TWI612143B

TWI612143B - 析出強化型鎳基合金及其製造方法

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Publication number: TWI612143B
Application number: TW105132923A
Authority: TW
Inventors: 李名言; 賴建霖; 郭世明; 葉安洲; 陳勇達
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2018-01-21
Also published as: TW201814059A

Abstract

本發明提供一種高強度析出強化型鎳基合金及其製造方法。在上述方法中，利用特定組成之合金胚，進行熱加工處理以及時效處理，以製得析出強化型鎳基合金。所得之析出強化型鎳基合金具有較高之強度並兼具延展性。

Description

析出強化型鎳基合金及其製造方法

本發明是有關於一種高強度析出強化型鎳基合金及其製造方法，且特別是有關於一種藉由熱加工處理以及時效處理，排除進行退火處理以及冷加工處理之析出強化型鎳基合金的製造方法，以製得具有較高之強度並兼具延展性之析出強化型鎳基合金。

析出強化型鎳基合金(例如：Alloy 718和A-286等)，因兼具高溫強度高、抗高溫氧化能力強以及良好的抗腐蝕性，常使用於高溫機械性質的場合，例如：發動機組件、渦輪引擎緊固件、高溫軸承、加熱爐外罩或核電廠爐體等。鎳基合金的主要成分為鎳元素，其結構主要為面心立方結構，而由於添加如鋁、鈦及/或鈮等強化元素，故可利用時效處理等熱處理方法，析出Ll₂結構之γ’相(Ni₃(Ti,Al))以及DO₂₂結構γ”相(Ni₃Nb)。

一般而言，為將上述析出強化型鎳基合金應用於高強度需求之領域(例如：採礦業或鑽油業)，一般品級規範之機械性質不敷使用(一般品級之規範為不小於1214MPa之抗拉強度、不小於1034MPa之降伏強度以及不小於12%的伸長率)，故會在製程中進行退火處理和冷加工處理，以使析出強化型鎳基合金的強度可進一步提升，至高強度鎳基合金之目標為不大於1670MPa之抗拉強度、不小於1400MPa之降伏強度以及不小於10%的伸長率。

然而，上述方法不僅製程步驟繁複、製造成本高，所製得之析出強化型鎳基合金由於製程裕度小，僅能用於一般工業應用的需求。

因此，目前亟需提出一種析出強化型鎳基合金的製造方法，其可省略習知的退火處理和冷加工處理，製得兼具強度與延展性的析出強化型鎳基合金，以符合高強度應用的需求。

因此，本發明之一態樣是在提供一種析出強化型鎳基合金的製造方法，其可省略習知的退火處理和冷加工處理，製得兼具強度與延展性的析出強化型鎳基合金，故本發明之製造方法具有較低的生產成本，且能具有較佳的製程裕度(即強化至相同強度時還可保持較高之延展性)。

本發明之另一態樣是在提供一種析出強化型鎳基合金，其係藉由上述的製造方法製得。

根據本發明之上述態樣，提出一種析出強化型鎳基合金的製造方法。在一實施例中，上述製造方法可包含下述步驟。首先，提供合金胚，其可包含下述成分：10重量百分比(wt.%)至25wt.%之鉻、5wt.%至60wt.%之鐵、0.0lwt.%至0.1wt.%之碳、0.2wt.%至1.2wt.%之鋁、0.5wt.%至2.0wt.%之鈦、4.0wt.%至6.0wt.%之鈮、1.0wt.%至8.0wt.%之鉬、小於5wt.%之少量元素以及餘量的鎳，且鎳至少為22wt.%，其中上述少量元素可包含鈷、銅、硼、錳、矽或其組合。接著，對上述合金胚進行熱加工處理，以形成熱加工合金材，其中熱加工處理之最終溫度可為850℃至1050℃，且總裁減率可為35%以上。然後，對熱加工合金材進行時效處理，以製得析出強化型鎳基合金。時效處理可包含於690℃至750℃下進行6小時至10小時之第一階段時效處理，以及於590℃至650℃下進行2小時至14小時之第二階段時效處理。本發明之析出強化型鎳基合金的製造方法排除進行退火處理以及冷加工處理。

依據本發明之一實施例，上述合金胚可由上述成分之合金材料，經熔煉處理以及精煉處理而製得。

依據本發明之一實施例，上述熔煉處理可包含燃料加熱爐熔煉、非真空電爐熔煉、真空感應爐熔煉或真空電弧熔煉。

依據本發明之一實施例，精煉處理可包含氬氣吹氧脫碳處理、真空吹氧脫碳處理、電渣重熔處理或電弧重熔處理。

依據本發明之一實施例，本製造方法於熱加工處理與時效處理之間，可更包含精整處理。

依據本發明之一實施例，本製造方法於時效處理後，可更包含精整處理。

依據本發明之一實施例，上述精整處理可包含酸洗、整圓、定切、矯直、削皮、壓光、研磨或上述之任意組合。

依據本發明之一實施例，總裁減率可為35%至80%。

依據本發明之一實施例，第一階段時效處理可於690℃至740℃下進行，且第二階段時效處理可於590℃至620℃下進行。

根據本發明之上述態樣，更提出一種析出強化型鎳基合金，其係藉由上述析出強化型鎳基合金的製造方法而製得。在一實施例中，析出強化型鎳基合金較佳可具有不大於1670MPa之抗拉強度、不小於1400MPa之降伏強度以及不小於10%之伸長率。

應用本發明之析出強化型鎳基合金之其製造方法，可省略習知的退火處理以及冷加工處理，透過特定溫度以及總裁減率的熱加工處理和時效處理，可製得具有較高之強度並兼具延展性的析出強化型鎳基合金。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：

[圖1A]係繪示本發明之實施例1之析出強化型鎳基合金的微組織之電子顯微鏡，其比例尺為50μm。

[圖1B]係繪示本發明之比較例5的鎳基合金之微組織之電子顯微鏡，其比例尺為100μm。

本發明之一態樣是在提供一種析出強化型鎳基合金的製造方法，其係對特定組成之合金胚，施予特定最終溫度和總裁減率之熱加工處理以及特定溫度之時效處理，以製得兼具強度和延展性的析出強化型鎳基合金，其符合高強度應用需求的規範。特別是，本發明之製造方法省略習知的退火處理和冷加工處理，從而可簡化製程步驟、降低製造成本並增加製程裕度。

本發明此處所稱之最終溫度可例如為完軋溫度或完鍛溫度。

本發明此處所稱之高強度應用需求即例如將析出強化型鎳基合金應用於採礦或鑽油業等工具上，其規範之適用的強度以及延展性為不大於1670MPa之抗拉強度、不小於1400MPa之降伏強度以及不小於10%的伸長率。

本發明此處所稱之製程裕度係指藉由本發明之製造方法，可同時提升析出強化型鎳基合金的強度以及延展性，故可符合高強度場合之應用需求。

本發明此處所稱之合金胚可包括下述成分：10重量百分比(wt.%)至25wt.%之鉻、5wt.%至60wt.%之鐵、0.01wt.%至0.1wt.%之碳、0.2wt.%至1.2wt. %之鋁、0.5wt.%至2.0wt.%之鈦、4.0wt.%至6.0wt.%之鈮、1.0wt.%至8.0wt.%之鉬、小於5wt.%之其他少量元素以及餘量的鎳，且鎳至少為22wt.%。

在一實施例中，上述少量元素可包含鈷、矽、銅、硼、錳或上述之任意組合。

合金胚中的鎳元素可提供所製得之析出強化型鎳基合金的耐腐蝕性，特別是針對應力腐蝕或硫化物應力腐蝕。此外，鎳可與鈮、鋁及/或鈦形成強韌化之析出相組織，以增加析出強化型鎳基合金的強度。因此，倘若合金胚中的鎳元素過少，則析出強化型鎳基合金無法達到預定的強度，且耐腐蝕性較差。

上述鉻元素可提供析出強化型鎳基合金之耐腐蝕性，因此若合金胚中的鉻元素過少，析出強化型鎳基合金耐腐蝕性不佳。另一方面，過多的鉻元素會影響合金胚的熱穩定性和延展性，故鉻元素含量以本發明主張之範圍為較佳。

承前所述，鈮元素可與鎳元素形成強韌化相組織，於時效處理中，有助於析出強化型鎳基合金的強度之提升，使析出強化型鎳基合金可兼具強度和延展性。然而，過多的鈮元素易於鑄造時大量偏析，造成晶粒不均勻而難以加工。

上述之鈦元素和鋁元素有助於提升析出強化型鎳基合金的強度。但過多的鈦元素和鋁元素不利於鎳基合金基體之穩定性，故鈦元素和鋁元素以本發明主張之含量範圍為宜。

碳元素具有固溶強化作用，適量的碳可提高析出強化型鎳基合金的強度。然而，倘若碳元素的含量過多，將導致析出強化型鎳基合金的耐腐蝕性劣化。

上述鉬元素可提升析出強化型鎳基合金之耐點蝕、縫蝕等局部腐蝕之能力，特別是提升於鹵素離子或還原性介質中的耐腐蝕性。然而，過多的鉬元素也會造成合金胚的熱穩定性和延展性不佳。

上述之鈷、矽、銅、硼、錳等少量元素易於在析出強化型鎳基合金中形成有害相(例如脆性較高的相)，或增加生產成本，因此上述微量元素的含量以不超過5wt.%為佳。

合金胚的製造方法

在一實施例中，上述合金胚可利用包含前述成分的合金材料，經過熔煉處理和精煉處理而製得。具體而言，熔煉處理可包含燃料加熱爐熔煉、非真空電爐熔煉(Electric Arc Furnace；EAF)、真空感應爐熔煉(Vacuum Induction Melting；VIM)或真空電弧熔煉(Vacuum Arc Melting；VAM)。而精煉處理可包含氬氣吹氧脫碳(Argon Oxygen Decarburization；AOD)處理、真空吹氧脫碳(Vacuum Oxygen Decarburization；VOD)處理、電渣重熔(Electroslag Remelting；ESR)處理或電弧重熔(Vacuum Arc Remelting；VAR)處理。

析出強化型鎳基合金的製造方法

接下來依序說明本發明之析出強化型鎳基合金的製造方法。

1.熱加工處理

在一實施例中，首先將前述之特定組成的合金胚進行熱加工處理，以形成熱加工合金材。具體而言，熱加工處理可為熱軋或熱鍛。熱加工處理之最終溫度以不大於完全再結晶溫度為宜，本發明主張之合金胚的完全再結晶溫度為大於1050℃。較佳地，熱加工處理可具有850℃至1050℃之最終溫度，以及35%以上之總裁減率。在一較佳的例子中，熱加工處理的總裁減率可為35%至80%。

在一例子中，上述熱加工合金材為線材，其總裁減率可利用下式(I)計算：總裁減率=(A₀-A_f)/A₀×100% (I)

其中A₀代表作為合金胚原始的截面積(可例如為圓柱狀胚或其他形狀之合金胚)，A_f代表熱加工後合金材之線材的截面積。

本發明之熱加工處理，可透過特定的最終溫度以及總裁減率，使得熱加工合金材具有較小的晶粒(例如小於20μm)和高差排密度，以達到細晶強化以及加工硬化的效果。進一步而言，根據如式(II)所示之霍爾-佩奇方程式(Hall-Petch relation)可了解，當晶粒越小時，晶界的表面積越大，而晶界可阻礙差排的移動，因此細化晶粒可提高熱加工合金材的強度。

降伏應力(Yield Stress)=σ₀+kD^-1/2 (II)

其中σ₀代表摩擦應力，k代表鎖定參數(Locking Parameter)，以及D代表晶粒大小。

此外，根據式(III)之關係式，熱加工處理所產生的應變量(例如本發明此處所稱之總裁減率)，與差排密度成正相關。在不高於完全再結晶溫度之處理溫度下進行本發明之熱加工處理時，合金胚發生塑性變形，使得晶粒扭曲而差排密度增加，從而使所得之熱加工合金材的強度增加但延展性下降。

△τ=Gαbρ^1/2 (III)

其中△τ代表加工應變量，G代表剪力模數(Shear Modulus)，α為常數，b代表伯格斯矢量(Burgers vector)，以及ρ代表差排密度。

因此，倘若熱加工處理的最終溫度低於850℃，則熱加工合金材的延展性不足。另一方面，倘若熱加工處理的最終溫度高於1050℃，會引發完全再結晶而影響差排密度，進而降低析出強化型鎳基合金的強度。此外，倘若上述總裁減量低於35%，會使得熱加工合金材之差排密度增加量不足，進而降低合金的強度。而當總裁減量達80%，繼續增加總裁減量會導致合金的強度過高但延展性不足。

此外，本發明也排除在熱加工處理前，進行長時間(例如24小時至72小時)、回溶偏析成分的高溫(高於完全再結晶溫度)均勻化處理。上述均勻化處理雖可增加鎳基合金的延伸率，但同時會降低其強度、使製程時間延長，並提高成本。

2.時效處理

接著，對熱加工合金材進行時效處理。本發明此處所稱之時效處理可包含第一階段時效處理以及第二階段時效處理。第一階段時效處理可於690℃至750℃下進行6小時至10小時。第二階段時效處理可於590℃至650℃下進行2小時至14小時。在一較佳的例子中，第一階段時效處理可於690℃至740℃下進行，而第二階段時效處理可於590℃至620℃下進行。

在一例子中，第一階段時效處理可例如以爐冷進行，而第二階段時效處理可例如以空冷進行，然僅以達到本發明主張之溫度範圍為宜，並不限定於特定的處理環境。

在一實施例中，上述第一階段時效處理與第二階段時效處理之間更包含冷卻處理，其係將熱加工合金材從690℃至750℃冷卻為590℃至650℃。在一較佳的例子中，冷卻處理之冷卻速度可為80℃/小時至150℃/小時。冷卻速度若低於80℃/小時，所製得之鎳基合金的強度不足。

本發明之時效處理採取二階段式，且處理溫度範圍不同的時效處理，以避免熱加工合金材於時效處理的過程中產生有害相(如前述之脆性較高的相)。因此，倘若以同一溫度持續進行長時間的時效處理、各階段的處理時間過長或是處理溫度過高，所製得之析出強化型鎳基合金的脆性增加，造成延展性下降。另一方面，倘若上述各階段的時間過短，或是處理溫度過低，則無法發揮時效處理之強化作用，所製得之析出強化型鎳基合金無法達到預定的強度。

特別說明的是，本發明之一技術特徵在於，省略習知技術於前述熱加工處理以及時效處理之間的退火處理以及冷加工處理，直接進行時效處理，以製得兼具強度以及延展性的析出強化型鎳基合金。因此，本發明簡化習知製程的繁瑣步驟、降低生產成本，且提高製程裕度以及產能。

3.精整處理

本發明之析出強化型鎳基合金的製造方法可更包含精整處理，其可例如於熱加工處理與時效處理之間，及/或時效處理後進行。

精整處理的目的在於調整析出強化型鎳基合金的表面品質、直度或尺寸等特定規格，以符合市場需求。

在一實施例中，精整處理可包含酸洗、整圓、定切、矯直、削皮、壓光、研磨或上述之任意組合。精整處理的進行方式應為本技術領域具有通常知識者熟知，故此處不另說明。

析出強化型鎳基合金

應用本發明之析出強化型鎳基合金的製造方法而製得之析出強化型鎳基合金，符合高強度應用需求的規範。所述規範為不大於1670MPa的抗拉強度、不小於1400MPa之降伏強度以及不小於10%之伸長率，因此所述析出強化型鎳基合金係兼具強度與延展性，進而提升本發明之製造方法的製程裕度。

以下利用數個實施例具體說明本發明之析出強化型鎳基合金的製造方法。

實施例1

實施例1係將具有如表1所示之組成的合金胚，經熱軋延形成線材，其中熱軋延的完軋溫度為876℃，且總裁減率為80%。接著，將上述線材於720℃下爐冷8小時，再將上述線材於620℃下空冷8小時，即可製得實施例1之析出強化型鎳基合金，其相關的評價結果以及製程條件係詳列於表2。

實施例2至7以及比較例1

實施例2至7以及比較例1係使用與實施例1相同之方法進行，不同的是，實施例2至7以及比較例1改變其製程條件。關於實施例2至7以及比較例1之具體製程條件以及評價結果悉如表2及表3所示，此處不另贅述。特別說明的是，實施例與比較例的熱軋延之加熱溫度可例如介於 1120℃至1160℃之間，以達到預定的最終溫度。

實施例8

實施例8係將實施例4之析出強化型鎳基合金進行酸洗後，定切為長度8公尺的直棒，再由0.83mm整圓至0.15mm。之後，矯直為直度0.35mm/m，並軋光為直徑30.0mm的光面棒材。實施例8之評價結果如表2所示。

比較例2

比較例2係以如表1所示之合金胚進行熱軋延，以形成線材，其中熱軋延的完軋溫度為1063℃，以及總裁減率為80%。於980℃下對上述線材進行1小時之退火處理，以製得比較例2之鎳基合金。關於比較例2之評價結果悉如表3所示，此處不另贅述。

比較例3至8

比較例3至8係使用與比較例2相同之方法進行，不同的是，比較例3至8係改變其製程條件(例如進一步進行時效處理及/或冷加工處理)。關於比較例3至8之具體製程條件以及其評價結果悉如表3所示，此處不另贅述。

評價方式

1.強度

1-1.抗拉強度

本發明之抗拉強度係於25℃下進行標準測試方法ASTM E112之拉伸試驗而得。上述抗拉強度不大於1670MPa。

1-2.降伏強度

本發明之降伏強度係於25℃下進行標準測試方法ASTM E112之拉伸試驗而得。上述降伏強度不小於1400MPa。

2.伸長率

本發明之伸長率係於25℃下進行標準測試方法ASTM E112之拉伸試驗而得。一般而言，上述伸長率不小於10%。

根據表2可知，將特定組成之合金胚進行本發明之熱加工處理和時效處理後，可製得符合高強度應用需求的兼具強度以及延展性的析出強化型鎳基合金。特別是，當熱加工處理之完軋溫度較高時(例如本發明之實施例3)或總裁減率較大(例如本發明之實施例4)時，析出強化型鎳基合金的強度與延展性可進一步提升。再者，如實施例8所示，進一步進行精整處理，也可小幅度地提高析出強化型鎳基合金的強度。

另一方面，根據表3可知，倘若未進行本發明主張之特定完軋溫度以及總裁減率的熱加工處理，即使進行退火處理，所得之鎳基合金無法達到預定強度。進一步而言，即使為了增加強度而額外進行時效處理，甚至更進行冷加工處理，雖可保有適當的伸長率，但強度仍然不符合高強度應用需求的規範。若為提升強度而增加冷加工的裁減率，則會犧牲鎳基合金的延展性。此外，額外進行退火處理以及冷加工處理，增加製程的繁複性並且提高鎳基合金的製造成本。

再者，如比較例8所示，若時效處理之溫度高於本發明之主張，鎳基合金也無法達到預定的強度和延展性。

接著，請參考圖1A和圖1B，其中圖1A係繪示本發明之實施例1之析出強化型鎳基合金的微組織之電子顯微鏡，而圖1B係繪示本發明之比較例5的鎳基合金之微組織之電子顯微鏡。如圖1A所示，經過特定條件之熱加工處理以及時效處理而得之析出強化型鎳基合金，具有約為4.5μm之晶粒尺寸。而圖1B所示之晶粒尺寸約為8.6μm，明顯大於本發明之實施例1的晶粒。據此可知，本發明藉由特定之熱加工處理條件，達到細化晶粒，進而可提升加工強度的功效。

綜合上述，應用本發明之析出強化型鎳基合金的製造方法，可不進行習知的退火處理以及冷加工處理，藉由特定製程條件的熱加工處理以及時效處理，製得兼具強度以及延展性之析出強化型鎳基合金。因此本發明之製造方法不僅簡化習知技術繁複的製程步驟、降低生產成本，且其製程裕度大。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種析出強化型鎳基合金的製造方法，包含：提供一合金胚，其包含下述成分：10重量百分比(wt.%)至25wt.%之鉻；5wt.%至60wt.%之鐵；0.01wt.%至0.1wt.%之碳；0.2wt.%至1.2wt.%之鋁；0.5wt.%至2.0wt.%之鈦；4.0wt.%至6.0wt.%之鈮；1.0wt.%至8.0wt.%之鉬；小於5wt.%之少量元素，其中該少量元素包含鈷、銅、硼、錳、矽或其組合；以及餘量之鎳，其中該鎳至少為22wt.%，其中該合金胚之一完全再結晶溫度大於1050℃；對該合金胚進行一熱加工處理，以形成一熱加工合金材，其中該熱加工處理包含熱軋或熱鍛，該熱加工處理之一最終溫度為850℃至1050℃，且一總裁減率為35%以上；以及對該熱加工合金材進行一時效處理，以製得該析出強化型鎳基合金，其中該時效處理包含：一第一階段時效處理，其係於690℃至750℃下進行6小時至10小時；以及一第二階段時效處理，其係於590℃至650℃下進行2小時至14小時，其中該製造方法排除進行一退火處理以及一冷加工處理。
如申請專利範圍第1項所述之析出強化型鎳基合金的製造方法，其中該合金胚係由該成分之一合金材料，經一熔煉處理以及一精煉處理而製得。
如申請專利範圍第2項所述之析出強化型鎳基合金的製造方法，其中該熔煉處理包含一燃料加熱爐熔煉、一非真空電爐熔煉、一真空感應爐熔煉或一真空電弧熔煉。
如申請專利範圍第2項所述之析出強化型鎳基合金的製造方法，其中該精煉處理包含氬氣吹氧脫碳處理、一真空吹氧脫碳處理、一電渣重熔處理或一電弧重熔處理。
如申請專利範圍第1項所述之析出強化型鎳基合金的製造方法，於該熱加工處理與該時效處理之間，更包含一精整處理。
如申請專利範圍第1項所述之析出強化型鎳基合金的製造方法，於該時效處理後，更包含一精整處理。
如申請專利範圍第5或6項所述之析出強化型鎳基合金的製造方法，其中該精整處理包含酸洗、整圓、定切、矯直、削皮、壓光、研磨或上述之任意組合。
如申請專利範圍第1項所述之析出強化型鎳基合金的製造方法，其中該總裁減率為35%至80%。
如申請專利範圍第1項所述之析出強化型鎳基合金的製造方法，其中該第一階段時效處理係於690℃至740℃下進行，且該第二階段時效處理係於590℃至620℃下進行。
一種析出強化型鎳基合金，其係由如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之析出強化型鎳基合金的製造方法而製得，其中該析出強化型鎳基合金具有不大於1670MPa之一抗拉強度、不小於1400MPa之一降伏強度以及不小於10%之一伸長率。