JP2009097094A - Nickel-base superalloy - Google Patents

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Robert John Mitchell
ロバート・ジョン・ミッチェル
Mark Christopher Hardy
マーク・クリストファー・ハーディー
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nickel-base superalloy which is excellent in temperature capability and flow stress capability by adding cobalt of a high level and titanium, and to provide a gas turbine engine component using the alloy. <P>SOLUTION: The nickel-base superalloy consists of 20 to 40 wt.% cobalt, 10 to 15 wt.% chromium, 3 to 6 wt.% molybdenum, 0 to 5 wt.% tungsten, 2.5 to 4 wt.% aluminum, 3.4 to 5 wt.% titanium, 1.35 to 2.5 wt.% tantalum, 0 to 2 wt.% niobium, 0.5 to 1 wt.% hafnium, 0 to 0.1 wt.% zirconium, 0.01 to 0.05 wt.% carbon, 0.01 to 0.05 wt.% boron, and 0 to 2 wt.% silicon, and the remainder is nickel and incidental impurities. Its gamma prime phase includes (Ni/Co)<SB>3</SB>(Al/Ti/Ta). <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

発明の詳細な説明Detailed Description of the Invention

本発明は、ニッケル基超合金に関する。
Udimet 720Liにコバルトとチタンとを添加することは、“Microstructure and Yield Strength of Udimet 720Li Alloyed with Co-16.9wt％ Ti”，C Cui、Y Gu、H Harada及びA Sato、Metallurgical and Materials Transactions A、第36A巻、2005年11月、2921〜2927頁及び“New Ni-Co-Base Disk Superalloys with Higher Strength and Creep Resistance”、Y Gu、H Harada、C Cui、D Ping、A Sato及びJ Fujioka、Scripta Materialia、第55巻、９号、2006年11月、815〜818頁に開示のように提案されている。 The present invention relates to a nickel-base superalloy.
Addition of cobalt and titanium to Udimet 720Li is the “Microstructure and Yield Strength of Udimet 720Li Alloyed with Co-16.9 wt% Ti”, C Cui, Y Gu, H Harada and A Sato, Metallurgical and Materials Transactions A, No. Volume 36A, November 2005, pages 2921-2927 and “New Ni-Co-Base Disk Superalloys with Higher Strength and Creep Resistance”, Y Gu, H Harada, C Cui, D Ping, A Sato and J Fujioka, Scripta Materialia 55, No. 9, November 2006, pp. 815-818.

コバルトとチタンとをUdimet 720Liに添加すると、温度性能(temperature capability)と流動性能（flow stress capability）とを高める。コバルトは、ガンマ相におけるガンマプライム相の溶解性を変え、固相線（solidus）温度を高め、ガンマプライム・ソルバス(solvus)温度を下げ、且つ積層欠陥エネルギーを下げることは公知である。チタンを添加すると、Ni3Alと同じ結晶構造を持ったCo3Tiが形成することによって、ガンマプライム相の体積分率が上昇する。 Addition of cobalt and titanium to Udimet 720Li enhances temperature capability and flow stress capability. Cobalt is known to alter the solubility of the gamma prime phase in the gamma phase, increase the solidus temperature, lower the gamma prime solvus temperature, and reduce stacking fault energy. When titanium is added, Co 3 Ti having the same crystal structure as Ni 3 Al is formed, thereby increasing the volume fraction of the gamma prime phase.

高レベルのコバルトとチタンとをUdimet 720Liに添加すると、超合金を鋳造工程の間にマクロ材料分離させる傾向があり、このことは、粉末冶金プロセスが大きな製品を製造すること、及び材料分離をナノスケールに限定することにより適していることを示唆している。大量のチタンをニッケル基超合金に添加すると、高レベルのコバルトと結合するとき、超合金がトポロジー的稠密充填(Topologically Close Packed：TCP)相、特にエータ相を鋳造及び精錬加工のため悪化した(excarbated)現象を形成し易くさせる。このTCP相は、超合金製品の機械的特性に有害である。TCP相は最初の処理、老化熱処理(ageing heat treatment)の間及び／または使用中に長期間、熱に暴露される間に形成する。上記論文は、鋳造及び精錬加工を使用する超合金の製造を検討しているだけである。   When high levels of cobalt and titanium are added to Udimet 720Li, the superalloy tends to cause macromaterial separation during the casting process, which means that the powder metallurgy process produces large products and material separation nano It suggests that it is more suitable by limiting to the scale. When a large amount of titanium is added to a nickel-base superalloy, the superalloy deteriorates due to the casting and refining process of the topologically close packed (TCP) phase, especially the eta phase, when combined with high levels of cobalt ( excarbated) phenomenon is easy to form. This TCP phase is detrimental to the mechanical properties of superalloy products. The TCP phase forms during the initial treatment, ageing heat treatment and / or during prolonged exposure to heat during use. The above paper only considers the production of superalloys using casting and refining processes.

モリブデン、ニオブ、タンタル、タングステンなどの高レベルの高融点元素を含むニッケル基超合金は、慣用の鋳造及び精錬加工ルートによっては加工が難しい。これは、アルミニウム及びチタンを含む原子種の間で発生するマクロの材料分離によるもので、ミクロ構造及び機械的特性が変わりやすくなる。Udimet 720Liは鋳造及び精錬加工ルートによって製造されるが、粉末冶金形で製造することができる。粉末冶金ルートによって処理をすると、ずっと費用がかかると考えられるが、合金添加をより高めることができ、マクロの材料分離を解消して材料分離をミクロ/ナノスケールに限定する。   Nickel-based superalloys containing high-level refractory elements such as molybdenum, niobium, tantalum, and tungsten are difficult to process by conventional casting and refining processing routes. This is due to macro-material separation that occurs between atomic species including aluminum and titanium, and the microstructure and mechanical properties are likely to change. Udimet 720Li is manufactured by a casting and refining process route, but can be manufactured in powder metallurgy. Processing by the powder metallurgy route is thought to be much more expensive, but alloy additions can be increased, eliminating macro material separation and limiting material separation to the micro / nanoscale.

従って、本発明は新規ニッケル基超合金を提供する。
従って、本発明は、コバルト23〜40重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ニオブ０〜２重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜２重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、ニッケル基超合金を提供する。 Accordingly, the present invention provides a novel nickel-base superalloy.
Accordingly, the present invention comprises cobalt 23-40% by weight, chromium 10-15% by weight, molybdenum 3-6% by weight, tungsten 0-5% by weight, aluminum 2.5-4% by weight, titanium 3.4-5% by weight, tantalum 1.35. -2.5 wt%, niobium 0-2 wt%, hafnium 0.5-1 wt%, zirconium 0-0.1 wt%, carbon 0.01-0.05 wt%, boron 0.01-0.05 wt%, silicon 0-2 wt%, and A nickel-base superalloy is provided, the remainder being nickel and incidental impurities.

好ましくは、本発明は、コバルト23.5〜30重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ニオブ０〜２重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜１重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、ニッケル基超合金を提供する。   Preferably, the present invention comprises cobalt 23.5-30 wt%, chromium 10-15 wt%, molybdenum 3-6 wt%, tungsten 0-5 wt%, aluminum 2.5-4 wt%, titanium 3.4-5 wt%, tantalum 1.35 to 2.5% by weight, niobium 0 to 2% by weight, hafnium 0.5 to 1% by weight, zirconium 0 to 0.1% by weight, carbon 0.01 to 0.05% by weight, boron 0.01 to 0.05% by weight, silicon 0 to 1% by weight, A nickel-base superalloy is provided, the remainder being nickel and incidental impurities.

好ましくは、本発明は、コバルト23.5〜28重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜0.2重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、ニッケル基超合金を提供する。   Preferably, the present invention comprises cobalt 23.5-28 wt%, chromium 10-15 wt%, molybdenum 3-6 wt%, tungsten 0-5 wt%, aluminum 2.5-4 wt%, titanium 3.4-5 wt%, tantalum 1.35 to 2.5% by weight, hafnium 0.5 to 1% by weight, zirconium 0 to 0.1% by weight, carbon 0.01 to 0.05% by weight, boron 0.01 to 0.05% by weight, silicon 0 to 0.2% by weight, and the remainder is incidental with nickel A nickel-base superalloy, which is a major impurity, is provided.

好ましくは、本発明は、コバルト24〜27重量％、クロム14.5重量％、モリブデン５重量％、アルミニウム３重量％、チタン4.5重量％、タンタル２重量％、ハフニウム0.55重量％、ジルコニウム0.06重量％、炭素0.027〜0.03重量％、ホウ素0.015〜0.02重量％、ケイ素０〜0.2重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、ニッケル基超合金を提供する。   Preferably, the present invention comprises 24-27 wt% cobalt, 14.5 wt% chromium, 5 wt% molybdenum, 3 wt% aluminum, 4.5 wt% titanium, 2 wt% tantalum, 0.55 wt% hafnium, 0.06 wt% zirconium, carbon A nickel-base superalloy comprising 0.027 to 0.03% by weight, boron 0.015 to 0.02% by weight, silicon 0 to 0.2% by weight, the balance being nickel and incidental impurities.

本発明は、ニッケル46.34重量％、コバルト24重量％、クロム14.5重量％、モリブデン５重量％、アルミニウム３重量％、チタン4.5重量％、タンタル２重量％、ハフニウム0.55重量％、ジルコニウム0.06重量％、炭素0.03重量％、ホウ素0.02重量％からなる、ニッケル基超合金を提供する。   The present invention consists of 46.34% by weight nickel, 24% by weight cobalt, 14.5% by weight chromium, 5% by weight molybdenum, 3% by weight aluminum, 4.5% by weight titanium, 2% by weight tantalum, 0.55% by weight hafnium, 0.06% by weight zirconium, carbon A nickel-base superalloy comprising 0.03% by weight and 0.02% by weight boron is provided.

本発明は、ニッケル43.35重量％、コバルト27重量％、クロム14.5重量％、モリブデン５重量％、アルミニウム３重量％、チタン4.5重量％、タンタル２重量％、ハフニウム0.55重量％、ジルコニウム0.06重量％、炭素0.027重量％、ホウ素0.015重量％からなる、ニッケル基超合金を提供する。   The present invention consists of 43.35% by weight nickel, 27% by weight cobalt, 14.5% by weight chromium, 5% by weight molybdenum, 3% by weight aluminum, 4.5% by weight titanium, 2% by weight tantalum, 0.55% by weight hafnium, 0.06% by weight zirconium, carbon A nickel-base superalloy comprising 0.027 wt% and boron 0.015 wt% is provided.

また本発明は、コバルト24〜27重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜0.2重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、ニッケル基超合金を提供する。   The present invention also includes cobalt 24-27 wt%, chromium 10-15 wt%, molybdenum 3-6 wt%, tungsten 0-5 wt%, aluminum 2.5-4 wt%, titanium 3.4-5 wt%, tantalum 1.35- Consisting of 2.5 wt%, hafnium 0.5-1 wt%, zirconium 0-0.1 wt%, carbon 0.01-0.05 wt%, boron 0.01-0.05 wt%, silicon 0-0.2 wt%, the remainder being nickel and incidental impurities A nickel-base superalloy is provided.

好ましくは、前記析出ガンマプライム相は（Ni/Co）3(Al/Ti/Ta)を含む。
あるいは前記析出ガンマプライム相は（Ni/Co）3(Al/Ti/Ta/Nb）を含む。
好ましくは、前記析出ガンマプライム相はCo3Ta及び／またはCo3Tiを含む。 Preferably, the precipitated gamma prime phase includes (Ni / Co) 3 (Al / Ti / Ta).
Alternatively, the precipitated gamma prime phase contains (Ni / Co) 3 (Al / Ti / Ta / Nb).
Preferably, the precipitated gamma prime phase includes Co 3 Ta and / or Co 3 Ti.

付記図面を参照して、例示によって本発明を詳細に記載する。
図１は、本発明に従ったニッケル基超合金を含むタービンディスクを有するターボファン・ガスタービンエンジンを示す図である。 The invention will be described in detail by way of example with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a turbofan gas turbine engine having a turbine disk comprising a nickel-base superalloy according to the present invention.

図２は、本発明に従ったニッケル基超合金を含むタービンディスクの拡大図を示す図である。
図１に示されているように、ターボファン・ガスタービンエンジン１０は、軸流で直列に入口１２、ファン区分１４、コンプレッサ区分１６、燃焼区分１８、タービン区分２０と排気２２とを含む。このターボファン・ガスタービンエンジン１０は慣用のものであるので、詳細は記載しない。 FIG. 2 is an enlarged view of a turbine disk containing a nickel-base superalloy according to the present invention.
As shown in FIG. 1, a turbofan and gas turbine engine 10 includes an inlet 12, a fan section 14, a compressor section 16, a combustion section 18, a turbine section 20 and an exhaust 22 in series in axial flow. The turbofan / gas turbine engine 10 is conventional and will not be described in detail.

タービン区分２０は、本発明に従ったニッケル基超合金を含む、図２にもっとはっきりと示されている一つ以上のタービンディスク２４を含む。本発明は、750℃以上での用途が可能な高強度合金であり、且つ安定であるニッケル基超合金を提供しようとするものである。   Turbine section 20 includes one or more turbine disks 24, more clearly shown in FIG. 2, comprising a nickel-base superalloy according to the present invention. The present invention seeks to provide a nickel-base superalloy that is a high-strength alloy that can be used at temperatures above 750 ° C. and is stable.

本発明のニッケル基超合金は、コバルト23〜40重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ニオブ０〜２重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜２重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である。   The nickel-base superalloy of the present invention comprises 23 to 40% by weight of cobalt, 10 to 15% by weight of chromium, 3 to 6% by weight of molybdenum, 0 to 5% by weight of tungsten, 2.5 to 4% by weight of aluminum, and 3.4 to 5% by weight of titanium. Tantalum 1.35-2.5%, niobium 0-2%, hafnium 0.5-1%, zirconium 0-0.1%, carbon 0.01-0.05%, boron 0.01-0.05%, silicon 0-2% And the balance is nickel and incidental impurities.

好ましくはニッケル基超合金は、コバルト23.5〜30重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ニオブ０〜２重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜１重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である。   Preferably, the nickel-base superalloy is 23.5-30% by weight cobalt, 10-15% chromium, 3-6% molybdenum, 0-5% tungsten, 2.5-4% aluminum, 3.4-5% titanium, Tantalum 1.35-2.5%, niobium 0-2%, hafnium 0.5-1%, zirconium 0-0.1%, carbon 0.01-0.05%, boron 0.01-0.05%, silicon 0-1% The remainder is nickel and incidental impurities.

より好ましくは、ニッケル基超合金は、コバルト23.5〜28重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜0.2重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である。   More preferably, the nickel-base superalloy is cobalt 23.5 to 28% by weight, chromium 10 to 15% by weight, molybdenum 3 to 6% by weight, tungsten 0 to 5% by weight, aluminum 2.5 to 4% by weight, titanium 3.4 to 5% by weight. %, Tantalum 1.35 to 2.5%, hafnium 0.5 to 1%, zirconium 0 to 0.1%, carbon 0.01 to 0.05%, boron 0.01 to 0.05%, silicon 0 to 0.2%, and the balance being nickel And accidental impurities.

より好ましくは、ニッケル基超合金は、コバルト24〜27重量％、クロム14.5重量％、モリブデン５重量％、アルミニウム３重量％、チタン4.5重量％、タンタル２重量％、ハフニウム0.55重量％、ジルコニウム0.06重量％、炭素0.027〜0.03重量％、ホウ素0.015〜0.02重量％、ケイ素０〜0.2重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である。   More preferably, the nickel-base superalloy is 24 to 27 wt% cobalt, 14.5 wt% chromium, 5 wt% molybdenum, 3 wt% aluminum, 4.5 wt% titanium, 2 wt% tantalum, 0.55 wt% hafnium, 0.06 wt% zirconium. %, Carbon 0.027 to 0.03% by weight, boron 0.015 to 0.02% by weight, silicon 0 to 0.2% by weight, and the balance is nickel and incidental impurities.

好ましい一ニッケル基超合金は、ニッケル46.34重量％、コバルト24重量％、クロム14.5重量％、モリブデン５重量％、アルミニウム３重量％、チタン4.5重量％、タンタル２重量％、ハフニウム0.55重量％、ジルコニウム0.06重量％、炭素0.03重量％、ホウ素0.02重量％からなる。   A preferred nickel-base superalloy is 46.34% nickel, 24% cobalt, 14.5% chromium, 5% molybdenum, 3% aluminum, 4.5% titanium, 2% tantalum, 0.55% hafnium, 0.06 zirconium. % By weight, 0.03% by weight of carbon and 0.02% by weight of boron.

別の好ましいニッケル基超合金は、ニッケル43.35重量％、コバルト27重量％、クロム14.5重量％、モリブデン５重量％、アルミニウム３重量％、チタン4.5重量％、タンタル２重量％、ハフニウム0.55重量％、ジルコニウム0.06重量％、炭素0.027重量％、ホウ素0.015重量％からなる。   Another preferred nickel-base superalloy is: 43.35% by weight nickel, 27% by weight cobalt, 14.5% by weight chromium, 5% by weight molybdenum, 3% by weight aluminum, 4.5% by weight titanium, 2% by weight tantalum, 0.55% by weight hafnium, zirconium It consists of 0.06 wt%, carbon 0.027 wt%, boron 0.015 wt%.

また本発明は、コバルト24〜27重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜0.2重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である。   The present invention also includes cobalt 24-27 wt%, chromium 10-15 wt%, molybdenum 3-6 wt%, tungsten 0-5 wt%, aluminum 2.5-4 wt%, titanium 3.4-5 wt%, tantalum 1.35- Consisting of 2.5 wt%, hafnium 0.5-1 wt%, zirconium 0-0.1 wt%, carbon 0.01-0.05 wt%, boron 0.01-0.05 wt%, silicon 0-0.2 wt%, the remainder being nickel and incidental impurities It is.

本発明に従ったニッケル基超合金の出発化学物質(starting chemistry)は、RR1000ニッケル基超合金である。このRR1000ニッケル基超合金は、ガンマ/ガンマプライム強化超合金であり、Ni3(Al/Ti/Ta/Hf)のガンマプライム組成を有し、且つUdimet 720Liよりもガンマプライムの体積分率が高い。コバルトとチタンとをRR1000ニッケル基超合金に添加すると、ガンマプライム体積分率をさらに高め、且つガンマプライム化学組成を（Ni/Co）3(Al/Ti/Ta)に変える。さらに、Co3Ta相及び／またはCo3Ti相が析出する。あるいは、コバルトとチタンを他の改良型(advanced)ニッケル基合金、たとえばRene95、ME3、Alloy10またはLSHRに添加して、同様のニッケル基超合金を提供することができる。ニオブを含むニッケル基超合金の場合、ガンマプライム化学組成は（Ni/Co）3(Al/Ti/Ta/Nb)に変化する。 The starting chemistry of the nickel base superalloy according to the present invention is the RR1000 nickel base superalloy. This RR1000 nickel-base superalloy is a gamma / gamma prime reinforced superalloy, has a gamma prime composition of Ni 3 (Al / Ti / Ta / Hf) and has a higher gamma prime volume fraction than Udimet 720Li . Adding cobalt and titanium to the RR1000 nickel-base superalloy further increases the gamma prime volume fraction and changes the gamma prime chemical composition to (Ni / Co) 3 (Al / Ti / Ta). Furthermore, a Co 3 Ta phase and / or a Co 3 Ti phase is precipitated. Alternatively, cobalt and titanium can be added to other advanced nickel-base alloys, such as Rene95, ME3, Alloy10 or LSHR, to provide similar nickel-base superalloys. In the case of nickel-base superalloys containing niobium, the gamma prime chemical composition changes to (Ni / Co) 3 (Al / Ti / Ta / Nb).

本発明のニッケル基超合金は高融点元素の含有量が高いので、粉末冶金ルートによってのみ加工することができる。これによって、様々な元素を最終ニッケル基超合金組成に組み込むことが可能である。   Since the nickel-base superalloy of the present invention has a high content of refractory elements, it can be processed only by the powder metallurgy route. This allows various elements to be incorporated into the final nickel-base superalloy composition.

Figure 2009097094
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表１は、Udimet 720Liと数種の改良型粉末冶金ニッケル基超合金の組成を示し、いかに改良型粉末冶金ニッケル基超合金がガンマプライム体積分率を最適化しようとしてきたかを示す。ガンマプライム形成性元素(gamma prime forming elements)のレベルをａｔ％でタンタルとニオブのレベルと同様に増加させると、析出したガンマプライム相の化学組成は（Ni/Co）3(Al/Ti/Ta/Nb)に変化することは明らかである。 Table 1 shows the composition of Udimet 720Li and several improved powder metallurgy nickel-base superalloys and how the improved powder metallurgy nickel-base superalloy has been trying to optimize the gamma prime volume fraction. When the level of gamma prime forming elements is increased at% as well as the levels of tantalum and niobium, the chemical composition of the deposited gamma prime phase is (Ni / Co) 3 (Al / Ti / Ta It is clear that it changes to / Nb).

表２は、本発明に従った合金と従来法の合金RR1000の組成を示す。   Table 2 shows the composition of the alloy according to the present invention and the conventional alloy RR1000.

Figure 2009097094
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長期にわたって高温に暴露する間にTCP相形成の傾向を低下させるためには、TCP相形成性元素、特にクロムのレベルを低下させることが必要である。ガンマプライム形成性元素のレベルを12ａｔ％を超えて増加させることが必要であるが、ガンマプライム形成性元素を13ａｔ％を超えて増加させると、鍛造性、急冷割れ(quench cracking)などの加工問題の傾向が増加するようである。ニッケル基超合金に多量のチタンを添加すると、ニッケル基超合金の機械的特性に有害な、TCP相、特にエータ（eta）相が形成するようになる。   In order to reduce the tendency of TCP phase formation during prolonged exposure to high temperatures, it is necessary to reduce the level of TCP phase forming elements, particularly chromium. It is necessary to increase the level of gamma prime-forming element beyond 12 at%, but if the gamma prime-forming element is increased beyond 13 at%, processing problems such as forgeability and quench cracking The trend seems to increase. When a large amount of titanium is added to a nickel-base superalloy, a TCP phase, particularly an eta phase, is formed which is detrimental to the mechanical properties of the nickel-base superalloy.

本発明の利点は、本ニッケル基超合金はガンマプライム相の体積分率が増加し、Co3(Ta/Nb)化学組成をもつガンマプライム相が析出する、粉末冶金加工ルートによりマクロの材料分離を解消し、もっと合金添加（alloying addition）が可能になるという点である。本ニッケル基超合金は、コバルトが高レベルであるため、慣用のニッケル基超合金よりも密度が低い。ガンマプライム形成性元素のレベルは高すぎではない。クロム、チタン及びアルミニウム対チタン比を制御することによって、TCP相が形成する傾向が低下する。 The advantage of the present invention is that the nickel-base superalloy has an increased volume fraction of the gamma prime phase, and a gamma prime phase with a Co 3 (Ta / Nb) chemical composition is deposited, resulting in macroscopic material separation through a powder metallurgy processing route. This eliminates the problem and enables more alloying addition. The nickel-base superalloy has a lower density than conventional nickel-base superalloys because of the high level of cobalt. The level of gamma prime forming elements is not too high. By controlling the chromium, titanium and aluminum to titanium ratio, the tendency of the TCP phase to form is reduced.

コバルトのレベルは、コバルトが少なくとも15重量％のときに、最小積層欠陥エネルギー促進性平面変形(minimum stacking fault energy promoting planar deformation)を発生させることが公知であるということを利用して決定する。コバルトは、スリップ・リバーサル(slip reversal)を起こし易いため、平面スリップにダメージがあまり蓄積しないので、疲労割れ成長速度を低下させるものとも考えられる。20重量％を超えるコバルトを添加すると、ガンマプライム析出物の体積分率を上昇させ、ニッケルと置き換わる。より高レベルのコバルトは、ガンマプライムソルバス温度を低下させる。   The level of cobalt is determined by taking advantage of the fact that it is known to generate minimum stacking fault energy promoting planar deformation when cobalt is at least 15% by weight. Cobalt is prone to slip reversal, so that damage does not accumulate so much in a flat slip, and it is considered that the fatigue crack growth rate is lowered. Adding more than 20% by weight of cobalt increases the volume fraction of gamma prime precipitate and replaces nickel. Higher levels of cobalt lower the gamma prime solvus temperature.

クロムのレベルは、低い疲労割れ伝搬速度の必要条件、たとえば高レベルのクロムと、TCP相形成の高い傾向、たとえば低レベルのクロムとのバランスを取るように制御される。   Chromium levels are controlled to balance low fatigue crack propagation rate requirements, such as high levels of chromium, and high trends in TCP phase formation, such as low levels of chromium.

モリブデンとタングステンはいずれもクリープ特性に有益である。固溶体強化によって高温における引っ張り強度と延性における有益な効果は、TCP相を形成する傾向と比較検討される。   Both molybdenum and tungsten are beneficial for creep properties. The beneficial effects on tensile strength and ductility at high temperatures due to solid solution strengthening are compared with the tendency to form TCP phase.

タンタルは、亀裂成長を低下させ、且つMCカーバイドを安定化させるレベルに調整される。タンタルは、アルミニウムとチタンを含むガンマプライム相の体積分率を調整する。
チタンは、ガンマプライム相の体積分率を提供するためにタンタルレベルで調整される。追加の量のチタンによって、ガンマプライムソルバス温度を下げる。最大量のチタンは、TCP相を過剰形成しないように調整される。 Tantalum is adjusted to a level that reduces crack growth and stabilizes the MC carbide. Tantalum adjusts the volume fraction of the gamma prime phase containing aluminum and titanium.
Titanium is tuned at the tantalum level to provide the volume fraction of the gamma prime phase. An additional amount of titanium lowers the gamma prime solvus temperature. The maximum amount of titanium is adjusted so as not to over-form the TCP phase.

アルミニウムは、強度を最適化するために一定レベルのタンタルとチタンで調整される。
他の添加用元素としては、ニオブ、ホウ素、炭素、ジルコニウム、ハフニウム、レニウム、イットリウム及びケイ素がある。 Aluminum is tuned with a certain level of tantalum and titanium to optimize strength.
Other additive elements include niobium, boron, carbon, zirconium, hafnium, rhenium, yttrium and silicon.

ニッケル基超合金中にニオブが全くない及び／またはニッケル基超合金中にタングステンが全くないのが好ましい。
本発明に従ったニッケル基超合金の特徴は、ガンマプライムソルバス温度より上か、または下の温度で加工し得るという事である。従って、通常５〜10マイクロメートルの細粒径または、通常30マイクロメートルを超える粗い粒径で製造することができる。 Preferably there is no niobium in the nickel base superalloy and / or no tungsten in the nickel base superalloy.
A feature of the nickel-base superalloy according to the present invention is that it can be processed at temperatures above or below the gamma prime solvus temperature. Accordingly, it can be produced with a fine particle size of usually 5 to 10 micrometers or a coarse particle diameter of usually more than 30 micrometers.

図１は、本発明に従ったニッケル基超合金を含むタービンディスクをもつターボファン・ガスタービンエンジンを示す図である。FIG. 1 shows a turbofan gas turbine engine having a turbine disk comprising a nickel-base superalloy according to the present invention. 図２は、本発明に従ったニッケル基超合金を含むタービンディスクの拡大図を示す図である。FIG. 2 is an enlarged view of a turbine disk containing a nickel-base superalloy according to the present invention.

Claims (12)

コバルト23〜40重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ニオブ０〜２重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜２重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、ニッケル基超合金。 Cobalt 23-40 wt%, chromium 10-15 wt%, molybdenum 3-6 wt%, tungsten 0-5 wt%, aluminum 2.5-4 wt%, titanium 3.4-5 wt%, tantalum 1.35-2.5 wt%, niobium It consists of 0 to 2 wt%, hafnium 0.5 to 1 wt%, zirconium 0 to 0.1 wt%, carbon 0.01 to 0.05 wt%, boron 0.01 to 0.05 wt%, silicon 0 to 2 wt%, and the remainder is incidental with nickel Nickel-based superalloy that is a major impurity. コバルト23.5〜30重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ニオブ０〜２重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜１重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、請求項１に記載のニッケル基超合金。 Cobalt 23.5-30%, chromium 10-15%, molybdenum 3-6%, tungsten 0-5%, aluminum 2.5-4%, titanium 3.4-5%, tantalum 1.35-2.5%, niobium It consists of 0 to 2 wt%, hafnium 0.5 to 1 wt%, zirconium 0 to 0.1 wt%, carbon 0.01 to 0.05 wt%, boron 0.01 to 0.05 wt%, silicon 0 to 1 wt%, and the remainder is incidental with nickel The nickel-base superalloy according to claim 1, which is a rare impurity. コバルト23.5〜28重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜0.2重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、請求項１または２に記載のニッケル基超合金。 Cobalt 23.5-28%, chromium 10-15%, molybdenum 3-6%, tungsten 0-5%, aluminum 2.5-4%, titanium 3.4-5%, tantalum 1.35-2.5%, hafnium A composition comprising 0.5 to 1 wt%, zirconium 0 to 0.1 wt%, carbon 0.01 to 0.05 wt%, boron 0.01 to 0.05 wt%, silicon 0 to 0.2 wt%, and the balance being nickel and incidental impurities. The nickel-base superalloy according to 1 or 2. コバルト24〜27重量％、クロム14.5重量％、モリブデン５重量％、アルミニウム３重量％、チタン4.5重量％、タンタル２重量％、ハフニウム0.55重量％、ジルコニウム0.06重量％、炭素0.027〜0.03重量％、ホウ素0.015〜0.02重量％、ケイ素０〜0.2重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、請求項３に記載のニッケル基超合金。 Cobalt 24-27%, chromium 14.5%, molybdenum 5%, aluminum 3%, titanium 4.5%, tantalum 2%, hafnium 0.55%, zirconium 0.06%, carbon 0.027-0.03%, boron The nickel-base superalloy according to claim 3, comprising 0.015-0.02 wt%, silicon 0-0.2 wt%, and the balance being nickel and incidental impurities. ニッケル46.34重量％、コバルト24重量％、クロム14.5重量％、モリブデン５重量％、アルミニウム３重量％、チタン4.5重量％、タンタル２重量％、ハフニウム0.55重量％、ジルコニウム0.06重量％、炭素0.03重量％、ホウ素0.02重量％からなる、請求項４に記載のニッケル基超合金。 Nickel 46.34%, cobalt 24%, chromium 14.5%, molybdenum 5%, aluminum 3%, titanium 4.5%, tantalum 2%, hafnium 0.55%, zirconium 0.06%, carbon 0.03% The nickel-base superalloy according to claim 4, comprising 0.02% by weight of boron. ニッケル43.35重量％、コバルト27重量％、クロム14.5重量％、モリブデン５重量％、アルミニウム３重量％、チタン4.5重量％、タンタル２重量％、ハフニウム0.55重量％、ジルコニウム0.06重量％、炭素0.027重量％、ホウ素0.015重量％からなる、請求項４に記載のニッケル基超合金。 43.35% nickel, 27% cobalt, 14.5% chromium, 5% molybdenum, 3% aluminum, 4.5% titanium, 2% tantalum, 0.55% hafnium, 0.06% zirconium, 0.027% carbon, The nickel-base superalloy according to claim 4, comprising 0.015% by weight of boron. コバルト24〜27重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン２〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜0.2重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、請求項３に記載のニッケル基超合金。 Cobalt 24-27 wt%, Chromium 10-15 wt%, Molybdenum 2-6 wt%, Tungsten 0-5 wt%, Aluminum 2.5-4 wt%, Titanium 3.4-5 wt%, Tantalum 1.35-2.5 wt%, Hafnium A composition comprising 0.5 to 1 wt%, zirconium 0 to 0.1 wt%, carbon 0.01 to 0.05 wt%, boron 0.01 to 0.05 wt%, silicon 0 to 0.2 wt%, and the balance being nickel and incidental impurities. 3. A nickel-base superalloy according to 3. 前記析出ガンマプライム相が（Ni/Co）3(Al/Ti/Ta)を含む、請求項１〜７のいずれかに記載のニッケル基超合金。 The nickel-base superalloy according to any one of claims 1 to 7, wherein the precipitated gamma prime phase includes (Ni / Co) 3 (Al / Ti / Ta). 前記析出ガンマプライム相が（Ni/Co）3(Al/Ti/Ta/Nb）を含む、請求項１〜７のいずれかに記載のニッケル基超合金。 The nickel-base superalloy according to any one of claims 1 to 7, wherein the precipitated gamma prime phase includes (Ni / Co) 3 (Al / Ti / Ta / Nb). 前記析出ガンマプライム相がCo3Ta及び／またはCo3Tiを含む、請求項１〜７のいずれかに記載のニッケル基超合金。 The nickel-base superalloy according to any one of claims 1 to 7, wherein the precipitated gamma prime phase contains Co 3 Ta and / or Co 3 Ti. 請求項１〜１０のいずれかに記載のニッケル基超合金を含むガスタービンエンジン部品。 A gas turbine engine component comprising the nickel-base superalloy according to claim 1. 前記部品がタービンディスクまたはコンプレッサディスクである、請求項１１に記載のガスタービンエンジン部品。 The gas turbine engine component of claim 11, wherein the component is a turbine disk or a compressor disk.
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