CN113994019B - 超合金粉末、部件以及用于由该粉末制造该部件的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及镍基超合金粉末，其包含按质量百分比计14.00％至15.25％的铬、14.25％至15.75％的钴、3.9％至4.5％的钼、4.0％至4.6％的铝、3.0％至3.7％的钛、0至200ppm的碳，余量包含镍和不可避免的杂质。本发明也涉及由该粉末制成的部件和该部件的制造工艺(100)。

Description

超合金粉末、部件以及用于由该粉末制造该部件的工艺

技术领域

本发明涉及超合金粉末、由该粉末制成的部件以及用于由该粉末制造该部件的工艺。

背景技术

通过粉末注射制造金属部件的工艺，称为金属注射模制(MIM)，包括将金属粉末与塑性粘结剂混合，以允许混合物被注射到模具中的步骤。然后，将在注射模具中获得的原始部件脱粘结剂，并且烧结，以获得致密部件。当合金是镍基超合金时，然后热处理致密部件，以获得所需的性能。

然而，在René77合金的MIM制造工艺中，难以获得具有良好蠕变行为的部件，特别地，在高于800摄氏度(℃)的温度下。

这种高温蠕变行为能对由MIM所生产的René77部件具有负面影响。这种蠕变行为可以限制由MIM工艺所生产的René77部件的应用领域。

发明内容

本发明旨在至少部分地补救这些缺点中的一些缺点。

为此，本发明涉及一种镍基超合金粉末，按质量百分比计，所述镍基超合金粉末包含14.00％至15.25％的铬、14.25％至15.75％的钴、3.9％至4.5％的钼、4.0％至4.6％的铝、3.0％至3.7％的钛、0至0.10的铜、0至0.50的铁、0至200ppm的碳，余量包含镍和不可避免的杂质。

这种粉末旨在用于制造镍基超合金部件，如导向叶片或转子叶片，例如燃气涡轮机的导向叶片。

较多的添加元素是钴(Co)、铬(Cr)、钼(Mo)、铝(Al)和钛(Ti)。

较少的添加元素是铜(Cu)和铁(Fe)，其最大质量百分比小于1％。

不可避免的杂质被定义为没有故意地被添加到组合物中，并且提供有其他元素的那些元素。在不可避免的杂质中，可以提及的是硅(Si)、锰(Mn)、氧(O)、硫(S)、硼(B)和钇(Y)。

要注意，尽管镍基超合金的碳含量可以给定上限，但是镍基超合金通常地具有接近该上限的碳含量。因此，应当理解，包含小于500ppm碳的超合金通常地具有接近500ppm的碳含量，且碳含量通常地大于300ppm。

由于粉末的碳含量小于或等于200ppm(按质量计每百万份数)，有可能限制生坯部件和脱粘结剂的部件的碳含量。由于脱粘结剂的部件的碳含量在烧结步骤过程中被减少，所以与其中碳含量通常地大于500ppm或者甚至大于700ppm的具有相似组合物的常规粉末相比，在晶界处的碳化物沉淀可大大减少。

确实，发明人已经确定，限制该部件的蠕变特性的来源之一是在晶界处存在碳化物，这些碳化物减缓或者甚至防止烧结的部件的晶粒的生长。

因此，在使烧结的部件中的晶粒生长的热处理步骤过程中，有可能获得的晶粒的尺寸大于利用常规粉末可以获得的其中碳含量通常地上大于500ppm或者甚至700ppm的晶粒的尺寸。

由于晶粒尺寸大于利用常规粉末可以获得的其中碳含量通常地大于500ppm或者甚至700ppm的晶粒的尺寸，所以改善了部件的蠕变行为。

在一些实施方式中，该超合金粉末包含5ppm至200ppm的碳。

在一些实施方式中，该超合金粉末具有根据ISO 13320标准，通过激光衍射所测量的小于或等于75μm、优选地小于或等于50μm的D90颗粒尺寸。

粉末的颗粒尺寸越小，烧结温度越低，并且烧结部件的密度越高。

在一些实施方式中，该超合金粉末具有球形形态。

该球形形态有利于MIM工艺和烧结。

本发明还涉及如上所定义的镍基超合金粉末制得的部件，所述部件包含小于700ppm的碳，优选地小于600ppm的碳。

在一些实施方式中，通过粉末注射模制工艺获得该部件。

在一些实施方式中，如根据ASTM E112-13标准所测量的，平均晶粒尺寸大于或等于ASTM6、优选地大于或等于ASTM5、更优选地大于或等于ASTM 4。

本发明还涉及由如上所定义的镍基超合金粉末制造部件的工艺，该工艺包括以下步骤：

-将镍基超合金粉末与至少两种粘结剂混合，以获得混合物；

-在模具中注射模制混合物，以获得生坯部件；

-对生坯部件脱粘结剂，以获得脱粘结剂的部件；

-烧结脱粘结剂的部件，以获得烧结的部件；以及

-热处理该烧结的部件，包括生长晶粒以使得根据ASTM E112-13标准所测量的平均晶粒尺寸大于或等于ASTM6，优选地大于或等于ASTM5，甚至更优选地大于或等于ASTM4的步骤，以及沉淀γ′相的步骤。

在一些实施方式中，利用包括在1h与6h之间的温度步骤进行烧结步骤。

在一些实施方式中，利用大于或等于1h，并且小于或等于20h，优选地小于或等于15h，甚至更优选地小于或等于10h的温度步骤进行该晶粒生长步骤。

在一些实施方式中，利用大于或等于1h，并且小于或等于20h，优选地小于或等于15h，更优选地小于或等于10h的温度的步骤进行该沉淀γ′相的步骤。

在一些实施方式中，该混合物的装料比大于或等于55％，优选地大于或等于60％，并且小于或等于75％、优选地小于或等于70％。

将该混合物的装料比定义为粉末的体积与总体积(粉末+添加剂)的比率。添加剂包括粘结剂，并且可以包括其他添加剂。

在一些实施方式中，在两个子步骤中进行脱粘结剂的步骤，即，对主粘结剂进行脱粘结剂的第一子步骤，以及对次粘结剂进行脱粘结剂的第二子步骤。

第二脱粘结剂的子步骤是热步骤，即，加热部件以烧掉第二粘接剂，并获得脱粘结剂的部件的步骤。

附图说明

参照附图，本发明的其他特征和优点将从以下通过非限制性实施例给出的实施方式的说明中显现。

图1为示出了用于由本发明的镍基超合金粉末制造部件的工艺的步骤的流程图。

图2A是通过图1的工艺，由包含高于200ppm碳的超合金粉末，在烧结步骤之后获得的部件的显微照片。

图2B是图2A的部件在晶粒生长步骤之后的显微照片。

图3A是通过图1的工艺，由包含小于200ppm碳的超合金粉末获得的部件的显微照片。

图3B是图3A的部件在晶粒生长步骤之后的显微照片。

具体实施方式

图1示意性地示出了由镍基超合金粉末制造部件的工艺100，所述镍基超合金粉末包含0至200ppm碳，优选地5ppm至200ppm碳。

实施例

研究了两种超合金粉末组合物，一种包含160ppm碳的组合物(实施例1)和一种类似于实施例1组合物的组合物，但包含740ppm碳的组合物(实施例2)。

实施例1和2(Ex1和Ex2)各自的组合物在表1中以质量百分比给出，余量包含镍和不可避免的杂质。

实施例1进一步包含按质量计0.060％的硅和按质量计0.030％的氧作为不可避免的杂质。

实施例2进一步包含按质量计0.050％的硅、按质量计0.022％的氧以及按质量计0.014％的锰作为不可避免的杂质。

表1

	Cr	Co	Mo	Al	Ti	Cu	Fe	C
									Ex1	14.72	15.06	4.3	4.4	3.6	0.03	0.20	0.0160
Ex2	15.01	14.30	4.5	4.2	3.5	0.03	0.14	0.0740

在混合步骤102的过程中，将该超合金粉末与至少两种粘结剂进行混合，一种热塑性主粘结剂赋予了允许将该混合物被注射到该模具中的混合物流变学特性，以及一种次粘结剂赋予了该生坯部件的机械强度，从而允许在脱模之后处理该生坯部件。

典型地，该混合物的装料比，即，粉末体积相对于总体积(粉末+添加剂)包括在60％与70％之间。添加剂包括粘结剂和其他添加剂。

在所描述的实施方式中，主粘结剂与次粘结剂的比率按质量计为2：1，即，混合物包含按质量计两倍于次粘结剂的主粘结剂。

热塑性主粘结剂的非限制性实施例，可以提及的是石蜡、巴西棕榈蜡、蜂蜡、花生油、乙酰苯胺、安替吡啉、萘、聚甲醛树脂(POM)。

次粘结剂的非限制性实施例，可以提及的是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚乙烯乙酸乙烯酯(PE-VA)、聚丙烯酸乙酯(PEA)、聚邻苯二酰胺(PPA)。

其他添加剂的非限制性实施例，可以提及的是硬脂酸、油酸及其酯、以及邻苯二甲酸酯。

然后，以已知的方式进行在模具中注射模制混合物，以获得生坯部件的步骤104。

通常地在两个子步骤中执行脱粘结剂的步骤106，即，对主粘结剂进行脱粘结剂的第一子步骤106A。这种对主粘结剂进行脱粘结剂的步骤106A通常地在包括30℃至100℃之间的温度下以及借助于溶剂进行。例如，该溶剂可以是水。

次粘结剂总是存在，并且赋予部件允许其被处理的机械强度。

第二脱粘结剂的子步骤106B是热步骤，即，加热部件以烧掉次粘接剂，并且获得脱粘结剂的部件的步骤。

例如，在用于烧结该部件的温度升高过程中进行该第二子步骤106B。例如，利用包括在30分钟到10小时之间的步骤，在400℃到700℃之间进行热脱粘结剂的步骤106B。

在烧结步骤108中，致密化脱粘结剂的部件。例如，在1230℃至1300℃下烧结该部件5小时。

图2和图3分别示出了实施例2和实施例1的微结构。可以看出，根据ASTME112-13标准所测量的，在烧结步骤108之后且在热处理步骤110之前，实施例2的平均晶粒尺寸为约ASTM8，而实施例1的平均晶粒尺寸为约ASTM4。

然后，将烧结的部件进行热处理。热处理步骤110包括生长晶粒，使得根据ASTME112-13标准所测量的平均晶粒尺寸大于或者等于ASTM6，优选地大于或等于ASTM5，更优选地大于或等于ASTM4的步骤110A，以及沉淀γ′相的步骤110B。

典型地，在晶粒生长步骤110A之后，对于实施例2，对于在1275℃进行10小时的晶粒生长步骤110A，平均晶粒尺寸为约ASTM6。

在晶粒生长步骤110A之后，对于实施例1，对于在1275℃下进行5h的晶粒生长步骤110A，平均晶粒尺寸为约ASTM3。

在晶粒生长步骤110A之后，热处理步骤110包括沉淀γ′相的步骤110B。该沉淀相的步骤110B不改变平均晶粒尺寸。

在烧结步骤108与热处理步骤110之间，可以使该部件降至室温。

在晶粒生长步骤110A与沉淀步骤110B之间，可以使部件降至室温。

由实施例1的超合金粉末获得的部件具有比由实施例2的超合金粉末获得的部件更好的高温蠕变行为。作为说明，在950℃下，所有测试条件都是恒定的，观察到由实施例1的超合金粉末获得的部件的使用寿命比由实施例2的超合金粉末获得的部件的使用寿命长2至2.5倍之间。该测试是根据NF EN ISO 204标准进行至失效的单轴拉伸蠕变试验。

尽管已经参考具体实施例性实施方式描述了本发明，但是显而易见的是，在不背离由权利要求限定的本发明的通常范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和改变。此外，所讨论的不同实施方式的单独特征可以被组合在附加实施方式中。因此，应该以示例性而非限制性的意义来考虑说明书和附图。

Claims (9)

1.一种镍基超合金粉末制造部件的工艺(100)，所述镍基超合金粉末包含按质量百分比计，14.00％至15.25％的铬、14.25％至15.75％的钴、3.9％至4.5％的钼、4.0％至4.6％的铝、3.0％至3.7％的钛、0至0.10的铜、0至0.50的铁、0至200ppm的碳，余量包含镍和不可避免的杂质，所述工艺包括以下步骤：

-将镍基超合金粉末与至少两种粘结剂混合以获得混合物(102)，所述混合物的装料比大于或等于55％，并且小于或等于75％；

-在模具中注射模制混合物，以获得生坯部件(104)；

-对生坯部件进行脱粘结剂，以获得脱粘结剂的部件(106)，在下面两个子步骤中进行脱粘结剂的步骤，对主粘结剂进行脱粘结剂的第一子步骤，以及通过烧掉次粘接剂，对次粘结剂进行脱粘结剂，并且获得脱粘结剂的部件的第二子步骤；其中，主粘结剂是热塑性主粘结剂，选自下列：石蜡、巴西棕榈蜡、蜂蜡、花生油、乙酰苯胺、安替吡啉、萘、聚甲醛树脂；其中，次粘结剂选自下列：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚乙烯乙酸乙烯酯、聚丙烯酸乙酯、聚邻苯二酰胺；

-烧结所述脱粘结剂的部件，以获得烧结的部件(108)；以及

-热处理该烧结的部件(110)，包括生长晶粒的步骤(110A)，利用在大于或等于1h，并且小于或等于20h的温度步骤，进行所述生长晶粒的步骤，使得根据ASTM E112-13标准所测量的晶粒的平均尺寸大于或者等于ASTM5，以及沉淀γ′相的步骤(110B)，利用大于或等于1h，并且小于或等于20h的温度的步骤进行所述沉淀γ′相的步骤。

2.根据权利要求1所述的制造部件的工艺(100)，其中，使得根据ASTM E112-13标准所测量的晶粒的平均尺寸大于或者等于ASTM4。

3.根据权利要求1或2所述的制造部件的工艺(100)，其中，所述烧结步骤(108)利用包括在1h和6h之间的温度步骤进行。

4.根据权利要求1或2所述的制造部件的工艺(100)，其中，镍基超合金粉末包含5ppm至200ppm的碳。

5.根据权利要求1或2所述的制造部件的工艺(100)，其中，镍基超合金粉末具有根据ISO 13320标准，通过激光衍射测量的小于或等于75μm的D90颗粒尺寸。

6.根据权利要求1或2所述的制造部件的工艺(100)，其中，镍基超合金粉末具有根据ISO 13320标准，通过激光衍射测量的小于或等于50μm的D90颗粒尺寸。

7.根据权利要求1或2所述的制造部件的工艺(100)，其中，镍基超合金粉末具有球形形态。

8.由根据权利要求1至7中任一权利要求所述的制造部件的工艺(100)制造的部件，所述部件包含小于700ppm的碳。

9.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的制造部件的工艺(100)制造的部件，所述部件包含小于600ppm的碳。