CN109312446A - 制造由含铪的镍基超合金制成的部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造含铪的镍基单晶超合金部件的方法。该方法的特征在于，该方法包括以下连续步骤：制造镍基、非铪掺杂的单晶超合金，由该超合金制造部件，在所述部件上直接沉积厚度在50nm和800nm之间的铪层，进行铪扩散处理，以在所述部件的表面上形成相互扩散层，从而获得含铪的镍基单晶超合金部件。

Description

制造由含铪的镍基超合金制成的部件的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造含铪的镍基超合金的方法。

背景技术

镍基超合金在现有技术中是已知的。

术语“超合金”是指在高温和高压下对氧化、腐蚀、蠕变和循环应力(特别是机械应力或热应力)表现出极好耐性的复合合金。这些超合金的具体应用在于制造航空用部件，例如涡轮叶片。

超合金可以通过所谓的“固溶化”处理来硬化。这种处理包括将合金加热到低于共晶温度的合适高温，并在该温度下保持足够长时间以使该合金的组成的元素浓度均匀化并控制金属间沉淀物的尺寸。该处理优化了材料的微观结构特性。

为了进一步提高镍基超合金的抗氧化性，有意将铪加入其中。然而，超合金中铪的存在使得共晶体难以完全或几乎完全固溶化并且导致燃烧缺陷(burn defect)。

发明内容

因此，本发明的目的是克服现有技术的上述缺点，并提出一种用于制造含铪的镍基超合金的方法，该方法生产出一种保持铪在改善抗氧化性和耐腐蚀性中的有益作用但没有难以固溶化的缺点的超合金。

为此，本发明涉及一种用于制造含铪的镍基单晶超合金部件的方法。

根据本发明，该方法包括以下连续步骤：

制造镍基、非铪掺杂的单晶超合金，

由该超合金制造部件，

在所述部件上直接沉积厚度在50nm和800nm之间的铪层，

进行铪扩散处理，以在所述部件的表面上形成相互扩散层，从而获得含铪的镍基单晶超合金部件。

由于本发明的这些特征，所获得的超合金具有改进的机械性能，这归功于共晶体几乎完全或改进的固溶化，同时保持良好的抗氧化性和耐腐蚀性。使用纯铪层进一步增强了这种抗氧化性。

本发明以单独或组合方式采用的其他有利和非限制性特征如下：

非铪掺杂的镍基单晶超合金以质量百分比计包括：

5.2％铝、6.5％钴、7.8％铬、2％钼、7.9％钽、1.1％钛、5.7％钨，和余量的镍；或

5.6％铝、9.6％钴、6.5％铬、0.6％钼、3％铼、6.5％钽、1％钛、6％钨，和余量的镍；或

5.73％铝、9.6％钴、3.46％铬、0.6％钼、4.9％铼、8.3％钽、0.9％钛、5.5％钨，和余量的镍；或

5.7％铝、3％钴、2％铬、0.4％钼、6％铼、8％钽、0.2％钛、5％钨、0.1％铌，和余量的镍；或

5.8％铝、12.5％钴、4.2％铬、1.4％钼、5.4％铼、7.2％钽、6％钨，和余量的镍；或

6％铝、少于0.2％的钴、4％铬、1％钼、4％铼、5％钽、0.5％钛、5％钨、4％钌，和余量的镍。

具体实施方式

根据本发明的方法首先在于制造镍基、非铪掺杂的单晶超合金。“非铪掺杂”是指不含铪。

下表1示出了几种可用于本发明方法中的优选示例性超合金。它们用字母A至F进行标识。也可以使用其他非铪掺杂的镍基单晶超合金。

表1

示例性无铪镍基单晶超合金

对于每种超合金，术语“余量”对应于与所提及的各种其他组分一起达到100％的剩余质量百分比。

然后，由这种超合金形成具有所需形状的部件，例如通过铸造或增材制造。

优选地，然后对所得部件进行固溶化处理，如上文引言中所述。

优选地，该处理包括温度升高至约1100℃并持续几分钟至4小时的第一步，然后是温度升高至约1200℃并持续几分钟至4小时的第二步，最后是温度升高至约1300℃并持续几分钟至4小时的第三步。

然后在如此制造的部件上沉积铪层，即纯铪(100原子％铪)的层或含有至少99.99原子％铪的层。该层优选是纳米晶体或微晶体。优选地，该层的厚度在50nm和800nm之间，更优选在50nm和300nm之间。

该铪层的沉积可以通过物理气相沉积(PVD)，优选通过阴极溅射来进行。这允许良好地控制沉积的厚度。

还可以提及使用电子束物理气相沉积(EBPVD)、蒸发、脉冲激光烧蚀或阴极溅射。与由其他沉积技术所获得的层相比，后一种技术的优点是允许形成纳米级或微米级厚度的致密膜，并且与前一层具有优异的粘附性。

PVD在容纳有部件和对应于待沉积材料(这里，尤其是铪)的一个或多个靶的壳体内进行。在反应器壁和靶之间施加电势差的情况下，形成等离子体，该等离子体的正粒子被吸引到阴极(靶)上并与之碰撞。靶的原子被溅射，然后凝结在所述部件上。

优选地，沉积条件如下：

沉积期间加热：100℃至900℃

压力：0.1Pa至1Pa，

功率密度：2W/cm²至15W/cm²，

极化：-500V至-150V.

离子轰击在-200V至500V下进行10分钟到30分钟。

铪层的沉积也可以通过化学气相沉积(CVD)进行。

化学气相沉积(CVD)技术的示例包括：

等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，

低压化学气相沉积(LPCVD)，

超高真空化学气相沉积(UHVCVD)，

常压化学气相沉积(APCVD)，

原子层化学气相沉积(ALCVD)，

化学气相渗铝(CVA)。

然后对所述部件进行铪扩散处理，以在所述部件的表面上形成其中存在铪的相互扩散层。

优选地，通过将涂有铪层的部件置于壳体内，使其处于真空下或在其中引入含有95体积％氩气和5体积％氦气的混合物的气氛，然后进行下述热处理来进行扩散处理。

优选地，该热处理包括将温度升高至500℃至1200℃的阶段，将该温度保持1小时至4小时的阶段，和将壳体内温度降低至恢复室温的冷却阶段。

根据本发明的方法具有许多优点，下面列出了这些优点。

在该方法的第一步骤中，非铪掺杂的镍基单晶超合金的制备及其用于制造部件不存在困难。

相反，在现有技术(铪掺杂的超合金)中，部件的成形，特别是通过铸造，在其凝固期间导致铪损失，该铪损失根据部件的几何形状或凝固时间而不同。类似地，该部件存在氧化(形成铪氧化物)的风险。本发明方法不是这种情况，因为在这个阶段没有铪。

在固溶化步骤期间，部件组分的均匀化和超合金的再次固溶化是最佳的。

在作为部件的无损检测的一部分而进行的化学侵蚀期间，没有优先侵蚀残留的共晶。

最后，随后铪层的沉积及其扩散使得形成更坚固的部件，由于共晶体几乎完全或改进的固溶化而具有更好的机械强度，以及更好的抗氧化性和耐腐蚀性。

Claims (12)

1.一种用于制造含铪的镍基单晶超合金部件的方法，其特征在于，所述方法包括以下连续步骤：

制造镍基、非铪掺杂的单晶超合金，

由该超合金制造部件，

在所述部件上直接沉积厚度在50nm和800nm之间的铪层，

进行铪扩散处理，以在所述部件的表面上形成相互扩散层，从而获得含铪的镍基单晶超合金部件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铪层的沉积通过物理气相沉积(PVD)来进行。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述铪层的沉积通过阴极溅射来进行。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铪层的沉积通过化学气相沉积(CVD)来进行，优选通过选自低压化学气相沉积(LPCVD)、化学气相渗铝(CVA)、超高真空化学气相沉积(UHVCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、常压化学气相沉积(APCVD)、原子层化学气相沉积(ALCVD)的技术来进行。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，沉积在所述部件上的铪层的厚度在50nm和300nm之间。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述铪扩散处理在真空下或在95体积％氩气和5体积％氦气的混合物下，通过将温度升至使所述部件达到500℃至1200℃之间的温度，保持该温度1小时至4小时并冷却所述部件直至其恢复至室温来进行。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，非铪掺杂的镍基单晶超合金以质量百分比计包括5.2％铝、6.5％钴、7.8％铬、2％钼、7.9％钽、1.1％钛、5.7％钨，和余量的镍。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，非铪掺杂的镍基单晶超合金以质量百分比计包括5.6％铝、9.6％钴、6.5％铬、0.6％钼、3％铼、6.5％钽、1％钛、6％钨，和余量的镍。

9.根据权利要求中1至6中任一项所述的方法，其特征在于，非铪掺杂的镍基单晶超合金以质量百分比计包括5.73％铝、9.6％钴、3.46％铬、0.6％钼、4.9％铼、8.3％钽、0.9％钛、5.5％钨，和余量的镍。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，非铪掺杂的镍基单晶超合金以质量百分比计包括5.7％铝、3％钴、2％铬、0.4％钼、6％铼、8％钽、0.2％钛、5％钨、0.1％铌，和余量的镍。

11.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，非铪掺杂的单晶镍基超合金以质量百分比计包括5.8％铝、12.5％钴、4.2％铬、1.4％钼、5.4％铼、7.2％钽、6％钨，和余量的镍。

12.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，非铪掺杂的镍基单晶超合金以质量百分比计包括6％铝、小于0.2％的钴、4％铬、1％钼、4％铼、5％钽、0.5％钛、5％钨、4％钌，和余量的镍。