Ni基超耐熱合金及其生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及Ni基超耐熱合金（Ni-basedheat-resistantsuperalloy)及其生產(chǎn) 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 包含大量合金元素如A1和Ti的γ'（伽瑪撇）相析出強(qiáng)化型Ni基合金已應(yīng)用于 航空發(fā)動機(jī)和發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)的耐熱構(gòu)件中。
[0003] 特別地，渦輪組件中的渦輪盤需要高強(qiáng)度和高依賴性，已應(yīng)用Ni基鍛造合金。術(shù) 語〃鍛造合金〃用來與術(shù)語〃鑄造合金〃相對，〃鑄造合金〃是使用其鑄造凝固結(jié)構(gòu)的合 金的術(shù)語，并且是通過由熔融凝固獲得的錠（ingot)的熱加工工序以使錠具有期望的組件 形狀而生產(chǎn)的材料。歸因于熱加工，將粗大且非均質(zhì)的鑄造凝固結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為微細(xì)且均質(zhì)的 鍛造結(jié)構(gòu)，從而改進(jìn)機(jī)械特性如拉伸強(qiáng)度和疲勞特性。然而，如果太多的其為強(qiáng)化相的γ' 相存在于結(jié)構(gòu)中，可能變得難以進(jìn)行以沖鍛（pressforging)為代表的熱加工，將引起生產(chǎn) 期間的缺陷。為了防止它，鍛造合金的組成的如有助于強(qiáng)化的A1和Ti的成分的含量通常 有限地大于不進(jìn)行熱加工的鑄造合金的含量。可提到Udimet720Li(〃Udimet〃為Special MetalsCorporation的注冊商標(biāo)）作為目前具有最高強(qiáng)度的禍輪盤材料，并且該材料中， A1和Ti的量分別為2. 5質(zhì)量％和5. 0質(zhì)量％。
[0004] 為了改進(jìn)材料強(qiáng)度，已實施通過使用粉末冶金法生產(chǎn)Ni基合金的工序來代替常 規(guī)的錠熔融工序。與通過熔融鍛造法獲得的合金相比，根據(jù)該方法，合金組成可包括較大量 的上述強(qiáng)化元素。然而，為了防止雜質(zhì)污染，進(jìn)行生產(chǎn)工序的高水平管理是不可避免的，因 此，生產(chǎn)成本高，結(jié)果，該生產(chǎn)方法用于有限的用途。
[0005] 如上所述，用于渦輪盤的鍛造合金具有同時實現(xiàn)高強(qiáng)度和高熱加工性的顯著問 題，因此，已開發(fā)可解決該問題的合金組成和生產(chǎn)方法。
[0006] 例如，W0 2006/059805A公開了通過常規(guī)的熔融鍛造法可生產(chǎn)的高強(qiáng)度合金。該 合金的組成包含量比Udimet720Li的組成大的Ti，并另外包含大量的Co,因此提高其結(jié)構(gòu) 的穩(wěn)定性并使其能夠被熱加工。
[0007] 已存在通過生產(chǎn)方法改進(jìn)熱加工性的另一嘗試。〃第11屆超合金國際研討會論文 集〃 (TMS，2008)，pp. 311-316,公開了與Udimet720Li的鍛造構(gòu)件有關(guān)的實驗報告，其中當(dāng) 材料從1，110°C的升高溫度冷卻時隨著冷卻速度降低更加改進(jìn)熱加工性。
[0008] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0009] 專利文獻(xiàn)
[0010] [專利文獻(xiàn) 1]TO2〇〇6/〇598〇5A
[0011] 非專利文獻(xiàn)
[0012] [非專利文獻(xiàn)1]〃第11屆超合金國際研討會論文集〃 (TMS，2008)，ρρ· 311-316

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 發(fā)明要解決的問題
[0014] 上述專利文獻(xiàn)中公開的合金具有作為鍛造合金的非常優(yōu)異的特性，但是其中可加 工的溫度范圍窄，因此，每次工序中必須以小加工量熱加工合金，結(jié)果，推測生產(chǎn)工序中必 須多次重復(fù)加工和再加熱。如果改進(jìn)熱加工性，可減少生產(chǎn)所需的時間和能量。另外，可獲 得具有接近最終產(chǎn)品的形狀的合金材料，從而還改進(jìn)材料的產(chǎn)量。
[0015] 此外，盡管上述非專利文獻(xiàn)中公開的通過改變熱處理條件來改進(jìn)熱加工性這樣的 知識是重要的，但是非專利文獻(xiàn)的評價為在經(jīng)歷熱加工后結(jié)構(gòu)已均質(zhì)化的材料的評價。在 這些情況下，仍期望在更難以進(jìn)行加工的初期加工階段、即在熱加工具有非均質(zhì)的鑄造凝 固結(jié)構(gòu)的錠的階段改進(jìn)熱加工性的方法。
[0016] 本發(fā)明的目的為提供具有足夠用于航空發(fā)動機(jī)和發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)的高強(qiáng)度、并具 有優(yōu)良的熱加工性的Ni基超耐熱合金，和其生產(chǎn)方法。
[0017] 用于解決問題的方案
[0018] 本發(fā)明的發(fā)明人已檢查具有各種結(jié)構(gòu)的合金的生產(chǎn)方法，并發(fā)現(xiàn)通過選擇適當(dāng)?shù)?加熱工序并控制其為強(qiáng)化相的γ'相的粒徑可顯著改進(jìn)熱加工性。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供Ni基超耐熱合金的生產(chǎn)方法，該方法包括以下步 驟：提供具有由以質(zhì)量計的〇. 001至〇. 05 %的C、1. 0至4. 0 %的A1、4. 5至7. 0 %的Ti、12 至 18% 的Cr、14 至 27% 的Co、l. 5 至 4. 5% 的Μο、0· 5 至 2. 5% 的W、0. 001 至 0· 05% 的B、 0. 001至0. 1 %的Zr、以及余量的Ni和不可避免雜質(zhì)構(gòu)成的組成的待熱加工材料；在具有 1，130至1，200°C的范圍的溫度下加熱待熱加工材料至少2小時；以至多0. 03°C/秒的冷 卻速度將通過加熱步驟加熱的待熱加工材料冷卻至熱加工溫度以下；和冷卻步驟后將待熱 加工材料進(jìn)行熱加工。
[0020] 該方法可進(jìn)一步包括在冷卻步驟后或冷卻步驟期間，在具有950至1，160°C的范 圍、并比第一加熱步驟進(jìn)行的溫度低的溫度下加熱待熱加工材料至少2小時的第二加熱步 驟。
[0021] 待熱加工材料可具有以下組成：由以質(zhì)量計的0. 005至0. 04%的C、l. 5至3. 0% 的Α1、5· 5 至 6. 7% 的Ti、13 至 16% 的Cr、20 至 27% 的Co、2.0 至 3. 5% 的Μο、0· 7 至 2.0% 的W、0. 005至0. 04%的Β、0. 005至0. 06%的Zr、以及余量的Ni和不可避免雜質(zhì)構(gòu)成。
[0022] 待熱加工材料可具有由以質(zhì)量計的0. 005至0. 02%的C、2. 0至2. 5%的A1、6. 0 至 6. 5%的Ti、13 至 14%的Cr、24 至 26%的Co、2. 5 至 3. 2%的Mo、L0 至L5%W、0. 005 至0. 02%的B、0. 010至0. 04%的Zr、以及余量的Ni和不可避免雜質(zhì)構(gòu)成的組成。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供具有由以質(zhì)量計的0. 001至0. 05%的C、l.0至 4. 0%的Α1、4· 5 至 7. 0%的Ti、12 至 18%的Cr、14 至 27%的Co、L5 至 4. 5%的Μο、0· 5 至 2. 5%的W、0. 001至0. 05%的Β、0. 001至0. 1%Zr、以及余量的Ni和不可避免雜質(zhì)構(gòu)成的 組成，并具有平均粒徑為至少500nm的一次γ'相的Ni基超耐熱合金。
[0024] 一次γ'相的平均粒徑優(yōu)選至少1μm。
[0025] Ni基超耐熱合金可具有由以質(zhì)量計的0. 005至0. 04 %的C、1. 5至3. 0 %的A1、 5. 5 至 6. 7%的Ti、13 至 16%的Cr、20 至 27%的Co、2. 0 至 3. 5%的Μο、0· 7 至 2. 0%的W、 0. 005至0. 04%的Β、0. 005至0. 06%的Zr、以及余量的Ni和不可避免雜質(zhì)構(gòu)成的組成。
[0026]Ni基超耐熱合金可具有由以質(zhì)量計的0. 005至0. 02 %的C、2. 0至2. 5 %的A1、 6. 0 至 6. 5%的Ti、13 至 14%的Cr、24 至 26%的Co、2. 5 至 3. 2%的Mo、l. 0 至 1. 5%的W、 0. 005至0. 02%的B、0. 010至0. 04%的Zr、以及余量的Ni和不可避免雜質(zhì)構(gòu)成的組成。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供Ni基超耐熱合金的生產(chǎn)方法，該方法包括以下步 驟：將具有由以質(zhì)量計的〇. 〇〇1至〇. 05%的C、l. 0至4. 0%的Al、4. 5至7. 0%Ti、12至 18% 的Cr、14 至 27% 的Co、L5 至 4. 5% 的Μο、0· 5 至 2. 5% 的W、0. 001 至 0· 05% 的B、 0. 001至0. 1 %的Zr、以及余量的Ni和不可避免雜質(zhì)構(gòu)成的組成的錠在具有800至1，125°C 的范圍的熱加工溫度下加熱并將所得錠以1. 1至2. 5的熱加工比進(jìn)行第一熱加工（first hotworking)以提供熱加工材料；在高于第一熱加工時進(jìn)行的溫度、并低于γ'相固溶溫 度（solvustemperature)的溫度范圍內(nèi)將熱加工材料再加熱以提供再加熱材料；以至多 0. 03°C/秒的冷卻速度將再加熱材料冷卻至具有700至1，125°C的范圍的溫度；和冷卻步 驟后進(jìn)行第二熱加工。
[0028] 錠可具有由以質(zhì)量計的0· 005至0· 04%的C、l. 5至3. 0%的Α1、5· 5至6. 7%的 Ti、13 至 16%的Cr、20 至 27%的Co、2. 0 至 3. 5%的Μο、0· 7 至 2. 0%的W、0. 005 至 0· 04% 的B、0. 005至0. 06%的Zr、以及余量的Ni和不可避免雜質(zhì)構(gòu)成的組成。
[0029] 錠可具有由以質(zhì)量計的0· 005至0· 02%的C、2. 0至2. 5%的Α1、6· 0至6. 5%的 Ti、13 至 14%的Cr、24 至 26%的Co、2. 5 至 3. 2%的Mo、L0 至L5%的W、0. 005 至 0· 02% 的B、0. 010至0. 04%的Zr、以及余量的Ni和不可避免雜質(zhì)構(gòu)成的組成。
[0030] 再加熱步驟的溫度可具有1，135°C至1，160°C的范圍。
[0031] 發(fā)明的效果
[0032] 根據(jù)本發(fā)明，如果使用現(xiàn)有技術(shù)難以進(jìn)行長時間熱加工并且熱加工需要大量能量 的高強(qiáng)度合金的熱加工性可通過適當(dāng)管理其生產(chǎn)時的素材（stock)的溫度來改進(jìn)，從而可 提供具有足夠用于航空發(fā)動機(jī)和發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)等的高強(qiáng)度、并具有優(yōu)良的熱加工性的Ni 基超耐熱合金，和其生產(chǎn)方法。
[0033] 另外，根據(jù)本發(fā)明，與常規(guī)生產(chǎn)方法相比，可減少加工所需的能量和時間，從而可 改進(jìn)材料的產(chǎn)量。此外，本發(fā)明的合金具有比常規(guī)使用的合金高的強(qiáng)度，因此，如果本發(fā)明 的合金用于上述熱力發(fā)動機(jī)（heatengine)，可增加發(fā)動機(jī)的操作溫度，因此，期望本發(fā)明 的合金有助于增加熱力發(fā)動機(jī)的效率。
[0034] 此外，熱加工的目的在于通過反復(fù)加熱并加工非均質(zhì)鑄造結(jié)構(gòu)并另外賦予材料形 狀來獲得均質(zhì)的再結(jié)晶結(jié)構(gòu)。然而，具有上述組成的Ni基超耐熱合金具有非常高的強(qiáng)度， 因此，即使應(yīng)變（strain)量小在加工期間仍易于發(fā)生裂紋（cracks)和瑕疵（laps)，因此， 難以賦予再結(jié)晶所需的應(yīng)變量，結(jié)果無法連續(xù)進(jìn)行加工。根據(jù)本發(fā)明，在此類高強(qiáng)度構(gòu)件 中，適當(dāng)管理素材溫度，另外，管理生產(chǎn)期間的變形量，從而可實現(xiàn)優(yōu)良的熱加工性。
【附圖說明】
[0035][圖1]圖1為示出根據(jù)本發(fā)明的Ni基超耐熱合金的實施