%至约13.0%的Co、约8.5%至约9.5%的Mo、约0.2%至约0.4%的T1、约1.1%至约1.3%的Al、高达约1%的Fe、高达约0.20%的Mn、高达约0.15%的S1、约0.02%至约0.08%的C、高达约0.2%的Cu、高达约0.006%的B，余量为Ni和附带
或微量杂质。
[0059]离心铸造的使用将使得能够实现具有比使用传统铸造方法可实现的晶粒尺寸小的晶粒尺寸并且显著有助于这些制品的有效性的铸造大体积超合金制品。例如，离心铸造可用来在这些制品中实现约4的ASTM晶粒尺寸，其提供适合在高级超临界蒸汽涡轮应用中使用的物理和机械特性，例如，与利用传统铸造方法可实现的约00的ASTM晶粒尺寸形成对照，该晶粒尺寸提供了可能不适合在高级超临界蒸汽涡轮应用中使用的物理和机械特性。换句话说，离心铸造提供了本文中公开的超合金的晶粒尺寸的约4-6ASTM晶粒尺寸数的减小。该减小有益于疲劳性能。
[0060]本文公开的铸造大体积超合金制品将使得能够开发高级超超临界蒸汽涡轮。超超临界蒸汽涡轮目前采用约1，150 T和3770psi的输入蒸汽条件。本文公开的铸造大体积超合金制品的使用将实现至少约1，200 T和至少约1，500psi的操作压力的更高输入蒸汽条件，如本文中所述。
[0061]本文中的用语“一”和“一个”不表示对数量的限制，而是表示至少存在一个所谈及项。结合数量使用的修饰语“约”包括所述及的值并具有由上下文决定的含义(例如，包括与特定数量的测量相关的误差程度)。此外，除非另外限制，否则文中所公开的所有范围是包括性的并且可组合(例如，范围“高达约25重量％(wt.%)、更具体地约5wt.%至约20wt.%且更加具体地约IOwt.%至约15wt.%”包括范围的端点和所有中间值，例如“约5wt.%至约25wt.%、约5wt.%至约15wt.%”等)。结合合金组合物的成分清单使用“约”适用于全部所列成分，并与范围结合适用于该范围的两个端点。最后，除非另外规定，否则本文所用的所有技术和科学术语具有与本发明所属的领域的技术人员通常理解相同的含义。如本文中所用的前缀“(多个)”旨在包括其所修饰的术语的单数和复数两者，由此包括一个或多个该术语(例如，(多种)金属包括一种或多种金属)。在整个说明书中对“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等的提及意味着结合该实施例所述的特定元件(例如，特征、结构和/或特性)被包括在文中所述的至少一个实施例内，并且可或可不在其它实施例中存在。
[0062]应该理解的是，与文中所述的合金组合物结合使用“包含”具体公开并包括其中合金组合物“主要由”提到的成分“组成”(即，包含提到的成分并且不包含明显不利地影响所公开的基本和新颖特征的其它成分)的实施例，以及其中合金组合物由提到的成分“组成”(即，除各提到的成分中天然且不可避免地存在的杂质以外仅包含提到的成分)的实施例。
[0063]虽然已结合仅有限数量的实施例详细地描述了本发明，但应当容易理解的是，本发明并不局限于这些公开的实施例。相反，可对本发明进行修改以加入此前未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变型、改型、替换或等同布置。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但应理解，本发明的各个方面可仅包括一部分所述的实施例。因此，本发明不应被视为通过前面的描述来限制，而仅通过所附权利要求的范围来限制。
【权利要求】
1.一种大体积、铸造超合金压力密闭容器，包括具有至少约4立方英尺体积的中空本体部分和大致无孔隙的铸造微观结构，所述密闭容器构造成用于在至少约1，200 °F的操作温度和至少约l，500psi的操作压力下操作。
2.根据权利要求1所述的密闭容器，其特征在于，所述超合金构造成用于在约1，300 °F至约1，500 °F的操作温度下操作。
3.根据权利要求1所述的密闭容器，其特征在于，所述高操作温度合金构造成用于在至少约3，OOOpsi的操作压力下操作。
4.根据权利要求3所述的密闭容器，其特征在于，所述高操作温度合金构造成用于在约4，OOOpsi至约6，OOOpsi的操作压力下操作。
5.根据权利要求1所述的密闭容器，其特征在于，所述密闭容器包括涡轮构件。
6.根据权利要求5所述的密闭容器，其特征在于，所述涡轮构件包括蒸汽涡轮构件。
7.根据权利要求6所述的密闭容器，其特征在于，所述蒸汽涡轮构件包括涡轮壳。
8.根据权利要求6所述的密闭容器，其特征在于，所述蒸汽涡轮构件包括喷嘴箱。
9.根据权利要求6所述的密闭容器，其特征在于，所述蒸汽涡轮构件包括阀壳体。
10.根据权利要求1所述的密闭容器，其特征在于，所述超合金组合物包括Ni基、Co基或Fe基超合金组合物,或它们的组合。
【文档编号】F02C1/00GK103470375SQ201310220044
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年6月5日 优先权日:2012年6月5日
【发明者】D.F.珀迪, R.C.施万特 申请人:通用电气公司