本發(fā)明涉及用于在熱鍛工藝后提供的各種產(chǎn)品的ni基超合金。特別地，本發(fā)明涉及用于熱鍛的γ'析出強(qiáng)化型ni基超合金，該ni基超合金的熱鍛造性優(yōu)異且高溫強(qiáng)度優(yōu)異。

背景技術(shù)：

例如，γ'析出強(qiáng)化型ni基超合金被用作在高溫環(huán)境下要求具有機(jī)械強(qiáng)度的燃?xì)廨啓C(jī)或蒸汽輪機(jī)的高溫部件。據(jù)認(rèn)為，γ'相由ti、al、nb和ta構(gòu)成，并且可以通過增加合金中這些構(gòu)成元素的含量來增加γ'相的析出量，由此可以增強(qiáng)合金在高溫下的機(jī)械強(qiáng)度。

另一方面，在使γ'相的析出量較大從而提高合金在高溫下的機(jī)械強(qiáng)度的情況下，制造過程中的合金的熱鍛造性(熱加工性)降低，并且如果由此使變形阻力過大，則在一些情況下不能進(jìn)行鍛造。特別地，這在諸如渦輪盤之類的大型產(chǎn)品(其中由熱鍛造導(dǎo)致的變形是不可避免的)中變成了大問題。因此，已經(jīng)研究了同時(shí)具有高溫強(qiáng)度和熱鍛造性的ni基超合金的成分組成。

例如，作為這樣的ni基超合金，專利文獻(xiàn)1公開了一種合金，該合金包含(以質(zhì)量％計(jì))：1.3％至2.8％的al、微量至11％的co、14％至17％的cr、微量至12％的fe、2％至5％的mo、0.5％至2.5％的nb+ta、2.5％至4.5％的ti、1％至4％的w、0.0030％至0.030％的b、微量至0.1％的c、和0.01％至0.06％的zr，其中以原子％計(jì)，(1)al+ti+nb+ta為8至11，并且(ti+nb+ta)/al為0.7至1.3。其中，據(jù)認(rèn)為al、ti、nb和ta的總量限定了γ'相的固溶溫度和γ'相分?jǐn)?shù)，并且根據(jù)表達(dá)式(1)，γ'相分?jǐn)?shù)控制在30％至44％的范圍內(nèi)，且固溶體溫度控制為小于1145℃。此外，據(jù)認(rèn)為，根據(jù)表達(dá)式(2)，增強(qiáng)了由γ'相導(dǎo)致的高溫環(huán)境下的機(jī)械強(qiáng)度，并且也防止了有害的η型和δ型針狀金屬間化合物相的析出。據(jù)認(rèn)為根據(jù)上述內(nèi)容，該合金具有高的鍛造性，使得即使在高于γ'相的固溶溫度的溫度下鍛造，也不會(huì)產(chǎn)生裂紋，這在udimet720(“udimet”是注冊(cè)商標(biāo))的情況下是不可能的，并且還認(rèn)為，與被稱為718plus的ni基超合金的情況相比，可以增加700℃(其為渦輪的運(yùn)行溫度)下的機(jī)械強(qiáng)度。

此外，專利文獻(xiàn)2公開了一種具有如下成分組成的ni基超合金，其包含：以質(zhì)量％計(jì)，c：大于0.001％且小于0.100％、cr：11.0％以上且小于19.0％、co：0.5％以上且小于22.0％、fe：0.5％以上且小于10.0％、si：小于0.1％、mo：大于2.0％且小于5.0％、w：大于1.0％且小于5.0％，mo+1/2w：2.5％以上且小于5.5％、s：小于0.010％、nb：0.3％以上且小于2.0％、al：大于3.00％且小于6.50％、ti：0.20％以上且小于2.49％，其中以原子％計(jì)，ti/al×10為0.2以上且小于4.0，并且al+ti+nb為8.5％以上且小于13.0％。特別地，在專利文獻(xiàn)2中，通過增加al、ti和nb的添加量來提高γ'相的析出量，并且據(jù)描述：高溫強(qiáng)度和熱鍛造性為權(quán)衡關(guān)系。在專利文獻(xiàn)2中，據(jù)認(rèn)為增加al的含量以防止γ'相的固溶溫度升高，并且同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高溫強(qiáng)度和熱鍛造性。

專利文獻(xiàn)1：jp-t-2013-502511

專利文獻(xiàn)2：jp-a-2015-129341

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

同時(shí)獲得高溫強(qiáng)度和熱鍛性的ni基超合金是人們所期望的，并且已經(jīng)對(duì)其成分組成進(jìn)行了研究。如上所述，在專利文獻(xiàn)1和2中，嘗試通過調(diào)節(jié)al、ti、nb和ta的含量來調(diào)節(jié)高溫機(jī)械強(qiáng)度，以控制合金中的γ'相的固溶溫度和析出量，其中al、ti、nb和ta為對(duì)機(jī)械強(qiáng)度影響較大的γ'相的構(gòu)成元素。

本發(fā)明是鑒于這樣的情況而做出的，其目的是為了提供一種同時(shí)具有高溫強(qiáng)度和在生產(chǎn)過程中具有良好的熱鍛造性的ni基超合金，其中該高溫強(qiáng)度使得在高溫環(huán)境中(例如，在渦輪系統(tǒng)等的情況下)使用時(shí)具有耐久性。

根據(jù)本發(fā)明的ni基超合金為用于熱鍛的ni基超合金，其具有由以下組分構(gòu)成的成分組成，以質(zhì)量％計(jì)，

c：大于0.001％且小于0.100％，

cr：11％以上且小于19％，

co：大于5％且小于25％，

fe：0.1％以上且小于4.0％，

mo：大于2.0％且小于5.0％，

w：大于1.0％且小于5.0％，

nb：0.3％以上且小于4.0％，

al：大于3.0％且小于5.0％，

ti：大于1.0％且小于3.4％，和

ta：0.01％以上且小于2.0％，以及

任選地，

b：小于0.03％，

zr：小于0.1％，

mg：小于0.030％，

ca：小于0.030％，和

rem：0.200％以下，

余量為不可避免的雜質(zhì)和ni，

其中，當(dāng)以原子％計(jì)的元素m的含量由[m]表示時(shí)，所述成分組成滿足以下兩個(gè)關(guān)系：

3.5≤([ti]+[nb]+[ta])/[al]×10<6.5，并且

9.5≤[al]+[ti]+[nb]+[ta]<13.0。

根據(jù)本發(fā)明，在增加γ'相的構(gòu)成元素的總含量的同時(shí)，可以降低γ'相的固溶溫度。因此，可以獲得同時(shí)具有高溫強(qiáng)度和良好的熱鍛造性的ni基超合金，其中該高溫強(qiáng)度使得在例如高溫環(huán)境下的渦輪系統(tǒng)等的使用中具有耐久性。

在本發(fā)明中，以質(zhì)量％計(jì)，該成分組成可以包含選自由以下組分構(gòu)成的組中的至少一種元素：

b：0.0001％以上且小于0.03％，以及

zr：0.0001％以上且小于0.1％。

根據(jù)本發(fā)明的這一方面，在制造過程中保持良好的熱鍛造性的同時(shí)，可以進(jìn)一步提高高溫強(qiáng)度，其中該高溫強(qiáng)度使得在高溫環(huán)境下使用時(shí)具有耐久性。

在本發(fā)明中，以質(zhì)量％計(jì)，該成分組成可以包含選自由以下組分構(gòu)成的組中的至少一種元素：

mg：0.0001％以上且小于0.030％，

ca：0.0001％以上且小于0.030％，以及

rem：0.001％以上0.200％以下。

根據(jù)本發(fā)明的這一方面，能夠提高高溫強(qiáng)度，其使得在高溫環(huán)境下使用時(shí)具有耐久性，并且還能夠進(jìn)一步提高制造過程中的良好的熱鍛造性。

具體實(shí)施方式

表1示出了本發(fā)明實(shí)施例的ni基超合金的成分組成，并且表2示出了比較例的ni基超合金的成分組成。此外，表3示出了這些實(shí)施例和比較例的表達(dá)式1和2(示出了γ'相的構(gòu)成元素的關(guān)系)的值和老化處理后的合金的高溫拉伸試驗(yàn)的結(jié)果。下面將闡述制備試樣的方法和高溫拉伸試驗(yàn)的方法。

表3

首先，通過使用高頻感應(yīng)爐來制造具有表1和表2所示的成分組成的各熔融合金，以制備50kg的錠。在使鑄錠在1,100℃至1,220℃下進(jìn)行均質(zhì)化熱處理16小時(shí)后，通過熱鍛制備直徑為30mm的圓棒材料，并在1,030℃下進(jìn)一步進(jìn)行固溶熱處理4小時(shí)(空氣冷卻)，并在760℃下進(jìn)行老化處理24小時(shí)。順帶提及的是，在熱鍛中，在所有的實(shí)施例和比較例的成分組成中觀察到足以鍛造的可加工性。

在老化處理后，從圓棒材料中切下用于高溫拉伸試驗(yàn)的試樣，并進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，在該試驗(yàn)中，將試樣等溫保持在730℃(該溫度認(rèn)為是渦輪機(jī)系統(tǒng)的最大運(yùn)行溫度)，然后施加負(fù)荷。通過該試驗(yàn)，測(cè)量了0.2％屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，各結(jié)果分為等級(jí)a至c并示于表3中。這里，0.2％屈服強(qiáng)度的等級(jí)如下：

a：1,000mpa以上,

b：970mpa以上且小于1,000mpa，以及

c：小于970mpa。

拉伸強(qiáng)度的等級(jí)如下：

a：1,180mpa以上，

b：1,110mpa以上且小于1,180mpa，以及

c：小于1,110mpa。

在表3中，關(guān)于al、ti、nb和ta的含量之間的關(guān)系，計(jì)算并示出了以原子％計(jì)的以下表達(dá)式1和2的值。當(dāng)以原子％計(jì)的元素m的含量由[m]表示時(shí)，表達(dá)式1和2如下：

表達(dá)式1:[al]+[ti]+[nb]+[ta]；以及

表達(dá)式2:([ti]+[nb]+[ta])/[al]×10。

這里，表達(dá)式1表示形成γ'相的元素的總含量。主要地，其與在低于γ'相的固溶溫度的溫度范圍內(nèi)的γ'相析出量的增加趨勢(shì)成正比，并且其成為提高所得的鍛造產(chǎn)品的高溫強(qiáng)度的一個(gè)指標(biāo)。表達(dá)式2主要成為上述γ'相的固溶溫度的水平的一個(gè)指標(biāo)。即，存在這樣的趨勢(shì)：γ'相的固溶溫度隨著ti、nb和ta的含量增加而升高，并且隨著al含量的增加而降低。如果固溶溫度低，則可以在較低溫度下進(jìn)行熱鍛，這實(shí)現(xiàn)了“熱鍛造性優(yōu)異”。

如表3所示，對(duì)于實(shí)施例1至22的成分組成，0.2％屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度全部被評(píng)價(jià)為等級(jí)“a”或“b”。特別地，對(duì)于添加了zr和/或b的實(shí)施例11至13和20至22的成分組成，0.2％屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度全部被評(píng)價(jià)為等級(jí)“a”。對(duì)于實(shí)施例16和17的成分組成，雖然分別添加了b和zr，但是nb的含量少，因此0.2％屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都被評(píng)價(jià)為等級(jí)“b”。此外，關(guān)于實(shí)施例19的成分組成，其既不包含b也不包含zr，而0.2％屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都被評(píng)價(jià)為等級(jí)“a”。據(jù)認(rèn)為：這是因?yàn)榘噙_(dá)2.1質(zhì)量％的nb并且包含多達(dá)2.2質(zhì)量％的ti。順帶提及的是，在實(shí)施例1至22中，表達(dá)式1的值為10.3至12.4，并且表達(dá)式2的值為3.5至6.2。

另一方面，對(duì)于比較例1至13的成分組成，僅僅比較例13的0.2％屈服強(qiáng)度被評(píng)價(jià)為等級(jí)“a”，比較例3和12的0.2％屈服強(qiáng)度被評(píng)價(jià)為等級(jí)“b”，并且其他比較例的0.2％屈服強(qiáng)度和全部比較例的拉伸強(qiáng)度全部被評(píng)價(jià)為“c”。即，與實(shí)施例相比，比較例1至13的成分組成具有較差的高溫強(qiáng)度。此外，在比較例6中，除了不含ta以外，將成分組成和表達(dá)式1和2的值控制為與實(shí)施例的成分組成和表達(dá)式1和2的值相同的水平，但是其高溫強(qiáng)度低于實(shí)施例的高溫強(qiáng)度。

如上所述，在實(shí)施例1至22的成分組成中，可以得出這樣的結(jié)論：與比較例1至3相比，能夠提高高溫強(qiáng)度并維持良好的熱鍛造性。

這里，關(guān)于表達(dá)式1的值，為了確保高溫強(qiáng)度而設(shè)定下限，并且為了確保熱鍛造性而設(shè)定上限。此外，關(guān)于表達(dá)式2的值，為了確保熱鍛造性而設(shè)定上限，并且為了確保高溫強(qiáng)度而設(shè)定下限。根據(jù)上述實(shí)施例和比較例的試驗(yàn)結(jié)果和其他試驗(yàn)結(jié)果，為了獲得ni基超合金所要求的熱鍛造性和高溫強(qiáng)度，表達(dá)式1的值確定為9.5以上且小于13.0，優(yōu)選為10.5以上11.5以下。此外，表達(dá)式2的值確定為3.5以上且小于6.5，優(yōu)選為4.5以上6.3以下，并且更優(yōu)選為4.5以上6.0以下。

順便提及的是，以下確定了能夠提供高溫強(qiáng)度和熱鍛造性的合金的組成范圍，該高溫強(qiáng)度和熱鍛造性與包括上述實(shí)施例的ni基超合金的高溫強(qiáng)度和熱鍛造性幾乎相同。

c與cr、nb、ti、w、ta等結(jié)合以形成各種碳化物。特別地，具有高固溶溫度的nb基碳化物、ti基碳化物和ta基碳化物通過其釘扎效應(yīng)可以抑制晶粒在高溫環(huán)境下通過晶粒的生長(zhǎng)而粗化。因此，這些碳化物主要抑制韌性的降低，因此有助于提高熱鍛造性。另外，c在晶界中析出cr基碳化物、mo基碳化物、w基碳化物和其它碳化物，以強(qiáng)化晶界，由此有助于機(jī)械強(qiáng)度的提高。另一方面，在過量添加c的情況下，碳化物過度形成并且由于偏析等使合金結(jié)構(gòu)不均勻。此外，碳化物在晶界中的過度析出導(dǎo)致熱鍛造性和機(jī)械加工性的降低?？紤]到這些事實(shí)，c的含量(以質(zhì)量％計(jì))在大于0.001％且小于0.100％的范圍內(nèi)，優(yōu)選在大于0.001％且小于0.06％的范圍內(nèi)。

cr是用于致密地形成cr2o3的保護(hù)性氧化物膜的不可或缺的元素，并且cr提高了合金的耐腐蝕性和抗氧化性以提高生產(chǎn)率，并且還使得可以長(zhǎng)時(shí)間使用該合金。此外，cr與c結(jié)合以形成碳化物，從而有助于機(jī)械強(qiáng)度的提高。另一方面，cr是鐵素體穩(wěn)定元素，其過量添加使得奧氏體不穩(wěn)定，從而促進(jìn)作為脆化相的σ相或拉夫斯(laves)相的生成，并且導(dǎo)致熱鍛造性、機(jī)械強(qiáng)度和韌性的降低?？紤]到這些事實(shí)，cr的含量(以質(zhì)量％計(jì))在11％以上且小于19％的范圍內(nèi)，優(yōu)選在13％以上且小于19％的范圍內(nèi)。

co通過在奧氏體基材(其為ni基超合金的基體)中形成固溶體來提高熱鍛造性并且也提高高溫強(qiáng)度。另一方面，co是昂貴的，因此考慮到成本，其過量添加是不利的?？紤]到這些事實(shí)，co的含量(以質(zhì)量％計(jì))在大于5％小于25％的范圍內(nèi)，優(yōu)選在大于11％小于25％的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在大于15％小于25％的范圍內(nèi)。

根據(jù)原料的選擇，fe是合金制造時(shí)不可避免地混入合金中的元素，并且當(dāng)選擇具有較大的fe含量的原料時(shí)，可以抑制原料成本。另一方面，其過量的含量導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度的降低?？紤]到這些事實(shí)，fe的含量(以質(zhì)量％計(jì))在0.1％以上且小于4.0％的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.1％以上且小于3.0％的范圍內(nèi)。

mo和w是固溶強(qiáng)化型元素，其在具有fcc結(jié)構(gòu)的奧氏體相(其為ni基超耐熱合金的基體)中形成固溶體，并且使晶格扭曲以增加晶格常數(shù)。此外，mo和w都與c結(jié)合以形成碳化物并增強(qiáng)晶界，從而有助于機(jī)械強(qiáng)度的提高。另一方面，它們的過量添加促進(jìn)σ相和μ相的生成，以降低韌性?？紤]到這些事實(shí)，mo的含量(以質(zhì)量％計(jì))在大于2.0％小于5.0％的范圍內(nèi)。另外，w的含量(以質(zhì)量％計(jì))在大于1.0％小于5.0％的范圍內(nèi)。

nb、ti和ta與c結(jié)合以形成具有相對(duì)高的固溶溫度的mc型碳化物，從而在固溶熱處理之后抑制晶粒的粗化(釘扎效應(yīng))，從而有助于高溫強(qiáng)度和熱鍛造性的提高。此外，與al相比，它們具有大的原子半徑，并且在γ'相(ni3al，其為強(qiáng)化相)的al位置上被取代以形成ni3(al,ti,nb,ta)，從而使晶體結(jié)構(gòu)變形以提高高溫強(qiáng)度。另一方面，它們的過量添加提高了γ'相的固溶溫度，并在諸如鑄造合金之類的初晶(primarycrystal)中產(chǎn)生γ'相，導(dǎo)致產(chǎn)生共晶合金γ'相，由此降低機(jī)械強(qiáng)度。此外，nb和ta具有大的比重，因此增加了材料的比重，從而導(dǎo)致(特別是)大尺寸部件的比強(qiáng)度的降低。此外，nb可以產(chǎn)生γ”相，而γ”相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)棣南?該δ相降低了700℃或更高溫度下的機(jī)械強(qiáng)度。考慮到這些事實(shí)，nb的含量(以質(zhì)量％計(jì))在0.3％以上且小于4.0％的范圍內(nèi)，優(yōu)選在1.0％以上且小于3.5％的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在2.1％以上且小于3.5％的范圍內(nèi)，進(jìn)一步優(yōu)選在2.1％以上且小于3.0％的范圍內(nèi)。ti的含量(以質(zhì)量％計(jì))在大于1.0％且小于3.4％的范圍內(nèi)，優(yōu)選在大于1.0％且小于3.0％的范圍內(nèi)。ta的含量(以質(zhì)量％計(jì))在0.01％以上且小于2.0％的范圍內(nèi)。

al是用于制造γ'相(ni3al)的特別重要的元素，并且降低γ'相的固溶溫度以改善熱鍛造性，其中該γ'相為強(qiáng)化相以提高高溫強(qiáng)度。此外，al與o結(jié)合以形成al2o3的保護(hù)性氧化物膜，因此提高了耐腐蝕性和抗氧化性。此外，由于al主要產(chǎn)生γ'相以消耗nb，所以可以抑制如上所述的由于nb導(dǎo)致的γ”相的產(chǎn)生。另一方面，其過量添加提高了γ'相的固溶溫度，并且過度析出γ'相，使得熱鍛造性降低。考慮到這些事實(shí)，al的含量(以質(zhì)量％計(jì))在大于3.0％小于5.0％的范圍內(nèi)，優(yōu)選在大于3.4％小于4.5％的范圍內(nèi)。

b和zr在晶界處偏析以強(qiáng)化晶界，因此有助于提高加工性和機(jī)械性能。另一方面，由于b和zr在晶界處過度偏析，它們的過量添加損害了延展性。考慮到這些事實(shí)，b的含量(以質(zhì)量％計(jì))可以在0.0001％以上且小于0.03％的范圍內(nèi)。zr的含量(以質(zhì)量％計(jì))可以在0.0001％以上且小于0.1％的范圍內(nèi)。順帶提及的是，b和zr不是必須的元素，并且可以選擇性地添加b和zr中的一者或兩者作為任意的元素。

mg、ca、rem(稀土金屬)有助于提高合金的熱鍛造性。此外，mg和ca可以在合金熔融期間充當(dāng)脫氧劑或脫硫劑，并且rem有助于提高抗氧化性。另一方面，由于它們?cè)诰Ы缣幍臐舛鹊?，它們的過量添加降低了熱鍛造性?？紤]到這些事實(shí)，mg的含量(以質(zhì)量％計(jì))可以在0.0001％以上且小于0.030％的范圍內(nèi)。ca的含量(以質(zhì)量％計(jì))可以在0.0001％以上且小于0.030％的范圍內(nèi)。rem的含量(以質(zhì)量％計(jì))可以在0.001％以上0.200％以下的范圍內(nèi)。順帶提及的是，mg、ca和rem不是必需元素，可以選擇性地添加其中的一者或兩者或更多作為任意的元素。

雖然上面已經(jīng)描述了根據(jù)本發(fā)明的典型實(shí)施例，但是本發(fā)明并不必限于此。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠在不脫離所附權(quán)利要求的情況下找到各種替代的實(shí)施例和改變的例子。

本申請(qǐng)基于2016年2月18日提交的日本專利申請(qǐng)no.2016-029374，通過引用將其內(nèi)容并入本文。