JP5344453B2 - 耐酸化性に優れたＮｉ基超合金 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｉ基超合金に関するものであり、さらに詳しくは、高温での耐酸化性に優れ、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。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｉ基超合金はジェットエンジンなどのタービンブレードやタービンベーンとして基材に使用される際、高温酸化や遮熱を目的として基材表面にコーティングを施して使用される例が多い。そこで、Ｎｉ基超合金としては、万一これらコーティングが何らかの理由で剥がれた場合でも、酸化による機器破損にすぐには至らず定期点検まで使用できるような、耐酸化性に優れた合金であることが期待される。
【０００３】
従来のＮｉ基超合金のうちでは、ＲｅｎｅＮ５合金（Ｃｏ：８ｍａｓｓ％、Ｃｒ：７ｍａｓｓ％、Ｍｏ：２ｍａｓｓ％、Ｗ：５ｍａｓｓ％、Ａｌ：６．２ｍａｓｓ％、Ｔａ：７ｍａｓｓ％、Ｈｆ：０．２ｍａｓｓ％、Ｒｅ：３ｍａｓｓ％で残部がＮｉからなる合金）が耐酸化性に優れた合金として知られている（特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、近年のジェットエンジンやガスタービンの進歩に伴い燃焼ガス温度が高温化されるなか、さらに優れた耐酸化性を持つＮｉ基超合金の実現が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】英国特許ＧＢ−２２３５６９７Ａ公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本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、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有用な、耐酸化性にさらに優れたＮｉ基超合金を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のＮｉ基超合金は、上記の課題を解決する手段として以下のことを特徴としている。
【０００８】
第１：合金組成として、Ｃｏ：３以上１０ｍａｓｓ％未満、Ｃｒ：１−６ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．５ｍａｓｓ％以上４．５ｍａｓｓ％未満、Ｗ：２−１０ｍａｓｓ％、Ａｌ：４−７ｍａｓｓ％、Ｔａ＋Ｎｂ＋Ｔｉ：０−１０ｍａｓｓ％、Ｈｆ：０−２ｍａｓｓ％、Ｒｅ：１−１０ｍａｓｓ％、Ｒｕ：１−８ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．２−３ｍａｓｓ％、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有している。
【０００９】
第２：上記第１の発明の合金において、Ｃｏ：４−８ｍａｓｓ％、Ｃｒ：２−４ｍａｓｓ％、Ｍｏ：１−４ｍａｓｓ％、Ｗ：４−８ｍａｓｓ％、Ａｌ：４−７ｍａｓｓ％、Ｔａ＋Ｎｂ＋Ｔｉ：１−８ｍａｓｓ％、Ｈｆ：０．０５−０．５ｍａｓｓ％、Ｒｅ：３−８ｍａｓｓ％、Ｒｕ：３−７ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．４−２．５ｍａｓｓ％、を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有している。
【００１０】
第３：上記第１又は第２の発明の合金において、さらに、Ｖ：３ｍａｓｓ％以下、Ｚｒ：３ｍａｓｓ％以下、Ｃ：０．３ｍａｓｓ％以下、Ｂ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｙ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｌａ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｃｅ：０．２ｍａｓｓ％以下の元素のいずれか１種または２種以上を含有する。
【００１１】
第４：上記第１から第３の発明の合金を用いて、普通鋳造法、一方向凝固法、単結晶凝固法、粉末冶金法、鋳造法の何れかにより作成した、タービン部材。タービン部材には、タービンブレード、タービンベーンが含まれる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ジェットエンジンやガスタービンの進歩に伴い燃焼ガス温度が高温化されるなか、さらに優れた耐酸化性を持つＮｉ基超合金が提供される。従来では、燃焼ガス温度が高温化された場合、特に耐酸化性が問題となるが、本発明合金では高温での耐酸化性を特に重視したＮｉ基超合金であることから従来のような問題点は改善される。
【００１３】
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は高温で使用される。そのため通常はこれら部材表面に耐熱・耐酸化を目的にコーティングが施されている。しかし、何らかの原因でこのコーティング層が剥離した場合、むき出しになったＮｉ基超合金が高温酸化等で短時のうちに損傷することなく、次回の機器点検まで使用可能なことが望ましい。また、一般にタービンブレードやタービンベーンは高温に曝されることから、内部冷却とブレード表面の冷却のため小さな孔が多数あいている。これらの小さな孔は高温酸化等が原因で目詰まりを起こした場合、局部加熱されて遠心力に耐えられず破壊することもある。
【００１４】
さらに、内部冷却を行うようになり、タービンブレードやタービンベーンはＮｉ基超合金の部材厚さが０．５ｍｍ程度という例もあり、特に耐酸化性が問題となることが多い。本発明のＮｉ基超合金は耐酸化性に優れており、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として高温で使用された場合、長時間の使用に耐え、その経済的効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施例１〜３の酸化試験（大気中１１００℃−１時間加熱保持の繰り返し）の結果を示した図である。
【図２】実施例１および２の試験温度４００℃での引張試験の結果を示した図である。
【図３】実施例４の酸化試験（大気中１１００℃−１時間加熱保持の繰り返し）の結果を示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本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。
【００１７】
本発明のＮｉ基超合金の合金元素組成の限定理由は以下のとおりである。
【００１８】
Ｃｏは組織安定化と強度向上に有効であるが、１５ｍａｓｓ％より多いと高温でガンマプライム量を少なくし、強度を低下させる。よって０．１−１５ｍａｓｓ％とする。好ましくは３−１０ｍａｓｓ％、さらに最も好ましくは４−８ｍａｓｓ％である。
【００１９】
Ｃｒは耐腐食性向上に有効である。０．１−１０ｍａｓｓ％とするが、１０ｍａｓｓ％を超えると有害相を生成し高温強度が低下する。好ましくは１−６ｍａｓｓ％、さらに最も好ましくは２−４ｍａｓｓ％の範囲である。
【００２０】
Ｍｏは０．１−４．５ｍａｓｓ％とするが、Ｍｏは、素地中に固溶して高温強度を上昇させるとともに、析出硬化によって高温強度に寄与する。好ましくは０．５−４．５ｍａｓｓ％、さらに最も好ましくは１−４ｍａｓｓ％の範囲である。
【００２１】
Ｗは、Ｍｏと同様に固溶強化と析出硬化の作用がある。Ｗは０．１−１５ｍａｓｓ％とする。好ましくは２−１０ｍａｓｓ％、最も好ましくは４−８ｍａｓｓ％の範囲である。
【００２２】
Ａｌは、Ｎｉと化合し、ガンマ母相中に析出するガンマプライム相を構成するＮｉ３Ａｌで表される金属間化合物を形成し、高温強度を向上させる。Ａｌは２−８ｍａｓｓ％とする。好ましくは４−７ｍａｓｓ％の範囲とする。
【００２３】
Ｔａ＋Ｎｂ＋Ｔｉは、いずれもガンマプライム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。いずれの場合も総和が１６ｍａｓｓ％以上になると有害相の生成が助長されるので、０−１６ｍａｓｓ％である必要がある。好ましくは０−１０ｍａｓｓ％、最も好ましくは１−８ｍａｓｓ％の範囲とする。
【００２４】
Ｈｆは耐酸化性を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が５ｍａｓｓ％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り、０−５ｍａｓｓ％である必要がある。好ましくは０−２ｍａｓｓ％、さらに最も好ましくは０．０５−０．５ｍａｓｓ％の範囲とする。
【００２５】
Ｒｅは、ガンマ相に固溶し、固溶強化により高温強度を向上させる。またＲｅは耐食性を向上させる効果もある。一方でＲｅを多量に添加すると、高温時にＴＣＰ相が析出して高温強度を低下させるおそれがある。Ｒｅは、０．１−１６ｍａｓｓ％の範囲が好ましい。より好ましくは１−１０ｍａｓｓ％、最も好ましくは３−８ｍａｓｓ％の範囲とする。
Ｒｕは、ＴＣＰ相の析出を抑え、これにより高温強度を向上させる。Ｒｕの組成比は、０．１−１６ｍａｓｓ％の範囲が好ましい。好ましくは１−８ｍａｓｓ％、最も好ましくは３−７ｍａｓｓ％の範囲とする。
【００２６】
Ｓｉは、合金表面にＡｌ２Ｏ３など保護性の酸化皮膜を生成させて耐酸化性を向上させる元素である。Ｓｉを多量に添加すると他の元素の固溶限を低下させるため０．２−５ｍａｓｓ％と規定する。好ましくは０．２−３ｍａｓｓ％、最も好ましくは０．４−２．５ｍａｓｓ％の範囲とする。
【００２７】
Ｖはガンマプライム相に固溶し、ガンマプライム相を強化させる元素である。しかしながら、過度の添加はクリープ強度を低下させるため３ｍａｓｓ％以下と規定する。
【００２８】
ＺｒはＢやＣと同様に粒界を強化する元素である。しかしながら過度の添加はクリープ強度を低下させることから３ｍａｓｓ％以下と規定する。
【００２９】
Ｃは粒界強化に寄与する。しかし過度の添加は延性を害するため０．３ｍａｓｓ％以下と規定する。
【００３０】
ＢはＣと同様に粒界強化に寄与する。しかし過度の添加は延性を害するため０．２ｍａｓｓ％以下と規定する。
【００３１】
Ｙ、Ｌａ、ＣｅはＮｉ基超合金を高温で使用中にアルミナ、クロミアなどを形成する保護酸化皮膜の密着性を向上させる元素である。しかし過度の添加は他の元素の固溶限を低下させることになるためＹ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｌａ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｃｅ：０．２ｍａｓｓ％以下と規定する。
【００３２】
以上のとおりのこの出願の耐酸化性に優れたＮｉ基超合金は従来公知の製造方法の手順や条件を勘案して、普通鋳造合金、一方向凝固合金および単結晶超合金などの溶解鋳造により製造することができる。
【００３３】
そこで以下に実施例を説明する。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。
【実施例】
【００３４】
表１の各組成を有するＮｉ基合金を溶製した。
【００３５】
【表１】

【００３６】
得られた各々の合金について、直径９ｍｍφ，高さ５ｍｍの試料を調製し、これを用いて耐酸化性を評価した。
【００３７】
耐酸化性試験は大気中において試験温度１１００℃で実施した。この試験温度で１時間加熱保持してから炉外に取り出した。試料を冷却後に重量変化を測定した。その後、再び試験温度に１時間加熱保持して重量変化を測定することを繰り返した。
【００３８】
その結果、図１に示したように、試験回数５０回の範囲で、Ｓｉ含有の実施例１、実施例２及び実施例３において、従来から耐酸化性に優れているといわれる比較合金２（ＲｅｎｅＮ５）を上回る耐酸化性を持つ新しいＮｉ基超合金を見いだした。なお、Ｓｉを含まない比較合金１では耐酸化性が劣る。
【００３９】
強度試験は、実施例１と比較合金２について４００℃の引張試験を実施した。その結果、図２に示したように、本発明の超合金は、０．２％耐力及び引張強さ共に比較例２より優れた強度であった。
【００４０】
実施例４としてＣｏ5.8ｍａｓｓ％、Ｃｒ3.2ｍａｓｓ％、Ｍｏ2.8ｍａｓｓ％、Ｗ5.6ｍａｓｓ％、Ａｌ5.7ｍａｓｓ％、Ｈｆ0.1ｍａｓｓ％、Ｒｅ5.8ｍａｓｓ％、Ｒｕ3.6ｍａｓｓ％、Ｔａ5.6ｍａｓｓ％、Ｓｉ0.45 ｍａｓｓ％を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなるＮｉ基合金を溶製した。比較合金３として、Ｓｉを含有していないＣｏ5.8ｍａｓｓ％、Ｃｒ3.2ｍａｓｓ％、Ｍｏ2.8ｍａｓｓ％、Ｗ5.6ｍａｓｓ％、Ａｌ5.7ｍａｓｓ％、Ｈｆ0.1ｍａｓｓ％、Ｒｅ5.8ｍａｓｓ％、Ｒｕ3.6ｍａｓｓ％、Ｔａ5.6ｍａｓｓ％と、残部がＮｉと不可避的不純物からなるＮｉ基合金を溶製した。
【００４１】
実施例１−３と同様な耐酸化性試験を行い、図３に示したように、0.45ｍａｓｓ％のＳｉを含有するＮｉ基超合金においても、Ｓｉを含まない比較合金３に較べて顕著に耐酸化性が改善された。

Claims (4)

1. Ｃｏ：３以上１０ｍａｓｓ％未満、Ｃｒ：１−６ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．５ｍａｓｓ％以上４．５ｍａｓｓ％未満、Ｗ：２−１０ｍａｓｓ％、Ａｌ：４−７ｍａｓｓ％、Ｔａ＋Ｎｂ＋Ｔｉ：０−１０ｍａｓｓ％、Ｈｆ：０−２ｍａｓｓ％、Ｒｅ：１−１０ｍａｓｓ％、Ｒｕ：１−８ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．２−３ｍａｓｓ％、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。
2. Ｃｏ：４−８ｍａｓｓ％、Ｃｒ：２−４ｍａｓｓ％、Ｍｏ：１−４ｍａｓｓ％、Ｗ：４−８ｍａｓｓ％、Ａｌ：４−７ｍａｓｓ％、Ｔａ＋Ｎｂ＋Ｔｉ：１−８ｍａｓｓ％、Ｈｆ：０．０５−０．５ｍａｓｓ％、Ｒｅ：３−８ｍａｓｓ％、Ｒｕ：３−７ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．４−２．５ｍａｓｓ％、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請求項１のＮｉ基超合金。
3. 請求項１又は２の合金においてさらにＶ：３ｍａｓｓ％以下、Ｚｒ：３ｍａｓｓ％以下、Ｃ：０．３ｍａｓｓ％以下、Ｂ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｙ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｌａ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｃｅ：０．２ｍａｓｓ％以下の元素のいずれかを単独あるいは複合的に含有することを特徴とするＮｉ基超合金。
4. 請求項１から３のいずれかの合金を用いて、普通鋳造法、一方向凝固法、単結晶凝固法、粉末冶金法、鋳造法の何れかにより作成したタービン部材。