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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasturbinenscheibenmaterial und ein Wärmebehandlungsverfahren dafür.
Diese Anmeldung beansprucht Priorität basierend auf
JP 2017-181196 , eingereicht in Japan am 21. September 2017, deren Inhalt hierin eingeschlossen ist.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik findet sogenannter hitzebeständiger 12Cr-Stahl, der etwa 8 bis 12 % Cr enthält, breite Anwendung als Gasturbinenscheibenmaterial. Diese Art von Gasturbinenscheibenmaterial enthält Ni, um Zähigkeit sicherzustellen, und enthält Mo, V und dergleichen zusätzlich zu Cr, um eine Mischkristallverfestigung einer Grundstruktur und eine Dispersionsverfestigung durch Carbid und Carbonitrid zu erreichen, wodurch die Kriechfestigkeit verbessert wird.
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Als ein Beispiel beschreibt Patentdokument 1 ein Gasturbinenscheibenmaterial, das Folgendes enthält: C: von 0,05 bis 0,15 %, Si: 0,10 % oder weniger; Mn: 0,40 % oder weniger, Cr: von 9,0 bis 12,0 %, Ni: von 1,0 bis 3,5 %, Mo: von 0,50 bis 0,90 %, W: von 1,0 bis 2,0 %, V: von 0,10 bis 0,30 %, Nb: von 0,01 bis 0,10 % und N: von 0,01 bis 0,05 %, und der Rest sind Fe und unvermeidbare Fremdstoffe. Die Gehalte an Ni, Mo und W erfüllen eine Beziehung von -1,5 % ≤ Mo + W/2 - Ni ≤ 0,5 %. Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen jeweiligen Bestandteilen sind eine Art oder zwei Arten von Co: von 0,01 bis 4,0 % und B: von 0,0001 bis 0,010 % enthalten.
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Liste der Entgegenhaltungen
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Patentdokument
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Patentdokument 1:
JP H11-209851 A -
Kurzdarstellung der Erfindung
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Technisches Problem
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In jüngster Zeit ist, gemäß einer verbesserten Leistung einer Gasturbine, eine Temperatur einer Gasturbinenscheibe eine Gebrauchstemperatur von mehr als 500 °C, und eine weitere Verbesserung der Kriechfestigkeit ist erforderlich. Unter dem Gesichtspunkt der Kriechfestigkeit ist eine Legierung auf Ni-Basis hervorragend, erhöht jedoch wesentlich die Kosten. Daher besteht der Wunsch, die Kriechfestigkeit unter Aufrechterhaltung der Zähigkeit des hitzebeständigen 12Cr-Stahls von Patentdokument 1 zu verbessern.
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Die vorliegende Erfindung erfolgte im Kontext der vorstehend beschriebenen Umstände, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gasturbinenscheibenmaterial mit hervorragender Kriecheigenschaft und ausreichender Zähigkeit und ein Wärmebehandlungsverfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.
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Lösung des Problems
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Die betreffenden Erfinder haben sorgfältige Experimente und Studien durchgeführt, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen. Eine Menge an Ni wird so festgelegt, dass sie innerhalb eines geeigneten Bereichs liegt, der niedriger ist als bei einem hitzebeständigen 12C-Stahl nach dem Stand der Technik, und weitere wirksame Bestandteilbereiche von N, AI und B wurden offenbart. So wurde festgestellt, dass, während die Zähigkeit als ein Gasturbinenscheibenmaterial sichergestellt wird, eine Kriecheigenschaft im Vergleich zu einem nach dem Stand der Technik erheblich verbessert werden kann. Somit wurde ein Gasturbinenscheibenmaterial erfunden. Außerdem haben die betreffenden Erfinder festgestellt, dass die Kriecheigenschaft und die Zähigkeit zuverlässig sichergestellt werden können, indem eine Abschrecktemperatur eines geschmiedeten Materials als Wärmebehandlung bei der Erzeugung des Gasturbinenscheibenmaterials optimiert wird, und somit wurde ein Wärmebehandlungsverfahren zur Herstellung des Gasturbinenscheibenmaterials erfunden.
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Insbesondere schließt ein Gasturbinenscheibenmaterial eines grundlegenden Gesichtspunkts (ersten Gesichtspunkts) der vorliegenden Erfindung, in Massenprozent, Folgendes ein:
- C: von 0,05 bis 0,15 %;
- Ni: von 0,25 bis 1,50 %;
- Cr: von 9,0 bis 12,0 %;
- Mo: von 0,50 bis 0,90 %;
- W: von 1,0 bis 2,0 %;
- V: von 0,10 bis 0,30 %;
- Nb: von 0,01 bis 0,10 %;
- Co: von 0,01 bis 4,0 %;
- B: von 0,0005 bis 0,010 %;
- N: von 0,01 bis 0,05 %;
- Mn: 0,40 % oder weniger;
- Si: 0,10 % oder weniger; und
- Al: 0,020 % oder weniger.
- Ein Rest besteht aus Fe und unvermeidbaren Fremdstoffen.
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Bei einem Gasturbinenscheibenmaterial gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, der in dem Gasturbinenscheibenmaterial des ersten Gesichtspunkts enthalten ist, beträgt ein Verhältnis von N-Gehalt [N %] zu Al-Gehalt [AI %], [N %]/[Al %], 2,4 oder mehr.
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Bei einem Gasturbinenscheibenmaterial gemäß einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, der in dem Gasturbinenscheibenmaterial des ersten oder des zweiten Gesichtspunkts enthalten ist, beträgt ein Äquivalent von B ([B %] + 0,5 [N %]), ausgedrückt als Summe von Gehalt B [B %] und dem 0,5-Fachen von Gehalt N [N %], 0,0055 bis 0,030 %.
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Bei einem Gasturbinenscheibenmaterial gemäß einem vierten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, der in dem Gasturbinenscheibenmaterial von einem des ersten bis dritten Gesichtspunkts enthalten ist, beträgt eine Absorptionsenergie bei einem Charpy-Schlagversuch bei Raumtemperatur 40 J oder mehr.
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Bei einem Gasturbinenscheibenmaterial gemäß einem fünften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, der in dem Gasturbinenscheibenmaterial von einem des ersten bis vierten Gesichtspunkts enthalten ist, beträgt eine Zeitstandbruchzeit bei 596 °C x 310 MPa 750 Stunden oder mehr.
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Ferner ist in einem Wärmebehandlungsverfahren für ein Gasturbinenscheibenmaterial gemäß einem sechsten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, wenn eine Wärmebehandlung des Erhitzens und Abschreckens eines geschmiedeten Materials, das die Bestandteilzusammensetzung gemäß einem des ersten bis dritten Gesichtspunkts aufweist, und dann Anlassen des geschmiedeten Materials eingesetzt wird, eine Abschrecktemperatur innerhalb eines Bereichs von 1050 bis 1150 °C festgelegt.
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Vorteilhafte Auswirkung der Erfindung
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Gemäß dem Gasturbinenscheibenmaterial gemäß dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann eine abgestimmte Materialeigenschaft, die sowohl eine hohe Kriechfestigkeit als auch eine hohe Zähigkeit erreicht, sichergestellt werden.
Außerdem ist es gemäß der Spezifikation geringfügiger Bestandteile gemäß dem zweiten oder dem dritten Gesichtspunkt und dem Wärmebehandlungsverfahren gemäß dem sechsten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ferner möglich, das Gasturbinenscheibenmaterial mit der hohen Zähigkeit zuverlässig und stabil zu erhalten und gleichzeitig die Kriechfestigkeit zu verbessern.
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Figurenliste
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- 1 schließt Graphen ein, die Beziehungen zwischen Ni-Gehalt und einer Bewertungspunktzahl für die Zähigkeit (Absorptionsenergie) und zwischen Ni-Gehalt und einer Bewertungspunktzahl für eine Hochtemperatur-Kriecheigenschaft (-Zeitstandbruchzeit) eines Gasturbinenscheibenmaterials veranschaulichen.
- 2 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Verhältnis von Ni-Gehalt [N %] zu Al-Gehalt [Al %], [N %]/[Al %], und der Bewertungspunktzahl für die Hochtemperatur-Kriecheigenschaft (-Zeitstandbruchzeit) des Gasturbinenscheibenmaterials veranschaulicht.
- 3 ist ein Graph, der bevorzugte Bereiche des Verhältnisses des N-Gehalts [N %] zu dem Al-Gehalt [AI %], [N %]/[AI %], in dem Gasturbinenscheibenmaterial und einem Äquivalent von B, ausgedrückt durch eine Summe von B-Gehalt [B %] und dem 0,5-Fachen des N-Gehalts [N %] ([B %] + 0,5 [N %]), veranschaulicht.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Zunächst werden Gründe für die Beschränkung einer Bestandteilzusammensetzung eines Gasturbinenscheibenmaterials gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Gründe für die Beschränkung der Bestandteilzusammensetzung
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C: von 0,05 bis 0,15 %
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C ist ein Element, das eine Abschreckeigenschaft sicherstellt, feines und eine große Härte besitzendes Carbid und Carbonitrid durch Verbinden mit Cr, Mo, Nb, V, Nb und dergleichen in einem Anlassverfahren bildet und die Hochtemperatur-Festigkeit in hohem Maße beeinflusst. Jedoch erzeugt der Gehalt von weniger als 0,05 % keine ausreichenden Mengen an Carbid und Carbonitrid und erzielt keine gleichmäßige Martensitstruktur. Mit anderen Worten erzeugt der C-Gehalt von weniger als 0,05 % eine gemischte Struktur von Martensit, Deltaferrit und dergleichen, welche die Hochtemperatur-Festigkeit und die Hochtemperatur-Ermüdungsfestigkeit deutlich verringert. Andererseits wird, wenn der Gehalt 0,15 % überschreitet, nicht nur die Zähigkeit verringert, sondern eine Aggregation von Carbid und Carbonitrid beim Gebrauch bei hoher Temperatur wird in beträchtlichem Maße grob, was zu einer Verringerung der Zeitstandfestigkeit führt. Daher ist der C-Gehalt so festgelegt, dass er 0,05 bis 0,15 % beträgt.
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Ni: von 0,25 bis 1,50 %
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Ni ist ein Element, das bei 0,25 % oder mehr die Härtbarkeit und die Zähigkeit bei normaler Temperatur verbessern und die gewünschte Zähigkeit erfüllen kann. Andererseits wird, wenn die Menge an Ni über 1,50 % ansteigt, zwar die Zähigkeit verbessert; jedoch wird die Zeitstandfestigkeit deutlich verringert, und das Gasturbinenscheibenmaterial wird als ein bei einer hohen Temperatur von über 500 °C verwendetes Gasturbinenscheibenmaterial ungeeignet. Daher ist der Ni-Gehalt so ausgelegt, dass er 0,25 bis 1,50 % beträgt. Somit ist Ni ein Element, das die Zähigkeit und die Kriecheigenschaft in die entgegengesetzte Richtung beeinflusst, und daher wurde die Menge an Ni innerhalb eines Bereichs von 0,25 bis 1,50 % als ein geeigneter Ni-Mengen-Bereich bestimmt, der sowohl die Hochtemperatur-Kriecheigenschaft als auch die Zähigkeit erreichen kann. Somit wurde die Tatsache, dass 0,25 bis 1,50 % als die Menge an Ni geeignet sind, durch Experimente durch die betreffenden Erfinder neu festgestellt, und die Experimente werden später wieder beschrieben.
Es ist zu beachten, dass in Anbetracht der Hochtemperatur-Kriecheigenschaft der Ni-Gehalt so ausgelegt sein kann, dass er 0,25 % bis 0,99 % oder 0,25 % bis 0,90 % beträgt.
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Cr: von 9,0 bis 12,0 %
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Cr verbessert eine Oxidationsbeständigkeitseigenschaft und die Zeitstandfestigkeit. Jedoch erzielt der Cr-Gehalt von weniger als 9,0 % keine ausreichende Oxidationsbeständigkeitseigenschaft und Zeitstandfestigkeit. Andererseits wird, wenn Cr zu mehr als 12,0 % enthalten ist, zwar die Zeitstandfestigkeit nicht allzu sehr verringert, jedoch wird Deltaferrit abgeschieden und die Zähigkeit und die Hochtemperatur-Ermüdungseigenschaft wird verringert. Daher ist der Cr-Gehalt so ausgelegt, dass er 9,0 bis 12,0 % beträgt.
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Mo: von 0,50 bis 0,90 %
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Mo verbessert die Hochtemperatur-Festigkeit und die Zeitstandfestigkeit sowohl durch Vorgänge der Mischkristallverfestigung als auch der Fällungsabschreckung. Wenn jedoch der Mo-Gehalt weniger als 0,50 % beträgt, sind die Wirkungen gering, und wenn der Mo-Gehalt mehr als 0,90 % beträgt, wird Deltaferrit erzeugt, das möglicherweise die Zähigkeit und die Zeitstandfestigkeit verschlechtert. Daher ist der Mo-Gehalt so ausgelegt, dass er 0,50 bis 0,90 % beträgt.
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W: von 1,0 bis 2,0 %
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W ist ein Element, das die Hochtemperatur-Festigkeit und die Zeitstandfestigkeit verbessert. Jedoch erzielt der W-Gehalt von weniger als 1,0 % die Wirkungen nicht hinreichend. Außerdem wird bei dem W-Gehalt von mehr als 2,0 % möglicherweise Deltaferrit ausgefällt, was nachteilig für die Hochtemperatur-Eigenschaft ist. Daher ist der W-Gehalt so ausgelegt, dass er 1,0 bis 2,0 % beträgt.
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V: von 0,10 bis 0,30 %
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V ist ein Element, das Carbid (V4C3) und Nitrid (VN) bildet, außerdem mit Nb Verbund-Carbonitrid (Nb, V) (C, N) bildet und die Hochtemperatur-Festigkeit und die Zeitstandfestigkeit erhöht. Wenn jedoch der V-Gehalt weniger als 0,10 % beträgt, sind die Wirkungen nicht ausreichend, und wenn der V-Gehalt 0,30 % überschreitet, bilden das Carbid und das Carbonitrid bei Gebrauch über einen langen Zeitraum ein grobes Aggregat, wodurch die Zeitstandfestigkeit verringert wird. Daher ist der V-Gehalt so ausgelegt, dass er 0,10 bis 0,30 % beträgt.
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Nb: von 0,01 bis 0,10 %
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Nb ist ein Element, das Carbid (NbC) bildet, mit V Verbund-Carbonitrid (Nb, V) (C, N) bildet und die Hochtemperatur-Festigkeit und die Zeitstandfestigkeit erhöht. Wenn jedoch der Nb-Gehalt weniger als 0,01 % beträgt, sind die Wirkungen gering, und wenn der Gehalt 0,10 % überschreitet, werden das Carbid und das Carbonitrid selbst bei einer hohen Abschrecktemperatur von 1100 °C oder mehr nicht hinreichend gelöst, das ausgefällte Carbid und Carbonitrid bilden während des Kriechens ein grobes Aggregat, und die Zeitstandfestigkeit nimmt ab. Daher ist der Nb-Gehalt so ausgelegt, dass er 0,01 bis 0,10 % beträgt.
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Co: von 0,01 bis 4,0 %
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Co ist ein Element, das Mischkristallmengen von Carbid und Carbonitrid in einer Matrix erhöht. Co selbst weist eine Mischkristallverfestigungswirkung auf und besitzt eine Wirkung der Verbesserung der Hochtemperatur-Festigkeit und der Zeitstandfestigkeit. Wenn jedoch der Co-Gehalt weniger als 0,01 % beträgt, sind die Wirkungen gering, und wenn Co 4,0 % überschreitet, werden die Zähigkeit und die Zeitstandfestigkeit verringert. Daher ist der Co-Gehalt so ausgelegt, dass er von 0,01 bis 4,0 % beträgt.
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B: von 0,0005 bis 0,010 %
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B ist ein Element, das die Hochtemperatur-Festigkeit und die Zeitstandfestigkeit erhöht. Wenn jedoch der B-Gehalt weniger als 0,0005 % beträgt, sind die Wirkungen gering, und wenn B zu mehr als 0,010 % enthalten ist, werden eutektisches Fe2B und BN beim Erhitzen von B auf 900 bis 1200 °C während des Schmiedens erzeugt, was sich nachteilig auf die Warmformbarkeit und eine mechanische Eigenschaft auswirkt. Daher ist der B-Gehalt so festgelegt, dass er 0,0005 bis 0,010 % beträgt. Wie später wieder beschrieben wird, ist es wünschenswert, dass der B-Gehalt so eingestellt wird, dass ein Äquivalent von B (B + 0,5 N), ausgedrückt durch eine Summe des B-Gehalts [B %] und des 0,5-Fachen des N-Gehalts [N %], 0,030 % oder weniger wird.
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N: von 0,01 bis 0,05 %
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N ist ein Element, das zur Verbesserung der Hochtemperatur-Festigkeit und der Zeitstandfestigkeit durch Fällung von Carbonitriden von Nb und V durch geeignete Wärmebehandlung beiträgt und eine Wirkung der Reduzierung der Erzeugung von Deltaferrit aufweist. Wenn jedoch der N-Gehalt weniger als 0,01 % beträgt, treten die Wirkungen nicht hinreichend auf, und wenn der N-Gehalt 0,05 % überschreitet, wird die Zähigkeit verringert. Daher ist der N-Gehalt so ausgelegt, dass er 0,01 bis 0,05 % beträgt. Es ist zu beachten, dass, wenn Al in einem Stahl enthalten ist, N als AIN gebunden ist; daher wird eine Menge an N (Menge an wirksamem Stickstoff), die zur Erzeugung der Carbonitride von Nb und V beiträgt, reduziert. Daher ist es, wie später wieder beschrieben wird, wünschenswert, den N-Gehalt gemäß der Menge an Al in dem Stahl derart einzustellen, dass ein Verhältnis des N-Gehalts [N %] zu dem Al-Gehalt [AI %] in dem Stahl 2,4 oder mehr wird.
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Außerdem ist es, um die Erzeugung von BN zu verhindern, das nachteilig für die Warmformbarkeit und die mechanische Eigenschaft ist, wünschenswert, die Menge an N gemäß dem B-Gehalt derart einzustellen, dass das Äquivalent von B (B + 0,5 N), ausgedrückt durch die Summe des B-Gehalts [B %] und des 0,5-Fachen des N-Gehalts [N %], 0,030 % oder weniger wird.
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Mn: 0,40 % oder weniger
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Mn ist ein Element, das häufig als Desoxidationsmittel verwendet wird, während der Stahl erschmolzen wird, und häufig als Fremdstoff in Stahl enthalten ist. Eine Wirkung als Desoxidationsmaterial wird mit dem Mn-Gehalt von 0,40 % oder weniger hinreichend erzielt. Außerdem ist, da Mn ein Element ist, das Versprödung fördert, der Gehalt wünschenswerterweise gering. Daher wird der Mn-Gehalt so reguliert, dass er 0,40 % oder weniger beträgt.
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Si: 0,10 % oder weniger
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Si ist ein Element, das ähnlich wie Mn häufig als Desoxidationsmittel verwendet wird, wenn der Stahl erschmolzen wird, und häufig als Fremdstoff enthalten ist. Bei dem Si-Gehalt von über 0,10 % wird die Seigerung in einem großen Stahlblock signifikant und die Zähigkeit nach Gebrauch über einen langen Zeitraum wird verringert. Daher wird der Si-Gehalt so reguliert, dass er 0,10 % oder weniger beträgt.
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AI: 0,020 % oder weniger
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Eine Spurenmenge an Al ist als Fremdstoff enthalten, der von Al abgeleitet ist, welches als das Desoxidationsmaterial verwendet wird, wenn der Stahl erschmolzen wird. Da Al N als AIN bindet, um die Menge an wirksamem Stickstoff zu reduzieren, und die Hochtemperatur-Festigkeit und die Zeitstandfestigkeit durch Reduzieren einer Menge an erzeugtem Kohlenstoffnitrid, wie Nb und V, verringert, wird die Menge an Al wünschenswerterweise so weit wie möglich reduziert. Daher wird die Menge an AI so reguliert, dass es 0,020 % oder weniger beträgt. Es ist zu beachten, dass die Menge an N mit der Menge an erzeugtem Kohlenstoffnitrid verknüpft ist, wie später beschrieben, das Verhältnis [N %]/[AI %] ist vorzugsweise so ausgelegt, dass es 2,4 oder mehr beträgt.
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Die Reste der jeweiligen vorstehend beschriebenen Elemente sind Fe und unvermeidbare Fremdstoffe. Beispiele für die Fremdstoffe schließen P, S und dergleichen ein. Jedoch machen diese Elemente das Material spröde und wirken sich nachteilig auf eine Schlageigenschaft aus; daher ist der Gehalt wünschenswerterweise so gering wie möglich. Der Gehalt ist vorzugsweise so ausgelegt, dass er 0,015 % oder weniger beträgt.
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Außerdem werden die geeigneten Bereiche der Menge an Ni und des Verhältnisses [N %]/[Al %], die in den vorstehend genannten Gründen für die Beschränkung von Bestandteilen beschrieben sind, als Nächstes auf der Grundlage der Experimente der betreffenden Erfinder beschrieben.
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Geeigneter Bereich der Menge an Ni
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Der hitzebeständige 12Cr-Stahl des in Patentdokument 1 beschriebenen Turbinenscheibenmaterials enthält Ni innerhalb eines Bereichs von 1,0 bis 3,5 %. Bei einem solchen Turbinenscheibenmaterial ist jedoch die Zeitstandfestigkeit bei einer Gebrauchstemperatur von deutlich über 500 °C unzureichend, und die Kriechfestigkeit muss weiter verbessert werden.
Daher haben die betreffenden Erfinder als Ergebnisse detaillierter Experimente und Studien Folgendes festgestellt. Das Auslegen einer Menge an Ni innerhalb eines Bereichs von 0,25 bis 1,50 %, welcher niedriger ist als derjenige des Turbinenscheibenmaterials von Patentdokument 1, ermöglicht eine weitere Verbesserung einer Hochtemperatur-Kriecheigenschaft unter Sicherstellung einer als Gasturbinenscheibenmaterial gewünschten Zähigkeit und ermöglicht den Gebrauch des Gasturbinenscheibenmaterials bei einer Gebrauchstemperatur von deutlich über 500 °C.
Es ist zu beachten, dass in Anbetracht der Hochtemperatur-Kriecheigenschaft der Ni-Gehalt gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgelegt sein kann, dass er 0,25 % bis 0,99 % beträgt, welches ein niedrigerer Bereich als der Ni-Gehalt des Turbinenscheibenmaterials von Patentdokument 1 ist, oder so ausgelegt sein kann, dass er 0,25 % bis 0,90 % beträgt.
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Das heißt, die betreffenden Erfinder untersuchten die Zähigkeit und eine Hochtemperatur-Kriecheigenschaft unter hoher Spannung von geschmiedeten Materialien nach einer Wärmebehandlung von hitzebeständigen 12Cr-Stählen, wobei Mengen an Ni unterschiedlich geändert wurden, und Ergebnisse, wie in 1 veranschaulicht, werden erzielt. Hier sind Bestandteile in den hitzebeständigen 12Cr-Stählen, die für das Experiment bereitgestellt wurden, Prüfmaterialien J1 bis J3 von Ausführungsbeispielen und Prüfmaterialien C1, C4, AL15 und AL20 von Vergleichsbeispielen in Tabelle 1. Das geschmiedete Material wurde auf 1050 °C oder 1090 °C erhitzt, 3,5 Stunden lang gehalten, durch Ölkühlung abgeschreckt und dann bei 670 °C für die Materialprüfung angelassen.
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Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse einer Zugprüfung bei Raumtemperatur und eines Charpy-Schlagversuchs bei Raumtemperatur. Tabelle 3 zeigt eine Zeitstandbruchzeit unter Prüfbedingungen von 596 °C x 310 MPa. Die Prüfergebnisse in den Tabellen sind nach den Mengen an Ni in den Prüfmaterialien geordnet, und die Ergebnisse sind in 1 veranschaulicht.
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Nach Tabelle 2 und 1 ändert sich, obwohl sowohl die Dehngrenze bei 0,2 % und die Zugfestigkeit ähnlich sind, die Absorptionsenergie deutlich. Wenn die Menge an Ni groß wird, nimmt die Absorptionsenergie zu und die Zähigkeit nimmt zu. Die Menge an Ni von 0,25 % oder mehr ermöglicht das Erzielen der Absorptionsenergie von 40 J oder mehr, die für das Gasturbinenscheibenmaterial erforderlich ist.
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Nach Tabelle 3 und 1 wird, je geringer die Menge an Ni ist, die Zeitstandbruchzeit umso länger und die Hochtemperatur-Kriecheigenschaft wird verbessert. Außerdem wird, je höher die Abschrecktemperatur ist, die Zeitstandbruchzeit umso länger. Beim Abschrecken bei 1090 °C kann, selbst wenn die Menge an Ni auf das Maximum von 1,5 % ausgelegt ist, die für das Gasturbinenscheibenmaterial erforderliche Zeitstandbruchzeit von mehr als 750 Stunden erzielt werden. Andererseits ermöglicht beim Abschrecken bei 1050 °C das Auslegen der Menge an Ni auf 0,25 %, welches der niedrigste Wert ist, der zum Sicherstellen der vorstehend beschriebenen Zähigkeit erforderlich ist, das Erzielen der für das Gasturbinenscheibenmaterial erforderlichen Zeitstandbruchzeit von 750 Stunden oder mehr.
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Nach den vorstehend beschriebenen Prüfergebnissen wurden 0,25 bis 1,50 % als der geeignete Bereich der Menge an Ni bei der Abschrecktemperatur von 1050 °C oder höher als ein Bereich bestimmt, in dem sowohl die für das Gasturbinenscheibenmaterial erforderliche Zähigkeit (Absorptionsenergie gemäß dem Charpy-Schlagversuch bei Raumtemperatur von 40 J oder mehr) als auch die Kriechfestigkeit (Zeitstandbruchzeit bei 596 °C × 310 MPa von 750 Stunden oder mehr) erzielt werden.
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Verhältnis [N %]/[Al %]
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Um die Zeitstandfestigkeit auf der Seite hoher Temperatur und niedriger Spannung zu verbessern, ist eine Erhöhung einer Fällungsmenge an feinen Ausfällungen, die hauptsächlich Carbonitride von Nb und V enthalten, wirksam. Dazu muss eine ausreichende Menge an N, die wirksam ist, um zur Erzeugung von Carbonitrid beizutragen, während des Abschreckens in einer Matrix in dem Stahl gelöst werden.
Andererseits wird, wenn diese Art von Stahl erschmolzen wird, Al häufig als das Desoxidationsmaterial verwendet, und daher ist Al häufig in dem Stahl vorhanden. Das AI verbindet sich mit N, um N als AIN zu binden. Daher wird, wenn die Menge an N relativ zu der Menge an Al zu gering ist, die Menge an N (Menge an wirksamem Stickstoff), die zum Erzeugen der Carbonitride von Nb und V wirksam ist, reduziert, und die ausreichende Menge an Carbonitrid wird nicht ausgefällt.
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Die betreffenden Erfinder untersuchten eine der Kriechfestigkeit verliehene Wirkung des Verhältnisses des N-Gehalts [N %] zu dem Al-Gehalt [AI %] in dem Stahl, [N %]/[AI %], und stellten fest, dass, wie in 2 veranschaulicht, die Zeitstandbruchzeit bei einem Material, das bei 1090 °C bei [N %]/[Al %] von weniger als 2,4 abgeschreckt wird, erheblich verringert wird. Daher beträgt, um die Menge an wirksamem Stickstoff, der nicht als AIN gebunden ist, hinreichend sicherzustellen, die Kohlenstoffnitride von Nb und V hinreichend auszufällen und die hohe Zeitstandfestigkeit sicherzustellen, [N %]/[AI %] vorzugsweise 2,4 oder mehr.
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Um 2,4 oder mehr von [N %]/[AI %] zu erzeugen, wird ein Verfahren, das die Menge an N erhöht oder die Menge an Al auf eine geringe Menge reguliert, in Betracht gezogen. Wenn jedoch die Menge an N ein Übermaß von über 0,05 % wird, wie vorstehend beschrieben, besteht die Möglichkeit, dass BN, das nachteilig für die Warmformbarkeit und die mechanische Eigenschaft ist, erzeugt wird, und daher werden wünschenswerterweise Mittel zur Beschränkung der Menge an Al angewendet.
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Äquivalent von B ([B %] + 0,5 [N %])
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Wenn große Mengen an B und N zugeführt werden, werden eutektisches Fe2B und BN beim Erhitzen auf 900 bis 1200 °C während des Schmiedens erzeugt, die sich nachteilig auf die Warmformbarkeit und die mechanische Eigenschaft auswirken. Daher ist es, wie in
JP 2948324 B beschrieben, wünschenswert, die Menge an N gemäß dem B-Gehalt derart einzustellen, dass das Äquivalent von B (B + 0,5 N), ausgedrückt durch die Summe des B-Gehalts [B %] und des 0,5-Fachen des N-Gehalts [N %], 0,030 % oder weniger wird. Andererseits muss, da B und N Elemente sind, die wirksam zur Verbesserung der Hochtemperatur-Festigkeit sind, B zu 0,0005 % oder mehr enthalten sein und N muss zu 0,01 % oder mehr enthalten sein. Entsprechend wurde ein unterer Grenzwert des Äquivalents von B ([B %] + 0,5 [N %]) auf 0,0055 % festgelegt.
3 veranschaulicht bevorzugte Bereiche von [N %]/[AI %] und das Äquivalent von B ([B %] + 0,5 [N %]) in der vorliegenden Erfindung.
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Herstellungsverfahren (Wärmebehandlungsverfahren)
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Das Verfahren zur Herstellung des Gasturbinenscheibenmaterials wird als Nächstes beschrieben, einschließlich des Wärmebehandlungsverfahrens gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung.
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Die Legierung mit der vorstehend beschriebenen Bestandteilzusammensetzung wird gemäß einem üblichen Verfahren erschmolzen und wird gegossen, um einen Block herzustellen. Nachdem der resultierende Block nach Bedarf homogenisiert wurde, wird der Block beispielsweise auf 900 bis 1200 °C erhitzt, und Warmschmieden wird durchgeführt. Das resultierende geschmiedete Material wird einer Warmvergütungsbehandlung vom Abschrecken bis zum Anlassen unterzogen. Dieser Schritt der Warmvergütungsbehandlung ist ein Wärmebehandlungsverfahren als ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung.
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Die Warmvergütungsbehandlung ist ein Schritt, der notwendig ist, um die für das Gasturbinenscheibenmaterial gewünschte hohe Festigkeit zu erzielen, indem eine Stahlstruktur in eine im Wesentlichen gleichmäßige Martensitstruktur umgewandelt wird, und um die Kriechfestigkeit durch Ausfällen von Carbid und Carbonitrid zu verbessern. Das heißt, das Warmvergütungsverfahren ist ein Verfahren, das notwendig ist, um die Stahlstruktur durch Erhitzen des geschmiedeten Materials auf eine hohe Temperatur zu austensieren, um sie zu martensieren, indem ein zur Bildung des Carbids und des Carbonitrids beitragendes Element in der Matrix gelöst und dann abgeschreckt (schnell abgekühlt) wird, und um das Carbid und das Carbonitrid durch Anlassen fein auszufällen, indem das zur Bildung des Carbids und des Carbonitrids in dem Stahl beitragende Element übersättigt gelöst wird.
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Hier können, wenn die Abschrecktemperatur (Erhitzungstemperatur für die Abschreckung) hoch wird, die Mischkristallmengen von C, N, Nb und V, die zur Erzeugung von Carbonitrid beitragen, erhöht werden. Folglich wird die Fällungsmenge der durch Anlassen ausgefällten Carbonitride von Nb und V erhöht, wodurch eine Verbesserung der Kriechfestigkeit sichergestellt wird. Andererseits vergröbert die übermäßig hohe Abschrecktemperatur Kristallkörner, was zu einer Verringerung der Zähigkeit führt. Daher besteht ein geeigneter Temperaturbereich für die Abschrecktemperatur, um die Verringerung der Zähigkeit zu vermeiden und gleichzeitig die Kriechfestigkeit zu verbessern.
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Die betreffenden Erfinder untersuchten eine Wirkung der Abschrecktemperatur auf die Zähigkeit und die Kriechfestigkeit unter Verwendung von Prüfmaterialien, die bei einer Abschrecktemperatur von 1050 °C oder 1090 °C abgeschreckt und bei 670 °C angelassen wurden, und erzielten Ergebnisse, die in Tabelle 2, Tabelle 3 und 1 gezeigt sind.
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Bestandteile in den hitzebeständigen 12Cr-Stählen, die für das Experiment bereitgestellt wurden, sind die jeweiligen Prüfmaterialien der Ausführungsbeispiele und die jeweiligen Prüfmaterialien der Vergleichsbeispiele von Tabelle 1. Das geschmiedete Material wurde auf 1050 °C oder 1090 °C erhitzt, 3,5 Stunden lang gehalten, durch Ölkühlung abgeschreckt und dann bei 670 °C für die Materialprüfung angelassen.
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Nach Tabelle 2, Tabelle 3 und 1 sind die Absorptionsenergien der Prüfstücke bei der Abschrecktemperatur von 1050 °C und 1090 °C äquivalent, und eine Wirkung der Abschrecktemperatur auf die Absorptionsenergie wird nicht beobachtet. Andererseits ist die Zeitstandbruchzeit beim Abschrecken bei 1090 °C länger als diejenige beim Abschrecken bei 1050 °C, und je höher die Abschrecktemperatur ist, desto höher wird die Zeitstandfestigkeit.
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Nach den vorstehend beschriebenen Ergebnissen wird mit zunehmender Abschrecktemperatur die Zeitstandbruchzeit lang und die Hochtemperatur-Kriechfestigkeit wird hoch. Außerdem kann selbst beim Abschrecken bei 1050 °C, solange die Menge an Ni auf 0,25 % ausgelegt ist, welches der niedrigste Wert ist, der zum Sicherstellen der vorstehend beschriebenen Zähigkeit erforderlich ist, die für das Gasturbinenscheibenmaterial erforderliche Zeitstandbruchzeit von 750 Stunden oder mehr erzielt werden, und daher wurde 1050 °C als die niedrigste Temperatur festgelegt. Wenn die Temperatur 1150 °C überschreitet, tritt die Temperatur in einen Temperaturbereich ein, in dem das Deltaferrit ausgefällt wird und die Korngröße signifikant grob wird, um die Zähigkeit zu verringern; daher wurde der Temperaturbereich des Abschreckens auf 1050 bis 1150 °C festgelegt. Die Temperatur beträgt vorzugsweise etwa 1090 °C.
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Beispiele
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend zusammen mit Vergleichsbeispielen beschrieben. Es ist zu beachten, dass die folgenden Ausführungsbeispiele Beispiele sind, um die Wirkungen der vorliegenden Erfindung zu bestätigen, und die Bedingungen der Ausführungsbeispiele schränken den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung naheliegenderweise nicht ein.
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Ein Stahlblock wurde durch ein Elektroschlacke-Umschmelzverfahren so hergestellt, dass er als chemische Bestandteile vorlag, die in den Prüfmaterialien J1 bis J3 der Ausführungsbeispiele und den Prüfmaterialien C1, C4, AL15 und AL20 der Vergleichsbeispiele in Tabelle 1 gezeigt sind. Dieser wurde auf 900 bis 1200 °C erhitzt und geschmiedet, um ein scheibenförmiges geschmiedetes Material herzustellen. Das geschmiedete Material wurde auf 1050 °C oder 1090 °C erhitzt, 3,5 Stunden lang gehalten, durch Ölkühlung abgeschreckt und dann bei 670 °C angelassen.
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Ein Zugprüfstück wurde aus jedem geschmiedeten Material nach dem Anlassen hergestellt, und eine Zugprüfung bei Raumtemperatur wurde gemäß dem Zugprüfverfahren in JIS Z 2241 durchgeführt. Außerdem wurde ein Stück für den Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy hergestellt, um einen Schlagversuch gemäß dem Charpy-Schlagversuchsverfahren in JIS Z 2242 durchzuführen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Außerdem wurde ein rundstabförmiges, glattes Prüfstück für die Zeitstandbruchprüfung aus dem gleichen Prüfstück hergestellt, und die Zeitstandbruchprüfung wurde unter Bedingungen von 596 °C x 310 MPa gemäß dem Hochtemperatur-Kriechprüfverfahren in JIS Z 2272 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
[Tabelle 1-1]
| Probencode | Chemischer Bestandteil (Massenprozent) |
| C | Si | Mn | Ni | Cr | Mo | W | V | Al | Nb |
| Beispiele | J1 | 0,12 | 0,01 | 0,09 | 1,42 | 10,17 | 0,66 | 1,73 | 0,20 | 0,008 | 0,04 |
| J2 | 0,13 | 0,03 | 0,06 | 0,82 | 10,36 | 0,66 | 1,77 | 0,20 | 0,010 | 0,05 |
| J3 | 0,11 | 0,06 | 0,07 | 0,79 | 10,26 | 0,66 | 1,74 | 0,20 | 0,002 | 0,05 |
| Vergleichsbeispiele | C1 | 0,12 | 0,07 | 0,06 | 2,24 | 10,38 | 0,70 | 1,76 | 0,20 | 0,003 | 0,05 |
| C4 | 0,11 | 0,08 | 0,05 | 0,05 | 10,60 | 0,71 | 1,74 | 0,20 | 0,002 | 0,05 |
| AL15 | 0,12 | 0,03 | 0,07 | 0,80 | 10,30 | 0,70 | 1,75 | 0,20 | 0,015 | 0,05 |
| AL20 | 0,12 | 0,03 | 0,07 | 0,80 | 10,30 | 0,70 | 1,75 | 0,20 | 0,019 | 0,05 |
[Tabelle 1-II]
| Probencode | Chemischer Bestandteil (Massenprozent) | N/AI | B + 0,5 N |
| Co | B | N | Fe |
| Beispiele | J1 | 2,48 | 0,0030 | 0,024 | Rest | 3,0 | 0,0150 |
| J2 | 2,51 | 0,0040 | 0,024 | Rest | 2,4 | 0,0160 |
| J3 | 2,47 | 0,0032 | 0,025 | Rest | 12,5 | 0,0157 |
| Vergleichsbeispiele | C1 | 2,57 | 0,0039 | 0,026 | Rest | 8,7 | 0,0169 |
| C4 | 2,57 | 0,0040 | 0,025 | Rest | 12,5 | 0,0165 |
| AL15 | 2,50 | 0,0040 | 0,028 | Rest | 1,9 | 0,0180 |
| AL20 | 2,50 | 0,0040 | 0,027 | Rest | 1,4 | 0,0175 |
[Tabelle 2]
| Probencode | Absch recktemperatur | Anlasstemperatur | Dehngrenze bei 0,2 % | Zugfestigkeit | Absorptionsenergie |
| °C | °C | MPa | MPa | J |
| Beispiele | J1 | 1050 | 670 | 817 | 942 | 163 |
| 1090 | 670 | 817 | 947 | 140 |
| J2 | 1050 | 670 | 800 | 939 | 91 |
| 1090 | 670 | 837 | 951 | 101 |
| J3 | 1090 | 670 | 830 | 950 | 90 |
| Vergleichsbeispiele | C1 | 1050 | 670 | 796 | 994 | 170 |
| C4 | 1050 | 670 | 786 | 937 | 20 |
[Tabelle 3]
| Probencode | Abschrecktemperatur | Anlasstemperatur | Bruchzeit bei 596 °C x 310 MPa | Verhältnis, wenn Zeitstandfestigkeit von J3 1 beträgt (Vergleich nur mit Material mit 0,8 % Ni, abgeschreckt bei 1090 °C) |
| °C | °C | MPa | - |
| Beispiele | J1 | 1050 | 670 | 398 | - |
| 1090 | 670 | 794 | - |
| J2 | 1050 | 670 | 564 | - |
| 1090 | 670 | 1125 | 0,94 |
| J3 | 1090 | 670 | 1199 | 1,0 |
| Vergleichsbeispiele | C1 | 1050 | 670 | 119 | - |
| AL15 | 1090 | 670 | 1028 | 0,86 |
| AL20 | 1090 | 670 | 991 | 0,83 |
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Die Prüfmaterialien J1 bis J3 der Ausführungsbeispiele sind Beispiele der vorliegenden Erfindung innerhalb des durch die vorliegende Erfindung bestimmten Bestandteilzusammensetzungsbereichs. Eine Schlagabsorptionsenergie bei Raumtemperatur erfüllte 40 J, die für das Gasturbinenscheibenmaterial erforderlich sind. Außerdem erfüllte ein bei 1090 °C abgeschrecktes Material die für das Gasturbinenscheibenmaterial erforderlich Zeitstandbruchzeit, 596 °C x 310 MPa x 750 Stunden oder mehr.
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Andererseits hat sich gezeigt, dass bei Vergleichsbeispiel C1, bei dem die Menge an Ni hoch ist, die Zeitstandbruchzeit signifikant kurz und die Hochtemperatur-Festigkeit minderwertig ist. Dieses Vergleichsbeispiel C1 ist ein Vergleichsbeispiel, das dem in Patentdokument 1 beschriebenen Material entspricht. Dagegen ist eindeutig, dass die Kriechfestigkeiten der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung J1 bis J3 deutlich verbessert sind. Außerdem ist bei Vergleichsbeispiel C2, bei dem die Menge an Ni gering ist, die Absorptionsenergie bei Raumtemperatur niedrig, 20 J, und erfüllt somit nicht 40 J, die für das Gasturbinenscheibenmaterial erforderlich sind.
Ferner wurde, wie in 2 veranschaulicht, festgestellt, dass bei den Vergleichsbeispielen AL15 und AL20 die Kriechfestigkeiten in einem niedrigen N/AI-Bereich im Vergleich zu denjenigen der Ausführungsbeispiele J1 bis J3 deutlich abnehmen. Es zeigt sich, dass N/AI auf 2,4 oder mehr erhöht werden muss, um die Zeitstandfestigkeit stabil sicherzustellen.
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Obwohl vorstehend bevorzugte Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, sind diese Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele nicht mehr als Beispiele innerhalb des Schutzumfangs des Geistes der vorliegenden Erfindung, und Hinzufügungen, Auslassungen, Substitutionen und andere Änderungen an der Konfiguration dürfen nur innerhalb eines Schutzumfangs vorgenommen werden, der nicht vom Geist der vorliegenden Erfindung abweicht.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Gemäß dem Gasturbinenscheibenmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine abgestimmte Materialeigenschaft, die sowohl eine hohe Kriechfestigkeit als auch eine hohe Zähigkeit erreicht, sichergestellt werden.
Außerdem ist es gemäß der Spezifikation geringfügiger Bestandteile und des Wärmebehandlungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ferner möglich, das Gasturbinenscheibenmaterial mit der hohen Zähigkeit zuverlässig und stabil zu erhalten und gleichzeitig die Kriechfestigkeit zu verbessern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2017181196 [0001]
- JP H11209851 A [0004]
- JP 2948324 B [0041]
