JP2005097650A - Ni-BASED SUPERALLOY - Google Patents
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Abstract
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。 The invention of this application relates to a Ni-base superalloy, and more particularly, excellent in structural stability and creep characteristics at high temperatures, such as turbine blades such as jet engines and gas turbines, turbine vanes, turbine disks, and the like, The present invention relates to a new Ni-base superalloy suitable as a member used under high stress.
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。 Conventionally, as Ni-base superalloy, 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% and the balance of Ni (Patent Document 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%, the balance being Ni ) (Patent Document 2) and the like are known as the most excellent in high temperature strength.
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。
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。 The invention of this application was made based on the background as described above, and does not contain Re, and is stable in structure as a high-temperature member such as a turbine blade or turbine vane of a jet engine or a gas turbine for a long time. The goal is to provide a new high-strength Ni-base superalloy.
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。 The invention of this application is to solve the above problems. First, Cr: 20 wt% or less, Mo: 10 wt% or less, W: 15 wt% or less, Al: 2-10 wt%, Ta + Nb Provided is a Ni-base superalloy characterized by containing + Ti: 16 wt% or less and Ru: 10 wt% or less, with the balance being composed of Ni and inevitable impurities.
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。 Second, there is provided a Ni-base superalloy characterized in that the alloy further contains Co: 20 wt% or less.
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。 Thirdly, in the alloys according to the first to second inventions, Hf: 10 wt% or less, Pt: 10 wt% or less, Rh: 10 wt% or less, V: 3 wt% or less, Zr: 3 wt% or less, Si There is provided a Ni-base superalloy characterized by containing any one element of: 3 wt% or less and Fe: 10 wt% or less.
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。 Fourth, Hf: 8 wt% or less, Pt: 10 wt% or less, Rh: 10 wt% or less, V: 2 wt% or less, Zr: 2 wt% or less, Si: 2 wt% or less, Fe: 10 wt% or less There is provided a Ni-base superalloy characterized by containing any two of the above.
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。 Fifth, Hf: 8 wt% or less, Pt: 10 wt% or less, Rh: 10 wt% or less, V: 2 wt% or less, Zr: 2 wt% or less, Si: 2 wt% or less, Fe: 10 wt% or less A Ni-base superalloy characterized by containing any three or more of the above is provided.
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。 In addition, the invention of this application is that, in any one of the above alloys, C: 0.3 wt% or less, B: 0.2 wt% or less, Y: 0.2 wt% or less, La: 0.2 wt% or less, Ce The present invention provides a Ni-base superalloy characterized by containing one or more elements of 0.2 wt% or less.
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。 Seventh, there is provided a turbine blade or turbine vane component characterized by being produced by a normal casting method, a unidirectional solidification method, or a single crystal solidification method using these alloys.
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。 Eighth, there is provided a turbine disk component produced by a powder metallurgy method or a forging method.
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。 According to the first invention of this application, it is possible to obtain a Ni-base superalloy that is stable in structure and excellent in creep strength over a long period of time.
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。 Further, the second invention has an effect of further improving the creep strength on the medium / low temperature side by containing Co.
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。 According to the third aspect of the invention, any one of the elements Hf, Pt, Rh, V, Zr, Si, and Fe is contained, and the creep strength at the low temperature side, oxidation resistance, structural stability, etc. It has the effect of further improving one characteristic.
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。 According to the fourth aspect of the invention, any two elements of Hf, Pt, Rh, V, Zr, Si, and Fe are contained, and the creep strength, oxidation resistance, structure stability, etc. on the medium / low temperature side It has the effect of further improving the two characteristics.
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。 According to the fifth aspect of the invention, any three or more elements of Hf, Pt, Rh, V, Zr, Si, and Fe are contained, and creep strength, oxidation resistance, and tissue stability on the medium / low temperature side are included. It has the effect of further improving three or more characteristics such as property.
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。 And according to the said 6th invention, by containing trace element of C, B, Y, La, and Ce individually or in combination, the effect of improving the strength of crystal grain boundaries and improving the oxidation resistance can be obtained. Demonstrate.
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。 In the seventh invention, by using a turbine blade and a turbine vane made of a new Ni-base superalloy for a jet engine or a gas turbine, they can be used for a long time, and reliability and the like are improved.
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。 In the eighth invention, by using a turbine disk made of a new Ni-base superalloy for a jet engine or a gas turbine, their long-term reliability is improved.
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。 The invention of this application has the features as described above, and an embodiment thereof will be described below.
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。 The invention of this application is characterized in that a high creep strength has been realized without adding Re, which has been considered essential for high-strength Ni-base superalloys, as will be described later in the examples. The composition will be described as follows.
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。 In the Ni-base superalloy of the invention of this application, Co is an effective element that improves the creep strength at medium and low temperatures. However, when the addition amount exceeds 20 wt%, harmful crystals called TCP phase are formed, and the creep strength is lowered. Moreover, it is preferable to set it as 0.1 wt% or more.
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。 Cr is necessary as an effective element for improving oxidation resistance and hot corrosion resistance. However, when the addition amount exceeds 20 wt%, harmful crystals called TCP phase are formed, and the creep strength is lowered. Moreover, it is preferable to set it as 0.1 wt% or more.
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。 Mo is necessary as an effective element that shifts the lattice constant misfit to a negative value to form a dense dislocation network at the interface between the gamma phase and the gamma 'phase, thereby improving the high-temperature creep strength. However, when the addition amount exceeds 10 wt%, harmful crystals called TCP phase are formed, and the creep strength is lowered. Moreover, it is preferable to set it as 0.1 wt% or more.
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。 Since W has the effect of improving the creep strength from high temperature to low temperature, it must be added to the alloy. However, if the addition amount exceeds 15 wt%, the formation of a harmful phase is promoted. Moreover, it is preferable to set it as 0.1 wt% or more.
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。 Al needs to be 2 wt% or more in order to form a gamma 'phase essential for improving the high temperature strength. However, if it exceeds 10 wt%, coarse crystals called eutectic gamma 'are formed and the creep strength is lowered. Therefore, it is necessary to set it as 2-10 wt%. More preferably, it is 4-8 wt%.
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。 Ta, Nb, and Ti are all effective elements that strengthen the gamma 'phase and improve the creep strength. Therefore, any one, two or three additions of these are required. In any case, when the sum is 16 wt% or more, the formation of harmful phases is promoted, so Ta + Nb + Ti needs to be 16 wt% or less. Moreover, it is preferable to set it as 0.1 wt% or more.
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。 Ru is an essential element for improving the creep strength on the low temperature side. However, if the added amount exceeds 10 wt%, the formation of a harmful phase is promoted, so it must be 10 wt% or less. The addition of Ru is preferably 0.1 wt% or more.
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。 Since Hf has the effect of improving oxidation resistance, it is effective to add it to the alloy. However, if the added amount exceeds 10 wt%, the formation of a harmful phase is promoted. Preferably it is 8 wt% or less.
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。 Pt has the effect of improving the structural stability and preventing the formation of harmful phases, so it is effective to add it to the alloy. However, if the added amount exceeds 10 wt%, the formation of a harmful phase is promoted.
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。 Since Rh also has the effect of improving the structural stability and preventing the formation of harmful phases, it is effective to add it to the alloy. However, if the added amount exceeds 10 wt%, the formation of a harmful phase is promoted.
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。 V has the effect of improving the creep strength on the low temperature side, so it is effective to add it to the alloy. However, if the added amount exceeds 3 wt%, the formation of a harmful phase is promoted. Preferably it is 2 wt% or less.
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。 Since Zr has the effect of improving the grain boundary strength, it is effective to add it to the alloy. However, if the added amount exceeds 3 wt%, the formation of a harmful phase is promoted. Preferably it is 2 wt% or less.
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。 Since Si has the effect of improving oxidation resistance, it is effective to add it to the alloy. However, if the added amount exceeds 3 wt%, the formation of a harmful phase is promoted. Preferably it is 2 wt% or less.
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。 Since Fe has the effect of improving the creep strength on the low temperature side, it is effective to add it to the alloy. However, if the added amount exceeds 10 wt%, the formation of a harmful phase is promoted.
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。 Since C has the effect of generating carbides at the grain boundaries and improving the creep strength, it is effective to add C to the alloy. However, if the added amount exceeds 0.3 wt%, the amount of carbide becomes excessive and the alloy becomes brittle, so it is necessary to make it less than this.
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。 Since B has the effect of segregating at the grain boundaries to improve the strength, it is effective to add B to the alloy. However, if the added amount exceeds 0.2 wt%, the melting point is lowered, so it is necessary to make it lower.
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。 Since Y has an effect of improving oxidation resistance, it is effective to add it. However, if the added amount exceeds 0.2 wt%, the oxidation resistance is lowered, so it is necessary to make it less than this.
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。 Since La has an effect of improving the oxidation resistance, it is effective to add La. However, if the added amount exceeds 0.2 wt%, the oxidation resistance is lowered, so it is necessary to make it less than this.
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。 Ce is effective to improve oxidation resistance, so it is effective to add it. However, if the added amount exceeds 0.2 wt%, the oxidation resistance is lowered, so it is necessary to make it less than this.
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。 The Ni-base superalloy of the present invention having the above compositional characteristics can be manufactured, for example, by casting as a single crystal and performing solution treatment and aging treatment. A unidirectionally solidified alloy may be used.
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。 For example, for solution treatment, in the range of 1200 ° C to 1350 ° C, for aging treatment, multi-stage treatment of primary aging at 1000 ° C or higher and secondary aging at 950 ° C or lower is considered suitable. Is done.
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。 Hereinafter, examples will be shown and described in more detail. Of course, the invention is not limited by the following examples.
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。 Ni-base superalloy (Example A composition: 5.7 wt% Cr, 1.0 wt% Mo, 12.5 wt% W, 4.7 wt% Al, 7.4 wt% Ta, 2.0 wt% Ru, remaining Ni, Example B composition: 7.9 wt % Co, 5.0wt% Cr, 2.8wt% Mo, 11.1wt% W, 4.9wt% Al, 7.8wt% Ta, 2.5wt% Ru, remaining Ni) are cast into a single crystal for solution treatment and aging treatment. went. In the solution treatment, after holding at 1270 ° C. for 1 hour, the temperature was raised to 1300 ° C. and held for 5 hours. As the aging treatment, a primary aging treatment was carried out at 1100 ° C. for 4 hours and a secondary aging treatment was carried out at 870 ° C. for 20 hours.
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。 Next, the creep strength was measured for the sample of this example that had undergone solution treatment and aging treatment. In the creep test, the time until the specimen ruptured at a temperature of 1100 ° C. and a stress of 137 MPa was defined as the lifetime.
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。 The creep test results of Example A and B alloys were compared with the prior art alloys, and the results are shown in FIG. FIG. 1 shows the 1% creep strain arrival time, which is an important value in equipment design. As is apparent from FIG. 1, the alloy of the present invention has a higher creep strength than the comparative example CMSX-10, which is called a third generation Ni-based single crystal alloy, and the fourth generation Ni-based single crystal alloy TMS-138. I understand.
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。 By the invention of this application, the structure stability and creep characteristics at high temperature are excellent, and it is suitable as a member used under high temperature and high stress such as turbine blades, turbine vanes, turbine disks, etc. of jet engines and gas turbines. Ni-base superalloy will be provided.
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