CN107617742B - 用于制造机械部件的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于制造机械部件的方法，所述方法包括应用增材制造方法，其中所述方法包括沉积粉末材料和使所述粉末材料局部熔融和再凝固，从而提供固体主体。

Description

用于制造机械部件的方法
技术领域
本公开涉及一种在权利要求1中描述的方法。本公开还涉及一种材料(特别是基于镍的合金)和涉及一种机械部件。
背景技术
借助类似于快速原型化的增材制造方法，由材料粉末制造机械部件(诸如发动机部件)已变得越来越常见。在应用这样的方法中，不需要用于部件的特定工具。通常，所述方法基于沉积材料粉末(例如金属粉末)，和在所选的位置将粉末熔融和再凝固，诸如由再凝固的材料形成具有特定几何形状的部件。显然，这些方法允许制造大挠曲性几何形状的部件，并且允许例如底切，制造几乎封闭的腔体等。特别是，粉末逐层沉积，每一层测量例如在十分之几毫米范围。实施熔融步骤，诸如以局部熔融粉末和下面的凝固固体体积的表面，使得新熔融的材料在再凝固后为与已经制造的固体体积结合的物质。这样的方法例如称为选择性激光熔融(SLM)或电子束熔融(EBM)，但不局限于这些方法。
对于涡轮发动机且特别是燃气涡轮发动机的热气路径的应用，使用专用高温合金。含有超过15重量%铬的基于镍的镍铬合金在本领域中用于超过例如760℃的材料温度范围中的应用。这样的条件通常在燃气涡轮发动机中发现，例如在燃烧器区域。例如，典型的基于镍的高温合金称为HAYNES® 230®，在下文称为Haynes 230。
标称地，Haynes 230包含22重量%的铬，14重量%的钨，5重量%的钴，3重量%的铁，2重量%的钼，0.5重量%的锰，0.4重量%的硅，0.3重量%的铝，0.10重量%的碳，0.02重量%的镧和0.015重量%的硼，和余量标称地57重量%的镍。此处，重量%指定重量百分数。
在Haynes 230 Tech Data中公布的规格范围允许碳的含量从最少0.05重量%到最大0.15重量%，锰从最少0.30重量%到最大1.00重量%，硅从最少0.25重量%到最大0.75重量%，磷至多最大0.03重量%，硫至多最大0.015重量%，铬从最少20.00重量%到最大24.00重量%，钴至多最大5.00重量%，铁至多最大3.00重量%，铝从最少0.20重量%到最大0.50重量%，钛至多最大0.10重量%，硼至多最大0.015重量%，铜至多最大0.50重量%，镧从最少0.005重量%到最大0.05重量%，钨从最少13.00重量%到最大15.00重量%，钼从最少1.00重量%到最大3.00重量%，剩余的由镍至100重量%。
借助以上概述种类的增材制造方法，在制造用于在升高的温度下使用的发动机部件中，在所述升高的温度(例如850℃)下部件的拉伸延展性是至关重要的。已知例如对经制造的部件实施热处理。
发明内容
本公开的目的是提议一种一开始提及的种类的方法。更具体地，所述方法为增材制造方法。在本公开的一方面，将实现比起已知技术的改进。在目前公开的主题的另一方面中，旨在提供一种比起已知技术具有成本和/或时间优势的方法。在再一方面，将公开导致呈现优异特性的部件的方法。更具体地，力求在升高的温度下呈现优异拉伸延展性的部件。在一个更具体的方面，所述特性将在例如600℃至1100℃，更具体地700℃至1000℃范围的温度下实现。在再更具体的方面，所述拉伸延展性将达到在850℃下大于20%的值。在再更具体的方面，所述拉伸延展性将达到在850℃下大于30%的值。在再更具体的方面，所述拉伸延展性将达到在850℃下大于40%的值。
通过在权利要求1中描述的主题，并且进一步通过其它独立权利要求的主题，实现这一点。
所公开的主题的其它效果和优点，无论是否明确提及，鉴于以下提供的公开，将变得显而易见。
简要地，公开了一种用于借助增材制造方法制造机械部件的方法，其中选择化学组成与Haynes 230基本相同的粉末材料，但是其中规格在某些方面不同。
更详细地，公开了用于借助增材制造方法制造机械部件的方法，也就是，所述方法包括应用增材制造方法，其中所述方法包括沉积粉末材料和使所述粉末材料局部熔融和再凝固，从而提供固体主体，所述方法包括选择以下化学组成的粉末材料：
大于或等于0.04重量%并且小于或等于0.15重量%的碳的元素含量，
小于或等于1.00重量%的锰的元素含量，
小于或等于0.75重量%的硅的元素含量，
小于或等于0.03重量%的磷的元素含量，
小于或等于0.015重量%的硫的元素含量，
大于或等于20.00重量%并且小于或等于24.00重量%的铬的元素含量，
小于或等于5.00重量%的钴的元素含量，
小于或等于3.00重量%的铁的元素含量，
大于或等于0.20重量%并且小于或等于0.50重量%的铝的元素含量，
小于或等于0.10重量%的钛的元素含量，
小于或等于0.015重量%的硼的元素含量，
小于或等于0.50重量%的铜的元素含量，
小于或等于0.10重量%的镧的元素含量，
大于或等于13.00重量%并且小于或等于15.00重量%的钨的元素含量，
大于或等于1.00重量%并且小于或等于3.00重量%的钼的元素含量，
其中所有提及的元素以及在某些情况下加上最终残余成分的元素含量的总和与100重量%的差作为镍提供。残余成分或杂质的总元素含量(在本领域也称为“总的所有其它”)占最大0.5重量%。理解的是，残余成分或杂质指在以上规格中未提及的元素，但是作为可能不能被除去的残余物可能不可避免地存在于材料中，或者未经过度支出可能不会进一步降低其质量分数，并且对材料性能不具有显著影响。所述方法还包括选择其中碳的元素含量在大于或等于0.04重量%并且小于或等于0.10重量%的较紧凑范围的粉末材料。如所述，重量%表示重量百分数。
增材制造方法可包括但不限于选择性激光熔融SLM和电子束熔融EBM中的一种。
还公开了分别具有所述化学组成或元素含量的材料，如在本文公开的任何方法中公开和应用的。特别是，所述材料作为粉末材料提供。理解的是，所述材料为基于镍的合金，更具体地，镍-铬合金。
此外，还公开了分别具有所述化学组成或元素含量的机械部件，如在本文公开的任何方法中公开和应用的。特别是，所述机械部件已在应用本文公开的任何方法中制造。机械部件可为发动机部件，特别是涡轮发动机部件，更具体地，旨在用于燃气涡轮发动机的部件。
技术人员将容易认识到，除了以上列举和定量的成分，可能存在一些残余成分，因此镍含量可能稍微低于上述差。然而，将进一步认识到，这样的偏差在最大十分之一或百分之几或甚至千分之一重量百分数范围，并且技术人员将仍将这些包括在方法、材料和机械部件的本公开的教导中。例如，材料可含有钇、钪和/或铈中的至少一种。在所述情况下，可选择材料使得镧加上钇加上钪加上铈的总元素含量占小于或等于0.10重量%。根据以上规格，镍含量通常在46.84重量%至65.76重量%范围，并且由于存在残余物，在极端情况下，可能稍低于指明的46.84重量%。
注意到，虽然材料的规格与Haynes 230非常类似，但是其呈现与Haynes 230不同的规格，对于一些成分，为更窄的规格，其中材料显示意外良好的特性，特别是拉伸延展性。对于一些成分，规格范围部分覆盖标准Haynes 230的规格，且部分在Haynes的规格范围之外，因此公开在Haynes 230的规格之外的材料。对于其它成分，可规定完全在Haynes 230的规格之外的元素含量。
意外地，例如，形成碳化物沉淀物显示对如以上指定的在升高的温度下的拉伸延展性的显著影响。发现虽然过量的碳化物沉淀物可能损害在升高的温度下的拉伸延展性，但是对于在升高的温度下期望的拉伸延展性，某些量的碳化物沉淀物是有益的或甚至需要的，导致在升高的温度下的拉伸延展性相对例如碳含量的高度非线性行为。在其它方面，观察到，存在所谓的P-相，钨-镍-铬-钼-钴(W-Ni-Cr-Mo-Co)相以及存在所谓的M6C相，钨-镍-铬-钼- (W-Ni-Cr-Mo-)碳化物，对在升高的温度下的拉伸延展性显示有益的效果，并且存在两相可能发展协同效果。观察到，至少在升高的温度下，P-相的分数随着碳含量的提高而降低，然而，如可能容易预期的，M6C相的分数随着碳含量的提高而提高。与0.05重量% ≤碳含量 ≤ 0.15重量%的Haynes 230规格相比，大于或等于0.04重量%并且小于或等于0.10重量%范围的碳的元素含量的范围发现特别有益的效果。研究指示在该范围内，存在两个提及的相，P和M6C，导致其制造的部件特别有利的拉伸延展性。也就是，一方面，有利于提供制造的机械部件特别有益的特性的所选的范围，本文公开的材料排除超过0.10重量%的高碳含量的规格范围。另一方面，与Haynes 230的规格相反，本文公开的材料规格允许并且公开了其中碳的元素含量低于0.05重量%的材料。换言之，公开了具有以上描述的化学组成的材料，并且其中碳含量在大于或等于0.04重量%并且小于0.05重量%范围。
在其它情况下，选择碳的元素含量小于或等于0.09重量%。在更具体的情况下，碳的元素含量小于或等于0.08重量%。此外，可选择碳的元素含量大于或等于0.05重量%。
此外，发现其它成分可对根据本文公开的方法制造的机械部件的特性(诸如例如在升高的温度下的拉伸延展性)呈现影响。这可能是由于对形成碳化物沉淀物以及对P-相的影响，而且还由于其它机理。此外，在实施所述方法时的加工期间，可观察到所提及的成分的分数对材料行为的影响。
虽然Haynes 230的规格引用硅的元素含量为0.25%重量% ≤ 硅含量 ≤ 0.75重量%，本文公开的材料规格要求硅分数低于0.75重量%。也就是，其允许并且公开了其中硅的元素含量小于0.25重量%的材料，因此在Haynes 230已知的范围之外。在更具体的实施方案中，硅含量小于或等于0.40重量%。在再更具体的实施方案中，硅含量小于或等于0.30重量%。在甚至更具体的实施方案中，硅含量小于或等于0.20重量%。
虽然Haynes 230的规格引用锰的元素含量为0.30%重量% ≤ 锰含量 ≤ 1.00重量%，本文公开的材料规格要求锰分数低于1.00重量%。也就是，其允许并且公开了其中锰的元素含量小于0.30重量%的材料，因此在Haynes 230已知的范围之外。在更具体的实施方案中，锰含量小于或等于0.50重量%。在再更具体的实施方案中，锰含量小于或等于0.30重量%。在甚至更具体的实施方案，锰含量小于或等于0.10重量%。
在某些实施方案中，硼含量可小于或等于0.008重量%。在再更具体的实施方案中，硼含量小于或等于0.007重量%。在甚至更具体的实施方案，硼的元素含量大于或等于0.004重量%并且小于或等于0.10重量%。
虽然Haynes 230的规格引用镧的元素含量为0.005%重量% ≤ 镧含量 ≤ 0.05重量%，本文公开的材料规格允许并且公开了其中镧的元素含量小于0.005重量%的材料。此外，公开了其中镧加上钇加上钪加上铈的总元素含量小于或等于0.10重量%的实施方案。也就是，公开了其中镧含量大于0.05重量%并且小于或等于0.10重量%的实施方案。在该方面，公开了其中镧含量可低于或大于Haynes 230规格范围的实施方案。
在某些情况下，硫含量局限于小于或等于0.005重量%。在其它情况下，磷含量局限于小于或等于0.005重量%。
如上所述，重量%表示重量百分数。此外，以上使用的“含量”或“分数”表示成分的元素含量。
技术人员将容易认识到，以上所公开的特定的范围适用于本文公开的方法的更具体的情况以及本文公开的材料的更具体的情况以及本文公开的机械部件的更具体的情况。
下表取自Haynes 230手册，Haynes 230的标称组成：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
注意到碳含量通常低于或最多等于标称碳含量。此外注意到，在更具体的公开的情况下，硅含量和锰含量低于或最多等于相应的标称值。
发现具有本文公开的特定的元素组成的材料在制造部件的同时呈现有益的特性，特别是在应用本文公开的方法中，并且导致根据本文公开的方法制造的机械部件优良的特性，诸如，但不限于，在升高的温度下优良的拉伸延展性。
理解的是，以上公开的特征和实施方案可彼此组合。将进一步认识到，可以想象其它实施方案在本公开和要求保护的主题的范围内，这对于技术人员来说是明显和显而易见的。
具体实施方式
应用称为选择性激光熔融的方法来制造机械部件。所用的材料通常遵照本文公开的规格，例外的是碳含量变化。在室温和850℃下测试经制造的部件的拉伸延展性。在室温下，观察到碳含量和拉伸延展性之间没有明显的关联。所有样品显示约40%至超过50%的值。在850℃下，碳含量为0.001重量%和0.01重量%的样品显示拉伸延展性至低于20%的明显劣化。具有较高碳含量(诸如例如0.053重量%和0.070重量%)的样品显示在850℃下大大超过40%的拉伸延展性值。预期在较高温度下将观察到如本文规定的紧凑范围内的碳含量的选择的甚至更显著的影响。研究也给出较低硅含量可能对形成碳化物沉淀物和/或P相具有影响的指示，这引起对拉伸延展性的有益效果。
虽然已借助示例性实施方案解释了本公开的主题，理解的是，这些绝不旨在限制所要求保护的发明的范围。将认识到权利要求涵盖本文未明确显示或公开的实施方案，并且偏离在进行本公开的教导的示例性模式中公开的那些的实施方案将仍被权利要求涵盖。

Claims (14)

1.一种用于制造机械部件的方法，所述方法包括应用增材制造方法，其中所述用于制造机械部件的方法包括沉积粉末材料和使所述粉末材料局部熔融和再凝固，从而提供固体主体，所述方法包括选择以下化学组成的粉末材料：
大于或等于0.04重量%并且小于或等于0.09重量%的碳的元素含量，
小于或等于1.00重量%的锰的元素含量，
小于0.25重量%的硅的元素含量，
小于或等于0.03重量%的磷的元素含量，
小于或等于0.015重量%的硫的元素含量，
大于或等于20.00重量%并且小于或等于24.00重量%的铬的元素含量，
小于或等于5.00重量%的钴的元素含量，
小于或等于3.00重量%的铁的元素含量，
大于或等于0.20重量%并且小于或等于0.50重量%的铝的元素含量，
小于或等于0.10重量%的钛的元素含量，
小于或等于0.015重量%的硼的元素含量，
小于或等于0.50重量%的铜的元素含量，
小于或等于0.10重量%的镧的元素含量，
大于或等于13.00重量%并且小于或等于15.00重量%的钨的元素含量，
大于或等于1.00重量%并且小于或等于3.00重量%的钼的元素含量，
其中所有提及的元素的元素含量加上最终残余杂质的元素含量的总和与100重量%的差作为镍提供，
其中残余杂质表示除了指明的元素的所有成分，并且所有残余杂质的总质量含量小于或等于0.5重量%，
其中重量%表示重量百分数。
2.根据权利要求1所述的用于制造机械部件的方法，其特征在于选择其中碳的元素含量大于或等于0.05重量%并且小于或等于0.09重量%的粉末材料。
3.根据权利要求1所述的用于制造机械部件的方法，其特征在于选择其中碳的元素含量大于或等于0.05重量%并且小于或等于0.08重量%的粉末材料。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于制造机械部件的方法，其特征在于选择其中锰的元素含量小于或等于0.5重量%的粉末材料。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的用于制造机械部件的方法，其特征在于选择其中硼的元素含量小于或等于0.008重量%的粉末材料。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的用于制造机械部件的方法，其特征在于选择其中镧加上钇加上钪加上铈的总元素含量小于或等于0.10重量%的粉末材料。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的用于制造机械部件的方法，其特征在于选择其中硫的元素含量小于或等于0.005重量%的粉末材料。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的用于制造机械部件的方法，其特征在于选择其中磷的元素含量小于或等于0.005重量%的粉末材料。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的用于制造机械部件的方法，其特征在于包括当提供粉末材料时，控制粉末材料的化学组成在指定的范围内。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的用于制造机械部件的方法，所述方法包括在沉积粉末材料之前实施粉末材料的元素分析，如果指定的元素含量中的单一一个在指定的范围之外则拒绝粉末材料，而如果所有指定的元素含量在指定的范围之内则将所述粉末材料应用于沉积步骤。
11.一种材料，其具有在权利要求1-10中任一项所述的用于制造机械部件的方法中指定的元素含量。
12.根据权利要求11所述的材料，其特征在于其作为粉末材料提供。
13.一种机械部件，其具有在权利要求1-10中任一项所述的用于制造机械部件的方法中指定的化学组成。
14.根据权利要求13所述的机械部件，其特征在于其在应用根据权利要求1-10中任一项所述的用于制造机械部件的方法中制造。
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