[发明专利]镍基合金热处理，镍基合金，和包括镍基合金的制品

说明书

技术背景

技术领域

本发明的实施方案一般涉及热处理镍基合金的方法。

技术背景的描述

合金718(UNS07718)为最广泛使用的镍基合金之一并且一般描述于美国专利No.3,046,108，所述专利的说明书在此通过引入整体并入本文。合金718包含示于下表范围内的元素组分，外加附带杂质。

合金718的广泛使用至少部分地归因于所述合金的若干有利性能。例如，合金718具有高达约1200°F(648.9℃)的高强度和应力断裂性能。另外，合金718具有良好的加工特性，诸如有利的可铸性和热加工性以及良好的焊接性。这些特性使得人们易于制造由合金718制成的元件并且，当需要时，修复那些元件。如下文论述，合金718的若干有利性能来源于合金的沉淀硬化微结构，所述微结构主要由γ″相沉淀物强化。

沉淀硬化的镍基合金包括两种主要的强化相：γ'相(或“伽玛'”)沉淀物和γ″相(或“伽玛″”)沉淀物。γ'相和γ″相均为化学计量的、富含镍的金属间化合物。然而，γ'相通常包含铝和钛(即，Ni₃(Al,Ti))作为主要的合金元素，而γ″相主要包括铌(即,Ni₃Nb)。当γ'相和γ″相均在面心立方奥氏体基体(austenite matrix)中形成相干的沉淀物时，因为与γ″相沉淀(其具有体心四方晶体结构)相关的适配应变能(misfit strain energy)比γ'相沉淀物(其具有面心立方晶体结构)相关的适配应变能大，所以γ″相沉淀物往往是比γ'相沉淀物更有效的强化剂。即，对于相同的沉淀体积分数和粒径，主要由γ″相沉淀物强化的镍基合金一般强于主要由γ'相沉淀物强化的镍基合金。

包括γ″相沉淀物强化的微结构的镍基合金的一个缺点为γ″相在高于约1200°F(648.9℃)的温度下为不稳定的并且将转化成更稳定的δ相(或“德尔塔相”)。虽然δ相沉淀物具有与γ″相沉淀物(即，Ni₃Nb)相同的组成，但是δ相沉淀物具有正交的晶体结构并且与奥氏体基体不相干。因此，δ相沉淀物在基体上的强化作用一般被认为可忽略的。因此，转化成δ相的结果为合金718的某些机械性能，诸如应力断裂寿命，在高于约1200°F(648.9℃)的温度下迅速地退化。因此，合金718的用途通常局限于其中合金经受低于1200°F(648.9℃)的温度的应用中。

为了形成所需的沉淀硬化微结构，镍基合金经受热处理或沉淀硬化过程。镍基合金的沉淀硬化过程一般包括通过在足以基本上溶解合金中所有γ'相和γ″相沉淀物的温度(即，接近、在或高于沉淀物的固溶温度)下加热合金来固溶处理所述合金，将所述合金从固溶处理温度冷却，随后在一个或多个时效步骤中使所述合金时效。时效在低于γ沉淀物的固溶温度的温度下进行以便使得所需沉淀物以可控方式形成。

镍基合金中所需微结构的形成取决于使用的合金组成和沉淀硬化过程(即，固溶处理和时效方法)。例如，对于用于高温使用的合金718，通常的沉淀硬化程序包括在1750°F(954.4℃)的温度下将所述合金固溶处理1至2小时，将所述合金空气冷却，然后在两步时效方法中使所述合金时效。第一时效步骤包括将合金在1325°F(718.3℃)的第一时效温度下加热8小时，以约50至100°F/小时(28至55.6℃/小时)将所述合金冷却至1150°F(621.2℃)的第二时效温度并在所述第二时效温度下将所述合金时效8小时。此后，将所述合金空气冷却至室温。在上述热处理之后产生的沉淀硬化微结构由不连续的γ'相和γ″相沉淀物组成，但主要由γ″相沉淀物强化，其中少量的γ'相沉淀物起到次级强化作用。

为了努力增加镍基合金的允许使用温度，已经开发了若干γ'相强化镍基合金。此类合金的一个实例为沃斯帕洛伊(Waspaloy)镍基合金(UNS N07001)，所述合金可以ATI沃斯帕洛伊合金从ATI Allvac,Monroe,North Carolina USA商购获得。因为沃斯帕洛伊镍基合金包括比合金718高水平的合金添加剂，包括镍、钴和钼，所以沃斯帕洛伊合金通常比合金718的成本高。另外，由于相对于γ″相沉淀物，γ'相沉淀物具有较快的沉淀动力学，所以沃斯帕洛伊合金的热加工性和焊接性通常被认为比合金718差。