JP2009114501A - ニッケル基単結晶合金 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】重量で、C:0.06%以上0.09%以下、B:0.016%以上0.035%以下、Hf:0.2%以上0.4%以下、Zr:0%以上0.02%以下、Cr:6.5%以上8.5%以下、Mo:0.4%以上1.0%以下、W:5.5%以上9.5%以下、Re:1.2%以上3.1%以下、Ta:8%以上10%以下、Nb:0.3%以上1.0%以下、Ti:0%以上0.4%以下、Al:4.7%以上5.4%以下、Co:0.5%以上5.0%以下、Ti:0%以上0.4%未満、Fe:0.1%以上5%以下及び残部が実質的にNiでなることを特徴とするNi基単結晶合金。
【選択図】図1
Description
Bは凝固方向と凝固方向に垂直な方向の強度、つまり、高温強度と結晶粒界の強度を両立させる元素であるが、合金の初期溶融温度を著しく低下させる性質があり、Bを多量に添加する場合には、初期溶融温度の低下の影響も考慮する必要がある。本発明合金においては凝固方向の強度と凝固方向に垂直な方向の強度の両方に最適なB量は0.015%を超え0.04%以下の範囲であり、特に0.025%付近で凝固方向の強度と凝固方向に垂直な方向の強度の両方が最大となる。
Cも高温強度と結晶粒界の強度の両立を図るうえで重要な元素である。凝固方向のクリープ破断強度はCの添加量が増えるに従って低下する。これに対して、結晶粒界に凝固方向に垂直方向のクリープ破断強度は、0.20%以下、好ましくは0.10%までは添加量が増えるに従って向上する。従って、高温強度と結晶粒界の強度を両立するために最適なC重の範囲は0.06〜0.09%未満の範囲であると考えられる。Cの添加量が0.05%以下である場合は、高温強度は優れているが結晶粒界の強度が低く、鋳造時の凝固割れを防止し、使用中の信頼性を確保することができない。一方、Cの添加量が0.1%以上になると、高温強度が著しく低下する。従って、Cの添加量は0.06〜0.09%、好ましくは0.06〜0.08%である。
Zrは合金の初期溶融温度を著しく低下させ、高温での溶体化熱処理を不可能とすることで、合金の凝固方向のクリープ破断強度を低下させる。Zrは横方向のクリープ破断強度ついても効果が無く、更に耐酸化性特性の向上にも効果が無い。それらのことから、Zrの添加量は0.02%未満とすることが望ましく、より好適にはZrを実質的に無添加とすることである。
HfはZrと同様に、合金の初期溶融温度を著しく低下させ、高温での溶体化熱処理を不可能とすることで、合金の凝固方向のクリープ破断強度と横方向のクリープ破断強度を低下させる。
Taは高温強度を向上するために8.0%以上添加することが望ましい。一方、Taの大量な添加はγ′相の固溶温度を向上させる。従って、Taを過剰に添加すると、合金の初期溶融温度とγ′相の固溶温度の差が少なくなり、初期溶融を生じることなくγ′相の溶体化できる領域が減少して合金の析出強化量が低下する。そのため、12%を超えるTaの添加はもはや高温強度の向上に効果がないため、上限を10%以下にすることが好ましく、8.5〜9.5%の範囲に高温強度上の最適値が存在する。
Coは、添加量が増加するに従って高温強度を低下させる。従って、高温強度を考慮すれば、Coの添加量は5%以下であり、好ましくは、0.5〜1.2%であり、0.8〜1.2%の添加は、高温強度を低下させること無く、耐食性を向上する効果がある。
Wは固溶強化による高温強度の向上に有効な元素であり、5.5%以上添加することが望ましい。さらに高温強度を重視する場合には7.0%以上添加することが好ましい。一方、これらの元素の効果はある程度の添加量で飽和し、さらに過度に添加すると合金の高温強度はかえって低下してしまう。これは、これらの元素を固溶限を超えて過度に添加すると、主にWからなる針状あるいは板状の析出物が析出するためである。従って、W添加量の上限は9.5%、好ましくは9.0%とすることが望ましい。
ReはWと同じく合金を固溶強化することで高温強度の向上に有効な元素であり、1.2%以上添加することが望ましい。一方、これらの元素の効果はある程度の添加量で飽和し、さらに過度に添加すると合金の高温強度はかえって低下してしまう。これは、これらの元素を固溶限を超えて過度に添加すると、Reからなる針状あるいは板状の析出物が析出するためである。従って、Reの添加量の上限は3.1%、好ましくは1.6%とすることが望ましい。
これに対して、W十Re量が9.5%を下回ると固溶強化が不足するため高温強度は低下する。また、W十Re量が12%を上回ると、上記の析出物が多量に析出し、特に1000℃以上でのクリープ強度が大幅に低下する。
AlはNi基超合金の強化因子であるγ′相を形成するための必須元素である。また、表面にAl203被膜を形成することで耐酸化性及び耐食性の向上に寄与する。従って、Alの添加量は最低でも4.7%以上であることが望ましい。しかし、6.5%を越えて過度に添加すると合金中の共晶γ′相の量が増加してしまう。本発明合金は、固溶強化に有効な元素の添加量を最適化することで、完全な溶体化処理を行わない状態でも優れた高温強度を示すことができるように考慮されている。従って、共晶γ′相が存在する状態でも優れた高温強度を有する。しかし、クリープ損傷の場合、共晶γ′相は最終的には亀裂の起点となり、材料の破壊時期を早めることになるため、共晶γ′相の量は少ないことが好ましい。従って、Alの添加量は5.4%以下が望ましく、特に4.9〜5.2%が好ましい。
CrはCr203被膜を形成して合金の耐食性及び耐酸化性を向上する効果があるため、最低でも6.5%以上添加することが望ましい。しかし、Crを過度に添加すると上述のW,Reからなる析出物の析出を助長するため、高温強度に有効なWあるいはReの添加量を低減する必要が生じる。従って、高温強度を重視する場合はCrの添加量の上限を8.5%とすることが望ましい。特に6.9〜7.3%の範囲が好ましい。
MoはWあるいはReと同様な効果を示すが、高温雰囲気中での耐酸化性を著しく低下させるため、耐酸化性を重視する場合はMoの添加量を1%以下に制限することが望ましい。尚、耐食性を有る程度必要とする場合には、Moの添加量を0.7〜1%とすることが好ましい。
NbはTaと同族の元素であり、高温強度についてはほぼ同様の効果があり、0.3〜4%含有が可能である。さらに、硫化物を形成しやすいため、燃料中にSが多く存在する環境においては、Sの合金内部への侵入を遅らせ耐食性を改善する効果がある。しかし、本発明では、合金中に一定量以上のNbとBが存在する場合、共晶部にNbとBと主成分とする低融点相を形成して合金の初期溶融温度を著しく低下させることが明らかになった。この低融点相は、凝固時の偏析により生じるもので、鋳造条件により低融点相が生成する場合と生成しない場合がある。しかし、この低融点が生成した場合は高温での溶体化熱処理を行うことができず、高温強度を向上させることができない。また、低融点相が生成しない条件で鋳造された試料での溶体化熱処理の予備検討結果を、同じ組成でも低融点相が生成する条件で鋳造された試料に適用した場合、低融点部が部分的に溶融して高温強度が大幅に低下する。以上の結果から、本発明では、Nbの好適な添加量は0.3〜1%、より好ましくは0.6〜1.0%である。
TiはNbと同様に硫化物を形成しやすく、燃料中にSが多く存在する環境での耐食性を向上する効果がある。しかし、TiもNbと同様に共晶部の融点を低下させるため、本発明ではTiの添加量は0.4%以下とした。尚、Tiは不純物として含有される場合を除き特に添加するものではない。不純物として含有される量が0.2%以下であれば、合金特性に影響は及ぼさないので、0.2%以下が好ましい。
FeはNiと容易に置換えする元素であり、Ni基合金のクリープ強度を低下させる元素と考えられてきた。またFe自身の耐酸化性が悪いことから、Ni基合金に入ると耐酸化性を低下させるとして、従来の単結晶合金では不純物として扱い、一般的には0.02%以下としてきた。
SiはAlと置換えする元素であり、Ni基合金のγ′相に入る。γ′相に入ると、γ′相の格子定数を変化させ、クリープ強度を低下させる。しかし、一方では、耐酸化性特性を向上させる効果があることが知られている。従来の単結晶合金ではクリープ強度を重視し、Siを不純物として扱い、一般的には0.01%以下としてきた。
また、クリープ強度を低下させないためには、上限を0.2%以下とすることが望ましい。本発明で両方の効果を成立させるには、Siの好適な添加量は0.01〜0.2%、好ましくは0.05〜0.15%である。
Claims (8)
- 重量で、C:0.06%以上0.09%以下、B:0.016%以上0.035%以下、Hf:0.2%以上0.4%以下、Zr:0%以上0.02%以下、Cr:6.5%以上8.5%以下、Mo:0.4%以上1.0%以下、W:5.5%以上9.5%以下、Re:1.2%以上3.1%以下、Ta:8%以上10%以下、Nb:0.3%以上1.0%以下、Ti:0%以上0.4%以下、Al:4.7%以上5.4%以下、Co:0.5%以上5.0%以下、Ti:0%以上0.4%未満、Fe:0.1%以上5%以下及び残部が実質的にNiでなることを特徴とするNi基単結晶合金。
- 重量で、C:0.06%以上0.08%以下、B:0.016%以上0.035%以下、Hf:0.2%以上0.3%以下、Zr:0%以上0.02%未満、Cr:6.9%以上7.3%以下、Mo:0.7%以上1.0%以下、W:7.0%以上9.0%以下、Re:1.2%以上1.6%以下、Ta:8.5%以上9.5%以下、Nb:0.6%以上1.0%以下、Ti:0%以上0.4%未満、Al:4.9%以上5.2%以下、Co:0.8%以上1.2%以下、Fe:0.1%以上5%以下及び残部が実質的にNiでなることを特徴とするNi基単結晶合金。
- 重量で、C:0.06%以上0.09%以下、B:0.016%以上0.035%以下、Hf:0.2%以上0.4%以下、Zr:0%以上0.02%以下、Cr:6.5%以上8.5%以下、Mo:0.4%以上1.0%以下、W:5.5%以上9.5%以下、Re:1.2%以上3.1%以下、Ta:8%以上10%以下、Nb:0.3%以上1.0%以下、Ti:0%以上0.4%以下、Al:4.7%以上5.4%以下、Co:0.5%以上5.0%以下、Ti:0%以上0.4%未満、Fe:0.5%以上3%以下及び残部が実質的にNiでなることを特徴とするNi基単結晶合金。
- 重量で、C:0.06%以上0.08%以下、B:0.016%以上0.035%以下、Hf:0.2%以上0.3%以下、Zr:0%以上0.02%未満、Cr:6.9%以上7.3%以下、Mo:0.7%以上1.0%以下、W:7.0%以上9.0%以下、Re:1.2%以上1.6%以下、Ta:8.5%以上9.5%以下、Nb:0.6%以上1.0%以下、Ti:0%以上0.4%未満、Al:4.9%以上5.2%以下、Co:0.8%以上1.2%以下、Fe:0.5%以上3%以下及び残部が実質的にNiでなることを特徴とするNi基単結晶合金。
- 請求項1又は2において、Feを1%以上3%以下とするNi基単結晶合金。
- 請求項1〜5に記載のNi基単結晶合金において、更にSiを0.01〜0.2%含むNi基単結晶合金。
- 請求項1〜5に記載のNi基単結晶合金において、更にSiを0.05〜0.15%含むNi基単結晶合金。
- 請求頂1〜7の何れかに記載の合金組成からなるNi基合金の鋳物。
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