Ni基锻造合金材料以及使用其的涡轮高温部件制造技术

本发明专利技术的目的在于，提供使用超强析出强化Ni基合金且拉伸特性和蠕变特性与以往相比高水平地平衡的Ni基锻造合金材料以及使用其的涡轮高温部件。本发明专利技术所涉及的Ni基锻造合金材料的特征在于，具有在700℃的温度时在γ相的母相中析出50体积％以上70体积％以下的γ’相的化学组成，上述γ’相包含在上述γ相的晶粒内析出的时效析出γ’相粒和在上述γ相的晶粒间析出的共晶反应γ’相粒，上述共晶反应γ’相粒中Ni和Al的含有率高于上述时效析出γ’相粒，且平均粒径为2μm以上40μm以下。

Ni-based forged alloy materials and high temperature components of turbines using them

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】Ni基锻造合金材料以及使用其的涡轮高温部件
本专利技术涉及Ni(镍)基锻造合金的技术，尤其是涉及高温时的机械特性优异的Ni基锻造合金材料以及使用其的涡轮高温部件。
技术介绍
对于飞机、火力发电厂的涡轮(燃气涡轮、蒸汽涡轮)，以提高热效率为目的的主流体温度的高温化成为一个技术趋势，提高涡轮部件的高温机械特性是重要的技术课题。暴露于最为严酷环境下的涡轮高温部件(例如，涡轮叶片(动叶片、固定叶片)、涡轮盘、燃烧器部件、锅炉部件)由于反复受到运行中的旋转离心力、振动、伴随起动/停止的热应力，从而提高机械特性(例如，蠕变特性、拉伸特性、疲劳特性)尤为重要。为了满足所要求的各种机械特性，作为涡轮高温部件的材料，广泛使用析出强化Ni基合金材料。尤其是在高温特性变得重要的情况下，使用提高了在成为母相的γ(Gamma)相中析出的γ’(GammaPrime)相(例如Ni3(Al,Ti,Ta)相)的比率的强析出强化Ni基合金材料(例如，析出30体积％以上的γ’相的Ni基合金材料)。为了实现涡轮的高效率化，不仅上述主流体温度的高温化是有效的，通过涡轮叶片(动叶片、固定叶片)的长尺化来扩大涡轮环带面积、通过涡轮叶片的薄壁化来降低主流体的流动损失也是有效的。而且，为了应对涡轮叶片的长尺化、薄壁化，对涡轮叶片的材料要求相比于以往更高的拉伸特性以及疲劳特性。对于涡轮叶片，一直以来蠕变特性受到重视，因此为了满足该蠕变特性的要求，多采用通过精密铸造法(特别是单向凝固法、单晶凝固法)所制造的Ni基铸造合金材料。这是因为横穿应力方向的晶界少时对于蠕变特性而言是有利的。另一方面，对于涡轮盘、燃烧器部件，相比于蠕变特性，更多地重视拉伸特性、疲劳特性，因而经常使用由热锻法制造的Ni基锻造合金材料。这是因为晶体粒径小(晶界密度高)时对于拉伸特性、疲劳特性而言是有利的。这里，在考虑到应对涡轮叶片的长尺化、薄壁化时，由于单向凝固、单晶生长中的长尺化、薄壁化在制造技术方面的障碍非常高，因此担心由单向凝固材、单晶凝固材构成的涡轮叶片的制造成品率大幅下降(即制造成本大幅增加)。换言之，以锻造合金材料为基础，开发满足涡轮叶片所要求的高温特性(例如，蠕变特性)的材料，从制造成本的观点出发被认为是有利的。如上所述，析出强化Ni基合金材料中，为了提高高温特性，一般提高γ’相的体积率。但是，如果要提高锻造合金材料中γ’相的体积率，则会有加工性、成形性恶化而制造成品率易于下降(制造成本易于增加)的缺点。因此，在研究Ni基锻造合金材料的特性提高的同时，也进行了各种稳定制造该Ni基锻造合金材料的技术研究。例如，在专利文献1(日本特开平9-302450)中公开了一种方法，其为由锻造用预制体来制造具有得到控制的晶粒度的Ni基超合金物品的方法，包括：准备Ni基超合金预制体，其具有包含γ相与γ’相的混合物的微观组织、再结晶温度及γ’溶线温度(solvustemperature)(此处，γ’相占Ni基超合金的至少30容量％)；在约1600°F以上但低于γ’溶线温度的温度下，将应变速度设为每秒约0.03～约10，对上述超合金预制体进行热模锻造；对所得到的热模锻造超合金工作物进行等温锻造以形成加工后物品；对由此完成的物品进行超固溶(supersolvus)热处理以生成ASTM大致6～8的实质上均匀的粒子微观组织；将物品从超固溶热处理温度开始冷却。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开平9－302450号公报专利文献2：日本专利第5869624号公报
技术实现思路
专利技术所要解决的课题根据专利文献1，即使是γ’相的体积率较高的Ni基合金材，也能够不发生裂纹而以较高的制造成品率来制造锻造品。然而，专利文献1的技术由于实施通过低应变速度进行的超塑性变形的热锻工序以及此后的等温锻造工序，因此存在需要特殊的制造装置同时需要较长的处理时间(即，装置成本以及工艺成本较高)的弱点。此外，对于工业制品，当然存在低成本化的强烈要求，以低成本制造制品的技术的确立是最重要的课题之一。例如，专利文献2(日本专利第5869624)中公开了一种Ni基合金软化材料的制造方法，其为由γ’相的固溶温度为1050℃以上的Ni基合金构成的Ni基合金软化材料的制造方法，其特征在于，包括：原材料准备工序，准备在下一工序中用于实施软化处理的Ni基合金原材料；以及软化处理工序，使上述Ni基合金原材料软化而提高加工性，所述软化处理工序是在低于所述γ’相的固溶温度的温度区域进行的工序，其包括：将所述Ni基合金原材料在低于所述γ’相的固溶温度的温度下进行热锻的第一工序；以及第二工序，从低于所述γ’相的固溶温度的温度开始以100℃/h以下的冷却速度进行缓慢冷却从而使得在所述Ni基合金的作为母相的γ相晶粒的晶界上析出的非匹配γ’相的晶粒量增加20体积％以上，得到Ni基合金软化材料。专利文献2中报道的技术能够以低成本加工、成形强析出强化镍基合金材料，在这一点上被认为是划时代的技术。本专利技术人等以专利文献2的技术为基础进一步进行了研究，结果判定：在γ’相的体积率为50体积％以上的超强析出强化Ni基合金材料(例如，以50～70体积％析出γ’相的Ni基合金材料)中，上述第一工序(在低于γ’相的固溶温度的温度进行热锻的工序)难以控制，制造成品率易于下降。换言之，认为需要进一步的技术革新。从近年来的节能及地球环境保护的观点出发，认为，以提高涡轮的热效率为目的的主流体温度的高温化以及涡轮叶片的长尺化、薄壁化，未来将会日益发展。这意味着涡轮高温部件的使用环境今后会变得日益严酷，对涡轮高温部件要求进一步提高机械特性。另一方面，如上所述，工业制品的低成本化是最重要课题之一。本专利技术是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，通过能够确保高的制造成品率的简易方法(即，尽可能以低成本)来提供使用超强析出强化Ni基合金并使机械特性(特别是拉伸特性、蠕变特性)与以往相比高水平地平衡的Ni基锻造合金材料以及使用其的涡轮高温部件。解决课题的方法(I)本专利技术的一个方面提供一种Ni基锻造合金材料，其特征在于，其为具有在700℃的温度时在γ相的母相中析出50体积％以上70体积％以下的γ’相的化学组成的Ni基锻造合金材料，上述γ’相包含在上述γ相的晶粒内析出的时效析出γ’相粒和在上述γ相的晶粒间析出的共晶反应γ’相粒，上述共晶反应γ’相粒中的Ni和Al(铝)的含有率高于上述时效析出γ’相粒，且平均粒径为2μm以上40μm以下。本专利技术对于上述Ni基锻造合金材料(I)可以施加如下的改进、变更。(i)上述共晶反应γ’相粒的析出量为1体积％以上15体积％以下。(ii)上述Ni基锻造合金材料的室温拉伸强度为1200MPa以上，在温度780℃时应力500MPa的蠕变断裂时间为100小时以上。(iii)上述化学组成含有4.0质量％以上18质量％以下的Cr(铬)、2.0质量％以上25质量％以下的Co(钴)、14质量％以下的W(钨)、8.0质量％以下的Mo(钼)、2.0质量％以上7.0质量％以下的Al、8.0质量％以下的Ti(钛)、10质量％以下的Ta(钽)、3.0质量％以下的Nb(铌)、3.0质量％以下的Hf(铪)、2.0质量％以下的Re(铼)、2.0质量％以下的Fe(铁)、0.1质量％以下的Zr(锆)、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Ni基锻造合金材料，其特征在于，所述Ni基锻造合金材料具有在700℃的温度时在γ相的母相中析出50体积％以上70体积％以下的γ’相的化学组成，所述γ’相包含在所述γ相的晶粒内析出的时效析出γ’相粒和在所述γ相的晶粒间析出的共晶反应γ’相粒，所述共晶反应γ’相粒中的Ni和Al的含有率高于所述时效析出γ’相粒，且平均粒径为2μm以上40μm以下。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种Ni基锻造合金材料，其特征在于，所述Ni基锻造合金材料具有在700℃的温度时在γ相的母相中析出50体积％以上70体积％以下的γ’相的化学组成，所述γ’相包含在所述γ相的晶粒内析出的时效析出γ’相粒和在所述γ相的晶粒间析出的共晶反应γ’相粒，所述共晶反应γ’相粒中的Ni和Al的含有率高于所述时效析出γ’相粒，且平均粒径为2μm以上40μm以下。2.如权利要求1所述的Ni基锻造合金材料，其特征在于，所述共晶反应γ’相粒的析出量为1体积％以上15体积％以下。3.如权利要求1或权利要求2所述的Ni基锻造合金材料，其特征在于，所述Ni基锻造合金材料的室温拉伸强度为1200MPa以上，并且在温度780℃时应力500MPa的蠕变断裂时间为100小时以上。4.如权利要求1至权利要求3中任一项所述的Ni基锻造合金材料，其特征在于，所述化学组成含有4.0质量％以上18质量％以下的Cr、2.0质量％以上25质量...

【专利技术属性】
技术研发人员：芝山隆史，今野晋也，
申请(专利权)人：三菱日立电力系统株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP