JP2001226733A - イリジウム添加ニオブ基合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】１５００℃以上の高温域において十分な強度を
有し、かつ常温から高温までの靭性の優れた、新たなニ
オブ基合金を提供する。 【解決手段】３〜１１ａｔ％のＩｒを含有し、残部が実
質的にＮｂからなるイリジウム添加ニオブ基合金。ま
た、３〜６ａｔ％のＩｒを含有し、かつ５〜３０ａｔ％
のＭｏと５〜１５ａｔ％のＷのいずれか一方又は双方を
含有して、残部が実質的にＮｂからなるイリジウム添加
ニオブ基合金。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン部材
等の超高温耐熱材料として使用される、高温強度と靭性
の優れたニオブ基合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】化石燃料の節減と地球環境保全の観点か
ら、火力発電の熱効率の向上が求められ、ガスタービン
の運転温度の一層の高温化が急務の課題となっている。
現在、ガスタービン部材には主にＮｉ基超合金が用いら
れているが、その耐熱温度の向上はほぼ限界に達してい
る。そのため、より高温で使用しうる新たな耐熱材料が
必要となっており、その一つとして高融点金属であるＮ
ｂをベースにした材料が注目されている。

【０００３】Ｎｂは融点が約２４７０℃で延性にも富む
金属であるが、高温強度が著しく低いため、固溶強化型
又は析出強化型のニオブ基合金や、Ｎｂの金属間化合物
とくにＮｂ−Ａｌ系金属間化合物に関して、種々の検討
が行われている。

【０００４】固溶強化型のニオブ基合金の例として、１
０ａｔ％程度のＷと数ａｔ％以下のＺｒ，Ｖ等を含む合
金が知られている。また、析出強化型のニオブ基合金の
例としては、３〜１６ａｔ％のＳｉを含むＮｂ−Ｓｉ合
金が知られている。しかし、これらのニオブ基合金は、
１４００℃以上の高温域において十分な強度を有すると
は言い難い。

【０００５】また、Ｎｂ−Ａｌ系金属間化合物として
は、Ａ１５型結晶構造を有するＮｂ₃Ａｌが注目されて
いる。Ｎｂ₃Ａｌは室温付近では極めて脆いため、第三
元素を添加して常温靭性や高温強度を改善する試みがな
されており、例えば特開平６−１２２９３５号公報に
は、第三元素としてＷ，Ｔａを添加したＮｂ−Ａｌ系金
属間化合物が提案されている。

【０００６】しかし、このような第三元素の添加によっ
ても、硬くて脆いという金属間化合物の基本的性質を大
幅に改善することは難しく、構造材料として実用化する
ことは容易ではない。また、Ｎｂ−Ａｌ系金属間化合物
は、Ｎｂ₃Ａｌ以外のＮｂ₂ＡｌやＮｂＡｌの相が析出す
るとさらに脆化するため、析出相の制御が難しいことも
問題である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ガスタービンの高温運
転を図るための一つの目標として、タービン部材の耐用
温度が１５００℃以上であることが望まれる。従来の固
溶強化型や析出強化型のニオブ基合金は、かかる高温域
における強度が十分でない。また、Ｎｂ−Ａｌ系金属間
化合物は高温強度は大きくても、常温から中間温度域で
の靭性が不十分で、タービン部材としての実用化が難し
い。

【０００８】そこで、本発明は、１５００℃以上の高温
域において十分な強度を有し、かつ常温から高温までの
靭性の優れた、新たなニオブ基合金を提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、新たな合
金元素として面心立方構造を有するＩｒに着目して、Ｎ
ｂへのＩｒの添加効果を種々検討した結果、従来から固
溶強化元素として知られている体心立方構造のＷ，Ｍ
ｏ，Ｔａ，Ｖ等に比して顕著な強化効果を有することを
知見し、高温強度と靭性とのバランスから適正な組成範
囲についての知見を得た。また、所定量のＩｒ添加に加
えて、第三元素としてＭｏとＷのいずれか一方又は双方
を添加することにより、高温強度や靭性の一層の向上を
図りうることを知見した。

【００１０】これらの知見に基づく本発明の要旨は、３
〜１１ａｔ％のＩｒを含有し、残部が実質的にＮｂから
なるイリジウム添加ニオブ基合金である。また、３〜６
ａｔ％のＩｒを含有し、かつ５〜３０ａｔ％のＭｏと５
〜１５ａｔ％のＷのいずれか一方又は双方を含有して、
残部が実質的にＮｂからなるイリジウム添加ニオブ基合
金である。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明者らは、Ｎｂ−Ｘ（Ｘ：Ｉ
ｒ，Ｍｏ，Ｗ）二元系合金について、後記実施例に示す
ような方法で、試料の調整と１５００℃における圧縮強
度の評価を行い、添加元素による高温強度の向上効果を
比較した。その結果、添加元素Ｘの濃度と０．２％耐力
との間に図１に示す関係があることが見出された。図に
みられるように、Ｉｒ添加による強度の向上効果は、Ｗ
やＭｏよりも著しく大きい。

【００１２】図３に示すＮｂ−Ｉｒ二元系状態図から明
らかなように、Ｉｒが６ａｔ％（原子％）程度以下の領
域（図の右端）はＮｂ−Ｉｒ固溶体単相の領域で、この
領域でのＩｒの効果は固溶強化効果である。Ｉｒの濃度
が６ａｔ％を越えると、Ｉｒ固溶相と金属間化合物であ
るＮＢ₃Ｉｒ析出相との２相域になり、この領域での強
度の増大は、固溶強化と析出強化との複合効果によると
考えられる。本発明者らの知見によれば、上記の２相域
においては、析出相の増加に伴って高温強度は増大する
が、析出相の割合があるレベルを越えると、合金の高温
延性が著しく低下し、脆化する。

【００１３】したがって、本発明の第一のニオブ基合金
（以下、第一合金という）は、Ｉｒを３〜１１ａｔ％含
有するＮｂ−Ｉｒ二元系合金で、固溶相単相の合金又は
固溶相を主体とし比較的少量のＮｂ₃Ｉｒ析出相を含む
２相合金である。

【００１４】第一合金におけるＩｒの下限を３ａｔ％と
する理由は、これ未満では高温強度が不十分であり、Ｉ
ｒの上限を１１ａｔ％とする理由は、これを越えるとＮ
ｂ₃Ｉｒ析出相の割合が大きくなって常温靭性が低下す
るためである。

【００１５】本発明の第二のニオブ基合金（以下、第二
合金という）は、Ｉｒを３〜６ａｔ％含有し、さらに第
三元素として、５〜３０ａｔ％のＭｏと５〜１５ａｔ％
のＷのいずれか一方又は双方を含有するニオブ基合金で
ある。上記濃度範囲のＩｒはＮｂに固溶し、体心立方構
造のＭｏ及びＷも容易にＮｂ中に固溶するから、この第
二合金は固溶強化型の単相合金である。

【００１６】このようにＮｂ−Ｉｒ固溶相中に第三元素
であるＭｏ又は／及びＷを添加することによって、さら
に高温強度の増大を図ることができる。後記実施例に示
すように、第三元素によるニオブ基合金高温強度の増加
分は、図１に示すような第三元素単独での強度増加分に
ほぼ等しい。また、第二合金は単相合金であるから、析
出相による脆化の問題がなく常温から高温までの靭性に
優れる。

【００１７】第二合金において、Ｉｒの濃度範囲を３〜
６ａｔ％とする理由は、これ未満ではＩｒによる固溶強
化効果が十分でなく、これを越えるとＮｂ₃Ｉｒの析出
相が生成するためである。また、第三元素であるＭｏの
濃度を５ａｔ％以上、Ｗの濃度を５ａｔｍ％以上とする
理由は、これ未満では第三元素の添加による高温強度の
向上効果がほとんど得られないためである。

【００１８】さらに、第三元素であるＭｏの濃度を３０
ａｔ％以下、Ｗの濃度を１５ａｔ％以下とする理由は、
いずれか一方がこれを越えると常温靭性が不十分になる
ためである。すなわち、後記実施例に示すように、Ｎｂ
−Ｉｒ−Ｘ（Ｘ：ＭｏとＷの一方又は双方）合金の常温
（２５℃）のシャルピー試験を行い、その破面を観察し
て脆性破面率を求めて評価した結果、図２に示すよう
に、Ｍｏが３０ａｔ％、Ｗが１５ａｔ％を越えると、常
温靭性が著しく低下し、構造材として必要な靭性を確保
しえなくなることが明らかにされた。

【００１９】本発明のＩｒ添加ニオブ基合金は、高温強
度と靭性に優れるのみならず、耐酸化を目的として、合
金基材表面にＩｒ被膜を形成した場合に、Ｉｒ被膜の密
着性と耐久性を高めうるという効果を有する。

【００２０】周知のようにニオブ基合金は高温での耐酸
化性に問題があり、耐酸化コーティングの一つとして、
合金基材表面にＩｒ被膜を形成する方法が知られてい
る。しかし、このＩｒ被膜は、基材との密着性が十分で
なかったり、熱膨張率の差により亀裂や剥離が生じるこ
とが少くない。また、Ｉｒ被膜を形成した合金部材を長
時間加熱すると、ＩｒがＮｂ基合金中に拡散して酸素遮
断効果が失われるという問題がある。

【００２１】しかし、本発明のＩｒ添加ニオブ基合金に
Ｉｒ被膜を形成した場合には、基材自体にＩｒが含まれ
るため、その密着性が改善され、また熱応力が緩和され
て、Ｉｒ被膜に亀裂や剥離が生じるのを軽減するという
効果を有する。また、基材自体に固溶限界に近いＩｒが
含有されているために、被膜から基材へのＩｒの拡散が
大幅に減少し、被膜の耐久性を高めると効果を有する。
なお本合金は、上記組成の添加元素を含有し、残部が実
質的にＮｂであればよく、不可避的不純物や少量の他の
添加元素を含んでいてもよい。

【００２２】次に、本発明のニオブ基合金の製造方法に
ついて述べる。本発明のニオブ基合金の成形体は、溶解
・凝固法によっても、粉末焼結法によっても製造するこ
とができる。溶解・凝固法としては、例えば高周波加熱
スカル溶解法、プラズマアーク等によるハース溶解法や
真空アーク、プラズマアーク、電子ビーム等を熱源とし
て、原料を水冷鋳型内に連続的に供給して溶解しインゴ
ットを形成する逐次溶解・凝固法等のいずれによっても
よい。また、生成したインゴットを必要に応じて均質化
熱処理をすればよい。

【００２３】粉末焼結法としては、配合原料をＭＡ（メ
カニカルアロイイング）法等により所定の粒度まで粉砕
・混合し、各種の粉末焼結法（例えば、ホットプレス、
ＨＩＰ処理、放電プラズマ焼結法など）により成形体を
形成して、必要に応じて熱処理を行えばよい。だだし、
Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ等はいずれも酸化され易く、酸素のピッ
クアップは材料の強度特性等を著しく劣化させるから、
粉末焼結法においては、粉砕−焼結−熱処理の各工程を
不活性ガス雰囲気又は真空下で行うことが必要である。

【００２４】本発明のニオブ基合金は、固溶強化型の単
相合金又は固溶相を主体とし一部析出相を含む２相合金
である。その強化機構は主に固溶強化によるものであっ
て、析出相の制御に格別の条件を必要としない。

【００２５】したがって、本発明のニオブ基合金におい
ては、溶解・凝固法における凝固速度や均質化熱処理の
条件、或いは粉末焼結法における焼結条件や熱処理条件
を必ずしも厳密に制御する必要はなく、かなり広い製造
条件の中で安定して良好な特性を有する合金成形体を製
造することができる。

【００２６】

【実施例】（実施例１）純度９９．９％以上の粒状のＮ
ｂ，Ｉｒ，Ｍｏ，Ｗを原料とし、水冷銅鋳内で真空アー
ク溶解してＮｂ−Ｘ（Ｘ：Ｉｒ，Ｍｏ，Ｗ）の二元系合
金のインゴットを製造した。Ｉｒの濃度は０〜１８ａｔ
％の範囲で６段階に変えた。また、比較例であるＭｏ，
Ｗの場合は、それぞれＸを１０、２０、３０ａｔ％とし
た。真空アーク溶解における投入電力は１０〜３０ＫＶ
Ａ、真空度は約１０^-5Ｔｏｒｒとした。生成したインゴ
ットのサイズは幅３０×長さ１００×厚み１０ｍｍであ
った。このインゴットをＡｒ雰囲気下で１８００℃×２
４ｈｒの均質化熱処理を行い、放電加工により所定寸法
の供試材を切出した。

【００２７】このように作製した二元系合金試料につい
て、高温圧縮試験による高温強度の測定と常温シャルピ
ー試験での試験片の脆性破面率の測定を行った。高温圧
縮試験は、３ｍｍ角、高さ６ｍｍの試料を用いて、Ａｒ
雰囲気下で試験温度１５００℃、歪速度３×１０^-4ｓ^-1
の条件で行った。得られた歪一応力曲線から０．２％耐
力を判定した。また、常温のシャルピー試験はＪＩＳＫ
−５４００に準ずる方法で行い、試験後の試験片両破面
を観察し、各々の明瞭な脆性破面の面積率を求め、その
平均値をもって脆性破面率とした。これらの測定結果を
表１に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】表１のデータより、Ｎｂ−Ｘ二元系におけ
る添加元素Ｘの濃度と０．２％耐力の関係をプロットし
た結果を図１に示す。図にみられるように、Ｉｒ添加に
より１５００℃での強度が顕著に向上することが明らか
になった。

【００３０】（実施例２）Ｎｂ−Ｉｒ−Ｘ（Ｘ：Ｍｏ，
Ｗの１種以上）系合金の試料を実施例１と同様の方法で
作成し、実施例１と同様に、高温圧縮試験と常温のシャ
ルピー試験を行い、０．２％耐力および脆性破面率を測
定した。これらの測定結果を表２に示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】表２に見られるように、Ｎｂ−Ｉｒ系とＮ
ｂ−Ｉｒ−Ｘ系の０．２％耐力を比較すると、同一Ｉｒ
濃度の場合いずれもＸの添加により０．２％耐力が増大
している。例えば、Ｉｒが６ａｔ％の場合、１５ａｔ％
のＭｏ添加で０．２％耐力が約１３０ＭＰａ、５ａｔ％
のＷ添加で０．２％耐力が約５０ＭＰａ増大している
（表１のＮｏ．３と表２のＮｏ．３及びＮｏ．８との比
較）。このように、第三元素Ｘによる０．２％耐力の増
分は、図１に見られるようなＸ単独の０．２％耐力の増
分にほぼ等しい。

【００３３】また、Ｎｂ−６Ｉｒ−Ｘ系における添加元
素Ｘの濃度と常温における脆性破面率との関係を図２に
示した。図２に見られるように、Ｍｏが３０ａｔ％、Ｗ
が１５ａｔ％を越えると脆性破面率が５０％以上にな
り、常温靭性が著しく低下することが明らかになった。

【００３４】

【発明の効果】本発明により、１５００℃以上の高温域
における強度が十分に大きく、構造材料として必要な靭
性を兼ね備えたニオブ基合金を提供することが可能にな
った。また、本発明のイリジウム添加ニオブ基合金は、
耐酸化を目的としてその表面にＩｒ被膜を形成した場合
に、基材への被膜の密着性を高めて、被膜に亀裂や剥離
が生じるのを軽減するという効果、および被膜から基材
へのＩｒの拡散を抑制して、被膜の耐久性を高めると効
果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例におけるＮｂ−Ｘ二元系合金の添加元
素Ｘの濃度と０．２％耐力との関係を示す図である。

【図２】本実施例におけるＮｂ−６Ｉｒ−Ｘ三元系合金
の添加元素Ｘの濃度と常温における脆性破面率との関係
を示す図である。

【図３】Ｎｂ−Ｉｒ二元系合金の状態図の例である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 棚橋 浩之 山口県宇部市大字沖宇部573番地の３ 株 式会社超高温材料研究所山口研究所内 (72)発明者 譚 毅 山口県宇部市大字沖宇部573番地の３ 株 式会社超高温材料研究所山口研究所内 (72)発明者 馬 朝利 山口県宇部市大字沖宇部573番地の３ 株 式会社超高温材料研究所山口研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３〜１１ａｔ％のＩｒを含有し、残部が
   実質的にＮｂからなるイリジウム添加ニオブ基合金。
2. 【請求項２】 ３〜６ａｔ％のＩｒを含有し、かつ５〜
   ３０ａｔ％のＭｏと５〜１５ａｔ％のＷのいずれか一方
   又は双方を含有して、残部が実質的にＮｂからなるイリ
   ジウム添加ニオブ基合金。