JPS62235450A - 単結晶ニツケル基超合金及びその異方性を低減する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、単結晶物品に係り、更に詳細にはガスタービ
ンエンジンのエーロフォイルとして有用な異方性の小さ
い単結晶物品に係る。

従来の技術 現代のガスタービンエンジンのタービンセクションに組
込まれるブレードやベーンは、エンジン内の最も苛酷な
環境のうちの一つに於て作動することが一般的に認識さ
れている。従ってかかる構成要素を製造するために従来
より種々の方法や合金組成物が開発されている。

今日タービンセクションのブレードやベーンは典型的に
はインベストメント鋳造法により製造されている。三つ
の方法が特に有用であることが知られており、それぞれ
成る特定の結晶組織を形成する。従来の鋳造法を用いて
形成される組織は全体的に等軸晶の無作為に配向された
結晶粒を含んでいる。他の二つの有用なインベストメン
ト鋳造法は指向性凝固（ＤＳ）の鋳造法であり、かかる
鋳造法の一つに於ては、鋳造された構成要素は実質的に
互いに平行な複数個の柱状晶を含んでいる。

他方の指向性凝固法に於ては、鋳造された構成要素は単
結晶であり、一つの結晶粒しか含んでいないＯ 従来の鋳造法を用いて形成された構成要素は測定方向に
拘らず実質的に等価な機械的性質を有している。しかし
指向性凝固法により形成された構成要素の機械的性質は
測定方向に依存しており、従って異方性を有している。

例えばガスタービンエンジンに一般に使用される型式の
指向性凝固されたニッケル基超合金の室温に於ける弾性
係数（比例限度内に於ける単位歪当りの引張り応力）は
、＜１００＞方向に於ては約１８ｘｌＯ’ｐｓｉ（１，
３Ｘ１０’　ｋｇ／ｃｍ’）であり、＜１１０＞方向に
於ては約３３Ｘ１０６ｐｓｉ　　（２，３Ｘ１０’ｋｇ
／　ａｎ’　）であり、＜１１１＞方向に於ては約４６
Ｘ　１０６ｐｓｉ　　（３，２Ｘ　１０’　ｋｇ／（Ｂ
’）である。

最近タービンセクションに於けるガス流温度が非常に高
くなってきているので、熱疲労割れに対する耐性が成る
種の単結晶エーロフオイル（ブレードやベーン）にとっ
て寿命を制限する性質になってきている。弾性係数が低
いと一般に熱疲労割れに対する耐性が優れているので、
単結晶鋳造品は低弾性係数の（００１）軸が実質的に鋳
造品の主要な応力軸線と整合されるよう製造される。一
般に主要な応力軸線は鋳造品の長手方向軸線上に存在し
ている。米国特許第３，４９４，７０９号によれば、（
００１）結晶軸とガスタービンエンジンのエーロフオイ
ルの長手方向軸線との間の角度は２０″未満でなければ
ならない。現在使用されている単結晶エーロフオイルに
於ては、この角度は１５″以下である。

上述の如く、鋳造品が好ましい性質を呈するよう、ター
ビン構成要素のための特殊な合金組成物が開発されてい
る。しかし従来の方法により鋳造される場合や柱状晶の
形態に鋳造される場合に有用な性質を有する合金も、単
結晶の形態に鋳造さると有用な性質を有しないことがあ
る。このことは一般に通常の或いは柱状晶の微細組織を
有する物品が一般に高温度に於ける所要の強度を確保す
べく結晶粒界強化元素を必要とすることによる。

かかる元素としては、米国特許第３，５６７．５２６号
、同第３．７００，４３３号、同第３，７１１．３３７
号、同第３，８３２，１６７号、同第４，０７８，９５
１号、同第４，１６９，７４２号に記載されている如く
、炭素、ボロン、ジルコニウム、及びハフニウムがある
。単結晶物品は内部に結晶粒界を有しておらず、米国特
許第３゜４９４．７０９号及び同第３，５６７．５２６
号に記載されている如＜、Ｃ，Ｂ％Ｚ「、又はＨｆ’の
存在は回避されなければならない。これらの米国特許に
於ては、ボロン及びジルコニウムは単結晶の性質を害し
、また炭素は合金組成物中に於て１００　ｐｐｍに制限
されなければならないことが示されている。また米国特
許第４，２０９，３４８号にはＣｓ　Ｂ５Ｚｒ　ｓ又は
Ｈｆが不純物として存在していてもよいが、これらが故
意には添加されない単結晶合金組成物が記載されている
。Ｃ，Ｂ。

Ｚｒ、及びＨｆ’のそれぞれの含有量は５０　ｐｐｍ未
満でなければならず、Ｃ，Ｂ、Ｚｒ　、及びＨｆ’の合
計の含有量は１００　ｐｐｍ未満でなければならない。

米国特許第４，４５９，１６０号には、Ｃ，Ｂ。

Ｚｒ、又はＨｆ’が故意には添加されないが、Ｃ１ＢＳ
Ｚｒ、及びＨ１’の合計の含有量が１００　ｐｐｍを越
えていてもよい単結晶合金組成物が記載されている。ま
た米国特許第４．４８８，９１５号には、ジルコニウム
又はボロンを含有していてはならないが５００　ｐｐｍ
までの炭素を含有していてもよい単結晶組成物が記載さ
れている。しかし大部分の炭素は鋳造プロセス中に一酸
化炭素に変化し、従って凝固した物品の組成は実際には
極く少量の炭素しか含有していないといわれている。

米国特許第４．４０２，７７２号には、一部には約５０
０　ｐｐｍのハフニウムの存在に起因して良好な耐酸化
性を有する単結晶組成物が記載されている。

単結晶物品のための多数の組成物が存在するが、それら
は何れも異方性を有し、そのためそれらの有用性が制限
されている。従ってエンジニアは改善された合金系、特
に異方性が低減された鋳造品を製造し得る合金系を開発
する研究を継続的に行っている。かかる合金組成物によ
れば、例えば［００１］結晶軸が物品の主要な応力軸線
より２０″以上である物品を使用することが可能になる
。

発明の開示 本発明の目的は、改善された単結晶物品、特にガスター
ビンエンジンに使用される単結晶物品を提供することで
ある。かかる物品は現在使用されている物品に比して異
方性の小さいものでなければならない。

本発明によれば、単結晶ニッケル基超合金物品の異方性
は炭素、ボロン、ジルコニウム、ハフニウムよりなる群
より選択された一つ又はそれ以上の元素を添加すること
によって低減される。Ｃ１Ｂ、Ｚｒ、及びＨｆ’の合計
の含有量は約０．００２〜０．５００ｗｔ％（２０〜５
０００ｐｐｍ）でなければならない。本発明の一つの利
点は、本発明によれば（００１）結晶軸が物品の長手方
向軸線より約２０＠以上である弾性係数の高い物品を使
用することが可能になるということである。

以下に本発明を実施例について詳細に説明する。

発明を実施するための最良の形態 本明細書の従来技術の説明に於て上述した如く、一般に
ボロン、炭素、ジルコニウム、ハフニウムの各元素は多
くの単結晶ニッケル基超合金組成物より排除されている
。しかしこれらの元素が成る量にて単結晶ニッケル基超
合金組成物に故意に添加されると、これらの元素が故意
には添加されていない合金に比して合金の異方性が驚く
べき程に低下することが解った。

単結晶ニッケル基超合金物品の機械的性質に対するＣＳ
Ｂ、Ｚｒ　、及びＨｆの添加の影響を試験すべく、Ｏ〜
２０ｗｔ％ＣＯ％３〜１８ｗｔ％Ｃｒ　ｓＯ〜１８ｗｔ
％Ｗ、３〜８ｗｔ％Ａｔ、０〜５ｗｔ％Ｔ１．０〜５ｗ
ｔ％Ｃｂ、０〜１５ｗｔ％Ｔａ、Ｏ〜４ｗｔ％ＭＯ％０
〜７ｗｔ％Ｒｅ、残部Ｎｉなる組成を有する合金が評価
された。試験された三つの特定の合金の平均組成は以下
の如くであった。

合金Ａ：　　Ｎｉ　−５Ｃｏ−１０Ｃｒ　−１６Ｗ−５
ＡＩ　　−ＩＴｉ 合金Ｂ　：　　Ｎｉ　−１０Ｃｏ　−９Ｃｒ−１２Ｗ−
５ＡＩ　　−２ＴＩ　　−ＩＣｂ 合金Ｃ：　　Ｎｉ　−５Ｃｏ−１０Ｃｒ　−４Ｗ−５Ａ
Ｉ　　−１，５Ｔｉ　　−１２Ｔａこれらの合金は当技
術分野に於て周知の方法を用いて単結晶の形態に鋳造さ
れた。例えば前述の米国特許第３，４９４．７０９号を
参照されたい。

合金Ｂは一般に柱状晶の形態に鋳造される周知の合金Ｍ
ＡＲ−Ｍ２００と同様である。しかし下記の試験の目的
のためにこの合金は単結晶の形態に鋳造された。また合
金Ｃはガスタービンエンジンの構成要素の製造に現在使
用されている合金である。この合金は米国特許第４．２
０９，３４８号に詳細に記載されており、本願発明者等
が知っている最も強力な単結晶ニッケル基超合金の一つ
である。しかし従来の全ての超合金と同様、この組成物
にて形成された単結晶鋳造品は異方性を有している。［
００１］の方向の機械的性質は〔１１０］方向又は（１
１１）方向よりもかなり良好であり、従ってこの合金に
て形成された鋳造品はその（００１）結晶方向が主要な
応力軸線より２００以内の範囲に整合される。

下記の表１〜表３は上述の三つの合金に対するＣ、８％
Ｚｒ、及びＨ「の添加の影響を判定するために行われた
試験の結果を示している。特に表１はＢ及びＺｒ添加に
より１８００下（９８２℃に於て引張りクリープの状態
下にある合金Ａに於て異方性が顕著に低減されたことを
示している。

表１に於て、例えば＜１１０＞方向についての「平準化
された異方性」は＜１１０＞方向の破断寿命を＜１００
＞方向の破断寿命にて除算することにより計算される。

このことは表２及び表３に示されたデータ及び本明細書
の他の部分にも適用されてよい事柄である。＜１１０＞
方向及びく１１１〉方向の平準化された異方性は修正さ
れいない合金の場合よりも修正された合金の方が高いの
で、修正された合金の方が等方性が高い。与えられた応
力が３６ｋｓｉ　　（２５３０ｋｇ／ａａ１りである場
合には、修正された合金Ａ（即ち０．０１３ｗｔ％Ｂ及
び０．０１１νｔ％Ｚｒを含有する合金）はそれぞれ互
いに少なくとも２５％の範囲内である＜１００＞方向、
＜１１０＞方向、及び＜１１１＞方向の破断寿命を有し
ていた。これらの方向に於ける修正されていない合金Ａ
の破断寿命は５１％も相互に異なっていた。Ｂ及びＺｒ
を添加することによって異方性が低減されることは驚く
べきことであり、このことは如何なる従来技術にも示唆
されていない。更に修正された合金についての各方向の
クリープ破断寿命は修正されていない合金に比して高い
値であった。このことは、ボロン及びジルコニウムの存
在によって単結晶ニッケル基超合金のクリープ破断寿命
が低減されることを教示する米国特許第３，４９４，７
０９号とは反対である。

表２は炭素の添加、ボロン及びジルコニウムの添加、及
び炭素、ボロン及びジルコニウムの添加によって合金Ｂ
の異方性が低減されたことを示している。ボロン及びジ
ルコニウムの添加が最も好ましく、合金の＜１００＞方
向、＜１１０＞方向、及び＜１１１＞方向の１１００下
（５９３℃）に於ける０、２％圧縮降伏応力は相互に少
なくとも１２％の範囲内であった。表２より解る如く修
正された組成を有する物品は修正されていない合金の性
質にほぼ匹敵し又はこれよりも良好な性質を有していた
。

合金Ｃは異方性に対するハフニウムの添加の影響が評価
された唯一の材料であった。表３より解る如＜、０．３
８ｗｔ％のハフニウムの添加により、＜１００＞方向の
１４００下（７６０℃）に於ける引張り破断寿命は低下
したが、＜１１０＞方向及び＜１１１＞方向の１４００
下（７６０℃）に於ける引張り破断寿命は＜１００＞方
向に比して大きく向上された。これらの試験の結果はハ
フニウムの添加によって異方性のレベルが低減されるこ
とを示している。また＜１００＞方向の破断寿命が低下
したが、それでもこの合金は成る種のガスタービンエン
ジンの構成要素にとって有用であると考えられる範囲内
にある。

これらの試験の結果は全てＣ，Ｂ、Ｚｒ　、及びＨｆの
添加により単結晶ニッケル基超合金物品の異方性が予想
外に好ましく低減されることを示している。表１及び表
３に示された破断寿命のデータより、修正された合金Ａ
（即ちボロン及びジルコニウムを含有する合金）につい
ての平準化された異方性は、修正されていない合金Ａに
比して＜１１０＞方向については５３％高く、＜ｉｌｌ
＞方向については２４％高いことが解る。換言すれば、
修正された合金Ａの等方性は修正されていない合金Ａよ
りも高い。等方性の増大は修正された合金Ｃ（ハフニウ
ムを含有する合金）が修正されていない合金Ｃと比較さ
れる場合に明瞭である。

これらの試験より、異方性を低減するためには、単結晶
の形態にて使用されるニッケル基超合金に添加されるＣ
、Ｂ、Ｚｒ　、及びＨｆの合計量は約０．００２〜０．
５００ｗｔ％の範囲でなければならない。最も好ましく
はこれらの元素の合計量は０．０１〜０．０８ｗｔ％で
ある。

これらの元素をニッケル基超合金に添加することはニッ
ケル基超合金にて形成された鋳造品の耐酸化性や耐高温
腐食性に悪影響を及ぼさず、これらの性質は修正されて
いない合金組成物に比して改善される。同様に長期間に
亙る安定性（即ち高温度に長時間曝される過程に於て好
ましからざる金属学的相が析出し難いこと）も損なわれ
ない。

これらの合金にて形成された鋳造品を熱処理して所望の
微細組織を形成し得ることが悪影響を受けることがある
が、それは極く僅かである。

単結晶ニッケル基超合金のタービンエーロフォイルに於
て一般に観察される異方性により、従来より（００１）
結晶軸が構成要素の長手方向軸線の約２０″の範囲内に
整合されることが必要であった。しかしＣｓ　８％　Ｚ
ｒ−、又はＨｒｌ又はこれらの元素の組合せを故意に添
加することによって異方性が低減されることが解ったの
で、本発明によれば構成要素の長手方向軸線と（００１
）結晶軸との間の角度のずれが２０＠を越える単結晶エ
ーロフオイルを使用することが可能になる。例えば高い
弾性係数（即ち約２２ｘ１０６ｐｓｌ　　（１゜５　Ｘ
　１０５　ｋｇ／Ｊ）以上の弾性係数）を有する＜１１
０＞又は＜１１１＞の如き結晶軸がエーロフォイルの長
手方向軸線と部分的に又は実質的に整合されてよく、こ
のことにより好ましい共振振動数特性を有するより剛固
なエーロフォイルを得ることができる。かかるエーロフ
ォイルは熱疲労寿命が制限されない用途に於て最も有用
である。

かかるエーロフオイルは本願出願人と同一の譲受人に譲
渡された米国特許第４．２８９，５７０号に記載されて
いる如き種結晶を使用する鋳造法により鋳造されてよい
。

表　　１ 単結晶Ｎ１−５Ｃｏ−１０Ｃｒ　−１ ６Ｗ−５ＡＩ　−ＩＴｉ　　（合金Ａ）標本の１８００
下／３６ｋｓｉ　　（９８２’Ｃ／　２５３０　ｋｇ／
　ａｘ１＋）に於ける引張破断寿命 破断寿命　　平準化された 本　修正されていない合金Ａ 表　　２ 単結晶Ｎｉ　−１０Ｃｏ　−９Ｃｒ　−１２Ｗ−５ＡＩ
　−２，ＯＴｉ　−ＩＣｂ（合金Ｂ）標本の１１００下
（５９ ３℃）に於ける圧縮降伏強さく０゜ ０２％） ０．２％降伏強さ　平準化され ＊　修正されていない合金Ｂ 表　　３ 単結晶Ｎｌ　−５Ｃｏ−１０Ｃｒ　−４Ｗ−５ＡＩ　−
１，５Ｔｉ　−１２Ｔａ（合金Ｃ）標本の１４００下（
７６ ０℃）に於ける引張破断寿命 破断寿命　　平準化された ＊　修正されていない合金Ｃ（１１０ｋｓｌ（７７３０
ｋｇ／Ｊ）にて試験） ＊　＊　　１００ｋｓｉ（７０３０ｋｇ／ａ１２）にて
試験以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に
説明したが、本発明はかかる実施例に限定されるもので
はなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能で
あることは当業者にとって明らかであろう。

特許出願人　　ユナイテッド争チクノロシーズ拳コーポ
レイション

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）単結晶ニッケル基超合金の異方性を低減する方法
   にして、Ｃ、Ｂ、Ｚｒ、及びＨｆの合計の含有量が実質
   的に０．５００ｗｔ％未満の範囲にてニッケル基超合金
   組成物に少なくとも０．００２ｗｔ％のＣ、Ｂ、Ｚｒ、
   又はＨｆ、若しくはそれらの混合物を添加する過程を含
   み、これにより平準化された破断寿命の異方性を少なく
   とも実質的に２０％低減する方法。
2. （２）ニッケル基超合金物品にして、前記物品の長手方
   向軸線に沿って高い弾性係数を有し、前記物品の前記長
   手方向軸線より実質的に２０°以上の〔００１〕軸を有
   し、Ｃ、Ｂ、Ｚｒ、及びＨｆの合計の含有量が実質的に
   ０．００２〜０．５００ｗｔ％であるニッケル基超合金
   物品。