镍基合金及方法技术

一种提高高温合金抗蠕变性，疲劳特性和应力断裂寿命的方法，以及由此得到的合金。该方法包括将合金调整为含（以重量计）０．０１２－０．０５％Ｐ，不超过０．１％Ｃ，和不超过０．０３％Ｂ。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及镍基高温合金的改良，尤其涉及可提高此类合金在特定的预选温度下的抗蠕变性的组成和方法。镍基高温合金的实例是合金718，此合金具有一种按照汽车工程协会和航空、航天材料标准(Society of Automative Engineering andAerospase Material Specification)AMS 5662E的组成标准，其为50-55wt％Ni，17-21wt％Cr，4.75-5.50wt％Nb+Ta，2.8-3.3wt％Mo，0.65-1.15wt％Ti，0.2-0.8wt％Al，0.35wt％Mn(最大含量)，0.08wt％C(最大含量)，0.015wt％S(最大含量)，0.015wt％P(最大含量)，0.015wt％Si(最大含量)，1.00wt％Co(最大含量)，0.006wt％B(最大含量)，0.30wt％Cu(最大含量)，其余为Fe。此合金的名义组成为53wt％Ni，18.0wt％Cr，18.5wt％Fe，5.2wt％Nb(和Ta)，3.0wt％Mo，1.00wt％Ti，0.50wt％Al，0.04wt％C，和0.004wt％B以及含量在0.005-0.009wt％或50-90ppm范围内的P。该合金是一种沉淀硬化镍基合金，在-423°F～+1300°F的温度范围内该合金均具有极高的强度、延展性和韧性。该种合金通常以铸造和锻造的形式提供，其典型的最终应用零件诸如刀片、凸轮盘、机壳和紧固件，在温度高达1300°F(705℃)时表现出很高的抗蠕变变形能力，并在温度高达1800°F(908℃)时，表现出很高的抗氧化能力。尤其是那些被成形或焊接然后沉淀硬化使之达到所要求的性能的零件更是如此。这些性能以及抗氧化性，良好的可焊接性和可成形性是该种合金在航空、航天、原子能及工业应用中有广泛用途的原因。众所周知，如在美国专利第3,660,177号中，合金的抗疲劳性能可以通过调整加工工艺，促进超细晶粒度的形成而大大提高。不幸的是，超细晶粒度的形成以及它对疲劳性能的有利影响却伴随着一种有害的在预选测试温度下应力断裂性能的降低或抗蠕变性能的降低。因此需要提供一种改良的或新的合金，它可表现出更好的应力断裂性能和抗蠕变性能，同时维持一个不变的超细晶粒度，因而抗疲劳性能与传统的718合金相当。因此，本专利技术的一个目的是提供一种物质的组成和方法，它使镍基合金的抗蠕变性能大大提高并可维持一个不变的超细晶粒度和不变的其它所需性能，如抗疲劳性能。附图说明图1为具备有名义合金组成的合金718经标准热处理，在1200℃和100ksi载荷下测得的合金中磷含量的变化对应力断裂寿命的影响图示，图中交叉阴影为名义磷组成含量范围。图2为一系列曲线，表明在温度为1200°下测得的，C的重量百分比一定的情况下，含不同重量百分比P的条件下，不同重量百分比的B对应力断裂寿命的影响。图3为一系列曲线，表明在1200°F下和100ksi载荷下测得的，C的重量百分比一定的情况下，含不同重量百分比的B的条件下，变化的P的重量百分比对应力断裂寿命的影响。图4为在1200°F下和100ksi载荷下测得的，具有一个预定C含量的镍基合金718中P和B的含量变化对应力断裂寿命的影响的3轴图示。图5为在指定测试条件下，在具有固定的P和C浓度的合金718中，变化的B含量对应力断裂寿命的影响图。图6为传统的718合金以及根据本专利技术的合金的抗疲劳数据图。通过合金组成中预定含量的P和B的协同效应提高了镍金合金，特别是细晶粒镍基合金的应力断裂寿命，尤其是在那些含预定的、优选低C含量的合金中。过去在镍基合金中有意地加入B元素或与Zr一起加入B元素，是为了提高应力断裂性能和蠕变性能。另一方面，磷被认为是一种“杂质”元素，即它不是有意加入的，而且作为一种杂质由各种用于制造镍基合金的原材料带入，通常认为如果允许磷的含量超过一个极低的限度将对合金性能有害。大多数镍基合金的工业标准均设定一个磷含量的很低的最大极限。例如，AMS 5562E标准，限定P含量最大为0.015％。然而现已发现，有目的的添加P，甚至使其含量超过名义工业标准极限，能够惊人地提高某些镍基高温合金的应力断裂性能，其提高幅度可高达约10倍或1000％。现已进一步发现镍基合金中特定数量的P、B和C以一种协同的方式共同起作用，当三种元素均为特定的、控制的含量时，甚至能够获得应力断裂性能的更大提高，获得这些结果的值大于每一种元素单独添加预期结果之和。这种协同效应是在维持其它所需性能，如抗拉强度和抗疲劳性能不变的同时完成的。根据本文描述的本专利技术，P和B对高温合金应力断裂或蠕变变形的所期望的影响，可以从下述讨论中得到最好的理解。在大多数应用中镍基高温合金，特别是本文描述的合金蠕变变形的控制机制为位错蠕变，该种蠕变可发生在晶界和晶粒内部。在镍基合金中的磷和硼具有一种很强的向晶界偏析的趋势并且也以溶质原子或化合物(磷化物或硼化物)的形式存留在晶粒内部，尤其是当晶界被P和B大量占据时。通常P和B为获得晶界有效位置而彼此竞争，并且P在这方面的竞争中具有向晶界偏析的更强的趋势。如本文描述的，在较低的测试温度下，穿晶位错蠕变占优势。存留在晶粒内部的P和B可通过几种可能的机制与位错发生相互作用，从而延缓蠕变变形，并且可观测到P和B对于位错蠕变的强烈的协同效应，这在下文中将更详细描述。但是，偏析到晶界的磷和硼将对延缓穿晶位错蠕变无任何重要作用。这可以解释在含磷量极低的合金中低的硼含量可观测到影响的不足，即由于来自磷的位置竞争的不足使得B优先地偏析到晶界。上述的协同效应以及在镍基合金中P、B和C不同含量对提高应力断裂性能而未对疲劳寿命有有害影响的作用在本文下面描述的一组有系统的系列对照测试结果中表现出来。许多测试合金是通过常用的生产方法制备的。50磅的一次熔炼量经真空感应熔化和真空电弧熔化，而后经均化处理，将所有铸锭轧制为直径为0.625英寸棒材并经1750°F/1小时/AC+1325°F/8小时/FC的标准溶解+时效处理。在不同的熔炼量中P、B和C的含量不同，但是他们所有的化学及处理条件是保持不变的。磷的影响在一个很大的范围内仅变化磷的含量，例如其含量远远超过大多数标准，对名义718合金机械性能的影响见表1和图1。测试证明将磷含量增加到大大高于多数标准的最大允许含量，当然远远高于现在的工业实践，大幅度地提高了合金718的应力断裂性能。与磷含量为标准工业718规定的典型量时的合金相比，当含P量为大于所研究磷含量最大范围的2.5倍，即0.022％时，我们发现断裂寿命增加了10倍。与标准718合金相比，合乎要求的高含量磷对应力断裂延展性无重要影响。在室温和1200°F温度下抗拉强度不受磷含量的影响，并且拉伸延展性不变或稍微增加(在温度为1200°F时)。上述应力断裂寿命的提高是依赖于晶粒大小的，在细晶粒结构中这种提高最为明显。众所周知细晶粒的718合金具有极好的抗疲劳性能，但是抗蠕变性能和抗应力断裂性能相对较低。本项研究表明细晶粒718合金的缺点可以通过增加P的含量得以克服，导致产生一种新型镍基合金既具有极好的抗疲劳性能又具有卓越的抗蠕变及抗应力断裂性能。正如在较低应力下的应力断裂测试中从沿晶到穿晶的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高Ｃ含量低于约０．１０重量％的镍基高温合金的抗蠕变性能的方法，包括以下步骤：调整合金中Ｐ含量为从约０．０１２重量％至约０．０５０重量％并且调整合金中Ｂ含量使之不超过约０．０３０重量％，由此在温度高达至少１２００°Ｆ时测得的合金应力断裂寿命将大大提高。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：RL肯尼迪，WD曹，
申请(专利权)人：特勒达因工业公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]