用于粉末基增材制造方法中的γ’沉淀強化的鎳基超合金的制作方法
【專利說明】用于粉末基増材制造方法中的Y ’沉淀強化的鎳基超合金發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及借助于例如選擇性激光熔融(SLM)或電子束熔融(EBM)的粉末基增材制造產(chǎn)生三維制品的技術(shù)。具體地講，涉及用于制造近無裂部件的含有Ni基超合金粉末的高抗氧化性且含高γ’沉淀的鎳基超合金粉末。所述超合金粉末由允許在熱處理條件下在所述超合金中確立60-70體積％的γ’沉淀含量的化學(xué)組分組成。
【背景技術(shù)】
[0002]已知具有約大于5重量％的Α1和Ti的相加分?jǐn)?shù)的γ ’沉淀強化的鎳基超合金由于它們的微裂敏感性而很難焊接。在例如IN738LC、MARM-M 247、CM247LC的那些超合金的焊接期間的微裂歸于沉淀物或低恪點共晶體在熱影響區(qū)(heat affected zone, HAZ)中的恪解、在隨后的熱處理中的失延裂紋(ductility dip cracking, DDC)或應(yīng)變時效裂紋。
[0003]在文獻:B.Geddes, H.Leon, X.Huang: Superalloys, Alloying andperformance (超合金，合金與性能)，ASM Internat1nal, 2010, 71-72 頁中，作者將超合金的可焊性線近似地描述為約[2倍A1濃度(重量％) + Ti濃度(重量％) ] < 6.0，這意味著具有大于6重量％的[2倍A1 (重量％) + Ti (重量％)]的Ni基超合金定義為難以焊接的材料。凝固和晶界熔解開裂在焊接過程期間發(fā)生，而焊接后熱處理常導(dǎo)致在γ’Ni3(Al, Ti)沉淀強化合金中的應(yīng)變時效開裂。
[0004]因此，大多數(shù)固溶體強化的鎳基超合金(例如，IN625)或具有少量A1和Ti的γ ’強化的鎳基超合金(例如，ΙΝ718)至今仍通過SLM或ΕΒΜ加工。
[0005]與相同合金的常規(guī)鑄造材料相比較，SLM產(chǎn)生的制品具有不同的微觀結(jié)構(gòu)。這主要歸因于粉末基逐層制品制造和由于在這些工藝中高能束材料相互作用的固有的高冷卻速率。由于在SLM期間的極其局部化熔融和所產(chǎn)生的很快的凝固，合金元素的偏析和沉淀物的形成顯著減少。與常規(guī)堆焊技術(shù)相比較，這引起對開裂的敏感性減小。因此，SLM允許例如含有高Al+Ti的合金(例如，IN738LC/CM247LC)的難焊接且難以機械加工的材料的近網(wǎng)形狀加工。
[0006]通過將市售IN738LC粉末用于SLM方法，遺憾的是，在所制造的制品中仍然存在微裂縫。這例如在由 Fraunhofer Institute for Laser Technology (J.Risse, C.Golebiewski, ff.Meiners， K.ffissenbach:1nfluence of process management oncrack format1n in nickel-based alloy parts (IN738LC) manufactured by SLM,RapidTech, 14./15.05.2013, Erfurt)的報告中證實。據(jù)其報道，無裂制品僅可在深度預(yù)熱下制造。
[0007]申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，SLM加工的IN738LC的熱裂敏感性在來自不同供應(yīng)商的粉末批料之間強烈地不同并且不能通過典型的可焊性表預(yù)測，而將特定的少量/痕量元素(Zr、Si)嚴(yán)格控制在IN738LC粉末中的特定范圍內(nèi)是在沒有深度預(yù)加熱的情況下通過SLM制造近無裂部件的重要前提(參見尚未公開的EP申請13199285.1)。
[0008]高A1和Ti含量不是在通過增材制造加工的鎳基超合金中的開裂的主要原因的事實表明，可加工具有比IN738LC/CM247LC甚至更高的量的γ’的鎳基合金，如在與IN738LC中的約50體積％的丫’含量相比較具有60-70體積％的γ’含量的單晶(SX)合金中通常所見。
[0009]遺憾的是，使用具有“標(biāo)準(zhǔn)”化學(xué)的鎳基SX合金，如例如在EP 1 359 231 Α1或ΕΡ
0914 484 Β1中所公開(S卩，晶界強化元素例如C、B、Zr、Hf量低，這是在SX合金中缺乏晶界的原因)，由于細晶粒的微觀結(jié)構(gòu)而在通過增材制造加工的部件中給出不足的機械強度。同時，以對于例如IN738LC、MarM247、CM247LC的鑄造合金典型的比例(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％)加入晶界強化劑在增材制造過程期間引起合金甚至更突出的開裂。
[0010]因此，由具有根據(jù)本領(lǐng)域的已知狀態(tài)的化學(xué)組成的鑄造SXNi基超合金制成的粉末不適合無裂部件的增材制造，例如SLM或EBM。
[0011]文獻US2011/150693 A1公開了具有能夠通過γ ’和γ ’ ’或δ相的雙沉淀提供硬化的組成的Ni基超合金。根據(jù)該限定的化學(xué)組成，所述合金的γ’相含量最大為約10-15體積％。該合金用于粉末冶金法，其中該粉末為致密且熱鍛的。在US2011/150693A1中描述的方法的工藝參數(shù)以及所制造部件的性質(zhì)因此與如SLM、ΕΒΜ的粉末基增材制造方法完全不同。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的一個目的是提供用于增材制造(優(yōu)選SLM、ΕΒΜ)具有降低的熱裂趨勢的三維制品的鎳基超合金粉末。所述超合金粉末由允許在熱處理條件下在超合金中確立60-70體積％ (vol.%)的丫’沉淀含量的化學(xué)組分組成。其涉及(通常為鑄造的)SX Ni基超合金的專門調(diào)節(jié)的化學(xué)組成以及粉末形態(tài)尺寸。
[0013]該目的通過根據(jù)權(quán)利要求1的鎳基超合金粉末，即用于增材制造三維制品的鎳基超合金粉末實現(xiàn)，其中所述超合金粉末由允許在熱處理條件下在超合金中確立60-70體積％的γ’沉淀含量的化學(xué)組分組成。其特征在于所述粉末具有10-100 μm的粉末尺寸分布和球形形態(tài)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 > Ιο
[0014]γ ’含量可例如通過數(shù)字圖像分析、化學(xué)萃取γ ’相或X-射線衍射測量。
[0015]—個優(yōu)選的實施方案為鎳基超合金粉末，其包括C/B比=16-32，并且其不含Hf、Zr、Si，且其可通過增材制造以非常高的質(zhì)量加工。
[0016]加入足夠量的碳以強化晶界并保持其它晶界強化元素處于極低水平允許通過增材制造無裂加工具有這樣大量的γ’的鎳基超合金。
[0017]本申請的一個優(yōu)選實施方案為由以下化學(xué)組分(重量％)組成的鎳基超合金粉末:
7.7-8.3 Cr5.0-5.25 Co2.0-2.1 Mo7.8-8.3 ff5.8-6.1 Ta
4.7-5.1 A1
1.1-1.4 Ti 0.08-0.16 C
0.005-0.008 B0-0.04 Hf0-0.01 Zr0-0.08 Si，
剩余為鎳和不可