JP2005097650A

JP2005097650A - Ｎｉ基超合金

Info

Publication number: JP2005097650A
Application number: JP2003330302A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Kobayashi; 敏治小林; Yutaka Koizumi; 裕小泉; Tadaharu Yokogawa; 忠晴横川; Koji Harada; 広史原田; Toshihiro Maruko; 丸子智弘
Original assignee: Furuya Metal Co Ltd; National Institute for Materials Science
Current assignee: Furuya Metal Co Ltd; National Institute for Materials Science
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2023-09-22
Also published as: JP4115369B2

Abstract

【課題】 Reを含有せずに、ジェットエンジンやガスタービンの長時間の信頼性を高めるための合金の組織の安定性を高め、従来と同等あるいはそれ以上のクリープ強度を有するNi基超合金を提供する。
【解決手段】 Reを含まず、Cr:20wt%以下、Mo:10wt%以下、Ｗ:15wt%以下、Al:２-10wt%、Ta+Nb+Ti:16wt%以下、Ru:10wt%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有する、組織安定な高強度Ni基超合金とする。
【選択図】図１

Description

この出願の発明は、Ni基超合金に関するものであり、さらに詳しくは、高温での組織安定性とクリープ特性に優れ、ジェットエンジンやガスタービンなどのタービンブレードやタービンベーン、タービンディスク等の高温、高応力下で使用される部材として好適な、新しいNi基超合金に関するものである。

従来、Ni基超合金としては、CMSX-10（Co:3.3wt%、Cr:2.4wt%、Mo:0.4wt%、Ｗ:5.3wt%、Al:5.7wt%、Ti:0.2wt%、Nb:0.1wt%、Ta:8.2wt%、Hf:0.03wt%、Re:6.3wt%で残部がNiからなる合金）（特許文献１）、TMS-138（Co:5.8wt%、Cr:2.8wt%、Mo:2.9wt%、Ｗ:6.1wt%、Al:5.8wt%、Ta:5.6wt%、Hf:0.05wt%、Re:5.1wt%、Ru:1.9wt%で残部がNiからなる合金）（特許文献２）などが高温強度に最も優れたものとして知られている。

これら従来のNi基超合金は、単結晶合金部材として1100℃までのクリープ強度の点で優れている。しかしながら、多量のReを含有するため長時間のクリープに際して、TCP相と呼ばれる有害結晶を生成しやすいという欠点があった。ジェットエンジンやガスタービンの長時間の信頼性を高めるためには合金の組織の安定性を高めることが重要であるので、このような観点から、Reを含まずに、従来のNi基超合金と同等あるいはそれ以上のクリープ強度を有するNi基超合金の実現が望まれていた。
米国特許第５，３６６，６９５号公報欧州特開１２６２５６９号公報

この出願の発明は以上のとおりの背景を踏まえてなされたものであって、Reを含有せずに、ジェットエンジンやガスタービンのタービンブレードやタービンベーンなどの高温部材として長時間にわたり組織安定な、新しい高強度Ni基超合金を提供することを課題としている。

この出願の発明は、上記の課題を解決するためのものとして、第１には、Cr:20wt%以下、Mo:10wt%以下、Ｗ:15wt%以下、Al:２-10wt%、Ta+Nb+Ti:16wt%以下、Ru:10wt%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするNi基超合金を提供する。

第２には、上記の合金においてさらに、Co:20wt%以下を含有することを特徴とするNi基超合金を提供する。

第３には、上記第１ないし第２の発明の合金において、さらに、Hf:10wt%以下、Pt:10wt%以下、Rh:10wt%以下、Ｖ:３wt%以下、Zr:３wt%以下、Si:３wt%以下、Fe:10wt%以下の元素のうちのいずれか１つを含有することを特徴とするNi基超合金を提供する。

第４には、Hf:８wt%以下、Pt:10wt%以下、Rh:10wt%以下、Ｖ:２wt%以下、Zr:２wt%以下、Si:２wt%以下、Fe:10wt%以下の元素のうちのいずれか２つを含有することを特徴とするNi基超合金を提供する。

第５には、Hf:８wt%以下、Pt:10wt%以下、Rh:10wt%以下、Ｖ:２wt%以下、Zr:２wt%以下、Si:２wt%以下、Fe:10wt%以下の元素のうちのいずれか３つあるいはそれ以上を含有することを特徴とするNi基超合金を提供する。

また、この出願の発明は、第６には、以上いずれかの合金においてさらに、Ｃ:0.3wt%以下、Ｂ:0.2wt%以下、Ｙ:0.2wt%以下、La:0.2wt%以下、Ce:0.2wt%以下の元素の１つあるいは２つ以上を含有することを特徴とするNi基超合金を提供する。

第７には、これらの合金を用いて、普通鋳造法、一方向凝固法、あるいは単結晶凝固法により作成したことを特徴とするタービンブレードあるいはタービンベーン部品を提供する。

第８には、粉末冶金法あるいは鍛造法により作成したことを特徴とするタービンディスク部品を提供する。

この出願の第１の発明によれば、長時間にわたり組織安定でクリープ強度の優れたNi基超合金を得ることができる。

また、上記第２の発明は、さらにCoを含有させて中低温側でのクリープ強度を向上させる効果を有する。

第３の発明によれば、Hf、Pt、Rh、Ｖ、Zr、Si、Feの元素のいずれか１つを含有させて中低温側でのクリープ強度や、耐酸化性、組織安定性などの１つの特性をさらに向上させる効果を有する。

第４の発明によれば、Hf、Pt、Rh、Ｖ、Zr、Si、Feの元素のいずれか２つを含有させて中低温側でのクリープ強度や、耐酸化性、組織安定性などの２つの特性をさらに向上させる効果を有する。

第５の発明によれば、Hf、Pt、Rh、Ｖ、Zr、Si、Feの元素のいずれか３つあるいはそれ以上を含有させて中低温側でのクリープ強度や、耐酸化性、組織安定性などの３つあるいはそれ以上の特性をさらに向上させる効果を有する。

そして、上記第６の発明によれば、さらに、Ｃ、Ｂ、Ｙ、La、Ceの微量元素を単独あるいは複合的に含有することによって、結晶粒界の強度向上、耐酸化性向上の効果を発揮する。

第７の発明では、新しいNi基超合金によるタービンブレード、タービンベーンをジェットエンジンやガスタービンに用いることによって、それらの長時間使用が可能となり信頼性などが向上する。

第８の発明では、新しいNi基超合金によるタービンディスクをジェットエンジンやガスタービンに用いることによって、それらの長時間信頼性などが向上する。

この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

この出願の発明においては、後述実施例に述べるように、従来、高強度Ni基超合金に必須と考えられてきたReを添加することなく高いクリープ強度を実現したことを特徴としている。その組成について説明すると以下のとおりである。

この出願の発明のNi基超合金においては、Coは中低温のクリープ強度を向上させる有効な元素である。しかし添加量が20wt%を超えるとTCP相とよばれる有害結晶を生成して、クリープ強度が低下する。また、0.1wt%以上とすることが好ましい。

Crは耐酸化性と耐高温腐食性を向上させる有効な元素として必要である。しかし添加量が20wt%を超えるとTCP相とよばれる有害結晶を生成して、クリープ強度が低下する。また、0.1wt%以上とすることが好ましい。

Moは格子定数ミスフィットを負に移行させて、ガンマ相とガンマ’相の界面に緻密な転位網を形成させ、高温のクリープ強度を向上させる有効な元素として必要である。しかし添加量が10wt%を超えるとTCP相とよばれる有害結晶を生成して、クリープ強度が低下する。また、0.1wt%以上とすることが好ましい。

Ｗは高温から低温までのクリープ強度を向上させる効果があるので、合金に添加することが必要である。しかし添加量が15wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある。また、0.1wt%以上とすることが好ましい。

Alは高温強度向上に不可欠なガンマ’相を形成させるために２wt%以上必要である。しかし10wt%を超えると共晶ガンマ’と呼ばれる粗大な結晶が生成しクリープ強度が低下する。よって２-10wt%とすることが必要である。より好ましくは４-８wt%である。

Ta、Nb、Tiは、いずれもガンマ’相を強化してクリープ強度を向上させる有効な元素である。したがってこれらのいずれか１つ、２つあるいは３つの添加が必要である。いずれの場合も総和が16wt%以上になると有害相の生成が助長されるので、Ta＋Nb＋Tiは、16wt%以下である必要がある。また、0.1wt%以上とすることが好ましい。

Ruは低温側のクリープ強度を向上させるために必須の元素である。しかし添加量が10wt%を超えると有害相の生成が助長されるので、10wt%以下でなくてはならない。また、このRuの添加については、0.1wt%以上とすることが好ましい。

Hfは耐酸化性を向上させる効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が10wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある。好ましくは８wt%以下である。

Ptは組織安定性を向上させ有害相生成を防ぐ効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が10wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある。

Rhも組織安定性を向上させ有害相生成を防ぐ効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が10wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある。

Ｖは低温側のクリープ強度を向上させる効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が３wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある。好ましくは２wt%以下である。

Zrは結晶粒界強度を向上させる効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が３wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある。好ましくは２wt%以下である。

Siは耐酸化性を向上させる効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が３wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある。好ましくは２wt%以下である。

Feは低温側のクリープ強度を向上させる効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が10wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある。

Ｃは炭化物を結晶粒界に生成させクリープ強度を向上させる効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が0.3wt%を超えると炭化物量が過多となり合金が脆化するのでこれ以下とする必要がある。

Ｂは結晶粒界に偏析して強度を向上させる効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が0.2wt%を超えると融点の低下を招くのでこれ以下とする必要がある。

Ｙは耐酸化性を向上させる効果があるので、添加することが有効である。しかし添加量が0.2wt%を超えるとかえって耐酸化性を低下させるのでこれ以下とする必要がある。

Laは耐酸化性を向上させる効果があるので、添加することが有効である。しかし添加量が0.2wt%を超えるとかえって耐酸化性を低下させるのでこれ以下とする必要がある。

Ceは耐酸化性を向上させる効果があるので、添加することが有効である。しかし添加量が0.2wt%を超えるとかえって耐酸化性を低下させるのでこれ以下とする必要がある。

以上のような組成の特徴を有するこの出願の発明のNi基超合金については、たとえば単結晶として鋳造し、溶体化処理、時効処理を行うことによって製造することができる。一方向凝固合金としてもよい。

たとえば溶体化処理については、1200℃〜1350℃の範囲において、時効処理については、1000℃以上での１次時効と、950℃以下での２次時効との多段階処理が好適なものとして考慮される。

以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。

Ni基超合金（実施例Ａ組成：5.7wt%Ｃｒ、1.0wt%Ｍｏ、12.5wt%Ｗ、4.7wt%Al、7.4wt%Ｔａ、2.0wt%Ru、残Ni、実施例Ｂ組成：7.9wt%Co、5.0wt%Cr、2.8wt%Mo、11.1wt%Ｗ、4.9wt%Al、7.8wt%Ta、2.5wt%Ru、残Ni）を単結晶に鋳造し、溶体化処理及び時効処理を行った。溶体化処理は、1270℃で１時間保持した後、1300℃まで昇温し、５時間保持した。また時効処理は1100℃で４時間保持する１次時効と、870℃で20時間保持する２次時効処理を行った。

次に、溶体化処理及び時効処理を施した本実施例の試料に対してクリープ強度を測定した。クリープ試験は温度1100℃、応力137MPaの条件で試料がクリープ破断するまでの時間を寿命とした。

実施例Ａ合金とＢ合金のクリープ試験結果と従来技術の合金とを比較し、その結果を図１に示した。なお、図１では機器設計で重要な値である１％クリープひずみ到達時間を示している。図１から明らかなように、本発明合金は第３世代Ni基単結晶合金といわれる比較例CMSX-10及び第４世代Ni基単結晶合金TMS-138に比べ高いクリープ強度を有していることがわかる。

この出願の発明によって、高温での組織安定性とクリープ特性に優れ、ジェットエンジンやガスタービンなどのタービンブレードやタービンベーン、タービンディスクなどの高温、高応力下で使用される部材として好適な、新しいNi基超合金が提供されることになる。

この出願の発明の合金と既存の最強合金の１％クリープひずみ到達時間を比較して示した図である。

Claims

Cr:20wt%以下、Mo:10wt%以下、Ｗ:15wt%以下、Al:２-10wt%、Ta+Nb+Ti:16wt%以下、Ru:10wt%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするNi基超合金。
請求項１記載の合金においてさらにCo:20wt%以下を含有することを特徴とするNi基超合金。
請求項１または２記載の合金においてさらに、Hf:10wt%以下、Pt:10wt%以下、Rh:10wt%以下、Ｖ:３wt%以下、Zr:３wt%以下、Si:３wt%以下、Fe:10wt%以下の元素のうちのいずれか１つを含有することを特徴とするNi基超合金。
請求項１または２記載の合金においてさらに、Hf:８wt%以下、Pt:10wt%以下、Rh:10wt%以下、Ｖ:２wt%以下、Zr:２wt%以下、Si:２wt%以下、Fe:10wt%以下の元素のうちのいずれか２つを含有することを特徴とするNi基超合金。
請求項１または２記載の合金においてさらに、Hf:８wt%以下、Pt:10wt%以下、Rh:10wt%以下、Ｖ:２wt%以下、Zr:２wt%以下、Si:２wt%以下、Fe:10wt%以下の元素のうちのいずれか３つあるいはそれ以上を含有することを特徴とするNi基超合金。
請求項１ないし５のいずれかに記載の合金においてさらに、Ｃ:0.3wt%以下、Ｂ:0.2wt%以下、Ｙ:0.2wt%以下、La:0.2wt%以下、Ce:0.2wt%以下の元素のうちの１つあるいは２つ以上含有することを特徴とするNi基超合金。
請求項１ないし６のいずれかに記載の合金を用いて、普通鋳造法、一方向凝固法、あるいは単結晶凝固法により作成したことを特徴とするタービンブレードあるいはタービンベーン部品。
請求項１ないし６のいずれかに記載の合金を用いて、粉末冶金法あるいは鍛造法により作成したことを特徴とするタービンディスク部品。