[发明专利]Ni基超耐热合金的制造方法

说明书

本发明提供一种在用于航空发动机、发电用燃气轮机的高强度的Ni基合金中，可得到良好的热加工性和均质的金相组织的制造方法。Ni基超耐热合金的制造方法包含：热加工用坯料加热工序，在950～1150℃的温度范围对所述热加工用坯料进行1小时以上的加热保持，其中，所述热加工用坯料按质量％计具有如下组成：C：0.001～0.050％、Al：1.0～4.0％、Ti：3.0～7.0％、Cr：12～18％、Co：12～30％、Mo：1.5～5.5％、W：0.5～2.5％、B：0.001～0.050％、Zr：0.001～0.100％、Mg：0～0.01％、Fe：0～5％、Ta：0～3％、Nb：0～3％，剩余部分由Ni以及杂质构成；以及热加工工序，使用加热至800～1150℃的温度范围的模具对所述热加工用坯料进行热加工。

技术领域

本发明涉及一种Ni基超耐热合金的制造方法。

背景技术

在航空发动机、发电用燃气轮机的耐热构件中，利用含有许多Al、Ti等合金元素的、γ’(Gamma prime)相析出强化型的Ni基超耐热合金。

在涡轮的零件当中、被要求高强度和可靠性的涡轮盘中，利用了Ni基锻造合金。在此，锻造合金是指，与以铸造凝固组织的状态被使用的铸造合金对比使用的术语，是利用如下工艺制造出的材料，即，通过对使铸造凝固组织熔融/凝固得到的锭进行热加工而制成规定的零件形状。通过热加工，粗大且不均质的铸造凝固组织变化成微细且均质的锻造组织，由此拉伸特性、疲劳特性等机械特性得以改善。对于航空器用发动机构件、发电用燃气轮机构件而言，在涡轮运转过程中，各构件所暴露的温度、所负荷的应力的程度不同，需要根据对于各构件的负荷状况，预先使坯料的屈服强度、疲劳强度、蠕变强度的平衡优化。一般而言，对于该平衡的优化而言，重要的是能根据用途来控制作为Ni基超耐热合金的基体的γ(gamma)相的结晶粒度。对于提高屈服强度、疲劳强度而言，重要的是使基体的结晶粒度微细化，但另一方面，产品坯料越大型化，严格控制结晶粒度越变得非常困难。

为了提高发动机效率，尽可能在高温下使涡轮运转是有效的，为此，需要提高各涡轮构件的耐用温度。对于提高Ni基超耐热合金的耐用温度而言，提高γ’相的量是有效的，因此，即使在锻造合金中，在被要求高强度的构件中，也使用γ’相的析出量多的合金。γ’相是由Ni₃Al构成的金属间化合物，以Ti、Nb、Ta为代表的元素固溶于该γ’相，由此，材料强度进一步提高。但是，当作为这种γ’相的形成元素的Al、Ti、Nb、Ta的量提高时，作为强化相的γ’相的量变得过多，因此，以压锻为代表的热加工变得困难，并成为在制造过程中热加工用坯料产生裂纹的原因。因此，一般情况下，与不借助于热加工的铸造合金相比，Al、Ti等有助于强化的成分会受到限定。作为目前具有最高强度的涡轮盘材料，可列举出Udimet720Li(Udimet(R)是Special Metals公司的注册商标)，Al、Ti量按质量％计分别为2.5％、5.0％，γ’相的量在760℃下约为45％。Udimet 720Li虽然具有高强度，但γ’相的量多，因此，可以算作热加工最困难的Ni基超耐热合金之一。

如此，在用于涡轮盘的锻造合金中，兼顾强度和热加工性是重大的材料问题，对解决该问题的合金成分、制造方法进行了开发。

例如，在专利文献1中，公开了一种能通过以往的熔融/锻造工艺进行制造的高强度合金的发明。与Udimet 720Li相比，虽然是含有许多Ti的成分，但通过添加许多Co而能提高组织稳定性，也能进行热加工。不过，该合金的γ’相的量也为45％～50％，与Udimet720Li同样多，因此，热加工极其困难。

另一方面，也出现了通过制造工艺来改善热加工性的尝试。在非专利文献1中，关于Udimet 720Li的锻造品，显示出如下实验结果：升温至1110℃后的冷却速度越慢，热加工性越提高。虽然通过热处理会改善热加工性是重要的见解，但在实际的热加工工序中，将热加工用坯料从加热炉取出后，由于与外部空气、热加工装置的模具的接触，因此，热加工用坯料的表面温度会显著降低。此时，会留下如下问题：变形阻力因在材料表面被冷却的过程中所析出的γ’相而增大，容易导致表面的热加工裂纹。