专利名称：镍基超合金和由其形成的部件的制作方法
技术领域：
概括地讲，本发明涉及镍基合金组合物，更具体地讲，涉及适用于需要多晶微结构 和高温保载能力的部件(例如燃气涡轮机的涡轮盘)的镍基超合金。
背景技术：
燃气涡轮机的涡轮部分位于燃烧器部分的下游，并且包含转子轴和一个或多个涡 轮级，各涡轮级具有通过轴安装或采用别的方式由轴带动的涡轮盘(转子)和安装到盘的 周边并且从盘的周边径向延伸的涡轮叶片。为了在热燃烧气体产生的高温下得到可接受的 机械性质，燃烧器和涡轮部分内的部件通常由超合金材料形成。在现代高压比燃气涡轮机 中的较高压缩机出口温度也会需要使用用于压缩机盘、叶盘(blisk)和其他部件的高性能 镍超合金。给定部件所用的适合合金组合物和微结构取决于部件经受的具体温度、应力和 其他条件。例如，翼片部件(如叶片和叶轮)通常由等轴、定向固化(DS)或单晶(SX)超合 金形成，而涡轮盘一般由必须经过精密锻造、热处理和表面处理(如喷丸硬化)来产生具有 受控晶粒结构和合乎需要的机械性质的多晶微结构的超合金形成。涡轮盘通常由Y ‘析出强化镍基超合金(以后称为Y ‘镍基超合金)形成，所 述超合金包含与镍结合形成Y基体的铬、钨、钼、铼和/或钴作为主要元素，并且包含与镍 结合形成合乎需要的Y ‘析出强化相(主要为Ni3(Al，Ti))的铝、钛、钽、铌和/或钒作为 主要元素。特别值得关注的Y ‘镍基超合金包括1^116880110 88011;美国专利4，957，567) 和 Ren6l04(Rl04 ；美国专利 6，521，175)和以商标Inconel 、Nimonic 和Udimet 购 得的某些镍基超合金。R88DT的组成为约15. 0至17. 0%重量铬、约12. 0至14. 0%重量 钴、约3. 5至4. 5%重量钼、约3. 5至4. 5%重量钨、约1. 5至2. 5%重量铝、约3. 2至4. 2% 重量钛、约0. 50至1. 0%重量铌、约0. 010至0. 060%重量碳、约0. 010至0. 060%重量锆、 约0. 010至0. 040%重量硼、约0. 0至0. 3%重量铪、约0. 0至0. 01 %重量钒和约0. 0至 0. 01 %重量钇、余量的镍和偶见杂质。R104的标称组成为约16. 0至22. 4%重量钴、约6. 6 至14. 3%重量铬、约2. 6至4. 8%重量铝、约2. 4至4. 6%重量钛、约1. 4至3. 5%重量钽、 约0. 9至3. 0%重量铌、约1. 9至4. 0%重量钨、约1. 9至3. 9%重量钼、约0. 0至2. 5%重 量铼、约0. 02至0. 10%重量碳、约0. 02至0. 10%重量硼、约0. 03至0. 10%重量锆、余量的 镍和偶见杂质。另一种值得关注的镍基超合金公开于欧洲专利申请EP1195446，并且 其组成为约14至23%重量钴、约11至15%重量铬、约0. 5至4%重量钽、约0. 5至3%重 量钨、约2. 7至5%重量钼、约0. 25至3%重量铌、约3至6%重量钛、约2至5%重量铝、至 多约2. 5%重量铼、至多约2%重量钒、至多约2%重量铁、至多约2%重量铪、至多约0. 1% 重量镁、约0. 015至0. 重量碳、约0. 015至0. 045%重量硼、约0. 015至0. 15%重量锆、 余量的镍和偶见杂质。盘和其他关键燃气涡轮机部件通常由粉末冶金(P/M)、常规铸造和锻造加工、以及 喷射铸造或成核铸造成形技术制造的坯料锻造。由粉末冶金形成的Y ‘镍基超合金特别 能够提供蠕变、拉伸和疲劳裂纹扩展性质的优良平衡，以满足涡轮盘和某些其他燃气涡轮
3机部件的性能需要。在一般粉末冶金过程中，所需超合金的粉末经过固结，例如通过热等静 压(HIP)和/或挤压固结。然后，将所得坯料在略低于合金的Y ‘溶线温度等温锻造，以接 近超塑成形条件，这允许通过积累高几何应变填充模腔，而不积累显著冶金应变。这些处理 步骤设计成保持初始在坯料内的细晶粒大小(例如ASTM 10至13或更细)、实现高塑性以 填充近终形(near-net-shape)锻模、避免在锻造期间断裂并且保持相对较低的锻造和模 应力。为了在升高的温度下改善抗疲劳裂纹扩展性和机械性能，然后将这些合金在高于其 Y‘溶线温度下热处理(一般称为超溶线热处理)，以使晶粒显著均勻粗化。尽管合金(如R88DT和R104)已在超合金高温能力方面提供了显著的进步，但现 在还在继续寻求进一步改善。例如，高温保载能力已表现出为与更先进军事和商用发动机 应用相关的高温和应力的重要因素。随着更高温度和更先进发动机的研发，目前的合金的 蠕变和裂纹扩展特性会达不到满足任务/寿命目标和先进涡轮盘应用需要所需的能力。已 显而易见的是，满足此挑战的一个具体方面是研发在1200° F(约650°C )和更高温度显示 蠕变和保载(保压)时间疲劳裂纹扩展速率特性的所需且平衡的改善，同时也具有良好可 生产性和热稳定性的组合物。然而，使此挑战复杂化的事实是，蠕变和裂纹扩展特性难以同 时改善，并且可明显地受某些成合金成分存在与否以及超合金中存在的成合金成分量的相 对较小的变化影响。
发明内容
本发明提供了表现出改善的高温保载能力(包括蠕变和保载时间疲劳裂纹扩展 特性)的Y ‘镍基超合金和由其形成的部件。根据本发明的第一方面，Y ‘镍基超合金由11. 3至13. 3%重量钴、12. 4至15. 2% 重量铬、2. 1至2. 7%重量铝、3. 6至5. 8%重量钛、3. 5至4. 5%重量钨、3. 1至3. 8%重量钼、 0. 0至1. 2%重量铌、0. 0至2. 3%重量钽、0. 0至0. 5%重量铪、0. 040至0. 100%重量碳、 0. 010至0. 046%重量硼、0. 030至0. 080 %重量锆、余量的镍和杂质组成，其中铌+钽含量 为0.0至3. 5%重量。本发明的其他方面包括可由上述合金形成的各种部件，其具体实例包括燃气涡轮 机的涡轮盘和压缩机盘和叶盘。本发明的显著优点是，上述镍基超合金提供了平衡改善高温保载性质(包括改善 在1200° F(约650°C )和更高温度下的蠕变和保载时间疲劳裂纹扩展速率(HTFCGR)特性 二者)，同时也具有良好可生产性和良好热稳定性的潜力。相信其他性质改善也是可能的， 特别是如果适当地采用粉末冶金、热加工和热处理技术处理。通过以下详细说明，将更好地理解本发明的其他方面和优点。
图1为燃气涡轮机使用的一种类型的涡轮盘的透视图。图2以表格形式列出了由本发明最初确定的作为用作涡轮盘合金的有潜力组合 物的一系列镍基超合金组合物。图3以表格形式汇集了图2的镍基超合金组合物如果经过二步热处理的各种预测 性质。
图4为从图3的数据绘制的蠕变和保载时间疲劳裂纹扩展速率图。图5以表格形式汇集了图2的镍基超合金组合物如果经过一步热处理的各种预测 性质。图6为从图5的数据绘制的蠕变和保载时间疲劳裂纹扩展速率图。图7以表格形式列出了基于图2中最初确定的合金制备的一系列镍基超合金组合 物的实际化学组成。
具体实施例方式本发明涉及Y ‘镍基超合金，具体地讲，涉及适用于通过热加工(例如锻造)操作 生产以具有多晶微结构的部件的Y‘镍基超合金。在图1中表示的一个具体实例为用于燃 气涡轮机的高压涡轮盘10。以下将就用于燃气涡轮机的高压涡轮盘的加工来讨论本发明， 尽管本领域技术人员会了解，本发明的教导和益处也适用于燃气涡轮机的压缩机盘和叶盘 以及在高温下经受应力并因此需要高温保载能力的众多其他部件。图1所示类型的盘通常通过等温锻造由粉末冶金(PM)、铸造和锻造加工、或喷射 铸造或成核铸造类型技术形成的细粒坯料制造。在采用粉末冶金法的一个优选实施方案 中，可通过固结超合金粉末形成坯料，例如通过热等静压(HIP)或挤压固结。坯料通常在合 金的重结晶温度或接近合金的重结晶温度但小于合金的Y‘溶线温度的温度并且在超塑 成形条件下锻造。在锻造后进行超溶线(固溶)热处理，在此期间发生晶粒生长。超溶线 热处理在高于超合金的Y'溶线温度的温度(但低于初熔温度)进行，以使处理过的晶粒 结构重结晶，并使Y ‘析出物溶(溶解)于超合金。在超溶线热处理后，使部件以适合速率 冷却，以使Y'在Y基体或在晶界重新析出，从而达到所需的特定机械性质。也可用已知 的技术对部件进行时效处理。本发明的超合金组合物通过采用一种专有分析预测方法来研发，所述专有分析预 测方法旨在确定能够比现有镍基超合金表现出更佳高温保载能力的成合金成分和量。更具 体地讲，所述分析和预测利用专有研究，专有研究包括定义有关拉伸、蠕变、保载时间(保 压)裂纹扩展速率、密度和以上述方式制造的涡轮盘的其他重要或所需机械性质的元素传 递函数。通过同时解这些传递函数，可进行组合物评价，以确定看来具有满足先进涡轮机需 要的所需机械特性(包括蠕变和保载时间疲劳裂纹扩展速率(HTFCGR))的那些组合物。所 述分析研究也利用市售软件包与专有数据库以基于组合物来预测相体积分数，从而允许进 一步限定接近或在一些情况下略微超过不合乎需要的平衡相稳定性边界的组合物。最后， 限定Y ‘和碳化物的固溶体温度和优选量，以确定具有机械性质、相组成和Y ‘体积分数 的合乎需要组合，同时避免能够降低使用时的能力(如果由于使用环境特性足够形成平衡 相)的不合乎需要相的组合物。在研究中，回归公式或传递函数的发展基于从历史盘合金 研发工作得到的所选数据为基础。研究也依赖前述镍基超合金R88DT和R104的定性和定 量数据。用于确定某些有潜力合金组合物的具体标准包括需要具有类似于或优于R88DT 的低循环疲劳(LCF)特性但具有改善的高温保载时间(保压)特性和具有更大Y ‘ ((Ni, Co)3(Al，Ti，Nb，Ta))体积百分数以在1400° F(约760°C )和更高温度下长时间内提高强度 的合金。另外，将某些组成参数确定为对R88DT组合物的有潜力改进，包括用于高温强度的较高量铪，更佳的硼量和加入钽。在本文中将此组内的合金标识为合金08-03至08-10。最 后，采用与特定机械性质相关的回归因子，以更窄确定可能能够显示超高温保载时间(保 压)特性的有潜力合金组合物，否则的话不用很多种合金进行广泛实验则不能确定。这些 性质包括在1200° F(约650°C)的极限拉伸强度(UTS)、屈服强度(YS)、伸长(EL)、面积减 小(RA)、蠕变(在1200° F和115ksi (在约790MPa约650°C )达到0. 2%蠕变的时间)、在 1300° F (约700°C)和25ksi V in (约27.5MPa V m)最大应力强度的保载时间(保压)疲 劳裂纹扩展速率(HTFCGR，da/dt)、疲劳裂纹扩展速率(FCGR)、γ ’体积百分数(Y ‘ % )和 Y ‘溶线温度(SOLVUS)，均基于回归来评价。在本文中记录的这些性质的单位为ksi (UTS 和YS)、% (EL、RA和、’体积百分数)、小时(蠕变)、英寸/秒(in/sec)(裂纹扩展速率 (HTFCGR和FCGR))和。溶线温度)。也进行热力学计算，以评价合金特性，如相体积 分数、Y ‘的稳定性和溶线温度(solvii)、碳化物、硼化物和拓扑密排(TCP)相。用专家意见和指导重复进行上述过程，以限定制造和评价的优选组合物。由此过 程，如图2的表中所列限定以上提到系列的合金组合物08-03至08-10(%重量)。为了 对照，在表中也包括落在R88DT的组合物内但具有最小或最大量硼的两种合金(08-01和 08-02)。图2合金的基于回归的性质预测包含于图3的表中，图4包含自图3的保载时间 疲劳裂纹扩展速率(HTFCGR)和蠕变数据的绘图。预测基于利用在约1550° F(约845°C ) 稳定型二步时效热处理约4小时，随后在约1400° F(约760V )约8小时。作为对照，图4也包含R88DT和R104的历史HTFCGR和蠕变数据。从图4可以看 到，较高硼量看来改善R88DT的HTFCGR特性，尽管不能改善其蠕变性质。关于提到的合金 组合物，与R88DT的历史水平比较，看来08-04、08-05和08-07可改善HTFCGR特性。然后，图2的合金基于采用一步时效热处理经过进一步的基于回归的性质预测。 所得性质预测包含于图5的表中，图6包含自图5的HTFCGR和蠕变数据的绘图。作为对 照，图6也包含R88DT和R104的历史HTFCGR和蠕变数据。如基于二步热处理的先前预测那 样，从图6可以看到，较高硼量看来改善R88DT的HTFCGR特性，尽管不能改善其蠕变性质。 关于提议的合金组合物，与R88DT的历史水平比较，看来08-04、08-05和08-07可同样改善 HTFCGR特性，并且改善蠕变特性。然后制备基于各以上分析和讨论的组合物的合金。所制备合金的实际化学组成 重量)汇总于图7的表中。从这些合金确定合金范围，以限定具有有前景的性质并且具
有反映关于所分析合金组合物预测的性质的窄限定范围的合金。涵盖合金08-03至08-10 的合金的较宽和较窄范围汇总于以下表I中，并且部分以(与R88DT比较)相对较低铬含 量、相对较高钛、铪和钽+铌含量和钽优先于铌为特征。表I中的“具有Ta&Hf”列旨在关注 含钽和铪的08-03至08-10的那些合金。除了表I中所列的元素外，相信在不产生不合乎 需要的性质的前提下可存在较少量其他成合金成分。这些成分和其量包括至多2. 5%重量 铼、至多2%重量钒、至多2%重量铁和至多0. 重量镁。表 I
权利要求
一种γ′镍基超合金，所述γ′镍基超合金由11.3至13.3％重量钴；12.4至15.2％重量铬；2.1至2.7％重量铝；3.6至5.8％重量钛；3.5至4.5％重量钨；3.1至3.8％重量钼；0.0至1.2％重量铌；0.0至2.3％重量钽；0.0至0.5％重量铪；0.040至0.100％重量碳；0.010至0.046％重量硼；0.030至0.080％重量锆；余量的镍和杂质组成，其中铌+钽含量为0.0至3.5％重量。
2.权利要求1的Y'镍基超合金，其特征在于钛含量大于4.2%。
3.权利要求1或2的γ‘镍基超合金，其特征在于钼含量小于3. 5%。
4.权利要求1至3中任一项的γ'镍基超合金，其特征在于铌含量小于0.5%。
5.权利要求1至4中任一项的Y‘镍基超合金，其特征在于钽含量为至少1%。
6.权利要求1至5中任一项的γ'镍基超合金，其特征在于铪含量大于0.3%。
7.权利要求1至6中任一项的γ'镍基超合金，其特征在于铌+钽含量大于1.0%。
8.权利要求1的Y'镍基超合金，其特征在于Y‘镍基超合金由11. 7至12. 7%重 量钴、12. 8至14. 5%重量铬、2. 2至2. 6%重量铝、3. 8至5. 5%重量钛、3. 7至4. 2%重量 钨、3. 2至3. 7%重量钼、0. 0%重量铌、1. 0至2. 2%重量钽、0. 3至0. 5%重量铪、0. 048至 0. 067%重量碳、0. 014至0. 040%重量硼、0. 041至0. 070%重量锆、余量的镍和杂质组成。
9.一种部件，所述部件由权利要求1至8中任一项的γ'镍基超合金形成。
10.权利要求9的部件，其特征在于所述部件为选自燃气涡轮机的涡轮盘和压缩机盘 和叶盘的粉末冶金部件。
全文摘要
本发明涉及γ′镍基超合金和由其形成的部件。所述合金包含11.3至13.3％重量钴、12.4至15.2％重量铬、2.1至2.7％重量铝、3.6至5.8％重量钛、3.5至4.5％重量钨、3.1至3.8％重量钼、0.0至1.2％重量铌、0.0至2.3％重量钽、0.0至0.5％重量铪、0.040至0.100％重量碳、0.010至0.046％重量硼、0.030至0.080％重量锆、余量的镍和杂质，其中铌+钽含量为0.0至3.5％重量。
文档编号C22C19/05GK101935781SQ201010227008
公开日2011年1月5日 申请日期2010年6月30日 优先权日2009年6月30日
发明者D·P·穆雷尔, K·R·贝恩 申请人:通用电气公司