超合金和其形成的部件制造技术

本发明专利技术涉及γ´镍基超合金和由其形成的部件，其呈现改进的高温保压能力，包括蠕变和停留时间疲劳裂纹生长行为。部件的具体例子为燃气涡轮发动机的粉末冶金涡轮盘。所述γ'镍基超合金以重量计包含：16.0-30.0%钴；9.5-12.5%铬；4.0-6.0%钽；2.0-4.0%铝；2.0-3.4%钛；3.0-6.0%钨；1.0-4.0%钼；1.5-3.5%铌；至多1.0%铪；0.02-0.20%碳；0.01-0.05%硼；0.02-0.10%锆；余量基本上为镍和杂质。所述超合金具有至少-6的W+Nb-Cr值，不含可观察到的量的σ和η相，且在1300℉和100ksi下至0.2%蠕变的时间至少为1000小时。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请交叉引用这是同时待审的美国专利申请序号12/474580的部分继续专利申请，该美国专利申请在2009年5月29号提交且以Bain等人的美国专利申请公开号2010/0303665公开。该现有申请的内容通过引用结合到文中。专利技术背景总体而言，本专利技术涉及镍基合金组合物，且更具体而言涉及适用于需要多晶微结构和高温停留时间（保压）能力的部件（例如燃气涡轮发动机的涡轮盘）的镍基超合金。燃气涡轮发动机的涡轮段位于燃烧室段的下游且包括转轴和一个或多个涡轮级，各个涡轮级具有安装或以其他方式由轴带动的涡轮盘（转子）和安装到盘的外围并从盘的外围径向延伸的涡轮静叶。燃烧室和涡轮段内的部件常常由超合金材料形成以在由热燃烧气体产生的高温下提供可接受的机械性能。现代的高压比燃气涡轮发动机中的较高的压缩机出口温度还可以使得使用用于压缩机盘、整体叶盘和其他部件的高性能镍超合金成为必要。用于给定部件的合适合金组合物和微结构取决于部件所经受的具体的温度、应力和其他条件。例如，机翼部件例如静叶和动叶常常由等轴、定向凝固（DS）或单晶（SX）超合金形成，然而涡轮盘通常由必须仔细经受受控锻造、热处理和表面处理例如喷丸处理以产生具有受控晶粒结构和合乎需要的机械性能的多晶微结构的超合金形成。涡轮盘常常由γ′析出-增强的镍基超合金（下文称为γ′镍基超合金）形成，所述镍基超合金包含铬、钨、钼、铼和/或钴作为与镍结合以形成γ基质的主要元素，且包含铝、钛、钽、铌和/或钒作为与镍结合以形成合乎需要的γ′析出增强相（主要为Ni3（Al，Ti））的主要元素。特别有名的γ′镍基超合金包括René88DT（R88DT；美国专利号4957567）和René104（R104；美国专利号6521175）以及以商标Inconel?、Nimonic?和Udimet?市售的某些镍基超合金。R88DT以重量计具有以下组成：约15.0-17.0%铬；约12.0-14.0%钴；约3.5-4.5%钼；约3.5-4.5%钨；约1.5-2.5%铝；约3.2-4.2%钛；约0.50-1.0%铌；约0.010-0.060%碳；约0.010-0.060%锆；约0.010-0.040%硼；约0.0-0.3%铪；约0.0-0.01钒；和约0.0-0.01钇；余量的镍和偶见杂质。R104以重量计具有以下标称组成：约16.0-22.4%钴；约6.6-14.3%铬；约2.6-4.8%铝；约2.4-4.6%钛；约1.4-3.5%钽；约0.9-3.0%铌；约1.9-4.0%钨；约1.9-3.9%钼；约0.0-2.5%铼；约0.02-0.10%碳；约0.02-0.10%硼；约0.03-0.10%锆；余量的镍和偶见杂质。盘和其他重要燃气涡轮发动机部件常常由坯段锻造而成，所述坯段通过粉末冶金（P/M）、常规的铸造和锻造加工以及喷射铸造或成核铸造成形技术生产。由粉末冶金形成的γ′镍基超合金特别能够提供蠕变、拉伸、和疲劳裂纹生长性能的良好平衡以满足涡轮盘和某些其他燃气涡轮发动机部件的性能要求。在典型的粉末冶金方法中，所需要的超合金粉末例如通过热等静压（HIP）和/或挤出固结经受固结。所得的坯段随后在稍微低于合金的γ′固溶线温度以接近超塑性成形条件的温度下等温锻造，这允许通过高几何应变的积累而不是显著冶金学应变的积累来填充模腔。这些加工步骤设计成原始地保留坯段内的细小晶粒尺寸（例如ASTM10-13或更细小），获得高塑性以填充近净成形锻造模具，避免锻造期间的裂纹，并保留相对低的锻造和模应力。为了提高高温下的抗疲劳裂纹生长和机械性能，这些合金随后在高于其γ′固溶线的温度下热处理（一般称为超固溶线热处理）以引起显著均匀的晶粒粗化。尽管合金例如R88DT和R104显著提高了超合金的高温能力，但是仍不断寻求进一步改进。例如，高温停留时间（保压）能力作为与更先进的军事和市售发动机应用相关的高温和应力的重要因素出现。随着更高温和更先进的发动机的发展，当前合金的蠕变和裂纹生长特征趋向于达不到满足先进盘应用的任务/寿命目标和要求的需要的能力。显而易见的是满足这个挑战的具体方面在于开发某些组合物，所述组合物在1200℉（约650℃）及更高的温度下在蠕变和停留时间（保压）疲劳裂纹生长速率特征方面表现出需要的和平衡的改进，同时还具有良好生产性和热稳定性。然而，以下事实使这个挑战复杂化：难以同时改进蠕变和裂纹生长特征，且蠕变和裂纹生长特征会受某些合金成分的存在或不存在以及超合金中所存在的合金成分的水平的相对小的变化显著影响。Bain等人的美国专利申请公开号2010/0303665涉及γ′镍基超合金，当适当加工以形成具有多晶微结构的部件（最有名是燃气涡轮发动机的涡轮盘）时，所述γ′镍基超合金能够呈现改进的高温保压能力，包括蠕变和停留时间疲劳裂纹生长行为。具体而言，Bain等人公开了一种γ'镍基超合金，其以重量计包含：16.0-30.0%钴；11.5-15.0%铬；4.0-6.0%钽；2.0-4.0%铝；1.5-6.0%钛；1.0-5.0%钨；1.0-5.0%钼；至多3.5%铌；至多1.0%铪；0.02-0.20%碳；0.01-0.05%硼；0.02-0.10%锆；余量基本上为镍和杂质。虽然获得相当大的停留时间性能改进以及获得蠕变能力改进，例如1200℉和115ksi（约650℃和约790MPa）下至0.2%蠕变的时间为至少1200小时，仍需要进一步改进，特别是在更高温例如1300℉（约705℃）及以上的蠕变性能方面。专利技术概述本专利技术提供了γ′镍基超合金和由其形成的部件，所述部件呈现改进的高温能力，特别是在超过1200℉（约650℃）温度下的蠕变。根据本专利技术的第一方面，γ'镍基超合金以重量计包含：16.0-30.0%钴；9.5-12.5%铬；4.0-6.0%钽；2.0-4.0%铝；2.0-3.4%钛；3.0-6.0%钨；1.0-4.0%钼；1.5-3.5%铌；至多1.0%铪；0.02-0.20%碳；0.01-0.05%硼；0.02-0.10%锆；余量基本上为镍和杂质。所述超合金具有至少-6的W+Nb-Cr值，不含可观察到的量的σ和η相，且在1300℉和100ksi下至0.2%蠕变的时间至少为1000小时。根据本专利技术的第二方面，γ'镍基超合金以重量计包含：17.0-20.5%钴；10.5-12.5%铬；4.5-5.5%钽；3.0-3.4%铝；2.5-2.9%钛；3.0-5.0%钨；2.5-3.0%钼；1.8-2.2%铌；至多0.6铪；0.048-0.068%碳；0.015-0.04%硼；0.04-0.06%锆；余量基本上为镍和杂质。所述超合金具有至少-6的W+Nb-Cr值，不含可观察到的量的σ和η相，且在1300℉和100ksi下至0.2%蠕变的时间至少为1000小时。本专利技术的其他方面包括可以由上述合金形成的部件，所述部件的具体例子包括燃气涡轮发动机的涡轮盘和压缩机盘以及整体叶盘。本专利技术的显著优点为平衡改进高温保压性能（特别是改进高于1200℉（约650℃）的温度下的蠕变特征），同时还具有良好生产性和良好本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种γ'镍基超合金，以重量计其包含：16.0‑30.0%钴；9.5‑12.5%铬；4.0‑6.0%钽；2.0‑4.0%铝；2.0‑3.4%钛；3.0‑6.0%钨；1.0‑4.0%钼；1.5‑3.5%铌；至多1.0%铪；0.02‑0.20%碳；0.01‑0.05%硼；0.02‑0.10%锆；余量基本上为镍和杂质；其中所述超合金具有至少‑6的W+Nb‑Cr值，不含可观察到的量的σ和η相，且在1300℉和100ksi下至0.2%蠕变的时间至少为1000小时。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.07.23 US 13/9484631.一种γ'镍基超合金，以重量计其包含：
16.0-30.0%钴；
9.5-12.5%铬；
4.0-6.0%钽；
2.0-4.0%铝；
2.0-3.4%钛；
3.0-6.0%钨；
1.0-4.0%钼；
1.5-3.5%铌；
至多1.0%铪；
0.02-0.20%碳；
0.01-0.05%硼；
0.02-0.10%锆；
余量基本上为镍和杂质；
其中所述超合金具有至少-6的W+Nb-Cr值，不含可观察到的量的σ和η相，且在1300℉和100ksi下至0.2%蠕变的时间至少为1000小时。
2.根据权利要求1的γ'镍基超合金，其中所述铬含量为10.0-12.5重量%。
3.根据权利要求1的γ'镍基超合金，其中所述铌含量为1.8-2.2重量%。
4.根据权利要求1的γ'镍基超合金，其中所述钨含量为3.0-5.0重量%。
5.根据权利要求1的γ'镍基超合金，其中所述铬含量为10.0-12.5重量%，所述铌含量为1.8-2.2重量%，且所述钨含量为3.0-5.0重量%。
6.根据权利要求1的γ'镍基超合金，其中所述钛含量为2.5-2.9重量%。
7.根据权利要求1的γ'镍基超合金，其中所述钼含量为2.5-3.0重量%。
8.根据权利要求1的γ'镍基超合金，其中所述γ'镍基超合金以重量计由以下组成：
16.0-30.0%钴；
9.5-12.5%铬；
4.0-6.0%钽；
2.0-4.0%铝；
2.0-3.4%钛；
3.0-6.0%钨；
1.0-4.0%钼；
1.5-3.5%铌；
至多1.0%铪；
0.02-0.20%碳；
0.01-0.05%硼；
0.02-0.10%锆；
余量基本上为镍和杂质。
9.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：DP穆雷尔，R迪多米齐奥，T汉伦，DY魏，AE维斯曼，KR拜恩，AM鲍威尔，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US