JP2013185210A - ニッケル基合金及びそれを用いたガスタービン翼 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Cr:13.1〜16.0質量%、Co:5.0〜6.8質量%、Al:3.0〜3.4質量%、Ti:4.6〜5.6質量%、Ta:2.0〜4.4質量%、W:3.5〜5.5質量%、Mo:0.1〜0.9質量%、Nb:0.25質量%以下、Fe:0.02〜5.0質量%、Si:0.01〜0.4質量%、C:0.05〜0.20質量%、B:0.01〜0.03質量%、残部Ni及びその他不可避不純物からなるニッケル基合金である。また、上記合金を用いたガスタービン用高温部材にある。
【選択図】 図4
Description
図4(A)に航空機用ガスタービンの動翼形状、図4(B)にランド用発電ガスタービンの動翼形状の一例を示す。ランド用翼と航空機用翼とは、形状、大きさが異なる。ランド用は、翼部とシャンク部とルート部(ダブティル部)から成り、大きさは、10〜100cm、重量で1〜10kg程度である。一方、航空機用は、翼部とルート部(ダブティル部)よりなり、大きさは、3〜20cm、重量で0.1〜1kg程度と、ランド用に対し、小型、軽量で、細長い形状を有する。ガスタービンの動静翼材には、種々の特性が要求され、使用環境によっても重要性は異なっている。特に、基本的な材料特性として、室温引張り強度、高温引張り強度、クリープ強度、耐食性、耐酸化特性がある。これらの特性に著しく劣る特性のないバランスの取れた特性の鋳造用合金組成の開発は重要視されている。本願発明者らは、普通鋳造合金であって、クリープ強度を維持しながら、耐食性及び耐酸化性を同時に改善しうる合金を検討した結果、上記本発明に至ったものである。
Crは合金の高温における耐食性を改善するのに有効な元素であり、特に溶融塩腐食に対する耐食性を向上させるためには、Cr含有量をより増加させるほど効果は大きくなる。そして、その効果がより顕著に現れるのは13.1質量%以上からである。しかし本発明の合金では、Ti、W、Ta等が多く添加されているため、Cr量が多くなりすぎると、脆化相であるTCP相が析出して高温強度や高温耐食性を著しく害するようになるため、他の合金元素とのバランスをとって、その上限を16.0質量%とする必要がある。この組成範囲に於いて、強度と耐食性のバランスを考慮した場合、好ましくは13.6〜15.5質量%の範囲であり、より好ましくは13.6〜14.5質量%の範囲である。
Coは、γ′相(NiとAlの金属間化合物Ni3Al)の固溶温度を低下させて溶体化処理を容易にするほか、γ相を固溶強化すると共に高温耐食性を向上させる効果を有する。そのような効果が現れるのは、Coの含有量が1.0質量%以上である。一方、本発明の合金では、Ti、W、Ta等が添加されているため、Coの含有量が6.8質量%を越えると、他の合金元素とのバランスがくずれ、γ′相の析出を抑制し高温強度を低下させてしまうため、6.8質量%以下にする必要がある。本発明の組成範囲に於いて、溶体化熱処理の容易性と強度とのバランスを考慮した場合、好ましくは5.0〜6.5質量%の範囲である。
Wはマトリックスであるγ相と析出相であるγ′相に固溶し、固溶強化によりクリープ強度を高めるのに有効な元素である。そして、このような効果を十分に得るためには3.5質量%以上の含有量が必要である。しかし、Wは比重が大きく、合金の質量を増大するばかりでなく、合金の高温における耐食性を低下させる。また、本発明合金のようにTiとCr量の多い合金では、4.9質量%を越えると針状のα−Wが析出し、クリープ強度、高温耐食性および靭性を低下させるため、その上限を5.5質量%にする必要がある。
本発明の組成範囲に於いて、高温における強度、耐食性及び高温での組織安定性のバランスを考慮した場合、好ましくは4.0〜5.4質量%の範囲であり、より好ましくは4.4〜4.8質量%の範囲である。
Taはγ′相に[Ni3(Al、Ta)]の形で固溶し、固溶強化する。これによりクリープ強度が向上する。この効果を十分に得るためには、2.0質量%以上の含有量が必要であり、4.4質量%以上になると過飽和になって針状のδ相[Ni、Ta]が析出し、クリープ強度を低下させる。したがって、その上限を4.4質量%とする必要がある。
この組成範囲に於いて、高温における強度と組織安定性のバランスを考慮した場合、好ましくは、2.5〜4.4質量%の範囲、より好ましくは、3.1〜4.0質量%の範囲である。
MoはWと同様の効果を有するため、必要に応じてWの一部と代替えすることが可能である。また、γ′相の固溶温度をあげるため、Wほどでは無いがクリープ強度を向上させる効果がある。そして、このような効果を得るためには0.1質量%以上の含有量が必要である。また、MoはWに比べて比重が小さいため合金の軽量化が図れる。一方、Moは合金の耐酸化特性および耐食性を低下させるため、添加するとしてもその上限を0.9質量%とする必要がある。この組成範囲に於いて、高温における強度、耐食性及び高温での耐酸化特性のバランスを考慮した場合、好ましくは0.5〜0.95質量%の範囲であり、より好ましくは0.6〜0.8質量%の範囲である。
TiはTaと同様にγ′相に[Ni3(Al、Ta、Ti)]の形で固溶強化するが、Taほどの効果はない。むしろ、Tiは合金の高温における耐食性を著しく改善する効果がある。特に溶融塩腐食に対する耐食性に顕著な効果が現れるためには、4.6質量%以上の含有量が必要である。しかし、5.6質量%を越えて添加すると、耐酸化特性が著しく劣化し、更に脆化相のη相が析出してくるため、その上限を5.6質量%とする必要がある。本発明合金のようにCrを13.1〜16.0質量%含む合金に於いて、高温における強度と耐食性、耐酸化特性のバランスを考慮した場合、好ましくは4.8〜5.4質量%の範囲であり、より好ましくは4.8〜5.2質量%の範囲である。
Alは析出強化相であるγ′相[Ni3Al]の主構成元素であり、これによりクリープ強度が向上する。また、耐酸化特性の向上にも大きく寄与する。それらの効果を十分得るためには、3.0質量%以上の含有量が必要である。本発明合金ではCr、Ti、及びTaの含有量が高いことから、3.4質量%を越えると、γ′相[Ni3(Al、Ta、Ti)]が過大に析出し、かえって強度を低下させると共に、クロムと複合酸化物を形成し、耐食性を低下させることから、3.0〜3.4質量%の範囲とすることが必要である。この組成範囲に於いて、高温における強度と耐酸化特性、耐食性のバランスを考慮した場合、好ましくは3.0〜3.35質量%の範囲であり、より好ましくは3.1〜3.3質量%の範囲である。
NbはTiと同様にγ′相に[Ni3(Al、Nb、Ti)]の形で固溶強化し、固溶強化はTiより効果が大きい。また、Tiほどの著しい効果は無いが、高温における耐食性を改善する効果がある。しかし、凝固速度が遅くなる発電用ガスタービンの動静翼では、Nb炭化物が粗大化し、特性を悪くする。そのため、本発明の合金では、上限を0.25質量%とする必要がある。本発明合金に於いて、一方向凝固鋳造で使用する場合には、0.1質量%未満とすることが望ましく、実質的には添加しないことである。
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、本発明合金ではTi量が高いことから、Siの過剰添加はかえってクリープ強度を低下させることになる。クリープ強度を低下させず、耐酸化性を向上させるためには、上限を0.4%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0.01〜0.15%である。
Cは結晶粒界に偏析し、結晶粒界の強度を向上させると共に、一部は炭化物(TiC、TaC等)を形成し塊状に析出する。結晶粒界に偏析し、粒界強度を上げるには、0.05質量%以上の添加が必要であるが、0.2質量%を越えて添加すると過剰の炭化物を形成し、高温でのクリープ強度や延性を低下させ、更に耐食性も低下させるので、上限を0.2質量%とする必要がある。この組成範囲に於いて、強度、延性及び耐食性のバランスを考慮した場合、好ましくは0.05〜0.14質量%の範囲であり、より好ましくは0.07〜0.12質量%の範囲である。
Bは結晶粒界に偏析し、結晶粒界の強度を向上させると共に、一部は硼化物[(Cr、Ni、Ti、Mo)3B2]を形成し、合金の粒界に析出する。結晶粒界に偏析し粒界強度を上げるには、0.005質量%以上の添加が必要であるが、この硼化物は合金の融点に比べ低融点であるため、合金の溶融温度を著しく低下させ、溶体化処理温度を困難にすることから、上限を0.03質量%とした。この組成範囲に於いて、強度及び溶体化熱処理性のバランスを考慮した場合、好ましくは0.01〜0.02質量%の範囲である。
Hfは強度の向上にはほとんど寄与しないが、合金表面に形成される保護皮膜(例えば、Cr2O3、Al2O3)の密着性を向上させることで、高温での耐食、耐酸化性を向上させ、Hfの添加量が多くなると保護皮膜の密着性は向上する。しかし、本発明合金においては、Ti量が4.6〜5.6質量%と多いことから、Hfの添加量が2.0質量%を越えると多量の[Ni3(Hf、Ti)]の共晶を作り、ニッケル基合金の融点を著しく下げてしまい、溶体化熱処理を困難にするため、その上限を2.0質量%にすることが必要である。本発明合金において、好ましくは0.1質量%以下とし、実質的に添加しないことである。
Reは必要に応じてWの一部と代替えすることが可能であり、マトリックスであるγ相に固溶し、固溶強化によってクリープ強度を高めるとともに、合金の耐食性を改善するのに有効な元素である。しかし、Reは高価であると共に、比重が大きく合金の比重を増大する。また、本発明合金の様なCrを13.1〜16.0質量%含む合金では、0.5質量%を越えると針状のα−Wまたはα−Re(Mo)の析出を助長し、クリープ強度および靭性を低下させるため、その上限を0.5質量%とする必要がある。本発明合金において、好ましくは0.1質量%以下であり、より好ましくは実質的に添加しないことである。
Zrは結晶粒界に偏析し結晶粒界の強度を向上させる効果があるが、ほとんどは合金の主成分であるニッケルと金属間化合物[Ni3Zr]を結晶粒界に形成する。この金属間化合物は合金の延性を低下させ、また著しく低融点であるため、合金の溶融温度を低下させ、溶体化処理温度を困難にするなど、有害な作用が多いことから、上限を0.05質量%以下にする必要がある。本発明合金において、好ましくは0.03質量%以下であり、より好ましくは0.01質量%以下として実質的に添加しないことである。
これらの元素は不純物であり、いずれも合金原料から持ち込まれることが多く、Oはるつぼからも入り、合金中には酸化物(Al2O3)や窒化物(TiNあるいはAlN)として塊状に存在する。鋳物中にこれらが存在すると、クリープ変形中のクラックの起点となり、クリープ破断寿命を低下させたり、疲労亀裂発生の起点となって疲労寿命が低下させたりする。特にOは、鋳物表面に酸化物として現れることで、鋳物の表面欠陥となり、鋳造品の歩留まりを低下させる原因となる。従って、これら元素の含有量は少ないほど良いが、実際のインゴットを作る場合に0にはできないことから、特性を大きく劣化させない範囲として、両元素の上限をいずれも0.005質量%とした。
Claims (7)
- Cr:13.1〜16.0質量%、Co:5.0〜6.8質量%、Al:3.0〜3.4質量%、Ti:4.6〜5.6質量%、Ta:2.0〜4.4質量%、W:3.5〜5.5質量%、Mo:0.1〜0.9質量%、Nb:0.25質量%以下、Fe:0.02〜5.0質量%、Si:0.01〜0.4質量%、C:0.05〜0.20質量%、B:0.01〜0.03質量%及び不可避不純物を含み、残部がNiであることを特徴とするニッケル基合金。
- 請求項1において、さらに、Hf、Re、Zr、O、Nの少なくともいずれかを含み、Hf:0〜2.0質量%以下、Re:0〜0.5質量%以下、Zr:0〜0.05質量%以下、O:0〜0.005質量%以下、N:0〜0.005質量%以下の合金組成であることを特徴とするニッケル基合金。
- 請求項1または2において、Cr:13.6〜15.5質量%、Co:5.0〜6.8質量%、Al:3.0〜3.35質量%、Ti:4.8〜5.4質量%、Ta:2.5〜4.0質量%、W:4.0〜5.4質量%、Mo:0.5〜0.9質量%、Nb:0.04質量%以下、Fe:0.02〜3.0質量%、Si:0.01〜0.2質量%、C:0.10〜0.18質量%、B:0.01〜0.02質量%の合金組成であることを特徴とするニッケル基合金。
- 請求項3において、Cr:13.6〜14.5質量%、Co:5.0〜6.5質量%、Al:3.1〜3.3質量%、Ti:4.8〜5.2質量%、Ta:3.0〜4.0質量%、W:4.4〜4.8質量%、Mo:0.6〜0.8質量%、Nb:0.04質量%以下、Fe:0.02〜1.0質量%、Si:0.01〜0.1質量%、C:0.12〜0.16質量%、B:0.01〜0.02質量%の合金組成であることを特徴とするニッケル基合金。
- 請求項2において、Hf:0〜0.1質量%以下、Re:0〜0.1質量%以下、Zr:0〜0.03質量%以下、O:0〜0.005質量%以下、N:0〜0.005質量%以下の合金組成であることを特徴とするニッケル基合金。
- 請求項1ないし5のいずれかに記載のニッケル基合金で構成されたことを特徴とする鋳造品。
- 請求項1ないし5のいずれかに記載されたニッケル基合金で構成されたことを特徴とするランド用ガスタービン用タービン翼。
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CN103924178A (zh) * | 2014-04-30 | 2014-07-16 | 西安诺博尔稀贵金属材料有限公司 | 一种镍基高温合金Inconel718弹簧丝的制备方法 |
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