專利名稱：熱處理Ni基超合金制品的方法和由其制造的制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主題涉及熱處理Ni基超合金的方法和由其制造的制品。更具體地 講，本發(fā)明涉及熱處理Ni基超合金以提供合乎需要的屈服強(qiáng)度、延性和高溫停留時(shí)間裂 紋耐性的方法和由其制造的制品。
背景技術(shù)：
在噴氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和地面渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間通常遇到高溫和應(yīng)力。為了保證 在長時(shí)間工作期間可靠的渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在這些渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的部件必須在超過850° F的 溫度保持負(fù)荷下的高強(qiáng)度和其他性質(zhì)。長期以來已認(rèn)識(shí)Ni基超合金在高溫下具有使它們 合乎需要地用于具有高工作溫度的關(guān)鍵渦輪機(jī)部件(如渦輪、燃燒器、隔板、葉片/葉輪 等)的性質(zhì)。相信Y"的析出有助于很多這些Ni基超合金在高溫的優(yōu)良性能。因此， Ni基超合金，如合金706、合金718、合金625和合金725，已廣泛用于形成用于地面發(fā) 電使用的渦輪機(jī)中的這些部件。由合金706制造并在過去已對(duì)其進(jìn)行工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兩步時(shí)效熱處理的工業(yè)燃?xì)鉁u輪 機(jī)轉(zhuǎn)子在完全壽命之前在工作期間沿著晶粒間界已經(jīng)裂化。通過更嚴(yán)格的制造過程(包 括引起壓縮殘余應(yīng)力的表面處理)，并通過由已對(duì)其進(jìn)行兩步時(shí)效熱處理的合金718或合 金706制造較新的轉(zhuǎn)子，已部分解決這一問題。然而，隨著工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)和蒸汽渦輪 機(jī)的工作溫度和應(yīng)力要求的提高，合金706、合金718、合金725或CustomAge 625PLUS 均不能滿足這些要求，并且必須由具有強(qiáng)度、延性和停留時(shí)間抗裂紋性的更佳組合同時(shí) 也保持優(yōu)異的耐腐蝕性(優(yōu)選保持至少與合金706和合金718—樣高的耐腐蝕性，更優(yōu)選 保持至少與合金725和CustomAge 625PLUS 一樣高的耐腐蝕性)的合金代替。因此，需要研發(fā)具有改善的TDCPR、強(qiáng)度和延性并且也提供優(yōu)異的耐腐蝕性的 Ni基超合金和制造此Ni基超合金的方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明公開一種熱處理Ni基超合金制品的方法。所述 方法包括熱加工制品，所述制品包括含至少約55%重量Ni的NiCrMoNbTi超合金，以產(chǎn) 生熱加工微結(jié)構(gòu)。所述方法還包括在約1600° F至約1750° F的溫度固溶處理制品約1 小時(shí)至約12小時(shí)，以形成部分重結(jié)晶的熱加工微結(jié)構(gòu)。所述方法還包括使制品冷卻。所 述方法還包括在約1300° F至約1400° F的第一時(shí)效析出溫度時(shí)效析出制品約4小時(shí)至 約12小時(shí)的第一時(shí)間。所述方法進(jìn)一步包括使制品冷卻到第二時(shí)效析出溫度。所述方 法更進(jìn)一步包括在約1150° F至約1200° F的第二時(shí)效析出溫度使制品時(shí)效析出約4小 時(shí)至約12小時(shí)的第二時(shí)間。所述方法更進(jìn)一步包括使制品從第二時(shí)效析出溫度冷卻到環(huán) 境溫度。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，NiCrMoNbTi超合金制品包含至少約55%重量Ni，
并且具有部分重結(jié)晶的熱加工微結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，NiCrMoNbTi超合金包含至少約55%重量Ni，具有 部分重結(jié)晶的熱加工微結(jié)構(gòu)，并且具有在空氣中在約1100° F至少約2400小時(shí)的靜態(tài)抗 裂紋擴(kuò)展性。通過以下詳述并結(jié)合附圖，這些和其他優(yōu)點(diǎn)及特征將變得更加顯而易見。


被認(rèn)作本發(fā)明的主題在說明書結(jié)尾的權(quán)利要求書中特別指出并清楚地要求保 護(hù)。通過以下詳述并結(jié)合附圖，本發(fā)明的前述和其他特征和優(yōu)點(diǎn)顯而易見，其中圖1為渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的示例性實(shí)施方案的橫截面示意圖，所述渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)具有包 含本文公開的合金的渦輪機(jī)部件；圖2為本文公開的靜態(tài)裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)樣品的前視圖；圖3為本文公開的熱處理方法的示例性實(shí)施方案的流程圖；圖4為本文公開的合金的部分重結(jié)晶熱加工微結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施方案的顯微相 片；圖5為本文公開的合金的示例性實(shí)施方案的0.2%屈服強(qiáng)度與試驗(yàn)溫度關(guān)系圖；圖6為本文公開的合金的示例性實(shí)施方案的面積減少(RA)與試驗(yàn)溫度關(guān)系圖；圖7為本文公開的合金A主化學(xué)組成和DoEl元素水平的表；圖8為本文公開的DoEl合金A熱化學(xué)組成的表；圖9為本文公開的DoEl合金A機(jī)械性質(zhì)的表；圖10為本文公開的合金B(yǎng)主化學(xué)組成和DoE2元素水平的表；圖11為本文公開的DoE2合金B(yǎng)熱化學(xué)組成的表；圖12為本文公開的DoE2合金B(yǎng)機(jī)械性質(zhì)的表；圖13為本文公開的DoE2固溶處理基體的表；圖14為本文公開的DoE2固溶處理拉伸強(qiáng)度和抗裂紋擴(kuò)展性的表；圖15為本文公開的DoE3化學(xué)組成固定元素的表；圖16為本文公開的DoE3化學(xué)組成可變元素的表；圖17為本文公開的DoE3合金C機(jī)械性質(zhì)的表；圖18為本文公開的在750° F的0.2% YS與在75° F的RA的關(guān)系圖；圖19為本文公開的DoE3和合金706合金的靜態(tài)裂紋擴(kuò)展的比較表；圖20為本文公開的優(yōu)選合金化學(xué)組成(％重量)的表；圖21為本文公開的熱2B1、熱處理O的顯微相片；圖22為本文公開的熱2B1、熱處理C的顯微相片；所述詳細(xì)說明通過實(shí)施例并參照

本發(fā)明的實(shí)施方案與優(yōu)點(diǎn)和特征。
具體實(shí)施例方式按照本說明書意圖，在單個(gè)或系列數(shù)值前的副詞“約”的出現(xiàn)應(yīng)解釋為包括各 個(gè)和每個(gè)值，除非明確指明相反情況。在以下描述中，類似的引用字符指示在圖中顯示的數(shù)個(gè)視圖中類似或相當(dāng)?shù)牟?件。術(shù)語如“頂部”、“底部”、“向外”、“向內(nèi)”等為方便用詞，不要解釋為限制
5性術(shù)語。本發(fā)明公開一種相對(duì)于現(xiàn)有市售合金(包括含合金725或Custom Age 625PLUS 種類的那些合金以及合金718或合金706的那些合金)兩步時(shí)效處理(two-step age)改 善鑄造和鍛造Ni基超合金的室溫和工作溫度強(qiáng)度(包括屈服強(qiáng)度)、室溫和工作溫度 延性和TDCPR的熱處理方法，和具有所得微結(jié)構(gòu)或應(yīng)用此熱處理方法的機(jī)械性質(zhì)特性 的組合的合金。例如，如工業(yè)上使用，合金706兩步時(shí)效處理的平均0.2%屈服強(qiáng)度 (YS)<148ksi,極限拉伸強(qiáng)度(UTS) <183ksi，RA《24 %。有利的是，還預(yù)料本文所述 并根據(jù)本文公開方法加工的合金具有比合金706或合金718更佳的耐腐蝕性，因?yàn)橐阎@ 是這些材料的常規(guī)市售合金的情況。這些高耐腐蝕性、析出或時(shí)效可硬化的Ni基超合金一般可描述為NiCrMoNbTi 超合金，此超合金也可包含偶存或痕量的B、Co、Ta和V。所公開的熱處理方法 適用于Special Metals Corporation和其他公司制造的常規(guī)鑄造和鍛造的INCONEL Alloy 725 (UNS N07725)禾口 Carpenter Technology 制造的 Custom Age 625 PLUS Alloy(UNSN07716)。這些合金的主要區(qū)別是合金中Ni的量，如本文進(jìn)一步描述。因 此，所述Ni基超合金組合物包括約55.0至63.0%重量Ni、約19.0至22.5 %重量Cr、約 6.5至9.5%重量Mo、約2.75至4.5%重量Nb、約1.0至2.3%重量Ti、至多約0.35%重量 Al、至多約0.35%重量Mn、至多約0.20%重量Si、至多約0.010%重量S、至多約0.20% 重量C和至多約0.015%重量P，其余為Fe和偶存或痕量的雜質(zhì)。這些Ni基超合金也 可包含作為偶存雜質(zhì)或作為痕量成合金添加物的至多約0.05%重量V、至多約0.05%重量 Ta、至多約1.0%重量Co或至多約0.02%重量B或其組合，更具體可包含0.20%重量或更 少的Co和0.006%重量或更少的B。在下表1中給出合金725 (UNS N07725)和Custom Age625 PLUS (UNS N07716)的標(biāo)稱商業(yè)組成表 權(quán)利要求
1.一種熱處理(100)制品(12)的方法，所述制品包括含至少約55%重量Ni并且具有 熱加工微結(jié)構(gòu)的NiCrMoNbTi超合金，所述方法包括在約1600° F至約1750° F的溫度固溶處理(110)制品(12)約1小時(shí)至約12小時(shí)， 以形成部分重結(jié)晶的熱加工微結(jié)構(gòu)；使制品(12)冷卻(120)；在約1300° F至約1400° F的第一時(shí)效析出溫度時(shí)效析出(130)制品(12)約4小時(shí) 至約12小時(shí)的第一時(shí)間；使制品(12)冷卻(140)到第二時(shí)效析出溫度；在約1150° F至約1200° F的第二時(shí)效析出溫度時(shí)效析出(150)制品(12)約4小時(shí) 至約12小時(shí)的第二時(shí)間；并且使制品(12)從第二時(shí)效析出溫度冷卻(160)到環(huán)境溫度。
2.權(quán)利要求1的方法，其中使制品冷卻進(jìn)一步包括使制品(12)冷卻(120)到環(huán)境溫度；并且將制品(12)再加熱(125)到第一時(shí)效析出溫度。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述超合金包含約55.0至63.0%重量Ni、約19.0至22.5% 重量Cr、約6.5至9.5%重量Mo、約2.75至4.5%重量Nb、約1.0至2.3%重量Ti、至多 約0.35%重量Al、至多約0.35%重量Mn、至多約0.20%重量Si、至多約0.010%重量S、 至多約0.20%重量C和至多約0.015%重量P，其余為Fe和偶存或痕量的雜質(zhì)。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述Ni基超合金具有在約室溫至少約187ksi的0.2%屈服 強(qiáng)度和在約750°C至少約165ksi的0.2%屈服雖度，在約室溫至少約24%的面積減少和在 約1150°C至少約31%的面積減少，在空氣中在約593°C和一定應(yīng)力強(qiáng)度因子(k)至少約 2400小時(shí)的停留時(shí)間抗裂紋擴(kuò)展性，其中k = 28ksi-(in.)氣
5.一種NiCrMoNbTi超合金制品(12)，所述制品包含至少約55%重量Ni，并且具有 部分重結(jié)晶的熱加工微結(jié)構(gòu)。
6.權(quán)利要求5的制品，其中所述部分重結(jié)晶的熱加工微結(jié)構(gòu)包括具有大于約10度的 至少一些晶粒錯(cuò)誤取向的相鄰晶粒。
7.權(quán)利要求5的制品，其中所述超合金包含約55.0至63.0%重量Ni、約19.0至22.5% 重量Cr、約6.5至9.5%重量Mo、約2.75至4.5%重量Nb、約1.0至2.3%重量Ti、至多 約0.35%重量Al、至多約0.35%重量Mn、至多約0.20%重量Si、至多約0.010%重量S、 至多約0.20%重量C和至多約0.015%重量P，其余為Fe和偶存或痕量的雜質(zhì)。
8.權(quán)利要求5的制品，其中所述Ni基超合金具有在約室溫至少約187ksi的0.2%屈服 強(qiáng)度和在約750°C至少約165ksi的0.2%屈服雖度，在約室溫至少約24%的面積減少和在 約1150°C至少約31%的面積減少，在空氣中在593°C約28ksi_(in.) V2的應(yīng)力強(qiáng)度因子利 用約1099Ibs負(fù)荷至少約2400小時(shí)的停留時(shí)間抗裂紋擴(kuò)展性。
9.權(quán)利要求5的制品，其中所述超合金組合物包含約59.0至63.0%重量Ni、約19.0 至22.5%重量Cr、約6.5至9.5%重量Mo、約2.75至4.5%重量Nb、約1.0至2.3%重量 Ti、至多約0.35%重量Al、至多約0.20%重量Mn、至多約0.20%重量Si、至多約0.010% 重量S、至多約0.20%重量C和至多約0.015%重量P，其余為Fe和偶存或痕量的雜質(zhì)； 或約55.0至59.0%重量Ni、約19.0至22.5%重量Cr、約6.5至9.5%重量Mo、約2.75至·4.5%重量Nb、約1.0至2.3%重量Ti、至多約0.35%重量Al、至多約0.35%重量Mn、至 多約0.20%重量Si、至多約0.010%重量S、至多約0.03%重量C和至多約0.015%重量 P，其余為Fe和偶存或痕量的雜質(zhì)。
10. 一種NiCrMoNbTi超合金，所述超合金包含至少約55%重量Ni，具有部分重結(jié)晶 的熱加工微結(jié)構(gòu)，和在空氣中至少約2400小時(shí)的靜態(tài)抗裂紋擴(kuò)展性。
全文摘要
本發(fā)明公開一種熱處理(100)Ni基超合金制品(12)的方法。方法(100)包括熱加工制品(12)，制品(12)包括含至少約55％重量Ni的NiCrMoNbTi超合金，以產(chǎn)生熱加工微結(jié)構(gòu)；在約1600°F至約1750°F的溫度固溶處理(110)制品(12)約1至約12小時(shí)，以形成部分重結(jié)晶的熱加工微結(jié)構(gòu)；并使制品(12)冷卻(120)。方法還包括在約1300°F至約1400°F的第一時(shí)效析出溫度時(shí)效析出(130)制品(12)約4小時(shí)至約12小時(shí)的第一時(shí)間；使制品(12)冷卻(140)到第二時(shí)效析出溫度；使制品在約1150°F至約1200°F的第二時(shí)效析出溫度時(shí)效析出約4小時(shí)至約12小時(shí)的第二時(shí)間；并使制品(12)從第二時(shí)效析出溫度冷卻(160)到環(huán)境溫度。
文檔編號(hào)C22C19/05GK102021508SQ20101029350
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月15日
發(fā)明者J·A·豪克, R·C·施萬特 申請(qǐng)人:通用電氣公司