JP2006083447A - 強度、耐食性及び耐酸化特性に優れたニッケル基超合金 - Google Patents
強度、耐食性及び耐酸化特性に優れたニッケル基超合金 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】 本発明の目的は、高温でのクリ−プ破断強度を犠牲にすることなく、高温における耐酸化性および耐食性を向上させることが可能である単結晶Ni基超合金を提供することにある。
【解決手段】 本発明のニッケル基超合金は、重量でCr:3.0〜7.0％、Co:3.0〜15.0％、W:4.5〜8.0％、Re:3.3〜6.0％、Ta:4.0〜8.0％、Ti:0.8〜2.0％、Al:4.5〜6.5％、Ru:0.1〜6.0％、Hf:0.01〜0.2％、Mo:0〜0.5％未満、C:0〜0.06％、B:0〜0.01％、Zr:0〜0.01％、O:0〜0.005％、N:0〜0.005％、残部Ni及び不可避不純物よりなることを特徴とする。この合金に更に希土類元素を0.1〜100ppmの範囲で含有することができる。希土類元素の含有により高温での耐食性、耐酸化性が更に向上する。
【選択図】なし
【解決手段】 本発明のニッケル基超合金は、重量でCr:3.0〜7.0％、Co:3.0〜15.0％、W:4.5〜8.0％、Re:3.3〜6.0％、Ta:4.0〜8.0％、Ti:0.8〜2.0％、Al:4.5〜6.5％、Ru:0.1〜6.0％、Hf:0.01〜0.2％、Mo:0〜0.5％未満、C:0〜0.06％、B:0〜0.01％、Zr:0〜0.01％、O:0〜0.005％、N:0〜0.005％、残部Ni及び不可避不純物よりなることを特徴とする。この合金に更に希土類元素を0.1〜100ppmの範囲で含有することができる。希土類元素の含有により高温での耐食性、耐酸化性が更に向上する。
【選択図】なし
Description
本発明は、高温における強度、靭性、耐食性及び耐酸化特性に優れていることが要求される部品および製品の素材として利用するのに適したニッケル基超合金に関する。
近年、ジェットエンジンやガスタービンなどの動力機関においては、その高性能化および高効率化などのために、タービン入口温度の高温化が必要不可欠となっており、このような高温化に耐えうるタービンブレード材料の開発が重要課題とされている。
このような高温化に耐えうるタービンブレード材料に要求される主な特性は、高温での遠心力に耐えるための優れたクリープ破断強度、靭性、高温燃焼ガス雰囲気に対する優れた耐酸化性および耐食性である。そして、この要求特性を満たすために、現在ではNi基超合金の単結晶材（例えば、特許文献１参照）が有望視され、実用化の段階に入っている。
Ni基超合金の単結晶材は、従来の普通鋳造合金（等軸晶）や一方向凝固柱状晶合金と異なり、粒界がないために融点直下で溶体化処理することが可能であり、凝固偏析を完全に除去した均質組織を得ることができる。このため、従来の合金に比べてクリープ破断強度と靭性が著しく高いという特徴を有している。また、高温での溶体化処理によって、固溶強化元素も従来合金に比べて多く添加することが可能であり、固溶強化度の高いＷやTaを多量に添加して、クリープ破断強度を高めることができるという特徴を有している。
従来のNi基超合金は、一般に高温でのクリープ破断強度の改善を主目的として開発されており、そのほかの要求特性である高温における耐食性についてはあまり検討されていないのが実情である。
Ni基超合金の耐食性を向上させるためには、Cr又はRe含有量を多くすることが最も効果的である。しかし、Cr含有量を多くするとWやTaのような固溶強化度の高い元素の固溶限が低下し、クリ−プ破断強度を高めることが不可能になる。一方、Re量を多くすると高温強度及び耐食性は向上するが、高温での耐酸化特性が著しく低下する。以上のことから、高温での強度、耐食性及び耐酸化特性のいずれも満足する合金が無いのが実情である。
本発明の目的は、高温でのクリ−プ破断強度を犠牲にすることなく、高温における耐酸化性および耐食性を向上させることが可能である単結晶Ni基超合金を提供することにある。
本発明に係る強度、耐食性及び耐酸化特性に優れたニッケル基超合金は、重量でCr:3.0〜7.0％、Co:3.0〜15.0％、W:4.5〜8.0％、Re:3.3〜6.0％、Ta:4.0〜8.0％、Ti:0.8〜2.0％、Al:4.5〜6.5％、Ru:0.1〜6.0％、Hf:0.01〜0.2％、Mo:0〜0.5％未満、C:0〜0.06％、B:0〜0.01％、Zr:0〜0.01％、O:0〜0.005％、N:0〜0.005％、残部Ni及び不可避不純物よりなることを特徴とする。
好ましい組成範囲は、Cr:3.5〜7.0％、Co:10.1〜13.5％、W:4.5〜8.0％、Re:3.3〜5.5％、Ta:6.1〜8.0％、Ti:1.0〜2.0％、Al:4.5〜6.5％、Ru:0.1〜6.0％、Hf:0.03〜0.15％、Mo:0〜0.5％未満、C:0〜0.06％、B:0〜0.01％、Zr:0〜0.01％、O:0〜0.005％、N:0〜0.005％、残部Niおよび不可避不純物よりなるものである。この組成範囲内で各元素の含有量を選択するようにすれば、特性のバラツキは少なく抑えられる。
特性のバラツキを抑える上で、より好ましい組成範囲は、重量でCr3.8〜6.8％、Co:10.1〜12.5％、W:4.8〜7.0％、Re:3.3〜5.2％、Ta:6.1〜8.0％、Ti:1.2〜1.8％、Al:4.5〜6.5％、Ru:0.1〜6.0％、Hf:0.03〜0.15％、Mo:0〜0.5％未満、C:0〜0.06％、B:0〜0.01％、Zr:0〜0.01％、O:0〜0.005％、N:0〜0.005％、残部Niおよび不可避不純物よりなるものである。
特に好ましい組成範囲は、重量でCr3.8〜6.8％、Co:10.1〜12.5％、W:4.8〜7.0％、Re:3.3〜5.2％、Ta:6.1〜8.0％、Ti:1.2〜1.8％、Al:4.5〜6.5％、Ru:0.1〜6.0％、Hf:0.03〜0.15％、Mo:0〜0.1％未満、C:0〜0.06％、B:0〜0.01％、Zr:0〜0.01％、O:0〜0.005％、N:0〜0.005％、残部Niおよび不可避不純物よりなるものである。
最も好ましい組成範囲は、重量でCr3.8〜6.8％、Co:10.1〜12.5％、W:4.8〜7.0％、Re:3.3〜5.2％、Ta:6.1〜8.0％、Ti:1.2〜1.8％、Al:4.5〜6.5％、Ru:0.2〜4.0％、Hf:0.03〜0.15％、Mo:0〜0.1％未満、C:0〜0.06％、B:0〜0.01％、Zr:0〜0.01％、O:0〜0.005％、N:0〜0.005％、残部Niおよび不可避不純物よりなるものである。
本発明のニッケル基超合金には、さらに希土類元素を0.1〜100ppmの範囲内で含有させることができる。希土類元素の含有により高温での耐食性、耐酸化性が向上する。好ましい希土類元素はY又はCeである。
本発明は、高温で使用される製品或いは部品の素材すなわちインゴットの状態でのニッケル基超合金の成分組成を規定するものである。本発明の合金は、その後、鋳造され、主に単結晶合金として使用される。また、鋳造後には、通常、溶体化処理及び時効理よりなる熱処理が施される。
次に、本発明に係るニッケル基超合金の組成範囲限定理由について説明する。なお、本発明合金中で不可避不純物とは、ニッケル基超合金の製造過程で合金原料から持ち込まれる元素等を意味し、例えばSi、Mn、P、S等が該当する。
[Cr:3.0〜7.0重量％]
Crは合金の高温における耐食性を改善するのに有効な元素であり、その効果がより顕著に現れるのは3.0重量％以上の含有からである。Cr含有量の増加に伴ってその効果は大きくなるが、多くなると固溶強化元素の固溶限度を下げるとともに、脆化相であるTCP相が析出して高温強度や高温耐食性を害するため、その上限は7.0重量％とする必要がある。この組成範囲に於いて、強度と耐食性のバランスを考慮した場合、より好ましくは3.5〜7.0重量％の範囲、更に好ましくは3.8〜6.8重量％の範囲である。
[Co:3.0〜15.0重量％]
Coはγ'相（NiとAlの金属間化合物Ni3Al）の固溶温度を低下させて溶体化処理を容易にするほか、γ相を固溶強化すると共に高温耐食性を向上させる効果を有する。そのような効果が現れるのは、Coの含有量が3.0重量％以上からである。一方、Coの含有量が15.0重量％を越えると、析出強化相であるγ'相の析出を抑制し、高温強度を低下させてしまうため、15.0重量％以下にする必要がある。この組成範囲に於いて、溶体化熱処理の容易性と強度とのバランスを考慮した場合、より好ましくは10.1〜13.5重量％の範囲、更に好ましくは10.1〜12.5重量％の範囲である。
[W:4.5〜8.0重量％]
Wはマトリックスであるγ相と析出相であるγ'相に固溶し、固溶強化によりクリープ強度を高めるのに有効な元素である。このような効果を十分に得るためには4.5重量％以上の含有量が必要である。しかし、Wは比重が大きく、合金の密度を増大するばかりでなく、合金の高温における耐食性を低下させる。また、8.0重量％を越えると針状のα―Wが析出し、クリープ強度、高温耐食性および靭性を低下させるため、その上限は8.0重量％とする必要がある。この組成範囲に於いて、高温における強度、耐食性及び高温での組織安定性のバランスを考慮した場合、より好ましくは4.8〜7.0重量％の範囲である。
[Re:3.5〜6.0重量％]
Reはマトリックスであるγ相にほとんど固溶し、固溶強化によってクリープ強度を高めるとともに、合金の耐食性を改善するのに有効な元素である。このような効果を十分に得るためには3.5重量％以上の含有量が必要である。しかし、Reは高価であり、比重が大きく、合金の密度を増大する。また、6.0重量％を越えると針状のα−Wまたはα−Reが析出し、クリープ強度および靭性を低下させるため、その上限は6.0重量％とする必要がある。この組成範囲に於いて、高温における強度、耐食性及び高温での組織安定性のバランスを考慮した場合、より好ましくは3.3〜5.5重量％の範囲、更に好ましくは3.3〜5.2重量％の範囲である。
[Ta:4.0〜8.0重量％]
Taはγ'相に[Ni3（Al,Ta,Ti）]の形で固溶し固溶強化する。これによりクリープ強度が向上する。この効果を十分に得るためには、4.0重量％以上の含有量が必要であり、8.0重量％を越えて含有すると過飽和になって針状のδ相[Ni,Ta]が析出し、クリープ強度を低下させる。したがって、その上限は8.0重量％とする必要がある。この組成範囲に於いて、高温における強度と組織安定性のバランスを考慮した場合、より好ましくは6.1〜8.0重量％の範囲である。
[Ti:0.8〜2.0重量％]
TiはTaと同様にγ'相に[Ni3（Al,Ta,Ti）]の形で固相し固溶強化するが、Taほどの効果はない。むしろ、Tiは合金の高温における耐食性を改善する効果があるので0.8重量％以上の含有量とする。しかし、2.0重量％を越えて含有すると、耐酸化特性が劣化するため、その上限は2.0重量％とする必要がある。この組成範囲に於いて、高温における強度と耐食性、耐酸化特性のバランスを考慮した場合、より好ましくは1.0〜2.0重量％の範囲、更に好ましくは1.2〜1.8重量％の範囲である。
[Al:4.5〜6.5重量％]
Alは析出強化相であるγ'相[Ni3Al]の構成元素であり、これによりクリープ強度が向上する。また、耐酸化特性の向上にも大きく寄与する。それらの効果を十分得るためには、4.5重量％以上の含有量が必要であるが、6.5重量％を超えると、γ'相[Ni3Al]が過大に析出し、かえって強度を低下させることから、4.5〜6.5重量％の範囲とすることが必要である。
[Ru:0.1〜6.0％]
Ruは、γ'相（Ni3Al）の固溶できる領域を広げて溶体化処理を容易にするほか、γ相を固溶強化すると共に高温耐食性を向上させる効果を有する。そのような効果が現れるのは、Ruの含有量が0.1重量％以上からである。しかし、Ruは高価であり、含有量を多くすると素材の価格が上昇する。また、Ruの含有量が6.0％を越えると、析出強化相であるγ'相の析出を減少させて、高温強度を低下させてしまうため、6.0重量％以下にする必要がある。この組成範囲に於いて、溶体化熱処理の容易性、強度及びコストとのバランスを考慮した場合、より好ましくは0.2〜4.0重量％の範囲である。
[Hf:0.01〜0.2重量％]
Hfは合金表面に形成される保護皮膜（例えば、Cr2O3,Al２O3）の密着性を向上させて、高温での耐食、耐酸化性を向上させる。Hfの含有量が多くなると、保護皮膜の密着性は向上するが、0.2％を越えるとNi基超合金の融点を著しく下げてしまい、溶体化処理温度を狭くするため、0.2％以下にすることが必要である。この組成範囲に於いて、耐食性、耐酸化特性と合金の熱処理温度範囲のバランスを考慮した場合、より好ましくは0.03〜0.15重量％の範囲である。
[Mo:0.5重量％未満]
MoはＷと同様の効果を有するため、必要に応じてＷの一部と代替することが可能である。また、γ'相の固溶温度を上げるため、クリープ強度を向上させる効果がある。MoはＷに比べて比重が小さいため合金の軽量化が図れる。しかし、Moは合金の耐酸化特性および耐食性を低下させるため、含有してもその上限は0.5重量％未満とする必要がある。この組成範囲に於いて、高温における強度、耐食性及び高温での耐酸化特性のバランスを考慮した場合、より好ましくは0.1重量％未満であり、更に好ましくは実質的に含有しないことである。
[希土類元素：0.1〜100ppm]
希土類元素は高温での耐食、耐酸化性を向上させるために、合金表面に形成される保護皮膜（例えば、Cr2O3,Al２O3）の密着性を向上させる。保護皮膜の密着性を向上させるためには0.1ppm以上の含有が必要であるが、100ppmを越えるとNi基超合金の融点を下げてしまい、溶体化処理温度を狭くすると共に、鋳型と反応して鋳物表面に酸化物を形成し易くなることから100ppm以下にすることが望ましい。本発明の組成範囲に於いて、耐食性、耐酸化特性、合金鋳型との反応性、及び合金の熱処理温度範囲のバランスを考慮した場合、より好ましくは0.5〜20ppmの範囲である。尚、希土類元素はどの元素でも保護皮膜の密着性向上に効果があるが、特にCe、Yの効果が著しい。またCe、Yは他の希土類元素よりも安価であることから実用的な合金の添加剤としても適している。
[Ｃ：0.06重量％以下、Ｂ：0.01重量％以下、Zr：0.01重量％以下]
これらの元素は、従来の普通鋳造合金および一方向凝固柱状晶合金において粒界強化元素として用いられている。しかし、単結晶とする合金では、これら粒界強化元素は特に必要でなく、むしろ次に示す理由により有害元素となるため、以下のように規制する必要がある。
[Cr:3.0〜7.0重量％]
Crは合金の高温における耐食性を改善するのに有効な元素であり、その効果がより顕著に現れるのは3.0重量％以上の含有からである。Cr含有量の増加に伴ってその効果は大きくなるが、多くなると固溶強化元素の固溶限度を下げるとともに、脆化相であるTCP相が析出して高温強度や高温耐食性を害するため、その上限は7.0重量％とする必要がある。この組成範囲に於いて、強度と耐食性のバランスを考慮した場合、より好ましくは3.5〜7.0重量％の範囲、更に好ましくは3.8〜6.8重量％の範囲である。
[Co:3.0〜15.0重量％]
Coはγ'相（NiとAlの金属間化合物Ni3Al）の固溶温度を低下させて溶体化処理を容易にするほか、γ相を固溶強化すると共に高温耐食性を向上させる効果を有する。そのような効果が現れるのは、Coの含有量が3.0重量％以上からである。一方、Coの含有量が15.0重量％を越えると、析出強化相であるγ'相の析出を抑制し、高温強度を低下させてしまうため、15.0重量％以下にする必要がある。この組成範囲に於いて、溶体化熱処理の容易性と強度とのバランスを考慮した場合、より好ましくは10.1〜13.5重量％の範囲、更に好ましくは10.1〜12.5重量％の範囲である。
[W:4.5〜8.0重量％]
Wはマトリックスであるγ相と析出相であるγ'相に固溶し、固溶強化によりクリープ強度を高めるのに有効な元素である。このような効果を十分に得るためには4.5重量％以上の含有量が必要である。しかし、Wは比重が大きく、合金の密度を増大するばかりでなく、合金の高温における耐食性を低下させる。また、8.0重量％を越えると針状のα―Wが析出し、クリープ強度、高温耐食性および靭性を低下させるため、その上限は8.0重量％とする必要がある。この組成範囲に於いて、高温における強度、耐食性及び高温での組織安定性のバランスを考慮した場合、より好ましくは4.8〜7.0重量％の範囲である。
[Re:3.5〜6.0重量％]
Reはマトリックスであるγ相にほとんど固溶し、固溶強化によってクリープ強度を高めるとともに、合金の耐食性を改善するのに有効な元素である。このような効果を十分に得るためには3.5重量％以上の含有量が必要である。しかし、Reは高価であり、比重が大きく、合金の密度を増大する。また、6.0重量％を越えると針状のα−Wまたはα−Reが析出し、クリープ強度および靭性を低下させるため、その上限は6.0重量％とする必要がある。この組成範囲に於いて、高温における強度、耐食性及び高温での組織安定性のバランスを考慮した場合、より好ましくは3.3〜5.5重量％の範囲、更に好ましくは3.3〜5.2重量％の範囲である。
[Ta:4.0〜8.0重量％]
Taはγ'相に[Ni3（Al,Ta,Ti）]の形で固溶し固溶強化する。これによりクリープ強度が向上する。この効果を十分に得るためには、4.0重量％以上の含有量が必要であり、8.0重量％を越えて含有すると過飽和になって針状のδ相[Ni,Ta]が析出し、クリープ強度を低下させる。したがって、その上限は8.0重量％とする必要がある。この組成範囲に於いて、高温における強度と組織安定性のバランスを考慮した場合、より好ましくは6.1〜8.0重量％の範囲である。
[Ti:0.8〜2.0重量％]
TiはTaと同様にγ'相に[Ni3（Al,Ta,Ti）]の形で固相し固溶強化するが、Taほどの効果はない。むしろ、Tiは合金の高温における耐食性を改善する効果があるので0.8重量％以上の含有量とする。しかし、2.0重量％を越えて含有すると、耐酸化特性が劣化するため、その上限は2.0重量％とする必要がある。この組成範囲に於いて、高温における強度と耐食性、耐酸化特性のバランスを考慮した場合、より好ましくは1.0〜2.0重量％の範囲、更に好ましくは1.2〜1.8重量％の範囲である。
[Al:4.5〜6.5重量％]
Alは析出強化相であるγ'相[Ni3Al]の構成元素であり、これによりクリープ強度が向上する。また、耐酸化特性の向上にも大きく寄与する。それらの効果を十分得るためには、4.5重量％以上の含有量が必要であるが、6.5重量％を超えると、γ'相[Ni3Al]が過大に析出し、かえって強度を低下させることから、4.5〜6.5重量％の範囲とすることが必要である。
[Ru:0.1〜6.0％]
Ruは、γ'相（Ni3Al）の固溶できる領域を広げて溶体化処理を容易にするほか、γ相を固溶強化すると共に高温耐食性を向上させる効果を有する。そのような効果が現れるのは、Ruの含有量が0.1重量％以上からである。しかし、Ruは高価であり、含有量を多くすると素材の価格が上昇する。また、Ruの含有量が6.0％を越えると、析出強化相であるγ'相の析出を減少させて、高温強度を低下させてしまうため、6.0重量％以下にする必要がある。この組成範囲に於いて、溶体化熱処理の容易性、強度及びコストとのバランスを考慮した場合、より好ましくは0.2〜4.0重量％の範囲である。
[Hf:0.01〜0.2重量％]
Hfは合金表面に形成される保護皮膜（例えば、Cr2O3,Al２O3）の密着性を向上させて、高温での耐食、耐酸化性を向上させる。Hfの含有量が多くなると、保護皮膜の密着性は向上するが、0.2％を越えるとNi基超合金の融点を著しく下げてしまい、溶体化処理温度を狭くするため、0.2％以下にすることが必要である。この組成範囲に於いて、耐食性、耐酸化特性と合金の熱処理温度範囲のバランスを考慮した場合、より好ましくは0.03〜0.15重量％の範囲である。
[Mo:0.5重量％未満]
MoはＷと同様の効果を有するため、必要に応じてＷの一部と代替することが可能である。また、γ'相の固溶温度を上げるため、クリープ強度を向上させる効果がある。MoはＷに比べて比重が小さいため合金の軽量化が図れる。しかし、Moは合金の耐酸化特性および耐食性を低下させるため、含有してもその上限は0.5重量％未満とする必要がある。この組成範囲に於いて、高温における強度、耐食性及び高温での耐酸化特性のバランスを考慮した場合、より好ましくは0.1重量％未満であり、更に好ましくは実質的に含有しないことである。
[希土類元素：0.1〜100ppm]
希土類元素は高温での耐食、耐酸化性を向上させるために、合金表面に形成される保護皮膜（例えば、Cr2O3,Al２O3）の密着性を向上させる。保護皮膜の密着性を向上させるためには0.1ppm以上の含有が必要であるが、100ppmを越えるとNi基超合金の融点を下げてしまい、溶体化処理温度を狭くすると共に、鋳型と反応して鋳物表面に酸化物を形成し易くなることから100ppm以下にすることが望ましい。本発明の組成範囲に於いて、耐食性、耐酸化特性、合金鋳型との反応性、及び合金の熱処理温度範囲のバランスを考慮した場合、より好ましくは0.5〜20ppmの範囲である。尚、希土類元素はどの元素でも保護皮膜の密着性向上に効果があるが、特にCe、Yの効果が著しい。またCe、Yは他の希土類元素よりも安価であることから実用的な合金の添加剤としても適している。
[Ｃ：0.06重量％以下、Ｂ：0.01重量％以下、Zr：0.01重量％以下]
これらの元素は、従来の普通鋳造合金および一方向凝固柱状晶合金において粒界強化元素として用いられている。しかし、単結晶とする合金では、これら粒界強化元素は特に必要でなく、むしろ次に示す理由により有害元素となるため、以下のように規制する必要がある。
Ｃは炭化物（TiC,TaC等）を形成し塊状に析出する。この炭化物は、合金の融点に比べ溶融温度が低く、合金の融点直下で行う溶体化処理では局部溶融を起こすため、溶体化処理温度を上げることができず、単結晶の溶体化温度範囲を狭くする。さらに固溶強化元素であるTaと炭化物を形成することにより、固溶強化Taのみかけの含有量が少なくなり、高温でのクリープ強度を低下させる。そこで、Ｃの上限を0.06重量％とした。
Ｂはホウ化物[（Cr,Ni,Ti,Mo）3B2]を形成し、合金の粒界に析出する。このホウ化物も炭化物と同様に合金の融点に比べ低融点であり、単結晶の溶体化処理温度を低下させ、溶体化処理温度範囲を狭くする。そこで、Ｂの上限を0.01重量％とした。
ZrはNiと金属間化合物を形成する。この化合物は合金の融点を低下し、単結晶の溶体化処理温度を低下させ、溶体化処理温度範囲を狭くする。そこで、Zrの上限を0.01重量％とした。
[Ｏ：0.005重量％以下、Ｎ：0.005重量％以下]
これらの元素は、いずれも合金原料から持ち込まれることが多く、Ｏはるつぼからも入り、合金中にはAl2O3等の酸化物、或いはTiN、AlN等の窒化物として塊状に存在する。単結晶とする合金中にこれらが存在すると、クリープ変形中にこれらがクラックの起点となり、クリープ破断寿命が低下する。そこで両元素の上限をいずれも0.005重量％とした。
[Ｏ：0.005重量％以下、Ｎ：0.005重量％以下]
これらの元素は、いずれも合金原料から持ち込まれることが多く、Ｏはるつぼからも入り、合金中にはAl2O3等の酸化物、或いはTiN、AlN等の窒化物として塊状に存在する。単結晶とする合金中にこれらが存在すると、クリープ変形中にこれらがクラックの起点となり、クリープ破断寿命が低下する。そこで両元素の上限をいずれも0.005重量％とした。
本発明に係るニッケル基超合金は、高温でのクリープ破断強度が高く、しかも高温における耐食性、耐酸化特性も極めて優れている。このため、ジェットエンジンやガスタービンなどの動力機関の高性能化或いは高効率化のために、タービン入口温度を高める場合にも十分対応できるという非常に優れた効果を有する。
以下、本発明に係るニッケル基超合金のクリープ試験、酸化試験、耐食性試験結果について説明する。
表１及び表２に、本発明合金（No.Ａ1〜Ａ10）と比較例合金（No.Ｂ1〜Ｂ10）及び既存合金（No.Ｃ1〜Ｃ6）の化学組成を示す。表１には主要な合金元素を示し、表２には溶製したインゴットの不純物量を示した。既存合金No.Ｃ2、Ｃ3はすでに実用化されている単結晶合金であり、既存合金No.Ｃ5、Ｃ6は既に実用化されている一方向凝固合金である。
最初に各合金の素材を配合後、容量15kgの耐火るつぼを用い、真空誘導炉にて直径70mm、長さ200mmのインゴットを溶製した。単結晶試験片の鋳造は、上記インゴットを用いて、鋳型引き出し式一方向凝固法で行った。鋳型にはアルミナ質のセラミック鋳型を用い、鋳型加熱温度は1540℃、鋳型引き出し速度は２０cm/hとし、直径15mm、長さ100mmの単結晶試験片をセレクタ法で鋳造した。鋳造は、全て真空中で行った。鋳造した単結晶試験片の成長方位は、＜００１＞から全て１０°以内である。
鋳造した単結晶試験片には、表３に示す溶体化熱処理および時効熱処理を施した。これらの熱処理条件は別途予備試験を行い、マクロ組織及びミクロ組織から決定した。熱処理した単結晶試験片から機械加工により、平行部直径6.0mm、平行部長さ30mmのクリープ試験片と、長さ25mm、幅10mm、厚さ1.5mmの高温酸化試験片および直径８mm、長さ40mmの高温腐食試験片を切り出した。
表４に単結晶試験片に行った特性評価試験条件を示す。クリープ破断試験は、1040℃―137Mpa、920℃―314Mpaの２条件で行った。高温酸化試験は、1040℃―600時間の繰り返し酸化試験とし、3000時間酸化後の重量変化を測定した。また、高温腐食試験は、燃焼ガス中にＮａＣｌを８０ppm添加し、900℃で7時間の繰り返し腐食試験を行い、35時間腐食試験後の重量変化を測定した。これらの結果をまとめて表５に示す。
表５に示す結果から明らかなように、本発明合金No.Ａ1〜Ａ10は、既存の実用一方向凝固合金No.Ｃ5、Ｃ6に較べて腐食重量が著しく少なく、かつクリープ破断寿命が大幅に改善されている事が明らかである。また、既存の実用化された単結晶合金No.Ｃ2に対しては、酸化減量、腐食減量ともほぼ同じでありながら、クリープ破断寿命が大幅に改善されている。
他の既存の単結晶合金と比較すると、合金No.Ｃ1に対しては強度と耐食性が、合金No.Ｃ3に対してはクリープ破断強度が改善されている。又、合金Ｎｏ.Ｃ4に対してはクリープ破断強度がやや優れ、更に耐酸化特性、耐食性とも大幅に改善されており、本発明合金はバランスの取れた合金となっている。
又、本発明合金では、希土類元素であるCeをわずかに含有すると、合金No.Ａ9〜Ａ10にみられるように、クリープ判断強度及び耐食性を犠牲にすることなく、耐酸化性が大幅に改善されることが認められた。すなわち、本発明合金では、高温での耐酸化特性の改善にCeの含有が効果的であることが明瞭になった。
以上のように、本発明合金は高温クリープ強度、高温耐食性、耐酸化特性に著しく優れたバランスの取れた合金であることが認められた。これに対して、本発明合金の成分範囲を満足しない比較例合金No.Ｂ1〜Ｂ10では、クリープ破断寿命が短い場合があり、また高温での耐酸化特性や耐食性が劣っており、すべての特性に優れたバランスの取れた合金にはなっていない。また、比較合金No.Ｂ1〜Ｂ5、Ｂ8〜Ｂ10は、耐食性及び耐酸化特性は比較的良好であるが、クリープ破断強度は本発明合金よりも大きく劣っている。比較合金No.Ｂ6、Ｂ7は、本発明合金とほぼ同じクリープ破断強度を有しているが、高温での耐食性、耐酸化特性がともに劣っている。
本発明のニッケル基超合金は高温でのクリープ破断強度、耐食性及び耐酸化特性がいずれも極めて優れている。近年、ジェットエンジンあるいはガスタービン等の動力機関においては、高性能化及び高効率化のためにタービン入口温度が高くなってきているが、本発明は、このような高温化に対処するものとして好適である。
Claims (10)
- 重量でCr:3.0〜7.0％、Co:3.0〜15.0％、W:4.5〜8.0％、Re:3.3〜6.0％、Ta:4.0〜8.0％、Ti:0.8〜2.0％、Al:4.5〜6.5％、Ru:0.1〜6.0％、Hf:0.01〜0.2％、Mo:0〜0.5％未満、C:0〜0.06％、B:0〜0.01％、Zr:0〜0.01％、O:0〜0.005％、N:0〜0.005％、残部Ni及び不可避不純物よりなることを特徴とする強度、耐食性及び耐酸化特性に優れたニッケル基超合金。
- 重量でCr:3.5〜7.0％、Co:10.1〜13.5％、W:4.5〜8.0％、Re:3.3〜5.5％、Ta:6.1〜8.0％、Ti:1.0〜2.0％、Al:4.5〜6.5％、Ru:0.1〜6.0％、Hf:0.03〜0.15％、Mo:0〜0.5％未満、C:0〜0.06％、B:0〜0.01％、Zr:0〜0.01％、O:0〜0.005％、N:0〜0.005％、残部Ni及び不可避不純物よりなることを特徴とする請求項１記載の強度、耐食性及び耐酸化特性に優れたニッケル基超合金。
- 重量でCr3.8〜6.8％、Co:10.1〜12.5％、W:4.8〜7.0％、Re:3.3〜5.2％、Ta:6.1〜8.0％、Ti:1.2〜1.8％、Al:4.5〜6.5％、Ru:0.1〜6.0％、Hf:0.03〜0.15％、Mo:0〜0.5％未満、C:0〜0.06％、B:0〜0.01％、Zr:0〜0.01％、O:0〜0.005％、N:0〜0.005％、残部Ni及び不可避不純物よりなることを特徴とする請求項１記載の強度、耐食性及び耐酸化特性に優れたニッケル基超合金。
- 重量でCr3.8〜6.8％、Co:10.1〜12.5％、W:4.8〜7.0％、Re:3.3〜5.2％、Ta:6.1〜8.0％、Ti:1.2〜1.8％、Al:4.5〜6.5％、Ru:0.1〜6.0％、Hf:0.03〜0.15％、Mo:0〜0.1％未満、C:0〜0.06％、B:0〜0.01％、Zr:0〜0.01％、O:0〜0.005％、N:0〜0.005％、残部Ni及び不可避不純物よりなることを特徴とする請求項１記載の強度、耐食性及び耐酸化特性に優れたニッケル基超合金。
- 重量でCr3.8〜6.8％、Co:10.1〜12.5％、W:4.8〜7.0％、Re:3.3〜5.2％、Ta:6.1〜8.0％、Ti:1.2〜1.8％、Al:4.5〜6.5％、Ru:0.2〜4.0％、Hf:0.03〜0.15％、Mo:0〜0.1％未満、C:0〜0.06％、B:0〜0.01％、Zr:0〜0.01％、O:0〜0.005％、N:0〜0.005％、残部Ni及び不可避不純物よりなることを特徴とする請求項１記載の強度、耐食性及び耐酸化特性に優れたニッケル基超合金。
- 重量でCr:3.0〜7.0％、Co:3.0〜15.0％、W:4.5〜8.0％、Re:3.3〜6.0％、Ta:4.0〜8.0％、Ti:0.8〜2.0％、Al:4.5〜6.5％、Ru:0.1〜6.0％、Hf:0.01〜0.2％、Mo:0〜0.5％未満、C:0〜0.06％、B:0〜0.01％、Zr:0〜0.01％、O:0〜0.005％、N:0〜0.005％、希土類元素:0.1〜100ppm、残部Ni及び不可避不純物よりなることを特徴とする強度、耐食性及び耐酸化特性に優れたニッケル基超合金。
- 希土類元素を0.5〜20ppm含む請求項６記載の強度、耐食性及び耐酸化特性に優れたニッケル基超合金。
- 希土類元素がY又はCeである請求項６記載の強度、耐食性及び耐酸化特性に優れたニッケル基超合金。
- 母相はγの実質的な単結晶組織であり、単結晶の母相中にγ’相が析出した組織からなる請求項１記載の強度、耐食性及び耐酸化特性に優れたニッケル基超合金。
- 母相はγの実質的な単結晶組織であり、単結晶の母相中にγ’相が析出した組織からなる請求項６記載の強度、耐食性及び耐酸化特性に優れたニッケル基超合金。
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