镍基超合金及由其制成的构件的制作方法
【专利说明】
[0001] 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
[0002] 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（例如燃气祸轮发动机的祸轮圆盘）的镍基超 合金。
【背景技术】
[0003] 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。
[0004] 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'镍基超合金包含络、鹤、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Ren6 88DT(R88DT;美国专利No. 4,957,567)和Ren6 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 % -LO %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。
[0005] 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/Μ)、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懦变、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 ASTMlO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、均勾的粗化。
[0006] 尽管例如R88DT和R104的合金已经提供了超合金的高温能力方面的显著提升，但 更进一步的改善还是被不断地探求。例如，因为与更先进的军事和商业发动机应用相关的 高温和应力，高温停留能力已经突出为重要的因素。由于开发了更高温度且更先进的发动 机，当前合金的蠕变和裂纹扩展特性倾向于达不到所要求的能力以满足任务/寿命目标以 及先进的圆盘应用的要求。已经变得清楚的是，满足该挑战的具体方面是研宄出这样的成 分，其在1200F° (大约650°C )以及更高温度下展示出在蠕变和保持时间（停留）疲劳裂 纹扩展速率特性方面期望且平衡的改善，同时还具有良好的可生产性和热稳定性。然而，以 下的事实使得该挑战变得复杂，即难以同时改善蠕变和裂纹扩展特性，并且某些合金成分 的存在与否和存在于超合金中的合金成分的水平的相对小的变化均可显著地影响蠕变和 裂纹扩展特性。
【发明内容】
[0007] 本发明提供γ '镍基超合金和由其形成的构件，这些构件展示出改善的包括蠕变 和保持时间疲劳裂纹扩展特性的高温停留能力。
[0008] 根据本发明的第一方面，γ '镍基超合金包含以下成分（按重量）：18.0%到 30. 0%的钴、11. 4%到16. 0%的铬、最多6. 0%的钽、2. 5%到3. 5%的铝、2. 5%到4. 0%的 钛、5. 5%到7. 5%的钼、最多2. 0%的铌、最多2. 0%的铪、0. 04%到0. 20%的碳、0. 01 %到 0. 05 %的硼、0. 03 %到0. 09 %的锆，余下基本上是镍和杂质，其中钛对铝的重量比是0. 71 至1. 60。在本发明的某些优选实施例中，γ ^镍基超合金基本上没有钨，即，包含0. 1重量 百分比或更少。
[0009] 本发明的另一方面是可由上述合金形成的构件，构件的具体示例包括涡轮圆盘和 压缩机圆盘以及燃气涡轮发动机的叶盘（blisk)。
[0010] 本发明的一个显著优点是如上所述的镍基超合金为高温停留特性方面的平衡的 改善提供了可能，该平衡的改善包括在1200 °F (大约650°C)以及更高的温度下的蠕变和 保持时间疲劳裂纹扩展速率（HTFCGR)的改善，同时上述镍基超合金还具有良好的可生产 性和良好的热稳定性。在其它特性方面的改善也认为是可能的，尤其是如果使用粉末冶金 法、热加工和热处理技术进行适当的加工。
[0011] 根据以下【具体实施方式】，本发明的其它方面和优点将变得更好理解。
【附图说明】
[0012] 图1是在燃气涡轮发动机中使用的一种类型的涡轮圆盘的透视图。
[0013] 图2是列出了由本发明确定为用作涡轮圆盘合金的可能成分的第一系列的镍基 超合金成分的表格。
[0014] 图3是对图2的镍基超合金成分编制了各种预测特性的表格。
[0015] 图4是根据图3的数据绘制了蠕变和保持时间疲劳裂纹扩展速率的图。
[0016] 图5是列出了由本发明确定为用作涡轮圆盘合金的可能成分的第二系列的镍基 超合金成分的表格。
[0017] 图6是对图5的镍基超合金成分编制了各种预测特性的表格。
[0018] 图7是根据图6的数据绘制了蠕变和保持时间疲劳裂纹扩展速率的图。
[0019] 图8是列出了由本发明确定为用作涡轮圆盘合金的可能成分的第三系列的镍基 超合金成分的表格。
[0020] 图9是对图8的镍基超合金成分编制了各种预测特性的表格。
[0021] 图10是对图8的镍基超合金成分绘制了断裂数据相对HTFCGR数据的图。
[0022] 部件目录 10 圆盘。
【具体实施方式】