[发明专利]控制锻造析出强化合金晶粒尺寸的方法及由此形成的构件

说明书

技术领域

本发明大体涉及用于加工金属合金的方法。更特别地，本发明涉及用于生产锻造超级合金制品的方法，其中，在过固溶线(supersolvus)热处理之后，锻造制品中的细晶粒尺寸能够保持，使得该制品的特点在于带有期望的晶粒尺寸的微观结构。

背景技术

用于发电工业中的固定式(land-based)燃气涡轮发动机的转子构件通常由铁基或镍基合金形成。对于某些高级的固定式燃气涡轮发动机，例如通用电气公司的H和FB级燃气涡轮，转子构件目前由伽马双撇号(gamma double-prime)(γ″)析出强化的镍基超级合金形成，如合金718和合金706。例如，轮(盘)和间隔件已由铸锭形成，该铸锭在高于或低于该合金的固溶线温度(典型地在大约1750°F至大约2100°F(大约954℃至大约1150℃)的范围中)被制坯及锻造，以获得构件所期望的轮廓。目前最佳的加工实践通常导致相对粗晶粒的微观结构在坯料中(如，ASTM00或更大)以及最终锻件中(如，ASTM2至7)(全文涉及的ASTM晶粒尺寸是根据由美国材料与试验协会建立的标准刻度)。粗晶粒是某些区域/构件所期望的，而细晶粒常常是其它区域/构件所期望的。例如，盘受益于在它们的边缘处具有相对粗的晶粒以促进它们对蠕变和疲劳裂纹生长的抵抗，而它们的中心(hub)(孔)受益于较细的晶粒以促进它们对低周疲劳(LCF)和爆裂(burst)性质的抵抗。

用于航空燃气涡轮发动机的转子构件已通常由粉末冶金(PM)工艺形成，已知粉末冶金工艺提供蠕变、拉伸和疲劳裂纹生长性质的良好平衡，以满足航空燃气涡轮发动机的性能要求。典型地，通过以某种形式(例如挤出固结或热等静压(HIP))固结金属粉末以产生细晶粒的坯料(如，ASTM8或更细)，从而生产粉末金属构件。该坯料然后在稍低于合金的γ′固溶线温度的温度下被等温锻造或热模锻造而接近超塑性成形条件，该超塑性成形条件允许在不积累显著的冶金应变的情况下通过积累高的几何应变来填充模腔。锻造工艺通常保持材料中的细晶粒尺寸同时获得构件所期望的轮廓，此后，最终热处理在完成机械加工之前进行，以完成制造过程。与用于固定式燃气涡轮发动机的高级涡轮系统不同，用于航空燃气涡轮发动机的PM转子构件已通常由伽马撇号(γ′)析出强化的镍基超级合金形成，该镍基超级合金具有那些零件所要求的非常高的温度和应力承受能力。为了提高高温下的抗蠕变性、抗疲劳裂纹生长性以及其它机械性能，这些合金的最终热处理可以在它们的γ′固溶线温度以上进行(通常称为过固溶线热处理)，以导致晶粒的明显粗化。在转子盘的边缘处获得相对粗晶粒并且在其中心获得相对细晶粒的客观需要被加内什(Ganesh)等的美国专利No.5,527,020证实，该专利公开了一种用于选择性地对盘的边缘进行热处理的热处理工艺和装置，以便在维持中心的较细晶粒结构的同时导致盘中的晶粒生长。

用于大型发电涡轮机中的镍基超级合金转子，通常已不要求更高温度γ′合金或该晶粒粗化工艺来实现它们的任务和构件机械性质需求，尽管可以预见在未来某天可能需要这种更高温度合金来增加涡轮效率或增加构件寿命。