專利名稱：：包括接合到超級(jí)合金基底上的薄蒙皮的渦輪機(jī)部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及渦輪機(jī)，更具體地說(shuō)，涉及渦輪機(jī)葉片及其它渦輪機(jī)部件，其中包括接合到超級(jí)合金基底上的薄蒙皮。背景資料在現(xiàn)代高效發(fā)電燃汽輪機(jī)中應(yīng)用的現(xiàn)有技術(shù)水平的葉片和輪葉，依靠一些優(yōu)質(zhì)材料如單晶合金及對(duì)部件的內(nèi)部和外部尺寸的精確控制。由于這些部件的尺寸大，所以通過(guò)幾種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)高效低成本地制造它們。固定式燃汽輪機(jī)，如高級(jí)渦輪機(jī)系統(tǒng)(ATS)，目前正在研制過(guò)程中，這類燃汽輪機(jī)需要一些用高級(jí)材料制造的高效低成本的高性能部件。第一和第二排渦輪葉片和輪葉包括復(fù)雜的內(nèi)部和外部幾何形狀，并且應(yīng)該用無(wú)缺陷的材料制造。為了改善工作效率，薄壁結(jié)構(gòu)對(duì)現(xiàn)代渦輪葉片的設(shè)計(jì)是有用的。然而，這類薄壁結(jié)構(gòu)大大抑制了葉片的制造。尤其是，在固定式渦輪機(jī)翼面所要求的很長(zhǎng)距離內(nèi)，控制薄壁部分很困難，并導(dǎo)致很低的鑄造生產(chǎn)率和很高的部件成本。這些生產(chǎn)率和成本問(wèn)題特別適用于在ATS和下一代渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中所要求的單晶合金。發(fā)明概述按照本發(fā)明，高效薄壁式渦輪機(jī)部件如渦輪葉片，是通過(guò)制造超級(jí)合金基底如單晶內(nèi)部翼梁結(jié)構(gòu)并將薄的蒙皮接合在基底上來(lái)制造。例如，一種呈渦輪葉片翼梁形狀的基底，可以包括一個(gè)波紋狀或間歇式升起的表面，如升起的銷或壁，薄的蒙皮可以接合到該升起的銷或壁上。薄的蒙皮可以是一種單晶或多晶材料制造，并具有優(yōu)選厚度約0．025-0．125cm(0．01-0．05英寸)。利用熱處理如瞬態(tài)液相接合法和／或熱等靜壓法將蒙皮接合到基底上。本發(fā)明的一方面是提供一種制造薄壁式渦輪機(jī)部件的方法。該方法包括以下步驟提供一種超級(jí)合金基底，包括基底表面上的許多個(gè)延伸件；將薄的蒙皮加到基底上；及將薄的蒙皮接合到基底的延伸部分上。本發(fā)明的另一方面是提供一種渦輪機(jī)部件，該部件包括一個(gè)超級(jí)合金基底；一個(gè)接合到超級(jí)合金基底上的薄蒙皮；及至少一個(gè)冷卻通道，該冷卻通道位于基底和薄蒙皮之間。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，基底包括一個(gè)用單晶鎳基超級(jí)合金制成的翼梁。本發(fā)明的這些和另一些方面從下面說(shuō)明將更加明顯。對(duì)附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1是一種渦輪葉片翼面的橫斷面視圖，它示出一種按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例接合到超級(jí)合金渦輪葉片翼梁上的薄蒙皮。圖2是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例接合到超級(jí)合金基底上的薄蒙皮側(cè)視圖。圖3是圖2的放大圖。圖4是一組不同放大倍數(shù)的顯微照片，它們示出按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的薄蒙皮和超級(jí)合金基底上銷之間的結(jié)合面。圖5包括兩張顯微照片，它們示出按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的薄蒙皮和超級(jí)合金基底之間的接合面。詳細(xì)說(shuō)明按照本發(fā)明，適合強(qiáng)冷式燃汽輪機(jī)葉片用的薄壁式結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)采用瞬時(shí)液相接合法或類似方法，將薄板材制的蒙皮加到中央鑄造元件上制造。該方法可以如此控制，以使得接合后的材料顯示出一種基本上連續(xù)的結(jié)構(gòu)，并且顯示在接合區(qū)內(nèi)的性能近似與被接合的金屬合金的性能相當(dāng)。本發(fā)明的其中一個(gè)實(shí)施例包括將單晶蒙皮接合到較厚的單晶基底上。另一個(gè)實(shí)施例包括將高度抗氧化作用的多晶合金加到高溫、高強(qiáng)度超級(jí)合金如單晶鎳基超級(jí)合金上。在又一個(gè)實(shí)施例中，薄的蒙皮可以是氧化物彌散強(qiáng)化式(ODS)直接再結(jié)晶的鎳基或鐵基超級(jí)合金。在本發(fā)明的其中一個(gè)實(shí)施例中，鑄造沒(méi)有內(nèi)芯的渦輪葉片的中央部分，將得到改善了的部件公差和生產(chǎn)能力。為達(dá)到所希望的生產(chǎn)率，用多個(gè)構(gòu)件通過(guò)接合制造中央部分也可能是很理想的。鑄造之后，可以將中央翼梁的表面機(jī)加工成精密的外形，并且可以將薄金屬板或類似物制的蒙皮方便而準(zhǔn)確地加到該中央翼梁的表面上。這就不需要同時(shí)控制在單構(gòu)件鑄造過(guò)程中必須保持的各種外部和內(nèi)部公差，并且改善了用于高級(jí)渦輪葉片的元件制造總產(chǎn)量。希望將渦輪葉片制成具有很薄的壁，以便加快部件冷卻。該壁將葉片必須耐高應(yīng)力的部分與必須耐最高溫度和耐潛在的環(huán)境化學(xué)浸蝕的部分有效地分開(kāi)。正如此處所用的，術(shù)語(yǔ)“渦輪葉片”意指一種固定式燃汽輪機(jī)的部件，它包括這種渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)葉片和靜葉。旋轉(zhuǎn)葉片通常包括一個(gè)葉面部分和一個(gè)葉根部分，該葉根部分包括一個(gè)平臺(tái)。靜葉通常包括一個(gè)中央翼面部分和兩個(gè)圍帶部分，可以認(rèn)為，這兩個(gè)圍帶部分與旋轉(zhuǎn)葉片的葉根部分相當(dāng)。渦輪葉片比較大，最好是具有一個(gè)至少約12英寸的總長(zhǎng)度，一個(gè)至少約4英寸的翼弦，和至少約5／16英寸的翼面厚度。對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片，葉片的翼面部分的最小長(zhǎng)度最好是至少約7英寸，而葉片葉根部分的最小長(zhǎng)度至少約為5英寸。這類旋轉(zhuǎn)葉片的葉根部分最好是具有至少約3英寸的寬度?，F(xiàn)今的各種渦輪葉片通常具有總長(zhǎng)度約18英寸，同時(shí)翼面部分具有長(zhǎng)度約11英寸，而葉根部分具有長(zhǎng)度約7英寸。葉面部分的葉弦通常約為6英寸，而翼面部分的厚度通常約為1英寸。葉根部分具有典型寬度約為4或5英寸。對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片，葉面部分約占葉片總重量的20％，而葉根部分約占總重量的80％?，F(xiàn)今的各種渦輪葉片最好是重量超過(guò)10磅，通常約為20-30磅。這是與航空渦輪葉片相比，航空渦輪葉片通常重約2磅，并具有小得多的尺寸。除了渦輪葉片之外，其它可以按照本發(fā)明制造的渦輪部件包括燃燒器凸輪及高溫部分過(guò)渡和管道。圖1是按照本發(fā)明其中一個(gè)實(shí)施例的渦輪葉片翼面10的橫斷面視圖。翼面10包括一個(gè)基底12，該基底12用任何合適的超級(jí)合金，最好是用單晶鎳基超級(jí)合金制造。將薄的蒙皮14接合在基底12上。若干在基底12和薄蒙皮14之間延伸的壁16，形成多個(gè)冷卻通道，它們沿著翼面10的長(zhǎng)度設(shè)置。用多個(gè)延伸部分將薄的蒙皮14接合到基底12上，這些延伸部分一般取圓柱銷18的形狀。盡管圖1中未示出，但各圓柱銷18基本上是圍繞整個(gè)基底的外表面設(shè)置，以便為薄的蒙皮14提供理想數(shù)目的接合部位。各圓柱銷18可以與基底12整體式形成，或是與基底12分開(kāi)形成。例如，可以通過(guò)鑄造各銷和基底，由基底12整體式形成各銷18，或是通過(guò)從基底機(jī)加工各銷來(lái)整體形成。如圖1所示，翼面基底12可選擇地包括至少一個(gè)內(nèi)部通路20。可以用單個(gè)部件鑄件形式設(shè)置基底12。對(duì)某些渦輪葉片的應(yīng)用，基底12最好是作為兩個(gè)或多個(gè)分開(kāi)的鑄件設(shè)置，這些分開(kāi)的部件隨后接合在一起。在這種情況下，可以將基底12鑄造成為兩個(gè)分開(kāi)的構(gòu)件，將這兩個(gè)構(gòu)件沿著翼面的弧線22接合。正如下面更充分說(shuō)明的，基底12最好是用一種超級(jí)合金如MSX-4或類似物的單晶鎳基超級(jí)合金制造。薄的蒙皮14也可以用單晶鎳基超級(jí)合金制造?？晒┻x擇地，薄的蒙皮14可以用一種多晶鎳基超級(jí)合金或類似物制造。合適的薄蒙皮材料包括直接固化或直接再結(jié)晶的鎳基或鐵基超級(jí)合金。而且，薄的蒙皮可以用別的材料制造，諸如抗氧化和耐腐蝕的NiCrAly或CoNiCrAlY型合金、鎳基ODS合金、鐵基ODS合金及鍛造鈷基合金等。例如，合適的蒙皮合金可以包括IN718、HastalloyX、Haynes236、Inconel617、InconelMA754、PM2000及Haynes188。薄的蒙皮材料可以成單層設(shè)置或是成多層設(shè)置。例如，薄的蒙皮可以包括一個(gè)金屬底層，在該金屬底層上至少涂覆一層絕熱層。薄的蒙皮14最好是具有約0．13-2．5mm(5-100密耳)的厚度。更優(yōu)選的是，薄的蒙皮14具有約0．25-1．25mm(10-50密耳)的厚度。最優(yōu)選的蒙皮厚度是約0．5mm(20密耳)?；?2和薄的蒙皮14之間的延伸部分，如圖1所示的圓柱銷18，最好是從基底12的表面延伸約0．25-6．25mm，更優(yōu)選的是，各延伸部分從基底12的表面延伸約0．5-1．25mm。這樣，在基底12和蒙皮14之間，形成一個(gè)厚度約為0．25-6．25mm的間隙，以便提供冷卻通道。更優(yōu)選的是，該冷卻通道具有約0．5-1．25mm的厚度。如圖1所示，高溫蒙皮14通過(guò)一排銷18、翼梁、短壁或類似物與較低溫度的基底12分開(kāi)。由于蒙皮是如此之薄，所以關(guān)鍵是使它的厚度保持在高精度公差范圍內(nèi)，以便保持正確的金屬溫度和熱流。通過(guò)采用金屬板加工法，如直接鑄造法或金屬板成形法，生產(chǎn)合適的蒙皮，可以生產(chǎn)出將會(huì)準(zhǔn)確地裝配在基底上的成形蒙皮。在一個(gè)實(shí)施例中，可以通過(guò)直接鑄造成形來(lái)形成基底，其中包括一些表面伸出部分，要求這些表面伸出部分機(jī)械式支承來(lái)自蒙皮的載荷轉(zhuǎn)移，及提供足夠的氣流來(lái)冷卻蒙皮。基底的表面可以直接形成只需對(duì)表面形貌的末端進(jìn)行最少量機(jī)加工／外形加工的形狀?？晒┻x擇地，支承件排可以通過(guò)一種合適的低應(yīng)力加工法如電火花加工法(EDM)，或是通過(guò)低電流或電化學(xué)加工(ECM)，加工固體部分的表面來(lái)制造，這樣在熱處理或使用期間，將不會(huì)引起單晶部件的再結(jié)晶。該過(guò)程最好是可以包括鑄造成接近網(wǎng)形形狀／外形，并且最終采用諸如EDM、ECM或類似的方法精加工成精密的公差。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，采用瞬時(shí)液相接合法將薄的蒙皮接合到翼梁結(jié)構(gòu)上?？梢詫⒔雍喜淖鳛閱螇K箔材板跨過(guò)蒙皮的表面加上，以保證將該接合箔材加到所有可能會(huì)受到接合的區(qū)域?？晒┻x擇地，在接合區(qū)域只形成小部分蒙皮表面的情況下，可以離開(kāi)不夾在支承結(jié)構(gòu)和蒙皮之間的區(qū)域，對(duì)箔材進(jìn)行沖孔、切割或蝕刻。在此后一種情況下，優(yōu)選的薄板可能必須更精確地定位，以保證在蒙皮和所有支承元件如銷、肋片等之間都有接合材料。在接合期間，重要的是所有被接合的表面都保持緊密接觸。接合箔材厚度約為0．0025cm(0．001英寸)，它最好是用于裝配到在+／-0．0025cm(0．001英寸)之內(nèi)的部件上。這一要求意味著部件必須十分緊密地壓在一起用于接合?？邕^(guò)接合面的載荷是良好接合所要求的，該載荷比較小，比如約1-5ksi。整個(gè)部件上的載荷可能要求將配合的表面展平，并使該部件彈性變形到封閉接合間隙，而不是提供跨過(guò)接合表面的應(yīng)力。對(duì)平的部件，這些應(yīng)力很容易通過(guò)將薄的蒙皮放在接合箔材和基底的下面得到，以便借助重力、附加重量或固定載荷，幫助部件的合適配合。對(duì)接合表面不是平面的那些成形部件，保證表面配合的載荷最好是采用跨過(guò)界面的點(diǎn)或面載荷，通過(guò)機(jī)械固定來(lái)提供。也可以利用一種靜壓系統(tǒng)提供壓力，在該系統(tǒng)中通過(guò)靜壓氣體力將蒙皮貼著襯底壓住。在這種情況下，可以通過(guò)熱等靜壓(HIP)熱循環(huán)完成氣體增壓和接合熱處理。在這些條件下，可以在一任意形狀的罐例如不銹鋼罐內(nèi)優(yōu)先得到裝配好的未接合部件，該罐在HIP之前抽真空并密封，并在HIP之后剝?nèi)ズ吞幚?。圖2示出按照本發(fā)明制造的一種薄壁結(jié)構(gòu)，它包括一個(gè)單晶蒙皮，該單晶蒙皮結(jié)合到單晶翼梁的銷陣列上。圖3以較高的放大倍數(shù)示出該薄壁結(jié)構(gòu)。為了將單晶蒙皮接合到單晶基底上，需要對(duì)接合條件加以控制。例如，為了將CMSX-4蒙皮接合到CMSX-4基底上，典型的條件是在鑄態(tài)條件下，用2250°F下EDM表面加工4小時(shí)將含重量百分?jǐn)?shù)為1．3％B的Ni-Flex100接合箔材接合。隨后可以將部件進(jìn)行溶解和沉淀熱處理。圖4示出單晶銷和單晶薄壁之間的接合面，表明這種接合如何提供圍繞銷表面極好的鑲嵌充填。圖5包括兩個(gè)光學(xué)顯微照片，它們示出單晶CMSX-4銷和單晶鎳超級(jí)合金薄壁蒙皮之間的接合面，表明在這些接合面處得到極好的顯微組織。在每個(gè)光學(xué)顯微照片中，接合線都垂直延伸。本方法還可以用來(lái)將多晶蒙皮接合到單晶基底上。由于某些原因，其中包括特殊的化學(xué)性能原因，可能希望多晶蒙皮比如，在單晶板的再結(jié)晶會(huì)妨礙它使用的地方，有更強(qiáng)的抗氧化作用和／或耐熱腐蝕、絕熱涂層的接合能力、及要求對(duì)薄壁進(jìn)行復(fù)雜金屬加工的高度定形表面。在這種情況下，用來(lái)將多晶蒙皮接合到單晶基底上的過(guò)程，下面將更充分地加以說(shuō)明。本過(guò)程可用來(lái)將薄壁或蒙皮安放在渦輪葉片翼面的中央翼梁上。例如，當(dāng)渦輪機(jī)輪葉圍帶區(qū)域的冷卻在高級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)中變得更關(guān)鍵時(shí)，薄壁結(jié)構(gòu)在這些區(qū)域十分有利，并且可以用本過(guò)程來(lái)制造輪葉圍帶區(qū)域及翼面中的薄壁。瞬時(shí)液相接合法是一種在超級(jí)合金中產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)接合面的接合過(guò)程。在這種等溫法中，將接合材料如箔材或粘結(jié)糊的薄條安放在欲接合的兩部分材料之間。接合材料與母體材料相同，但它還含有額外添加的降低熔點(diǎn)的元素，該元素還顯示出在合金中快速固態(tài)擴(kuò)散。對(duì)高溫應(yīng)用，如要求接合單晶部件的那些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，B是優(yōu)選元素，因?yàn)镾i會(huì)產(chǎn)生腐蝕問(wèn)題。接合過(guò)程基本上是在高于箔材熔點(diǎn)但低于母體材料整體熔點(diǎn)的溫度下等溫進(jìn)行。當(dāng)富B箔材熔化時(shí)，它在接合的兩邊將母體材料潤(rùn)濕，并產(chǎn)生某種母體金屬的擴(kuò)散，這就提供一個(gè)更寬的液體區(qū)。當(dāng)液體區(qū)變寬時(shí)，液體中硼的濃度降低，直至熔池被B充分稀釋，使它處于平衡的液體濃度。同時(shí)，固態(tài)擴(kuò)散使硼從結(jié)合池區(qū)域中除去。這兩個(gè)過(guò)程造成結(jié)合池中熔點(diǎn)抑制劑耗盡和結(jié)合池等溫再固化，直至兩個(gè)固化前沿在接合中心線附近相遇。通過(guò)小心控制接合介質(zhì)的化學(xué)性能及接合過(guò)程的溫度，可以控制目前的等溫接合過(guò)程，以便在接合區(qū)內(nèi)再現(xiàn)母體材料的化學(xué)性能和顯微組織。在接合過(guò)程期間，最好是控制某些參數(shù)。熔點(diǎn)抑制劑的量應(yīng)足夠提供一種接合箔材，該箔材將在顯著低于母體材料的溫度(亦即幾百°F)下熔化。接合溫度應(yīng)足夠熔化接合箔材和同樣厚度的母體材料，以便產(chǎn)生一個(gè)薄的充分混合的接合區(qū)。接合箔材的量應(yīng)足夠產(chǎn)生母體材料的熔化，并提供一個(gè)薄的很好控制的接合面。接合區(qū)熔化和再固化應(yīng)充分控制，以便在接合區(qū)內(nèi)不發(fā)生有害的化學(xué)性能和相分離。接合箔材的主要元素(亦即，Ni、Cr、Co、Al、Ti、Ta、W、Mo、Nb等)的化學(xué)性能應(yīng)與被接合材料完全匹配，以使接合區(qū)的化學(xué)性能和組織與母體材料的化學(xué)性能和組織實(shí)際上連續(xù)不斷。接合箔材的組成不必與母體材料的組成相同，因?yàn)樵谌刍瘏^(qū)內(nèi)將發(fā)生某種混合。另外，由于Al和Ti將偏析到終端材料上固化，所以可以從接合箔材中將這些元素除去，以免在接合中心線處形成有害的γ′共晶體。此外，在某些應(yīng)用中，可以優(yōu)選它來(lái)控制和匹配跨過(guò)接合的結(jié)晶，亦即匹配被接合工件的定向結(jié)晶。母體材料組成及其熔點(diǎn)、接合箔材主元素組成，硼的含量及等溫接合的溫度全都是相互作用的變量，它們決定了用本方法生產(chǎn)的接合的化學(xué)性能和組織。加B到鎳基合金中，每加1％重量能使該合金的熔點(diǎn)降低約100-150°F。當(dāng)熔點(diǎn)超過(guò)2400°F，并且偏析的鑄態(tài)形狀的初熔點(diǎn)稍低時(shí)，含有約1-3％重量的箔材可將熔點(diǎn)降到2000-2300°F之內(nèi)，此溫度范圍將可供局部熔化而不全體熔化用。盡管接合箔材的主元素組成理想情況是很接近母體材料，但實(shí)際可以允許有相當(dāng)大的差異。由于在單晶超級(jí)合金中有許多合金元素，所以，在組成上的小變化不顯著影響熔點(diǎn)。另外，母體材料溶入接合區(qū)熔池中，往往會(huì)補(bǔ)償接合箔材和母體金屬組成上的差異。而且，為了降低成本，不能寄希望于在箔材中加某些價(jià)格昂貴的元素如錸。最后，為了在接合區(qū)域再固化期間抑制共晶體γ′形成，應(yīng)當(dāng)減少接合箔材中鈦和鋁的含量。本方法可應(yīng)用于鎳基單晶超級(jí)合金CMSX-4。合金的組成列于表1。表1中還列出幾種接合箔材的組成，可用它們來(lái)制成與CMSX-4單晶的瞬時(shí)液相接合。表1襯底合金和接合箔材的組成(重量％)<tablesid="table1"num="001"><table>合金NiCrCoAlTiNbMoTaWReHfZrBCMSX-4余量6．69．65．51．0…0．66．56．430．9……W-foil1余量6．59．65．51．0…0．66．56．430．9…1．5W-foil2余量6．59．62．90．5…0．66．56．430．9…1．5W-foil3余量6．59．65．5……0．66．56．430．9…1．5W-foil4余量6．5102．9……0．66．56．430．9…1．5Ni-Flex1101．3B余量105．02．0………4．04．0………1．3Ni-Flex1101．7B余量105．02．0………4．04．0………1．7Ni-Flex1102．5B余量105．02．0………4．04．0………2．5Ni-Flex1153．0B余量9．08．02．0………4．04．0…1．0…3．0Ni-Flex1201．7B余量10．05．01．31．0……5．03．0………1．5Ni-Flex1201．9B余量10．05．01．31．0……5．03．0………1．7Ni-Flex1212．4B余量10．010．0…………5．0…………2．4Ni-Flex1213．0B余量10．010．0…………5．0…………3．0</table></tables>表1中列出的W-foil1-4是CMSX-4合金組成的變型，它加有1．5％重量的B作為熔點(diǎn)抑制劑。調(diào)節(jié)Al和Ti的量來(lái)研究形成共晶體γ′的添加劑對(duì)CMSX-4接合的化學(xué)性能和組織的影響。Ni-Flex箔材是一系列可從MaterialsDevelopmentCorporationofMedfold，MA買到的商品箔材。盡管這些箔材的組成看來(lái)與CMSX-4的組成明顯不同，但用如下面所述的這些箔材其中幾種生產(chǎn)出一些極好的接合。選定接合溫度位于箔材熔點(diǎn)和母體材料的熔點(diǎn)之間。因?yàn)槊考?％重量的B使鎳合金的熔點(diǎn)降低約100-150°F，所以加1-3％重量的硼將使單晶合金的熔點(diǎn)從超過(guò)2400°F降到2000-2300°F范圍內(nèi)?？刂婆c硼含量有關(guān)的接合溫度，決定接合區(qū)的寬度、在溶解時(shí)發(fā)生的元素混合，及再固化時(shí)發(fā)生的偏析。較高的接合溫度可供熔化的箔材快速潤(rùn)濕接合表面、良好的接合池混合、及加速硼的固態(tài)擴(kuò)散用，以便增加再固化過(guò)程的速率。較高的接合溫度還能使用硼含量減少的箔材，因而避免了在固化過(guò)程期間需要廣泛的固態(tài)擴(kuò)散及硼化物微粒的潛在形成。2250°F下接合4小時(shí)的循環(huán)適合于接合箔材，因?yàn)榇藴囟犬a(chǎn)生受控制的接合區(qū)域，并且似乎不產(chǎn)生任何有害的γ′的生長(zhǎng)。由于母體合金和箔材大的合金元素量，所以箔材的金屬元素組成對(duì)降低母體合金熔點(diǎn)沒(méi)有顯著影響。然而，它對(duì)再固化的接合區(qū)化學(xué)組成和顯微組織有顯著影響，該顯微組織是熱處理時(shí)在接合區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的。固化之后在接合區(qū)內(nèi)各元素的化學(xué)偏析，受接合區(qū)尺寸和接合過(guò)程第一階段期間母體金屬溶解程度控制。它也受母體材料的狀態(tài)，亦即偏析化或均勻化的影響。這個(gè)問(wèn)題在鑄態(tài)CMSX-4與含硼量高的箔材接合時(shí)就顯露出來(lái)，在該箔材中，由于偏析鑄件中富γ′的枝晶間區(qū)域的優(yōu)先溶解，所以在接合線處形成γ′共晶物。然后共晶物質(zhì)再沉積在該接頭線處。如果使用高硼箔材，則這個(gè)問(wèn)題可通過(guò)使用均勻化、溶液處理過(guò)的CMSX-4減輕或避免。在這種情況下，均勻化過(guò)的組織均勻地熔化，以便產(chǎn)生一個(gè)熔池，該熔池含較少形成γ′共晶體的元素。因此，再固化的接合區(qū)不顯示有害的γ′共晶體。接合后的熱處理不僅在接合區(qū)上，而且在母體金屬的其余部分中，都應(yīng)產(chǎn)生最佳的化學(xué)性能和組織。這種熱處理循環(huán)應(yīng)使鑄造和再固化后得到的偏析組織均勻化，并且還造成最佳形狀強(qiáng)化γ′沉淀物的沉淀和生長(zhǎng)。常用的對(duì)CMSX-4所推薦的溶解和熱處理循環(huán)可以充分滿足達(dá)到這一目的。溶液處理是一種等同于表2中那種類型的緩變式熱處理。通過(guò)在此循環(huán)期間緩慢增加溫度，借助讓固態(tài)相互擴(kuò)散提高局部熔化溫度，基本上避免了初熔化。這個(gè)過(guò)程在均化鑄態(tài)單晶時(shí)是有效的，并且在均化再固化的接合區(qū)時(shí)也是有效的。而且，它在增加硼穿過(guò)單晶分散，來(lái)防止富硼接合區(qū)熔化方面也是有效的。例如，緩慢的溫度緩變有助于避免潛在的問(wèn)題，即在2250°F下4小時(shí)后所展開(kāi)的接合區(qū)具有一個(gè)熔點(diǎn)，該熔點(diǎn)低于母體材料CMSX-4的峰值溶液處理溫度2408°F。因?yàn)樵?250°F下4小時(shí)將有助于均化偏析的單晶，并且硼的擴(kuò)散比合金金屬元素?cái)U(kuò)散更快，所以有可能縮短這種循環(huán)。表2CMSX-4緩變式溶液熱處理循環(huán)<tablesid="table2"num="002"><table>時(shí)間(min)溫度(℃)溫度(°F)02373601027188080102718801101235225514012352255170126023001851260230021512772330335127723303651288235048512882350500129623656801296236569513042380875130423808901313239511301313239518小時(shí)50分總循環(huán)時(shí)間</table></tables>在溶液熱處理之后，最好是應(yīng)用沉淀熱處理程序，以便產(chǎn)生最佳形式的強(qiáng)化γ′沉淀物。可以用2084°F處理4小時(shí)和1650°F處理24小時(shí)，來(lái)產(chǎn)生約0．5μm立方形初次γ′沉淀物，及球形二次和三次γ′沉淀物在立方體之間的矩陣通道中的分散作用。通過(guò)應(yīng)用這些已研究出用于處理母體單晶合金的熱處理，最適合除了接合區(qū)之外，對(duì)接合部件的未接合部分中顯微組織進(jìn)行熱處理。用于接合CMSX-4單晶的一些優(yōu)選條件是使用含1．3％重量B的箔材，于2250°F下接合4小時(shí)，隨后用緩變熱處理至2408°F，進(jìn)行溶液熱處理，保溫4-6小時(shí)，冷至室溫，接著于2084°F下沉淀熱處理4小時(shí)，及于1650°F下沉淀熱處理24小時(shí)。這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生優(yōu)選的組織?？梢詰?yīng)用這個(gè)過(guò)程的另外改變來(lái)產(chǎn)生合適的顯微組織。表3示出如何可以處理與表1中相同的箔材，來(lái)產(chǎn)生均勻的接合組織。此表還標(biāo)出在處理期間所形成的某些關(guān)鍵性顯微組織特點(diǎn)。表3在接合處理和熱處理程序期間CMSX-4瞬態(tài)液相接合的組織按照本發(fā)明的實(shí)施例，可以將包括多晶鎳基超級(jí)合金的蒙皮結(jié)合到包括單晶鎳基超級(jí)合金的基底上。可以用箔材或糊狀接合介質(zhì)及熱循環(huán)使多晶和單晶鎳基超級(jí)合金相互結(jié)合，由所用的那些熱循環(huán)適合于將各個(gè)合金接合到它們自身上?？梢越Y(jié)合的是那些合金，對(duì)這些合金，單晶和多晶合金都顯示出組成完全相同，亦即它們減少了同樣量的γ′，并且在兩種合金中γ和γ′相的化學(xué)組成也相同。最好是用硼作熔點(diǎn)抑制劑，并使箔材的合金元素適合匹配母體合金組成，通過(guò)瞬時(shí)液相接合法或類似方法，來(lái)完成合金的接合。該接合熱循環(huán)與母體材料瞬時(shí)液相接合到它們自身所用的接合熱循環(huán)相同。它在足以熔化接合箔材及單晶和多晶材料局部區(qū)域的溫度下發(fā)生。熱循環(huán)具有足夠的持續(xù)時(shí)間，以保證在固化之后，固態(tài)硼擴(kuò)散足以使局部的材料熔化溫度提高到預(yù)期該材料容易經(jīng)受的溫度之上。采用高質(zhì)量的接合方法如瞬時(shí)液相接合法的目的，通常是在大部分金屬區(qū)段中存在的接合區(qū)內(nèi)，產(chǎn)生等同的化學(xué)性能和顯微組織。這一目的一般是通過(guò)使接合箔材的化學(xué)成分與母體金屬的化學(xué)成分匹配，同時(shí)考慮到在溶解和再固化期間會(huì)發(fā)生的優(yōu)先偏析來(lái)達(dá)到的。與母體金屬相比，在接合箔材中，應(yīng)當(dāng)減少象Ti和Al這些元素，因?yàn)檫@些元素在固化之后往往會(huì)偏析到接合線的中央。因?yàn)槎嗑Ш蛦尉Ш辖鹨话憔哂胁煌幕瘜W(xué)組成，所以接合箔材的組成同等匹配到單晶-多晶結(jié)合面的每一側(cè)上是不可能的。然而，因?yàn)槠渲杏袔捉M合金具有相同的組成和γ′體積分?jǐn)?shù)，所以可以選擇同樣的多晶和單晶合金組成接合，并可以使它們的組成與一種接合箔材匹配，利用該接合箔材來(lái)接合其中任一個(gè)合金。在化學(xué)成分上非常接近能有效地進(jìn)行瞬時(shí)液相接合的合金包括CMSX-4和CM247；CMSX-4和CM186；PWA1480和MarM247；及SC-16和IN738。這些合金含有相同的化學(xué)成份。也可以如此選擇一些合金對(duì)，以便在瞬時(shí)液相接合期間，化學(xué)成分混合不足以形成有害的沉淀，比如，可以與過(guò)量Re、Cr等形成的影響穩(wěn)定性的拓?fù)涿芘畔?TCP)。這些合金對(duì)具有很好的化學(xué)成分匹配，因此在整個(gè)接合區(qū)內(nèi)具有極優(yōu)良的性能。使用很少充分匹配的材料，可能在接合區(qū)內(nèi)產(chǎn)生有害的相及伴隨的性能降低。接合介質(zhì)可以是供單晶接合使用的那些介質(zhì)。對(duì)CMSX-4與CM247接合的情況，可以用含1．3％重量B的Ni-Flex110作為熔點(diǎn)抑制劑、于2250°F下接合，2250°F是推薦用于單晶合金的接合溫度。CMSX-4和CM247二者的接合溫度差只有約50°F，而通過(guò)加硼所產(chǎn)生的熔點(diǎn)降低是每1％重量B約100°F。因此，如果單晶和多晶材料的接合點(diǎn)十分接近，則它們一般可采用高熔點(diǎn)單晶材料的接合法來(lái)提供。放寬工作效率所允許的方法參數(shù)，可能受到增加箔材中硼含量和將接合溫度調(diào)到接近多晶材料的溫度影響。接合箔材的化學(xué)成分受前述組成要求，亦即與母體金屬相同、減少Al，沒(méi)有Ti等的限制。這種相似的一個(gè)例外情況是在多晶合金中必須含有價(jià)格高的元素如錸。這是一種商業(yè)要求，因?yàn)槎嗑Ш辖鸷苌俸蠷e，并且第三代單晶依靠添加Re用于它們優(yōu)越的高溫強(qiáng)度。結(jié)合兩種材料的優(yōu)點(diǎn)是取消了結(jié)構(gòu)蒙皮中錸的成本。因?yàn)殄n偏析到基體中，并且由于它的緩慢擴(kuò)散而使γ′穩(wěn)定，所以從接合面中取消Re不應(yīng)削弱性能。表4示出幾種單晶和多晶合金的組成。由表4可以看出，其中幾組單晶合金在組成上接近某些多晶合金。例如，CMSX-4和CM247在化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)上非常接近于能用瞬時(shí)液相接合法產(chǎn)生良好的接合。這是由于在這些合金中有影響的差別是錸的含量，錸在固態(tài)和液態(tài)中不容易擴(kuò)散。而且，錸跨過(guò)接合區(qū)的梯度提供一種對(duì)接合面性能無(wú)害的組織和性質(zhì)上的逐漸轉(zhuǎn)變。由于錸的價(jià)格昂貴，所以，理想的情況是將含錸的單晶結(jié)合到不含錸的多晶合金上。表4單晶和多晶鎳基超級(jí)合金(重量％)<tablesid="table3"num="004"><table>合金NiCrCoAlTiNbMoTaWReHfZrBC體積％γ′CMSX-4余量6．69．65．51．0…0．6656．430．9………62PWA1484余量5105．61……8．7630．1………64PWAl480余量10551．5……124……………63SC-16余量16…3．53．5…33．5………………41CMSX-11余量12．573．44．20．10555…0．04………-45CM247余量8．19．25．60．7…0．53．29．5…1．40．0150．0150．0762MarM002余量9104．71．71……12．5……………57MarM002余量910521……12．5…1．80．060．020．1458MarM246余量9105．51．5…2．51．510……0．060．0160．1565CMl86余量……………………………………IN792余量12．494．54．5…1．83．93．9…10．020．0150．0845IN738余量168．53．43．40．91．751．752．6……0．10．010．1137</table></tables>表5接合箔材的化學(xué)成分(重量％)<tablesid="table4"num="005"><table>箔材類型NiCrCoWTaMoFeHfAlTiBCSiNi-Flex110(1．3B)余量10．05．04．04．0………2．0…1．3……Ni-flex110(1．7B)余量10．05．04．04．0………2．0…1．7……Ni-Flex110(2．5B)余量10．05．04．04．0………2．0…2．5……Ni-Flex115(3．0B)余量9．08．04．04．0……1．02．0…3．0……Ni-Flex120(1．7B)余量10．05．05．03．0…………1．01．5……Ni-Flex120(1．9B)余量10．05．05．03．0…………1．01．7……Ni-Flex121(2．4B)余量10．010．05．0………………2．4……Ni-Flex121(3．0B)余量10．010．05．0………………3．0……MBF20／20A余量7．0…………3．0………3．20．064．5MBF80／80A余量15．2……………………4．00．06…</table></tables>表5示出能用來(lái)接合單晶和多晶合金的示范性接合合金。通過(guò)用Ni-Flex型合金接合，可以得到富鋁單晶的充分合金匹配。這些箔材也可用來(lái)接合這種類型(CM247、MarM247、MarM002)的多晶合金。因此，這些接合箔材可用來(lái)將CMSX-4型單晶合金接合到同類多晶合金如CM247上。相反，為了將富鉻材料如單晶SC-16接合到IN738多晶合金上，可以優(yōu)選一種箔材如MFB80／80A。作為將單晶合金接合到多晶合金上的一個(gè)例子，如前所述，可以將單晶CMSX-4接合到多晶CM247合金上。所用的接合方法是將表面機(jī)械拋光到0．05微米光潔度；Ni-Flex1101．3B箔材；2250°F接合溫度；及4小時(shí)接合時(shí)間。鑒于上述本發(fā)明的特定實(shí)施例用于舉例說(shuō)明的目的，很顯然，不脫離如所附權(quán)利要求中所述的本發(fā)明，該技術(shù)的專業(yè)人員可以對(duì)本發(fā)明的細(xì)節(jié)進(jìn)行許多改變。權(quán)利要求1．制造渦輪機(jī)部件的方法，包括提供一種超級(jí)合金基底，該基底包括許多個(gè)在其表面上的延伸部分；將一種薄的蒙皮加到至少一部分基底上；將薄的蒙皮接合到基底的延伸部分上。2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于各延伸部分從超級(jí)合金基底表面延伸約0．25-6．25mm。3．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于各延伸部分從超級(jí)合金基底表面延伸約0．5-1．25mm。4．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于各延伸部分從超級(jí)合金基底上整體形成。5．如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于各延伸部分鑄成超級(jí)合金基底的部件。6．如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于各延伸部分從超級(jí)合金基底上機(jī)加工而成。7．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于各延伸部分包括基本上是圓柱形銷。8．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于超級(jí)合金基底包括一種鎳基超級(jí)合金。9．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于超級(jí)合金包括一種單晶鎳基合金。10．如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于單晶鎳基超級(jí)合金重量計(jì)包括約6．6％Cr、約9．6％Co、約5．5％Al、約1％Ti、約0．6％Mo、約6．5％Ta、約6．4％W、約3％Re、約0．9％Hf，及余量為Ni。11．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于薄的蒙皮具有厚度約0．13-2．5mm。12．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于薄的蒙皮具有厚度約0．25-1．25mm。13．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于薄的蒙皮包括一種單晶鎳基超級(jí)合金。14．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于薄的蒙皮包括一種多晶鎳基或鐵基超級(jí)合金。15．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于薄的蒙皮包括一種直接固化或直接再結(jié)晶的鎳基或鐵基超級(jí)合金。16．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于薄的蒙皮包括一種NiCrAly或CoNiCrAlY合金。17．如權(quán)利要求1所述的方法，還包括利用瞬時(shí)液相接合法將薄的蒙皮接合到基底上。18．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于超級(jí)合金基底包括一個(gè)渦輪葉片翼面的翼梁。19．渦輪機(jī)部件，包括一個(gè)超級(jí)合金基底；一個(gè)接合到超級(jí)合金基底上的薄的蒙皮；至少一個(gè)冷卻通道，該冷卻通道位于超級(jí)合金基底和薄的蒙皮之間。20．如權(quán)利要求19所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于超級(jí)合金基底包括許多個(gè)在其表面上的延伸部分，而薄的蒙皮接合到基底的各延伸部分上。21．如權(quán)利要求20所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于各延伸部分從超級(jí)合金基底的表面延伸約0．25-6．25mm。22．如權(quán)利要求20所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于各延伸部分從超級(jí)合金基底的表面延伸約0．5-1．25mm。23．如權(quán)利要求20所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于各延伸部分從超級(jí)合金基底上整體式形成。24．如權(quán)利要求23所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于各延伸部分是超級(jí)合金基底的鑄態(tài)部件。25．如權(quán)利要求23所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于各延伸部分是從超級(jí)合金基底上機(jī)加工而成。26．如權(quán)利要求20所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于各延伸部分包括一些基本上是圓柱形銷。27．如權(quán)利要求19所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于基底包括一種鎳基超級(jí)合金。28．如權(quán)利要求19所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于基底包括一種單晶鎳基超級(jí)合金。29．如權(quán)利要求28所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于單晶鎳基超級(jí)合金重量計(jì)包括約6．6％Cr、約9．6％Co、約5．5％Al、約1％Ti、約0．6％Mo、約6．5％Ta、約6．4％W、約3％Re、約0．9％Hf、及余量為Ni。30．如權(quán)利要求19所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于薄的蒙皮具有厚度約0．13-2．5mm。31．如權(quán)利要求19所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于薄的蒙皮具有厚度約0．25-1．25mm。32．如權(quán)利要求19所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于薄的蒙皮包括一種單晶鎳基超級(jí)合金。33．如權(quán)利要求19所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于薄的蒙皮包括一種多晶鎳基超級(jí)合金。34．如權(quán)利要求19所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于薄的蒙皮包括直接固化或直接再結(jié)晶的鎳基或鐵基超級(jí)合金。35．如權(quán)利要求19所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于薄的蒙皮包括一種NiCrAly或CoNiCrAlY合金。36．如權(quán)利要求19所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于至少一個(gè)冷卻通道具有厚度約0．25-6．25mm。37．如權(quán)利要求19所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于至少一個(gè)冷卻通道具有厚度約0．5-1．25mm。38．如權(quán)利要求19所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于超級(jí)合金基底包括一個(gè)渦輪葉片翼面的翼梁。全文摘要高效、薄壁式渦輪機(jī)部件(10)包括一個(gè)超級(jí)合金基座(12),該基底(12)被一薄的蒙皮(14)覆蓋。薄的蒙皮(14)可以通過(guò)瞬時(shí)液相接合法接合到渦輪機(jī)葉片翼面的內(nèi)部翼梁結(jié)構(gòu)上。內(nèi)部翼梁最好是包括一種鑄造單晶鎳基超級(jí)合金。薄的蒙皮可以包括一種單晶或多晶鎳基超級(jí)合金。文檔編號(hào)B23P15/02GK1280648SQ9881065公開(kāi)日2001年1月17日申請(qǐng)日期1998年10月27日優(yōu)先權(quán)日1997年10月27日發(fā)明者邁克爾·A·伯克,波拉·D·弗雷耶,默漢·A·赫巴爾,布里杰·B·塞思,加里·W·斯沃茨貝克,托馬斯·瓦爾特·扎加爾申請(qǐng)人:西門子西屋動(dòng)力公司