耐熱性Ni基合金及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及適合作為噴氣發(fā)動機、燃氣輪機等高溫構件、摩擦攪拌焊接（FSW)的 工具等的構成材料且具有新組成的Ni基耐熱合金及其制造方法。具體而言，涉及耐熱性、 抗氧化性比以往的Ni基合金更優(yōu)良且即使暴露在嚴苛的高溫氣氛中也可以維持必要強度 的合金。
【背景技術】
[0002] 作為這種耐熱性合金，已知Ni基合金、Co基合金等，但近年來，為了提高各種熱機 的燃料效率、降低環(huán)境負荷而強烈要求熱效率的改善，提高其構成材料的耐熱性的要求變 得更嚴苛。因此，正在研究開發(fā)替代以往的Ni基、Co基合金的新型耐熱材料，并發(fā)表了大 量研究報告。
[0003] 例如，本申請發(fā)明人公開了作為Ir基合金的Ir-Al-W系合金作為替代Ni基合金 的新的耐熱合金（專利文獻1)。作為該耐熱合金的強化機制，利用具有Ll2結(jié)構的金屬間 化合物即Y '相（Ir3(Al，W))的析出強化作用。Y '相呈現(xiàn)出隨著溫度上升、強度也增高的 逆溫度依賴性，因此，能夠?qū)辖鹳x予優(yōu)良的高溫強度、高溫蠕變特性。需要說明的是，該基 于Y '相的強化作用的利用與以往的Ni基耐熱合金是同樣的。
[0004] 現(xiàn)有技術文獻
[0005] 專利文獻
[0006] 專利文獻1 :日本專利第4833227號說明書

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 發(fā)明所要解決的問題
[0008] 上述的由本發(fā)明人提出的Ir基耐熱合金從相對于以往的Ni基耐熱合金改善高溫 強度的觀點考慮是令人滿意的，但也存在問題。即，該Ir基合金（Ir-Al-W系合金）被指出 盡管硬度高、但韌性差這一問題，特別是被認為由于脆的B2型的金屬間化合物（IrAl，以下 記為B2相）殘留而存在進一步變脆的傾向。
[0009] 而且，Ir基合金還被指出其制造性問題，由于熔點過高而擔心熔化、鑄造工序時的 成本。此外，本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，Ir基合金在鑄造、凝固時容易發(fā)生破裂，難以制造沒有缺陷 的產(chǎn)品。
[0010] 本發(fā)明是基于如上所述的背景而完成的，其目的在于提供高溫強度、特別是韌性 優(yōu)良并且還考慮到制造性的耐熱合金。
[0011] 用于解決問題的方法
[0012] 為了解決上述問題，本發(fā)明人對上述Ir基合金的韌性不足的原因進行了研究。然 后，結(jié)果認為，對于以往的Ir基合金而言，晶粒內(nèi)強度遠高于晶界強度，優(yōu)先發(fā)生晶界斷 裂，因此，合金整體上的韌性不足。對這一點進行說明，Ir原本是高硬度、但脆的金屬，除此 之外，還具有T'相在晶粒內(nèi)析出的傾向。因此認為，僅晶粒內(nèi)被強化，從而進行這樣的欠 缺平衡的強化。因而認為，該晶粒內(nèi)強度與晶界強度的失衡與鑄造、凝固時的破裂發(fā)生也有 關。
[0013] 本發(fā)明人考慮到如上所述的Ir基合金所存在的問題，想到應用Ni基合金來代替 以Ir為主要成分的合金。這是由于，對于Ni基合金而言，其高溫強度暫且不論，從韌性的 觀點考慮，是具有良好特性的合金體系。另外，關于Ni基合金，迄今為止的見解也豐富，通 過根據(jù)需要添加添加元素，能夠使析出物在晶界析出。因此，能夠進行與晶粒內(nèi)強度的提高 相適應的晶界強度的強化，也能夠使兩者的平衡良好。
[0014] 另一方面，Ni基合金的熔點通常為約1300°C~約1400°C，存在如下的根本性問 題：達到高溫時，接近熔點，因此發(fā)生軟化。另外，以往的Ni基合金的高溫強度降低的原因 也是由于Y '相（Ni3Al)在高溫下消失這樣的高溫穩(wěn)定性的不足。
[0015] 因此，本發(fā)明人進行了進一步的研究，發(fā)現(xiàn)了 Ir和W作為提高Ni基合金中的基質(zhì) 相（Y相）和Y '相的高溫穩(wěn)定性的添加元素。并且發(fā)現(xiàn)，通過利用由Ir添加帶來的固相 溫度的上升作用以及由Ir和W添加帶來的Y '相的穩(wěn)定性提高作用這兩者，可以提高合金 整體的耐熱性，在維持以往的Ni基合金所具有的高韌性的同時發(fā)揮超過以往的Ni基合金 的高溫強度，從而想到了本發(fā)明。
[0016] 即，本發(fā)明是一種包含Ni基合金的耐熱材料，其是包含在Ni中添加有作為必需添 加元素的Ir、Al和W的Ni-Ir-Al-W合金的耐熱性Ni基合金，其中，所述耐熱性Ni基合金 含有Ir :5. 0~50. 0質(zhì)量％、Al :1. 0~8. 0質(zhì)量％、W :5. 0~25. 0質(zhì)量％且余量由Ni構 成，具有Ll2結(jié)構的Y '相作為必需的強化相分散在基質(zhì)中。
[0017] 以下，對本發(fā)明進行詳細說明。如上所述，本發(fā)明的耐熱合金是以Al、Ir、W為必需 添加元素的Ni基合金。并且，在本發(fā)明中，作為合金的強化因子，使具有Ll 2結(jié)構的y'相 分散。本發(fā)明中的相為（Ni，Ir)3(Al，W)?；谠撓嗟奈龀鰪娀饔门c以往的Ni基 合金、Ir基合金相同，并且y'相在強度方面具有逆溫度依賴性，因此高溫穩(wěn)定性也良好。 而且，在本發(fā)明中，如后所述，y '相的尚溫穩(wěn)定性進一步提尚并且合金自身（y相）的尚 溫強度也提高，因此，相對于以往的Ni基耐熱合金，即使暴露在更高的高溫氣氛下也可維 持優(yōu)良的高溫特性。
[0018] 此處，作為添加元素的Al是y '相的主要構成元素，是該析出所必需的成分。在 Al低于I. 0質(zhì)量％時，y '相不析出，或者即使析出也不會形成可有助于提高高溫強度的狀 態(tài)。另一方面，隨著Al濃度的增加，y '相的比例增加，但過量添加Al時，B2型的金屬間化 合物（NiAl，以下有時稱作B2相）的比例增加而變脆，從而使合金的強度降低，因此，將Al 量的上限設定為8.0質(zhì)量％。需要說明的是，Al還有助于提高合金的抗氧化性。Al優(yōu)選設 定為1.9~6. 1質(zhì)量％。
[0019] W是有助于Ni基合金中的y'相在高溫下的穩(wěn)定化的成分，是其主要構成元素。 以往尚未獲知在Ni基合金中通過W的添加而使y'相穩(wěn)定化，但根據(jù)本發(fā)明人，通過W的 添加，能夠提高y'相的固溶溫度，能夠確保在高溫下的穩(wěn)定性。該W在低于5.0質(zhì)量％的 添加時，T'相的高溫穩(wěn)定性的提高不充分。另一方面，超過25.0質(zhì)量％的過量添加會助 長以比重大的W為主要成分的相的生成，容易產(chǎn)生偏析。需要說明的是，W還具有使合金的 基質(zhì)固溶強化的作用。W優(yōu)選為10.0~20.0質(zhì)量％。
[0020] 此外，Ir是通過固溶于基質(zhì)（Y相）中并且對Y '相的Ni進行部分置換而使Y 相和T'相各自的固相線溫度、固溶溫度上升從而提高耐熱性的添加元素。Ir為5. O質(zhì)量％ 以上時，顯示出添加效果，但過量添加時，會增大合金的比重，并且合金的固相線溫度達到 高溫，因此，將上限設定為50.0 質(zhì)量％。Ir優(yōu)選設定為10.0 ~45. O質(zhì)量％。
[0021] 如上所述，本發(fā)明的Ni基合金中，將Al、W、Ir的添加量設定為上述范圍，即使在高 溫下也使可以作為強化相發(fā)揮作用的Y'相析出，這是根據(jù)本發(fā)明人的研究結(jié)果而明確的 數(shù)值范圍。
[0022] 本發(fā)明的Ni基合金通過y '相的適當分散而改善高溫強度，但不完全排除其他相 的生成。即，在以上述范圍添加A1、W、Ir的情況下，根據(jù)組成，不是僅析出y'相，有時還 會析出B2相。另外，對于該Ni-Al-W-Ir四元系合金而言，存在D019結(jié)構的e'相也析出 的可能性。本發(fā)明的Ni基合金即使存在這些y'相以外的析出物，也可確保高溫強度。不 過，本發(fā)明的Ni基合金中，B2相的析出相對地得到了抑制。
[0023] 而且，本發(fā)明的Ni基耐熱合金中，為了進一步提尚其尚溫特性或提尚附加特性， 可以添加追加的添加元素。作為該追加的添加元素，可以舉出B、Co、Cr、Ta、Nb、Ti、V、Mo。
[0024] B是在晶界偏析而使晶界強化的合金成分，有助于提尚尚溫強度、延展性。B的添 加效果在0. 001質(zhì)量％以上時變得顯著，但過量添加對于加工性而言是不優(yōu)選的，因此，將 上限設定為0. 1質(zhì)量％。優(yōu)選的B的添加量設定為0. 005~0. 02質(zhì)量％。
[0025] Co對于使y '相的比例增加而使強度上升是有效的。Co與y '相的Ni發(fā)生部分 置換，成為其構成元素。這樣的效果在5. 0質(zhì)量％以上的Co添加時觀察到，但過量添加會 使Y '相的固溶溫度降低，從而