專利名稱：超耐熱合金組成、制品、及制造方法
U.S.政府的權(quán)利本發(fā)明是基于?？哲娭笓]部授予的No.N00421-02-3-3111協(xié)議、在美國(guó)政府的支持下完成的。美國(guó)政府對(duì)本發(fā)明具有某些權(quán)利。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及鎳基超耐熱合金(superalloy)。尤其是，本發(fā)明涉及用于高溫燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件如渦輪葉輪(disk)和壓縮機(jī)葉輪的這類超耐熱合金。
燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒、渦輪和排氣區(qū)域像壓縮機(jī)后半部分一樣要承受極端的加熱。這種加熱對(duì)這些區(qū)域的部件帶來(lái)了嚴(yán)重的材料限制。尤其重要的一個(gè)區(qū)域包括葉片軸承渦輪葉輪。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的大部分時(shí)間內(nèi)，葉輪除了承受上述熱應(yīng)力外，還承受極端的機(jī)械應(yīng)力。
已經(jīng)開發(fā)出特殊材料以滿足在渦輪葉輪應(yīng)用方面的需要。美國(guó)專利6521175公開了一種通過粉末冶金生產(chǎn)渦輪葉輪的高級(jí)鎳基超耐熱合金?！?75專利公開的內(nèi)容如同詳細(xì)闡述一樣在此引用作為參考?！?75專利公開了為短時(shí)間發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)而最優(yōu)化的葉輪合金，其葉輪溫度近似大約為1500°F(816℃)。在US5104614，US2004221927，EP1201777和EP1195446中公開了其它葉輪合金。
已經(jīng)分別提議用其它材料來(lái)滿足渦輪葉片的應(yīng)用。葉片一般通過鑄造制成，并且一些葉片具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。美國(guó)專利3061426、4209348、4569824、4719080、5270123、6355117和6706241公開了不同的葉片合金。
發(fā)明概述本發(fā)明一方面涉及一種鎳基組成(composition)物質(zhì)，其具有較高濃度的鉭以及較高濃度的一種或多種其它成分。
以不同的方式，合金可以用來(lái)通過粉末冶金工藝來(lái)生產(chǎn)渦輪葉輪。所述一種或多種其它成分可以包括鈷。所述一種或多種其它成分可以包括γ撇形成元素(γ′)和/或η形成元素(η)的結(jié)合(combination)。
本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的細(xì)節(jié)將在附圖和以下的說(shuō)明中闡述。本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)勢(shì)將由說(shuō)明書和附圖、以及由權(quán)利要求書變得顯而易見。


圖1是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉輪組件的局部分解圖。
圖2是制造圖1所示組件中葉輪的工藝流程圖。
圖3是發(fā)明葉輪合金和現(xiàn)有技術(shù)合金的組成的表。
圖4是圖3所示葉輪合金腐蝕后的光學(xué)顯微照片。
圖5是圖3所示葉輪合金腐蝕后的掃描電鏡顯微照片(SEM)。
圖6所示表格是圖3所示葉輪合金和現(xiàn)有技術(shù)合金的選擇測(cè)量特性。
在不同附圖中的相同附圖標(biāo)記表示相同的元件。
詳細(xì)說(shuō)明圖1所示為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪組件20，包括葉輪22和多個(gè)葉片24。葉輪通常為環(huán)形，從位于中心孔處的內(nèi)側(cè)的鏜孔或輪轂26延伸到外側(cè)輪緣28。在鏜孔26和輪緣28之間是相對(duì)較薄的徑向輻板30。輪緣28的外圍有一排環(huán)形排列的嚙合部分32(例如，燕尾槽)以嚙合葉片24的互補(bǔ)部分34。在其它實(shí)施方式中，葉輪和葉片可以是一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)(例如，所謂的“整體葉片式”轉(zhuǎn)子或葉輪)。
葉輪22由粉末冶金鍛造工藝制造是有優(yōu)勢(shì)的(例如在美國(guó)專利6521175中公開的)。圖2顯示了一種典型的工藝?；旌虾辖鸬幕境煞?例如，以精煉純度的單個(gè)組分或其合金的形式)。充分熔融混合物以消除成分偏析。霧化熔融的混合物以形成熔融的金屬液滴。霧化的液滴冷卻凝固成粉末顆粒?？梢院Y分粉末以限制容許的粉末粒度范圍。把粉末放入容器。粉末容器通過涉及壓縮和加熱的多步驟工藝壓實(shí)。隨后，所得的已壓實(shí)的粉末基本上具有該合金的真密度，而不會(huì)出現(xiàn)較大鑄件的典型的化學(xué)偏析。壓實(shí)粉末的毛坯可以在適當(dāng)?shù)臏囟群托巫兎秶鷥?nèi)鍛造成具有葉輪基本輪廓的鍛件。此后，鍛件經(jīng)過包括高溫加熱隨后快速冷卻或淬火的多步驟工藝進(jìn)行熱處理。優(yōu)選的，熱處理將特征gamma(γ)粒徑從典型的10μm或更小增加到典型的20-120μm(優(yōu)選30-60μm)。熱處理中的淬火也可以形成理想尺寸分布和體積百分比的強(qiáng)化沉淀(例如gamma撇(γ’)和eta(η)相，在下面進(jìn)一步詳細(xì)討論)。隨后，用熱處理來(lái)改變這些分布情況以產(chǎn)生制造的鍛件所必需的機(jī)械性能。增加的粒徑與加工的鍛件在使用期間的好的高溫抗蠕變性能和低的裂縫擴(kuò)展速率有關(guān)。隨后對(duì)經(jīng)熱處理的鍛件進(jìn)行最終輪廓和溝槽的加工(machine)。
盡管典型的現(xiàn)代葉輪合金組成包括0-3重量百分比的鉭(Ta)，但是本發(fā)明合金具有更高的含量水平。認(rèn)為葉輪合金中Ta的這種含量水平是獨(dú)特的。尤其是，認(rèn)為高于3％水平的Ta結(jié)合上較高水平的其它γ′形成元素(即，鋁(Al)，鈦(Ti)，鈮(Nb)，鎢(W)和鉿(Hf)中的一種或組合)和較高水平的鈷(Co)是獨(dú)特的。Ta作為γ′和γ相的固溶體強(qiáng)化添加劑。較大Ta原子的存在降低了主要在γ′相中發(fā)生但也發(fā)生在γ相內(nèi)的擴(kuò)散。這可以減少高溫蠕變。進(jìn)一步詳細(xì)討論下面的實(shí)施例，還認(rèn)為本發(fā)明合金中Ta含量大于6％也有助于形成η相并且確保其和γ晶粒相比相對(duì)較小。因此，η沉淀有助于沉淀硬化，類似于通過γ′沉淀相獲得的強(qiáng)化機(jī)制。
將本發(fā)明合金與現(xiàn)有葉片合金進(jìn)行比較同樣有價(jià)值?，F(xiàn)有葉片合金的Ta含量相對(duì)較高是很普遍的。在本發(fā)明合金和現(xiàn)有葉片合金之間有些組成上的差別。葉片合金一般通過鑄造工藝來(lái)生產(chǎn)，因?yàn)槠涓邷匦阅苁峭ㄟ^形成極大多晶和/或單一晶粒(也稱單晶)的能力來(lái)提高的。極大晶粒尺寸的形成及其對(duì)高溫?zé)崽幚淼囊髮p害這種葉片合金在粉末冶金應(yīng)用中的用途。最終的冷卻速率將導(dǎo)致嚴(yán)重的淬火裂紋和撕裂(尤其對(duì)于較大的部件)。在其它的差別之中，這些葉片合金具有比本發(fā)明典型的合金低的鈷(Co)濃度。廣義而言，相對(duì)于現(xiàn)有高Ta葉片合金，本發(fā)明典型的合金已經(jīng)通過調(diào)節(jié)其它元素而針對(duì)在葉輪制造中的應(yīng)用進(jìn)行了定制，其它元素包括Al，Co，Cr，Hf，Mo，Nb，Ti和W中的一種或多種。然而，也不能排除本發(fā)明的合金在葉片、輪葉和其它非葉輪部件的應(yīng)用可能性。
因此，使具有改善的高溫性能的高Ta葉輪合金最優(yōu)化的可能性仍然存在(例如在1200-1500(649-816℃)或更高溫度下使用)。注意，在任何同時(shí)給出了公制和英制單位的地方，公制是從英制轉(zhuǎn)換得到(例如英國(guó)的度量)的并且不應(yīng)該認(rèn)為公制是表示精度誤差。
實(shí)施例圖3的表I所示為一種典型合金或一類合金的規(guī)格。公稱組成和范圍是基于元素變化的靈敏度推導(dǎo)出的(例如從相圖中推導(dǎo))。該表也顯示出測(cè)試試樣的測(cè)量組成。該表也顯示出現(xiàn)有技術(shù)合金NF3和ME16中的公稱組成(例如分別在US6521175和EP1195446中公開)。除非有明示，所有含量都以重量表示，具體而言是重量百分比。
最基礎(chǔ)的η形式是Ni3Ti。通常認(rèn)為，在現(xiàn)有葉輪和葉片合金中，當(dāng)Al與Ti的重量比小于或等于1時(shí)形成η。在示例性合金中，這個(gè)比率大于1。η相的組成分析表明，和Ni3(Ti，Ta)一樣，Ta也非常有助于形成η相。因此，不同的相互關(guān)系(不僅是表現(xiàn)Al和Ti的關(guān)系)可能更加合適。利用標(biāo)準(zhǔn)分布系數(shù)可以估算出代替通常被Al所占據(jù)的原子位置的元素總摩爾分?jǐn)?shù)(作為原子百分?jǐn)?shù))。這些元素包括Hf，Mo，Nb，Ta，Ti，V，W和較少的Cr。這些元素作為γ′相的固溶強(qiáng)化劑。當(dāng)γ′相中有過多這些附加原子時(shí)，易于形成其它相，例如當(dāng)含有過多Ti時(shí)易于形成η。因此，將Al與這些其它元素總量的比值作為形成η的預(yù)測(cè)值是有益的。例如，當(dāng)Al原子與分布到在γ′中的Al位置的其它原子總量的摩爾比小于或等于大約0.79-0.81時(shí)形成η。這在高Ta含量的情況特別有效。名義上，對(duì)于NF3這個(gè)比率為0.84并且Al與Ti的重量百分比是1.0。對(duì)于NF3測(cè)試試樣上述值分別為0.82和0.968。根據(jù)常規(guī)的Al與Ti比率可以預(yù)測(cè)出NF3中存在η相，但是并未觀察到其存在。ME16分別具有類似的額定值0.85和0.98，也不存在通過Al與Ti比率預(yù)測(cè)出的η相。
因此，確信η的形成及其質(zhì)量對(duì)Ti和Ta的含量很敏感。如果Al與其替代元素之比達(dá)到上述確定的比值，那么可以進(jìn)一步近似地預(yù)示η的形成。據(jù)估計(jì)，如果Al的含量小于或等于大約3.5，Ta含量大于或等于大約6.35％，Co含量大于或等于大約16％，Ti含量大于或等于大約2.25％，并且，或許最重要的，Ti和Ta的總含量大于或等于大約8.0％，那么將形成η。
除了取代Ti作為η的形成元素外，Ta在控制η沉淀物的尺寸方面具有特別的影響。Ta與Ti的至少約為3的含量比可以有效控制η沉淀的尺寸來(lái)達(dá)到較好的機(jī)械性能。
圖4和圖5顯示了樣品組成的微觀結(jié)構(gòu)，反映出霧化至約74μm(0.0029英寸)和更小粒徑的粉末，隨后進(jìn)行壓制、鍛造和在1182℃(2160)熱處理兩小時(shí)并以0.93-1.39℃/s(56-83℃份(100-150份))的速度淬火。圖4顯示了η沉淀100，其在γ基體102中以亮色表示。近似的晶粒尺寸為30μm。圖5顯示了基體102，其包括γ基體106中的小得多的γ′沉淀104。這些顯微圖顯示出η相的分布基本均勻。η相不大于γ粒徑以便可以作為強(qiáng)化相而不會(huì)對(duì)循環(huán)性能產(chǎn)生有害影響，如果η相過大則會(huì)發(fā)生這種有害影響。
圖5顯示了γ′沉淀的均勻性。這些沉淀及其分布有助于沉淀強(qiáng)化。通過控制沉淀的尺寸(粗化)和間距可以控制沉淀強(qiáng)化的程度和特性。另外，沿著η界面是非常規(guī)則/排成一線的較小的γ′沉淀區(qū)域108。這些區(qū)域108可以進(jìn)一步阻礙錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)。這種阻礙是防止隨時(shí)間變化的形變?nèi)缛渥兊膹?qiáng)化的重要部分。在區(qū)域108中γ′的均勻分布和細(xì)小粒徑表明它是在遠(yuǎn)低于淬火期間的瞬時(shí)溫度下形成的。
通常認(rèn)為γ′含量高的合金焊接困難。這種困難是由于合金從焊接(臨時(shí)熔融)突然冷卻造成的。高γ′合金的突然冷卻在合金內(nèi)部形成很大的內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。
圖5中一個(gè)放大的特殊η沉淀具有一種內(nèi)藏的碳化物沉淀120。碳化物主要是在粉末粒子凝固期間形成的碳化鈦和/或碳化鉭，是存在碳時(shí)的正常副產(chǎn)物。然而，碳能強(qiáng)化晶界并避免脆性。這種碳化物粒子具有極低的體積分?jǐn)?shù)，因其熔點(diǎn)高而非常穩(wěn)定，并且據(jù)信它對(duì)合金性能無(wú)明顯影響。
如上所述，存在一定粒徑的η相可以提供附加強(qiáng)化，其粒徑足夠小以有助于沉淀相強(qiáng)化同時(shí)不大到可以產(chǎn)生危害。如果η相延伸穿過兩個(gè)(或更多)晶粒，那么這兩個(gè)晶粒形變產(chǎn)生的位錯(cuò)將不僅僅累加，從而具有非常大的危害(尤其在循環(huán)狀態(tài))。典型的η沉淀在0.2μm激冷γ圍和平均粒徑30-45μm(對(duì)于γ)的物中為大約2-14μm長(zhǎng)。這個(gè)尺寸接近在常規(guī)粉末冶金合金如IN100和ME16中發(fā)現(xiàn)的大γ′沉淀的尺寸。迄今為止試驗(yàn)表明沒有損害結(jié)果(例如沒有缺口延性和破斷壽命的損失)。
圖6中的表II顯示了典型合金和現(xiàn)有技術(shù)合金選擇的機(jī)械性能。三種合金都通過熱處理獲得額定的ASTM6.5粒徑(直徑大約37.8μm(0.0015inch))。所有數(shù)據(jù)都是從相似加工的擴(kuò)散氧化物材料中獲得的(即在γ′固溶線以上進(jìn)行熱處理以產(chǎn)生相同的粒徑，并以相同的速度冷卻)。數(shù)據(jù)表明本發(fā)明合金在抗淬火裂紋方面的改進(jìn)最為顯著。確信在η沉淀周圍的區(qū)域108內(nèi)的γ′細(xì)密分布參與了改進(jìn)抗淬火裂紋性(直到在淬火循環(huán)期間達(dá)到非常低的溫度才能形成γ′沉淀)。η周圍缺乏這種γ′會(huì)在淬火循環(huán)期間促進(jìn)應(yīng)力再分布并最終導(dǎo)致開裂。
從表II中可以看出，對(duì)于等價(jià)的粒徑，樣品組成的時(shí)間相關(guān)性(蠕變和斷裂)、屈服強(qiáng)度以及最終抗拉強(qiáng)度在816℃(1500)下有顯著改善。樣品組成在732℃(1350)溫度下的屈服強(qiáng)度比NF3稍低，但仍顯著好于ME16。這些性質(zhì)可以通過進(jìn)一步的組成和工藝調(diào)整獲得進(jìn)一步的改善。
已設(shè)計(jì)出用于評(píng)估相對(duì)抗淬火裂紋性能的試驗(yàn)，1093℃(2000)下的結(jié)果也列于表II中。這個(gè)試驗(yàn)說(shuō)明了在淬火循環(huán)中抗預(yù)計(jì)的應(yīng)力和應(yīng)變(變形)的能力。測(cè)試僅依賴合金的粒徑和組成，而不依賴于冷卻速度和隨后任何工藝程序。試樣組成在1093℃(2000)比兩種基準(zhǔn)組成有顯著改進(jìn)。
具有低Ta含量和/或缺乏η沉淀的可選擇性合金仍可能具有一些優(yōu)良的高溫性能。例如，在3-6％范圍或更狹小的4-6％范圍內(nèi)的較低Ta含量是可能的。對(duì)于基本無(wú)η合金，Ti和Ta總含量大約為5-9％。其它含量可以類似于典型規(guī)格的那些(因此可能有稍高的Ni含量)。和Ta含量較高的合金一樣，也可以通過高Co含量和高的Co與Cr總量來(lái)區(qū)分這些合金。典型的，Co與Cr總量在低Ta合金中為至少26.0％，在高Ta合金中可以相似或稍寬(例如20.0％或22.0％)。
已經(jīng)描述了本發(fā)明的一種或多種實(shí)施方案。然而，可以理解在不超出本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以做出不同的改變。例如，任意特殊發(fā)動(dòng)機(jī)的操作需要將影響其部件的加工。如上所述，該原理可以用于制造如轉(zhuǎn)子，軸部件(例如軸轂結(jié)構(gòu))等其它部件。因此，其它實(shí)施方案在附加權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種物質(zhì)的組成，包括下述結(jié)合，以重量百分比計(jì)最大含量的鎳；至少16.0％的鈷；和至少6.0％的鉭。
2.如權(quán)利要求1所述的組成，其中所述鎳的含量至少為50％。
3.如權(quán)利要求1所述的組成，其中所述鎳的含量為44-56％。
4.如權(quán)利要求1所述的組成，其中所述鎳的含量為48-52％。
5.如權(quán)利要求1所述的組成，進(jìn)一步包括鋁成分；和鈦成分，所述鈦成分與所述鋁成分的比至少為0.57。
6.如權(quán)利要求1所述的組成，進(jìn)一步包括鋁；鈦；和鈮，所述鉭、鋁、鈦和鈮的總含量至少為12.3％。
7.如權(quán)利要求1所述的組成，進(jìn)一步包括至少6.0％的鉻。
8.如權(quán)利要求7所述的組成，進(jìn)一步包括至少2.5％的鋁；和若有附加成分，每種附加成分各自不超過4.0％。
9.如權(quán)利要求7所述的組成，進(jìn)一步包括鋁、鈦、鈮和鉿的一種或多種，總量至少為5.8％。
10.如權(quán)利要求7所述的組成，進(jìn)一步包括鋁、鈦、鈮和鉿的一種或多種，總量至少為6.5％。
11.如權(quán)利要求1所述的組成，進(jìn)一步包括至少2.5％的鋁。
12.如權(quán)利要求11所述的組成，進(jìn)一步包括至少1.5％的鈦。
13.如權(quán)利要求1所述的組成，進(jìn)一步包括至少1.5％的鈦。
14.如權(quán)利要求1所述的組成，進(jìn)一步包括至少1.5％的鎢。
15.如權(quán)利要求1所述的組成，進(jìn)一步包括至少0.5％的鈮。
16.粉末形式的如權(quán)利要求1所述的組成。
17.一種形成制品的方法包括壓實(shí)具有如權(quán)利要求1所述組成的粉末；已壓實(shí)的粉末鍛造形成前體；并且加工所述鍛造前體。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括在加工之前和之后至少一次，通過加熱至不超過1232℃(2250°F)熱處理所述前體。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括在加工之前和之后至少一次，熱處理所述前體，該熱處理有效地將特征γ粒徑從大約10μm或更小的第一值增加到20-120μm的第二值。
20.一種具有如權(quán)利要求1所述的組成的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪或壓縮機(jī)葉輪。
21.一種物質(zhì)的組成，包括下述結(jié)合，以重量百分比計(jì)最大含量的鎳；總含量至少為20.0％的鈷和鉻；和至少6.0％的鉭。
22.如權(quán)利要求21的組成進(jìn)一步包括鋁、鈦、鈮和鉿的一種或多種，總量至少為5.8％。
23.一種形成制品的方法包括壓實(shí)具有如權(quán)利要求21所述組成的粉末；已壓實(shí)的粉末鍛造形成前體；并且加工所述鍛造前體。
24.一種物質(zhì)的組成，包括下述組分的組合，以重量百分比計(jì)大約18.0％到大約21.0％的鈷，大約8.5％到大約11.0％的鉻，大約6.5％到大約8.5％的鉭，大約2.2％到大約2.75％的鎢，大約2.5％到大約3.4％的鉬，大約0.03％到大約0.7％的鋯，大約0.8％到大約2.0％的鈮，大約2.0％到大約2.75％的鈦，大約3.0％到大約3.5％的鋁，大約0.02％到大約0.07％的碳，大約0.02％到大約0.06％的硼；和余量的鎳和少量的雜質(zhì)。
25.如權(quán)利要求24所述物質(zhì)的組成，其用于制造渦輪的葉輪。
26.一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉輪或葉輪基材，包括以下結(jié)合，以重量百分比計(jì)最大含量的鎳；至少16.0％的鈷；和至少6.0％的鉭。
27.一種物質(zhì)的組成，包括以下結(jié)合，以重量百分比計(jì)最大含量的鎳；至少16.0％的鈷；總含量至少為26.0％的鈷和鉻，和至少3.0％的鉭。
28.一種具有如權(quán)利要求27所述組成的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪或壓縮機(jī)葉輪。
29.如權(quán)利要求28所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪或壓縮機(jī)的葉輪，其為下述之一整體葉片式葉輪，其中葉片與葉輪主體一體化形式；和具有環(huán)形排列的葉片連接部件的葉輪。
全文摘要
一種物質(zhì)的組成，包括下列結(jié)合，以重量百分比計(jì)最大含量的鎳；至少16.0％的鈷；和至少3.0％的鉭。該組成可以用粉末冶金工藝來(lái)制造渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉輪。
文檔編號(hào)F01D5/28GK1840719SQ20061005924
公開日2006年10月4日 申請(qǐng)日期2006年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月30日
發(fā)明者P·L·雷諾 申請(qǐng)人:聯(lián)合工藝公司