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Technisches Gebiet:
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine nickelbasierte einkristalline Superlegierung, die in geeignetere Weise für Teile verwendet wird, die unter hohen Temperaturen und hohen Spannungen verwendet werden sollen, wie beispielsweise Turbinenschaufeln, Turbinenflügel usw., und zwar in Strahltriebwerken, Gasturbinen usw. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine nickelbasierte einkristalline Superlegierung, die bezüglich thermomechanischer Ermüdungseigenschaften (TME-Eigenschaften) bei hohen Temperaturen, Kriecheigenschaften und Eigenschaften bezüglich Widerstand gegen Umwelteinflüsse verbessert sind, eine geringe Richtungsabhängigkeit der Kriecheigenschaften hat und bezüglich der Kosten vom Standpunkt der praktischen Anwendung hervorragen ist.
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Technischer Hintergrund
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Nickelbasierte einkristalline Superlegierungen werden für Teile verwendet, die unter hohen Temperaturen und hohen Spannungen verwendet werden sollen, wie beispielsweise Turbinenschaufeln, Turbinenflügel usw., und zwar in Strahltriebwerken, Gasturbinen usw. In den vergangenen Jahren wurde bei Gasturbinenmotoren, die durch Strahltriebwerke usw. dargestellt werden, eine Einlassgastemperatur der Turbine höher gemacht, um die Ausgabe und die Effizienz zu verbessern. Weiterhin haben Turbinenschaufeln oder Turbinenflügel von Gasturbinen eine hohle Schaufelstruktur, um eine Hochtemperaturfestigkeit beizubehalten und eine Temperaturzunahme eines Basismaterials durch unterstützte Kühlung des Schaufelinneren zu verhindern. Jedoch überschreitet eine Oberflächentemperatur der Schaufel der Turbinenschaufeln oder Turbinenflügel 900°C, während eine Innentemperatur der Schaufel ungefähr 600°C ist, so dass eine Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche und dem Inneren einer solchen Schaufel thermomechanische Ermüdung erzeugt.
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Außerdem werden die Turbinenschaufeln mit hoher Drehzahl gedreht, während sie einem Verbrennungsgas mit hoher Temperatur ausgesetzt sind, und eine Zentrifugalkraft wird darauf aufgebracht, und daher müssen sie Kriechen unter hoher Spannung ertragen. Ähnlich den thermomechanischen Ermüdungseigenschaften sind die Kriecheigenschaften auch wichtige Eigenschaften für die nickelbasierten einkristallinen Superlegierungen. Beispiele einer Ursache einer Verschlechterung der Kriecheigenschaften oder thermomechanischen Ermüdungseigenschaften weisen das Ausscheiden einer TCP-Phase (TCP = topologically closed packed phase = topologisch eng gepackte Phase) auf, und insbesondere wird ein Problem davon bei der Langzeitanwendung bei hohen Temperaturen vorausgesehen.
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Was die nickelbasierten einkristallinen Superlegierungen betrifft, sind PWA1480 (Handelsmarke) oder jene bekannt, die unten in den Patentdokumenten 1, 2, 3, 4 und 5 beschrieben werden. Diese nickelbasierten einkristallinen Superlegierungen haben jedoch keine ausreichenden Kriecheigenschaften, um eine Zunahme der Effizienz in Betracht zu ziehen, indem eine Verbrennungsgastemperatur der Gasturbine höher gemacht wird. Weiter wurden nickelbasierte einkristalline Superlegierungen bekannt, die in den Patentdokumenten 6, 7 und 8 beschrieben wurden, welche teures Re enthalten, welche unten beschrieben werden. Was die Re-enthaltenden nickelbasierten einkristallinen Superlegierungen betrifft, wird jedoch ein Problem dargestellt, dass, wenn sie bei groß bemessenen Teilen verwendet werden, die Materialkosten zu übermäßig großen Ausgaben führen.
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Bei den nickelbasierten einkristallinen Superlegierungen wird zusätzlich die Orientierungsabhängigkeit problematisch, bei der eine Winkelabweichung in der <001>-Kristallorientierung unter hohen Spannungen stark die Festigkeit beeinflusst. Geringe Orientierungs- bzw. Ausrichtungsabhängigkeit bedeutet, dass Verluste bei der Herstellung von Teilen gering werden. Aus diesem Grund ist die Orientierungsabhängigkeit desto vorteilhafter, je größer die Größe des Teils ist, und es wird klar sein, dass dies vom Standpunkt der praktischen Anwendung her hervorragende Kosteneffizienz mit sich bringt.
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Zitierungen:
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Patentdokumente:
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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Ein Problem bzw. Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine Re-freie nickelbasierte einkristalline Superlegierung der ersten Generation zu verbessern und eine nickelbasierte einkristalline Superlegierung bereitzustellen, die hervorragende thermomechanischen Ermüdungseigenschaften, Kriecheigenschaften und Eigenschaften bezüglich Widerstand gegen Umwelteinflüsse hat, die eine geringe Orientierungsabhängigkeit der Kriecheigenschaften hat und die vom Standpunkt der praktischen Anwendung her hervorragende Kosteneigenschaften hat.
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Lösung für das Problem
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Um das oben beschriebene Problem zu lösen, hat die vorliegende Erfindung die folgenden kennzeichnenden Merkmale:
Insbesondere weist die nickelbasierte einkristalline Superlegierung der vorliegenden Erfindung Folgendes auf:
6 oder mehr Massen-% und 12 oder weniger Massen-% Cr,
0,4 oder mehr Massen-% und 3,0 oder weniger Massen-% Mo,
6 oder mehr Massen-% und 10 oder weniger Massen-% W,
4,0 oder mehr Massen-% und 6,5 oder weniger Massen-% Al,
0 oder mehr Massen-% und 1 oder weniger Massen-% Nb,
8 oder mehr Massen-% und 12 oder weniger Massen-% Ta,
0 oder mehr Massen-% und 0,15 oder weniger Massen-% Hf,
0,01 oder mehr Massen-% und 0,2 oder weniger Massen-% Si, und
0 oder mehr Massen-% und 0,04 oder weniger Massen-% Zr, und
optional wenigstens ein Element, welches aus B, C; Y, La, Ce und V ausgewählt ist,
wobei der Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen ist.
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Zusätzlich weist die nickelbasierte einkristalline Superlegierung der vorliegenden Erfindung Folgendes auf:
7 oder mehr Massen-% und 12 oder weniger Massen-% Cr,
0,4 oder mehr Massen-% und 2,5 oder weniger Massen-% Mo,
7 oder mehr Massen-% und 10 oder weniger Massen-% W,
4,0 oder mehr Massen-% und 6,5 oder weniger Massen-% Al,
0 oder mehr Massen-% und 1 oder weniger Massen-% Nb,
9 oder mehr Massen-% und 11 oder weniger Massen-% Ta,
0 oder mehr Massen-% und 0,15 oder weniger Massen-% Hf,
0,01 oder mehr Massen-% und 0,2 oder weniger Massen-% Si, und
0 oder mehr Massen-% und 0,04 oder weniger Massen-% Zr, und
optional wenigstens ein Element, welches aus B, C; Y, La, Ce und V ausgewählt ist, wobei der Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen ist.
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Zusätzlich weist die nickelbasierte einkristalline Superlegierung der vorliegenden Erfindung Folgendes auf:
8 oder mehr Massen-% und 10 oder weniger Massen-% Cr,
0,4 oder mehr Massen-% und 2,0 oder weniger Massen-% Mo,
7 oder mehr Massen-% und 9 oder weniger Massen-% W,
4,0 oder mehr Massen-% und 6,5 oder weniger Massen-% Al,
0 oder mehr Massen-% und 1 oder weniger Massen-% Nb,
10 oder mehr Massen-% und 11 oder weniger Massen-% Ta,
0 oder mehr Massen-% und 0,15 oder weniger Massen-% Hf,
0,01 oder mehr Massen-% und 0,2 oder weniger Massen-% Si, und
0 oder mehr Massen-% und 0,04 oder weniger Massen-% Zr, und
optional wenigstens ein Element, welches aus B, C; Y, La, Ce und V ausgewählt ist, wobei der Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen ist.
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Bei der nickelbasierten einkristallinen Superlegierung der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, dass ein Zusammensetzungsverhältnis der Elemente, die optional enthalten sind, 0,05 oder weniger Massen-% für B ist, 0,15 oder weniger Massen-% für C ist, 0,1 oder weniger Massen-% für Y ist, 0,1 oder weniger Massen-% für La ist, 0,1 oder weniger Massen-% für Ce ist und 1 oder weniger Massen-% für V ist.
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Außerdem wird bei der nickelbasierten einkristallinen Superlegierung der vorliegenden Erfindung eine Kriechlebensdauer τ(h) durch folgende Formel (1) dargestellt: τ(h) = –3208 + 11XCo + 40XCr + 139XMo + 93XW + 327XAl + 146Ti + 45XNb + 53XTa (1) (wobei τ(h) eine Kriechlebensdauer (Stunden) darstellt, und wobei XCo, XCr, XMo, XW, XAl, XTi, XNb und TTa Zusammensetzungsverhältnisse (Massenprozent) von Kobalt, Chrom, Molybdän, Wolfram, Aluminium, Titan, Niob bzw. Tantal darstellen), wobei τ(h) vorzugsweise 120 oder größer ist.
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Außerdem ist bei der nickelbasierten einkristallinen Superlegierung der vorliegenden Erfindung die Kriechlebensdauer τ(h) vorzugsweise 200 oder größer.
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Vorteilhafte Effekte der Erfindung
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Die nickelbasierte einkristalline Superlegierung der vorliegenden Erfindung hat hervorragende thermomechanische Ermüdungseigenschaften, Kriecheigenschaften und Eigenschaften bezüglich Widerstand gegen Umwelteinflüsse, wie beispielsweise Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit, sie hat eine geringe Orientierungsabhängigkeit der Kriecheigenschaften und hat vom Standpunkt der praktischen Anwendung her eine hervorragende Kosteneffizienz.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Kurvendarstellung, welche Ergebnisse zeigt, die beim Ausführen eines Kriechtestes erhalten werden, wenn Bedingungen bezüglich einer Beziehung eines Larson-Miller-Parameters und einer Spannung variiert werden.
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2 ist eine Kurvendarstellung, welche Ergebnisse zeigt, die durch Ausführen eines Kriechtestes erhalten werden, während eine Bedingung bezüglich einer Beziehung zwischen einem Larson-Miller-Parameter und einer Spannung variiert werden.
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3(a) und 3(b) sind jeweils eine Kurvendarstellung, die einen Einfluss einer Kühlrate nach einer Lösungsbehandlung gegenüber Kriecheigenschaften zeigt.
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4(a) und 4(b) sind jeweils eine Kurvendarstellung, die einen Einfluss einer Temperatur einer primären Alterungsbehandlung gegenüber Kriecheigenschaften zeigt.
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5(a) und 5(b) sind jeweils eine Kurvendarstellung, die einen Einfluss einer Temperatur einer primären Alterungsbehandlung gegenüber Kriecheigenschaften zeigt.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Die Zusammensetzungskomponenten und Zusammensetzungsverhältnisse davon in der nickelbasierten einkristallinen Superlegierung mit den oben beschriebenen charakteristischen Merkmalen basieren auf den folgenden Punkten.
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Cr (Chrom) verbessert die Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit der nickelbasierten einkristallinen Superlegierung.
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Ein Zusammensetzungsverhältnis von Chrom ist 6 Massen-% oder mehr und 12 Massen-% oder weniger. Wenn das Zusammensetzungsverhältnis weniger als 6 Massen-% ist, ist es schwierig eine Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit sicherzustellen, während wenn dieses mehr als 12 Massen-% ist, eine schädliche Phase, wie beispielsweise eine σ-Phase, eine μ-Phase usw. gebildet wird, wodurch die Hochtemperaturfestigkeit verringert wird. Das Zusammensetzungsverhältnis von Chrom ist vorzugsweise 7 Massen-% oder mehr und 12 Massen-% oder weniger und insbesondere vorzugsweise 8 Massen-% oder mehr und 10 Massen-% oder weniger.
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Mo (Molybdän) macht den Wert einer Gamma/Gamma-Primärfehlstellung negativ, wodurch der Inselbildungseffekt begünstigt wird, der einer der Verstärkungsmechanismen bei hohen Temperaturen ist. Außerdem löst sich Mo in der Matrix und trägt zu einer Steigerung der Hochtemperaturfestigkeit durch Ausscheidungshärtung bei. Ein Zusammensetzungsverhältnis von Mo ist 0,4 Massen-% oder mehr und 3,0 Massen-% oder weniger. Wenn das Zusammensetzungsverhältnis weniger als 0,4 Massen-% ist, wird die Hochtemperaturfestigkeit verringert, während wenn es mehr als 3,0 Massen-% ist, die schädliche Phase gebildet wird, wodurch die Hochtemperaturfestigkeit verringert wird. Das Zusammensetzungsverhältnis von Mo ist vorzugsweise 0,4 Massen-% oder mehr und 2,5 Massen-% oder weniger und insbesondere vorzugsweise 0,4 Massen-% oder mehr und 2,0 Massen-% oder weniger.
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In ähnlicher Weise wie Mo hat W (Wolfram) Einwirkungen auf die Verstärkung der festen Lösung und Ausscheidungshärtung und verbessert die Hochtemperaturfestigkeit der nickelbasierten einkristallinen Superlegierungen. Ein Zusammensetzungsverhältnis von W ist 6 Massen-% oder mehr und 10 Massen-% oder weniger. Wenn das Zusammensetzungsverhältnis weniger als 6 Massen-% ist, werden die thermomechanischen Ermüdungseigenschaften und die Kriecheigenschaften verringert, während wenn es mehr als 10 Massen-% ist, die schädliche Phase gebildet wird, wodurch die thermomechanischen Ermüdungseigenschaften und Kriecheigenschaften verringert werden. Das Zusammensetzungsverhältnis von W ist vorzugsweise 7 Massen-% oder mehr und 10 Massen-% oder weniger und insbesondere vorzugsweise 7 Massen-% oder mehr und 9 Massen-% oder weniger.
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Al (Aluminium) verbindet sich mit Ni, um eine intermetallische Verbindung zu bilden, die durch Ni3Al dargestellt wird, die eine primäre Gamma-Phase bildet, die in einer Gamma-Matrix-Phase ausscheidet, wodurch die thermomechanischen Ermüdungseigenschaften und die Kriecheigenschaften insbesondere auf der Niedertemperaturseite von 1000°C oder geringer verbessert werden. Ein Zusammensetzungsverhältnis von Al ist 4,0 Massen-% oder mehr und 6,5 Massen-% oder weniger. Wenn das Zusammensetzungsverhältnis weniger als 4 Massen-% ist, ist die Menge der primären Gamma-Phase gering, so dass die erforderlichen thermomechanischen Ermüdungseigenschaften und Kriecheigenschaften nicht erreicht werden, während wenn es mehr als 6,5 Massen-% ist, die erforderlichen thermomechanischen Ermüdungseigenschaften und Kriecheigenschaften nicht erreicht werden.
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Ein Zusammensetzungsverhältnis von NB (Niob) ist 0 Massen-% oder mehr und 1 Massen-% oder weniger. Wenn das Zusammensetzungsverhältnis mehr als 1 Massen-% ist, wird die schädliche Phase bei hohen Temperaturen gebildet, wodurch die thermomechanischen Ermüdungseigenschaften und Kriecheigenschaften verringert bzw. verschlechtert werden.
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Ta (Tantal) verstärkt eine primäre Gamma-Phase, um die Kriecheigenschaften zu verbessern. Ein Zusammensetzungsverhältnis von Ta ist 8 Massen-% oder mehr und 12 Massen-% oder weniger. Wenn das Zusammensetzungsverhältnis weniger als 8 Massen-% ist, werden die erforderlichen thermomechanische Ermüdungseigenschaften und Kriecheigenschaften nicht erreicht, während wenn es mehr als 12 Massen-% ist, die Bildung einer eutektischen primären Gamma-Phase begünstigt wird und es schwierig ist, eine Lösungswärmebehandlung auszuführen. Das Zusammensetzungsverhältnis von Ta ist vorzugsweise 9 Massen-% oder mehr und 11 Massen-% oder weniger und insbesondere vorzugsweise 10 Massen-% oder mehr und 11 Massen-% oder weniger.
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Hf (Hafnium) bietet Möglichkeiten zum Verbessern der Oxidationsbeständigkeit und auch zum Verbessern der thermomechanischen Ermüdungseigenschaften. Ein Zusammensetzungsverhältnis von Hf ist 0 Massen-% oder mehr und 0,15 Massen-% oder weniger. Wenn das Zusammensetzungsverhältnis mehr als 0,15 Massen-% ist, wird die Bildung einer schädlichen Phase begünstigt, wodurch die thermomechanischen Ermüdungseigenschaften und Kriecheigenschaften verringert bzw. verschlechtert werden.
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Si (Silizium) bietet Möglichkeiten zum Verbessern der Oxidationsbeständigkeit und auch zum Verbessern der thermomechanischen Ermüdungseigenschaften und weiter um die Orientierungsabhängigkeit des Einkristalls zu verringern usw.. Ein Zusammensetzungsverhältnis von Si ist 0,01 Massen-% oder mehr und 0,2 Massen-% oder weniger. Wenn das Zusammensetzungsverhältnis weniger als 0,01 Massen-% ist, werden die Effekte, wie beispielsweise eine Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit, eine Verbesserung der thermomechanischen Ermüdungseigenschaften, eine Verringerung der Orientierungsabhängigkeit des Einkristalls usw. nicht erreicht. Wenn außerdem das Zusammensetzungsverhältnis mehr als 0,2 Massen-% ist, wird eine Grenze in der festen Lösung der anderen Elemente verringert, so dass die erforderlichen thermomechanischen Ermüdungseigenschaften und Kriecheigenschaften nicht erreicht werden.
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Obwohl Zr (Zirkon) zum Zwecke der Verstärkung einer Korngrenze in einer polykristallinen Legierung zugegeben wird, bietet es eine Möglichkeit zur Verbesserung insbesondere der thermomechanischen Ermüdungseigenschaften bei der nickelbasierten einkristallinen Superlegierung. Ein Zusammensetzungsverhältnis von Zr ist 0 Massen-% oder mehr und weniger als 0,04 Massen-%.
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Die Ni-basierte einkristalline Superlegierung mit einer solchen Zusammensetzung kann weiter beispielsweise zumindest ein Element aufweisen, welches aus B, C; Y, La, Ce und V ausgewählt wurde, und zwar außer unvermeidbaren Verunreinigungen. In diesem Fall sind die Komponentenverhältnisse der jeweiligen Komponenten vorzugsweise Folgende:
B: 0,05 Massen-% oder weniger
C: 0,15 Massen-% oder weniger
Y: 0,1 Massen-% oder weniger
La: 0,1 Massen-% oder weniger
Ce: 0,1 Massen-% oder weniger
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Im Übrigen enthält die nickelbasierte einkristalline Superlegierung kein Co (Kobalt), wie oben beschrieben. Dies wird zu dem Zweck gemacht, die thermomechanischen Ermüdungseigenschaften zu verbessern. Es sei bemerkt, dass, wenn Co enthalten ist, ein Stapelfehler bzw. Gitterfehler leicht erzeugt werden kann, wodurch die thermomechanischen Ermüdungseigenschaften verringert werden. Außerdem enthält die nickelbasierte einkristalline Superlegierung insbesondere Hf, Si und Zr (obwohl es einen Fall geben kann, wo ein Zusammensetzungsverhältnis von sowohl Hf als auch Zr 0 Massen-% ist), und zwar zum Zwecke der Verbesserung der thermomechanischen Ermüdungseigenschaften. Es sei bemerkt, dass auch in einer Co-freien nickelbasierten Superlegierung ein Zweifachkristall an der 111-Ebene eines Metallkristalls gebildet wird, und eine Versetzung sich entwickelt, wodurch eine Zerstörung erreicht wird. Bei der nickelbasierten einkristallinen Superlegierung, die Hf, Si und Zr enthält, besteht eine Möglichkeit, dass die Entwicklung einer Versetzung unterdrückt wird, da sowohl Hf als auch Si und Zr eine Komponente sind, die sich auf einer Schnittstelle abscheidet, wodurch die thermomechanischen Ermüdungseigenschaften verbessert werden.
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Außerdem wird bei der nickelbasierten einkristallinen Superlegierungen vom Standpunkt der Kriecheigenschaften eine Kriechlebensdauer τ(h) durch die folgende Formel (1) dargestellt: τ(h) = –3208 + 11XCo + 40XCr + 139XMo + 93XW + 327XAl + 146XTi + 45XNb + 53XTa (1) (wobei τ(h) eine Kriechlebensdauer (Stunden) darstellt, und wobei XCo, XCr, XMo, XW, XAl, XTi, XNb und TTa Zusammensetzungsverhältnisse (Massenprozent) von Kobalt, Chrom, Molybdän, Wolfram, Aluminium, Titan, Niob bzw. Tantal darstellen), wobei τ(h) vorzugsweise 120 oder größer ist und noch bevorzugter 200 oder größer ist. Die vorangegangene Formel (1) ist ein Parameter, der die Kriechlebensdauer der nickelbasierten einkristallinen Superlegierung beschreibt und ist eine, die neu bezüglich einer Re-freien existierenden nickelbasierten Superlegierung durch eine mehrfache Regressionsanalyse einer Beziehung zwischen ihrer Zusammensetzung und einer Kriechlebensdauer unter Bedingungen bei 900°C und 392 MPa abgeleitet wurde. Ein abgeschätzter Wert der Kriechlebensdauer, der aus der Formel (1) abgeschätzt wird, stimmt gut überein mit einer tatsächlichen Messung der Kriechlebensdauer der Re-freien nickelbasierten Superlegierung bei 900°C und 392 MPa.
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Außerdem kann die nickelbasierte einkristalline Superlegierung erzeugt werden, indem ein gegossenes Einkristall mit einer zuvor beschriebenen Zusammensetzung der folgenden Wärmebehandlung unterworfen wird. Das heißt, die Wärmebehandlung ist eine Reihe von Wärmebehandlungen, wie sie im Folgenden beschrieben wird.
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Eine Lösungsbehandlung, bei der 1280°C bis 1360°C für 2 Stunden bis 40 Stunden gehalten werden → Abkühlen mit Luft oder Abkühlen in einer Atmosphäre mit inertem Gas bei 200°C/min bis 400°C/min → primäre Alterungsbehandlung mit Halten bei 1000°C bis 1200°C für 2 Stunden bis 5 Stunden gefolgt durch Abkühlen mit Luft oder Abkühlen in einer Atmosphäre mit inertem Gas → zweite bzw. sekundäre Alterungsbehandlung mit Halten bei 850°C bis 950°C für 10 Stunden bis 30 Stunden, gefolgt durch Abkühlen mit Luft oder Abkühlen in einer Atmosphäre mit inertem Gas.
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In einer solchen Reihe von Wärmebehandlungen wird vom Standpunkt, dass diese nicht durch eine Oxidation bei hoher Temperatur beeinflusst werden, bevorzugt, dass das Halten bei einer vorgeschriebenen Temperatur für eine vorgeschriebene Zeit bei allen Behandlungen im Vakuum oder in einer Atmosphäre mit inertem Gas ausgeführt wird.
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Die nickelbasierte einkristalline Superlegierung der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden genauer mit Bezugnahme auf die folgenden Beispiele beschrieben.
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Beispiele
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Eine nickelbasierte Superlegierung mit einer Zusammensetzung (Massen-%), wie in Tabelle 1 gezeigt, wurde unter Verwendung eines Vakuumschmelzofens geschmolzen und mit einer verlorenen Wachsgussform gegossen, und zwar wie aufgeheizt und gehalten, und dann wurde die Gussform mit einer Verfestigungsgeschwindigkeit von 200 mm/h abgezogen, wodurch ein gegossener Einkristall erhalten wurde. Darauf folgend wurde der erhaltene gegossene Einkristall im Vakuum auf 1300°C für eine Stunde vorgeheizt und wurde dann einer Lösungsbehandlung mit Zunahme der Temperatur und Halten bei 1330°C für 10 Stunden gefolgt durch Abkühlen in Luft bei ungefähr 300°C/min unterworfen. Danach wurde das Ergebnis einer primären bzw. ersten Alterungsbehandlung mit Halten im Vakuum bei 1100°C für 4 Stunden unterworfen, gefolgt von einer Abkühlung mit Luft und einer sekundären Alterungsbehandlung mit Halten im Vakuum bei 870°C für 20 Stunden, gefolgt durch Abkühlen mit Luft. Bei den nickelbasierten einkristallinen Superlegierungen der Beispiele 1 bis 7 ist ein Temperaturbereich der Lösungsbehandlung 1310°C bis 1360°C, und ein Temperaturbereich der primären Alterungsbehandlung ist 1000°C bis 1150°C. Das bekannte PWA1480, welches im Referenzbeispiel 1 verwendet wurde, wurde Wärmebehandlungen mit Halten bei 1288°C für 4 Stunden, gefolgt durch Abkühlen mit Luft, darauf folgend Halten bei 1080°C für 4 Stunden, gefolgt von Abkühlen mit Luft und danach Halten bei 871°C für 32 Stunden, gefolgt von Abkühlen mit Luft unterworfen.
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Die gegossene einkristalline Superlegierung wurde nach den Wärmebehandlungen zu einem Kriechteststück mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Länge von 20 mm in einem parallelen Teil dazu bearbeitet, welches dann in einem Kriechtest unter Bedingungen bei 900°C und 392 MPa oder bei 1100°C und 245 MPa getestet wurde. Außerdem wurde ein Teststück mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 15 mm in einem parallelen Teil dazu in einem Test der thermomechanischen Ermüdung bzw. TME-Test durch Aufheizen mit Hochfrequenzwellen getestet. In dem TME-Test wurde der Temperaturbereich von 400°C als eine untere Grenze bis 900°C als eine obere Grenze variiert, und eine Spannung von ±0,64% wurde zusammen mit dieser Temperaturveränderung aufgebracht. Die Frequenz war 66 Minuten in einem Zyklus, eine Wellenform war eine Dreieckswelle, und die Probe wurde für 60 Minuten zusammengedrückt gehalten. Diese Testbedingungen sind jene, die für Antriebsbedingungen einer Gasturbine simuliert werden, und eine Oberflächentemperatur einer Turbinenschaufel wurde als 900°C während des konstanten Betriebs bzw. als 400°C während des Abschaltvorgangs angenommen. Außerdem wurde eine Temperaturzunahme/Abnahmerate auf 166,7°C/min eingestellt. Die thermomechanischen Ermüdungseigenschaften wurden bezüglich einer Wiederholungszahl bis zum Bruch des Teststücks bewertet.
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Tabelle 2 zeigt einen berechneten Wert der Kriechlebensdauer τ(h) und eine tatsächliche Messung eines Kriechtests unter Bedingungen bei 900°C und 392 MPa oder bei 1100°C und 245 MPa. Wie aus Tabelle 2 klar wird, wird bestätigt, dass alle nickelbasierten einkristallinen Superlegierungen der Beispiele 1 bis 6 bessere Kriecheigenschaften haben als jene von PWA1480 als Referenzbeispiel 1. Tabelle 2
| Probe | Berechneter Wert von τ(h) | Tatsächliche Messung beim Kriechtest (h) |
| 900°C, 392 MPa | 1100°C, 245 MPa |
| Beispiel 1 | 358 | 304 | 164 |
| Beispiel 2 | 238 | 266 | 237 |
| Beispiel 3 | 234 | 245 | 74 |
| Beispiel 4 | 296 | 275 | 32 |
| Beispiel 5 | 242 | 230 | 33 |
| Beispiel 6 | 147 | 161 | 56 |
| Referenzbeispiel 1 | 110 | 83 | 18 |
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Außerdem wurde bei den nickelbasierten einkristallinen Superlegierungen der Beispiele 1 bis 7 und bei PWA1480 des Referenzbeispiels 1 der Kriechtest ausgeführt, während die Bedingungen variiert wurden. Die Ergebnisse sind in den 1 und 2 gezeigt. LMP auf der Abszisse der 1 ist ein Larson-Miller-Parameter und ist als ein Parameter für die Zuordnung einer Bruchzeit bei einer anderen Temperaturbedingung bekannt. In 1 stellt T in der Formel, die LMP definiert, eine Temperatur (K) dar, und tr stellt eine Bruchzeit (h) dar. Außerdem stellt in 2 die 1%-Kriechdehnungszeit, die LMP definiert, eine Zeit (h) dar, bei der man bei einer Kriechdehnung von 1% ankommt. Es wird angenommen, dass, wenn LMP größer ist, die Probe das Kriechen bei einer höheren Temperatur für eine längere Zeit erträgt.
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Es wird auch aus den 1 und 2 erkennbar, dass die nickelbasierten einkristallinen Superlegierungen der Beispiele 1 bis 7 hervorragende Kriecheigenschaften im Vergleich zu PWA1480 im Referenzbespiel 1 haben.
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Die Ergebnisse des TME-Tests sind in Tabelle 3 gezeigt.
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Während PWA1480 (Referenzbespiel 1) insbesondere für hervorragende thermomechanische Ermüdungseigenschaften bekannt ist, haben die nickelbasierten einkristallinen Superlegierungen der Beispiele 1 bis 6 eine TME-Zahl von Malen von 130 bis 288 mal und es wird bestätigt, dass diese hervorragende thermomechanische Ermüdungseigenschaften haben. Tabelle 3
| Probe | TME-Anzahl von Malen |
| Beispiel 1 | 259 |
| Beispiel 2 | 277 |
| Beispiel 3 | 274 |
| Beispiel 4 | 260 |
| Beispiel 5 | 288 |
| Beispiel 6 | 130 |
| Referenzbeispiel 1 | 368 |
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Um die Eigenschaften bezüglich Widerstand gegen Umwelteinflüsse zu untersuchen, wurde außerdem ein Oxidationstest durch wiederholte Einwirkung ausgeführt. Der Oxidationstest wurde unter zwei Bedingungen mit elektrischer Ofenbeheizung und Kerosinverbrennung ausgeführt. Bei der elektrischen Ofenbeheizung wurde ein Betriebsvorgang des Aufheizens der Probe bei 1100°C in einem Ofen mit Luftatmosphäre und des Haltens bei dieser Zeit bzw. Temperatur für eine Stunde als ein Zyklus genommen, und dieser Betriebsvorgang wurde in 50 Zyklen ausgeführt, und zwar gefolgt durch eine Messung einer Massenveränderung der Probe. Bei der Verbrennung wurde die Probe auf 1100°C aufgeheizt und wurde bei dieser Temperatur für eine Stunde gehalten, und zwar gefolgt durch eine Messung einer Massenveränderung der Probe. Die Ergebnisse des Oxidationstests sind in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4
| Probe | Massenveränderung bei elektrischer Ofenbeheizung 1100°C, 1 h/Zyklus 50 Zyklen (mg/cm2) | Massenveränderung bei Kerosinverbrennung 1100°C, 1 h/Zyklus 1 Zyklus (mg/cm2) |
| Beispiel 1 | 0,1 bis 0,3 | nicht ausgeführt |
| Beispiel 2 | –0,5 | 0,1 |
| Beispiel 3 | 0,1 bis 0,3 | 0,1 |
| Beispiel 4 | 0,1 bis 0,3 | nicht ausgeführt |
| Beispiel 5 | 0,1 bis 0,3 | nicht ausgeführt |
| Beispiel 6 | 0,1 bis 0,3 | nicht ausgeführt |
| Beispiel 7 | 0,1 bis 0,3 | nicht ausgeführt |
| Referenzbeispiel 1 | –1,84 | 0,8 |
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Bei dem Oxidationstest mit elektrischer Ofenbeheizung sind die nickelbasierten einkristallinen Superlegierungen der anderen Beispiele frei von einer Gewichtsverringerung, und es wird bestätigt, dass sie hervorragende Antioxidationseigenschaften haben, obwohl eine geringfügige Verringerung des Gewichtes bei der nickelbasierten einkristallinen Superlegierung des Beispiels 2 bestätigt wird. Bei PWA1480 (Referenzbeispiel 1) wurde eine Abtrennung des Oxidfilms beobachtet. Auf der Grundlage der Ergebnisse des Oxidationstests durch elektrische Ofenbeheizung wurde der Oxidationstest mit Kerosinverbrennung bzw. Kerosinbeheizung für die nickelbasierten einkristallinen Superlegierungen der Beispiele 2 und 3 und PWA1480 des Referenzbeispiels 1 ausgeführt. Bei dem Oxidationstest mit Kerosinverbrennung wurde ein merklicher Unterschied in einem Zyklus beobachtet. Bei den nickelbasierten einkristallinen Superlegierungen der Beispiele 2 und 3 wurde die glänzende Metalloberfläche so bewahrt, wie sie war, während PWA1480 (Referenzbeispiel 1) mit einem Oxidfilm bedeckt war, der eine graue Farbe annahm.
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Ausgehend von diesen Ergebnissen wurde bewertet, dass die nickelbasierten einkristallinen Superlegierungen der Beispiele 1 bis 7 hervorragende Antioxidationseigenschaften haben.
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Es ist bekannt, dass, wenn ein Neigungswinkel eines Einkristalls gegenüber der Wachstumsrichtung groß wird, die Kriechfestigkeit verringert wird. Beim Gießen zu einer Turbinenschaufel ist es von dem Standpunkt aus, dass die Ausbeute verbessert wird, erforderlich, dass die Kriechfestigkeit innerhalb von 15° von der <001>-Kristallorientierung nicht stark verschlechtert wird, auch wenn ein Neigungswinkel eines Kristalls in der Längsrichtung groß wird. Dann wurde die Orientierungsabhängigkeit der Kriecheigenschaften bezüglich der nickelbasierten einkristallinen Superlegierung des Beispiels 1 im Detail untersucht. Die Kriecheigenschaften wurden bei 900°C und 392 MPa oder bei 1000°C und 245 MPa vorbereitet bzw. bestimmt. Die Kriechlebensdauer in einem Bereich, wo eine Richtungsabweichung von der <001>-Kristallorientierung, welche die Wuchsrichtung eines Einkristalls ist, zwischen 1,5° und maximal 12,5° war, war 230 Stunden bis 330 Stunden bei den Kriechbedingungen bei 900°C und 392 MPa. Eine Tendenz, dass die Kriechlebensdauer mit einer Zunahme der Richtungsabweichung kurz wird, wurde nicht beobachtet. Außerdem war eine Kriechlebensdauer unter den Kriechbedingungen bei 1000°C und 245 MPa 80 Stunden bis 100 Stunden, und die Abhängigkeit der Kriechlebensdauer von der Richtungsabweichung wurde nicht in ähnlicher Weise festgestellt. Entsprechend wird bestätigt, dass die nickelbasierte einkristalline Superlegierung des Beispiels 1 eine geringe Richtungsabhängigkeit bei den Kriecheigenschaften hat.
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Was die nickelbasierte einkristalline Superlegierung des Beispiels 3 betrifft, wurde außerdem jeglicher Einfluss der Abkühlungsrate gegenüber den Kriecheigenschaften untersucht, indem eine Kühlrate beim Abkühlen mit Luft nach der Lösungsbehandlung auf 20°C/min, 100°C/min, 200°C/min bzw. 300°C/min variiert wurde. Die Ergebnisse sind in den 3(a) und 3(b) gezeigt. Im Übrigen wurde ein Herstellungsverfahren der nickelbasierten einkristallinen Superlegierung mit einer Reihe von Wärmebehandlungen ausgeführt, und zwar einer Lösungsbehandlung mit Halten des gegossenen Einkristalls bei 1320°C für 5 Stunden → primäre Alterungsbehandlung mit Halten bei 1100°C für 4 Stunden → sekundäre Alterungsbehandlung mit Halten bei 870°C für 20 Stunden.
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Wie in den 3(a) und 3(b) bestätigt, werden die besten Kriecheigenschaften erreicht, wenn die Kühlrate 300°C/min ist, und zwar sogar im Fall jeder der Kriechbedingungen, bei 900°C und 392 MPa und bei 1000°C und 245 MPa. Da die nickelbasierte einkristalline Superlegierung der vorliegenden Erfindung kein Re in der Zusammensetzung enthält, wird bestätigt, dass sie durch die Abkühlungsrate beeinflusst werden kann. Im Übrigen sei bemerkt, dass, solange die Abkühlungsrate zum Zeitpunkt der Abkühlung mit Luft nach der Lösungsbehandlung 200°C/min ist, die erforderlichen Kriecheigenschaften erreicht werden können.
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Was die nickelbasierte einkristalline Superlegierung des Beispiels 3 betrifft, wurde außerdem jeglicher Einfluss der Temperatur der primären Alterungsbehandlung gegenüber den Kriecheigenschaften untersucht, und zwar durch Variieren der Temperatur der primären Alterungsbehandlung auf 1100°C, auf 1125°C, auf 1150°C bzw. 1175°C. Die Ergebnisse sind in den 4(a) und 4(b) gezeigt. Im Übrigen wurde ein Herstellungsverfahren der nickelbasierten einkristallinen Superlegierung als eine Abfolge von Wärmebehandlungen ausgeführt, und zwar Lösungsbehandlung mit Halten des gegossenen Einkristalls bei 1310°C für 5 Stunden → primäre Alterungsbehandlung mit Halten bei jeder der Temperaturen für 4 Stunden → sekundäre Alterungsbehandlung mit Halten bei 870°C für 20 Stunden.
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Außerdem wurde eine nickelbasierte einkristalline Superlegierung in der gleichen Weise hergestellt, wie oben beschrieben, außer dass die Temperatur der Lösungsbehandlung auf 1340°C geändert wurde, und dass jeglicher Einfluss der Temperatur auf die primäre Alterungsbehandlung gegenüber den Kriecheigenschaften untersucht wurde. Die Ergebnisse sind in den 5(a) und 5(b) gezeigt.
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Wie von den 4(a) und 4(b) sowie von den 5(a) und 5(b) bestätigt, sind die Kriecheigenschaften ebenfalls in dem Fall von allen Kriechbedingungen, bei 900°C und 392 MPa sowie bei 1000°C und 245 MPa, am besten, wenn die Temperatur der primären Alterungsbehandlung geringer ist, und die Kriecheigenschalten sind am besten, wenn die Temperatur der primären Alterungsbehandlung 1100°C ist. Im Übrigen sei bemerkt, dass, auch wenn die Temperatur der primären Alterungsbehandlung 1175°C ist, die erforderlichen Kriecheigenschaften erreicht werden.
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Im Übrigen kann man im Hinblick auf die vorangegangenen experimentellen Ergebnisse sagen, dass, wenn die Temperatur der Lösungsbehandlung in den Temperaturbereich von 1310°C bis 1340°C fällt, die Temperatur der Lösungsbehandlung nicht wesentlich die Kriecheigenschaften beeinflusst.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die nickelbasierte einkristalline Superlegierung der vorliegenden Erfindung hat hervorragende thermomechanische Ermüdungseigenschaften, Kriecheigenschaften und Eigenschaften bezüglich Widerstand gegen Umwelteinflüsse, wie beispielsweise Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit, geringe Richtungsabhängigkeit von Kriecheigenschaften und hervorragende Kosteneffizienz vom Standpunkt der praktischen Anwendung her. Entsprechend ist die nickelbasierte einkristalline Superlegierung der vorliegenden Erfindung einsetzbar für Teile, die unter hohen Temperaturen und hohen Spannungen verwendet werden sollen, wie beispielsweise Turbinenschaufeln, Turbinenflügel usw. in Strahltriebwerken, Gasturbinen usw.
