專利名稱：耐熱超級合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在航空發(fā)動機(jī)、發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)(gas turbine)等的耐熱部件、特別是渦輪圓盤(turbine disk)或渦輪葉片中使用的耐熱超級合金(heat-resistant superalloy)。
背景技術(shù)：
航空發(fā)動機(jī)、發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)等的耐熱部件、例如渦輪圓盤，是保持葉片運(yùn)動、高速旋轉(zhuǎn)的零件，其材料需要耐受非常大的離心應(yīng)力、而且疲勞強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、破壞韌性優(yōu)異。另一方面，伴隨著燃料費(fèi)(fuel consumption)和性能的提高，要求提高發(fā)動機(jī)氣體溫度和減輕渦輪圓盤的重量，材料需要有更高的耐熱性和強(qiáng)度。
通常，渦輪圓盤使用Ni基鍛造合金。例如，多使用Incone1718或者Waspaloy，所述Incone1718利用γ″(gamma double prime)相作為強(qiáng)化相，所述Waspaloy使比γ″相還穩(wěn)定的γ′(gamma prime)相析出25vol％左右、利用其作為強(qiáng)化相。
從高溫化的觀點(diǎn)考慮，從1986年開始引入了スペシヤル·メタルズ開發(fā)的Udimet720。Udimet720是使γ′相析出45vol％左右、而且為了γ相的固熔強(qiáng)化而添加了鎢的、特別是耐熱特性優(yōu)異的合金。但是，Udimet720的組織穩(wěn)定性差，在使用中形成有害的TCP(Topologicallyclose packed)相，因此開發(fā)了Udimit720Li(U720Li/U720LI)，所述Udimit720Li實(shí)施了使鉻量減少等的改進(jìn)。但是，即使在Udimit720Li中，仍然產(chǎn)生TCP相，長時(shí)間或者高溫下的使用受到限制。另外，有人指出，Udimit720以及720Li，因?yàn)槠洇谩涔滔嗑€溫度(solvus)和初期熔融溫度的差小，因此熱加工或者熱處理等的工藝窗口(process window)窄。因此，難以通過鑄造鍛造工藝制造均質(zhì)的渦輪圓盤，成為實(shí)際應(yīng)用上的問題。
要求高強(qiáng)度的高壓渦輪圓盤，有時(shí)候也使用以AF115、N18、Rene88DT等為代表的粉末冶金合金。粉末冶金合金，與含有大量的強(qiáng)化元素?zé)o關(guān)，具有可得到無偏析的均質(zhì)的圓盤的優(yōu)點(diǎn)。另一方面，為了防止夾雜物的混入，要求純度高的真空熔解、粉末分級時(shí)的篩目大小的均衡化等的高度的制造工序管理，存在成本增加的問題。
但是，對于以往的Ni基耐熱超級合金的化學(xué)組成，提出了數(shù)量眾多的改進(jìn)方案，但這些方案的任何一種都是含有鈷、鉻、鉬或者鉬和鎢、鋁、還有鈦?zhàn)鳛橹饕獦?gòu)成元素的同時(shí)，其具有代表性的是以鈮、鉭或者鈮和鉭作為必須成分。在該組成構(gòu)成中，鈮、鉭的含有，雖然適用于上述的粉末冶金，但成為難以進(jìn)行鑄造鍛造的主要原因。另外，鈷，雖然其含有比例比較高，例如在ロ一ルス·ロイス公司的特開平10-46278號公報(bào)中所述，但不能帶來特別具有意義的效果。另外，通常情況下，雖然有使γ′固相溫度下降和擴(kuò)大工藝窗口正面的效果，但在ジエネラル·エレクトリツク公司的EP1195446 A1中，沒有發(fā)現(xiàn)除此以外的效果，從和成本等的兼顧方面考慮，其含量限定在23重量％以下。
另一方面，因?yàn)殁伨哂袕?qiáng)化γ′相的作用，因此從發(fā)揮提高拉伸強(qiáng)度和龜裂傳播抑制的作用方面考慮，添加鈦。但是，鈦的過量添加，隨著提高γ′固相線的同時(shí)而生成有害相，得不到完善的γ′組織，從該觀點(diǎn)考慮，鈦的添加限制至最多5重量％左右。
因此，在現(xiàn)有技術(shù)中，難以提供可耐受長時(shí)間、高溫下的使用的、而且可鑄造鍛造的、制造性優(yōu)異的耐熱超級合金。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于以上的問題而做出的發(fā)明，目的是提供作為渦輪圓盤或者渦輪葉片用等有用的，長時(shí)間、高溫下的耐熱耐久特性優(yōu)異的，而且可鑄造鍛造，制造性也優(yōu)異的新型耐熱超級合金。
而且，本發(fā)明提供具有以上的穩(wěn)定的組織、達(dá)到高的高溫強(qiáng)度的耐熱超級合金。
即，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在渦輪圓盤或渦輪葉片用的耐熱超級合金中，通過在19.5質(zhì)量％-55質(zhì)量％的范圍內(nèi)積極地添加鈷，可抑制有害的TCP相、達(dá)到高的高溫強(qiáng)度。
另外發(fā)現(xiàn)，通過和鈷同時(shí)以規(guī)定的比例增加鈦，即使為高的合金濃度也能使γ/γ′的2相組織穩(wěn)定化，達(dá)到更高的高溫強(qiáng)度。而且，發(fā)明人通過適當(dāng)?shù)乜刂柒?、鈦等的主要?gòu)成元素的組成，實(shí)現(xiàn)制造性也優(yōu)異的耐熱超級合金。
進(jìn)而，發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，Co3Ti合金具有和耐熱超級合金的強(qiáng)化相即γ′相同樣的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，因此，Co+Co3Ti合金具有和耐熱超級合金同樣的γ+γ′2相組織，故具有γ+γ′2相組織的Co-Ti合金、即Co+Co3Ti合金添加到耐熱超級合金中，甚至在高合金濃度也可形成穩(wěn)定的合金組織。
本發(fā)明是根據(jù)該知識見解而完成的發(fā)明，特征如下1.一種耐熱超級合金，其組成，以質(zhì)量％計(jì)，含有19.5-55％的鈷、2％-25％的鉻、0.2％-7％的鋁、3％-15％的鈦、殘余的鎳和不可避免的雜質(zhì)。
2.如上述第1所述的耐熱超級合金，其中，鈦，以質(zhì)量％計(jì)，在5.5％-15％的范圍內(nèi)含有。
3.如上述第1所述的耐熱超級合金，其中，鈦，以質(zhì)量％計(jì)，在6.1％-15％的范圍內(nèi)含有。
4.如上述第1-3的任意一項(xiàng)所述的耐熱超級合金，其中，鋁，以質(zhì)量％計(jì)，在從0.2％至不到2.0％的范圍內(nèi)含有。
5.如上述第1-4的任意一項(xiàng)所述的耐熱超級合金，其中，以質(zhì)量％計(jì)，含有至多10％的鉬以及至多10％的鎢的至少任一種。
6.如上述第5所述的耐熱超級合金，其中，鉬，以質(zhì)量％計(jì)，在不到3％的范圍內(nèi)含有。
7.如上述第5所述的耐熱超級合金，其中，鎢，以質(zhì)量％計(jì)，在不到3％的范圍內(nèi)含有。
8.如上述第5-7的任意一項(xiàng)所述的耐熱超級合金，其特征在于，鈷，以質(zhì)量％計(jì)，在23.1％-55％的范圍內(nèi)含有。
9.如上述第1-8的任意一項(xiàng)所述的耐熱超級合金，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)，含有至多5％的鈮以及至多10％的鉭的至少任一種。
10.如上述第1-9的任意一項(xiàng)所述的耐熱超級合金，其特征在于，在其組成中，以質(zhì)量％計(jì)，含有至多2％的釩、至多5％的錸、至多2％的鉿、至多0.5％的鋯、至多5％的鐵、至多0.1％的鎂、至多0.5的碳以及至多0.1％的硼的至少任一種。
11.以質(zhì)量計(jì)，含有至多0.05％的鋯、至多0.05％的碳、至多0.05％的硼的耐熱超級合金。
12.一種耐熱超級合金，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)，含有20％-24％的鈷、12％-14.9％的鉻、0.8％-1.5％的鎢、2.5％-3.0％的鉬、0.01％-0.10％的鋯、6.1-6.5％的鈦、2.0％-3.0％的鋁、0.01％-0.05％的碳、0.01％-0.05％的硼、殘余的鎳和不可避免的雜質(zhì)。
13.一種耐熱超級合金，其特征在于，其是向上述第12的耐熱超級合金中添加Co+Co3Ti合金而獲得。
14.一種耐熱超級合金，其特征在于，其是向上述第12的耐熱超級合金中添加Co-20at％Ti合金而獲得。
15.如上述任意的耐熱超級合金，其中，鈦的重量％為0.17×(鈷的重量％-23)+3以上、0.17×(鈷的重量％-20)+7以下。
16.一種耐熱超級合金部件，其是使用上述第1-15的任意一項(xiàng)所述的耐熱超級合金，通過鑄造、鍛造、粉末冶金的1種或者多種方法而制造。


圖1是對本發(fā)明和以往的耐熱超級合金比較其微觀組織的顯微鏡照片。
圖2是表示對本發(fā)明和以往的耐熱超級合金以及不包含在本發(fā)明中的合金進(jìn)行壓縮試驗(yàn)得到的結(jié)果的圖。
圖3是表示本發(fā)明和以往的耐熱超級合金以及不包含在本發(fā)明中的合金的高溫強(qiáng)度的圖。
圖4是壓延材料的外觀照片。
圖5是例示壓延材料的拉伸試驗(yàn)結(jié)果的圖。
圖6是例示壓延材料的蠕變試驗(yàn)結(jié)果的圖。
圖7是表示實(shí)施例合金1的壓延材料的微組織的照片。
圖8是表示實(shí)施例合金3的壓延材料的微組織的照片。
圖9是表示電弧錠(arc ingot)材料的微觀組織的照片。
圖10是例示電弧錠材料的拉伸試驗(yàn)結(jié)果的圖。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明中，為了抑制TCP相、提高高溫強(qiáng)度，積極地添加19.5質(zhì)量％以上的量的鈷。由此，即使鈦的量在3質(zhì)量％-15質(zhì)量％的范圍內(nèi)也可實(shí)現(xiàn)高的高溫強(qiáng)度。另外，在和鈦復(fù)合添加的情況下，例如，以Co-Ti合金方式添加的情況下，通過鈷為19.5質(zhì)量％以上、鈦為6.1質(zhì)量％以上，可實(shí)現(xiàn)高的高溫強(qiáng)度。即使在含有鈷25質(zhì)量％以上、另外28質(zhì)量％以上、進(jìn)而至多55質(zhì)量％的合金中，也可得到同樣的效果。通過增加鈷的量，γ′固相溫度下降，工藝窗口變寬，還產(chǎn)生鍛造性提高的效果。但是，根據(jù)高溫壓縮試驗(yàn)結(jié)果，含有鈷為56質(zhì)量％以上的合金，其到750℃之前的強(qiáng)度比以往的合金的強(qiáng)度低，因此必須避免添加56質(zhì)量％以上的鈷。
因?yàn)殁亸?qiáng)化γ′、引起強(qiáng)度的提高，故有必要添加3質(zhì)量％以上。如上所述，在和鈷一起復(fù)合添加的情況下，相穩(wěn)定性更優(yōu)異、可實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度。含量為6.1質(zhì)量％以上、或者6.7質(zhì)量％以上、進(jìn)而7質(zhì)量％以上也同樣可得到優(yōu)異的效果。基本上，通過選擇具有γ+γ′2相組織的耐熱超級合金、添加Co+Co3Ti合金、例如Co-20at％Ti，即使高合金濃度也可獲得組織穩(wěn)定、強(qiáng)度高的合金。但是，如果鈦的含量超過15質(zhì)量％，有害相即η相的生成等變得顯著，因此其含量以15質(zhì)量％為上限。
為了強(qiáng)化γ相、提高高溫強(qiáng)度，添加鉬以及鎢。優(yōu)選在上述的規(guī)定范圍內(nèi)含有。如果超出規(guī)定含量的范圍，密度變大。即使鉬不到3質(zhì)量％、例如2.6質(zhì)量％以下、鎢不到3質(zhì)量％、例如1.5質(zhì)量％以下也是有效的。
為了耐環(huán)境性和疲勞龜裂傳播特性的改善，添加鉻。如果不到上述的規(guī)定范圍的含量，得不到希望的特性，如果超過規(guī)定含量的范圍，生成有害的TCP相。鉻的含量，優(yōu)選16.5質(zhì)量％以下。
鋁是形成γ′相的元素，在上述規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)整其含量以使γ′相為優(yōu)選的量。
為了得到延展性和韌性，添加上述規(guī)定范圍的含量的鋯、碳以及硼。如果超過規(guī)定范圍的含量，會使蠕變強(qiáng)度降低、或工藝窗口變窄等。
作為其它的元素，即鈮、鉭、錸、釩、鉿、鐵、鎂，根據(jù)和以往技術(shù)同樣的理由，使它們的含量在上述規(guī)定范圍內(nèi)。
另外，在本發(fā)明中，認(rèn)為鈦的質(zhì)量％在下式表示的范圍內(nèi)也是合適的。
0.17×(鈷的質(zhì)量％-23)+3以上0.17×(鈷的質(zhì)量％-20)+7以下。
因此，以下表示實(shí)施例、更詳細(xì)地進(jìn)行說明。當(dāng)然發(fā)明不受以下的實(shí)施例的限定。
<實(shí)施例1>
通過熔煉制作具有下表1表示的組成的合金A-L。在這些合金中，包含在本發(fā)明內(nèi)的合金為A-K，合金L是比較例、鈷的含量超出本發(fā)明的范圍。
表1

組成為重量％。
比較本發(fā)明的合金C和以往的U720Li合金的微觀組織。如圖1所示，在750℃下進(jìn)行240小時(shí)熱處理后的合金中，在U720Li合金中觀察到有害相即TCP相。另一方面，在本發(fā)明的合金C中，沒有觀察到TCP相，可確認(rèn)具有優(yōu)異的組織穩(wěn)定性。
使用本發(fā)明的合金A、C、E以及I和以往的U720Li合金、以及不包含在本發(fā)明中的合金L，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，比較其結(jié)果。結(jié)果如圖2和圖3所示。
如圖2所示，本發(fā)明的合金A、C、E以及I，在700℃-900℃的高溫強(qiáng)度比U720Li合金以及合金L優(yōu)異。特別是比U720Li合金優(yōu)異得多。本發(fā)明的合金A、C、E以及I，在渦輪圓盤的使用領(lǐng)域附近的高溫強(qiáng)度高。
另一方面，1000℃以上的高溫強(qiáng)度，本發(fā)明的A、C、E以及I和以往的U720Li合金一樣。此意味著本發(fā)明的合金A、C、E以及I在鍛造加工溫度中的抑制變形等和以往的一樣，具有和以往的U720Li合金相同程度的制造性。
從圖3所示的高溫強(qiáng)度的結(jié)果可知，鈷的含量在55質(zhì)量％以下是合適的?？晒烙?jì)特別優(yōu)選的鈷和鈦的含量，鈷為23質(zhì)量％以上、35質(zhì)量％以下，鈦為6.3質(zhì)量％以上、8.6質(zhì)量％以下。
<實(shí)施例2>
和實(shí)施例1同樣地操作，制作具有下表2的組成的合金(alloy)1～25。其中，合金25的組成是本發(fā)明的范圍外的比較例合金。
表2

圖4一并表示對通過現(xiàn)有技術(shù)得到的720LI以及作為本發(fā)明的實(shí)施例的合金2進(jìn)行壓延的結(jié)果的外觀照片。在和U720LI同樣壓延時(shí)不產(chǎn)生裂紋、可觀察到能很好地壓延的情況。雖然此處只顯示出合金2，但也確認(rèn)即使在其它的實(shí)施例合金中，也表示出和以往的合金同等以上的壓延性?？梢员砻?，本發(fā)明具有以往的合金強(qiáng)度以上的高強(qiáng)度，同時(shí)不損害壓延性。
另外，表3表示從壓延材料選取的試驗(yàn)片在750℃下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。任何一個(gè)實(shí)施例合金都顯示出比以往U720LI還優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度，可確認(rèn)合金1～3、5提高了約10％的耐力。
表3

圖5表示從壓延材料選取的試驗(yàn)片在650℃/628MPa下達(dá)到約1000小時(shí)的蠕變曲線。可以表明顯示出比U720LI優(yōu)異的蠕變特性?？梢员砻魈貏e是合金1、合金5顯示出極其優(yōu)異的特性。
圖7和圖8分別表示在實(shí)施例合金1以及3中為了確認(rèn)長時(shí)間相穩(wěn)定性而進(jìn)行的在750℃下、保持1000小時(shí)的試驗(yàn)后的微觀組織。沒有發(fā)現(xiàn)稱為TCP相的有害相，可知本發(fā)明合金具有穩(wěn)定性極其好的金屬組織。
圖9一并表示比較例25的組織以及實(shí)施例合金7以及8的電弧錠材料的微觀組織。在組成25中觀察到大量的TCP相，與此相對，在合金7和8中觀察不到TCP相?？梢员砻?，本發(fā)明合金通過添加Co，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的相穩(wěn)定性。
圖10表示從電弧錠選取的試驗(yàn)片在各溫度下的壓縮試驗(yàn)結(jié)果?？梢员砻鳎谌魏螠囟认聦?shí)施例合金都具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以往的U720LI的強(qiáng)度。
而且，表4表示對于不含Mo或者W的實(shí)施例合金和添加了Nb或者Ta的實(shí)施例合金，從電弧錠選取的試驗(yàn)片在750℃下的壓縮試驗(yàn)結(jié)果?？梢员砻鳎魏螌?shí)施例都具有優(yōu)異的特性。
表4

如上詳細(xì)的說明，通過本發(fā)明，提供作為噴氣式發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件(critical parts)的渦輪圓盤或渦輪葉片用的新型耐熱超級合金。以往，通過鑄造鍛造法得到的耐熱超級合金中，U720顯示出最高的高溫強(qiáng)度，可認(rèn)為其為限度，但本發(fā)明提供了超過其的耐熱超級合金。
權(quán)利要求
1.一種耐熱超級合金，其組成，以質(zhì)量％計(jì)，含有19.5-55％的鈷、2％-25％的鉻、0.2％-7％的鋁、3％-15％的鈦、殘余的鎳和不可避免的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的耐熱超級合金，其中，鈦，以質(zhì)量％計(jì)，在5.5％-15％的范圍內(nèi)含有。
3.如權(quán)利要求1所述的耐熱超級合金，其中，鈦，以質(zhì)量％計(jì)，在6.1％-15％的范圍內(nèi)含有。
4.如權(quán)利要求1-3的任意一項(xiàng)所述的耐熱超級合金，其中，鋁，以質(zhì)量％計(jì)，在從0.2％至低于2.0％的范圍內(nèi)含有。
5.如權(quán)利要求1-4的任意一項(xiàng)所述的耐熱超級合金，其中，以質(zhì)量％計(jì)，含有至多10％的鉬以及至多10％的鎢的至少任一種。
6.如權(quán)利要求5所述的耐熱超級合金，其中，鉬，以質(zhì)量％計(jì)，在低于3％的范圍內(nèi)含有。
7.如權(quán)利要求5所述的耐熱超級合金，其中，鎢，以質(zhì)量％計(jì)，在低于3％的范圍內(nèi)含有。
8.如權(quán)利要求5-7的任意一項(xiàng)所述的耐熱超級合金，其特征在于，鈷，以質(zhì)量％計(jì)，在23.1％-55％的范圍內(nèi)含有。
9.如權(quán)利要求1-8的任意一項(xiàng)所述的耐熱超級合金，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)，含有至多5％的鈮以及至多10％的鉭的至少任一種。
10.如權(quán)利要求1-9的任意一項(xiàng)所述的耐熱超級合金，其特征在于，在其組成中，以質(zhì)量％計(jì)，含有至多2％的釩、至多5％的錸、至多2％的鉿、至多0.5％的鋯、至多5％的鐵、至多0.1％的鎂、至多0.5的碳以及至多0.1％的硼的至少一種。
11.如權(quán)利要求1-10的任意一項(xiàng)所述的耐熱合金，其中，以質(zhì)量計(jì)，含有至多0.05％的鋯、至多0.05％的碳、至多0.05％的硼。
12.一種耐熱超級合金，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)，含有20％-24％的鈷、12％-14.9％的鉻、0.8％-1.5％的鎢、2.5％-3.0％的鉬、0.01％-0.10％的鋯、6.1％-6.5％的鈦、2.0％-3.0％的鋁、0.01％-0.05％的碳、0.01％-0.05％的硼、殘余的鎳和不可避免的雜質(zhì)。
13.一種耐熱超級合金，其特征在于，其是向權(quán)利要求12所述的耐熱超級合金中添加Co+Co3Ti合金而獲得。
14.一種耐熱超級合金，其特征在于，其是向權(quán)利要求12所述的耐熱超級合金中添加Co-20at％Ti合金而獲得。
15.如權(quán)利要求1-11的任意一項(xiàng)所述的耐熱超級合金，其中，鈦的重量％為0.17×(鈷的重量％-23)+3以上、0.17×(鈷的重量％-20)+7以下。
16.一種耐熱超級合金部件，其是使用權(quán)利要求1-15的任意一項(xiàng)所述的耐熱超級合金，通過鑄造、鍛造、粉末冶金的1種或者多種方法來制造。
全文摘要
本發(fā)明提供一種新型耐熱超級合金，其組成，以質(zhì)量％計(jì)，含有19.5－55％的鈷、2％－25％的鉻、0.2％－7％的鋁、3％－15％的鈦、殘余的鎳和不可避免的雜質(zhì)。
文檔編號C22C19/05GK101072887SQ200580041339
公開日2007年11月14日 申請日期2005年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月2日
發(fā)明者原田廣史, 谷月峰, 崔傳勇, 大澤真人, 佐藤彰洋, 小林敏治 申請人:獨(dú)立行政法人物質(zhì)·材料研究機(jī)構(gòu)