CN105296806A - 用于粉末基增材制造方法中的γ’沉淀强化的镍基超合金 - Google Patents

用于粉末基增材制造方法中的γ’沉淀强化的镍基超合金 Download PDF

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Abstract

本申请涉及借助于例如选择性激光熔融(SLM)或电子束熔融(EBM)的粉末基增材制造来产生三维制品的技术。其涉及镍基超合金粉末，其中所述超合金粉末具有允许在热处理条件下在所述超合金中确立60-70体积%的γˊ沉淀含量的化学组成。其特征在于所述粉末具有10-100μm的粉末尺寸分布和球形形态并且合金元素C、B、Hf、Zr、Si的含量(重量%)之比如下：C/B=10-32；C/Hf>2；C/Zr>8；C/Si>1。一个优选的实施方案由以下化学组分(重量%)组成：7.7-8.3Cr；5.0-5.25Co；2.0-2.1Mo；7.8-8.3W；5.8-6.1Ta；4.7-5.1Al；1.1-1.4Ti；0.08-0.16C；0.005-0.008B；0-0.04Hf；0-0.01Zr；0-0.08Si；剩余部分为Ni和不可避免的杂质。

Description

用于粉末基增材制造方法中的γ’沉淀强化的镍基超合金
发明领域
本发明涉及借助于例如选择性激光熔融(SLM)或电子束熔融(EBM)的粉末基增材制造产生三维制品的技术。具体地讲，涉及用于制造近无裂部件的含有Ni基超合金粉末的高抗氧化性且含高γ'沉淀的镍基超合金粉末。所述超合金粉末由允许在热处理条件下在所述超合金中确立60-70体积%的γ'沉淀含量的化学组分组成。
背景技术
已知具有约大于5重量%的Al和Ti的相加分数的γ'沉淀强化的镍基超合金由于它们的微裂敏感性而很难焊接。在例如IN738LC、MARM-M247、CM247LC的那些超合金的焊接期间的微裂归于沉淀物或低熔点共晶体在热影响区(heataffectedzone,HAZ)中的熔解、在随后的热处理中的失延裂纹(ductilitydipcracking,DDC)或应变时效裂纹。
在文献：B.Geddes,H.Leon,X.Huang:Superalloys,Alloyingandperformance(超合金，合金与性能),ASMInternational,2010,71-72页中，作者将超合金的可焊性线近似地描述为约[2倍Al浓度(重量%)+Ti浓度(重量%)]<6.0，这意味着具有大于6重量%的[2倍Al(重量%)+Ti(重量%)]的Ni基超合金定义为难以焊接的材料。凝固和晶界熔解开裂在焊接过程期间发生，而焊接后热处理常导致在γ'Ni3(Al,Ti)沉淀强化合金中的应变时效开裂。
因此，大多数固溶体强化的镍基超合金(例如，IN625)或具有少量Al和Ti的γ'强化的镍基超合金(例如，IN718)至今仍通过SLM或EBM加工。
与相同合金的常规铸造材料相比较，SLM产生的制品具有不同的微观结构。这主要归因于粉末基逐层制品制造和由于在这些工艺中高能束材料相互作用的固有的高冷却速率。由于在SLM期间的极其局部化熔融和所产生的很快的凝固，合金元素的偏析和沉淀物的形成显著减少。与常规堆焊技术相比较，这引起对开裂的敏感性减小。因此，SLM允许例如含有高Al+Ti的合金(例如，IN738LC/CM247LC)的难焊接且难以机械加工的材料的近网形状加工。
通过将市售IN738LC粉末用于SLM方法，遗憾的是，在所制造的制品中仍然存在微裂缝。这例如在由FraunhoferInstituteforLaserTechnology(J.Risse,C.Golebiewski,W.Meiners,K.Wissenbach:Influenceofprocessmanagementoncrackformationinnickel-basedalloyparts(IN738LC)manufacturedbySLM,RapidTech,14./15.05.2013,Erfurt)的报告中证实。据其报道，无裂制品仅可在深度预热下制造。
申请人已经发现，SLM加工的IN738LC的热裂敏感性在来自不同供应商的粉末批料之间强烈地不同并且不能通过典型的可焊性表预测，而将特定的少量/痕量元素(Zr、Si)严格控制在IN738LC粉末中的特定范围内是在没有深度预加热的情况下通过SLM制造近无裂部件的重要前提(参见尚未公开的EP申请13199285.1)。
高Al和Ti含量不是在通过增材制造加工的镍基超合金中的开裂的主要原因的事实表明，可加工具有比IN738LC/CM247LC甚至更高的量的γ'的镍基合金，如在与IN738LC中的约50体积%的γ'含量相比较具有60-70体积%的γ'含量的单晶(SX)合金中通常所见。
遗憾的是，使用具有“标准”化学的镍基SX合金，如例如在EP1359231A1或EP0914484B1中所公开(即，晶界强化元素例如C、B、Zr、Hf量低，这是在SX合金中缺乏晶界的原因)，由于细晶粒的微观结构而在通过增材制造加工的部件中给出不足的机械强度。同时，以对于例如IN738LC、MarM247、CM247LC的铸造合金典型的比例(C：0.07-0.16重量%，B：0.007-0.02重量%，Zr：0.004-0.07重量%，Hf：至多1.6重量%)加入晶界强化剂在增材制造过程期间引起合金甚至更突出的开裂。
因此，由具有根据本领域的已知状态的化学组成的铸造SXNi基超合金制成的粉末不适合无裂部件的增材制造，例如SLM或EBM。
文献US2011/150693A1公开了具有能够通过γ'和γ''或δ相的双沉淀提供硬化的组成的Ni基超合金。根据该限定的化学组成，所述合金的γ'相含量最大为约10-15体积%。该合金用于粉末冶金法，其中该粉末为致密且热锻的。在US2011/150693A1中描述的方法的工艺参数以及所制造部件的性质因此与如SLM、EBM的粉末基增材制造方法完全不同。
发明内容
本发明的一个目的是提供用于增材制造(优选SLM、EBM)具有降低的热裂趋势的三维制品的镍基超合金粉末。所述超合金粉末由允许在热处理条件下在超合金中确立60-70体积%(vol.%)的γ'沉淀含量的化学组分组成。其涉及(通常为铸造的)SXNi基超合金的专门调节的化学组成以及粉末形态尺寸。
该目的通过根据权利要求1的镍基超合金粉末，即用于增材制造三维制品的镍基超合金粉末实现，其中所述超合金粉末由允许在热处理条件下在超合金中确立60-70体积%的γ'沉淀含量的化学组分组成。其特征在于所述粉末具有10-100μm的粉末尺寸分布和球形形态并且合金元素C、B、Hf、Zr、Si的含量(重量%)比如下：
C/B=10-32；
C/Hf>2；
C/Zr>8；
C/Si>1。
γ'含量可例如通过数字图像分析、化学萃取γ'相或X-射线衍射测量。
一个优选的实施方案为镍基超合金粉末，其包括C/B比=16-32，并且其不含Hf、Zr、Si，且其可通过增材制造以非常高的质量加工。
加入足够量的碳以强化晶界并保持其它晶界强化元素处于极低水平允许通过增材制造无裂加工具有这样大量的γ'的镍基超合金。
本申请的一个优选实施方案为由以下化学组分(重量%)组成的镍基超合金粉末：
7.7-8.3Cr
5.0-5.25Co
2.0-2.1Mo
7.8-8.3W
5.8-6.1Ta
4.7-5.1Al
1.1-1.4Ti
0.08-0.16C
0.005-0.008B
0-0.04Hf
0-0.01Zr
0-0.08Si，
剩余为镍和不可避免的杂质。最优选这样的粉末，其具有0.13-0.15重量%C、0.005-0.008重量%B且没有Hf、没有Zr并且没有Si。Al、Ti、Hf、Si、Zr的其它优选范围在多个从属权利要求中公开。
具体实施方式
现在详细描述本发明的不同实施方案。
通常，根据本申请具有允许在热处理条件下达到60-70体积%的高γ'沉淀含量的化学组成的高抗氧化镍基超合金粉末应该适合加工(近)无裂增材制造的三维制品，例如燃气涡轮叶片。
所公开的镍基超合金具有能够通过γ'沉淀提供硬化的化学组成，其中γ'含量很高，即60-70体积%。从现有技术中已知，例如镍基超合金的γ'含量可例如通过数字图像分析、化学萃取γ'相或X-射线衍射测量。
根据本公开的粉末具有10-100μm的粉末尺寸分布和球形形态。这允许良好的加工。
这样的镍基超合金的主要合金元素例如有Cr、Co、Mo、W、Ta、Al、Ti。发现在这类粉末中合金元素C、B、Hf、Zr、Si的含量(重量%)比应该为如下：
C/B=10-32，优选16-32；
C/Hf>2；
C/Zr>8；
C/Si>1。
通过加入强化晶界的足够量的碳并保持其它晶界强化元素处于很低水平(优选该粉末不含Si、Hf、Zr)，实现通过增材制造无裂加工具有这样高量的γ'的镍基超合金。
一个优选的实施方案为由以下化学组分(重量%)组成的镍基超合金粉末：
7.7-8.3Cr
5.0-5.25Co
2.0-2.1Mo
7.8-8.3W
5.8-6.1Ta
4.7-5.1Al
1.1-1.4Ti
0.08-0.16C
0.005-0.008B
0-0.04Hf
0-0.01Zr
0-0.08Si，
剩余为镍和不可避免的杂质。上文提到的组成为在EP1359231A1中描述的铸造SXNi基超合金的专门调节的化学组成。同时存在C含量的独特的增加和B、Zr、Hf含量的降低，这一方面保证所加工部件的所需强度，另一方面保证在SLM/EBM过程期间粉末的无裂加工。C、Si和Hf含量的优选范围为0.09-0.16重量%C(最优选0.13-0.15重量%C)、0-0.03重量%Si和0-0.01重量%Hf。良好的结果可在少量加入0.005-0.01重量%的Hf、0.005-0.01重量%的Zr和0.005-0.03重量%的Si的情况下实现。
Al含量范围的增宽(4.7-5.1重量%代替4.9-5.1重量%，根据EP1359231A1)和Ti含量的增宽(1.1-1.4重量%代替1.3-1.4重量%，根据EP1359231A1)允许在增材制造过程之后调谐(tune)在超合金中的γ'含量。
在增材制造燃气涡轮叶片期间的最好结果可用具有10-100μm的粉末尺寸分布和以下化学组成(重量%)的特殊（sperical）镍基超合金实现：7.7-8.3Cr；5.0-5.25Co；2.0-2.1Mo；7.8-8.3W；5.8-6.1Ta；4.7-5.1Al；1.1-1.4Ti；0.13-0.15C；0.005-0.008B，剩余部分为Ni和不可避免的杂质。
当然，本发明不限于所描述的实施方案。例如，所公开的镍基超合金粉末不仅适用于SLM制造方法，而且适用于EMB制造方法，且具有所描述的优势。

Claims (12)

1.用于增材制造三维制品的镍基超合金粉末，其中所述超合金粉末具有允许在热处理条件下在所述超合金中确立60-70体积%的γ'沉淀含量的化学组成，其特征在于所述粉末具有10-100μm的粉末尺寸分布和球形形态并且合金元素C、B、Hf、Zr、Si的含量(重量%)之比如下：
C/B=10-32；
C/Hf>2；
C/Zr>8；
C/Si>1。
2.根据权利要求1的镍基超合金粉末，其特征在于所述C/B比=16-32。
3.根据权利要求1或2的镍基超合金粉末，其特征在于其不含Hf、Zr、Si。
4.根据权利要求1的镍基超合金粉末，其由以下化学组分组成(重量%)：
7.7-8.3Cr
5.0-5.25Co
2.0-2.1Mo
7.8-8.3W
5.8-6.1Ta
4.7-5.1Al
1.1-1.4Ti
0.08-0.16C
0.005-0.008B
0-0.04Hf
0-0.01Zr
0-0.08Si，
剩余为镍和不可避免的杂质。
5.根据权利要求4的镍基超合金粉末，其特征在于4.9-5.1重量%Al。
6.根据权利要求4的镍基超合金粉末，其特征在于1.3-1.4重量%Ti。
7.根据权利要求4的镍基超合金粉末，其特征在于0.09-0.16重量%C。
8.根据权利要求7的镍基超合金粉末，其特征在于0.13-0.15重量%C。
9.根据权利要求4的镍基超合金粉末，其特征在于0-0.03重量%Si，优选0.005-0.03重量%Si。
10.根据权利要求4的镍基超合金粉末，其特征在于0-0.01重量%Hf，优选0.005-0.01重量%Hf。
11.根据权利要求4的镍基超合金粉末，其特征在于0.005-0.01重量%Zr。
12.根据权利要求8的镍基超合金粉末，其特征在于其不含Hf、Zr和Si。
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