專利名稱：鎳基超耐熱合金的準(zhǔn)等溫鍛造的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎳基超耐熱合金的鍛造，更具體地說，涉及在空氣中進(jìn)行的這種鍛造。
背景技術(shù)：
鎳基超耐熱合金用于具有最苛刻性能要求并經(jīng)歷最嚴(yán)酷環(huán)境條件的飛行器燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的部件中?？设T鎳基超耐熱合金例如用作渦輪葉片或渦輪導(dǎo)向器葉片?？慑戞嚮蜔岷辖鹄缬米鬓D(zhuǎn)子盤和轉(zhuǎn)子軸。本發(fā)明涉及可鍛鎳基超耐熱合金。
可鍛鎳基超耐熱合金最初是以由熔融金屬鑄造而成的鑄造-固結(jié)坯料或者是由粉末固結(jié)而成的固結(jié)粉末坯料的形式來提供的。由于固結(jié)粉末坯料具有均勻且控制得很好的初始結(jié)構(gòu)和較細(xì)的粒度，因此對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用均優(yōu)選粉末固結(jié)坯料作為原材料。無論在何種情況下，在金屬加工過程如鍛造或擠壓的一系列工序中，坯料的尺寸減小，之后進(jìn)行機(jī)加工。在最簡(jiǎn)單的鍛造形式中，坯料被置于鍛壓機(jī)中的兩個(gè)鍛模之間。通過鍛壓機(jī)將鍛模壓在一起，以使坯料的厚度減小。
鍛造條件的選擇取決于幾項(xiàng)因素，包括鎳基超耐熱合金的性質(zhì)和冶金特性以及鍛模的性質(zhì)。鍛模必須具有足夠的強(qiáng)度以使被鍛造的材料產(chǎn)生變形，而且在完成鍛造和熱處理操作之后，鍛造后的超耐熱合金必須具有所需的性質(zhì)。
目前，鎳基超耐熱合金如ReneTM95是在約1900°F-2000°F或更高的溫度下使用TZM鉬模來等溫鍛造的。被鍛造的超耐熱合金與鍛模材料相結(jié)合，從而允許進(jìn)行鍛造，而且超耐熱合金在鍛造和熱處理完成之后具有所需的性質(zhì)。然而，溫度、被鍛造的超耐熱合金和鍛模材料的這一組合要求鍛造過程在真空或惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行。真空或惰性氣體環(huán)境的要求顯著地增加了鍛造工藝的復(fù)雜性和成本。
需要一種鍛造鎳基超耐熱合金的改進(jìn)方法，其可實(shí)現(xiàn)所需的性質(zhì)并降低鍛造的成本。本發(fā)明可滿足這一需求，還提供了相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于鍛造鎳基超耐熱合金如ReneTM95的方法。該方法允許鍛造過程在空氣中進(jìn)行，結(jié)果能夠顯著地節(jié)約成本。該鍛造還相對(duì)較快速，因而降低了成本。最終的微觀結(jié)構(gòu)具有所需的晶粒結(jié)構(gòu)，而且在大多數(shù)情況下不需要進(jìn)行超溶線(supersolvus)的最終退火，從而不會(huì)涉及臨界晶粒長(zhǎng)大(CGG)。
鍛造超耐熱合金的方法包括步驟提供可鍛鎳基超耐熱合金的鍛造毛坯，以及提供具有由模具用鎳基超耐熱合金制成的鍛模的鍛壓機(jī)。將鍛造毛坯加熱到約1850°F到約1950°F(最好為約1900°F)的鍛造毛坯起始溫度，并且將鍛模加熱到約1500°F到約1750°F(最好為約1700°F)的鍛模起始溫度。將鍛造毛坯放入鍛壓機(jī)中并處于鍛模之間，并在鍛造毛坯起始溫度下采用處于鍛模起始溫度的鍛模來進(jìn)行鍛造，從而產(chǎn)生出鍛件，例如燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件的前身。這種部件的例子包括轉(zhuǎn)子盤和轉(zhuǎn)子軸。加熱步驟和鍛造步驟均最好在空氣中進(jìn)行。這種鍛造最好以相對(duì)較高的應(yīng)變速率來進(jìn)行，至少且優(yōu)選超過約0.02/秒的速率。
鍛造毛坯優(yōu)選由ReneTM95合金制成，其具有重量百分比為約8％的鈷、約14％的鉻、約3.3％的鉬、約3.5％的鎢、約3.5％的鋁、約2.5％的鈦、約3.5％的鈮、約0.05％的鋯、約0.07％的碳、約0.01％的硼的公稱成分，余量為鎳和微量元素。鍛造毛坯可以固結(jié)粉末或鑄造-鍛造的材料來提供。
鍛模可由任何可用的鑄模用鎳基合金如鎳基超耐熱合金制成，但最好具有重量百分比為約5到約7％的鋁、約8到約15％的鉬、約5到約15％的鎢、最高可達(dá)約百萬分之140份的鎂(最好為約百萬分之140份的鎂)的公稱成分，不含有稀土元素，余量為鎳和雜質(zhì)。
在鍛造步驟后不需要對(duì)鍛件進(jìn)行超溶線退火。
通過本方法可將可鍛鎳基超耐熱合金鍛造成具有與準(zhǔn)等溫鍛件基本上相同的細(xì)晶粒和均勻微觀結(jié)構(gòu)的鍛件，不存在任何臨界晶粒長(zhǎng)大。鍛造可以快速地完成，并且鍛模處于比鍛造毛坯低得多的溫度下。
通過參考附圖并從對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的下述詳細(xì)介紹中可以清楚本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖通過示例顯示了本發(fā)明的原理。然而本發(fā)明的范圍并不局限于此優(yōu)選實(shí)施例。


圖1是用于實(shí)施本發(fā)明方法的流程圖；圖2是鍛壓機(jī)和被鍛造的工件的示意性正視圖；和圖3是鍛件的示意性透視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1顯示了用于實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選方法。在步驟20中提供鍛造毛坯。鍛造毛坯由可鍛鎳基合金、最好是可鍛鎳基超耐熱合金制成。在本文中，合金在其具有比任何其它元素更多的鎳元素時(shí)稱為鎳基合金，而在其被γ’相或相關(guān)相的沉淀作用強(qiáng)化時(shí)稱為鎳基超耐熱合金?？梢允褂萌魏慰捎玫目慑戞嚮辖?。用作鍛造毛坯的特別令人關(guān)注的鎳基超耐熱合金為ReneTM95合金，其具有重量百分比為約8％的鈷、約14％的鉻、約3.3％的鉬、約3.5％的鎢、約3.5％的鋁、約2.5％的鈦、約3.5％的鈮、約0.05％的鋯、約0.07％的碳、約0.01％的硼的公稱成分，余量為鎳和微量元素。
鎳基超耐熱合金可以任何可行的形式來供應(yīng)，例如鑄造-鍛造的坯料或固結(jié)粉末坯料。優(yōu)選固結(jié)粉末坯料。這些坯料是通過擠壓或其它可行的工藝將所選超耐熱合金的粉末固結(jié)起來而制成的。固結(jié)粉末坯料比鑄造-鍛造的坯料更佳，這是因?yàn)槠渚哂懈?xì)更均勻的微觀結(jié)構(gòu)，因而優(yōu)選固結(jié)粉末坯料以實(shí)現(xiàn)良好的化學(xué)均勻性、良好的鍛造均質(zhì)性，并減少了裂紋起始部位。
鍛造毛坯具有一定的尺寸和形狀，其選擇成使得鍛件在鍛造后具有所需的尺寸和形狀。在本領(lǐng)域中已經(jīng)知道用于選擇起始鍛造毛坯的尺寸和形狀以生產(chǎn)出所需的最終尺寸和形狀的工藝。
在步驟22中提供鍛壓機(jī)和鍛模?？梢允褂萌魏慰捎玫腻憠簷C(jī)，圖2示意性地顯示了基本的鍛壓機(jī)40。該鍛壓機(jī)40具有固定的下模板42、固定的上模板44，以及從下模板42上支撐上模板44的固定立柱46。可動(dòng)上模板48在立柱46上滑動(dòng)，并由上模板44上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)50上下驅(qū)動(dòng)。下鍛模52是固定的并位于下模板42上。上鍛模54是可動(dòng)的并固定在上模板48上，因而可隨上模板48上下移動(dòng)。鍛造毛坯56定位在上鍛模54和下鍛模52之間。如果需要的話，可在鍛模52和54周圍設(shè)置加熱器57，在這里其顯示為感應(yīng)加熱線圈，以幫助在鍛造沖程中將鍛模保持在所需的鍛模溫度范圍內(nèi)。在鍛造沖程中允許鍛模52和54存在溫度差異，但鍛模52和54通常保持在指定的鍛模溫度范圍內(nèi)。
鍛造毛坯56處于上鍛模54和下鍛模52之間，并通過上鍛模54的向下運(yùn)動(dòng)而在公稱應(yīng)變速率下受壓變形。上鍛模54和下鍛模52可以是平板，或者它們可具有圖案以使最終鍛件具有壓印在其上的圖案。圖3是采用帶圖案的鍛模所產(chǎn)生的具有圖案面60的代表性鍛件58。
鍛模52和54由模具用鎳基超耐熱合金制成，其中在鍛造操作的過程中，在其各自的溫度和公稱應(yīng)變速率下，模具用鎳基超耐熱合金具有不小于可鍛鎳基超耐熱合金的流動(dòng)應(yīng)力的蠕變強(qiáng)度。可使用任何可行的鎳基超耐熱合金作為模具用鎳基超耐熱合金。鍛模52和54優(yōu)選制成具有重量百分比為約5到約7％的鋁、約8到約15％的鉬、約5到約15％的鎢，最高可達(dá)約百萬分之140份的鎂(最好為約百萬分之140份的鎂)的公稱成分，不含有稀土元素，余量為鎳和雜質(zhì)。
在步驟24中將鍛造毛坯56加熱到鍛造毛坯起始溫度，其為約1850°F到約1950°F，最好為約1900°F。由于鍛造毛坯在更低的溫度下存在過高的流動(dòng)應(yīng)力，因此鍛造毛坯起始溫度不可低于約1850°F。由于無法達(dá)到鍛件的所需最終微觀結(jié)構(gòu)，因此鍛造毛坯起始溫度不可高于約1950°F。加熱步驟24最好在爐內(nèi)的空氣中進(jìn)行。
在步驟26中將鍛模52和54加熱到鍛模起始溫度，其為約1500°F到約1750°F，最好為約1700°F。鍛模起始溫度不可低于約1500°F，這是因?yàn)殄懩?2和54與鍛造毛坯56在隨后工序中的接觸將導(dǎo)致鍛造毛坯56在其表面處形成裂紋。鍛模起始溫度不可高于約1750°F，這是因?yàn)樵诟叩臏囟认?，鍛模的材料?huì)喪失其強(qiáng)度，以至其不能再能夠進(jìn)行操作以完成鍛造。加熱步驟26最好通過對(duì)處于鍛壓機(jī)40中的鍛模52和54進(jìn)行感應(yīng)加熱而在空氣中進(jìn)行。
在步驟28中，將鍛造毛坯以圖2所示的方式置于鍛模52和54之間。
在步驟30中采用鍛模52和54來對(duì)鍛造毛坯進(jìn)行鍛造。該鍛造工序30最好在空氣中進(jìn)行。鍛造的公稱應(yīng)變速率最好大于約0.02/秒。希望鍛造的公稱應(yīng)變速率可達(dá)到這樣高的值以獲得最佳的晶粒結(jié)構(gòu)。“公稱”應(yīng)變速率由上模板48運(yùn)動(dòng)的整體速度來確定，并歸一化成在平行于上模板48的運(yùn)動(dòng)方向所測(cè)得的毛坯56的高度。在鍛造的局部過程中，實(shí)際應(yīng)變速率可以更高或更低一些。
在鍛造步驟30開始時(shí)，鍛造毛坯處于鍛造毛坯起始溫度，而鍛模52和54處于鍛模起始溫度。在它們接觸的位置處，鍛造毛坯趨于輕微地變冷而鍛模趨于輕微地變熱，而在其它位置，隨著它們將熱量傳遞到周圍的環(huán)境空氣中，鍛造毛坯和鍛模都趨于變冷。然而，在鍛造步驟30期間的溫度變化不是很大，這是因?yàn)殄懺爝M(jìn)行得很快。作為選擇，可以對(duì)鍛模52和54加熱，但希望用加熱器57對(duì)其加熱，以保證它們?cè)谡麄€(gè)鍛造步驟30期間處于鍛模起始溫度的范圍內(nèi)。
鍛造步驟30不是等溫的，這是因?yàn)殄懺烀?6處于一個(gè)溫度范圍內(nèi)，而鍛模52和54處于另一溫度范圍內(nèi)。它通常也不處于恒定的應(yīng)變速率下。在進(jìn)行鍛造步驟30中，鍛壓機(jī)在上模板48的盡可能高的運(yùn)動(dòng)速度下操作，不會(huì)使鍛模52和54上的負(fù)載增大到超過其所允許的蠕變水平，超過其所允許的蠕變水平將導(dǎo)致鍛模產(chǎn)生永久性變形。
加熱步驟24和26以及鍛造工序30最好在空氣中進(jìn)行。與用于鍛造鎳基超耐熱合金的現(xiàn)有技術(shù)工藝所要求的在真空或惰性氣體中進(jìn)行鍛造相比，在空氣中進(jìn)行的鍛造顯著地降低了鍛造操作的成本。對(duì)鍛造操作過程中的鍛模材料和溫度范圍以及鍛造的溫度范圍的精心選擇保證了可在鍛件中得到所需的結(jié)構(gòu)，而且鍛造可在空氣中進(jìn)行，不會(huì)因過度氧化而損壞鍛模52和54或鍛造毛坯56。
在完成工序30的鍛造操作之后，將鍛件58從鍛壓機(jī)40中取出。鍛件58可在這樣鍛造出的狀態(tài)下使用，或者其可在步驟32中進(jìn)行后處理。在優(yōu)選情況下，ReneTM95合金的鍛件不需要在高于γ’溶線溫度的溫度下退火。相反，鍛件可在低于γ’溶線溫度的退火溫度下退火，例如對(duì)ReneTM95合金來說為約2030°F。其它類型的后處理32例如包括清潔處理、其它類型的熱處理、額外的金屬加工、機(jī)加工，等等。
雖然出于介紹的目的已經(jīng)詳細(xì)介紹了本發(fā)明的特定實(shí)施例，然而在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下可對(duì)其進(jìn)行各種變更和改進(jìn)。因此，本發(fā)明只受到所附權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.一種用于鍛造超耐熱合金的方法，包括步驟提供可鍛鎳基超耐熱合金的鍛造毛坯(56)；提供具有鍛模(52，54)的鍛壓機(jī)(40)，所述鍛模由模具用鎳基合金制成；將所述鍛造毛坯(56)加熱到約1850°F到約1950°F的鍛造毛坯起始溫度；將所述鍛模(52，54)加熱到約1500°F到約1750°F的鍛模起始溫度；將所述鍛造毛坯(56)放入到所述鍛壓機(jī)(40)內(nèi)并處于所述鍛模(52，54)之間；和在所述鍛造毛坯起始溫度下使用處于所述鍛模起始溫度的所述鍛模(52，54)來鍛造所述鍛造毛坯(56)，從而產(chǎn)生出鍛件(58)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供鍛造毛坯(56)的步驟包括步驟提供所述鍛造毛坯(56)，其具有重量百分比為約8％的鈷、約14％的鉻、約3.3％的鉬、約3.5％的鎢、約3.5％的鋁、約2.5％的鈦、約3.5％的鈮、約0.05％的鋯、約0.07％的碳、約0.01％的硼的公稱成分，余量為鎳和微量元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供鍛造毛坯(56)的步驟包括步驟以固結(jié)粉末的形式來提供所述鍛造毛坯(56)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供鍛壓機(jī)(40)的步驟包括步驟提供所述鍛模(52，54)，其具有重量百分比為約5到約7％的鋁、約8到約15％的鉬、約5到約15％的鎢、最高可達(dá)約百萬分之140份的鎂的公稱成分，不含有稀土元素，余量為鎳和雜質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述加熱鍛造毛坯(56)的步驟和所述加熱鍛模(52，54)的步驟包括步驟在空氣中加熱所述鍛造毛坯(56)和所述鍛模(52，54)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鍛造步驟包括步驟在空氣中鍛造所述鍛造毛坯(56)和所述鍛模(52，54)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述加熱鍛造毛坯(56)的步驟包括步驟將所述鍛造毛坯(56)加熱到約1900°F的所述鍛造毛坯起始溫度，以及，所述加熱鍛模(52，54)的步驟包括步驟將所述鍛模(52，54)加熱到約1700°F的所述鍛模起始溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鍛造步驟包括步驟在超過約0.02/秒的鍛造公稱應(yīng)變速率下鍛造所述鍛造毛坯(56)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在完成所述鍛造步驟后不對(duì)所述鍛件進(jìn)行超溶線退火。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鍛造步驟包括步驟將所述鍛造毛坯(56)鍛造成燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件的前身的鍛件。
11.一種用于鍛造超耐熱合金的方法，包括步驟提供鎳基合金固結(jié)粉末的鍛造毛坯(56)；提供具有鍛模(52，54)的鍛壓機(jī)(40)，所述鍛模(52，54)由模具用鎳基超耐熱合金制成；將所述鍛造毛坯(56)在空氣中加熱到約1850°F到約1950°F的鍛造毛坯起始溫度；將所述鍛模(52，54)在空氣中加熱到約1500°F到約1750°F的鍛模起始溫度；將所述鍛造毛坯(56)放入到所述鍛壓機(jī)(40)內(nèi)并處于所述鍛模(52，54)之間；和在所述鍛造毛坯起始溫度下使用處于所述鍛模起始溫度的所述鍛模(52，54)來在空氣中并以大于約0.02/秒的公稱應(yīng)變速率鍛造所述鍛造毛坯(56)，從而產(chǎn)生出燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件的前身的鍛件(58)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述提供鍛造毛坯(56)的步驟包括步驟提供所述鍛造毛坯(56)，其具有重量百分比為約8％的鈷、約14％的鉻、約3.3％的鉬、約3.5％的鎢、約3.5％的鋁、約2.5％的鈦、約3.5％的鈮、約0.05％的鋯、約0.07％的碳、約0.01％的硼的公稱成分，余量為鎳和微量元素。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述提供鍛壓機(jī)(40)的步驟包括步驟提供所述鍛模(52，54)，其具有重量百分比為約5到約7％的鋁、約8到約15％的鉬、約5到約15％的鎢、最高可達(dá)約百萬分之140份的鎂的公稱成分，不含有稀土元素，余量為鎳和雜質(zhì)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述加熱鍛造毛坯(56)的步驟包括步驟將所述鍛造毛坯(56)加熱到約1900°F的所述鍛造毛坯起始溫度，以及，所述加熱鍛模(52，54)的步驟包括步驟將所述鍛模(52，54)加熱到約1700°F的所述鍛模起始溫度。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在完成所述鍛造步驟之后不對(duì)所述鍛件進(jìn)行超溶線退火。
全文摘要
在具有鍛模(52，54)的鍛壓機(jī)(40)中鍛造可鍛鎳基超耐熱合金的鍛造毛坯(56)，鍛模(52，54)由模具用鎳基超耐熱合金制成。將鍛造毛坯(56)加熱到約1850°F到約1950°F的鍛造毛坯起始溫度，將鍛模(52，54)加熱到約1500°F到約1750°F的鍛模起始溫度，將鍛造毛坯(56)放入到鍛壓機(jī)(40)內(nèi)并位于鍛模(52，54)之間，并在鍛造毛坯起始溫度下使用處于鍛模起始溫度的鍛模(52，54)來鍛造該鍛造毛坯(56)，以便產(chǎn)生出鍛件(58)，從而完成鍛造。
文檔編號(hào)C22CGK1500577SQ20031010369
公開日2004年6月2日 申請(qǐng)日期2003年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月31日
發(fā)明者E·L·雷蒙, R·G·門茲斯, T·O·戴爾, B·A·林克, R·F·哈爾特, M·E·梅克利, F·M·維薩利, S·K·斯里瓦特薩, E L 雷蒙, 哈爾特, 戴爾, 斯里瓦特薩, 林克, 梅克利, 維薩利, 門茲斯 申請(qǐng)人:通用電氣公司