[发明专利]Ni基锻造合金材料以及使用其的涡轮高温部件

说明书

本发明的目的在于，提供使用超强析出强化Ni基合金且拉伸特性和蠕变特性与以往相比高水平地平衡的Ni基锻造合金材料以及使用其的涡轮高温部件。本发明所涉及的Ni基锻造合金材料的特征在于，具有在700℃的温度时在γ相的母相中析出50体积％以上70体积％以下的γ’相的化学组成，上述γ’相包含在上述γ相的晶粒内析出的时效析出γ’相粒和在上述γ相的晶粒间析出的共晶反应γ’相粒，上述共晶反应γ’相粒中Ni和Al的含有率高于上述时效析出γ’相粒，且平均粒径为2μm以上40μm以下。

技术领域

本发明涉及Ni(镍)基锻造合金的技术，尤其是涉及高温时的机械特性优异的Ni基锻造合金材料以及使用其的涡轮高温部件。

背景技术

对于飞机、火力发电厂的涡轮(燃气涡轮、蒸汽涡轮)，以提高热效率为目的的主流体温度的高温化成为一个技术趋势，提高涡轮部件的高温机械特性是重要的技术课题。暴露于最为严酷环境下的涡轮高温部件(例如，涡轮叶片(动叶片、固定叶片)、涡轮盘、燃烧器部件、锅炉部件)由于反复受到运行中的旋转离心力、振动、伴随起动/停止的热应力，从而提高机械特性(例如，蠕变特性、拉伸特性、疲劳特性)尤为重要。

为了满足所要求的各种机械特性，作为涡轮高温部件的材料，广泛使用析出强化Ni基合金材料。尤其是在高温特性变得重要的情况下，使用提高了在成为母相的γ(Gamma)相中析出的γ’(Gamma Prime)相(例如Ni₃(Al,Ti,Ta)相)的比率的强析出强化Ni基合金材料(例如，析出30体积％以上的γ’相的Ni基合金材料)。

为了实现涡轮的高效率化，不仅上述主流体温度的高温化是有效的，通过涡轮叶片(动叶片、固定叶片)的长尺化来扩大涡轮环带面积、通过涡轮叶片的薄壁化来降低主流体的流动损失也是有效的。而且，为了应对涡轮叶片的长尺化、薄壁化，对涡轮叶片的材料要求相比于以往更高的拉伸特性以及疲劳特性。

对于涡轮叶片，一直以来蠕变特性受到重视，因此为了满足该蠕变特性的要求，多采用通过精密铸造法(特别是单向凝固法、单晶凝固法)所制造的Ni基铸造合金材料。这是因为横穿应力方向的晶界少时对于蠕变特性而言是有利的。

另一方面，对于涡轮盘、燃烧器部件，相比于蠕变特性，更多地重视拉伸特性、疲劳特性，因而经常使用由热锻法制造的Ni基锻造合金材料。这是因为晶体粒径小(晶界密度高)时对于拉伸特性、疲劳特性而言是有利的。

这里，在考虑到应对涡轮叶片的长尺化、薄壁化时，由于单向凝固、单晶生长中的长尺化、薄壁化在制造技术方面的障碍非常高，因此担心由单向凝固材、单晶凝固材构成的涡轮叶片的制造成品率大幅下降(即制造成本大幅增加)。换言之，以锻造合金材料为基础，开发满足涡轮叶片所要求的高温特性(例如，蠕变特性)的材料，从制造成本的观点出发被认为是有利的。

如上所述，析出强化Ni基合金材料中，为了提高高温特性，一般提高γ’相的体积率。但是，如果要提高锻造合金材料中γ’相的体积率，则会有加工性、成形性恶化而制造成品率易于下降(制造成本易于增加)的缺点。因此，在研究Ni基锻造合金材料的特性提高的同时，也进行了各种稳定制造该Ni基锻造合金材料的技术研究。

例如，在专利文献1(日本特开平9-302450)中公开了一种方法，其为由锻造用预制体来制造具有得到控制的晶粒度的Ni基超合金物品的方法，包括：准备Ni基超合金预制体，其具有包含γ相与γ’相的混合物的微观组织、再结晶温度及γ’溶线温度(solvustemperature)(此处，γ’相占Ni基超合金的至少30容量％)；在约1600°F以上但低于γ’溶线温度的温度下，将应变速度设为每秒约0.03～约10，对上述超合金预制体进行热模锻造；对所得到的热模锻造超合金工作物进行等温锻造以形成加工后物品；对由此完成的物品进行超固溶(supersolvus)热处理以生成ASTM大致6～8的实质上均匀的粒子微观组织；将物品从超固溶热处理温度开始冷却。

现有技术文献

专利文献