JP2009520109A - 改善された高温特性を有するドープされたイリジウム - Google Patents

Abstract

本発明は、イリジウム少なくとも８５質量％、モリブデン少なくとも０．００５質量％、ハフニウム０．０００５〜０．６質量％及び場合によりレニウムからなり、その際にモリブデン及びハフニウムの総和が０．０２〜１．２質量％であるイリジウム合金、並びにＩｒＭｏ−及びＩｒＨｆ−母合金１個ずつがアーク中で製造され、場合によりＲｅと共に、イリジウム融液中へ浸漬されるイリジウム合金の製造方法に関する。

Description

本発明は、モリブデン及びハフニウムでのイリジウム又はイリジウム−レニウム合金のドーピングに関する。

国際公開(WO)第2004/007782号パンフレットには、イリジウムの多くの使用可能性の１つとして、結晶成長用のるつぼが挙げられている。タングステン及び／又はジルコニウムを含有するイリジウム合金が記載されており、前記合金はさらに付加的にモリブデン及びハフニウムのような別の元素０．０１〜０．５質量％を含有し、かつ場合によりルテニウムを０．０１〜１０質量％含有する。このパンフレットには、これらの付加的な元素の添加が、それ自体単独では有効でないことも記載されている。

米国特許(US)第4,444,728号明細書には、レニウム含分１〜１５質量％を有するイリジウム−レニウムるつぼが記載されている。

米国特許(US)第3,918,965号明細書によれば、イリジウムの機械的性質は、ハフニウム０．６５〜０．９３質量％でのドーピングによって著しく改善される。

本発明の課題は、酸化物融液に対するイリジウムの抜群の耐食性に基づき耐クリープ性及びクリープ強さ(Kriech- und Zeitstandsfestigkeit)を高め、機械的応力下での挙動を改善し、並びに再結晶の際の粗粒形成を減少させることにある。

この課題は、請求項１の特徴を用いて解決される。

好ましい実施態様及び使用は、その後の請求項に記載されている。

１８００℃でのクリープ強さを高めるために、モリブデン少なくとも５０ppm及びハフニウム少なくとも５ppmでのイリジウム又はイリジウム−レニウム合金のドーピングが行われ、その際にモリブデン及びハフニウムの総和は、２００ppm〜１．２質量％、特に０．０２〜０．７質量％である。

モリブデン及びハフニウムの総和が２００ppmを下回る場合に、本発明による効果は失われる。１．２質量％を上回ると加工はより困難になる。本発明による効果を達成するためには、高いモリブデン含量の場合に５ppmのハフニウムで既に十分である。低いモリブデン含量の場合に、合金が加工可能なままであるためには、ハフニウム濃度は、０．６質量％を超えてはならない。

それゆえに、モリブデン及びハフニウムでドープされているイリジウム及び場合によりレニウムからなる合金が準備される。

製造に制約された通常の不純物は、ここではさらに考慮されていない。その場合に、不純物は、特に別の貴金属又はるつぼ材料であり、この材料はイリジウムの製造の際にこれをさらにまた汚染する。純度９９質量％、特に９９．９質量％及び特に好ましくは９９．９９質量％の成分からの合金が適していることが判明している。

好ましい実施態様において、モリブデンの含分は、モリブデン０．０１〜０．８質量％、特に０．０２〜０．３質量％であり；かつハフニウムの含分はハフニウム０．００１〜０．４質量％、特に０．０１〜０．２質量％である。

これにより、再結晶の際の粗粒形成は顕著に遅くなり、かつ耐クリープ性及びクリープ強さは高められる。このドープされたイリジウムは、酸化物融液に対して、機械的応力下での明らかに改善された挙動を示す。

同じ成分は、Ｉｒ少なくとも８５質量％を有し、好ましくはレニウム８質量％まで、特にＲｅ ０．１〜５質量％を有するイリジウム−レニウム合金の場合に、再結晶による粗粒形成の減少及び耐熱性に関してなおより有効な結果を生じさせる。さらに加えて、鋳引けを形成する(Lunkerbildung)傾向はかなり減少される。

好ましい別の実施態様において、モリブデン対ハフニウムの質量比は、３：１〜１：１、特に２．５：１〜１．５：１である。

本発明による合金の製造のためには、ＩｒＭｏ−及びＩｒＨｆ−母合金をアーク中で製造することが適していることが判明している。これらの母合金は、目的合金に対比してイリジウム融液中へ導入されるかもしくはイリジウム融液が流し込まれる。さらに加えて、Ｒｅは、Ｉｒ融液中へ導入されることができる。

本発明は、以下に、実施例に基づいて説明される。
１．モリブデン０．０５質量％でドープされたイリジウムは、ハフニウム０．００１質量％でのドーピングにより、１８００℃でのクリープ強さに関して改善される。この改善は、Ｈｆ ０．０１〜０．１質量％でのドーピングの際に最も明らかに現れる。Ｈｆ ０．５質量％を上回るドーピングの場合に、合金の加工はより困難になる。

２．ハフニウム０．３質量％でドープされたイリジウムは、モリブデン０．０１質量％でのドーピングにより、１８００℃でのクリープ強さの増大を示す。クリープ強さは、０．０２〜０．３質量％の範囲内のＭｏでのドーピングにより、さらに明らかに改善される。Ｍｏ ０．８質量％を上回るドーピングの場合に、合金の加工はより困難になる。

３．前記の例においてイリジウムの代わりに、レニウム０．１質量％、レニウム１質量％及びレニウム８質量％を有するイリジウム−レニウム合金が使用される場合には、耐熱性のさらなる増大が、鋳引けを形成する傾向の減少と同時に確認されることができ、その際にレニウム１質量％で最良の結果が達成された。レニウム８質量％を上回るドーピングの場合に、合金の加工は困難になる。

本発明によるイリジウム合金は、Ｉｒを有する母合金の再溶融により得ることができる。

Ｉｒ Ｈｆ １及びＩｒ Ｍｏ １ 母合金は、アーク中で製造される。

この場合に、溶融プロセスは、Ｗ電極を備えたアーク設備中で、
・Ｉｒ ９９g及びＨｆ １gをはかり入れる
・水冷されたＣｕチル鋳型中へ装入する
・真空排気する
・アルゴン３００mbarでフラッディングする
・アークを点火し、合金を溶融させる
・均質な合金を得るために、何度も再溶融させる
ことによって行われる。

Ｉｒ Ｍｏ １については、前記プロセスは対応して繰り返される。

合金融液の製造プロセスの際に、場合によりＲｅが添加され、かつ双方の母合金は、合金成分の酸化を防止するために、Ｉｒ融液中へ浸漬される。このためには、母合金は、酸化ジルコニウムからなる棒と共にイリジウム融液中へ導かれ、浮上しないように保持される。

Ｉｒ−Ｒｅ １％−Ｍｏ ０．０４％−Ｈｆ ０．０２％からなる合金３kgをアルゴン雰囲気下に誘導溶融し、通常の実施に従い２０mm×７０mm×１００mmの寸法を有する銅チル鋳型中へ鋳造した。鋳塊で目立つのは、純イリジウムの場合に通常観察されるよりも少ない鋳引けの形成であった。鋳塊を通常の実施に従い熱間鍛造し、１mmの厚さに熱間圧延し、その際に各々の圧延工程(Walzstich)の前に１４００℃に加熱した。熱間成形の際に、この合金は、純イリジウムに類似して良好に挙動した。純イリジウムに類似して、成形後に、２０分／１４００℃の仕上げ焼きなましを行った。金属組織学的な断面調査は、０．０９５mmの平均粒度を有する均一に再結晶された構造を示した。

この合金化されたＩｒ板から試料を切断し、１４００℃で１００時間貯蔵した。金属組織学的に断面には、平均粒度０．１１mmを有する均一に再結晶された構造が確認された。

同じ合金化されたＩｒ板から３個の試料をクリープ試験用に切断した。これらの試料を、１８００℃で１６．９MPaの荷重下に − 純イリジウムについては１０．０時間の耐用寿命が得られた荷重に相当する − Ａｒ／Ｈ２ ９５／５からなる雰囲気下に試験した。個々の試料の破断までの時間は、１５．４；１６．６もしくは１８．８時間であった。

同じ合金組成を有する別の鋳塊を溶融し、２．４mmの厚さの板に成形した。この板から、熱間深絞りにより、外径５０mm及び高さ６０mmを有する円筒形のるつぼを製造した。成形の際に、合金は純Ｉｒに類似して挙動した。

このるつぼを使用して、チョクラルスキー法により、ネオジム−イットリウム−アルミニウムガーネットの単結晶を成長させた。

類似した方法で、Ｉｒ−Ｍｏ ０．３％−Ｈｆ ０．０４％の合金の鋳塊を溶融し、鋳造し、１mmの板に成形した。仕上げ焼きなまし後に、この板は、０．３mmの平均粒度を有する均一に再結晶された構造を有していた。

１４００℃で１００時間のさらに付加的な試料焼きなまし後に、０．６mmの平均粒度を有する均一に再結晶された構造が確認された。

１６．９MPaの荷重下での１８００℃でのクリープ試験において、３個の試料について１２．０；１２．６もしくは１３．１時間の耐用寿命が測定された。

類似した方法で、Ｉｒ−Ｒｅ ３％−Ｍｏ ０．０５％−Ｈｆ ０．０３％の合金の鋳塊を溶融し、鋳造し、１mmの板に成形した。仕上げ焼きなまし後に、この板は、０．０７５mmの平均粒度を有する均一に再結晶された構造を有していた。

１４００℃で１００時間のさらに付加的な試料焼きなまし後に、０．０９mmの平均粒度を有する均一に再結晶された構造が確認された。

１６．９MPaの荷重下での１８００℃でのクリープ試験において、３個の試料について１８．１；１９．７もしくは２０．９時間の耐用寿命が測定された。

同じ合金組成を有する別の鋳塊を溶融し、２．４mm厚さの板に成形した。この板から、熱間深絞りにより、外径３０mm及び高さ３５mmを有する円筒形のるつぼを製造した。成形の際に、純イリジウムの場合よりも、より高い力の適用が必要であった。同様に、るつぼは、純イリジウムの場合に通常であるよりも頻繁に中間焼きなまし（１０分／１４００℃）にかけなければならなかった。それ以外には成形は問題なく経過した。

このるつぼを使用して、チョクラルスキー法により、サファイアからなる単結晶を酸化アルミニウム融液から成長させた。

比較例：
純イリジウムからなる１mmの厚さの板からなる試料を、圧延及び２０分／１４００℃の仕上げ焼きなまし後に、金属組織学的に断面を調べた。試料は、０．７mmの平均粒度を有する均一に再結晶された構造を示した。

同じＩｒ板からの別の試料を、仕上げ焼きなまし後に、１４００℃でさらに１００時間貯蔵し、金属組織学的に調べた。試料は、部分的な粗粒形成を有する再結晶された構造を示した。粒度は、１〜２mmで不均一であった。

同じＩｒ板からの１０個の試料を、仕上げ焼きなまし後に、Ａｒ／Ｈ２ ９５／５からなる雰囲気下に１８００℃での６〜２５MPaの異なる荷重をかけ、個々の試料の破断までの時間を決定した。１６．９MPaの荷重については、破断までの１０．０時間の耐用寿命が決定された。

Claims (9)

1. イリジウム少なくとも８５質量％、モリブデン少なくとも０．００５質量％、ハフニウム０．０００５〜０．６質量％及び場合によりレニウムからなり、その際に、モリブデン及びハフニウムの総和は０．０２〜１．２質量％である、イリジウム合金。
2. レニウム０〜８質量％、モリブデン０．０１〜０．８質量％及びハフニウム０．００２〜０．４質量％である、請求項１記載のイリジウム合金。
3. レニウム０．１〜５％を有する、請求項１又は２記載のイリジウム合金。
4. モリブデン０．０２〜０．３質量％を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載のイリジウム合金。
5. ハフニウム０．００２〜０．２質量％を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載のイリジウム合金。
6. ＩｒＭｏ−及びＩｒＨｆ−母合金１個ずつをアーク中で製造し、かつ場合によりＲｅと共に、イリジウム融液中へ浸漬する、請求項１から５までのいずれか１項記載のイリジウム合金の製造方法。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載のイリジウム合金からなる、るつぼ、槽(Wanne)又はガラス加工金型。
8. 高融点酸化物融液、特に酸化アルミニウム又はネオジム−イットリウム−アルミニウムガーネットから結晶を成長させるための請求項７記載のるつぼの使用。
9. 高融点ガラスを製造するための、請求項７記載のるつぼ、槽又はガラス加工金型の使用。