JP2009120950A - 鍛造オーステナイト系ステンレス鋼合金部品及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱的及び化学的に厳しい環境、例えばガスタービンエンジン・シュラウドアセンブリの部品の環境での使用に適した機械特性、環境特性及び金属学的安定性を示す鍛造部品を製造可能な可鍛性オーステナイト系ステンレス鋼合金とその鍛造法を提供する。
【解決手段】重量％で、１８．０〜２２．０％のクロム、８．０〜１４．０％のニッケル、４．０〜７．０％のマンガン、０．４〜０．６％のケイ素、０．２以上〜１．０％以下の窒素、０．０５以上〜０．０７５％以下の炭素、０．３％以下のモリブデン、１．０％以下のニオブ、０．２％以下のコバルト、４．５％以下のアルミニウム、０．１％以下のホウ素、０．１％以下のバナジウム、１．０％以下のタングステン、５．０％以下の銅、残部の鉄及び不可避的不純物を含有する合金。
【選択図】なし

Description

本発明は、一般にステンレス鋼合金及びその加工に関する。特に、本発明は、可鍛性オーステナイト系ステンレス鋼合金と、ガスタービンエンジン内の部品が遭遇する運転温度で長時間に渡って所望の機械特性、環境特性及び非常に安定なミクロ組織を有するステンレス鋼合金の鍛造品とに関する。

種々の合金が、ターボ機械の耐熱部品として検討され、使用されており、用途に特有の要求に基づいて個々の合金を選択している。シュラウドは、ガスタービンエンジンなどのターボ機械のタービン区分内の外側ブレード先端を取り囲むものであるので、高温強度及び延性を必要とし、低サイクル疲労や酸化特性にも優れていることが必要である。さらに、７００℃以上の温度で長時間、例えば５００００時間を超える運転時間の間シュラウドの性能を維持するために、シュラウド用の合金は金属学的にも安定でなければならない。

ターボ機械のタービン区分内の温度のような高い運転温度で良好な強度、延性、耐酸化性及び耐クリープ性を示す、鉄−ニッケル−クロム（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ）オーステナイト系ステンレス鋼合金が開発されている。高温特性を向上するために、多くの場合、ニオブ（コロンビウム）、バナジウムなどの炭化物及び窒化物形成元素を含有するように、オーステナイト系ステンレス鋼合金の組成を調整している。このような合金の例に、Ｒｏｔｈｍａｎらの米国特許第４８５３１８５号及び同第４９８１６４７号（特許文献１、２）に開示された合金がある。窒素、ニオブ及び炭素の制御量は、典型的には遊離窒素及び遊離炭素が必ず存在するように規定した関係に特定される。例えば、ニオブは合金の炭素含量に対する相対量で特定することが多い。

オーステナイト系ステンレス鋼合金、例えば３０４、３４７、３１６、３２１型などの合金は、室温で安定なオーステナイトミクロ組織を有するが、σ相などの有害な第２相を形成しやすいので、高温への長時間の曝露中に特性を失うおそれがある。シュラウドアセンブリの部品中に第２相が形成する問題を回避するために、ガスタービン産業では、多くの場合、オーステナイト安定化剤、即ちニッケルのレベルが高いステンレス鋼合金を使用して、このような第２相の形成を防止している。３１０型鍛錬（ｗｒｏｕｇｈｔ）ステンレス鋼（ニッケル含量１９．０〜２２．０重量％）は、安定なオーステナイトステンレス鋼の１例であり、可鍛性でもあるため、ガスタービンエンジンの鍛造（ｆｏｒｇｅｄ）シュラウド部品を製造するのに使用されている。

ニッケルのコストが高いので、３１０型鍛錬ステンレス鋼中に認められるより低いレベルのニッケルを含有する可鍛性で金属学的に安定な合金を利用でき、それでもガスタービンエンジンのシュラウド部品に必要な機械特性及び環境特性を損なうことがなければ、望ましい。
米国特許第４８５３１８５号明細書 米国特許第４９８１６４７号明細書 米国特許第４６１５６５８号明細書 米国特許第４９８８２６６号明細書 米国特許第７１５３３７３号明細書 米国特許第７２２９２４６号明細書

本発明は、ガスタービンエンジン中の環境のように熱的、化学的に厳しい環境での使用に適した機械特性、環境特性及び金属学的安定性を示す鍛造部品を製造することができる可鍛性オーステナイト系ステンレス鋼合金とその鍛造法を提供する。

本発明の１観点によれば、鍛造部品は、重量％で、１８．０〜２２．０％のクロム、８．０〜１４．０％のニッケル、４．０〜７．０％のマンガン、０．４〜０．６％のケイ素、０．２以上〜１．０％以下の窒素、０．０５以上〜０．０７５％以下の炭素、０．３％以下のモリブデン、１．０％以下のニオブ、０．２％以下のコバルト、４．５％以下のアルミニウム、０．１％以下のホウ素、０．１％以下のバナジウム、１．０％以下のタングステン、５．０％以下の銅、残部の鉄及び不可避的不純物を含有する可鍛性オーステナイト系ステンレス鋼合金から製造される。本発明の別の観点によれば、この合金から鍛造部品を製造するにあたり、合金の溶融物を製造し、合金のビレットを形成し、合金を鍛造して部品を形成し、鍛造部品を固溶化熱処理し、その後鍛造部品を焼入れし、さらに鍛造部品を機械加工してタービンのシュラウドアセンブリの部品などの部品を製造する。

本発明の重要な利点として、オーステナイト系ステンレス鋼合金が鍛造により、所望の機械特性を有し、高温での長時間曝露中の有害な第２相の形成を防止する、非常に安定で、完全なオーステナイトミクロ組織を有する部品を製造できる。好ましいことには、このような機械的特性及び金属学的特性は、３１０型鍛錬ステンレス鋼と同程度或いはそれ以上であり、しかもニッケルの必要レベルは３１０型（１９．０〜２２．０％）に比べて大幅に低減されている。本発明の好ましい実施形態によれば、可鍛性オーステナイト系ステンレス鋼合金は、ガスタービンエンジン、例えばエンジンのタービンブレードを取り囲むシュラウドアセンブリの部品の内部条件に耐えることができる耐疲労性及び耐酸化性を示す。

化学的に厳密に言えば、本発明の可鍛性ステンレス鋼合金は、重量％で最大０．０８％の炭素、最大２．００％のケイ素、最大１．５０％のマンガン、１８．０〜２１．０％のクロム、９．０〜１２．０％のニッケル、８×Ｃ％〜１．０％のニオブ及び残部の鉄からなる組成を有する鋳造オーステナイト系ステンレス鋼合金ＣＦ−８Ｃに類似している。ＣＦ−８Ｃは、名目上、重量％で最大０．０８％の炭素、最大１．００％のケイ素、最大２．００％のマンガン、１７．０〜１９．０％のクロム、９．０〜１３．０％のニッケル、最小１０×Ｃ％のニオブ、最大０．０３％の硫黄、最大０．０４５％のリン及び残部の鉄からなる組成を有する３４７型鍛錬オーステナイト系ステンレス鋼合金と同定されている。最後に、やはり化学的に厳密に言えば、本発明の可鍛性ステンレス鋼合金は、重量％で０．０５〜最大０．１５％の炭素、０．２０〜３．０％のケイ素、０．５〜１０．０％のマンガン、１８．０〜２５．０％のクロム、８．０〜２０．０％のニッケル、ニオブ／炭素の比が８〜１１で最大１．５％以下のニオブ、０．０２〜０．５％の窒素、０．１〜０．５％の炭素＋窒素含量、１．０％以下のモリブデン、５．０％以下のコバルト、３．０％以下の銅、３．０％以下のアルミニウム、３．０％以下のバナジウム、３．０％以下のタングステン、０．２％以下のチタン、０．１％以下の硫黄、０．０４％以下のリン、０．０１％以下のホウ素、及び残部の鉄からなる組成を有するＭａｚｉａｓｚらの米国特許第７１５３３７３号（特許文献５）に開示されている鋳造オーステナイト系ステンレス鋼合金に類似している。本発明とこの従来技術の決定的な差として、本発明は可鍛性及び相の長期安定性を必要とし、このため、ＣＦ−８Ｃや特許文献５の合金などの鋳造条件で使用する合金及び３４７型などの多くの鍛錬合金には不要な延性及び金属学的ミクロ組織などの機械的特性及び物理的特性が必要である。したがって、本発明の合金の組成は、鋳造又は鍛錬形態でしか使用しない類似の合金に必要な調整より厳密に調整して、鍛造性に特有の性質を実現できるようにしなければならない。

本発明の他の目的及び利点は以下の詳細な説明から一層明らかになるであろう。

図１は、ガスタービンエンジンのタービン区分の長さ方向の部分断面図であり、タービン区分内のシュラウドアセンブリ１０の部品を示す。既知のように、シュラウドアセンブリ１０はガスタービンエンジンのタービンロータ（図示せず）を取り囲んでおり、したがってタービンブレード１２がシュラウドアセンブリ１０の近接位置に図示されている。ブレード１２はロータに装着された多数のブレードの１つであり、ロータは静止シュラウドアセンブリ１０内で同軸回転する。シュラウドアセンブリ１０はシュラウド１４及びシュラウド１４を支持するハンガー１６を備える。シュラウド１４の半径方向内面が、タービンロータのブレード先端に面し、シュラウドアセンブリ１０とロータブレード先端間のガスの漏洩路を極力小さくする。シュラウド１４及びそのハンガー１６を多数の個別の部分として製造するのが望ましく、多数のシュラウド部分が互いに円周方向に隣接して、ブレード先端を取り囲むほぼ連続した環形状を画定し、また多数のハンガー部分が互いに円周方向に隣接して、シュラウド１４を取り囲み支持するほぼ連続した環形状を画定する。一方、ハンガー１６は、フック及び保持クリップを使用してエンジンの環状外部ケーシング１８から支持されている。図１に示したシュラウドアセンブリ１０は本発明の理解を助けるものにすぎず、図１に示した特定の配置、形状、固定方法などは本発明を限定するものではない。

本発明によれば、シュラウド１４、さらに特定するとシュラウド１４の各部分は、シュラウド１４が経験する運転温度で高温強度及び延性、優れた低サイクル疲労特性及び優れた酸化特性を示す可鍛性オーステナイト系ステンレス鋼合金で形成される。本発明の特に好ましい観点によれば、合金は、７００℃超えの温度で長時間、例えば、５００００時間を超えるエンジン運転時間の間シュラウド１４の性能を維持するのに十分な金属学的安定性も示す。本発明の合金の組成範囲を下記の表１に示す。

上記の組成範囲は、図１に示した種類のシュラウドに現在用いられている他の可鍛性合金、例えば、重量％で、最大０．２５％の炭素、最大１．５０％のケイ素、最大２．００％のマンガン、２４．０〜２６．０％のクロム、１９．０〜２２．０％のニッケル、最大０．０３％の硫黄、最大０．０４５％のリン、及び残部の鉄からなる組成をもつ３１０型ステンレス鋼と大きく異なる。しかし、３１０型合金と同様に、本発明の合金は、適当な鍛造操作により合金からシュラウド１４の製造を可能にするのに十分な延性と靱性をもたなければならない。したがって、本発明の合金は、ＣＦ−８Ｃなどの鋳造オーステナイト系ステンレス鋼合金には必要でなく、そのため規定されていない特性をもたなければならない。

本発明の合金について、クロム及びニッケルのブロードな範囲は３４７型オーステナイトステンレス鋼（それぞれ１７．０〜１９．０及び９．０〜１３．０重量％）を模倣しているが、それぞれやや高レベル、やや低レベルにして鍛造用合金に望ましい安定なミクロ組織を実現している。

炭素について特定した最小量及び最大量は、安定な炭化ニオブの形成を制御し、Ｍ２３Ｃ６炭化物の形成を防止することを意図しており、その結果高温に長時間曝露された場合のミクロ組織の安定性が向上する。

ケイ素について特定した最小量及び最大量は、合金の鋳造性を向上することを意図しており、ニアネットシェイプ（できるだけ完成品に近い形状）の部品を鍛造できるビレットが鋳造できる。

マンガンと窒素の範囲は密接に関係する。これらの元素は相互作用して合金のオーステナイト相を安定化するからである。マンガンはオーステナイトへの窒素の溶解度を増加し、このことは合金の延性又は靱性を低減せずにオーステナイトの安定化効果を促進するのに有効で、特に窒素のレベルが好ましくは０．６重量％以下、さらに好ましくは０．４重量％以下で有効である。マンガンもオーステナイトを安定化し、それによりミクロ組織中のデルタ（δ）フェライト（体心立方結晶構造の鉄）の形成を防止し、またマンガンは炭素の溶解度を増加し、それにより合金中の粒界炭化物の形成を所望どおりに低減する。理論に束縛されるものではないが、マンガンのレベルが４％未満では完全なオーステナイト構造を形成しないことがあり、一方、マンガンのレベルが７％超えでは鍛造性に悪影響を及ぼすおそれがある。マンガン及び窒素は、規定した量で、通常なら３４７型などの別の低ニッケル可鍛性オーステナイトステンレス鋼中に生成する有害な第２相を防止する程の、十分なオーステナイト相安定化効果を発揮できると考えられている。マンガン及び窒素のコストはニッケルよりかなり低いので、本発明の合金の材料コストは３１０型より低い。

モリブデン、ニオブ、コバルト、アルミニウム、ホウ素、バナジウム、タングステン、銅、硫黄及びリンの許容レベルは、強度及び耐酸化性の調整を可能にすることを意図しており、したがってこれらの成分の好ましいレベルは、製造する鍛造品の種類、例えばシュラウド１４の特定の運転条件に依存する。アルミニウム及びタングステンのレベルは強度及び耐酸化性を調整するうえで特に重要である。例えば、比較的高いレベル、具体的には３重量％超えのアルミニウムを使用して耐酸化性を増進することができる。最後に、ニオブは好ましくはニオブ／炭素の比（重量比）を１０／１以上にする量で合金に存在して炭化ニオブの存在を確実なものとするのが好ましい。

合金の残部は鉄であることが好ましい。鉄以外に、本発明の合金は、リン及び硫黄などの不可避的不純物に限定することが好ましく、特にできるだけ少量にすることが好ましい。合金の合計不純物含量は０．０７５重量％未満であることが好ましい。

本発明の合金は図１のシュラウド１４などの鍛造部品向けのものであるので、この合金に以下の加工を施す。まず適当な既知の溶融及び脱酸手法に従って合金の溶融物を製造する。その後溶融物からインゴット（ビレット）を鋳造し、続いてやはり既知の手法に従ってインゴット（ビレット）を鍛造してニアネットシェイプ鍛造部品を形成する。鍛造後、この部品に好ましくは固溶化熱処理を、例えば約１０７０〜約１２００℃の温度で鍛造品厚み１インチあたり約１時間（最低４時間）の固溶化熱処理を施し、続いて十分に急速な焼入れを施し、得られるミクロ組織が、炭化物（炭化ニオブなど）分布の良好な完全なオーステナイト結晶構造を有し、Ｍ２３Ｃ６炭化物又は他の有害な相を含有せず、δフェライトを含有せず、偏析を含まないようにする。熱処理及び焼入れ後の鍛造品の機械特性は、従来の３００系列のステンレス鋼と同程度或いはそれ以上であり、７００℃超えの温度での長期間のタービン運転の間も維持される。焼入れ後、鍛造品を機械加工して必要な最終寸法の部品を製造する。

以上、本発明を特定の実施形態について説明したが、別の形態を採用できることは当業者に明らかである。したがって、本発明の要旨は特許請求の範囲以外には限定されない。

ガスタービンエンジンのタービン区分内の代表的なシュラウドアセンブリの断面図である。

符号の説明

１０ シュラウドアセンブリ
１２ ブレード
１４ シュラウド
１６ ハンガー
１８ ケーシング

Claims (10)

1. 重量％で、
   １８．０〜２２．０％のクロム、
   ８．０〜１４．０％のニッケル、
   ４．０〜７．０％のマンガン、
   ０．４〜０．６％のケイ素、
   ０．２以上〜１．０％以下の窒素、
   ０．０５以上〜０．０７５％以下の炭素、
   ０．３％以下のモリブデン、
   １．０％以下のニオブ、
   ０．２％以下のコバルト、
   ４．５％以下のアルミニウム、
   ０．１％以下のホウ素、
   ０．１％以下のバナジウム、
   １．０％以下のタングステン、
   ５．０％以下の銅、
   残部の鉄及び不可避的不純物を含有する、
   オーステナイト系ステンレス鋼合金で形成した鍛造部品（１４）。
2. 前記オーステナイト系ステンレス鋼合金が、１９．０〜２１．０％のクロム、８．０〜１０．０％のニッケル、４．０〜６．０％のマンガン、０．４〜０．６％のケイ素、０．２以上〜０．６％以下の窒素、０．０５以上〜０．０７５％以下の炭素、０．３％以下のモリブデン、０．５〜１．０％のニオブ、０．２％以下のコバルト、４．５％以下のアルミニウム、０．１％以下のホウ素、０．１％以下のバナジウム、１．０％以下のタングステン、５．０％以下の銅、残部の鉄及び不可避的不純物からなることを特徴とする、請求項１記載の鍛造部品（１４）。
3. 窒素が０．２〜０．６重量％の範囲で前記合金中に存在することを特徴とする、請求項１記載の鍛造部品（１４）。
4. 窒素が０．２〜０．４重量％の範囲で前記合金中に存在することを特徴とする、請求項１又は請求項２記載の鍛造部品（１４）。
5. ニオブが０．５〜１．０重量％の範囲で前記合金中に存在することを特徴とする、請求項１、請求項３及び請求項４のいずれか１項記載の鍛造部品（１４）。
6. ニオブがニオブ／炭素の比（重量％）を１０／１以上とする量で前記合金中に存在することを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の鍛造部品（１４）。
7. 前記部品（１４）がガスタービンエンジン・シュラウドアセンブリ（１０）の部品（１４）であることを特徴とする、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の鍛造部品（１４）。
8. 完全にオーステナイトであり、炭化ニオブなどの安定な炭化物を含有するが、δフェライトや偏析を含有しないミクロ組織を前記部品（１４）が有することを特徴とする、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の鍛造部品（１４）。
9. 前記合金の溶融物を製造し、
   合金のインゴット又はビレットを形成し、
   前記インゴット又はビレットを鍛造して鍛造部品（１４）を形成し、
   鍛造部品（１４）を固溶化熱処理し、
   その後鍛造部品（１４）を焼入れする
   工程を含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の鍛造部品（１４）の製造方法。
10. 固溶化熱処理工程が約１０７０〜約１２００℃の温度で行われ、焼入れ工程が、炭化ニオブなどの安定な炭化物を含有するが、δフェライトや偏析を含有しない完全なオーステナイトミクロ組織を形成するのに十分に急速であることを特徴とする、請求項９記載の方法。

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