本申请是于1997年7月28日递交的美国专利申请No08/901,844，公开 于＿＿的美国专利No.＿＿＿的部分继续申请。美国专利No.08/901,844的 内容充分结合在本文中。

本发明涉及钢。尤其是，本发明涉及含有改善其特征和性能的合金组份的 钢。

涡轮机部件必须保持实用的物理和热性能。涡轮机部件承受高温，因而易 被氧化。在运行期间，涡轮机部件还承受经常导致涡轮机材料蠕变(在固定的 负荷下，尤其是在高温下变形)的高应力。因此涡轮机部件应用保持其机械性 能，如，但不限于，提高的抗蠕变能力和很少的脆化及在高温下不易氧化的材 料构成。

涡轮机部件常用钢质材料构成。钢呈现出优良的强度，低的脆性转变温度 及好的硬化特性。但当钢暴露于高温下时，它经受氧化、脆化和蠕变。脆化 至少部分地是由于在晶粒中形成有害相(不可逆的脆化)，或由于在高温下某 些有害元素在晶界上偏析(可逆的脆化)而产生的。涡轮机部件用钢必须用能 减少钢的脆化、氧化和蠕变的组份构成。

常规的用于涡轮机部件的合金钢包括高合金钢。高合金钢包括含Cr大于 10％，比如，大于12％(重量)的钢。高合金钢包括，但不限于Fe-12Cr不锈钢 (下文称为Fe-12Cr钢)，这种钢在本技术领域中是公知的。在US 5,320,687 (授予Kipphut等人)中公开了一种这样的钢，该专利的全部内容经参照已充 分结合于本文中。

常用钢的合金元素包括，但不限于W和Co，比如，向钢中加W要求(1) 降低Cr含量以保持钢中铁素体稳定剂的平衡；或(2)添加奥氏体稳定剂， 如，但不限于Ni、Mn和Co以保持钢的充分抗氧化性。由于绝大多数奥氏 体稳定剂很贵(Co)，或对蠕变性能有害(Ni)，所以添加奥氏体稳定剂不 能保持钢的抗氧化和抗蠕变性能。因此，钢的制造商一直力图降低涡轮机 用钢的Cr含量。低的Cr含量不会大量增加炼钢成本，而且对蠕变性能无负 面影响。但，钢中Cr含量低时对抗氧化能力不利，因而是不可取的。

解决钢的抗氧化性问题的进一步努力包括加Cr和Si中的一种，或加此二 种元素。为提高钢的抗氧化能力，加Cr和Si，当然这正是希望的。但，这些 方案没有证明高含量的铬是有效的或合乎要求的，因为虽然较高的Cr含量提 高了抗氧化性能，但由于形成α初生(γ’)相，则不合乎要求地增加了钢中的脆化。 并且加入硅促进在钢中形成不合要求的，脆化的莱维氏相(Laves phases)。  

因此，提供这样一种钢的组合物是合乎要求的：它提供适宜的高温性能， 又具有机械性能和氧化性能的平衡。比如，用于高温涡轮机部件的钢应能减少 氧化，同时又使所需的机械性能，如，提高的抗蠕变性能和降低的高温脆化性 能达到平衡。

因此，本发明提供这样一种合金钢组合物，它克服了已知钢组合物中的不 足。符合本发明的钢是一种含B和稀土元素的钢，它含铼(Re)、锇(Os)、铱 (Ir)、钌(Ru)、铑(Rh)、铂(Pt)、钯(Pd)中的至少一种。该钢含(％重 量)

Re、Os、Ir、Ru、Rh、Pt、Pd中的至少一种  0.01-2.00

稀土元素                                             0.50最多

B                                                   0.001-0.04

C                                                   0.08-0.15

Si                                                  0.01-0.10

Cr                                                  8.00-13.00

W和Mo中的至少一种                                 0.50-4.00

奥氏体稳定剂，如，Ni、Co、Mn和Cu中的一种     0.001-6.00

V                                                   0.25-0.40

P                                                   0.010最多

S                                                   0.004最多

N                                                   0.060最多

H                                                   2ppm最多

O                                                   50ppm最多

Al                                                  0.001-0.025

As                                                  0.0060最多

Sb                                                0.0030最多

Sn                                                0.0050最多

Fe                                                余量

符合本发明的一个实施方案的钢通过添加包括贵金属、稀土金属、Re和B的合金元素平衡了机械性能和氧化性能。该钢减少了长期时效脆化(这里是时 效脆化)，并保持了，更好是提高了屈服强度和蠕变强度。贵金属选自包括， 但不限于，铂族金属如Ru、Rh、Os、Pt、Pd和Ir及其混合物。

一种由本发明举例的示范性的钢成分列于表1中。该钢的成分包括Fe， 稀土元素，B，铼族和铂族金属中的至少一种，C、Si、Cr、W和Mo中的至 少一种，至少一种奥氏体稳定剂中，V和Al。该百分数是近似的重量百分 数，其范围从大约的第一个数值延伸到大约的第二个数值。其中组份的重 量值是按最大值(“最大”)给出的，该材料按范围从约0到约“最大值” 的量提供，但不超过“最大值”。“余量”指的是其他组份已加完后，剩余 成分的材料量。此外，除非另行注明，无论百分数或份数均是以重量百分 数为基准表达的。

                              表1

Re、Os、Ir、Ru、Rh、Pt和Pd中的至少一种  0.01-2.00

稀土元素                                             0.50最多

B                                                   0.001-0.04

C                                                   0.08-0.15

Si                                                  0.01-0.10

Cr                                                  8.00-13.00

W和Mo中的至少一种                                 0.50-4.00

奥氏体稳定剂如Ni、Co、Mn和Cu中的至少一种     0.001-6.00

V                                                   0.25-0.40

P                                                   0.010最多

S                                                   0.004最多

N                                                   0.060最多

H                                                   2ppm最多

O                                                 50ppm最多

Al                                                0.001-0.025

As                                                0.0060最多

Sb                                                0.0030最多

Sn                                                0.0050最多

Fe                                                余量。

铂族金属和Re提高钢的固溶强化作用，而且铂族金属还提供抗氧化能力。 这些金属在元素周期表中位置是邻近W的位置，因而具有与W相类似的，对钢 有益的固溶强化作用。这些铂族金属包括Ru、Rh、Os、Pt、Pd和Ir。Ir具有 非常有效的抗腐蚀和抗氧化的性能。因此将其加入钢中将能提高钢的抗腐蚀和 抗氧化的性能。Re象铂族金属一样，提高钢的固溶强化作用。当以约5-10重 量％的量提供铂族金属时，则铂族金属提供钢的抗氧化能力，并可能因第二相 及析出物的形成提供有益作用。

当杂质含量低时，稀土金属提高钢的抗时效脆化的能力。钢中确切的稀土 元素的量取决于钢中杂质含量。当钢中杂质含量增加时，则需较多的稀土元素。 比如，根据杂质含量，如约0.1-约0.2重量％的杂质，提供最多为约0.5重量％ 的稀土元素。进而，稀土元素的的量为约0.1-约0.15，比如为0.1重量％。

某些稀土元素对降低钢的时效脆化作用是有效的。这些稀土元素包括，但 不限于，Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Er。这些元素的合金和混合物。本发 明的实施方案之一，以约0.01-约0.3重量％，如以约0.1-约0.15重量％的量 提供了La和Y的至少一种。比如，La和Y中的至少一种的量为约0.1重量％。

稀土元素还控制在钢中形成偏析。比如，已确定La减少了在钢中形成偏析。

钢中的硼向晶界偏析，从而占据这些晶界位点，因而阻止其他的偏析物占 据此位置。如本发明所体现的那样，在钢中以约0.01-约0.04重量％的量提供 硼。位于晶界位点的硼防止钢被弱化，因而减少了时效脆性。因此，当硼占据 晶界位点时，它缓解钢中的断裂韧性下降，而且对晶界位点强度无害，并有益 于提高钢的凝聚力。此外，还认为硼提高钢的抗蠕变性能。

降低钢中的杂质，则减少了α初生相组分，因而降低了时效脆性，并提高了 抗时效脆性和回火脆性的能力。降低钢中的杂质，是通过加至少一种防止杂质 占据晶界的元素，如加硼，和减少钢中的Si和Al中的至少一种，更好是 减少Al和Si两者而完成的。α初生相的减少及抗回火脆性能力的提高是通 过调整，比如通过平衡Cr、Mo、W中的两种元素的量而完成的。

如由本发明所具体体现的那样，在钢中以约0.01-约0.1重量％的量提 供Si。如由本发明所具体体现的那样，在钢中以约0.001-约0.025重量％ 的量提供Al。上述含量的此二组分防止了杂质位于晶界上。

本发明的钢含有增强抗时效脆化能力的Cr(Cr还提高抗氧化能力)。以 约8.0-约1.30重量％的量提供Cr，比如以约8.0-约12.0重量％的量提供Cr。

奥氏体稳定剂包含已知的各种奥氏体稳定剂，而且包括，但不限于Ni、 Co、Cu、Mn及这些元素与某种含量的Co的组合。在钢中以约0.001-约6.0 重量％的量提供这种奥氏体稳定剂。该奥氏体稳定剂包含尽可能多的Co，同 时将Ni的量减少至最少，并以约0.001-约6.0重量％的量保持该奥氏体稳 定剂。虽然Ni作为钢中的组份提供如韧性之类的所需性能，但由于Ni引 起不希望有的时效特性，如提高脆性，所以Co是优选的奥氏体稳定剂(若 可能的话)。因此，最好平衡Ni和Co的量，以提高抗时效脆化的能力及回 火韧性。

由本发明具体体现的钢含有碳化物稳定剂。碳化物稳定剂包括W和Mo中的至少一种。这些碳化物稳定剂由于它们提高固溶强化作用，故为钢中 所需。碳化物稳定剂的量最好是约0.50-约4.00重量％(以钢的重量为基准 计)。

符合本发明的钢还含最多为0.50重量％的Nb，从而提高了钢的韧性及 抗蠕变性能。当以约0.01-约0.5重量％，如以约0.05重量％的量提供Nb时， Nb控制夹杂物并增强细的结晶组织，如细的马氏体组织。与受控的晶粒尺 寸相结合的，由Nb提供的细的结晶组织提高了钢的韧性。

钢中低重量百分比的Ni、Cu、Mn和Co也提供能提高钢的韧性的细的结 晶组织，其中，这些组份的总重量百分比小于约6％。比如，符合本发明某 一实施方案的钢含约0.1-约4.0重量％的Ni和约0.5-约6.0重量％的Co。 可供选择的是，钢含约0.1-约2.0重量百分比的Ni和约1.0-约4.0重量％ 的Co。如上所述，使Ni的量与Co平衡，从而防止不希望的时效脆化效应， 同时保持钢的合乎需要的韧性。

通过减少和控制偏析和第二相的形成也提高钢的韧性。减少偏析和第二相 形成是通过减少钢中Si、Al、Ni、Mn、S、P、As、Sn和Sb的含量达到的。可 供选择的是，使这些组份的量相对的低，以便控制偏析和第二相的形成。比如， 钢最好不应含有大于约0.05的Mn，0.01的Si，0.01的P，0.005的Sn，0.003 的Sb，0.006的As，0.025的Al和0.004的S(以上均为重量％)。因此，含有 形成低量偏析的添加物的钢被称为“超纯净钢”，而且使韧性得以提高。

控制第二相形成提高了钢的韧性。Mo和W中的至少一种稳定化析出物进一 步使钢中的第二相形成得以控制。Mo和W控制和改进了抗蠕变的能力。在钢中 含有控制和平衡量的Mo和W是需要的。根据本发明的一个实施方案，Mo重量 百分比与W的1/2重量百分比之和等于约1.5，即1.5≥Mo+1/2W。这种关系减 少了第二相形成并改进了钢的抗蠕变能力。

虽然公开了述于本文的各实施方案，但从说明书可知，本领域技术中的普 通技术人员可在本发明的范围内对元素进行各种组合，改变和改进。