JP2012517524A - Method for manufacturing parts made from nickel-based superalloys and corresponding parts - Google Patents
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Abstract
本発明は、Niをベースとした超合金から作製される部品のブランクを製造するための方法において、合金を製造し、熱処理を実施する方法であって、前記超合金が、少なくとも2.5%の合計量のNbおよびTaを含み、粒子接合体上に相δを析出させるための少なくとも20分間にわたる850から1000℃の第1のステップと、第1のステップで得られた相δの部分的溶解を可能にする第1のステップの温度より高い温度の第2のステップと、第1のステップの温度より低い温度の第3のステップおよび場合により1つまたは複数の追加的ステップを含み、硬化相γ’およびγ”の析出を可能にするエージング処理とのいくつかのステップで熱処理を実施することを特徴とする方法に関する。本発明は、さらに、対応する部品に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a blank of a part made from a Ni-based superalloy, wherein the alloy is manufactured and heat-treated, wherein the superalloy is at least 2.5%. A first step of 850 to 1000 ° C. for at least 20 minutes to precipitate the phase δ on the particle assembly, with a total amount of Nb and Ta, and a partial portion of the phase δ obtained in the first step Including a second step at a temperature higher than the temperature of the first step to allow melting, a third step at a temperature lower than the temperature of the first step and optionally one or more additional steps, and curing It relates to a method characterized in that the heat treatment is carried out in several steps with an aging treatment allowing the precipitation of the phases γ ′ and γ ″. The invention further relates to corresponding parts
Description
本発明は、ニッケルベースの超合金に関し、より詳細には、特にそれらの耐クリープ性および引張強度を向上させるためにその一部に有利に適用することができる熱処理方法に関する。 The present invention relates to nickel-based superalloys, and more particularly to a heat treatment method that can be advantageously applied to a portion thereof, particularly to improve their creep resistance and tensile strength.
「ニッケルベースの超合金」とは、Niが組成の少なくとも50重量%を占める合金を指す(本書に示される百分率は、すべて重量百分率である)。 “Nickel-based superalloy” refers to an alloy in which Ni comprises at least 50% by weight of the composition (all percentages shown herein are percentages by weight).
より詳細には、本発明は、ニオブおよびタンタルの含有量が合計で2.5%を超えるため、二重析出、すなわち
−800から1050℃のδ相(Ni3Nb−δまたはNi3Ta−δ)の粒界析出;
−約600から800℃で実施されるエージング時におけるγ’(Ni3(Al−Ti)−γ’)および/またはγ”(Ni3Nb−γ”またはNi3Ta−γ”)型の硬化相の粒界析出を発生させることが可能である合金に適用可能な熱処理方法に関する。
More particularly, the present invention has a double precipitation, ie, a δ phase (Ni 3 Nb-δ or Ni 3 Ta— of −800 to 1050 ° C.) because the total content of niobium and tantalum exceeds 2.5%. δ) grain boundary precipitation;
-Γ '(Ni 3 (Al-Ti) -γ') and / or γ "(Ni 3 Nb-γ" or Ni 3 Ta-γ ") type hardening during aging carried out at about 600 to 800 ° C. The present invention relates to a heat treatment method applicable to an alloy capable of causing grain boundary precipitation of a phase.
これは、特に、INCONEL 718(登録商標)として商業的に既知の合金NC19FeNb、ならびにそれから誘導される合金またはそれと同等の合金、例えば、625、718Plusおよび725について当てはまる。 This is especially true for the alloy NC19FeNb, commercially known as INCONEL 718®, and alloys derived therefrom or equivalent alloys such as 625, 718Plus and 725.
ニッケルベースの抵抗性合金が様々な用途を有する航空および陸上ガスタービン工業において、合金の疲労強度は、タービンディスクおよびシャフトのサイジングにとって最も重要な要因の1つであることが経験によって証明されている。 Experience has shown that in the aviation and terrestrial gas turbine industry where nickel-based resistive alloys have a variety of applications, the fatigue strength of the alloys is one of the most important factors for turbine disk and shaft sizing. .
718合金はその組成にコバルトが存在しないことにより比較的低コストであるとともに、その製造および変換についてのノウハウが習得されているため、この合金は、650℃付近までの温度で使用される高度な特性の合金の中でも特別の格付けが与えられている。しかし、ターボ機械の収率および性能の向上は、燃焼室の出力の温度の上昇と解釈されるため、650度までの温度で長時間使用する可能性を高めるために718合金の耐クリープ性の向上が必要である。したがって、疲労強度を損なわないように微粒子微小構造(>7 ASTM)を維持しながら718合金の耐クリープ性を向上させることは、産業上の大きな関心事である。粒径の評価の基準を定めるASTM規格は、粒子が細かいほど属するASTM番号が大きいことを規定していることが想起される。 The 718 alloy is relatively low cost due to the absence of cobalt in its composition, and know-how about its manufacture and conversion has been acquired, so this alloy is an advanced material used at temperatures up to around 650 ° C. A special rating is given among the alloys of properties. However, the improvement in turbomachinery yield and performance is interpreted as an increase in the temperature of the combustion chamber output, and thus the creep resistance of 718 alloy is increased to increase the possibility of long-term use at temperatures up to 650 degrees. Improvement is necessary. Therefore, improving the creep resistance of 718 alloy while maintaining a fine particle microstructure (> 7 ASTM) so as not to impair fatigue strength is a major industrial concern. It is recalled that the ASTM standard that defines the criteria for particle size evaluation prescribes that the smaller the particle, the larger the ASTM number to which it belongs.
2つの異なる熱機械処理方法が既知であり、718合金の疲労特性を向上させるために現在使用されている。 Two different thermomechanical processing methods are known and are currently used to improve the fatigue properties of 718 alloy.
仏国特許出願第2089069号に記載されているような第1の選択肢によれば、Ni3Nb−δ相を粒界に析出させる熱機械処理を実施した後に、Ni3Nb−δ相の溶解温度未満の温度で合金の再結晶処理を実施し、粒界に析出したNi3Nb−δ相を再結晶時に使用して粒子成長を防止することが選択された。この方法を用いると、ASTM 10以上の非常に細かい粒径の再結晶構造を得ることが可能である。それらの疲労特性は向上するが、それらの耐クリープ性は不十分である。実際、斜方構造を有するNi3Nb−δ相の存在は、それがニオブを固定することにより、準安定あり、中心平方構造を有するNi3Nb−γ”硬化相の形成を制限するため好ましくないことが知られている。Ni3Nb−γ”硬化相は、結晶格子内の転位を緩慢化せせることによって、耐クリープ性を向上させる。 According to a first option as described in French patent application No. 2089069, after performing a thermomechanical treatment to precipitate the Ni 3 Nb-δ phase at the grain boundaries, it is below the melting temperature of the Ni 3 Nb-δ phase. The alloy was recrystallized at a temperature of 5 and was chosen to prevent grain growth by using the Ni 3 Nb-δ phase precipitated at the grain boundaries during recrystallization. By using this method, it is possible to obtain a recrystallized structure having a very fine grain size of ASTM 10 or more. Their fatigue properties are improved, but their creep resistance is insufficient. In fact, the presence of a Ni 3 Nb-δ phase having an orthorhombic structure is preferred because it is metastable by fixing niobium and limits the formation of a Ni 3 Nb-γ ″ hardened phase having a central square structure. It is known that the Ni 3 Nb-γ "hardened phase improves creep resistance by slowing dislocations in the crystal lattice.
同様に、Ni3Ta−δ相の存在は、それがタンタルを固定することにより、Ni3Ta−γ”硬化相の形成を制限するため好ましくないことも知られている。 Similarly, the presence of Ni3Ta-δ phase, it by fixing the tantalum, it is also known that undesirable to limit the formation of Ni 3 Ta-γ "hardening phase.
718の特性を向上させるための別の既知の解決策は、熱機械処理の直後に、すなわち熱機械処理とエージング処理との間に実施される900から980℃の通常の溶液熱処理を実施することなくエージングを実施することからなる。この選択肢は、溶液熱処理時に析出し得るNi3Nb−δ相の形成を制限し、引張特性および疲労特性の向上とともに細かい粒径を得ることを可能にするが、短所を有する。 Another known solution for improving the properties of 718 is to perform a normal solution heat treatment at 900 to 980 ° C. performed immediately after thermomechanical processing, ie between thermomechanical processing and aging processing. Without aging. This option limits the formation of the Ni 3 Nb-δ phase that can precipitate during solution heat treatment, making it possible to obtain finer particle sizes with improved tensile and fatigue properties, but has disadvantages.
粒径の大きな局部的ばらつき、および熱機械処理時に形成されるδ相の割合により、同一部分内に不均一な微小構造が得られることが判明した。 It has been found that non-uniform microstructures can be obtained within the same part due to large local variations in particle size and the proportion of δ phase formed during thermomechanical processing.
その結果、耐クリープ性が、前の方法と比較して、広い温度および応力範囲にわたって低下する。 As a result, creep resistance is reduced over a wide temperature and stress range compared to previous methods.
欧州特許出願第1398393号の文献には、一方向凝固単結晶または合金の形のNiベースの超合金の処理が記載されている。合金が単結晶である場合は、粒界が存在しないため、明らかに粒界におけるδ相の析出がない。一方向凝固では、δ相の析出が不均一にしか起こり得ず、粒子成長を防止しない。処理の終了時に、粒子の粒径が大きくなりすぎる。加えて、好ましくはこの文献に記載されている合金組成物は、Al含有量が大きいためにδ相が安定しないため、Ti、Ta、NbおよびAlに関して、δ相の析出を可能にしない。 The document EP 1398393 describes the treatment of Ni-based superalloys in the form of unidirectionally solidified single crystals or alloys. When the alloy is a single crystal, there is no grain boundary, so there is clearly no δ phase precipitation at the grain boundary. In unidirectional solidification, precipitation of δ phase can only occur non-uniformly and does not prevent particle growth. At the end of the treatment, the particle size becomes too large. In addition, the alloy composition described in this document preferably does not allow the precipitation of the δ phase with respect to Ti, Ta, Nb and Al because the δ phase is not stable due to the high Al content.
米国特許第4459160号の文献にも、粒界においてδ相の析出を観察することができない単結晶のNiベースの超合金が記載されている。 The document of U.S. Pat. No. 4,459,160 also describes a single crystal Ni-based superalloy in which no δ phase precipitation can be observed at the grain boundaries.
本発明の目的は、疲労特性を低下させることなく、前記先行技術の短所を回避しながら、ニオブおよび/またはタンタルの含有量が2.5%を超えるニッケルベースの超合金の耐クリープ性および引張強度を向上させることである。 It is an object of the present invention to provide creep resistance and tensile strength of a nickel-based superalloy having a niobium and / or tantalum content greater than 2.5% while avoiding the disadvantages of the prior art without reducing fatigue properties. It is to improve the strength.
この目的のために、本発明の主題は、重量百分率として少なくとも50%のNiを含むNiベースの超合金ブランクを製造する方法において、前記超合金の合金を製造し、前記合金に熱処理を施す方法であって、
−前記超合金が、重量百分率で、少なくとも2.5%の合計量までのNbおよびTaを含み、
−*前記合金を少なくとも20分間にわたって850から1000℃に保持して、δ相を粒界に析出させる第1の保持ステップと、
*前記合金を第1の保持ステップの温度より高い温度に保持し、第1のステップで得られたδ相を部分的に溶解させる第2の保持ステップと、
*第1のステップの温度より低い温度で実施され、硬化相γ’および/またはγ”を析出させる第3のステップおよび場合により1つまたは複数の追加的ステップを含むエージング処理とに分配される複数の保持ステップを含む熱処理を前記合金に施すことを特徴とする方法である。
For this purpose, the subject of the present invention is a method for producing a Ni-based superalloy blank containing at least 50% Ni as a weight percentage, wherein the superalloy alloy is produced and the alloy is subjected to a heat treatment. Because
The superalloy comprises Nb and Ta up to a total amount of at least 2.5% by weight,
A first holding step in which the alloy is held at 850 to 1000 ° C. for at least 20 minutes to precipitate the δ phase at the grain boundaries;
A second holding step in which the alloy is held at a temperature higher than that of the first holding step and the δ phase obtained in the first step is partially dissolved;
* Performed at a temperature lower than the temperature of the first step and distributed to a third step of precipitating the hardened phase γ ′ and / or γ ″ and optionally an aging process comprising one or more additional steps A method comprising subjecting the alloy to a heat treatment including a plurality of holding steps.
好ましくは、合金のAl含有量は、3%以下である。 Preferably, the Al content of the alloy is 3% or less.
好ましくは、合金の(Nb+Ta+Ti)/Al比は、3以上である。 Preferably, the (Nb + Ta + Ti) / Al ratio of the alloy is 3 or more.
好ましくは、合金のエージング処理の終了時に得られる粒径は、7から13 ASTM、より好ましくは8から12 ASTM、さらに好ましくは9から11 ASTMの範囲である。 Preferably, the grain size obtained at the end of the aging treatment of the alloy is in the range of 7 to 13 ASTM, more preferably 8 to 12 ASTM, and even more preferably 9 to 11 ASTM.
好ましくは、δ相の分布は、エージング処理の完了時に粒界において均一である。 Preferably, the distribution of δ phase is uniform at the grain boundaries upon completion of the aging process.
第2の保持ステップの後に、好ましくは2から4%、最も好ましくは2.5から3.5%の量のδ相が得られる。 After the second holding step, an amount of δ phase of preferably 2 to 4%, most preferably 2.5 to 3.5% is obtained.
第1および第2の保持ステップは、好ましくは、中間冷却を行わずに実施される。 The first and second holding steps are preferably performed without intermediate cooling.
第1の保持ステップから第2の保持ステップへの切換は、4℃/分以下、好ましくは1から3℃/分の速度で起こり得る。 Switching from the first holding step to the second holding step can occur at a rate of 4 ° C./min or less, preferably 1 to 3 ° C./min.
第1の保持ステップを少なくとも30分間にわたって900から1000℃で実施し、第2の保持ステップを5から90分間にわたって940から1020℃で実施することができ、2つの温度保持間の温度差は少なくとも20℃である。 The first holding step can be performed at 900 to 1000 ° C. for at least 30 minutes and the second holding step can be performed at 940 to 1020 ° C. for 5 to 90 minutes, and the temperature difference between the two temperature holdings is at least 20 ° C.
合金の重量含有量は、
50から55%のニッケル、
17から21%のクロム
0.08%未満の炭素、
0.35%未満のマンガン、
1%未満のコバルト、
0.35%未満のケイ素、
2.8から3.3%のモリブデン、
ニオブとタンタルの合計が4.75%から5.5%になり、Taが0.2%未満であるニオブ元素およびタンタル元素の少なくとも1つ、
0.65から1.15%のチタン、
0.20から0.80%のアルミニウム、
0.006%未満のホウ素、
0.015%未満のリン、
残りの百分率の鉄、および処理に起因する不純物であってもよい。
The weight content of the alloy is
50 to 55% nickel,
17 to 21% chromium less than 0.08% carbon,
Less than 0.35% manganese,
Less than 1% cobalt,
Less than 0.35% silicon,
2.8 to 3.3% molybdenum,
At least one of the niobium element and the tantalum element in which the sum of niobium and tantalum is 4.75% to 5.5% and Ta is less than 0.2%;
0.65 to 1.15% titanium,
0.20 to 0.80% aluminum,
Less than 0.006% boron,
Less than 0.015% phosphorus,
The remaining percentage of iron and impurities resulting from processing may be present.
次いで、第1の保持ステップを少なくとも30分間にわたって920から990℃で実施し、第2の保持ステップを5から45分間にわたって960から1010℃の温度で実施することができる。 The first holding step can then be performed at 920 to 990 ° C. for at least 30 minutes and the second holding step can be performed at a temperature of 960 to 1010 ° C. for 5 to 45 minutes.
合金のNbとTaの合計含有量は、5.2から5.5%であり、第1の保持ステップは、45分から2時間にわたって960から990℃で実施され、第2の保持ステップは、5から45分間にわたって990から1010℃で実施される。 The total Nb and Ta content of the alloy is 5.2 to 5.5%, the first holding step is carried out at 960 to 990 ° C. for 45 minutes to 2 hours, and the second holding step is 5 From 990 to 1010 ° C. for 45 minutes.
合金のNbとTaの合計含有量が4.8から5.2%である場合は、第1の保持ステップを45分から2時間にわたって920から960℃で実施し、第2の保持ステップを5から45分間にわたって960から990℃で実施することができる。 When the total Nb and Ta content of the alloy is 4.8 to 5.2%, the first holding step is performed at 920 to 960 ° C. for 45 minutes to 2 hours, and the second holding step is started from 5 It can be carried out at 960-990 ° C. for 45 minutes.
合金の重量含有量は、
55から61%のニッケル、
19から22.5%のクロム、
7から9.5%のモリブデン、
ニオブとタンタルの合計が2.75から4%になり、Taが0.2%未満であるニオブ元素およびタンタル元素の少なくとも1つ、
1から1.7%のチタン、
0.55%未満のアルミニウム、
0.5%未満のコバルト、
0.03%未満の炭素、
0.35%未満のマンガン、
0.2%未満のケイ素、
0.006%未満のホウ素、
0.015%未満のリン、
0.01%未満の硫黄、
残りの百分率の鉄、および処理に起因する不純物であってもよい。
The weight content of the alloy is
55 to 61% nickel,
19 to 22.5% chromium,
7 to 9.5% molybdenum,
At least one of the niobium and tantalum elements, the sum of niobium and tantalum being 2.75 to 4%, and Ta being less than 0.2%;
1 to 1.7% titanium,
Less than 0.55% aluminum,
Less than 0.5% cobalt,
Less than 0.03% carbon,
Less than 0.35% manganese,
Less than 0.2% silicon,
Less than 0.006% boron,
Less than 0.015% phosphorus,
Less than 0.01% sulfur,
The remaining percentage of iron and impurities resulting from processing may be present.
合金は、
12から20%のクロム、
2から4%のモリブデン、
ニオブとタンタルの合計が5から7%になり、Taが0.2%未満であるニオブ元素およびタンタル元素の少なくとも1つ、
1から2%のタングステン、
5から10%のコバルト、
0.4から1.4%のチタン、
0.6から2.6%のアルミニウム、
6から14%の鉄、
0.1%未満の炭素、
0.015%未満のホウ素、
0.03%未満のリン、
残りの百分率のニッケル、および処理に起因する不純物の重量含有量を有することができる。
Alloy
12-20% chromium,
2 to 4% molybdenum,
At least one of niobium and tantalum elements, the sum of niobium and tantalum being 5 to 7%, and Ta being less than 0.2%;
1 to 2% tungsten,
5-10% cobalt,
0.4 to 1.4% titanium,
0.6 to 2.6% aluminum,
6-14% iron,
Less than 0.1% carbon,
Less than 0.015% boron,
Less than 0.03% phosphorus,
The remaining percentage of nickel and the weight content of impurities resulting from processing can be present.
好ましくは、前記合金は、重量百分率で、0.007%を超えるリン含有量を有する。 Preferably, the alloy has a phosphorus content of greater than 0.007% by weight.
概して、第1および第2の保持ステップを合金のδ相サブソルバス温度で実施し、第1の保持ステップをδソルバス温度より50℃低い温度とδソルバス温度より20℃低い温度との間の温度で実施し、第2の保持ステップをδソルバス温度より20℃低い温度とδソルバス温度との間の温度で実施することができる。 Generally, the first and second holding steps are performed at the δ-phase subsolvus temperature of the alloy, and the first holding step is at a temperature between 50 ° C. below the δ solvus temperature and 20 ° C. below the δ solvus temperature. Once implemented, the second holding step can be performed at a temperature between 20 ° C. below the δ solvus temperature and the δ solvus temperature.
高温成形ブランクの温度を、それらのステップの少なくとも1つを通じて一定に保持することができる。 The temperature of the hot forming blank can be kept constant throughout at least one of these steps.
前記第3のステップを4から16時間にわたって700から750℃で実施することができ、次いで第4のステップを4から16時間にわたって、600から650℃で実施し、前記第3のステップと第4のステップとの間に50℃/時から50±10℃/時の冷却を実施する。 The third step can be performed at 700 to 750 ° C. for 4 to 16 hours, and then the fourth step is performed at 600 to 650 ° C. for 4 to 16 hours. Cooling from 50 ° C./hour to 50 ± 10 ° C./hour is carried out between these steps.
第1のステップと第2のステップとの間で、高温成形合金を最大1時間にわたって、第1のステップの温度と第2のステップの温度との間の中間温度に保持することが可能である。 Between the first step and the second step, it is possible to keep the hot-formed alloy at an intermediate temperature between the temperature of the first step and the temperature of the second step for up to 1 hour. .
前記ブランクは、インゴットの形で製造され、次いで高温加工されていてもよい。 The blank may be manufactured in the form of an ingot and then hot processed.
前記ブランクは、粉末冶金法を使用して製造されていてもよい。 The blank may be manufactured using powder metallurgy.
本発明のさらなる主題は、上記方法により製造されたブランクから得られたことを特徴とするニッケルベースの超合金の部品である。 A further subject matter of the present invention is a nickel-based superalloy part, characterized in that it is obtained from a blank produced by the above method.
これは、航空または陸上ガスタービンのための部品のブランクであってもよい。 This may be a blank of parts for an aviation or onshore gas turbine.
理解されるように、本発明は、Nbおよび/またはTaを含むNiベースの合金に、構造硬化をガンマ’(Ni3Ti−γ’)および/またはガンマ”(Ni3Nb−γ”および/またはNi3Ta−γ”)硬化相の析出によって得る熱処理を施し、これらの相が、それぞれチタンおよびニオブおよび/またはタンタルを含むことからなる。熱処理は、時系列的に以下のステップである少なくとも3つの保持ステップを含む。
−デルタ相Ni3Nb−δおよび/またはNi3Ta−δを、粒界におけるこの相の分布が実質的に均一になるように粒界に析出させ、物質の微小構造を均一化することを目的とする、850〜1000℃で実施される第1の保持ステップ。部分再結晶微小構造に関しても、それは、再結晶を完了させ、δ相を新しい再結晶粒子の粒界に析出させる。
−第1のステップの温度より高い温度で実施され、第1のステップの後で得られた実質的に均一な分布を維持し、粒子の拡大を回避しながら、前記デルタ相Ni3Nb−δおよび/またはNi3Ta−δを部分的に溶解させることを目的とする第2の保持ステップ。第2のステップは、油冷または空冷によって完了される。
−第3のステップおよび任意の場合による後続ステップは、第1のステップの温度より低い温度で実施され、ガンマ’(Ni3(Al−Ti)−γ’)および/またはガンマ”(Ni3Nb−γ”またはNi3Ta−γ”)硬化相を析出させる熱エージングステップである。
As will be appreciated, the present invention provides structural hardening for Ni-based alloys containing Nb and / or Ta with gamma ′ (Ni 3 Ti-γ ′) and / or gamma ”(Ni 3 Nb-γ” and / or Or Ni 3 Ta-γ ") heat treatment obtained by precipitation of a hardened phase, each of these phases comprising titanium and niobium and / or tantalum. The heat treatment is at least the following steps in chronological order: Includes three holding steps.
The delta phase Ni 3 Nb-δ and / or Ni 3 Ta-δ is precipitated at the grain boundaries such that the distribution of this phase at the grain boundaries is substantially uniform, to homogenize the microstructure of the material. Targeted first holding step performed at 850-1000 ° C. As for the partially recrystallized microstructure, it also completes the recrystallization and precipitates the δ phase at the grain boundaries of the new recrystallized grains.
- is carried out at a temperature higher than the temperature of the first step, maintaining a substantially uniform distribution obtained after the first step, while avoiding the expansion of the particles, the delta phase Ni 3 Nb-δ And / or a second holding step intended to partially dissolve Ni 3 Ta-δ. The second step is completed by oil cooling or air cooling.
The third step and optionally the subsequent steps are carried out at a temperature lower than that of the first step, and gamma ′ (Ni 3 (Al—Ti) -γ ′) and / or gamma ”(Ni 3 Nb -gamma "or Ni 3 Ta-γ") is a thermal aging step to precipitate the hardening phases.
1つまたは複数の中間冷却操作が各ステップ間で可能であるが、必須ではない。 One or more intermediate cooling operations are possible between each step, but are not essential.
本発明の方法は、同じ組成を有する先行技術の部品と比較して、重荷重下の降伏強度と、高疲労強度と、長い耐クリープ性寿命との妥協性がより良好な部品を製造することを可能にする。 The method of the present invention produces parts with a better compromise between yield strength under heavy loads, high fatigue strength, and long creep resistance life compared to prior art parts having the same composition. Enable.
本発明は、以下の添付の図面を参照しながら、提示される以下の説明を読むとより深く理解されるであろう。 The invention will be better understood upon reading the following description presented with reference to the accompanying drawings in which:
本発明によるNi超合金の部品を製造するための方法を、二重溶解法(VIM真空誘導溶解−VAR真空アーク再溶解)または三重溶解(VIM−ESR(エレクトロスラグ再溶解)−VAR)などの従来の方法を使用して前記超合金のインゴットを調製および鋳造することによって開始することができる。しかし、本発明の方法を、粉末冶金によって製造されるブランクに適用することもできる。本書の残りの箇所において、記載される用途の例は、出発製品が「インゴット冶金」と呼ばれる従来の経路によって得られる例であるが、それが粉末冶金に置き換えられることは、当業者にとって明らかである。本発明の特徴である高温加工後に続く処理は、両方の場合において同一である。 Methods for producing Ni superalloy parts according to the invention include double melting methods (VIM vacuum induction melting-VAR vacuum arc remelting) or triple melting (VIM-ESR (electroslag remelting) -VAR). It can begin by preparing and casting the superalloy ingot using conventional methods. However, the method according to the invention can also be applied to blanks produced by powder metallurgy. In the remainder of this document, the examples of applications described are examples where the starting product is obtained by a conventional route called "Ingot Metallurgy", but it will be clear to those skilled in the art that it can be replaced by powder metallurgy. is there. The processing that follows the high temperature processing that is a feature of the present invention is the same in both cases.
本発明に典型的な処理の前の(「製品」という用語が部品の半製品またはブランクを指すことを理解した上での)製品の初期微小構造は、上流で実施される変形熱機械処理、例えば、鍛造、打抜きまたは熱間圧延に関連して異なり得る。
−冶金状態1(または「状態1」):デルタ相Ni3Nb−δおよび/またはNi3Ta−δは、粒界に存在し得るが、δ相ソルバス温度より低い温度で実施される変形後の粒子間に均一に分布し得ない。
−冶金状態2(または「状態2」):デルタ相Ni3Nb−δおよび/またはNi3Ta−δは、例えば、δ相ソルバスより高い温度で実施される変形後の微小構造に不在であり得るか、または実質的に不在(<1%)であり得る。
The initial microstructure of the product (understanding that the term “product” refers to a semi-finished product or blank of a part) prior to the processing typical of the present invention is a modified thermomechanical process performed upstream, For example, it may differ in connection with forging, stamping or hot rolling.
Metallurgical state 1 (or “State 1”): Delta phase Ni 3 Nb-δ and / or Ni 3 Ta-δ may be present at grain boundaries, but after deformation performed at a temperature below the δ phase solvus temperature Cannot be uniformly distributed among the particles.
Metallurgical state 2 (or “state 2”): delta phase Ni 3 Nb-δ and / or Ni 3 Ta-δ is absent from a deformed microstructure performed at a temperature higher than, for example, a δ-phase solvus Or may be substantially absent (<1%).
第1の事例、すなわち冶金状態1から出発する事例において、本発明による第1の処理ステップは、δ相の分布を微小構造内で均一化させ、変形後の多少の温度変動による、熱機械処理後に存在するδ相の分率の局部的ばらつきを軽減することを可能にする。当業者は、必要であれば、このδ相分布の均一化を最適化するために、通常の試験を通じて、第1のステップを実施するためのパラメータを容易に調整することが可能である。 In the first case, i.e. starting from metallurgical state 1, the first processing step according to the present invention is to make the distribution of the δ phase uniform within the microstructure and to thermomechanical processing due to some temperature fluctuations after deformation. It is possible to reduce the local variation of the fraction of the δ phase existing later. The person skilled in the art can easily adjust the parameters for performing the first step, if necessary, through routine testing, in order to optimize this homogenization of the δ phase distribution.
第2の事例、すなわち冶金状態2から出発する事例において、本発明による第1の処理ステップは、熱機械処理後にδ相を欠いた粒界にδ相を(実質的に)均一に析出させる。当業者は、通常の試験を通じて、必要であればこのδ相分布の均一化を最適化するように第1のステップを実施するためのパラメータを調整することもできる。 In the second case, i.e. starting from the metallurgical state 2, the first treatment step according to the invention deposits the δ phase (substantially) uniformly at the grain boundaries lacking the δ phase after the thermomechanical treatment. The person skilled in the art can adjust the parameters for performing the first step through routine tests, if necessary, so as to optimize the homogenization of this δ phase distribution.
第1の事例であるか、または第2の事例であるかにかかわらず、第1のステップは、また、再結晶が熱機械処理時に完了しなかった領域における再結晶を完了させることによって、合金の全体的な構造を均一化する。 Regardless of whether it is the first case or the second case, the first step is also to complete the recrystallization in a region where the recrystallization was not completed during the thermomechanical process. Uniform the overall structure of the.
δ相ソルバスに近い温度で実施される本発明による処理の第2のステップにおいて、デルタ相Ni3Nb−δおよび/またはNi3Ta−δが部分的に溶解する。 In the second step of the process according to the invention carried out at a temperature close to the δ phase solvus, the delta phase Ni 3 Nb-δ and / or Ni 3 Ta-δ is partially dissolved.
第2のステップにおいて、δ相の溶解は、実質的に均一な形で生じる。所謂残留δ相、すなわち非溶解δ相は、第1のステップの後に得られた分布と同じ分布を維持する。このために、残留δ相は、粒子のまわりに実質的に均一に分布して、第1のステップの温度より高い温度で実施される第2のステップにおいてすべての粒子の成長を緩慢化させ、大きな粒子の発生を制限、さらには回避させる。粒界におけるδ相の均一な分布は、処理の終了時の合金の微小構造の粒径の均一化を促進する。 In the second step, dissolution of the δ phase occurs in a substantially uniform form. The so-called residual δ phase, ie the undissolved δ phase, maintains the same distribution as that obtained after the first step. For this reason, the residual δ phase is distributed substantially uniformly around the particles, slowing the growth of all particles in a second step carried out at a temperature higher than that of the first step, Limit or even avoid the generation of large particles. The uniform distribution of the δ phase at the grain boundary facilitates the uniform grain size of the microstructure of the alloy at the end of processing.
したがって、第2のステップは、粒子の拡大を回避しながら、第1のステップの後に得られたδ相の量を、最適には4%未満、さらには3.5%未満の残留量まで減少させる。 Thus, the second step reduces the amount of δ phase obtained after the first step, optimally below 4% and even below 3.5% while avoiding particle expansion. Let
微粒子均一微小構造へのδ相の溶解性が大きくなると、第3のステップ、および合金のエージング処理を構成するさらに他の後続ステップ中のガンマ’および/またはガンマ”硬化相の析出のためにより多くのニオブを放出することが可能になる。 As the solubility of the δ phase in the fine grained microstructure increases, it becomes more due to the precipitation of gamma ′ and / or gamma ”hardened phases during the third step and other subsequent steps that constitute the alloy aging process. Of niobium can be released.
意外にも、発明者らは、第1の処理ステップが存在しなければ、熱機械処理後の初期微小構造にかかわらず、これらの効果を得ることが可能でないことを見いだした。 Surprisingly, the inventors have found that without the first processing step, it is not possible to obtain these effects regardless of the initial microstructure after thermomechanical processing.
明らかに、δ相を欠いた初期微小構造(状態2)では、第1のステップが存在しなければ、物質の全体構造を均一化し、粒界にδ相を析出させて、第2のステップを通じての後の粒子の成長を制限することが可能でなくなる。 Obviously, in the initial microstructure lacking the δ phase (state 2), if the first step does not exist, the entire structure of the material is homogenized, and the δ phase is precipitated at the grain boundaries, and through the second step It becomes impossible to limit the growth of the subsequent particles.
第1のステップが存在しなければ、δ相析出をもたらすサブソルバス変形から初期微小構造が生成するとき(状態1)に、δ相の分布が不均一になる(図4および5参照)。したがって、いくつかの粒子は、粒界に大量のδ相を含むか、または粒界にδ相をほとんどもしくは全く含まないか、またはさらには粒界にδ相の不均一な分布を含み得る。 If the first step does not exist, the distribution of the δ phase becomes non-uniform when the initial microstructure is generated from the sub-solvus deformation that results in the δ phase precipitation (state 1) (see FIGS. 4 and 5). Thus, some particles may contain a large amount of δ phase at the grain boundaries, little or no δ phase at the grain boundaries, or even a non-uniform distribution of δ phases at the grain boundaries.
第1のステップの温度に温度保持することなく、第2のステップの温度でそのまま熱処理を実施することによって、δ相で囲まれていない粒子、または粒界にδ相をほとんど有さない、もしくは不均一に分布されたδ相を有する粒子は、恐らくはASTM約5〜6を超える粒径まで制御不能に拡大することになる。ASTM 5〜6の粒子の存在は、大いに局在化した存在であっても(図6および7参照)、ASTM粒径10の粒子を有する均一微小構造と比較して、疲労寿命を10分の1に減少させる。したがって、本発明による第1のステップと第2のステップとの組合せ(図8および9参照)は、高疲労特性の保証の妨げになるこれらの大きなASTM 5〜6粒子の存在を回避しながら、δ相の均一な形での部分的溶解を可能にする。
By carrying out the heat treatment as it is at the temperature of the second step without maintaining the temperature at the temperature of the first step, the particles that are not surrounded by the δ phase, or have almost no δ phase at the grain boundary, or Particles having a non-uniformly distributed δ phase will probably uncontrollably expand to particle sizes greater than about ASTM 5-6. The presence of ASTM 5-6 particles, even though they are highly localized (see FIGS. 6 and 7), has a fatigue life of 10 minutes compared to a uniform microstructure with
したがって、δ相を含む初期微小構造(状態1)では、第1のステップが存在しなければ、所望の微小構造、すなわち残留均一δ相含有量が好ましくは4%未満であり、均一かつ許容し得る粒径を有する微小構造を得ることができない。 Thus, in the initial microstructure including δ phase (state 1), if the first step is not present, the desired microstructure, ie, the residual uniform δ phase content, is preferably less than 4% and is uniform and acceptable. It is not possible to obtain a microstructure having a particle size that can be obtained.
本発明の方法から誘導される製品の好適な粒径は、それらの粒径の要件に関して矛盾する特性間の良好な妥協性を達成する要望から導かれる。疲労強度および引張強度は、実質的に、小さな粒径の恩恵を受けるのに対して、耐クリープ性および亀裂抵抗性は、粗い粒径の恩恵を受ける。この点において、好適な粒径は、ASTM 7から13、好ましくはASTM 8から12、最も好ましくはASTM 9から11である。 The preferred particle size of products derived from the method of the present invention is derived from the desire to achieve a good compromise between conflicting properties with respect to their particle size requirements. Fatigue strength and tensile strength substantially benefit from small particle size, while creep resistance and crack resistance benefit from coarse particle size. In this regard, suitable particle sizes are ASTM 7 to 13, preferably ASTM 8 to 12, and most preferably ASTM 9 to 11.
第1のステップを実施した後に第2のステップが存在しないことは、本発明が適用される超合金製品に対して実施され、それらが満足できるものでないことが以上で認識された通常のタイプの処理に対応する。 The absence of the second step after performing the first step is performed on the superalloy product to which the present invention is applied and is the normal type recognized above that they are not satisfactory. Corresponds to processing.
加えて、δ相を欠いた初期微小構造(状態2)については、本発明が必要とする2つの第1のステップがいずれも実施されないため、δ相スーパーソルバス温度においてその高温加工の後に熱エージング処理がそのまま合金に施される(所謂「直接エージング」処理が施される)(状態2)場合は、最終的な構造において、δ相が全く得られないため望ましくない。 In addition, for the initial microstructure lacking the δ phase (state 2), neither of the two first steps required by the present invention is performed, so that after the high temperature processing at the δ phase supersolvus temperature, When the aging treatment is performed on the alloy as it is (so-called “direct aging” treatment is performed) (state 2), the δ phase is not obtained at all in the final structure, which is not desirable.
意外にも、発明者らは、実際に、2から4%、最適には2.5から3.5%のδ相の存在が、物質を弱化させることなく物質の特性を向上させることを明らかにすることができなかった。 Surprisingly, the inventors have shown that the presence of a δ phase in practice of 2 to 4%, optimally 2.5 to 3.5%, improves the properties of a material without weakening the material. I could not.
他方で、δ相を欠いた微小構造は、概して、高温延性を著しく低下させ、切欠き効果に対する合金の感受性(例えば、切欠き点における早発的なクリープ破壊)を大いに増大させる粒間弱化をより被りやすい。したがって、熱機械処理後にδ相が存在しないときも、粒界に均一に分布した最小限の量のδ相を生成し、物質の全体構造を均一化するために第1のステップが必要である。 On the other hand, microstructures lacking the δ phase generally reduce intergranular weakness that significantly reduces hot ductility and greatly increases the alloy's susceptibility to notch effects (eg, premature creep failure at the notch point). More easy to wear. Thus, even when no δ phase is present after thermomechanical processing, a first step is necessary to produce a minimal amount of δ phase uniformly distributed at the grain boundaries and to homogenize the overall structure of the material. .
第1のステップの温度での合金の保持時間は、20分以上である。δ相を析出させるための第1のステップの温度は、850から1000℃である。温度および保持時間は、変形後の微小構造の不均一性に関して、かつ高温延性に必要とされる最小限の量より大きい第2のステップ後のδ相の量を維持するために調整される。 The retention time of the alloy at the temperature of the first step is 20 minutes or more. The temperature of the first step for precipitating the δ phase is 850 to 1000 ° C. The temperature and holding time are adjusted for microstructure non-uniformity after deformation and to maintain the amount of δ phase after the second step greater than the minimum amount required for hot ductility.
したがって、第1のステップより高温で実施される第2のステップは、物質の高温延性に向けて、粒子のまわりに均一に分布したδ相の形の十分な量のNbおよび/またはTaを維持しながら、γ’相および/またはγ”相の析出に必要なNbおよび/またはTaを放出するために、δ相の量を溶解によって所望の量、好ましくは2から4%、最適には2.5から3.5%の含有量まで減少させるために必要である。 Thus, the second step, performed at a higher temperature than the first step, maintains a sufficient amount of Nb and / or Ta in the form of a δ phase uniformly distributed around the particles towards the hot ductility of the material. However, in order to release Nb and / or Ta necessary for the precipitation of the γ ′ phase and / or the γ ″ phase, the amount of the δ phase is dissolved to a desired amount, preferably 2 to 4%, optimally 2 Required to reduce content from 5 to 3.5%.
第2のステップの温度および持続時間は、粒子の拡大を回避しながらδ相の所望の残留分率を得るために、第1のステップの後で得られるδ相の分率に関して調整される。第2のステップの持続時間は、このステップに対して決定される温度にも関連する。概して、第2のステップの持続時間が短いほど、その温度が高くなる。 The temperature and duration of the second step is adjusted with respect to the fraction of δ phase obtained after the first step to obtain the desired residual fraction of δ phase while avoiding particle expansion. The duration of the second step is also related to the temperature determined for this step. In general, the shorter the duration of the second step, the higher its temperature.
本発明の好適な別形によれば、2つの第1の処理ステップは、連続的なステップである(図1および2)。 According to a preferred variant of the invention, the two first processing steps are sequential steps (FIGS. 1 and 2).
「連続的な処理ステップ」とは、第1の処理ステップから第2の処理ステップへの切換が、温度を徐々に上昇させて、第1のステップの温度より低い中間温度を介さずに、第1のステップから第2のステップに移行することによって生じることを意味する。 “Continuous process step” means that the switching from the first process step to the second process step gradually increases the temperature without going through an intermediate temperature lower than the temperature of the first step. It means that it occurs by moving from the first step to the second step.
第1のステップの温度より低い温度まで、例えば周囲温度まで下げずに、2つの第1のステップを連続的に実施すると、処理サンプル内部の大きな温度勾配の回避、およびいくつかの領域において粒子の拡大を引き起こし得るδ相の不均一溶解の回避が可能になる。したがって、温度が第2のステップを通じて処理サンプル内で均一に維持されるように、ステップ間で十分に低い温度上昇率(<4℃/分)を採用することが好ましい。温度が、第1のステップから2℃/分の温度上昇率の後に1000cm3の円筒形サンプル内で5分後に均一になることが第2のステップで確認された。したがって、第1のステップより低い温度での2つのステップ間の切換は、第2の段階におけるサンプル内の温度の均一化に必要な時間を増大させる危険性があり、δ相の不均一な溶解を促進させる危険性がある。しかしながら、特に処理部品の大きさに関して、第2のステップのパラメータが、以上に言及した見込まれる短所を回避するように中間ステップを場合により追加することによって調整される場合は、第1のステップの温度より低い温度への前記切換は、本発明により除外されない(図3)。 Performing the two first steps sequentially without lowering the temperature of the first step, for example, to ambient temperature, avoids large temperature gradients inside the processed sample, and in some areas the particles It is possible to avoid inhomogeneous dissolution of the δ phase, which can cause expansion. Therefore, it is preferable to employ a sufficiently low rate of temperature increase (<4 ° C./min) between steps so that the temperature is maintained uniformly in the treated sample throughout the second step. It was confirmed in the second step that the temperature became uniform after 5 minutes in a 1000 cm 3 cylindrical sample after a temperature rise rate of 2 ° C./min from the first step. Therefore, switching between two steps at a temperature lower than the first step can increase the time required to equalize the temperature in the sample in the second stage, resulting in non-uniform dissolution of the δ phase. There is a risk of promoting. However, especially with regard to the size of the processing parts, if the parameters of the second step are adjusted by optionally adding intermediate steps to avoid the possible disadvantages mentioned above, Said switching to a temperature lower than the temperature is not excluded by the present invention (FIG. 3).
好ましくは、第1の処理ステップは、少なくとも30分間にわたって約900から1000℃の温度で実施され、第2の処理ステップは、5から90分間の時間にわたって940から1020℃の第1のステップの温度より高い温度で実施される。したがって、2つのステップの間の温度差は、少なくとも20℃でなければならない。そのようにして得られた温度範囲および持続時間は、十分な粒径、すなわちASTM 7から13、好ましくはASTM 8から12、最も好ましくはASTM 9から11、および2%から4%の残留δ相分率を有する均一な微小構造を得ることを可能にする。 Preferably, the first treatment step is performed at a temperature of about 900 to 1000 ° C. for at least 30 minutes, and the second treatment step is a temperature of the first step of 940 to 1020 ° C. for a time of 5 to 90 minutes. Performed at higher temperatures. Therefore, the temperature difference between the two steps must be at least 20 ° C. The temperature range and duration so obtained is sufficient particle size, ie ASTM 7 to 13, preferably ASTM 8 to 12, most preferably ASTM 9 to 11, and 2% to 4% residual δ phase. It is possible to obtain a uniform microstructure with a fraction.
理解されるように、本発明は、第1に、2つの第1のステップ間の相乗効果に基づいており、これらの2つの第1のステップの釣合の最適化によって、本発明により設定された目的を十分に満たすことが可能になる。 As will be appreciated, the present invention is primarily based on a synergistic effect between two first steps and is set by the present invention by optimizing the balance of these two first steps. It is possible to fully meet the objectives.
δ相ソルバス温度は、合金のニオブ+タンタル含有量に直接左右される。したがって、合金の組成に存在するニオブおよび/またはタンタルの量は、各ステップの温度および持続時間に直接的な影響を与える。 The δ phase solvus temperature is directly dependent on the niobium + tantalum content of the alloy. Thus, the amount of niobium and / or tantalum present in the alloy composition has a direct effect on the temperature and duration of each step.
(その標準化された組成が以下に詳述される)タイプ718の合金が使用される場合は、少なくとも30分間にわたる920から990℃の第1の温度保持を実施し、5から45分間にわたる960から1010℃の第2の温度保持を実施することが指摘される。処理の最適な持続時間は、処理すべき部品の質量にも左右され、当業者によって通常使用される模型または実験を用いて決定され得る。 If a type 718 alloy (whose standardized composition is detailed below) is used, a first temperature hold of 920 to 990 ° C. for at least 30 minutes is performed and from 960 for 5 to 45 minutes It is pointed out that a second temperature hold of 1010 ° C. is carried out. The optimal duration of processing depends on the mass of the part to be processed and can be determined using models or experiments commonly used by those skilled in the art.
718合金のNbおよびTaの合計含有量が5.2から5.5%(Taが0.2%未満)であれば、第1のステップは、好ましくは約45分から2時間の時間にわたって約960℃から990℃の温度で実施され、第2のステップは、好ましくは、約5から45分間の時間にわたって約990℃から1010℃の温度で実施される。 If the total Nb and Ta content of 718 alloy is 5.2 to 5.5% (Ta less than 0.2%), the first step is preferably about 960 over a period of about 45 minutes to 2 hours. The second step is preferably carried out at a temperature of about 990 ° C. to 1010 ° C. for a time of about 5 to 45 minutes.
718合金のNb+Ta含有量が約4.8から5.2%(Taが0.2%未満)であれば、第1のステップは、好ましくは約45分から2時間の時間にわたって約920℃から960℃の温度で実施され、第2のステップは、好ましくは、約5から45分間の時間にわたって約960℃から990℃の温度で実施される。処理の持続時間は、処理すべき部品の質量にも左右される。 If the Nb + Ta content of the 718 alloy is about 4.8 to 5.2% (Ta less than 0.2%), the first step is preferably about 920 ° C. to 960 ° C. over a period of about 45 minutes to 2 hours. The second step is preferably performed at a temperature of about 960 ° C. to 990 ° C. for a time of about 5 to 45 minutes. The duration of processing also depends on the mass of the part to be processed.
処理ステップの温度は、全般的に、温度保持の持続時間を通じて実質的に一定に保持される。 The temperature of the process step is generally kept substantially constant throughout the duration of the temperature hold.
第1のステップと第2のステップとの間の温度上昇率は、特に、処理される部品が大形の部品である場合に、温度勾配が大きくなりすぎるのを回避するために、好ましくは4℃/分未満である。 The rate of temperature increase between the first step and the second step is preferably 4 in order to avoid excessive temperature gradients, especially when the part being processed is a large part. It is less than ℃ / min.
第1のステップから第2のステップへの温度上昇率は、好ましくは1℃/分から3℃/分である。 The rate of temperature increase from the first step to the second step is preferably 1 ° C./min to 3 ° C./min.
したがって、本発明は、少なくとも50%のNiを含み、Nb+Taの合計が2.5重量%を超えるニッケルベースの超合金に適用される。 Thus, the present invention applies to nickel-based superalloys that contain at least 50% Ni and the total Nb + Ta exceeds 2.5% by weight.
1つの特定の事例において、合金は、
50から55%のニッケル、
17から21%のクロム
0.08%未満の炭素、
0.35%未満のマンガン、
0.35%未満のケイ素、
1%未満のコバルト、
2.8から3.3%のモリブデン、
ニオブとタンタルの合計が4.75から5.5%になり、Taが0.2%未満であるニオブ元素およびタンタル元素の少なくとも1つ、
0.65から1.15%のチタン、
0.20から0.80%のアルミニウム、
0.006%未満のホウ素、
0.015%未満のリン、
残りの百分率の鉄、および処理に起因する不純物の重量含有量を有する、NC19FeNb(AFNOR標準)とも呼ばれる718タイプのニッケルベースの合金である。
In one particular case, the alloy is
50 to 55% nickel,
17 to 21% chromium less than 0.08% carbon,
Less than 0.35% manganese,
Less than 0.35% silicon,
Less than 1% cobalt,
2.8 to 3.3% molybdenum,
At least one of the niobium element and the tantalum element, wherein the sum of niobium and tantalum is 4.75 to 5.5% and Ta is less than 0.2%;
0.65 to 1.15% titanium,
0.20 to 0.80% aluminum,
Less than 0.006% boron,
Less than 0.015% phosphorus,
A 718 type nickel-based alloy, also called NC19FeNb (AFNOR standard), with the remaining percentage of iron and the weight content of impurities resulting from processing.
最小含有量が示されていない元素は、痕跡の形、換言すればゼロであり得る含有量で存在し、いずれの場合も冶金効果を有さないほど十分に低量であり得る(これは、記載する組成について当てはまる)。 Elements whose minimum content is not present are present in a trace form, in other words a content that can be zero, and in any case may be sufficiently low to have no metallurgical effect (this is This is true for the composition described).
有利には、リンを添加すると、特にクリープおよび切欠きクリープなどの応力に対する粒界強度を強化することが可能になる。リン含有量が0.007%より大きく、0.015%より小さい前記合金への本発明の適用は、得られるクリープゲインが明らかに大きくなるため特に興味深い。したがって、同じ粒径を維持しながらクリープ寿命を容易に4倍に向上させることが可能になる。このリンの存在を、同じ理由により、以下に示す合金の他の例に対しても推奨することができる。 Advantageously, the addition of phosphorus makes it possible to enhance the grain boundary strength against stresses such as creep and notch creep. The application of the present invention to such alloys with a phosphorus content greater than 0.007% and less than 0.015% is of particular interest since the resulting creep gain is clearly increased. Therefore, it is possible to easily improve the creep life by a factor of 4 while maintaining the same particle size. The presence of this phosphorus can be recommended for other examples of alloys shown below for the same reason.
別の特定の事例において、合金は、
55から61%のニッケル、
19から22.5%のクロム、
7から9.5%のモリブデン、
ニオブとタンタルの合計が2.75から4%になり、Taが0.2%未満であるニオブ元素およびタンタル元素の少なくとも1つ、
1から1.7%のチタン、
0.55%未満のアルミニウム、
0.5%未満のコバルト、
0.03%未満の炭素、
0.35%未満のマンガン、
0.2%未満のケイ素、
0.006%未満のホウ素、
0.015%未満のリン、
0.01%未満の硫黄、
残りの百分率の鉄、および処理に起因する不純物の重量含有量を有する725タイプのニッケルベースの超合金である。
In another specific case, the alloy is
55 to 61% nickel,
19 to 22.5% chromium,
7 to 9.5% molybdenum,
At least one of the niobium and tantalum elements, the sum of niobium and tantalum being 2.75 to 4%, and Ta being less than 0.2%;
1 to 1.7% titanium,
Less than 0.55% aluminum,
Less than 0.5% cobalt,
Less than 0.03% carbon,
Less than 0.35% manganese,
Less than 0.2% silicon,
Less than 0.006% boron,
Less than 0.015% phosphorus,
Less than 0.01% sulfur,
725 type nickel-based superalloy with the remaining percentage of iron and the weight content of impurities resulting from processing.
別の特定の事例において、合金は、
12から20%のクロム、
2から4%のモリブデン、
ニオブとタンタルの合計が5から7%になり、Taが0.2%未満であるニオブ元素およびタンタル元素の少なくとも1つ、
1から2%のタングステン、
5から10%のコバルト、
0.4から1.4%のチタン、
0.6から2.6%のアルミニウム、
6から14%の鉄、
0.1%未満の炭素、
0.015%未満のホウ素、
0.03%未満のリン、
残りの百分率のニッケル、および処理に起因する不純物の重量含有量を有する718PLUSタイプのニッケルベースの超合金である。
In another specific case, the alloy is
12-20% chromium,
2 to 4% molybdenum,
At least one of niobium and tantalum elements, the sum of niobium and tantalum being 5 to 7%, and Ta being less than 0.2%;
1 to 2% tungsten,
5-10% cobalt,
0.4 to 1.4% titanium,
0.6 to 2.6% aluminum,
6-14% iron,
Less than 0.1% carbon,
Less than 0.015% boron,
Less than 0.03% phosphorus,
718 PLUS type nickel-based superalloy with the remaining percentage nickel and the weight content of impurities due to processing.
概して、合金は、ニオブ+タンタルの含有量が2.5%より大きく、800℃から1050℃のNi3Nb−Taタイプの粒間相(δ相)が存在し、600から800℃のNi3(Al−Ti)−(γ’)タイプおよび/またはNi3Nb−Ta(γ”)タイプの粒間相が存在することを特徴とするニッケルベースの超合金である。2.5%を超えるニオブおよび/またはタンタルを含み、ニオブおよび/またはタンタルを含み、かつNi3Nb−Taタイプの粒間相が存在することを特徴とするニッケルベースの超合金では、γ”硬化相Ni3Nb−Taが存在しなくても本発明の効果が見いだされる。したがって、デルタNi3Nb−Taタイプの粒間相の溶解性が大きくなると、固体溶液でγ’硬化相− Ni3(Al、Ti)に挿入されて該相を硬化させるニオブ(γ’生成元素)が放出される。 Generally, the alloy, the content of niobium + tantalum is greater than 2.5%, 1050 ° C. of Ni 3 Nb-Ta type intergranular phase from 800 ° C. ([delta] phase) is present and 600 from 800 ° C. Ni 3 It is a nickel-based superalloy characterized by the presence of (Al—Ti)-(γ ′) type and / or Ni 3 Nb—Ta (γ ″) type intergranular phase. More than 2.5% In a nickel-based superalloy comprising niobium and / or tantalum, containing niobium and / or tantalum and having an intergranular phase of the Ni 3 Nb—Ta type, the γ ”hardened phase Ni 3 Nb— Even if Ta does not exist, the effect of the present invention is found. Therefore, when the solubility of the intergranular phase of the delta Ni 3 Nb—Ta type increases, niobium (γ ′ generating element that is inserted into the γ ′ hardened phase—Ni 3 (Al, Ti) in the solid solution and hardens the phase. ) Is released.
本発明の処理は、第3のステップの温度より低い温度におけるガンマ”(Ni3Nb−Ta−γ”)および/またはガンマ’(Ni3(Al−Ti)−γ’)硬化相の析出の完了を可能にする第4のステップを含むことができる。 Treatment of the present invention, the gamma of the third temperature lower than the temperature in step "(Ni 3 Nb-Ta- γ") and / or gamma '(Ni 3 (Al-Ti ) -γ') of hardening phase precipitation A fourth step that allows completion can be included.
例えば、4から16時間にわたる700から750℃の第3のステップの後に、4から16時間にわたって保持される600℃から650℃の第4のステップの温度まで50℃/時±10℃/時で冷却することができる。 For example, after a third step of 700 to 750 ° C. over 4 to 16 hours, to a temperature of the fourth step of 600 to 650 ° C. held for 4 to 16 hours at 50 ° C./hour±10° C./hour Can be cooled.
本発明の処理は、2つの第1のステップの間における温度上昇時の大形の部品内の温度の均一化を促進するために、第1のステップと第2のステップとの間に短い持続時間の少なくとも1つの中間ステップ(1時間以内;図2参照)を含むこともできる。 The process of the present invention has a short duration between the first step and the second step in order to promote temperature uniformity in the large part during the temperature rise between the two first steps. It can also include at least one intermediate step of time (within 1 hour; see FIG. 2).
本発明によれば、合金の(Ta+Nb)含有量が少なくとも2.5%の場合において、粒界におけるγ’相の析出を生じさせないように、Al含有率が3%以下であることが推奨される。Alが3%以上になると、γ’相は、δ相を損なうほどに安定する傾向があり、Nbがγ’相に挿入されるようになる。 According to the present invention, when the (Ta + Nb) content of the alloy is at least 2.5%, it is recommended that the Al content is 3% or less so as not to cause precipitation of the γ 'phase at the grain boundaries. The When Al is 3% or more, the γ ′ phase tends to be stable enough to damage the δ phase, and Nb is inserted into the γ ′ phase.
また、粒界におけるδ相の析出を優先させるために、(Nb+Ta+Ti)/Al比が3以上であることが好ましい。 In order to give priority to the precipitation of the δ phase at the grain boundary, the (Nb + Ta + Ti) / Al ratio is preferably 3 or more.
次に、非限定的に示される本発明による熱処理の実施形態のいくつかの例によって本発明を説明する。 The invention will now be illustrated by means of some examples of heat treatment embodiments according to the invention which are given in a non-limiting manner.
本発明による方法の実施形態の第1の例は、VIM+VAR+鍛造の従来の経路を介して得られるが、粉末冶金によっても同様に得ることが可能である合金の熱機械処理後に得られ、典型的には航空タービンディスクの製造を目的とする718合金の物品に適用される。 A first example of an embodiment of the method according to the invention is obtained after thermomechanical processing of an alloy, which is obtained via the conventional path of VIM + VAR + forging, but can also be obtained by powder metallurgy, Applies to 718 alloy articles intended for the manufacture of aviation turbine discs.
実験レベルで、VIM法を使用し、次いでVAR法を使用して718合金の再溶解インゴットを調製し、次いでTable 2(表2)において1から3に番号付けされた熱機械処理の3つの異なるスケジュール(TTM、Table 2(表2)参照)に従ってそれらを高温加工した。熱機械処理後に得られた製品をサンプル(Table 1(表1)においてAからPで表される)に切り出した。次いで、それらのサンプルに、異なる事例に応じて2から4つのステップを含む異なる熱処理(TTH)を施した(Table 2(表2)参照)。 At the experimental level, the VIM method was used, then the VAR method was used to prepare a 718 alloy remelted ingot and then three different thermomechanical treatments numbered 1 to 3 in Table 2 (Table 2) They were hot processed according to the schedule (see TTM, Table 2 (Table 2)). The product obtained after thermomechanical treatment was cut into samples (represented from A to P in Table 1 (Table 1)). The samples were then subjected to a different heat treatment (TTH) comprising 2 to 4 steps depending on the different cases (see Table 2 (Table 2)).
熱機械処理N°1に対するスケジュールは、合金のδ相ソルバス温度より高い温度にて異なるパスで実施される圧延を含んでいた。熱機械処理スケジュールN°1により形成される製品は、その冶金構造がデルタ相を欠く棒である(冶金状態2)。Table 2(表2)において、サンプルF、K、L、Nは、この第1の熱機械処理スケジュールにより得られた棒から製造された。 The schedule for thermomechanical treatment N ° 1 included rolling performed in different passes at a temperature above the δ phase solvus temperature of the alloy. The product formed by the thermomechanical treatment schedule N ° 1 is a bar whose metallurgical structure lacks a delta phase (metallurgical state 2). In Table 2 (Table 2), Samples F, K, L, and N were made from the bars obtained by this first thermomechanical processing schedule.
熱機械処理スケジュールN°2は、合金のδ相ソルバス温度より低い温度(「サブソルバス温度」)における再熱(「熱」とは、炉で保持した後に変形させることを指し、したがって「再熱」とは、それぞれ炉における保持によって先行される2つの変形ステップを指す)を含む従来の鍛造スケジュールであった。このスケジュールは、合金におけるδ相の析出を可能にする。熱機械処理スケジュールN°2により形成された製品は、その冶金構造が粒界に不均一に分布したいくらかのδ相(冶金状態1、図4および5参照)を含む所謂パンケーキ(全体的に、鍛造による変形に起因するフラットディスクの粗い形状の製品)である。Table 2(表2)において、サンプルC、EおよびHは、この第2の熱機械処理スケジュールにより得られたパンケーキから製造された。 The thermomechanical treatment schedule N ° 2 refers to reheating at a temperature below the δ phase solvus temperature of the alloy (“subsolvus temperature”) (“heat” refers to deforming after holding in the furnace, thus “reheating”. Was a conventional forging schedule including two deformation steps each preceded by holding in a furnace. This schedule allows the precipitation of the δ phase in the alloy. The product formed according to the thermomechanical treatment schedule N ° 2 is a so-called pancake (generally with some δ phase (see metallurgical state 1, FIGS. 4 and 5)) whose metallurgical structure is unevenly distributed at grain boundaries. , Products with rough shape of flat disk due to deformation by forging). In Table 2 (Table 2), Samples C, E and H were made from pancakes obtained by this second thermomechanical processing schedule.
熱機械処理範囲N°3は、合金のδ相ソルバスより低い温度の単一熱ステップによる従来の打抜きスケジュールであった。熱機械処理スケジュールN°3により形成された製品は、その冶金構造が粒界に極めて不均一に分布したいくらかのδ相(冶金状態1、図4および5参照)を含むディスクのブランクである。Table 2(表2)において、サンプルA、B、D、G、I、J、M、OおよびPは、この第3の熱機械処理スケジュールにより得られたタービンディスクのブランクから製造された。 The thermomechanical processing range N ° 3 was a conventional punching schedule with a single thermal step at a lower temperature than the alloy δ phase solvus. The product formed by the thermomechanical treatment schedule N ° 3 is a disc blank containing some δ phase (see Metallurgical State 1, FIGS. 4 and 5) whose metallurgical structure is very unevenly distributed at grain boundaries. In Table 2 (Table 2), Samples A, B, D, G, I, J, M, O, and P were made from turbine disk blanks obtained by this third thermomechanical processing schedule.
次いで、サンプルAからPに、各事例について2から4つのステップを含む、a、b、c、d、eで表される5つの異なるスケジュールの熱処理(「TTH」)を施した(Table 2(表2)のTTH欄)。 Samples A to P were then subjected to five different schedules of heat treatment (“TTH”) represented by a, b, c, d, e, including 2 to 4 steps for each case (Table 2 (Table 2 ( TTH column in Table 2).
タイプ「a」または「b」の熱処理スケジュールは、先端技術を示す基準熱処理スケジュールである。 The heat treatment schedule of type “a” or “b” is a reference heat treatment schedule indicating advanced technology.
タイプ「a」の熱処理スケジュールは、所謂等温溶液処理の1つのステップおよび2つのエージングステップを含む。これらのスケジュールでは、サンプルA、B、C、D、FおよびPに対する溶液熱処理は、合金を40から90分間にわたって955から1010℃の一定温度に保持することからなっていた。2つのエージングステップは、8時間にわたって720℃で1回保持した後に、8時間にわたって620℃の保持温度まで50℃/時で制御冷却することからなっていた。 A type “a” heat treatment schedule includes one step of so-called isothermal solution treatment and two aging steps. In these schedules, the solution heat treatment for samples A, B, C, D, F and P consisted of holding the alloy at a constant temperature of 955 to 1010 ° C. for 40 to 90 minutes. The two aging steps consisted of holding at 720 ° C. once for 8 hours and then controlled cooling at 50 ° C./hour to a holding temperature of 620 ° C. over 8 hours.
「直接エージング」として既知のタイプ「b」熱処理スケジュールは、溶液熱処理を含まず、タイプ「a」処理に従う2つのエージングステップのみからなる。サンプルEのみにタイプ「b」スケジュールを施した。 A type “b” heat treatment schedule known as “direct aging” does not include solution heat treatment and consists of only two aging steps according to type “a” treatment. Only sample E was given a type “b” schedule.
タイプ「c」熱処理スケジュールは、本発明に従っており、それぞれ第1のステップおよび第2のステップと呼ばれる2つの所謂溶液熱処理ステップ、ならびにそれぞれ第3のステップおよび第4のステップと呼ばれる1つまたは2つのエージングステップを含む。 The type “c” heat treatment schedule is in accordance with the present invention and includes two so-called solution heat treatment steps, referred to as the first step and the second step, respectively, and one or two, respectively referred to as the third step and the fourth step. Includes an aging step.
サンプルG、H、J、K、MおよびNに関係したこれらのスケジュールでは、第1の溶液熱処理ステップは、合金を約50から60分間にわたって940℃から980℃の一定温度に保持することからなっていた。第2の溶液処理ステップは、合金を約15から40分間にわたって980℃から1005℃の一定温度に保持することからなっていた。第1の温度保持から第2の温度保持への切換を、約2℃/分の速度の制御再加熱によって実施した。第3および第4のエージングステップは、サンプルHおよびJを除いて、タイプ「a」基準スケジュールの対応するエージングステップに従った。 In these schedules relating to samples G, H, J, K, M and N, the first solution heat treatment step consists of holding the alloy at a constant temperature of 940 ° C. to 980 ° C. for about 50 to 60 minutes. It was. The second solution treatment step consisted of holding the alloy at a constant temperature of 980 ° C. to 1005 ° C. for about 15 to 40 minutes. Switching from the first temperature hold to the second temperature hold was performed by controlled reheating at a rate of about 2 ° C./min. The third and fourth aging steps followed the corresponding aging step of type “a” reference schedule, except for samples H and J.
サンプルHに関しては、第3のエージング処理ステップの温度を、他のサンプルに使用される720℃の代わりに750℃にした。この差によって、本発明の範囲が、エージングステップの限定的な温度条件および持続時間に限定されず、対照的にニッケルベースの超合金の分野に使用されるものなどのエージングステップの温度および持続時間に対しても本発明を適用できることを証明することが可能であった。 For sample H, the temperature of the third aging step was 750 ° C. instead of 720 ° C. used for the other samples. Due to this difference, the scope of the present invention is not limited to the limited temperature conditions and duration of the aging step, in contrast to the temperature and duration of the aging step such as those used in the nickel-based superalloy field. It was possible to prove that the present invention can be applied to the above.
サンプルJについては、このサンプルに、10時間にわたる720℃の1つのエージングステップのみを施した。サンプルJに適用されたエージング処理は、合金に単一のエージング処理ステップのみを施す場合にも本発明を適用できることを示している。 For sample J, this sample was only subjected to one aging step at 720 ° C. for 10 hours. The aging treatment applied to sample J shows that the present invention can be applied even when only a single aging treatment step is applied to the alloy.
熱処理のタイプ「d」スケジュールは、2つの溶液熱処理ステップおよび2つのエージングステップを含んでいた。サンプルIおよびLをこれらのスケジュールに従って処理した。しかし、これらの処理は、第2のステップが高すぎる温度で、または長すぎる持続時間にわたって実施されるため本発明に従わない。第2のステップの条件は、実際に、δ相のあまりにも大量の溶解を引き起こし、粒子成長が制御されなくなって、サンプルIおよびLに対する第2のステップを通じて大きな無制御の粒子拡大を招く。 The heat treatment type “d” schedule included two solution heat treatment steps and two aging steps. Samples I and L were processed according to these schedules. However, these treatments are not in accordance with the present invention because the second step is performed at a temperature that is too high or for a duration that is too long. The conditions of the second step actually cause too much dissolution of the δ phase and particle growth becomes uncontrolled, leading to large uncontrolled particle expansion through the second step for samples I and L.
タイプ「e」熱処理スケジュールは、15分間にわたる1005℃の単一溶液熱処理ステップ、および2つのエージングステップを含んでいた。以下に説明するように、本発明の従わないこの熱処理スケジュールによりサンプルOのみが得られた。 The type “e” heat treatment schedule included a single solution heat treatment step at 1005 ° C. for 15 minutes, and two aging steps. As explained below, only Sample O was obtained by this heat treatment schedule not subject to the present invention.
サンプルAからLおよびOは、5.3%のNbおよび40ppmのPを含むタイプ718の合金であった。サンプルNは、5.0%のNbおよび40ppmのPを含むタイプ718の合金であった。サンプルMおよびPは、5.3%のNbおよび80ppmのPを含むタイプ718の合金であった。 Samples A to L and O were type 718 alloys containing 5.3% Nb and 40 ppm P. Sample N was a type 718 alloy containing 5.0% Nb and 40 ppm P. Samples M and P were type 718 alloys containing 5.3% Nb and 80 ppm P.
Table 2(表2)は、異なるサンプルに対する処理条件、ならびに顕微鏡写真で見ることができる表面δ相のASTM粒径および割合の概要を示す。 Table 2 (Table 2) outlines the processing conditions for the different samples and the ASTM particle size and proportion of the surface δ phase that can be seen in the micrographs.
Table 3(表3)は、これらのサンプルのいくつかの主な機械特性、すなわち
−20℃における引張試験時の降伏強度(YS);
−20℃における引張試験時の極限引張強度(UTS);
−正弦サイクルおよび1050MPaの最大応力とともに、10Hzの周波数および0.05の負荷率Rを含む、450℃における疲労試験時の破壊前のサイクル数;
−550MPaの応力下および690MPaの応力下での650℃におけるクリープ試験時の寿命の概要を示す。
Table 3 (Table 3) shows some of the main mechanical properties of these samples: yield strength (YS) during tensile testing at -20 ° C;
Ultimate tensile strength (UTS) during a tensile test at -20 ° C;
The number of cycles before failure during fatigue testing at 450 ° C., including a frequency of 10 Hz and a load factor R of 0.05, with a sine cycle and a maximum stress of 1050 MPa;
The outline | summary of the lifetime at the time of the creep test in 650 degreeC under the stress of -550 Mpa and the stress of 690 Mpa is shown.
粒径は、ASTM規格に従って定められ、粒径が比較的不均一である場合は、最大粒径(ALA)も指定される。 The particle size is determined according to ASTM standards, and if the particle size is relatively non-uniform, the maximum particle size (ALA) is also specified.
したがって、718合金の製品F、K、L、Nは、δ相析出を可能にしない熱機械スケジュールn°1に従って変換された。 Thus, the products 718, F, K, L, N of 718 alloy were converted according to a thermomechanical schedule n ° 1, which does not allow δ phase precipitation.
製品Fは、熱機械処理スケジュールn°1の後に、合金718の標準タイプ「a」熱機械処理(δ相サブソルバスの単一溶液熱処理ステップを含む処理)を使用して処理された基準サンプルである。 Product F is a reference sample that was processed using standard type “a” thermomechanical processing of alloy 718 (processing including a single solution heat treatment step of the δ phase subsolvus) after thermomechanical processing schedule n ° 1. .
製品Lは、2ステップ溶液熱処理で処理されたが、第2のステップがあまりにも高温で、かつあまりにも長い持続時間にわたって実施され、合金718に対する本発明の範囲外であった。 Product L was treated with a two-step solution heat treatment, but the second step was performed at too high a temperature and for a too long duration, and was outside the scope of the invention for alloy 718.
製品KおよびNは、同じニオブ含有量を有さないが、どちらも本発明によるタイプ「c」の熱処理スケジュールが施された。 Products K and N did not have the same niobium content, but both were subjected to a heat treatment schedule of type “c” according to the present invention.
C、EおよびHとして特定される718合金の製品は、δ相の不均一析出を可能にする熱機械スケジュールn°2により変換された。 The product of 718 alloy, identified as C, E and H, was converted by a thermomechanical schedule n ° 2 that allowed heterogeneous precipitation of the δ phase.
製品Cは、熱機械スケジュールn°2の後に、合金718の標準「a」タイプ熱処理(サブソルバス温度の1つの溶液熱処理のみを含む処理)により処理された基準サンプルである。 Product C is a reference sample that has been processed by a standard “a” type heat treatment of alloy 718 (a treatment that includes only one solution heat treatment at a subsolvus temperature) after thermomechanical schedule n ° 2.
製品Eも、熱機械スケジュールn°2の後に、タイプ「b」熱処理スケジュールにより処理されたため、鍛造後にそのままエージングされ、エージング前に溶液熱処理が施されなかった基準サンプルである。 Product E is also a reference sample that was processed according to the type “b” heat treatment schedule after the thermomechanical schedule n ° 2, and thus was aged as it was after forging and was not subjected to solution heat treatment before aging.
製品Hは、本発明の範囲内の2ステップ溶液熱処理を含む本発明による熱処理(タイプ「c」)が施された。 Product H was subjected to a heat treatment (type “c”) according to the present invention including a two-step solution heat treatment within the scope of the present invention.
A、B、D、G、I、J、M、OおよびPとして特定される718合金の製品は、δ相の高度に不均一な析出を可能にする熱機械スケジュールn°3により変換された。 Products of 718 alloy identified as A, B, D, G, I, J, M, O, and P were converted by a thermomechanical schedule n ° 3 that allows highly non-uniform precipitation of the δ phase. .
熱機械処理n°3の後に、製品A、BおよびPは、合金718に対する標準処理(単一サブソルバス溶液熱処理を含むタイプ「a」の処理)により処理された。 After thermomechanical treatment n ° 3, products A, B and P were processed by standard treatment for alloy 718 (type “a” treatment including single subsolvus solution heat treatment).
製品Dは、1つの溶液熱処理ステップのみを含むが、製品A、BおよびPの場合より高い温度、すなわちδ相ソルバスに近い温度の処理により処理された。 Product D included only one solution heat treatment step, but was processed by processing at a higher temperature than products A, B, and P, ie, a temperature close to the δ phase solvus.
熱機械処理後に、製品Iは、その第2のステップの持続時間が、温度に関して長すぎる2ステップ溶液熱処理が施された。したがって、製品Iに適用された熱処理は、本発明の範囲外である。 After thermomechanical treatment, Product I was subjected to a two-step solution heat treatment where the duration of its second step was too long with respect to temperature. Therefore, the heat treatment applied to product I is outside the scope of the present invention.
熱機械処理n°3の後に、製品Gは、本発明の範囲内の2ステップ溶液熱処理(熱処理「c」)により処理された。 After thermomechanical treatment n ° 3, product G was treated by a two-step solution heat treatment (heat treatment “c”) within the scope of the present invention.
製品Jも本発明の範囲内の2ステップ溶液熱処理により処理されたが、第4のステップで処理されなかった。 Product J was also treated by a two-step solution heat treatment within the scope of the present invention, but not in the fourth step.
製品Mは、本発明の範囲内の2ステップ溶液熱処理により処理されたが、製品A〜LおよびN〜Oの2倍の0.008%のリン含有量を有する。 Product M was processed by a two-step solution heat treatment within the scope of the present invention, but has a phosphorus content of 0.008%, twice that of products A-L and N-O.
製品Oは、1ステップ溶液熱処理による「e」熱処理が施された、この処理は、本発明の範囲外である。 Product O was subjected to an “e” heat treatment by a one-step solution heat treatment, which is outside the scope of the present invention.
製品Pは、0.008%のリン含有量を有する基準サンプルである。それは、合金718に対する標準処理スケジュール(サブソルバス温度の1つの溶液熱処理のみを含む「a」タイプの処理)を使用して処理された。 Product P is a reference sample having a phosphorus content of 0.008%. It was processed using the standard processing schedule for alloy 718 (an “a” type process that includes only one solution heat treatment at sub-solvus temperature).
標準サブソルバス熱処理(スケジュールタイプ「a」)により処理された製品A、B、Cは、微粒子微小構造(>9 ASTM)を有するが、好ましくは本発明による所望のδ相分率を超える分率(>4.5%)のδ相を含む。これらの製品について得られた機械特性は、熱機械スケジュール(TTM)2および3で得られた引張特性、疲労特性およびクリープ特性の評価のための基準を構成する。 Products A, B, C treated by standard subsolvus heat treatment (schedule type “a”) have a fine particle microstructure (> 9 ASTM), but preferably a fraction exceeding the desired δ phase fraction according to the invention ( > 4.5%) δ phase. The mechanical properties obtained for these products constitute the basis for the evaluation of the tensile, fatigue and creep properties obtained with thermomechanical schedules (TTM) 2 and 3.
製品Dは、製品A、BおよびCより高い温度で処理され、ASTM 5の粒径の粒子、および好ましくは本発明による所望のδ相より少ない、不均一に分布したδ相(<2.5%)を含む。この処理は、微粒子微小構造(少なくともASTM 7、好ましくは少なくともASTM 8、最も好ましくはASTM 9)も、製品A、Bおよびcに対して見いだされた満足な疲労特性も維持することを可能にしなかったことが確認されている。疲労寿命の著しい低下は、疲労開始領域を形成する大きな粒径のASTM 5粒子の存在に帰することができる。
Product D is processed at a higher temperature than products A, B and C, and has a particle size of
熱機械処理N°2の後にそのままエージングされた製品Eは、非常に不均一な粒径(ASTM 10から14)を有し、δ相の量が大きく変動し、この量は部品の領域の大部分(特にクリープを被りやすい領域)に見いだされ、δ相の所望の分率より大きい。製品Eの引張特性および疲労特性は、製品A、B、Cの当該特性より高いが、製品Eについて得られたクリープ寿命は、製品A、B、Cのクリープ寿命より短いことが確認されている。
Product E, aged as it is after thermomechanical treatment N ° 2, has a very non-uniform particle size (
溶液熱処理が存在しないと、微小構造の均一化が可能でなく、非常に細かい粒子(>12 ASTM)、およびこのクリープ特性の低下の原因である、大きすぎるδ相分率の存在の原因になる。 In the absence of solution heat treatment, the microstructure cannot be homogenized, causing very fine particles (> 12 ASTM) and the presence of too large a δ phase fraction that is responsible for this degradation of creep properties. .
また、製品Eに対する溶液熱処理が存在しないと、鍛造後の残余の加工硬化の維持を可能にし、それは、引張特性にとって有益であるが、低応力部分における耐クリープ性にとって有害である。 Also, the absence of solution heat treatment for product E allows maintenance of residual work hardening after forging, which is beneficial for tensile properties but detrimental to creep resistance in low stress areas.
製品G、H、Mは、本発明の範囲内で処理され、微粒子微小構造(>9 ASTM)、およびδ相分率の所望の範囲、すなわち4%以下で少なくとも2.5%に含まれるδ相分率(2.9%および3.5%)を有する。引張特性は、製品A、B、Cの引張特性より明らかに高く、製品Eの引張特性と同じレベルであることが確認されている。製品G、H、Mのクリープ特性は、製品A、B、C、Eのクリープ特性より明らかに良好であるのに対して、粒径はこれらの製品内で類似していることも確認されている。製品G、H、Mの微粒子微小構造は、製品A、B、C、Eについて得られた疲労特性の維持を可能にし、製品G、H、Mのより小さいδ相分率は、耐クリープ性を向上させる。 Products G, H, M are processed within the scope of the present invention and are included in at least 2.5% of the fine particle microstructure (> 9 ASTM) and the desired range of δ phase fractions, i.e. 4% or less. It has a phase fraction (2.9% and 3.5%). The tensile properties are clearly higher than the tensile properties of products A, B and C, and are confirmed to be at the same level as the tensile properties of product E. The creep characteristics of products G, H and M are clearly better than those of products A, B, C and E, while the particle size is also confirmed to be similar within these products. Yes. The fine-grained microstructure of products G, H, M allows the maintenance of the fatigue properties obtained for products A, B, C, E, and the smaller δ phase fraction of products G, H, M is the creep resistance. To improve.
サンプルBとPを比較すると、基準処理(a)が施された718合金のリン含有量の増加は、耐クリープ性を実質的に向上させないことがわかる。 Comparing samples B and P, it can be seen that an increase in the phosphorus content of the 718 alloy that has undergone the reference treatment (a) does not substantially improve the creep resistance.
意外にも、より高いリン含有量(80ppm)を有する製品Mに対して本発明による処理を適用すると、製品A、B、Cと比較しても、そのリン含有量が製品Mのリン含有量と同等であるが、本発明による処理が施されなかった製品Pと比較しても、4倍までのクリープ寿命の著しい向上が可能であった。 Surprisingly, when the treatment according to the present invention is applied to product M having a higher phosphorus content (80 ppm), the phosphorus content of product M is higher than that of products A, B and C. However, the creep life can be significantly improved up to 4 times as compared with the product P which has not been treated according to the present invention.
したがって、リンの添加と本発明の処理との組合せは、得られる合金のクリープ特性に対して肯定的な相乗効果を有する。 Therefore, the combination of phosphorus addition and the inventive treatment has a positive synergistic effect on the creep properties of the resulting alloy.
本発明は、高温で満足な延性を維持することを可能にする残留δ相分率(好ましくは2.5%より高い)を維持することを目標とする。δ相の含有量が低すぎると、これは、損傷、および高温における引張試験下(10−5s−1の歪み速度で650℃)での延性に影響を及ぼす。そのδ相含有量が2%に近い製品Dは、そのδ相分率が3%に近い製品Gの延性(27%の破断伸度)よりはるかに低い延性(7%の破断伸度)を有することが実際に確認されている。この製品Dの低い延性は、δ相の分率が小さすぎ、不均一に分布していることによって引き起こされる粒間損傷に起因する。 The present invention aims to maintain a residual δ phase fraction (preferably higher than 2.5%) that makes it possible to maintain satisfactory ductility at high temperatures. If the content of the δ phase is too low, this affects the damage and ductility under tensile testing at high temperature (650 ° C. at a strain rate of 10 −5 s −1 ). Product D, whose δ phase content is close to 2%, has a ductility (7% elongation at break) that is much lower than the ductility of product G (27% break elongation), whose δ phase fraction is close to 3%. It is actually confirmed to have. The low ductility of this product D is due to intergranular damage caused by the fraction of the δ phase being too small and unevenly distributed.
次に、微小構造に対する本発明の処理の影響について詳述する。 Next, the influence of the treatment of the present invention on the microstructure will be described in detail.
718合金であり、熱機械スケジュールN°2またはn°3を使用して変換されたサンプルA、B、C、D、E、G、H、I、J、M、OおよびPの調査を行った。 Investigating Samples A, B, C, D, E, G, H, I, J, M, O and P, which are 718 alloy and converted using thermomechanical schedule N ° 2 or n ° 3 It was.
図4から9は、
−熱機械処理後のそれらの初期状態のサンプルA、B、C、D、E、G、H、I、J、M、OおよびP(図4および5)、
−1つの溶液熱処理ステップのみを含む熱処理が施された後のサンプルDおよびO(図6および7)、
−本発明による熱処理が施された後のサンプルG、HおよびM(図8および9)の微小構造を示す顕微鏡写真である。
4 through 9 are
-Samples A, B, C, D, E, G, H, I, J, M, O and P in their initial state after thermomechanical treatment (FIGS. 4 and 5),
Samples D and O after being subjected to a heat treatment comprising only one solution heat treatment step (FIGS. 6 and 7),
-A photomicrograph showing the microstructure of samples G, H and M (Figs. 8 and 9) after being subjected to a heat treatment according to the invention.
図4および5は、サブソルバス熱機械変形(熱機械スケジュール2または3)が施された後のサンプルA、B、C、D、E、G、H、I、J、M、OおよびPの微小構造(冶金状態1)を示す。これは、粒界にデルタ相Ni3Nb−δおよび/またはNi3Ta−δを示すが、それらが粒子間に均一に分布していない微小構造である。 FIGS. 4 and 5 show microscopic samples A, B, C, D, E, G, H, I, J, M, O, and P after sub-solvus thermomechanical deformation (thermomechanical schedule 2 or 3). The structure (metallurgical state 1) is shown. This is a microstructure that exhibits delta phase Ni 3 Nb-δ and / or Ni 3 Ta-δ at grain boundaries, but they are not evenly distributed among the grains.
図4は、サンプルがASTM約11の粒径の微粒子を有し、δ相が不均一に分布している(粒界における暗影)ことを示す。熱機械変形スケジュール後、δ相の割合は2.8から6%になり、粒径は、ASTM 10から13になる。これは、これらの2つの観点から非常に不均一な微小構造を与える。
FIG. 4 shows that the sample has fine particles with a particle size of ASTM about 11, and the δ phase is unevenly distributed (dark shadows at grain boundaries). After the thermomechanical deformation schedule, the proportion of δ phase will be 2.8 to 6% and the particle size will be
図5は、より大きく拡大したサンプルの微小構造を示し、その粒界がδ相をほぼ完全に欠いた粒子を示す(この相は、この顕微鏡写真では白色で示されている)。 FIG. 5 shows the larger microstructure of the sample, showing particles whose grain boundaries are almost completely devoid of the δ phase (this phase is shown in white in the micrograph).
約60分間にわたる970℃の1つの溶液熱処理ステップのみを含む処理がサンプル(サンプルB)に適用されると、得られるδ相の割合は4.7から5.5%になり、粒径がASTM 11から12になる。したがって、サンプルの均一性は向上するが、耐クリープ性にとって大いに不利であることが知られている(Table 1(表1)およびTable 2(表2)、サンプルB参照)大きなδ相の分率が維持される。 When a treatment involving only one solution heat treatment step at 970 ° C. for about 60 minutes is applied to the sample (Sample B), the resulting δ phase percentage is 4.7 to 5.5% and the particle size is ASTM From 11 to 12. Thus, the uniformity of the sample is improved, but is known to be highly detrimental to creep resistance (Table 1 (Table 1) and Table 2 (Table 2), sample B)) a large δ phase fraction Is maintained.
サンプル(例えばTable 1(表1)のサンプルO参照)に適用される熱処理が、本発明の「第2のステップ」に対応する、約15分間にわたる1005℃の1つの溶液熱処理ステップのみを含む処理である場合は、得られるδ相の割合(図6および7参照)は1.1から3.5%になり、粒径はASTM 5から9になる。したがって、δ相の量が減少し、それは耐クリープ性にとって好ましい方向であるが、粒径の不均一な分布が観察される。これは、初期微小構造から受け継がれたδ相の不均一な分布に起因するこのステップを通じての不均一な粒子成長によって説明され得る。
A process in which the heat treatment applied to the sample (eg, sample O in Table 1 (Table 1)) includes only one solution heat treatment step at 1005 ° C. for about 15 minutes, corresponding to the “second step” of the present invention. The ratio of the obtained δ phase (see FIGS. 6 and 7) is 1.1 to 3.5% and the particle size is
実際、既に説明したように、初期微小構造は、サブソルバス変形から生じ(状態1)、初期微小構造におけるδ相の分布は不均一である。その結果、いくつかの粒子は、初期構造における粒界に大量のδ相を含み得るのに対して、他の粒子は、粒界にδ相をほとんどまたは全く有さないのみである(図5参照)。 In fact, as already explained, the initial microstructure arises from subsolvus deformation (state 1), and the distribution of the δ phase in the initial microstructure is non-uniform. As a result, some particles may contain a large amount of δ phase at the grain boundaries in the initial structure, whereas other particles have little or no δ phase at the grain boundaries (FIG. 5). reference).
本発明による第1のステップの温度の中間的な温度保持を介さずに、第2のステップの温度でそのまま熱処理を実施することによって、δ相で囲まれていない粒子、または粒界にδ相をほとんど有さない粒子は、ASTM約5から6を超え得る粒径まで制御不能に拡大するのに対して、δ相によって囲まれた他の粒子の成長が妨げられ、ASTM 9に近い粒径をもたらすことになる。粒径の不均一性を図6および7の顕微鏡写真に明確に見ることができる。ASTM 5〜6の粒子の存在は、大いに局在化した存在であっても疲労寿命を著しく低下させる。 By performing the heat treatment as it is at the temperature of the second step without the intermediate temperature holding of the temperature of the first step according to the present invention, the particles not surrounded by the δ phase, or the δ phase at the grain boundary Particles that have little or no particle expand uncontrollably to a particle size that can exceed ASTM about 5 to 6, whereas other particles surrounded by the δ phase are prevented from growing and have a particle size close to ASTM 9 Will bring. Particle size non-uniformity can be clearly seen in the micrographs of FIGS. The presence of ASTM 5-6 particles significantly reduces the fatigue life, even if they are highly localized.
他方で、いくつかのサンプル(サンプルG、HおよびM)に本発明による熱処理が施される場合、すなわち、60分間にわたる980℃の第1のステップが施され、その直後に15分間にわたる1005℃の第2の温度保持まで2℃/分の勾配で加熱される場合は、ASTM 10から12の粒径で2.9から3.5%のδ相が得られる。
On the other hand, if several samples (samples G, H and M) are subjected to the heat treatment according to the invention, ie a first step of 980 ° C. over 60 minutes is followed immediately by 1005 ° C. over 15 minutes. When heated to a second temperature hold of 2 ° C./min, a δ phase of 2.9 to 3.5% with a particle size of
図8および9の顕微鏡写真は、サンプルの初期状態と比較して、
−粒径がより均一で非常に細かく維持され;
−ここではδ相が粒界に規則的に分布され、その成長が効率的に防止されることを示している。
The micrographs in FIGS. 8 and 9 are compared to the initial state of the sample,
The particle size is kept more uniform and very fine;
-It shows here that the δ phase is regularly distributed at the grain boundaries and its growth is efficiently prevented.
NbおよびTa原子を溶解した形で使用可能にするδ相析出物の小規模な形成、粒径の低減、粒界におけるδ相の均一な分布、および十分に調整されたこのδ相の存在量により、耐クリープ性および引張強度が向上する。それは、特に、
−大きな粒子における早発的な亀裂開始を回避し、炭化ニオブにおける亀裂開始を優先させる強い疲労特性;
−より大きな分率の硬化相によって生成されるより広範な硬化による降伏強度の向上;
−十分なリン含有量を有する合金(サンプルM)の耐クリープ性の明確な、さらには著しい向上である本発明の目的を達成することを可能にするδ相の制御溶解に関連する細かい粒径である。
Small-scale formation of δ-phase precipitates that enable use of dissolved Nb and Ta atoms, reduction in particle size, uniform distribution of δ-phase at grain boundaries, and well-adjusted abundance of this δ-phase As a result, creep resistance and tensile strength are improved. Especially,
-Strong fatigue properties that avoid premature crack initiation in large particles and prioritize crack initiation in niobium carbide;
-Improvement in yield strength by broader hardening produced by a larger fraction of the hardening phase;
The fine particle size associated with controlled dissolution of the δ phase which makes it possible to achieve the object of the invention, which is a clear and even a significant improvement in the creep resistance of an alloy with sufficient phosphorus content (sample M) It is.
本発明により合金を処理すると、先行技術において通常の仕上げ操作を進めて最終部品を得ることができる。 When the alloy is processed according to the present invention, the final part can be obtained by proceeding with normal finishing operations in the prior art.
加えて、発明者らは、タイプ718Plusおよび725の合金のサンプルに対する追加的な試験を実施し、本発明が、2.5%を超えるニオブおよび/またはタンタル含有量を有する他のニッケルベースの超合金に適用されると、それらの耐クリープ性および引張強度の顕著な向上を可能にすることを確認することができた。 In addition, the inventors have performed additional tests on samples of type 718Plus and 725 alloys, and the present invention shows that other nickel-based super alloys having niobium and / or tantalum content greater than 2.5%. It could be confirmed that when applied to alloys, it allowed a significant improvement in their creep resistance and tensile strength.
仏国特許出願第2089069号に記載されているような第1の選択肢によれば、Ni3Nb−δ相を粒界に析出させる熱機械処理を実施した後に、Ni 3 Nb−δ相の溶解温度未満の温度で合金の再結晶処理を実施し、粒界に析出したNi3Nb−δ相を再結晶時に使用して粒子成長を防止することが選択された。この方法を用いると、ASTM10以上の非常に細かい粒径の再結晶構造を得ることが可能である。それらの疲労特性は向上するが、それらの耐クリープ性は不十分である。実際、斜方構造を有するNi3Nb−δ相の存在は、それがニオブを固定することにより、準安定あり、中心平方構造を有するNi3Nb−γ”硬化相の形成を制限するため好ましくないことが知られている。Ni3Nb−γ”硬化相は、結晶格子内の転位を緩慢化せせることによって、耐クリープ性を向上させる。
According to a first option, as described in French Patent Application No. 2089069, after performing the thermomechanical treatment to precipitate Ni 3 Nb-δ phase at the grain boundaries, the dissolution of Ni 3 Nb-δ phase It was chosen to recrystallize the alloy at a temperature below the temperature and use the Ni 3 Nb-δ phase precipitated at the grain boundaries during recrystallization to prevent grain growth. When this method is used, it is possible to obtain a recrystallized structure having a very fine grain size of
同様に、Ni 3 Ta−δ相の存在は、それがタンタルを固定することにより、Ni3Ta−γ”硬化相の形成を制限するため好ましくないことも知られている。
Similarly, the presence of the Ni 3 Ta-δ phase is also known to be undesirable because it limits the formation of the Ni 3 Ta-γ "hardened phase by fixing tantalum.
意外にも、発明者らは、実際に、2から4%、最適には2.5から3.5%のδ相の存在が、物質を弱化させることなく物質の特性を向上させることを明らかにすることができた。 Surprisingly, the inventors have shown that the presence of a δ phase in practice of 2 to 4%, optimally 2.5 to 3.5%, improves the properties of a material without weakening the material. I was able to .
Claims (24)
−前記超合金が、重量百分率で少なくとも2.5%の合計量のNbおよびTaを含み;
−*前記合金を少なくとも20分間にわたって850から1000℃に保持して、δ相を粒界に析出させる第1のステップと、
*前記合金を第1のステップの温度より高い温度に保持し、第1のステップで得られたδ相を部分的に溶解させる第2のステップと、
*第1のステップの温度より低い温度で実施され、γ’および/またはγ”硬化相を析出させる第3のステップおよび場合により1つまたは複数の追加的ステップを含むエージング処理と、に分配される複数のステップを含む熱処理を前記合金に適用することを特徴とする方法。 A method for producing a blank of a Ni-based superalloy component comprising at least 50% Ni by weight, comprising preparing the superalloy alloy and performing a heat treatment of the alloy, comprising:
The superalloy comprises a total amount of Nb and Ta of at least 2.5% by weight;
-* Holding the alloy at 850-1000 ° C for at least 20 minutes to precipitate the δ phase at the grain boundaries;
A second step in which the alloy is maintained at a temperature higher than the temperature of the first step and the δ phase obtained in the first step is partially dissolved;
An aging process carried out at a temperature lower than that of the first step and comprising a third step and optionally one or more additional steps to precipitate the γ ′ and / or γ ″ curing phase. Applying a heat treatment comprising a plurality of steps to the alloy.
50から55%のニッケル、
17から21%のクロム
0.08%未満の炭素、
0.35%未満のマンガン、
0.35%未満のケイ素、
1%未満のコバルト、
2.8から3.3%のモリブデン、
ニオブとタンタルの合計が4.75%から5.5%になり、Taが0.2%未満であるニオブ元素およびタンタル元素の少なくとも1つ、
0.65から1.15%のチタン、
0.20から0.80%のアルミニウム、
0.006%未満のホウ素、
0.015%未満のリン、
残りの百分率の鉄、および処理に起因する不純物を含むことを特徴とする請求項1から9の何れか一項に記載の方法。 The alloy is in weight percent
50 to 55% nickel,
17 to 21% chromium less than 0.08% carbon,
Less than 0.35% manganese,
Less than 0.35% silicon,
Less than 1% cobalt,
2.8 to 3.3% molybdenum,
At least one of the niobium element and the tantalum element in which the sum of niobium and tantalum is 4.75% to 5.5% and Ta is less than 0.2%;
0.65 to 1.15% titanium,
0.20 to 0.80% aluminum,
Less than 0.006% boron,
Less than 0.015% phosphorus,
10. A method according to any one of the preceding claims, comprising a remaining percentage of iron and impurities resulting from processing.
55から61%のニッケル、
19から22.5%のクロム、
7から9.5%のモリブデン、
ニオブとタンタルの合計が2.75から4%になり、Taが0.2%未満であるニオブ元素およびタンタル元素の少なくとも1つ、
1から1.7%のチタン、
0.55%未満のアルミニウム、
0.5%未満のコバルト、
0.03%未満の炭素、
0.35%未満のマンガン、
0.2%未満のケイ素、
0.006%未満のホウ素、
0.015%未満のリン、
0.01%未満の硫黄、
残りの百分率の鉄、および処理に起因する不純物を含むことを特徴とする請求項1から9の何れか一項に記載の方法。 The alloy is in weight percent
55 to 61% nickel,
19 to 22.5% chromium,
7 to 9.5% molybdenum,
At least one of the niobium and tantalum elements, the sum of niobium and tantalum being 2.75 to 4%, and Ta being less than 0.2%;
1 to 1.7% titanium,
Less than 0.55% aluminum,
Less than 0.5% cobalt,
Less than 0.03% carbon,
Less than 0.35% manganese,
Less than 0.2% silicon,
Less than 0.006% boron,
Less than 0.015% phosphorus,
Less than 0.01% sulfur,
10. A method according to any one of the preceding claims, comprising a remaining percentage of iron and impurities resulting from processing.
12から20%のクロム、
2から4%のモリブデン、
ニオブとタンタルの合計が5から7%になり、Taが0.2%未満であるニオブ元素およびタンタル元素の少なくとも1つ、
1から2%のタングステン、
5から10%のコバルト、
0.4から1.4%のチタン、
0.6から2.6%のアルミニウム、
6から14%の鉄、
0.1%未満の炭素、
0.015%未満のホウ素、
0.03%未満のリン、
残りの百分率のニッケル、および処理に起因する不純物を含むことを特徴とする請求項1から9の何れか一項に記載の方法。 The alloy is in weight percent
12-20% chromium,
2 to 4% molybdenum,
At least one of niobium and tantalum elements, the sum of niobium and tantalum being 5 to 7%, and Ta being less than 0.2%;
1 to 2% tungsten,
5-10% cobalt,
0.4 to 1.4% titanium,
0.6 to 2.6% aluminum,
6-14% iron,
Less than 0.1% carbon,
Less than 0.015% boron,
Less than 0.03% phosphorus,
10. A method according to any one of the preceding claims, comprising a remaining percentage of nickel and impurities resulting from processing.
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20140908 |