专利名称：镍基合金及方法
技术领域：
本发明主要涉及镍基高温合金的改良，尤其涉及可提高此类合金在特定的预选温度下的抗蠕变性的组成和方法。
镍基高温合金的实例是合金718，此合金具有一种按照汽车工程协会和航空、航天材料标准(Society of Automative Engineering andAerospase Material Specification)AMS 5662E的组成标准，其为50-55wt％Ni，17-21wt％Cr，4.75-5.50wt％Nb+Ta，2.8-3.3wt％Mo，0.65-1.15wt％Ti，0.2-0.8wt％Al，0.35wt％Mn(最大含量)，0.08wt％C(最大含量)，0.015wt％S(最大含量)，0.015wt％P(最大含量)，0.015wt％Si(最大含量)，1.00wt％Co(最大含量)，0.006wt％B(最大含量)，0.30wt％Cu(最大含量)，其余为Fe。
此合金的名义组成为53wt％Ni，18.0wt％Cr，18.5wt％Fe，5.2wt％Nb(和Ta)，3.0wt％Mo，1.00wt％Ti，0.50wt％Al，0.04wt％C，和0.004wt％B以及含量在0.005-0.009wt％或50-90ppm范围内的P。该合金是一种沉淀硬化镍基合金，在-423°F～+1300°F的温度范围内该合金均具有极高的强度、延展性和韧性。该种合金通常以铸造和锻造的形式提供，其典型的最终应用零件诸如刀片、凸轮盘、机壳和紧固件，在温度高达1300°F(705℃)时表现出很高的抗蠕变变形能力，并在温度高达1800°F(908℃)时，表现出很高的抗氧化能力。尤其是那些被成形或焊接然后沉淀硬化使之达到所要求的性能的零件更是如此。这些性能以及抗氧化性，良好的可焊接性和可成形性是该种合金在航空、航天、原子能及工业应用中有广泛用途的原因。
众所周知，如在美国专利第3,660,177号中，合金的抗疲劳性能可以通过调整加工工艺，促进超细晶粒度的形成而大大提高。不幸的是，超细晶粒度的形成以及它对疲劳性能的有利影响却伴随着一种有害的在预选测试温度下应力断裂性能的降低或抗蠕变性能的降低。因此需要提供一种改良的或新的合金，它可表现出更好的应力断裂性能和抗蠕变性能，同时维持一个不变的超细晶粒度，因而抗疲劳性能与传统的718合金相当。
因此，本发明的一个目的是提供一种物质的组成和方法，它使镍基合金的抗蠕变性能大大提高并可维持一个不变的超细晶粒度和不变的其它所需性能，如抗疲劳性能。
图1为具备有名义合金组成的合金718经标准热处理，在1200℃和100ksi载荷下测得的合金中磷含量的变化对应力断裂寿命的影响图示，图中交叉阴影为名义磷组成含量范围。
图2为一系列曲线，表明在温度为1200°下测得的，C的重量百分比一定的情况下，含不同重量百分比P的条件下，不同重量百分比的B对应力断裂寿命的影响。
图3为一系列曲线，表明在1200°F下和100ksi载荷下测得的，C的重量百分比一定的情况下，含不同重量百分比的B的条件下，变化的P的重量百分比对应力断裂寿命的影响。
图4为在1200°F下和100ksi载荷下测得的，具有一个预定C含量的镍基合金718中P和B的含量变化对应力断裂寿命的影响的3轴图示。
图5为在指定测试条件下，在具有固定的P和C浓度的合金718中，变化的B含量对应力断裂寿命的影响图。
图6为传统的718合金以及根据本发明的合金的抗疲劳数据图。
通过合金组成中预定含量的P和B的协同效应提高了镍金合金，特别是细晶粒镍基合金的应力断裂寿命，尤其是在那些含预定的、优选低C含量的合金中。
过去在镍基合金中有意地加入B元素或与Zr一起加入B元素，是为了提高应力断裂性能和蠕变性能。另一方面，磷被认为是一种“杂质”元素，即它不是有意加入的，而且作为一种杂质由各种用于制造镍基合金的原材料带入，通常认为如果允许磷的含量超过一个极低的限度将对合金性能有害。大多数镍基合金的工业标准均设定一个磷含量的很低的最大极限。例如，AMS 5562E标准，限定P含量最大为0.015％。
然而现已发现，有目的的添加P，甚至使其含量超过名义工业标准极限，能够惊人地提高某些镍基高温合金的应力断裂性能，其提高幅度可高达约10倍或1000％。
现已进一步发现镍基合金中特定数量的P、B和C以一种协同的方式共同起作用，当三种元素均为特定的、控制的含量时，甚至能够获得应力断裂性能的更大提高，获得这些结果的值大于每一种元素单独添加预期结果之和。这种协同效应是在维持其它所需性能，如抗拉强度和抗疲劳性能不变的同时完成的。
根据本文描述的本发明，P和B对高温合金应力断裂或蠕变变形的所期望的影响，可以从下述讨论中得到最好的理解。
在大多数应用中镍基高温合金，特别是本文描述的合金蠕变变形的控制机制为位错蠕变，该种蠕变可发生在晶界和晶粒内部。在镍基合金中的磷和硼具有一种很强的向晶界偏析的趋势并且也以溶质原子或化合物(磷化物或硼化物)的形式存留在晶粒内部，尤其是当晶界被P和B大量占据时。通常P和B为获得晶界有效位置而彼此竞争，并且P在这方面的竞争中具有向晶界偏析的更强的趋势。如本文描述的，在较低的测试温度下，穿晶位错蠕变占优势。存留在晶粒内部的P和B可通过几种可能的机制与位错发生相互作用，从而延缓蠕变变形，并且可观测到P和B对于位错蠕变的强烈的协同效应，这在下文中将更详细描述。但是，偏析到晶界的磷和硼将对延缓穿晶位错蠕变无任何重要作用。这可以解释在含磷量极低的合金中低的硼含量可观测到影响的不足，即由于来自磷的位置竞争的不足使得B优先地偏析到晶界。
上述的协同效应以及在镍基合金中P、B和C不同含量对提高应力断裂性能而未对疲劳寿命有有害影响的作用在本文下面描述的一组有系统的系列对照测试结果中表现出来。
许多测试合金是通过常用的生产方法制备的。50磅的一次熔炼量经真空感应熔化和真空电弧熔化，而后经均化处理，将所有铸锭轧制为直径为0.625英寸棒材并经1750°F/1小时/AC+1325°F/8小时/FC的标准溶解+时效处理。在不同的熔炼量中P、B和C的含量不同，但是他们所有的化学及处理条件是保持不变的。
磷的影响在一个很大的范围内仅变化磷的含量，例如其含量远远超过大多数标准，对名义718合金机械性能的影响见表1和图1。测试证明将磷含量增加到大大高于多数标准的最大允许含量，当然远远高于现在的工业实践，大幅度地提高了合金718的应力断裂性能。与磷含量为标准工业718规定的典型量时的合金相比，当含P量为大于所研究磷含量最大范围的2.5倍，即0.022％时，我们发现断裂寿命增加了10倍。与标准718合金相比，合乎要求的高含量磷对应力断裂延展性无重要影响。在室温和1200°F温度下抗拉强度不受磷含量的影响，并且拉伸延展性不变或稍微增加(在温度为1200°F时)。
上述应力断裂寿命的提高是依赖于晶粒大小的，在细晶粒结构中这种提高最为明显。众所周知细晶粒的718合金具有极好的抗疲劳性能，但是抗蠕变性能和抗应力断裂性能相对较低。本项研究表明细晶粒718合金的缺点可以通过增加P的含量得以克服，导致产生一种新型镍基合金既具有极好的抗疲劳性能又具有卓越的抗蠕变及抗应力断裂性能。
正如在较低应力下的应力断裂测试中从沿晶到穿晶的断裂方式的转变表现的那样，增加P含量可增强合金718抗沿晶断裂的能力。这种影响大概与增加的P偏析到晶界上有关。
磷-硼的相互作用磷和硼对应力断裂性能的相互影响见表1和图2。图2表明当B含量增加时，断裂寿命增加。然而，令人惊奇的是，这些数据也表明了如P含量非常低(含0.016％)时，B对断裂寿命无影响。这暗示了我们以前未认识到的P和B之间存在一种非常强烈的相互作用。较轻程度上说相反的影响也是真实的，如科3所示，相对B含量较高的情况，当B含量非低时P对断裂寿命的影响较小。
这种P和B对于断裂寿命的协同效应在同一个三维图中分析时可最清楚地看到(见图4)。此图表明最长的应力断裂寿命是在磷和硼以某种临界含量存在时达到的。从图2到图4也很明显看出最大断裂寿命大于这些元素每一种单独作用的预期值总和，是一种未预料的协同效果。
碳的影响
现也已发现断裂寿命的进一步提高可通过降低C含量并与临界P和B含量联合作用而达到。这种影响在表1和图5中说明。
上述发明清楚地证明将P增加到某一含量可大大提高合金718的应力断裂性能，同时不降低抗拉强度和可热加工性能。在细晶粒合金中能应用的P含量上限一般都远远高于目前应用的及718合金标准规定的含量。正如本文更全面地描述的，P和B相互作用可提供一种有选择地达到所需性能的能力以及通过控制P和B在镍基合金中的含量而大大提高抗应力断裂性能。还可以看到，当存在有利含量的P和B时，低碳含量通常对抗应力断裂性能有利。
被测合金的应力断裂性能表1被测合金 各元素的含量(wt％)应力断裂性能炉号(1200 °F-100ksi)寿命 延伸率 断面收缩率(小时) (％) (％)P B C
可获得本发明描述的益处的P和B的期望含量范围为0.012wt％-0.050wt％的P，最高0.030wt％的B和碳含量等于或小于0.01wt％。
因此，可以预计其他合金可从P的添加以及上述的P和B相互作用中受益。
下面组合物包括了据信在其中本文所述的P和B的相互作用会产生协同效应的合金。
表240-55 Ni14.5-21Cr2.5-5.5Nb+Ta不超过3.3 Mo0.65-2.00 Ti0.10-0.80 Al不超过0.35 Mn不超过0.07 C不超过0.015S0.016到0.33P不超过0.006B其余 Fe不超过0.35 Si本发明已经通过特定合金及效果得到了描述，然而在与所述合金有很大不同的合金组合物中也可获得上述的有益效果。因此，本发明的范围应限制在随附的根据现有技术而划定的权利要求书范围之内。
权利要求
1.一种提高C含量低于约0.10重量％的镍基高温合金的抗蠕变性能的方法，包括以下步骤调整合金中P含量为从约0.012重量％至约0.050重量％并且调整合金中B含量使之不超过约0.030重量％，由此在温度高达至少1200°F时测得的合金应力断裂寿命将大大提高。
2.权利要求1的方法，其中C含量低于约0.01重量％，P的含量约为0.016重量％-0.030重量％，以及B含量约为0.004重量％-0.012重量％。
3.一种保持细晶粒的镍基合金的抗疲劳性能并提高温度高达1200°F时的应力断裂寿命的方法，包括以下步骤使合金C含量少于约0.10重量％，P含量介于合金重量的0.012％-0.050％之间，并且使合金B含量不超过合金重量的约0.030％，由此合金的应力断裂寿命得以大大提高同时没有很大程度地降低抗疲劳性能。
4.一种提高合金的应力断裂寿命的方法，所说合金含有以重量计，40-55％Ni，14.5-21％Cr，2.5-5.50％Nb+Ta，不超过3.3％的Mo，0.65-2.00％Ti，0.10-0.8％Al，不超过0.35％的Mn，不超过0.10％的C，不超过0.35％Si，各自不超过0.010wt％的Mg+Ca，其余为Fe，所述方法包括以下步骤a)提供该合金P的含量为合金的约0.012重量％-约0.050重量％；并且b)提供该合金B的含量为不超过合金的约0.03重量％。
5.一种镍基合金，基本组成如下40-55wt％Ni，14.5-21wt％Cr，2.5-5.50wt％Nb+Ta，不超过3.3wt％Mo，0.65-2.00wt％Ti，0.10-0.8wt％Al，不超过0.35wt％Mn，不超过0.10 wt％C，不超过0.015wt％S，0.012-0.50wt％P，不超过0.030wt％B，其余为Fe及偶然杂质。
6.一种具有明显提高的应力断裂寿命的镍基合金，包括以合金为基计，约53wt％的Ni，18.0wt％Cr，各自不超过0.010wt％的Mg+Ca，5.2wt％Nb和Ta，3.0wt％Mo，1.00wt％Ti，0.50wt％Al，少于0.012wt％的C，介于0.004-0.020wt％的B和介于0.015wt％-0.033wt％的P，它在经过1750°F下固溶处理加时效处理，在1200°F和100ksi载荷下测得其应力断裂寿命超过了AMS 5662标准确定的名义718合金的应力断裂寿命。
全文摘要
一种提高高温合金抗蠕变性，疲劳特性和应力断裂寿命的方法，以及由此得到的合金。该方法包括将合金调整为含(以重量计)0.012-0.05％P，不超过0.1％C，和不超过0.03％B。
文档编号C22C30/00GK1151191SQ95193759
公开日1997年6月4日 申请日期1995年6月22日 优先权日1994年6月24日
发明者R·L·肯尼迪, W-D·曹 申请人:特勒达因工业公司