超合金和其形成的部件的制作方法
【專利說明】超合金和其形成的部件
[0001] 相關申請交叉引用 這是同時待審的美國專利申請序號12/474580的部分繼續專利申請，該美國專利申請 在2009年5月29號提交且以Bain等人的美國專利申請公開號2010/0303665公開。該現有申 請的內容通過引用結合到文中。
[0002] 發明背景 總體而言，本發明涉及鎳基合金組合物，且更具體而言涉及適用于需要多晶微結構和 高溫停留時間(保壓)能力的部件(例如燃氣渦輪發動機的渦輪盤)的鎳基超合金。
[0003] 燃氣渦輪發動機的渦輪段位于燃燒室段的下游且包括轉軸和一個或多個渦輪級， 各個渦輪級具有安裝或以其他方式由軸帶動的渦輪盤(轉子)和安裝到盤的外圍并從盤的 外圍徑向延伸的渦輪靜葉。燃燒室和渦輪段內的部件常常由超合金材料形成以在由熱燃燒 氣體產生的高溫下提供可接受的機械性能。現代的高壓比燃氣渦輪發動機中的較高的壓縮 機出口溫度還可以使得使用用于壓縮機盤、整體葉盤和其他部件的高性能鎳超合金成為必 要。用于給定部件的合適合金組合物和微結構取決于部件所經受的具體的溫度、應力和其 他條件。例如，機翼部件例如靜葉和動葉常常由等軸、定向凝固（DS)或單晶（SX)超合金形 成，然而渦輪盤通常由必須仔細經受受控鍛造、熱處理和表面處理例如噴丸處理以產生具 有受控晶粒結構和合乎需要的機械性能的多晶微結構的超合金形成。
[0004] 渦輪盤常常由γ 1 斤出-增強的鎳基超合金（下文稱為γ ?基超合金)形成，所述 鎳基超合金包含鉻、鎢、鉬、錸和/或鈷作為與鎳結合以形成γ基質的主要元素，且包含鋁、 鈦、鉭、鈮和/或釩作為與鎳結合以形成合乎需要的γ?斤出增強相(主要為Ni 3(Al，Ti))的 主要元素。特別有名的γ ?基超合金包括Ren6 88DT(R88DT;美國專利號4957567)和Ren6 104(R104;美國專利號6521175)以及以商標Inconel ?、Nimonic ?和Udimet ?市售的某些 鎳基超合金。R88DT以重量計具有以下組成:約15.0-17.0%絡;約12.0-14.0%鈷;約3.5-4.5% 鉬；約3 · 5-4 · 5%鎢；約 1 · 5-2 · 5%鋁；約3 · 2-4 · 2%鈦；約0 · 50-1 · 0%鈮；約0 · 010-0 · 060%碳；約 0 · 010-0 · 060%鋯；約0 · 010-0 · 040%硼；約0 · 0-0 · 3%鉿；約0 · 0-0 · 01 釩;和約0 · 0-0 · 01 釔;余量 的鎳和偶見雜質。R104以重量計具有以下標稱組成：約16.0-22.4%鈷；約6.6-14.3%鉻；約 2 · 6-4 · 8%鋁；約2 · 4-4 · 6%鈦；約 1 · 4-3 · 5%鉭；約0 · 9-3 · 0%鈮；約 1 · 9-4 · 0%鎢；約 1 · 9-3 · 9%鉬； 約0.0-2.5%錸;約0.02-0.10%碳;約0.02-0.10%硼;約0.03-0.10%錯;余量的鎳和偶見雜質。
[0005] 盤和其他重要燃氣渦輪發動機部件常常由坯段鍛造而成，所述坯段通過粉末冶金 (P/M)、常規的鑄造和鍛造加工以及噴射鑄造或成核鑄造成形技術生產。由粉末冶金形成的 γ II基超合金特別能夠提供蠕變、拉伸、和疲勞裂紋生長性能的良好平衡以滿足渦輪盤和 某些其他燃氣渦輪發動機部件的性能要求。在典型的粉末冶金方法中，所需要的超合金粉 末例如通過熱等靜壓(HIP)和/或擠出固結經受固結。所得的坯段隨后在稍微低于合金的γ <固溶線溫度以接近超塑性成形條件的溫度下等溫鍛造，這允許通過高幾何應變的積累而 不是顯著冶金學應變的積累來填充模腔。這些加工步驟設計成原始地保留坯段內的細小晶 粒尺寸(例如ASTM 10-13或更細小），獲得高塑性以填充近凈成形鍛造模具，避免鍛造期間 的裂紋，并保留相對低的鍛造和模應力。為了提高高溫下的抗疲勞裂紋生長和機械性能，這 些合金隨后在高于其丫<固溶線的溫度下熱處理(一般稱為超固溶線熱處理）以引起顯著均 勻的晶粒粗化。
[0006] 盡管合金例如R88DT和R104顯著提高了超合金的高溫能力，但是仍不斷尋求進一 步改進。例如，高溫停留時間（保壓)能力作為與更先進的軍事和市售發動機應用相關的高 溫和應力的重要因素出現。隨著更高溫和更先進的發動機的發展，當前合金的蠕變和裂紋 生長特征趨向于達不到滿足先進盤應用的任務/壽命目標和要求的需要的能力。顯而易見 的是滿足這個挑戰的具體方面在于開發某些組合物，所述組合物在1200 TK約650°C)及更 高的溫度下在蠕變和停留時間（保壓)疲勞裂紋生長速率特征方面表現出需要的和平衡的 改進，同時還具有良好生產性和熱穩定性。然而，以下事實使這個挑戰復雜化:難以同時改 進蠕變和裂紋生長特征，且蠕變和裂紋生長特征會受某些合金成分的存在或不存在以及超 合金中所存在的合金成分的水平的相對小的變化顯著影響。
[0007] Bain等人的美國專利申請公開號2010/0303665涉及γ <鎳基超合金，當適當加工 以形成具有多晶微結構的部件(最有名是燃氣渦輪發動機的渦輪盤)時，所述γ?基超合 金能夠呈現改進的高溫保壓能力，包括蠕變和停留時間疲勞裂紋生長行為。具體而言，Bain 等人公開了一種γ '鎳基超合金，其以重量計包含：16.0-30.0%鈷；11.5-15.0%絡;4.0-6.0% 鉭；2 · 0-4 · 0%鋁；1 · 5-6 · 0%鈦；1 · 0-5 · 0%鎢；1 · 0-5 · 0%鉬；至多3 · 5%鈮；至多 1 · 0%鉿;0 · 02-0.20%碳;0.01-0.05%硼;0.02-0.10%錯;余量基本上為鎳和雜質。雖然獲得相當大的停留時 間性能改進以及獲得蠕變能力改進，例如1200 T^P115ksi(約650°C和約790MPa)下至0.2% 蠕變的時間為至少1200小時，仍需要進一步改進，特別是在更高溫例如1300 TK約705°C)及 以上的蠕變性能方面。
[0008] 發明概述 本發明提供了 γ II基超合金和由其形成的部件，所述部件呈現改進的高溫能力，特別 是在超過1200 (約650°C)溫度下的蠕變。
[0009] 根據本發明的第一方面，γ '鎳基超合金以重量計包含：16.0-30.0%鈷;9.5-12.5% 鉻；4 · 0-6 · 0%鉭；2 · 0-4 · 0%鋁；2 · 0-3 · 4%鈦；3 · 0-6 · 0%媽；1 · 0-4 · 0%鉬；1 · 5-3 · 5%銀；至多 1 · 0% 鉿;0.02-0.20%碳;0.01-0.05%硼;0.02-0.10%錯;余量基本上為鎳和雜質。所述超合金具有 至少-6的W+Nb-Cr值，不含可觀察到的量的σ和η相，且在1300 T^P100ksi下至0.2%蠕變的時 間至少為1000小時。
[0010] 根據本發明的第二方面，γ '鎳基超合金以重量計包含：17.0-20.5%鈷；10.5-12 · 5%鉻;4 · 5-5 · 5%鉭;3 · 0-3 · 4%鋁；2 · 5-2 · 9%鈦;3 · 0-5 · 0%鎢；2 · 5-3 · 0%鉬；1 · 8-2 · 2%鈮；至 多0.6鉿;0.048-0.068%碳;0.015-0.04%硼;0.04-0.06%錯;余量基本上為鎳和雜質。所述超 合金具有至少-6的W+Nb-Cr值，不含可觀察到的量的σ和η相，且在1300 T^PlOOksi下至0.2% 蠕變的時間至少為1000小時。
[0011] 本發明的其他方面包括可以由上述合金形成的部件，所述部件的具體例子包括燃 氣渦輪發動機的渦輪盤和壓縮機盤以及整體葉盤。
[0012]本發明的顯著優點為平衡改進高溫保壓性能（特別是改進高于1200 TK約650°C) 的溫度下的蠕變特征），同時還具有良好生產性和良好熱穩定性的潛在性。還認為其他性能 的改進是可能的，特別是如果使用粉末冶金、熱加工和熱處理技術適當加工的話。
[0013]由以下詳述將可以更好了解本發明的其他方面和優點。
[0014] 附圖簡述 圖1為燃氣渦輪發動機中所用的一種類型的渦輪盤的透視圖。
[0015] 圖2包括一系列評估為用作渦輪盤合金的潛在組合物的鎳基超合金組合物的列 表。
[0016] 圖3為柱狀圖，表示圖2中所列出的實驗合金中的八種在1300 T^P100ksi(約705°C 和約690MPa)下的0.2%懦變。
[0017] 圖4圖示了圖3的八種實驗合金以及九種研究的另外的實驗合金和三種現有技術 的合金在1300 T^PlOOksi(約705°C和約690MPa)下的0.2%懦變。
[0018]圖5圖示了圖4的呈現相穩定性的那些實驗合金以及三種現有技術的合金在1300 T^PlOOksi(約 705°C 和約 690MPa)下的 0.2% 懦變。
[0019] 發明詳述 本發明涉及γ II基超合金，且特別是適用于通過