耐热性Ni基合金及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及适合作为喷气发动机、燃气轮机等高温构件、摩擦搅拌焊接（FSW)的 工具等的构成材料且具有新组成的Ni基耐热合金及其制造方法。具体而言，涉及耐热性、 抗氧化性比以往的Ni基合金更优良且即使暴露在严苛的高温气氛中也可以维持必要强度 的合金。
【背景技术】
[0002] 作为这种耐热性合金，已知Ni基合金、Co基合金等，但近年来，为了提高各种热机 的燃料效率、降低环境负荷而强烈要求热效率的改善，提高其构成材料的耐热性的要求变 得更严苛。因此，正在研究开发替代以往的Ni基、Co基合金的新型耐热材料，并发表了大 量研究报告。
[0003] 例如，本申请发明人公开了作为Ir基合金的Ir-Al-W系合金作为替代Ni基合金 的新的耐热合金（专利文献1)。作为该耐热合金的强化机制，利用具有Ll2结构的金属间 化合物即Y '相（Ir3(Al，W))的析出强化作用。Y '相呈现出随着温度上升、强度也增高的 逆温度依赖性，因此，能够对合金赋予优良的高温强度、高温蠕变特性。需要说明的是，该基 于Y '相的强化作用的利用与以往的Ni基耐热合金是同样的。
[0004] 现有技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1 :日本专利第4833227号说明书
【发明内容】
[0007] 发明所要解决的问题
[0008] 上述的由本发明人提出的Ir基耐热合金从相对于以往的Ni基耐热合金改善高温 强度的观点考虑是令人满意的，但也存在问题。即，该Ir基合金（Ir-Al-W系合金）被指出 尽管硬度高、但韧性差这一问题，特别是被认为由于脆的B2型的金属间化合物（IrAl，以下 记为B2相）残留而存在进一步变脆的倾向。
[0009] 而且，Ir基合金还被指出其制造性问题，由于熔点过高而担心熔化、铸造工序时的 成本。此外，本发明人还发现，Ir基合金在铸造、凝固时容易发生破裂，难以制造没有缺陷 的产品。
[0010] 本发明是基于如上所述的背景而完成的，其目的在于提供高温强度、特别是韧性 优良并且还考虑到制造性的耐热合金。
[0011] 用于解决问题的方法
[0012] 为了解决上述问题，本发明人对上述Ir基合金的韧性不足的原因进行了研究。然 后，结果认为，对于以往的Ir基合金而言，晶粒内强度远高于晶界强度，优先发生晶界断 裂，因此，合金整体上的韧性不足。对这一点进行说明，Ir原本是高硬度、但脆的金属，除此 之外，还具有T'相在晶粒内析出的倾向。因此认为，仅晶粒内被强化，从而进行这样的欠 缺平衡的强化。因而认为，该晶粒内强度与晶界强度的失衡与铸造、凝固时的破裂发生也有 关。
[0013] 本发明人考虑到如上所述的Ir基合金所存在的问题，想到应用Ni基合金来代替 以Ir为主要成分的合金。这是由于，对于Ni基合金而言，其高温强度暂且不论，从韧性的 观点考虑，是具有良好特性的合金体系。另外，关于Ni基合金，迄今为止的见解也丰富，通 过根据需要添加添加元素，能够使析出物在晶界析出。因此，能够进行与晶粒内强度的提高 相适应的晶界强度的强化，也能够使两者的平衡良好。
[0014] 另一方面，Ni基合金的熔点通常为约1300°C~约1400°C，存在如下的根本性问 题：达到高温时，接近熔点，因此发生软化。另外，以往的Ni基合金的高温强度降低的原因 也是由于Y '相（Ni3Al)在高温下消失这样的高温稳定性的不足。
[0015] 因此，本发明人进行了进一步的研究，发现了 Ir和W作为提高Ni基合金中的基质 相（Y相）和Y '相的高温稳定性的添加元素。并且发现，通过利用由Ir添加带来的固相 温度的上升作用以及由Ir和W添加带来的Y '相的稳定性提高作用这两者，可以提高合金 整体的耐热性，在维持以往的Ni基合金所具有的高韧性的同时发挥超过以往的Ni基合金 的高温强度，从而想到了本发明。
[0016] 即，本发明是一种包含Ni基合金的耐热材料，其是包含在Ni中添加有作为必需添 加元素的Ir、Al和W的Ni-Ir-Al-W合金的耐热性Ni基合金，其中，所述耐热性Ni基合金 含有Ir :5. 0~50. 0质量％、Al :1. 0~8. 0质量％、W :5. 0~25. 0质量％且余量由Ni构 成，具有Ll2结构的Y '相作为必需的强化相分散在基质中。
[0017] 以下，对本发明进行详细说明。如上所述，本发明的耐热合金是以Al、Ir、W为必需 添加元素的Ni基合金。并且，在本发明中，作为合金的强化因子，使具有Ll 2结构的y'相 分散。本发明中的相为（Ni，Ir)3(Al，W)。基于该相的析出强化作用与以往的Ni基 合金、Ir基合金相同，并且y'相在强度方面具有逆温度依赖性，因此高温稳定性也良好。 而且，在本发明中，如后所述，y '相的尚温稳定性进一步提尚并且合金自身（y相）的尚 温强度也提高，因此，相对于以往的Ni基耐热合金，即使暴露在更高的高温气氛下也可维 持优良的高温特性。
[0018] 此处，作为添加元素的Al是y '相的主要构成元素，是该析出所必需的成分。在 Al低于I. 0质量％时，y '相不析出，或者即使析出也不会形成可有助于提高高温强度的状 态。另一方面，随着Al浓度的增加，y '相的比例增加，但过量添加Al时，B2型的金属间化 合物（NiAl，以下有时称作B2相）的比例增加而变脆，从而使合金的强度降低，因此，将Al 量的上限设定为8.0质量％。需要说明的是，Al还有助于提高合金的抗氧化性。Al优选设 定为1.9~6. 1质量％。
[0019] W是有助于Ni基合金中的y'相在高温下的稳定化的成分，是其主要构成元素。 以往尚未获知在Ni基合金中通过W的添加而使y'相稳定化，但根据本发明人，通过W的 添加，能够提高y'相的固溶温度，能够确保在高温下的稳定性。该W在低于5.0质量％的 添加时，T'相的高温稳定性的提高不充分。另一方面，超过25.0质量％的过量添加会助 长以比重大的W为主要成分的相的生成，容易产生偏析。需要说明的是，W还具有使合金的 基质固溶强化的作用。W优选为10.0~20.0质量％。
[0020] 此外，Ir是通过固溶于基质（Y相）中并且对Y '相的Ni进行部分置换而使Y 相和T'相各自的固相线温度、固溶温度上升从而提高耐热性的添加元素。Ir为5. O质量％ 以上时，显示出添加效果，但过量添加时，会增大合金的比重，并且合金的固相线温度达到 高温，因此，将上限设定为50.0 质量％。Ir优选设定为10.0 ~45. O质量％。
[0021] 如上所述，本发明的Ni基合金中，将Al、W、Ir的添加量设定为上述范围，即使在高 温下也使可以作为强化相发挥作用的Y'相析出，这是根据本发明人的研究结果而明确的 数值范围。
[0022] 本发明的Ni基合金通过y '相的适当分散而改善高温强度，但不完全排除其他相 的生成。即，在以上述范围添加A1、W、Ir的情况下，根据组成，不是仅析出y'相，有时还 会析出B2相。另外，对于该Ni-Al-W-Ir四元系合金而言，存在D019结构的e'相也析出 的可能性。本发明的Ni基合金即使存在这些y'相以外的析出物，也可确保高温强度。不 过，本发明的Ni基合金中，B2相的析出相对地得到了抑制。
[0023] 而且，本发明的Ni基耐热合金中，为了进一步提尚其尚温特性或提尚附加特性， 可以添加追加的添加元素。作为该追加的添加元素，可以举出B、Co、Cr、Ta、Nb、Ti、V、Mo。
[0024] B是在晶界偏析而使晶界强化的合金成分，有助于提尚尚温强度、延展性。B的添 加效果在0. 001质量％以上时变得显著，但过量添加对于加工性而言是不优选的，因此，将 上限设定为0. 1质量％。优选的B的添加量设定为0. 005~0. 02质量％。
[0025] Co对于使y '相的比例增加而使强度上升是有效的。Co与y '相的Ni发生部分 置换，成为其构成元素。这样的效果在5. 0质量％以上的Co添加时观察到，但过量添加会 使Y '相的固溶温度降低，从而