[发明专利]镍基超合金、其方法和自其形成的部件

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年7月12日提交的美国临时申请第61/670,634号的权益，该临时申请的内容以引用方式并入本文。

背景技术

本发明一般地涉及合金组合物，更特别是涉及适合于需要多晶微结构及高温停留(dwell)和/或蠕变能力的部件(如燃气涡轮发动机的涡轮盘)的超合金。这样的合金也可以多晶粒定向凝固(multi-grain directionally solidified)形式或单晶形式使用。

燃气涡轮发动机的涡轮段位于燃烧室段的下游并含有转子轴和一个或多个涡轮级，每一个涡轮级具有由所述轴装配或以其它方式携带的涡轮盘(转子)和装配到所述盘的周缘并从所述盘的周缘径向延伸的涡轮叶片。燃烧室和涡轮段内的部件常常由超合金材料形成以在因热的燃烧气体所致的高温下获得可接受的机械性质。现代高压力比燃气涡轮发动机中较高的压缩机出口温度也可能需要对压缩机盘、整体叶盘和其它部件使用高性能超合金。对于给定部件而言合适的合金组成和微结构取决于该部件经受的特定温度、应力和其它条件。例如，翼型部件(如叶片和轮叶)常常由等轴、定向凝固(DS)或单晶(SX)超合金形成，而涡轮盘通常由必须经历严格控制的锻造、热处理和表面处理以产生具有受控的晶粒结构和期望的机械性质的多晶微结构的超合金形成。

涡轮盘常常由γ′(gamma prime)(γN)析出强化镍基超合金(在后文中，为γ′镍基超合金)形成，所述超合金含铬、钨、钼、铼和/或钴作为与镍化合形成γ基质的主要元素并且含铝、钛、钽、铌和/或钒作为与镍化合形成期望的γ′析出强化相(主要是Ni₃(Al，Ti))的主要元素。特别值得一提的γ′镍基超合金包括René 88DT(R88DT；美国专利第4,957,567号)和René104(R104；美国专利第6,521,175号)以及某些可以商标名和U商购获得的镍基超合金。R88DT具有如下组成：约15.0-17.0重量％的铬、约12.0-14.0重量％的钴、约3.5-4.5重量％的钼、约3.5-4.5重量％的钨、约1.5-2.5重量％的铝、约3.2-4.2重量％的钛、约0.5-1.0重量％的铌、约0.010-0.060重量％的碳、约0.010-0.060重量％的锆、约0.010-0.040重量％的硼、约0.0-0.3重量％的铪、约0.0-0.01的钒和约0.0-0.01的钇，余量为镍和附带的杂质。

盘和其它关键的燃气涡轮发动机部件常常由通过粉末冶金(P/M)、常规铸造和锻制加工及喷铸或成核铸造成形技术产生的坯锭(billet)锻造而成。通过粉末冶金形成的γ′镍基超合金特别能够提供蠕变、拉伸和疲劳裂纹扩展性质的良好平衡以满足涡轮盘和某些其它燃气涡轮发动机部件的性能需要。在典型的粉末冶金方法中，所需超合金的粉末经历固结，例如通过热等静压(HIP)和/或挤出固结。然后使所得坯锭在略低于合金的γ′固溶线温度的温度处等温锻造以接近超塑成形条件，这将允许通过高几何应变的积聚而无显著冶金应变的积聚地填充模腔。这些加工步骤设计为最初在坯锭内保持细晶粒尺寸(例如，ASTM 10至13或更细)、获得高塑性以填充近净成形锻模、避免锻造过程中的断裂和保持相对低的锻造和模应力。这样的合金可在γ′固溶线之下或之上热处理。为改善在适度升高的温度处的屈服强度和延展性，这些合金可在其γ′固溶线温度之下热处理(通常称为亚固溶线热处理)以保持细小均匀的晶粒。为改善在甚至更高的温度处的疲劳裂纹扩展阻力和机械性质，将这些合金在其γ′固溶线温度之上热处理(通常称为超固溶线热处理)以引起晶粒显著、均匀的粗化。

当前的合金，包括R88DT，已在转子性能能力方面提供了显著的改善。然而，在产生这些合金的经济学和可行性方面的改善是人们继续寻求的。在保持优质合金产品的同时实现低成本加工的关键因素包括采用高水平的废料和下脚料(revert)作为合金生产中常用的熔炼方法和粉末冶金方法的输入。下脚料常常呈材料的标称组成(nominal composition)的固体或碎片形式，而废料的标称组成可为不同的组成并可含有待生产的所需合金的组成中无意于包含的元素。可使用呈下脚料或废料的不同组成的合金与其它元素输入材料一道作为熔炼批次的输入材料。要求是输入材料的聚集体化学满足需要生产的合金的容许组成范围。输入材料的此类组合以混合物法则为指导原则并且在标准熔炼实践中得以建立且目前作为现有技术采用。