JP2002302724A - 単結晶として固化した、構造部材を鋳造法によって製造するためのニッケルをベースにした合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レニウムおよびタングステンの割合を最適化
することにより、密度が低く、クリープの傾向が少ない
ことを含む高い機械的強度、高い熱安定性などの特に有
利な材料特性を得ることができ、従って構造部材として
も有利な特性が得られる、単結晶として固化した、構造
部材を鋳造法によって製造するためのニッケルをベース
にした合金を提供する。 【解決手段】 単結晶として固化した、構造部材を鋳造
法によって製造するための、レニウム元素およびタング
ステン元素、並びに他の元素、例えばアルミニウム、ク
ロムおよびコバルトを含むニッケルをベースにした合金
において、レニウム含量を２．３重量％以上とし、レニ
ウム含量に対するタングステン含量の重量比を１．１以
上１．６以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は請求項１の前提部分
に記載の、単結晶として固化した、構造部材を鋳造法に
よって製造するためのニッケルをベースにした合金に関
する。

【０００２】この種の合金は、高温且つ高い機械的な張
力下で使用でき、従って特にガスタービンのタービン羽
根の材料として使用できる、いわゆる超合金の種類に属
している。

【０００３】

【従来の技術】高いバイパス比(Nebenstromverhaeltni
s)および高速運転を行なう低圧タービンを有する、次世
代の航空機用エンジンは、特殊な動力用燃料の使用およ
び排出ガスに関して著しい改良がなされると期待されて
いる。エンジンの重量、その大きさおよび維持費も現在
の付加価値パラメータとなっている。

【０００４】高いバイパス比を有するエンジンは、一方
の側のファン、および他方の側の低圧圧縮機および低圧
タービンの間に接続される減速ギアを備えている。この
減速ギアは、緩やかな回転速度の際にはファンを最適領
域で駆動させ、そして高い回転速度、従って、通常のタ
ービンの場合よりも高い圧力比の場合には、圧縮機およ
びタービンを駆動させるための力を与える。しかしなが
ら、周速度が大きいため、低圧タービンの羽根および翼
車にかかる機械的な負荷も増加する。

【０００５】単結晶部材用の第二世代および第三世代の
ニッケルをベースにした合金は、難熔性元素であるレニ
ウムを、それぞれ約３重量％又は６重量％含有し、レニ
ウムを含まない第一世代に属する対応する合金に比べ良
好なクリープ特性を有している。難熔性元素であるレニ
ウムは超合金の特性に対し異なる作用を有する。レニウ
ムは大きな原子半径を有し、そのためにマトリックス中
で非常にゆっくりと拡散し、分離（seigert）する。マ
トリックスの固溶強化の影響に加え、レニウム原子は転
位運動を妨げるクラスタを形成する傾向がある。

【０００６】タングステンは固溶強化に著しい寄与を示
す。タングステンの含量はマトリックスおよびγ’析出
相(Ausscheidungsphase)でのレニウムの分布に影響を及
ぼす。

【０００７】レニウムおよびタングステンは両者とも融
点が高く拡散係数が低いので、超合金の固相線温度を上
昇させる。さらに負荷がかかった場合、析出相γ’の多
形変化が遅くなる。

【０００８】合金元素のタンタル（Ｔａ）は固溶強化に
寄与し、周期的な酸化挙動を改善するが、先ず第一に、
指向性凝固の間の、いわゆる、しみ（freckle）の生成
を防ぐためにタングステンおよびレニウムを含むニッケ
ルをベースにした合金に添加される。

【０００９】タンタルの不利な性質、即ち密度を著しく
増加させる性質によって、望ましくないＴＣＰ相の生成
が助長され、γ’溶体化焼鈍温度が上昇する。

【００１０】クリープ破断強度の上昇は、同時に密度の
上昇に関係し、６重量％のレニウムを含む或る種の合金
では、密度は９ｇ／ｃｍ³まで増加する。レニウムを含
まない合金の場合には、密度は８ｇ／ｃｍ³まで低下し
うる。しかしながら、高い密度を有するニッケルをベー
スにした合金は、近代的な高速回転する航空機用タービ
ンにおける用途にのみ適している。

【００１１】レニウムを含まない低密度の超合金は、例
えば、米国特許第４，７２１，５４０号明細書から公知
であり、この材料の商品名は「ＣＭＳＸ−６」である。
密度が比較的低い７．９８ｇ／ｃｍ³であるという機械
的な利点を除けば、この合金は、例えば、熱処理ウィン
ドウが狭く、再結晶化の傾向が強いなどの欠点を有す
る。

【００１２】０〜８重量％のレニウム、３〜１０重量％
のタングステンを含み、また特に酸化耐性を高めるため
にマグネシウムまたはカルシウムを含む単結晶からなる
鋳造部材の合金は、国際特許公開第ＷＯ９３／２４６８
３号公報から公知である。或る特定の合金組成では、レ
ニウム含量は２．８〜３．２重量％、タングステン含量
は５．６〜６．２重量％でなければならない。レニウム
およびタングステンは重金属であるから、この場合構造
部材の密度は比較的高くなり、特に上限値である８重量
％のレニウム及び１０重量％のタングステンという値が
使われた場合には密度は高くなる。さらに、レニウムは
非常に高価な元素であり、確実に部材の価格に顕著な影
響を及ぼす。この文献において、レニウムの下限値は０
重量％と与えられている。レニウム含量が少なければ、
確実に重さおよび価格は低下するが、材料の重要な特性
は著しく低下する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】これらの欠点を考慮し
て、本発明の目的は、レニウムおよびタングステンの割
合を最適化することにより、例えば密度が低く、クリー
プの傾向が少ないことを含む高い機械的強度、高い熱安
定性などの特に有利な材料特性を得ることができ、従っ
て構造部材としても有利な特性が得られる、単結晶とし
て固化した、構造部材を鋳造法によって製造するための
ニッケルをベースにした合金を提供することである。さ
らに、これによって合金の鋳造を容易にし、有利な熱処
理特性を得ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明のこの目的は、特
許請求の範囲の請求項１の前提部分に記載された一般的
特徴と、特徴部分に記載の特徴との組み合わせによって
解決される。

【００１５】すなわち、請求項１に記載の発明は、単結
晶として固化した、構造部材、特にガスタービンの高速
回転タービン・ステージの羽根を、鋳造法によって製造
するための、レニウム（Ｒｅ）元素およびタングステン
（Ｗ）元素、並びに他の元素、例えばアルミニウム、ク
ロムおよびコバルトを含むニッケルをベースにした合金
において、レニウム（Ｒｅ）含量が２．３重量％以上で
あり、レニウム（Ｒｅ）含量に対するタングステン
（Ｗ）含量の重量比が１．１以上１．６以下であること
を特徴とするものである。従って当該合金は、定義され
た重量比の範囲内で、常にタングステンをレニウムより
も多く含む。

【００１６】請求項２においてはさらに、非常に良好な
材料特性との組み合わせにおける重量およびコストに対
する制限の観点から、レニウム含量の上限値が特定され
ている。すなわち、請求項２に記載の発明は、レニウム
（Ｒｅ）含量が２．３重量％以上２．６重量％以下であ
ることを特徴とするものである。ここでは、請求項１に
規定されたレニウムに対するタングステンの重量比は保
持されている。

【００１７】請求項３においては、すべての関連する元
素を含む具体的な合金並びにそれらの含量の範囲が特徴
付けられている。この請求項では、レニウムに対するタ
ングステンの重量比は前記請求項１および２と比べて、
その範囲が制限されている。即ち、より狭く限定されて
いる。すなわち、請求項３に記載の発明は、タングステ
ン（Ｗ）含量が３．０重量％以上３．７重量％以下であ
り、且つ、ニッケル、レニウムおよびタングステン以外
の他の合金元素の含量が、アルミニウム（Ａｌ）：６．
２重量％以上６．８重量％以下、コバルト（Ｃｏ）：
７．２重量％以上７．８重量％以下、クロム（Ｃｒ）：
５．８重量％以上６．４重量％以下、ハフニウム（Ｈ
ｆ）：０．０５重量％以上０．１５重量％以下、モリブ
デン（Ｍｏ）：１．７重量％以上２．３重量％以下、タ
ンタル（Ｔａ）：２．０重量％以上２．６重量％以下、
チタン（Ｔｉ）：０．９重量％以上１．１重量％以下で
あることを特徴とするものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】特に「Ｌｅｉｃｈｔｅｒ Ｅｉｎ
ｋｒｉｓｔａｌｌ ９４」（「軽い単結晶９４」）（Ｌ
ＥＫ９４）と称するこれらの材料は、従って、重量％単
位で下記の組成を有している。 Ａｌ ６．２〜６．８ Ｃｏ ７．２〜７．８ Ｃｒ ５．８〜６．４ Ｈｆ ０．０５〜０．１５ Ｍｏ １．７〜２．３ Ｒｅ ２．３〜２．６ Ｔａ ２．０〜２．６ Ｔｉ ０．９〜１．１ Ｗ ３．０〜３．７ Ｎｉ 残り、即ち６６．５５〜７０．８５

【００１９】ここでは他の元素又は化合物の形で存在す
る可能性がある不純物は考慮されていないため、個々の
数値、例えばＮｉ含量の数値は僅かに変動する可能性が
ある。同様に、上記の元素の含量は小数点２位の所（１
／１００％）で変動する可能性がある。このことは当業
者には自明のことであり、このような変動は材料の特性
には殆ど関連した影響を与えない。

【００２０】この特定の材料「ＬＥＫ９４」は、低密度
の、高度に合金化された単結晶合金であり、高速回転タ
ービン用に開発されたものである。レニウム元素および
タングステン元素の合金含量を変化させて、高温におけ
る強度および低密度という不利な要求が最適化させてい
る。

【００２１】「ＬＥＫ９４」の開発は次のような目的を
設定して行なった（出発点は米国特許第４，７２１，５
４０号によるＣＭＳＸ−６）。 １．再結晶化挙動の改良 ２．密度ρ≒８ｇ／ｃｍ³の低密度合金 ３．被覆加工を行なう際の低温で熔融する拡散区域の生
成の回避 ４．クリープ特性の改善 ５．一般的な鋳造規準の充足および十分な溶体化焼鈍ウ
ィンドウの達成 ６．ＴＣＰ相（脆化相、Ｎ_V 基準）を形成する傾向の低
減

【００２２】アプローチ：タングステンおよびレニウム
の添加。但し、既知の第二世代のニッケルをベースにし
た合金よりも含量を少なくする。タングステンおよびレ
ニウムの含量の最適化（即ち、最低水準を決定するので
はなく最少化する）。

【００２３】先行技術に対する改善点：「ＬＥＫ９４」
は、密度が８．１〜８．３ｇ／ｃｍ³の範囲と低く、且
つ、高い熱安定性を有するレニウム含有単結晶合金であ
る。この材料は良好な鋳造性および著しく大きな熱処理
ウインドウによって、従来のものと区別される。なお、
従来例としては、例えばＵＳＰ４，３８８，１２４の
技術がある。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、レニウムおよびタング
ステンの割合を最適化することにより、密度が低く、ク
リープの傾向が少ないことを含む高い機械的強度、高い
熱安定性などの特に有利な材料特性を得ることができ、
従って構造部材としても有利な特性が得られる、単結晶
として固化した、構造部材を鋳造法によって製造するた
めのニッケルをベースにした合金を提供することができ
る。さらに、合金の鋳造を容易にし、有利な熱処理特性
を得ることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウーヴェ・グラッツェル ドイツ連邦共和国 12207 ベルリン，オ ストプレッセンダーム 151 (72)発明者 トーマス・マック ドイツ連邦共和国 86609 ドナウヴォル ト，バーンホフシュトラーセ 25ベー (72)発明者 ジルケ・ヴォエルマー ドイツ連邦共和国 92284 ポッペンリヒ ト，スペックショフ 26 (72)発明者 ユルゲン・ヴォルトマン ドイツ連邦共和国 85258 ヴァイヒス, ゾーネンシュトラーセ 18 Ｆターム(参考） 3G002 EA06

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶として固化した、構造部材（Baut
   eile）、特にガスタービンの高速回転タービン・ステー
   ジの羽根を、鋳造法によって製造するための、レニウム
   （Ｒｅ）元素およびタングステン（Ｗ）元素、並びに他
   の元素、例えばアルミニウム、クロムおよびコバルトを
   含むニッケルをベースにした合金において、 レニウム（Ｒｅ）含量が２．３重量％以上であり、レニ
   ウム（Ｒｅ）含量に対するタングステン（Ｗ）含量の重
   量比が１．１以上１．６以下であることを特徴とするニ
   ッケルをベースにした合金。
2. 【請求項２】 レニウム（Ｒｅ）含量が２．３重量％以
   上２．６重量％以下であることを特徴とする請求項１記
   載のニッケルをベースにした合金。
3. 【請求項３】 タングステン（Ｗ）含量が３．０重量％
   以上３．７重量％以下であり、且つ、ニッケル、レニウ
   ムおよびタングステン以外の他の合金元素の含量が、 アルミニウム（Ａｌ）：６．２重量％以上６．８重量％
   以下、 コバルト（Ｃｏ）：７．２重量％以上７．８重量％以
   下、 クロム（Ｃｒ）：５．８重量％以上６．４重量％以下、 ハフニウム（Ｈｆ）：０．０５重量％以上０．１５重量
   ％以下、 モリブデン（Ｍｏ）：１．７重量％以上２．３重量％以
   下、 タンタル（Ｔａ）：２．０重量％以上２．６重量％以
   下、 チタン（Ｔｉ）：０．９重量％以上１．１重量％以下 であることを特徴とする請求項２記載のニッケルをベー
   スにした合金。