CN1046944A - 含钽超级合金 - Google Patents
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Abstract
为了促进γ″相的强化，对含铌镍基超级合金进行了改进，改进的方法是用钽对铌进行原子对原子的置换，然后在高于含铌合金通常所使用的温度下对置换所得新合金进行热处理。发现最终所得到的含钼合金强度增加，相稳定性高于相应的含铌合金。
Description
本发明涉及镍基合金的改进，这种改进了的合金在从室温到约1500°F的很宽的温度范围内，兼具高强度和良好的延展性。这种改进的实现是在合金中加入大量的钽，一般是对铌进行原子对原子的置换，然后在很高的温度下对合金进行长时间的热处理。
现有技术的镍基超级合金虽不断地得到改进，但这类合金在强度或者延展性方面还有许多缺点。特别是在高温下，也就是说在高于1200°F的温度下，缺点更明显。这些合金一般以镍为基，兼有铬、铁和钴之一种或多种。另外，为了产生所需的效果，这些合金可以含有各种以大部分相结合的方式而存在的元素。在镍基超级合金中用以提供或改进下列性能之一种或多种的某些元素是：钼、钽、钨、铼（强度）;铬、铝（抗氧化）;镍（相稳定性）;或者钴（增加有利的二次析出物体积分数）。加入其他元素以形成硬化的析出物，例如γ′相（AL，Ti）和γ″相（Nb）。加入次要元素（C，B）以形成碳化物和硼化物，和为了控制夹杂元素，加入另外一些元素（Ce，Mg）。为了促进有利的颗粒边界效应，也加入某些元素（B，Zr，Hf）。虽然许多元素（例如Co，Mo，W，Cr）的加入对合金的性质有利，但在某些场合下它们能析出而形成我们所不需要的物相（例如，σ相、μ相、拉弗斯相）。
通常认为γ″相是一种体心四方有序Ni3Nb强化析出物，当镍基超级合金中有铌存在时，就生成这种析出物。存在γ″强化相的超级合金是718因科内尔合金（Inconel 718），718因科内尔合金属Eiselstein的美国专利3，046，108的范围。Eiselstein专利披露，这类合金必须含有大约4-8%（重量）的铌，合金中的铌可部分地用钽来置换，钽的含量最高可为合金总量的4%。Eiselstein专利还披露，在合金中的铌部分地用钽来置换时，为了获得对改进特性的相同效果，应该使用加倍的钽量。此专利也告诉我们，只有不含钽合金和/或铌被钽置换不超过50%的合金在高温下才是缺口延性的（notch-ductile）。因此，Eiselstein教导我们，只有在镍其合金中含有有限量的钽时，钽和铌在镍基合金中才起相同的作用。
γ″相通常不是一个稳定相，因为在长期暴露于高温的情况下，它能够转化为γ′相或δ相。γ″相硬化过的合金在低温下具有很好的抗拉强度和很好的蠕变断裂性能，但温度高于1250°F时，γ″相向γ′相或δ相的转化引起了强度的急剧降低（Donachie，M.J.，超级合金丛书中的“超级合金的性能与显微结构的关系”，美国金属学会，1984）。
现已发现，在镍基超级合金中，钽起的作用与铌不同。而且已发现钽会产生一种合金，这种合金与相应的含铌合金相比，相稳定性较好，物相关系也不相同。这种相稳定性的差别，使得含钽合金在更高的温度下要比相应的含铌合金有高得多的强度。此外，本发明合金中的γ″相不易转化为δ相，而这种转化在相应的含铌合金中是常发生的。
本发明主要涉及这样一种镍基合金，此种合金至少包含约30%（重量）的镍、约8-16%（重量）的钽和基本上不含铌。合金所含的其余元素主要是选自铬、铁、钴、钼、钛、锆、钨、铪、铝、硼和碳组成的元素组中的一种或数种元素。此外，其他诸如锰、硅、磷、硫、铅、铋、碲、硒、铌和银之类的元素也可以以夹杂的杂质形式存在。
本发明进一步涉及改进含铌镍基超级合金高温强度性能的方法，此方法是用钽将合金中所含的铌基本全部地进行原子对原子的置换。
本发明还包括改进本发明的含钽镍基超级合金高温强度性能的方法，即在比相应含铌合金所使用的更高的温度和更长的时间的条件下进行热处理。
本发明的合金含有至少约30%的镍（除非另有说明，本说明书和权利要求书中所叙述的百分数都是重量百分数）和约8-16%的钽。合金的其余组分将由其他元素组成，这些元素通常都与镍形成超级合金，例如它们可选自由铬、铁、钴、钼、钛、锆、钨、铪、铝、硼、碳所组成的元素组中的一种或几种元素。其他元素还可包括例如锰、硅、磷、硫、铅、铋、碲、硒和银以夹杂的杂质形式在合金中存在的元素。这些合金基本上不含有铌，即它们所含的铌量应低于1%，较好时应低于0.5%，最好应低于0.1%。
一般来说，除含镍和钽外，合金还可含有最多约为25%的铬、最多约为40%的铁、最多约为25%的钴、最多约为8%的钼、最多约为3%的钛、最多约为2%的铝、最多约为7%的钨、约30-150ppm的硼、最多约为0.1%的碳。除了上面具体指出的那些形成合金元素外，其他元素单个含量最多约为1%，总含量最多约为5%。
第一种优选的合金主要由约8-16%的钽、约17-22%的铬、最高约为25%的铁、最高约为16%的钴（但铁加钴的总量不低于12%）、约2-6%的钼、约1-5%的钛、约0.1-5%的铝、约30-150ppm的硼、约0.01-0.1%的碳和余量为镍（包括夹杂的杂质）所组成，合金中铁加钴的总量约为12-25%。
第二种优选的合金主要由约8.5-10%的钽、约18-20%的铬、约17-19%的铁、约2.5-4%的钼、约0.75-2.5%的钛、约0.25-0.75%的铝、约30-60ppm的硼（如果合金铸造）或约80-150ppm的硼（如果合金锻造）、约0.03-0.05%的碳和余量为镍所组成。这种合金最优选的品种主要由约9%钽、约19%铬、约18%铁、约3%钼、约1%钛、约0.5%铝、约30-60ppm硼（如果合金铸造）、或约80-100ppm硼（如果合金锻造）、0.05%碳和余量为镍所组成。
第三种优选的合金主要由约30-40%的镍、约30-40%的铁、约15-23%的钴、约8-16%钽和约30-150ppm硼所组成。这种合金最优选的品种主要由约35-38%的镍、约35-38%的铁、约17-20%的钴、约8-10%的钽、约30-60ppm硼（如果合金铸造）或约80-100ppm硼（如果合金锻造）所组成。这种合金最优选的品种主要由约36-37%的镍、约36-37%的铁、约17-19%的钴、约8.5-9.5%的钽、约30-60ppm的硼（如果合金铸造）或约80-100ppm的硼（如果合金锻造）所组成。
本发明的合金可以铸造或锻造，也可以用常规方法生产。
为使本发明合金显示其改进的高温性能，这些合金需要进行热处理。热处理的温度要高于相应含铌合金常规所使用的温度，热处理的时间也要比相应含铌合金常规所使用的时间长的多。
对前述的第二种优选合金进行优选的热处理循环需要：在约2000°F的温度下加热约1小时，接着在约2050°F的温度和约12-15千磅/英寸2的压力下热等静压处理大约3-5小时，然后在约1925°F的温度下保温约4小时，在约1600°F的温度下保温约2小时。在约1350°F的温度下再保温（时效处理）8小时对于某些合金产生最佳的性能是有益的。而相应的含铌合金的常规热处理都不包括1600°F的保温步骤，只有在1150°F的温度下4-8小时的低温时效处理步骤。
使用钽基本上完全代替铌并配合强化的热处理条件来生产的合金使γ″相强化，因而比常规的含铌合金得到更广泛的应用。本发明的合金是可时效硬化的，可锻的，其特征是同时兼有好的强度和好的延展性，特别是在高温下。此外，如果合金中含有铝和钛，据信铝加钛的含量可以增加到超过常规的含铌合金中他们的含量，这不会引起焊接件出现应变时效裂纹（strain age cracking）。合金中使用钽代替铌的另一个好处是可焊性得到改善。由于Ta-Ni共晶的温度比Nb-Ni的共晶温度高，所以这种可焊性的改善正是由于对受热影响的微观裂纹区的抵抗能力增强所致。
提供下列实施例是用来说明本发明合金的制备方法和合金的性能尤其在高温下得到改进的结果，而不是限制本发明。
实例1
生产象718这样的含钽合金的方法是，将由48.6%的镍、19.2%的铬、18.0%铁、0.02%的铌、9.1%的钽、3.0%的钼、1.04%的钛、0.47%的铝、0.0043%的硼、0.044%的碳和0.02%的硅所配成的合成物在真空感应炉中进行熔化。熔化的合金铸入陶瓷模中，形成2英寸×4英寸× 1/4 英寸的板坯。取板坯的试样进行如下的热处理：在2000°F保温1小时，在14.7千磅/英寸2的压力下和2050°F的温度下进行热等静压处理3小时，在1925°F的温度下保温4小时，在1600°F保温2小时，然后1350°F的温度保温8小时。
组成相同、基本不含钽、但含有大约4.6%铌的常规的718合金也是用与上述相同的方法进行生产的和进行常规的热处理（见下面所列表1的附注1）。
发现含钽合金的显微结构，固化时具有和常规的718合金稳定性相同或略差的拉弗斯相。此外，在1600°F-1800°F的温度下处理后，含钽合金不产生δ相;这是一种热处理，常用于测定718合金中元素的偏析作用（δ相沉积）。从含钽合金的显微结构可以看出γ′相和γ″相的粒度分布情况极好，这种分布自然产生较好的强化效果。含钽合金中γ′相和γ″相的析出物在枝晶中心和晶隙处的分布比常规的718铸造合金中的分布要均匀得多。
为了评估合金在室温（RT）和高温下的机械性能，对两种合金试样进行了测试。测试的结果见表Ⅰ。
如表Ⅰ所示，718型含钽超级合金改进了的高温强度性能优于相应的含铌合金，使用优选的热处理工艺可以使这些性能得到更进一步的改进。
实例2
对于组成为36.6%镍、36.6%铁、17.7%钴、9.1%钽和45ppm硼的合金，重复实例1的程序。为比较起见，也制备了相应常规合金，其中钽被铌原子对原子地置换，即铌的含量为4.5%。对此种合金也按例1的方式进行了机械性能的评估。结果列在表Ⅱ中。
表Ⅱ
铸造钽合金 铸造铌合金
室温 1200°F 室温 1200°F
极限抗拉强度
（千磅/英寸2） 182.5 141.8 135 108
0.2%屈服强度
（千磅/英寸2） 159.4 128.6 120 89
%延伸率 4.5 3.0 4.0 7.0
%断面收缩率 6.5 6.5 7.0 13.0
与相应的含铌合金相比较，可明显看出本发明的含钽合金的极限抗拉强度和屈服强度显著地增加，断面收缩率下降，而延伸率相似。
与相应的含铌合金相比较，两种合金的评估再一次表明本发明的含钽合金的性能居优。
实例3
虽然例1的常规718合金在消除焊接应力期间能很好地防止产生应变时效裂纹，但这类合金或者在焊接受热区易于产生熔析裂纹，或者在高约束条件下，在焊接熔化区易于产生凝固裂纹。为了评估本发明的钽对铌的置换效应，重复例1的合金生成步骤，以产生厚度为5毫米的精密铸造的可焊性试样。在可焊性试验之前，所有的试样都在温度为2000°F的条件下真空热处理1小时，然后在20分钟后冷却到1200°F。使用点可变约束抗热裂可焊性试验和微区可变约束抗热裂可焊性试验，来评估试样对受热区熔析裂纹的敏感性和试样对熔化区凝固裂纹的敏感性。在点可变约束抗热裂试验中，在熄弧后，立即对气体保护钨极电弧点焊施加应变，从而使裂纹限制在焊接受热区。在微区可变约束抗热裂试验中，是在产生气体保护钨极电弧焊期间出现应变，裂纹主要在先前已凝固的熔化区产生。利用总的裂纹长度来定量地度量裂纹出现的敏感性。
如表Ⅲ所示，根据点可变约束抗热裂试验，在应变水平试验的整个范围内，也就是说在0.25-3%的增强应变的范围内，含钽合金对焊接受热区裂纹出现的敏感性最低。
表Ⅲ
应变 718型铸造合金 718型含钽铸造合金
Cracks TCL MCL Cracks TCL MCL
0.29% 24 .422 .032 12 .214 .025
0.29% 26 .493 .033 12 .240 .028
1.16% 33 .671 .040 19 .391 .034
1.16% 35 .775 .040 20 .462 .034
2.9% 42 1.008 .055 30 .664 .039
2.9% 48 1.108 .053 30 .669 .045
Cracks：每条焊缝裂纹数
TCL：裂纹总长度
MCL：裂纹最大长度
本发明是通过特定实施例和实施方案来具体描述的，但本技术领域人员可以理解;在所附权利要求书所提出的保护范围内可以对本发明做出修改。
Claims (16)
1、镍基合金，其特征是，这种合金包括至少约30%(重量)的镍、约8-16%(重量)的钽、约30-150ppm的硼和基本上不含铌。
2、根据权利要求1的合金，其特征是，合金的其余组分包括选自铬、铁、钴、钼、钛、铝、钨和碳元素组中的一种或几种元素。
3、根据权利要求2的合金，其特征是，合金还含有选自锆和铪元素组中的一种或几种元素。
4、镍基超级合金，其特征是，这种合金主要由约8-16%（重量）的钽、约17-22%（重量）的铬、最多约25%（重量）的铁、最多约16%（重量）的钴、约2-6%（重量）的钼、约1-5%（重量）的钛、约0.1-5%（重量）的铝、约30-150ppm的硼、0.01-0.1%（重量）的碳和余量为镍所组成，合金中铁加钴的总量不少于约12%。
5、镍基超级合金，其特征是，此合金主要由约8.5-10%（重量）的钽、约18-20%（重量）的铬、约17-19%（重量）的铁、约2.5-4%（重量）的钼、约0.75-2.5%（重量）的钛、约0.25-0.75%（重量）的铝、约30-60ppm的硼（如合金被铸造）或约80-100ppm的硼（如合金被铸造）、约0.03-0.05%（重量）的碳和余量为镍所组成。
6、根据权利要求5的合金，其特征是，合金主要由约9%（重量）的钽、约19%（重量）的铬、约18%（重量）的铁、约3%（重量）的钼、约1%（重量）的钛、约0.5%（重量）的铝、约30-60ppm的硼（如合金被铸造）或约80-100ppm的硼（如合金被锻造）、约0.05%（重量）的碳和余量为镍所组成。
7、镍基超级合金，其特征是，此合金主要由约30-40%（重量）的镍、约30-40%（重量）的铁、约15-23%（重量）的钴、约8-16%（重量）的钽和约30-150ppm的硼所组成。
8、根据权利要求7的合金，其特征是，此合金主要由约35-38%（重量）的镍、约35-38%（重量）的铁、约17-20%（重量）的钴、约8-10%（重量）的钽和约30-60ppm的硼（如果合金被铸造）或约80-100ppm的硼（如果合金被锻造）所组成。
9、根据权利要求8的合金，其特征是，此合金主要由约36-37%（重量）的镍、约36-37%（重量）的铁、约17-19%（重量）的钴、约8.5-9.5%（重量）的钽和约30-60ppm的硼（如果合金被铸造），或约80-100ppm的硼（如果合金被铸造）所组成。
10、改进含铌镍基超级合金高温强度性能的方法，其特征是，用钽对合金中所含的铌基本上全部进行原子对原子的置换。
11、根据权利要求10的方法，其特征是，此合金至少含有约30%（重量）的镍、约8-16%（重量）的钽和选自铬、铁、钴、钼、钛、铝、钨、硼和碳元素组中的一种或几种元素。
12、根据权利要求11的方法，其特征是，此合金还含有选自锆和铪元素组中的一种或几种元素。
13、根据权利要求11的方法，其特征是，此合金在约2000°F的温度下进行热处理约1小时，然后在约2050°F的温度和约为12-15千磅/英寸2的压力下进行热等静压处理大约3-5小时，然后在约1925°F的温度下保温大约4小时，接着在约1600°F的温度下保温大约2小时。
14、根据权利要求13的方法，其特征是，此合金在约1350°F的温度下再进行热处理大约8小时。
15、对含钽、基本不含铌的镍基超级合金进行热处理的方法，其特征是，此方法包括如下步骤，首先将所述超级合金在约2000°F的温度下加热大约1小时，然后在约2050°F的温度下，用约为12-15千磅/英寸2的压力进行热等静压处理大约3-5小时，然后在约1925°F的温度下保温大约4小时，接着在约1600°F的温度下保温大约2小时。
16、根据权利要求15的方法，其特征是，此合金在1350°F的温度下，再进行热处理约8小时。
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