JP2002235135A - Nickel based superalloy having extremely high temperature corrosion resistance for single crystal blade of industrial turbine - Google Patents

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

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JP2002235135A
JP2002235135A JP2001365809A JP2001365809A JP2002235135A JP 2002235135 A JP2002235135 A JP 2002235135A JP 2001365809 A JP2001365809 A JP 2001365809A JP 2001365809 A JP2001365809 A JP 2001365809A JP 2002235135 A JP2002235135 A JP 2002235135A
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single crystal
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high temperature
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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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    • 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
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To produce a nickel based superalloy which is used for producing a stationary or movable single crystal blade of an industrial gas turbine by directional solidification. SOLUTION: The nickel based superalloy has extremely high temperature corrosion resistance, and is used for producing a single crystal blade of an industrial turbine. The alloy has a composition containing, by mass, 4.75 to 5.25% Co, 15.5 to 16.5% Cr, 0.8 to 1.2% Mo, 3.75 to 4.25% W, 3.75 to 4.25% Al, 1.75 to 2.25% Ti, 4.75 to 5.25% Ta, 0.006 to 0.04% C, <=0.01% B, <=0.01% Zr, <=1% Hf, <=1% Nb, and the balance Ni with impurities. The alloy is suitable for single crystal solidification.

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基準的な
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 standard alloys currently utilized in this field are IN738, IN939 and IN792.

【0003】これらの関係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
により製作され、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 を基礎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℃程度までの温度で高い
水準の耐クリープ性を付与し、一般に50,000〜1
00,000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。
[0003] Blades manufactured using these related alloys are manufactured by ordinary casting using a 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 itself is constituted by an austenitic gamma (gamma) matrix based on nickel, in the matrix, gamma and based intermetallic compound Ni 3 Al-prime (gamma
') The cured particles of the phase are dispersed. This structure of crystalline particles imparts these alloys a high level of creep resistance at temperatures up to about 850 ° C. and generally ranges from 50,000 to 1
Guarantees the life of blades that require durability of 00000 hours.

【0004】また、合金IN939、IN738および
IN792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優れた耐
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ないし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<IN7
92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。
[0004] The chemical composition of the alloys IN939, IN738 and IN792 is also excellent in the resistance to combustion gas environments, especially against high temperature corrosion which is a severe phenomenon in industrial gas turbines. It has been determined to be resistant. Therefore, it is necessary to add significant amounts of chromium, for example 12 to 22% by weight, in order to impart the required hot corrosion resistance to these alloys in the intended application. When ranking in terms of creep resistance, IN939 <IN738 <IN7
92. The order from the point of high temperature corrosion resistance is opposite. That is, IN792 <IN738 <IN939.

【0005】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 method of improving 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.

【0006】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 observed in the past for 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.

【0007】これら単結晶ブレードは、ロストワックス
鋳造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良くない応力はこ
れら2種類の機械的応力である。
[0007] These single crystal blades are manufactured by directional solidification using 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 a turbine blade are these two types of mechanical stress.

【0008】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´
相の容量比が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 phase volume ratio is on the order of 70%, which is advantageous for creep resistance at high temperatures.

【0009】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、フランス特許公
開明細書第2643085号に記載されている。クロム
濃度は、16質量%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Na2SO4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。
[0009] An alloy rich in chromium and known as a nickel-based superalloy suitable for single crystal solidification of the components of industrial gas turbines is SC16, which is described in French Patent Specification No. 2643085. ing. The chromium concentration is 16% by mass. Regarding the creep resistance properties of alloy SC16, the operating temperature is 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.
° C). A comparative corrosion cycle test performed using Na 2 SO 4 in air at 850 ° C. under atmospheric pressure showed that the high temperature corrosion resistance of alloy SC16 was at least equivalent to the reference polycrystalline alloy IN738.

【0010】また、産業用タービンの製造業者も自身の
試験ベンチを使用して、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。
[0010] 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, it has been found that the hot corrosion resistance of alloy SC16 is inferior to that of alloy IN738. 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.

【0011】[0011]

【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基準多結晶超合金IN738に匹
敵し、かつ耐クリープ性が950℃までの温度で基準合
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、方向性凝固によ
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 at least high temperature corrosion resistance in a highly corrosive combustion gas environment of an industrial turbine at least equal to that of a reference polycrystalline superalloy IN738, and a creep resistance of 950. It is to provide a nickel-based superalloy comparable to or higher than the reference alloy IN792 at temperatures up to ° C. This superalloy is particularly suitable for the production of fixed and movable single crystal blades of large dimensions (several tens cm or less) of industrial gas turbines by directional solidification.

【0012】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材料を得
ることを課題とする。
Further, the superalloy must exhibit excellent microstructural stability with respect to the precipitation of a chromium-rich brittle intermetallic phase when maintained at elevated temperatures for extended periods of time. More specifically, an object of the present invention is to obtain an alloy material having the following characteristics.

【0013】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
境を表す環境内で参照される多結晶超合金IN738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。
最大950℃における耐クリープ性が少なくとも参照さ
れる多結晶合金IN792に匹敵する。
Optimized hot corrosion resistance. In any case, this hot corrosion resistance is at least comparable to the polycrystalline superalloy IN738, which is referenced in an environment that represents 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.
Creep resistance at up to 950 ° C. is at least comparable to the referenced polycrystalline alloy IN792.

【0014】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を実現する。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。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。
The present invention realizes homogeneity due to complete solid solution of γ ′ phase including γ / γ ′ eutectic phase in solid solution particles. It is the prevention of the precipitation of a brittle intermetallic layer rich in chromium from the gamma matrix, which occurs when maintained at high temperatures for a long time. 8.4g
A density of less than 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】単結晶凝固に好適な、本
発明による超合金は、質量比で以下の組成からなる。 Co: 4.75 〜 5.25% Cr:15.5 〜16.5% Mo: 0.8 〜 1.2% W : 3.75 〜 4.25% Al: 3.75 〜 4.25% Ti: 1.75 〜 2.25% Ta: 4.75 〜 5.25% 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。
SUMMARY OF THE INVENTION A superalloy according to the present invention, suitable for single crystal solidification, has the following composition by mass. Co: 4.75 to 5.25% Cr: 15.5 to 16.5% Mo: 0.8 to 1.2% W: 3.75 to 4.25% Al: 3.75 to 4.25% Ti: 1.75 to 2.25% Ta: 4.75 to 5.25% 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
成分を製造するものである。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 produces a single crystal component, ie, a component 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に示した公称組成で、本明細
書でSCA425と呼ぶ本発明合金を製造した。表1に
は、参照となる合金IN939、IN738、IN79
2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 SCA425, was produced with the nominal composition shown in Table 1. Table 1 shows reference alloys IN939, IN738, IN79.
Nominal concentrations of main elements in 2 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 - SCA425 残部 5 16 1 4 4 2 5 -[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-SCA425 remaining 5 16 1 4 4 2 5-

【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基準合金IN738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16質量%程度のクロムを添加する必要がある。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 resistance is comparable to that of the reference alloy IN738 under the conditions of the hot corrosion test described below, which represents the environment produced by the combustion gases of certain industrial turbines. In order to obtain chromium, it is necessary to add about 16% by mass of chromium to the alloy of the present invention. 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。なぜならば、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する元素だからである。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
耐腐食性に悪影響がなく、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 added to the alloy of the present invention at a concentration of about 1% by mass does not adversely affect 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、優れた均質化能力と
すぐれた耐クリープ性とのバランス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、したが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否定的な
影響を示すため制限がある。
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. 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良い。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2質量%程度で、タンタルについ
ては5質量%程度である。
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 2% by mass for titanium and about 5% by mass for tantalum.

【0024】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
タンより重いタンタルは、合金の密度から見た場合不利
である。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16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。合金SCA425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、
8.36g・cm-3であった。
According to tests performed under the high temperature corrosion test conditions described below corresponding to the intended use, tantalum is more advantageous for high temperature corrosion resistance than titanium, but tantalum heavier than titanium is Is disadvantageous when viewed from the density of 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 high temperatures for a long period of time and the chromium concentration is fixed at approximately 16% 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. Alloy SCA425 was manufactured as a single crystal with orientation <001>. The density of this alloy, according to measurements,
It was 8.36 gcm- 3 .

【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。タービンブレー
ド用の単結晶超合金について一般の認識に反して、合金
SCA425には、凝固の終了後に、残留液体の共融変
態から生じるガンマ´相の樹枝状間の固体粒子は存在し
ない。
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 precipitates mainly in a γ matrix as fine particles of less than 1 μm during cooling to a solid state. Contrary to the general perception of single crystal superalloys for turbine blades, alloy SCA 425 has no gamma prime phase dendritic particles resulting from the eutectic transformation of the residual liquid after solidification is complete.

【0026】合金SCA425に1285℃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、1198℃であるガンマ´相の析出物のソルバス
温度(γ´相の固溶温度)より高いが、1300℃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、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。合金SCA425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、溶融のおそ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。
At a temperature of 1285 ° C., 3
A time homogenization heat treatment was performed, followed by cooling in air. This temperature is higher than the solvus temperature (solid solution temperature of the γ ′ phase) of the precipitate of the gamma ′ phase which is 1198 ° C., but lower than the solidus temperature which is 1300 ° C. The intention of this treatment is to dissolve all the precipitates of the γ 'phase whose distribution size is very wide in the coarse state of directional solidification, and to suppress the chemical heterogeneity accompanying the dendritic solidification structure. is there. Since the difference between the γ ′ solvus temperature and the solidus temperature of the alloy SCA425 is very wide, the homogenization treatment can be easily performed without fear of melting, and a uniform microstructure can be reliably obtained. The creep resistance can be optimized.

【0027】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
子の大きさは500nm未満である。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500nm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。
Following the above homogenization treatment, cooling was performed by curing in air. In actual application, it is necessary to increase the cooling speed, and the size of particles precipitated during the cooling process is less than 500 nm. The above-described homogenization heat treatment is an example in which intended results are obtained. That is, this is an example in which a homogeneous distribution of fine particles of the γ ′ phase having a particle size not exceeding 500 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.

【0028】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SCA425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´相の析出物のサイズ
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SCA425の場合、γ
´相の容量比は評価によれば、50%である。すべての
熱処理を終えた後は、粒子サイズが200nmと500
nmとの間にある立方形粒子としてγ´相の大部分が析
出する。粒子の大きさが50nmを超えない、容量比の
低いγ´相の微細粒子については、大きな析出物の間に
存在する。
After performing the homogenization treatment as described above, γ
Alloy SCA425 was tested at two annealing temperatures to stabilize the size and volume ratio of the 'phase precipitate. First
In the annealing process, 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 SCA425, γ
According to the evaluation, the capacity ratio of the 'phase is 50%. After all heat treatments, the particle size is 200 nm and 500
Most of the γ ′ phase precipitates as cubic particles between the nm and nm. The fine particles of the γ ′ phase having a low volume ratio and a particle size not exceeding 50 nm exist between the large precipitates.

【0029】合金SCA425を使用して異なる温度で
高温腐食試験を行なった。試験方法は次の通りである。
組成が質量比で4.3%Na2SO4+22.7%CaS
4+22.3%Fe23+20.6%ZnSO4+1
0.4%K2SO4+2.8%MgO+6.5%Al23
+10.4%SiO2 である燃焼残渣の混合物を装填し
た容器に部分的に試料を浸漬する。6リットル/時間の
速度で空気+0.15容量%SO2 の混合物を燃焼残渣
混合物に通す。燃焼残渣混合物は500時間おきに補充
する。この環境は、ある種の産業用タービンの燃焼ガス
からなる非常に激しい環境を表す。比較のために、同時
に合金IN738、IN939、IN792およびSC
16の試料も試験した。
Hot corrosion tests were performed at different temperatures using alloy SCA425. The test method is as follows.
The composition is 4.3% Na 2 SO 4 + 22.7% CaS by mass ratio.
O 4 + 22.3% Fe 2 O 3 + 20.6% ZnSO 4 +1
0.4% K 2 SO 4 + 2.8% MgO + 6.5% Al 2 O 3
Partially immersing the sample in a container the mixture was loaded in + 10.4% SiO 2 in which the combustion residues. A mixture of air + 0.15% by volume SO 2 is passed through the combustion residue mixture at a rate of 6 liters / hour. The combustion residue mixture is replenished every 500 hours. This environment represents a very harsh environment consisting of the combustion gases of some industrial turbines. For comparison, alloys IN738, IN939, IN792 and SC
Sixteen samples were also tested.

【0030】試料を切断し、断片の腐食現象で破壊され
た金属の深さを測定した。図1〜図3のグラフに、それ
ぞれ700℃、800℃および850℃における異なる
合金の平均腐食深さを試験時間の長さの関数として示
す。腐食深さが浅く、耐腐食性が非常に優れている。7
00℃および800℃では、合金SCA425の耐腐食
性は合金IN738に匹敵し、合金SC16よりすぐれ
ている。850℃では、合金SCA425の耐腐食性
は、参照する合金IN738およびIN939に相当す
る。
The sample was cut, and the depth of the metal destroyed by the fragment corrosion phenomenon was measured. The graphs of FIGS. 1-3 show the average corrosion depth of the different alloys at 700 ° C., 800 ° C. and 850 ° C., respectively, as a function of the length of the test time. The corrosion depth is shallow and the corrosion resistance is very good. 7
At 00 ° C. and 800 ° C., the corrosion resistance of alloy SCA425 is comparable to alloy IN738 and superior to alloy SC16. At 850 ° C., the corrosion resistance of alloy SCA425 corresponds to the reference alloys IN738 and IN939.

【0031】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.

【0032】[0032]

【表2】 合金SCA425のクリープ試験における耐久性 温度(℃) 応力(MPa) 破断時間(h) 750 650 216/321.1 750 575 984 850 400 201/276 850 300 2121/2945/3220 850 250 6161 950 250 73/76 950 200 261/291 950 180 578 950 160 1098 950 140 2109 950 120 3872[Table 2] Durability temperature (° C) in creep test of alloy SCA425 Stress (MPa) Rupture time (h) 750 650 216 / 321.1 750 575 984 850 400 400 201/276 850 300 2121/2945/3220 850 250 6161 950 250 73/76 950 200 261/291 950 180 578 950 160 1098 950 140 2109 950 120 3872

【0033】図4に示したグラフにより、合金SCA4
25、IN792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。このグラフから、合金SCA425の耐
クリープ性が、目的である合金IN792の耐クリープ
性に少なくとも匹敵し、かつ基準合金SC16の耐クリ
ープ性より高いことがわかる。
According to the graph shown in FIG. 4, the alloy SCA4
The creep rupture times obtained for 25, IN792 and SC16 can be compared. The horizontal axis represents the applied stress. The vertical axis is Larson-Miller.
The value of the 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). From this graph, it can be seen that the creep resistance of the alloy SCA425 is at least equal to the creep resistance of the target alloy IN792, and is higher than the creep resistance of the reference alloy SC16.

【0034】クリープ試験の最後で合金SCA425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 alloy SCA425 test piece 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.

【0035】また、超合金SCA425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レベルにあ
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、SCA425
合金の場合認められない。
A production test was conducted on the single crystal component of the superalloy SCA425.
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
> The growth of the components is promoted and dominant,
Also, 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, which tends to occur during the homogenization process at high temperature, is also described in SCA425.
Not allowed for alloys.

【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.

【図3】図3は、異なる超合金の特性を説明する図であ
る。
FIG. 3 is a diagram illustrating characteristics of different superalloys.

【図4】図4は、異なる超合金の特性を説明する図であ
る。
FIG. 4 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 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 EA06  ──────────────────────────────────────────────────の Continuing on the front page (71) Applicant 501462826 Kestrel Way Exter, Devon EX2 7LG GREAT-BRITAIN (72) Inventor Brackler Michell UK Ex2 5 Elk Yk Exeter Granger Close 1591940 Leuri Alejandr Alejandr (72) Inventor Malcolm McCorbin Gordon E.L.N. 6 8 Deep Linen North Heikeham Broadway 41 (72) Inventor Bahi Raeshbar Prasad Germany 14167 Berlin Ninechempastrasse 42 Be (72) Inventor Escare André Marcel France 65100 Omex Luka Rail · Batsurugeru 7 (72) inventor Relais Lauren France 77140 Dabaru Ryu de la Baroderi 50 F-term (reference) 3G002 EA06

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:15.5 〜16.5% Mo: 0.8 〜 1.2% W : 3.75 〜 4.25% Al: 3.75 〜 4.25% Ti: 1.75 〜 2.25% Ta: 4.75 〜 5.25% 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: 15.5 to 16.5% Mo: 0.8 to 1.2% W: 3.75 to 4.25% Al: 3.75 to 4.25% Ti: 1.75 to 2.25% Ta: 4.75 to 5.25% 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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