專利名稱：控制鍛造析出強(qiáng)化合金晶粒尺寸的方法及由此形成的構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及用于加工金屬合金的方法。更特別地，本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)鍛造超級(jí)合金制品的方法，其中，在過(guò)固溶線(supersolvus)熱處理之后,鍛造制品中的細(xì)晶粒尺寸能夠保持，使得該制品的特點(diǎn)在于帶有期望的晶粒尺寸的微觀結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
用于發(fā)電エ業(yè)中的固定式(land-based)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子構(gòu)件通常由鐵基或鎳基合金形成。對(duì)于某些高級(jí)的固定式燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，例如通用電氣公司的H和FB級(jí)燃?xì)鉂?rùn)輪，轉(zhuǎn)子構(gòu)件目前由伽馬雙撇號(hào)(gamma double-prime) ( y ;/ )析出強(qiáng)化的鎳基超級(jí)合金形成，如合金718和合金706。例如，輪(盤(pán))和間隔件已由鑄錠形成，該鑄錠在高于或低于該合金的固溶線溫度(典型地在大約1750° F至大約2100° F(大約954°C至大約1150°C )的范圍中)被制坯及鍛造，以獲得構(gòu)件所期望的輪廓。目前最佳的加工實(shí)踐通 常導(dǎo)致相對(duì)粗晶粒的微觀結(jié)構(gòu)在坯料中(如，ASTMOO或更大)以及最終鍛件中(如，ASTM2至7)(全文涉及的ASTM晶粒尺寸是根據(jù)由美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)建立的標(biāo)準(zhǔn)刻度)。粗晶粒是某些區(qū)域/構(gòu)件所期望的，而細(xì)晶粒常常是其它區(qū)域/構(gòu)件所期望的。例如，盤(pán)受益于在它們的邊緣處具有相對(duì)粗的晶粒以促進(jìn)它們對(duì)蠕變和疲勞裂紋生長(zhǎng)的抵抗，而它們的中心(hub)(孔)受益于較細(xì)的晶粒以促進(jìn)它們對(duì)低周疲勞(LCF)和爆裂(burst)性質(zhì)的抵抗。用于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子構(gòu)件已通常由粉末冶金(PM)エ藝形成，已知粉末冶金エ藝提供蠕變、拉伸和疲勞裂紋生長(zhǎng)性質(zhì)的良好平衡，以滿足航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求。典型地，通過(guò)以某種形式(例如擠出固結(jié)或熱等靜壓(HIP))固結(jié)金屬粉末以產(chǎn)生細(xì)晶粒的坯料(如，ASTM8或更細(xì))，從而生產(chǎn)粉末金屬構(gòu)件。該坯料然后在稍低于合金的Y'固溶線溫度的溫度下被等溫鍛造或熱模鍛造而接近超塑性成形條件，該超塑性成形條件允許在不積累顯著的冶金應(yīng)變的情況下通過(guò)積累高的幾何應(yīng)變來(lái)填充模腔。鍛造エ藝通常保持材料中的細(xì)晶粒尺寸同時(shí)獲得構(gòu)件所期望的輪廓，此后，最終熱處理在完成機(jī)械加工之前進(jìn)行，以完成制造過(guò)程。與用于固定式燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的高級(jí)渦輪系統(tǒng)不同，用于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的PM轉(zhuǎn)子構(gòu)件已通常由伽馬撇號(hào)')析出強(qiáng)化的鎳基超級(jí)合金形成，該鎳基超級(jí)合金具有那些零件所要求的非常高的溫度和應(yīng)カ承受能力。為了提高高溫下的抗蠕變性、抗疲勞裂紋生長(zhǎng)性以及其它機(jī)械性能，這些合金的最終熱處理可以在它們的Y'固溶線溫度以上進(jìn)行(通常稱為過(guò)固溶線熱處理)，以導(dǎo)致晶粒的明顯粗化。在轉(zhuǎn)子盤(pán)的邊緣處獲得相對(duì)粗晶粒并且在其中心獲得相對(duì)細(xì)晶粒的客觀需要被加內(nèi)什(Ganesh)等的美國(guó)專利No. 5，527，020證實(shí),該專利公開(kāi)了ー種用于選擇性地對(duì)盤(pán)的邊緣進(jìn)行熱處理的熱處理工藝和裝置，以便在維持中心的較細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的同時(shí)導(dǎo)致盤(pán)中的晶粒生長(zhǎng)。用于大型發(fā)電渦輪機(jī)中的鎳基超級(jí)合金轉(zhuǎn)子，通常已不要求更高溫度合金或該晶粒粗化工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)它們的任務(wù)和構(gòu)件機(jī)械性質(zhì)需求，盡管可以預(yù)見(jiàn)在未來(lái)某天可能需要這種更高溫度合金來(lái)增加渦輪效率或增加構(gòu)件壽命。
在包括熱鍛操作的常規(guī)制造エ序期間，很寬范圍的局部應(yīng)變和應(yīng)變速率可能引入材料中，這可在鍛后過(guò)固溶線熱處理期間導(dǎo)致不均勻的臨界晶粒生長(zhǎng)。如本文所用的臨界晶粒生長(zhǎng)(CGG)是指合金中隨機(jī)的局部過(guò)度晶粒生長(zhǎng)，這導(dǎo)致其直徑超過(guò)由該合金形成的制品所期望的晶粒尺寸范圍的晶粒的形成。明顯超過(guò)所期望的晶粒尺寸范圍的晶粒的存在可顯著降低制品的抗低周疲勞性并可對(duì)制品的其它機(jī)械性質(zhì)(如拉伸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度)有負(fù)面影響。克魯格(Krueger)等的美國(guó)專利No. 4，957，567教導(dǎo)了一種用于通過(guò)控制在熱鍛操作期間經(jīng)歷的局部應(yīng)變速率來(lái)消除細(xì)晶鎳基超級(jí)合金構(gòu)件中的臨界晶粒生長(zhǎng)的エ藝?？唆敻?Krueger)等教導(dǎo)了，局部應(yīng)變速率必須大體上保持低于臨界值，以避免臨界晶粒生長(zhǎng)。在尹(Yoon)等的美國(guó)專利No. 5，529，643和雷蒙德(Raymond)等的美國(guó)專利No. 5，584，947的指導(dǎo)下，已實(shí)現(xiàn)了最終晶粒尺寸的控制的進(jìn)ー步改進(jìn)，其中美國(guó)專利No. 5，529，643設(shè)置了鍛造期間最大應(yīng)變速率梯度的上限，美國(guó)專利No. 5，584，947教導(dǎo)了最大應(yīng)變速率和化學(xué)控制的重要性。例如，雷蒙德等教導(dǎo)了針對(duì)在商業(yè)上已知為Ren688DT (美國(guó)專利No. 4，957，567)的y '鎳基超級(jí)合金的低于約0. 032每秒(s-1)的上限應(yīng)變速率。休倫(Huron)等的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)No. 2009/0000706教導(dǎo)了，通過(guò)增加ReneSSDT的碳含量，在沒(méi)有臨界晶粒生長(zhǎng)的情況下，高達(dá)約0. Is—1的應(yīng)變速率是可能的。 上述努力證實(shí)了用于形成旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的合金中的晶粒尺寸控制的重要性，所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件用于對(duì)抗蠕變性和抗疲勞性要求嚴(yán)格的高溫和高應(yīng)カ應(yīng)用中?？刂凭Я３叽邕B同合金的其它機(jī)械性質(zhì)可能對(duì)構(gòu)件壽命和成本有直接影響。然而，對(duì)于諸如盤(pán)的構(gòu)件的不斷進(jìn)行的挑戰(zhàn)是，需要同時(shí)用較粗晶粒提高蠕變壽命并用較細(xì)晶粒提高疲勞壽命。如上所述，由鑄錠和鍛錠生產(chǎn)的典型鍛件通常具有相對(duì)粗的最終晶粒尺寸(例如，ASTM2至7)，其難以細(xì)化而形成轉(zhuǎn)子盤(pán)的中心區(qū)域所期望的更小晶粒尺寸。另ー方面，由PM坯料生產(chǎn)的鍛件產(chǎn)生了細(xì)得多的晶粒尺寸(例如，ASTM8或更細(xì))，其然后需要能夠粗化邊緣中的晶粒而不會(huì)導(dǎo)致臨界晶粒生長(zhǎng)的熱處理。因此，當(dāng)試圖在單個(gè)鍛件內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同晶粒尺寸時(shí)，遇到了重大挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了構(gòu)件以及加工由析出強(qiáng)化合金制得的這種構(gòu)件的方法，使得在過(guò)固溶線熱處理后，構(gòu)件的特征在于晶粒尺寸，如果期望的話，該晶粒尺寸可以在合金的不同區(qū)域內(nèi)不同。該方法包括形成金屬合金的粉末，然后在低于合金固溶線溫度的溫度下固結(jié)該粉末，并形成具有平均晶粒尺寸的坯料。然后在低于合金固溶線溫度的溫度下鍛造該坯料，以形成具有不比該坯料的平均晶粒尺寸更粗的平均晶粒尺寸的鍛件。鍛造該坯料，以便實(shí)現(xiàn)至少5%的總應(yīng)變。然后在低于合金固溶線溫度的溫度下對(duì)鍛件的至少一部分進(jìn)行熱處理，以釘扎該部分內(nèi)的晶粒。然后在高于合金固溶線溫度的溫度下對(duì)整個(gè)鍛件進(jìn)行熱處理，以溶解鍛件中的析出物而不粗化第一部分中的晶粒。在鍛件的冷卻之后，鍛件的所述部分內(nèi)的平均晶粒尺寸優(yōu)選地在坯料的平均晶粒尺寸的I或2ASTM尺寸內(nèi)，并且更優(yōu)選地不比坯料的平均晶粒尺寸更粗。本發(fā)明的另一方面是ー種由包括上述步驟的エ藝生產(chǎn)的鍛件，例如燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)。
本發(fā)明的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是，在后續(xù)的過(guò)固溶線熱處理期間，能夠抑制鍛件的ー個(gè)或更多區(qū)域內(nèi)的晶粒生長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)那些區(qū)域內(nèi)的平均晶粒尺寸的顯著控制。以這種方式，由該鍛件生產(chǎn)的構(gòu)件的機(jī)械性質(zhì)，例如抗蠕變性和抗疲勞裂紋生長(zhǎng)性，作為具有相對(duì)粗的晶粒的結(jié)果可在鍛件的某些區(qū)域中實(shí)現(xiàn)，而不同的機(jī)械性能，例如抗低周疲勞性和爆裂強(qiáng)度，可在鍛件的其它區(qū)域中實(shí)現(xiàn)。這種能力在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)硬件中是特別有益的，旋轉(zhuǎn)硬件例如固定式燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子盤(pán)。根據(jù)下面的詳細(xì)描述，將更好地意識(shí)到本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)。


圖I示意性地表示了可根據(jù)本發(fā)明加工的ー種類型的鍛件。圖2示意性地表示了在圖I的鍛件的有限部分上選擇性地進(jìn)行的熱處理。圖3示意性地表示了在圖I和圖2的整個(gè)鍛件上進(jìn)行的熱處理。 圖4示意性地表示了由圖2和圖3所描繪的熱處理得到的鍛件。符號(hào)說(shuō)明10、110 鍛件12、112 邊緣14、114 中心16、116 區(qū)域18U18 元件
具體實(shí)施例方式本發(fā)明大體上涵蓋可在多種合金且尤其是能夠用析出物硬化/強(qiáng)化的合金上進(jìn)行的加工。特別值得注意的示例包括析出強(qiáng)化的鎳基超級(jí)合金，其中，鎳和鈮在存在鐵的情況下結(jié)合而在包含鎳和鉻、鑰及鐵中的ー種或多種的伽馬(Y)基體中形成體心立方(bet)Ni3Nb析出物的強(qiáng)化相。其它值得注意的示例包括Y /析出強(qiáng)化的鎳基超級(jí)合金，其中，鉻、鎢、鑰、錸和/或鈷是與鎳結(jié)合而形成Y基體的主要合金元素，而鋁、鈦、鉭、鈮和/或釩是與鎳結(jié)合而形成期望的析出物的強(qiáng)化相(主要是Ni3(Al，Ti))的主要合金元素。這些合金的析出物可以通過(guò)加熱合金到它們的固溶線(溶解)溫度以上而被溶解(溶化)，并且通過(guò)在它們的固溶線溫度以下進(jìn)行的適當(dāng)?shù)臅r(shí)效處理而被再次析出?？慑懺爝@些合金而產(chǎn)生具有高溫承受能力的各種高強(qiáng)度構(gòu)件，包括固定式燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。本發(fā)明的特別興趣是固定式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的盤(pán)，然而本發(fā)明不限于此。下文描述了用于通過(guò)鍛造上述類型的合金以在渦輪盤(pán)的中心產(chǎn)生比其邊緣處更細(xì)(更小)的平均晶粒尺寸從而生產(chǎn)渦輪盤(pán)的エ藝，邊緣周向地圍繞中心。中心的更細(xì)晶粒尺寸提高了諸如抗低周疲勞(LCF)性和爆裂強(qiáng)度的性質(zhì)，而邊緣的較粗(較大)晶粒尺寸提高了其對(duì)蠕變和疲勞裂紋生長(zhǎng)的抵抗。對(duì)于由析出強(qiáng)化鎳基超級(jí)合金形成的固定式燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤(pán)而言，中心的優(yōu)選平均晶粒尺寸通常不大于ASTM8，例如ASTM8到10或者更細(xì)，并且邊緣的優(yōu)選平均晶粒尺寸通常大于ASTM8，例如ASTM2到7或者更大。本發(fā)明確定了加工參數(shù)，通過(guò)該加工參數(shù)，可在析出強(qiáng)化的合金中實(shí)現(xiàn)期望的晶粒尺寸分布，其可包括合金的某些區(qū)域內(nèi)的平均晶粒尺寸的改進(jìn)控制。根據(jù)本發(fā)明的ー個(gè)方面，通過(guò)進(jìn)行鍛后低于固溶線(subsolvus)熱處理，可實(shí)現(xiàn)更細(xì)的平均晶粒尺寸，該鍛后低于固溶線熱處理用于通過(guò)在晶界上提供釘扎作用而在隨后的過(guò)固溶線熱處理期間阻止晶粒粗化。這種作用優(yōu)選地應(yīng)用于在包括高的總應(yīng)變的鍛造條件下生產(chǎn)的細(xì)晶鍛件。本發(fā)明的上述方面將參照?qǐng)DI至圖4進(jìn)行論述，圖I至圖4表示了在固定式燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤(pán)上進(jìn)行的加工步驟。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，本發(fā)明的教導(dǎo)和優(yōu)點(diǎn)可適用于眾多其它的構(gòu)件。該エ藝ー開(kāi)始包括由析出強(qiáng)化合金生產(chǎn)細(xì)晶坯料(未示出)，析出強(qiáng)化合金例如為析出強(qiáng)化鎳基超級(jí)合金。坯料優(yōu)選地具有細(xì)晶粒尺寸，更優(yōu)選地ASTM8或者更細(xì)的平均晶粒尺寸，例如ASTM8至大約ASTM10，甚至細(xì)達(dá)ASTM14至16。除了提高在鍛造過(guò)程中有益的超塑性外，坯料的細(xì)晶粒尺寸還提供了盤(pán)的中心所期望的細(xì)晶微觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，如將在下面變得明顯的。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，通過(guò)固結(jié)粉末來(lái)生產(chǎn)細(xì)晶坯料，例如通過(guò)熱等靜壓加工(HIP)或其它已知的固結(jié)技木。一種優(yōu)選的粉末生產(chǎn)技術(shù)是常規(guī)的氬氣霧化工藝，然而其它粉末生產(chǎn)技術(shù)是可能的并且也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，有可能可使用諸如噴鑄成形、鋳造和鍛造等的其它技術(shù)來(lái)生產(chǎn)細(xì)晶坯料。在任何情形下，坯料在包括指定的溫度 范圍的條件下成形，以產(chǎn)生所期望的細(xì)晶粒尺寸。熱等靜壓(HIP)是用于使坯料成形為具有大約ASTM8或更細(xì)的平均晶粒尺寸并實(shí)現(xiàn)99%或更高的理論密度的優(yōu)選エ藝。利用該エ藝，已實(shí)現(xiàn)了 ASTM14至16的晶粒尺寸。重要的是，該步驟在低于合金固溶線溫度的溫度下進(jìn)行，以避免晶粒生長(zhǎng)和任何析出物溶解。HIP特別好地適合于該目的，因?yàn)樵诘陀谖龀鰪?qiáng)化鎳基合金的固溶線溫度的溫度下可用HIP實(shí)現(xiàn)的低應(yīng)變速率。在鍛造坯料之前，可以在低于合金固溶線溫度的溫度下進(jìn)行預(yù)熱步驟，以避免晶粒的粗化和由之前步驟有利地實(shí)現(xiàn)的超塑性的損失。然后在低于合金固溶線溫度的溫度下鍛造(熱加工)坯料，以生產(chǎn)具有對(duì)于盤(pán)而言合適的幾何形狀(輪廓)的鍛件，以及保持大約ASTM8或更細(xì)的平均晶粒尺寸?，F(xiàn)有技術(shù)已尋求在鍛造期間限制總應(yīng)變以避免在后續(xù)熱處理期間的臨界晶粒生長(zhǎng)，而本發(fā)明尋求在鍛造期間確保坯料中的足夠的總應(yīng)變。總應(yīng)變?yōu)橹辽?%，更優(yōu)選地至少10%至大約20%。最佳應(yīng)變水平由成分、微觀結(jié)構(gòu)和溫度決定，并且對(duì)于給定的合金而言可以通過(guò)在各種應(yīng)變速率條件下使試樣變形且然后進(jìn)行合適的過(guò)固溶線熱處理來(lái)確定。認(rèn)為不足和過(guò)度的總應(yīng)變導(dǎo)致了不能控制鍛件的臨界區(qū)域中的晶粒生長(zhǎng)。對(duì)于大型鍛件內(nèi)的區(qū)域而言合適的應(yīng)變水平可以通過(guò)在小的實(shí)驗(yàn)室樣品上進(jìn)行試驗(yàn)且然后使用建模技術(shù)預(yù)測(cè)鍛件內(nèi)的局部變形行為而分析預(yù)測(cè)。此外，對(duì)于進(jìn)行鍛造操作而言合適的工具和設(shè)備是公知的，因此本文將不論述任何細(xì)節(jié)。除了上文公開(kāi)的受控的總應(yīng)變水平，鍛造操作需要在合金固溶線溫度以下進(jìn)行，換而言之，在低于固溶線溫度下進(jìn)行，以避免任何析出物溶解和晶粒生長(zhǎng)。優(yōu)選地，合金被維持在低于合金固溶線溫度至少5°C的溫度，并且更優(yōu)選地，低于固溶線溫度約15°C至約35。。。圖I示意性地表示了根據(jù)上述處理步驟加工的盤(pán)鍛件10。盤(pán)10被表示為包括包圍中心14的邊緣12，其中，孔(未示出)隨后被限定，以將盤(pán)安裝到轉(zhuǎn)子軸(未示出)。在鍛造操作之后，鍛件10在低于固溶線溫度下經(jīng)歷熱處理。更優(yōu)選地，為了在隨后的在整個(gè)鍛件10上進(jìn)行的過(guò)固溶線(溶解)熱處理期間(圖3)保持中心14內(nèi)的細(xì)晶粒，僅僅鍛件10的包括中心14的部分經(jīng)歷低于固溶線熱處理，而包括邊緣12的部分被維持在低于合金固溶線溫度的溫度。為此目的，圖2示意性地表示了一對(duì)加熱元件18，其接近或接觸中心14并且隨意地邊緣12和中心14之間的鍛件10的腹板(web)區(qū)域16。加熱元件18可以是能夠選擇性地加熱鍛件10的區(qū)域的任何合適類型，例如電加熱元件。在一些情形下，可能期望將邊緣12與加熱元件18熱隔絕，并且/或者在該步驟期間可選擇性地冷卻邊緣12。與鍛造操作一祥，在中心12上進(jìn)行的鍛后低于固溶線熱處理需要具有低于合金固溶線溫度的最高溫度，以避免晶粒生長(zhǎng)和任何析出物溶解。優(yōu)選地，中心14被加熱至低于合金固溶線溫度至少50°C的溫度，而且更優(yōu)選地，低于固溶線溫度大約50°C至大約120°C。對(duì)于析出強(qiáng)化鎳基超級(jí)合金，認(rèn)為合適的范圍是大約1500° F至大約1800° F(大約815°C至大約980°C )。優(yōu)選地，中心14保持在低于固溶線溫度大約2小時(shí)至大約6小吋，并且更優(yōu)選地，大約4小時(shí)至大約6小吋。雖然并不希望被限定至任何特定理論，但是認(rèn)為低于固溶線熱處理導(dǎo)致了釘扎作用，其中，鍛件10的晶界被釘扎并且因此在后續(xù)的過(guò)固溶線熱處理期間阻止了晶粒生長(zhǎng)(下文論述)。認(rèn)為釘扎作用是在細(xì)晶晶界處減少了應(yīng)變能/位錯(cuò)能的結(jié)果，使得在過(guò)固溶線熱處理期間沒(méi)有足夠的能量來(lái)導(dǎo)致晶粒 生長(zhǎng)。從形成粉末這點(diǎn)起，上文所描述的加工將合金維持在低于其固溶線溫度的溫度。此時(shí)，優(yōu)選地，通過(guò)將整個(gè)鍛件10加熱至高于其合金的固溶線溫度(但低于初始熔化溫度)的溫度，整個(gè)鍛件10經(jīng)歷過(guò)固溶線熱處理，如在圖3中示意性地表示的。合適的過(guò)固溶線溫度通常為高于合金固溶線溫度大約15°C至30°C。對(duì)于析出強(qiáng)化的鎳基超級(jí)合金，認(rèn)為過(guò)固溶線熱處理的合適范圍是大約1900° F至大約2000° F(大約1040°C至大約1090°C)。如本領(lǐng)域中已知的，過(guò)固溶線熱處理用于溶化(溶解)合金中的析出物并使其晶粒結(jié)構(gòu)再結(jié)晶。雖然整個(gè)鍛件10經(jīng)受過(guò)固溶線熱處理并且中心14內(nèi)的析出物也被溶解，但是作為利用前述低于固溶線熱處理實(shí)現(xiàn)的中心14內(nèi)的釘扎作用的結(jié)果，在該過(guò)固溶線熱處理期間，僅僅邊緣12內(nèi)的晶粒經(jīng)歷晶粒生長(zhǎng)。優(yōu)選地，鍛件10在過(guò)固溶線溫度下保持足以使合金的所有成分溶解的時(shí)間，例如，大約4小時(shí)至大約6小時(shí)。優(yōu)選地，過(guò)固溶線熱處理的溫度和持續(xù)時(shí)間在邊緣12內(nèi)導(dǎo)致了足夠的晶粒生長(zhǎng)(粗化)而實(shí)現(xiàn)了大于ASTM8的晶粒尺寸，例如ASTM2到7或更大。相反，中心14內(nèi)的晶粒尺寸優(yōu)選地不經(jīng)歷粗化并因此優(yōu)選地在坯料平均晶粒尺寸的I或2ASTM尺寸內(nèi)，且更優(yōu)選地至少與剛鍛好的(as-forged)鍛件10(圖I)的晶粒同樣細(xì)，例如ASTM8或更細(xì)，并且更優(yōu)選地ASTM8至10。在過(guò)固溶線熱處理之后，以適當(dāng)?shù)乃俾世鋮s鍛件10，以使Y基體內(nèi)或晶界處的析出物再次析出，以便實(shí)現(xiàn)盤(pán)所期望的特定機(jī)械性質(zhì)。合適的冷卻步驟的示例包括僅僅受控空氣冷卻或受控空氣冷卻后在油或另ー合適介質(zhì)中淬火。如果期望減小殘余應(yīng)カ并形成析出物，鍛件10也可使用已知技術(shù)進(jìn)行時(shí)效處理，例如在高于合金時(shí)效溫度的溫度下使用短的應(yīng)カ釋放循環(huán)。在鍛件10的所有熱處理完成后(圖4)，作為過(guò)固溶線熱處理的結(jié)果，在邊緣12中存在較大(較粗)的晶粒，而作為本發(fā)明的晶粒釘扎低于固溶線熱處理的結(jié)果，在坯料和鍛件10中原來(lái)存在的細(xì)晶粒優(yōu)選地保留在中心14內(nèi)。鍛件10然后可經(jīng)歷常規(guī)的機(jī)械加工，以獲得盤(pán)所期望的尺寸和其它特征。在導(dǎo)致了本發(fā)明的研究中，PM坯料由合金ARA725形成。報(bào)導(dǎo)了該合金包含重量為大約17%至大約23%的鉻、大約6%至大約8%的鑰、大約3%至大約4%的鈮、大約4%至大約6 %的鐵、大約0.3%至大約0.6%的鋁、大約I %至大約1.8%的鈦、大約0. 002 %至大約0. 004%的硼、最高大約0. 35%的錳、最高大約0. 2%的硅、最高大約0. 03%的碳、剩余鎳以及附帯的雜質(zhì)。坯料的實(shí)際化學(xué)成分是重量為大約20%的鉻、大約7. 5%的鑰、大約3. 5 %的鈮、大約5. 0 %的鐵、大約0. 5 %的鋁、大約1.5%的鈦、大約0. 003 %的硼、大約
0.30%的錳、大約0. 10%的硅、大約0.02%的碳、以及剩余鎳和附帶的雜質(zhì)。坯料具有比ASTM10更細(xì)的平均晶粒尺寸，并以大約10%的名義應(yīng)變水平在約1010°C的溫度下被鍛造。認(rèn)為該合金具有大約1030°C的固溶線溫度。所得到的鍛件的一部分然后在大約900°C的溫度下經(jīng)受持續(xù)大約4小時(shí)的低于固溶線熱處理，而鍛件的其余部分不經(jīng)受該熱處理。此后，整個(gè)鍛件在大約1050°C的溫度下經(jīng) 受持續(xù)大約4小時(shí)的過(guò)固溶線熱處理。在檢查時(shí)，鍛件的未經(jīng)歷低于固溶線熱處理的部分被確認(rèn)為經(jīng)歷了其晶粒結(jié)構(gòu)的粗化，帶有大約ASTM2到7的平均晶粒尺寸。另ー方面，鍛件的已經(jīng)受低于固溶線熱處理的部分被確認(rèn)為基本保持了坯料和鍛件的晶粒結(jié)構(gòu)，并具有大約ASTM8或更細(xì)的平均晶粒尺寸。在此應(yīng)該注意的是，雖然在鍛件上選擇性地進(jìn)行低于固溶線熱處理而阻止了鍛件的有限部分中的晶粒生長(zhǎng)，但是可以預(yù)見(jiàn)，整個(gè)鍛件可經(jīng)歷低于固溶線熱處理，在這種情況下，在整個(gè)鍛件中晶粒生長(zhǎng)將受到阻礙。通過(guò)這樣做，整個(gè)鍛件10將具有細(xì)的晶粒尺寸且整體表現(xiàn)出相似的疲勞性能。雖然已通過(guò)特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是顯而易見(jiàn)的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可采用其它形式，包括使用其它析出強(qiáng)化合金，或者通過(guò)改變所公開(kāi)的方法，例如取代加工步驟或包括額外的加工步驟。因此，我們的發(fā)明的范圍僅僅由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種由具有固溶線溫度的析出強(qiáng)化金屬合金形成制品的方法，所述方法的特征在于: 形成所述金屬合金的粉末； 在低于所述合金的固溶線溫度的溫度下固結(jié)所述粉末，以形成具有平均晶粒尺寸的坯料； 在低于所述合金的固溶線溫度的溫度下鍛造所述坯料，以形成具有不比所述坯料的平均晶粒尺寸更粗的平均晶粒尺寸的鍛件(10)，所述坯料被鍛造，以便實(shí)現(xiàn)至少5%的總應(yīng)變； 在低于所述合金的固溶線溫度的溫度下對(duì)所述鍛件(10)的至少第一部分(14)進(jìn)行熱處理，以釘扎所述第一部分(14)內(nèi)的晶粒； 在高于所述合金的固溶線溫度的溫度下對(duì)整個(gè)所述鍛件(10)進(jìn)行熱處理，以溶解所述鍛件(10)中的析出物，而不粗化所述第一部分(14)中的晶粒；以及 冷卻所述鍛件(10)，其中，所述第一部分(14)內(nèi)的平均晶粒尺寸在所述坯料的平均晶粒尺寸的I或2ASTM尺寸內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述坯料的平均晶粒尺寸不比ASTM8更粗。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述坯料被鍛造，以便實(shí)現(xiàn)至少5%至大約20%的總應(yīng)變。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征進(jìn)一步在于，在于所述固溶線溫度以上對(duì)所述鍛件(10)進(jìn)行熱處理的步驟之后，對(duì)所述鍛件(10)進(jìn)行時(shí)效處理，以在所述鍛件(10)中形成析出物。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述固溶線溫度以下對(duì)所述鍛件(10)的第一部分(14)進(jìn)行熱處理的步驟不在所述鍛件(10)的第二部分(12)上進(jìn)行，并且，作為在所述固溶線溫度以上對(duì)所述鍛件(10)進(jìn)行熱處理的步驟的結(jié)果，所述第二部分(12)中的晶粒被粗化到比所述坯料的平均晶粒尺寸更粗的平均晶粒尺寸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在于所述固溶線溫度以上對(duì)所述鍛件(10)進(jìn)行熱處理的步驟之后，所述第二部分(12)中的晶粒具有ASTM2至7的平均晶粒尺寸。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述合金是Y"析出強(qiáng)化鎳基合金。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述合金由重量為大約17%至大約23%的鉻、大約6%至大約8%的鑰、大約3%至大約4%的鈮、大約4%至大約6 %的鐵、大約O. 3 %至大約O. 6 %的鋁、大約I %至大約1.8%的鈦、大約O. 002 %至大約O.004%的硼、最高大約O. 35%的錳、最高大約O. 2%的硅、最高大約O. 03%的碳、剩余鎳以及附帶的雜質(zhì)組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征進(jìn)一步在于，在所述冷卻步驟之后，對(duì)所述鍛件(10)進(jìn)行機(jī)械加工，以生產(chǎn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。
全文摘要
本發(fā)明涉及控制鍛造析出強(qiáng)化合金晶粒尺寸的方法及由此形成的構(gòu)件，提供了構(gòu)件以及加工由析出強(qiáng)化合金制得的這種構(gòu)件的方法，使得在過(guò)固溶線熱處理之后，構(gòu)件表現(xiàn)出期望的晶粒尺寸。該方法包括固結(jié)合金的粉末以形成具有平均晶粒尺寸的坯料。坯料然后在低于固溶線溫度的溫度下被鍛造，以形成具有不比坯料的晶粒尺寸更粗的平均晶粒尺寸的鍛件(10)。然后以至少5％的總應(yīng)變鍛造該坯料，此后，在低于固溶線溫度的溫度下對(duì)鍛件(10)的至少一部分(14)進(jìn)行熱處理，以釘扎該部分(14)內(nèi)的晶粒。然后，整個(gè)鍛件(10)可在高于合金固溶線溫度的溫度下進(jìn)行熱處理，而不粗化部分(14)中的晶粒。
文檔編號(hào)C22F1/10GK102764891SQ20121020550
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月5日
發(fā)明者G·A·戈勒, R·J·斯托尼特施, R·迪多米奇奧 申請(qǐng)人:通用電氣公司