含有增强晶界强度成分的合金的热处理制造技术

本发明专利技术涉及具有改进晶界强度元素的合金的热处理。在浇铸后部件直接热处理往往会发现横向晶界强度低或没有。因此出现裂纹并降低生产率。本发明专利技术的方法不会降低横向晶界强度，并保持足够的晶界强度，以致增加没有裂纹的部件的生产率。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种合金，特别是镍基超级耐热合金的热处理，更具体地，涉及具有柱状晶粒显微结构的铸件。
技术介绍
US-PS 4 597 809记载了由镍基超级耐热合金制造单晶铸件，其中镍基超级耐热合金具有基质，其组成主要由以下构成以重量百分比计，9.5％-14％的Cr、7％-11％的Co、1％-2.5％的Mo、3％-6％的W、1％-4％的Ta、3％-4％的Al、3％-5％的Ti、6.5％-8％的Al+Ti、0％-1％的Nb，和余量主要为镍，这种基质包含大约0.4-大约1.5体积的基于碳化钽的相，因此合金中还包含约0.05％-大约0.15％的C和额外的其量相当于1-17倍C含量的Ta。由上述镍基超级耐热合金制造的单晶铸件表现出横向晶界强度有所欠缺。本专利技术者试图生产镍基超级耐热合金的定向凝固(DS)柱状晶粒铸件。然而，产生的定向凝固(DS)柱状晶粒铸件不适于用作DS铸件，因为在750摄氏度(1382华氏度)的温度和660MPa(95.7Ksi)的应力下测试时其基本没有横向晶界强度，也没有延展性。横向晶界强度和延展性如此不足以致由上述镍基超级耐热合金制造的DS柱状晶粒铸件不适于用作燃气涡轮发动机的涡轮叶片。WO 99/67435公开了具有添加硼的镍基超级耐热合金铸件以改进DS铸件的横向应力破裂强度和延展性。铸件在1250℃热处理4小时，以完成次生相(γ’-相)的完全溶解。由于在全溶解热处理后发生晶界破裂，使生产能力如此不足以致由上述镍基超级耐热合金制备的DS柱状晶粒铸件不适于用作燃气涡轮发动机的涡轮叶片。本专利技术的目的是提供一种合金的热处理，特别是铸态合金，例如基于上述单晶镍基超级耐热合金的DS柱状晶粒铸件，其具有基本改进的横向应力破裂强度和延展性以及可生产达到，能使DS铸件可用于高温应用例如燃气涡轮发动机的涡轮叶片的程度。专利技术概要本专利技术包括一种对铸造合金，如超级耐热合金的热处理，具有至少一种可改进晶界强度的添加物，如在上面描述的镍基超级耐热合金中的硼，在某种意义上，发现有效地增强用热处理制备的定向凝固(DS)柱状晶粒铸件的横向应力破裂强度和延展性，该热处理仅溶解部分的次生相，例如没有进行全溶解热处理。硼经常以有效量加入超级耐热合金成分中，以基本增强硼改性的超级耐热合金所制备的定向凝固柱状晶粒铸件的横向应力破裂强度和延展性。硼的浓度优选控制在直至结束的超级耐热合金成分重量的约0.003％-约0.0175％范围内。在超级耐热合金成分中添加硼的同时，碳的浓度优选控制在超级耐热合金成分重量的约0.05％-大约0.11％范围内。依照本专利技术的实施方案，优选的镍基超级耐热合金，以重量百分比计，主要由以下成分构成约11.6％-12.70％的Cr、约8.50％-9.5％的Co、约1.65％-2.15％的Mo、约3.5％-4.10％的W、约4.80％-5.20％的Ta、约3.40％-3.80％的Al、约3.9％-4.25％的Ti、约0.05％-0.11％的C、约0.003％-0.0175％的B、和余量主要为镍。硼改性的镍基超级耐热合金可以按照传统的DS铸件技术铸造为DS柱状晶粒铸件，如众所周知的布里曼(Bridgman)铸模拉坯(mould withdrawal)技术。以这方法生产的DS铸件通常具有大量柱状晶粒，其以铸件的主应力轴的方向伸长，<001>晶轴线通常平行于主应力轴。在750摄氏度(1382华氏度)的温度、660MPa(95.7Ksi)应力下测定时本专利技术的DS柱状晶粒铸件优选具有的应力破裂寿命至少约100小时，并且其延伸率至少约2.5％，可以作为涡轮叶片、叶片、外部气封和其它工业及航空燃气涡轮发动机元件使用。本专利技术的上述目的和优点将在下面的详细描述与附图中更加明显。专利技术详述选择镍基超级耐热合金作为合金的典型，其按重量百分比计，主要由以下成分构成约9.5％-14％的Cr、约7％-11％的Co、约1％-2.5％的Mo、约3％-6％的W、约1％-6％的Ta、约3％-4％的Al、约3％-5％的Ti、约0％-1％的Nb，和余量主要为Ni，并且与类似的无硼铸件相比较，B的存在量要有效于基本增强DS铸件的横向应力破裂强度。作为增强合金中晶界强度的添加物，对比类似的无硼铸件，硼的掺杂量的选择要有效于对由合金制备的DS柱状晶粒铸件提供明显的横向应力破裂强度和延展性。优选地，镍基超级耐热合金通过夹杂硼B而得到改进，B量为直至最后的超级耐热合金成分重量的约0.003％-大约0.0175％范围内，优选0.010％-0.015％。在超级耐热合金成分中添加硼的同时，碳C浓度控制在超级耐热合金成分重量的约0.05％-大约0.11％的优选范围内。硅Si、锆Zr和铪Hf也可以用作添加物。此外，所有的B、C、Si、Zr和Hf的组合物也都可以。由具有改进的热处理的镍基超级耐热合金生产的DS铸件的横向应力破裂强度和延展性，以及生产能力都达到可使铸件适于用作涡轮叶片和燃气涡轮发动机的其它元件。一种特别优选的硼改性的镍基超级耐热合金铸件成分以重量百分比计，主要由以下成分构成约11.6％-12.70％的Cr、约8.5％-9.5％的Co、约1.65％-2.15％的Mo、约3.5％-4.10％的W、约4.80％-5.20％的Ta、约3.40％-3.80％的Al、约3.9％-4.25％的Ti、约0.05％-0.11％的C、约0.003％-0.0175％B，和余量主要为Ni，并且可浇铸以提供DS柱状晶粒显微结构。柱状晶粒铸件的DS显微结构通常包括约0.4-约1.5体积％的基于碳化钽的相。虽然不希望受任何理论限制，但是认为硼和碳趋向于迁移到DS微结构中的晶界，以增加在高工作温度下晶界的强度和延展性，例如燃气涡轮发动机叶片的816摄氏度(1500华氏度)的典型温度。由上述硼改性的镍基超级耐热合金生产的DS柱状晶粒铸件一般具有平行于铸件的主应力轴的<001>晶轴线，在750摄氏度(1382华氏度)温度、垂直于铸件的<001>晶轴线施加的660MPa(95.7Ksi)应力条件下测试，其应力破裂寿命在至少约100小时，且延伸率至少约2.5％。例如，进行下述DS铸件测试并对本专利技术提供进一步的说明，但并不限制本专利技术。制备具有按上述美国专利4 597 809的镍基超级耐热合金成分的熔炼物#1，和具有以重量百分比计，列于表I中的下列组成的硼改性镍基超级耐热合金的熔炼物#1A和#2和#3。表I熔炼物Cr Co Mo W Ta Al TiC B Ni#112.19.01.83.75.23.64.0 0.07 0.001 余量#1A 12.19.01.83.75.23.64.0 0.08 0.010 余量#212.19.01.83.75.23.64.0 0.09 0.011 余量#312.19.01.83.75.23.64.0 0.08 0.014 余量将每个熔炼物浇铸形成具有矩形的DS柱状晶粒无芯铸件以按照ASTME-139试验程序进行横向应力破裂实验。DS铸件是使用如传统的布里曼铸模拉坯定向凝固技术生产的。例如，每种熔炼物是在1微米本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热处理具有至少一种添加物的铸造合金的方法，其可提高晶界强度，其中在浇铸后合金具有次生相，其可在溶解温度下溶解于合金的基质中，其中热处理的进行要使次生相仅部分溶解。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：温菲里德埃瑟，德克戈德施米特，迈克尔奥特，尤维保罗，厄休拉皮克尔特，拉塞尔G沃格特，克里斯托弗R汉斯里茨，
申请(专利权)人：西门子公司，豪米特研究公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]