JPH1046278A - タービンエンジン部品用ニッケル合金 - Google Patents
タービンエンジン部品用ニッケル合金Info
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- JPH1046278A JPH1046278A JP9107149A JP10714997A JPH1046278A JP H1046278 A JPH1046278 A JP H1046278A JP 9107149 A JP9107149 A JP 9107149A JP 10714997 A JP10714997 A JP 10714997A JP H1046278 A JPH1046278 A JP H1046278A
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- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
- C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
- C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
- C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
- C22C19/056—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 10% but less than 20%
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Abstract
スパロイより高い引張強さを有する、コンプレッサーや
ガスタービンディスクなどに適するニッケルベース超合
金を提供する。 【構成】 Co 14〜19%、Cr 14.35〜1
5.15%、Mo 4.25〜5.25%、Ta 1.
35〜2.15%、Ti 3.45〜4.15%、Al
2.85〜3.15%、B 0.01〜0.025
%、C 0.012〜0.033%、Zr 0.05〜
0.07%、Hf 0.5〜1.0%、Re〜1.0
%、W 〜2.0%、Nb 〜0.5%、Y 〜
0.1%、V 〜0.1%、Fe 〜1.0%、S
i 〜0.2%、Mn 〜0.15%、Ni残余か
らなる合金。
Description
ス超合金と、それから作られる例えばコンプレッサーや
タービンディスク等の鍛練、熱処理製品に関する。直径
1mにも及ぶタービンディスクは、タービン等ガスター
ビンの致命的な部分である。操業中にそのような部品に
欠陥が生じると、いつも取り返しがつかない状況とな
る。
て、タービンディスクのようなエンジン部品をより苛酷
な条件で操業できるように改良された合金が絶えず求め
られてきた。ワスパロイ(waspaloy)として知
られるニッケルベース超合金は1967年に導入され、
強度と使用最高温度に限界があるにもかかわらず、今日
も依然として使用されている。改良された強度を有する
合金UDIMET720は、1986年に導入された
(UDIMETはスペシャル・メタルズ・コーポレーシ
ョンの登録商標である)。しかし、UDIMET720
は、不安定(有害な位相的密封(topologica
lly close packed)(TCP)相形成
の点で)であることがわかり、1990年にクロムと炭
素と硼素の量を減らした合金、粉末加工のUDIMET
720Li(隙間が少ない)に取って代わられた。鋳造
鍛練(C+W)加工の改良は、1994年にはC+W
UDIMET720Liをもたらした。鋳造鍛練UDI
MET720Liは、粉末ヴアリアントのものにほぼ匹
敵する特性を示す。UDIMET720Liは十分な強
度を有するが、疲労亀裂生長に対する抵抗はワスパロイ
よりいくぶん低く、その最高作業温度はおよそ650℃
が限度である。
スクの増大する需要を満たすように、合金組成、微細構
造、熱処理、加工ルートの定義付けが絶えず求められて
いる。本発明の目的はその要求を満たすことである。ニ
ッケルベース超合金は、一般に合金成分がおよそ10か
らなり非常に複雑であるため、合金組成の最適化は極め
て難しい。本発明を発展させるにあたっては広く相ダイ
アグラム設計(modelling)が、成分相とその
割合を予測するため、採用されている。
4.0ないし19.0%のコバルト、14.35ないし
15.15%のクロム、4.25ないし5.25%のモ
リブデン、1.35ないし2.15%のタンタル、3.
45ないし4.15%のチタン、2.85ないし3.1
5%のアルミニウム、0.01ないし0.025%の硼
素、0.012ないし0.033%の炭素、0.05な
いし0.07%のジルコニウム、0.5ないし1.0%
のハフニウム、1.0%までのレニウム、2.0%まで
のタングステン、0.5%以下のニオブ、1.0%まで
のイットリウム、0.1%までのバナジウム、1.0%
までの鉄、0.2%までの珪素、0.15%までのマン
ガン、残余のニッケルおよび付随的な不純物からなるニ
ッケルベース合金を提供する。
ト、15%のクロム、5%のモリブデン、2%のタンタ
ル、3.6%のチタン、3%のアルミニウム、0.07
5%のハフニウム、0.015%の硼素、0.06%の
ジルコニウム、0.027%の炭素、残余のニッケルお
よび付随的な不純物からなる。
ト、14.5%のクロム、4.5%のモリブデン、1.
5%のタンタル、4%のチタン、3%のアルミニウム、
0.015%の硼素、0.06%のジルコニウム、0.
027%の炭素、残余のニッケルおよび付随的な不純物
からなる。
バルト、14.5%のクロム、4.5%のモリブデン、
1.5%のタンタル、4%のチタン、3%のアルミニウ
ム、0.75%のハフニウム、0.015%の硼素、
0.06%のジルコニウム、0.027%の炭素、残余
のニッケルおよび付随的な不純物からなる。
量%である。
抵抗性。この主要である特性は、総合特性バランスを失
うことなく達成される。
50℃の温度で少なくとも1400MPaの極限引張強
さ(UTS)。
力を40時間加えたときの全塑性(plastic)歪
(TPS)0.1%以下のクリープ歪。
±2%。(γプライム容積分率を増加すると、引張強さ
が改善される。γプライム重量分率をこのレベルまで制
御すると、引張強さと疲労亀裂生長抵抗との均衡が保持
される。)
タイプの粒界カーバイドを形成するポテンシャルの程
度。(本発明に至るまでの我々の研究により、安定性に
欠ける合金ほど大きな疲労亀裂生長抵抗を示すことがわ
かった。)
好ましくはTCP相の割合(鍛練熱処理製品において)
は、725℃の温度で7.0重量%以下である。(シグ
マ及びムー相の過剰な析出は、これらの超合金のクリー
プ特性を低下させることがわかった。)
23C6相のソルバスよりも低く、好ましくは少なくとも
40℃低い。
の合金のいずれよりも高い作動温度。
合金の組成を、従来技術による4種の合金の組成ととも
に示す。本発明による好ましい合金は、タンタルを含む
ことと、クロム、モリブデン、チタン、アルミニウムの
組み合わせであることに特徴があることがわかる。
関係に特別な効果をもたらすことが確認された。
範囲内)は、合金の引張あるいはクリープ強さにはなん
ら有意義の効果をもたらさない。15重量%のコバルト
が存在すると、最小の堆積欠陥エネルギー(SFE)が
生じ、平面変形(planer deformatio
n)と潜在的に改善された疲労亀裂生長抵抗を促進す
る。
しに疲労亀裂生長抵抗を改善するために上げられた。
益な効果をもたらすが、TCP相形成の点で高クロムと
の均衡を保つために、レベルが制限されている。
して非常に安定したタンタルカーバイド(MCカーバイ
ド)を形成する。タンタル濃度はこのMCカーバイドが
分解し、粒界カーバイドの形成を促進するよう制限され
る。
ム重量分率を制御し、γプライムソルバスに最大の効果
をもたらす。チタン含量は、γプライム重量分率とTC
P相形成を制御しながら、引張強さを維持するために減
らされるタンタルレベルとの均衡を保つように増加させ
た。
制御するために、チタンとの均衡をとった。アルミニウ
ム濃度も、TCP相形成傾向を減じるために制限した。
および引張強さに有利であるようレベルを減らした。
促進するレベルに維持した。
抗に有利な効果をもたらすので、0.06重量%まで増
加させた。
て)0.75重量%の割合で含有させた。ハフニウムを
添加すると、すべての特性が改善される。
な効果をもたらすので、含有させると有効である。
めには、下記の加工段階をとることが製品製造、つま
り、粉末冶金あるいは鋳造鍛練技術を利用してのビレッ
ト製造にとって望ましい。すなわち、等温(isoth
ermal)あるいはホットダイルートによるビレット
加工、ついで部分的あるいは全体的の溶解処理、制御さ
れた冷却、そして熟成である。
ラスcogなどのようなルートによる固結(conso
lidation)を含む標準的な粉末技術を利用して
製造される。固結は、合金のγプライムソルバス以下の
温度で起こる。
品を生み出すための転換ルートを伴う3重溶融法により
製造される。
小さな物には鋳造鍛練がより適している。
の温度で2ないし24時間ソークすることにより、鍛造
に先だってビレットをあらかじめ調整するというオプシ
ョンが可能である。
鍛造。例えば、γプライムソルバスマイナス60℃まで
のビレット温度で、1×10-4ないし1×10-2s-1の
ストレイン率、あるいはγプライムソルバスマイナス1
20℃までの温度で、1×10-2ないし5×10-1s-1
のストレイン率で。
バスプラス20℃までの温度範囲で、0.5ないし8時
間、製品を部分的あるいは全体的に溶解処理すること。
合金の引張応答を、例えば、0.2から10℃/sの間
に維持しながら、亀裂を防止するのに適当な割合で溶解
温度から冷却。最後に、650から900℃の間の温度
で10ないし30時間熟成。
抗に関連する。本発明の総合加工条件の目的は、したが
って、鍛練熱処理製品において、好ましくは6ないし4
5μmというかなり粗い粒度を達成することである。2
5ないし35μmの範囲の均一な粒度が特に好ましい
が、2重構造を含む非均一粒度でも十分である。
ライムおよびδ相に関する情報を提供するが、従来の合
金UDIMET720Liも比較のために含まれてい
る。合金2と3におけるδ相の重量%とソルバスが、U
DIMET720Liのレベル以下に減少していること
がわかる。
と、クリープおよび極限引張強さを、既知の合金と比較
して報告している。
れぞれが合金2の相ダイアグラムモデルの予測である。
%の相質量(phase mass)を示す。
0ないし2重量%の相質量を示す。
1重量%の相質量と、1000ないし1200Kの温度
を示す。
℃)でソルバスを有する。M23C6相(6)は、117
0K(897℃)付近でソルバスを有する。この温度間
(すなわち、適用可能な熱処理の窓)での熟成熱処理
は、好ましいM23C6相の形成を促す。
されたい。この合金は、M23C6ソルバス以上のδソル
バス温度を示す。
添加されていることが好ましく、さらにこれらの合金に
は、ニオブがまったく添加されないことが好ましい。
長抵抗とクリープ抵抗は、粒度を増大することにより改
善されることはよく知られている。ニッケルベース超合
金は、2つの主要相であるγマトリックスと、規則補強
(ordered strengthening)γプ
ライム相(Ni3Al/Ti)からなる。合金のγプラ
イムソルバス温度では、γプライム相は完全にγマトリ
ックス中に溶解される。γプライム相は、ふたつの主要
サイズである第一γプライムと、第二γプライムとして
存在する。第一γプライムの方が大きく、粒境界に存在
する。第一γプライムは、粒境界の移動を防ぎ、それに
より粒度を制御するために、製造工程中を通して保持さ
れる。第一γプライム体積分率が減少すると、粒度はγ
プライムソルバス温度以下の温度でも増大する。第二γ
プライムは、熱処理工程の冷却中、γマトリックス全体
に均一に析出する。
処理、スーパーソルバス熱処理は、ふつう非均一の粒成
長をもたらし、したがってスーパーソルバス熱処理を使
用して再現性のある構造を生じることは難しい。γプラ
イムソルバス温度に近いがそれ以下の温度での熱処理
は、制御された再現性のある均一な粒成長を起こすため
に採用できる。
ズを有しており、生来優れた疲労亀裂生長抵抗を有する
ことがわかった。本発明の合金のクリープ抵抗と疲労亀
裂生長抵抗は、粒度を増大させることにより改善でき
る。このように本発明の合金は、優れた疲労亀裂生長抵
抗を得るために、より粗い粒微細構造を生じるためのス
ーパーソルバス熱処理や他の熱処理を必要としない。こ
のように本発明の合金は、高価なスーパーソルバスや他
の熱処理なしですませることが可能であることがわかっ
た。微細粒はふつう6−12μmであり、中間の粒は1
2−30μmであり、粗粒は30μmより大きい。
温度対相質量(0〜100重量%)を示す。
Claims (11)
- 【請求項1】 重量%で14.0ないし19.0%のコ
バルト、14.35ないし15.15%のクロム、4.
25ないし5.25%のモリブデン、1.35ないし
2.15%のタンタル、3.45ないし4.15%のチ
タン、2.85ないし3.15%のアルミニウム、0.
01ないし0.025%の硼素、0.012ないし0.
033%の炭素、0.05ないし0.07%のジルコニ
ウム、0.5ないし1.0%のハフニウム、1.0%ま
でのレニウム、2.0%までのタングステン、0.5%
以下のニオブ、1.0%までのイットリウム、0.1%
までのバナジウム、1.0%までの鉄、0.2%までの
珪素、0.15%までのマンガン、残余のニッケルおよ
び付随的な不純物からなるニッケルベース合金。 - 【請求項2】 重量%で18.5%のコバルト、15%
のクロム、5%のモリブデン、2%のタンタル、3.6
%のチタン、3%のアルミニウム、0.75%のハフニ
ウム、0.015%の硼素、0.06%のジルコニウ
ム、0.027%の炭素、残余のニッケルおよび付随的
な不純物からなる請求項1に記載の合金。 - 【請求項3】 重量%で15%のコバルト、14.5%
のクロム、4.5%のモリブデン、1.5%のタンタ
ル、4%のチタン、3%のアルミニウム、0.015%
の硼素、0.06%のジルコニウム、0.027%の炭
素、残余のニッケルおよび付随的な不純物からなる請求
項1に記載の合金。 - 【請求項4】 重量%で15%のコバルト、14.5%
のクロム、4.5%のモリブデン、1.5%のタンタ
ル、4%のチタン、3%のアルミニウム、0.75%の
ハフニウム、0.015%の硼素、0.06%のジルコ
ニウム、0.027%の炭素、残余のニッケルおよび付
随的な不純物からなる請求項1に記載の合金。 - 【請求項5】 TCP相のソルバスがM23C6またはM6
C相のソルバスよりも小さい請求項1〜4のいずれかに
記載の合金。 - 【請求項6】 本質的に請求項1〜5のいずれかによる
合金からなる鍛練、熱処理製品。 - 【請求項7】 ディスクまたはタービンである請求項6
に記載の製品。 - 【請求項8】 粒径が6−45μmである請求項6また
は7に記載の製品。 - 【請求項9】 TCP相の割合が725℃の温度で7.
0重量%以下である請求項6〜8のいずれかに記載の製
品。 - 【請求項10】 M23C6またはM6C相が粒界に存在す
る請求項6〜9のいずれかに記載の製品。 - 【請求項11】 725℃の温度でのγプライム重量分
率が45±2%である請求項6〜10のいずれかに記載
の製品。
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