专利名称：热处理Ni基超合金制品的方法和由其制造的制品的制作方法
技术领域：
本文公开的主题涉及热处理Ni基超合金的方法和由其制造的制品。更具体地 讲，本发明涉及热处理Ni基超合金以提供合乎需要的屈服强度、延性和高温停留时间裂 纹耐性的方法和由其制造的制品。
背景技术：
在喷气涡轮发动机和地面涡轮发动机工作期间通常遇到高温和应力。为了保证 在长时间工作期间可靠的涡轮机运转，在这些涡轮发动机内的部件必须在超过850° F的 温度保持负荷下的高强度和其他性质。长期以来已认识Ni基超合金在高温下具有使它们 合乎需要地用于具有高工作温度的关键涡轮机部件(如涡轮、燃烧器、隔板、叶片/叶轮 等)的性质。相信Y"的析出有助于很多这些Ni基超合金在高温的优良性能。因此， Ni基超合金，如合金706、合金718、合金625和合金725，已广泛用于形成用于地面发 电使用的涡轮机中的这些部件。由合金706制造并在过去已对其进行工业标准两步时效热处理的工业燃气涡轮 机转子在完全寿命之前在工作期间沿着晶粒间界已经裂化。通过更严格的制造过程(包 括引起压缩残余应力的表面处理)，并通过由已对其进行两步时效热处理的合金718或合 金706制造较新的转子，已部分解决这一问题。然而，随着工业燃气涡轮机和蒸汽涡轮 机的工作温度和应力要求的提高，合金706、合金718、合金725或CustomAge 625PLUS 均不能满足这些要求，并且必须由具有强度、延性和停留时间抗裂纹性的更佳组合同时 也保持优异的耐腐蚀性(优选保持至少与合金706和合金718—样高的耐腐蚀性，更优选 保持至少与合金725和CustomAge 625PLUS 一样高的耐腐蚀性)的合金代替。因此，需要研发具有改善的TDCPR、强度和延性并且也提供优异的耐腐蚀性的 Ni基超合金和制造此Ni基超合金的方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，本发明公开一种热处理Ni基超合金制品的方法。所述 方法包括热加工制品，所述制品包括含至少约55%重量Ni的NiCrMoNbTi超合金，以产 生热加工微结构。所述方法还包括在约1600° F至约1750° F的温度固溶处理制品约1 小时至约12小时，以形成部分重结晶的热加工微结构。所述方法还包括使制品冷却。所 述方法还包括在约1300° F至约1400° F的第一时效析出温度时效析出制品约4小时至 约12小时的第一时间。所述方法进一步包括使制品冷却到第二时效析出温度。所述方 法更进一步包括在约1150° F至约1200° F的第二时效析出温度使制品时效析出约4小 时至约12小时的第二时间。所述方法更进一步包括使制品从第二时效析出温度冷却到环 境温度。根据本发明的另一个方面，NiCrMoNbTi超合金制品包含至少约55%重量Ni，
并且具有部分重结晶的热加工微结构。
根据本发明的另一个方面，NiCrMoNbTi超合金包含至少约55%重量Ni，具有 部分重结晶的热加工微结构，并且具有在空气中在约1100° F至少约2400小时的静态抗 裂纹扩展性。通过以下详述并结合附图，这些和其他优点及特征将变得更加显而易见。
被认作本发明的主题在说明书结尾的权利要求书中特别指出并清楚地要求保 护。通过以下详述并结合附图，本发明的前述和其他特征和优点显而易见，其中图1为涡轮发动机的示例性实施方案的横截面示意图，所述涡轮发动机具有包 含本文公开的合金的涡轮机部件；图2为本文公开的静态裂纹扩展试验样品的前视图；图3为本文公开的热处理方法的示例性实施方案的流程图；图4为本文公开的合金的部分重结晶热加工微结构的示例性实施方案的显微相 片；图5为本文公开的合金的示例性实施方案的0.2%屈服强度与试验温度关系图；图6为本文公开的合金的示例性实施方案的面积减少(RA)与试验温度关系图；图7为本文公开的合金A主化学组成和DoEl元素水平的表；图8为本文公开的DoEl合金A热化学组成的表；图9为本文公开的DoEl合金A机械性质的表；图10为本文公开的合金B主化学组成和DoE2元素水平的表；图11为本文公开的DoE2合金B热化学组成的表；图12为本文公开的DoE2合金B机械性质的表；图13为本文公开的DoE2固溶处理基体的表；图14为本文公开的DoE2固溶处理拉伸强度和抗裂纹扩展性的表；图15为本文公开的DoE3化学组成固定元素的表；图16为本文公开的DoE3化学组成可变元素的表；图17为本文公开的DoE3合金C机械性质的表；图18为本文公开的在750° F的0.2% YS与在75° F的RA的关系图；图19为本文公开的DoE3和合金706合金的静态裂纹扩展的比较表；图20为本文公开的优选合金化学组成(％重量)的表；图21为本文公开的热2B1、热处理O的显微相片；图22为本文公开的热2B1、热处理C的显微相片；所述详细说明通过实施例并参照
本发明的实施方案与优点和特征。
具体实施例方式按照本说明书意图，在单个或系列数值前的副词“约”的出现应解释为包括各 个和每个值，除非明确指明相反情况。在以下描述中，类似的引用字符指示在图中显示的数个视图中类似或相当的部 件。术语如“顶部”、“底部”、“向外”、“向内”等为方便用词，不要解释为限制
5性术语。本发明公开一种相对于现有市售合金(包括含合金725或Custom Age 625PLUS 种类的那些合金以及合金718或合金706的那些合金)两步时效处理(two-step age)改 善铸造和锻造Ni基超合金的室温和工作温度强度(包括屈服强度)、室温和工作温度 延性和TDCPR的热处理方法，和具有所得微结构或应用此热处理方法的机械性质特性 的组合的合金。例如，如工业上使用，合金706两步时效处理的平均0.2%屈服强度 (YS)<148ksi,极限拉伸强度(UTS) <183ksi，RA《24 %。有利的是，还预料本文所述 并根据本文公开方法加工的合金具有比合金706或合金718更佳的耐腐蚀性，因为已知这 是这些材料的常规市售合金的情况。这些高耐腐蚀性、析出或时效可硬化的Ni基超合金一般可描述为NiCrMoNbTi 超合金，此超合金也可包含偶存或痕量的B、Co、Ta和V。所公开的热处理方法 适用于Special Metals Corporation和其他公司制造的常规铸造和锻造的INCONEL Alloy 725 (UNS N07725)禾口 Carpenter Technology 制造的 Custom Age 625 PLUS Alloy(UNSN07716)。这些合金的主要区别是合金中Ni的量，如本文进一步描述。因 此，所述Ni基超合金组合物包括约55.0至63.0%重量Ni、约19.0至22.5 %重量Cr、约 6.5至9.5%重量Mo、约2.75至4.5%重量Nb、约1.0至2.3%重量Ti、至多约0.35%重量 Al、至多约0.35%重量Mn、至多约0.20%重量Si、至多约0.010%重量S、至多约0.20% 重量C和至多约0.015%重量P，其余为Fe和偶存或痕量的杂质。这些Ni基超合金也 可包含作为偶存杂质或作为痕量成合金添加物的至多约0.05%重量V、至多约0.05%重量 Ta、至多约1.0%重量Co或至多约0.02%重量B或其组合，更具体可包含0.20%重量或更 少的Co和0.006%重量或更少的B。在下表1中给出合金725 (UNS N07725)和Custom Age625 PLUS (UNS N07716)的标称商业组成表 权利要求
1.一种热处理(100)制品(12)的方法，所述制品包括含至少约55%重量Ni并且具有 热加工微结构的NiCrMoNbTi超合金，所述方法包括在约1600° F至约1750° F的温度固溶处理(110)制品(12)约1小时至约12小时， 以形成部分重结晶的热加工微结构；使制品(12)冷却(120)；在约1300° F至约1400° F的第一时效析出温度时效析出(130)制品(12)约4小时 至约12小时的第一时间；使制品(12)冷却(140)到第二时效析出温度；在约1150° F至约1200° F的第二时效析出温度时效析出(150)制品(12)约4小时 至约12小时的第二时间；并且使制品(12)从第二时效析出温度冷却(160)到环境温度。
2.权利要求1的方法，其中使制品冷却进一步包括使制品(12)冷却(120)到环境温度；并且将制品(12)再加热(125)到第一时效析出温度。
3.权利要求1的方法，其中所述超合金包含约55.0至63.0%重量Ni、约19.0至22.5% 重量Cr、约6.5至9.5%重量Mo、约2.75至4.5%重量Nb、约1.0至2.3%重量Ti、至多 约0.35%重量Al、至多约0.35%重量Mn、至多约0.20%重量Si、至多约0.010%重量S、 至多约0.20%重量C和至多约0.015%重量P，其余为Fe和偶存或痕量的杂质。
4.权利要求1的方法，其中所述Ni基超合金具有在约室温至少约187ksi的0.2%屈服 强度和在约750°C至少约165ksi的0.2%屈服虽度，在约室温至少约24%的面积减少和在 约1150°C至少约31%的面积减少，在空气中在约593°C和一定应力强度因子(k)至少约 2400小时的停留时间抗裂纹扩展性，其中k = 28ksi-(in.)气
5.一种NiCrMoNbTi超合金制品(12)，所述制品包含至少约55%重量Ni，并且具有 部分重结晶的热加工微结构。
6.权利要求5的制品，其中所述部分重结晶的热加工微结构包括具有大于约10度的 至少一些晶粒错误取向的相邻晶粒。
7.权利要求5的制品，其中所述超合金包含约55.0至63.0%重量Ni、约19.0至22.5% 重量Cr、约6.5至9.5%重量Mo、约2.75至4.5%重量Nb、约1.0至2.3%重量Ti、至多 约0.35%重量Al、至多约0.35%重量Mn、至多约0.20%重量Si、至多约0.010%重量S、 至多约0.20%重量C和至多约0.015%重量P，其余为Fe和偶存或痕量的杂质。
8.权利要求5的制品，其中所述Ni基超合金具有在约室温至少约187ksi的0.2%屈服 强度和在约750°C至少约165ksi的0.2%屈服虽度，在约室温至少约24%的面积减少和在 约1150°C至少约31%的面积减少，在空气中在593°C约28ksi_(in.) V2的应力强度因子利 用约1099Ibs负荷至少约2400小时的停留时间抗裂纹扩展性。
9.权利要求5的制品，其中所述超合金组合物包含约59.0至63.0%重量Ni、约19.0 至22.5%重量Cr、约6.5至9.5%重量Mo、约2.75至4.5%重量Nb、约1.0至2.3%重量 Ti、至多约0.35%重量Al、至多约0.20%重量Mn、至多约0.20%重量Si、至多约0.010% 重量S、至多约0.20%重量C和至多约0.015%重量P，其余为Fe和偶存或痕量的杂质； 或约55.0至59.0%重量Ni、约19.0至22.5%重量Cr、约6.5至9.5%重量Mo、约2.75至·4.5%重量Nb、约1.0至2.3%重量Ti、至多约0.35%重量Al、至多约0.35%重量Mn、至 多约0.20%重量Si、至多约0.010%重量S、至多约0.03%重量C和至多约0.015%重量 P，其余为Fe和偶存或痕量的杂质。
10. 一种NiCrMoNbTi超合金，所述超合金包含至少约55%重量Ni，具有部分重结晶 的热加工微结构，和在空气中至少约2400小时的静态抗裂纹扩展性。
全文摘要
本发明公开一种热处理(100)Ni基超合金制品(12)的方法。方法(100)包括热加工制品(12)，制品(12)包括含至少约55％重量Ni的NiCrMoNbTi超合金，以产生热加工微结构；在约1600°F至约1750°F的温度固溶处理(110)制品(12)约1至约12小时，以形成部分重结晶的热加工微结构；并使制品(12)冷却(120)。方法还包括在约1300°F至约1400°F的第一时效析出温度时效析出(130)制品(12)约4小时至约12小时的第一时间；使制品(12)冷却(140)到第二时效析出温度；使制品在约1150°F至约1200°F的第二时效析出温度时效析出约4小时至约12小时的第二时间；并使制品(12)从第二时效析出温度冷却(160)到环境温度。
文档编号C22C19/05GK102021508SQ20101029350
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者J·A·豪克, R·C·施万特 申请人:通用电气公司