JP2006077324A - 安定な高温ニッケルベース超合金およびその超合金を利用する単結晶物品 - Google Patents
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Abstract
【課題】高レベルの耐熱金属を有するニッケルベース超合金を提供する。
【解決手段】 物品が、重量％で、０．４〜６．５％のルテニウムと、３〜８％のレニウムと、５．８〜１０．７％のタンタルと、４．２５〜１７．０％のコバルトと、０．１〜２．０％のハフニウムと、０．０２〜０．４％の炭素と、０．００１〜０．００５％のホウ素と、０〜０．０２％のイットリウムと、１〜４％のモリブデンと、１．２５〜１０％のクロムと、０．５〜２．０％のニオブと、０．０５〜０．５％のジルコニウムと、５．０〜６．６％のアルミニウムと、０〜２．０％のチタンと、３．０〜７．５％のタングステンと、０．１〜６％の白金、イリジウム、ロジウム、およびパラジウム、ならびにそれらの組合せからなる群から選択される元素とからなり、残部が、ニッケル等である組成を有する単結晶の部片（４０）を含む。
【選択図】図１
【解決手段】 物品が、重量％で、０．４〜６．５％のルテニウムと、３〜８％のレニウムと、５．８〜１０．７％のタンタルと、４．２５〜１７．０％のコバルトと、０．１〜２．０％のハフニウムと、０．０２〜０．４％の炭素と、０．００１〜０．００５％のホウ素と、０〜０．０２％のイットリウムと、１〜４％のモリブデンと、１．２５〜１０％のクロムと、０．５〜２．０％のニオブと、０．０５〜０．５％のジルコニウムと、５．０〜６．６％のアルミニウムと、０〜２．０％のチタンと、３．０〜７．５％のタングステンと、０．１〜６％の白金、イリジウム、ロジウム、およびパラジウム、ならびにそれらの組合せからなる群から選択される元素とからなり、残部が、ニッケル等である組成を有する単結晶の部片（４０）を含む。
【選択図】図１
Description
本発明は、航空機ガスタービンエンジンに使用されるものなどニッケルベース超合金に関し、より詳細には、ガスタービンブレードおよびベーンに使用されるものなど単結晶ニッケルベース超合金に関する。
航空機ガスタービン（ジェット）エンジンでは、空気が、エンジンの前部に引き込まれ、軸取付け圧縮器によって圧縮され、燃料と混合される。この混合物が燃焼され、その結果生じる高温燃焼ガスが、同じ軸に取り付けられたタービンを通して送られる。高温燃焼ガスの流れは、タービンブレードのエアフォイル部分に接触することによってタービンを回転させ、これが軸を回転させて、圧縮器に動力を提供する。高温排気ガスがエンジンの後部から流れて、エンジンおよび航空機を前方に進める。さらに、バイパスファンが存在する場合があり、これは、空気をエンジンの中心コアの周りに送り、タービンセクションから延在する軸によって駆動される。
高温燃焼ガスの温度が高ければ高いほど、エンジンの効率が良くなる。したがって、いっそう高い温度および荷重でエンジンの材料を操作しようとする動機がある。より高い温度を実現するために様々な技法および構造が使用されており、例えば、改良された合金組成物、指向性の単結晶タービンブレード、環境からの保護を提供し、かつタービンブレードに塗布される断熱材として働く断熱コーティング、および物理的な冷却技法が挙げられる。ニッケルベース超合金は、ガスタービンブレードおよびベーンの構成材料として広く使用されている。
先進のニッケルベース超合金は、レニウム、タングステン、タンタル、およびモリブデンなど耐熱合金元素を実質的な量含み、これらの元素は、他の元素の原子拡散を抑制し、したがってクリープなど高温機械特性を改善する。多量の耐熱合金元素の存在は、超合金から作成された物品に様々な種類の微細構造不安定性をもたらす可能性もある。１つのそのような微細構造不安定性は、約１８００°Ｆ（約９８２°Ｃ）よりも高い温度に超合金を長時間露出した後にＴＣＰ（ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｌｙ ｃｌｏｓｅ−ｐａｃｋｅｄ）相が形成されることである。ＴＣＰ相は脆性があり、また、ＴＣＰ相への固溶体強化元素の区分化をもたらし、それにより高温強度の損失が生じる。
米国特許第６，６０７，６１１号
他の元素の拡散を低減して、高温機械特性を改善する働きをするように耐熱元素が存在できるようにし、それと同時にＴＣＰ相形成などの不安定性を低減し、または理想的には回避し、さらに高温機械特性を保持する、または改善する手法が求められている。本発明は、この要求を満たし、さらに、関連する利点を提供する。
本発明は、高レベルの耐熱金属を有し、しかし微細構造不安定性への傾向が低いニッケルベース超合金を提供する。高温機械特性も改善される。このニッケルベース超合金では、鋳造性および熱処理性が犠牲にならない。
物質の組成は、本質的に、重量パーセントで、約０．４〜約６．５パーセントのルテニウムと、約３〜約８パーセントのレニウムと、約５．８〜約１０．７パーセントのタンタルと、約４．２５〜約１７．０パーセントのコバルトと、約０．１〜約２．０パーセントのハフニウムと、約０．０２〜約０．４パーセントの炭素と、約０．００１〜約０．００５パーセントのホウ素と、０〜約０．０２パーセントのイットリウムと、約１〜約４パーセントのモリブデンと、約１．２５〜約１０パーセントのクロムと、約０．５〜約２．０パーセントのニオブと、約０．０５〜約０．５パーセントのジルコニウムと、約５．０〜約６．６パーセントのアルミニウムと、０〜約２．０パーセントのチタンと、約３．０〜約７．５パーセントのタングステンと、約０．１〜約６パーセントの白金、イリジウム、ロジウム、およびパラジウム、ならびにそれらの組合せからなる群から選択される元素とからなる。物質の組成の残部は、ニッケル、および付随する不純物である。
この広い範囲内での好ましい物質の組成は、重量パーセントで、約３パーセントのルテニウムと、約５．５パーセントのレニウムと、約８．２５パーセントのタンタルと、約１６．５パーセントのコバルトと、０．５〜約２．０パーセントのハフニウムと、約０．０３パーセントの炭素と、約０．００４パーセントのホウ素と、約０．０１パーセントのイットリウムと、約２．０パーセントのモリブデンと、約２パーセントのクロムと、約１〜約２パーセントのニオブと、約０．１〜約０．５パーセントのジルコニウムと、約５．５パーセントのアルミニウムと、０〜約２．０パーセントのチタンと、約６パーセントのタングステンと、残部のニッケルおよび付随する不純物とからなる公称組成を有する。この組成は、約０．５〜約２．０パーセントの白金、イリジウム、ロジウム、およびパラジウム、ならびにそれらの組合せからなる群から選択される元素を有することが好ましい。
物品は、本明細書で上に記載した、かつ別の箇所に記載する組成を有する実質的に単結晶の部片を備える。単結晶部片は、実質的にＴＣＰ相を含まないことが望ましい。物品は、ガスタービンブレードまたはガスタービンベーンなど、ガスタービンエンジンの構成要素にすることができる。いくつかの適用例では、アルミニウム化合物保護コーティング、および任意選択でセラミック断熱コーティングなど、実質的に単結晶の部片を覆う保護コーティングが存在する場合がある。
本発明の手法は、従来の超合金と等しい、またはそれを上回る超合金の機械特性を実現し、それと同時に、ＴＣＰ相など微細構造不安定性の発生を最小限に抑える、遅延する、または理想的には完全に回避する。高レベルのイリジウム、ロジウム、パラジウム、および／または白金の存在が、機械特性を改善する。ハフニウムおよびジルコニウムは、無被覆の物品の場合でも、アルミニウム化合物保護コーティングで被覆された物品の場合でも、強度および耐環境性の改善に寄与する。良好な鋳造性および熱処理性が保たれる。
本発明の他の特徴および利点は、例として本発明の原理を示す添付図面と共に、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明を読めば明らかになろう。ただし、本発明の範囲は、この好ましい実施形態に限定されない。
図１に、タービンブレードやタービンベーンなど、ガスタービンエンジンの構成要素物品の１つ、この例ではタービンブレード２０を示す。タービンブレード２０は、エアフォイル２２を含み、そこに高温排気ガスの流れが向けられる（タービンベーンは、当該のエアフォイル部分に関して同様の外観をしている）。少なくともエアフォイル２２、好ましくはタービンブレード２０全体が、実質的に単結晶である。すなわち、単結晶部分には粒界が実質的に存在せず、全体にわたって結晶方位が同じである。用語「実質的に単結晶」は、他の結晶方位を有するいくつかの偶発的な小さな領域が存在することもあるが、実質上、物品全体、好ましくはその体積の少なくとも９０パーセントが単結晶であることを意味する。実質的に単結晶の物品にさえ、通常は数ヶ所の低角度粒界が存在し、これは、当技術分野で周知のように、用語「実質的に単結晶」の範囲内と認められる。
物品は、実質的に単結晶（すなわち単一粒子）でなければならない。多結晶、すなわち、ランダムな多結晶、または指向性凝固によって生成されるものなど配向多結晶であってはならない。多結晶合金では、炭素、ホウ素、ハフニウム、およびジルコニウムなど、粒界を強化することが分かっている元素をより高レベルで添加することが慣例である。ジルコニウムおよびハフニウムは、化学反応性があり、析出相の形態を変え、合金の熱処理に悪影響を及ぼす可能性がある。これらの元素は、高角度粒界を強化するためには必要とされず、高角度粒界は、実質的に単結晶の物品には存在しないので、それゆえ、存在する可能性がある低角度粒界を強化するためのごく少量の外はこれらの元素を単結晶物品から除くことが一般的な業界の慣行である。本発明の合金は、この手法から離れ、実質的に単結晶の合金にさえも実質的な量のハフニウムおよびジルコニウムを添加する。
タービンブレード２０は、ダブテール２４によってタービンディスク（図示せず）に取り付けられ、ダブテール２４は、エアフォイル２２から下方へ延在し、タービンディスクのスロットに係合する。エアフォイル２２がダブテール２４に接合される領域から、プラットフォーム２６が、長手方向で外側へ延在する。いくつかの物品では、複数の任意選択の冷却チャネルが、エアフォイル２２の内部を通って延在し、エアフォイル２２の表面にある開口２８で終端する。冷却空気の流れが、冷却チャネルを通して誘導されて、エアフォイル２２の温度を低下させる。
実質的に単結晶の物品は、次に論じる合金組成の溶融物の指向性凝固によって製造されることが好ましい。他の材料および組成物から実質的に単結晶の部片を生成するための指向性凝固技法は、当技術分野で知られており、それと同じ技法をここで使用することができる。
物品は、ニッケルベース超合金から形成される。本明細書で使用する際、「ニッケルベース」は、その組成に、任意の他の元素よりも多くのニッケルが存在することを意味する。ニッケルベース超合金は、典型的には、ガンマプライム相またはそれに関係する相の析出によって強化された組成物からなる。
物品およびニッケルベース超合金は、好ましくは、本質的に、重量パーセントで、０．４〜６．５パーセントのルテニウムと、３〜８パーセントのレニウムと、５．８〜１０．７パーセントのタンタルと、４．２５〜１７．０パーセントのコバルトと、０．１〜２．０パーセントのハフニウムと、０．０２〜０．４パーセントの炭素と、０．００１〜０．００５パーセントのホウ素と、０〜０．０２パーセントのイットリウムと、１〜４パーセントのモリブデンと、１．２５〜１０パーセントのクロムと、０．５〜２．０パーセントのニオブと、０．０５〜０．５パーセントのジルコニウムと、５．０〜６．６パーセントのアルミニウムと、０〜２．０パーセントのチタンと、３．０〜７．５パーセントのタングステンと、０．１〜６パーセントの白金、イリジウム、ロジウム、およびパラジウム、ならびにそれらの組合せからなる群から選択される元素とからなる組成を有する。組成の残部は、ニッケル、および付随する不純物である。
より好ましくは、この広い範囲内で、物品が、重量パーセントで、３パーセントのルテニウムと、５．５パーセントのレニウムと、８．２５パーセントのタンタルと、１６．５パーセントのコバルトと、０．５〜２．０パーセントのハフニウムと、０．０３パーセントの炭素と、０．００４パーセントのホウ素と、０．０１パーセントのイットリウムと、２．０パーセントのモリブデンと、２パーセントのクロムと、１〜２パーセントのニオブと、０．１〜０．５パーセントのジルコニウムと、５．５パーセントのアルミニウムと、０〜２．０パーセントのチタンと、６パーセントのタングステンと、残部のニッケルおよび付随する不純物という特定の元素の限定を有する。この組成は、０．５〜２．０パーセントの白金、イリジウム、ロジウム、およびパラジウム、ならびにそれらの組合せからなる群から選択される元素を有することが好ましい。
ルテニウムの量は、約０．４重量パーセントよりも少なくしてはならない。より少量のルテニウムは、不利益なＴＣＰ相形成に対して微細構造を効果的に安定させないためである。ルテニウムの量は、約８重量パーセントよりも多くしてはならない。より多量のルテニウムの安定性効果は、合金への費用および密度増加の割に小さいためである。
レニウムの量は、約３重量パーセントよりも少なくしてはならない。より少量では、固溶体強化による充分なクリープ破断強度を提供しないためである。レニウムの量は、約８重量パーセントよりも多くしてはならない。より多量では、微細構造不安定性、費用の増加、および材料密度の増加をもたらすためである。
タンタルの量は、約５．８重量パーセントよりも少なくしてはならない。より少量では、析出強化による充分なクリープ破断強度を提供しないためである。タンタルの量は、約１０．７重量パーセントよりも多くしてはならない。このレベルよりも上での強度効果は、合金への費用および密度増加の割に小さいためである。
コバルトの量は、約４．２５重量パーセントよりも少なくしてはならない。より少量では、不利益なＴＣＰ相形成に対して微細構造を安定させるように効果的に作用しないためである。コバルトの量は、約１７．０重量パーセントよりも多くしてはならない。より多量では、ガンマプライムソルバスの温度を低下させることによって高温強度に不利益となるためである。
ハフニウムの量は、約０．１重量パーセントよりも少なくしてはならない。より少量では、充分な低角度粒界強化、析出強化、および耐環境性を提供しないためである。ハフニウムの量は、約２．０重量パーセントよりも多くしてはならない。より多量では、最適な強度を得るために合金を適切に熱処理するのを難しくするためである。
炭素の量は、約０．０２重量パーセントよりも少なくしてはならない。より少量では、合金溶融物から不利益な含有物を除去するように効果的に働かないためである。炭素の量は、約０．４重量パーセントよりも多くしてはならない。より多量では、疲労特性を低下させる可能性がある過剰の炭化物形成をもたらすためである。
ホウ素の量は、約０．００１重量パーセントよりも少なくしてはならない。より少量では、充分な低角度粒界強度を提供しないためである。ホウ素の量は、約０．００６重量パーセントよりも多くしてはならない。より多量では、過剰の初期溶融をもたらすためである。
イットリウムの量は、約０．０２重量パーセントよりも多くしてはならない。より多量では、余剰の初期溶融をもたらすためである。
モリブデンの量は、約１重量パーセントよりも少なくしてはならない。より少量では、固溶体強化による充分なクリープ破断強度を提供しないためである。モリブデンの量は、約４重量パーセントよりも多くしてはならない。より多量では、耐環境性を低下させるためである。
クロムの量は、約１．２５重量パーセントよりも少なくしてはならない。より少量では、充分な耐環境性を提供しないためである。クロムの量は、約１０重量パーセントよりも多くしてはならない。より多量では、微細構造不安定性をもたらすためである。
ニオブの量は、約０．５重量パーセントよりも少なくしてはならない。より少量では、析出強化による充分なクリープ破断強度を提供しないためである。ニオブの量は、約２重量パーセントよりも多くしてはならない。より多量では、耐環境性を低下させるためである。
ジルコニウムの量は、約０．０５重量パーセントよりも少なくしてはならない。より少量では、充分な低角度粒界強化、析出硬化、および耐環境性を提供しないためである。ジルコニウムの量は、約０．５重量パーセントよりも多くしてはならない。より多量では、余剰の初期溶融をもたらすためである。
アルミニウムの量は、約５．０重量パーセントよりも少なくしてはならない。より少量では、充分な耐環境性を提供しないためである。アルミニウムの量は、約６．６重量パーセントよりも多くしてはならない。より多量では、微細構造不安定性をもたらすためである。
チタンの量は、約２．０重量パーセントよりも多くしてはならない。より多量では、耐環境性を低下させるためである。
タングステンの量は、約３．０重量パーセントよりも少なくしてはならない。より少量では、固溶体強化による充分なクリープ破断強度を提供しないためである。タングステンの量は、約７．５重量パーセントよりも多くしてはならない。より多量では、微細構造不安定性をもたらすためである。
白金、イリジウム、ロジウム、もしくはパラジウム、またはそれらの組合せの量は、約０．１パーセントよりも少なくしてはならない。より少量では、充分なクリープ強度を提供しないためである。白金、イリジウム、ロジウム、もしくはパラジウム、またはそれらの組合せの量は、約６パーセントよりも多くしてはならない。より多量での強度効果は、合金への費用および密度増加の割に小さいためである。
図２は、タービンブレード２０のエアフォイル２２を通る断面図である。この断面図では、エアフォイル２２の本体は、上で論じたニッケルベース超合金からなる。本体は、実質的に単結晶の部片４０であり、製造時、および高温での長時間の露出後、例えば約１８００°Ｆ（約９８２°Ｃ）よりも高い温度での４００時間を超える露出後に、実質的にＴＣＰ相を含まないことが好ましい。
単結晶部片４０は、裸の表面のまま使用することができる。しかし、燃焼ガス環境での高温の使用温度では、裸の表面は、著しい金属損失と共に急速に酸化される。任意選択で、しかし好ましくは、実質的に単結晶の部片４０の表面４４を覆って保護コーティング４２が塗布される。保護コーティング４２は、表面４４に対する酸化および高温ガスによる損傷を低減する。図２は、任意選択の保護コーティング４２の２つの実施形態を示す。一方の実施形態では、保護コーティング４２は、その開示全体を本明細書に参照として組み込む米国特許第６６０７６１１号に開示されている種類の拡散またはオーバーレイアルミニウム含有コーティングなど、表面４４に接触する環境コーティング４６のみを含む。他方の実施形態では、保護コーティング４２が、表面４４に接触する環境コーティング４６と、さらに、環境コーティング４６を覆い、それに接触する、イットリア安定化ジルコニアなどのセラミック材料からなる断熱コーティング４８とを含む。断熱コーティング４８およびその堆積も、米国特許第６６０７６１１号に記載されている。
本発明の特定の実施形態を例示の目的で詳細に説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な修正および強化を施すことができる。
２０ タービンブレード
２２ エアフォイル
２４ ダブテール
２６ プラットフォーム
２８ 開口
４０ 実質的に単結晶の部片
４２ 保護コーティング
４４ 表面
４６ 環境コーティング
４８ 断熱コーティング
２２ エアフォイル
２４ ダブテール
２６ プラットフォーム
２８ 開口
４０ 実質的に単結晶の部片
４２ 保護コーティング
４４ 表面
４６ 環境コーティング
４８ 断熱コーティング
Claims (10)
- 本質的に、重量パーセントで、０．４〜６．５パーセントのルテニウムと、３〜８パーセントのレニウムと、５．８〜１０．７パーセントのタンタルと、４．２５〜１７．０パーセントのコバルトと、０．１〜２．０パーセントのハフニウムと、０．０２〜０．４パーセントの炭素と、０．００１〜０．００５パーセントのホウ素と、０〜０．０２パーセントのイットリウムと、１〜４パーセントのモリブデンと、１．２５〜１０パーセントのクロムと、０．５〜２．０パーセントのニオブと、０．０５〜０．５パーセントのジルコニウムと、５．０〜６．６パーセントのアルミニウムと、０〜２．０パーセントのチタンと、３．０〜７．５パーセントのタングステンと、０．１〜６パーセントの白金、イリジウム、ロジウム、およびパラジウム、ならびにそれらの組合せからなる群から選択される元素とからなり、残部が、ニッケル、および付随する不純物である物質の組成。
- 重量パーセントで、３パーセントのルテニウムと、５．５パーセントのレニウムと、８．２５パーセントのタンタルと、１６．５パーセントのコバルトと、０．５〜２．０パーセントのハフニウムと、０．０３パーセントの炭素と、０．００４パーセントのホウ素と、０．０１パーセントのイットリウムと、２．０パーセントのモリブデンと、２パーセントのクロムと、１〜２パーセントのニオブと、０．１〜０．５パーセントのジルコニウムと、５．５パーセントのアルミニウムと、０〜２．０パーセントのチタンと、６パーセントのタングステンと、０．５〜２．０パーセントの白金、イリジウム、ロジウム、およびパラジウム、ならびにそれらの組合せからなる群から選択される元素とからなる公称組成を有する請求項１記載の物質の組成。
- ０．５〜２．０パーセントの白金、イリジウム、ロジウム、およびパラジウム、ならびにそれらの組合せからなる群から選択される元素を有する請求項１記載の物質の組成。
- 本質的に、重量パーセントで、０．４〜６．５パーセントのルテニウムと、３〜８パーセントのレニウムと、５．８〜１０．７パーセントのタンタルと、４．２５〜１７．０パーセントのコバルトと、０．１〜２．０パーセントのハフニウムと、０．０２〜０．４パーセントの炭素と、０．００１〜０．００５パーセントのホウ素と、０〜０．０２パーセントのイットリウムと、１〜４パーセントのモリブデンと、１．２５〜１０パーセントのクロムと、０．５〜２．０パーセントのニオブと、０．０５〜０．５パーセントのジルコニウムと、５．０〜６．６パーセントのアルミニウムと、０〜２．０パーセントのチタンと、３．０〜７．５パーセントのタングステンと、０．１〜６パーセントの白金、イリジウム、ロジウム、およびパラジウム、ならびにそれらの組合せからなる群から選択される元素とからなり、残部が、ニッケル、および付随する不純物である組成を有する単結晶の部片（４０）を備える物品。
- 前記単結晶部片（４０）が、実質的にＴＣＰ相を含まない請求項４記載の物品。
- 重量パーセントで、３パーセントのルテニウムと、５．５パーセントのレニウムと、８．２５パーセントのタンタルと、１６．５パーセントのコバルトと、０．５〜２．０パーセントのハフニウムと、０．０３パーセントの炭素と、０．００４パーセントのホウ素と、０．０１パーセントのイットリウムと、２．０パーセントのモリブデンと、２パーセントのクロムと、１〜２パーセントのニオブと、０．１〜０．５パーセントのジルコニウムと、５．５パーセントのアルミニウムと、０〜２．０パーセントのチタンと、６パーセントのタングステンと、０．５〜２．０パーセントの白金、イリジウム、ロジウム、およびパラジウム、ならびにそれらの組合せからなる群から選択される元素とからなる公称組成を有する請求項４記載の物品。
- ０．５〜２．０パーセントの白金、イリジウム、ロジウム、およびパラジウム、ならびにそれらの組合せからなる群から選択される元素を含む公称組成を有する請求項４記載の物品。
- ガスタービンエンジンの構成要素である請求項４記載の物品。
- ガスタービンブレード（２０）またはガスタービンベーンである請求項４記載の物品。
- さらに、前記単結晶の部片（４０）を覆う保護コーティングを含む請求項４記載の物品。
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