[发明专利]镍基超合金

说明书

本发明涉及一种具有高γ’相含量的镍基超合金，所述镍基超合金旨在用于通过增材制造然后进行热处理来制造部件，其特征在于，以总组成的重量百分比计，所述镍基超合金的组成包含：Cr：15.5‑16.5；Co：7.7‑11；Mo+W＝5.5‑7.5；Al：2.9‑4.3；Ti：2.6‑3.2；Ta：1.5‑2.2；Nb：0.3‑1.1；C：0.01‑0.13；B：0.0005‑0.015；Zr：≤0.01；Hf：0.0001‑0.5；Si：≤0.06；Ni：余量，以及不可避免的杂质。本发明还涉及用于生产粉末以及由超合金生产涡轮机部件的方法。

技术领域

本发明涉及用于高温应用的镍基超合金(nickel-based superalloy)领域，其更特别地适合通过增材制造(additive manufacturing)来制造部件，所述部件例如旨在用于飞机发动机涡轮机、燃气涡轮机和/或海洋工业涡轮机。

背景技术

镍基超合金是目前用于制造航空喷气发动机热部件的性能最高的材料，因为它们的组成为它们提供了高温下的高机械强度。因此，迄今为止，对于这些特定应用，这些合金所需的两个主要特征是在可能高达1050℃-1100℃的温度下具有很高的抗蠕变性，以及非常好的抗热腐蚀性。例如在专利US 3459545中描述了一种此种超合金，以重量％计，其具有以下组成：

15-18 Cr，8-11 Co，0.75-2.2 Mo，1.8-3 W，3-4 Al，3-4 Ti，0.5-2 Nb，1-3 Ta，0.1-0.2 C，0.01-0.05 B，0.01-0.2 Zr，余量Ni，以及不可避免的杂质。

在该专利中描述的所有超合金中，只有一种以738 LC(IN738LC)命名的已知合金已经被商业化，用于喷气发动机部件的应用。这是该领域中最常用的参考合金，尤其是用于制造诸如整流器等部件的参考合金。

因此，以重量％计，该超合金具有以下组成：

15.7-16.3 Cr，8-9 Co，1.5-2 Mo，2.4-2.8 W，3.2-3.7 Al，3.2-3.7 Ti，0.6-1.1Nb，1.5-2 Ta，0.09-0.13 C，0.007-0.012 B，0.03-0.08 Zr，最大0.3Si，余量Ni，以及不可避免的杂质。

就产量的增加和单位消耗量的减少而言，为航空燃气涡轮机设定的宏大目标对发动机的设计有很大的影响，并且往往会不断增加使用各种材料时的温度和应力，特别是在使用这种镍基超合金时的温度和压力。这就需要为发动机的热组件开发新的设计，为此增材制造方法是特别适合的。

镍基超合金是具有γ奥氏体镍(γaustenitic nickel)的基础基体的材料(面心立方，因此相对易延展)，该基体通过与基体紧密结合的硬化γ’析出相(hardeningγ’precipitate)(结构L12的)而获得增强，这意味着它们具有与后者非常相似的原子晶格。为了使这些超合金获得更好的性能，增强它们在工作温度下所含的γ’相的量是有利的。但是，这种超合金具有产生微裂纹和/或大裂纹的倾向，特别是在增材制造步骤或随后的热处理步骤中。微裂纹是在添加剂沉积时出现的裂纹，而大裂纹是在热处理期间出现的裂纹。此术语来自微裂纹通常明显小于大裂纹的事实，但并不排除微裂纹的尺寸与大裂纹的尺寸相当的情况。

专利申请WO 2015/096980A1描述了一种具有高γ’硬化相含量的镍基超合金组成，其中，Zr和/或Si含量被降低(以重量％计，0.004≤Zr0.03且0.001≤Si0.03，更特别地最大Si含量为0.02和/或最大Zr含量为0.02)，且粒度小于150μm，以便能够将其用于增材制造过程(例如选择性激光熔融或电子束激光熔融)。

该组成在粉末床上的增材制造过程中表现出降低的微裂纹倾向。然而，Zr和Si含量的降低不能解决与由激光熔融后的冷却有关以及与增材制造后的热处理有关的大裂纹的问题。通过改变组成也不会使得热处理更加容易。