[發明專利]鎳基超合金、其方法和自其形成的部件

在審

• 申請號: 201380037147.1
• 申請日: 2013-07-11
• 公開（公告）號: CN104428431A
• 公開（公告）日: 2015-03-18
• 發明（設計）人: M.L.拉森德;D.P.莫雷爾;J.A.希尼三世
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: C22C19/05
• 分類號: C22C19/05
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 徐晶;林森

相關申請的交叉引用

本申請要求2012年7月12日提交的美國臨時申請第61/670,634號的權益，該臨時申請的內容以引用方式并入本文。

背景技術

本發明一般地涉及合金組合物，更特別是涉及適合于需要多晶微結構及高溫停留(dwell)和/或蠕變能力的部件(如燃氣渦輪發動機的渦輪盤)的超合金。這樣的合金也可以多晶粒定向凝固(multi-grain?directionally?solidified)形式或單晶形式使用。

燃氣渦輪發動機的渦輪段位于燃燒室段的下游并含有轉子軸和一個或多個渦輪級，每一個渦輪級具有由所述軸裝配或以其它方式攜帶的渦輪盤(轉子)和裝配到所述盤的周緣并從所述盤的周緣徑向延伸的渦輪葉片。燃燒室和渦輪段內的部件常常由超合金材料形成以在因熱的燃燒氣體所致的高溫下獲得可接受的機械性質。現代高壓力比燃氣渦輪發動機中較高的壓縮機出口溫度也可能需要對壓縮機盤、整體葉盤和其它部件使用高性能超合金。對于給定部件而言合適的合金組成和微結構取決于該部件經受的特定溫度、應力和其它條件。例如，翼型部件(如葉片和輪葉)常常由等軸、定向凝固(DS)或單晶(SX)超合金形成，而渦輪盤通常由必須經歷嚴格控制的鍛造、熱處理和表面處理以產生具有受控的晶粒結構和期望的機械性質的多晶微結構的超合金形成。

渦輪盤常常由γ′(gamma?prime)(γN)析出強化鎳基超合金(在后文中，為γ′鎳基超合金)形成，所述超合金含鉻、鎢、鉬、錸和/或鈷作為與鎳化合形成γ基質的主要元素并且含鋁、鈦、鉭、鈮和/或釩作為與鎳化合形成期望的γ′析出強化相(主要是Ni₃(Al，Ti))的主要元素。特別值得一提的γ′鎳基超合金包括René?88DT(R88DT；美國專利第4,957,567號)和René104(R104；美國專利第6,521,175號)以及某些可以商標名和U商購獲得的鎳基超合金。R88DT具有如下組成：約15.0-17.0重量％的鉻、約12.0-14.0重量％的鈷、約3.5-4.5重量％的鉬、約3.5-4.5重量％的鎢、約1.5-2.5重量％的鋁、約3.2-4.2重量％的鈦、約0.5-1.0重量％的鈮、約0.010-0.060重量％的碳、約0.010-0.060重量％的鋯、約0.010-0.040重量％的硼、約0.0-0.3重量％的鉿、約0.0-0.01的釩和約0.0-0.01的釔，余量為鎳和附帶的雜質。

盤和其它關鍵的燃氣渦輪發動機部件常常由通過粉末冶金(P/M)、常規鑄造和鍛制加工及噴鑄或成核鑄造成形技術產生的坯錠(billet)鍛造而成。通過粉末冶金形成的γ′鎳基超合金特別能夠提供蠕變、拉伸和疲勞裂紋擴展性質的良好平衡以滿足渦輪盤和某些其它燃氣渦輪發動機部件的性能需要。在典型的粉末冶金方法中，所需超合金的粉末經歷固結，例如通過熱等靜壓(HIP)和/或擠出固結。然后使所得坯錠在略低于合金的γ′固溶線溫度的溫度處等溫鍛造以接近超塑成形條件，這將允許通過高幾何應變的積聚而無顯著冶金應變的積聚地填充模腔。這些加工步驟設計為最初在坯錠內保持細晶粒尺寸(例如，ASTM?10至13或更細)、獲得高塑性以填充近凈成形鍛模、避免鍛造過程中的斷裂和保持相對低的鍛造和模應力。這樣的合金可在γ′固溶線之下或之上熱處理。為改善在適度升高的溫度處的屈服強度和延展性，這些合金可在其γ′固溶線溫度之下熱處理(通常稱為亞固溶線熱處理)以保持細小均勻的晶粒。為改善在甚至更高的溫度處的疲勞裂紋擴展阻力和機械性質，將這些合金在其γ′固溶線溫度之上熱處理(通常稱為超固溶線熱處理)以引起晶粒顯著、均勻的粗化。

當前的合金，包括R88DT，已在轉子性能能力方面提供了顯著的改善。然而，在產生這些合金的經濟學和可行性方面的改善是人們繼續尋求的。在保持優質合金產品的同時實現低成本加工的關鍵因素包括采用高水平的廢料和下腳料(revert)作為合金生產中常用的熔煉方法和粉末冶金方法的輸入。下腳料常常呈材料的標稱組成(nominal?composition)的固體或碎片形式，而廢料的標稱組成可為不同的組成并可含有待生產的所需合金的組成中無意于包含的元素。可使用呈下腳料或廢料的不同組成的合金與其它元素輸入材料一道作為熔煉批次的輸入材料。要求是輸入材料的聚集體化學滿足需要生產的合金的容許組成范圍。輸入材料的此類組合以混合物法則為指導原則并且在標準熔煉實踐中得以建立且目前作為現有技術采用。