專利名稱：含有增強晶界強度成分的合金的熱處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種合金，特別是鎳基超級耐熱合金的熱處理，更具體地，涉及具有柱狀晶粒顯微結(jié)構(gòu)的鑄件。
背景技術(shù)：
US-PS 4 597 809記載了由鎳基超級耐熱合金制造單晶鑄件，其中鎳基超級耐熱合金具有基質(zhì)，其組成主要由以下構(gòu)成以重量百分比計，9.5％-14％的Cr、7％-11％的Co、1％-2.5％的Mo、3％-6％的W、1％-4％的Ta、3％-4％的Al、3％-5％的Ti、6.5％-8％的Al+Ti、0％-1％的Nb，和余量主要為鎳，這種基質(zhì)包含大約0.4-大約1.5體積的基于碳化鉭的相，因此合金中還包含約0.05％-大約0.15％的C和額外的其量相當(dāng)于1-17倍C含量的Ta。
由上述鎳基超級耐熱合金制造的單晶鑄件表現(xiàn)出橫向晶界強度有所欠缺。本發(fā)明者試圖生產(chǎn)鎳基超級耐熱合金的定向凝固(DS)柱狀晶粒鑄件。然而，產(chǎn)生的定向凝固(DS)柱狀晶粒鑄件不適于用作DS鑄件，因為在750攝氏度(1382華氏度)的溫度和660MPa(95.7Ksi)的應(yīng)力下測試時其基本沒有橫向晶界強度，也沒有延展性。橫向晶界強度和延展性如此不足以致由上述鎳基超級耐熱合金制造的DS柱狀晶粒鑄件不適于用作燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪葉片。
WO 99/67435公開了具有添加硼的鎳基超級耐熱合金鑄件以改進DS鑄件的橫向應(yīng)力破裂強度和延展性。鑄件在1250℃熱處理4小時，以完成次生相(γ’-相)的完全溶解。由于在全溶解熱處理后發(fā)生晶界破裂，使生產(chǎn)能力如此不足以致由上述鎳基超級耐熱合金制備的DS柱狀晶粒鑄件不適于用作燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪葉片。
本發(fā)明的目的是提供一種合金的熱處理，特別是鑄態(tài)合金，例如基于上述單晶鎳基超級耐熱合金的DS柱狀晶粒鑄件，其具有基本改進的橫向應(yīng)力破裂強度和延展性以及可生產(chǎn)達到，能使DS鑄件可用于高溫應(yīng)用例如燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪葉片的程度。
發(fā)明概要本發(fā)明包括一種對鑄造合金，如超級耐熱合金的熱處理，具有至少一種可改進晶界強度的添加物，如在上面描述的鎳基超級耐熱合金中的硼，在某種意義上，發(fā)現(xiàn)有效地增強用熱處理制備的定向凝固(DS)柱狀晶粒鑄件的橫向應(yīng)力破裂強度和延展性，該熱處理僅溶解部分的次生相，例如沒有進行全溶解熱處理。
硼經(jīng)常以有效量加入超級耐熱合金成分中，以基本增強硼改性的超級耐熱合金所制備的定向凝固柱狀晶粒鑄件的橫向應(yīng)力破裂強度和延展性。硼的濃度優(yōu)選控制在直至結(jié)束的超級耐熱合金成分重量的約0.003％-約0.0175％范圍內(nèi)。
在超級耐熱合金成分中添加硼的同時，碳的濃度優(yōu)選控制在超級耐熱合金成分重量的約0.05％-大約0.11％范圍內(nèi)。
依照本發(fā)明的實施方案，優(yōu)選的鎳基超級耐熱合金，以重量百分比計，主要由以下成分構(gòu)成約11.6％-12.70％的Cr、約8.50％-9.5％的Co、約1.65％-2.15％的Mo、約3.5％-4.10％的W、約4.80％-5.20％的Ta、約3.40％-3.80％的Al、約3.9％-4.25％的Ti、約0.05％-0.11％的C、約0.003％-0.0175％的B、和余量主要為鎳。硼改性的鎳基超級耐熱合金可以按照傳統(tǒng)的DS鑄件技術(shù)鑄造為DS柱狀晶粒鑄件，如眾所周知的布里曼(Bridgman)鑄模拉坯(mould withdrawal)技術(shù)。
以這方法生產(chǎn)的DS鑄件通常具有大量柱狀晶粒，其以鑄件的主應(yīng)力軸的方向伸長，<001>晶軸線通常平行于主應(yīng)力軸。在750攝氏度(1382華氏度)的溫度、660MPa(95.7Ksi)應(yīng)力下測定時本發(fā)明的DS柱狀晶粒鑄件優(yōu)選具有的應(yīng)力破裂壽命至少約100小時，并且其延伸率至少約2.5％，可以作為渦輪葉片、葉片、外部氣封和其它工業(yè)及航空燃氣渦輪發(fā)動機元件使用。
本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點將在下面的詳細描述與附圖
中更加明顯。
發(fā)明詳述選擇鎳基超級耐熱合金作為合金的典型，其按重量百分比計，主要由以下成分構(gòu)成約9.5％-14％的Cr、約7％-11％的Co、約1％-2.5％的Mo、約3％-6％的W、約1％-6％的Ta、約3％-4％的Al、約3％-5％的Ti、約0％-1％的Nb，和余量主要為Ni，并且與類似的無硼鑄件相比較，B的存在量要有效于基本增強DS鑄件的橫向應(yīng)力破裂強度。
作為增強合金中晶界強度的添加物，對比類似的無硼鑄件，硼的摻雜量的選擇要有效于對由合金制備的DS柱狀晶粒鑄件提供明顯的橫向應(yīng)力破裂強度和延展性。
優(yōu)選地，鎳基超級耐熱合金通過夾雜硼B(yǎng)而得到改進，B量為直至最后的超級耐熱合金成分重量的約0.003％-大約0.0175％范圍內(nèi)，優(yōu)選0.010％-0.015％。
在超級耐熱合金成分中添加硼的同時，碳C濃度控制在超級耐熱合金成分重量的約0.05％-大約0.11％的優(yōu)選范圍內(nèi)。硅Si、鋯Zr和鉿Hf也可以用作添加物。
此外，所有的B、C、Si、Zr和Hf的組合物也都可以。
由具有改進的熱處理的鎳基超級耐熱合金生產(chǎn)的DS鑄件的橫向應(yīng)力破裂強度和延展性，以及生產(chǎn)能力都達到可使鑄件適于用作渦輪葉片和燃氣渦輪發(fā)動機的其它元件。
一種特別優(yōu)選的硼改性的鎳基超級耐熱合金鑄件成分以重量百分比計，主要由以下成分構(gòu)成約11.6％-12.70％的Cr、約8.5％-9.5％的Co、約1.65％-2.15％的Mo、約3.5％-4.10％的W、約4.80％-5.20％的Ta、約3.40％-3.80％的Al、約3.9％-4.25％的Ti、約0.05％-0.11％的C、約0.003％-0.0175％B，和余量主要為Ni，并且可澆鑄以提供DS柱狀晶粒顯微結(jié)構(gòu)。
柱狀晶粒鑄件的DS顯微結(jié)構(gòu)通常包括約0.4-約1.5體積％的基于碳化鉭的相。
雖然不希望受任何理論限制，但是認為硼和碳趨向于遷移到DS微結(jié)構(gòu)中的晶界，以增加在高工作溫度下晶界的強度和延展性，例如燃氣渦輪發(fā)動機葉片的816攝氏度(1500華氏度)的典型溫度。由上述硼改性的鎳基超級耐熱合金生產(chǎn)的DS柱狀晶粒鑄件一般具有平行于鑄件的主應(yīng)力軸的<001>晶軸線，在750攝氏度(1382華氏度)溫度、垂直于鑄件的<001>晶軸線施加的660MPa(95.7Ksi)應(yīng)力條件下測試，其應(yīng)力破裂壽命在至少約100小時，且延伸率至少約2.5％。
例如，進行下述DS鑄件測試并對本發(fā)明提供進一步的說明，但并不限制本發(fā)明。
制備具有按上述美國專利4 597 809的鎳基超級耐熱合金成分的熔煉物#1，和具有以重量百分比計，列于表I中的下列組成的硼改性鎳基超級耐熱合金的熔煉物#1A和#2和#3。
表I熔煉物Cr Co Mo W Ta Al TiC B Ni#112.19.01.83.75.23.64.0 0.07 0.001 余量#1A 12.19.01.83.75.23.64.0 0.08 0.010 余量#212.19.01.83.75.23.64.0 0.09 0.011 余量#312.19.01.83.75.23.64.0 0.08 0.014 余量將每個熔煉物澆鑄形成具有矩形的DS柱狀晶粒無芯鑄件以按照ASTME-139試驗程序進行橫向應(yīng)力破裂實驗。DS鑄件是使用如傳統(tǒng)的布里曼鑄模拉坯定向凝固技術(shù)生產(chǎn)的。
例如，每種熔煉物是在1微米真空和1427攝氏度(2600華氏度)過熱下在傳統(tǒng)的鑄造爐的坩堝中進行熔化。過熱熔體倒入具有以包含鋯/鋁的添加泥漿/灰泥層的背面的含鋯的表面涂層的熔模精密鑄造模中。模具預(yù)熱至1482攝氏度(2700華氏度)并安裝一種急冷板以實施由模具中熔融合金移去單向熱。在急冷板上的填滿熔體的模具以6-16英寸每小時的取出速率從爐中取出，進入1微米真空的鑄造爐的固化室。
DS柱狀晶粒鑄件在固化室內(nèi)的真空下冷卻至室溫，并以傳統(tǒng)的方法使用機械落砂(knock-out)法從模具中取出，在一定溫度下熱處理熔體并以這種方式持續(xù)一段時間，以使基質(zhì)中次生相的溶解僅部分進行。
鎳基超級耐熱合金具有作為次生相的γ’-相。
對一種具有權(quán)利要求21的成分的樣品(如鎳基超級耐熱合金)，本發(fā)明的熱處理是在澆鑄后1213℃下進行至少1小時，這不是這種合金次生相(y′-相)的溶解溫度。
此外可以使用通常用于全溶解處理中的1250℃溫度(稱為全溶解溫度)但只能在次生相不完全溶解于基質(zhì)中時使用。
依照熱處理后的幾何形狀和生產(chǎn)能力，在基質(zhì)中未溶解的次生相的量小于90、70、50或30體積％，因為避免晶界破裂，以增加樣品的產(chǎn)率和所希望的樣品的機械性能。
合金可以具有單晶結(jié)構(gòu)或者僅具有沿著一個方向的晶粒。
在這溶解熱處理后對這種成分，可任選地在1080℃進行老化熱處理至少2小時。接著可任選地在870℃下進行二次老化熱處理至少12小時。
特別是，本發(fā)明的熱處理可用于空心樣品，尤其是葉片、翼、或者襯里，因為在澆鑄后通常使用的熱處理后，常常在壁中，尤其是薄壁中，比在塊狀樣品中更經(jīng)常出現(xiàn)破裂。
本發(fā)明的熱處理導(dǎo)致在這熱處理時增加晶界強度，以致在熱處理后的產(chǎn)率(不破裂的成分)增加。
作為最終產(chǎn)物的元件在工作條件下使用時橫向應(yīng)力破裂有所增強，因為晶界強度增加。
本發(fā)明的方法對塊狀元件，如燃氣渦輪也產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果。
鑄件也用于化學(xué)分析，并機器加工成樣品構(gòu)形。
應(yīng)力破裂試驗是在750攝氏度(1382華氏度)溫度和在垂直于樣品<001>晶軸線上施加660Mpa(95.7Ksi)的應(yīng)力條件下在空氣中進行。
應(yīng)力破裂試驗的結(jié)果列于下面的表II，其中以小時計的壽命(HRS)表示樣品破裂的時間，延伸率是樣品延伸至破裂，且面積的縮減是樣品至破裂的縮減面積?；€數(shù)據(jù)相當(dāng)于熔煉物#1的試驗數(shù)據(jù)，并且#1A、#2和#3數(shù)據(jù)分別相當(dāng)于熔煉物#1A、#2和#3的試驗數(shù)據(jù)?；€數(shù)據(jù)代表兩次應(yīng)力破裂試樣的平均值，同時#1A、#2和#3數(shù)據(jù)代表單次應(yīng)力破裂試樣。
表II
從表II中清楚表明從熔煉物#1產(chǎn)生的DS柱狀晶粒樣品，在750攝氏度(1382華氏度)溫度和660MPa(95.7Ksi)應(yīng)力下測試時基本沒有(如零小時應(yīng)力破裂壽命)橫向晶界強度。就是說，樣品很快破壞而提供基本上零應(yīng)力破裂壽命。而且，延伸率和面積的縮減數(shù)據(jù)基本為零。這些應(yīng)力破裂性質(zhì)如此不足以致由焙煉物#1生產(chǎn)的DS柱狀晶粒鑄件不能用作燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪葉片。
相反，表II顯示在750攝氏度(1382華氏度)溫度和660MPa(95.7Ksi)應(yīng)力下測試時，由熔煉物#1A產(chǎn)生的DS柱狀晶粒樣品具有275小時的應(yīng)力破裂壽命，3.1％的延伸率，和4.7的面積縮減，而熔煉物#2樣品具有182小時的應(yīng)力破裂壽命，2.6％的延伸率，和6.3％的面積縮減。本發(fā)明的應(yīng)力破裂性質(zhì)表明了一種超過由熔煉物#1生產(chǎn)的樣品的意外的令人驚訝的改進，并使由熔煉物#1A、#2和#3產(chǎn)生的DS柱狀晶粒鑄件更適于用作渦輪葉片及燃氣渦輪發(fā)動機中的其他部件。
本發(fā)明能有效地提供具有顯著橫向應(yīng)力破裂強度和延展性的DS柱狀晶粒鑄件。達到這些性質(zhì)而并不對其他的機械性質(zhì)產(chǎn)生負面影響，例如DS鑄件的抗張強度、抗蠕變強度、抗疲勞強度、和抗蝕性。本發(fā)明特別適用于制造大型DS柱狀晶粒工業(yè)燃氣渦輪(IGT)的葉片鑄件，其具有上述的合金成分以使鑄件具有明顯的橫向應(yīng)力破裂強度和延展性，且其在固定工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機的各級渦輪中所使用的如長度為約20厘米至約60厘米及以上，例如約90厘米。上述的硼改性的鎳基超級耐熱合金鑄件成分可以鑄造成DS柱狀晶粒或單晶元件。
本發(fā)明以其具體實施方案進行描述，但并不意味著局限于此，而是是以下所列權(quán)利要求范圍所限定。
權(quán)利要求
1.一種熱處理具有至少一種添加物的鑄造合金的方法，其可提高晶界強度，其中在澆鑄后合金具有次生相，其可在溶解溫度下溶解于合金的基質(zhì)中，其中熱處理的進行要使次生相僅部分溶解。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中至少一種老化處理是在熱處理后實施。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中熱處理的溫度低于完全溶解的溫度。
4.如權(quán)利要求1或3的方法，其中所選擇的熱處理時間要使次生相沒有完全溶解。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中對鎳或鈷基超級耐熱合金進行熱處理。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中對空芯元件進行熱處理。
1.如權(quán)利要求6的方法，其中對至少200mm長的元件進行熱處理。
2.如權(quán)利要求6的方法，其中對外壁厚度小于8mm的空芯元件進行熱處理。
3.如權(quán)利要求5的方法，其中次生相為γ’-相。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中對具有硼作為添加物的合金進行熱處理。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中對具有碳作為添加物的合金進行熱處理。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中對具有定向凝固柱狀晶粒的合金進行熱處理。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中對具有單晶結(jié)構(gòu)的合金進行熱處理。
8.如權(quán)利要求1的方法，其中選擇的熱處理參數(shù)要使引入溶液的次生相的量小于90體積％。
9.如權(quán)利要求1的方法，其中選擇的熱處理參數(shù)要使引入溶液的次生相的量小于70體積％。
10.如權(quán)利要求1的方法，其中選擇的熱處理參數(shù)要使引入溶液的次生相的量小于50體積％。
11.如權(quán)利要求1的方法，其中選擇的熱處理參數(shù)要使引入溶液的次生相的量小于30體積％。
12.如權(quán)利要求1的方法，其中熱處理是以定向凝固柱狀晶粒鎳基合金鑄件進行的，它以重量百分比計，主要由以下成分構(gòu)成約9.5％-14％的Cr，約7％-11％的Co，約1％-2.5％的Mo，約3％-6％的W，約1％-6％的Ta，約3％-4％的Al，約3％-5％的Ti，約0％-1％的Nb，和余量主要為Ni并且相比于類似的無硼鑄件，B的存在量是有效于明顯提高所述鑄件的橫向應(yīng)力破裂強度。
13.如權(quán)利要求18的方法，其中是對其中B的存在量在0.003％-0.018％重量范圍內(nèi)的合金進行熱處理。
14.如權(quán)利要求18的方法，其中熱處理后的合金在750攝氏度(1382華氏度)溫度和在垂直于所述鑄件的<001>晶軸線施加660MPa(95.7Ksi)應(yīng)力下測試時具有至少約100小時的應(yīng)力破裂壽命，具有至少約2.5％的破裂延伸率。
15.如權(quán)利要求1的方法，其中熱處理是對定向凝固柱狀晶粒鎳基合金鑄件進行，其以重量百分比計，主要由下列成分構(gòu)成約11.6％-12.70％的Cr，約8.5％-9.5％的Co，約1.65％-2.15％的Mo，約3.5％-4.10％的W，約4.8％-5.20％的Ta，約3.4％-3.80％的Al，約3.9％-4.25％的Ti，約0.05％-0.11％的C，約0.003％-0.0175％的B，余量主要為Ni，并且相比于類似無硼鑄件，基本上提高了橫向應(yīng)力破裂強度。
16.如權(quán)利要求21的方法，其中熱處理后的合金在750攝氏度(1382華氏度)溫度和在垂直于所述鑄件的<001>晶軸線施加660MPa(95.7Ksi)的應(yīng)力下測試時，具有至少約120小時的應(yīng)力破裂壽命，并具有至少大約2.5％的延伸率。
17.如權(quán)利要求1的方法，其中熱處理是對定向凝固柱狀晶粒鎳基合金鑄件進行，具有的額定成分以重量百分比計，主要由以下構(gòu)成約12.00％的Cr，約9.00％的Co，約1.85％的Mo，約3.70％的W，約5.10％的Ta，約3.60％的Al，約4.00％的Ti，約0.0125％的B，約0.09％的C，余量主要為Ni，并且在750攝氏度(1382華氏度)溫度和垂直于所述鑄件的<001>晶軸線施加660MPa(95.7Ksi)的應(yīng)力下測試時，具有至少約100小時的應(yīng)力破裂壽命，并具有至少約2.5％的破裂延伸率。
18.如權(quán)利要求1的方法，其中熱處理在澆鑄后進行。
19.如權(quán)利要求4的方法，其中使用完全溶解的溫度。
20.如權(quán)利要求6的方法，其中空芯元件是選自翼、葉片和襯里。
21.如權(quán)利要求1的方法，其中對塊狀元件進行熱處理。
22.如權(quán)利要求1的方法，其中熱處理是對具有選自鋯、硅、鉿添加物的合金進行。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有改進晶界強度元素的合金的熱處理。在澆鑄后部件直接熱處理往往會發(fā)現(xiàn)橫向晶界強度低或沒有。因此出現(xiàn)裂紋并降低生產(chǎn)率。本發(fā)明的方法不會降低橫向晶界強度，并保持足夠的晶界強度，以致增加沒有裂紋的部件的生產(chǎn)率。
文檔編號C22C19/05GK1617944SQ02827738
公開日2005年5月18日 申請日期2002年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月23日
發(fā)明者溫菲里德·埃瑟, 德克·戈德施米特, 邁克爾·奧特, 尤維·保羅, 厄休拉·皮克爾特, 拉塞爾·G·沃格特, 克里斯托弗·R·漢斯里茨 申請人:西門子公司, 豪米特研究公司