阅读说明：本技术 通过粉末成型制造零件的镍基超合金 (Nickel-base superalloy for producing parts by powder forming ) 是由 S·J·理查德 J·拉姆 E·梅诺 于 2019-07-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及镍基超合金,按质量百分比,其含有：–5-6.5％铝；–4.5-7％钴；–14.5-16.5％铬；–0-0.2％铪；–0-1.5％钼；–2-3.5％钽；–0-2％钛；–1-2.5％钨；–0-0.08％锆；–0-0.03％硼；–0-0.07％碳；其余部分由镍和不可避免的杂质组成。(The invention relates to a nickel-based superalloy, which comprises the following components in percentage by mass: -5-6.5% aluminium; -4.5-7% cobalt; -14.5-16.5% chromium; -0-0.2% hafnium; -0-1.5% molybdenum; -2-3.5% tantalum; -0-2% titanium; -1-2.5% tungsten; -0-0.08% zirconium; -0-0.03% boron; -0-0.07% carbon; the remainder consisting of nickel and unavoidable impurities.)

具体实施方式

根据本发明的超合金包含与主要添加元素相关联的镍基底。

主要添加元素包括：钴Co、铬Cr、钼Mo、钨W、铝Al和钽Ta。主要添加元素还可以包括钛Ti。

超合金还可以包括次要添加元素，这些添加元素是在合金中的最大百分比不超过1质量％的添加元素。

次要添加元素包括：铪Hf、碳C、硼B和锆Zr。

按质量百分比，镍基超合金包含：5％至6.5％铝、4.5％至7％钴、14.5％至16.5％铬、0％至0.2％铪、0％至1.5％钼、2％至3.5％钽、0％至2％钛、1％至2.5％钨、0％至0.08％锆、0％至0.03％硼、0％至0.07％碳，其余部分则由镍和不可避免的杂质组成。

该超合金组合物通过使由所述超合金组成的粉末成型而改善了所制造零件的高温机械阻力性质。

机械性能的这种改善是通过在粉末成型超合金零件中产生微观结构实现的，该微观结构往往类似于通过铸造制成的现有技术超合金零件的微观结构。

根据本发明的超合金适合于粉末成型制造期间使用的温度，该温度低于铸造工艺中使用的温度。

钨、铬和钴主要参与面心立方(FCC)晶体结构化的奥氏体基体的硬化，也称为γ(伽玛)基体。该硬化通过用钨、铬和钴替代镍来实现。

另外，优选地，超合金可以包括钼，因为钼还通过代替镍而主要参与γ基体的硬化。

铝和钽会促进有序立方结构L12的Ni₃硬化相(Al、Ta)(也称为γ’(伽玛′)相)的沉淀。

另外，优选地，超合金可以包括钛，因为钛也促进了Ni₃硬化相(Al、Ta、Ti)(γ’相)的沉淀。

此外，难熔元素(即钼、钨和钽)也减缓了由扩散控制的机理，从而提高了超合金的抗蠕变性和抗氧化性。

此外，铬和铝改善了超合金在高温下(特别是对于腐蚀而言约为900℃，对于氧化而言约为1100℃)的抗氧化性和耐腐蚀性。

铬和钴的添加还降低了超合金的γ'固溶温度。

另外，钴增强了γ基质，并降低了对拓扑紧凑相TCP沉淀和次级反应区SRZ形成的敏感性。但是，钴常常使γ’固溶温度降低。

有利地，该超合金还可包含铪，以通过增加Al₂O₃氧化铝层的粘附性来改善抗热氧化性，所述Al₂O₃氧化铝层在高温下在氧化环境中形成于超合金上。

另外，碳、硼和锆的添加增强了晶界的抗性，从而提高了由超合金所制成零件的耐腐蚀性。

优选地，按质量百分比，镍基超合金包含：5％至6.5％铝、4.5％至7％钴、14.5％至16.5％铬、0％至0.2％铪、0％至1.5％钼、2％至3.5％钽、0.5％至2％钛、1％至2.5％钨、0％至0.08％锆、0％至0.03％硼、0％至0.07％碳，其余部分则由镍和不可避免的杂质组成。

按质量百分比，0.5％至2％的钛含量提高了抗蠕变性。

按质量百分比，镍基超合金还可以包含：5.6％至6％铝、5.2％至6.2％钴、15.4％至16％铬、0％至0.15％铪、0.5％至0.9％钼、2.5％至2.9％钽、0％至1.5％钛、1.6％至2％钨、0％至0.08％锆、0％至0.03％硼、0％至0.07％碳，其余部分则由镍和不可避免的杂质组成。

优选地，按质量百分比，超合金包含：5.6％至6％铝、5.2％至6.2％钴、15.4％至16％铬、0％至0.15％铪、0.5％至0.9％钼、2.5％至2.9％钽、0.5％至1.5％钛、1.6％至2％钨、0％至0.08％锆、0％至0.03％硼、0％至0.07％碳，其余部分则由镍和不可避免的杂质组成。

按质量百分比，0.5％至1.5％的钛含量进一步提高了抗蠕变性。

更优选地，按质量百分比，超合金包含：5.6％至6％铝、5.2％至6.2％钴、15.4％至16％铬、0％至0.15％铪、0.5％至0.9％钼、2.5％至2.9％钽、1％至1.5％钛、1.6％至2％钨、0％至0.08％锆、0％至0.03％硼、0％至0.07％碳，其余部分则由镍和不可避免的杂质组成。

按质量百分比，1％至1.5％的钛含量进一步提高了蠕变强度。

按质量百分比，超合金还可以包含：5.6％至6％铝、5.2％至6.2％钴、15.4％至16％铬、0％至0.15％铪、0.5％至0.9％钼、2.5％至2.9％钽、0％至1.5％钛、1.6％至2％钨、0.04％至0.08％锆、0％至0.03％硼、0％至0.07％碳，其余部分则由镍和不可避免的杂质组成。

按质量百分比，0.04％至0.08％的锆含量和最高含量为0.03％的硼和0.07％的碳提高了耐腐蚀性。

按质量百分比，超合金还可以包含：5.6％至6％铝、5.2％至6.2％钴、15.4％至16％铬、0.1％至0.15％铪、0.5％至0.9％钼、2.5％至2.9％钽、0％至1.5％钛、1.6％至2％钨、0％至0.08％锆、0％至0.03％硼、0％至0.07％碳，其余部分则由镍和不可避免的杂质组成。

0.1％至0.15％铪的铪含量提高了超合金的机械特性。

优选地，按质量百分比，超合金包含：5.6％至6％铝、5.2％至6.2％钴、15.4％至16％铬、0.1％至0.15％铪、0.5％至0.9％钼、2.5％至2.9％钽、0％至1.5％钛、1.6％至2％钨、0.04％至0.08％锆、0％至0.03％硼、0％至0.07％碳，其余部分则由镍和不可避免的杂质组成。

按质量百分比，超合金还可以包含：5.6％至6％铝、5.2％至6.2％钴、15.4％至16％铬、0.1％至0.15％铪、0.5％至0.9％钼、2.5％至2.9％钽、0.5％至1.5％钛、1.6％至2％钨、0％至0.08％锆、0％至0.03％硼、0％至0.07％碳，其余部分则由镍和不可避免的杂质组成。

按质量百分比，超合金还可以包含：5.6％至6％铝、5.2％至6.2％钴、15.4％至16％铬、0％至0.15％铪、0.5％至0.9％钼、2.5％至2.9％钽、0.5％至1.5％钛、1.6％至2％钨、0.04％至0.08％锆、0％至0.03％硼、0％至0.07％碳，其余部分则由镍和不可避免的杂质组成。

优选地，按质量百分比，超合金包含：5.6％至6％铝、5.2％至6.2％钴、15.4％至16％铬、0.1％至0.15％铪、0.5％至0.9％钼、2.5％至2.9％钽、0.5％至1.5％钛、1.6％至2％钨、0.04％至0.08％锆、0％至0.03％硼、0％至0.07％碳，其余部分则由镍和不可避免的杂质组成。

更优选地，按质量百分比，超合金包含：5.6％至6％铝、5.2％至6.2％钴、15.4％至16％铬、0.1％至0.15％铪、0.5％至0.9％钼、2.5％至2.9％钽、1％至1.5％钛、1.6％至2％钨、0.04％至0.08％锆、0％至0.03％硼、0％至0.07％碳，其余部分则由镍和不可避免的杂质组成。

超合金可以制造在高温下具有良好机械阻力的燃气涡轮零件。

如图1所示，制造燃气涡轮零件的方法包括以下步骤：

-E1：制造如上所述的镍基超合金粉末；

-E2：通过粉末成型生产零件。

为了使镍超合金粉末具有所需组成，制造镍超合金粉末的步骤E1通过使预先制备的熔体雾化来进行。雾化可以用惰性气体例如分子氮、氦气或氩气进行。

通过使步骤E1中获得的粉末成型来制造零件的步骤E2可以通过烧结(也称为粉末冶金工艺)或增材制造或通过金属注塑(MIM工艺)来进行。

通过填充模具为粉末提供待生产零件的形状，然后对粉末进行压缩并加热以通过扩散使粉末颗粒结合，从而通过烧结粉末进行制造。零件的内聚力通过扩散现象获得，而粉末没有融合。烧结温度可以为1220℃至1320℃。

由超合金粉末进行的增材制造可以通过粘结剂喷射来进行。为此，在托盘上沉积粉末薄层。然后，根据待制造零件的形状，将粘结剂喷涂到粉末层上，以将不同的粉末颗粒粘结在一起，由此产生零件的第一基本部分。一旦制造了零件的第一基本部分，就使托盘下降，并在待制造的零件的第一基本部分上沉积新粉末层。同样在此处，一旦施加了粉末层，就喷涂粘结剂以形成零件的第二基本部分。随后，重复这些操作，以生产整个零件。然后去除粘结剂，并且对零件进行烧结，例如，在1220℃至1320℃的温度下进行烧结。

根据另一可能变体，零件的增材制造可以通过熔体沉积工艺(或熔融纤丝制造(FFF)工艺)进行。为此，将超合金粉末与塑料粘结剂混合，然后成形，以形成纤丝。然后，通过将金属和塑料粘结剂混合而形成的纤丝以受控方式熔化，并且熔体以使其形状成为待制造零件的方式进行沉积。一旦已经通过由纤丝沉积材料形成了零件，就可以例如通过加热去除塑料粘结剂，以获得仅由超合金组成的零件。一旦去除塑料粘结剂，就对部件进行烧结，其烧结温度为1220℃至1320℃。

根据另一可能变体，零件的增材制造可以通过选择性激光熔化(SLM)进行。为此，超合金粉末薄层沉积在托盘上。然后，激光束使粉末选择性熔化以形成零件的第一基本部分，控制气氛以免污染超合金。一旦制造了第一基本部分，就使压印板下降，并将新粉末层沉积在零件的第一基本部分上。然后，该新粉末层通过激光选择性熔化，以制造零件的第二基本部分。随后，重复这些操作，以生产整个零件。

根据另一可能变体，零件的增材制造通过电子束熔化(EBM)进行，这是类似于选择性激光熔化的工艺，其中，粉末通过电子束而不是激光进行熔化，粉末处于真空中。

通过粉末成型来制造零件的步骤E2可以通过金属注塑(MIM)进行。为此，使超合金粉末与塑料粘结剂混合。然后将混合物注入以为零件提供其形状。一旦成形，例如通过加热去除粘结剂，以获得仅由镍基超合金组成的零件。一旦去除塑料粘结剂，就对部件进行烧结，其烧结温度例如为1220℃至1320℃。

此外，如图1所示，制造方法可以包括：再溶解热处理步骤E3，随后是γ’相沉淀热处理步骤E4。

通过在适合导致零件制造期间形成的γ’沉淀物溶解的温度和时间下对零件进行加热，来实施再溶解热处理步骤E3。再溶解热处理的温度低于固相线温度，以避免γ基体局部熔化。

可通过将零件加热到1100℃至1300℃(通常为1200℃)的温度，持续1小时至5小时(通常为3小时)的时间来进行再溶解热处理步骤E3。

此外，该再溶解热处理步骤E3使零件微结构的晶粒扩大。

γ’相沉淀热处理步骤E4通过一次或多次老化进行，以使γ’相以所需形式再沉淀。

γ’相的E4沉淀热处理步骤可以例如通过在800℃至900℃(通常为850℃)的温度下进行第一次老化，然后在700℃至800℃(通常为750℃)的温度下进行第二次老化来进行。第一次老化导致大γ’相沉淀物沉淀，第二次老化导致小γ’相沉淀物沉淀。

所制造的零件可以具有等轴晶体结构，即，晶体结构的晶粒尺寸在所有方向上基本相等。该等轴结构是通过对粉末进行烧结来实现，因为烧结不会使晶粒取向。

但是，本发明不限于制造具有等轴晶体结构的零件。例如，使用通过选择性激光熔化(SLM工艺)或电子束熔化(EBM工艺)制造零件的变体可以制造具有取向晶粒的零件。

根据本发明的超合金适用于制造用于燃气涡轮的叶片。叶片可以是压缩机的叶片，并且优选是工作温度高于低压压缩机的高压压缩机的叶片，或者叶片可以是涡轮叶片。