用于加工納米結(jié)構(gòu)鐵素體合金的方法和由此產(chǎn)生的物品的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文中涉及納米結(jié)構(gòu)鐵素體合金(NFA)，并且更特定地，涉及用于使用高溫處理方法處理納米結(jié)構(gòu)鐵素體合金的方法。該公開還涉及包括納米結(jié)構(gòu)鐵素體合金(NFA)的物品，其通過使用這樣的方法形成。
【背景技術(shù)】
[0002]燃?xì)鉁u輪在極端環(huán)境下操作，使渦輪構(gòu)件，尤其是在渦輪熱區(qū)段中的渦輪構(gòu)件暴露至高操作溫度和應(yīng)力。為了使渦輪構(gòu)件忍受這些條件，它們必須由能夠經(jīng)受這些嚴(yán)酷條件的材料制成。換而言之，用于渦輪構(gòu)件的材料限制了可使用而不引起材料的機(jī)械性質(zhì)的顯著的降低的溫度范圍。
[0003]超級(jí)合金已經(jīng)在這些需求的應(yīng)用中使用，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟哌_(dá)它們的熔化溫度的90%下保持強(qiáng)度并且具有優(yōu)秀的環(huán)境抗性。尤其是，鎳基超級(jí)合金已經(jīng)遍及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，例如，在渦輪葉片、噴嘴、車輪、墊片、盤、線軸、葉盤以及護(hù)罩應(yīng)用中廣泛地被使用。在一些較低溫度和應(yīng)力應(yīng)用中，鋼可用于渦輪構(gòu)件。但是，常規(guī)鋼的使用在高溫和高應(yīng)力應(yīng)用中通常是受限制的，因?yàn)樗鼈儾荒軡M足必要的機(jī)械性質(zhì)要求和/或涉及要求。
[0004]納米結(jié)構(gòu)鐵素體合金(NFA)是具有優(yōu)越的高溫性質(zhì)的鐵基合金的浮現(xiàn)的類別。這些合金典型地源于納米尺寸氧化物微粒或群，其在機(jī)械合金化步驟之后的熱固結(jié)期間沉淀。這些氧化物微粒或群在高溫下出現(xiàn)，從而提供在使用期間的堅(jiān)固且穩(wěn)定微結(jié)構(gòu)。
[0005]NFA是粉末冶金合金，其典型地通過高溫等靜壓(HIP)固結(jié)，并然后被熱加工來制造期望的物品。但是，在例如高于大約1900華氏度(°F)的高溫下加工HIP的NFA，典型地導(dǎo)致其最終微結(jié)構(gòu)的變化并因而導(dǎo)致其機(jī)械性質(zhì)的退化。在高溫下的微結(jié)構(gòu)中的該變化限制了(I)例如在重載燃?xì)鉁u輪中的在期望的溫度和應(yīng)力下的這些NFA材料的使用，和(2河經(jīng)濟(jì)上有益于制造物品的高變形率加工技術(shù)的使用。
[0006]為了使任何材料最佳地適用于期望的應(yīng)用，例如，用于重載渦輪機(jī)的構(gòu)件，材料應(yīng)當(dāng)期望地能夠被制造成期望的物品而不犧牲其機(jī)械性質(zhì)?？纱送馄谕诟邷睾透咦冃温氏录庸げ牧?。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在一些實(shí)施例中，提供了一種形成包括納米結(jié)構(gòu)鐵素體合金的物品的方法。該方法包括在第一溫度下將一定量的應(yīng)變引入工件來形成應(yīng)變工件、將變形工件加熱至第二溫度以及在第二溫度下使應(yīng)變工件變形。工件包括納米結(jié)構(gòu)鐵素體合金。第一溫度在大約1900華氏度之下，而第二溫度至少大約1900華氏度。在第一溫度下引入工件的應(yīng)變的量在隨后的在第二溫度下加熱和變形期間有效于顯著地抑制在應(yīng)變工件中的晶粒生長。
[0008]在一些實(shí)施例中，在此提供了一種可通過該方法形成的包括納米結(jié)構(gòu)鐵素體合金的物品。該物品可為渦輪機(jī)構(gòu)件。
[0009]在一些實(shí)施例中，提供了一種形成包括納米結(jié)構(gòu)鐵素體合金的渦輪機(jī)構(gòu)件的方法。該方法包括在第一溫度下將一定量的應(yīng)變引入工件來形成應(yīng)變工件、將應(yīng)變工件加熱至第二溫度以及在第二溫度下以至少大約I英寸/英寸/秒的變形率鍛造應(yīng)變工件。工件包括納米結(jié)構(gòu)鐵素體合金。第一溫度在1900華氏度之下，而第二溫度高于1900華氏度。在第一溫度下引入工件的應(yīng)變的量在隨后的在第二溫度下加熱和鍛造期間有效于顯著地抑制在應(yīng)變工件中的晶粒生長。
[0010]本發(fā)明的第一技術(shù)方案提供了一種方法，包括:在大約1900華氏度之下的第一溫度下將一定量的應(yīng)變引入工件來形成應(yīng)變工件；加熱應(yīng)變工件至第二溫度，其中，第二溫度為至少大約1900華氏度；以及在第二溫度下使應(yīng)變工件變形，其中，工件包括納米結(jié)構(gòu)鐵素體合金(NFA)，并且其中，在第一溫度下引入工件的一定量的應(yīng)變?cè)诘诙囟认碌募訜岷妥冃纹陂g有效于顯著地抑制在應(yīng)變工件中的晶粒生長。
[0011]本發(fā)明的第二技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，工件包括具有少于大約2微米的平均晶粒大小的晶粒大小分布。
[0012]本發(fā)明的第三技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，在第一溫度下將一定量的應(yīng)變引入工件包括施加至少大約百分之40的應(yīng)變。
[0013]本發(fā)明的第四技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，在第一溫度下將一定量的應(yīng)變引入工件包括在低于大約I英寸/英寸/秒的變形率下使工件變形。
[0014]本發(fā)明的第五技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，第一溫度范圍為從大約1600華氏度至1900華氏度。
[0015]本發(fā)明的第六技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，第二溫度范圍為從大約1950華氏度至大約2300華氏度。
[0016]本發(fā)明的第七技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，使應(yīng)變工件變形包括在至少大約I英寸/英寸/秒的變形率下使應(yīng)變工件變形。
[0017]本發(fā)明的第八技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，使應(yīng)變工件變形包括在范圍為從大約I英寸/英寸/秒至大約30英寸/英寸/秒的變形率下使應(yīng)變工件變形。
[0018]本發(fā)明的第九技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，變形步驟通過壓制、鍛造、擠壓或乳制執(zhí)行。
[0019]本發(fā)明的第十技術(shù)方案提供了一種通過根據(jù)權(quán)利要求1的方法形成的物品。
[0020]本發(fā)明的第^^一技術(shù)方案是在第十技術(shù)方案中，物品是渦輪機(jī)構(gòu)件。
[0021]本發(fā)明的第十二技術(shù)方案提供了一種形成渦輪機(jī)構(gòu)件的方法，包括如下步驟:在1900華氏度之下的第一溫度下將一定量的應(yīng)變引入工件來形成應(yīng)變工件，其中工件包括納米結(jié)構(gòu)鐵素體合金(NFA);加熱應(yīng)變工件至第二溫度，其中，第二溫度為至少大約1900華氏度；以及在第二溫度下以至少大約I英寸/英寸/秒的變形率鍛造應(yīng)變工件，其中，在第一溫度下引入工件的一定量的應(yīng)變?cè)诘诙囟认碌募訜岷湾懺炱陂g有效于顯著地抑制在應(yīng)變工件中的晶粒生長。
【附圖說明】
[0022]當(dāng)參照附圖閱讀下列詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特征、方面以及優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，其中:
圖1A顯示了 “固結(jié)的”NFA工件的掃描電子顯微鏡(SEM)顯微照片。
[0023]圖1B顯示了當(dāng)在固結(jié)之后在2000華氏度下加熱工件24小時(shí)之后的NFA工件的SEM纖維照片。
[0024]圖2A顯示了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的在1700華氏度下擠壓的NFA工件的SEM顯微照片。
[0025]圖2B顯示了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的在2000華氏度下加熱擠壓的NFA工件之后的SEM顯微照片。
[0026]圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的在1900華氏度和2000華氏度下以高變形率加工的NFA工件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0027]除非另外限定，在本文中使用的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與由本發(fā)明所屬的領(lǐng)域的技術(shù)人員通常所理解的相同的含義。術(shù)語“包括…的”、“包含…的”以及“具有…的”意圖包含并且指可存在除列出的元件外的額外的元件。術(shù)語“第一”、“第二”等，當(dāng)在本文中使用時(shí)不表示任何順序、量、或重要性，而是用來將一個(gè)元件與另一個(gè)區(qū)別。而且，術(shù)語“一”和“一個(gè)”不表示量的限制，而是表示至少一個(gè)提及項(xiàng)的存在，并且，除非另外地陳述，術(shù)語“前”、“后”、“底部”、和/或“頂部”僅僅用于描述的便利性，并且不限于任何一個(gè)位置或空間方向。
[0028]如果公開了范圍，那么針對(duì)相同構(gòu)件或性質(zhì)的所有范圍的端點(diǎn)是被包括的且可獨(dú)立地結(jié)合(例如，“高達(dá)大約25wt%或者更具體地，大約5wt%至大約20wt%”的范圍包括端點(diǎn)和“大約5wt%至大約25wt% ”的范圍的所有中間值等)。與量結(jié)合使用的修飾語“大約”包括陳述值并且具有由上下文支配的含義(例如包括與特定量的測量相關(guān)的誤差度)。
[0029]如在下面詳細(xì)討論，本發(fā)明的一些實(shí)施例包括用于一種用于加工納米結(jié)構(gòu)鐵素體合金(NFA)的方法，其允許在高溫、高變形率、或既在高溫又在高變形率下加工合金(NFA)，同時(shí)保持期望的微結(jié)構(gòu)。一些實(shí)施例提供了由本方法制作的物品(還稱為“形成的物品”)。在一個(gè)實(shí)施例中，形成的物品由納米結(jié)構(gòu)鐵素體合金(NFA)制成，其中，物品在高溫、高變形率、或在兩者下形成。形成的物品可為期望地包括NFA和由NFA賦予其的性質(zhì)的任何物品。
[0030]可從在本文中描述的原理的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)特定的益處的物品的一個(gè)示例性類別包括渦輪機(jī)構(gòu)件，并且尤其是，在使用期間經(jīng)歷高操作溫度(例如，大于85