[发明专利]镍基超合金及由其制成的构件

说明书

本申请是2010年5月28日提交的申请号为201010196635.5、发明名称为“镍基超合金及由其制成的构件”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明一般地涉及镍基合金成分，且更特别地，涉及适合于要求多晶显微构造和高温停留能力(dwell capability)的构件(例如燃气涡轮发动机的涡轮圆盘)的镍基超合金。

背景技术

燃气涡轮发动机的涡轮部处在燃烧器部的下游，并且包含转子轴和一个或多个涡轮级，各个涡轮级均具有由轴安装或者以另外方式由轴支撑的涡轮圆盘(转子)，以及安装在圆盘的外围并且从圆盘的外围径向延伸的涡轮叶片。在燃烧器和涡轮部内的构件通常由超合金材料制成，以便在处于因热燃烧气体而导致的升高的温度中时达到可接受的机械性能。在现代高压力比燃气涡轮发动机中的更高的压缩机出口温度也使得将高性能镍超合金使用于压缩机圆盘、叶盘和其它构件成为必要。用于指定构件的适合的合金成分和显微构造取决于构件遭受的具体温度、压力和其它条件。比方说，例如叶片和导叶的翼型件构件通常由等轴、定向凝固(DS)或单晶体(SX)超合金制成，然而涡轮圆盘典型地由必须经受仔细受控的锻造、热处理和例如喷丸处理的表面处理的超合金制成，以产生具有受控晶粒结构的多晶显微构造和期望的机械性能。

涡轮圆盘常由γ′沉淀强化镍基超合金(在下文中简称γ′镍基超合金)制成，γ′镍基超合金包含铬、钨、钼、铼和/或钴，这些元素作为与镍结合以形成伽玛(γ)基体的主要元素，并且γ′镍基超合金还包含铝、钛、钽、铌和/或钒，它们作为与镍结合以形成期望的γ′沉淀强化相(主要是Ni₃(Al,Ti))的主要元素。特别著名的γ′镍基超合金包括René 88DT(R88DT;美国专利No.4,957,567)和René 104(R104;美国专利No.6,521,175)，以及以Inconel®、Nimonic®和Udimet®商标可在商业上获得的某些镍基超合金。R88DT具有以下成分 (按重量)：大约15.0％-17.0%的铬、大约12.0％-14.0％的钴、大约3.5％-4.5％的钼、大约3.5％-4.5％的钨、大约1.5％-2.5％的铝、大约3.2％-4.2％的钛、大约0.5％-1.0％的铌、大约0.010％-0.060％的碳、大约0.010％-0.060％的锆、大约0.010％-0.040％的硼、大约0.0％-0.3％的铪、大约0.0％-0.01％的钒、大约0.0％-0.01％的钇、余下的镍和附带的杂质。R104具有以下的名义成分(按重量)：大约16.0％-22.4％的钴、大约6.6％-14.3％的铬、大约2.6％-4.8％的铝、大约2.4％-4.6％的钛、大约1.4％-3.5％的钽、大约0.9％-3.0％的铌、大约1.9％-4.0％的钨、大约1.9％-3.9％的钼、大约0.0％-2.5％的铼、大约0.02％-0.10％的碳、大约0.02％-0.10％的硼、大约0.03％-0.10％的锆、余下的镍和附带的杂质。

圆盘和其它关键的燃气涡轮发动机构件常由坯件锻造而成，而坯件通过粉末冶金法(P/M)、传统铸造和锻造加工、以及喷射铸造(spraycast)或者成核铸造(nucleated casting)形成技术生产。由粉末冶金法形成的γ′镍基超合金尤其能够提供蠕变、抗拉和疲劳裂纹扩展特性的良好平衡，以满足涡轮圆盘及某些其它燃气涡轮发动机构件的性能要求。在典型的粉末冶金加工中，所需的超合金的粉末经历固结，例如通过热等静压(HIP)和/或挤压固结。产生的坯件然后以稍微低于合金的γ′固溶温度的温度等温锻造，以接近超塑性形成条件，超塑性形成条件允许通过高几何应变的积聚的模槽填充，而没有显著的冶金学应变的积聚。这些加工步骤设计成保持最初在坯件内的精细晶粒尺寸(例如ASTM10到13或者更精细)，获得高的可塑性以填充近终形的锻模，避免在锻造期间的断裂并且维持相对低的锻件和模应力。为了改善在升高温度下的疲劳裂纹扩展抵抗性和机械性能，然后在这些合金的γ′固溶温度之上对这些合金进行热处理(通常称为超固溶热处理(supersolvus heat treatment))，以引起晶粒显著、均匀的粗化。