颗粒强化合金制品及其形成方法.pdf

本发明提供一种颗粒强化合金制品及其形成方法。所述制品包含一种材料，所述材料包括金属基体和宏观上非均匀布置于基体内的第一颗粒相群。颗粒相包括氧化物相。进一步的实施方案包括诸如涡轮机械部件、紧固件和管件等制品及其形成方法。

权利要求书
1.  一种制品，所述制品包含：
一种材料，所述材料包括金属基体和宏观上非均匀布置于所述基体内的第一颗粒相群，所述颗粒相包括氧化物相。

2.  根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述基体包含镍、铁、铬、铝、钴、钛或其组合。

3.  根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述基体包含铁和铬。

4.  根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述氧化物相包含铝、钇、镁、钼、锆、硅、钛、铪、钨、钽或其组合。

5.  根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述氧化物相包含钛和钇。

6.  根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述第一颗粒相群具有小于约20nm的中值粒径。

7.  根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述第一颗粒相群具有小于约10nm的中值粒径。

8.  根据权利要求1所述的制品，所述制品还包含布置于所述基体内的第二颗粒相群，其中所述第二颗粒相群的粒度分布不同于第一颗粒相群的粒度分布。

9.  根据权利要求8所述的制品，其特征在于，所述第二颗粒相群宏观上非均匀分布于所述基体内。

10.  根据权利要求8所述的制品，其特征在于，所述第二颗粒相群包括金属间化合物。

11.  根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述第一颗粒相群在所述制品的第一区域中的第一浓度不等于第一颗粒相群在所述制品的第二区域中的第二浓度，并且其中所述第一浓度和所述第二浓度各自独立地落于约0.1体积百分比至约5体积百分比范围。

12.  根据权利要求11所述的制品，其特征在于，在所述第一区域和所述第二区域之间设有至少一个中间区域，并且其中所述至少一个中间区域中第一颗粒相群的浓度具有介于所述第一浓度和所述第二浓度之间的数值。

13.  一种涡轮机械部件，所述涡轮机械部件包括：
径向对称主体，所述径向对称主体包括邻近所述主体的中心的内表面和远离所述主体的中心的外表面；
其中，所述径向对称主体包含：
一种材料，所述材料包括：
金属基体，所述基体包含铁和铬；
中值粒径小于约20纳米的第一颗粒相群，所述颗粒相群包括氧化物相，所述氧化物相包含钛和钇，其中，所述内表面处所述第一颗粒相群的浓度低于所述外表面处所述第一颗粒相群的浓度，并且其中所述内表面处所述颗粒相的浓度在约0.1体积百分比至约2体积百分比范围，所述外表面处所述颗粒相的浓度在约0.7体积百分比至约3体积百分比范围。

14.  一种方法，所述方法包括：
将具有第一氧浓度的第一组成与具有第二氧浓度的第二组成结合，所述第二氧浓度不同于所述第一氧浓度，以形成包括金属基体和宏观上非均匀布置于所述基体内的第一颗粒相群的材料，所述颗粒相包括氧化物相。

15.  根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括：在第一含量的氧化物存在的情况下对包含铁和铬的合金粉末进行研磨，直至所述氧化物至少部分地溶解在所述合金粉末中，从而形成第一组成。

16.  根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括：在第二含量的氧化物存在的情况下对包含铁和铬的合金粉末进行研磨，直至所述氧化物至少部分地溶解在所述合金粉末中，从而形成第二组 成。

17.  根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一组成、所述第二组成或所述第一组成和第二组成两者为粉末，并且其中结合还包括使所述粉末固结。

18.  根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第一组成和所述第二组成两者均为粉末。

19.  根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括：
将包含所述第一组成的粉末置于容器的第一区域；
将包含所述第二组成的粉末置于所述容器的第二区域；和
使所述粉末固结，从而使所述第一组成和第二组成结合。

20.  一种方法，所述方法包括：
在氧化物存在的情况下对包含铁和铬的第一粉末进行研磨，直至所述氧化物至少部分地溶解在所述合金粉末中，从而形成具有第一氧浓度的第一组成；
在氧化物存在的情况下对包含铁和铬的第二粉末进行研磨，直至所述氧化物至少部分地溶解在所述合金粉末中，从而形成具有第二氧浓度的第二组成，所述第二氧浓度大于所述第一氧浓度；
将包含第一组成的粉末置于容器的第一区域；
将包含第二组成的粉末置于所述容器的第二区域；和
使所述粉末固结，从而在一定温度下将所述第一组成和第二组成结合以使包含钛和钇的氧化物相在包含铁和铬的基体中析出；
其中，所述容器的第一区域和所述容器的第二区域分别相应于涡轮机械部件的径向对称主体的内表面和外表面。

说明书颗粒强化合金制品及其形成方法
技术领域
本发明总体上涉及纳米结构铁素体合金。更特别地，本发明涉及由具有非均匀分布分散体的纳米结构铁素体合金形成的制品及其形成方法。
背景技术
燃气涡轮机在极端环境下工作，使涡轮机部件特别是涡轮机热区中那些部件经受高的工作温度和压力。为使涡轮机部件耐受这些条件，它们由能够耐受这些严酷条件的材料来制造。当达到材料极限时，按照常规采用两种方法之一以维持热区部件的机械完整性。一种方法是使用冷却空气降低部件的有效温度。第二种方法是增大部件尺寸以减小压力。然而，这些方法会降低涡轮机的效率并增加成本。
在一些应用中，超耐热合金已用于这些要求严格的应用，这是因为它们在最高达到其熔融温度90％时仍保持其强度并具有优异的环境耐受性。特别是，镍基超耐热合金已广泛用于整个燃气涡轮发动机，例如应用于涡轮叶片、喷嘴、叶轮(wheel)、中间盘(spacer)、叶片盘、转子轴、叶盘和罩体。在一些温度和压力较低的应用中，可将钢铁用于涡轮机部件。然而，传统钢铁的使用通常在高温、高压应用中受到限制，因为不满足必需的机械性能要求和/或设计要求。
纳米结构铁素体合金(NFA)是新兴的一类合金，对于燃气涡轮机转子而言具有重要意义。这些合金(NFA)表现出非凡的高温性能，这被认为源于机械合金化步骤之后热固结过程中析出的纳米尺寸氧化 物团簇。高温下存在的这些氧化物团簇在使用过程中提供了强化稳定的微结构。另外，与许多要求随后进行铸造和锻造(C&W)工艺以获得所需性能的镍基超高温合金不同，NFA通过要求较少熔融步骤的不同工艺方法进行制造。
尽管NFA与传统钢铁相比具有提高的拉伸和蠕变性能，但对于转子应用要求更多的益处。应当指出的是，对于重型蒸汽涡轮机转子，关键性机械性能要求由叶轮孔至叶轮缘发生改变。例如，叶轮孔受限于破裂强度，因而要求较高的极限拉伸强度，叶轮缘受限于材料的蠕变寿命。
因而，期望获得一种渐变合金制品，该制品在其各个区域(位置)表现出提高的机械完整性并达到机械性能的适当平衡。
发明内容
在一个实施方案中，提供一种制品。该制品含有包括金属基体和宏观上非均匀布置于基体内的第一颗粒相群的材料。颗粒相包括氧化物相。其它实施方案包括一些制品，例如涡轮机械部件、紧固件和管件。
一个实施方案是涡轮机械部件。该部件包括径向对称主体，所述径向对称主体具有邻近所述主体的中心的内表面和远离所述主体的中心的外表面。所述径向对称主体含有包括金属基体和第一颗粒相群的材料。金属基体包括铁和铬。第一颗粒相群包括含有钛和钇的氧化物相并具有小于约20纳米的中值粒径。内表面处第一颗粒相群的浓度小于外表面处第一颗粒相群的浓度。内表面处第一颗粒相群的浓度在约0.1体积百分比至约2体积百分比范围，外表面处的浓度在约0.7体积百分比至约3体积百分比范围。
在一个实施方案中，一种方法包括将具有第一氧浓度的第一组成与具有第二氧浓度的第二组成结合来形成一种材料。第二氧浓度不同于第一氧浓度。所述材料包括金属基体和宏观上非均匀布置于 基体内的第一颗粒相群。颗粒相包括氧化物相。所述材料经加工以提供一种制品。
在一个实施方案中，提供一种涡轮机械部件的形成方法。该方法包括以下步骤：在氧化物存在的情况下对包含铁和铬的第一粉末进行研磨，直至氧化物至少部分地溶解在合金粉末中，从而形成具有第一氧浓度的第一组成；在氧化物存在的情况下对包含铁和铬的第二粉末进行研磨，直至氧化物至少部分地溶解在合金粉末中，从而形成具有第二氧浓度的第二组成，第二氧浓度大于第一氧浓度。将具有第一组成的粉末置于容器的第一区域，将具有第二组成的粉末置于容器的第二区域。在一定温度下使这些粉末固结(consolidate)而使第一和第二组成结合，以使包含钛和钇的氧化物相在包含铁和铬的基体内析出。容器的第一区域和容器的第二区域分别对应于涡轮机械部件的径向对称主体的内表面和外表面。
本发明提供了：
1.一种制品，所述制品包含：
一种材料，所述材料包括金属基体和宏观上非均匀布置于所述基体内的第一颗粒相群，所述颗粒相包括氧化物相。
2.根据项目1所述的制品，其特征在于，所述基体包含镍、铁、铬、铝、钴、钛或其组合。
3.根据项目1所述的制品，其特征在于，所述基体包含铁和铬。
4.根据项目1所述的制品，其特征在于，所述氧化物相包含铝、钇、镁、钼、锆、硅、钛、铪、钨、钽或其组合。
5.根据项目1所述的制品，其特征在于，所述氧化物相包含钛和钇。
6.根据项目1所述的制品，其特征在于，所述第一颗粒相群具有小于约20nm的中值粒径。
7.根据项目1所述的制品，其特征在于，所述第一颗粒相群具有小于约10nm的中值粒径。
8.根据项目1所述的制品，所述制品还包含布置于所述基体内的第二颗粒相群，其中所述第二颗粒相群的粒度分布不同于第一颗粒相群的粒度分布。
9.根据项目8所述的制品，其特征在于，所述第二颗粒相群宏观上非均匀分布于所述基体内。
10.根据项目8所述的制品，其特征在于，所述第二颗粒相群包括金属间化合物。
11.根据项目8所述的制品，其特征在于，所述第二颗粒相群包括氧化物、硼化物、碳化物、氮化物或其组合。
12.根据项目8所述的制品，其特征在于，所述第二颗粒相群具有约25nm至约10微米的中值粒径。
13.根据项目1所述的制品，其特征在于，所述第一颗粒相群在所述制品的第一区域中的第一浓度不等于第一颗粒相群在所述制品的第二区域中的第二浓度，并且其中所述第一浓度和所述第二浓度各自独立地落于约0.1体积百分比至约5体积百分比范围。
14.根据项目13所述的制品，其特征在于，在所述第一区域和所述第二区域之间设有至少一个中间区域，并且其中所述至少一个中间区域中第一颗粒相群的浓度具有介于所述第一浓度和所述第二浓度之间的数值。
15.根据项目13所述的制品，其特征在于，所述制品为涡轮机械部件、紧固件或管件。
16.根据项目15所述的制品，其特征在于，所述制品为叶轮或中间盘。
17.根据项目16所述的制品，其特征在于，第一区域包括所述叶轮或中间盘的内表面，第二区域包括所述叶轮或中间盘的外表面，并且其中所述内表面处所述第一颗粒相群的第一浓度低于所述外表面处所述第一颗粒相群的第二浓度。
18.根据项目17所述的制品，其特征在于，所述第一浓度在约0.1体积百分比至约2体积百分比范围，所述第二浓度在约0.7体积百分比至约3体积百分比范围。
19.一种涡轮机械部件，所述涡轮机械部件包括：
径向对称主体，所述径向对称主体包括邻近所述主体的中心的内表面和远离所述主体的中心的外表面；
其中，所述径向对称主体包含：
一种材料，所述材料包括：
金属基体，所述基体包含铁和铬；
中值粒径小于约20纳米的第一颗粒相群，所述颗粒相群包括氧化物相，所述氧化物相包含钛和钇，其中，所述内表面处所述第一颗粒相群的浓度低于所述外表面处所述第一颗粒相群的浓度，并且其中所述内表面处所述颗粒相的浓度在约0.1体积百分比至约2体积百分比范围，所述外表面处所述颗粒相的浓度在约0.7体积百分比至约3体积百分比范围。
20.一种方法，所述方法包括：
将具有第一氧浓度的第一组成与具有第二氧浓度的第二组成结合，所述第二氧浓度不同于所述第一氧浓度，以形成包括金属基体和宏观上非均匀布置于所述基体内的第一颗粒相群的材料，所述颗粒相包括氧化物相。
21.根据项目20所述的方法，所述方法还包括：在第一含量的氧化物存在的情况下对包含铁和铬的合金粉末进行研磨，直至所述氧化物至少部分地溶解在所述合金粉末中，从而形成第一组成。
22.根据项目20所述的方法，所述方法还包括：在第二含量的氧化物存在的情况下对包含铁和铬的合金粉末进行研磨，直至所述氧化物至少部分地溶解在所述合金粉末中，从而形成第二组成。
23.根据项目20所述的方法，其特征在于，所述第一组成、所述第二组成或所述第一组成和第二组成两者为粉末，并且其中结合还包括使所述粉末固结。
24.根据项目23所述的方法，其特征在于，所述第一组成和所述第二组成两者均为粉末。
25.根据项目24所述的方法，所述方法还包括：
将包含所述第一组成的粉末置于容器的第一区域；
将包含所述第二组成的粉末置于所述容器的第二区域；和
使所述粉末固结，从而使所述第一组成和第二组成结合。
26.根据项目20所述的方法，所述方法还包括加热所述第一组成、所述第二组成或所述材料以形成所述第一颗粒相群。
27.根据项目20所述的方法，所述方法还包括在所述基体内建立第二颗粒相群，所述第二颗粒相群具有约25nm至约10微米的中值粒径。
28.根据项目20所述的方法，其特征在于，所述第一组成和所述第二组成为固体原料，并且其中结合包括共挤出、焊接、固态结合、扩散连接、收缩配合或其组合。
29.根据项目23所述的方法，其特征在于，所述第一组成为固体原料并且所述第二组成为粉末，并且其中结合包括使所述粉末固结并使所述第一组成与所述第二组成连接。
30.一种方法，所述方法包括：
在氧化物存在的情况下对包含铁和铬的第一粉末进行研磨，直至所述氧化物至少部分地溶解在所述合金粉末中，从而形成具有第一氧浓度的第一组成；
在氧化物存在的情况下对包含铁和铬的第二粉末进行研磨，直至所述氧化物至少部分地溶解在所述合金粉末中，从而形成具有第二氧浓度的第二组成，所述第二氧浓度大于所述第一氧浓度；
将包含第一组成的粉末置于容器的第一区域；
将包含第二组成的粉末置于所述容器的第二区域；和
使所述粉末固结，从而在一定温度下将所述第一组成和第二组成结合以使包含钛和钇的氧化物相在包含铁和铬的基体中析出；
其中，所述容器的第一区域和所述容器的第二区域分别相应于涡轮机械部件的径向对称主体的内表面和外表面。
附图说明
参照附图阅读以下详细说明时，本发明的这些和其它特征、方面和优势将变得更易于理解，附图中相似的标记在全部附图中表示相似的部分。
图1是根据本发明一个实施方案的制品的示意图；
图2是根据本发明一个实施方案的制品的示意图；
图3是根据本发明一个实施方案的涡轮机械部件的俯视截面示意图；
图4是根据本发明一个实施方案的涡轮机械部件的俯视截面示意图；
图5是根据本发明一个实施方案的用于形成制品的容器的示意图。
具体实施方式
本说明书所述的本发明实施方案解决了所提及的现有技术的不足。以下将对本发明的一个或多个具体实施方案进行描述。为了对这些实施方案作出简要说明，在本说明书中可能不会对实际应用的全部特征进行描述。应当认识到，在任何这种实际应用的开发中，如同在任何工程或设计项目中，必须确定大量应用具体工作程序以实现开发者的具体目标，例如与系统相关及商业相关限制的协调，由此可能从一种应用变为另一种应用。另外，应当认识到，这种开 发尝试可能复杂并且耗时，但仍为获益于本公开的本领域技术人员的常规设计、制造和加工工作。
在介绍本发明各实施方案的要素时，冠词“一个”“一种”和“所述”意指存在一个或多个该要素。术语“包含”、“包括”和“含有”意指包括在内并表示可能存在除所列要素以外的其它要素。另外，“顶部”、“底部”、“以上”、“以下”和这些术语的变体的使用仅出于方便，而不要求部件的任何特殊取向，除非另外说明。
本说明书所述的所有范围均包括端点，端点可彼此结合。如本说明书所用术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、质量或重要性，仅用于要素的相互区分。
在整个说明书和权利要求书中，如本说明书所用，近似性词语可用于修饰在不造成与其相关基本功能改变的情况下允许变化的任何定量表达。因而，由术语例如“约”修饰的数值不限于所指明的精确数值。在一些情况下，近似性词语可能相应于测量该数值所用仪器的精确度。
本发明的实施方案提供一种制品，该制品包括金属基体和宏观上非均匀布置于金属基体内的第一颗粒相群。金属基体可包含镍、铁、铬、铝、钴、钛或其组合。在一个实施方案中，金属基体包含含铁合金。第一颗粒相群包含氧化物相。
如本说明书所用，“宏观上非均匀布置”是指在金属基体的至少0.5厘米的长度尺度上颗粒相的非均匀分散。即，在制品的第一部分中颗粒相的浓度与第二部分中颗粒相的浓度不同，其中所述部分通常在至少约0.5厘米的长度尺度上延伸。在一些实施方案中，所述部分可延伸至至多约200厘米的长度尺度。在一些实施方案中，所述部分可延伸至至多约100厘米的长度尺度。如本说明书所用，“布置于基体内”包括颗粒相分散于基体的晶粒和晶界中。
一些实施方案提供一种制品，该制品包含纳米结构铁素体合金(NFA)。通常纳米铁素体合金包括含铁合金基体，该基体通过置于其中的纳米要素强化。合金基体中铁的浓度可大于约50重量百分比。在一个实施方案中，合金基体中的铁含量大于约70重量百分比。在一个实施方案中，合金基体为铁素体体心立方(BCC)相形式。如本说明书所用，术语“纳米要素”是指最大尺度小于约20纳米的物质颗粒。NFA的纳米要素可具有任何形状，例如包括球形、立方形、荚形等其它形状。本说明书所用纳米要素通常在NFA中原位形成，通过初始添加氧化物的至少一部分的溶解和可用于钉扎(pin)合金结构的改性氧化物的纳米尺寸颗粒的析出，从而提供提高的机械性能。
图1示出了根据本发明一些实施方案的制品10。制品10包含纳米结构铁素体合金，该纳米结构铁素体合金含有宏观上非均匀布置于制品内例如从第一表面12至第二表面14的第一颗粒相群。在一些实施方案中，制品10从第一表面12至第二表面14具有渐变的第一颗粒相浓度。渐变可为连续式或阶梯式。
在示例性实施方案中，制品10包括从第一表面12延伸至预定表面16的第一区域18和从第二表面14延伸至预定表面16的第二区域20。第一区域18包括第一浓度的第一颗粒相，第二区域20包括第二浓度的第一颗粒相，其中第一区域18中第一颗粒相的第一浓度不等于第二区域20中第一颗粒相的第二浓度。在一个实施方案中，第一区域18中的第一浓度和第二区域20中的第二浓度各自独立地落于约0.1体积百分比至约5体积百分比范围。
在一些实施方案中，制品10可具有不止两个区域，其中相邻区域具有不同的第一颗粒相浓度。例如，如图2所示制品10可具有至少三个区域，其中中间区域22从预定表面16延伸至另一预定表面26。中间区域22置于第一区域18与第二区域20之间。中间区域22中第一颗粒相的浓度可不同于第一区域18中第一颗粒相的第一浓度 和第二区域20中第一颗粒相的第二浓度。在一些实施方案中，中间区域22中第一颗粒相的浓度具有介于第一浓度与第二浓度之间的数值。制品10可具有多个位于第一区域18与第二区域20之间的中间区域。在一个实施方案中，各中间区域中第一颗粒相的浓度介于相邻区域中颗粒相的浓度之间。第一颗粒相的浓度从第一区域18至第二区域20可增大或减小。在一些实施方案中，间隔区域可具有相同的第一颗粒相浓度。此处应当指出，尽管结合图1和图2对以下材料细节进行讨论，但这些细节还可等同地适用于图3和图4的实施方案。
NFA的金属基体(也可称为合金基体)包括铁和铬。铬对于相稳定性以及抗氧化性和/或抗腐蚀性均具有重要意义，因而可以至少约5重量百分比的含量包含于NFA之中。可包含至多约30重量百分比。在一个实施方案中，铬在合金中占约9重量百分比至约14重量百分比。在一些实施方案中，合金可包含钛和钇。钛和钇可作为合金基体的一部分以金属或合金形式存在，或者可存在于合金的颗粒相中。如本说明书所述，它们可在氧化物纳米要素的形成中发挥作用。在一些实施方案中，钛在合金中占约0.1重量百分比至约2重量百分比，钇在合金中占约0.1重量百分比至约3重量百分比。另外，合金可包含钒、钼、锰、钨、铌、硅或钽中的一种或多种。
第一颗粒相群可以是上述纳米要素，赋予合金提高的拉伸和蠕变性能。第一纳米要素群具有小于约20纳米(nm)的中值粒径。在一些实施方案中，第一颗粒相群具有小于约15nm的中值粒径。在某些实施方案中，颗粒相的中值粒径小于约10nm。在一些实施方案中，第一颗粒相群可包括复合氧化物。如本说明书所用“复合氧化物”是包括多种非氧元素的氧化物相。复合氧化物可以是具有多种非氧元素的单一氧化物相，例如ABO(其中A、B表示非氧元素)；或者可以是多个简单氧化物相(具有一种非氧元素)的混合物，例如AxByOz，其中x、y、z表示混合物中元素的相对摩尔比。此处包括的实例未考 虑电荷平衡，因而包括不同价态元素的氧化物和偏离化学计量比的氧化物。
在一个实施方案中，氧化物材料可添加至合金基体中，经处理析出出第一纳米要素群。所添加的氧化物相的至少一部分可溶解在合金结构中并以纳米要素形式析出。在一个实施方案中，NFA中的析出氧化物可包含原材料中所存在的过渡金属(例如钛和钇)和初始添加氧化物中的一种或多种金属元素。
在一个实施方案中，第一颗粒相群包括选自钇、钛、铝、锆、钼、硅、铪、镁、钨和钽中的至少两种元素。颗粒相可包括两种以上简单氧化物的组合；一种或多种简单氧化物和一种或多种复合氧化物的组合；或多种不同复合氧化物的组合。在一个具体实施方案中，第一颗粒相群包括含有多种非氧元素的单相复合氧化物，例如列举出钇钛氧化物、钇钛硅氧化物、铝钛氧化物、镁钛氧化物、锆钛氧化物、铪钛氧化物、镁锆氧化物、锆铪氧化物、钇锆氧化物、钇镁氧化物、钇锆钛氧化物或钇铝钛氧化物。
此处应当指出文中复数术语“相”的使用并不要求群中必需存在多相组成，而是用于表示基体中存在大量颗粒，这些颗粒可能具有或可能不具有相同的组成。
在一些实施方案中，制品10(图1和图2)在合金基体内还包含第二颗粒相群。第二颗粒相的加入可提高NFA的拉伸和蠕变性能，并同时保持所需延展性水平。第二颗粒相群可具有不同于第一颗粒相群的粒径分布。第二颗粒相群可具有约25nm至约10微米的中值粒径。在一个实施方案中，第二颗粒相群具有约50nm至约3微米的中值粒径。
第二颗粒相群可在制品10内均匀或非均匀分布。在一个实施方案中，第二颗粒相群在合金基体内宏观上非均匀布置。例如，如在前述实施方案中针对第一颗粒相群所讨论的，在各中间区域中第二颗粒相的浓度介于相邻区域中颗粒相的浓度之间(图2)。颗粒相浓度 从第一区域18至第二区域20可增加或减小。制品各区域中第二颗粒相群的浓度可独立地落于约1体积百分比至约15体积百分比范围，更特别地，落于合金的约1体积百分比至约6体积百分比范围。在一个具体实施方案中，制品各区域中颗粒相群(包括第一群和第二群两者)在合金中所占浓度为约2体积百分比至约6体积百分比。
在一些实施方案中，第二群可包括氧化物、硼化物、碳化物、氮化物或其组合。氧化物可在加工过程中添加至合金中以进一步强化合金。在一个实施方案中，合金中总氧浓度为合金的约0.1重量百分比至约0.6重量百分比。在一些实施方案中，析出第二颗粒相群为金属间相。金属间相的非限制性实例可包括Laves相、Mu相、Z相和Ni3M结构。在先前提交的美国专利申请系列13/931108和14/074768中对形成含有析出的第一颗粒相群和额外的第二颗粒相群的合金的各种特征和方法进行了详细说明。
再次参照图1和图2，在一些实施方案中，制品10可以是涡轮机械部件，在其它实施方案中，制品10还可用于任意其它应用，包括在高温下工作，例如紧固件、管件等，以及在低温下工作，例如用于传输油和气的管件和盘件。在一个实施方案中，制品10为涡轮叶轮。在另一实施方案中，制品10为涡轮中间盘。
如上所述，关键性机械性能由涡轮叶轮孔至涡轮叶轮缘变化。例如，孔受限于破裂强度，因而要求较高的机械拉伸强度，轮缘受限于材料的蠕变寿命。通常，提高氧化物纳米要素的浓度产生叶轮孔所要求的提高的拉伸性能和叶轮缘所要求的提高的蠕变性能。然而，氧化物纳米要素的浓度由于材料延展性下降而受限于额定量，与叶轮缘处相比，这对叶轮孔处而言问题更大。
本发明的一些实施方案提供了涡轮机械部件，其含有宏观上非均匀布置的包括氧化物相的第一颗粒相群，以赋予特殊位置或区域例如涡轮机械部件孔和缘处所需的机械性能。图3示出了具有径向对称主体的涡轮机械部件30例如叶轮或中间盘的俯视截面图。径向对 称部件30的中心位于31。部件30包含本说明书所述的纳米结构铁素体合金(NFA)。在所示实施方案中，涡轮机械部件30包括邻近部件30径向对称主体中心31的内表面32(孔)和远离部件30中心31的外表面36(缘)。部件30的内表面32限定与径向对称主体同心的孔。在一个实施方案中，内表面32处合金中第一颗粒相的第一浓度低于叶轮外表面36处第一颗粒相的第二浓度。在一个实施方案中，叶轮30包含纳米结构铁素体合金，该合金具有从内表面32至外表面36渐变的第一颗粒相浓度。
在如图4所示的一些实施方案中，涡轮机械部件30具有从内表面32延伸至预定表面34的第一区域38和从外表面36延伸至预定表面34的第二区域40。在一个实施方案中，第一区域38和第二区域40包括相同的NFA基体组成，合金中第一颗粒相的浓度不同。第一区域38中第一颗粒相的第一浓度低于部件30的第二区域40中第一颗粒相的第二浓度。
在一些实施方案中，第一区域38中第一颗粒相的第一浓度为合金的约0.1体积百分比至约2体积百分比，第二区域40中第一颗粒相的第二浓度为合金的约0.7体积百分比至约3体积百分比。在一些实施方案中，如在前述实施方案中所述，部件30具有多个置于第一区域38和第二区域40之间的中间区域。在某些实施方案中，部件30可包含渐变的纳米结构铁素体合金，即纳米结构铁素体合金具有从内表面32至外表面36逐渐增大的第一颗粒相浓度(图3)。
可通过对合金基体中第一颗粒相(包括氧化物相)的浓度进行合适地设定，在部件的特定位置获得所需的机械性能。例如，叶轮可在邻近孔区域处具有低的氧化物相浓度来提供良好的极限拉伸强度和延展性以抗破裂，在邻近缘区域处具有高的氧化物相浓度来提高抗蠕变性。通常，可使用多种合金实现这些区域特殊性能。然而，使用这些多种化学上相异的合金造成了结合表面处的互扩散。这种互扩散可能在部件使用过程中对机械性能产生不良影响，从而缩减使 用寿命。在整个叶轮中使用一致的合金基体同时具有不同的氧化物相浓度使得能够实现区域特殊性能，并同时保持相同的基体以消除扩散问题和性能随时间变化的问题。
一些实施方案提供一种制品的形成方法。该方法包括使第一组成和第二组成结合以形成制品。第一组成和第二组成可通过置于其间的一种或多种中间组成相结合。在一个实施方案中，多种组成可通过一种组成与相邻组成结合而结合在一起。第一组成可具有第一氧浓度，第二组成可具有不同于第一氧浓度的第二氧浓度。所得制品包含金属基体和宏观上非均匀布置于制品内的第一颗粒相群。第一颗粒相群包括氧化物相。在某些实施方案中，所得材料包括NFA。
如本说明书所用氧浓度是指组成中总的氧浓度，可包括NFA中存在的溶解氧和以氧化物形式存在或其它相中存在的任何其它氧。
NFA组成的形成方法包括形成合金粉末和使粉末固结。合金粉末可通过本领域已知的任何方法形成。合金粉末的一种形成方法可首先使原材料例如铁和铬熔融来形成初始熔体。可方便地采用真空感应熔融法熔融原材料。可将熔融材料粉碎形成合金粉末，合金粉末可与外加氧化物材料一起研磨形成研磨了的合金粉末。在一个实施方案中，氧化物材料包括氧化钇、氧化锆、氧化铪、氧化铝、氧化硅、氧化镁或其组成。通常，可通过在一定温度下对研磨合金粉末进行固结来处理以使所需浓度的第一颗粒相群析出，所述第一颗粒相群包含具有所需尺寸的氧化物相。合适的处理工艺可包括等温锻造、热等静压(HIP)、挤出或其组合。在一个实施方案中，研磨合金粉末的处理包括热等静压(HIP)。至少一部分外加氧化物在粉末摩擦过程中溶解在合金基体中，并在固结处理过程中将粉末升至一定温度的情况下在形成前述纳米要素时析出。在该方法的任意特定情况下，外加氧化物的溶解量可根据处理参数和所选材料而少于大多数或基本上全部的外加氧化物。在一个实施方案中，第一复合氧化 物颗粒相可在固结步骤过程中析出。在一个实施方案中，如美国专利申请系列13/931108和14/074768所述，可通过将氧化物添加并混合于研磨合金粉末来建立第二颗粒相群。
可使用多种方法制造诸如涡轮机械部件30(图4)等制品。第一区域38包含第一组成，第二区域40包含第二组成。第一组成和第二组成可通过上述方法形成。第一组成的形成包括在第一含量氧化物存在的情况下研磨合金粉末，第二组成的形成包括在第二含量氧化物存在的情况下研磨合金粉末。对合金粉末进行研磨，直至氧化物至少部分地溶解在合金粉末中。在该方法的任意特定情况下，外加氧化物的溶解量可根据处理参数和所选材料而少于大多数、或大多数、或基本上全部的外加氧化物。
在一些实施方案中，第一组成和第二组成以研磨了的合金粉末形式存在。参照图5，该方法包括将第一组成置于容器50(例如HIP罐)的第一区域52和将第二组成置于容器50的第二区域54的步骤。容器50为围绕轴60的圆柱体。邻近轴60的容器50的第一区域52由第一表面56限定，第一表面56可相应于图4所示部件30的预定表面34。另外，容器50的第一区域52的一部分可相应于部件30的第一区域38。容器50的第二表面58可相应于第二表面36(图4)，即容器50的第二区域54可相应于部件30的第二区域40(图4)。在将组成置于容器50时可通过金属板(例如隔板)将两种合金粉末隔开。该方法还包括同时固结第一组成和第二组成的研磨合金粉末，从而使两种固结组成结合，以形成具有相应于容器50第一和第二区域52、54的第一部分和第二部分的固体原料(随后定义)。可在固结步骤之前将金属板从容器中取出，以使两种组成在HIP处理过程中得以结合。在某些实施方案中，通过HIP以及随后的锻造或挤出，使两种合金粉末固结。固结处理可在一定温度下进行，以使第一浓度和第二浓度的含钛和钇的氧化物相分别在容器的第一区域52和第二区 域54中析出。在某些实施方案中，第一区域52中的氧化物相第一浓度低于第二区域54中的氧化物相第二浓度。
用于固结NFA合金的容器50可没有如图3和图4所示由部件30的径向对称主体内表面32限定的钻孔。可在NFA处理完成之后在所得固体原料的第一部分机加工钻孔。如本说明书所用，在机加工钻孔之后，固体原料的第一部分相应于形成部件30第一区域38内表面32的第一组成。
在一些实施方案中，第一组成和第二组成以固体原料形式存在。固体原料是指不包括粉末形式的固态连续结构。将第一组成和第二组成的研磨合金粉末按照所需形状分别固结以形成固体原料。例如，参照图5，预先制造包含第一组成相应于第一区域52的第一(即内部)原料和包含第二组成相应于第二区域54的第二原料，然后结合。如上所述，可在包含第一组成的第一原料中机加工钻孔。在这些实施方案中，结合可通过焊接、共挤出、固态结合(solid-state joining)、扩散连接(diffusion bonding)、收缩配合(shrink fitting)或其组合来进行。
在一些实施方案中，至少第一组成或第二组成其中之一为固体原料形式，另一组成为粉末形式。在一个实例中，第一组成可为能够置于容器50第一区域52中的固体原料，第二组成可为能够置于容器50第二区域54(即围绕第一组成的固体原料)的粉末。在另一实例中，第二组成可为大致在中部具有空腔的固体原料，其能够置于容器50的第二区域54。第一组成可为能够置于第一区域52(即固体原料的空腔)的粉末。在这些实施方案中，所述方法还包括将第二组成的粉末固结，并且由此使第二组成与第一组成连接。在一些实施方案中，第一和第二组成经受HIP及随后的锻造处理。在一些实施方案中，第一组成和第二组成经受HIP和挤出处理。其它合适的连接工艺的实例包括共挤出以及喷涂法例如冷喷涂、热喷涂和等离子喷涂。
尽管本说明书仅对本发明的某些特征进行了示例和描述，但本领域技术人员可作出多种改进和改变。因而，应当理解的是所附权利要求意图覆盖所有这些落于本发明本质构思范围内的改进和改变。