[發明專利]制造由單晶或定向凝固鎳基超級合金制成的構件的方法

有效

• 申請號: 201380017129.7
• 申請日: 2013-03-22
• 公開（公告）號: CN104220626B
• 公開（公告）日: 2017-09-26
• 發明（設計）人: T.埃特;R.米克
• 申請（專利權）人: 通用電器技術有限公司
• 主分類號: C22F1/10
• 分類號: C22F1/10;F01D5/28;F01D5/30;C30B29/52
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 嚴志軍,肖日松

技術領域

本發明涉及鎳基超級合金的技術。根據權利要求1的前序，其涉及用于制造由單晶(SX：single crystal)或定向凝固(DS：directionally solidified)鎳基超級合金制成的構件(11)(尤其是燃氣渦輪的構件)的方法。

背景技術

單晶(SX)和定向凝固(DS)超級合金的延展性(可變形性)比在常規地鑄造(CC)的部件中低。在具有高多軸性的區域中，SX和DS材料的低延展性(見下述)進一步降低。

另一方面，渦輪葉片的熱機械載荷由于熱應變和高機械應力而要求一定程度的延展性(可變形性)。

斷裂應變ε_R是用于描述材料的延展性(可變形性)的材料極限。為了安全的設計，斷裂應變必須超過設計中的機械應變，其由在圖1中顯示的非彈性應變ε_I和彈性應變ε_E之和限定。

斷裂應變受到材料多軸性的影響。對于應力的單軸1D狀態(見圖2(a)中的構件10)，泊松效應導致相當高的斷裂應變 (圖2(b))。應力的多軸3D狀態減少(或甚至阻止)泊松效應，即多軸應力狀態的可變形性僅通過彈性體積變化來獲得，圖3(a)。此外，若干破壞機制(如蠕變小孔(creep pore)的增長)顯著地受多軸性影響，以至于這種情況下的斷裂應變顯著地減少(圖3(b))。

在文獻中，多軸性對延展性的影響由應力比

描述，其中為流體靜應力，且為等效應力(von Mises stress)，其中表示應力偏量。然后延展性的降低通過修正因數

來描述，其中根據Rice and Tracey，

且根據Cocks and Ashby

，

其中對于剛性塑性變形，n→∞。兩個模型均預知了材料的可變形性的由于多軸性的顯著降低(見圖4)。

圖5示出燃氣渦輪葉片11的中央部分，其包括根部12，平臺13和翼型件14。穿過所述中央部分的三個不同切口1-3在圖6中示有應力比r的對應分布。如由圖6可知，渦輪葉片中的厚區域的多軸性達到高達r=1.6的值。這分別對應于使用Rice＆Tracey模型單軸地測得的低至15％的和使用Cocks＆Ashby模型單軸地測得的低至6％延展性的降低(圖4)。

因為渦輪葉片的(由于壓力和離心載荷和不均衡的溫度分布的)載荷產生約為高達1％的機械應變，所以需要相當大的材料延展性。

文獻US 5,451,142描述了一種方法以提供高強度多晶超級合金的層/涂層，其結合至鎳基超級合金渦輪葉片的根部。該層為噴射到葉片的樅樹狀件(fir tree)上的等離子體。

文獻US 4,921,405教導了一種單晶渦輪葉片，其使其附接區段(樅樹狀件)的部分由細粒多晶合金覆蓋。根據該教導，該覆蓋優選為通過用超級合金來等離子體噴射該附接區段且將所噴射的合金熱均衡地壓制至最小孔隙度來完成。所得的渦輪葉片將具有因復合附接區段的減少的低循環、低溫疲勞敏感性、和其中的裂紋增長而導致的改善的壽命。

在兩種情況中，在葉片的制造期間需要應用特別的涂布工序，這需要大量的額外時間和成本花費。

US 4,582,548描述了一種用于在燃氣渦輪發動機中使用的單晶鑄造合金。沿縱軸方向鑄造和加工單晶實心葉片或桿。在加工之后，使它們固溶且然后假涂布(pseudocoat)并老化。EP 1184473 A2公開了鎳基單晶超級合金和用于制造其的方法。該方法與在US 4,582,548中描述的方法相似，在加工步驟之后，進行樣本/構件的固溶熱處理和附加熱處理步驟。

發明內容

本發明的目的為公開一種用于制造構件(尤其是燃氣渦輪的構件)的方法，該構件由單晶(SX)或定向凝固(DS)鎳基超級合金制成，這在不引起額外花費的情況下導致構件必要強度。

通過一種用于制造由單晶或定向凝固鎳基超級合金制成的構件的方法達到該目的和其他目的，該方法包括：進行構件的固溶熱處理；加工構件；機械地變形/處理構件的選定表面；進行升高的溫度下但低于γ’固溶溫度的第一熱處理步驟；將附加涂層應用于所述表面；以及進行涂層擴散熱處理步驟和沉淀熱處理步驟。

用于制造構件(尤其是燃氣渦輪的構件)的創造性方法包括熱處理和加工和/或機械處理步驟，該構件由單晶(SX)或定向凝固(DS)鎳基超級合金制成。在所述熱處理之前，但在進行構件的固溶熱處理之后進行加工/機械處理步驟。

加工步驟包括例如銑削步驟或磨削步驟，且機械處理步驟可以為噴丸硬化。