鍛造用Ni基合金、其制造方法及渦輪機(jī)部件的制作方法
【專利摘要】實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金以質(zhì)量％計含有C：0.01～0.07％、Cr：14～26％、Co：10～15％、Mo：5～12％、Al：0.8～3％、Ti：0.8～3％、B：0.001～0.006％，剩余部分由Ni和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，且滿足10質(zhì)量％≤Mo+0.176Cr+0.037Co≤15質(zhì)量％的關(guān)系。另外，沿著晶界析出的碳化物的平均厚度小于等于250nm。
【專利說明】鍛造用Ni基合金、其制造方法及渦輪機(jī)部件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及鍛造用Ni基合金、其制造方法及渦輪機(jī)部件。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，從減少向大氣中的二氧化碳排放量的觀點(diǎn)出發(fā)，火力發(fā)電廠的高效率化 有所發(fā)展。因此，要求火力發(fā)電廠所具備的蒸汽渦輪機(jī)或燃?xì)鉁u輪機(jī)的高效率化。另外，能 夠設(shè)置于火力發(fā)電廠的C02渦輪機(jī)也被要求高效率化。這里，C02渦輪機(jī)是以通過天然氣等 燃料與氧的燃燒所生成的co2作為工作流體來驅(qū)動渦輪機(jī)。co2渦輪機(jī)中，能夠容易地將所 生成的co2的大部分分離、回收。因此，從地球環(huán)境保護(hù)的觀點(diǎn)出發(fā)受到關(guān)注。
[0003] 為了提高上述各渦輪機(jī)的效率，有效的是對導(dǎo)入至渦輪機(jī)的工作流體的入口溫度 進(jìn)行高溫化。例如，就蒸気渦輪機(jī)來說，期待將來在作為工作流體的蒸汽的溫度大于等于 700°C的情況下進(jìn)行運(yùn)用。就燃?xì)鉁u輪機(jī)或C02渦輪機(jī)來說，所導(dǎo)入的工作流體的入口溫度 也處于上升的傾向。
[0004] 因此，構(gòu)成各渦輪機(jī)的高溫部的部件優(yōu)選由在發(fā)電用燃?xì)鉁u輪機(jī)或飛機(jī)用引擎的 部件中使用的、在高溫場所的使用中具有實(shí)際成果的Ni基合金構(gòu)成。
[0005] 作為Ni基合金的代表性例子，可舉出INC0NEL718或INC0NEL617(SPECIALMETALS 公司制）。Ni基合金的強(qiáng)化機(jī)理大致分為析出強(qiáng)化型和固溶強(qiáng)化型。
[0006] 析出強(qiáng)化型Ni基合金中，通過在Ni中添加Al、Ti、Ta、Nb而使被稱作Y'（gamma prime:Ni3(Al，Ti))相或Y"（gammadoubleprime:Ni3Nb)相的析出相析出來提高高溫下 的機(jī)械強(qiáng)度。作為代表性的析出強(qiáng)化型Ni基合金，可舉出上述的INC0NEL718。
[0007] 另一方面，固溶強(qiáng)化型Ni基合金中，通過在Ni中添加Co、Mo等而將母相本身強(qiáng) 化。作為代表性的固溶強(qiáng)化型Ni基合金，可舉出上述的INC0NEL617。
[0008] 如上所述，作為在高溫環(huán)境下使用的渦輪機(jī)的構(gòu)成部件的材料，對Ni基合金的應(yīng) 用進(jìn)行了探討。進(jìn)而，對于Ni基合金來說，要求高溫環(huán)境下的充分的機(jī)械強(qiáng)度，而且要求制 造大型鍛造部件等時的制造性等。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1是示意地表示實(shí)施方式的Ni基合金的金屬組織的圖。
[0010] 圖2是為了說明根據(jù)時效處理的條件而析出至晶界的碳化物的析出形態(tài)而示出 Ni基合金的金屬組織的電子顯微鏡照片的圖。
[0011] 圖3是為了說明根據(jù)時效處理的條件而析出至晶界的碳化物的析出形態(tài)而示出 Ni基合金的金屬組織的電子顯微鏡照片的圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012] 在一個實(shí)施方式中，鍛造用Ni基合金以質(zhì)量％計含有C:0. 01?0. 07%、Cr:14? 26%、Co:10 ?15%、Mo:5 ?12%、A1 :0? 8 ?3%、Ti:0? 8 ?3%、B:0? 001 ?0? 006%， 剩余部分由Ni和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，且滿足10質(zhì)量Mo+0. 176Cr+0. 037C〇 < 15質(zhì) 量％的關(guān)系。另外，沿著晶界析出的碳化物的平均厚度小于等于250nm。
[0013] 以下對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
[0014]Ni基合金通過由Mo、W等固溶強(qiáng)化元素所產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化和由添加Al、Ti等所得 到的Y'（gammaprime:Ni3(Al，Ti))相的微細(xì)析出所產(chǎn)生的析出強(qiáng)化，使室溫和高溫下的 材料強(qiáng)度提高。另一方面，過剩的強(qiáng)化會惡化高溫下的材料的加工性、降低制造性。
[0015] 例如，由Y'相產(chǎn)生的析出強(qiáng)化量輕微的INC0NEL617與由Y'相產(chǎn)生的析出強(qiáng)化 量大的UDMET520(SPECIALMETALS公司制）等相比，具有更良好的鍛造性。另一方面，就 Y'相析出量大的INC0NEL738LC(SPECIALMETALS公司制）來說，不能通過鍛造進(jìn)行成型、 通常使用鑄造進(jìn)行成型。
[0016] 如此，Ni基合金的制造方法主要由Y'相的析出量來決定。例如，當(dāng)為鍛造用Ni 基合金時，設(shè)定鍛造時不會析出過剩的相的合金組成。
[0017] 火力發(fā)電廠所具備的蒸汽渦輪機(jī)或co2渦輪機(jī)的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子等大型構(gòu)件與以往使 用Ni基合金的燃?xì)鉁u輪機(jī)或噴氣發(fā)動機(jī)等鍛造構(gòu)件相比，更為大型。因此，為了制造這些 大型構(gòu)件，例如需要超過10噸的鍛造構(gòu)件。
[0018] 在這種大型鍛造構(gòu)件的鍛造中，由于鍛造壓制的容量不足等要因，即便對之前認(rèn) 為能夠鍛造的INC0NEL617等來說也有不能得到完整的鍛造品的情況。如此，就用于大型構(gòu) 件的Ni基合金來說，不僅需要考慮相的析出量，還需要考慮對高溫下的變形阻力產(chǎn)生 影響的固溶強(qiáng)化量。
[0019] 固溶強(qiáng)化通過不同的溶質(zhì)原子溶透（固溶）至構(gòu)成母相的溶劑原子中，此時所產(chǎn) 生的內(nèi)部應(yīng)變妨礙位錯的運(yùn)動而得到。固溶強(qiáng)化通過位錯一邊去除溶質(zhì)原子的阻礙一邊進(jìn) 行運(yùn)動的模型在理論上進(jìn)行解釋。Friedel等人指出，稀薄固溶體的固溶強(qiáng)化量與溶質(zhì)原子 濃度的1/2乘方成比例，與原子尺寸差所導(dǎo)致的錯配應(yīng)變的3/2乘方成比例（Advancesin Physics,vol. 3,Issuel2,p. 446-507)。另外，Labusch等人指出，在高濃度固溶體中，固溶 強(qiáng)化量與溶質(zhì)原子濃度的2/3乘方成比例、與原子尺寸差所導(dǎo)致的錯配應(yīng)變的4/3乘方成 比例（Physicastatussolidi(b).Volume41，Issue2，p. 659-669)。
[0020] 另外，作為對金屬材料的特性產(chǎn)生強(qiáng)影響的因子，可舉出材料的微組織。Ni基合金 中，不僅結(jié)晶粒內(nèi)、晶界的組織中也會對材料的特性進(jìn)行左右。特別是，已知在晶界上析出 成膜狀的仏 3(：6型碳化物會降低材料的韌性。因此，為了確保材料的可靠性，有必要通過熱 處理?xiàng)l件的最優(yōu)化來適當(dāng)?shù)乜刂平饘俳M織。
[0021] 由上述事實(shí)，本發(fā)明人們對影響Ni基合金的各添加元素的固溶量和錯配應(yīng)變進(jìn) 行了定量的評價，由此發(fā)現(xiàn)了表示固溶強(qiáng)化量的參數(shù)。另外，對于改變了化學(xué)組成的材料實(shí) 施各種材料試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了在維持充分材料強(qiáng)度的同時具有優(yōu)良鍛造性的化學(xué)組成。
[0022] 進(jìn)而，對于實(shí)施了各種熱處理的Ni基合金調(diào)查晶界組織的結(jié)果是，作為支配Ni基 合金的韌性的因子，發(fā)現(xiàn)了"晶界上的碳化物的平均厚度"。進(jìn)而，明確了可以確保韌性的晶 粒邊界上的碳化物厚度的范圍。
[0023] 接著，具體地說明實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金。
[0024] 圖1是示意地表示實(shí)施方式中的Ni基合金的金屬組織的圖。還有，以下的說明中 表示組成成分的％只要無特別說明，則為質(zhì)量％。
[0025]實(shí)施方式的Ni基合金含有C:0? 01 ?0? 07%、Cr:14 ?26%、Co:10 ?15%、Mo: 5?12%、A1 :0? 8?3%、Ti:0? 8?3%、B:0? 001?0? 006%，剩余部分由Ni和不可避免 的雜質(zhì)構(gòu)成，且滿足10質(zhì)量％<M〇+0. 176Cr+0. 037C〇彡15質(zhì)量％的關(guān)系。
[0026] 另外，實(shí)施方式的Ni基合金如圖1所示，沿著晶界10析出碳化物11。該碳化物 11的平均厚度t優(yōu)選小于等于250nm。沿著晶界10連續(xù)地析出碳化物11。另外，在結(jié)晶粒 12內(nèi)，析出物13以粒狀析出。
[0027] 碳化物11是以Cr、Mo為主成分的碳化物，具體地說是M23C6型的碳化物。碳化物 11的平均厚度t優(yōu)選小于等于250nm的原因?yàn)?，例如韌性不會降低、可以適當(dāng)?shù)卮_保用于制 造渦輪機(jī)部件的韌性。
[0028] 析出物13由Y'（gammaprime:Ni3(Al，Ti))相構(gòu)成。Y'相的直徑從析出強(qiáng)化 的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選為小。Y'相的平均直徑例如優(yōu)選小于等于150nm。
[0029] 這里，實(shí)施方式中的Ni基合金除了上述化學(xué)組成之外，還可進(jìn)一步含有0.05? 0. 7%的Ta。另外，實(shí)施方式中的Ni基合金除了上述化學(xué)組成之外，還可進(jìn)一步含有0. 1? 0. 7 %的Nb。另外，實(shí)施方式中的Ni基合金除了上述化學(xué)組成之外，還可進(jìn)一步含有0. 05? 0? 7% 的Ta和 0? 1 ?0? 7% 的Nb。
[0030] 還有，作為不可避免的雜質(zhì)，例如可舉出31^11、隊(duì)(：11沖6、3等。這些不可避免的 雜質(zhì)優(yōu)選盡量地使其殘存含有率接近于〇%。
[0031] 上述實(shí)施方式的Ni基合金優(yōu)選例如作為構(gòu)成在大于等于650°C的溫度下使用的、 例如通過發(fā)電用渦輪機(jī)等的鍛造所構(gòu)成的渦輪機(jī)部件的材料。作為渦輪機(jī)部件，例如可舉 出渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子、動葉、靜葉、螺合構(gòu)件、配管等。這些鍛造部件均設(shè)置在高溫高壓的環(huán)境中。
[0032] 這里，作為螺合構(gòu)件，例如可例示出渦輪機(jī)包裝或固定渦輪機(jī)內(nèi)部的各種構(gòu)成部 件的螺栓或螺母等。另外，作為配管，例如可例示出設(shè)置在發(fā)電用渦輪機(jī)工廠等中、高溫高 壓的工作流體所通過的配管等。
[0033] 還有，可以用上述Ni基合金構(gòu)成上述發(fā)電用渦輪機(jī)的渦輪機(jī)部件的所有部位。另 夕卜，特別是還可以用上述Ni基合金構(gòu)成變?yōu)楦邷氐臏u輪機(jī)部件的一部分部位。
[0034] 上述實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金與以往鍛造用Ni基合金相比，強(qiáng)度特性更為優(yōu) 良，且鍛造性更為優(yōu)良。因此，使用實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金制成的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子、動葉、 靜葉、螺合構(gòu)件、配管等渦輪機(jī)部件即便在高溫環(huán)境下也具有高的可靠性。
[0035] 接著，對上述實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金中的各組成成分范圍的限定理由進(jìn)行 說明。
[0036] (1)C(碳）
[0037] C作為強(qiáng)化相的碳化物的構(gòu)成元素是有用的。進(jìn)而，C通過阻止晶界移動的碳化物 的釘扎效應(yīng)，具有抑制高溫下的結(jié)晶粒粗大化的作用。當(dāng)C的含有率不足0. 01時，碳化物 所產(chǎn)生的強(qiáng)化不足。另外，當(dāng)C的含有率不足0. 01時，由于不能確保碳化物的充分析出量， 因而有引起結(jié)晶粒的粗大化的可能性。另一方面，當(dāng)C的含有率超過0. 07%時，鍛造性降 低。因此，使C的含有率為0.01?0.07%。另外，更優(yōu)選的C的含有率為0.03?0.07%。
[0038]⑵Cr(鉻）
[0039]Cr是對于提高Ni基合金的耐氧化性、耐腐蝕性和高溫強(qiáng)度特性來說不可缺少的 元素。當(dāng)Cr的含有率不足14%時，耐氧化性和耐腐蝕性降低。另一方面，當(dāng)Cr的含有率超 過26%時，則引起蠕變強(qiáng)度降低的〇相的析出變得顯著，同時鍛造性惡化。因此，使Cr的 含有率為14?26%。另外，更優(yōu)選的Cr的含有率為16?20%。
[0040] (3)Co(鈷）
[0041]Co在Ni基合金中固溶在母相內(nèi)，提高蠕變強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。當(dāng)Co的含有率不足 10%時，不能得到充分的機(jī)械強(qiáng)度。另一方面，當(dāng)Co的含有率超過15%時，鍛造性降低。因 此，使Co的含有率為10?15%。另外，更優(yōu)選的Co的含有率為11?14%。
[0042]⑷Mo(鑰）
[0043]Mo固溶在Ni母相中，提高蠕變強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。另外，Mo的一部分通過置換在 M23C6型碳化物中，可提高碳化物的穩(wěn)定性。當(dāng)Mo的含有率超過12%時，熱加工性降低。另 一方面，當(dāng)Mo的含有率不足5 %時，不能得到機(jī)械強(qiáng)度的提高。因此，使Mo的含有率為5? 12%。另外，更優(yōu)選的Mo的含有率為7?10%。
[0044] (5)A1(鋁）
[0045]A1與Ni-起生成Y'（Ni3Al)相，提高因析出產(chǎn)生的Ni基合金的機(jī)械強(qiáng)度。當(dāng)A1 的含有率不足0.8%時，不能發(fā)揮相的析出所產(chǎn)生的效果。另一方面，當(dāng)A1的含有率超 過3%時，會促進(jìn)〇相的析出、機(jī)械特性降低。另外，當(dāng)A1的含有率超過3%時，熱加工性 顯著降低。因此，使A1的含有率為0.8?3%。另外，更優(yōu)選的A1的含有率為1?2%。
[0046] (6)Ti(鈦）
[0047]Ti與A1同樣地與Ni-起生成Y'（Ni3(Al，Ti))相，提高Ni基合金的機(jī)械強(qiáng)度。 當(dāng)Ti的含有率不足0.8%時，不能發(fā)揮相的析出所產(chǎn)生的效果。另一方面，當(dāng)Ti的含 有率超過3%時，會促進(jìn)〇相或n相的析出、機(jī)械特性降低，同時熱加工性降低。因此，使 Ti的含有率為0.8?3%。另外，更優(yōu)選的Ti的含有率為1?2%。
[0048] (7)B(硼）
[0049] B偏析至晶粒邊界、提高高溫強(qiáng)度特性。當(dāng)B的含有率不足0. 001%時，不能發(fā)揮 提高該高溫強(qiáng)度特性的效果。另一方面，當(dāng)B的含有率超過0. 006%時，導(dǎo)致晶粒邊界脆化。 因此，使B的含有率為0. 001?0. 006%。另外，更優(yōu)選的B的含有率為0. 002?0. 004%。
[0050] (8)Ta(鉭）
[0051] 1&固溶在丫'（附3仏1，11))相中，使該丫'相穩(wěn)定。1 &的含有率不足0.05%時， 不能發(fā)揮上述效果。另一方面，當(dāng)Ta的含有率超過0.7%時，鍛造性降低。因此，使Ta的含 有率為0.05?0.7%。另外，更優(yōu)選的Ta的含有率為0.08?0. 12%。
[0052] (9)Nb(鈮）
[0053]Nb與Ta同樣地固溶在Y'（Ni3(Al，Ti))相中，使該Y'相穩(wěn)定。當(dāng)Nb的含有率 不足0. 1 %時，不能發(fā)揮上述效果。另一方面，當(dāng)Nb的含有率超過0.7%時，熔化或鑄造時 導(dǎo)致偏析的同時，鍛造性降低。因此，使Nb的含有率為0.1?0.7%。另外，更優(yōu)選的Nb的 含有率為0. 2?0. 5%。
[0054] (10)M〇+0. 176Cr+0. 037C〇
[0055]如上所述，高濃度固溶體中的固溶強(qiáng)化量與溶質(zhì)原子濃度的2/3乘方成比例，與 因原子尺寸差導(dǎo)致的錯配應(yīng)變的4/3乘方成比例。因此，本實(shí)施方式中，對于認(rèn)為有助于固 溶強(qiáng)化的Mo、Cr、Co,由每1質(zhì)量％的原子數(shù)和各自的原子半徑定義表示固溶強(qiáng)化的參數(shù)。 另外，本實(shí)施方式中因?yàn)镃(碳）的含有率小，所以從參數(shù)中排除C。
[0056]Mo、Cr、Co的原子量分別為95. 9、52. 0、58. 9。對于等量添加各個元素時的原子數(shù) 之比來說，當(dāng)使Mo為1時，Cr、Co分別為1.84、1.62。它們的比的2/3乘方分別為1、1.50、 1. 38。
[0057] 另外，添加各元素時所產(chǎn)生的錯配應(yīng)變由與Ni原子的原子尺寸差決定。Ni原子與 m〇、Cr、c〇原子的原子半徑差分別為(埃）、（XG3A、(IGlA。因此,對于添加各元 素時的錯配應(yīng)變量之比來說，當(dāng)使Mo為1時，Cr、Co分別為0. 200、0. 067。它們的比的4/3 乘方分別為l、〇. 117、0. 027。
[0058] 因此，對于各元素每1質(zhì)量％的固溶強(qiáng)化量之比來說，當(dāng)使Mo為1時，Cr為 0? 176(1. 50X0. 117 = 0? 176)、Co為 0? 037(1. 38X0. 027 = 0? 037)。根據(jù)這些結(jié)果，作為 表現(xiàn)固溶強(qiáng)化量的參數(shù)，設(shè)定為"Mo+0. 0176Cr+0. 037C〇"。
[0059] 當(dāng)該參數(shù)的值（含有率）超過15%時，固溶強(qiáng)化量變得過剩，使鍛造時的變形能 惡化。另一方面，當(dāng)參數(shù)的值不足10%時，固溶強(qiáng)化量顯著降低，不能得到充分的強(qiáng)度。因 此，使上述參數(shù)的值為10%?15%。另外，更優(yōu)選的上述參數(shù)值為11?13. 5%。
[0060] 還有，認(rèn)為對于因元素添加所導(dǎo)致的錯配應(yīng)變，嚴(yán)格地說，不僅原子尺寸、而且與 Ni或其他原子的相互作用等也會帶來影響。但是，這里為了簡便，由各溶質(zhì)原子與Ni原子 之差明確地決定錯配應(yīng)變值。進(jìn)而，已知Mo、Cr與C鍵合而形成碳化物，但因?yàn)镃的含有率 很低，所以忽略因碳化物所導(dǎo)致的Mo、Cr的消耗。
[0061](11)Si(硅）、Mn(錳）、N(氮）、Cu(銅）、Fe(鐵）及S(硫）
[0062]Si、Mn、N、Cu、Fe及S在實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金中被分類為不可避免的雜質(zhì)。 這些不可避免的雜質(zhì)優(yōu)選盡量使其殘存含有率接近0%。另外，這些不可避免的雜質(zhì)中，優(yōu) 選至少抑制Si和Mn為小于等于0. 1 %、以及N為小于等于0. 01 %。
[0063] 普通鋼的情況下，Si為了增強(qiáng)耐腐蝕性而添加。但是，Ni基合金的Cr含量多、可 以充分地確保耐腐蝕性。因此，使Si的殘存含有率為小于等于0. 1%，優(yōu)選盡量使其殘存含 有率接近0%。
[0064] 普通鋼的情況下，Mn使導(dǎo)致脆性的S(硫）變?yōu)镸nS來防止脆性。但是，Ni基合金 中的S的含量極少，沒有必要添加Mn。因此，使Mn的殘存含有率為小于等于0. 1 %，優(yōu)選盡 量使其殘存含有率接近〇 %。
[0065]N通過與材料中的Ti發(fā)生反應(yīng)而形成TiN，減少有助于Y'相生成的Ti。作為其 結(jié)果，機(jī)械強(qiáng)度降低。因此，使N的殘存含有率為小于等于0. 01 %，優(yōu)選盡量使其殘存含有 率接近0%。
[0066] 這里，對實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金以及使用該鍛造用Ni基合金制造的渦輪機(jī) 部件的制造方法進(jìn)行說明。
[0067] 上述實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金例如如下制造。
[0068]首先，將構(gòu)成Ni基合金的組成成分進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉（VM)，將其熔融金屬注入 到規(guī)定的型箱中形成鑄錠。然后，對該鑄錠實(shí)施浸透處理、熱鍛造、固溶處理、時效處理等， 從而制作。
[0069] 作為渦輪機(jī)部件的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子例如如下制作。
[0070] 例如，作為1個方法（雙熔），對構(gòu)成實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金的組成成分進(jìn)行 真空感應(yīng)熔煉（VIM)、電渣重熔（ESR)，流入至規(guī)定的模具中。接著，實(shí)施浸透處理、鍛造處 理、固溶處理、時效處理等，制作渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子。
[0071] 作為其他的方法（雙熔），對構(gòu)成實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金的組成成分進(jìn)行真 空感應(yīng)熔煉（VIM)、真空電弧重熔（VAR)，流入至規(guī)定的模具中。接著，實(shí)施浸透處理、鍛造 處理、固溶處理、時效處理等，制作渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子。
[0072] 進(jìn)而，作為其他的方法（三熔），對構(gòu)成實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金的組成成分 進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉（VIM)、電渣重熔（ESR)、真空電弧重熔（VAR)，流入至規(guī)定的模具中。接 著，實(shí)施浸透處理、鍛造處理、固溶處理、時效處理等，制作渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子。
[0073] 通過上述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的制造方法，制造渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的至少規(guī)定部位。作為規(guī)定部 位，可舉出在渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子中例如暴露于大于等于700°C高溫的部位等。此時，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子中 例如暴露于600°C左右的溫度的部位通過以往的耐熱合金制造。進(jìn)而，例如利用焊接將具有 通過上述制造方法制造的實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金的部件和以往的具有耐熱合金的部 件接合，構(gòu)成渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子。另外，實(shí)施方式的具有鍛造用Ni基合金的部件與以往的具有耐 熱合金的部件的接合方法并非限定于焊接，也可通過例如螺栓和螺母進(jìn)行緊固連接。
[0074] 如此，通過將構(gòu)成渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的部件分開制作，即便是小鋼錠的Ni基合金，也可 制造能夠在大于等于700°C高溫環(huán)境中使用的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子。另外，根據(jù)所使用的溫度條件， 也可以利用上述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的制造方法制造全部渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子。
[0075] 作為渦輪機(jī)部件的動葉、靜葉、螺合構(gòu)件例如如下制作。
[0076] 首先，對構(gòu)成實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金的組成成分進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉（VIM)、 電渣重熔（ESR)。接著，在減壓氣氛下將熔融的合金流入到規(guī)定的模具中，制作鑄錠，實(shí)施浸 透處理。進(jìn)而，將該鑄錠配置在對應(yīng)于上述渦輪機(jī)部件形狀的模具中實(shí)施鍛造處理、固溶處 理、時效處理等，從而制作動葉、靜葉、螺合構(gòu)件。即，動葉、靜葉、螺合構(gòu)件通過模具鍛造制 作。
[0077] 另外，作為其他的方法（雙熔），例如對構(gòu)成實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金的組成成 分進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉（VIM)、真空電弧重熔（VAR)。接著，在減壓氣氛下將熔融的合金流入 到規(guī)定的模具中，制作鑄錠。然后，對鑄錠實(shí)施浸透處理，與上述同樣地實(shí)施鍛造處理、固溶 處理、時效處理等，也可制作動葉、靜葉、螺合構(gòu)件。
[0078] 另外，作為其他的方法（三熔），對構(gòu)成實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金的組成成分進(jìn) 行真空感應(yīng)熔煉（VIM)、電渣重熔（ESR)、真空電弧重熔（VAR)。接著，在減壓氣氛下將熔融 的合金流入到規(guī)定的模具中，制作鑄錠。然后，對鑄錠實(shí)施浸透處理，與上述同樣地實(shí)施鍛 造處理、固溶處理、時效處理等，也可制作動葉、靜葉、螺合構(gòu)件。
[0079] 作為實(shí)施方式的鍛造部件的配管例如如下制作。
[0080] 首先，對構(gòu)成實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金的組成成分進(jìn)行電爐熔化（EF)，進(jìn)行 氬-氧脫炭（A0D)，制作鑄錠。接著，對鑄錠實(shí)施浸透處理。通過立式壓制機(jī)對該鑄錠穿孔， 制作杯子狀的原管。然后，通過臥式壓制機(jī)反復(fù)進(jìn)行利用心軸和模的加工及再加熱，將原管 成型為配管的形狀。該加工方法是艾哈德頂管制管法。然后，實(shí)施固溶處理、時效處理等， 制作配管。
[0081] 另外，制作渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子、動葉、靜葉、螺合構(gòu)件、配管的方法并非限定于上述方法。 另外，上述的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子、動葉、靜葉、螺合構(gòu)件、配管等鍛造部件例如可以應(yīng)用于蒸汽渦輪 機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)、co2渦輪機(jī)等發(fā)電用渦輪機(jī)。
[0082] 這里，對于制造上述鍛造用Ni基合金和渦輪機(jī)部件時的各熱處理進(jìn)行說明。還 有，各熱處理的溫度根據(jù)所處理的鍛造用Ni基合金或渦輪機(jī)部件等在以下所示的各個范 圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)定。另外，各處理時間也根據(jù)所處理的鍛造用Ni基合金或渦輪機(jī)部件等適當(dāng)?shù)?進(jìn)行設(shè)定。
[0083] 浸透處理中，由于因熱擴(kuò)散而減少化學(xué)成分的偏析，因此有必要在高溫下對合金 加熱充分的時間。因此，浸透處理優(yōu)選在1000?1200°c的溫度范圍內(nèi)實(shí)施。
[0084] 鍛造有必要在得到材料充分變形能的溫度至無延展性溫度的范圍內(nèi)進(jìn)行。因此， 鍛造優(yōu)選在950?1KKTC的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
[0085] 固溶處理中，優(yōu)選在1050?1200°C的溫度范圍內(nèi)維持1?24小時。這里，進(jìn)行固 溶處理的原因在于，使合金元素充分地固溶在母相中、充分地得到固溶強(qiáng)化的效果同時可 控制之后的熱處理所導(dǎo)致的析出物的析出。另外，固溶處理有時也以調(diào)整結(jié)晶粒徑為目的 而進(jìn)行。
[0086] 當(dāng)固溶處理的溫度低于1050°C時，合金元素不會完全地固溶在母相中，固溶強(qiáng)化 元素所產(chǎn)生的強(qiáng)化未充分地進(jìn)行。而且，固溶處理后的熱處理所導(dǎo)致的析出相的析出形態(tài) 的控制也變難。另一方面，當(dāng)固溶處理的溫度超過1200°C時，引起結(jié)晶粒徑的粗大化、機(jī)械 強(qiáng)度降低。因此，使固溶處理的溫度為1050?1200°C。另外，更優(yōu)選使固溶處理的溫度為 1050?1150°C。還有，經(jīng)固溶處理的Ni基合金或渦輪機(jī)部件例如通過水冷或強(qiáng)制空冷等 被冷卻至室溫。
[0087] 接著，對施加于在固溶處理后冷卻至室溫的Ni基合金或渦輪機(jī)部件的時效處理 進(jìn)行說明。
[0088] 時效處理中，優(yōu)選在700?800°C的溫度范圍內(nèi)維持5?50小時。該時效處理還 可以多段地進(jìn)行。另外，時效處理后，Ni基合金或渦輪機(jī)部件例如通過水冷或爐冷被冷卻 至室溫。
[0089] 這里，對將時效處理中的溫度和時間設(shè)為上述范圍的理由進(jìn)行說明。
[0090] 時效處理的主要目的在于控制析出至結(jié)晶粒內(nèi)的Y'相的析出形態(tài)。另外，時效 處理還對晶界的性狀造成影響。因此，對于時效處理來說，有必要考慮結(jié)晶粒內(nèi)和晶界的組 織來選定溫度、時間條件。
[0091] 圖2和圖3是為了說明根據(jù)時效處理的條件而析出至晶界的碳化物的析出形態(tài) 而示出Ni基合金的金屬組織的電子顯微鏡照片的圖。這里所示的Ni基合金的組成是C 為 0? 04%、Cr為 18%、Co為 12%、Mo為 9%、A1 為 1. 3、Ti為 1. 4%、B為 0? 003%、Ta為 0.1%、他為0.3%、剩余部分為附。圖2表示在8501：的溫度下進(jìn)行時效處理10小時后的 金屬組織、圖3表示在750°C的溫度下時效處理10小時后的金屬組織。另外，浸透處理和固 溶處理在上述范圍內(nèi)進(jìn)行。其中，圖2和圖3還顯示了析出物13U'相）。
[0092] 通常的時效處理中，如圖2所示，膜狀的碳化物11按照將Ni基合金的晶界覆蓋的 方式析出。該膜狀的碳化物11是以Cr、Mo為主成分的脆的碳化物（M23C6型碳化物）。該碳 化物11會促進(jìn)晶界的破壞、顯著地降低材料的韌性。因此，認(rèn)為有必要進(jìn)行防止覆蓋晶界 的膜狀碳化物11的析出的時效處理。
[0093] 但是，如圖3所示，根據(jù)時效處理的條件，覆蓋晶界的膜狀碳化物的厚度變薄。另 夕卜，碳化物沿著晶界連續(xù)地析出。本發(fā)明人們發(fā)現(xiàn)材料試驗(yàn)的結(jié)果為，當(dāng)該碳化物的厚度充 分薄時，不會發(fā)生延韌性的降低。上述的溫度和時間規(guī)定在滿足相的微細(xì)析出和抑制 覆蓋晶界的碳化物的粗大化這兩者的范圍內(nèi)。
[0094] 當(dāng)時效處理的溫度比700°C還低時，雖然可以抑制覆蓋晶界的碳化物的粗大化，但 相的成長顯著遲緩。因此，不能得到因相析出所帶來的機(jī)械強(qiáng)度的提高。另一方 面，時效處理的溫度超過800°C時，可達(dá)成相的微細(xì)析出、得到充分的強(qiáng)度。但是，覆蓋 晶界的碳化物的粗大化明顯，韌性降低。
[0095] 因此，使時效處理的溫度為700?800°C。這里，為了 相的早期析出，還可以以 2段等多段對時效處理進(jìn)行熱處理。此時，溫度也在上述時效處理的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)定。 另外，多段的總熱處理時間也在上述時效處理的時間范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)定。例如，可例示出在 800°C的溫度下維持10小時、之后在750°C的溫度下維持20小時的處理等。另外，從800°C 至750°C的溫度降低例如通過爐冷進(jìn)行。
[0096] 時效處理后的冷卻例如通過爐冷和空冷進(jìn)行。當(dāng)多段地進(jìn)行時效處理時，各時效 處理之間的冷卻如上所述例如通過爐冷進(jìn)行。進(jìn)而，不冷卻至室溫，連續(xù)地進(jìn)行時效處理。
[0097] 這里，對于固溶處理后冷卻至室溫的Ni基合金或渦輪機(jī)部件，在進(jìn)行時效處理之 前還可進(jìn)行中間熱處理。該中間熱處理的目的在于，為了抑制覆蓋晶界的膜狀碳化物的析 出或粗大化，在時效處理前首先沿著晶界斷續(xù)地形成塊狀的碳化物。該碳化物也是以Cr、 Mo為主成分的碳化物（M23C6型的碳化物）。
[0098] 中間熱處理優(yōu)選在1000?1050°C的溫度范圍內(nèi)實(shí)施。當(dāng)中間熱處理溫度低于 1000°C時和超過1050°C時，塊狀的碳化物不會析出。中間熱處理的時間根據(jù)所處理的Ni基 合金或渦輪機(jī)部件等適當(dāng)設(shè)定。
[0099]其中，當(dāng)C(碳）的含有率充分少時，由于晶界上的膜狀碳化物的析出不明顯，因此 還可省略該中間熱處理。C的含有率充分少的情況根據(jù)結(jié)晶粒徑等的不同而不同，是指C的 含有率例如為小于等于〇. 04%的情況。中間熱處理后的冷卻例如通過爐冷、水冷或強(qiáng)制空 冷等進(jìn)行。進(jìn)而，將Ni基合金或渦輪機(jī)部件冷卻至室溫。
[0100] (化學(xué)組成的影響）
[0101] 以下對實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金的優(yōu)良的強(qiáng)度特性和鍛造性進(jìn)行說明。
[0102] 表1顯示了強(qiáng)度特性、鍛造性等評價中使用的試樣1?試樣21的化學(xué)組成。其 中，表1所示的試樣1?試樣13是處于實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金的化學(xué)組成范圍的Ni 基合金，試樣14?試樣21是其組成不在實(shí)施方式的鍛造用Ni基合金的化學(xué)組成范圍內(nèi)的 Ni基合金，為比較例。
[0103]表1
[0104]質(zhì)量 ％
[0105]

【權(quán)利要求】
1. 一種鍛造用Ni基合金，其以質(zhì)量％計含有C :0. 01?0. 07%、Cr :14?26%、Co : 10 ?15%、Mo :5 ?12%、A1 :0? 8 ?3%、Ti :0? 8 ?3%、B :0? 001 ?0? 006%，剩余部分由 Ni和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，且滿足10質(zhì)量Mo+0. 176Cr+0. 037C〇 < 15質(zhì)量％的關(guān)系， 沿著晶界析出的碳化物的平均厚度小于等于250nm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍛造用Ni基合金，其進(jìn)一步含有0. 05?0. 7質(zhì)量％的Ta。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍛造用Ni基合金，其進(jìn)一步含有0. 1?0. 7質(zhì)量％的Nb。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍛造用Ni基合金，其進(jìn)一步含有0. 05?0. 7質(zhì)量％的Ta和 0. 1?0.7質(zhì)量％的吣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍛造用Ni基合金，其是在1050?1200°C的溫度下實(shí)施固溶 處理、在700?800°C的溫度下實(shí)施時效處理、從而使所述碳化物析出而得到的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鍛造用Ni基合金，其是在1050?1200°C的溫度下實(shí)施固溶 處理、在700?800°C的溫度下實(shí)施時效處理、從而使所述碳化物析出而得到的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的鍛造用Ni基合金，其是在1050?1200°C的溫度下實(shí)施固溶 處理、在700?800°C的溫度下實(shí)施時效處理、從而使所述碳化物析出而得到的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鍛造用Ni基合金，其是在1050?1200°C的溫度下實(shí)施固溶 處理、在700?800°C的溫度下實(shí)施時效處理、從而使所述碳化物析出而得到的。
9. 一種鍛造用Ni基合金的制造方法，其具備： 將Ni基合金原材料熔融、形成規(guī)定形狀的結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)體形成工序，其中所述Ni基合 金原材料以質(zhì)量％計含有c :0? 01?0? 07%、Cr :14?26%、Co :10?15%、Mo :5?12%、 A1 :0. 8?3%、Ti :0. 8?3%、B :0. 001?0. 006%，剩余部分由Ni和不可避免的雜質(zhì)構(gòu) 成，且滿足10質(zhì)量Mo+0. 176Cr+0. 037C〇彡15質(zhì)量％的關(guān)系； 在1050?1200°C的溫度下對所述結(jié)構(gòu)體進(jìn)行固溶處理的固溶處理工序；和 在700?800°C的溫度下對實(shí)施了所述固溶處理的所述結(jié)構(gòu)體進(jìn)行時效處理的時效處 理工序， 其中，通過實(shí)施所述固溶處理工序和所述時效處理工序，使平均厚度小于等于250nm 的碳化物沿著晶界析出。
10. -種渦輪機(jī)部件，其是使用權(quán)利要求1所述的鍛造用Ni基合金制作了至少規(guī)定部 位而成的。
11. 一種渦輪機(jī)部件，其是使用權(quán)利要求2所述的鍛造用Ni基合金制作了至少規(guī)定部 位而成的。
12. -種渦輪機(jī)部件，其是使用權(quán)利要求3所述的鍛造用Ni基合金制作了至少規(guī)定部 位而成的。
13. -種渦輪機(jī)部件，其是使用權(quán)利要求4所述的鍛造用Ni基合金制作了至少規(guī)定部 位而成的。
14. 一種渦輪機(jī)部件，其是使用權(quán)利要求5所述的鍛造用Ni基合金制作了至少規(guī)定部 位而成的。
15. -種渦輪機(jī)部件，其是使用權(quán)利要求6所述的鍛造用Ni基合金制作了至少規(guī)定部 位而成的。
16. -種渦輪機(jī)部件，其是使用權(quán)利要求7所述的鍛造用Ni基合金制作了至少規(guī)定部 位而成的。
17. -種渦輪機(jī)部件，其是使用權(quán)利要求8所述的鍛造用Ni基合金制作了至少規(guī)定部 位而成的。
【文檔編號】F01D5/28GK104342585SQ201410386619
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月7日
【發(fā)明者】宮下重和, 今井潔, 根本邦義, 生沼駿, 巖井章吾, 須賀威夫 申請人:株式會社東芝