JP2002266046A - Cr基耐熱合金 - Google Patents
Cr基耐熱合金Info
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Abstract
で、Ni基合金と同程度以上の高温強度を有し、室温延
性に優れたCr基耐熱合金を提供する。 【解決手段】 Crを主成分とし、ReまたはWのうち
の1種あるいは両方の混合物を1原子%以上40原子%
以下含有するCr基耐熱合金とする。
Description
熱合金に関するものである。さらに詳しくは、この出願
の発明は、ガスタービンの動静翼材料等として1100
℃以上の高温環境で使用可能な、高温強度および室温延
性に優れたCr基耐熱合金に関するものである。
の構造用耐熱材料としては、Ni基合金やCo基合金が
広く使用されている。しかしながら、これらの合金は、
比較的高価であったり、融点等の制約から実際の耐用温
度が1100℃程度に制限される等の問題があった。ガ
スタービンの熱効率は、タービン入口温度を高めること
で著しく向上させることができるため、より高温で使用
可能な耐熱構造合金の開発が望まれている。
しては、純Crが知られているが、従来のCrおよびC
r基合金は、Crの含有量を60原子%以上とした場合
には室温脆性を示し、延性がほとんどないために、溶製
後の加工ができないという問題があり、構造用材料とし
て用いることはできなかった。特開2000−3364
49号公報には、1000℃以上の高温域で優れた強度
−延性バランスを有するFe−Cr基合金が開示されて
いるが、このFe−Cr基合金の高温強度および延性は
Ni基合金と比較して満足できるものではなかった。ま
た、このFe−Cr基合金は、不純物の存在が延性およ
び高温高度に大きく影響するため不純物の合計量を60
mass ppm以下にする必要があり、商用レベルの
不純物を含有する原料を用いて製造することはできず、
特に高純度の原料を用いる必要があり、製造に注意が必
要なうえ高価であった。
事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を
解消し、一般的な不純物の含有が許容され、ガスタービ
ンの動静翼等の構造用合金として1100℃以上の高温
環境で使用可能な、高温強度および室温延性に優れたC
r基耐熱合金を提供することを課題としている。
は、上記の課題を解決するものとして、以下の通りの発
明を提供する。
は、Crを主成分とし、ReまたはWのうちの1種ある
いは両方の混合物を1原子%以上40原子%以下含有し
ていることを特徴とするCr基耐熱合金を提供する。
明について、1200℃での0.2%圧縮耐力が500
MPa以上であることを特徴とするCr基耐熱合金を提
供する。
記の発明のCr基耐熱合金を製造する方法であって、不
純物としてのC,N,OおよびSの合計量が、400m
ass ppm以下のCr、1000mass ppm以
下のRe、300massppm以下のWを原料とし、
前記Crに前記ReまたはWのうちの1種あるいはその
両方の混合物を1原子%以上40原子%以下含有させて
溶製することを特徴とするCr基耐熱合金の製造方法
を、第4には、不純物としてのC,N,OおよびSの合
計量が、Crで400mass ppm以下、Reで1
000massppm以下、Wで300mass pp
m以下とされていることを特徴とするCr基耐熱合金用
原料をも提供する。
特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態につい
て説明する。
熱合金は、Crを主成分とし、ReまたはWのうちの1
種あるいは両方の混合物を1原子%以上40原子%以下
含有していることを特徴としている。すなわち、Cr−
X2元系合金における固溶強化元素Xとして、Reまた
はWのうちの1種あるいは両方を1原子%以上40原子
%以下含有するようにしている。
が高く、このCr基耐熱合金を高温圧縮強度および耐ク
リープ性に優れたものとする。また、Crは資源として
豊富に存在するため安価な材料でもある。従来より、C
rは耐熱鋼やNi基合金などへの添加元素としては使用
されてきたが、室温脆性を示すことからCrが60原子
%以上のCr基合金は構造用材料として使用されていな
かった。この出願の発明においては、前記の固溶強化元
素及び不可避的不純物以外の全成分をCrとすることが
できる。
る固溶強化元素としては、1100℃以上の高温であっ
ても十分に強度を発現し、高温での耐食性および耐酸化
性に十分優れ、コスト面でも負担にならない元素とし
て、ReまたはWを用いるようにしている。Reおよび
Wは、融点が高く、原子量が大きいためCr基合金の融
点を上げるとともに、高温変形の原因となる拡散を抑え
る効果がある。これらReおよびWのどちらか1種ある
いは2種の混合物を、1原子%以上Cr基合金中に含有
させることでその効果を得ることができる。
1000℃以上の温度で脆化の原因となるσ相(Cr2
Re3)を形成してしまうため、Reの含有量は40原
子%以下とする。
すると、高温における耐酸化性が著しく低下してしまう
ため、Wの含有量は40原子%以下とする。
合金は、たとえば高価で特殊な元素の添加等が必要な
く、少ない元素からなる簡単な設計とされている。そし
て、この出願の発明のCr基耐熱合金は、室温延性およ
び高温強度が既存のNi基合金と同等あるいはそれ以上
の性能を有している。例えば、1200℃の高温での
0.2%圧縮耐力が、500MPa以上にも達するCr
基耐熱合金等をも実現することができる。したがって、
たとえば、この出願の発明のCr基合金を用いてガスタ
ービンの動静翼を製造することによって、より高温での
使用が可能となり、熱効率の上昇と排出炭酸ガスの抑制
が期待できる。すなわち、この出願の発明により、構造
材料として使用することができる初めてのCr基耐熱合
金が実現されることになる。
は、上記ReまたはW添加量の原子%にて1/2まで
を、強度向上のためにNi基合金等に通常添加するN
b,Mo,Hf,Ta等の元素に置き換えてもよい。ま
た、この出願の発明のCr基耐熱合金を多結晶の状態で
使用する場合には、粒界強化のため、0.5原子%まで
のC、0.5原子%までのB、0.5原子%までのZr
を、それぞれ単独にあるいは複合して添加してもよい。
熱合金は、原料に含まれる不純物としてのC,N,Oお
よびSの合計量が、Crで400mass ppm以
下、Reで1000mass ppm以下、Wで300
mass ppm以下と広い範囲で許容されている。こ
れらの値は、それぞれの材料において一般的に含まれる
不純物の範囲であって、この出願の発明のCr基合金の
原料としては、高純度品を用いる必要はない。
は、上記の原料を使用し、溶解等の通常法により容易に
溶製することができる。
安価で、実用性を考慮した十分な延性および高温強度を
有しており、従来のNi基耐熱合金の代替合金として使
用できる。この出願の発明によって、各種の構造用耐熱
合金として広く使用可能なCr基耐熱合金が初めて提供
されることになる。
し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明す
る。
ク溶解によって、CrにWまたはReが30原子%ある
いは10原子%含有された、70Cr−30W,90C
r−10W,70Cr−30Re,90Cr−10Re
の4種のCr基合金を、60〜90gのボタン状の塊に
製造し、順に試料1〜4とした。
ころ、試料1および試料3では約40質量%、試料2お
よび試料4では約70質量%であった。
2.5〜6mm程度の円柱状試験片を作製し、試料1,
試料3については室温(24℃)および高温(1000
℃,1200℃)で、試料2,試料4については高温で
静的圧縮試験を行った。歪速度は2.7×10-4/Sに
設定し、0.2%圧縮耐力を測定することで、高温強度
を評価した。図1に、試験温度と得られた圧縮強度の関
係を示した。
晶耐熱合金のうち高温強度に最も優れているTMS−7
5合金の高温強度(引張り耐力および圧縮耐力)と、5
8Cr−42Fe合金の高温強度(引張り耐力)を示し
た。
0℃の温度範囲において比較合金よりも大幅に高い強度
を示すことが確認された。試料3は1200℃において
比較合金より十分高い強度を示し、試料4は比較合金と
同程度の強度を示すことが確認された。試料1〜4の負
荷歪は3〜8%程度であり、いずれも脆性破壊や窒素脆
化は認められなかった。
%程度、試料3が30%程度の十分な室温延性を有して
いることが示された。
るものではなく、細部については様々な態様が可能であ
ることは言うまでもない。
って、ガスタービンの動静翼材料等として使用可能で、
Ni基合金と同程度以上の高温強度を有し、室温延性に
優れたCr基耐熱合金が提供される。
めのTMS−75合金、58Cr−42Fe合金の、静
的圧縮試験の結果を例示した図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 Crを主成分とし、ReまたはWのうち
の1種あるいは両方の混合物を1原子%以上40原子%
以下含有していることを特徴とするCr基耐熱合金。 - 【請求項2】 1200℃での0.2%圧縮耐力が50
0MPa以上であることを特徴とする請求項1記載のC
r基耐熱合金。 - 【請求項3】 請求項1または2記載のCr基耐熱合金
を製造する方法であって、不純物としてのC,N,Oお
よびSの合計量が、400mass ppm以下のC
r、1000mass ppm以下のRe、300ma
ss ppm以下のWを原料とし、前記Crに前記Re
またはWのうちの1種あるいはその両方の混合物を1原
子%以上40原子%以下含有させて溶製することを特徴
とするCr基耐熱合金の製造方法。
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