CN1840719A - 超耐热合金组成、制品、及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种物质的组成，包括下列结合，以重量百分比计：最大含量的镍；至少16.0％的钴；和至少3.0％的钽。该组成可以用粉末冶金工艺来制造涡轮发动机的涡轮叶轮。

Description

超耐热合金组成、制品、及制造方法

                     U.S.政府的权利

本发明是基于海空军指挥部授予的No.N00421-02-3-3111协议、在美国政府的支持下完成的。美国政府对本发明具有某些权利。

                        技术背景

本发明涉及镍基超耐热合金(superalloy)。尤其是，本发明涉及用于高温燃气涡轮发动机部件如涡轮叶轮(disk)和压缩机叶轮的这类超耐热合金。

燃气涡轮发动机的燃烧、涡轮和排气区域像压缩机后半部分一样要承受极端的加热。这种加热对这些区域的部件带来了严重的材料限制。尤其重要的一个区域包括叶片轴承涡轮叶轮。在发动机运行的大部分时间内，叶轮除了承受上述热应力外，还承受极端的机械应力。

已经开发出特殊材料以满足在涡轮叶轮应用方面的需要。美国专利6521175公开了一种通过粉末冶金生产涡轮叶轮的高级镍基超耐热合金。’175专利公开的内容如同详细阐述一样在此引用作为参考。’175专利公开了为短时间发动机循环而最优化的叶轮合金，其叶轮温度近似大约为1500°F(816℃)。在US5104614，US2004221927，EP1201777和EP1195446中公开了其它叶轮合金。

已经分别提议用其它材料来满足涡轮叶片的应用。叶片一般通过铸造制成，并且一些叶片具有复杂的内部结构。美国专利3061426、4209348、4569824、4719080、5270123、6355117和6706241公开了不同的叶片合金。

                        发明概述

本发明一方面涉及一种镍基组成(composition)物质，其具有较高浓度的钽以及较高浓度的一种或多种其它成分。

以不同的方式，合金可以用来通过粉末冶金工艺来生产涡轮叶轮。所述一种或多种其它成分可以包括钴。所述一种或多种其它成分可以包括γ撇形成元素(γ′)和/或η形成元素(η)的结合(combination)。

本发明的一个或多个实施方案的细节将在附图和以下的说明中阐述。本发明的其他特征、目的和优势将由说明书和附图、以及由权利要求书变得显而易见。

                         附图说明

图1是燃气涡轮发动机涡轮叶轮组件的局部分解图。

图2是制造图1所示组件中叶轮的工艺流程图。

图3是发明叶轮合金和现有技术合金的组成的表。

图4是图3所示叶轮合金腐蚀后的光学显微照片。

图5是图3所示叶轮合金腐蚀后的扫描电镜显微照片(SEM)。

图6所示表格是图3所示叶轮合金和现有技术合金的选择测量特性。

在不同附图中的相同附图标记表示相同的元件。

                         详细说明

图1所示为燃气涡轮发动机叶轮组件20，包括叶轮22和多个叶片24。叶轮通常为环形，从位于中心孔处的内侧的镗孔或轮毂26延伸到外侧轮缘28。在镗孔26和轮缘28之间是相对较薄的径向辐板30。轮缘28的外围有一排环形排列的啮合部分32(例如，燕尾槽)以啮合叶片24的互补部分34。在其它实施方式中，叶轮和叶片可以是一个整体的结构(例如，所谓的“整体叶片式”转子或叶轮)。

叶轮22由粉末冶金锻造工艺制造是有优势的(例如：在美国专利6521175中公开的)。图2显示了一种典型的工艺。混合合金的基本成分(例如，以精炼纯度的单个组分或其合金的形式)。充分熔融混合物以消除成分偏析。雾化熔融的混合物以形成熔融的金属液滴。雾化的液滴冷却凝固成粉末颗粒。可以筛分粉末以限制容许的粉末粒度范围。把粉末放入容器。粉末容器通过涉及压缩和加热的多步骤工艺压实。随后，所得的已压实的粉末基本上具有该合金的真密度，而不会出现较大铸件的典型的化学偏析。压实粉末的毛坯可以在适当的温度和形变范围内锻造成具有叶轮基本轮廓的锻件。此后，锻件经过包括高温加热随后快速冷却或淬火的多步骤工艺进行热处理。优选的，热处理将特征gamma(γ)粒径从典型的10μm或更小增加到典型的20-120μm(优选30-60μm)。热处理中的淬火也可以形成理想尺寸分布和体积百分比的强化沉淀(例如：gamma撇(γ’)和eta(η)相，在下面进一步详细讨论)。随后，用热处理来改变这些分布情况以产生制造的锻件所必需的机械性能。增加的粒径与加工的锻件在使用期间的好的高温抗蠕变性能和低的裂缝扩展速率有关。随后对经热处理的锻件进行最终轮廓和沟槽的加工(machine)。

尽管典型的现代叶轮合金组成包括0-3重量百分比的钽(Ta)，但是本发明合金具有更高的含量水平。认为叶轮合金中Ta的这种含量水平是独特的。尤其是，认为高于3％水平的Ta结合上较高水平的其它γ′形成元素(即，铝(Al)，钛(Ti)，铌(Nb)，钨(W)和铪(Hf)中的一种或组合)和较高水平的钴(Co)是独特的。Ta作为γ′和γ相的固溶体强化添加剂。较大Ta原子的存在降低了主要在γ′相中发生但也发生在γ相内的扩散。这可以减少高温蠕变。进一步详细讨论下面的实施例，还认为本发明合金中Ta含量大于6％也有助于形成η相并且确保其和γ晶粒相比相对较小。因此，η沉淀有助于沉淀硬化，类似于通过γ′沉淀相获得的强化机制。

将本发明合金与现有叶片合金进行比较同样有价值。现有叶片合金的Ta含量相对较高是很普遍的。在本发明合金和现有叶片合金之间有些组成上的差别。叶片合金一般通过铸造工艺来生产，因为其高温性能是通过形成极大多晶和/或单一晶粒(也称单晶)的能力来提高的。极大晶粒尺寸的形成及其对高温热处理的要求将损害这种叶片合金在粉末冶金应用中的用途。最终的冷却速率将导致严重的淬火裂纹和撕裂(尤其对于较大的部件)。在其它的差别之中，这些叶片合金具有比本发明典型的合金低的钴(Co)浓度。广义而言，相对于现有高Ta叶片合金，本发明典型的合金已经通过调节其它元素而针对在叶轮制造中的应用进行了定制，其它元素包括Al，Co，Cr，Hf，Mo，Nb，Ti和W中的一种或多种。然而，也不能排除本发明的合金在叶片、轮叶和其它非叶轮部件的应用可能性。

因此，使具有改善的高温性能的高Ta叶轮合金最优化的可能性仍然存在(例如：在1200-1500(649-816℃)或更高温度下使用)。注意，在任何同时给出了公制和英制单位的地方，公制是从英制转换得到(例如：英国的度量)的并且不应该认为公制是表示精度误差。

                           实施例

图3的表I所示为一种典型合金或一类合金的规格。公称组成和范围是基于元素变化的灵敏度推导出的(例如：从相图中推导)。该表也显示出测试试样的测量组成。该表也显示出现有技术合金NF3和ME16中的公称组成(例如：分别在US6521175和EP1195446中公开)。除非有明示，所有含量都以重量表示，具体而言是重量百分比。

最基础的η形式是Ni₃Ti。通常认为，在现有叶轮和叶片合金中，当Al与Ti的重量比小于或等于1时形成η。在示例性合金中，这个比率大于1。η相的组成分析表明，和Ni₃(Ti，Ta)一样，Ta也非常有助于形成η相。因此，不同的相互关系(不仅是表现Al和Ti的关系)可能更加合适。利用标准分布系数可以估算出代替通常被Al所占据的原子位置的元素总摩尔分数(作为原子百分数)。这些元素包括Hf，Mo，Nb，Ta，Ti，V，W和较少的Cr。这些元素作为γ′相的固溶强化剂。当γ′相中有过多这些附加原子时，易于形成其它相，例如当含有过多Ti时易于形成η。因此，将Al与这些其它元素总量的比值作为形成η的预测值是有益的。例如，当Al原子与分布到在γ′中的Al位置的其它原子总量的摩尔比小于或等于大约0.79-0.81时形成η。这在高Ta含量的情况特别有效。名义上，对于NF3这个比率为0.84并且Al与Ti的重量百分比是1.0。对于NF3测试试样上述值分别为0.82和0.968。根据常规的Al与Ti比率可以预测出NF3中存在η相，但是并未观察到其存在。ME16分别具有类似的额定值0.85和0.98，也不存在通过Al与Ti比率预测出的η相。

因此，确信η的形成及其质量对Ti和Ta的含量很敏感。如果Al与其替代元素之比达到上述确定的比值，那么可以进一步近似地预示η的形成。据估计，如果Al的含量小于或等于大约3.5，Ta含量大于或等于大约6.35％，Co含量大于或等于大约16％，Ti含量大于或等于大约2.25％，并且，或许最重要的，Ti和Ta的总含量大于或等于大约8.0％，那么将形成η。

除了取代Ti作为η的形成元素外，Ta在控制η沉淀物的尺寸方面具有特别的影响。Ta与Ti的至少约为3的含量比可以有效控制η沉淀的尺寸来达到较好的机械性能。

图4和图5显示了样品组成的微观结构，反映出雾化至约74μm(0.0029英寸)和更小粒径的粉末，随后进行压制、锻造和在1182℃(2160)热处理两小时并以0.93-1.39℃/s(56-83℃份(100-150份))的速度淬火。图4显示了η沉淀100，其在γ基体102中以亮色表示。近似的晶粒尺寸为30μm。图5显示了基体102，其包括γ基体106中的小得多的γ′沉淀104。这些显微图显示出η相的分布基本均匀。η相不大于γ粒径以便可以作为强化相而不会对循环性能产生有害影响，如果η相过大则会发生这种有害影响。

图5显示了γ′沉淀的均匀性。这些沉淀及其分布有助于沉淀强化。通过控制沉淀的尺寸(粗化)和间距可以控制沉淀强化的程度和特性。另外，沿着η界面是非常规则/排成一线的较小的γ′沉淀区域108。这些区域108可以进一步阻碍错位运动。这种阻碍是防止随时间变化的形变如蠕变的强化的重要部分。在区域108中γ′的均匀分布和细小粒径表明它是在远低于淬火期间的瞬时温度下形成的。

通常认为γ′含量高的合金焊接困难。这种困难是由于合金从焊接(临时熔融)突然冷却造成的。高γ′合金的突然冷却在合金内部形成很大的内应力导致产生裂纹。

图5中一个放大的特殊η沉淀具有一种内藏的碳化物沉淀120。碳化物主要是在粉末粒子凝固期间形成的碳化钛和/或碳化钽，是存在碳时的正常副产物。然而，碳能强化晶界并避免脆性。这种碳化物粒子具有极低的体积分数，因其熔点高而非常稳定，并且据信它对合金性能无明显影响。

如上所述，存在一定粒径的η相可以提供附加强化，其粒径足够小以有助于沉淀相强化同时不大到可以产生危害。如果η相延伸穿过两个(或更多)晶粒，那么这两个晶粒形变产生的位错将不仅仅累加，从而具有非常大的危害(尤其在循环状态)。典型的η沉淀在0.2μm激冷γ围和平均粒径30-45μm(对于γ)的物中为大约2-14μm长。这个尺寸接近在常规粉末冶金合金如IN100和ME16中发现的大γ′沉淀的尺寸。迄今为止试验表明没有损害结果(例如：没有缺口延性和破断寿命的损失)。

图6中的表II显示了典型合金和现有技术合金选择的机械性能。三种合金都通过热处理获得额定的ASTM6.5粒径(直径大约37.8μm(0.0015inch))。所有数据都是从相似加工的扩散氧化物材料中获得的(即：在γ′固溶线以上进行热处理以产生相同的粒径，并以相同的速度冷却)。数据表明本发明合金在抗淬火裂纹方面的改进最为显著。确信在η沉淀周围的区域108内的γ′细密分布参与了改进抗淬火裂纹性(直到在淬火循环期间达到非常低的温度才能形成γ′沉淀)。η周围缺乏这种γ′会在淬火循环期间促进应力再分布并最终导致开裂。

从表II中可以看出，对于等价的粒径，样品组成的时间相关性(蠕变和断裂)、屈服强度以及最终抗拉强度在816℃(1500)下有显著改善。样品组成在732℃(1350)温度下的屈服强度比NF3稍低，但仍显著好于ME16。这些性质可以通过进一步的组成和工艺调整获得进一步的改善。

已设计出用于评估相对抗淬火裂纹性能的试验，1093℃(2000)下的结果也列于表II中。这个试验说明了在淬火循环中抗预计的应力和应变(变形)的能力。测试仅依赖合金的粒径和组成，而不依赖于冷却速度和随后任何工艺程序。试样组成在1093℃(2000)比两种基准组成有显著改进。

具有低Ta含量和/或缺乏η沉淀的可选择性合金仍可能具有一些优良的高温性能。例如，在3-6％范围或更狭小的4-6％范围内的较低Ta含量是可能的。对于基本无η合金，Ti和Ta总含量大约为5-9％。其它含量可以类似于典型规格的那些(因此可能有稍高的Ni含量)。和Ta含量较高的合金一样，也可以通过高Co含量和高的Co与Cr总量来区分这些合金。典型的，Co与Cr总量在低Ta合金中为至少26.0％，在高Ta合金中可以相似或稍宽(例如：20.0％或22.0％)。

已经描述了本发明的一种或多种实施方案。然而，可以理解在不超出本发明的精神和范围的情况下可以做出不同的改变。例如，任意特殊发动机的操作需要将影响其部件的加工。如上所述，该原理可以用于制造如转子，轴部件(例如：轴毂结构)等其它部件。因此，其它实施方案在附加权利要求书的范围内。

Claims (29)

1、一种物质的组成，包括下述结合，以重量百分比计：

最大含量的镍；

至少16.0％的钴；和

至少6.0％的钽。

2、如权利要求1所述的组成，其中：

所述镍的含量至少为50％。

3、如权利要求1所述的组成，其中：

所述镍的含量为44-56％。

4、如权利要求1所述的组成，其中：

所述镍的含量为48-52％。

5、如权利要求1所述的组成，进一步包括：

铝成分；和

钛成分，所述钛成分与所述铝成分的比至少为0.57。

6、如权利要求1所述的组成，进一步包括：

铝；

钛；和

铌，所述钽、铝、钛和铌的总含量至少为12.3％。

7、如权利要求1所述的组成，进一步包括：

至少6.0％的铬。

8、如权利要求7所述的组成，进一步包括：

至少2.5％的铝；和

若有附加成分，每种附加成分各自不超过4.0％。

9、如权利要求7所述的组成，进一步包括：

铝、钛、铌和铪的一种或多种，总量至少为5.8％。

10、如权利要求7所述的组成，进一步包括：

铝、钛、铌和铪的一种或多种，总量至少为6.5％。

11、如权利要求1所述的组成，进一步包括：

至少2.5％的铝。

12、如权利要求11所述的组成，进一步包括：

至少1.5％的钛。

13、如权利要求1所述的组成，进一步包括：

至少1.5％的钛。

14、如权利要求1所述的组成，进一步包括：

至少1.5％的钨。

15、如权利要求1所述的组成，进一步包括：

至少0.5％的铌。

16、粉末形式的如权利要求1所述的组成。

17、一种形成制品的方法包括：

压实具有如权利要求1所述组成的粉末；

已压实的粉末锻造形成前体；并且

加工所述锻造前体。

18、如权利要求17所述的方法，进一步包括：

在加工之前和之后至少一次，通过加热至不超过1232℃(2250°F)热处理所述前体。

19、如权利要求17所述的方法，进一步包括：

在加工之前和之后至少一次，热处理所述前体，该热处理有效地将特征γ粒径从大约10μm或更小的第一值增加到20-120μm的第二值。

20、一种具有如权利要求1所述的组成的燃气涡轮发动机的涡轮或压缩机叶轮。

21、一种物质的组成，包括下述结合，以重量百分比计：

最大含量的镍；

总含量至少为20.0％的钴和铬；和

至少6.0％的钽。

22、如权利要求21的组成进一步包括：

铝、钛、铌和铪的一种或多种，总量至少为5.8％。

23.一种形成制品的方法包括：

压实具有如权利要求21所述组成的粉末；

已压实的粉末锻造形成前体；并且

加工所述锻造前体。

24、一种物质的组成，包括下述组分的组合，以重量百分比计：

大约18.0％到大约21.0％的钴，大约8.5％到大约11.0％的铬，大约6.5％到大约8.5％的钽，大约2.2％到大约2.75％的钨，大约2.5％到大约3.4％的钼，大约0.03％到大约0.7％的锆，大约0.8％到大约2.0％的铌，大约2.0％到大约2.75％的钛，大约3.0％到大约3.5％的铝，大约0.02％到大约0.07％的碳，大约0.02％到大约0.06％的硼；和

余量的镍和少量的杂质。

25、如权利要求24所述物质的组成，其用于制造涡轮的叶轮。

26、一种燃气涡轮发动机的叶轮或叶轮基材，包括以下结合，以重量百分比计：

最大含量的镍；

至少16.0％的钴；和

至少6.0％的钽。

27、一种物质的组成，包括以下结合，以重量百分比计：

最大含量的镍；

至少16.0％的钴；

总含量至少为26.0％的钴和铬，和

至少3.0％的钽。

28、一种具有如权利要求27所述组成的燃气涡轮发动机的涡轮或压缩机叶轮。

29、如权利要求28所述的燃气涡轮发动机的涡轮或压缩机的叶轮，其为下述之一：

整体叶片式叶轮，其中叶片与叶轮主体一体化形式；和

具有环形排列的叶片连接部件的叶轮。

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