耐熱超級合金的製作方法

2023-04-22 18:43:11 1

專利名稱：耐熱超級合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及在航空發動機、發電用燃氣輪機(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：
航空發動機、發電燃氣輪機等的耐熱部件、例如渦輪圓盤，是保持葉片運動、高速旋轉的零件，其材料需要耐受非常大的離心應力、而且疲勞強度、蠕變強度、破壞韌性優異。另一方面，伴隨著燃料費(fuel consumption)和性能的提高，要求提高發動機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)相作為強化相，所述Waspaloy使比γ″相還穩定的γ′(gamma prime)相析出25vol％左右、利用其作為強化相。
從高溫化的觀點考慮，從1986年開始引入了スペシヤル·メタルズ開發的Udimet720。Udimet720是使γ′相析出45vol％左右、而且為了γ相的固熔強化而添加了鎢的、特別是耐熱特性優異的合金。但是，Udimet720的組織穩定性差，在使用中形成有害的TCP(Topologicallyclose packed)相，因此開發了Udimit720Li(U720Li/U720LI)，所述Udimit720Li實施了使鉻量減少等的改進。但是，即使在Udimit720Li中，仍然產生TCP相，長時間或者高溫下的使用受到限制。另外，有人指出，Udimit720以及720Li，因為其γ′固相線溫度(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製造均質的渦輪圓盤，成為實際應用上的問題。
要求高強度的高壓渦輪圓盤，有時候也使用以AF115、N18、Rene88DT等為代表的粉末冶金合金。粉末冶金合金，與含有大量的強化元素無關，具有可得到無偏析的均質的圓盤的優點。另一方面，為了防止夾雜物的混入，要求純度高的真空熔解、粉末分級時的篩目大小的均衡化等的高度的製造工序管理，存在成本增加的問題。
但是，對於以往的Ni基耐熱超級合金的化學組成，提出了數量眾多的改進方案，但這些方案的任何一種都是含有鈷、鉻、鉬或者鉬和鎢、鋁、還有鈦作為主要構成元素的同時，其具有代表性的是以鈮、鉭或者鈮和鉭作為必須成分。在該組成構成中，鈮、鉭的含有，雖然適用於上述的粉末冶金，但成為難以進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，沒有發現除此以外的效果，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，因為鈦具有強化γ′相的作用，因此從發揮提高拉伸強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′固相線的同時而生成有害相，得不到完善的γ′組織，從該觀點考慮，鈦的添加限制至最多5重量％左右。
因此，在現有技術中，難以提供可耐受長時間、高溫下的使用的、而且可鑄造鍛造的、製造性優異的耐熱超級合金。

發明內容
本發明是鑑於以上的問題而做出的發明，目的是提供作為渦輪圓盤或者渦輪葉片用等有用的，長時間、高溫下的耐熱耐久特性優異的，而且可鑄造鍛造，製造性也優異的新型耐熱超級合金。
而且，本發明提供具有以上的穩定的組織、達到高的高溫強度的耐熱超級合金。
即，本發明的發明人發現，在渦輪圓盤或渦輪葉片用的耐熱超級合金中，通過在19.5質量％-55質量％的範圍內積極地添加鈷，可抑制有害的TCP相、達到高的高溫強度。
另外發現，通過和鈷同時以規定的比例增加鈦，即使為高的合金濃度也能使γ/γ′的2相組織穩定化，達到更高的高溫強度。而且，發明人通過適當地控制鈷、鈦等的主要構成元素的組成，實現製造性也優異的耐熱超級合金。
進而，發明人還發現，Co3Ti合金具有和耐熱超級合金的強化相即γ′相同樣的結晶結構，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定的合金組織。
本發明是根據該知識見解而完成的發明，特徵如下1.一種耐熱超級合金，其組成，以質量％計，含有19.5-55％的鈷、2％-25％的鉻、0.2％-7％的鋁、3％-15％的鈦、殘餘的鎳和不可避免的雜質。
2.如上述第1所述的耐熱超級合金，其中，鈦，以質量％計，在5.5％-15％的範圍內含有。
3.如上述第1所述的耐熱超級合金，其中，鈦，以質量％計，在6.1％-15％的範圍內含有。
4.如上述第1-3的任意一項所述的耐熱超級合金，其中，鋁，以質量％計，在從0.2％至不到2.0％的範圍內含有。
5.如上述第1-4的任意一項所述的耐熱超級合金，其中，以質量％計，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，以質量％計，在不到3％的範圍內含有。
7.如上述第5所述的耐熱超級合金，其中，鎢，以質量％計，在不到3％的範圍內含有。
8.如上述第5-7的任意一項所述的耐熱超級合金，其特徵在於，鈷，以質量％計，在23.1％-55％的範圍內含有。
9.如上述第1-8的任意一項所述的耐熱超級合金，其特徵在於，以質量％計，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的任意一項所述的耐熱超級合金，其特徵在於，在其組成中，以質量％計，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.以質量計，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，其特徵在於，以質量％計，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、殘餘的鎳和不可避免的雜質。
13.一種耐熱超級合金，其特徵在於，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，其特徵在於，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種或者多種方法而製造。


圖1是對本發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是表示對本發明和以往的耐熱超級合金以及不包含在本發明中的合金進行壓縮試驗得到的結果的圖。
圖3是表示本發明和以往的耐熱超級合金以及不包含在本發明中的合金的高溫強度的圖。
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結果的圖。
圖6是例示壓延材料的蠕變試驗結果的圖。
圖7是表示實施例合金1的壓延材料的微組織的照片。
圖8是表示實施例合金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結果的圖。
具體實施例方式
在本發明中，為了抑制TCP相、提高高溫強度，積極地添加19.5質量％以上的量的鈷。由此，即使鈦的量在3質量％-15質量％的範圍內也可實現高的高溫強度。另外，在和鈦複合添加的情況下，例如，以Co-Ti合金方式添加的情況下，通過鈷為19.5質量％以上、鈦為6.1質量％以上，可實現高的高溫強度。即使在含有鈷25質量％以上、另外28質量％以上、進而至多55質量％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，還產生鍛造性提高的效果。但是，根據高溫壓縮試驗結果，含有鈷為56質量％以上的合金，其到750℃之前的強度比以往的合金的強度低，因此必須避免添加56質量％以上的鈷。
因為鈦強化γ′、引起強度的提高，故有必要添加3質量％以上。如上所述，在和鈷一起複合添加的情況下，相穩定性更優異、可實現高強度。含量為6.1質量％以上、或者6.7質量％以上、進而7質量％以上也同樣可得到優異的效果。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定、強度高的合金。但是，如果鈦的含量超過15質量％，有害相即η相的生成等變得顯著，因此其含量以15質量％為上限。
為了強化γ相、提高高溫強度，添加鉬以及鎢。優選在上述的規定範圍內含有。如果超出規定含量的範圍，密度變大。即使鉬不到3質量％、例如2.6質量％以下、鎢不到3質量％、例如1.5質量％以下也是有效的。
為了耐環境性和疲勞龜裂傳播特性的改善，添加鉻。如果不到上述的規定範圍的含量，得不到希望的特性，如果超過規定含量的範圍，生成有害的TCP相。鉻的含量，優選16.5質量％以下。
鋁是形成γ′相的元素，在上述規定範圍內調整其含量以使γ′相為優選的量。
為了得到延展性和韌性，添加上述規定範圍的含量的鋯、碳以及硼。如果超過規定範圍的含量，會使蠕變強度降低、或工藝窗口變窄等。
作為其它的元素，即鈮、鉭、錸、釩、鉿、鐵、鎂，根據和以往技術同樣的理由，使它們的含量在上述規定範圍內。
另外，在本發明中，認為鈦的質量％在下式表示的範圍內也是合適的。
0.17×(鈷的質量％-23)+3以上0.17×(鈷的質量％-20)+7以下。
因此，以下表示實施例、更詳細地進行說明。當然發明不受以下的實施例的限定。
實施例1
通過熔煉製作具有下表1表示的組成的合金A-L。在這些合金中，包含在本發明內的合金為A-K，合金L是比較例、鈷的含量超出本發明的範圍。
表1

組成為重量％。
比較本發明的合金C和以往的U720Li合金的微觀組織。如圖1所示，在750℃下進行240小時熱處理後的合金中，在U720Li合金中觀察到有害相即TCP相。另一方面，在本發明的合金C中，沒有觀察到TCP相，可確認具有優異的組織穩定性。
使用本發明的合金A、C、E以及I和以往的U720Li合金、以及不包含在本發明中的合金L，進行壓縮試驗，比較其結果。結果如圖2和圖3所示。
如圖2所示，本發明的合金A、C、E以及I，在700℃-900℃的高溫強度比U720Li合金以及合金L優異。特別是比U720Li合金優異得多。本發明的合金A、C、E以及I，在渦輪圓盤的使用領域附近的高溫強度高。
另一方面，1000℃以上的高溫強度，本發明的A、C、E以及I和以往的U720Li合金一樣。此意味著本發明的合金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合金相同程度的製造性。
從圖3所示的高溫強度的結果可知，鈷的含量在55質量％以下是合適的。可估計特別優選的鈷和鈦的含量，鈷為23質量％以上、35質量％以下，鈦為6.3質量％以上、8.6質量％以下。
實施例2
和實施例1同樣地操作，製作具有下表2的組成的合金(alloy)1～25。其中，合金25的組成是本發明的範圍外的比較例合金。
表2

圖4一併表示對通過現有技術得到的720LI以及作為本發明的實施例的合金2進行壓延的結果的外觀照片。在和U720LI同樣壓延時不產生裂紋、可觀察到能很好地壓延的情況。雖然此處只顯示出合金2，但也確認即使在其它的實施例合金中，也表示出和以往的合金同等以上的壓延性。可以表明，本發明具有以往的合金強度以上的高強度，同時不損害壓延性。
另外，表3表示從壓延材料選取的試驗片在750℃下的拉伸試驗結果。任何一個實施例合金都顯示出比以往U720LI還優異的拉伸強度，可確認合金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片在650℃/628MPa下達到約1000小時的蠕變曲線。可以表明顯示出比U720LI優異的蠕變特性。可以表明特別是合金1、合金5顯示出極其優異的特性。
圖7和圖8分別表示在實施例合金1以及3中為了確認長時間相穩定性而進行的在750℃下、保持1000小時的試驗後的微觀組織。沒有發現稱為TCP相的有害相，可知本發明合金具有穩定性極其好的金屬組織。
圖9一併表示比較例25的組織以及實施例合金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。可以表明，本發明合金通過添加Co，實現了優異的相穩定性。
圖10表示從電弧錠選取的試驗片在各溫度下的壓縮試驗結果。可以表明，在任何溫度下實施例合金都具有遠遠高於以往的U720LI的強度。
而且，表4表示對於不含Mo或者W的實施例合金和添加了Nb或者Ta的實施例合金，從電弧錠選取的試驗片在750℃下的壓縮試驗結果。可以表明，任何實施例都具有優異的特性。
表4

如上詳細的說明，通過本發明，提供作為噴氣式發動機、燃氣輪機的關鍵部件(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度，可認為其為限度，但本發明提供了超過其的耐熱超級合金。
權利要求
1.一種耐熱超級合金，其組成，以質量％計，含有19.5-55％的鈷、2％-25％的鉻、0.2％-7％的鋁、3％-15％的鈦、殘餘的鎳和不可避免的雜質。
2.如權利要求1所述的耐熱超級合金，其中，鈦，以質量％計，在5.5％-15％的範圍內含有。
3.如權利要求1所述的耐熱超級合金，其中，鈦，以質量％計，在6.1％-15％的範圍內含有。
4.如權利要求1-3的任意一項所述的耐熱超級合金，其中，鋁，以質量％計，在從0.2％至低於2.0％的範圍內含有。
5.如權利要求1-4的任意一項所述的耐熱超級合金，其中，以質量％計，含有至多10％的鉬以及至多10％的鎢的至少任一種。
6.如權利要求5所述的耐熱超級合金，其中，鉬，以質量％計，在低於3％的範圍內含有。
7.如權利要求5所述的耐熱超級合金，其中，鎢，以質量％計，在低於3％的範圍內含有。
8.如權利要求5-7的任意一項所述的耐熱超級合金，其特徵在於，鈷，以質量％計，在23.1％-55％的範圍內含有。
9.如權利要求1-8的任意一項所述的耐熱超級合金，其特徵在於，以質量％計，含有至多5％的鈮以及至多10％的鉭的至少任一種。
10.如權利要求1-9的任意一項所述的耐熱超級合金，其特徵在於，在其組成中，以質量％計，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.如權利要求1-10的任意一項所述的耐熱合金，其中，以質量計，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，其特徵在於，以質量％計，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、殘餘的鎳和不可避免的雜質。
13.一種耐熱超級合金，其特徵在於，其是向權利要求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，其特徵在於，其是向權利要求12所述的耐熱超級合金中添加Co-20at％Ti合金而獲得。
15.如權利要求1-11的任意一項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，其是使用權利要求1-15的任意一項所述的耐熱超級合金，通過鑄造、鍛造、粉末冶金的1種或者多種方法來製造。
全文摘要
本發明提供一種新型耐熱超級合金，其組成，以質量％計，含有19.5－55％的鈷、2％－25％的鉻、0.2％－7％的鋁、3％－15％的鈦、殘餘的鎳和不可避免的雜質。
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 優先權日2004年12月2日
發明者原田廣史, 谷月峰, 崔傳勇, 大澤真人, 佐藤彰洋, 小林敏治 申請人:獨立行政法人物質·材料研究機構