JP2010163659A - Ｎｉ基単結晶超合金 - Google Patents
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Abstract
【課題】高温・高応力下で使用される高温部材として好適な、ＴＭＦ特性とクリープ特性および耐硫化腐食に優れたＮｉ基単結晶超合金を提供すること。
【解決手段】質量％で、
Ｃｏ：８〜１２％、Ｃｒ：５〜７．５％、Ｍｏ：０．２〜１．２％、
Ｗ：５〜７％、Ａｌ：５〜６．５％、Ｔａ：８〜１２％、
Ｈｆ：０．０１〜０．２％、Ｒｅ：２〜４％、Ｓｉ：０．００５〜０．１％
を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、単結晶である。
【選択図】なし
【解決手段】質量％で、
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Ｈｆ：０．０１〜０．２％、Ｒｅ：２〜４％、Ｓｉ：０．００５〜０．１％
を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、単結晶である。
【選択図】なし
Description
本発明は、Ｎｉ基単結晶超合金に関する。
Ｎｉ基超合金が、ジェットエンジンやガスタービンなどのタービンブレードやタービンベーンの基材に使用される場合、初期のジェットエンジンではさほど燃焼ガス温度が高くなかったため、タービンブレードやタービンベーンは無冷却で使用されていた。しかし、近年のジェットエンジンなどに代表されるガスタービン機関では、出力および効率向上のために、タービンの入口ガス温度がより高温化されている。これにともない、特に大型発電用ガスタービンのタービンブレードやタービンベーンは、高温強度の保持のために、中空翼の構造を有し、翼内部を強制的に空気や蒸気を用いて冷却し、基材の温度上昇を防いでいる。このようなタービンブレードやタービンベーンでは、翼表面温度は900℃を超える一方、翼内部は600℃程度となっている。こうした翼表面と内部の温度差は、熱疲労（Thermo-mechanical fatigue：ＴＭＦ）を発生させる。
また、特にタービンブレードは、高温の燃焼ガスにさらされるのと同時に、高速回転するため、遠心力による高い応力に耐えなければならず、この要求に対しては、高温でのクリープ特性もＴＭＦと同様に重要である。
従来、耐熱疲労特性を目的にしたＮｉ基超合金が知られている（特許文献１、２）。また、クリープ特性の優れたＮｉ基超合金（特許文献３）は、多くの高温機器で使用実績が多い。
近年のジェットエンジンやガスタービンの進歩にともない燃焼ガス温度が高温化される中、より優れた熱疲労特性とクリープ特性および耐硫化腐食に優れたＮｉ基超合金の出現が望まれている。
そこで、本発明は、９００℃/３９２ＭＰaにおけるクリープ特性が６００時間以上、１０００℃/２４５ＭＰaにおけるクリープ特性が１６０時間以上、ＴＭＦ特性は、温度範囲：４００〜９００℃の範囲、ひずみ範囲：±０．６４％、周波数６６min/サイクル、波形：三角波＋台形波、位相：逆位相の条件で２００回以上であり、かつ耐硫化腐食が、７５％Ｎａ２ＳＯ４＋２５％ＮａＣｌ成分の塩を９００℃に加熱し、２０時間浸漬したときの腐食減量が、０．００１ｍｍ以下であることを具体的な目標としている。
そして、本発明は、大型発電用ガスタービンのタービンブレードやタービンベーンなどの高温・高応力下で使用される高温部材として好適な、ＴＭＦ特性とクリープ特性および耐硫化腐食に優れたＮｉ基単結晶超合金を提供することを課題としている。
本発明は、上記の課題を解決するために、以下の特徴を有している。
第１の発明は、質量％で、
Ｃｏ：８〜１２％、
Ｃｒ：５〜７．５％、
Ｍｏ：０．２〜１．２％、
Ｗ：５〜７％、
Ａｌ：５〜６．５％、
Ｔａ：８〜１２％、
Ｈｆ：０．０１〜０．２％、
Ｒｅ：２〜４％、
Ｓｉ：０．００５〜０．１％
を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、単結晶であることを特徴としている。
Ｃｏ：８〜１２％、
Ｃｒ：５〜７．５％、
Ｍｏ：０．２〜１．２％、
Ｗ：５〜７％、
Ａｌ：５〜６．５％、
Ｔａ：８〜１２％、
Ｈｆ：０．０１〜０．２％、
Ｒｅ：２〜４％、
Ｓｉ：０．００５〜０．１％
を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、単結晶であることを特徴としている。
第２の発明は、上記第１の発明の特徴において、
質量％で、
Ｃｏ：８〜１１％、
Ｃｒ：５〜７％、
Ｍｏ：０．２〜１％、
Ｗ：５．５〜７％、
Ａｌ：５〜６％、
Ｔａ：９〜１２％、
Ｈｆ：０．０５〜０．２％、
Ｒｅ：２．５〜４％、
Ｓｉ：０．００５〜０．０８％
を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、単結晶である
ことを特徴としている。
質量％で、
Ｃｏ：８〜１１％、
Ｃｒ：５〜７％、
Ｍｏ：０．２〜１％、
Ｗ：５．５〜７％、
Ａｌ：５〜６％、
Ｔａ：９〜１２％、
Ｈｆ：０．０５〜０．２％、
Ｒｅ：２．５〜４％、
Ｓｉ：０．００５〜０．０８％
を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、単結晶である
ことを特徴としている。
第３の発明は、上記第２の発明の特徴において、
質量％で、
Ｃｏ：８〜１０％、
Ｃｒ：６〜７％、
Ｍｏ：０．５〜１％、
Ｗ：５．５〜６．５％、
Ａｌ：５〜６％、
Ｔａ：９〜１１％、
Ｈｆ：０．０５〜０．１５％、
Ｒｅ：２．５〜３．５％、
Ｓｉ：０．００５〜０．０８％
を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、単結晶である
ことを特徴としている。
質量％で、
Ｃｏ：８〜１０％、
Ｃｒ：６〜７％、
Ｍｏ：０．５〜１％、
Ｗ：５．５〜６．５％、
Ａｌ：５〜６％、
Ｔａ：９〜１１％、
Ｈｆ：０．０５〜０．１５％、
Ｒｅ：２．５〜３．５％、
Ｓｉ：０．００５〜０．０８％
を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、単結晶である
ことを特徴としている。
本発明によれば、ＴＭＦ特性とクリープ特性および耐硫化腐食に優れたＮｉ基単結晶超合金が提供され、このＮｉ基単結晶合金は、大型発電用ガスタービンのタービンブレードやタービンベーンなどの高温・高応力下で使用される高温部材として好適である。
本発明のＮｉ基単結晶超合金における化学組成の限定の理由は、以下のとおりである。
Ｃｏは、ガンマ相のＮｉと置換し、マトリックスを固溶強化する元素である。また、ガンマプライムソルバス温度を下げることにより溶体化温度幅を広げ、熱処理特性を向上させる効果のある元素である。含有量は、８〜１２質量％とする。８質量％より少ないと溶体化温度幅が小さく、１２質量%より多いとガンマプライム量が少なくなり、強度を低下させる。Ｃｏの含有量は、好ましくは、８〜１１％であり、より好ましくは、８〜１０％である。
Ｃｒは、高温耐食性を向上させる元素である。含有量は、５〜７．５質量％とする。５質量%より少ないと耐食性を低下させ、７．５質量%を超えると有害相を生成し高温強度が低下する。Ｃｒの含有量は、好ましくは、５〜７％であり、より好ましくは、６〜７％である。
Ｍｏは、ガンマ/ガンマプライムミスフィットを負として高温での強化メカニズムの一つであるラフト効果を促進させる元素である。含有量は、０．２〜１．２質量％とする。Ｍｏは、素地中に固溶して高温強度を上昇させるとともに、析出硬化によって高温強度に寄与する。０．２質量％より少ないと高温強度が低下し、４質量％を超えると有害相を生成し高温強度が低下する。Ｍｏの含有量は、好ましくは、０．２〜１％であり、より好ましくは、０．５〜１％である。
Ｗは、Ｍｏと同様に、固溶強化と析出硬化の作用がある。含有量は、５〜７質量％とする。要求されるクリープ強度やＴＭＦ強度を得るには最低でも５質量％が必要であり、また、７質量％を超える添加は有害相を生成し、強度が低下する。Ｗの含有量は、好ましくは、５．５〜７％であり、より好ましくは、５．５〜６．５％である。
Ａｌは、Ｎｉと化合し、ガンマ母相中に析出するガンマプライム相を構成するＮｉ３Ａｌで表される金属間化合物を、体積分率で５０〜７０％の割合で形成し、ＴＭＦ強度およびクリープ強度を向上させる。含有量は、５〜６．５質量％とする。Ａｌが５質量％より少ないとガンマプライム相量が少なく要求されるＴＭＦ強度およびクリープ強度が得られず、６．５質量％を超えても要求されるＴＭＦ強度およびクリープ強度が得られない。Ａｌの含有量は、好ましくは、５〜６％である。
Ｔａは、ガンマプライム相を強化してクリープ強度を向上させる有効な元素である。含有量は、８〜１２質量％とする。Ｔａが８質量％未満では要求されるＴＭＦ強度およびクリープ強度が得られず、１２質量％を超えると共晶ガンマプライム相の生成を促し、溶体化熱処理を困難にさせる。Ｔａの含有量は、好ましくは、９〜１２％であり、より好ましくは、９〜１１％である。
Ｈｆは、耐酸化性を向上させる効果があるので、化学組成成分として添加することが有効である。添加量は、０．０１〜０．２質量％とする。Ｈｆが０．０１質量％未満では耐酸化性の効果が得られず、０．２質量％を超えると有害相の生成を助長するのでＴＭＦ強度およびクリープ強度を低下させる。Ｈｆの添加量は、好ましくは、０．０５〜０．２％であり、より好ましくは、０．０５〜０．１５％である。
Ｒｅは、ガンマ相に固溶し、固溶強化により高温強度を向上させる。またＲｅは耐食性を向上させる効果もある。一方、Ｒｅを多量に添加すると、高温時にＴＣＰ相が析出してＴＭＦ強度およびクリープ強度を低下させるおそれがある。そこで、添加量は、２〜４質量％とする。２質量％未満では強度が低下し、４質量％を超える添加ではＴＣＰ相の析出によりのクリープ強度が低下する。Ｒｅの添加量は、好ましくは、２．５〜４％であり、より好ましくは、２．５〜３．５％である。
Ｓｉは、耐酸化性を向上させるのに有効な元素である。含有量は、０．００５〜０．１質量％とする。０．００５質量％未満では耐酸化性の効果が得られない。０．１質量％を超えると要求されるクリープ強度が得られない。Ｓｉの含有量は、好ましくは、０．００５〜０．０８％である。
上記のとおり化学組成を有する本発明のＮｉ基単結晶合金は、たとえば以下のようなプロセスによって製造することができる。
上記化学組成を有する原料を溶解し、鋳造して単結晶鋳造物を得た後、この単結晶鋳造物に対して溶体化処理−１次時効処理−２次時効処理を施すことにより、本発明のＮｉ基単結晶合金は製造される。溶体化処理の条件としては、真空中において１２５０〜１３５０℃の温度範囲に１〜２０時間保持し、次いで空冷することが例示される。１次時効処理の条件としては、真空中において１０００〜１２００℃の温度範囲に１〜１０時間保持し、次いで空冷することが例示される。２次時効処理の条件としては、真空中において８５０〜９００℃の温度範囲に１５〜３０時間保持し、次いで空冷することが例示される。
なお、各処理に採用される条件は、Ｎｉ基単結晶超合金の化学組成に応じて適当なものに設定される。
以下に実施例を示す。
＜実施例＞
＜実施例＞
表1に示した化学組成を有するＮｉ基超合金を、真空中において２００ｍｍ／ｈの凝固速度で溶解、鋳造して単結晶鋳造物を得た。次に、得られた単結晶鋳造物を真空中において１３００℃（１０℃単位。以下同じ）で１時間予熱した後、１３３０℃で１０時間保持してから空冷する溶体化処理を行い、その後、真空中において１１００℃で4時間保持してから空冷する１次時効処理と、真空中において８７０℃で２０時間保持してから空冷する２次時効処理とを行った。
そして、単結晶合金鋳造物を平行部直径４ｍｍ、平行部長さ２０ｍｍのクリープ試験片に加工し、９００℃、３９２ＭＰａおよび１０００℃、２４５ＭＰａの条件でクリープ試験を行った。
また、ＴＭＦ試験は高周波で試験片を加熱して実施した。ＴＭＦ試験において、温度を下限の４００℃から上限の９００℃まで変動させ、ひずみを±０．６４％で加え、温度変動とひずみとは連動させた。周波数は１サイクルで６６ｍｉｎ、波形は三角波であり、圧縮時に６０分保持した。これらの試験条件はガスタービンの運用条件を模擬するものであり、タービン翼表面温度が定常時９００℃、停止時４００℃と仮定して実施した。また、昇降温速度：１６６．７℃/ｍｉｎである。
図１および図２にクリープ試験とＴＭＦ試験の結果を示した。
図３には７５％Ｎａ２ＳＯ４＋２５％ＮａＣｌ成分の塩を９００℃に加熱溶融し、溶融した塩中に２０時間試料を浸漬して硫化腐食試験を実施した。図３図中の縦軸に硫化腐食減量を長さに換算して示した。
以上の結果を表２にまとめて示す。
本発明合金は、９００℃/３９２ＭＰaにおけるクリープ特性が６００時間以上、１０００℃/２４５ＭＰaにおけるクリープ特性が１６０時間以上であり、ＴＭＦ特性は、上記条件で２００回以上であり、かつ腐食減量が、０．００１ｍｍ以下である。ＴＭＦ特性とクリープ特性および耐硫化腐食に優れたＮｉ基単結晶超合金が得られていることが確認される。
Claims (3)
- 質量％で、
Ｃｏ：８〜１２％、
Ｃｒ：５〜７．５％、
Ｍｏ：０．２〜１．２％、
Ｗ：５〜７％、
Ａｌ：５〜６．５％、
Ｔａ：８〜１２％、
Ｈｆ：０．０１〜０．２％、
Ｒｅ：２〜４％、
Ｓｉ：０．００５〜０．１％
を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、単結晶であることを特徴とするＮｉ基単結晶超合金。 - 質量％で、
Ｃｏ：８〜１１％、
Ｃｒ：５〜７％、
Ｍｏ：０．２〜１％、
Ｗ：５．５〜７％、
Ａｌ：５〜６％、
Ｔａ：９〜１２％、
Ｈｆ：０．０５〜０．２％、
Ｒｅ：２．５〜４％、
Ｓｉ：０．００５〜０．０８％
を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、単結晶であることを特徴とする請求項１に記載のＮｉ基単結晶合金。 - 質量％で、
Ｃｏ：８〜１０％、
Ｃｒ：６〜７％、
Ｍｏ：０．５〜１％、
Ｗ：５．５〜６．５％、
Ａｌ：５〜６％、
Ｔａ：９〜１１％、
Ｈｆ：０．０５〜０．１５％、
Ｒｅ：２．５〜３．５％、
Ｓｉ：０．００５〜０．０８％
を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、単結晶であることを特徴とする請求項２に記載のＮｉ基単結晶合金。
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