本发明专利技术涉及控制锻造析出强化合金晶粒尺寸的方法及由此形成的构件，提供了构件以及加工由析出强化合金制得的这种构件的方法，使得在过固溶线热处理之后，构件表现出期望的晶粒尺寸。该方法包括固结合金的粉末以形成具有平均晶粒尺寸的坯料。坯料然后在低于固溶线温度的温度下被锻造，以形成具有不比坯料的晶粒尺寸更粗的平均晶粒尺寸的锻件(10)。然后以至少5％的总应变锻造该坯料，此后，在低于固溶线温度的温度下对锻件(10)的至少一部分(14)进行热处理，以钉扎该部分(14)内的晶粒。然后，整个锻件(10)可在高于合金固溶线温度的温度下进行热处理，而不粗化部分(14)中的晶粒。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术大体涉及用于加工金属合金的方法。更特别地，本专利技术涉及用于生产锻造超级合金制品的方法，其中，在过固溶线(supersolvus)热处理之后,锻造制品中的细晶粒尺寸能够保持，使得该制品的特点在于带有期望的晶粒尺寸的微观结构。
技术介绍
用于发电エ业中的固定式(land-based)燃气涡轮发动机的转子构件通常由铁基或镍基合金形成。对于某些高级的固定式燃气涡轮发动机，例如通用电气公司的H和FB级燃气润轮，转子构件目前由伽马双撇号(gamma double-prime) ( y ;/ )析出强化的镍基超级合金形成，如合金718和合金706。例如，轮(盘)和间隔件已由铸锭形成，该铸锭在高于或低于该合金的固溶线温度(典型地在大约1750° F至大约2100° F(大约954°C至大约1150°C )的范围中)被制坯及锻造，以获得构件所期望的轮廓。目前最佳的加工实践通 常导致相对粗晶粒的微观结构在坯料中(如，ASTMOO或更大)以及最终锻件中(如，ASTM2至7)(全文涉及的ASTM晶粒尺寸是根据由美国材料与试验协会建立的标准刻度)。粗晶粒是某些区域/构件所期望的，而细晶粒常常是其它区域/构件所期望的。例如，盘受益于在它们的边缘处具有相对粗的晶粒以促进它们对蠕变和疲劳裂纹生长的抵抗，而它们的中心(hub)(孔)受益于较细的晶粒以促进它们对低周疲劳(LCF)和爆裂(burst)性质的抵抗。用于航空燃气涡轮发动机的转子构件已通常由粉末冶金(PM)エ艺形成，已知粉末冶金エ艺提供蠕变、拉伸和疲劳裂纹生长性质的良好平衡，以满足航空燃气涡轮发动机的性能要求。典型地，通过以某种形式(例如挤出固结或热等静压(HIP))固结金属粉末以产生细晶粒的坯料(如，ASTM8或更细)，从而生产粉末金属构件。该坯料然后在稍低于合金的Y'固溶线温度的温度下被等温锻造或热模锻造而接近超塑性成形条件，该超塑性成形条件允许在不积累显著的冶金应变的情况下通过积累高的几何应变来填充模腔。锻造エ艺通常保持材料中的细晶粒尺寸同时获得构件所期望的轮廓，此后，最終热处理在完成机械加工之前进行，以完成制造过程。与用于固定式燃气涡轮发动机的高级涡轮系统不同，用于航空燃气涡轮发动机的PM转子构件已通常由伽马撇号')析出強化的镍基超级合金形成，该镍基超级合金具有那些零件所要求的非常高的温度和应カ承受能力。为了提高高温下的抗蠕变性、抗疲劳裂纹生长性以及其它机械性能，这些合金的最終热处理可以在它们的Y'固溶线温度以上进行(通常称为过固溶线热处理)，以导致晶粒的明显粗化。在转子盘的边缘处获得相对粗晶粒并且在其中心获得相对细晶粒的客观需要被加内什(Ganesh)等的美国专利No. 5，527，020证实,该专利公开了ー种用于选择性地对盘的边缘进行热处理的热处理工艺和装置，以便在維持中心的较细晶粒结构的同时导致盘中的晶粒生长。用于大型发电涡轮机中的镍基超级合金转子，通常已不要求更高温度合金或该晶粒粗化工艺来实现它们的任务和构件机械性质需求，尽管可以预见在未来某天可能需要这种更高温度合金来增加涡轮效率或增加构件寿命。在包括热锻操作的常规制造エ序期间，很宽范围的局部应变和应变速率可能引入材料中，这可在锻后过固溶线热处理期间导致不均匀的临界晶粒生长。如本文所用的临界晶粒生长(CGG)是指合金中随机的局部过度晶粒生长，这导致其直径超过由该合金形成的制品所期望的晶粒尺寸范围的晶粒的形成。明显超过所期望的晶粒尺寸范围的晶粒的存在可显著降低制品的抗低周疲劳性并可对制品的其它机械性质(如拉伸强度和疲劳强度)有负面影响。克鲁格(Krueger)等的美国专利No. 4，957，567教导了一种用于通过控制在热锻操作期间经历的局部应变速率来消除细晶镍基超级合金构件中的临界晶粒生长的エ艺。克鲁格(Krueger)等教导了，局部应变速率必须大体上保持低于临界值，以避免临界晶粒生长。在尹(Yoon)等的美国专利No. 5，529，643和雷蒙德(Raymond)等的美国专利No. 5，584，947的指导下，已实现了最终晶粒尺寸的控制的进ー步改进，其中美国专利No. 5，529，643设置了锻造期间最大应变速率梯度的上限，美国专利No. 5，584，947教导了最大应变速率和化学控制的重要性。例如，雷蒙德等教导了针对在商业上已知为Ren688DT (美国专利No. 4，957，567)的y '镍基超级合金的低于约0. 032每秒(s-1)的上限应变速率。休伦(Huron)等的美国专利申请公开No. 2009/0000706教导了，通过增加ReneSSDT的碳含量，在没有临界晶粒生长的情况下，高达约0. Is—1的应变速率是可能的。 上述努力证实了用于形成旋转构件的合金中的晶粒尺寸控制的重要性，所述旋转构件用于对抗蠕变性和抗疲劳性要求严格的高温和高应カ应用中。控制晶粒尺寸连同合金的其它机械性质可能对构件寿命和成本有直接影响。然而，对于诸如盘的构件的不断进行的挑战是，需要同时用较粗晶粒提高蠕变寿命并用较细晶粒提高疲劳寿命。如上所述，由铸锭和锻锭生产的典型锻件通常具有相对粗的最终晶粒尺寸(例如，ASTM2至7)，其难以细化而形成转子盘的中心区域所期望的更小晶粒尺寸。另ー方面，由PM坯料生产的锻件产生了细得多的晶粒尺寸(例如，ASTM8或更细)，其然后需要能够粗化边缘中的晶粒而不会导致临界晶粒生长的热处理。因此，当试图在单个锻件内实现不同晶粒尺寸时，遇到了重大挑战。
技术实现思路
本专利技术提供了构件以及加工由析出强化合金制得的这种构件的方法，使得在过固溶线热处理后，构件的特征在于晶粒尺寸，如果期望的话，该晶粒尺寸可以在合金的不同区域内不同。该方法包括形成金属合金的粉末，然后在低于合金固溶线温度的温度下固结该粉末，并形成具有平均晶粒尺寸的坯料。然后在低于合金固溶线温度的温度下锻造该坯料，以形成具有不比该坯料的平均晶粒尺寸更粗的平均晶粒尺寸的锻件。锻造该坯料，以便实现至少5%的总应变。然后在低于合金固溶线温度的温度下对锻件的至少一部分进行热处理，以钉扎该部分内的晶粒。然后在高于合金固溶线温度的温度下对整个锻件进行热处理，以溶解锻件中的析出物而不粗化第一部分中的晶粒。在锻件的冷却之后，锻件的所述部分内的平均晶粒尺寸优选地在坯料的平均晶粒尺寸的I或2ASTM尺寸内，并且更优选地不比坯料的平均晶粒尺寸更粗。本专利技术的另一方面是ー种由包括上述步骤的エ艺生产的锻件，例如燃气涡轮发动机盘。本专利技术的一个显著优点是，在后续的过固溶线热处理期间，能够抑制锻件的ー个或更多区域内的晶粒生长，以实现那些区域内的平均晶粒尺寸的显著控制。以这种方式，由该锻件生产的构件的机械性质，例如抗蠕变性和抗疲劳裂纹生长性，作为具有相对粗的晶粒的结果可在锻件的某些区域中实现，而不同的机械性能，例如抗低周疲劳性和爆裂強度，可在锻件的其它区域中实现。这种能力在燃气涡轮发动机的旋转硬件中是特别有益的，旋转硬件例如固定式燃气涡轮发动机和航空燃气涡轮发动机的转子盘。根据下面的详细描述，将更好地意识到本专利技术的其它方面和优点。附图说明图I示意性地表示了可根据本专利技术加工的ー种类型的锻件。图2示意性地表示了在图I的锻件的有限部分上选择性地进行的热处理。图3示意性地表本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种由具有固溶线温度的析出强化金属合金形成制品的方法，所述方法的特征在于：形成所述金属合金的粉末；在低于所述合金的固溶线温度的温度下固结所述粉末，以形成具有平均晶粒尺寸的坯料；在低于所述合金的固溶线温度的温度下锻造所述坯料，以形成具有不比所述坯料的平均晶粒尺寸更粗的平均晶粒尺寸的锻件(10)，所述坯料被锻造，以便实现至少5％的总应变；在低于所述合金的固溶线温度的温度下对所述锻件(10)的至少第一部分(14)进行热处理，以钉扎所述第一部分(14)内的晶粒；在高于所述合金的固溶线温度的温度下对整个所述锻件(10)进行热处理，以溶解所述锻件(10)中的析出物，而不粗化所述第一部分(14)中的晶粒；以及冷却所述锻件(10)，其中，所述第一部分(14)内的平均晶粒尺寸在所述坯料的平均晶粒尺寸的1或2ASTM尺寸内。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：G·A·戈勒，R·J·斯托尼特施，R·迪多米奇奥，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：
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