用于对超合金部件进行液体辅助增材制造的超合金粉末混合物制造技术

提供一种超合金粉末混合物，用于对金属部件或其部分进行增材制造或焊接。超合金粉末混合物包含以重量计至少51％的高熔点超合金粉末和以重量计至少5％的低熔点超合金粉末。低熔点超合金粉末的固相线温度可以比高熔点超合金粉末的固相线温度低50℃至220℃。高熔点超合金粉末、低熔点超合金粉末和超合金粉末混合物中的每一者可以具有以重量计大于40％的镍含量，并且可以具有以重量计大于1.5％的铝含量。低熔点超合金粉末可以包含以重量计至少5％的钽，并且与低熔点超合金粉末中以重量百分比计的钽含量相比，高熔点超合金粉末可以包含以重量百分比计小于其一半的钽含量。含以重量百分比计小于其一半的钽含量。含以重量百分比计小于其一半的钽含量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于对超合金部件进行液体辅助增材制造的超合金粉末混合物

技术介绍

[0001]本专利技术总体上涉及增材制造和焊接的领域，并且更具体地，涉及对由难焊接超合金制成的用在燃气涡轮和其它高温应用中的部件进行增材制造和/或焊接。
[0002]镍基超合金是能够用于形成γ'(γ')析出强化金属零件的金属合金，γ'析出强化金属零件有利地将机械强度、耐热疲劳性、耐氧化性、耐I型或II型腐蚀和耐热蠕变变形结合起来。高γ'成型的镍基超合金通常用于高温应用(例如，高于950℃)。例如，由这种超合金铸造的零件可以包括桨叶、导向叶片以及其它用于航空航天、船舶和工业的燃气涡轮发动机的热燃气通道部件。然而，已知对高γ
′
成型的镍基超合金材料进行增材制造和/或焊接是困难的，因为这种超合金在这种工艺期间会经历固化和晶界液化破裂的问题。此外，在随后的热处理期间，这种增材制造或焊接的超合金部件对应变时效破裂是敏感的。因此，需要改进用于对由超合金(特别是难焊接镍基超合金)制成的部件进行焊接和/或增材制造的工艺，改进的工艺减少了孔隙和裂纹的量、尺寸和/或体积，并且避免了为了生产可用于高温应用中的零件而实施热等静压操作以使这些孔隙和裂纹塌陷的需要。

技术实现思路

[0003]各种公开的实施例包括可以用于促进对由一种或多种超合金制成的部件(或其部分)进行增材制造的系统和方法。在示例中，构成难焊接超合金的元素被分成至少两个部分，该两个部分在本文中被称为高熔点超合金粉末和低熔点超合金粉末，使得当该两个部分以预定比例结合在混合物中时，使用这种超合金粉末混合物的增材制造或焊接产生较少的微裂纹。
[0004]在一个方面中，用于对金属部件或其部分进行增材制造或焊接的超合金粉末混合物包含以重量计至少51％的高熔点超合金粉末和以重量计至少5％的低熔点超合金粉末，其中低熔点超合金粉末的固相线温度比高熔点超合金粉末的固相线温度低50℃至220℃，其中高熔点超合金粉末、低熔点超合金粉末和超合金粉末混合物中的每一者具有以重量计大于40％的镍含量和以重量计大于1.5％的铝含量，其中低熔点超合金粉末包含以重量计至少5％的钽，并且其中与低熔点超合金粉末中的以重量百分比计的钽含量相比，高熔点超合金粉末包含以重量百分比计小于其一半的钽含量。
[0005]在另一个方面中，一种方法包括使用超合金粉末混合物对金属部件的至少部分进行增材制造。
[0006]在另一个方面中，一种方法包括使用超合金粉末混合物对金属部件进行焊接。
[0007]在另一个方面中，增材制造方法包括将超合金粉末混合物的层依次沉积并熔合在一起，以堆积增材部分，并且在1200℃或高于1200℃的温度下对增材部分进行热处理以形成增材部分所包含的均质化的基础合金，该基础合金具有由超合金粉末混合物限定的化学组成。
[0008]在另一个方面中，增材制造方法包括分配粘合剂与超合金粉末混合物的结合物，
并且在熔炉中对部件进行热处理以：燃尽粘合剂，使部件固态烧结，熔化低熔点超合金粉末以填充部件的内部孔隙，经由均质化形成部件所包含的基础合金，该基础合金具有由超合金粉末混合物限定的化学组成。
[0009]在另一个方面中，增材制造方法包括：逐层地分配粘合剂与高熔点超合金粉末的第一结合物，以堆积包含第一结合物的增材部分；分配粘合剂与低熔点超合金粉末的第二结合物，以在增材部分的至少一个表面上产生至少一个片材，该至少一个片材包含一个或多个第二结合物的层；以及在熔炉中对增材部分进行热处理以：燃尽增材部分中的粘结剂；使增材部分固态烧结；熔化至少一个片材中的低熔点超合金粉末以填充增材部分的内部孔隙；经由均质化来形成增材部分所包含的基础合金，该基础合金具有由来自第一结合物和第二结合物的高熔点超合金粉末和低熔点超合金粉末所限定的化学组成，其中低熔点超合金粉末的固相线温度比高熔点超合金粉末的固相线温度低50℃至220℃，其中高熔点超合金粉末、低熔点超合金粉末和基础合金中的每一者具有以重量计大于40％的镍含量和以重量计大于1.5％的铝含量，其中低熔点超合金粉末包含以重量计至少5％的钽，并且其中与低熔点超合金粉末中的以重量百分比计的钽含量相比，高熔点超合金粉末包含以重量百分比计小于其一半的钽含量。
[0010]在另一个方面中，用于增材制造的可挤出细丝包含超合金粉末混合物和将超合金粉末混合物粘合在一起的粘合剂，其中粘合剂包括聚合物，并且其中细丝包含以体积计大于50％的超合金粉末混合物和以体积计小于50％的粘合剂。
[0011]在另一个方面中，焊丝包括金属管状护套，该金属管状护套包封超合金粉末混合物，其中金属护套包含镍。
[0012]在另一个方面中，用于对金属部件或其部分进行增材制造或焊接的金属丝包括细长体，其中细长体在其中包含超合金粉末混合物，超合金粉末混合物包含：以重量计至少51％的高熔点超合金粉末；以及以重量计至少5％的低熔点超合金粉末。低熔点超合金粉末的固相线温度比高熔点超合金粉末的固相线温度低50℃至220℃。高熔点超合金粉末、低熔点超合金粉末和超合金粉末混合物中的每一者具有以重量计大于1.5％的铝含量，其中低熔点超合金粉末包含以重量计至少5％的钽。而且，与低熔点超合金粉末中的以重量百分比计的钽含量相比，高熔点超合金粉末包含以重量百分比计小于其一半的钽含量。
[0013]在另一个方面中，金属部件包括至少一部分，该至少一部分包含具有对应于超合金粉末混合物的化学组成的超合金。
[0014]在另一个方面中，涡轮桨叶或导向叶片包括至少一部分，该至少一部分包含具有对应于超合金粉末混合物的化学组成的超合金。
[0015]在另一个方面中，预烧结的预成型件包括至少一部分，该至少一部分包含具有对应于超合金粉末混合物的化学组成的超合金。
[0016]在另一个方面中，高熔点超合金包含以重量计7.7％至8.1％的铬、10.6％至11％的钴、4.5％至6.5％的铝、10.6％至11％的钨、0.3％至0.55％的钼、0.05％至0.08％的碳、以及大于40％的镍。
[0017]在另一个方面中，低熔点超合金包含以重量计9.5％至10.5％的铬、2.9％至3.4％的钴、8.0％至9.0％的铝、3.8％至4.3％的钨、0.8％至1.2％的钼、10％至20％的钽、3％至12％的铪、以及大于40％的镍。
[0018]在另一个方面中，低熔点超合金包含以重量计9.5％至10.5％的铬、2.9％至3.4％的钴、7.0％至9.0％的铝、3.8％至4.3％的钨、0.8％至1.2％的钼、12％至22％的钽、以及大于40％的镍。
[0019]在一些方面中，低熔点超合金和/或高熔点超合金可以是粉末形式，特别是具有粉末粒度分布在10微米至100微米之间的粉末颗粒。
[0020]在一些方面中，超合金粉末混合物可以具有以重量计共大于4％的铝含量和可选的钛含量。
[0021]在一些方面中，超合金粉末混合物可以包含以重量计4％至23％的铬、4％至20％的钴、0％至8％的钛、1.5％至8％的铝、0％至11％的钨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于对金属部件或其部分进行增材制造或焊接的超合金粉末混合物，所述超合金粉末混合物包含：以重量计至少51％的高熔点超合金粉末；以及以重量计至少5％的低熔点超合金粉末，其中，所述低熔点超合金粉末的固相线温度比所述高熔点超合金粉末的固相线温度低50℃至220℃，其中所述高熔点超合金粉末、所述低熔点超合金粉末和所述超合金粉末混合物中的每一者具有以重量计大于40％的镍含量和以重量计大于1.5％的铝含量，其中所述低熔点超合金粉末包含以重量计至少5％的钽，并且其中与所述低熔点超合金粉末中的以重量百分比计的钽含量相比，所述高熔点超合金粉末包含以重量百分比计小于其一半的钽含量。2.根据权利要求1所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物具有以重量计共大于4％的铝含量和可选的钛含量。3.根据权利要求1或2所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物包含以重量计约4％至约23％的铬、约4％至约20％的钴、0％至约8％的钛、约1.5％至约8％的铝、0％至约11％的钨、0％至约4％的钼、约1％至约13％的钽、0％至约0.2％的碳、0％至约1％的锆、0％至约4％的铪、0％至约4％的铼、0％至约0.1％的钇和/或铈、0％至约0.04％的硼、0％至约2％的铌、0％至约1.5％的可选的偶存元素和不可避免的杂质、以及余量的镍。4.根据权利要求1至3中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述高熔点超合金粉末、所述低熔点超合金粉末和所述超合金粉末混合物中的每一者具有以重量计大于4.0％的铝含量。5.根据权利要求1至4中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末包含以重量计至少10％的钽。6.根据权利要求1至5中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末包含以重量计至少0.5％的铪，并且其中，与所述低熔点超合金粉末中的以重量百分比计的铪含量相比，所述高熔点超合金粉末包含以重量百分比计小于其一半的铪含量。7.根据权利要求1至6中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末中以重量百分比计的铬、铝或钼的量中的至少一者比所述高熔点超合金粉末中对应的重量百分比低至少15％至75％。8.根据权利要求1至7中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述高熔点超合金粉末中以重量百分比计的钴或钨的量中的至少一者比所述低熔点超合金粉末中对应的重量百分比低至少50％至75％。9.根据权利要求1至8中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述高熔点超合金粉末、所述低熔点超合金粉末和所述超合金粉末混合物中的每一者具有以重量计大于45％的镍含量和以重量计大于5.5％的铝含量。10.根据权利要求1至9中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末包含以重量计至少8％的铝。11.根据权利要求1至10中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末包含以重量计至少3％的铪。12.根据权利要求1至11中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述高熔点超合金
粉末包含以重量计最大1％的钽，特别是最大0.05％的钽。13.根据权利要求1至12中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述高熔点超合金粉末包含以重量计最大0.05％的铪。14.根据权利要求1至13中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末包含以重量计最大3.4％的钴。15.根据权利要求1至14中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末包含以重量计至少3.8％的钨。16.根据权利要求1至15中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物包含以重量计至少9％的钨。17.根据权利要求1至16中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物包含最大6.2％的钽。18.根据权利要求1至17中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末具有高于1300℃的液相线温度。19.根据权利要求1至18中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末的固相线温度比所述高熔点超合金粉末的固相线温度低100℃至160℃，特别是低120℃至140℃。20.根据权利要求1至19中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末的固相线温度比均质化的基础合金的晶界熔化温度低10℃至150℃，特别是低10℃至50℃，所述基础合金由超合金粉末的化学组成限定。21.根据权利要求1至20中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述高熔点超合金粉末的固相线温度在1350℃与1430℃之间。22.根据权利要求1至21中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末的固相线温度在1210℃与1360℃之间。23.根据权利要求1至22中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物不包含陶瓷添加剂。24.根据权利要求1至23中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物包含以重量计最大0.5％的钛，特别是最大0.05％的钛，进一步特别是最大0.005％的钛。25.根据权利要求1至24中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物具有以重量计至少6％的铝含量。26.根据权利要求1至25中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述高熔点超合金粉末包含以重量计4.5％至6.5％的铝。27.根据权利要求1至26中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末包含以重量计8％至9％的铝。28.根据权利要求1至27中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物包含以重量计最大2.0％的铪。29.根据权利要求1至28中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末包含以重量计10％至20％的钽和3％至12％的铪。30.根据权利要求1至29中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金
粉末包含以重量计0.03％至0.07％的钇和/或铈。31.根据权利要求1至30中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末包含以重量计最大0.08％的碳。32.根据权利要求1所述的超合金粉末混合物，其中，所述高熔点超合金粉末包含以重量计7.7％至8.1％的铬、10.6％至11％的钴、4.5％至6.5％的铝、10.6％至11％的钨、0.3％至0.55％的钼以及0.05％至0.08％的碳。33.根据权利要求1或32所述的超合金粉末混合物，其中，所述高熔点超合金粉末包含以重量计0％至2％的钛、0％至1％的钽、0％至1％的锆、0％至0.05％的铪、0％至0.05％的铼、0％至0.1％的钇和/或铈、和/或0％至0.04％的硼。34.根据权利要求1、32至33中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末包含以重量计9.5％至10.5％的铬、2.9％至3.4％的钴、8.0％至9.0％的铝、3.8％至4.3％的钨、0.8％至1.2％的钼、10％至20％的钽以及3％至12％的铪。35.根据权利要求1、32至34中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末包含以重量计0％至2％的钛、0％至0.08％的碳、0％至1％的锆、0％至0.05％的铼、0％至0.1％的钇和/或铈、和/或0％至0.04％的硼。36.根据权利要求1所述的超合金粉末混合物，其中，所述高熔点超合金粉末包含以重量计5％至7.3％的铬、11％至13％的钴、5.5％至6.5％的铝、4.7％至5.2％的钨、1.2％至2.2％的钼以及2％至4.2％的铼。37.根据权利要求1或36所述的超合金粉末混合物，其中，所述高熔点超合金粉末包含以重量计0％至0.05％的钛、0％至4.5％的钽、0％至0.15％的碳、0％至1％的锆、0％至1.7％的铪、0％至0.1％的钇和/或铈、和/或0％至0.04％的硼。38.根据权利要求1、36至37中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末包含以重量计9.5％至10.5％的铬、2.9％至3.4％的钴、7.0％至9.0％的铝、3.8％至4.3％的钨、0.8％至1.2％的钼以及12％至22％的钽。39.根据权利要求1、36至38中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末包含以重量计0％至2％的钛、0％至0.08％的碳、0％至1％的锆以及0％至12％的铪、0％至3.2％的铼、0％至0.1％的钇和/或铈、和/或0％至0.04％的硼。40.根据权利要求1至23中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末包含以重量计至少7％的钛，并且其中，与所述低熔点超合金粉末中以重量百分比计的钛含量相比，所述高熔点超合金粉末包含以重量百分比计小于其一半的钛含量。41.根据权利要求1所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物包含以重量％计的以下成分：
余量为镍以及可选的偶存元素和不可避免的杂质。42.根据权利要求41所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物包含以重量计7.8％至8.8％的铬。43.根据权利要求41所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物包含以重量计11.7％至15.5％的铬。44.根据权利要求1、41至43中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述高熔点超合金粉末包含以重量％计的以下成分：
余量为镍以及可选的偶存元素和不可避免的杂质。45.根据权利要求44所述的超合金粉末混合物，其中，所述高熔点超合金粉末包含以重量计7.7％至8.1％的铬。46.根据权利要求44所述的超合金粉末混合物，其中，所述高熔点超合金粉末包含以重量计12％至16％的铬。47.根据权利要求1、41至46中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金包含以重量％计的以下成分：
余量为镍以及可选的偶存元素和不可避免的杂质。48.根据权利要求1所述的超合金粉末混合物，其中，所述高熔点超合金粉末包含以重量％计的以下成分：
余量为镍以及可选的偶存元素和不可避免的杂质。49.根据权利要求1或48所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金包含以重量％计的以下成分：
余量为镍以及可选的偶存元素和不可避免的杂质。50.根据权利要求41至49中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述高熔点超合金粉末包含以重量计最大0.05％的钛，特别是0.005％的钛。51.根据权利要求41至50中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述低熔点超合金粉末包含以重量计最大0.05％的钛，特别是0.005％的钛。52.根据权利要求1至51中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物、所述高熔点超合金粉末和所述低熔点超合金粉末中的每一者包含以重量计0％至0.01％的一种或多种不可避免的杂质。53.根据权利要求1至52中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物、所述高熔点超合金粉末和所述低熔点超合金粉末中的每一者包含以重量计0％至1.5％的除铬、钴、钛、铝、钨、钼、钽、碳、锆、铪、铼、钇、铈和硼以外的一种或多种偶存元素。54.根据权利要求53所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物、所述高
熔点超合金粉末和所述低熔点超合金粉末包含选自以下的一种或多种偶存元素，所述一种或多种偶存元素具有如所示的相应的最大重量百分比或最大ppm：
55.根据权利要求54所述的超合金粉末混合物，其中，对于相应的偶存元素和以重量计最大为0.001％的任何其它元素，所述不可避免的杂质在最大量以内。56.根据权利要求1至55中任一项所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物中所述高熔点超合金粉末与所述低熔点超合金粉末的重量比在95:05与51:49之间。57.根据权利要求56所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物中所述高熔点超合金粉末与所述低熔点超合金粉末的重量比在90:10与70:30之间。58.根据权利要求57所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物中所述高熔点超合金粉末与所述低熔点超合金粉末的重量比在85:15与75:25之间。59.根据权利要求58所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物中所述高熔点超合金粉末与所述低熔点超合金粉末的重量比在82:18与78:22之间。60.根据权利要求56所述的超合金粉末混合物，其中，所述超合金粉末混合物中所述高熔点超合金粉末与所述低熔点超合金粉末的重量比在94:06与76:24之间。61.一种方法，所述方法包括使用根据权利要求1至60中任一项所述的超合金粉末混合物对金属部件进行增材制造。62.一种方法，所述方法包括使用根据权利要求1至60中任一项所述的超合金粉末混合物对金属部件进行焊接。63.根据权利要求61或62所述的方法，所述方法还包括在熔炉中对所述金属部件进行加热，以至少部分地使由所述超合金粉末混合物形成的部分均质化。64.根据权利要求61至63中任一项所述的方法，所述方法还包括在熔炉中以1200℃或高于1200℃的温度对所述金属部件进行加热持续至少120分钟。65.一种增材制造方法，所述方法包括:将根据权利要求1至60中任一项所述的超合金粉末混合物的层依次沉积并熔合在一起以堆积增材部分；以及在1200℃或高于1200℃的温度下对所述增材部分进行热处理以形成均质化的基础合金，所述增材部分包含所述均质化的基础合金，所述基础合金具有由所述超合金粉末混合物限定的化学组成。66.根据权利要求61或65所述的方法，其中，经由选择性激光熔化(SLM)3D打印机将所述超合金粉末混合物沉积并熔合在一起以形成所述增材部分。67.根据权利要求61或65所述的方法，其中，经由定向能量沉积(DED)喷嘴将所述超合
金粉末混合物沉积并熔合在一起，所述定向能量沉积(DED)喷嘴提供所述超合金粉末混合物并发射能量束，所述能量束熔化所述超合金粉末混合物以形成所述增材部分。68.根据权利要求61至62、65、67中任一项所述的方法，其中，经由激光金属丝沉积(LWD)系统将所述超合金粉末混合物沉积并熔合在一起，所述激光金属丝沉积(LWD)系统采用焊丝以提供所述超合金粉末混合物。69.根据权利要求68所述的方法，其中，所述焊丝包括镍或镍合金箔的护套，所述护套在其中包含所述超合金粉末混合物。70....

【专利技术属性】
技术研发人员：K，
申请(专利权)人：西门子能源美国公司，
类型：发明
国别省市：