TWI650429B

TWI650429B - 鎳基合金及其製造方法

Info

Publication number: TWI650429B
Application number: TW107131767A
Authority: TW
Inventors: 郭世明; 李名言; 賴建霖
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2018-09-10
Filing date: 2018-09-10
Publication date: 2019-02-11
Also published as: TW202010850A

Abstract

一種鎳基合金及其製造方法，該鎳基合金包含：15至75重量份之間的鎳；5至65重量份之間的鐵；10至30重量份之間的鉻；以及0.1至0.7重量份之間的鈮。本發明係通過加入鈮至鎳基合金中，以便避免η相的形成，進而提升該鎳基合金的抗潛變能力。

Description

鎳基合金及其製造方法

本發明係關於一種合金及其製造方法，特別是關於一種鎳基合金及其製造方法。

常見的鎳基合金(例如：Alloy 718、A-286以及X-750等)，因為添加較大量的鎳元素，故主要為面心立方(Face-Centered Cubic；FCC)的沃斯田鐵相結構，常使用於高溫機械性質的場合，例如：發動機組件、連鑄機電磁攪拌設備、高溫軸承、加熱爐外罩或石化廠之管線等。

然而，現有的鎳基合金在經過長時間高溫環境使用時，在鎳基合金中所存在的γ'相(Ni₃(Al,Ti)；FCC結構)會轉變為η相(Ni₃Ti；六方最密堆積(hexagonal close-packed；HCP)結構)。η相為一種脆性相，因此當η相形成在鎳基合金的晶界處時，η相會降低晶界之間的結合力，進而使機械性質劣化，故降低了材料於高溫環境下的抗潛變能力。

故，有必要提供一種鎳基合金及其製造方法，以解決習用技術所存在的問題。

本發明之一目的在於提供一種鎳基合金及其製造方法，其係利用加入特定組成的金屬(例如鈮)，以便避免η相的形成，進而提升鎳基合金的抗潛變能力。

為達上述之目的，本發明提供一種鎳基合金，其包含：15至75重量份之間的鎳；5至65重量份之間的鐵；10至30重量份之間的鉻；以及0.1至0.7重量份之間的鈮。

在本發明之一實施例中，該鈮係介於0.3至0.7重量份之間。

在本發明之一實施例中，該鎳基合金更包含：大於零且小於或等於0.2重量份的碳；大於零且小於或等於6重量份的鈦；大於零且小於或等於16重量份的鋁；大於零且小於或等於12重量份的鉬；大於零且小於或等於12重量份的鎢；大於零且小於或等於20重量份的鈷；以及大於零且小於或等於12重量份的鉭。

在本發明之一實施例中，該鎳基合金不具有η相。

為達上述之目的，本發明提供一種鎳基合金的製造方法，包含步驟：提供一合金鑄胚，該合金鑄胚包含：15至75重量份之間的鎳；5至65重量份之間的鐵；10至30重量份之間的鉻；及0.1至0.7重量份之間的鈮；以及對該合金鑄胚進行一熱處理步驟以形成該鎳基合金，其中該熱處理步驟的一熱處理溫度係介於750至950℃之間以及一熱處理時間係介於2至15小時之間。

在本發明之一實施例中，該鈮係介於0.3至0.7重量份之間。

在本發明之一實施例中，該合金鑄胚更包含：大於零且小於或等於0.2重量份的碳；大於零且小於或等於6重量份的鈦；大於零且小於或等於16重量份的鋁；大於零且小於或等於12重量份的鉬；大於零且小於或等於12重量份的鎢；大於零且小於或等於20重量份的鈷；以及大於零且小於或等於12重量份的鉭。

在本發明之一實施例中，該鎳基合金不具有η相。

在本發明之一實施例中，該合金鑄胚係以一熔煉步驟製成，其中該熔煉步驟係包含一燃料加熱爐熔煉法、一非真空電弧爐(Electric Arc Furnace；EAF)熔煉法或一真空感應爐(Vacuum Induction Furnace；VIF)熔煉法。

在本發明之一實施例中，於在該熔煉步驟後，更進行一精煉步驟以形成該合金鑄胚，該精煉步驟包含一氬氣吹氧脫碳法(Argon Oxygen Decarburization；AOD)、一真空吹氧脫碳法(Vacuum Oxygen Decarburization；VOD)、一電渣重熔法(Elctroslag Remelting；ESR)或一真空電弧重熔法(Vacuum Arc Remelting；VAR)。

10‧‧‧方法

11~12‧‧‧步驟

第1圖：本發明實施例之鎳基合金的製造方法的流程方塊圖。

第2A及2B圖：實施例1及比較例1的電子顯微鏡分析影像。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

本發明一實施例之鎳基合金包含：15至75重量份之間的鎳；5至65重量份之間的鐵；10至30重量份之間的鉻；以及0.1至0.7重量份之間的鈮。要提到的是，本發明實施例之鎳基合金是通過加入鈮成份，進而使鎳基合金不具有η相，進而提升該鎳基合金的抗潛變能力。在一實施例中，本發明實施例之鎳基合金是通過加入特定範圍(0.1至0.7重量份)的鈮成份，以提升該鎳基合金的抗潛變能力。

如上所述，若是鎳基合金中所存在的γ'相轉變為η相時，由於η相本身為脆性相，因此當η相形成在晶界上時，會導致機械性質的劣化。另一方面，γ'相轉變為η相時的相變化通常是在高溫環境下生成，所以η相是否生成對於潛變性質影響較大。在本發明實施例的鎳基合金，由於鈮成份的存在，因此可在高溫環境下避免γ'相轉變為η相，故該鎳基合金不具有η相，進而提升鎳基合金的抗潛變能力。

在一範例中，例如通過應力破斷測試來進行分析，在測試應力為385MPa及測試溫度為650℃的測試條件下，該鎳基合金若包含有0.1至0.7重量份的鈮，其潛變壽命為221至458小時。另一方面，相較於未加入鈮成份的鎳基合金，其潛變壽命僅有206小時，因此本發明實施例之鎳基合金確實可通過加入鈮以提升抗潛變能力。在一實施例中，該鎳基合金的鈮為0.3至0.7重量份，具有較明顯的抗潛變壽命的提升，例如0.3重量份為308小時，0.5重量份為387小時，以及0.7重量份為458小時。

在一實施例中，該鎳基合金更包含：大於零且小於或等於0.2重量份的碳；大於零且小於或等於6重量份的鈦；大於零且小於或等於16重量份的鋁；大於零且小於或等於12重量份的鉬；大於零且小於或等於12重量份的鎢；大於零且小於或等於20重量份的鈷；以及大於零且小於或等於12重量份的鉭。這邊要提到的是，這些成份可能是來自於製作鎳基合金的原料本身所含成份，而不具特定效果；或者這些成份也可對該鎳基合金本身的機械性質產生輔助效果，例如鈦成份可與碳成份形成析出物，其中析出物可有效牽制晶界的移動、抑制晶粒的快速成長，故可使所製得之鎳基合金具有適當的平均晶粒粒徑，可使鎳基合金的機械性質提升。

請參照第1圖，本發明另一實施例之鎳基合金的製造方法10主要包含下列步驟11至12：提供一合金鑄胚，該合金鑄胚包含：15至75重量份之間的鎳；5至65重量份之間的鐵；10至30重量份之間的鉻；及0.1至0.7重量份之間的鈮(步驟11)；以及對該合金鑄胚進行一熱處理步驟以形成該鎳基合金，其中該熱處理步驟的一熱處理溫度係介於750至950℃之間以及一熱處理時間係介於2至15小時之間(步驟12)。本發明將於下文利用詳細說明實施例之上述各步驟的實施細節及其原理。

本發明一實施例之鎳基合金的製造方法10首先係步驟11：提供一合金鑄胚，該合金鑄胚包含：15至75重量份之間的鎳；5至65重量份之間的鐵；10至30重量份之間的鉻；及0.1至0.7重量份之間的鈮。在本步驟11中，該合金鑄胚例如可通過係以一熔煉步驟製成，其中該熔煉步驟係包含一燃料加熱爐熔煉法、一非真空電弧爐熔煉法或一真空感應爐熔煉法。在一實施例中，在該熔煉步驟後，更進行一精煉步驟以形成該合金鑄胚，該精煉步驟包含一氬氣吹氧脫碳法、一真空吹氧脫碳法、一電渣重熔法或一真空電弧重熔法。在一實施例中，該鈮係介於0.3至0.7重量份之間。

在一實施例中，該合金鑄胚更包含：大於零且小於或等於0.2重量份的碳；大於零且小於或等於6重量份的鈦；大於零且小於或等於16重量份的鋁；大於零且小於或等於12重量份的鉬；大於零且小於或等於12重量份的鎢；大於零且小於或等於20重量份的鈷；以及大於零且小於或等於12重量份的鉭。這邊要提到的是，這些成份可能是來自於製作鎳基合金的原料本身所含成份，而不具特定效果；或者這些成份也可對該鎳基合金本身的機械性質產生輔助效果。詳細說明已經在上面段落描述，故不再重覆說明。

本發明一實施例之鎳基合金的製造方法10最後係步驟12：對該合金鑄胚進行一熱處理步驟以形成該鎳基合金，其中該熱處理步驟的一熱處理溫度係介於750至950℃之間以及一熱處理時間係介於2至15小時之間。在本步驟12中，該熱處理溫度例如係770℃、790℃、810℃、830℃、850℃、870℃、890℃、910℃或930℃。在一實施例中，該熱處理時間例如係4小時、6小時、8小時、10小時、12小時或14小時。

這邊要提到的是，本發明實施例之鎳基合金的製造方法10至少是通過加入特定成份範圍(0.1至0.7重量份)的鈮，以使所製得的鎳基合金避免η相的形成(即不具有η相)，進而提升鎳基合金的抗潛變能力，詳細的理由已經在上面段落描述，故不再重覆描述。另一方面，若是鈮的重量份小於0.1，則無法有效提升抗潛變的效果(例如抗潛變壽命仍約為206小時左右)；若是鈮的重量份大於0.7，則抗潛變的效果提升有限(例如抗潛變壽命仍約為458小時左右)。

另外要提到的是，本發明實施例之鎳基合金的製造方法10至少是通過加入特定成份範圍(0.1至0.7重量份)的鈮，以及通過特定參數的熱處理步驟，以使所製得的鎳基合金避免η相的形成(即不具有η相)，進而提升鎳基合金的抗潛變能力。

以下舉出實施例與比較例，以證明本發明實施例之鎳基合金或是本發明實施例之鎳基合金的製造方法所製得的鎳基合金確實具有提升鎳基合金的抗潛變能力。

實施例1

首先提供合金鑄胚，該合金鑄胚的成份及比例如下表一所述。接著，對該合金鑄胚進行一熱處理步驟以形成鎳基合金，其中該熱處理步驟的一熱處理溫度係約為800℃以及一熱處理時間係約為15小時。

實施例2至4及比較例1

實施例2至4及比較例1的製作方式大致上相似於實施例1，唯其不同之處在於鈮的添加量。

之後，對實施例1至4及比較例1進行晶粒組織的分析比對。請參照第2A及2B圖，其分別是實施例1及比較例1的電子顯微鏡分析影像，其中第2A及2B圖的放大倍率皆為1000倍)。這邊要提到的是，由於實施例1至4經過晶粒組織分析後皆無η相的生成，所以此處僅以實施例1的顯微鏡分析影像作為所有實施例1至4的代表。從第2A圖可知，並未看到任何η相的生成。反之，從第2B圖可看到η相生成於晶粒組織各處。由此可見，加入鈮確實可避免η相的生成。值得一提的是，γ'相為奈米相，因此無法在一般的電子顯微鏡分析影像中觀察到。

接著，對實施例1至4及比較例1進行抗潛變能力的分析比對，其中是通過市售的應力破斷測試儀器來進行分析，主要是在測試應力為385MPa及測試溫度為650℃的測試條件下，獲得實施例1至4及比較例1的潛變壽命。經過分析後所得之實驗數據中，實施例1的潛變壽命為221小時、實施例2的潛變壽命為308小時、實施例3的潛變壽命為387小時，以及實施例4的潛變壽命為458小時；而比較例1的潛變壽命為206小時。由上可知，通過加入鈮，確實可提升鎳基合金的抗潛變能力。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種鎳基合金，其包含：15至75重量份之間的鎳；5至65重量份之間的鐵；10至30重量份之間的鉻；以及0.1至0.7重量份之間的鈮，其中該鎳基合金不具有η相。
如申請專利範圍第1項所述之鎳基合金，其中該鈮係介於0.3至0.7重量份之間。
如申請專利範圍第1項所述之鎳基合金，更包含：大於零且小於或等於0.2重量份的碳；大於零且小於或等於6重量份的鈦；大於零且小於或等於16重量份的鋁；大於零且小於或等於12重量份的鉬；大於零且小於或等於12重量份的鎢；大於零且小於或等於20重量份的鈷；以及大於零且小於或等於12重量份的鉭。
一種鎳基合金的製造方法，包含步驟：提供一合金鑄胚，該合金鑄胚包含：15至75重量份之間的鎳；5至65重量份之間的鐵；10至30重量份之間的鉻；及0.1至0.7重量份之間的鈮；以及對該合金鑄胚進行一熱處理步驟以形成該鎳基合金，其中該熱處理步驟的一熱處理溫度係介於750至950℃之間以及一熱處理時間係介於2至15小時之間，其中該鎳基合金不具有η相。
如申請專利範圍第4項所述之鎳基合金的製造方法，其中該鈮係介於0.3至0.7重量份之間。
如申請專利範圍第4項所述之鎳基合金的製造方法，其中該合金鑄胚更包含：大於零且小於或等於0.2重量份的碳；大於零且小於或等於6重量份的鈦；大於零且小於或等於16重量份的鋁；大於零且小於或等於12重量份的鉬；大於零且小於或等於12重量份的鎢；大於零且小於或等於20重量份的鈷；以及大於零且小於或等於12重量份的鉭。
如申請專利範圍第4項所述之鎳基合金的製造方法，其中該合金鑄胚係以一熔煉步驟製成，其中該熔煉步驟係包含一燃料加熱爐熔煉法、一非真空電弧爐熔煉法或一真空感應爐熔煉法。
如申請專利範圍第7項所述之鎳基合金的製造方法，其中於在該熔煉步驟後，更進行一精煉步驟以形成該合金鑄胚，該精煉步驟包含一氬氣吹氧脫碳法、一真空吹氧脫碳法、一電渣重熔法或一真空電弧重熔法。