Ni基超耐热合金及其生产方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及Ni基超耐热合金（Ni-basedheat-resistantsuperalloy)及其生产 方法。
【背景技术】
[0002] 包含大量合金元素如A1和Ti的γ'（伽玛撇）相析出强化型Ni基合金已应用于 航空发动机和发电用燃气轮机的耐热构件中。
[0003] 特别地，涡轮组件中的涡轮盘需要高强度和高依赖性，已应用Ni基锻造合金。术 语〃锻造合金〃用来与术语〃铸造合金〃相对，〃铸造合金〃是使用其铸造凝固结构的合 金的术语，并且是通过由熔融凝固获得的锭（ingot)的热加工工序以使锭具有期望的组件 形状而生产的材料。归因于热加工，将粗大且非均质的铸造凝固结构转化为微细且均质的 锻造结构，从而改进机械特性如拉伸强度和疲劳特性。然而，如果太多的其为强化相的γ' 相存在于结构中，可能变得难以进行以冲锻（pressforging)为代表的热加工，将引起生产 期间的缺陷。为了防止它，锻造合金的组成的如有助于强化的A1和Ti的成分的含量通常 有限地大于不进行热加工的铸造合金的含量。可提到Udimet720Li(〃Udimet〃为Special MetalsCorporation的注册商标）作为目前具有最高强度的祸轮盘材料，并且该材料中， A1和Ti的量分别为2. 5质量％和5. 0质量％。
[0004] 为了改进材料强度，已实施通过使用粉末冶金法生产Ni基合金的工序来代替常 规的锭熔融工序。与通过熔融锻造法获得的合金相比，根据该方法，合金组成可包括较大量 的上述强化元素。然而，为了防止杂质污染，进行生产工序的高水平管理是不可避免的，因 此，生产成本高，结果，该生产方法用于有限的用途。
[0005] 如上所述，用于涡轮盘的锻造合金具有同时实现高强度和高热加工性的显著问 题，因此，已开发可解决该问题的合金组成和生产方法。
[0006] 例如，W0 2006/059805A公开了通过常规的熔融锻造法可生产的高强度合金。该 合金的组成包含量比Udimet720Li的组成大的Ti，并另外包含大量的Co,因此提高其结构 的稳定性并使其能够被热加工。
[0007] 已存在通过生产方法改进热加工性的另一尝试。〃第11届超合金国际研讨会论文 集〃 (TMS，2008)，pp. 311-316,公开了与Udimet720Li的锻造构件有关的实验报告，其中当 材料从1，110°C的升高温度冷却时随着冷却速度降低更加改进热加工性。
[0008] 现有技术文献
[0009] 专利文献
[0010] [专利文献 1]TO2〇〇6/〇598〇5A
[0011] 非专利文献
[0012] [非专利文献1]〃第11届超合金国际研讨会论文集〃 (TMS，2008)，ρρ· 311-316
【发明内容】
[0013] 发明要解决的问题
[0014] 上述专利文献中公开的合金具有作为锻造合金的非常优异的特性，但是其中可加 工的温度范围窄，因此，每次工序中必须以小加工量热加工合金，结果，推测生产工序中必 须多次重复加工和再加热。如果改进热加工性，可减少生产所需的时间和能量。另外，可获 得具有接近最终产品的形状的合金材料，从而还改进材料的产量。
[0015] 此外，尽管上述非专利文献中公开的通过改变热处理条件来改进热加工性这样的 知识是重要的，但是非专利文献的评价为在经历热加工后结构已均质化的材料的评价。在 这些情况下，仍期望在更难以进行加工的初期加工阶段、即在热加工具有非均质的铸造凝 固结构的锭的阶段改进热加工性的方法。
[0016] 本发明的目的为提供具有足够用于航空发动机和发电用燃气轮机的高强度、并具 有优良的热加工性的Ni基超耐热合金，和其生产方法。
[0017] 用于解决问题的方案
[0018] 本发明的发明人已检查具有各种结构的合金的生产方法，并发现通过选择适当的 加热工序并控制其为强化相的γ'相的粒径可显著改进热加工性。
[0019] 根据本发明的一个方面，提供Ni基超耐热合金的生产方法，该方法包括以下步 骤：提供具有由以质量计的〇. 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和不可避免杂质构成的组成的待热加工材料；在具有 1，130至1，200°C的范围的温度下加热待热加工材料至少2小时；以至多0. 03°C/秒的冷 却速度将通过加热步骤加热的待热加工材料冷却至热加工温度以下；和冷却步骤后将待热 加工材料进行热加工。
[0020] 该方法可进一步包括在冷却步骤后或冷却步骤期间，在具有950至1，160°C的范 围、并比第一加热步骤进行的温度低的温度下加热待热加工材料至少2小时的第二加热步 骤。
[0021] 待热加工材料可具有以下组成：由以质量计的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和不可避免杂质构成。
[0022] 待热加工材料可具有由以质量计的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和不可避免杂质构成的组成。
[0023] 根据本发明的另一方面，提供具有由以质量计的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和不可避免杂质构成的 组成，并具有平均粒径为至少500nm的一次γ'相的Ni基超耐热合金。
[0024] 一次γ'相的平均粒径优选至少1μm。
[0025] Ni基超耐热合金可具有由以质量计的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和不可避免杂质构成的组成。
[0026]Ni基超耐热合金可具有由以质量计的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和不可避免杂质构成的组成。
[0027] 根据本发明的另一方面，提供Ni基超耐热合金的生产方法，该方法包括以下步 骤：将具有由以质量计的〇. 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和不可避免杂质构成的组成的锭在具有800至1，125°C 的范围的热加工温度下加热并将所得锭以1. 1至2. 5的热加工比进行第一热加工（first hotworking)以提供热加工材料；在高于第一热加工时进行的温度、并低于γ'相固溶温 度（solvustemperature)的温度范围内将热加工材料再加热以提供再加热材料；以至多 0. 03°C/秒的冷却速度将再加热材料冷却至具有700至1，125°C的范围的温度；和冷却步 骤后进行第二热加工。
[0028] 锭可具有由以质量计的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和不可避免杂质构成的组成。
[0029] 锭可具有由以质量计的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和不可避免杂质构成的组成。
[0030] 再加热步骤的温度可具有1，135°C至1，160°C的范围。
[0031] 发明的效果
[0032] 根据本发明，如果使用现有技术难以进行长时间热加工并且热加工需要大量能量 的高强度合金的热加工性可通过适当管理其生产时的素材（stock)的温度来改进，从而可 提供具有足够用于航空发动机和发电用燃气轮机等的高强度、并具有优良的热加工性的Ni 基超耐热合金，和其生产方法。
[0033] 另外，根据本发明，与常规生产方法相比，可减少加工所需的能量和时间，从而可 改进材料的产量。此外，本发明的合金具有比常规使用的合金高的强度，因此，如果本发明 的合金用于上述热力发动机（heatengine)，可增加发动机的操作温度，因此，期望本发明 的合金有助于增加热力发动机的效率。
[0034] 此外，热加工的目的在于通过反复加热并加工非均质铸造结构并另外赋予材料形 状来获得均质的再结晶结构。然而，具有上述组成的Ni基超耐热合金具有非常高的强度， 因此，即使应变（strain)量小在加工期间仍易于发生裂纹（cracks)和瑕疵（laps)，因此， 难以赋予再结晶所需的应变量，结果无法连续进行加工。根据本发明，在此类高强度构件 中，适当管理素材温度，另外，管理生产期间的变形量，从而可实现优良的热加工性。
【附图说明】
[0035][图1]图1为示出根据本发明的Ni基超耐热合金的实施