JP2005240186A

JP2005240186A - Ｎｉ基耐熱合金の性能回復処理方法

Info

Publication number: JP2005240186A
Application number: JP2005113701A
Authority: JP
Inventors: Hisataka Kawai; 久孝河合; Yoshihisa Hibara; 愛尚桧原; Ikuo Okada; 郁生岡田; Takayuki Imazu; 孝幸今津
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2018-02-23
Also published as: JP4167242B2

Abstract

【課題】高温での長時間使用により強度、延性などの性能が劣化した高温部材に適用してその性能を使用前の状態に回復させ、再度の使用を可能とし、資源の有効利用や環境保全に寄与することができる性能回復処理方法を提供すること。
【解決手段】熱履歴を受けて性能が劣化した特定組成のＮｉ基耐熱合金に１２００±２５℃の温度で１〜５時間保持後炉冷する第１段溶体化処理を施し、続いて１１４０±２５℃の温度で１〜５時間保持後空冷する第２段溶体化処理を施し、さらに８３５±２５℃の温度で２４±２時間保持する時効処理を施すことを特徴とするＮｉ基耐熱合金の性能回復処理方法。
【選択図】なし

Description

本発明は高温下での使用により強度及び延性等の性能が劣化したＮｉ基耐熱合金の性能回復処理方法に関する。

ガスタービンやジェットエンジンの動翼等の高温部材として、Ｎｉ₃（Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ）のγ’金属間化合物を主体とする第２相の析出硬化及びＭｏやＷ等による固溶強化を兼ね備えるＮｉ基耐熱合金が使用されている。これらのＮｉ基耐熱合金の中に特許文献１に開示されているＮｉ基耐熱合金（以下、合金Ａとする）及びインコネル７３８の商品名で市販されているＮｉ基耐熱合金（以下、合金Ｂとする）がある。合金Ａ及びＢの組成を表１に示す。

特開平６−５７３５９号公報

この種のＮｉ基耐熱合金は、高温での長時間使用による熱履歴により第２相（金属間化合物、炭化物など）の粗大化あるいは不純物元素の拡散・濃縮を生じて強度及び延性が低下し、これらの合金を使用した部材は使用に耐えきれなくなり、最終的には割れを生じるに至って廃却せざるを得なくなる。また、これらのＮｉ基耐熱合金は一般に非常に高価である。本発明は前記従来技術の実情に鑑み、高温での長時間使用により強度、延性などの性能が劣化し廃却を余儀なくされた翼材などの高温部材に適用して、その性能を使用前の状態に回復させ、再度の使用を可能とし、資源の有効利用や環境保全に寄与することができる性能回復処理方法を提供しようとするものである。

本発明者らは前記課題を解決すべく、高温での長時間使用により性能が劣化したＮｉ基耐熱合金の性能回復処理方法について鋭意検討の結果、これらの性能劣化材を所定の温度で２段階の溶体化処理を行い、続いて時効処理を施すことにより性能回復が可能なことを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、熱履歴を受けて性能が劣化した重量％でＣｒ：１３．１〜１５％、Ｃｏ：８．５〜１０．５％、Ｍｏ：１〜３．５％、Ｗ：３．５〜４．５％、Ｔａ：３〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．２〜３．２％、Ｃ：０．０６〜０．１２％、Ｂ：０．０２５％以下、Ｚｒ：０．０１〜０．０５％、Ｍｇ及び／又はＣａ：１〜１００ｐｐｍ、Ｈｆ：０〜１．５％を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物よりなるＮｉ基耐熱合金の性能回復処理方法であって、前記性能の劣化したＮｉ基耐熱合金に１２００±２５℃の温度で１〜５時間保持後炉冷する第１段溶体化処理を施し、続いて１１４０±２５℃の温度で１〜５時間保持後空冷する第２段溶体化処理を施し、さらに８３５±２５℃の温度で２４±２時間保持する時効処理を施すことを特徴とするＮｉ基耐熱合金の性能回復処理方法である。

（１）本発明の方法にしたがって熱処理を施すことにより、熱履歴を受けて第２相の粗大化により強度と延性などの性能が低下した表１に示す組成を有するＮｉ基耐熱合金の性能を、熱履歴を受ける前の状態に回復させることができる。（２）これにより、従来は廃却しなければならなかった部材の再使用が可能となり、高価な金属元素の節約、有効利用、さらには環境保全にも寄与することができる。

本発明の対象となる熱履歴を受けて性能が劣化したＮｉ基耐熱合金は前記の特許文献１に記載されているＮｉ基耐熱合金（合金Ａ）であり、その組成は、前記の表１に示す化学成分範囲のものである。また、その製造時の一般的な熱処理条件は１１２０℃で２時間保持後、室温まで空冷し、その後８５０℃で２４時間保持後、室温まで空冷（１１２０℃×２ｈ／空冷＋８５０℃×２４ｈ／空冷と表示する）するものである。

これらのＮｉ基耐熱合金を、これらを使用する高温部材の通常の使用温度である７００〜１０００℃の温度域で長時間加熱すると、粒界、粒内に析出していた第２相（金属間化合物、炭化物を含む）が成長・粗大化して強度及び延性が著しく低下し、継続使用ができなくなる。このため、本発明の方法においては、強度、延性などの性能が劣化した合金を構成要素とする翼などの部材に、先ずこれらの第２相が固溶するような高温に保持する第１段の溶体化処理を施してこれらの第２相を再固溶させた後、第２段目の溶体化処理と時効処理とを施し、第２相を再析出させ、強度や延性などの性能を未使用（未加熱）材と同程度に回復させようとするものである。

この第２相の再固溶のための第１段目の溶体化処理は、温度があまりに高いと粒界あるいはデンドライト境界を局部的に溶融する（部材が変形する場合がある）ため、また、温度が低いと第２相が十分固溶せず、次の第２段目の溶体化処理と時効処理での強度と延性の付与が期待できなくなる。したがって、第１段目の溶体化処理（再固溶）の温度は１２００±２５℃（１１７５〜１２２５℃）とするのが適切であり、これはまた炉冷制御の可能な温度範囲でもある。保持温度は部材の大きさや炉況にもよるが、１時間以下であると元素の拡散が十分に行われないため性能回復が不十分となる。また５時間以上に長くしても回復は飽和状態を示す。したがって、保持時間はコスト面も考慮して１〜５時間とするのが適切である。

一方２段目の溶体化処理及び時効処理は第２相を再析出させる工程であるが、温度と保持時間の組み合わせによっては第２相が粗大あるいは微細になってしまい、未使用（未加熱）材と同等の強度と延性が得られない。このため、適度な大きさの第２相を適切な量析出させて、未使用（未加熱）材と同等の強度と延性を得るようにすることが必要である。それには適切な条件で第２段目の溶体化処理及び時効処理を行う必要があり、第２段目の溶体化処理温度については１１４０±２５℃（１１１５〜１１６５℃）が、時効処理温度については従来から経験的、一般的に使用されている温度である８３５±２５℃（８１０〜８６０℃）がそれぞれ適切である。保持時間については第２段目の溶体化処理は１〜５時間、時効処理は２４±２時間（２２〜２６時間）が適切である。

以下実施例により本発明の方法をさらに具体的に説明する。
（実施例）
表２に示す化学成分組成を有する合金Ａの丸棒（直径１５ｍｍ、長さ９０ｍｍ）を実験材とし、これを９００℃で１００００時間加熱して性能が劣化したものについて、所定の条件で１段溶体化処理又は２段溶体化処理後に時効処理を施し、５種類の再熱処理材を作製した。なお、溶体化処理の保持時間はいずれも２時間で一定とし、第１段目溶体化処理の加熱温度のみを実験パラメータとした。また、時効処理はいずれも８５０℃で２４時間の一定とした。得られた再熱処理材に未加熱材及び９００℃で１００００時間加熱した長時間加熱材を加えた試験材についてミクロ組織、硬さ、引張及びクリープ破断試験を行った。使用した試験材の区分及び再熱処理条件等を表３にまとめて示す。また、試験結果を図１〜図３及び表４〜表５に示す。

（１）合金Ａの試験
表４に示すように、合金Ａの未加熱材（試験材Ｎｏ．１）の硬さはＨＶ４２０、室温での引張強さ及び伸びは１１４．３ｋｇ／ｍｍ²及び７．１％である。これに９００℃×１００００時間の長時間加熱を施すと（試験材Ｎｏ．２）、硬さはＨＶ３６２に、室温での引張強さ及び伸びは８３．５ｋｇ／ｍｍ²及び２．２％にそれぞれ低下した。また、室温での０．２％耐力及び絞り、６５０℃での０．２％耐力、引張強さ、伸び及び絞りも未加熱材のそれらに比べて低下した。

表５に示すように、８５０℃×３０ｋｇ／ｍｍ²における未加熱材（試験材Ｎｏ．１）のクリープ破断時間は８３８時間、クリープ破断伸びは５．８％である。これに９００℃×１００００時間の長時間加熱を施すと（試験材Ｎｏ．２）、クリープ破断時間は４１７時間に、クリープ破断伸びは２．０％にそれぞれ低下した。また、８５０℃×３０ｋｇ／ｍｍ²における絞り、９００℃×２０．５ｋｇ／ｍｍ²におけるクリープ破断時間、クリープ破断伸び及び絞りも未加熱材のそれらに比べて低下した。

図２は試験材の５０００倍の顕微鏡写真であり、図２（ａ）が未加熱材（試験材Ｎｏ．１）、図２（ｂ）が９００℃×１００００時間の長時間加熱材（試験材Ｎｏ．２）の第２相の析出状態を示している。図２（ａ）では一辺が約０．５μｍの角状及び直径０．１μｍ以下の第２相が析出しているが、図２（ｂ）では一辺が約０．５μｍの角状の第２相は丸みを帯びた粒状の第２相へ変化するとともに粗大化し、０．１μｍ以下の第２相は消失している。図２に示すとおり、前記のような機械的性質及びクリープ破断性質の変化は、写真にみられるようなミクロ組織の変化、すなわち、析出した第２相の形状、粒径及び析出量に対応している。したがって、機械的性質及びクリープ破断性質の回復をはかるためには、粒状に粗大化した第２相を溶体化処理によって再固溶させた後、時効処理によって一辺が約０．５μｍの角状及び直径０．１μｍ以下の粒状第２相として再析出させる必要のあることがわかる。

このため、９００℃×１００００時間加熱材（試験材Ｎｏ．２）に１１２０℃、１１５０℃、１２００℃でそれぞれ２時間保持／空冷の１段溶体化処理を施した後、８５０℃×２４時間保持／空冷の時効処理を行った（試験材Ｎｏ．３、４、５）。それらの５０００倍の顕微鏡写真を図３（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に、硬さ及び引張試験結果を表４にそれぞれ示す。
図３（ａ）のミクロ組織は、図２（ｂ）の粒状粗大化した第２相がほとんど再固溶してなく、直径０．０５μｍ以下の第２相が少し再析出している。図３（ｂ）のミクロ組織は粒状粗大化した第２相のほぼ半数が再固溶しており、直径０．０８μｍ以下の第２相がやや多く再析出している。図３（ｃ）のミクロ組織は粒状粗大化した第２相の全てが再固溶しており、直径０．１μｍ以下の第２相のみが多数再析出している。このようなミクロ組織を有する試験材Ｎｏ．３、４及び５の延性（伸び）はそれぞれ３．５％、２．９％及び２．７％となっており、未加熱材の７．１％まで回復していない。
すなわち、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び表４より、１１２０℃、１１５０℃及び１２００℃の１段溶体化処理材の硬さと引張強度は、未加熱材のそれらに比べていずれも同等かそれ以上に回復するが、ミクロ組織と延性（伸び及び絞り）は回復していないことがわかる。

そこで、９００℃×１００００時間加熱材に、本発明の処理方法である１２００℃×２時間／炉冷＋１１２０℃×２時間／空冷（１２００℃で２時間保持後、室温まで炉冷し、再度１１２０℃に加熱して２時間保持後、室温まで空冷）の２段溶体化処理を施した後、８５０℃×２４時間／空冷の時効処理を行った。この処理材（試験材Ｎｏ．７）の５０００倍の顕微鏡写真を図１に、硬さ及び引張試験結果を表４に、クリープ破断試験結果を表５にそれぞれ示す。これらから、高温長時間加熱（使用）により強度や延性等の性能が低下した合金Ａに１２００℃×２時間／炉冷＋１１２０℃×２時間／空冷＋８５０℃×２４時間／空冷の熱処理を施すことにより、ミクロ組織、機械的性質及びクリープ破断性質の全てが、未加熱材（試験材Ｎｏ．１）と同等以上に回復することがわかる。

表３の試験材Ｎｏ．６は、本発明材であるＮｏ．７と同様に２段階溶体化処理及び時効処理を行ったものであり、表４及び５に示すように１段階溶体化処理によるものに比較して回復の程度は大きくなっているが、第１段目の溶体化処理温度が１１５０℃と低いため、延性の回復はまだ十分ではない。

本発明はガスタービンやジェットエンジンの胴翼などの部材として、高温下での使用により強度や延性等の性能が低下したＮｉ基耐熱合金の性能を熱履歴を受ける前の状態に回復させ、部材の再使用を可能とするＮｉ基耐熱合金の性能回復処理方法として有用である。

熱履歴を受けて性能が劣化した後に、本発明の方法により性能回復処理を施したＮｉ基耐熱合金のミクロ組織を示す顕微鏡写真。熱履歴を受ける前と後のＮｉ基耐熱合金のミクロ組織を示す顕微鏡写真。熱履歴を受けて性能の劣化した後に、各種熱処理を施したＮｉ基耐熱合金のミクロ組織を示す顕微鏡写真。

Claims

熱履歴を受けて性能が劣化した重量％でＣｒ：１３．１〜１５％、Ｃｏ：８．５〜１０．５％、Ｍｏ：１〜３．５％、Ｗ：３．５〜４．５％、Ｔａ：３〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．２〜３．２％、Ｃ：０．０６〜０．１２％、Ｂ：０．０２５％以下、Ｚｒ：０．０１〜０．０５％、Ｍｇ及び／又はＣａ：１〜１００ｐｐｍ、Ｈｆ：０〜１．５％を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物よりなるＮｉ基耐熱合金の性能回復処理方法であって、前記性能の劣化したＮｉ基耐熱合金に１２００±２５℃の温度で１〜５時間保持後炉冷する第１段溶体化処理を施し、続いて１１４０±２５℃の温度で１〜５時間保持後空冷する第２段溶体化処理を施し、さらに８３５±２５℃の温度で２４±２時間保持する時効処理を施すことを特徴とするＮｉ基耐熱合金の性能回復処理方法。