由γ`強化超合金制成的增材制造組件的構(gòu)建后熱處理方法
【專利說明】由Y’強化超合金制成的增材制造組件的構(gòu)建后熱處理方法
[0001]發(fā)明背景
本發(fā)明涉及超合金技術(shù)。它涉及組件的構(gòu)建后(post-built)熱處理方法，所述組件由Y '強化超合金制成并通過增材制造(additive manufacturing)技術(shù)(例如通過選擇性激光熔融(SLM))構(gòu)建。使用本公開內(nèi)容的方法可避免組件中(例如渦輪部件中)顯著的裂紋例如應(yīng)變老化裂化。
現(xiàn)有技術(shù)
[0002]已知尚強度銀、鉆或鐵基超合金(例如具有另外兀素如招和欽的銀基超合金)因為材料中高度的γ’相的沉淀硬化效應(yīng)而具有其高強度特征。還已知這些超合金很難成功焊接。
[0003]SLM-產(chǎn)生的制品相較于相同合金的常規(guī)澆鑄材料具有不同的微結(jié)構(gòu)。這些過程中的高能束材料相互作用導(dǎo)致在SLM期間的高冷卻速率和很快固化。
[0004]作為結(jié)果，合金元素的分離與沉淀的形成降低。因此，由于增材制造過程固有的快速冷卻，很少至沒有γ’沉淀存在于構(gòu)建后的組件(由含有γ’的合金制成)中。
[0005]需要構(gòu)建后熱處理以調(diào)整部件的微結(jié)構(gòu)和減少/消除剩余應(yīng)力。在這些構(gòu)建后熱處理期間，γ’相在第一加熱期間沉淀。但與該沉淀相關(guān)聯(lián)的體積改變可導(dǎo)致部件中顯著的裂紋(例如應(yīng)變老化裂化)。當(dāng)前施加的應(yīng)用于SLM-加工的γ’強化超合金的熱處理順序?qū)е嘛@著的裂化和因此導(dǎo)致部件報廢(reject1n)。
[0006]已知使用不同的焊接前和焊接后熱處理用于通過焊接連接由γ’強化超合金制成的澆鑄組件或組件的部件。
[0007]US7854064 B2公開了修復(fù)渦輪部件的方法，該方法包括使用加熱速率介于16-23°C/min，溫度范圍介于593-871°C的焊接前固溶(solut1ning)熱處理。在一個實施方案中提及從固溶溫度到低于677°C的0.2-5°C /min的緩慢冷卻速率。此外，除上述焊接前熱處理之外，還描述了使用與焊接前熱處理相同的加熱速率的焊接后熱處理。根據(jù)該文獻(xiàn)的方法可應(yīng)用于多種澆鑄和鍛造鎳基合金，例如Waspaloy、IN738、IN792或IN939。提及電子束和鎢電弧焊接作為實例方法。
[0008]雖然公開于US7854064 B2的方法具有可修復(fù)(例如實質(zhì)上不存在微裂紋地焊接)由鎳基超合金制成的渦輪組件的優(yōu)點，但它就所述焊接前與焊接后熱處理的多個步驟而言具有耗費時間和成本的缺點。
[0009]最近，申請人提交了有關(guān)不帶焊接填充物的γ’強化超合金(例如IN738LC、MarM247、CM247LC、CMSX-4、MK4HC、MD2)的電子束焊接的新的專利申請(未公布)。對比US7854064，該方法不取決于特定的焊接前熱處理并因此可用于修復(fù)以及用于連接新部件。為了使該方法更有效，在接近于Y’可沉淀的最終保持溫度的整個溫度范圍內(nèi)(1100°C，而非871°C )使用快速加熱速率。僅在不存在其它避免裂紋的方式時，即不帶焊接填裝物的焊接過程，時結(jié)合使用該方法。使用可延展的焊接填充物也可有助于避免裂紋形成，但是，使用這些焊接填裝物削弱了焊縫。
[0010]然而，上述文獻(xiàn)僅涵蓋連接方法(例如焊接)，因此并沒有涵蓋整個通過增材制造(例如通過選擇性激光熔融(SLM))制成的組件。
[0011]發(fā)明概述
本發(fā)明的目的為提供用于熱處理組件的有效方法，所述組件由含有γ’的超合金制成并通過增材制造技術(shù)(優(yōu)選SLM)構(gòu)建。相比存在于常規(guī)熱處理的增材制造組件中顯著的裂紋，本方法將保證可生產(chǎn)無裂縫的組件/制品。
[0012]根據(jù)獨立權(quán)利要求1，增材制造組件(由基于Ni或Co或Fe或其組合的γ ’強化超合金制成)的構(gòu)建后熱處理方法包括以下步驟:
a)提供剛構(gòu)建狀態(tài)下的增材制造組件，隨后
b)將所述組件從室溫(RT)加熱至溫度T1，其中1\比熱膨脹系數(shù)開始下降的溫度T3低50-100°C，隨后
c)保持所述組件在！\下經(jīng)時間ti以實現(xiàn)均勻的組件溫度，隨后
d)通過施加加熱速率V2為至少25°C /min的快速加熱將所述組件從T:加熱至T2> 850°C以避免或至少降低丫’相的沉淀，隨后
e)根據(jù)熱處理的目的向所述組件施加進(jìn)一步的時間/溫度步驟。
[0013]本發(fā)明的核心是在增材制造之后的第一構(gòu)建后熱處理期間在特定溫度范圍內(nèi)施加快速加熱速率以最小化/避免在加熱期間組件中的γ’沉淀。本方法相較于呈現(xiàn)顯著裂紋的常規(guī)熱處理的組件，有利地產(chǎn)生無裂紋的組件/制品。
[0014]在一個實施方案中，在步驟e)中，實施兩小時的等溫停留時間t2以減少剩余應(yīng)力。
[0015]優(yōu)選地，加熱速率￥2為25_60°C/min。該范圍內(nèi)更高的速率可通過誘導(dǎo)加熱實現(xiàn)。加熱速率V1 (步驟b中)可優(yōu)選為1_10°C /min。
[0016]在本發(fā)明的另一實施方案中，在步驟e)中，在溫度T3>T2T施加不同或另外的保持時間以進(jìn)一步減少剩余應(yīng)力和/或使微結(jié)構(gòu)再結(jié)晶。
[0017]在壓力下(例如在高溫等靜壓(HIP)期間)實施熱處理是有利的。
[0018]在一個實施方案中，將以下構(gòu)建后熱處理參數(shù)應(yīng)用于增材制造且由IN738LC制成的組件(例如定子熱屏蔽):
T1 = 400 0C V1 = 5 °C /min t! = 60 min V2 = 35 °C /min T2 = 1050°C t2 = 2h T3 = 1200°C t3 = 4h0
[0019]以下描述另外的實施方案。
[0020]附圖簡述
現(xiàn)在使用不同的實施方案并參照附圖更緊密地闡明本發(fā)明。
[0021]圖1顯示SLM加工的IN738LC的熱膨脹系數(shù)，其取決于溫度、構(gòu)建方向和第一或第二加熱；
圖2顯示SLM加工的IN738LC的熱容量，其取決于溫度、構(gòu)建方向和第一或第二加熱；圖3顯示(除圖1與圖2之外)SLM加工的IN738LC在剛構(gòu)建狀態(tài)下的拉伸機械結(jié)果；圖4顯示用于SLM加工的IN738LC的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)熱處理程序的時間-溫度-圖表；
圖5顯示用于SLM加工的IN738LC的根據(jù)本發(fā)明實施方案的時間-溫度-圖表。
[0022]發(fā)明不同實施方案詳述
圖1顯示SLM加工的IN738LC的熱膨脹系數(shù)，其取決于溫度、構(gòu)建方向和第一或第二加熱?？梢钥吹剑诘谝患訜崞陂g，曲線中出現(xiàn)了異常(起始于超過400°C)，其特征在于熱膨脹系數(shù)的下降。該異常在第二加熱期間不再出現(xiàn)并可歸因于第一加熱期間的γ’沉淀。熱膨脹系數(shù)的異常指征了由于Y’沉淀所導(dǎo)致的體積收縮。
[0023]同樣可見于圖2，圖2顯示SLM加工的IN738LC的熱容量，其取決于溫度、構(gòu)建方向和第一或第二加熱。
[0024]除熱-物理性質(zhì)外還列出了剛構(gòu)建狀態(tài)下(例如沒有任何熱處理)的拉伸機械結(jié)果(見于圖3)。
[0025]可以看到，在室溫下，在剛構(gòu)建狀態(tài)下，IN738LC的延性相當(dāng)高(?20_24%)。然而，通過在2h內(nèi)將試樣加熱(加熱速率為?7°C /min)至850°C并在15min保持時間后對其進(jìn)行測試，觀察到延性顯著降低(從?20%到?0.2% !)。
[0026]在第一加熱期間在升高的溫度下固有的低延性和由于SLM加工而存在的顯著量的剩余應(yīng)力是顯著裂化的原因。
[0027]值得一提的是，對于另一個γ’強化超合金CM247LC(于850°C在剛構(gòu)建狀態(tài)下測試)觀察到可比的低延性。
[0028]圖4顯示現(xiàn)有技術(shù)已知的用于組件(由澆鑄或鍛造的IN738LC制成)的標(biāo)準(zhǔn)熱處理程序(例如應(yīng)力解除熱處理)。將這一標(biāo)準(zhǔn)熱處理施加在SLM-制造的IN738LC組件。遺憾的是，在這一熱處理之后，該組件具有顯著的裂紋，因此為缺陷產(chǎn)品。
[0029]對于通常施加在γ’強化超合金上的其它標(biāo)準(zhǔn)熱處理程序獲得了類似的結(jié)果。
[0030]相比之下，施加根據(jù)本發(fā)明的熱處理分別導(dǎo)致相應(yīng)的無裂紋組件。
[0031]圖5顯示IN738LC的根據(jù)本發(fā)明實施方案的時間-溫度-圖表。以相當(dāng)?shù)偷募訜崴俾蔞l=5°C /min和足夠長以保證均勻的組件/部件溫度的保持時間tfeOmin將組件加熱至?4000C (=T1) ο隨后，關(guān)鍵點是此時快速加熱(以v2=35°C /min從400到?1050°C )穿過臨界溫度區(qū)域以避免/降低Y’的沉淀。
[0032]一旦超過了臨界溫度區(qū)域，可取決于熱處理目的附加另外不同的時間/溫度步驟。在根據(jù)圖5的實例中，在T3=1050°C實施2小時(t3)的等溫停留以減少剩余應(yīng)力?？捎诟叩臏囟认略黾硬煌蛄硗獾谋３謺r間以例如進(jìn)一步減少剩余應(yīng)力和/或使微結(jié)構(gòu)再結(jié)晶。例如，以1250°C /3h或1200°C /4h處理導(dǎo)致再結(jié)晶。
[0033]甚至更高的加熱速率可有利于比IN738LC含更高量γ’的合金(例如CM247LC和CMSX-4)。此外，也可取決于對應(yīng)合金的固溶溫度提高等溫停留溫度。
[0034]所述根據(jù)本發(fā)明的熱處理必須為SLM構(gòu)建之后施加的第一熱處理?？蓪⑵涫┘釉谝褟幕P移除的SLM組件(其構(gòu)建于已有的部件上(混合構(gòu)建))或仍在基盤上的SLM組件上。在后兩種情況中，熱處理另外通過避免由γ’的沉淀導(dǎo)致的延性降低而有助于避免由不同的熱膨脹系數(shù)所導(dǎo)致的裂紋(其可在熱處理期間產(chǎn)生另外的應(yīng)力)。
[0035]此外，值得一提的是也可在壓力下(例如在具有另外益處的高溫等靜壓(HIP)期間)實施上述熱處理。
[0036]加熱速率V2優(yōu)選為25-60°C/min。更高的速率可通過誘導(dǎo)加熱實現(xiàn)。
[0037]一旦根據(jù)本發(fā)明實施了第一熱處理，可施加其它標(biāo)準(zhǔn)熱處理。
[0038]當(dāng)然，本發(fā)明不受限于所述實施方案。它可用于所有通過SLM加工γ’超合金的組件，例如用于服務(wù)的燃?xì)鉁u輪/模塊化部件中的混合部件。
【主權(quán)項】
1.增材制造組件的構(gòu)建后熱處理方法，所述增材制造組件由基于Ni或Co或Fe或它們的組合的γ’強化超合金制成，所述方法包括以下步驟: a)提供剛構(gòu)建狀態(tài)下的增材制造組件，隨后 b)將所述組件從室溫(RT)加熱至溫度T1，其中1\比熱膨脹系數(shù)開始下降的溫度T3低50-100°C，隨后 c)保持所述組件在！\下經(jīng)時間ti以實現(xiàn)均勻的組件溫度，隨后 d)通過施加加熱速率V2為至少25°C /min的快速加熱將所述組件從T:加熱至T2> 850°C以避免或至少降低丫’相的沉淀，隨后 e)根據(jù)熱處理的目的向所述組件施加進(jìn)一步的時間/溫度步驟。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在步驟d)中，所述加熱速率為v2=25-60°C /min ο3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在步驟e)中，實施2小時的等溫停留時間t2以減少剩余應(yīng)力。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在步驟e)中，在溫度！^〉T2下施加不同或另外的保持時間以進(jìn)一步減少剩余應(yīng)力和/或使微結(jié)構(gòu)再結(jié)晶。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的方法，其特征在于在高溫等靜壓(HIP)期間在壓力下實施所述熱處理。6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的方法，其特征在于用于增材制造且由IN738LC制成的組件的以下構(gòu)建后熱處理參數(shù): T1 = 400 0CV1 = 5 °C /minV2 = 35 °C /minT2 = 1050 0Ct2 = 2hT3 = 1120°C /2h 或 1200°C /4h 或 1250°C /3h。
【專利摘要】本發(fā)明涉及增材制造的高強度組件的構(gòu)建后熱處理方法，所述高強度組件由基于Ni或Co或Fe或它們的組合的γˊ強化超合金制成。在增材制造后的第一構(gòu)建后熱處理期間在特定溫度范圍內(nèi)施加20-60℃/min的快速加熱速率避免或至少最小化在加熱期間組件中的γˊ沉淀。相較于常規(guī)熱處理組件中出現(xiàn)的顯著裂紋，這產(chǎn)生無裂紋組件/制品。
【IPC分類】C22F1/10, C21D6/00
【公開號】CN105088119
【申請?zhí)枴緾N201510239365
【發(fā)明人】T.埃特, R.恩格里, A.庫恩茲勒
【申請人】阿爾斯通技術(shù)有限公司
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年5月12日
【公告號】CA2890977A1, EP2944402A1, US20150322557