镍基超合金、其方法和自其形成的部件技术

一种适合于制造结构部件(10)如涡轮盘(10)和其它涡轮机械部件的γ′镍基超合金。所述超合金包含至多2.0％的有意的量的铁并优选能够表现出与无铁的镍基超合金相当的结构性质。所述超合金可使用允许其自身有利地使用含铁合金的废料和下脚料的方法制得。所述超合金不含可观察的量的σ相。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】镍基超合金、其方法和自其形成的部件 相关申请的夺叉引用 本申请要求2012年7月12日提交的美国临时申请第61/670, 634号的权益，该临 时申请的内容以引用方式并入本文。
技术介绍
本专利技术一般地涉及合金组合物，更特别是涉及适合于需要多晶微结构及高温停留 (dwell)和/或蠕变能力的部件（如燃气涡轮发动机的涡轮盘）的超合金。这样的合金也 可以多晶粒定向凝固（multi-graindirectionallysolidified)形式或单晶形式使用。 燃气涡轮发动机的涡轮段位于燃烧室段的下游并含有转子轴和一个或多个涡轮 级，每一个涡轮级具有由所述轴装配或以其它方式携带的涡轮盘（转子）和装配到所述盘 的周缘并从所述盘的周缘径向延伸的涡轮叶片。燃烧室和涡轮段内的部件常常由超合金材 料形成以在因热的燃烧气体所致的高温下获得可接受的机械性质。现代高压力比燃气涡轮 发动机中较高的压缩机出口温度也可能需要对压缩机盘、整体叶盘和其它部件使用高性能 超合金。对于给定部件而言合适的合金组成和微结构取决于该部件经受的特定温度、应力 和其它条件。例如，翼型部件（如叶片和轮叶）常常由等轴、定向凝固（DS)或单晶（SX)超 合金形成，而涡轮盘通常由必须经历严格控制的锻造、热处理和表面处理以产生具有受控 的晶粒结构和期望的机械性质的多晶微结构的超合金形成。 涡轮盘常常由γ'(gammaprime) (γΝ)析出强化镍基超合金（在后文中，为 镍基超合金）形成，所述超合金含铬、钨、钼、铼和/或钴作为与镍化合形成γ基质的 主要元素并且含铝、钛、钽、铌和/或钒作为与镍化合形成期望的析出强化相（主要 是附3仏1，11))的主要元素。特别值得一提的丫'镍基超合金包括1^1168801'〇?8801';美 国专利第4, 957, 567号）和Ren6104(R104 ;美国专利第6, 521，175号）以及某些可以商 标名Inconel?、Nimonic?和Udimet?商购获得的镍基超合金。R88DT具有如下组成： 约15. 0-17. 0重量％的铬、约12. 0-14. 0重量％的钴、约3. 5-4. 5重量％的钼、约3. 5-4. 5 重量％的钨、约1. 5-2. 5重量％的铝、约3. 2-4. 2重量％的钛、约0. 5-1.0重量％的铌、约 0. 010-0. 060重量％的碳、约0. 010-0. 060重量％的锆、约0. 010-0. 040重量％的硼、约 0. 0-0. 3重量％的铪、约0. 0-0. 01的钒和约0. 0-0. 01的钇，余量为镍和附带的杂质。 盘和其它关键的燃气涡轮发动机部件常常由通过粉末冶金（P/Μ)、常规铸造和锻 制加工及喷铸或成核铸造成形技术产生的坯锭（billet)锻造而成。通过粉末冶金形成的 γ^镍基超合金特别能够提供蠕变、拉伸和疲劳裂纹扩展性质的良好平衡以满足涡轮盘和 某些其它燃气涡轮发动机部件的性能需要。在典型的粉末冶金方法中，所需超合金的粉末 经历固结，例如通过热等静压（HIP)和/或挤出固结。然后使所得坯锭在略低于合金的γ' 固溶线温度的温度处等温锻造以接近超塑成形条件，这将允许通过高几何应变的积聚而无 显著冶金应变的积聚地填充模腔。这些加工步骤设计为最初在坯锭内保持细晶粒尺寸（例 如，ASTM10至13或更细）、获得高塑性以填充近净成形锻模、避免锻造过程中的断裂和保 持相对低的锻造和模应力。这样的合金可在γ'固溶线之下或之上热处理。为改善在适 度升高的温度处的屈服强度和延展性，这些合金可在其γ^固溶线温度之下热处理（通常 称为亚固溶线热处理）以保持细小均匀的晶粒。为改善在甚至更高的温度处的疲劳裂纹扩 展阻力和机械性质，将这些合金在其γ^固溶线温度之上热处理（通常称为超固溶线热处 理）以引起晶粒显著、均匀的粗化。 当前的合金，包括R88DT，已在转子性能能力方面提供了显著的改善。然而，在 产生这些合金的经济学和可行性方面的改善是人们继续寻求的。在保持优质合金产品的 同时实现低成本加工的关键因素包括采用高水平的废料和下脚料（revert)作为合金生 产中常用的熔炼方法和粉末冶金方法的输入。下脚料常常呈材料的标称组成（nominal composition)的固体或碎片形式，而废料的标称组成可为不同的组成并可含有待生产的所 需合金的组成中无意于包含的元素。可使用呈下脚料或废料的不同组成的合金与其它元素 输入材料一道作为熔炼批次的输入材料。要求是输入材料的聚集体化学满足需要生产的合 金的容许组成范围。输入材料的此类组合以混合物法则为指导原则并且在标准熔炼实践中 得以建立且目前作为现有技术采用。 转子级超合金可通过多种方法生产，包括粉末加工和熔体加工。R88DT通常使用粉 末金属加工来制造。一些其它盘合金，例如镍基超合金IN718,通常使用常规熔炼方法来生 产。为改善成本效益，期望R88DT和类似合金使用常规熔炼方法并采用废料和下脚料以与 生产IN718所用相同的熔炼和坯锭转换设备来生产。对IN718报道的标称元素组成范围为： 50-55重量％的镍、17-21重量％的铬、2. 8-3. 33重量％的钼、4. 75-5. 5重量％的铌、0-1. 0 重量％的钴、〇. 65-1. 15的钛、0. 2-0. 8重量％的铝、0-0. 35重量％的锰、0-0. 3重量％的铜、 0-0. 08重量％的碳、0-0. 006重量％的硼，余量为铁（标称18. 5重量％ )和附带的杂质。在 超合金中，IN718因其普遍的使用而卓著，据报道其用量为锻制镍基超合金的工业总产量的 大约45%。在此使用水平下，IN718还有在许多R88DT下脚料形式、尤其是碎片和其它超合 金废料内混合的实际潜力。然而，对于R88DT来说，耐受IN718的显著铁含量的能力为使用 下脚料和废料的成本效益中的限制因素，因为如上所述，R88DT不含铁作为组成成分。通常 认为当被铁污染时R88DT可能导致可观察的量的〇 (sigma)相的形成，其在R88DT中通常 为（Fe，Mo)x(Ni，Co)y，其中X和y= 1至7。σ相为熟知的拓扑密堆（TCP)相，其可能不利 地影响γ'镍基合金的机械能力。在本讨论的上下文中，可观察的量认为是在500X的光学 放大下可在合适的经蚀刻金相样品中看到的任何量。因此，用于R88DT的生产中的废料或 下脚料利用将有着在R88DT中不期望的铁污染和σ相形成的高概率。 在利用高水平的ΙΝ718废料或下脚料的同时防止铁交叉污染的现有尝试包括通 过使不同合金的碎片物理地保持分离来实现合金偏析。不幸的是，这样的方法在额外的人 员培训和维持分离的碎片或容器方面有着显著的限制。另外，可能有来自先前可能已用于 含铁合金的生产的熔炼设备或者熔体处理或加工设备的污染，在这种情况下，在向不同合 金的生产的切换之间需要设备的彻底清洗。 上面提到的防止铁污染的方法将导致有价值材料和/或生产效率的损失。因此， 如果可开发出能够具有与R88DT相似的性质然而能耐受铁的存在以便将允许废料和下脚 料含铁合金的使用或者含无意的铁污染的下脚料的使用的镍基超合金，则将是有利 的。如果可找到将允许可测量量的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种γ′镍基超合金，所述γ′镍基超合金包含落在由以下限定的组成空间内的组成：约15.0‑17.0重量％的铬、约12.0‑14.0重量％的钴、约3.5‑4.5重量％的钼、约3.5‑4.5重量％的钨、约1.5‑2.5重量％的铝、约3.2‑4.2重量％的钛、约0.5‑1.0重量％的铌、约0.010‑0.060重量％的碳、约0.010‑0.060重量％的锆、约0.010‑0.040重量％的硼、约0.0‑0.3重量％的铪、约0.0‑0.01的钒和约0.0‑0.01的钇，余量为镍和附带的杂质，所述超合金还含有超过杂质水平并至多2.0重量％的量的铁，所述超合金不含可观察的量的σ相。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.07.12 US 61/6706341. 一种Y'镍基超合金，所述Y'镍基超合金包含落在由以下限定的组成空间内 的组成：约15. 0-17. 0重量％的铬、约12. 0-14. 0重量％的钴、约3. 5-4. 5重量％的钼、约 3. 5-4. 5重量％的钨、约1. 5-2. 5重量％的铝、约3. 2-4. 2重量％的钛、约0. 5-1. 0重量％的 铌、约0. 010-0. 060重量％的碳、约0. 010-0. 060重量％的锆、约0. 010-0. 040重量％的硼、 约0. 0-0. 3重量％的铪、约0. 0-0. 01的钒和约0. 0-0. 01的钇，余量为镍和附带的杂质，所 述超合金还含有超过杂质水平并至多2. 0重量％的量的铁，所述超合金不含可观察的量的 〇相。2. -种部件（10)，所述部件（10)由根据权利要求1所述的Y '镍基超合金形成。3. 根据权利要求2所述的部件（10)，其特征在于，所述部件（10)为涡轮盘、压缩机盘、 整体叶盘、密封件、轴或保持器。4. 一种制造根据权利要求2所述的部件（10)的方法，所述方法包括选自以下的至少一 个步骤： 向原材料中加入至少一种含铁合金并熔炼所述含铁合金和所述原材料以产生所述超 合金； 向原材料中加入至少一种含铁废料合金并熔炼所述含铁废料合金和所述原材料以产 生所述超合金；和 直接使用先前用来熔炼含铁合金而未清洗熔炼设备以移除所述含铁合金的剩余物的 所述熔炼设备来熔炼所述超合金。5. -种生产根据权利要求1所述的Y '镍基超合金的方法，其特征在于，所述方法包 括选自以下的至少一个步骤： 向原材料中加入至少一种含铁合金并熔炼所述含铁合金和所述原材料以产生所述超 合金； 向原材料中加入至少一种含铁废料合金并熔炼所述含铁废料合金和所述原材料以产 生所述超合金；和 直接使用先前用来熔炼含铁合金而未清洗熔炼设备以移除所述含铁合金的剩余物的 所述熔炼设备来熔炼所述超合金。6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述至少一种含铁合金包含50-55重量％ 的镍、17-21重量％的铬、2. 8-3. 33重量％的钼、4. 75-5. 5重量％的铌、0-1. 0重量％的钴、 0. 65-1. 15的钛、0. 2-0. 8重量％的铝、0-0. 35重量％的锰、0-0. 3重量％的铜、0-0. 08重 量％的碳、〇-〇. 006重量％的硼，余量为铁和附带的杂质。7. 根据权利要求1所述的Y '镍基超合金，其组成为由以下成分组成：15. 8至16. 2重 量％的铬、12. 9至13. 3重量％的钴、3. 95至4. 1重量％的钼、3. 9至4. 1重量％的钨、2. 01 至2. 24重量％的铝、3. 6至3. 9重量％的钛、0. 67至0. 74重量％的铌、0. 012至0. 02重量％ 的硼、0. 005至0. 011重量％的碳、0. 02至0. 06重量％的锆、0. 0-0. 3重量％的铪、0. 0-0. 01 的钒、0. 〇...

【专利技术属性】
技术研发人员：ML拉森德，DP莫雷尔，JA希尼三世，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US