[发明专利]抗蠕变、抗应力破断和抗带保持时间的疲劳断裂的合金及其制法

说明书

下列共同被受让的申请涉及相关联的主题，在这里引证这些文献以供参考：美国专利申请号417，095;美国专利申请号417，097;美国专利申请号417，096。

本发明涉及飞机的燃气涡轮发动机，更具体地说，本发明涉及为提高性能和效率而在高温下工作的先进的燃气涡轮发动机中支承旋转的涡轮叶片的涡轮盘所使用的材料。

在燃气涡轮发动机中用来支承旋转涡轮叶片的涡轮盘，从其中心（即轮毂部分）到外周（即轮缘部分）的半径方向上所承受的工作条件是不同的。涡轮叶片和涡轮盘的外周部分暴露于推动涡轮盘转动的燃烧气体中，因而，涡轮盘的外周即轮缘部分暴露于比中心孔即轮毂部分更高的温度环境中。此外，涡轮盘面上各部分的应力状况也不一样。一直到最近，人们才能设计出可以满足在涡轮盘的不同部位上的不同的应力和温度条件的单一合金涡轮盘。但是，现代燃气涡轮发动机日益提高的功率以及对进一步改进的发动机性能的需求，要求这些发动机在更高的温度下工作。因此，与以往的发动机相比，这些先进的发动机中的涡轮盘暴露于更高的温度之下，这样的工作条件对涡轮盘所使用的合金提出了更高的要求。盘的外周即轮缘部分的温度可以达到1500°F或更高，而中心孔即轮毂部分的温度通常比较低例如在1000°F左右。

在涡轮盘上，除了这种温度梯度外还存在着应力的差异，在厚度均匀的涡轮盘中，温度较低的轮毂部分产生的应力较高，而温度较高的轮缘部分中所产生的应力比较低。在涡轮盘上不同部位的工作条件的这些差异导致了对涡轮盘上不同区域的机械性能要求有所不同。在先进的涡轮发动机中，为了达到最高限度的工作条件，需要使用特定的涡轮盘合金，这种合金的轮缘部分具有抗高温蠕变和抗应力破断性能以及带高温保持时间的疲劳裂纹增长抗力，其轮毂部分具有高的抗拉强度和低周疲劳裂纹增长抗力。

目前的涡轮盘设计方法一般都使用疲劳性能以及常规的拉伸、蠕变和应力破断性能来确定涡轮盘的尺寸大小及进行寿命分析。在许多情况下，对于这些分析来说最适用的定量表示疲劳特性的方法，是通过确定线弹性断裂力学（“LEFM”）中所述的裂纹增长速率。根据线弹性断裂力学，每一次循环的疲劳裂纹扩展速率（dα/dN）是一个受温度影响的函数，这一函数可以用应力强度范围（△k）来描述，应力强度范围的定义是kmax-kmin。△k用来作为确定裂纹尖端处应力场大小的尺寸因子，其一般形式为△k＝f（应力、裂纹长度、几何因素）。

使上述疲劳分析方法变得复杂化的是在先进的涡轮盘轮缘部分工作温度范围内加上一个拉伸保持。在通常的飞行任务中，涡轮盘所承受的工作条件是：频繁的转速变化、巡航与转速变化的各种组合以及大部分时间处于巡航状态。在巡航状态中，应力较为恒定，这导致了下文中所述的带“保持时间”的循环。在先进的涡轮盘的轮缘部分中，带保持时间的循环可以发生在高温下，在这样的温度下，环境、蠕变和疲劳可能以协同方式结合起来、促进材料中存在的缺陷迅速发展成裂纹。因此，在这样的条件下对裂纹增长的抗力对于选择用于先进涡轮盘的轮缘部分的材料来说是一个至关重要的性能。

对于改进的涡轮盘来说，需要研制和使用显示出低而稳定的裂纹增长速率及高的拉伸、蠕变和应力破断强度的材料。研制对于飞机燃气涡轮技术的进步所必需的、在拉伸、蠕变、应力破断和疲劳裂纹增长抗力等方面均有改进并使相互兼顾、适当平衡的新型镍基高温合金材料，对人们提出了一个相当大的挑战。这种挑战是由于在合乎要求的显微组织、强化机制和组成特征之间的矛盾竞争而产生的。下面所述是这种矛盾竞争的一些典型例子：（1）一般地说，细小的晶粒度例如小于ASTM  10的晶粒度对于提高抗拉强度来说是十分理想的，但对于蠕变/应力破断和裂纹增长抗力来说则不合要求;（2）在某些条件下，小的、可剪切的沉淀物对于改善抗疲劳裂纹增长性能是合乎需要的，而抗剪切的沉淀物对于高的抗拉强度来说是合乎要求的;（3）高的沉淀物-基体共格应变对于良好的稳定性、蠕变破断抗力、或许还有良好的抗疲劳裂纹增长性能来说是合乎需要的;（4）丰富的高熔点元素例如W、Ta或Nb的含量可以显著地提高强度，但是为了避免合金密度的增加以及避免合金不稳定性，这些元素必须适量使用;（5）与含有低的体积百分数的有序γ′相的合金相比，含有较高体积百分数有序γ′相的合金的蠕变/断裂强度和带保持时间的抗力得到提高，但速冷开裂的危险也随之增加并且低温抗拉强度受到限制。

一旦在实验室规模的研究中发现了显示出有吸引力的力学性能的合金组成，如何成功地将其转变成大规模生产的金属零件例如直径达25英寸（但不受此限制）的涡轮盘，这仍然是一个极大的挑战。这些问题在冶金技术中是人所共知的。