[发明专利]高γ′镍基超级合金、其用途及制造涡轮发动机构件的方法

说明书

本发明涉及一种高γ′镍基超级合金、其用途以及通过焊接、3D增材制造、铸造和热成型制造涡轮发动机构件的方法，所述超级合金包含9.0‑10.5wt.％的Cr、20‑22wt.％的Co、1.0‑1.4wt％的Mo，5.0‑5.8wt％的W、2.0‑6.0wt％的Ta、3.0‑6.5wt％的Al、0.2‑0.5wt.％的Hf、0.01‑0.16wt％的C、1.5‑3.5wt％的Re、0‑1.0Ge wt.％、0‑0.2wt.％的Y、0‑1wt％的Si、0‑0.015wt％的B以及余量的镍和杂质。

技术领域

本发明的高γ′镍基超级合金可以用于激光束(LBW)、等离子体(PAW)、微等离子体(MPW)、电子束(EBW)焊接和3D增材制造，以及用于通过铸造和热成型来制造涡轮发动机构件和其它制品。

背景技术

航空和工业涡轮发动机的大多数涡轮叶片由具有氧化和蠕变特性的独特组合的镍基高γ′超级合金制成。然而，尽管高γ′超级合金具有显著特性，但发动机构件常常由于涡轮发动机运转期间发生的蠕变和热机械疲劳开裂、氧化和热腐蚀损坏而需要各种焊接修复。不同的钴基Merl 72(M72)、镍基René 142(R142)和René 80(R80)焊接材料自1980年代以来用于修复高压(HPT)和低压(LPT)涡轮叶片，参见A.Gontcharov等人，GT2018-75862，“Advanced Welding Materials and Technologies for Repair of Turbine EngineComponents manufactured of High Gamma Prime Nickel Based Superalloys(用于修复由高γ′镍基超级合金制成的涡轮发动机构件的先进焊接材料和技术)”，ASME Turbo Expo2018的会议记录：Turbine Technical Conference and Exposition，GT2018，2018年6月11-15日，挪威奥斯陆(进一步参见GT2018-75862)。

钴基M72在温度≥1800°F时具有优异的可焊性、延展性和抗氧化性，但具有低蠕变特性，如在GT2018-75862和实施例1中所示，这导致HPT叶片过早失效和不定期的发动机拆解。对于大多数钴基合金和具有高钴含量的镍基超级合金来说，低蠕变特性是常见的。另一方面，由Earl W.Ross和Kevin S.O’Hara在“Rene 142：高强度、抗氧化DS涡轮翼型件合金”，Superalloys(超级合金)，1992年，第257-265页中公开的并基于根据US4,169,742的高γ′镍基超级合金(其由10-13wt.％的Co、3-10wt.％的Cr、0.5-2wt.％的Mo、3-7wt.％的W、0.5-10wt.％的Re、5-6wt.％的Al、5-7wt.％的Ta、0.5-2wt.％的Hf、0.01-0.15wt.％的C、0.005-0.05wt.％的B、0-0.1wt.％Zr和余量的镍组成)产生的高γ′镍基R142焊丝，其包含6.8wt.％Cr-12wt.％Co-1.5wt.％Mo-4.9wt.％W-6.4wt.％Ta-6.1wt.％-1.5wt.％Hf-2.8wt.％Re，具有优异的蠕变特性，但可焊性极差。使用R142对涡轮发动机构件进行有限的焊接修复仅在将发动机构件预热至高温的情况下进行，如Dikran A.Barhanko等人在“Development of Blade Tip Repair for SGT-700 Turbine Blade Stage 1,WithOxidation Resistant Weld Alloy(使用抗氧化焊接合金修复SGT-700涡轮叶片级1的叶片尖端的开发)”，ASME Turbo Expo 2018的会议记录：Turbomachinery TechnicalConference and Exposition，GT2018，2018年6月11-15日，挪威奥斯陆和AlexandreGontcharov等人在前面引用的文章GT2018-75862中所证明的那样。然而，即使进行预热，R142焊缝也表现出较差的延展性和较高的微裂纹倾向，从而无法使用R142进行3D增材制造。