JP2002194467A - Nickel based superalloy having high temperature corrosion resistance for single crystal blade of industrial turbine - Google Patents

Nickel based superalloy having high temperature corrosion resistance for single crystal blade of industrial turbine

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JP2002194467A
JP2002194467A JP2001365810A JP2001365810A JP2002194467A JP 2002194467 A JP2002194467 A JP 2002194467A JP 2001365810 A JP2001365810 A JP 2001365810A JP 2001365810 A JP2001365810 A JP 2001365810A JP 2002194467 A JP2002194467 A JP 2002194467A
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single crystal
alloy
corrosion resistance
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temperature
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Pierre Caron
ピエール キャロン
Michael Blackler
ミッシェル ブラックラー
Mccolvin Gordon Malcolm
マクコルビン ゴードン マルコム
Rajeshwar Prasad Wahi
ラエシュバル プラサド バヒ
Andre Marcel Escale
アンドレ マルセル エスカーレ
Laurent Lelait
ローレン ルレ
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Safran Helicopter Engines SAS
Howmet Ltd
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Turbomeca SA
Howmet Ltd
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/056Alloys 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%

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nickel based superalloy used for producing the fixed and movable single crystal blades of an industrial gas turbine by directional solidification. SOLUTION: The nickel based superalloy suitable for single crystal solidification has a composition containing, by mass, 4.75 to 5.25% Co, 11.5 to 12.5% Cr, 0.8 to 1.2% Mo, 3.75 to 4.25% W, 3.75 to 4.25% Al, 4 to 4.8% Ti, 1.75 to 2.25% Ta, 0.006 to 0.04% C, <=0.01% B, <=0.01% Zr, <=1% Hf and <=1% Nb, and the balance Ni with impurities.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、産業用ガスタービ
ンの固定式および可動式単結晶ブレードを方向性凝固に
より製造するために使用するニッケル系超合金に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nickel-based superalloy used for producing fixed and movable single crystal blades of an industrial gas turbine by directional solidification.

【0002】[0002]

【従来の技術】ニッケル系超合金は、産業用ガスタービ
ンの可動式および固定式ブレードの製造に現在利用され
ている性能の最も高い材料である。このような特定な用
途を対象とするこれら合金について現在要求されている
2つの主要な特徴は、850℃までの温度におけるすぐ
れた耐クリープ性と、非常にすぐれた耐高温腐食性であ
る。現在この分野に利用されているいくつかの合金は、
IN738、IN939およびIN792である。
BACKGROUND OF THE INVENTION Nickel-based superalloys are the highest performing materials currently utilized in the manufacture of mobile and stationary blades for industrial gas turbines. Two key features currently required for these alloys for such specific applications are excellent creep resistance at temperatures up to 850 ° C. and very good hot corrosion resistance. Some alloys currently used in this area are:
IN738, IN939 and IN792.

【0003】これらの合金を利用して製造されているブ
レードは、ロストワックス法を利用する通常の鋳造によ
り製造され、その組織は多結晶質である。すなわち、相
互にランダムに配向し、結晶粒子と呼ばれる結晶が併置
した組織である。これら結晶粒子それ自体は、ニッケル
をベースとするオーステナイト系ガンマ(γ)マトリッ
クスによって構成され、このマトリックスに、金属間化
合物Ni3Alをベースとするガンマプライム(γ´)
相の硬化粒子が分散している。結晶粒子からなるこの組
織が、これら合金に850℃程度の温度で高いレベルの
耐クリープ性を付与し、一般に50,000〜100,
000時間の耐久性が求められているブレードの寿命を
保証する。また、合金IN939、IN738およびI
N792の化学的組成については、これら合金が燃焼ガ
ス環境に対してすぐれた耐性、特に産業用ガスタービン
の場合に激しい現象である高温腐食に対してすぐれた耐
性を示すように決定されている。したがって、対象とす
る用途においてこれら合金に必要な耐高温腐食性を付与
するためには、かなりの量の、例えば12〜22質量%
のクロムを添加する必要がある。耐クリープ性の点から
順位をつければ、IN939<IN738<IN792
である。耐高温腐食性の点から見た順位は逆である。す
なわち、IN792<IN738<IN939である。
[0003] Blades manufactured using these alloys are manufactured by ordinary casting using the lost wax method, and the structure thereof is polycrystalline. In other words, it is a structure in which crystals called crystal grains are juxtaposed with each other and randomly oriented. These crystal grains themselves are constituted by an austenitic gamma (γ) matrix based on nickel, which includes a gamma prime (γ ′) based on an intermetallic compound Ni 3 Al.
The cured particles of the phase are dispersed. This structure of crystalline particles imparts these alloys a high level of creep resistance at temperatures around 850 ° C., generally between 50,000 and 100,000.
Guarantees the life of blades that require durability of 000 hours. Alloys IN939, IN738 and I
The chemical composition of N792 has been determined such that these alloys have excellent resistance to combustion gas environments, especially to hot corrosion, which is a severe phenomenon in industrial gas turbines. Thus, in order to impart the required high temperature corrosion resistance to these alloys in the intended application, a considerable amount of, for example, 12-22% by weight,
Of chromium must be added. When ranking in terms of creep resistance, IN939 <IN738 <IN792
It is. The order from the point of high temperature corrosion resistance is opposite. That is, IN792 <IN738 <IN939.

【0004】産業用ガスタービンの出力特性および消耗
特性を改善する一つの方法として、タービン出口のガス
温度を高くすることがある。このためには、タービンブ
レード用の合金は、同じ機械的特長、特に耐クリープ性
を維持した状態で、ますます高くなる動作温度に耐え得
る必要があり、こうしなければ同じ耐久性を実現するこ
とはできない。
One way to improve the power and wear characteristics of an industrial gas turbine is to increase the gas temperature at the turbine outlet. For this, the alloys for turbine blades must be able to withstand increasingly high operating temperatures while maintaining the same mechanical properties, especially creep resistance, or they will achieve the same durability It is not possible.

【0005】同じ問題は過去にも、航空用途におけるタ
ーボジェット用ガスタービンやターボエンジン用ガスタ
ービンで認められていた。この場合、通常の鋳造によっ
て製作されていた多結晶ブレードとして知られているブ
レードを単結晶ブレードとして知られているブレード、
すなわち冶金学的単結晶粒子によって構成されたブレー
ドに変更して問題を解決していた。
The same problem has been recognized in the past in turbojet gas turbines and turbo engine gas turbines in aviation applications. In this case, a blade known as a single crystal blade, a blade known as a polycrystalline blade manufactured by ordinary casting,
That is, the problem was solved by changing to a blade constituted by metallurgical single crystal particles.

【0006】これら単結晶ブレードは、ロストワックス
鋳造法を利用する方向性凝固によって製造されている。
高温でクリープ変形の起こりやすい位置である粒界を取
り除くと、ニッケル系超合金の特性が飛躍的に改善す
る。また、単結晶凝固を適用すると、単結晶成分の好適
な成長方向を選択することができる。すなわち、耐クリ
ープ性および熱疲労からみて最適な<001>配向を選
択できる。タービンブレードにとって最もよくない応力
はこれら2種類の機械的応力である。
[0006] These single crystal blades are manufactured by directional solidification utilizing lost wax casting.
Removing the grain boundaries where creep deformation is likely to occur at high temperatures dramatically improves the properties of the nickel-base superalloy. When single crystal solidification is applied, a suitable growth direction of the single crystal component can be selected. That is, the optimum <001> orientation can be selected in view of creep resistance and thermal fatigue. The worst stresses for turbine blades are these two types of mechanical stress.

【0007】しかしながら、航空用途の単結晶タービン
ブレードを対象として開発された化学的超合金化合物
は、産業用途して知られている地上・海上用途のブレー
ドには不向きである。これら合金の場合、1100℃以
上の温度における機械抵抗の改善を目的としているが、
これは耐高温腐食性にとっては有害である。この場合、
航空用単結晶タービンブレードを対象とする超合金のク
ロム濃度は一般に8質量%未満であり、換言すればγ´
相の容量%が70%程度であり、この水準は高温におけ
る耐クリープ性には有利である。
However, chemical superalloy compounds developed for single crystal turbine blades for aeronautical applications are not suitable for blades for terrestrial and marine applications known for industrial applications. In the case of these alloys, the purpose is to improve the mechanical resistance at a temperature of 1100 ° C. or higher,
This is detrimental to hot corrosion resistance. in this case,
The chromium concentration in superalloys intended for aviation single crystal turbine blades is generally less than 8% by mass, in other words, γ ′
The volume percentage of the phase is on the order of 70%, which is advantageous for creep resistance at high temperatures.

【0008】クロム分に富み、かつ産業用ガスタービン
の成分の単結晶凝固に好適なニッケル系超合金として知
られている合金には、SC16があり、FR2,64
3,085Aに記載されている。クロム濃度は、16重
量%である。合金SC16の耐クリープ性に関する特性
については、多結晶合金IN738と比較した場合、動
作温度がほぼ30℃(800℃ではなく830℃)から
ほぼ50℃(900℃ではなく950℃)に上昇する程
度である。850℃空気中において大気圧下でNa2
4を使用して行なった比較腐食サイクル試験から、合
金SC16の耐高温腐食性が基準多結晶合金IN738
と少なくとも等価であることがわかった。
An alloy rich in chromium and known as a nickel-based superalloy suitable for single crystal solidification of components of industrial gas turbines is SC16, FR2,64.
3,085A. The chromium concentration is 16% by weight. Regarding the creep resistance properties of alloy SC16, the operating temperature rises from approximately 30 ° C. (830 ° C. instead of 800 ° C.) to approximately 50 ° C. (950 ° C. instead of 900 ° C.) when compared to polycrystalline alloy IN738. It is. Na 2 S in air at 850 ° C under atmospheric pressure
From the comparative corrosion cycle test performed using O 4 , the high temperature corrosion resistance of the alloy SC16 was determined to be the reference polycrystalline alloy IN738.
Was found to be at least equivalent to

【0009】また、産業用タービンの製造業者も自身の
テストベンチを使用して、SC16について高温腐食試
験を行なっている。極端な動作条件を示す非常に厳格な
環境で、合金SC16の耐高温腐食性は合金IN738
よりも劣っていることがわかった。さらに、製造業者の
ガスタービンの動作温度改善に対する需要が高く、従っ
てより高い耐クリープ性をもつブレード用超合金の必要
性も高い。
[0009] Manufacturers of industrial turbines also perform high temperature corrosion tests on SC16 using their own test benches. In very harsh environments exhibiting extreme operating conditions, the high temperature corrosion resistance of alloy SC16 is higher than that of alloy IN738.
It turned out to be worse. In addition, there is a high demand for manufacturers to improve the operating temperature of gas turbines, and thus the need for blade superalloys with higher creep resistance.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、産業
用タービンの腐食性の強い燃焼ガス環境内における耐高
温腐食性が少なくとも参照する多結晶超合金IN792
に匹敵し、かつ耐クリープ性が1000℃までの温度で
合金IN792に匹敵するかそれ以上のニッケル系超合
金を提供することである。この超合金は、指向性凝固に
よる、産業用ガスタービンの(高さが数十cmかそれ以
下の)寸法の大きい固定式および可動式単結晶ブレード
の製造に特に好適である。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a polycrystalline superalloy IN792 which at least refers to high-temperature corrosion resistance in highly corrosive combustion gas environments of industrial turbines.
And provide a nickel-based superalloy with a creep resistance comparable to or greater than alloy IN792 at temperatures up to 1000 ° C. This superalloy is particularly suitable for the production of large fixed and movable single crystal blades (of several tens cm or less in height) of industrial gas turbines by directional solidification.

【0011】さらに、この超合金は、高温で長期間維持
した場合に、クロム分に富む脆い金属間相の析出に関し
てすぐれた微細組織安定性を示す必要がある。さらに具
体的には、本発明は、以下の諸特性をもつ合金化合物を
得ることを課題とする。
Furthermore, the superalloy must exhibit excellent microstructural stability with respect to the precipitation of a chromium-rich brittle intermetallic phase when maintained at high temperatures for long periods of time. More specifically, an object of the present invention is to obtain an alloy compound having the following properties.

【0012】最適化された耐高温腐食性。いずれにせ
よ、この耐高温腐食性は、産業用タービンの燃焼ガス環
境を表す各環境内で多結晶超合金IN792に少なくと
も匹敵する。最大容量比のγ´相の硬化析出物。目的
は、高温における耐クリープ性の改善である。1000
℃までの温度における耐クリープ性が基準多結晶合金I
N792よりすぐれている。
Optimized hot corrosion resistance. In any case, this hot corrosion resistance is at least comparable to the polycrystalline superalloy IN792 in each environment representing the combustion gas environment of an industrial turbine. Hardened precipitate of γ 'phase with maximum capacity ratio. The purpose is to improve the creep resistance at high temperatures. 1000
Creep resistance at temperatures up to 100 ° C. is the reference polycrystalline alloy I
It is better than N792.

【0013】γ/γ´共融相を含むγ´相の固溶粒子中
への完全固溶による均質性の実現である。高温において
長時間維持した場合に生じる、γマトリックスからの、
クロム分に富む脆い金属間層析出の防止である。
This is the realization of homogeneity due to complete solid solution of the γ ′ phase including the γ / γ ′ eutectic phase in the solid solution particles. From a γ matrix, which occurs when maintained for a long time at a high temperature,
Prevention of precipitation of a brittle intermetallic layer rich in chromium.

【0014】8.4g・cm-3未満の密度。目的は、単
結晶ブレードの質量を最小限に抑制し、ブレード、およ
びブレードを固定するタービンディスクへ作用する遠心
応力を制限することである。高さが数十cmに達し、か
つ質量が数kgのタービンブレードのすぐれた単結晶凝
固性である。
A density of less than 8.4 g · cm -3 . The purpose is to minimize the mass of the single crystal blade and to limit the centrifugal stress acting on the blade and on the turbine disk holding the blade. Excellent single crystal solidification of turbine blades with a height of several tens of cm and a mass of several kg.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明の単結晶凝固に好
適な超合金は、重量比で以下の組成からなる。 Co: 4.75 〜 5.25% Cr:11.5 〜12.5% Mo: 0.8 〜 1.2% W : 3.75 〜 4.25% Al: 3.75 〜 4.25% Ti: 4 〜 4.8% Ta: 1.75 〜 2.25% C : 0.006〜 0.04% B : ≦0.01% Zr: ≦0.01% Hf: ≦1% Nb: ≦1% Niおよび不純物:各成分に加えて100%にする。
The superalloy suitable for single crystal solidification of the present invention has the following composition by weight. Co: 4.75 to 5.25% Cr: 11.5 to 12.5% Mo: 0.8 to 1.2% W: 3.75 to 4.25% Al: 3.75 to 4.25% Ti: 4 to 4.8% Ta: 1.75 to 2.25% C: 0.006 to 0.04% B: ≦ 0.01% Zr: ≦ 0.01% Hf: ≦ 1% Nb: ≦ 1% Ni and impurities: 100% in addition to each component.

【0016】本発明の合金は、耐クリープ性と耐高温腐
食性とをきわめて均衡をとった合金である。この合金
は、単結晶成分、すなわち冶金学的単結晶粒子からなる
成分を製造するのに好適である。この特定な組織は、例
えば、結晶粒子または単結晶核を選択する螺旋型装置ま
たはシケイン(chicane)型装置を使用する、熱
勾配を適用した従来の方向性凝固法によって製造する。
本発明は、上記超合金の単結晶凝固によって製造した産
業用タービンブレードにも関する。
The alloy of the present invention is an alloy in which creep resistance and hot corrosion resistance are extremely balanced. This alloy is suitable for producing single crystal components, ie components consisting of metallurgical single crystal particles. This particular texture is produced, for example, by a conventional directional solidification method applying a thermal gradient, using a helical or chicane type device to select crystal grains or single crystal nuclei.
The invention also relates to industrial turbine blades produced by single crystal solidification of the superalloys.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】表1に挙げた公称組成で、本明細
書でSCB444と呼ぶ本発明合金を製造した。表1に
は、参照する合金IN939、IN738、IN792
およびSC16における主要元素の公称濃度も併記す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION An alloy of the present invention, referred to herein as SCB444, was produced with the nominal compositions listed in Table 1. Table 1 shows the reference alloys IN939, IN738, IN792.
The nominal concentrations of main elements in SC16 and SC16 are also shown.

【0018】[0018]

【表1】 表1: 主な元素の質量による濃度(%)合金 Ni Co Cr Mo W Al Ti Ta Nb IN939 残部 19 22.5 − 2 1.9 3.7 1.4 1 IN738 残部 8.5 16 1.7 2.6 3.4 3.4 1.7 0.9 IN792 残部 9 12.4 1.9 3.8 3.1 4.5 3.9 - SC16 残部 - 16 3 - 3.5 3.5 3.5 - SCB444 残部 5 12 1 4 4 4.4 2 -[Table 1] Table 1: Concentration (%) by mass of main elements Alloy NiCoCrMoWAlTiTaNb IN939 balance 19 22.5-2 1.9 3.7 1.4 1 IN738 balance 8.5 16 1.7 2.6 3.4 3.4 1.7 0.9 IN792 balance 9 12.4 1.9 3.8 3.1 4.5 3.9-SC16 remaining-16 3-3.5 3.5 3.5-SCB444 remaining 5 12 1 4 4 4.4 2-

【0019】クロムは、ニッケル系超合金の耐高温腐食
性に有利で、かつ支配的な効果をもつ元素である。試験
によれば、以下に説明する高温腐食試験の条件であっ
て、ある種の産業用タービンの燃焼ガスによって生じる
環境を表す条件下で合金IN792の耐高温腐食性に匹
敵する耐高温腐食性を得るためには、本発明の合金には
12質量%程度のクロムを添加することが必要十分条件
である。クロム濃度がより高くなると、1000℃まで
の温度における合金の優れた耐クリープ性に必要なγ´
相の容量比が実現できず、実現した場合には、γマトリ
ックスにおいてクロム分に富む脆い金属間化合物が析出
し、合金が不安定になる。クロムは、この元素が優先的
に分布するγマトリックスの硬化に寄与する元素でもあ
る。
Chromium is an element that has an advantageous and dominant effect on the high-temperature corrosion resistance of nickel-based superalloys. According to the test, the hot corrosion test conditions described below show a hot corrosion resistance comparable to the hot corrosion resistance of alloy IN792 under conditions representing the environment created by the combustion gases of certain industrial turbines. In order to obtain it, it is necessary and sufficient conditions to add about 12% by mass of chromium to the alloy of the present invention. The higher the chromium concentration, the higher the γ ′ required for the excellent creep resistance of the alloy at temperatures up to 1000 ° C.
If the phase volume ratio cannot be realized, and if it is realized, a brittle intermetallic compound rich in chromium is precipitated in the γ matrix, and the alloy becomes unstable. Chromium is also an element that contributes to the hardening of the gamma matrix in which this element is preferentially distributed.

【0020】モリブデンは、この元素が優先的に分布す
るγマトリックスの硬化に大きな作用をもつ元素であ
る。なお、合金に配合できるモリブデンの量には制限が
ある。というのは、モリブデンは、ニッケル系超合金の
耐高温腐食性に不利な作用を示す元素だからである。本
発明合金に1質量%程度の濃度で配合するモリブデンは
耐腐食性に影響がなく、硬化に大きく寄与する元素であ
る。
Molybdenum is an element having a great effect on the hardening of the γ matrix in which this element is preferentially distributed. Note that there is a limit on the amount of molybdenum that can be incorporated into the alloy. This is because molybdenum is an element that has an adverse effect on the high-temperature corrosion resistance of a nickel-based superalloy. Molybdenum blended in the alloy of the present invention at a concentration of about 1% by mass has no effect on corrosion resistance and is an element that greatly contributes to hardening.

【0021】コバルトも、γマトリックスの固溶体とし
ての硬化に寄与する元素である。コバルトの濃度は、γ
´硬化相の固溶温度(γ´ソルバス温度)に影響する。
従って、γ´相のソルバス温度を低くし、固溶が開始す
る恐れのない状態で、熱処理によって合金の均質化を促
進するためには、コバルトの濃度を高くすることが有利
である。さらに、γ´相のソルバス温度を高くし、そし
て耐クリープ性の促進につながる、高温におけるγ´相
のより大きな安定性をよりよく利用するためには、コバ
ルトの濃度を低くすることも有利である。本発明合金に
5質量%程度の濃度で配合すると、すぐれた均質化能力
とすぐれた耐クリープ性との均衡を最適化することがで
きる。
Cobalt is also an element that contributes to the hardening of the γ matrix as a solid solution. The concentration of cobalt is γ
'The solid solution temperature of the hardened phase (γ' solvus temperature) is affected.
Therefore, it is advantageous to increase the cobalt concentration in order to lower the solvus temperature of the γ ′ phase and promote homogenization of the alloy by heat treatment in a state where solid solution does not start to occur. In addition, to increase the solvus temperature of the γ 'phase and better utilize the greater stability of the γ' phase at high temperatures, which leads to enhanced creep resistance, it is also advantageous to lower the concentration of cobalt. is there. When blended with the alloy of the present invention at a concentration of about 5% by mass, the balance between excellent homogenization ability and excellent creep resistance can be optimized.

【0022】本発明の合金に4質量%程度の濃度で配合
するタングステンは、γ相とγ´相との間に実質的に等
しく分布し、従ってそれぞれの硬化プロセスに寄与する
元素である。なお、合金に配合するタングステン濃度に
は、この元素が重く、かつ耐高温腐食性に比否定的な影
響をもつため、制限がある。
Tungsten incorporated in the alloy of the present invention at a concentration of about 4% by mass is an element that is substantially equally distributed between the γ phase and the γ ′ phase, and thus contributes to each hardening process. Note that there is a limit to the tungsten concentration to be added to the alloy because this element is heavy and has a negative effect on high-temperature corrosion resistance.

【0023】本発明合金におけるアルミニウムの濃度
は、4質量%程度である。この元素が存在すると、γ´
硬化相が析出する。アルミニウムは、耐酸化性を促進す
る元素でもある。γ´相を強化するために、本発明合金
に元素チタンおよびタンタルを添加してもよい。この場
合、元素アルミニウムをこれら2つの元素が置換するこ
とになる。本発明合金におけるこれら2つの元素の濃度
は、チタンについては4.4質量%程度で、タンタルに
ついては2質量%程度である。意図する用途に対応す
る、以下に説明する高温腐食試験条件で行なった試験に
よれば、チタンよりもタンタルのほうが耐高温腐食性に
は有利であるが、チタンの濃度には、一方では、この元
素が耐酸化性に否定的な影響をもつ傾向がある事実によ
り、また他方では、チタンの濃度があまりにも高いと、
γ´相が不安定になる理由により制限がある。γ´硬化
相の容量比については、これはおおまかにいえば、タン
タル、チタンおよびアルミニウムの合計濃度によって決
まるものである。γおよびγ´相を高温で長期間維持し
た場合に安定化し、かつ望む耐腐食性を得るためにほぼ
12質量%にクロム濃度を固定した事実を考慮にいれた
状態で、γ´相の容量比が最適化するようにこれら3つ
の元素の濃度を調整することができる。
The concentration of aluminum in the alloy of the present invention is about 4% by mass. When this element is present, γ '
A hardened phase precipitates. Aluminum is also an element that promotes oxidation resistance. In order to strengthen the γ ′ phase, elemental titanium and tantalum may be added to the alloy of the present invention. In this case, these two elements will replace the element aluminum. The concentration of these two elements in the alloy of the present invention is about 4.4% by mass for titanium and about 2% by mass for tantalum. Tests performed under the hot corrosion test conditions described below, corresponding to the intended application, show that tantalum has a higher hot corrosion resistance than titanium, but the concentration of titanium, on the other hand, Due to the fact that elements tend to have a negative effect on oxidation resistance, and on the other hand, if the concentration of titanium is too high,
There is a limitation due to the instability of the γ 'phase. The volume ratio of the γ 'hardened phase is roughly determined by the total concentration of tantalum, titanium and aluminum. Considering the fact that the γ and γ ′ phases are stabilized when maintained at a high temperature for a long period of time, and that the chromium concentration is fixed to approximately 12% by mass in order to obtain the desired corrosion resistance, the capacity of the γ ′ phase is taken into account. The concentrations of these three elements can be adjusted to optimize the ratio.

【0024】合金SCB444は、配向<001>をも
つ単結晶として製造した。この合金の密度は、測定によ
れば、8.22g・cm-3であった。
The alloy SCB444 was manufactured as a single crystal having the orientation <001>. The density of this alloy was 8.22 g · cm −3 as measured.

【0025】方向性凝固後、合金の構成相は2つの相、
すなわちニッケル系固溶体であるオーステナイト系γマ
トリックスと、金属間化合物であるγ´相の二つであ
る。なお、この金属間化合物は、基本式がNi3Al で
あり、固体状態への冷却中に、1μm未満の微細粒子と
して主にγマトリックス内に析出する。γ´相は少ない
容量で、いちど凝固が終了した後に液体共融変態 →
γ+γ´から生じる固体粒子内部にも存在する。なお、
γ/γ´共融相の容量比は1.4%程度である。
After directional solidification, the constituent phases of the alloy are two phases:
That is, there are an austenitic γ matrix that is a nickel-based solid solution and a γ ′ phase that is an intermetallic compound. The intermetallic compound has a basic formula of Ni 3 Al, and mainly precipitates in the γ matrix as fine particles of less than 1 μm during cooling to a solid state. The γ 'phase has a small capacity, and liquid eutectic transformation after solidification is complete →
It is also present inside the solid particles resulting from γ + γ ′. In addition,
The volume ratio of the γ / γ ′ eutectic phase is about 1.4%.

【0026】合金SCB444に1270℃の温度で3
時間均質化熱処理を行ない、空気中で冷却した。この温
度は、1253℃であるガンマ´相の析出物のソルバス
温度(γ´相析出物の固溶温度)より高いが、1285
℃であるソリダス温度より低い。この処理の意図は、方
向性凝固の粗い状態では分布サイズが非常に広いγ´相
の析出物のすべてを固溶し、固体γ/γ´共融粒子を排
除し、かつ樹枝状凝固組織に伴う化学的な不均質性を抑
制することである。
At a temperature of 1270 ° C., 3
A time homogenization heat treatment was performed, followed by cooling in air. This temperature is higher than the solvus temperature of the gamma-phase precipitate (solid solution temperature of the gamma-phase precipitate) which is 1253 ° C., but is 1285 ° C.
It is lower than the solidus temperature which is ° C. The intention of this treatment is to dissolve all γ ′ phase precipitates having a very wide distribution size in the coarse state of directional solidification, to eliminate solid γ / γ ′ eutectic particles, and to form a dendritic solidified structure. The purpose is to suppress the accompanying chemical heterogeneity.

【0027】合金SCB444のγ´ソルバス温度とそ
のソリダス温度との差が非常に広いため、融解の恐れの
ない状態で均質化処理を容易に実施でき、また確実に均
質な微細組織を得ることができ、従って耐クリープ性を
最適化することができる。上記の均質化処理に続いて、
空気中硬化により冷却を行なった。実際に適用する場
合、この冷却の速度を高速にする必要があり、冷却処理
中に析出した粒子のサイズは500nm未満である。
Since the difference between the γ ′ solvus temperature of alloy SCB444 and its solidus temperature is very wide, homogenization can be easily performed without fear of melting, and a homogeneous microstructure can be reliably obtained. And therefore the creep resistance can be optimized. Following the homogenization process described above,
Cooling was performed by curing in air. In practical applications, the cooling rate must be increased, and the size of the particles precipitated during the cooling process is less than 500 nm.

【0028】以上説明した均質化熱処理は、意図した結
果が得られる実例である。すなわち、粒子サイズが50
0nmを超えないγ´相の微細粒子の均質な分布が得ら
れる実例である。なお、これは、温度をγ´ソルバス温
度とソリダス温度との間に設定する条件で行なう、異な
る処理温度の適用により同様な結果を得る可能性を排除
するものではない。
The above-described homogenization heat treatment is an example in which intended results are obtained. That is, when the particle size is 50
This is an example in which a homogeneous distribution of fine particles of the γ ′ phase not exceeding 0 nm is obtained. Note that this does not exclude the possibility of obtaining similar results by applying different processing temperatures, performed under the condition that the temperature is set between the γ ′ solvus temperature and the solidus temperature.

【0029】上記のように均質化処理を行なった後、γ
´相の析出物のサイズおよび容量比を安定化する2つの
アニーリング温度で合金SCB444を試験した。第1
アニーリング処理では、合金を1100℃に4時間加熱
し、その後空気中で冷却して、γ´相の析出物の大きさ
を安定化する。そして、850℃で24時間第2のアニ
ーリング処理を行なってから、空気中で冷却し、γ´相
の容量比を最適化する。合金SCB444の場合、γ´
相の容量比は評価によれば、57%である。すべての熱
処理を終えた後は、粒子の大きさが200nmと500
nmとの間にある立方形粒子としてγ´相が析出した。
After performing the homogenization treatment as described above, γ
Alloy SCB444 was tested at two annealing temperatures to stabilize the size and volume ratio of the 'phase precipitate. First
In the annealing treatment, the alloy is heated to 1100 ° C. for 4 hours and then cooled in air to stabilize the size of the γ ′ phase precipitate. Then, after performing the second annealing treatment at 850 ° C. for 24 hours, cooling is performed in the air to optimize the volume ratio of the γ ′ phase. In the case of alloy SCB444, γ '
The phase volume ratio is 57% according to the evaluation. After all heat treatments, the particle size is 200 nm and 500
The γ ′ phase was precipitated as cubic particles having a particle size between the γ ′ phase and the nm.

【0030】バーナーを備えた産業用腐食ベンチで、合
金SCB444の高温腐食サイクル試験を900℃で行
なった。使用したサイクルは次の通りである。バーナー
により作り出した腐食性雰囲気中試験片を900℃で1
時間保持してから、オーブンから取り出し、周囲温度に
15分間保持する。バーナーの燃料には、0.20%の
イオウを含有させた。試験片上で2.2m3・h-1 の速
度で0.5g・l-1NaClの食塩水を蒸発させた。1
00時間おきに0.5mg・cm-2Na2SO4を試験片
に付着させた。比較のために、合金IN738およびI
N792を同時に試験した。耐腐食性の基準は、最初の
腐食ピットが試験片表面に現れるまでのサイクル数であ
る。
A high temperature corrosion cycle test of alloy SCB444 was performed at 900 ° C. on an industrial corrosion bench equipped with a burner. The cycle used is as follows. A test piece in a corrosive atmosphere created by a burner was
Hold for a time, then remove from oven and hold at ambient temperature for 15 minutes. The burner fuel contained 0.20% sulfur. 0.5 g · l −1 NaCl saline was evaporated on the specimen at a rate of 2.2 m 3 · h −1 . 1
0.5 mg · cm −2 Na 2 SO 4 was adhered to the test piece every 00 hours. For comparison, alloys IN738 and I
N792 was tested simultaneously. The criterion for corrosion resistance is the number of cycles until the first corrosion pit appears on the specimen surface.

【0031】腐食試験の結果を図1のグラフに示す。9
00℃における腐食開始は、合金SCB444とIN7
92と同じサイクル数にあり、初期の目的を達成するも
のである。
The results of the corrosion test are shown in the graph of FIG. 9
Corrosion initiation at 00 ° C. was based on alloys SCB444 and IN7
It has the same number of cycles as 92 and achieves its initial purpose.

【0032】配向<001>の単結晶棒としての機械切
断試験片を使用して、引っ張り応力クリープ試験を実施
した。単結晶棒を予め均質化処理してから、上記の手順
に従ってアニーリングした。異なるレベルの応力を負荷
した状態における750℃、800℃および950℃で
の破断時間値を表2に示す。
A tensile stress creep test was performed using a mechanically cut test piece as a single crystal rod of orientation <001>. The single crystal rod was previously homogenized and then annealed according to the above procedure. Table 2 shows the rupture time values at 750 ° C, 800 ° C and 950 ° C under different levels of stress.

【0033】[0033]

【表2】 合金SCB444のクリープ試験における耐久性温度(℃) 応力(MPa) 破断時間(h) 750 725 134 750 650 612 750 600 1152 850 500 43.1 850 425 168.5 850 300 3545/>3456 950 250 115/135 950 200 551/544 950 180 578 950 140 2109 950 120 3872Table 2 Durability temperature (° C) Stress (MPa) Rupture time (h) 750 725 134 750 650 612 750 750 600 1152 850 500 43.1 850 425 168.5 850 300 3545 /> 3456 in creep test of alloy SCB444 950 250 115/135 950 200 551/544 950 180 578 950 140 2109 950 120 3872

【0034】図2のグラフにより、合金SCB444、
IN738およびSC16について得たクリープ破断時
間を比較できる。負荷応力を横軸とする。縦軸が、ラル
ソン−ミラー(Larson−Miller)パラメー
タの値である。このパラメータを表す式は次の通りであ
る。 P = T(20+logt)×10-3 なお、Tはクリープ温度(ケルビン)、tは破断時間
(h)である。このグラフ合金SCB444の耐クリー
プ性が合金IN792よりはるかにすぐれていることが
わかる。
According to the graph of FIG. 2, the alloy SCB444,
The creep rupture times obtained for IN738 and SC16 can be compared. The horizontal axis represents the applied stress. The vertical axis is the value of the Larson-Miller parameter. An expression representing this parameter is as follows. P = T (20 + logt) × 10 −3 where T is the creep temperature (Kelvin) and t is the rupture time (h). It can be seen that the creep resistance of this graph alloy SCB444 is much better than alloy IN792.

【0035】クリープ試験の最後で合金SCB444試
験片の微細組織を調べたところ、クロム分に富み、かつ
γマトリックスが添加元素で過飽和しているニッケル系
超合金の場合、高温で長期間維持した場合に発現の可能
性がある脆い金属間粒子の析出が認められないことがわ
かった。
At the end of the creep test, the microstructure of the specimen of alloy SCB444 was examined. In the case of a nickel-based superalloy rich in chromium and having a γ matrix supersaturated with an additive element, It was found that no precipitation of brittle intermetallic particles which could possibly occur was observed.

【0036】また、超合金SCB444の単結晶成分に
ついて製造試験したところ、質量が数グラムから10k
g以上の広範囲にあり、しかも各種の複雑化水準にある
成分を鋳造できることがわかった。結晶配向<001>
における成分の成長が促進され、かつ支配的であり、ま
たランダム配向した結晶粒子の存在が最小限まで減少す
る。鋳型の製造に通常使用する材質と反応しないという
意味で、液体金属は安定である。高温での均質化処理時
に発生する傾向がある再結晶化現象も、SCB444合
金の場合認められない。
A production test was conducted on the single crystal component of the superalloy SCB444.
It has been found that components in a wide range of g or more and at various levels of complexity can be cast. Crystal orientation <001>
Is promoted and dominant, and the presence of randomly oriented crystal grains is reduced to a minimum. Liquid metals are stable in the sense that they do not react with the materials normally used in mold production. The recrystallization phenomenon that tends to occur during the homogenization process at high temperatures is also not observed with SCB444 alloy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1は、異なる超合金の特性を説明する図であ
る。
FIG. 1 is a diagram illustrating characteristics of different superalloys.

【図2】図2は、異なる超合金の特性を説明する図であ
る。
FIG. 2 is a diagram illustrating characteristics of different superalloys.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 501462826 Kestrel Way Exter,D evon EX2 7LG GREAT− BRITAIN (72)発明者 キャロン ピエール フランス 91940 レ・ウリ アレ ゴヤ 3 レジダンス エルミタージュ (72)発明者 ブラックラー ミッシェル イギリス イーエックス2 5アールエル ユーケー エクセター グレンジェー クローズ 1591940 レウリ アレ ゴヤ 3 レジデン エルミタージュ (72)発明者 マルコム マクコルビン ゴードン イギリス エルエヌ6 8ディーピー リ ンカーン ノースハイケハム ブロードウ エイ 41 (72)発明者 バヒ ラエシュバル プラサド ドイツ 14167 ベルリン ニーンケムパ ーシュトラーセ 42ビー (72)発明者 エスカーレ アンドレ マルセル フランス 65100 オメックス リュ カ レール ド・バツルゲール 7 (72)発明者 ルレ ローレン フランス 77140 ダーバール リュ ド・ラ・バローデリ 50 Fターム(参考) 3G002 BA06 BA10 BB04 BB05 CA11 CA15  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (71) Applicant 501462826 Kestrel Way Exter, Devon EX2 7LG GREAT-BRITAIN (72) Inventor Caron Pierre France 91940 Le Uri Are Goya 3 Residence Hermitage (72) Inventor Blackler Michell United Kingdom Ek2 5 RL Exeter Granger Close 1591940 Leuri Alle Goya 3 Residens Hermitage (72) Inventor Malcolm McCorbin Gordon United Kingdom Elene 6 8 Deep Linkern North Heikeham Broadway A 41 (72) Inventor Bahi Raeshbar Prassa Berlin 167 Nienchempashtra C42by (72) Inventor Escarle André Marcel France 65100 Omex Ryu Carrère de Batulguere 7 (72) Inventor Relais Lauren France 77140 Darval Rue de la Barroudeli 50 F term (reference) 3G002 BA06 BA10 BB04 BB05 CA11 CA15

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ニッケル系超合金において、単結晶凝固
に好適な、質量比で以下の組成であることを特徴とする
ニッケル系超合金。 Co: 4.75 〜 5.25% Cr:11.5 〜12.5% Mo: 0.8 〜 1.2% W : 3.75 〜 4.25% Al: 3.75 〜 4.25% Ti: 4 〜 4.8% Ta: 1.75 〜 2.25% C : 0.006〜 0.04% B : ≦0.01% Zr: ≦0.01% Hf: ≦1% Nb: ≦1% Niおよび不純物:各成分に加えて100%にする
1. A nickel-based superalloy characterized by the following mass ratio suitable for single crystal solidification, which is suitable for single crystal solidification. Co: 4.75 to 5.25% Cr: 11.5 to 12.5% Mo: 0.8 to 1.2% W: 3.75 to 4.25% Al: 3.75 to 4.25% Ti: 4 to 4.8% Ta: 1.75 to 2.25% C: 0.006 to 0.04% B: ≦ 0.01% Zr: ≦ 0.01% Hf: ≦ 1% Nb: ≦ 1% Ni and impurities: 100% in addition to each component
【請求項2】 請求項1の超合金の単結晶凝固によって
製造した産業用タービンブレード。
2. An industrial turbine blade produced by single crystal solidification of the superalloy according to claim 1.
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