專利名稱：鎳基合金和鎳基合金的熱處理方法
發(fā)明
背景技術(shù)：
領(lǐng)域本發(fā)明的實施方案主要涉及鎳基合金和鎳基合金的熱處理方法。更確切地說，本發(fā)明的某些實施方案涉及具有理想顯微結(jié)構(gòu)、并具有熱穩(wěn)定的機械性能(如抗拉強度、屈服強度、延伸率、應力斷裂壽命和低缺口敏感性中的一種或多種)的鎳基合金。本發(fā)明的其它實施方案涉及能形成理想顯微結(jié)構(gòu)的鎳基合金熱處理方法，所述顯微結(jié)構(gòu)能使合金在高溫下具有熱穩(wěn)定的機械性能，特別是抗拉強度、應力斷裂壽命和低缺口敏感性。
背景技術(shù)：
718合金是最為廣泛應用的鎳基合金之一，主要記載于美國專利3046108，此處特別引入其說明書作為參考。
718合金的廣泛應用歸因于該合金的一些獨特性質(zhì)。例如，718合金在高達約1200的溫度下具有較高的強度和應力斷裂性能。此外，718合金具有良好的加工性能如可鑄性和熱加工性，以及良好的焊接性能。這些特性使得由718合金制成的部件易于制造并在需要時易于修理。如下所述，718合金獨特的性質(zhì)源于主要由γ″相沉淀物所強化的沉淀硬化顯微結(jié)構(gòu)。
在沉淀硬化的鎳基合金中有兩種主要強化相γ′相(或“γ撇”)沉淀物和γ″相(或“γ兩撇”)沉淀物。γ′相和γ″相都是化學計量的富鎳金屬間化合物。但是，γ′相一般包含鋁和鈦作為主要合金元素，即Ni3(Al，Ti)；而γ″相則含有原生(primarily)-鈮，即Ni3Nb。γ′相和γ″相兩相在面心立方奧氏體基體中形成共格沉淀(coherent precipitates)，這是因為涉及γ″相沉淀物(具有體心立方晶體結(jié)構(gòu))的錯配應變能(misfit strain energy)大于γ′相沉淀物(具有面心立方晶體結(jié)構(gòu))，γ″相沉淀物傾向于是比γ′相沉淀物更有效的強化劑。即，對于相同的沉淀物體積分數(shù)和粒徑而言，由γ″相沉淀物強化的鎳基合金通常比最初由γ′相沉淀物強化的鎳基合金更強。
但是，這種γ″相沉淀物強化的顯微結(jié)構(gòu)的一個缺點是溫度高于1200時γ″相不穩(wěn)定，并轉(zhuǎn)變成更穩(wěn)定的δ相(或“delta相”)。而δ相沉淀物的成分與γ″相沉淀物(即Ni3Nb)相同，δ相沉淀物具有斜方晶結(jié)構(gòu)、并與奧氏體基體不共格。因而通常認為δ相沉淀物對基體的強化效果是微不足道的。因此，γ″相轉(zhuǎn)變?yōu)棣南嗟慕Y(jié)果是718合金的機械性能如應力斷裂壽命在高于1200時迅速變差。因而718合金的應用一般限制在低于這一溫度的用途。
為了形成理想的沉淀硬化顯微結(jié)構(gòu)，鎳基合金必須經(jīng)過熱處理或沉淀硬化處理。鎳基合金的沉淀硬化處理通常包括通過將合金在足以使合金中基本上所有的γ′相和γ″相溶解的溫度下加熱(即，接近、等于或高于沉淀物的固溶溫度)而對合金進行固溶處理，從該固溶處理溫度冷卻該合金，接著以一個或多個時效步驟對合金進行時效處理。為了以受控方式形成理想沉淀物，時效處理在低于γ-沉淀物固溶溫度的溫度下進行。
在鎳基合金中形成理想顯微結(jié)構(gòu)取決于所采用的合金成分和沉淀硬化工藝(即所述固溶處理和時效工藝)。例如，對高溫下使用的718合金的一種典型沉淀硬化工序包括，在1750對合金進行固溶處理1-2小時，空冷該合金，隨后以兩段時效工藝對其進行時效處理。第一時效步驟包括在1325的第一時效溫度下對該合金加熱8小時，以每小時約50-100的速度冷卻至第二時效溫度1150，并在該第二時效溫度下對合金進行時效8小時。此后，將合金空冷至室溫。經(jīng)過上述熱處理后獲得的沉淀硬化顯微結(jié)構(gòu)由離散的γ′和γ″相沉淀物組成，但主要由，具有小量起二次強化作用的γ′相的γ″相沉淀物強化。
由于存在上述限制，為改善718合金已經(jīng)作出了許多嘗試。例如，為了改善該合金高溫下的機械性能穩(wěn)定性，已開發(fā)出改良的718合金成分，其具有可控的鋁、鈦和鈮合金化添加劑。具體說來，這些合金是為了促進在沉淀硬化處理過程中形成致密形態(tài)的顯微結(jié)構(gòu)而開發(fā)的。致密形態(tài)的顯微結(jié)構(gòu)由大量立方γ′相沉淀物以及形成于該立方γ′相沉淀物表面的γ″相沉淀物組成。換言之，該γ″相形成了包圍γ′相沉淀物的外殼。
除了調(diào)整化學成分，還必須進行特定的熱處理或沉淀硬化處理，以獲得所述致密形態(tài)顯微結(jié)構(gòu)而非前述離散的γ′相和γ″相沉淀物硬化的顯微結(jié)構(gòu)。能形成致密形態(tài)顯微結(jié)構(gòu)的特定熱處理的一個實例包括在約1800對合金進行固溶處理，空冷，隨后在約1562的第一時效溫度進行約半小時的時效處理，以析出粗大的γ′相沉淀物。在第一時效溫度進行時效后，將合金迅速空冷至第二時效溫度，在約1200的第二時效溫度保持約16小時，以形成γ″相外殼。隨后，將合金空冷至室溫。如前所述，進行這一沉淀硬化處理后，合金將具有上述致密形態(tài)的顯微結(jié)構(gòu)，并具有改善的高溫穩(wěn)定性。但是，具有致密形態(tài)顯微結(jié)構(gòu)的合金的抗拉強度通常明顯低于標準718合金。
目前存在多種γ′相強化鎳基合金，如Waspaloy鎳合金，它由北卡羅來納(North Qarolina)的Allvac of Monroe銷售。但由于Waspaloy鎳合金所含的合金添加劑含量高于718合金，如鎳、鈷和鉬，因此該合金比718合金更貴。而且，由于γ′相沉淀物的沉淀動力學比γ″相沉淀物快，因此該合金的熱加工性能和焊接性能通常低于718合金。
因此，希望開發(fā)出一種經(jīng)濟上能承受的沉淀硬化718型鎳基合金，其顯微結(jié)構(gòu)主要由更高熱穩(wěn)定的γ′相沉淀物強化，在高于1200的溫度下具有熱穩(wěn)定的機械性能，并且其熱加工性能和焊接性能與γ″相強化的合金相當。此外，還希望開發(fā)出一種鎳基合金的熱處理方法，以形成一種主要由熱穩(wěn)定的γ′相沉淀物強化的顯微結(jié)構(gòu)，并能提供一種鎳基合金，其具有熱穩(wěn)定的機械性能、以及可與γ″相強化合金相比的熱加工性能和焊接性能。
發(fā)明概述本發(fā)明的某些實施方案涉及鎳基合金的熱處理方法。例如，根據(jù)一個非限制性實施方案，該實施方案提供一種鎳基合金的熱處理方法，包括對鎳基合金進行預固溶處理，其中在鎳基合金中形成適量的、選自δ相沉淀物和η相沉淀物中的至少一種，具有短的、通常為桿狀的形態(tài)的晶界沉淀；對所述鎳基合金進行固溶處理，其中鎳基合金中基本上全部γ′相沉淀物和γ″相沉淀物都進行溶解，而所述至少一種晶界沉淀的至少部分量保留下來；固溶處理后以足以抑制在鎳基合金中形成γ′相和γ″相沉淀物的第一冷卻速率冷卻該鎳基合金；在第一時效處理中對鎳基合金進行時效，其中在鎳基合金中形成γ′相和γ″相的一次沉淀；在第二時效處理中對鎳基合金進行時效，其中在鎳基合金中形成γ′相和γ″相的二次沉淀，所述二次沉淀比一次沉淀細小；熱處理后，γ′相沉淀物是鎳基合金中的主要強化沉淀。
根據(jù)另一個非限制性實施方案，該實施方案提供一種718型鎳基合金的熱處理方法，該鎳基合金包括最高14wt％的鐵，該方法包括在1500-1650對鎳基合金進行2-16小時的預固溶處理，在1725-1850的固溶溫度下對鎳基合金進行不超過4小時的固溶處理；對鎳基合金進行固溶處理后，以至少每小時800的第一冷卻速率將其冷卻；在第一時效處理中，在1325-1450對該鎳基合金進行不超過8小時的時效處理；并在第二時效處理中，在1150-1300的第二時效溫度對該鎳基合金進行至少8小時的時效處理。
另一個非限制性實施方案也提供一種鎳基合金的熱處理方法，以重量百分比計該鎳基合金包含最高0.1的碳，12-20的鉻，最高4的鉬，最高6的鎢，5-12的鈷，最高14的鐵，4-8的鈮，0.6-2.6的鋁，0.4-1.4的鈦，0.003-0.03的磷，0.003-0.015的硼，以及鎳；其中鉬和鎢的重量百分含量之和至少為2、并不大于8，鋁和鈦的原子百分含量之和為2-6，鋁和鈦的原子百分含量之比至少為1.5，鋁和鈦的原子百分含量之和除以鈮的原子百分含量的值為0.8-1.3。該方法包括在1725-1850的固溶溫度下對鎳基合金進行不超過4小時的固溶處理；對鎳基合金進行固溶處理后，以第一冷卻速率將其冷卻；在第一時效處理中，在1365-1450下對上述經(jīng)固溶處理的鎳基合金進行不超過8小時的時效處理；在第二時效處理中，在1150-1300的第二時效溫度下對該鎳基合金進行至少8小時的時效處理。
本發(fā)明的其它實施方案旨在獲得具有理想顯微結(jié)構(gòu)的鎳基合金。例如，在一個非限制性實施方案中提供了一種鎳基合金，其包括一種包含γ′相沉淀物和γ″相沉淀物的基體，其中γ′相沉淀物是鎳基合金中的主要強化沉淀，該合金還包括適量選自δ相沉淀物和η相沉淀物中的至少一種具有短的、通常為桿狀形態(tài)的晶界沉淀；并且，其中該鎳基合金在1300的屈服強度至少為120ksi，在1300的延伸百分率至少為12％，在1300和80ksi測定的缺口應力斷裂壽命為至少300小時，并具有低缺口敏感性。
另一個非限制性實施方案提供一種718型鎳基合金，它包括最高14wt％的Fe，并包括γ′相沉淀物和γ″相沉淀物，其中，γ′相沉淀物是該鎳基合金中的主要強化沉淀，該合金還包括適量選自δ相沉淀物和η相沉淀物中的至少一種具有短的、通常為桿狀形態(tài)的晶界沉淀；在1500-1650對該鎳基合金進行2-16小時的預固溶處理，在1725-1850的固溶溫度對該鎳基合金進行不超過4小時的固溶處理；對鎳基合金進行固溶處理后，以至少每小時800的第一冷卻速率將其冷卻；在第一時效處理中，在1325-1450對該鎳基合金進行2-8小時的時效處理；在第二時效處理中，在1150-1300的第二時效溫度對該鎳基合金進行至少8小時的時效處理。
本發(fā)明的多個實施方案還提出了制品以及制造該制品的方法。例如，本發(fā)明的一個非限制性實施方案中提出了一種包括一種鎳基合金的制品，該鎳基合金包括一種包含γ′相沉淀物和γ″相沉淀物的基體，其中γ′相沉淀物是鎳基合金中的主要強化沉淀，該合金還包括大量選自δ相沉淀物和η相沉淀物中的至少一種晶界沉淀，其中所述至少一種晶界沉淀具有短的、通常為桿狀的形態(tài)；并且，該鎳基合金在1300的屈服強度為至少120ksi，在1300的延伸百分率為至少12％，在1300和80ksi測定的缺口應力斷裂壽命為至少300小時，并具有低缺口敏感性。
另一個非限制性實施方案提供了一種制造制品的方法，該制品包括含有最高14wt％Fe的718型鎳基合金，該方法包括將該鎳基合金制成理想形狀，并熱處理鎳基合金，其中熱處理鎳基合金，包括在1500-1650對該鎳基合金進行2-16小時的預固溶處理，在1725-1850的固溶溫度對該鎳基合金進行不超過4小時的固溶處理，對鎳基合金進行固溶處理后，以至少每小時800的第一冷卻速率將其冷卻，在第一時效處理中，在1325-1450對該鎳基合金進行2-8小時的時效處理，在第二時效處理中，在1150-1300的第二時效溫度下對該鎳基合金進行至少8小時的時效處理。


結(jié)合下述附圖將更充分地理解本發(fā)明的實施方案，其中圖1是按本發(fā)明實施方案的鎳基合金的SEM顯微照片；圖2是按本發(fā)明實施方案的鎳基合金的光學顯微照片；圖3是晶界相過度擴展的鎳基合金的SEM顯微照片；圖4是晶界相過度擴展的鎳基合金的光學顯微照片。
發(fā)明詳述本發(fā)明的某些非限制性實施方案可以有利地提供具有理想顯微結(jié)構(gòu)和高溫熱穩(wěn)定機械性能的鎳基合金。此處所使用的術(shù)語“熱穩(wěn)定的機械性能”表示合金在1400暴露100小時后，其機械性能(如抗拉強度、屈服強度、延伸率和應力斷裂壽命)與暴露前相比具有相同機械性能而沒有明顯降低。此處所使用的術(shù)語“低缺口敏感性”表示依據(jù)ASTM E292進行測試時合金試樣的缺口處沒有破裂。此外，本發(fā)明的非限制性實施方案還有利地提供主要由γ′相強化、含有至少一種晶界相沉淀的鎳基合金，其熱加工性能和焊接性能可與γ″相強化的合金相當。
現(xiàn)在描述本發(fā)明各種非限制性實施方案的熱處理鎳基合金的方法。盡管在此處沒有限制性，此處所述鎳基合金的熱處理方法可以和各種鎳基合金成分相組合而使用，特別適合用于718型鎳基合金及其衍生合金。此處所使用的術(shù)語“鎳基合金”表示鎳和一種或多種合金化元素的合金。此處所使用的術(shù)語“718型鎳基合金”表示包含鉻和鐵、并被鈮、鋁、鈦合金化添加劑中的一種或多種強化的鎳基合金。
特別適合本發(fā)明各種非限制性實施方案的熱處理方法的718型鎳基合金的一個特定非限制性實例是一種含有最高14wt％Fe的718型鎳基合金。盡管此處并不具有限制性，但認為含有最高14wt％Fe的718型鎳基合金有助于制造具有良好應力斷裂壽命的合金。不局限于任何特定理論，本發(fā)明人認為合金中鐵含量較高時如18wt％，鈷降低堆垛層錯能的作用可以減弱。由于降低堆垛層錯能與提高應力斷裂壽命有關(guān)，因此在本發(fā)明的某些實施方案中，鎳基合金的鐵含量最好保持在14wt％或以下。
特別適合本發(fā)明各種非限制性實施方案的熱處理方法的718型鎳基合金的另一個特定非限制性實例是一種鎳基合金，以重量百分比計包含最高0.1的碳，12-20的鉻，最高4的鉬，最高6的鎢，5-12的鈷，最高14的鐵，4-8的鈮，0.6-2.6的鋁，0.4-1.4的鈦，0.003-0.03的磷，0.003-0.015的硼，以及鎳；其中鉬和鎢的重量百分含量之和至少為2、并不大于8，鋁和鈦的原子百分含量之和為2-6，鋁和鈦的原子百分含量之比至少為1.5，鋁和鈦的原子百分含量之和除以鈮的原子百分含量的值為0.8-1.3。這樣的合金詳細記載于共同待審的美國申請10/144369，在此特別引入其說明書作為參考。
本發(fā)明第一個非限制性實施方案的鎳基合金熱處理方法，包括對鎳基合金進行預固溶處理，對該鎳基合金進行固溶處理，對該鎳基合金進行時效以形成具有下述顯微結(jié)構(gòu)的鎳基合金，其中γ′相沉淀物是主要的強化沉淀，并在該合金的一個或多個晶界處存在具有理想形態(tài)的δ相沉淀物和/或η相沉淀物。
更詳細地說，根據(jù)第一個非限制性實施方案的鎳基合金的熱處理方法包括對鎳基合金進行預固溶處理，其中在該鎳基合金中形成適量的至少一種晶界沉淀。此處所使用的術(shù)語“預固溶處理”表示在對鎳基合金進行固溶處理之前，以能夠在該鎳基合金內(nèi)形成適量的至少一種晶界沉淀的溫度對其進行加熱。此處所使用的關(guān)于任意相的術(shù)語“形成”表示該相的成核和/或生長。例如，盡管在此處沒有限制性，對鎳基合金進行預固溶處理可以包括在爐中、在約1500-約1650對該鎳基合金加熱約2-約16小時。預固溶處理的一個特定的非限制性實施例中，預固溶處理可以特別用于處理可鍛鎳基合金，所述預固溶處理可以包括在約1550-1600的溫度下對該合金加熱約4-16小時。
如上所述，在預固溶處理過程中，鎳基合金內(nèi)形成適量的至少一種晶界沉淀。根據(jù)第一個非限制性實施方案，預固溶處理過程中形成的所述至少一種晶界沉淀選自δ相(“delta相”)沉淀物和η相(“eta相”)沉淀物?，F(xiàn)有技術(shù)中已知Delta相沉淀物由有序的金屬間相Ni3Nb組成，并具有斜方晶體結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有技術(shù)中已知Eta相沉淀物由有序金屬間相Ni3Ti組成，并具有六方晶體結(jié)構(gòu)。此外，根據(jù)該實施方案，在預固溶處理過程中可以形成δ相和η相晶界沉淀兩者。
通常不希望因γ″相沉淀物過時效而在鎳基合金中形成δ相和/或η相沉淀物(下文中稱為“δ/η相”沉淀物)，這是因為這些沉淀不共格，并不利于強化奧氏體基體，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)具有理想形態(tài)，并位于鎳基合金晶界處(將在下文中詳細描述)的可控含量的δ/η相沉淀物能夠強化晶界、并有助合金在高溫下降低缺口敏感性、提高應力斷裂壽命和延展性。此外，如下文中詳細描述的，當可控含量的至少一種晶界沉淀與具有理想粒徑分布的γ′相和γ″相沉淀物相結(jié)合，則在至少1300的溫度下可以達到具有低缺口敏感性、良好的抗拉強度、應力斷裂壽命和熱穩(wěn)定的機械性能的鎳基合金。
現(xiàn)在參考附圖，在圖1中所示的是放大倍數(shù)為3000×時拍攝的本發(fā)明實施方案的鎳基合金的SEM顯微照片。圖2所示的是放大倍數(shù)為500×時拍攝的同一鎳基合金的光學顯微照片。如本發(fā)明某些非限制性實施方案所述，圖1和2所示鎳基合金包括適量的至少一種具有理想形態(tài)和位置的晶界沉淀。如圖1所示，該鎳基合金包括δ/η相沉淀物110，其中大部分具有短的、通常為桿狀形態(tài)、并位于合金的晶界內(nèi)。此處所使用的關(guān)于沉淀物的術(shù)語“短的、通常為桿狀”表示該沉淀物的長度與厚度的縱橫比不大于約20，例如圖1和2所示。中，短的、通常為桿狀沉淀物的縱橫比為1-20。根據(jù)本發(fā)明各種非限制性實施方案，在鎳基合金中的孿晶間界有時可能存在δ/η相沉淀物(例如，如圖1所示，在孿晶間界121可以觀察到δ/η相沉淀物111)，但在本發(fā)明的某些非限制性實施方案加工的鎳基合金中不應明顯形成晶內(nèi)針狀δ/η相沉淀物。
盡管不局限于任何特定理論，但本發(fā)明人認為，圖1和2所示的沉淀物的兩種形態(tài)和該沉淀物在晶界的位置有望提供一種具有低缺口敏感性以及改善的抗拉延展性和應力斷裂壽命的鎳基合金，這是因為這些晶界沉淀物能夠在高溫下限制合金中的晶界滑移。換言之，本發(fā)明實施方案的晶界沉淀物由于其形態(tài)和位置，通過適當“鎖定(locking)”和“阻塞(pinning)”晶界來限制晶界運動而有效地強化晶界。由于晶界滑移基本上有助于蠕變變形和形成晶間裂紋，而這可降低合金的應力斷裂壽命和提高缺口敏感性，因此，根據(jù)本發(fā)明實施方案通過限制鎳基合金中的晶界滑移，晶界沉淀能夠提高合金的抗拉延展性和應力斷裂壽命，并降低合金的缺口敏感性。相反，當不存在任何晶界相、或當發(fā)生過度沉淀時(如圖3和4所示，將在下文描述)，晶界將不被強化，合金的應力斷裂壽命也無改善。
在本發(fā)明的某些非限制性實施方案中，在熱處理鎳基合金后，該鎳基合金的大部分晶界被至少一種短的、通常為桿狀的晶界沉淀所阻基，例如圖2所示的沉淀210。在本發(fā)明的其它實施方案中，至少三分之二(2/3)的晶界被至少一種短的、通常為桿狀的晶界沉淀所阻基。因此，根據(jù)這些非限制性實施方案，盡管希望全部晶界都被至少一種晶界沉淀所阻塞，但并不需要全部晶界被阻塞。
相反，圖3和4是具有過量形成δ/η相沉淀物的鎳基合金的顯微照片。如圖3所示，沉淀310的大部分都具有尖銳的、針狀形態(tài)，其縱橫比遠大于圖1和2所示沉淀，并延伸了相當長的距離到晶粒內(nèi)部，在某些情況下延伸穿過一個單獨晶粒。盡管不局限于任何特定理論，但本發(fā)明人認為，如圖3和4所示的晶粒中δ/η相沉淀物的形態(tài)和沉淀的位置是不理想的，這是因為該δ/η相沉淀物(分別如圖3和4所示的310和410)并不如上述那樣強化晶界。相反，沉淀物和晶?；w之間的界面變成了最易于裂紋擴展的通道。此外，過量形成δ/η相沉淀物減少合金中強化沉淀(即γ′和γ″)的量，從而降低合金的強度(如前所述)。因此，盡管圖3和4所示的沉淀有助于提高高溫延展性，但這類沉淀會顯著降低合金的抗拉強度和應力斷裂壽命。
不局限于任何特定理論，本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)δ/η相晶界沉淀的形態(tài)與合金的沉淀溫度和粒徑有關(guān)。因此，例如但不僅限于，對于某些析出溫度高于約1600的可鍛合金、以及某些沉淀溫度高于約1650的可鍛合金，通常δ/η相沉淀物都會以高縱橫比的針狀形成在晶界和晶內(nèi)。如上所述，這通常會降低合金的抗拉強度和應力斷裂壽命。但是，當δ/η相沉淀分別在低于約1600和1650的溫度在合金中析出時，會在晶界形成具有相對短的、通常為桿狀形態(tài)的δ/η相沉淀物，而極少在晶內(nèi)析出。如前所述，在鎳基合金中形成這些晶界沉淀是理想的，因為這些晶界沉淀能夠鎖定或阻塞晶界，從而提高合金的抗拉強度、延展性和應力斷裂壽命，同時降低缺口敏感性。
如本發(fā)明第一個非限制性實施方案所述，預固溶處理后，在進行固溶處理前可以將鎳基合金冷卻至1000或以下。例如雖不限于此，在固溶處理前可以將該合金冷卻至室溫。此處所使用的術(shù)語“固溶處理”表示在接近(即下文中不低于約100的溫度)、等于或高于γ′和γ″相沉淀物的固溶溫度、但低于晶界沉淀的固溶溫度的固溶溫度下加熱該鎳基合金。因此，如前所述，在鎳基合金的固溶處理期間，該鎳基合金中的基本上全部γ′和γ″相沉淀物都是溶解的。此處所使用的關(guān)于固溶處理過程中γ′和γ″相沉淀物是溶解的術(shù)語“基本上全部”表示至少大多數(shù)γ′和γ″相沉淀物是溶解的。因此，固溶處理過程中溶解基本上全部γ′和γ″相沉淀物包括但不僅限于溶解全部γ′和γ″相沉淀物。但是，由于固溶溫度低于晶界沉淀(即預固溶處理期間形成的δ/η相沉淀物)的固溶溫度，因此在固溶處理期間，至少部分所述至少一種晶界沉淀保留在鎳基合金中。
盡管此處沒有限制，但根據(jù)該非限制性實施方案，鎳基合金的固溶處理可以包括在不高于1850的固溶溫度下加熱該鎳基合金不超過4小時。更特別的是，對鎳基合金進行的固溶處理可以包括在1725-1850的固溶溫度下加熱該鎳基合金，更優(yōu)選包括在1750-1800下加熱該鎳基合金1-4小時，更優(yōu)選1-2小時。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，基本上溶解全部γ′和γ″相沉淀物所需的確切固溶處理時間將取決于多個因素，包括但不限于，固溶處理的鎳基合金的尺寸。因此，處理的鎳基合金(或包含鎳基合金的工件)越大，通常需要越長的固溶時間以獲得滿意的效果。
盡管不局限于任何特定理論，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)如果固溶溫度高于約1850，在固溶處理后鎳基合金中將保留少于理想量的晶界沉淀。因此，該合金的缺口敏感性、高溫應力斷裂壽命和延展性會受到負面影響。但是根據(jù)本發(fā)明的這個非限制性實施例，對于這些性能并不關(guān)鍵的應用而言，可以采用高于1850的固溶溫度。此外，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如果固溶溫度低于約1725，固溶處理期間將無法使基本上全部γ′相和γ″相沉淀物溶解。從而，未溶解的γ′相和γ″相沉淀物會不理想地生長、粗化，導致抗拉強度和應力斷裂壽命降低。
固溶處理鎳基合金后，以足以抑制冷卻期間在鎳基合金中形成γ′相和γ″相沉淀物的第一冷卻速率冷卻該鎳基合金。盡管不具有限制性，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)如果固溶處理后鎳基合金冷卻過慢，除了γ′相和γ″相沉淀物的不冷理想地析出和粗化，還會形成過量的晶界沉淀。如前所述，形成過量的晶界沉淀會對合金的抗拉強度和應力斷裂壽命造成不利影響。因此根據(jù)本發(fā)明第一個非限制性實施方案，第一冷卻速率為至少每小時800，可以是至少每小時1000或以上。例如將合金從固溶溫度空冷，可以獲得超過800或1000的冷卻速率。
根據(jù)本發(fā)明第一個非限制性實施方案所述對鎳基合金進行固溶處理和冷卻后，在第一時效處理中對該鎳基合金進行時效。此處所使用的術(shù)語“時效”表示在低于γ′相和γ″相形成γ′相和γ″相沉淀物的固溶溫度的溫度下加熱該鎳基合金。在第一時效處理期間，鎳基合金中形成γ′相和γ″相的一次沉淀。盡管不具有限制性，根據(jù)該非限制性實施方案，所述第一時效處理可以包括在1325-1450的溫度加熱該鎳基合金2-8小時。更確切地說，第一時效處理可以包括在1365-1450的溫度下加熱該鎳基合金2-8小時。盡管不具備限制性，在高于約1450或低于約1325的第一時效溫度下進行時效將分別導致合金過時效或時效不足，同時伴有強度降低。
第一時效處理后，將鎳基合金冷卻至第二時效溫度并在第二時效處理中進行時效。盡管并不需要，但根據(jù)本發(fā)明的這個實施方案所述第二冷卻速率可以為每小時50或以上。例如，通過在爐子冷卻至所需溫度或爐子斷電后使鎳基合金在爐中冷卻(即爐冷合金)，可以獲得約每小時50-約每小時100的冷卻速率。或者盡管沒有限制，該鎳基合金可以更快速地冷卻，例如通過空冷至室溫，隨后加熱至第二時效溫度。但是，如果采用更快的冷卻速率，可能需要更長的時效時間以形成理想的顯微結(jié)構(gòu)。
在第二時效溫度下時效該鎳基合金，從而在鎳基合金中形成γ′相和γ″相的二次沉淀。在第二時效處理期間形成的γ′相和γ″相二次沉淀通常比在第一時效期間形成的一次沉淀更細小。也就是說，第二時效處理期間形成的沉淀的粒徑通常小于第一時效期間形成的一次沉淀的粒徑。盡管不局限于任何特定理論，認為與形成均勻的沉淀粒徑相反，形成具有一定粒徑分布的γ′相沉淀物和γ″相沉淀物會提高鎳基合金的機械性能。
此外，根據(jù)該第一個非限制性實施方案，第二時效處理可以包括在1150-1300的第二時效溫度下加熱該鎳基合金，更確切地說可以包括在1150-1200的第二時效溫度下加熱該鎳基合金至少8小時。
如前所述，根據(jù)本發(fā)明第一個非限制性實施方案所述熱處理該鎳基合金后，γ′相沉淀物是鎳基合金中的主要強化沉淀。此處所使用的關(guān)于γ′相沉淀物的術(shù)語“主要強化沉淀”表示該鎳基合金包括至少約20體積百分比的γ′相和不超過約5體積百分比的γ″相。此外，熱處理后，該非限制性實施方案所述鎳基合金包含適量的選自δ相沉淀物和η相沉淀物的至少一種晶界沉淀，并具有短的、通常為桿狀的形態(tài)。
在本發(fā)明的第二個非限制性實施方案中，加熱鎳基合金到約1500-1600的預固溶溫度一段時間，以便析出控制量的、選自δ相沉淀物和η相沉淀物的至少一種晶界沉淀。如上文關(guān)于第一個非限制性實施方案的描述，理想地至少一種沉淀具有短的、通常為桿狀的形態(tài)、并位于合金的晶界處。
其后，將溫度升至1725-約1850的固溶溫度而不冷卻，并對鎳基合金進行固溶處理(即，該合金直接加熱至固溶溫度)。該鎳基合金在固溶溫度如前述保持足以溶解基本上全部γ′相和γ″相沉淀物的一段時間。例如雖然沒有限制，可以將該鎳基合金在該固溶溫度保持不超過4小時。根據(jù)第二個非限制性實施方案的一個特定的非限制性實施例，固溶溫度為1750-約1800，將合金在該固溶溫度保持不超過2小時。其后，如上文關(guān)于本發(fā)明第一個非限制性實施方案的內(nèi)容所述，將鎳基合金冷卻至室溫并時效。
本發(fā)明的第三個非限制性實施方案提供一種對包括最高14wt％鐵的718型鎳基合金進行熱處理的方法，該方法包括在1500-1650對鎳基合金進行2-16小時的預固溶處理。預固溶處理后，在1725-1850的固溶溫度對該鎳基合金進行不超過4小時的固溶處理，優(yōu)選在1750-1800的固溶溫度處理不超過2小時。隨后，如上文關(guān)于本發(fā)明第一個非限制性實施方案的內(nèi)容所述，可以將鎳基合金冷卻至室溫并時效。根據(jù)本發(fā)明的這個非限制性實施方案對鎳基合金進行熱處理后，鎳基合金理想地具有某種包括γ′相沉淀物和γ″相沉淀物顯微結(jié)構(gòu)，顯微結(jié)構(gòu)其中γ′相沉淀物是鎳基合金中的主要強化沉淀，該顯微結(jié)構(gòu)還包括適量的選自δ相沉淀物和η相沉淀物的至少一種晶界沉淀，所述至少一種晶界沉淀具有短的、通常為桿狀的形態(tài)。
本發(fā)明的第四個非限制性實施方案提供一種熱處理鎳基合金的方法，以重量百分比計該鎳基合金包含最高0.1的碳，12-20的鉻，最高4的鉬，最高6的鎢，5-12的鈷，最高14的鐵，4-8的鈮，0.6-2.6的鋁，0.4-1.4的鈦，0.003-0.03的磷，0.003-0.015的硼，以及鎳；其中鉬和鎢的重量百分含量之和至少為2、并不大于8，鋁和鈦的原子百分含量之和為2-6，鋁和鈦的原子百分含量之比至少為1.5，鋁和鈦的原子百分含量之和除以鈮的原子百分含量的值為0.8-1.3。該方法包括在1725-1850的固溶溫度加熱鎳基合金不超過4小時從而對其進行固溶處理，更特別的是包括通過在1750-1800的固溶溫度下加熱鎳基合金不超過2小時從而對其進行固溶處理。該方法還包括在固溶處理后以第一冷卻速率冷卻該鎳基合金，并如上文關(guān)于本發(fā)明第一個非限制性實施方案所述對鎳基合金進行時效。根據(jù)本發(fā)明第四個非限制性實施方案熱處理該鎳基合金后，該鎳基合金理想地具有主要由γ′相沉淀物強化的顯微結(jié)構(gòu)，并可包括適量的選自δ相沉淀物和η相沉淀物的至少一種晶界沉淀，所述至少一種晶界沉淀具有短的、通常為桿狀的形態(tài)。
盡管并不需要，本發(fā)明第四個非限制性實施方案所述方法還可以包括在固溶處理之前在1500-1650對鎳基合金進行2-16小時的預固溶處理。如前所述，通過對鎳基合金進行預固溶處理，該合金中可以形成控制量的至少一種晶界沉淀。因此，熱處理鎳基合金后，該鎳基合金理想地具有主要由γ′相沉淀物強化的顯微結(jié)構(gòu)，并包含適量的選自δ相沉淀物和η相沉淀物的至少一種晶界沉淀，其中所述至少一種晶界沉淀具有短的、通常為桿狀的形態(tài)。
盡管不具有限制性，根據(jù)上述本發(fā)明多個非限制性實施方案熱處理鎳基合金后，該鎳基合金在1300的屈服強度為至少120ksi，在1300的延伸百分率為至少12％，在1300和80ksi測定的缺口應力斷裂壽命為至少300小時，并具有低缺口敏感性。盡管并不需要，熱處理后該合金的粒徑為ASTM 5-8。
下面將描述本發(fā)明某些非限制性實施方案的具有理想顯微結(jié)構(gòu)的鎳基合金。在本發(fā)明的一個非限制性實施方案中，提供一種鎳基合金，其包括一種包含γ′相沉淀物和γ″相沉淀物的基體，其中γ′相沉淀物是鎳基合金中的主要強化沉淀，該合金還包括控制量的至少一種晶界沉淀，所述至少一種晶界沉淀選自δ相沉淀物和η相沉淀物；所述鎳基合金在1300的屈服強度至少為120ksi，在1300的延伸百分率至少為12％，在1300和80ksi測定的缺口應力斷裂壽命為至少300小時，并具有低缺口敏感性。
根據(jù)該非限制性實施方案，所述鎳基合金可以是718型鎳基合金。例如，該718型鎳基合金可以包含最高14wt％的鐵。此外，以重量百分比計，該718型鎳基合金可以包括最高0.1的碳，12-20的鉻，最高4的鉬，最高6的鎢，5-12的鈷，最高14的鐵，4-8的鈮，0.6-2.6的鋁，0.4-1.4的鈦，0.003-0.03的磷，0.003-0.015的硼，以及鎳；其中鉬和鎢的重量百分含量之和至少為2、并不大于8，鋁和鈦的原子百分含量之和為2-6，鋁和鈦的原子百分含量之比至少為1.5，鋁和鈦的原子百分含量之和除以鈮的原子百分含量的值為0.8-1.3。
該非限制性實施方案所述鎳基合金可以是鑄造或可鍛鎳基合金。例如雖沒有限制，該鎳基合金可以通過在真空感應熔煉(“VIM”)工藝中熔煉具有預期成分的原材料、隨后將熔融材料鑄造成錠而制成。隨后，還可以通過重熔鑄錠來精煉該鑄造材料。例如，可以通過真空電弧重熔(“VAR”)、電渣重熔(“ESR”)或ESR與VAR結(jié)合使用來重熔該鑄造材料，上述工藝都是本領(lǐng)域已知的?；蛘?，也可以使用其它本領(lǐng)域已知的熔煉和重熔方法。
熔煉后，可以對該鎳基合金進行熱處理以形成理想的顯微結(jié)構(gòu)。例如雖沒有限制，可以根據(jù)前述本發(fā)明各個非限制性實施方案所述方法對鎳基合金進行熱處理，以形成理想的是顯微結(jié)構(gòu)?；蛘?，在熱處理前可以首先對合金進行鍛造、熱加工或冷加工。
本發(fā)明所述鎳基合金的一個特定的非限制性實施方案提供一種718型鎳基合金，其包括最高14wt％的鐵，并包含γ′相沉淀物和γ″相沉淀物，其中γ′相沉淀物是鎳基合金中的主要強化沉淀，該合金還包含適量選自δ相沉淀物和η相沉淀物中的至少一種晶界沉淀，所述至少一種晶界沉淀具有短的、通常為桿狀的形態(tài)。根據(jù)這個非限制性實施方案，該鎳基合金可以通過例如下述方式形成在1500-1650對該鎳基合金加熱4-16小時從而對其進行預固溶處理，在1725-1850的固溶溫度對鎳基合金加熱不超過4小時從而對其進行固溶處理；對鎳基合金進行固溶處理后，以至少每小時800的第一冷卻速率將其冷卻，在第一時效處理中，在1325-1450對該鎳基合金加熱2-8小時從而對其進行時效處理，并在第二時效處理中，在1150-1300的第二時效溫度對該鎳基合金加熱至少8小時從而對其進行時效處理。
本發(fā)明的實施方案還涉及使用該鎳基合金制造的制品、以及本發(fā)明所述鎳基合金的熱處理方法?？梢杂帽景l(fā)明各個實施方案所述的鎳基合金及其熱處理方法制成的制品的非限制性實施例包括但不僅限于渦輪或壓縮機葉輪、葉片、機殼、轉(zhuǎn)軸和緊固件。
例如雖沒有限制，本發(fā)明的一個實施方案提供一種包括一種鎳基合金的制品，該鎳基合金包括一種包含γ′相沉淀物和γ″相沉淀物的基體，其中γ′相沉淀物是該鎳基合金中的主要強化沉淀，該合金還包含適量的選自δ相沉淀物和η相沉淀物的至少一種晶界沉淀；并其中所述鎳基合金在1300的屈服強度至少為120ksi，在1300的延伸百分率至少為12％，在1300和80ksi測定的缺口應力斷裂壽命為至少300小時，并具有低缺口敏感性。盡管并不需要，該合金的粒徑為ASTM 5-8。
盡管沒有限制性，本發(fā)明的這個非限制性實施方案所述制品可以通過例如下述方式形成將具有預期成分的鑄造或可鍛鎳基合金制成理想形狀，隨后對該鎳基合金進行熱處理以形成上述理想顯微結(jié)構(gòu)。更特別但不僅限于，根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案，該制品可以由鑄造或可鍛718型鎳基合金制成，更特別的是包括最高14wt％鐵的718型鎳基合金。在本發(fā)明的一個特定的非限制性實施方案中，所述制品由一種鎳基合金制成，以重量百分比計該鎳基合金包含最高0.1的碳，12-20的鉻，最高4的鉬，最高6的鎢，5-12的鈷，最高14的鐵，4-8的鈮，0.6-2.6的鋁，0.4-1.4的鈦，0.003-0.03的磷，0.003-0.015的硼，以及鎳；其中鉬和鎢的重量百分含量之和至少為2、并不大于8，并其中鋁和鈦的原子百分含量之和為2-6，鋁和鈦的原子百分含量之比至少為1.5，鋁和鈦的原子百分含量之和除以鈮的原子百分含量的值為0.8-1.3。
現(xiàn)在，在下述非限制性實施例中對本發(fā)明的各個非限制性實施方案進行說明。
實施例實施例1采用VIM工藝熔煉制備718型鎳基合金，隨后鑄造成錠。其后，利用VAR重熔該鑄造材料。隨后將鑄造材料鍛造成直徑8″的圓坯，并切割成試樣。根據(jù)ASTM E 112測定，該合金的粒徑為ASTM 6-ASTM 8，平均粒徑為ASTM 7。該合金的成分如下。

將上述試樣分成試樣組，對試樣組進行下述表1中的預固溶處理。
表1

預固溶處理后，在1750對每個試樣組進行1小時固溶處理，空冷，在1450時效2小時，爐冷，在1200時效8小時，空冷至室溫。熱處理后進行下述測試。根據(jù)ASTM E21在1300對每個試樣組的至少2個試樣進行拉伸試驗，測定每個試樣的抗拉強度、屈服強度、延伸百分率和面積縮減百分率。根據(jù)ASTM 292在1300和80ksi對每個試樣組的至少2個試樣進行應力斷裂壽命測試，測定每個試樣的應力斷裂壽命和斷裂時的延伸百分率。根據(jù)ASTM E262在室溫對每個試樣組的至少2個試樣進行夏氏沖擊試驗(Charpy testing)，測定每個試樣的沖擊強度和橫向膨脹(“LE”)。
上述試驗的結(jié)果列于表2中，其中列于表中的數(shù)據(jù)是每個試樣組中測試試樣的平均值。
表2

*NT＝未測定從表2可見，與未進行預固溶處理的試樣(即試樣組1)和在1600和1650進行8小時預固溶處理的試樣(即試樣組3和4)相比，在1550進行8小時預固溶處理的試樣(即試樣組2)具有更好的抗拉強度、屈服強度、延伸率和面積縮減率，明顯更好的應力斷裂壽命和沖擊強度。此外，試樣組4的試樣的性能略低于未經(jīng)預固溶處理的試樣，但仍是可接受的。
如上所述，在1550-1600預固溶處理可鍛鎳基合金能有利地析出所述至少一種晶界相。此外，如上所述，認為該晶界相以理想的含量和形態(tài)存在時能強化鎳基合金的晶界，從而改善合金的高溫性能。
實施例2如上述實施例1所述制造試樣。將試樣分成試樣組，對試樣組進行下述表3中的固溶和時效處理。
表3

在固溶處理和第一時效處理之間，將試樣空冷，在第一和第二時效處理之間采用每小時約100的冷卻速率(即爐冷)。在第二時效處理之后，將試樣空冷至室溫。
熱處理后，每個組中的試樣進行如上述實施例1的測試，除了在室溫(“Trm”)對試樣組5-8的試樣另外進行拉伸試驗以代替實施例1中在室溫進行的夏氏沖擊試驗。試驗結(jié)果如表4所示，表中的數(shù)據(jù)是被測試樣的平均值。
表4

*觀察到的缺口斷裂從表4中的結(jié)果可見，全部試樣組在1300的屈服強度都是至少約120ksi、在1300的延伸百分率至少約12％。此外，在1300和80ksi的條件下，試樣組5-7還具有至少約300小時的應力斷裂壽命和低缺口敏感性。
在1750進行固溶處理的兩個試樣組之間(即試樣組5和試樣組6)，試樣組6試樣在室溫和1300的抗拉和屈服強度、高溫延展性以及應力斷裂壽命都普遍優(yōu)于試樣組5試樣。盡管無意限制，但認為這一結(jié)果歸因于試樣組6的試樣進行時效時所采用的時效溫度較高。
從表4中還可看出，在試樣組8有缺口斷裂。但是如表5所述，經(jīng)過類似于試樣組8試樣的熱處理方式對4″圓鍛坯試樣反復進行應力斷裂試驗時沒有發(fā)生缺口斷裂。雖然對4″圓鍛坯試樣進行的反復試驗與8″圓鍛坯試樣相反，但其未發(fā)生缺口斷裂不是由于試樣的尺寸不同。因此認為，諸如用于試樣組8的這類熱處理適于制備具有理想應力斷裂性能的鎳基合金。
表5

*在固溶處理和第一時效處理之間，將試樣空冷。
**在第一和第二時效處理之間，以每小時約100的冷卻速率將試樣爐冷。
***在第二時效處理之后，將試樣空冷至室溫。
實施例3根據(jù)上述實施例1所述制造試樣。將試樣分成試樣組，在1750對試樣組進行固溶處理，每個試樣組的處理時間如表6所示。固溶處理后，每個試樣空冷至室溫，隨后在1450時效2小時，爐冷至1200，在空冷至室溫前時效8小時。
表6

熱處理后，對每個試樣組的試樣進行實施例1所述的試驗，但不進行夏氏沖擊試驗。試驗結(jié)果如表7所示，其中表中的數(shù)據(jù)是被測試樣的平均值。
表7

從表7中的數(shù)據(jù)可見，僅試樣組9在1300和80ksi的應力斷裂壽命為至少300小時，全部試樣在1300的屈服強度為至少120ksi、在1300的延伸百分率為至少12％。雖然試樣組10和11的應力斷裂性能低于試樣組9，但認為固溶處理時間超過2小時仍適用于某些用途。此外，如前所述，進行熱處理的試樣或工件的尺寸越大，固溶時間需要超過2小時以溶解基本上全部γ′和γ″相沉淀物。
實施例4使用4″直徑的圓角、方形重鍛坯制備試樣，根據(jù)ASTM E 112測定，該鍛坯的粒徑為ASTM 4.5-ASTM5.5，平均粒徑為ASTM 5。將試樣分成試樣組，在1750對試樣組進行1小時固溶處理，對每個試樣組以表8所示的冷卻速率冷卻至室溫。冷卻至室溫后，在1450對試樣時效2小時，爐冷至1200，在空冷至室溫前時效8小時。
表8

熱處理后，對每個試樣組的試樣進行實施例3所述的試驗。試驗結(jié)果如表9所示，其中表中的數(shù)據(jù)是被測試樣的平均值。
表9

從表9中的數(shù)據(jù)可見，固溶處理后的冷卻速率較低(如試樣組14的每小時400)時，獲得的1300的屈服強度低于120ksi。在較高冷卻速率(如試樣組13的每小時1000和試樣組14的每小時22500)時，1300的屈服強度為至少120ksi。但是，所有試樣都具有下述性能1300的延伸百分率為至少12％、1300和80ksi時的應力斷裂壽命為至少300小時。
實施例5
根據(jù)上述實施例1所述制造試樣。隨后，將試樣分成試樣組15-21。在1750對試樣進行1小時固溶處理。固溶處理后，在進行表10所示時效之前以每小時約22500(空冷)的冷卻速率將試樣冷卻至室溫。
第一時效處理之后，全部試樣爐冷至第二時效溫度，平均冷卻速率為每小時約50-約100。此外，第二時效處理完成后，將試樣空冷至室溫。
表10

熱處理后，對每個試樣組中的至少2個試樣進行如實施例3所述的試驗。試驗結(jié)果如表11所示，其中表中的數(shù)據(jù)是被測試樣的平均值。
表11

此外還測定試樣在高溫下機械性能的熱穩(wěn)定性，在進行上述測試前，將每個試樣組中的至少2個試樣在1400暴露100小時。試驗結(jié)果如表12所示。
表12

*測試前在1400暴露100小時。
從表11和12的數(shù)據(jù)可見，在約1450的第一時效溫度時效2小時、并在約1200的第二時效溫度時效8小時的試樣(即試樣組21)具有1300最高抗拉和屈服強度的最高的組合，以及最高的應力斷裂壽命。在1400熱暴露(表11)后，試樣組21的試樣具有最高的1300屈服強度和應力斷裂壽命。試樣組15、16和20的試樣緊隨這些結(jié)果。
此外，可以看出長時間熱暴露后該合金的延展性有所改善。盡管不局限于任何特定理論，沒有由于試樣未經(jīng)預固溶處理并試樣從固溶溫度冷卻的冷卻速率較高(約22500/小時)，因而直到熱暴露后沒有形成前面詳述的理想晶界δ/η相沉淀物。
應理解本說明書描述了有關(guān)以本發(fā)明清晰理解的一些方面。為簡化說明書，沒有記載本發(fā)明中某些對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的方面、以及不會促進更好地理解本發(fā)明的方面。盡管已結(jié)合某些實施方案描述了本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于公開的特定實施方案，而是包括了由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明實質(zhì)和范圍內(nèi)的全部改進方式。
權(quán)利要求
1.一種熱處理鎳基合金的方法，包括對鎳基合金進行預固溶處理，其中在鎳基合金中形成適量的、選自δ相沉淀物和η相沉淀物中的至少一種晶界沉淀，所述至少一種晶界沉淀具有短的、通常為桿狀的形態(tài)；對所述鎳基合金進行固溶處理，其中鎳基合金中基本上全部γ′相沉淀物和γ″相沉淀物都是溶解的，而所述至少一種晶界沉淀的至少一部分保留下來；固溶處理后以足以抑制在鎳基合金中形成γ′相和γ″相沉淀物的第一冷卻速率冷卻該鎳基合金；在第一時效處理中對鎳基合金進行時效，其中在鎳基合金中形成γ′相和γ″相的一次沉淀；在第二時效處理中對鎳基合金進行時效，其中在鎳基合金中形成γ′相和γ″相的二次沉淀，所述二次沉淀比一次沉淀細??；其中熱處理鎳基合金后，γ′相沉淀物是鎳基合金中的主要強化沉淀。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鎳基合金是718型鎳基合金。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中以重量百分比計該鎳基合金包含最高0.1的碳，12-20的鉻，最高4的鉬，最高6的鎢，5-12的鈷，最高14的鐵，4-8的鈮，0.6-2.6的鋁，0.4-1.4的鈦，0.003-0.03的磷，0.003-0.015的硼，以及鎳；其中鉬和鎢的重量百分含量之和至少為2、并不大于8，其中鋁和鈦的原子百分含量之和為2-6，鋁和鈦的原子百分含量之比至少為1.5，鋁和鈦的原子百分含量之和除以鈮的原子百分含量的值為0.8-1.3。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對鎳基合金進行預固溶處理包括在1500-1650對該鎳基合金加熱2-16小時。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對鎳基合金進行預固溶處理包括在1550-1600對該鎳基合金加熱2-16小時。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對鎳基合金進行固溶處理包括在1725-1850對該鎳基合金加熱不超過4小時。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對鎳基合金進行固溶處理包括在1750-1800對該鎳基合金加熱不超過2小時。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一冷卻速率為至少每小時800。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在進行固溶處理后冷卻該鎳基合金包括將其冷卻至1000或以下。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一時效處理包括在1325-1450的溫度對該鎳基合金加熱2-8小時。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第一時效處理包括在1365-1450的溫度對該鎳基合金加熱2-8小時。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第二時效處理包括在1150-1300的溫度對該鎳基合金加熱至少8小時。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第二時效處理包括在1150-1200的溫度對該鎳基合金加熱至少8小時。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中熱處理鎳基合金后，該鎳基合金的大多數(shù)晶界被至少一種晶界沉淀所阻塞。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中熱處理鎳基合金后，該鎳基合金在1300的屈服強度為至少120ksi，在1300的延伸百分率為至少12％，在1300和80ksi測定的缺口應力斷裂壽命為至少300小時，并具有低缺口敏感性。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在預固溶處理后、固溶處理前將鎳基合金冷卻至1000或以下。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在第一時效處理后以每小時50-100的速度將該鎳基合金冷卻至第二時效溫度。
18.一種熱處理718型鎳基合金的方法，該鎳基合金包括最高14wt％的鐵，該方法包括在1500-1650對鎳基合金進行2-16小時的預固溶處理；在1725-1850的固溶溫度對鎳基合金進行不超過4小時的固溶處理；對鎳基合金進行固溶處理后，以至少每小時800的第一冷卻速率將其冷卻；在第一時效處理中，在1325-1450對該鎳基合金進行不超過8小時的時效處理；在第二時效處理中，在1150-1300的第二時效溫度對該鎳基合金進行至少8小時的時效處理。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中該鎳基合金還包含最高0.1的碳，12-20的鉻，最高4的鉬，最高6的鎢，5-12的鈷，4-8的鈮，0.6-2.6的鋁，0.4-1.4的鈦，0.003-0.03的磷，0.003-0.015的硼，以及鎳；其中鉬和鎢的重量百分含量之和至少為2、并不大于8，鋁和鈦的原子百分含量之和為2-6，鋁和鈦的原子百分含量之比至少為1.5，鋁和鈦的原子百分含量之和除以鈮的原子百分含量的值為0.8-1.3。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中在對鎳基合金進行預固溶處理后，在進行固溶處理前將其冷卻至1000或以下。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其中在對鎳基合金進行預固溶處理后，直接將其加熱至固溶溫度。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其中對該鎳基合金進行的固溶處理包括在1750-1800對該鎳基合金加熱不超過2小時。
23.如權(quán)利要求18所述的方法，其中第一時效處理包括在1365-約1450的溫度對該鎳基合金加熱2-8小時。
24.如權(quán)利要求18所述的方法，其中熱處理后該鎳基合金在1300的屈服強度為至少120ksi，在1300的延伸百分率為至少12％，在1300和80ksi測定的缺口應力斷裂壽命為至少300小時，并具有低缺口敏感性。
25.如權(quán)利要求18所述的方法，其中熱處理鎳基合金后該鎳基合金包括γ′相沉淀物和γ″相沉淀物，其中γ′相沉淀物是鎳基合金中的主要強化沉淀；以及適量的選自δ相沉淀物和η相沉淀物的至少一種晶界沉淀，其中，所述至少一種晶界沉淀具有短的、通常為桿狀的形態(tài)。
26.一種熱處理鎳基合金的方法，以重量百分比計該鎳基合金包含最高0.1的碳，12-20的鉻，最高4的鉬，最高6的鎢，5-12的鈷，最高14的鐵，4-8的鈮，0.6-2.6的鋁，0.4-1.4的鈦，0.003-0.03的磷，0.003-0.015的硼，以及鎳；其中鉬和鎢的重量百分含量之和至少為2、并不大于8，鋁和鈦的原子百分含量之和為2-6，鋁和鈦的原子百分含量之比至少為1.5，鋁和鈦的原子百分含量之和除以鈮的原子百分含量的值為0.8-1.3，該方法包括在1725-1850的固溶溫度對鎳基合金進行不超過4小時的固溶處理；固溶處理鎳基合金后，以第一冷卻速率冷卻鎳基合金；在第一時效處理中，在1365-1450對固溶處理的鎳基合金進行不超過8小時的時效處理；在第二時效處理中，在1150-1300的第二時效溫度對該鎳基合金進行至少8小時的時效處理。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中對鎳基合金的固溶處理包括在1750-1800的固溶溫度將鎳基合金加熱不超過2小時。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述第一冷卻速率是至少每小時800。
29.如權(quán)利要求26所述的方法，其中在第二時效處理中對鎳基合金進行的時效包括在1150-1200的第二時效溫度加熱該鎳基合金。
30.如權(quán)利要求26所述的方法，其中在熱處理后該鎳基合金在1300的屈服強度為至少120ksi，在1300的延伸百分率為至少12％，在1300和80ksi測定的缺口應力斷裂壽命為至少300小時，并具有低缺口敏感性。
31.如權(quán)利要求26所述的方法，還包括在對鎳基合金進行固溶處理之前，在1500-1650對其進行2-16小時的預固溶處理。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其中熱處理后該鎳基合金包括γ′相沉淀物和γ″相沉淀物，其中γ′相沉淀物是鎳基合金中的主要強化沉淀；適量的選自δ相沉淀物和η相沉淀物的至少一種晶界沉淀，其中，所述至少一種晶界沉淀具有短的、通常為桿狀的形態(tài)。
33.一種鎳基合金，包括一種包含γ′相沉淀物和γ″相沉淀物的基體，其中γ′相沉淀物是鎳基合金中的主要強化沉淀；適量選自δ相沉淀物和η相沉淀物中的至少一種晶界沉淀，其中所述至少一種晶界沉淀具有短的、通常為桿狀的形態(tài)；并且其中該鎳基合金在1300的屈服強度至少為120ksi，在1300的延伸百分率至少為12％，在1300和80ksi測定的缺口應力斷裂壽命為至少300小時，并具有低缺口敏感性。
34.如權(quán)利要求33所述的鎳基合金，其中所述鎳基合金是718型鎳基合金。
35.如權(quán)利要求33所述的鎳基合金，其中以重量百分比計該鎳基合金包含最高0.1的碳，12-20的鉻，最高4的鉬，最高6的鎢，5-12的鈷，最高14的鐵，4-8的鈮，0.6-2.6的鋁，0.4-1.4的鈦，0.003-0.03的磷，0.003-0.015的硼，以及鎳；其中鉬和鎢的重量百分含量之和至少為2、并不大于8，鋁和鈦的原子百分含量之和為2-6，鋁和鈦的原子百分含量之比至少為1.5，鋁和鈦的原子百分含量之和除以鈮的原子百分含量的值為0.8-1.3。
36.一種經(jīng)過熱處理的718型鎳基合金，包括最高14wt％的鐵，并包括γ′相沉淀物和γ″相沉淀物，其中γ′相沉淀物是鎳基合金中的主要強化沉淀，還包括適量的選自δ相沉淀物和η相沉淀物的至少一種晶界沉淀，所述至少一種晶界沉淀具有短的、通常為桿狀的形態(tài)，其中該鎳基合金經(jīng)過下述熱處理在1500-1650對鎳基合金進行2-16小時的預固溶處理；在1725-1850的固溶溫度對鎳基合金進行不超過4小時的固溶處理；對鎳基合金進行固溶處理后，以至少每小時800的第一冷卻速率將其冷卻；在第一時效處理中，在1325-1450對該鎳基合金進行2-8小時的時效處理；在第二時效處理中，在1150-1300的第二時效溫度對該鎳基合金進行至少8小時的時效處理。
37.一種包括一種鎳基合金的制品，該鎳基合金包括一種包含γ′相沉淀物和γ″相沉淀物的基體，其中γ′相沉淀物是鎳基合金中的主要強化沉淀；適量選自δ相沉淀物和η相沉淀物中的至少一種晶界沉淀，其中所述至少一種晶界沉淀具有短的、通常為桿狀的形態(tài)；并且該鎳基合金在1300的屈服強度為至少120ksi，在1300的延伸百分率為至少12％，在1300和80ksi測定的缺口應力斷裂壽命為至少300小時，并具有低缺口敏感性。
38.如權(quán)利要求37所述的制品，其中以重量百分比計該鎳基合金包含最高0.1的碳，12-20的鉻，最高4的鉬，最高6的鎢，5-12的鈷，最高14的鐵，4-8的鈮，0.6-2.6的鋁，0.4-1.4的鈦，0.003-0.03的磷，0.003-0.015的硼，以及鎳；其中鉬和鎢的重量百分含量之和至少為2，并不大于8，鋁和鈦的原子百分含量之和為2-6，鋁和鈦的原子百分含量之比至少為1.5，鋁和鈦的原子百分含量之和除以鈮的原子百分含量的值為0.8-1.3。
39.如權(quán)利要求37所述的制品，其中所述制品選自渦輪或壓縮機葉輪、葉片、機殼、轉(zhuǎn)軸和緊固件。
40.一種制備一種制品的方法，所述制品含有包括最高14wt％Fe的718型鎳基合金，該方法包括將鎳基合金制成預期形狀；對該鎳基合金進行熱處理，其中對鎳基合金的熱處理包括在1500-1650對鎳基合金進行2-16小時的預固溶處理；在1725-1850的固溶溫度對鎳基合金進行不超過4小時的固溶處理；對鎳基合金進行固溶處理后，以至少每小時800的第一冷卻速率將鎳基合金冷卻；在第一時效處理中，在1325-1450對該鎳基合金進行2-8小時的時效處理；在第二時效處理中，在1150-1300的第二時效溫度對該鎳基合金進行至少8小時的時效處理。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其中以重量百分比計該鎳基合金包含最高0.1的碳，12-20的鉻，最高4的鉬，最高6的鎢，5-12的鈷，最高14的鐵，4-8的鈮，0.6-2.6的鋁，0.4-1.4的鈦，0.003-0.03的磷，0.003-0.015的硼，以及鎳；其中鉬和鎢的重量百分含量之和至少為2，并不大于8，鋁和鈦的原子百分含量之和為2-6，鋁和鈦的原子百分含量之比至少為1.5，鋁和鈦的原子百分含量之和除以鈮的原子百分含量的值為0.8-1.3。
全文摘要
本發(fā)明的實施方案涉及鎳基合金，特別是718型鎳基合金，其具有理想的顯微結(jié)構(gòu)，該顯微結(jié)構(gòu)主要由γ′相沉淀物強化，并包含適量的至少一種晶界沉淀。本發(fā)明的其它實施方案涉及熱處理鎳基合金、特別是718型鎳基合金的方法，以便形成能夠提供熱穩(wěn)定性的機械性能的理想顯微結(jié)構(gòu)。還公開了使用所述鎳基合金制成的制品以及根據(jù)本發(fā)明實施方案的熱處理鎳基合金的方法。
文檔編號C22C19/05GK1890395SQ200480035683
公開日2007年1月3日 申請日期2004年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月6日
發(fā)明者曹維滌, 理查德·L·肯尼迪 申請人:Ati資產(chǎn)公司