本發(fā)明涉及鎳基超合金、由鎳基超合金形成的制品和形成制品的方法。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪和發(fā)動(dòng)機(jī)的熱氣通道部件，特別是渦輪動(dòng)葉（blades）、靜葉（vanes）、噴嘴、密封件和固定罩殼在常超過2,000℉的高溫下操作。通常，例如鎳基超合金的超合金用于熱氣通道中以經(jīng)受住高溫。然而，許多當(dāng)前使用的鎳基超合金具有難以焊接的缺點(diǎn)。例如，諸如GTD-111、INCONEL? 738和Rene 108的合金為難以焊接的合金?！癎TD-111”為通用電氣公司的注冊(cè)商標(biāo)?！癐NCONEL”為由Huntington Alloys Corporation, Huntington, West Virginia生產(chǎn)的合金的注冊(cè)商標(biāo)。
此外，易于焊接的已知合金具有增加量的鋁。在已知組合物中鋁量增加的缺點(diǎn)為超合金不合乎需要地具有對(duì)應(yīng)變時(shí)效開裂更大的敏感性。
在熱氣通道中商業(yè)使用的一類合金在2002年7月9日授權(quán)給John H. Wood等的美國(guó)專利號(hào)6,416,596中公開并要求保護(hù)；其為在1971年10月26日授權(quán)給Earl W. Ross的美國(guó)專利號(hào)3,615,376中公開并要求保護(hù)的那類合金的改進(jìn)。這兩個(gè)專利都轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人且通過引用以其整體結(jié)合。在上述類別的合金內(nèi)的已知超合金組合物為GTD-111。GTD-111具有以合金的重量百分比計(jì)14%鉻、9.5%鈷、3.8%鎢、1.5%鉬、4.9%鈦、3.0%鋁、0.1%碳、0.01%硼、2.8%鉭以及余量的鎳和夾帶雜質(zhì)的標(biāo)稱組成。GTD-111含有實(shí)質(zhì)濃度的鈦(Ti)和鉭(Ta)。在某些條件下，η相可在模具表面上和在鑄件內(nèi)部形成，其在一些情況下導(dǎo)致裂紋形成。美國(guó)專利號(hào)6,416,596中公開并要求保護(hù)的合金（包括GTD-111）的特性為在凝固合金中存在η相、六方密堆形式的金屬間Ni3Ti以及偏析的鈦金屬。在合金凝固期間，鈦具有從固/液界面的液體側(cè)排斥的強(qiáng)烈趨勢(shì)，導(dǎo)致鈦在凝固前沿中偏析(局部富集)并促進(jìn)在最后凝固液體中形成η。鈦的偏析還降低固相線溫度，增加γ/γ'(gamma/gamma prime)共晶相的分?jǐn)?shù)并導(dǎo)致在凝固合金中微收縮。η相尤其可導(dǎo)致由那些合金鑄造的某些制品在初始鑄造過程以及鑄造后、機(jī)械加工和修復(fù)過程期間被廢棄。此外，η相的存在可導(dǎo)致在服務(wù)暴露期間合金機(jī)械性質(zhì)的降級(jí)。
除了形成η之外，在美國(guó)專利號(hào)6,416,596中要求保護(hù)的那類合金還易于形成有害的拓?fù)涿芏?TCP)相(例如，μ相和σ相)。TCP相在高于約1500℉的溫度下暴露之后形成。TCP相不僅脆，而且其形成通過從所要合金相中除去溶質(zhì)元素并使其在脆性相中濃縮來降低合金的溶體增強(qiáng)潛力，從而無法滿足預(yù)定強(qiáng)度和壽命目標(biāo)。超出小標(biāo)稱量的TCP相的形成由合金的組成和熱歷史產(chǎn)生。
在本領(lǐng)域中合乎需要的將為具有方法和/或所形成的部件的性質(zhì)改進(jìn)的制品和方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
在一個(gè)實(shí)施方案中，提供了包含組合物的制品，其中所述組合物包含以重量百分比計(jì)約20.0%-約22.0%鉻(Cr)、約18.0%-約20.0%鈷(Co)、約1.0%-約2.0%鎢(W)、約3.0%-約6.0%鈮(Nb)、約0.5%-約1.5%鈦(Ti)、約2.0%-約3.0%鋁(Al)、約0.5%-約1.5%鉬(Mo)、約0.03%-約0.18%碳(C)、至多約0.15%鉭(Ta)、至多約0.20%鉿(Hf)、至多約0.20%鐵(Fe)、余量的鎳(Ni)和夾帶雜質(zhì)。Al的量根據(jù)下式存在：
Al ≤ - (0.5 * Ti) + 3.75。
所述組合物可焊接，具有包含約35體積%-45體積%的γ' (gamma prime)且基本缺乏η和在升高的工作溫度下含量較低的TCP相的微觀結(jié)構(gòu)。
在另一實(shí)施方案中，提供了形成制品的方法，所述方法包括將所述組合物成形為所述制品，所述組合物包含以重量百分比計(jì)約20.0%-約22.0%鉻(Cr)、約18.0%-約20.0%鈷(Co)、約1.0%-約2.0%鎢(W)、約3.0%-約6.0%鈮(Nb)、約0.5%-約1.5%鈦(Ti)、約2.0%-約3.0%鋁(Al)、約0.5%-約1.5%鉬(Mo)、約0.03%-約0.18%碳(C)、至多約0.15%鉭(Ta)、至多約0.20%鉿(Hf)、至多約0.20%鐵(Fe)、余量的鎳(Ni)和夾帶雜質(zhì)。Al的量根據(jù)下式存在：
Al ≤ - (0.5 * Ti) + 3.75。
將所述制品熱處理以形成熱處理過的微觀結(jié)構(gòu)。所述熱處理過的微觀結(jié)構(gòu)可焊接，具有約35體積%-45體積%的γ' (gamma prime)，且基本缺乏η和在升高的工作溫度下含量降低的TCP相。
在另一實(shí)施方案中，提供了操作燃?xì)鉁u輪的方法，所述方法包括提供包含組合物的制品，所述組合物包含以重量百分比計(jì)約20.0%-約22.0%鉻(Cr)、約18.0%-約20.0%鈷(Co)、約1.0%-約2.0%鎢(W)、約3.0%-約6.0%鈮(Nb)、約0.5%-約1.5%鈦(Ti)、約2.0%-約3.0%鋁(Al)、約0.5%-約1.5%鉬(Mo)、約0.03%-約0.18%碳(C)、至多約0.15%鉭(Ta)、至多約0.20%鉿(Hf)、至多約0.20%鐵(Fe)、余量的鎳(Ni)和夾帶雜質(zhì)。Al的量根據(jù)下式存在：
Al ≤ - (0.5 * Ti) + 3.75。
所述組合物可焊接，具有包含約35體積%-45體積%的γ'且基本缺乏η和在升高的工作溫度下含量降低的TCP相的微觀結(jié)構(gòu)。將所述制品暴露于在至少約1500℉的溫度下的熱氣通道流。在所述暴露期間，所述制品在大于2000小時(shí)下具有低蠕變速率。
本發(fā)明提供以下方面。
第1項(xiàng). 一種制品，其包含組合物，其中所述組合物包含以重量百分比計(jì)：
約20.0%-約22.0%鉻(Cr)；
約18.0%-約20.0%鈷(Co)；
約1.0%-約2.0%鎢(W)；
約3.0%-約6.0%鈮(Nb)；
約0.5%-約1.5%鈦(Ti)；
約2.0%-約3.0%鋁(Al)；
約0.5%-約1.5%鉬(Mo)；
約0.03%-約0.18%碳(C)；
至多約0.15%鉭(Ta)；
至多約0.20%鉿(Hf)；
至多約0.20%鐵(Fe)；
余量的鎳(Ni)和夾帶雜質(zhì)，且
其中Al的量根據(jù)下式存在：
Al ≤ - (0.5 * Ti) + 3.75
且所述組合物可焊接，具有包含約35體積%-45體積%的γ' (gamma prime)且基本缺乏η和在升高的工作溫度下含量降低的TCP相的微觀結(jié)構(gòu)。
第2項(xiàng). 根據(jù)第1項(xiàng)的制品，其中所述微觀結(jié)構(gòu)缺乏η相。
第3項(xiàng). 根據(jù)第1項(xiàng)的制品，其中所述微觀結(jié)構(gòu)具有在升高的工作溫度下含量降低的TCP相。
第4項(xiàng). 根據(jù)第1項(xiàng)的制品，其中所述微觀結(jié)構(gòu)缺乏η相和TCP相。
第5項(xiàng). 根據(jù)第1項(xiàng)的制品，其中所述組合物定向凝固。
第6項(xiàng). 根據(jù)第1項(xiàng)的制品，其中所述組合物包含以重量百分比計(jì)約21.0%鉻(Cr)、約19.0%鈷(Co)、約1.5%鎢(W)、約4.7%鈮(Nb)、約1.0%鈦(Ti)、約2.6%鋁(Al)、約1.0%鉬(Mo)、約0.14%碳(C)，以及余量的鎳(Ni)和夾帶雜質(zhì)。
第7項(xiàng). 根據(jù)第1項(xiàng)的制品，其中所述制品為燃?xì)鉁u輪或航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱氣通道部件，且其中所述熱氣通道部件能夠暴露于至少約1500℉的溫度下的熱氣通道氣體。
第8項(xiàng). 根據(jù)第7項(xiàng)的制品，其中所述制品選自靜葉、噴嘴、密封件、固定罩殼、隔膜和燃料噴嘴。
第9項(xiàng). 根據(jù)第1項(xiàng)的制品，其中所述制品為焊接填料棒。
第10項(xiàng). 形成制品的方法，其包括：
使組合物成形為所述制品，所述組合物包含以重量百分比計(jì)：
約20.0%-約22.0%鉻(Cr)；
約18.0%-約20.0%鈷(Co)；
約1.0%-約2.0%鎢(W)；
約3.0%-約6.0%鈮(Nb)；
約0.5%-約1.5%鈦(Ti)；
約2.0%-約3.0%鋁(Al)；
約0.5%-約1.5%鉬(Mo)；
約0.03%-約0.18%碳(C)；
至多約0.15%鉭(Ta)；
至多約0.20%鉿(Hf)；
至多約0.20%鐵(Fe)；
余量的鎳(Ni)和夾帶雜質(zhì)，且
其中Al的量根據(jù)下式存在：
Al ≤ - (0.5 * Ti) + 3.75
熱處理所述制品以形成熱處理過的微觀結(jié)構(gòu)；
其中所述熱處理過的微觀結(jié)構(gòu)可焊接，具有約35體積%-45體積%的γ' （gamma prime），且基本缺乏η和在升高的工作溫度下含量降低的TCP相。
第11項(xiàng). 根據(jù)第10項(xiàng)的方法，其中所述熱處理過的微觀結(jié)構(gòu)缺乏η相。
第12項(xiàng). 根據(jù)第10項(xiàng)的方法，其中使所述組合物成形為所述制品包括鑄造所述組合物，其包括錠鑄造、熔模鑄造和近凈成形鑄造中的一種。
第13項(xiàng). 根據(jù)第12項(xiàng)的方法，其中所述鑄造包括定向凝固所述組合物。
第14項(xiàng). 根據(jù)第10項(xiàng)的方法，其中使所述組合物成形為所述制品包括選自粉末冶金凝固、增材制造（additive manufacturing）和熱噴涂的材料加工。
第15項(xiàng). 根據(jù)第10項(xiàng)的方法，其中形成所述材料加工為增材制造且選自直接金屬激光熔融(DMLM)、直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、激光加工近凈成形、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、選擇性激光熔融(SLM)、電子束熔融(EBM)、熔融沉積成型(FDM)及其組合。
第16項(xiàng). 操作燃?xì)鉁u輪的方法，其包括：
提供包含組合物的制品，其中所述組合物包含以重量百分比計(jì)：
約20.0%-約22.0%鉻(Cr)；
約18.0%-約20.0%鈷(Co)；
約1.0%-約2.0%鎢(W)；
約3.0%-約6.0%鈮(Nb)；
約0.5%-約1.5%鈦(Ti)；
約2.0%-約3.0%鋁(Al)；
約0.5%-約1.5%鉬(Mo)；
約0.03%-約0.18%碳(C)；
至多約0.15%鉭(Ta)；
至多約0.20%鉿(Hf)；
至多約0.20%鐵(Fe)；
余量的鎳(Ni)和夾帶雜質(zhì)，且
其中Al的量根據(jù)下式存在：
Al ≤ - (0.5 * Ti) + 3.75
且所述組合物可焊接，具有包含約35體積%-45體積%的γ' （gamma prime）且基本缺乏η和在升高的工作溫度下含量降低的TCP相的微觀結(jié)構(gòu)；
使所述制品暴露于至少約1500℉的溫度下的熱氣通道流；
其中在所述暴露期間，所述制品在大于2000小時(shí)下具有低蠕變速率。
第17項(xiàng). 根據(jù)第16項(xiàng)的方法，其中所述制品在大于400小時(shí)下具有低蠕變速率。
第18項(xiàng). 根據(jù)第16項(xiàng)的方法，其中所述制品在大于600小時(shí)下具有低蠕變速率。
第19項(xiàng). 根據(jù)第16項(xiàng)的方法，其中所述制品選自靜葉、噴嘴、密封件、固定罩殼、隔膜和燃料噴嘴。
第20項(xiàng). 根據(jù)第16項(xiàng)的方法，其中所述微觀結(jié)構(gòu)缺乏η相和在升高的工作溫度下含量降低的TCP相。
本發(fā)明的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合舉例說明本發(fā)明的原理的附圖自以下更詳細(xì)的描述而顯而易見。
具體實(shí)施方式
提供了制品和形成制品的方法。與未使用本文公開的一種或多種特點(diǎn)的方法和制品相比較，本公開內(nèi)容的實(shí)施方案具有提高的可焊接性、提高的應(yīng)變時(shí)效開裂的抵抗性、增加的蠕變壽命、延長(zhǎng)的低周期疲勞和提高的抗氧化性。本公開內(nèi)容的實(shí)施方案能夠制造燃?xì)鉁u輪和燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱氣通道部件、超合金組合物，所述超合金組合物至少具有與已知超合金一樣的高溫有利性能且不含η相和在升高的工作溫度下含量降低的TCP相。
在介紹本發(fā)明的各種實(shí)施方案的要素時(shí)，冠詞“一個(gè)/種”、“該”和“所述”旨在表示存在一個(gè)/種或多個(gè)/種所述要素。術(shù)語“包含”、“包括”和“具有”旨在為包括性并意味著除了所列要素之外還可能有其他要素。
在一個(gè)實(shí)施方案中，制品包含組合物，所述組合物包含以重量百分比計(jì)約20.0%-約22.0%鉻(Cr)、約18.0%-約20.0%鈷(Co)、約1.0%-約2.0%鎢(W)、約3.0%-約6.0%鈮(Nb)、約0.5%-約1.5%鈦(Ti)、約2.0%-約3.0%鋁(Al)、約0.5%-約1.5%鉬(Mo)、約0.03%-約0.18%碳(C)、至多約0.15%鉭(Ta)、至多約0.20%鉿(Hf)、至多約0.20%鐵(Fe)、余量的鎳(Ni)和夾帶雜質(zhì)。
在另一實(shí)施方案中，所述組合物包含以重量計(jì)約21.0%鉻(Cr)、約19.0%鈷(Co)、約1.5%鎢(W)、約4.7%鈮(Nb)、約1.0%鈦(Ti)、約2.6%鋁(Al)、約1.0%鉬(Mo)、約0.14%碳(C)以及余量的鎳(Ni)和夾帶雜質(zhì)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，所述組合物中存在的鋁(Al)的量根據(jù)下式提供：
Al ≤ - (0.5 * Ti) + 3.75
其中“Al”為以總組合物的重量百分比計(jì)的鋁的量，且“Ti”為以總組合物的重量百分比計(jì)的鈦的量。
所述組合物可焊接，具有包含約35體積%-45體積%或約37體積%-40體積%或約38體積%的γ'（gamma prime）且基本缺乏η和在升高的工作溫度下含量降低的TCP相的微觀結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本公開內(nèi)容由所述組合物形成的制品實(shí)現(xiàn)超合金中的機(jī)械性質(zhì)等于或超過諸如GTD-111的常規(guī)超合金的那些機(jī)械性質(zhì)，同時(shí)例如與GTD-111相比較，使諸如η相和在升高的工作溫度下含量降低的TCP相的微觀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性的形成降到最小程度或理想地完全避免。
例如，根據(jù)本發(fā)明形成的鎳基超合金制品具有全部相對(duì)于GTD-111而言良好的可焊接性、抗氧化性、延長(zhǎng)的低周期疲勞壽命、延長(zhǎng)的增加的蠕變壽命的改進(jìn)組合并使η相的有害形成和在升高的溫度下在所述超合金微觀結(jié)構(gòu)中拓?fù)涿芏严嗟挠泻π纬山档阶钚〕潭然蛳?。所述鎳基超合金制品的特征在于蠕變壽命和微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的改進(jìn)組合，其中η相和拓?fù)涿芏严嗟挠泻π纬稍谏叩臏囟认略诔辖鹞⒂^結(jié)構(gòu)中降到最小程度或消除。在一個(gè)實(shí)施方案中，根據(jù)本公開內(nèi)容由所述組合物形成的微觀結(jié)構(gòu)缺乏η相。如本文所用的“可焊接的”或“良好的可焊接性”或其語法變體是指組合物在焊接時(shí)的性質(zhì)，如從焊接處的俯視圖觀察呈現(xiàn)出幾乎沒有或沒有的裂紋或裂隙，且如果存在開裂，則開裂包括具有小于約0.003英寸的長(zhǎng)度的裂紋。
在一個(gè)實(shí)施方案中，形成所述制品的方法包括提供以任何合適形式例如錠、熔體、粉末或其他已知金屬形式的組合物，和由所述組合物形成所述制品。在另一實(shí)施方案中，由所述組合物形成所述制品包括任何合適的技術(shù)，包括但不限于諸如鑄造、粉末冶金凝固、增材制造和熱噴涂的材料加工。合適的鑄造方法包括錠鑄造、熔模鑄造或近凈成形鑄造。合適的增材制造方法包括但不限于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的方法，如直接金屬激光熔融(DMLM)、直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、激光加工近凈成形、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、選擇性激光熔融(SLM)、電子束熔融(EBM)、熔融沉積成型(FDM)或其組合。如上所提，可使用任何合適的鑄造、粉末冶金、增材制造或熱噴涂方法以形成所述制品。在其中合乎需要地生產(chǎn)更復(fù)雜的部件的實(shí)施方案中，熔融金屬可通過熔模鑄造方法或經(jīng)由通?？筛m用于生產(chǎn)無法通過正常制造技術(shù)生產(chǎn)的部件的增材制造的方法合乎需要地鑄造，所述部件諸如為具有復(fù)雜形狀的渦輪葉片或必須經(jīng)受住高溫的渦輪部件。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述組合物可為焊接填料組合物或成形為焊接填料棒。在另一實(shí)施方案中，所述熔融金屬可通過錠鑄造方法鑄造、凝固成渦輪部件。所述成形可使用重力、壓力、惰性氣體或真空條件進(jìn)行。在一些實(shí)施方案中，成形在真空中進(jìn)行。
在一個(gè)實(shí)施方案中，將模具中的熔體定向凝固。定向凝固通常產(chǎn)生單晶或柱狀結(jié)構(gòu)，即沿生長(zhǎng)方向伸長(zhǎng)的晶粒，且因此對(duì)于機(jī)翼，沿生長(zhǎng)方向伸長(zhǎng)的晶粒的蠕變強(qiáng)度大于等軸鑄件且適合在一些實(shí)施方案中使用。在定向凝固中，樹狀晶體沿定向熱流取向且或可形成柱狀結(jié)晶微觀結(jié)構(gòu)(即，在工件的整個(gè)長(zhǎng)度上蔓延且根據(jù)慣常使用的語言在本文中稱為定向凝固(DS)的晶粒)。在該方法中，需要避免傳輸（transmission）為球狀(多晶)凝固，因?yàn)榉嵌ㄏ蛏L(zhǎng)不可避免地形成橫向和縱向晶界，其否定了定向凝固(DS)的有利性質(zhì)。這種加工與根據(jù)本公開內(nèi)容的組合物組合產(chǎn)生降低或消除諸如η相和TCP相的微觀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性的形成的微觀結(jié)構(gòu)。
包含所述鎳基合金的鑄造制品通常經(jīng)受不同的熱處理以優(yōu)化強(qiáng)度以及提高抗蠕變性。在一些實(shí)施方案中，所述鑄件在固相線和γ'固溶線溫度之間的溫度下合乎需要地溶體熱處理。固相線為合金在加熱期間開始熔融或在自液相冷卻期間完成凝固的溫度。γ'固溶線為在加熱期間γ'相完全溶解到γ基質(zhì)相中或在冷卻期間開始在γ基質(zhì)相中析出的溫度。這種熱處理通常降低偏析的存在。在溶體熱處理之后，合金在低于γ'固溶線溫度下熱處理以形成γ'析出物。已經(jīng)熱處理過的制品的微觀結(jié)構(gòu)包括包含具有約35體積%-45體積%或約37體積%-40體積%或約38體積%的γ' (gamma prime)的面心立方結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)。γ'析出物的平均尺寸為約0.16μm-約0.26μm或約0.18μm-約0.24μm或約0.22μm。
與諸如GTD-111的常規(guī)超合金組合物相比較，根據(jù)本公開內(nèi)容由所述組合物形成的制品具有細(xì)小的（fine）共晶區(qū)。所形成的制品由于由本公開內(nèi)容的組合物引起的較少的裂紋引發(fā)位點(diǎn)而包括較長(zhǎng)的低周期疲勞(LCF)壽命。此外，精制的（refined）共晶區(qū)還產(chǎn)生在凝固過程中形成的在熱處理時(shí)進(jìn)入溶體的更多γ'。此外，與已知合金相比，根據(jù)本公開內(nèi)容的制品具有更大的抗蠕變性。例如，在燃?xì)鉁u輪操作條件下的200小時(shí)、400小時(shí)、600小時(shí)或800小時(shí)的時(shí)間下，根據(jù)本公開內(nèi)容的制品具有比常規(guī)鎳基超合金制品少5%、少10%、少15%、少20%或少大于20%的低蠕變速率。
在一個(gè)實(shí)施方案中，將所述鎳基合金加工成燃?xì)鉁u輪或航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱氣部件，且其中所述熱氣通道部件經(jīng)受至少約1500℉的溫度。在另一實(shí)施方案中，所述熱氣通道部件選自葉片或動(dòng)葉、靜葉、噴嘴、密封件、燃燒器和固定罩殼、隔膜或燃料噴嘴。在一個(gè)實(shí)施方案中，將所述鎳基合金加工成用于大型燃?xì)鉁u輪機(jī)的渦輪葉片(也稱作渦輪動(dòng)葉)。在一個(gè)實(shí)施方案中，將所述鎳基合金加工成焊接填料棒，例如通過焊接方法，諸如激光焊接、氣體保護(hù)鎢極電弧焊(TIG)、氣體保護(hù)金屬極電弧焊(MIG)或其組合。
雖然已經(jīng)參考一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，可進(jìn)行多種改變且可用等效物替代其要素。另外，在不偏離本發(fā)明的基本范圍的情況下可對(duì)本發(fā)明的教導(dǎo)進(jìn)行許多修改以適應(yīng)具體的情形或材料。因此，并非想要將本發(fā)明限制于作為針對(duì)實(shí)施本發(fā)明所考慮的最佳模式公開的具體實(shí)施方案，而是本發(fā)明將包括落入隨附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施方案。