CN1329139C - 镍基超耐热合金在空气中的等温锻造方法 - Google Patents

镍基超耐热合金在空气中的等温锻造方法 Download PDF

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Abstract

在具有锻模(52，54)的锻压机(40)中锻压由锻压的镍基超耐热合金如ReneTM88DT或ME3制成的超耐热合金，所述锻模由锻模镍基超耐热合金制成。通过加热至锻造温度约为1700-1850，并在此锻造温度下和公称应变速率下锻造而实现锻造。该锻造温度和公称应变速率下，所选的锻模镍基超耐热合金的抗蠕变强度不低于锻造镍基超耐热合金的流变应力。

Description

镍基超耐热合金在空气中的等温锻造方法
技术领域
本发明涉及镍基超耐热合金的锻造，特别是在空气中进行的此锻造。
背景技术
镍基超耐热合金应用于飞机燃气涡轮发动机的部分上，该发动机必须具有极高的性能要求并且要应对极端不利的环境条件。铸造的镍基超耐热合金用作例如涡轮叶片。锻造的镍基超耐热合金用作例如转子盘和轴。本发明涉及锻造的镍基超耐热合金。
最初，以铸锭的形式或固结粉末坯体的形式提供锻造的镍基超耐热合金，其中铸锭是由熔体浇铸而成的，固结粉末坯体是由粉末固结而成的。固结粉末坯体由于具有均匀、易控制的初显微结构并具有小的粒度，所以很多应用都以其作为优选的原材料。在任何一种情况下都通过金属加工工艺，如锻造或挤压逐步将坯体的尺寸降低，此后对其进行机加工。有一种形式的锻造，是将坯体放置在锻压机中的两个锻模之间。锻压机驱动锻模挤压到一起以减小坯体的厚度。
锻造条件的选择取决于以下几个因素，包括镍基超耐热合金的性能和冶金特点，以及锻模材料的性能。锻模必须具备足够的强度，以使材料被锻造变形。锻造操作结束后锻造的超耐热合金应具备所需的性能。
目前，在1037 7/9℃(1900)或更高温度下，使用TZM钼锻模等温锻造镍基超耐热合金如ReneTM 88DT和ME3合金。锻造的超耐热合金与锻模材料之间的这种组合使得锻造能够付诸实施，并且锻造完成后超耐热合金具备了所需的性能。但是，超耐热合金的锻造温度和锻模材料的这种组合要求锻造要在真空或惰性气氛中进行。真空或惰性气氛要求大大增加了锻造过程的复杂性和成本。
这就需要一种改进的镍基超耐热合金的锻造方法，该方法应能获得所需的性能，并降低锻造的成本。本发明就满足这种要求，而且还提供了相关的优点。
发明内容
本发明提供一种锻造镍基超耐热合金，如ReneTM 88DT和ME3的方法。该方法使锻造可以在空气中等温进行，从而节省大量成本。最终的显微结构具有所需的晶粒结构，并可以进行额外的加工，比如超溶线终退火(supersolvus finalannealing)。
本发明提供一种锻造超耐热合金的方法，该方法包括以下步骤：提供锻造镍基超耐热合金的锻造毛坯和提供具有由锻模镍基超耐热合金制成的锻模的锻压机。理想的是锻模镍基超耐热合金的抗蠕变强度不低于约926 2/3-1010℃(1700-1850)的锻造温度和锻造公称应变速率(forging nominal strain rate)下的锻造镍基超耐热合金的流变应力。该方法还包括：将锻造毛坯和锻模加热到约9262/3-1010℃(1700-1850)的锻造温度，在954 4/9-1010℃(1750-1850)的锻造温度和锻造公称应变速率下使用锻模对锻造毛坯进行锻造。
锻造毛坯由锻造的镍基超耐热合金制成，优选为ReneTM 88DT，其公称组成如下(重量％)：13％钴、16％铬、4％钼、3.7％钛、2.1％铝、4％钨、0.75％铌、0.015％硼、0.03％锆、0.03％碳、最多约0.5％的铁，余量为镍和少量杂质元素；或者优选为ME3，其公称组成如下(重量％)：约20.6％钴、约13.0％铬、约3.4％铝、约3.70％钛、约2.4％钽、约0.90％铌、约2.1％钨、约3.80％钼、约0.05％碳、约0.025％硼、约0.05％锆、最多约0.5％铁，余量为镍和少量杂质元素。这些锻造镍基超耐热合金在高温下在各自超塑性温度范围内具有超塑性。理想的是在超塑温度范围内实现锻造形变以避免在后续的超溶线退火中的临界晶粒生长。可以以任何可操作的形式提供镍基超耐热合金，例如铸锻，或是固结粉末坯体，然而优选的是以粒度不小于ASTM12(即粒度为ASTM12或更小)的挤压坯体的形式提供该镍基超耐热合金。
锻模可以由任何可操作锻模的镍基超耐热合金制成，但优选公称组成为(重量％)：约5—约7％铝，约8—约15％钼，约5—约15％钨，最多约为140ppm的镁(优选约140ppm的镁)，不含稀土，余量为镍和杂质。
等温锻造温度和锻造公称应变速率的选择是基于对锻造的镍基超耐热合金以及锻模镍基超耐热合金的物理性能的考虑，以及在处理结束时，在锻造镍基超耐热合金中获得所需结构的温度要求的考虑。锻模镍基超耐热合金有足够的抗蠕变强度以使锻造镍基超耐热合金变形。随着温度的升高，锻造镍基超耐热合金和锻模镍基超耐热合金的压缩强度和抗蠕变强度都降低，但是速度不同。另外，对于优选的锻造镍基超耐热合金而言，所选的锻造温度应在合金的超塑性范围内，以确保最终形成合适的显微结构。而且，为了在空气中实现优选的锻造，锻造温度不应太高，以使锻造镍基超耐热合金和锻模镍基超耐热合金不被过度氧化。
考虑到这些因素，应选择等温锻造的温度为约926 2/3-1010℃(1700-1850)，更优选地，等温锻造温度约为954 4/9-982 2/9℃(1750-1800)。选择锻造公称应变速率不高于约每秒0.010。试验表明：在锻造温度范围内，应变速率较高会导致最终加工产品的临界晶粒生长。
优选地，加热和等温锻造步骤在空气中在所述温度下进行。使用TZM钼锻模时，在空气中锻造而非在所需的真空或惰性气体中锻造节省了用于专门的加热和锻造设备的成本。
根据本方法的锻造处理后，锻件可以以锻态使用，也可以通过任何可操作的方法进行后处理，例如清洗，热处理，额外的金属加工，机加工等。常用的后处理通过在高于γ’相的溶线温度的温度下进行退火来处理锻件，或典型地对于ReneTM88DT合金，这个温度为约1148 8/9℃(2100)；对于ME3合金，则为1182 2/9℃(2160)。
本方法提供了一种锻造镍基超耐热合金的工艺，该方法可以在最终的锻件中产生充分可接受的冶金结构和性能，同时在空气中实现等温锻造而显著降低锻造操作的成本。结合通过实施例说明本发明原理的附图，从下面对优选实施方案更详细的描述看出本发明的其它特点和优点。但本发明的范围并不局限于该优选实施方案。
附图说明
图1是实施本发明方法的流程方框图
图2是锻压机和被锻造制品的正面示意图
图3是锻件的示意透视图
具体实施方式
图1描述了实施本发明的优选方法。步骤20为提供锻造毛坯。这种锻造毛坯由锻造镍基超耐热合金制备。在本文中使用时，当合金中镍超过其它元素时，该合金为镍基合金；而当通过沉积γ’相或其它相关相而被强化时，则进一步形成镍基超耐热合金。ReneTM 88DT和ME3是两种具有特殊性能的镍基超耐热合金，ReneTM 88DT的公称组成按重量％：13％的钴、16％的铬、4％的钼、3.7％的钛、2.1％的铝、4％的钨、0.75％的铌、0.015％的硼、0.03％的锆、0.03％的碳、最多约0.5％的铁，余量为镍和少量的杂质元素；合金ME3的公称组成按重量％：约20.6％的钴、约13.0％的铬、约3.4％的铝、约3.70％的钛、约2.4％的钽、约0.90％的铌、约2.10％的钨、约3.80％的钼、约0.05％的碳、约0.025％的硼、约0.05％的锆，最多约0.5％的铁，余量为镍和少量的杂质元素。
这种镍基超耐热合金可以任何可操作的形式提供，但优选为以固结粉末坯体的形式提供。通过以下步骤制备这些坯体：通过挤压使所选超耐热合金的粉末固结，形成具有均匀粒度的坯体，粒度为ASTM 12或更高(即ASTM 12或更细的颗粒，因为粒度随着ASTM粒度的增加而降低)。固结粉末坯体与铸造坯体相比具有更均匀的细晶粒显微结构，因此对获得优良的化学均匀性、优良的形变均匀性、最小的裂纹产生位置是优选的。
锻造毛坯具有选定的尺寸和形状，这样锻造后的锻件具有所需的尺寸和形状。选择起始锻造毛坯的尺寸和形状以得到所需的最终尺寸和形状的工艺是已知的。
步骤22为提供锻压机和锻模。任何可操作的锻压机都可以使用，图2示意性的描述了一个基本的锻压机40。锻压机40具有一个固定下模板42、固定上模板44和固定柱46，固定柱46在下模板42和上模板44中起支撑作用。可活动的上模板48在固定柱46上滑动，它由位于上模板44上的驱动马达50驱动做上下运动。下锻模52是固定的，位于下模板42上。上锻模54是可活动的，安装在上模板48上，这样它与上模板一起做上下运动。将工件56置于上锻模54和下锻模52之间。加热器57，图示的是感应加热线圈，置于锻模52和54和工件56周围，从而使锻模和工件在锻造过程中保持在一个大致恒定的选定的等温锻造温度下，从而实现等温锻造。在锻造过程中允许有一些微小的温度波动，但总的来说，锻模52、54和工件56应该在保持一个大约恒定的等温锻造温度。
最初工件56是锻造镍基超耐热合金的锻造毛坯。将工件56置放在上锻模54和下锻模52之间，通过上锻模54向下运动使其以一定的公称应变速率产生压缩形变。上锻模54和下锻模52可以是平板，或也可以带有图案，这样最终的锻件具有相压在其上的图案。图3是使用带有图案锻模制得的具有图案面60的示范锻件58。
锻模52和54由锻模镍基超耐热合金制成，其中在约1700-1850的等温锻造温度和锻造公称应变速率下，该锻模镍基超耐热合金的抗蠕变强度不低于该锻造镍基超耐热合金的流变应力。优选地，锻模52和54的公称组成按重量％：约5％-约7％的铝、约8％-约15％的钼、约5％-约15％的钨、最多约百万分之140的镁(优选的是百万分之140)，余量为镍及杂质。
步骤24为选择锻造温度及锻造公称应变速率。这些锻造镍基超耐热合金在高温下在各自超塑性温度范围和应变速率范围内具有超塑性。理想的是在超塑性温度范围内实现锻造形变以避免在后续的超溶线退火中的临界晶核生长。
可接受的温度和应变速率范围可根据锻造镍基超耐热合金的塑性形变性能确定。表I、表II分别给出了实验室条件下对ReneTM 88DT和ME3合金测试的结果从而确定可操作的等温锻造温度和应变速率：
表I(ReneTM 88DT合金)
  温度   应变速率(/秒)   应力(ksi)   “m”
  1800   0.0001   3.03   0.512
  1800   0.0003   5.15   0.459
  1800   0.001   8.44   0.406
  1800   0.003   13.62   0.352
  1800   0.01   19.69   0.299
  1800   0.03   25.79   0.249
  1750   0.0001   4.43   0.497
  1750   0.0003   7.48   0.440
  1750   0.001   12.03   0.385
  1750   0.003   18.65   0.329
  1750   0.01   25.91   0.274
  1750   0.03   33.83   0.220
  1700   0.0001   6.85   0.453
  1700   0.0003   10.95   0.400
  1700   0.001   17.14   0.348
  1700   0.003   24.97   0.295
 1700     0.01     33.94     0.243
 1700     0.03     42.56     0.192
表II(ME3合金)
 温度     应变速率(/秒)    应力(ksi)     “m”
 1800     0.0001    3.07     0.738
 1800     0.0003    5.49     0.677
 1800     0.001    9.59     0.612
 1800     0.003    15.94     0.538
 1800     0.01    23.62     0.458
 1800     0.03    29.76     0.371
 1750     0.0001    4.87     0.747
 1750     0.0003    9.02     0.669
 1750     0.001    15.14     0.582
 1750     0.003    24.00     0.481
 1750     0.01    31.98     0.367
 1750     0.03    38.67     0.240
 1700     0.0001    8.92     0.672
 1700     0.0003    14.54     0.594
 1700     0.001    23.02     0.508
 1700     0.003    33.2     0.408
 1700     0.01    42.89     0.297
 1700     0.03    47.77     0.174
从上述数据中可以看出，选择的加工参数可以使所需的“m”值达到约0.3或更高，其中“m”是材料的超弹性形变程度的指数。优选的锻造温度为约1700-1850，更优选的温度范围是约1750-1800，这样可以降低工件在较高温下被过度氧化的危险。锻造公称应变速率不高于约0.01/秒。“公称”应变速率是由平行于由上模板48运动的方向测量的垂直于工件56高度方向的上模板48运动的总速率确定的。锻模52和54的局部实际应变速率可以高些或低些。
步骤26中锻造毛坯和锻模被加热到约1700-约1850的等温锻造温度。
步骤28为在约1700-约1850的等温锻造温度和锻造公称应变速率下，使用锻模锻造锻造毛坯。在该过程中使用锻造设备诸如图2所示的锻压机40。
加热步骤26和锻造步骤28优选在空气中进行。与现有的锻造镍基超耐热合金的方法所必须的在真空或惰性气氛中进行锻造相比，在空气中的锻造会大大降低锻造操作的成本。在空气中进行锻造并非是可以任意实行的，只有当锻模材料在锻造温度下，在空气中不会被过度氧化，并且在该锻造温度下还可以保持足够的强度时才可以进行空气锻造。由于会发生过度氧化，所以在空气中，在此锻造温度下不能使用传统的锻模材料TZM钼。
在步骤28所示的锻造过程结束后，将锻件58从锻压机40上移开。可以按照锻造原样使用锻件58或者可以对其进行后处理(步骤30)。在优选的情况下，ReneTM88DT和ME3镍基超耐热合金的锻件在高于γ’溶线温度的退火温度下退火。对于ReneTM88DT合金来说，优选的是在约2080-2100下进行超溶线退火；对于ME3合金则为约2120-2160，退火时间为约1-2小时。其它形式的后处理30包括例如清洗、其它形式的热处理、额外的金属加工、机加工等等。
尽管为了说明而详细地描述了本发明的特定实施方案，但可以进行各种不背离本发明精神和范围的改进和提高。因此，本发明只受附加的权利要求的限制。

Claims (17)

1.一种提供锻压机和使用该锻压机来锻造镍基超耐热合金的方法，包括如下步骤：
提供锻造镍基超耐热合金的锻造毛坯；
提供具有锻模的锻压机，该锻模由锻模镍基超耐热合金制成，其中在约
Figure C031550320002C1
-约1010℃的锻造温度和锻造公称应变速率下，锻模镍基超耐热合金的抗蠕变强度不低于锻造镍基超耐热合金的流变应力；
在空气中加热锻造毛坯和锻模至约
Figure C031550320002C2
-约1010℃的锻造温度；和
在约
Figure C031550320002C3
-约1010℃的锻造温度、在空气中和锻造公称应变速率下，使用锻模锻造锻造毛坯。
2.权利要求1的方法，其中提供锻造毛坯的步骤包括以下步骤：
提供ReneTM 88DT制成的锻造毛坯，其公称组成为按重量％含13％的钴、16％的铬、4％的钼、3.7％的钛、2.1％的铝、4％的钨、0.75％的铌、0.015％的硼、0.03％的锆、0.03％的碳、最多约0.5％的铁，余量为镍和少量的杂质元素。
3.权利要求1的方法，其中提供锻造毛坯的步骤包括以下步骤：
提供由ME3制成的锻造毛坯，其公称组成按重量％含约20.6％的钴、约13.0％的铬、约3.4％的铝、约3.70％的钛、约2.4％的钽、约0.90％的铌、约2.10％的钨、约3.80％的钼、约0.05％的碳、约0.025％的硼、约0.05％的锆、最多约0.5％的铁，余量为镍和少量的杂质元素。
4.权利要求1的方法，其中提供锻造毛坯的步骤包括以固结粉末的形式提供锻造毛坯的步骤。
5.权利要求1的方法，其中提供锻压机的步骤中，包括提供锻模的步骤，该锻模的公称组成按重量％含约5％-约7％的铝、约8％-约15％的钼、约5％-约15％的钨、最多约百万分之140的镁，余量为镍和杂质。
6.权利要求1的方法，其中所述锻造温度为约 -约
Figure C031550320003C2
7.权利要求1的方法，其中所述锻造公称应变速率不高于每秒约0.01。
8.权利要求1的方法，包括在锻造步骤后经锻造的锻造毛坯在高于锻造镍基超耐温合金的γ初始溶线温度的退火温度下退火的附加步骤。
9.一种提供锻压机和使用该锻压机来锻造镍基超耐热合金的方法，包括如下步骤：
提供锻造镍基超耐热合金的锻造毛坯，该合金选自ReneTM 88DT和ME3，其中ReneTM 88DT公称组成按重量％含13％的钴、16％的铬、4％的钼、3.7％的钛、2.1％的铝、4％的钨、0.75％的铌、0.015％的硼、0.03％的锆、0.03％的碳、最多约0.5％的铁，余量为镍和少量的杂质元素；
和ME3公称组成按重量％含约20.6％的钴，约13.0％的铬，约3.4％的铝，约3.70％的钛，约2.4％的钽，约0.90％的铌，约2.10％的钨，约3.80％的钼，约0.05％的碳，约0.025％的硼，约0.05％的锆，最多约0.5％的铁，余量为镍和少量的杂质元素；
提供具有由锻模镍基超耐热合金制成的锻模的锻压机，其中在约 -约1010℃的锻造温度和锻造公称应变速率下，锻模镍基超耐热合金的抗蠕变强度不低于锻造镍基超耐热合金的流变应力；
在空气中将锻造毛坯和锻模加热到约 -约1010℃的锻造温度；和
在空气中在锻造温度约 -约1010℃下，用锻模锻造锻造毛坯。
10.权利要求9的方法，其中提供锻造毛坯的步骤包括以固结粉末的形式提供锻造毛坯的步骤。
11.权利要求9的方法，其中提供锻压机的步骤包括提供锻模的步骤，该锻模的公称组分按重量％含约5％-约7％的铝、约8％-约15％的钼、约5％-约15％的钨、最多约百万分之140的镁，余量为镍及杂质。
12.权利要求9的方法，其中所述锻造温度为约
Figure C031550320004C2
-约
13.权利要求9的方法，其中所述锻造公称应变速率为不超过约0.01/秒，并且其中锻造步骤包括在该公称应变速率下对锻造毛坯进行锻造的步骤。
14.权利要求9的方法，包括在锻造步骤后使经锻造的锻造毛坯在高于锻造镍基超耐温合金的γ初始溶线温度的退火温度下退火的附加步骤。
15.一种提供锻压机和使用该锻压机来锻造镍基超耐热合金的方法，包括下列步骤：
提供锻造镍基超耐热合金的固结粉末锻造毛坯，该合金选自ReneTM 88DT和ME3，ReneTM 88DT公称组成按重量％含13％的钴、16％的铬、4％的钼、3.7％的钛、2.1％的铝、4％的钨、0.75％的铌、0.015％的硼、0.03％的锆、0.03％的碳、最多约0.5％的铁，余量为镍和少量的杂质元素；ME3的公称组成按重量％含约20.6％的钴、约13.0％的铬、约3.4％的铝、约3.70％的钛、约2.4％的钽、约0.90％的铌、约2.10％的钨、约3.80％的钼、约0.05％的碳、约0.025％的硼、约0.05％的锆、最多约0.5％的铁，余量为镍和少量的杂质元素，
提供具有由锻模镍基超耐热合金制成的锻模的锻压机，该合金的公称组成按重量％约5-约7％的铝、约8-约15％的钼、约5-约1 5％的钨、最多约百万分之140以上的镁，余量的镍和杂质；
在空气中将锻造毛坯和锻模加热到约
Figure C031550320005C1
-约1010℃的锻造温度；和
在空气中，锻造温度约 -约1010℃下，以不高于约0.01/秒的公称应变速率，用锻模对锻造毛坯进行锻造。
16.权利要求15的方法，包括在锻造步骤后使经锻造的锻造毛坯在高于锻造镍基超耐温合金的γ初始溶线温度的退火温度下退火的附加步骤。
17.权利要求15的方法，其中所述锻造温度为约
Figure C031550320005C3
-约
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