JP4115369B2

JP4115369B2 - Ｎｉ基超合金

Info

Publication number: JP4115369B2
Application number: JP2003330302A
Authority: JP
Inventors: 敏治小林; 裕小泉; 忠晴横川; 広史原田; 丸子智弘
Original assignee: Furuya Metal Co Ltd; National Institute for Materials Science
Current assignee: Furuya Metal Co Ltd; National Institute for Materials Science
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2023-09-22
Also published as: JP2005097650A

Description

この出願の発明は、Ｎｉ基超合金に関するものであり、さらに詳しくは、高温での組織安定性とクリープ特性に優れ、ジェットエンジンやガスタービンなどのタービンブレードやタービンベーン、タービンディスク等の高温、高応力下で使用される部材として好適な、新しいＮｉ基超合金に関するものである。

従来、Ｎｉ基超合金としては、ＣＭＳＸ−１０（質量％で、Ｃｏ：３．３、Ｃｒ：２．４、Ｍｏ：０．４、Ｗ：５．３、Ａｌ：５．７、Ｔｉ：０．２、Ｎｂ：０．１、Ｔａ：８．２、Ｈｆ：０．０３、Ｒｅ：６．３で残部がＮｉからなる合金）（特許文献１）、ＴＭＳ−１３８（質量％で、Ｃｏ：５．８、Ｃｒ：２．８、Ｍｏ：２．９、Ｗ：６．１、Ａｌ：５．８、Ｔａ：５．６、Ｈｆ：０．０５、Ｒｅ：５．１、Ｒｕ：１．９で残部がＮｉからなる合金）（特許文献２）などが高温強度に最も優れたものとして知られている。

これら従来のＮｉ基超合金は、単結晶合金部材として１１００℃までのクリープ強度の点で優れている。しかしながら、多量のＲｅを含有するため長時間のクリープに際して、ＴＣＰ相と呼ばれる有害結晶を生成しやすいという欠点があった。ジェットエンジンやガスタービンの長時間の信頼性を高めるためには合金の組織の安定性を高めることが重要であるので、このような観点から、Ｒｅを含まずに、従来のＮｉ基超合金と同等あるいはそれ以上のクリープ強度を有するＮｉ基超合金の実現が望まれていた。
米国特許第５，３６６，６９５号公報欧州特開１２６２５６９号公報

この出願の発明は以上のとおりの背景を踏まえてなされたものであって、Ｒｅを含有せずに、ジェットエンジンやガスタービンのタービンブレードやタービンベーンなどの高温部材として長時間にわたり組織安定な、新しい高強度Ｎｉ基超合金を提供することを課題としている。

この出願の発明は、上記の課題を解決するためのものとして、第１には、質量％として、Ｃｒ：０．１〜２０、Ｍｏ：０．１〜１０、Ｗ：０．１〜１５、Ａｌ：２−１０、Ｔａ：０．１〜１６、Ｒｕ：０．１〜１０を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするＮｉ基超合金を提供する。

第２には、上記の合金においてさらに、質量％でＣｏ：０．１〜２０を含有することを特徴とするＮｉ基超合金を提供する。

第３には、これらの合金を用いて、普通鋳造法、一方向凝固法、あるいは単結晶凝固法により作成したことを特徴とするタービンブレードあるいはタービンベーン部品を提供する。

第４には、粉末冶金法あるいは鍛造法により作成したことを特徴とするタービンディスク部品を提供する。

この出願の第１の発明によれば、長時間にわたり組織安定でクリープ強度の優れたＮｉ基超合金を得ることができる。

また、上記第２の発明は、さらにＣｏを含有させて中低温側でのクリープ強度を向上させる効果を有する。

第３の発明では、新しいＮｉ基超合金によるタービンブレード、タービンベーンをジェットエンジンやガスタービンに用いることによって、それらの長時間使用が可能となり信頼性などが向上する。

第４の発明では、新しいＮｉ基超合金によるタービンディスクをジェットエンジンやガスタービンに用いることによって、それらの長時間信頼性などが向上する。

この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

この出願の発明においては、後述実施例に述べるように、従来、高強度Ｎｉ基超合金に必須と考えられてきたＲｅを添加することなく高いクリープ強度を実現したことを特徴としている。その組成について説明すると以下のとおりである。

この出願の発明のＮｉ基超合金においては、Ｃｏは中低温のクリープ強度を向上させる有効な元素である。しかし添加量が２０質量％を超えるとＴＣＰ相とよばれる有害結晶を生成して、クリープ強度が低下する。また、０．１質量％以上とすることが好ましい。

Ｃｒは耐酸化性と耐高温腐食性を向上させる有効な元素として必要である。しかし添加量が２０質量％を超えるとＴＣＰ相とよばれる有害結晶を生成して、クリープ強度が低下する。また、０．１質量％以上とすることが好ましい。

Ｍｏは格子定数ミスフィットを負に移行させて、ガンマ相とガンマ’相の界面に緻密な転位網を形成させ、高温のクリープ強度を向上させる有効な元素として必要である。しかし添加量が１０質量％を超えるとＴＣＰ相とよばれる有害結晶を生成して、クリープ強度が低下する。また、０．１質量％以上とすることが好ましい。

Ｗは高温から低温までのクリープ強度を向上させる効果があるので、合金に添加することが必要である。しかし添加量が１５質量％を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある。また、０．１質量％以上とすることが好ましい。

Ａｌは高温強度向上に不可欠なガンマ’相を形成させるために２質量％以上必要である。しかし１０質量％を超えると共晶ガンマ’と呼ばれる粗大な結晶が生成しクリープ強度が低下する。よって２−１０質量％とすることが必要である。より好ましくは４−８質量％である。

Ｔａは、ガンマ’相を強化してクリープ強度を向上させる有効な元素である。したがって添加が必要である。１６質量％以上になると有害相の生成が助長されるので、１６質量％以下である必要がある。また、０．１質量％以上とすることが好ましい。

Ｒｕは低温側のクリープ強度を向上させるために必須の元素である。しかし添加量が１０質量を超えると有害相の生成が助長されるので、１０質量以下でなくてはならない。また、このＲｕの添加については、０．１質量以上とすることが好ましい。

Ｈｆは耐酸化性を向上させる効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が１０質量％を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある。好ましくは８質量％以下である。

Ｐｔは組織安定性を向上させ有害相生成を防ぐ効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が１０質量％を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある。

Ｒｈも組織安定性を向上させ有害相生成を防ぐ効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が１０質量％を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある。

Ｖは低温側のクリープ強度を向上させる効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が３質量％を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある。好ましくは２質量％以下である。

Ｚｒは結晶粒界強度を向上させる効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が３質量％を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある。好ましくは２質量％以下である。

Ｓｉは耐酸化性を向上させる効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が３質量％を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある。好ましくは２質量％以下である。

Ｆｅは低温側のクリープ強度を向上させる効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が１０質量％を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある。

Ｃは炭化物を結晶粒界に生成させクリープ強度を向上させる効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が０．３質量％を超えると炭化物量が過多となり合金が脆化するのでこれ以下とする必要がある。

Ｂは結晶粒界に偏析して強度を向上させる効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が０．２質量％を超えると融点の低下を招くのでこれ以下とする必要がある。

Ｙは耐酸化性を向上させる効果があるので、添加することが有効である。しかし添加量が０．２質量％を超えるとかえって耐酸化性を低下させるのでこれ以下とする必要がある。

Ｌａは耐酸化性を向上させる効果があるので、添加することが有効である。しかし添加量が０．２質量％を超えるとかえって耐酸化性を低下させるのでこれ以下とする必要がある。

Ｃｅは耐酸化性を向上させる効果があるので、添加することが有効である。しかし添加量が０．２質量％を超えるとかえって耐酸化性を低下させるのでこれ以下とする必要がある。

以上のような組成の特徴を有するこの出願の発明のＮｉ基超合金については、たとえば単結晶として鋳造し、溶体化処理、時効処理を行うことによって製造することができる。一方向凝固合金としてもよい。

たとえば溶体化処理については、１２００℃〜１３５０℃の範囲において、時効処理については、１０００℃以上での１次時効と、９５０℃以下での２次時効との多段階処理が好適なものとして考慮される。

以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。

Ｎｉ基超合金（実施例Ａ組成（質量％）：５．７Ｃｒ、１．０Ｍｏ、１２．５Ｗ、４．７Ａｌ、７．４Ｔａ、２．０Ｒｕ、残Ｎｉ、実施例Ｂ組成（質量％：７．９Ｃｏ、５．０Ｃｒ、２．８Ｍｏ、１１．１Ｗ、４．９Ａｌ、７．８Ｔａ、２．５Ｒｕ、残Ｎｉ）を単結晶に鋳造し、溶体化処理及び時効処理を行った。溶体化処理は、１２７０℃で１時間保持した後、１３００℃まで昇温し、５時間保持した。また時効処理は１１００℃で４時間保持する１次時効と、８７０℃で２０時間保持する２次時効処理を行った。

次に、溶体化処理及び時効処理を施した本実施例の試料に対してクリープ強度を測定した。クリープ試験は温度１１００℃、応力１３７ＭＰａの条件で試料がクリープ破断するまでの時間を寿命とした。

実施例Ａ合金とＢ合金のクリープ試験結果と従来技術の合金とを比較し、その結果を図１に示した。なお、図１では機器設計で重要な値である１％クリープひずみ到達時間を示している。図１から明らかなように、本発明合金は第３世代Ｎｉ基単結晶合金といわれる比較例ＣＭＳＸ−１０及び第４世代Ｎｉ基単結晶合金ＴＭＳ−１３８に比べ高いクリープ強度を有していることがわかる。

この出願の発明によって、高温での組織安定性とクリープ特性に優れ、ジェットエンジンやガスタービンなどのタービンブレードやタービンベーン、タービンディスクなどの高温、高応力下で使用される部材として好適な、新しいＮｉ基超合金が提供されることになる。

この出願の発明の合金と既存の最強合金の１％クリープひずみ到達時間を比較して示した図である。

Claims

質量％として、Ｃｒ：０．１〜２０，Ｍｏ：０．１〜１０，Ｗ：０．１〜１５，Ａｌ：２〜１０，Ｔａ：０．１〜１６，Ｒｕ：０．１〜１０を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするＮｉ基超合金。
請求項１記載の合金において、さらに、質量％で、Ｃｏ：０．１〜２０を含有することを特徴とするＮｉ基超合金。
請求項１または２に記載の合金を用いて、普通鋳造法、一方向凝固法、あるいは単結晶凝固法により作成したことを特徴とするタービンブレードあるいはタービンベーン部品。
請求項１または２に記載の合金を用いて、粉末冶金法あるいは鍛造法により作成したことを特徴とするタービンディスク部品。