专利名称：耐热超级合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及在航空发动机、发电用燃气轮机(gas turbine)等的耐热部件、特 别是涡轮圆盘(turbine disk)或涡轮叶片中使用的耐热超级合金(heat-resistant superalloy)。
背景技术：
航空发动机、发电燃气轮机等的耐热部件、例如涡轮圆盘，是保持叶片运动、高速 旋转的零件，其材料需要耐受非常大的离心应力、而且疲劳强度、蠕变强度、破坏韧性优异。 另一方面，伴随着燃料费(fuel consumption)和性能的提高，要求提高发动机气体温度和 减轻涡轮圆盘的重量，材料需要有更高的耐热性和强度。通常，涡轮圆盘使用Ni基锻造合金。例如，多使用InCOnel718或者Waspaloy，所 述 Inconel718 利用 Y〃 (gamma double prime)相作为强化相，所述 Waspaloy 使比 相还稳定的、‘(gamma prime)相析出25vol%左右、利用其作为强化相。从高温化的观点考虑，从1986年开始引入了 7 ” * ~ > >夕X开发的 Udimet720。Udimet720是使y'相析出45vol %左右、而且为了、相的固熔强化而添加 了钨的、特别是耐热特性优异的合金。但是，Udimet720的组织稳定性差，在使用中形成有 害的 TCP(Topologicallyclose packed)相，因此开发了 Udimit720Li (U720Li/U720LI)， 所述Udimit720Li实施了使铬量减少等的改进。但是，即使在Udimit720Li中，仍然产生 TCP相，长时间或者高温下的使用受到限制。另外，有人指出，Udimit720以及720Li，因为 其、‘固相线温度(solvus)和初期熔融温度的差小，因此热加工或者热处理等的工艺窗 口(process window)窄。因此，难以通过铸造锻造工艺制造均质的涡轮圆盘，成为实际应 用上的问题。要求高强度的高压涡轮圆盘，有时候也使用以AF115、N18, Rene88DT等为代表的 粉末冶金合金。粉末冶金合金，与含有大量的强化元素无关，具有可得到无偏析的均质的圆 盘的优点。另一方面，为了防止夹杂物的混入，要求纯度高的真空熔解、粉末分级时的筛目 大小的均衡化等的高度的制造工序管理，存在成本增加的问题。但是，对于以往的Ni基耐热超级合金的化学组成，提出了数量众多的改进方案， 但这些方案的任何一种都是含有钴、铬、钼或者钼和钨、铝、还有钛作为主要构成元素的同 时，其具有代表性的是以铌、钽或者铌和钽作为必须成分。在该组成构成中，铌、钽的含有， 虽然适用于上述的粉末冶金，但成为难以进行铸造锻造的主要原因。另外，钴，虽然其含有 比例比较高，例如在口一 > ^ 口 < ^公司的特开平10-46278号公报中所述，但不能带来 特别具有意义的效果。另外，通常情况下，虽然有使Y ‘固相温度下降和扩大工艺窗口正面 的效果，但在夕工才、，义 工 > 夕卜U 7夕公司的EP1195446A1中，没有发现除此以外的效
3果，从和成本等的兼顾方面考虑，其含量限定在23重量％以下。另一方面，因为钛具有强化Y ‘相的作用，因此从发挥提高拉伸强度和龟裂传播 抑制的作用方面考虑，添加钛。但是，钛的过量添加，随着提高固相线的同时而生成有 害相，得不到完善的Y ‘组织，从该观点考虑，钛的添加限制至最多5重量％左右。因此，在现有技术中，难以提供可耐受长时间、高温下的使用的、而且可铸造锻造 的、制造性优异的耐热超级合金。
发明内容
本发明是鉴于以上的问题而做出的发明，目的是提供作为涡轮圆盘或者涡轮叶片 用等有用的，长时间、高温下的耐热耐久特性优异的，而且可铸造锻造，制造性也优异的新 型耐热超级合金。而且，本发明提供具有以上的稳定的组织、达到高的高温强度的耐热超级合金。S卩，本发明的发明人发现，在涡轮圆盘或涡轮叶片用的耐热超级合金中，通过在 19. 5质量％ -55质量％的范围内积极地添加钴，可抑制有害的TCP相、达到高的高温强度。另外发现，通过和钴同时以规定的比例增加钛，即使为高的合金浓度也能使、I
Y‘的2相组织稳定化，达到更高的高温强度。而且，发明人通过适当地控制钴、钛等的主 要构成元素的组成，实现制造性也优异的耐热超级合金。进而，发明人还发现，Co3Ti合金具有和耐热超级合金的强化相即Y ‘相同样 的结晶结构，因此，Co+Co3Ti合金具有和耐热超级合金同样的Y + 2相组织，故具有
Y+ Y ‘ 2相组织的Co-Ti合金、即Co+Co3Ti合金添加到耐热超级合金中，甚至在高合金浓 度也可形成稳定的合金组织。本发明是根据该知识见解而完成的发明，特征如下1. 一种耐热超级合金，其组成为，含有2质量％-25质量％的铬、0.2质量％-7质 量％的铝、19. 5质量％ _55质量％的钴、
质量％以上、
质量％以下且在3-15质量％范围内的钛，残余为镍和不 可避免的杂质。2.如上述第1所述的耐热超级合金，其特征在于，钴的含量在23. 1质量％ -55质量％。3.如上述第1或2所述的耐热超级合金，其中，钛的含量在6.1质量％以上。4.如上述第1或2所述的耐热超级合金，其中含有10质量％以下的钼以及10质 量％以下的钨的至少一种。5.如上述第4所述的耐热超级合金，其中，钼的含量低于3质量％。6.如上述第4所述的耐热超级合金，其中，钨的含量低于3质量％。7.如上述第1或2所述的耐热超级合金，其特征在于，含有5质量％以下的铌以及 10质量％以下的钽的至少一种。8.如上述第1或2所述的耐热超级合金，其特征在于，含有2质量％以下的钒、5 质量％以下的铼、2质量％以下的铪、0. 5质量％以下的锆、5质量％以下的铁、0. 1质量％以 下的镁、0.5质量％以下的碳以及0. 1质量％以下的硼中的至少一种。9.如上述第1或2所述的耐热超级合金，其中，含有0.05质量％以下的锆、0.05质量％以下的碳、0. 05质量％以下的硼。10. 一种耐热超级合金，其特征在于，含有12质量％-14.9质量％的铬、2.0质 量％ -3.0质量％的铝、20质量％ -24质量％的钴、6. 1质量％ -6. 5质量％的钛、0.8质 量％ -1.5质量％的钨、2.5质量％ -3.0质量％的钼、0.01质量％ -0. 10质量％的锆、0.01 质量％ -0. 05质量％的碳、0. 01质量％ -0. 05质量％的硼、残余的镍和不可避免的杂质。11.上述第10所述的耐热超级合金，其是添加Co+Co3Ti合金而获得的。12.上述第10所述的耐热超级合金，其是添加Co+20at% Ti合金而获得的。13. 一种耐热超级合金部件，其是使用上述第1-12的任一项所述的耐热超级合 金，通过铸造、锻造、粉末冶金的1种或者多种方法来制造。
图1是对本发明和以往的耐热超级合金比较其微观组织的显微镜照片。图2是表示对本发明和以往的耐热超级合金以及不包含在本发明中的合金进行 压缩试验得到的结果的图。图3是表示本发明和以往的耐热超级合金以及不包含在本发明中的合金的高温 强度的图。图4是压延材料的外观照片。图5是例示压延材料的拉伸试验结果的图。图6是例示压延材料的蠕变试验结果的图。图7是表示实施例合金1的压延材料的微组织的照片。图8是表示实施例合金3的压延材料的微组织的照片。图9是表示电弧锭(arc ingot)材料的微观组织的照片。图10是例示电弧锭材料的拉伸试验结果的图。
具体实施例方式在本发明中，为了抑制TCP相、提高高温强度，积极地添加19. 5质量％以上的量的 钴。由此，即使钛的量在3质量％-15质量％的范围内也可实现高的高温强度。另外，在和 钛复合添加的情况下，例如，以Co-Ti合金方式添加的情况下，通过钴为19. 5质量％以上、 钛为6. 1质量％以上，可实现高的高温强度。即使在含有钴25质量％以上、另外28质量％ 以上、进而至多55质量％的合金中，也可得到同样的效果。通过增加钴的量，Y ‘固相温度 下降，工艺窗口变宽，还产生锻造性提高的效果。但是，根据高温压缩试验结果，含有钴为56 质量％以上的合金，其到750°C之前的强度比以往的合金的强度低，因此必须避免添加56 质量％以上的钴。因为钛强化、引起强度的提高，故有必要添加3质量％以上。如上所述，在 和钴一起复合添加的情况下，相稳定性更优异、可实现高强度。含量为6. 1质量％以上、或 者6. 7质量％以上、进而7质量％以上也同样可得到优异的效果。基本上，通过选择具有 Y + Y ‘ 2相组织的耐热超级合金、添加Co+Co3Ti合金、例如Co-20at% Ti,即使高合金浓 度也可获得组织稳定、强度高的合金。但是，如果钛的含量超过15质量％，有害相即n相 的生成等变得显著，因此其含量以15质量％为上限。
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为了强化、相、提高高温强度，添加钼以及钨。优选在上述的规定范围内含有。 如果超出规定含量的范围，密度变大。即使钼不到3质量％、例如2. 6质量％以下、钨不到 3质量％、例如1.5质量％以下也是有效的。为了耐环境性和疲劳龟裂传播特性的改善，添加铬。如果不到上述的规定范围的 含量，得不到希望的特性，如果超过规定含量的范围，生成有害的TCP相。铬的含量，优选 16. 5质量％以下。铝是形成Y ‘相的元素，在上述规定范围内调整其含量以使Y ‘相为优选的量。为了得到延展性和韧性，添加上述规定范围的含量的锆、碳以及硼。如果超过规定 范围的含量，会使蠕变强度降低、或工艺窗口变窄等。作为其它的元素，即铌、钽、铼、钒、铪、铁、镁，根据和以往技术同样的理由，使它们 的含量在上述规定范围内。另外，在本发明中，认为钛的质量％在下式表示的范围内也是合适的。0. 17X (钴的质量％ _23)+3 以上0. 17X (钴的质量％ _20)+7 以下。因此，以下表示实施例、更详细地进行说明。当然发明不受以下的实施例的限定。<实施例1>通过熔炼制作具有下表1表示的组成的合金A-L。在这些合金中，包含在本发明内 的合金为A-K，合金L是比较例、钴的含量超出本发明的范围。表 权利要求
一种耐热超级合金，其组成为，含有2质量％ 25质量％的铬、0.2质量％ 7质量％的铝、19.5质量％ 55质量％的钴、
质量％以上、
质量％以下且在3 15质量％范围内的钛，残余为镍和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的耐热超级合金，其特征在于，钴的含量在23.1质量％ -55质量％。
3.如权利要求1或2所述的耐热超级合金，其中，钛的含量在6.1质量％以上。
4.如权利要求1或2所述的耐热超级合金，其中含有10质量％以下的钼以及10质量％ 以下的钨的至少一种。
5.如权利要求4所述的耐热超级合金，其中，钼的含量低于3质量％。
6.如权利要求4所述的耐热超级合金，其中，钨的含量低于3质量％。
7.如权利要求1或2所述的耐热超级合金，其特征在于，含有5质量％以下的铌以及 10质量％以下的钽的至少一种。
8.如权利要求1或2所述的耐热超级合金，其特征在于，含有2质量％以下的钒、5质 量％以下的铼、2质量％以下的铪、0. 5质量％以下的锆、5质量％以下的铁、0. 1质量％以下 的镁、0.5质量％以下的碳以及0. 1质量％以下的硼中的至少一种。
9.如权利要求1或2所述的耐热超级合金，其中，含有0.05质量％以下的锆、0. 05质 量％以下的碳、0. 05质量％以下的硼。
10.一种耐热超级合金，其特征在于，含有12质量％ _14.9质量％的铬、2.0质 量％ -3.0质量％的铝、20质量％ -24质量％的钴、6. 1质量％ -6. 5质量％的钛、0.8质 量％ -1.5质量％的钨、2.5质量％ -3.0质量％的钼、0.01质量％ -0. 10质量％的锆、0.01 质量％ _0.05质量％的碳、0.01质量％ -0. 05质量％的硼、残余的镍和不可避免的杂质。
11.权利要求10所述的耐热超级合金，其是添加Co+Co3Ti合金而获得的。
12.权利要求10所述的耐热超级合金，其是添加Co+20at%Ti合金而获得的。
13.一种耐热超级合金部件，其是使用权利要求1-12的任一项所述的耐热超级合金， 通过铸造、锻造、粉末冶金的一种或者多种方法来制造。
全文摘要
本发明提供一种新型耐热超级合金，其组成，以质量％计，含有19.5-55％的钴、2％-25％的铬、0.2％-7％的铝、
质量％以上、
质量％以下且在3-15质量％范围内的钛、残余的镍和不可避免的杂质。
文档编号C22C19/07GK101948969SQ20101021464
公开日2011年1月19日 申请日期2005年12月2日 优先权日2004年12月2日
发明者佐藤彰洋, 原田广史, 大泽真人, 小林敏治, 崔传勇, 谷月峰 申请人:独立行政法人物质·材料研究机构