JP2000053492A - 単結晶物品とその製造方法及び用途 - Google Patents
単結晶物品とその製造方法及び用途Info
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- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】引張り及びクリープ強度に優れた単結晶物品と
それを用いたガスタービン用単結晶動翼及び静翼、及び
その製造方法を提供する。 【解決手段】単結晶鋳造材表面の残留応力を有する表面
層を除去することにより、再結晶粒を発生させることな
く、溶体化熱処理を行うことにより、単結晶物品が得ら
れる。
それを用いたガスタービン用単結晶動翼及び静翼、及び
その製造方法を提供する。 【解決手段】単結晶鋳造材表面の残留応力を有する表面
層を除去することにより、再結晶粒を発生させることな
く、溶体化熱処理を行うことにより、単結晶物品が得ら
れる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は新規な単結晶鋳造材
とその熱処理方法及び用途に関する。
とその熱処理方法及び用途に関する。
【０００２】
【従来の技術】発電用ガスタービンの動翼材料は、従来
から主としてＮｉ基の超合金が使用されてきたが、ガス
タービンの熱効率向上を図るため、燃焼ガス温度の高温
化とガスタービン自体の大容量化が図られてきた。そし
て、燃焼ガス温度の高温化に対しては、タービン動翼の
初段及び２段動翼の耐熱強度を上げることが必要であ
り、そのため組織的には普通鋳造による等軸晶翼から一
方向凝固による柱状晶翼、或いは単結晶翼へと変化する
と共に、翼内部に複雑な冷却孔を設け、内部からの冷却
を図ってきた。
から主としてＮｉ基の超合金が使用されてきたが、ガス
タービンの熱効率向上を図るため、燃焼ガス温度の高温
化とガスタービン自体の大容量化が図られてきた。そし
て、燃焼ガス温度の高温化に対しては、タービン動翼の
初段及び２段動翼の耐熱強度を上げることが必要であ
り、そのため組織的には普通鋳造による等軸晶翼から一
方向凝固による柱状晶翼、或いは単結晶翼へと変化する
と共に、翼内部に複雑な冷却孔を設け、内部からの冷却
を図ってきた。
【０００３】一方、発電用ガスタービンの静翼では、従
来コバルト基の合金が用いられてきたが、燃焼ガス温度
の上昇に伴い、コバルト基合金では、強度不足が顕著と
なり、静翼においても、動翼と同様にニッケル基の単結
晶合金が使用され、さらに翼内部に複雑な冷却孔を設
け、内部からの冷却が図られている。
来コバルト基の合金が用いられてきたが、燃焼ガス温度
の上昇に伴い、コバルト基合金では、強度不足が顕著と
なり、静翼においても、動翼と同様にニッケル基の単結
晶合金が使用され、さらに翼内部に複雑な冷却孔を設
け、内部からの冷却が図られている。
【０００４】単結晶鋳物の大部分は、特公昭45−40661
号や特開昭59−42171 号に示されるセレクタを用いた一
方向凝固法や、特公昭60−44168 号や特公平1−26796号
に示される種を用いた一方向凝固法で製造されている。
この方法は、加熱した炉の中から鋳型を下方に引き出
し、下端から上方に漸次凝固させる方法である。この方
法により、遠心応力が作用する長手方向Ｚ軸の結晶方位
を〈００１〉方位した単結晶動翼や、翼長手方向Ｚ軸の
結晶方位を〈００１〉方位とした静翼が製造され、クリ
ープ強度特性や熱疲労強度特性が飛躍的に改善されてき
た。
号や特開昭59−42171 号に示されるセレクタを用いた一
方向凝固法や、特公昭60−44168 号や特公平1−26796号
に示される種を用いた一方向凝固法で製造されている。
この方法は、加熱した炉の中から鋳型を下方に引き出
し、下端から上方に漸次凝固させる方法である。この方
法により、遠心応力が作用する長手方向Ｚ軸の結晶方位
を〈００１〉方位した単結晶動翼や、翼長手方向Ｚ軸の
結晶方位を〈００１〉方位とした静翼が製造され、クリ
ープ強度特性や熱疲労強度特性が飛躍的に改善されてき
た。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ガスタービン用動翼及
び静翼の内部冷却孔は、セラミック中子を用いて形成さ
れるが、冷却を更に強化するため、冷却用パスの数を多
くすると共に、翼自体の薄肉化が図られてきた。単結晶
動翼及び静翼は一方向凝固法で製造されるため、溶融金
属は中子を鋳ぐるんだ状態で凝固し、その後室温まで冷
却される。そして、冷却時には熱収縮を生じる。中子と
鋳造金属の熱膨張係数を比較すると、中子は金属より一
桁程度小さい値を示すため、金属はほとんど収縮しない
中子を内部に鋳ぐるんだまま収縮することになり、冷却
の過程で大きな引っ張り応力が発生してくることにな
る。このため鋳造品は強度の弱い部分、或いは応力集中
の生じ易い部分に局所的な変形が生じ残留応力が発生す
る。これらは、中子の接している面で生じやすいが、鋳
型と接している鋳物表面でも同様な残留応力が発生す
る。
び静翼の内部冷却孔は、セラミック中子を用いて形成さ
れるが、冷却を更に強化するため、冷却用パスの数を多
くすると共に、翼自体の薄肉化が図られてきた。単結晶
動翼及び静翼は一方向凝固法で製造されるため、溶融金
属は中子を鋳ぐるんだ状態で凝固し、その後室温まで冷
却される。そして、冷却時には熱収縮を生じる。中子と
鋳造金属の熱膨張係数を比較すると、中子は金属より一
桁程度小さい値を示すため、金属はほとんど収縮しない
中子を内部に鋳ぐるんだまま収縮することになり、冷却
の過程で大きな引っ張り応力が発生してくることにな
る。このため鋳造品は強度の弱い部分、或いは応力集中
の生じ易い部分に局所的な変形が生じ残留応力が発生す
る。これらは、中子の接している面で生じやすいが、鋳
型と接している鋳物表面でも同様な残留応力が発生す
る。
【０００６】一方、単結晶動翼及び静翼の高温強度を向
上させるためには、鋳造後の溶体化熱処理、及びその後
の時効熱処理が有効であることが一般に知られている。
溶体化熱処理は、凝固後析出したγ′相を母相中に固溶
させる処理であり、その後の時効熱処理でγ′相を析出
させ、析出γ′相の大きさや形状を最適化することで高
温強度を向上させている。
上させるためには、鋳造後の溶体化熱処理、及びその後
の時効熱処理が有効であることが一般に知られている。
溶体化熱処理は、凝固後析出したγ′相を母相中に固溶
させる処理であり、その後の時効熱処理でγ′相を析出
させ、析出γ′相の大きさや形状を最適化することで高
温強度を向上させている。
【０００７】しかし、大きな残留応力が発生している単
結晶動翼及び静翼の溶体化熱処理を行うと、溶体化の過
程において再結晶が発生する。単結晶合金は、その名の
示すように結晶粒界が無いため、結晶粒界強化元素を不
純物元素として取り扱い、含有量を極力少なくしてい
る。このような合金が再結晶すると、結晶粒界は非常に
弱く、通常は溶体化熱処理後、或いは時効熱処理後の冷
却のみで割れが入る程度の弱さになる。そのため単結晶
動翼及び静翼は、再結晶のない完全な単結晶にする必要
がある。
結晶動翼及び静翼の溶体化熱処理を行うと、溶体化の過
程において再結晶が発生する。単結晶合金は、その名の
示すように結晶粒界が無いため、結晶粒界強化元素を不
純物元素として取り扱い、含有量を極力少なくしてい
る。このような合金が再結晶すると、結晶粒界は非常に
弱く、通常は溶体化熱処理後、或いは時効熱処理後の冷
却のみで割れが入る程度の弱さになる。そのため単結晶
動翼及び静翼は、再結晶のない完全な単結晶にする必要
がある。
【０００８】単結晶動翼及び静翼は、航空機用ジェット
エンジンに数多く用いられている。これらの動翼及び静
翼は、翼長が最大でも１０cm程度、重さも数百グラムで
あることから、鋳造時の残留応力は小さく、そのため再
結晶が生じにくく、溶体化熱処理を容易に行うことが可
能であった。
エンジンに数多く用いられている。これらの動翼及び静
翼は、翼長が最大でも１０cm程度、重さも数百グラムで
あることから、鋳造時の残留応力は小さく、そのため再
結晶が生じにくく、溶体化熱処理を容易に行うことが可
能であった。
【０００９】しかし、発電用ガスタービンに用いられる
動翼及び静翼は、翼の形状が複雑であるばかりでなく、
翼長は１５〜４０cm、重さも数kgから１０kg程度と非常
に大きいため、鋳造時の残留応力が大きくなり、従来の
航空機用ジェットエンジンに用いられている動翼及び静
翼に比べて、著しい再結晶が発生するという問題が生じ
てきた。
動翼及び静翼は、翼の形状が複雑であるばかりでなく、
翼長は１５〜４０cm、重さも数kgから１０kg程度と非常
に大きいため、鋳造時の残留応力が大きくなり、従来の
航空機用ジェットエンジンに用いられている動翼及び静
翼に比べて、著しい再結晶が発生するという問題が生じ
てきた。
【００１０】鋳造材の再結晶を防止する方法として、公
開特許公報 昭59−64593 号には、真空中で再結晶温度
より低い温度に加熱保持し、回復させる方法が述べられ
ている。また、日本国特許2533678 号には、機械的周期
的振動エネルギーを与えて、残留応力を緩和する方法が
述べられている。
開特許公報 昭59−64593 号には、真空中で再結晶温度
より低い温度に加熱保持し、回復させる方法が述べられ
ている。また、日本国特許2533678 号には、機械的周期
的振動エネルギーを与えて、残留応力を緩和する方法が
述べられている。
【００１１】しかし、これらの方法は残留応力が小さい
もの、すなわち航空機用ジェットエンジンに使用されて
いる翼程度の大きさの物には有効であるが、残留応力が
大きい発電ガスタービン用の動翼及び静翼に対しては、
有効な方法でなかった。
もの、すなわち航空機用ジェットエンジンに使用されて
いる翼程度の大きさの物には有効であるが、残留応力が
大きい発電ガスタービン用の動翼及び静翼に対しては、
有効な方法でなかった。
【００１２】以上述べたように、従来技術による方法で
は、発電用の大型単結晶動翼及び静翼の再結晶を完全に
は防止できないため、熱処理時の製品歩留まりが悪かっ
た。本発明の目的は、単結晶鋳造時の冷却過程で発生し
た残留応力が存在している表面層を除去し、再結晶を発
生させることなく溶体化熱処理を行うことができる単結
晶物品とその製造方法及び用途を提供することにある。
は、発電用の大型単結晶動翼及び静翼の再結晶を完全に
は防止できないため、熱処理時の製品歩留まりが悪かっ
た。本発明の目的は、単結晶鋳造時の冷却過程で発生し
た残留応力が存在している表面層を除去し、再結晶を発
生させることなく溶体化熱処理を行うことができる単結
晶物品とその製造方法及び用途を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、単結晶鋳造材
の表面に残留応力を有する表面層が除去され、実質的に
再結晶層がフリーであることを特徴とする単結晶物品に
ある。
の表面に残留応力を有する表面層が除去され、実質的に
再結晶層がフリーであることを特徴とする単結晶物品に
ある。
【００１４】本発明は、単結晶鋳造材を、該鋳造材の再
結晶温度以上で熱処理を行う単結晶物品の製造方法にお
いて、前記熱処理前に該鋳造材の表面に残留応力を有す
る表面層を除去することを特徴とする単結晶物品の製造
方法にある。
結晶温度以上で熱処理を行う単結晶物品の製造方法にお
いて、前記熱処理前に該鋳造材の表面に残留応力を有す
る表面層を除去することを特徴とする単結晶物品の製造
方法にある。
【００１５】即ち、本発明に係る単結晶物品の製造方法
では、単結晶鋳造材を、該材料の再結晶温度以上で行う
熱処理において、熱処理前に該材の表面層を除去するこ
とを特徴としている。
では、単結晶鋳造材を、該材料の再結晶温度以上で行う
熱処理において、熱処理前に該材の表面層を除去するこ
とを特徴としている。
【００１６】また、本発明に係る単結晶物品の製造方法
では、該材の表面層を除去する方法として、大気中或い
は酸化雰囲気中で高温保持し、表面層を酸化させること
を特徴としている。
では、該材の表面層を除去する方法として、大気中或い
は酸化雰囲気中で高温保持し、表面層を酸化させること
を特徴としている。
【００１７】また、本発明に係る単結晶物品の製造方法
では、該材の表面層を除去する方法として、腐食液中で
の化学研磨により行うことを特徴としている。
では、該材の表面層を除去する方法として、腐食液中で
の化学研磨により行うことを特徴としている。
【００１８】また、本発明に係る単結晶物品の製造方法
では、該材の表面層を除去する方法として、腐食液中で
電流を流す電気化学的な方法で行うことを特徴としてい
る。また、本発明に係る単結晶物品の製造方法では、鋳
造単結晶材はＮｉを主成分とするＮｉ基超合金であるこ
とを特徴としている。
では、該材の表面層を除去する方法として、腐食液中で
電流を流す電気化学的な方法で行うことを特徴としてい
る。また、本発明に係る単結晶物品の製造方法では、鋳
造単結晶材はＮｉを主成分とするＮｉ基超合金であるこ
とを特徴としている。
【００１９】また、本発明に係る単結晶物品の製造方法
では、Ｎｉ基超合金である鋳造単結晶材が、発電用ガス
タービンの動翼、又は静翼であることを特徴としてい
る。
では、Ｎｉ基超合金である鋳造単結晶材が、発電用ガス
タービンの動翼、又は静翼であることを特徴としてい
る。
【００２０】また、本発明に係る単結晶物品の製造方法
では、鋳造単結晶材がオーステナイト系ステンレス鋼で
あることを特徴としている。
では、鋳造単結晶材がオーステナイト系ステンレス鋼で
あることを特徴としている。
【００２１】また、本発明に係る単結晶物品の製造方法
では、鋳造単結晶材であるオーステナイト系ステンレス
鋼が、原子炉用材料として使用されることを特徴として
いる。
では、鋳造単結晶材であるオーステナイト系ステンレス
鋼が、原子炉用材料として使用されることを特徴として
いる。
【００２２】また、本発明に係る単結晶物品の製造方法
では、除去される表面層の厚さは、０.０５〜０.５mmの
範囲であることを特徴としている。
では、除去される表面層の厚さは、０.０５〜０.５mmの
範囲であることを特徴としている。
【００２３】本発明に係る再結晶の防止法は、熱処理前
に鋳造時の高い残留歪が発生している表面層を除去して
いることから、再結晶を発生させることなく溶体化熱処
理を行うことができる。
に鋳造時の高い残留歪が発生している表面層を除去して
いることから、再結晶を発生させることなく溶体化熱処
理を行うことができる。
【００２４】本発明は、翼部と、該翼部に連なる平坦部
を有するプラットフォームと、該プラットフォームに連
なるシャンク部と、該シャンク部の両側に設けられた突
起からなるフィンと、前記シャンク部に連なるダブティ
ルとを有するガスタービン用動翼において、また、翼部
と、該翼部両端に各々設けられたサイドウォールとを有
するガスタービン用静翼において、前記動翼又は静翼は
単結晶のＮｉ基鋳造材よりなり、該鋳造材の表面に残留
応力を有する表面層が除去され、実質的に再結晶層がフ
リーであり、前記動翼においては前記翼部とプラットフ
ォーム又は静翼においては前記翼部とサイドウォールの
翼部側表面に耐熱被覆層を設けられ、該耐熱被覆層の構
成が前記基材の上に、前記基材に比べ高温耐食耐酸化性
に優れた合金からなるメタル層を設け、その上に順次、
Ａｌ2Ｏ3系セラミックス薄膜層、緻密な粒状組織からな
るＺｒＯ2 系セラミックス被覆層及び柱状組織のＺｒＯ
2系セラミックス被覆層を設け、かつ、前記柱状組織の
ＺｒＯ2 系セラミックス層は膜厚方向にクラックが生じ
ていることを特徴とする。
を有するプラットフォームと、該プラットフォームに連
なるシャンク部と、該シャンク部の両側に設けられた突
起からなるフィンと、前記シャンク部に連なるダブティ
ルとを有するガスタービン用動翼において、また、翼部
と、該翼部両端に各々設けられたサイドウォールとを有
するガスタービン用静翼において、前記動翼又は静翼は
単結晶のＮｉ基鋳造材よりなり、該鋳造材の表面に残留
応力を有する表面層が除去され、実質的に再結晶層がフ
リーであり、前記動翼においては前記翼部とプラットフ
ォーム又は静翼においては前記翼部とサイドウォールの
翼部側表面に耐熱被覆層を設けられ、該耐熱被覆層の構
成が前記基材の上に、前記基材に比べ高温耐食耐酸化性
に優れた合金からなるメタル層を設け、その上に順次、
Ａｌ2Ｏ3系セラミックス薄膜層、緻密な粒状組織からな
るＺｒＯ2 系セラミックス被覆層及び柱状組織のＺｒＯ
2系セラミックス被覆層を設け、かつ、前記柱状組織の
ＺｒＯ2 系セラミックス層は膜厚方向にクラックが生じ
ていることを特徴とする。
【００２５】本発明に係るガスタービン用動翼及び静翼
に用いるＮｉ基超合金は、重量で、Ｃ０.１％以下，Ｃ
ｒ２.５〜１５％，Ｃｏ３〜１０％，Ｗ４〜１０％，Ｒ
ｅ６％以下，Ｍｏ０.４〜２％ ，Ｎｂ２％以下，Ｔａ５
〜１０％，Ａｌ３〜６％，Ｔｉ４.５％以下，Ｈｆ０.０
３〜０.３％，Ｂ０.０３％以下を有するものが好まし
い。以下は０％をも意味する。
に用いるＮｉ基超合金は、重量で、Ｃ０.１％以下，Ｃ
ｒ２.５〜１５％，Ｃｏ３〜１０％，Ｗ４〜１０％，Ｒ
ｅ６％以下，Ｍｏ０.４〜２％ ，Ｎｂ２％以下，Ｔａ５
〜１０％，Ａｌ３〜６％，Ｔｉ４.５％以下，Ｈｆ０.０
３〜０.３％，Ｂ０.０３％以下を有するものが好まし
い。以下は０％をも意味する。
【００２６】
【発明の実施の形態】〔実施例１〕図１は本発明に係る
単結晶鋳造材の熱処理工程を示し、図２は本発明の適用
対象としている単結晶鋳造材の製造方法の概略を示した
断面図である。
単結晶鋳造材の熱処理工程を示し、図２は本発明の適用
対象としている単結晶鋳造材の製造方法の概略を示した
断面図である。
【００２７】図２において、最初、水冷チルプレート９
の上にセットしたアルミナを主成分とする鋳型６を固定
し、それを鋳型加熱炉２の中にセットし、鋳型６をＮｉ
基超合金の融点以上に加熱する。この時に、中子５は、
中子に設けた中子突起や巾木部で、固定支持されてい
る。次に溶解炉１にて溶解したＮｉ基超合金の溶湯３を
鋳型６の中に鋳込み、その後水冷チルプレート９を下方
に引き出し一方向凝固させた。一方向凝固では最初スタ
ータ８で多くの結晶を発生させ、その後セレクタ７で１
つの結晶を選択し、その結晶を上方に成長させ、単結晶
動翼が得た。この場合、鋳型加熱炉２は鋳型６が完全に
引出され、凝固が終了するまで高温に保った。また上記
工程は全て真空ポンプ１０を用いて真空中で行った。４
は鋳物、１１は炉殻である。
の上にセットしたアルミナを主成分とする鋳型６を固定
し、それを鋳型加熱炉２の中にセットし、鋳型６をＮｉ
基超合金の融点以上に加熱する。この時に、中子５は、
中子に設けた中子突起や巾木部で、固定支持されてい
る。次に溶解炉１にて溶解したＮｉ基超合金の溶湯３を
鋳型６の中に鋳込み、その後水冷チルプレート９を下方
に引き出し一方向凝固させた。一方向凝固では最初スタ
ータ８で多くの結晶を発生させ、その後セレクタ７で１
つの結晶を選択し、その結晶を上方に成長させ、単結晶
動翼が得た。この場合、鋳型加熱炉２は鋳型６が完全に
引出され、凝固が終了するまで高温に保った。また上記
工程は全て真空ポンプ１０を用いて真空中で行った。４
は鋳物、１１は炉殻である。
【００２８】図３に図２の方法で得られた単結晶のＮｉ
基超合金よりなるガスタービン動翼の斜視図である。動
翼は、全長１７０mmの大きさである。表１に本実施例１
における単結晶動翼の鋳造条件を示す。表２に鋳造に用
いたＮｉ基超合金の化学組成（重量％）を示す。Ａ〜Ｈ
の８種類の合金を用いて、それぞれ単結晶動翼を鋳造し
た。
基超合金よりなるガスタービン動翼の斜視図である。動
翼は、全長１７０mmの大きさである。表１に本実施例１
における単結晶動翼の鋳造条件を示す。表２に鋳造に用
いたＮｉ基超合金の化学組成（重量％）を示す。Ａ〜Ｈ
の８種類の合金を用いて、それぞれ単結晶動翼を鋳造し
た。
【００２９】
【表１】
【００３０】
【表２】
【００３１】鋳造後、１５０℃−１０気圧に加熱・加圧
した１５％ＮａＯＨ水溶液のオートクレイブ容器中で中
子除去を行った。
した１５％ＮａＯＨ水溶液のオートクレイブ容器中で中
子除去を行った。
【００３２】中子除去後、各合金に対し溶体化熱処理を
行った。表３に各単結晶合金に行った溶体化熱処理条件
を示す。溶体化熱処理は単結晶鋳造時の凝固過程で晶出
した共晶γ′相、及び冷却過程で析出したγ′相を、γ
相中に再固溶させる熱処理であり、Ｎｉ基の単結晶合金
には必要不可欠な熱処理である。
行った。表３に各単結晶合金に行った溶体化熱処理条件
を示す。溶体化熱処理は単結晶鋳造時の凝固過程で晶出
した共晶γ′相、及び冷却過程で析出したγ′相を、γ
相中に再固溶させる熱処理であり、Ｎｉ基の単結晶合金
には必要不可欠な熱処理である。
【００３３】
【表３】
【００３４】尚、溶体化熱処理を行うにあたっては、表
４に示す３種類の方法で鋳造材の表面層をそれぞれ除去
したものについて行った。尚、表面層除去の効果を確認
するため、中子除去のままで表面層を除去しないものに
ついても行った。
４に示す３種類の方法で鋳造材の表面層をそれぞれ除去
したものについて行った。尚、表面層除去の効果を確認
するため、中子除去のままで表面層を除去しないものに
ついても行った。
【００３５】溶体化熱処理後、マクロ腐食を行い、再結
晶粒の発生の有無を調査した。再結晶は、鋳造時の残留
応力が一番大きくなると予想される翼とプラットホーム
の付け根部で発生していた。尚、直径が０.３mm 以下の
再結晶粒は、最終的に砥石研磨で除去できるため、再結
晶とは見なさないで評価した。
晶粒の発生の有無を調査した。再結晶は、鋳造時の残留
応力が一番大きくなると予想される翼とプラットホーム
の付け根部で発生していた。尚、直径が０.３mm 以下の
再結晶粒は、最終的に砥石研磨で除去できるため、再結
晶とは見なさないで評価した。
【００３６】
【表４】
【００３７】表５に溶体化処理後の再結晶粒の発生率
（％）の比較を示す。表面層を除去してから溶体化熱処
理を行った本発明の方法では、表面層を除去しない従来
法に対し、再結晶粒の発生が大幅に低減した。
（％）の比較を示す。表面層を除去してから溶体化熱処
理を行った本発明の方法では、表面層を除去しない従来
法に対し、再結晶粒の発生が大幅に低減した。
【００３８】尚、本発明の方法では、除去する表面層の
厚さが重要である。除去する表面層の厚さが０.０５mm
以下では、再結晶の防止に効果が見られず、また、０.
５mmまで除去すると再結晶の発生を著しく防止でき、再
結晶の発生をほぼ１００％防止することが出来た。
厚さが重要である。除去する表面層の厚さが０.０５mm
以下では、再結晶の防止に効果が見られず、また、０.
５mmまで除去すると再結晶の発生を著しく防止でき、再
結晶の発生をほぼ１００％防止することが出来た。
【００３９】
【表５】
【００４０】一般に、除去する表面層の厚さが厚いほ
ど、再結晶の防止に有効であるが、表面層を除去すると
その分が寸法が小さくなることから、除去できる表面層
の最大の厚さは、個々の製品の寸法公差できまってく
る。本発明の方法で除去する表面層の厚さは、それぞれ
の除去法での除去時間を一定とすることで、容易に寸法
公差内に納めることが可能であり、なんら実害を生じる
ことはない有用な方法であった。
ど、再結晶の防止に有効であるが、表面層を除去すると
その分が寸法が小さくなることから、除去できる表面層
の最大の厚さは、個々の製品の寸法公差できまってく
る。本発明の方法で除去する表面層の厚さは、それぞれ
の除去法での除去時間を一定とすることで、容易に寸法
公差内に納めることが可能であり、なんら実害を生じる
ことはない有用な方法であった。
【００４１】従って、本発明は単結晶材に再結晶粒を発
生させることなく溶体化熱処理を行うことができ、以下
に説明する高温の燃焼ガスにさらされる翼部とそれを支
えるプラットフォーム表面への熱遮へい層を形成した。
その形成前又は形成後での時効処理においても全体とし
て単結晶を有するものであることが確認された。
生させることなく溶体化熱処理を行うことができ、以下
に説明する高温の燃焼ガスにさらされる翼部とそれを支
えるプラットフォーム表面への熱遮へい層を形成した。
その形成前又は形成後での時効処理においても全体とし
て単結晶を有するものであることが確認された。
【００４２】翼部１７及びプラットフォーム１２の表面
にＭＣｒＡｌＹ合金（Ｃｏ−３２％Ｎｉ−２１％Ｃｒ−
８％Ａｌ−０.５％Ｙ)粉末を用いて減圧雰囲気中プラズ
マ溶射にて結合層を形成した。形成した結合層の厚さは
１００μｍである。
にＭＣｒＡｌＹ合金（Ｃｏ−３２％Ｎｉ−２１％Ｃｒ−
８％Ａｌ−０.５％Ｙ)粉末を用いて減圧雰囲気中プラズ
マ溶射にて結合層を形成した。形成した結合層の厚さは
１００μｍである。
【００４３】しかる後、結合層を設けた表面に、蒸着源
とイオンビーム源を有した成膜装置を用いて二層構造の
ＺｒＯ2 系被覆層を作製した。蒸着源の材料としてＺｒ
Ｏ2−６％Ｙ2Ｏ3を用い、イオンビームとして酸素イオ
ンを用いた。成膜方法としては、先ず、結合層の表面に
酸素イオンビームを照射し、酸素イオンによる結合層表
面のスパッタークリーニングと結合層表面の酸素イオン
注入による表面酸化を行った。その結果、結合層表面は
清浄化されるとともに、約０.１μｍ 程のＡｌ2Ｏ3が形
成された。
とイオンビーム源を有した成膜装置を用いて二層構造の
ＺｒＯ2 系被覆層を作製した。蒸着源の材料としてＺｒ
Ｏ2−６％Ｙ2Ｏ3を用い、イオンビームとして酸素イオ
ンを用いた。成膜方法としては、先ず、結合層の表面に
酸素イオンビームを照射し、酸素イオンによる結合層表
面のスパッタークリーニングと結合層表面の酸素イオン
注入による表面酸化を行った。その結果、結合層表面は
清浄化されるとともに、約０.１μｍ 程のＡｌ2Ｏ3が形
成された。
【００４４】しかる後、酸素イオン照射を行ったまま
０.５μｍの厚さのＺｒＯ2−６％Y2O3の蒸着を行った。
その結果、結合層の表面のＡｌ2Ｏ3と蒸着材料のＺrＯ2
−６％Ｙ2Ｏ3の混合した層（ミキシング層）が形成され
た。この層の厚さは分析結果、約０.１μｍ であり、そ
の上に約０.４μｍ のＺｒＯ2−６％Ｙ2Ｏ3 被覆層が形
成されていた。
０.５μｍの厚さのＺｒＯ2−６％Y2O3の蒸着を行った。
その結果、結合層の表面のＡｌ2Ｏ3と蒸着材料のＺrＯ2
−６％Ｙ2Ｏ3の混合した層（ミキシング層）が形成され
た。この層の厚さは分析結果、約０.１μｍ であり、そ
の上に約０.４μｍ のＺｒＯ2−６％Ｙ2Ｏ3 被覆層が形
成されていた。
【００４５】しかる後、酸素イオンの照射を止め、Ｚｒ
Ｏ2−６％Ｙ2Ｏ3 の蒸着のみを実施した。
Ｏ2−６％Ｙ2Ｏ3 の蒸着のみを実施した。
【００４６】その結果、ＺｒＯ2−６％Ｙ2Ｏ3 からなる
緻密な被覆層が形成され、その厚さは、２０μｍとし
た。しかる後、ＺｒＯ2−６％Ｙ2Ｏ3 の蒸着を継続し、
さらに酸素イオンビームの照射を行い、蒸着と照射を同
時に行った。この状態で成膜を続け前記の緻密なＺｒＯ
2−６％Ｙ2Ｏ3 被覆層の上に約１３０μｍの被覆層を形
成した。この場合、ＺｒＯ2−６％Ｙ2Ｏ3 被覆層は柱状
組織になっており、柱状組織を構成する個々の柱状の大
きさは２０〜２００μｍである。
緻密な被覆層が形成され、その厚さは、２０μｍとし
た。しかる後、ＺｒＯ2−６％Ｙ2Ｏ3 の蒸着を継続し、
さらに酸素イオンビームの照射を行い、蒸着と照射を同
時に行った。この状態で成膜を続け前記の緻密なＺｒＯ
2−６％Ｙ2Ｏ3 被覆層の上に約１３０μｍの被覆層を形
成した。この場合、ＺｒＯ2−６％Ｙ2Ｏ3 被覆層は柱状
組織になっており、柱状組織を構成する個々の柱状の大
きさは２０〜２００μｍである。
【００４７】その結果、柱状組織からなる最表面部側の
ＺｒＯ2−６％Ｙ2Ｏ3 被覆層の柱状組織の境界に沿って
５〜２０μｍ幅のクラックが生じ柱状組織は個々の柱状
に分断されたものとなった。また、このミクロクラック
は柱状組織の下部の緻密なＺｒＯ2−６％Ｙ2Ｏ3 被覆層
中には生じておらず、柱状組織と緻密な組織との境界部
で止まっていた。
ＺｒＯ2−６％Ｙ2Ｏ3 被覆層の柱状組織の境界に沿って
５〜２０μｍ幅のクラックが生じ柱状組織は個々の柱状
に分断されたものとなった。また、このミクロクラック
は柱状組織の下部の緻密なＺｒＯ2−６％Ｙ2Ｏ3 被覆層
中には生じておらず、柱状組織と緻密な組織との境界部
で止まっていた。
【００４８】以上のように製作した熱遮へい層は、Ｚｒ
Ｏ2 系セラミックス被覆層は二層構造であり、最表面層
は柱状組織で２０〜２００μｍの柱状組織の境界に５〜
２０μｍの幅の開孔クラックを有しており、その下部層
であるＺｒＯ2 系被覆層は緻密な組織でクラック等はな
い。また、この緻密なＺｒＯ2 系被覆層の下部にはＡｌ
2Ｏ3層があり、その下部にはＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金被
覆層があり、合金被覆層の下部はＮｉ基耐熱合金となっ
ている。
Ｏ2 系セラミックス被覆層は二層構造であり、最表面層
は柱状組織で２０〜２００μｍの柱状組織の境界に５〜
２０μｍの幅の開孔クラックを有しており、その下部層
であるＺｒＯ2 系被覆層は緻密な組織でクラック等はな
い。また、この緻密なＺｒＯ2 系被覆層の下部にはＡｌ
2Ｏ3層があり、その下部にはＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金被
覆層があり、合金被覆層の下部はＮｉ基耐熱合金となっ
ている。
【００４９】〔実施例２〕図４は、本発明に係るガスタ
ービン用静翼の斜視図である。実施例１に示した図２の
方法で図４の単結晶のＮｉ基超合金からなるガスタービ
ン用静翼を鋳造した。鋳造条件は実施例１と同じであ
る。合金は、表２に示したものの中からＢ，Ｅ，Ｇ，Ｈ
の４種類を用いた。単結晶鋳造後、実施例１と同様にＮ
ａＯＨのオートクレイブ水溶液中で中子を除去した。中
子除去後、実施例１と同じく表４の３種類の方法で表面
層を除去したもの、及び表面層を除去しないものについ
て、実施例１に示した表３の条件で溶体化熱処理を行
い、再結晶の発生状況を調べ比較した。
ービン用静翼の斜視図である。実施例１に示した図２の
方法で図４の単結晶のＮｉ基超合金からなるガスタービ
ン用静翼を鋳造した。鋳造条件は実施例１と同じであ
る。合金は、表２に示したものの中からＢ，Ｅ，Ｇ，Ｈ
の４種類を用いた。単結晶鋳造後、実施例１と同様にＮ
ａＯＨのオートクレイブ水溶液中で中子を除去した。中
子除去後、実施例１と同じく表４の３種類の方法で表面
層を除去したもの、及び表面層を除去しないものについ
て、実施例１に示した表３の条件で溶体化熱処理を行
い、再結晶の発生状況を調べ比較した。
【００５０】表６に溶体化熱処理後の再結晶の発生率
（％）を示す。実施例１の場合と同様に、本発明の方法
によって、表面層を除去しない従来法より、再結晶粒の
発生が大幅に低減された。
（％）を示す。実施例１の場合と同様に、本発明の方法
によって、表面層を除去しない従来法より、再結晶粒の
発生が大幅に低減された。
【００５１】また、本実施例においても実施例１と同様
に翼部１７及びサイドウォール１６の燃焼ガスにさらさ
れる面に熱遮へい層を形成した。その形成前後での時効
処理においても全体として単結晶を有するものであるこ
とが確認された。
に翼部１７及びサイドウォール１６の燃焼ガスにさらさ
れる面に熱遮へい層を形成した。その形成前後での時効
処理においても全体として単結晶を有するものであるこ
とが確認された。
【００５２】
【表６】
【００５３】〔実施例３〕原子炉用に用いられているオ
ーステナイト系ステンレス鋼であるSUS316L ，SUS321及
びSUS347を用いて、長さ２００mmのＭ２０ボルトを鋳造
した。鋳造条件及び方法は、実施例１の表１及び図２と
同じである。鋳造後、均質化のため1150℃で６０時間の
溶体化熱処理を真空中で行ったところ、ボルト頭部の付
け根部で再結晶が発生していた。そこで、硝酸：塩酸＝
１：３の王水中に１時間浸汐し、表面層を０.３mm 除去
し、同じく１１５０℃で６０時間の溶体化熱処理を真空
中で行ったところ、再結晶を発生させることなく、溶体
化熱処理を行うことができた。すなわち本発明の方法
は、オーステナイト系ステンレス鋼単結晶材に対しても
有効であることが確認できた。
ーステナイト系ステンレス鋼であるSUS316L ，SUS321及
びSUS347を用いて、長さ２００mmのＭ２０ボルトを鋳造
した。鋳造条件及び方法は、実施例１の表１及び図２と
同じである。鋳造後、均質化のため1150℃で６０時間の
溶体化熱処理を真空中で行ったところ、ボルト頭部の付
け根部で再結晶が発生していた。そこで、硝酸：塩酸＝
１：３の王水中に１時間浸汐し、表面層を０.３mm 除去
し、同じく１１５０℃で６０時間の溶体化熱処理を真空
中で行ったところ、再結晶を発生させることなく、溶体
化熱処理を行うことができた。すなわち本発明の方法
は、オーステナイト系ステンレス鋼単結晶材に対しても
有効であることが確認できた。
【００５４】
【発明の効果】本発明によれば、再結晶を生じることな
く溶体化熱処理を行うことができるため、高いクリープ
強度を有する単結晶のＮｉ基超合金よりなるガスタービ
ン動翼及び静翼が得られ、動翼及び静翼の長寿命化と燃
焼ガス温度の上昇によるガスタービンの熱効率向上を図
ることができる。
く溶体化熱処理を行うことができるため、高いクリープ
強度を有する単結晶のＮｉ基超合金よりなるガスタービ
ン動翼及び静翼が得られ、動翼及び静翼の長寿命化と燃
焼ガス温度の上昇によるガスタービンの熱効率向上を図
ることができる。
【００５５】また、本発明によれば、再結晶を発生させ
ることなく、オーステナイト系ステンレス鋼単結晶材の
溶体化熱処理を行うことができるため、結晶粒界に起因
した応力腐食割れや、照射誘起応力腐食割れの発生する
ことのない、原子炉炉用部品が得られ、原子炉の信頼性
向上と長寿命化を図ることができる。
ることなく、オーステナイト系ステンレス鋼単結晶材の
溶体化熱処理を行うことができるため、結晶粒界に起因
した応力腐食割れや、照射誘起応力腐食割れの発生する
ことのない、原子炉炉用部品が得られ、原子炉の信頼性
向上と長寿命化を図ることができる。
【図１】本発明に係る単結晶物品の製造方法の工程を示
す図。
す図。
【図２】本発明に係るガスタービン用単結晶動翼の製造
法の概略を示す構成図。
法の概略を示す構成図。
【図３】本発明に係るガスタービン用単結晶動翼の斜視
図。
図。
【図４】本発明に係るガスタービン用単結晶静翼の斜視
図。
図。
１…溶解炉、２…鋳型加熱炉、３…溶湯、４…鋳物、５
…中子、６…鋳型、７…セレクタ、８…スタータ、９…
水冷チルプレート、１０…真空ポンプ、１１…炉殻、１
２…プラットフォーム、１３…シールフィン、１４…シ
ャンク、１５…ダブティル、１６…サイドウォール、１
７…翼部。
…中子、６…鋳型、７…セレクタ、８…スタータ、９…
水冷チルプレート、１０…真空ポンプ、１１…炉殻、１
２…プラットフォーム、１３…シールフィン、１４…シ
ャンク、１５…ダブティル、１６…サイドウォール、１
７…翼部。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０１Ｄ 5/28 Ｆ０１Ｄ 5/28 // Ｃ２２Ｆ 1/00 ６０７ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６０７ ６５１ ６５１Ｂ ６８０ ６８０ ６８２ ６８２ ６９１ ６９１Ｂ ６９１Ｚ (72)発明者 岡山 昭 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 斉藤 年旦 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Ｆターム(参考） 3G002 EA04 EA05 EA06 EA08 4G050 DB14 4G077 AA02 BA08 BA09 CD08 FE03 FG06 FG08 HA20
Claims (12)
- 【請求項１】単結晶鋳造材の表面に残留応力を有する表
面層が除去され、実質的に再結晶層がフリーであること
を特徴とする単結晶物品。 - 【請求項２】請求項１において、前記単結晶鋳造材はＮ
ｉを主成分とするＮｉ基超合金であることを特徴とする
単結晶物品。 - 【請求項３】請求項２において、前記Ｎｉ基超合金は、
発電用ガスタービンの動翼、又は静翼であることを特徴
とする単結晶物品。 - 【請求項４】請求項１において、前記単結晶鋳造材はオ
ーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする単
結晶物品の製造方法。 - 【請求項５】請求項４において、前記オーステナイト系
ステンレス鋼は、原子炉内構造材として使用されること
を特徴とする単結晶物品。 - 【請求項６】請求項１〜５のいずれかにおいて、除去さ
れる表面層の厚さは、０.０５〜0.5mmであることを特徴
とする単結晶物品。 - 【請求項７】単結晶鋳造材を、該鋳造材の再結晶温度以
上で熱処理を行う単結晶物品の製造方法において、前記
熱処理前に該鋳造材の表面に残留応力を有する表面層を
除去することを特徴とする単結晶物品の製造方法。 - 【請求項８】請求項１において、前記表面層を除去する
方法は、大気中又は、酸化雰囲気中で高温に保持し、表
面層を酸化させるものであることを特徴とする単結晶物
品の製造方法。 - 【請求項９】請求項１において、前記表面層を除去する
方法は、腐食液中での化学研磨により行うことを特徴と
する単結晶物品の製造方法。 - 【請求項１０】請求項１において、前記表面層を除去す
る方法は、腐食液中で電流を流す電気化学的な方法で行
うことを特徴とする単結晶物品の製造方法。 - 【請求項１１】翼部と、該翼部に連なる平坦部を有する
プラットフォームと、該プラットフォームに連なるシャ
ンク部と、該シャンク部の両側に設けられた突起からな
るフィンと、前記シャンク部に連なるダブティルとを有
するガスタービン用動翼において、該動翼は単結晶のＮ
ｉ基鋳造材よりなり、該鋳造材の表面に残留応力を有す
る表面層が除去され、実質的に再結晶層がフリーであ
り、前記翼部及びプラットフォーム表面に耐熱被覆層を
設けられ、該耐熱被覆層の構成が前記基材の上に、前記
基材に比べ高温耐食耐酸化性に優れた合金からなるメタ
ル層を設け、その上に順次、Ａｌ2Ｏ3系セラミックス薄
膜層、緻密な粒状組織からなるＺｒＯ2 系セラミックス
被覆層及び柱状組織のＺｒＯ2 系セラミックス被覆層を
設け、かつ、前記柱状組織のＺｒＯ2 系セラミックス層
は膜厚方向にクラックが生じていることを特徴とするガ
スタービン用動翼。 - 【請求項１２】翼部と、該翼部両端に各々設けられたサ
イドウォールとを有するガスタービン用静翼において、
該静翼は単結晶のＮｉ基鋳造材よりなり、該鋳造材の表
面に残留応力を有する表面層が除去され、実質的に再結
晶層がフリーであり、前記翼部及びサイドウォールの翼
部側表面に耐熱被覆層を設けられ、該耐熱被覆層の構成
が前記基材の上に、前記基材に比べ高温耐食耐酸化性に
優れた合金からなるメタル層を設け、その上に順次、Ａ
ｌ2Ｏ3系セラミックス薄膜層、緻密な粒状組織からなる
ＺｒＯ2 系セラミックス被覆層及び柱状組織のＺｒＯ2
系セラミックス被覆層を設け、かつ、前記柱状組織のＺ
ｒＯ2 系セラミックス層は膜厚方向にクラックが生じて
いることを特徴とするガスタービン用静翼。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10224032A JP2000053492A (ja) | 1998-08-07 | 1998-08-07 | 単結晶物品とその製造方法及び用途 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10224032A JP2000053492A (ja) | 1998-08-07 | 1998-08-07 | 単結晶物品とその製造方法及び用途 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000053492A true JP2000053492A (ja) | 2000-02-22 |
Family
ID=16807534
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10224032A Pending JP2000053492A (ja) | 1998-08-07 | 1998-08-07 | 単結晶物品とその製造方法及び用途 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000053492A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2009184016A (ja) * | 2008-02-08 | 2009-08-20 | Snecma | 方向性凝固ブレードを製造するプロセス |
| EP1939326A3 (en) * | 2006-12-22 | 2011-04-20 | United Technologies Corporation | Process for preventing the formation of secondary reaction zone in susceptible articles, and articles manufactured using same |
| JP2013108166A (ja) * | 2011-11-17 | 2013-06-06 | Cannon-Muskegon Corp | タービンブレード及びベーン用途向けのレニウムを含まない単結晶超合金 |
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| US9850563B2 (en) | 2014-02-11 | 2017-12-26 | Rolls-Royce Plc | Ni superalloy component production method |
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-
1998
- 1998-08-07 JP JP10224032A patent/JP2000053492A/ja active Pending
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| CN115354133B (zh) * | 2022-08-16 | 2023-10-17 | 中国航发北京航空材料研究院 | 一种预防单晶高温合金叶片局部再结晶的方法 |
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