JP2011012345A

JP2011012345A - ニッケル基超合金及び該ニッケル基超合金から形成された部品

Info

Publication number: JP2011012345A
Application number: JP2010143260A
Authority: JP
Inventors: Kenneth Rees Bain; ケネス・リース・ベイン; David Paul Mourer; デヴィッド・ポール・ムーラー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2011-01-20
Also published as: US20100329876A1; CA2707780A1; EP2281907A1; CN101935781A

Abstract

【課題】γ′ニッケル基超合金及び該γ′ニッケル基超合金から形成された部品を提供すること。
【解決手段】この合金は、コバルト１１．３〜１３．３重量％、クロム１２．４〜１５．２重量％、アルミニウム２．１〜２．７重量％、チタン３．６〜５．８重量％、タングステン３．５〜４．５重量％、モリブデン３．１〜３．８重量％、ニオブ０．０〜１．２重量％、タンタル０．０〜２．３重量％、ハフニウム０．０〜０．５重量％、炭素０．０４０〜０．１００重量％、ホウ素０．０１０〜０．０４６重量％、ジルコニウム０．０３０〜０．０８０重量％、残部のニッケルと不可避不純物を含み、Ｎｂ＋Ｔａ含量が０．０〜３．５重量％である。
【選択図】図７

Description

本発明は一般に、ニッケル基合金組成物に関し、より具体的には、多結晶ミクロ組織及び高温滞留能力を必要とする部品、例えばガスタービンエンジンのタービンディスクに適したニッケル基超合金に関する。

ガスタービンエンジンのタービンセクションは、燃焼器セクションの下流に位置し、ロータシャフト及び１つ以上のタービン段を含む。タービン段はそれぞれ、ロータシャフトに装着又は保持されたタービンディスク（ロータ）と、タービンディスクに取り付けられディスクの外周から半径方向に延在するタービンブレードとを有する。高温燃焼ガスに起因する高温状態にあるときでも妥当な機械特性を達成するために、燃焼器セクション及びタービンセクション内の部品は超合金材料から形成されることが多い。最新の高圧力比ガスタービンエンジンでは、圧縮機の出口温度が高温化しているので、圧縮機ディスク、ブリスクその他の部品にも、高性能ニッケル超合金の使用が必要となることがある。所与の部品に対する適当な合金組成及びミクロ組織は、その部品が受ける特定の温度、応力その他の条件に依存する。例えば、動翼、静翼などの翼形部品は、等軸、方向性凝固（ＤＳ）又は単結晶（ＳＸ）超合金から形成されることが多く、一方、タービンディスクを形成する超合金は、精密に制御された鍛造加工、熱処理及び表面処理（ピーニング処理など）を施して制御された結晶粒組織と望ましい機械的特性を有する多結晶ミクロ組織を生成しなければならない。

タービンディスクはガンマプライム析出強化ニッケル基超合金（以下γ′ニッケル基超合金という）から形成されることが多いが、この超合金は、クロム、タングステン、モリブデン、レニウム及び／又はコバルトを主要元素として含有し、これらがニッケルと結合してγマトリックスを形成し、さらにアルミニウム、チタン、タンタル、ニオブ及び／又はバナジウムを主要元素として含有し、これらがニッケルと化合して所望のγ′析出強化相、主としてＮｉ_３（Ａｌ，Ｔｉ）を形成する。著名なγ′ニッケル基超合金には、Ｒｅｎｅ８８ＤＴ（Ｒ８８ＤＴ、米国特許第４９５７５６７号）及びＲｅｎｅ１０４（Ｒ１０４、米国特許第６５２１１７５号）があり、また登録商標Ｉｎｃｏｎｅｌ、Ｎｉｍｏｎｉｃ及びＵｄｉｍｅｔにて市販されているニッケル基超合金もある。Ｒ８８ＤＴの組成は、クロム約１５．０〜１７．０重量％、コバルト約１２．０〜１４．０重量％、モリブデン約３．５〜４．５重量％、タングステン約３．５〜４．５重量％、アルミニウム約１．５〜２．５重量％、チタン約３．２〜４．２重量％、ニオブ約０．５０〜１．０重量％、炭素約０．０１０〜０．０６０重量％、ジルコニウム約０．０１０〜０．０６０重量％、ホウ素約０．０１０〜０．０４０重量％、ハフニウム約０．０〜０．３重量％、バナジウム約０．０〜０．０１重量％、イットリウム約０．０〜０．０１重量％、並びに残部のニッケル及び不可避不純物である。Ｒ１０４の公称組成は、コバルト約１６．０〜２２．４重量％、クロム約６．６〜１４．３重量％、アルミニウム約２．６〜４．８重量％、チタン約２．４〜４．６重量％、タンタル約１．４〜３．５重量％、ニオブ約０．９〜３．０重量％、タングステン約１．９〜４．０重量％、モリブデン約１．９〜３．９重量％、レニウム約０．０〜２．５重量％、炭素約０．０２〜０．１０重量％、ホウ素約０．０２〜０．１０重量％、ジルコニウム約０．０３〜０．１０重量％、並びに残部のニッケル及び不可避不純物である。別の重要なγ′ニッケル基超合金が、欧州特許出願ＥＰ１１９５４４６に開示されており、このγ′ニッケル基超合金の組成は、コバルト約１４〜２３重量％、クロム約１１〜１５重量％、タンタル約０．５〜４重量％、タングステン約０．５〜３重量％、モリブデン約２．７〜５重量％、ニオブ約０．２５〜３重量％、チタン約３〜６重量％、アルミニウム約２〜５重量％、レニウム最大約２．５重量％、バナジウム最大約２重量％、鉄最大約２重量％、ハフニウム最大約２重量％、マグネシウム最大約０．１重量％、炭素約０．０１５〜０．１重量％、ホウ素約０．０１５〜０．０４５重量％、ジルコニウム約０．０１５〜０．１５重量％、並びに残部のニッケル及び不可避不純物である。

ガスタービンエンジンのディスクその他の重要な部品はしばしば、粉末冶金（ＰＭ）、普通の鋳造及び鍛錬加工、及びスプレイキャスト又は核生成鋳造成形技術により製造したビレットから鍛造される。粉末冶金法で形成されたγ′ニッケル基超合金は特に、ガスタービンエンジンのタービンディスクや他の部品の性能要求を満足する良好なバランスのクリープ特性、引張特性及び疲労亀裂伝播特性を与えることができる。代表的な粉末冶金プロセスでは、所望の超合金の粉末を、例えば高温静水圧圧縮（ＨＩＰ）及び／又は押出圧密化による圧密化（consolidation）に付す。得られたビレットを次に、超塑性加工条件に近い合金のγ′ソルバス温度より僅かに低い温度で等温鍛造し、これにより有意な金属学的歪みの累積なしに、高い幾何学的歪みの累積を通してダイキャビティを充填することができる。これらの加工工程はビレット内の微細結晶粒径を元のままに保持し（例えばＡＳＴＭ１０〜１３又はそれよりも微細）、高い可塑性を実現してニアネットシェイプ（できるだけ完成品に近い形状）鍛造ダイを充填し、鍛造中の破断を回避し、比較的低い鍛造及びダイ応力を維持するように設計されている。高温での耐疲労亀裂伝播性及び機械的特性を向上するために、これらの合金は次に、γ′ソルバス温度より高い温度で熱処理し（一般にスーパーソルバス熱処理という）、結晶粒の有意な均一な粗大化を図る。

Ｒ８８ＤＴやＲ１０４などの合金は超合金の高温性能を大幅に進歩させたが、さらなる改良が絶えず求められている。例えば、高温滞留能力が、最新の軍用及び商用エンジン用途と関連した高温及び高応力にとって重要な因子として浮上している。より高温の、より進歩したエンジンの開発に伴って、現在の合金のクリープ及び亀裂伝播特性は、最新のディスク用途の使途／寿命目標及び要件を満たすのに必要な能力に達しない傾向がある。この課題に対処する特定の一態様は、１２００°Ｆ（約６５０℃）以上の温度におけるクリープ特性と保持時間（滞留）疲労亀裂伝播速度特性との所望のバランスのよい向上を示し、同時に、良好な生産性及び熱安定性を有する組成物を開発することであることが明らかになった。しかしながら、クリープ特性と亀裂伝播特性とを同時に向上させることが難しく、また、ある種の合金成分の存在の有無、及び超合金中に存在する合金成分のレベルの比較的小さな変化によって、クリープ特性及び亀裂伝播特性がかなりの影響を受けることがあることが、この課題を複雑にしている。

米国特許第６５２１１７５号公報

本発明は、クリープ及び保持時間疲労亀裂伝播挙動を含む、改良された高温滞留能力を示す、γ′ニッケル基超合金及び該γ′ニッケル基超合金から形成された部品を提供する。

本発明の第１の態様では、γ′ニッケル基超合金は、コバルト１１．３〜１３．３重量％、クロム１２．４〜１５．２重量％、アルミニウム２．１〜２．７重量％、チタン３．６〜５．８重量％、タングステン３．５〜４．５重量％、モリブデン３．１〜３．８重量％、ニオブ０．０〜１．２重量％、タンタル０．０〜２．３重量％、ハフニウム０．０〜０．５重量％、炭素０．０４０〜０．１００重量％、ホウ素０．０１０〜０．０４６重量％、ジルコニウム０．０３０〜０．０８０重量％、残部のニッケルと不可避不純物からなり、Ｎｂ＋Ｔａ含量は０．０〜３．５重量％である。

本発明の他の態様は、上記の合金から形成することができる様々な部品を含み、その具体例は、ガスタービンエンジンのタービンディスク並びに圧縮機ディスク及びブリスクを含む。

本発明の重大な利点は、上記のニッケル基超合金が、１２００°Ｆ（約６５０℃）以上の温度におけるクリープ特性と保持時間疲労亀裂伝播速度（hold time fatigue crack growth rate：ＨＴＦＣＧＲ）特性の両方を向上させることを含む、高温滞留特性をバランスよく向上させる潜在性を提供し、同時に、良好な生産性及び良好な熱安定性を有することである。特に、粉末冶金、熱間加工及び熱処理技術を使用して適切に加工された場合には、他の特性の向上も可能であると考えられる。

本発明の他の態様及び利点は、以下の詳細な説明からよりいっそう理解される。

ガスタービンエンジン内で使用されるタイプのタービンディスクの透視図である。本発明によって、タービンディスク合金として使用する潜在的組成物として最初に特定された一連のニッケル基超合金組成物を示す表である。２段階熱処理にかけた場合に、図２のニッケル基超合金組成物に対して予測される様々な特性をまとめた表である。図３のデータのクリープ及び保持時間疲労亀裂伝播速度をプロットしたグラフである。１段階熱処理にかけた場合に、図２のニッケル基超合金組成物に対して予測される様々な特性をまとめた表である。図５のデータのクリープ及び保持時間疲労亀裂伝播速度をプロットしたグラフである。図２で最初に特定した合金に基づいて調製した一連のニッケル基超合金組成物の実際の化学組成を示す表である。

本発明は、γ′ニッケル基超合金、特に、熱間加工（例えば鍛造）操作によって多結晶ミクロ組織を有するように製造される部品に対し適したγ′ニッケル基超合金に関する。図１に示す具体的な例は、ガスタービンエンジン用の高圧タービンディスク１０である。本発明を、ガスタービンエンジン用の高圧タービンディスクの加工に関して論じるが、本発明の教示及び恩恵は、ガスタービンエンジンの圧縮機ディスク及びブリスク、並びに高温において応力を受け、したがって高温滞留能力を必要とする他の多数の部品にも適用可能であることを当業者は理解するであろう。

図１に示すタイプのディスクは一般に、粉末冶金（ＰＭ）、鋳造／鍛錬加工、或いはスプレイキャスト型又は核生成鋳造型技術によって製造した微細結晶粒ビレットを、等温で鍛造することによって製造される。粉末冶金法を用いる好ましい実施形態では、超合金粉末を高温静水圧圧縮（ＨＩＰ）又は押出圧密などで圧密化することによって、ビレットを形成することができる。ビレットを一般に、超塑性成形条件下で、合金の再結晶温度に等しいか近いが、合金のγ′ソルバス温度よりも低い温度で鍛造する。鍛造後、スーパーソルバス（溶体化）熱処理を行い、その間に結晶粒成長が起こる。スーパーソルバス熱処理は超合金のγ′ソルバス温度よりも高いが、溶解開始温度よりも低い温度で行って、鍛錬した結晶粒構造を再結晶させるとともに、γ′析出物を超合金中に溶解（溶体化）する。スーパーソルバス熱処理後、γマトリックス内又は結晶粒界にγ′を再析出させるのに適した速度で部品を速度で冷却し、所望の特定の機械特性を達成する。部品を、公知の技術を使用した時効処理に付してもよい。

本発明の超合金組成物は、既存のニッケル基超合金より良好な高温滞留能力を発揮することができる合金成分及びそのレベルを同定することを目的とする当社の解析的予測プロセスを用いることによって開発した。具体的には、解析と予測には、上述した方法で製造されるタービンディスクにふさわしい引張、クリープ、保持時間（滞留）亀裂伝播速度、密度その他の重要なもしくは望ましい機械的特性についての要素伝達関数の定義を含む当社の研究を利用した。これらの伝達関数を同時に解くことにより、組成物の評価を行って、最新のタービンエンジンニーズを満たす所望の機械的特性（クリープ及び保持時間疲労亀裂伝播速度（ＨＴＦＣＧＲ）など）を有すると思われる組成物を同定する。解析的検討では、当社のデータベースとともに市販のソフトウェアパッケージも利用して、組成物に基づく相体積分率を予測し、こうして望ましくない平衡相安定境界に近づくか、場合によっては僅かに超過する組成物をさらに定義した。最後に、溶体温度並びにγ′及び炭化物の好適な量を規定して、（供用中の環境特性のため平衡相が十分に生成するならば、供用中の能力を低減するおそれのある）望ましくない相を回避しながら、機械的特性、相組成及びγ′体積分率の望ましい組合せをもつ組成物を同定した。これらの研究では、歴史的なディスク合金開発業績から得られる選択データに基づいて、回帰方程式又は伝達関数を開発した。研究は、上述したニッケル基超合金Ｒ８８ＤＴ及びＲ１０４の定性及び定量的データにも依拠した。

ある種の潜在的合金組成物を特定するために利用した具体的な基準は、Ｒ８８ＤＴと同様の又はＲ８８ＤＴよりも良好な低サイクル疲労（ＬＣＦ）挙動を有するが、１４００°Ｆ（約７６０℃）以上の温度における長期にわたる強度を助長するために、改良された高温保持時間（滞留）挙動及びγ′（（Ｎｉ，Ｃｏ）_３（Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ））のより大きな体積百分率を有する合金に対する要望を含む。さらに、Ｒ８８ＤＴ組成物に対する潜在的な変更点として、高温強度のためのより高いハフニウムレベル、より最適なホウ素レベル、及びタンタルの追加を含む、いくつかの組成パラメータを特定した。本明細書では、この群に含まれる合金を合金０８−０３〜０８−１０として識別する。最後に、特定の機械特性に関する回帰因子を利用して、優れた高温保持時間（滞留）挙動を発揮することができ、通常は非常に多数の合金を用いた広範な実験でなければ特定できないであろう潜在的な合金組成物を狭い範囲で特定した。このような特性には、１２００°Ｆ（約６５０℃）での引張強さ（ＵＴＳ）、降伏強さ（ＹＳ）、伸び（ＥＬ）、絞り（ＲＡ）、クリープ（１２００°Ｆ、１１５ｋｓｉ（約６５０℃、約７９０ＭＰａ）での０．２％クリープまでの時間；ＣＲＥＥＰ）、１３００°Ｆ（約７００℃）及び最大応力強度２５ｋｓｉ√インチ（約２７．５ＭＰａ√ｍ）での保持時間（滞留）疲労亀裂伝播速度（ＨＴＦＣＧＲ；ｄａ／ｄｔ）、疲労亀裂伝播速度（ＦＣＧＲ）、γ′体積％（ＧＡＭＭＡ′％）、及びγ′ソルバス温度（ＳＯＬＶＵＳ）があり、これらの特性は全て回帰ベースで評価した。本明細書で報告するこれらの特性の単位は、ＵＴＳ及びＹＳについてはｋｓｉ、ＥＬ、ＲＡ及びγ′体積％については％、クリープについては時間、亀裂伝播速度（ＨＴＦＣＧＲ及びＦＣＧＲ）についてはインチ／秒、γ′ソルバス温度については°Ｆである。また熱力学的計算を行って、γ′、炭化物、ホウ化物及びＴＣＰ（トポロジー最密充填topologically close packed）相の相体積分率、安定性、ソルバスなどの合金特性を評価した。

専門家の意見及び指導を利用して、上記のプロセスを繰り返し実行して、製造及び評価のための好ましい組成物を定義した。このプロセスから、前述の一連の合金組成物０８−０３〜０８−１０を、図２の表に示すように（重量パーセントによって）定義した。参照のため、この表にはさらに、Ｒ８８ＤＴの組成範囲に含まれるが、最小限及び最大限のホウ素量を有する２つの合金（０８−０１及び０８−０２）が含まれている。図３の表は、図２の合金の回帰ベースの特性予測を含み、図４は、図３の保持時間疲労亀裂伝播速度（ＨＴＦＣＧＲ）データ及びクリープデータのグラフを含む。これらの予測は、約１５５０°Ｆ（約８４５℃）で約４時間、続いて約１４００°Ｆ（約７６０℃）で約８時間の安定化スタイル２段階時効熱処理の利用に基づく。

参照のため、図４はさらに、Ｒ８８ＤＴ及びＲ１０４の歴史的ＨＴＦＣＧＲデータ及びクリープデータを含む。視覚的に描かれた図４から、ホウ素レベルが高い方が、Ｒ８８ＤＴのＨＴＦＣＧＲ挙動は向上するようである、クリープ特性はそうではないようであることが分かる。提案した合金組成物に関して、０８−０４、０８−０５及び０８−０７では、Ｒ８８ＤＴの歴史的レベルと比較して、ＨＴＦＣＧＲ挙動が向上する可能性があるように思われた。

次いで、図２の合金を、１段階時効熱処理の利用に基づく回帰ベースの別の特性予測にかけた。図５の表は、得られた特性予測を含み、図６は、図５のＨＴＦＣＧＲデータ及びクリープデータのグラフを含む。参照のため、図６はさらに、Ｒ８８ＤＴ及びＲ１０４の歴史的ＨＴＦＣＧＲデータ及びクリープデータを含む。２段階熱処理に基づく以前の予測と同様に、図６から、ホウ素レベルが高い方が、Ｒ８８ＤＴのＨＴＦＣＧＲ挙動は向上するようである、クリープ特性はそうではないようであることが分かる。提案した合金組成物に関して、この場合も、０８−０４、０８−０５及び０８−０７では、Ｒ８８ＤＴの歴史的レベルと比較して、ＨＴＦＣＧＲ挙動並びにクリープ挙動が向上する可能性があるように見えた。

次いで、上記の通り解析し、検討した各組成の合金を調製した。調製した合金の実際の化学組成（重量パーセント）を、図７の表に要約して示す。これらの合金から、有望な特性を有する合金を定義する合金範囲、並びに分析した合金組成物に対して予測される特性を反映する、より狭く定義された範囲を特定した。合金０８−０３〜０８−１０を包含する合金に対するより広い範囲及びより狭い範囲を、以下の表Ｉに要約して示す。これらの範囲は、部分的に、（Ｒ８８ＤＴと比べて）比較的低いクロムレベル、比較的高いチタン、ハフニウム及びタンタル＋ニオブレベル、及びニオブに比べて高いタンタルが好ましいことを特徴とする。表Ｉの「Ｔａ及びＨｆ添加」の欄は、タンタル及びハフニウムを含む０８−０３〜０８−１０の合金に的を絞ることが意図されている。表Ｉに記載された元素の他に、望ましくない特性を与えない他の少量の合金成分が存在しうると考えられる。このような成分及びそれらの成分の量（重量％）には、レニウム最大２．５％、バナジウム最大２％、鉄最大２％、及びマグネシウム最大０．１％が含まれる。

図２及び図７で識別される合金組成物、並びに表Ｉで識別される合金及び合金範囲は全て分析予測に基づくが、予測を実行し、これらの合金組成物を特定するために依存する広範囲の分析及び資源は、これらの合金、特に表Ｉの合金組成物が、ガスタービンエンジンのタービンディスクに望ましい、クリープ特性及び保持時間疲労亀裂伝播速度特性の大幅な向上を達成する潜在性に対する強力な指示を提供する。

ニッケル基超合金の特定の組成物及び特性を含む特定の実施形態に関して本発明を説明したが、本発明の範囲はそれらに限定されない。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。

１０タービンディスク

Claims

コバルト１１．３〜１３．３重量％、クロム１２．４〜１５．２重量％、アルミニウム２．１〜２．７重量％、チタン３．６〜５．８重量％、タングステン３．５〜４．５重量％、モリブデン３．１〜３．８重量％、ニオブ０．０〜１．２重量％、タンタル０．０〜２．３重量％、ハフニウム０．０〜０．５重量％、炭素０．０４０〜０．１００重量％、ホウ素０．０１０〜０．０４６重量％、ジルコニウム０．０３０〜０．０８０重量％、残部のニッケルと不可避不純物からなり、Ｎｂ＋Ｔａ含量が０．０〜３．５重量％である、γ′ニッケル基超合金。
チタン含量が４．２％超である、請求項１記載のγ′ニッケル基超合金。
モリブデン含量が３．５％未満である、請求項１又は２記載のγ′ニッケル基超合金。
ニオブ含量が０．５％未満である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のγ′ニッケル基超合金。
タンタル含量が１％以上である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のγ′ニッケル基超合金。
ハフニウム含量が０．３％超である、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のγ′ニッケル基超合金。
Ｎｂ＋Ｔａ含量が１．０％超である、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のγ′ニッケル基超合金。
コバルト１１．７〜１２．７重量％、クロム１２．８〜１４．５重量％、アルミニウム２．２〜２．６重量％、チタン３．８〜５．５重量％、タングステン３．７〜４．２重量％、モリブデン３．２〜３．７重量％、ニオブ０．０重量％、タンタル１．０〜２．２重量％、ハフニウム０．３〜０．５重量％、炭素０．０４８〜０．０６７重量％、ホウ素０．０１４〜０．０４０重量％、ジルコニウム０．０４１〜０．０７０重量％、残部のニッケルと不可避不純物からなる、請求項１記載のγ′ニッケル基超合金。
請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のγ′ニッケル基超合金から形成された部品。
ガスタービンエンジンのタービンディスク並びに圧縮機ディスク及びブリスクからなる群から選択される粉末冶金部品である、請求項９記載の部品。