JP2011032582A - ニッケル基超合金、前記超合金製の機械部品、前記部品を備えるターボ機械、および関連する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のものに比べて高い温度での稼動を可能にするニッケル基超合金を形成すること、それと同時に、機械抵抗および耐薬品性を改善すること。
【解決手段】構成元素として、少なくとも、重量パーセントで３％から７％までの範囲のクロム、３％から１５％までの範囲のタングステン、４％から６％までの範囲のタンタル、４％から８％までの範囲のアルミニウム、０．８％未満の炭素、および残りの割合のニッケルと不純物を含むことを特徴とするターボ機械用の機械部品の加工に特に適しているニッケル基超合金。
【選択図】図８

Description

本発明は、新しいニッケル基超合金およびこの新しいニッケル基超合金を得るための方法に関する。

本発明は、上述の超合金製の機械部品、その機械部品が装着されるターボ機械、および特定の応用方法にも関する。

通常、材料技術の分野では、高温下で動作する機械部品の作製に関わる問題は、冷却システムまたは断熱層を使用してこれらの部品を構成する材料を冷却し、そうすることで機械抵抗を高めることによって解決される。実際のところ、高温下では、冷却システムが適切に計画されていないと部品の寿命が縮まり、場合によっては部品の寿命を標準的な寿命まで延ばすために使用時に温度を下げる必要がある。

高温下での使用時に、高い機械抵抗を示し、また特定の応用例に基づいて同時に耐薬品性に関係する特定の特性（耐腐食、耐浸食、または他の性質）を示す材料を求めて、少なくとも１つの元素が金属である複数の元素の組合せである、多くの種類の合金が開発された。より具体的には、ターボ機械部品の場合、冷却システムを使用するためには複雑な生産工程が必要であり、必然的に特定の機械のパフォーマンスが下がるが、このことは、部品を構成する材料の選択が基本であることを証明している。

ニッケル超合金は、高温に対応できるように開発され、約１０００℃の温度での高い耐酸化性と併せて良好な機械抵抗を有するように設計された特殊な合金であり、これらは、（限定しないが）大部分が、航空および／または航空宇宙に関する分野において使用されている。これらのニッケル基超合金は、関与する化学元素を量と数に基づいて、非常に融通の利く形で様々に関連付けることができ、したがって、元素の特定の組合せまたは混合に基づいて少しずつ差異を得ることができるため、非常に広範な種類の金属基合金を含み、これらは、絶えず改善と研究が続けられている。

したがって、現在では、技術が進歩しているといっても、この課題は、まだなお問題であり、改善されたニッケル基超合金を作り出す必要があることは間違いない。費用効果の高い、より良い性能の機械を生産するために、より高い機械抵抗、耐薬品性、および耐熱性を有する超合金が必要になる。

本発明の目的の１つは、従来のものに比べて高い温度での稼動を可能にするニッケル基超合金を形成すること、それと同時に、機械抵抗および耐薬品性を改善すること、および上述の課題のいくつかを部分的に克服することである。

本発明の他の目的は、そのような超合金を生産する方法を創出すること、この超合金製の機械部品を作製すること、および前記部品が装着される機械を製作することである。これらの目的および利点は、請求項１に基づいており、請求項６に説明されている方法を通じて得られる超合金を用いることで、実用上達成され、部品が請求項８に示されており、機械が請求項９に基づいており、および特定の応用方法が請求項１０に示されている。

本発明の技術的利点については、以下に記載されている請求項において述べる。

本発明の主要な態様は、ターボ機械において、約１２００℃と高い温度で使用される機械部品を作製するのに適したニッケル基超合金を生産することである。本発明において示されているように、この超合金は、少なくとも、構成元素として３％から７％までの範囲のクロム（Ｃｒ）、３％から１５％までの範囲のタングステン（Ｗ）、４％から６％までの範囲のタンタル（Ｔａ）、４％から８％までの範囲のアルミニウム（Ａｌ）、０．８％未満の炭素（Ｃ）、残りの割合のニッケル（Ｎｉ）を重量パーセントで表される量で含み、それに加えて、可能な不純物を含む（以下の説明および付属の請求項では、示されている割合は、別段の記載のない限り、重量に関する割合である）。

本発明の非常に都合のよい応用例は、高温下での超合金の機械抵抗を高めるために超合金が体積パーセントで０％から１５％までの範囲、好ましくは０％から７％までの範囲、なおいっそう好ましくは０％から６％までの範囲の「イットリア」（化学式Ｙ_２Ｏ_３）とも称される酸化イットリウム（ＩＩＩ）を含むものである。

酸化イットリウム（ＩＩＩ）は、簡単に言うと、例えば、マイクロ波フィルタまたは超電導金属（高温で超電導体になる能力があるため）の生産、またはいくつかの種類の有機金属化合物の生産（塩化イットリウム（ＩＩＩ）（化学式ＹＣｌ_３）に転換する）など、いくつかの技術分野において使用される、空気中で安定している白っぽい固形物質である。本発明の他の都合のよい応用例では、超合金は、高温下での機械抵抗が強化されるように重量パーセントで０％から１０％までの範囲、好ましくは３％から７％までの範囲、なおいっそう好ましくは４％から６％までの範囲のレニウム（Ｒｅ）を含む。

レニウムは、簡単に言うと、すべての元素のうち、タングステンおよび炭素に次ぐ高い融点を有する、重い銀白色の希少金属である。これは、白金、イリジウム、およびオスミウムに次ぐ高密度の金属の１つでもある。レニウムは、最後に発見された天然に存在する元素である。通常、粉末状態で販売されており、これは、水素化雰囲気中で、加圧または空孔焼結によって圧密化することができる。レニウムは、自然状態では遊離しておらず、一般的な鉱物中には見つからない。地殻上に見つかる量は、約０．００１ｐｐｍ、すなわち、１トンにつき約１ミリグラムである。これは、硫化銅を含む鉱物および、たまたま０．００２％から０．２％までの範囲のレニウムを含む、モリブデンを含むいくつかの鉱物を焙焼することによって生成する煙霧からもっぱら抽出され、例えば、高温下において水素で過レニウム酸アンモニウムを還元することで得られる。これの精製工程は難しく、大きな費用がかかる。この元素の主な応用例は、ガス生産のための白金−レニウム触媒の形成、質量分析計用のフィラメントおよびイオン検出器の生産、超電導合金を形成するためのタングステンまたはモリブデン基合金用の添加剤、耐摩耗性および耐腐食性に優れていることから、電気接点を作製するための水素化過程用の触媒、最大２２００℃までの温度を測定する熱電対温度計を生産する際の要素、および他の多くの応用例である。

本発明の非常に都合のよい応用例では、この超合金は、レニウムの量に基づいて重量パーセントで４％から６％までの範囲または９％から１１％までの範囲のタングステンを含むが、以下を参照されたい。

他の応用例では、超合金は、重量パーセントで、４％から６％までの範囲のクロム（Ｃｒ）、４．５％から５．５％までの範囲のタンタル（Ｔａ）、５％から７％までの範囲のアルミニウム（Ａｌ）、０．１％未満の炭素のうちの少なくとも１つの元素を有する。好ましくは等軸タイプの上述の合金の特定の応用例において、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニア（Ｚｒ）、およびホウ素（Ｂ）の微量添加を、最大合計２％まで実行することも可能であり、これにより、特定の応用例に基づく機械的仕様を改善することが可能である。

他の態様において、本発明は、ニッケル基超合金を形成するための方法に関係しており、この方法は、構成元素として、３％から７％までの範囲のクロム（Ｃｒ）、３％から１５％までの範囲のタングステン（Ｗ）、４％から６％までの範囲のタンタル（Ｔａ）、４％から８％までの範囲のアルミニウム（Ａｌ）、０．８％未満の炭素（Ｃ）、残りの割合のニッケル（Ｎｉ）、およびそれに加えて、可能な不純物を使用し、これらの指示されている量（重量パーセント）を混合する工程を含む。追加工程は、超合金を、
−体積パーセントで、０％から１５％までの範囲、好ましくは０％から７％までの範囲、なおいっそう好ましくは０％から６％までの範囲の（体積の）酸化イットリウム（ＩＩＩ）（Ｙ_２Ｏ_３）、
−体積パーセントで、０％から１０％までの範囲、好ましくは３％から７％までの範囲、最も好ましくは４％から６％までの範囲のレニウム（Ｒｅ）、
−レニウムの量に基づき、重量パーセントで、４％から６％までの範囲、または９％から１１％までの範囲のタングステン
のうちの少なくとも１つの元素と混合することを含むものとすることも可能である。

本発明の非常に都合のよい応用例では、この超合金は、「溶融」によって得られる。「溶融」は、鋳造スパウトを、例えば、砂中で（「サンド作業」と称される）、金属中で（「殻中で」とも称される）、または圧力下で（「ダイカスト」）、形成する、「鋳造作業」とも称される生産プロセスおよび他の多くの生産プロセスを指す。

詳細には、この超合金は、「ロストワックス微小溶融」と称される鋳造作業を通じて形成することができ、この工程は、
−製造する部品の蝋型を準備すること、
−蝋型の周りに、特定のコーティングを施すこと（一般にチョークまたはリン酸塩を使用して）、
−形成された鋳型を、コーティング後に、高温の熱サイクルに曝し（一般的に６５０℃から９００℃までの範囲）、蝋を除去し、中空の鋳型を形成すること、
−特定の注湯路を通して超合金を鋳型に注ぎ込むこと、
−超合金を鋳型内で固化させ、次いで、鋳型それ自体から取り出すことを
含む。

高温下での熱サイクルは、自由火炎溶融、誘導溶融、電気抵抗によって加熱された基材上での溶融、塊状のタングステン電極間のアーク灯溶融、および他の多くの方法など、いくつかの加熱手順に従って実行することが可能である。

重力、合金を押すガスの力、押圧力、またはさらには遠心力による押す力、および他の多くの方法を利用して鋳造を実行することが可能である。以下で説明されるように、単結晶すなわち、等軸または方向性固化が得られるように、「ロストワックス微小溶融」で処理するか、または他の鋳造作業手順で処理するかに関係なく、固化プロセスを制御することができる。詳細には、単結晶微小溶融を用いることで、すべての結晶粒境界現象について良好な仕様（例えば、低いクリープ）を有し、耐酸化性が高く、また機械抵抗および耐薬品性、さらには多くの他の現象に対する耐性が高い、超合金を得ることができる。他方において、等軸溶融では、例えば、比較的生産が容易であるが、単結晶微小溶融によって得られるものに比べた場合に耐性が低い、より費用効果の高い超合金を形成する。他方で、方向性微小溶融を用いると、優先結晶粒方向に基づき耐性が必ず改善される。「ロストワックス」であろうと他の何らかの種類の作業であろうと、鋳造作業の主要な利点は、良好な仕様を有する合金を得るために冷却を制御することが可能であり、またそれと同時に、込み入った機械的作業に携わることなく複雑な形状を形成することが可能であるという点である。微小孔、不均一、または望ましくない相析出物が存在する可能性があるため、プロセスと製品の両方を正確にチェックする必要がある。

本発明の非常に都合のよい応用例では、この超合金は、「粉末冶金」によって得られる。「粉末冶金」は、金属（またはセラミック）製造製品をその粉末の加工熱処理を通して作製する生産プロセスである。

詳細には、この超合金は、「焼結」プロセスを用いて粉末を圧密化するために、高温圧縮により形成されうるが、このプロセスは、主に、
−上述の超合金を、最終的にはレニウムとともに、固体粒子または粉末の形態で用意すること、
−最終的に、上述の粉末とイットリウム粉末とを混合すること、
−作製される物体の形状または適当なオーバーサイズの類似の形状を再現する高圧の軟鋳型に粉末を注ぎ込むこと、
−圧力下において、材料の溶融点より約０．７〜０．９倍低い温度でそのような鋳型を加熱し、焼結して、粒子を圧密化し、またそれと同時に、新しい結晶化を誘導すること、
−鋳型を冷却して、開き、仕上がった部品を取り出すことを含む。

粉末冶金の主要な利点は、機械的作業の必要性を最小限に抑えるか、またはなくし、図らずも特に幾何学的に複雑な形状の場合に費用効果があり、それぞれの構成要素に対する良好な仕上げおよび良好な再生産性、連鎖生産の要件を満たす特性を持つ材料および最終処理の選択の幅を広げることが可能であるという点である。

その一方で、不利点は、大半は、溶融によって形成された製品と比較した場合に仕上げられた製品の機械的仕様が低く、また寸法精度も低いことによるものである。鋳造作業と粉末冶金の両方の場合において、例えば、修正、ラップ仕上げ、研磨、キャリブレーション、または他の機械的仕上げ処理、さらには、形状を完成するための処理（マトリクス圧縮とたまたま親和性のない幾何学的制限がある場合）、または材料の仕様を最適化することを目指す熱処理、さらには他の多くの処理など、仕上げられた部品に対するさらなる処理を含むことが可能である。

さらに、その設計の目的である特定の応用例に基づいて、保護コーティングをこの超合金に（またはより好ましくは、この超合金製の最終製品に）施すことが可能である。本発明の他の注目すべき態様は、使用中の高温（最大約１２００℃またはそれより少し高いくらいの温度まで）に耐えることができる上述の超合金製のターボ機械の機械部品の作製である。本発明の他の態様は、例えばガスタービン、または他の多くのものなどの、上述の超合金で少なくとも１つの機械部品が形成されているターボ機械に関する態様である。

上述の超合金を、高温（最大約１２００℃まで）の温度に耐えられる材料の仕様が要求されるか、または高い機械的応力および酸化および／または腐食が関わる他の応用例または技術分野において使用することが可能であることは除外できない。

本発明の他の態様は、高温下で問題を生じている可能性のあるステータ部品の一部を本発明で示されているような超合金製の部品で置き換えることにより、ガスタービンのパフォーマンスを改善するために提供される方法に関するものである。以下の説明を参照されたい。

超合金を使用するうえでの利点の１つは、本発明において説明されているように、ニッケル基超合金と比較した場合に、本明細書で説明されているものでは、アドホックで作製された、その組成のおかげで最大約１２００℃までのターボ機械部品の使用の温度を上げる機会が与えられるという点である。

実際には、このような超合金は、少なくとも指示されている最高温度に至るまで、良好な耐酸化性および高い機械抵抗を示す。

詳細には、その組成を見てみると、この超合金によって、少なくとも、
−１０００℃を超える温度でより良好な耐酸化性、
−１１００℃を超える温度でより高い引張強さ、
−超合金に機械的性質（最大約１３００℃まで）を付与するニッケル−アルミニウム（化学式Ｎｉ_３Ａｌ）中の析出物からなる、ガンマプライム硬化相のより良好な安定性の特性を改善することができる。

したがって、典型的な使用温度（ターボ機械分野では実際の市販合金を使用したのでは可能でない）を高め、等しい使用条件に基づいて部品の寿命を延ばすか、または部品の冷却を際立って減らすことが可能であり、その結果、部品は簡素化され、断熱層を使用する低い保護に対する要求は少なくなる。

高温での使用を可能にする仕様によって特徴づけられる材料を使用することで生じる利点は、いくつかあり、これらは、次のリストにまとめることができる。
−使用温度を高めることが可能であるためパフォーマンスが向上する。
−稼動に関わる冷却用空気の量を減らすことが可能であるためパフォーマンスが向上する。
−部品の寿命が延びる。
−冷却システムの最適化のおかげで部品の設計および生産プロセスが改善される。

これらの技術的態様のうちのそれぞれの態様は、対応する経済的便益を伴う。

他の利点は、この超合金が、機械または新規に設計された部品を製作したり、または既存の機械または部品の改善を行うために使用できるので、非常に多くの目的に利用することができる点である。一般に、本発明は、機械的仕様ならびに耐酸化性および耐腐食性の両方に関して、高温に対する適度の耐性が要求されるすべての分野において使用することができる。

この方法さらには本発明において示されているデバイスを応用するためのさらなる都合のよい仕様および方法については、付属の請求項で説明されているが、いくつかの限定しない例を参照しつつ以下で詳しく説明する。

本発明の多くの目的および利点は、実用的な、非制限的な例を示す、付属の概略図面を参照した場合に、この分野の専門家にとってはより明白なものとなるであろう。図面の説明を以下に示す。

本発明のいくつかの応用例に基づいていくつかの超合金の荷重および温度の関数としてクリープ抵抗を示すグラフである。 本発明のいくつかの応用例に基づくいくつかの超合金に対し実施されたいくつかの酸化試験の結果が示され、現在市販されているいくつかの合金と比較されているグラフである。 本発明のいくつかの応用例に基づくいくつかの超合金に対し実施されたいくつかの酸化試験の結果が示され、現在市販されているいくつかの合金と比較されているグラフである。 本発明のいくつかの応用例に基づくいくつかの超合金に対し実施されたいくつかの酸化試験の結果が示され、現在市販されているいくつかの合金と比較されているグラフである。 本発明のいくつかの応用例に基づくいくつかの超合金に対し実施されたいくつかの酸化試験の結果が示され、現在市販されているいくつかの合金と比較されているグラフである。 本発明のいくつかの応用例に基づくいくつかの超合金に対し実施されたいくつかの酸化試験の結果が示され、現在市販されているいくつかの合金と比較されているグラフである。 いくつかの市販合金と比較した本発明の応用例の高温下でのけん引抵抗に関する例示的なグラフである。 本発明の一応用例に基づくターボ機械の部品の分解軸測図である。

本発明の第１の応用例として形成された第１の超合金は、Ｎｉ２９と呼ばれるもので、構成元素として、少なくとも、（重量パーセントで）５％のクロム（Ｃｒ）、１０％のタングステン（Ｗ）、５％のタンタル（Ｔａ）、０％のレニウム、６％のアルミニウム（Ａｌ）、０．０５％の炭素、および最終的に、０．５％から２％までの範囲の酸化イットリウム（ＩＩＩ）（Ｙ_２Ｏ_３）（この最後のは体積パーセント）を含む。

本発明の第２の応用例として形成された第２の超合金は、Ｎｉ３２と呼ばれるもので、構成元素として、少なくとも、（重量パーセントで）５％のクロム（Ｃｒ）、５％のタングステン（Ｗ）、５％のタンタル（Ｔａ）、５％のレニウム、６％のアルミニウム（Ａｌ）、０．０５％の炭素、および最終的に、０．５％から２％までの範囲の酸化イットリウム（ＩＩＩ）（Ｙ_２Ｏ_３）（この最後のは体積パーセント）を含む。

詳細には、タングステンの量は、逆比例の関係で、例えば、レニウムが５％のときにはタングステンを５％に設定し、レニウムがそこにないときには１０％に設定することで、レニウムの量と釣り合いをとることができる。含まれるコバルト（Ｃｏ）の量は、特定の応用例に基づいて、（重量パーセントで）５％未満であることを除外することはできない。超合金の組成が示されていても、特定の応用例または応用例それ自体で使用される手順に基づいて変わりうるため、それは説明のためにすぎず、本発明を制限するものではないことに留意されたい。図１から８は、実施される試験のいくつかの結果を示している。

図１は、応力破断試験を通して評価されたクリープ抵抗を示すグラフであり、これは、定負荷の下で、特定の試験温度において円柱状サンプル内で破断が発生するまでの時間を評価するものである。このグラフでは、負荷変動はラーソンミラーパラメータ（ＬＭＰ）に応じてキップ／平方インチ（ｋｓｉ）で表され、このパラメータは、試験温度およびいくつかの合金の破断時間を本発明によって示されている方法に従って形成されたいくつかの他の合金と比較してパラメータ化するものである。

詳細には、直線１Ａは、市販コバルト基合金ＦＳＸ４１４に関係し、直線１Ｂは、市販ニッケル基合金ＧＴＤ２２２に関係し、直線１Ｃは、市販のＳＣ Ｒｅｎｅ Ｎ４に関係する。直線１Ｄは、単結晶手順で形成された合金Ｎｉ３２に関係し、直線１Ｅは、単結晶手順で形成された合金Ｎｉ２９に関係し、曲線１Ｆは、ＨｆおよびＺｒの微量添加を用いる等軸手順に従う合金Ｎｉ３２に関係し、点１Ｇは、粉末冶金とその後の熱間押し出しによって形成される合金Ｎｉ３２に関係する。

グラフを観察して、本発明がその異なる形態において、最良の市販製品にほとんど匹敵する機械抵抗の仕様をどのように示し、それと同時に、優れた耐酸化性をどのように示すかに留意されたい（以下の図も参照されたい）。さらに、プロジェクトの特定必要条件に基づき、生産プロセス、例えば、単結晶、等軸プロセス、および他の多くのプロセスを単に修正するだけで合金の仕様を高めることが可能である。機械的性質を高めるために、本発明の生産では微小溶融された単結晶形態が好ましい。

図２は、いくつかの合金に対する一組の循環酸化試験において実行されるサイクルの数に基づいて単位面積当たりの重量変化（ｇ／ｃｍ^２）を測定することで評価された耐酸化性を示すグラフであり、これらのサイクルのうちのそれぞれのサイクルは、１時間の間に最大１２５０℃まで加熱すること、および室温で１５分間、冷却することを伴う。詳細には、直線２Ａは、粉末冶金により得られ、０％のＹ_２Ｏ_３を有するＮｉ２９合金の面積当たりの重量変化を示し、第２の直線２Ｂは、粉末冶金により得られ、５％のＹ_２Ｏ_３を有するＮｉ２９合金に関するものであり、第３の直線２Ｃは、市販のＣＭＳＸ１０（登録商標）に関するものであり、第４の直線２Ｄは、市販の合金ＰＭ２０００に関するものであり、第５の直線２Ｅは、市販の合金ＭＡ６０００に関するものであり、第６の直線２Ｆは、（体積パーセントで）２％のＹ_２Ｏ_３を含む合金Ｎｉ２０に関するものである。

このグラフから、本発明において実行される手順に従って形成される合金が、高温下で非常に低い機械的仕様を有する合金ＰＭ２０００の場合を除き、高温のときに市販の合金の耐酸化性に比べて高い耐酸化性を持つことを示していることを確認することが可能である。

図３は、図２のグラフと同様に、いくつかの合金に対する一組の循環酸化試験において実行されるサイクルの数に基づいて単位面積当たりの重量変化（ｇ／ｃｍ^２）示すグラフであり、これらのサイクルのうちのそれぞれのサイクルは、１時間の間に最大１２００℃まで加熱すること、および室温で１５分間、冷却することを伴う。詳細には、第１の直線３Ａは、等軸合金Ｎｉ２９のパフォーマンスを示し、第２の直線３Ｂは、等軸合金Ｎｉ３２のパフォーマンスを示し、第３の直線３Ｃは、単結晶合金Ｎｉ２９のパフォーマンスを示し、第４の直線３Ｄは、単結晶合金Ｎｉ３２のパフォーマンスを示し、第５の直線３Ｅは、粉末冶金を通し得られる合金Ｎｉ３２のパフォーマンスを示し、第６の直線３Ｆは、粉末冶金を通し得られる合金Ｎｉ２９のパフォーマンスを示す。

このグラフから、特定の生産技術が耐酸化性に影響を及ぼすことは明らかであるように思われる。詳細には、機械的性質を過度に低下させることなく耐酸化性を最適化するために粉末冶金を用いて本発明を実施することが賢明である。

図４は、図３のグラフと同様に、微小溶融を用いて形成されるいくつかの合金に対する一組の循環酸化試験において実行されるサイクルの数に基づいて単位面積当たりの重量変化（ｇ／ｃｍ^２）示すグラフであり、これらのサイクルのうちのそれぞれのサイクルは、１時間の間に最大１２００℃まで加熱する手順と、室温で１５分間、冷却する手順とを伴う。

詳細には、第１の直線４Ａは、等軸合金Ｎｉ２９の挙動を示し、第２の直線４Ｂは、等軸合金Ｎｉ３２の挙動を示し、第３の直線４Ｃは、含まれる炭素が少ない（約０．００５％）合金Ｎｉ２９の挙動を示し、第４の直線４Ｄは、含まれる炭素が少ない（約０．００５％）合金Ｎｉ３２の挙動を示し、第５の直線４Ｅは、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）を受けた微小溶融等軸合金Ｎｉ２９の挙動を示し、第６の直線４Ｆは、ＨＩＰを受けた微小溶融等軸合金Ｎｉ３２の挙動を示し、第７の直線４Ｇは、単結晶微小溶融合金Ｎｉ２９の挙動を示し、第８の直線４Ｈは、単結晶微小溶融合金Ｎｉ３２の挙動を示している。

このグラフにおいて、本発明で示されている間隔における化学組成中の変化が大きいか小さいかによって、また、微小溶融プロセスに違いがあることによって、循環酸化を受けたときに異なる仕様がどのように生じるかに留意されたい。図５は、本発明のいくつかの可能な応用例に基づいて粉末冶金を用いて形成されるいくつかの合金に対する一組の循環酸化試験において実行されるサイクルの数に基づいて単位面積当たりの重量変化（ｇ／ｃｍ^２）示すグラフであり、これらのサイクルのうちのそれぞれのサイクルは、１時間の間に最大１２００℃に達する加熱する手順と、室温で１５分間、冷却する手順とを伴う。詳細には、第１の直線５Ａおよび第２の直線５Ｂは、０％のＹ_２Ｏ_３を含むＮｉ２９合金の挙動を示し、第３の直線５Ｃおよび第４の直線５Ｄは、（体積パーセントで）０．５％のＹ_２Ｏ_３を含むＮｉ２９合金の挙動を示し、第５の直線５Ｅは、（体積パーセントで）１％のＹ_２Ｏ_３を含むＮｉ２９合金の挙動を示し、第６の直線５Ｆおよび第７の直線５Ｇは、（体積パーセントで）１％のＹ_２Ｏ_３を含むＮｉ３２合金の挙動を示し、第８の直線５Ｈは、（体積パーセントで）０．５％のＹ_２Ｏ_３を含むＮｉ３２合金の挙動を示し、第９の直線５ｌは、（体積パーセントで）１％のＹ_２Ｏ_３を含む合金Ｎｉ３２の挙動を示している。このグラフは、本発明で示されている手順に従って粉末冶金を通して生産された超合金中の酸化イットリウム（ＩＩＩ）の濃度が、耐酸化性にどのように正確に結びついているかを明確に示していることに留意されたい。

図６は、本発明で説明されている手順の１つに基づいて、焼結が行われた、いくつかの合金タイプＮｉ２９に対する一組の循環酸化試験において実行されるサイクルの数に基づいて単位面積当たりの重量変化（ｇ／ｃｍ^２）示すグラフであり、これらのサイクルのうちのそれぞれのサイクルは、１時間の間に最大１２００℃に達する加熱する手順と、室温で１５分間、冷却する手順とを伴う。

詳細には、第１の直線６Ａは、合金Ｎｉ２９の挙動を示し、第２の直線６Ｂは、（体積パーセントで）２％のＹ_２Ｏ_３を含む合金Ｎｉ３２の挙動を示し、第３の直線６Ｃは、（体積パーセントで）５％のＹ_２Ｏ_３を含むＮｉ３２合金に関するものであり、合金Ｎｉ３２の第４の直線６Ｄは、（体積パーセントで）１０％のＹ_２Ｏ_３を示し、合金Ｎｉ３２の第５の直線６Ｅは、（体積パーセントで）２０％のＹ_２Ｏ_３を含み、合金Ｎｉ３２の第６の直線６Ｆは、（体積パーセントで）４０％のＹ_２Ｏ_３を含んでいる。

２０％を超える酸化イットリウム（ＩＩＩ）の高い濃度が、耐酸化性をどのように低下させるかに留意されたい。図７は、本発明に示されている手順に従って形成された合金と比較した市販の合金のけん引試験の結果を示すグラフである。

詳細には、第１の直線７Ａは、合金ＭＡ７５４の挙動を示し、第２の直線７Ｂは、合金ＭＡＲ− Ｍ２００の挙動を示し、第３の直線７Ｃは、合金ＭＡ９５６を示し、第４の直線７Ｄは、合金ＨＡ１８８を示し、第５の直線７Ｅは、合金ＰＭ１０００を示し、第６の直線７Ｆは、合金ＰＭ２０００を示し、第７の直線７Ｇは、合金ＭＡ７５８を示している。点７Ｈは、単結晶Ｎｉ２０で達成される結果を示し、点７Ｉは、単結晶Ｎｉ３２で達成される結果を示し（グラフにほとんど重なっている）、点７Ｌは、粉末冶金とその後の熱間押し出しによって形成される合金Ｎｉ２９を示し、点７Ｍは、等軸合金Ｎｉ２９を示している。高温下での機械的性質は、「単結晶」の場合に、より良好な仕様を示す市販の合金の機械的性質に匹敵することに留意されたい。図８は、内壁１１２と外壁１１４によって仕切られ、内壁１１２と外壁１１４が収納する、２つの隣り合うノズル１１１の間に形成されるいくつかの空の空気力学的空間からなるタービンの機械システム１００の部分軸測図を示している。これらのノズルおよびタービンの内側のその支持材の設計は、少なくとも一部は、高温のガスによって引き起こされる変形を補正すること、ならびにノズルおよび支持材の位置をガス流路に正しく合わせることを目的とする。

ノズルの冷却システムも、実装することができ、これらは、部品それ自体の寿命が延命されるように冷却ガスがこの部品の内側部分から外側部分に向かって循環する際に通る一組の穴１１６からなる。本発明に示されている手順に基づいて、成形インセット１１８をデバイスに含める−図８の分解図に示されている。これらは、本発明に示されている手順に従って形成された合金製であり、これらは、部品の重要な領域である、ノズルの入口セクション１００Ｉとノズルの出口セクション１００Ｕに内に収められる。成形インサートが存在することで、部品の寿命が延びる。

これらのインセット１１８は新しい部品のプロジェクトに含めることができるか、あるいは、代替として、使用される部品の寿命を延ばすために使用される部品内に嵌合することができる。

機械システム１００は、例として明らかに示されており、本発明で説明されている合金は、特定の応用例およびニーズに基づいて他の部品または他の機械システムを製作するのに適している。

説明図は単なる指示であり、いかなる形でも、本発明の可能性を制限するものではなく、説明図は本発明それ自体の根底にある基礎に常に関連する形態および方法は変わりうることは同意される。請求項中の参照番号が存在している可能性があるが、この参照番号は、前の説明および付属の図面に照らして読みやすくすることのみを目的としており、いかなる形でも、保護の範囲を制限するものではない。

１００ 機械システム
１００Ｉ 入口セクション
１００Ｕ 出口セクション
１１１ ノズル
１１２ 内壁
１１４ 外壁
１１６ 穴
１１８ 成形インセット

Claims (10)

1. ターボ機械用の機械部品の加工に特に適しているニッケル基超合金であって、構成元素として、少なくとも、重量パーセントで３％から７％までの範囲のクロム、３％から１５％までの範囲のタングステン、４％から６％までの範囲のタンタル、４％から８％までの範囲のアルミニウム、０．８％未満の炭素、および残りの割合のニッケルと不純物を含むことを特徴とするニッケル基超合金。
2. 体積パーセントで０％から１５％までの範囲、好ましくは０％から７％までの範囲、より好ましくは０％から６％までの範囲の量による酸化イットリウムを含むことを特徴とする請求項１記載の超合金。
3. 重量パーセントで０％から１０％までの範囲、好ましくは３％から７％までの範囲、より好ましくは４％から６％までの範囲の量によるレニウムを含むことを特徴とする請求項１または２記載の超合金。
4. 前記タングステンは、前記レニウムの量に応じて、重量パーセントで、４％から６％までの範囲、または９％から１１％までの範囲内の量だけあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の超合金。
5. 前記構成元素として、重量パーセントで４％から６％までの範囲のクロム、４．５％から５．５％までの範囲のタンタル、５％から７％までの範囲のアルミニウム、０．１％未満の炭素を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の超合金。
6. ニッケル基超合金を形成するための方法であって、構成元素として、重量パーセントで３％から７％までの範囲のクロム、３％から１５％までの範囲のタングステン、４％から６％までの範囲のタンタル、４％から８％までの範囲のアルミニウム、０．１％未満の炭素、および残りのニッケルと不純物を混合する工程を含むことを特徴とする方法。
7. 構成元素として、
   体積パーセントで、０％から１５％までの範囲、好ましくは０％から７％までの範囲、より好ましくは０％から６％までの範囲の量の酸化イットリウム、
   重量パーセントで、０％から１０％までの範囲、好ましくは３％から７％までの範囲、より好ましくは４％から６％までの範囲の量のレニウム、
   前記レニウムの量に基づく、重量パーセントで、４％から６％までの範囲、または９％から１１％までの範囲の量のタングステン
   のうちの少なくとも１つの元素を混合する追加工程を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 請求項１乃至５のいずれか１項記載のニッケル基超合金で製作される、および／または請求項６または７記載の方法で製作されるターボ機械の機械部品。
9. 請求項８記載の少なくとも１つの機械部品を備えることを特徴とするターボ機械。
10. ガスタービンのパフォーマンスを改善するための方法であって、高温に関して重要であるステータ部品のうちの１つまたは複数の部品を請求項１乃至５のいずれか１項記載のニッケル基超合金のインサートで置き換える工程を含むことを特徴とする方法。