JP2011089201A - Nickel-containing alloy, method of manufacture thereof and articles derived therefrom - Google Patents

Nickel-containing alloy, method of manufacture thereof and articles derived therefrom Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an alloy exhibiting creep resistance, high heat corrosion resistance, castability and weldability, and used for both first stage and later stage turbine nozzle applications. <P>SOLUTION: Disclosed herein is a nickel-containing alloy, comprising: about 1.5 to about 4.5 wt.% aluminum; about 1.5 to about 4.5 wt.% titanium; about 0.8 to about 3 wt.% niobium; about 14 to about 28 wt.% chromium; about ≤0.2 wt.% zirconium; about 10 to about 23 wt.% cobalt; about 1 to about 3 wt.% tungsten; about 0.05 to about 0.2 wt.% carbon; about 0.002 to about 0.012 wt.% boron and about 40 to about 70 wt.% nickel. The atomic ratio of the aluminum to the titanium is about ≥0.5. Further, the alloy does not substantially comprise tantalum. The method for manufacturing the same and articles derived therefrom are also disclosed. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、ニッケル含有合金、その製造方法及び物品に関する。   The present invention relates to a nickel-containing alloy, a method for producing the same, and an article.

タービンノズル及びエアーホイル用途に用いるのに適当な耐熱合金は通常、高温強度、耐食性及び鋳造性や溶接性などの特性を示す。残念ながら、1つの特性を最適化しようとすると、通常、別の特性を低減することになる。合金設計のプロセスでは通常、部品設計の様々な要求を満たす全体として最良の組合せの特性を実現するために妥協することになる。このような設計プロセスでは、1つの特性を最大限に引き出すことはほとんどない。むしろ、バランスのとれた化学組成及び適当な熱処理を開発することにより、所望の特性の最良の妥協を計る。   Heat resistant alloys suitable for use in turbine nozzle and air foil applications typically exhibit properties such as high temperature strength, corrosion resistance, castability and weldability. Unfortunately, trying to optimize one characteristic usually reduces another characteristic. The process of alloy design typically compromises to achieve the best overall combination of properties that meet the various requirements of part design. In such a design process, one characteristic is hardly extracted to the maximum. Rather, by developing a balanced chemical composition and appropriate heat treatment, the best compromise of desired properties is measured.

コバルト含有合金は、熱疲労割れを発生しやすいにもかかわらず、第1段タービンノズル用途に用いることがある。これらの合金が受け入れられるのは容易に補修溶接できるからである。しかし、後段ノズルにおいて、コバルト基合金のクリープ限度は、ノズルの下流方向クリープがタービンダイヤフラムのクリアランスの不当な低減となる点までであることが確認されている。これらの後段ノズル用途に適当なクリープ強度をもつコバルト基合金は、入手可能であるが、所望の溶接特性をもたない。   Cobalt-containing alloys are sometimes used for first stage turbine nozzle applications despite the tendency to generate thermal fatigue cracks. These alloys are accepted because they can be easily repair welded. However, it has been confirmed that the creep limit of the cobalt-based alloy in the latter stage nozzle is up to a point where the creep in the downstream direction of the nozzle results in an unreasonable reduction in the clearance of the turbine diaphragm. Cobalt-based alloys with suitable creep strength for these latter nozzle applications are available but do not have the desired welding characteristics.

したがって、耐クリープ性、耐高熱腐食性、鋳造性及び溶接性を示し、第1段及び後段タービンノズル用途に用いることができる別の合金を見出すことが望ましい。   Accordingly, it is desirable to find another alloy that exhibits creep resistance, high thermal corrosion resistance, castability and weldability and can be used in first stage and latter stage turbine nozzle applications.

本発明は、約1.5〜約4.5重量%のアルミニウム、約1.5〜約4.5重量%のチタン、約0.8〜約3重量%のニオブ、約14〜約28重量%のクロム、約10〜約23重量%のコバルト、約1〜約3重量%のタングステン、約0.05〜約0.2重量%の炭素、約0.002〜約0.012重量%のホウ素及び約40〜約70重量%のニッケルを含み、チタンに対するアルミニウムの原子比が約1.0超であり、タンタルを実質的に含まないニッケル含有合金である。   The present invention includes about 1.5 to about 4.5 weight percent aluminum, about 1.5 to about 4.5 weight percent titanium, about 0.8 to about 3 weight percent niobium, about 14 to about 28 weight percent. % Chromium, about 10 to about 23% cobalt, about 1 to about 3% tungsten, about 0.05 to about 0.2% carbon, about 0.002 to about 0.012% by weight A nickel-containing alloy containing boron and about 40 to about 70 weight percent nickel, having an atomic ratio of aluminum to titanium of greater than about 1.0 and substantially free of tantalum.

本発明の別の実施形態は、本発明の組成をもつ合金を鋳造する工程を含む、物品の製造方法及び該合金組成物からなる物品に関する。   Another embodiment of the present invention relates to a method for manufacturing an article comprising the step of casting an alloy having the composition of the present invention and an article comprising the alloy composition.

2つの試料について、温度871℃で15ksiの一定応力をかけた場合の時間とひずみの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between time and distortion at the time of applying a constant stress of 15 ksi at a temperature of 871 ° C. for two samples. 種々の合金組成物について、時間とクリープひずみの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between time and a creep strain about various alloy compositions.

本発明はタービン用途で用いるニッケル含有合金である。本ニッケル含有合金は、第1段及び後段タービンノズル用途両方に用いることができ、またタービンの大型バケットにも用いることができ有利である。本ニッケル含有合金はニッケル、クロム、コバルト、タングステン、アルミニウム、チタン、ニオブ及び他の必須元素を含む。特に、本ニッケル含有合金は、アルミニウム及びチタンの濃度の組合せが他の類似合金と比べて特異である。この結果、六方晶構造を有する、式M3Ti(式中Mは、ニッケル又はニッケル−コバルトなどのニッケル合金である。)のη相などの望ましくない相の存在が低減するかなくなる。このようなη相の低減は、耐クリープ性の増加を促し、高温、例えば600℃より高温で合金を金属学的に安定にする。通常、η相は、約5体積%未満、しばしば約2体積%未満のレベルで存在する。好ましい実施形態では、η相の存在レベルは約0.5体積%未満であり、例えば合金はη相を実質的に含まない。 The present invention is a nickel-containing alloy used in turbine applications. The nickel-containing alloy can advantageously be used for both first stage and latter stage turbine nozzle applications, and can also be used for large turbine buckets. The nickel-containing alloy includes nickel, chromium, cobalt, tungsten, aluminum, titanium, niobium and other essential elements. In particular, the nickel-containing alloy has a unique combination of aluminum and titanium concentrations compared to other similar alloys. As a result, the presence of undesirable phases such as the η phase of the formula M 3 Ti (where M is a nickel or nickel alloy such as nickel-cobalt) having a hexagonal crystal structure is reduced or not. Such reduction of the η phase promotes an increase in creep resistance and makes the alloy metallurgically stable at high temperatures, eg, above 600 ° C. Usually, the η phase is present at a level of less than about 5% by volume, often less than about 2% by volume. In a preferred embodiment, the presence level of the η phase is less than about 0.5% by volume, for example, the alloy is substantially free of the η phase.

本発明の実施形態のニッケル含有合金は通常、約14〜約28重量%、好ましい実施形態では、約14〜約24重量%のレベルのクロムも含む(さらに具体的な範囲を以下に示す。)。   Nickel-containing alloys of embodiments of the present invention also typically contain chromium at a level of about 14 to about 28% by weight, and in a preferred embodiment about 14 to about 24% by weight (more specific ranges are given below). .

さらに、好ましい実施形態では、ニッケル合金は、主要な下位群元素、即ちアルミニウム、チタン及びニオブを含む必要がある。後述するように、これらの元素は本発明のレベルで、γ’相の存在による本組成物の重要な強化メカニズムを担う。   Furthermore, in a preferred embodiment, the nickel alloy should contain the main subgroup elements, namely aluminum, titanium and niobium. As will be described later, these elements play an important strengthening mechanism of the present composition due to the presence of the γ 'phase at the level of the present invention.

本ニッケル含有合金に添加することができる任意の金属は、コバルト、炭素、ジルコニウム、タングステン、ホウ素、ハフニウム、レニウム、ルテニウム、モリブデン又はこれらの金属の1つ以上の組合せである。好ましい実施形態では、合金は、追加成分として少なくともジルコニウム、コバルト及びタングステンを本発明のレベルで含む必要がある。別の好ましい実施形態では、合金組成物はホウ素及び炭素を含まなければならない。   Any metal that can be added to the nickel-containing alloy is cobalt, carbon, zirconium, tungsten, boron, hafnium, rhenium, ruthenium, molybdenum, or a combination of one or more of these metals. In a preferred embodiment, the alloy should contain at least the zirconium, cobalt and tungsten at the level of the present invention as additional components. In another preferred embodiment, the alloy composition must contain boron and carbon.

1実施形態では、ニッケル含有合金は、アルミニウム及びチタンをニッケル含有合金に対して約2〜約9重量%(wt%)の量で含む。この範囲内で、アルミニウム及びチタンの合計使用量は、ニッケル含有合金に対して約2.5wt%以上、好ましくは約3.0wt%以上、さらに好ましくは約4wt%以上にすることができる。また、この範囲内でニッケル含有合金に対して約8.8wt%以下、好ましくは約8.6wt%以下、さらに好ましくは約8.0wt%以下の量が望ましい。   In one embodiment, the nickel-containing alloy includes aluminum and titanium in an amount of about 2 to about 9 weight percent (wt%) relative to the nickel-containing alloy. Within this range, the total amount of aluminum and titanium used can be about 2.5 wt% or more, preferably about 3.0 wt% or more, more preferably about 4 wt% or more based on the nickel-containing alloy. Further, within this range, an amount of about 8.8 wt% or less, preferably about 8.6 wt% or less, more preferably about 8.0 wt% or less with respect to the nickel-containing alloy is desirable.

本ニッケル含有合金のアルミニウム含量はニッケル含有合金に対して約1.5〜約4.5wt%である。アルミニウムの好ましい量は、約1.6wt%以上、さらに好ましくは約1.7wt%以上である。アルミニウムの好ましい量は、約4.00wt%以下、さらに好ましくは約3wt%以下、特に好ましくは約2.5wt%以下である。本ニッケル含有合金のチタン含量はニッケル含有合金に対して約1.5〜約4.5wt%である。チタンの好ましい量は、約1.65wt%以上、さらに好ましくは約2wt%以上、特に好ましくは約2.25wt%以上である。チタンの好ましい量は、約4wt%以下、さらに好ましくは約3.5wt%以下、特に好ましくは約3wt%以下である(アルミニウム及びチタンの相対量は、これら2元素の下記の割合に従う。)。   The aluminum content of the nickel-containing alloy is about 1.5 to about 4.5 wt% with respect to the nickel-containing alloy. A preferred amount of aluminum is about 1.6 wt% or more, more preferably about 1.7 wt% or more. A preferred amount of aluminum is about 4.00 wt% or less, more preferably about 3 wt% or less, and particularly preferably about 2.5 wt% or less. The titanium content of the nickel-containing alloy is about 1.5 to about 4.5 wt% with respect to the nickel-containing alloy. A preferred amount of titanium is about 1.65 wt% or more, more preferably about 2 wt% or more, and particularly preferably about 2.25 wt% or more. The preferred amount of titanium is about 4 wt% or less, more preferably about 3.5 wt% or less, and particularly preferably about 3 wt% or less (the relative amounts of aluminum and titanium are in accordance with the following proportions of these two elements).

本発明の実施形態では、ニッケル含有合金中のチタンに対するアルミニウムの原子比は約0.5以上である必要がある。特に好ましい実施形態では、アルミニウム/チタンの原子比は約1.0超である。アルミニウム/チタンの原子比がこの範囲にあれば、通常、耐高熱腐食性、溶接性及び鋳造性が向上する。   In embodiments of the present invention, the atomic ratio of aluminum to titanium in the nickel-containing alloy needs to be about 0.5 or greater. In particularly preferred embodiments, the aluminum / titanium atomic ratio is greater than about 1.0. If the aluminum / titanium atomic ratio is within this range, the resistance to high thermal corrosion, weldability and castability are usually improved.

別の実施形態では、ニッケル含有合金に存在するアルミニウム、チタン及びニオブの合計量を約2〜約13重量%に制御することが望ましく、これはγ■相を維持するのに有効
である。γ■相の好ましい量は15〜45体積%である。耐熱ニッケル含有合金における
強度は通常、いくつかの異なるメカニズム、例えばγ’相の析出強化、固溶強化及び粒界でのカーバイド強化などによる。γ■相は[Ni3(Al,Ti)]からなる。これらの
中でγ’相の析出強化が本ニッケル含有合金の主な強化メカニズムである。
In another embodiment, it is desirable to control the total amount of aluminum, titanium and niobium present in the nickel-containing alloy to about 2 to about 13 weight percent, which is effective in maintaining the γ 2 phase. The preferred amount of γ ■ phase is 15 to 45% by volume. Strength in refractory nickel-containing alloys is usually due to several different mechanisms, such as precipitation strengthening of the γ 'phase, solid solution strengthening and carbide strengthening at grain boundaries. The γ ■ phase consists of [Ni 3 (Al, Ti)]. Among these, precipitation strengthening of the γ ′ phase is the main strengthening mechanism of the nickel-containing alloy.

ガスタービンノズル及びエアーホイル用途での合金特性間の最良の妥協点を確保するために、主な析出強化元素、即ちチタン、アルミニウム及びニオブの含量をニッケル含有合金に対して約2〜約13wt%の量に維持する。この範囲内で通常、チタン、アルミニウム及びニオブの量が、ニッケル含有合金に対して約4.35wt%以上、好ましくは約4.5wt%以上、さらに好ましくは約4.75wt%以上であることが望ましい。また、この範囲内でニッケル含有合金に対して約11.5wt%以下、好ましくは約11wt%以下、さらに好ましくは約10wt%以下の量が望ましい。アルミニウム、チタン及びニオブの量を上記限度内に維持することにより、耐クリープ性と溶接性の良好なバランスを実現する。さらに、ニッケル含有合金の鋳造性が向上するように、炭素及びジルコニウム(存在する場合)のレベルを慎重に釣り合わせ、制御する。   In order to ensure the best compromise between alloy properties for gas turbine nozzle and airfoil applications, the content of the main precipitation strengthening elements, ie titanium, aluminum and niobium, is about 2 to about 13 wt% relative to the nickel containing alloy. To keep the amount of. Within this range, the amount of titanium, aluminum and niobium is usually about 4.35 wt% or more, preferably about 4.5 wt% or more, more preferably about 4.75 wt% or more based on the nickel-containing alloy. desirable. Further, within this range, an amount of about 11.5 wt% or less, preferably about 11 wt% or less, more preferably about 10 wt% or less with respect to the nickel-containing alloy is desirable. By maintaining the amounts of aluminum, titanium and niobium within the above limits, a good balance between creep resistance and weldability is achieved. In addition, the levels of carbon and zirconium (if present) are carefully balanced and controlled so that the castability of the nickel-containing alloy is improved.

他の実施形態では、ニッケル含有合金はタンタルを含まない。タンタルは種々のニッケル基合金において重要な成分となるが、本発明の大抵の実施形態で、タンタルの存在は望ましくない。実施例に示すように、タンタルが存在しないことで、クリープ強度を著しく向上することができる。さらに、多くの場合に、比較的高い密度の元素であるタンタルの存在は、合金で製造した部品の重量を不必要に増加することになり、航空機タービン部品などの部品では、少しでも余分な重量が問題となることがある。さらに、タンタルは、比較的高価な元素であり、合金組成物のコストを不必要に増すこともある。   In other embodiments, the nickel-containing alloy does not include tantalum. Although tantalum is an important component in various nickel-based alloys, the presence of tantalum is undesirable in most embodiments of the invention. As shown in the examples, the absence of tantalum can significantly improve the creep strength. Furthermore, in many cases, the presence of tantalum, a relatively high density element, will unnecessarily increase the weight of parts made of alloys, and in parts such as aircraft turbine parts, even a little extra weight. May be a problem. In addition, tantalum is a relatively expensive element that may unnecessarily increase the cost of the alloy composition.

本発明の大抵の実施形態で、通常ニオブがニッケル含有合金に対して約3wt%以下の量で存在することが望ましい。この範囲内で、使用量は約2.5wt%以下、好ましくは約2.0wt%以下、さらに好ましくは約1.75wt%以下にすることができる。具体的なニオブの量はニッケル含有合金に対して約1.35wt%である。   In most embodiments of the present invention, it is generally desirable for niobium to be present in an amount up to about 3 wt% relative to the nickel-containing alloy. Within this range, the amount used can be about 2.5 wt% or less, preferably about 2.0 wt% or less, more preferably about 1.75 wt% or less. A specific amount of niobium is about 1.35 wt% with respect to the nickel-containing alloy.

クロムは通常、ニッケル含有合金に対して約14〜約28wt%の量で存在する。この範囲内で、クロムの使用量は、しばしば(必ずではない)ニッケル含有合金に対して約16wt%以上、好ましくは約17wt%以上、さらに好ましくは約20wt%以上にすることが望ましい。また、この範囲内で、ニッケル含有合金に対して約27wt%以下、好ましくは約26wt%以下、さらに好ましくは約25wt%以下の量が望ましい。具体的なクロムの量はニッケル含有合金全体に対して約22〜約23wt%である。   Chromium is typically present in an amount of about 14 to about 28 wt% relative to the nickel-containing alloy. Within this range, it is often desirable to use chromium in an amount of about 16 wt% or more, preferably about 17 wt% or more, and more preferably about 20 wt% or more with respect to (but not necessarily) the nickel-containing alloy. Further, within this range, an amount of about 27 wt% or less, preferably about 26 wt% or less, more preferably about 25 wt% or less is desirable with respect to the nickel-containing alloy. A specific amount of chromium is about 22 to about 23 wt% based on the total nickel-containing alloy.

本発明の合金では、ニッケルは合金に対して約40〜約70wt%の量で存在する。この範囲内で、ニッケルの使用量は通常、ニッケル含有合金に対して約43wt%以上、好ましくは約44wt%以上、さらに好ましくは約46wt%以上であることが望ましい。また、この範囲内でニッケル含有合金に対して約65wt%以下、好ましくは約60wt%以下、さらに好ましくは約55wt%以下の量が望ましい。具体的なニッケルの量はニッケル含有合金に対して約45〜約55wt%である。   In the alloys of the present invention, nickel is present in an amount of about 40 to about 70 wt% based on the alloy. Within this range, the amount of nickel used is usually about 43 wt% or more, preferably about 44 wt% or more, more preferably about 46 wt% or more, relative to the nickel-containing alloy. Further, within this range, an amount of about 65 wt% or less, preferably about 60 wt% or less, more preferably about 55 wt% or less with respect to the nickel-containing alloy is desirable. A specific amount of nickel is about 45 to about 55 wt% with respect to the nickel-containing alloy.

コバルトの添加量は通常、ニッケル含有合金全体に対して約10〜約24wt%である。この範囲内で、使用量は、ニッケル含有合金全体に対して約14wt%以上、好ましくは約15wt%以上、さらに好ましくは約17wt%以上とすることができる。また、使用量は、ニッケル含有合金全体に対して約23.5wt%以下、好ましくは約22.5wt%以下、さらに好ましくは約21wt%以下が望ましい。具体的なコバルトの量はニッケル含有合金全体に対して約18.5〜約19.5wt%である。   The amount of cobalt added is typically about 10 to about 24 wt% based on the total nickel-containing alloy. Within this range, the amount used can be about 14 wt% or more, preferably about 15 wt% or more, more preferably about 17 wt% or more based on the entire nickel-containing alloy. The amount used is about 23.5 wt% or less, preferably about 22.5 wt% or less, more preferably about 21 wt% or less based on the entire nickel-containing alloy. A specific amount of cobalt is about 18.5 to about 19.5 wt% based on the total nickel-containing alloy.

炭素の添加量は通常、0.15wt%未満である。炭素の好ましい量は0.05〜約0.2wt%である。炭素は通常、チタン、タングステンなどの金属と合金化してモノカーバイドを形成する。多くの場合、カーバイド形成は、本発明の実施形態の粒界強度を向上するのに重要である。通常、モノカーバイド中のチタン及び/又はタングステンの量は、カーバイド相の約80wt%以下である。具体的な炭素の量はニッケル含有合金に対して約0.02〜約0.15wt%である。   The amount of carbon added is usually less than 0.15 wt%. The preferred amount of carbon is 0.05 to about 0.2 wt%. Carbon is usually alloyed with metals such as titanium and tungsten to form monocarbide. In many cases, carbide formation is important to improve the grain boundary strength of embodiments of the present invention. Usually, the amount of titanium and / or tungsten in the monocarbide is about 80 wt% or less of the carbide phase. A specific amount of carbon is about 0.02 to about 0.15 wt% relative to the nickel-containing alloy.

タングステンはニッケル含有合金に対して約3wt%以下のレベルで存在する。場合によっては、タングステンをモリブデン、レニウム、ルテニウムなどに代えることができる。しかし、好ましい実施形態では、タングステン自体の存在を必要とすることが多い。具体的なタングステンの量はニッケル含有合金に対して約1.9〜約2.1wt%である。   Tungsten is present at a level of about 3 wt% or less relative to the nickel-containing alloy. In some cases, tungsten can be replaced with molybdenum, rhenium, ruthenium, or the like. However, the preferred embodiment often requires the presence of tungsten itself. A specific amount of tungsten is about 1.9 to about 2.1 wt% with respect to the nickel-containing alloy.

また、ホウ素はニッケル含有合金に対して約0.025wt%以下の量で存在することができる。ホウ素の好ましい量はニッケル含有合金に対して約0.002〜約0.012wt%である。ホウ素は通常、ニッケル含有合金中の金属と反応して金属ホウ化物を形成し、ある実施形態では、金属ホウ化物もクリープ強度及び粒界強度を向上するのに重要である。具体的なニッケル含有合金中のホウ素の量はニッケル含有合金に対して約0.002〜約0.006wt%である。   Boron can also be present in an amount up to about 0.025 wt% relative to the nickel-containing alloy. A preferred amount of boron is from about 0.002 to about 0.012 wt% relative to the nickel-containing alloy. Boron typically reacts with metals in nickel-containing alloys to form metal borides, and in certain embodiments, metal borides are also important for improving creep strength and grain boundary strength. A specific amount of boron in the nickel-containing alloy is about 0.002 to about 0.006 wt% relative to the nickel-containing alloy.

ジルコニウムもニッケル含有合金に対して約0.2wt%以下の量で添加することができる。ある実施形態では、ジルコニウムを所望によりハフニウムに代えることができる。具体的なジルコニウムの量はニッケル含有合金に対して約0.01wt%〜約0.2wt%である。   Zirconium can also be added in an amount of about 0.2 wt% or less relative to the nickel-containing alloy. In some embodiments, zirconium can be replaced with hafnium if desired. A specific amount of zirconium is about 0.01 wt% to about 0.2 wt% with respect to the nickel-containing alloy.

本ニッケル含有合金は既存の方法で加工し、ガスタービンの部品を形成することができる。このような部品の例には、回転バケット(即ち、ブレード)、非回転ノズル(即ち、ベーン)、シュラウド、燃焼器などである。ニッケル含有合金を用いるのに好ましい部品は、ガスタービンのノズル及びバケットである。タービン部品は多種多様な方法、例えば、限定するわけではないが、粉末冶金法(例えば、焼結、ホットプレス又は熱間静水圧プレス、熱真空圧縮など)、インゴット鋳造とそれに続く方向性凝固、インベストメント鋳造、インゴット鋳造とそれに続く熱機械加工、ニアネットシェイプ鋳造、化学蒸着、物理蒸着などで形成することができる。好ましい方法はインゴット鋳造とそれに続く方向性凝固及びインベストメント鋳造である。   The nickel-containing alloy can be processed by existing methods to form gas turbine components. Examples of such parts are rotating buckets (ie, blades), non-rotating nozzles (ie, vanes), shrouds, combustors, and the like. Preferred parts for using nickel-containing alloys are gas turbine nozzles and buckets. Turbine components can be produced in a wide variety of ways, including, but not limited to, powder metallurgy (eg, sintering, hot pressing or hot isostatic pressing, thermal vacuum compression, etc.), ingot casting followed by directional solidification, It can be formed by investment casting, ingot casting and subsequent thermal machining, near net shape casting, chemical vapor deposition, physical vapor deposition, or the like. The preferred method is ingot casting followed by directional solidification and investment casting.

1実施形態では、本ニッケル含有合金からガスタービンエアーホイルを製造するにあたり、粉末、粒子などの形態のニッケル含有合金の成分を約1350〜約1750℃の温度に加熱して、金属成分を溶融する。   In one embodiment, in producing a gas turbine airfoil from the nickel-containing alloy, the components of the nickel-containing alloy in the form of powder, particles, etc. are heated to a temperature of about 1350 to about 1750 ° C. to melt the metal component. .

その後、溶融金属を鋳造法で鋳型に鋳込んで所望の形状にすることができる。鋳造法にはインベストメント鋳造、インゴット鋳造などがある。インベストメント鋳造は通常、普通の製造方法では製造できない部品、例えば複雑な形状のタービンバケットや、高温に耐える必要のあるタービン部品を製造するのに用いる。鋳型を製造するには、まず、溶融除去可能なワックスなどの材料を用いて原型を作る。このワックス原型を耐火物スラリーに浸漬し、ワックス原型を被覆し、皮膜を形成し、これを乾燥する。スラリーへの浸漬及び乾燥工程を丈夫な厚さになるまで繰り返す。この後、原型全体をオーブンに入れ、ワックスを溶け出させる。これにより、溶融ニッケル含有合金で満たすことが可能な鋳型が成型される。鋳型を一体品の原型の周りに形成する(従来の砂型鋳造法のように鋳型から引き抜く必要はない)ので、非常に複雑な形状及びアンダーカットを製造することができる。ワックス原型自体は、例えばコンピュター固体モデルの母型で製作したステレオリソグラフィなどのモデルを用いて複製することにより製造する。   Thereafter, the molten metal can be cast into a mold by a casting method to obtain a desired shape. Casting methods include investment casting and ingot casting. Investment casting is typically used to produce parts that cannot be produced by conventional production methods, such as complex shaped turbine buckets or turbine parts that need to withstand high temperatures. In order to manufacture a mold, a prototype is first made using a material such as a wax that can be removed by melting. The wax pattern is immersed in a refractory slurry, the wax pattern is coated, a film is formed, and this is dried. The dipping and drying process in the slurry is repeated until a strong thickness is obtained. Thereafter, the entire prototype is placed in an oven to melt the wax. This molds a mold that can be filled with a molten nickel-containing alloy. Since the mold is formed around a one-piece master (no need to be pulled out of the mold as in the conventional sand casting process), very complex shapes and undercuts can be produced. The wax prototype itself is manufactured by duplicating it using a model such as stereolithography manufactured with a master model of a computer solid model.

鋳込む直前に、鋳型を約1000℃に予熱して、ワックスの残りを除去するとともにバインダーを硬化する。また、予熱済み鋳型に鋳込むことにより鋳型への充填を完全にする。鋳込みは重力、圧力、不活性ガス又は真空条件を用いて行うことができる。好ましい実施形態では、真空中で鋳造を行う。別の実施形態では、インゴット鋳造を用いてタービン部品を製造することができる。鋳造後、鋳型中の溶湯を方向性凝固する。方向性凝固は通常、成長方向に伸びた結晶粒を形成する。これは、結果として、等軸鋳造に比べてエアーホイルのクリープ強度を一層高くする。方向性凝固はコストが等軸鋳造より高いことがある。エアーホイルの特定の要求に応じて、等軸又は方向性凝固のどちらかにすることができる。方向性及び/又は等軸凝固の後、鋳造物を空冷する。   Immediately before casting, the mold is preheated to about 1000 ° C. to remove the remainder of the wax and to cure the binder. In addition, the mold is completely filled by casting into a preheated mold. Casting can be done using gravity, pressure, inert gas or vacuum conditions. In a preferred embodiment, casting is performed in a vacuum. In another embodiment, ingot casting can be used to manufacture turbine components. After casting, the molten metal in the mold is directionally solidified. Directional solidification usually forms crystal grains extending in the growth direction. As a result, the creep strength of the air foil is further increased compared to equiaxed casting. Directional solidification can be more expensive than equiaxed casting. Depending on the specific requirements of the airfoil, it can be either equiaxed or directionally solidified. After directionality and / or equiaxed solidification, the casting is air cooled.

所望により本ニッケル含有合金からなる鋳造物に異なる熱処理を施し、耐クリープ性を向上するとともに強度を最適化することができる。1実施形態では、鋳造物を約1095℃〜約1200℃の温度で熱処理して降伏強さを最適化し、耐クリープ性を向上する。通常、この熱処理を約1〜約6時間行う。好ましい熱処理時間は4時間である。別の実施形態では、熱処理サイクルを用いて耐クリープ性を向上することができる。例として、熱処理サイクルは約1150℃の温度で4時間、次いで1000℃で6時間、その後900℃で24時間、最後に700℃で16時間鋳造物を熱処理する工程を含むことができる。この熱処理により引張強さ及び降伏強さの値を著しく向上する。   If desired, a casting made of the present nickel-containing alloy can be subjected to different heat treatments to improve creep resistance and optimize strength. In one embodiment, the casting is heat treated at a temperature of about 1095 ° C. to about 1200 ° C. to optimize yield strength and improve creep resistance. Usually, this heat treatment is performed for about 1 to about 6 hours. A preferred heat treatment time is 4 hours. In another embodiment, the heat resistance cycle can be used to improve creep resistance. As an example, the heat treatment cycle can include heat treating the casting at a temperature of about 1150 ° C. for 4 hours, then 1000 ° C. for 6 hours, then 900 ° C. for 24 hours, and finally 700 ° C. for 16 hours. This heat treatment significantly improves the values of tensile strength and yield strength.

他の実施形態では、750℃〜約850℃の温度で材料を溶体化熱処理する。溶体化処理は通常、約8〜約36時間行う。具体的な時間は約24時間である。通常、熱処理及び溶体化熱処理を用いてη相などの望ましくない相の存在を低減する。   In other embodiments, the material is solution heat treated at a temperature from 750 ° C to about 850 ° C. The solution treatment is usually performed for about 8 to about 36 hours. The specific time is about 24 hours. Usually, heat treatment and solution heat treatment are used to reduce the presence of undesirable phases such as the η phase.

所望により鋳造物に熱間静水圧プレス(HIP)を施すことができる。熱間静水圧プレスは通常、このような部品の製造時に大幅に気孔を減らし、収縮を低減しやすくすることができるため好ましい。通常、熱間静水圧プレスのプロセス条件は、最終複合材料の気孔率が複合材料物品の全体積に対して約10体積%以下、さらに好ましくは約2体積%以下に高密度化するように選択する。このプロセスは通常、加圧ガスの媒体を介して高圧及び高温を加えて内部気孔及びボイドを除去し、その結果、得られる複合材料の密度を増加し、特性を向上する。熱間静水圧プレスは通常、約1000℃以上、ある場合では、約1050℃以上の温度で行う。好ましい実施形態では、熱間静水圧プレスは約1150℃以上の温度で行う。熱間静水圧プレス時に用いるガス圧は通常、約100MPa以上、好ましくは約150MPa以上、さらに好ましくは約200MPa以上である。このプロセスに用いるのに好ましいガスには、アルゴン、窒素、ヘリウム、キセノン及びこれらの1つを含む組合せがあるが、これらに限らない。   If desired, the casting can be hot isostatically pressed (HIP). Hot isostatic pressing is usually preferred because it can greatly reduce pores and facilitate shrinkage during the manufacture of such parts. Typically, hot isostatic pressing process conditions are selected so that the porosity of the final composite material is densified to less than about 10% by volume, more preferably less than about 2% by volume, relative to the total volume of the composite article. To do. This process typically applies high pressure and high temperature through a pressurized gas medium to remove internal pores and voids, thereby increasing the density of the resulting composite material and improving properties. Hot isostatic pressing is usually performed at a temperature of about 1000 ° C. or higher, and in some cases about 1050 ° C. or higher. In a preferred embodiment, the hot isostatic pressing is performed at a temperature of about 1150 ° C. or higher. The gas pressure used during hot isostatic pressing is usually about 100 MPa or more, preferably about 150 MPa or more, more preferably about 200 MPa or more. Preferred gases for use in this process include, but are not limited to, argon, nitrogen, helium, xenon and combinations including one of these.

上記のように、本発明のニッケル含有合金は、大型タービンの大型エアーホイルに使用することができ有利である。η相などの望ましくない相を低減し、かつγ’相の体積分率をニッケル含有合金に対して約15〜45体積%に増加することにより、ニッケル含有合金が優れた耐クリープ性、耐高熱腐食性及び優れた鋳造性や溶接性を示す。   As described above, the nickel-containing alloy of the present invention is advantageous because it can be used for a large airfoil of a large turbine. By reducing undesirable phases such as η phase and increasing the volume fraction of γ ′ phase to about 15-45% by volume with respect to the nickel-containing alloy, the nickel-containing alloy has excellent creep resistance and high heat resistance. It exhibits corrosiveness and excellent castability and weldability.

以下、実施例によりニッケル含有合金の種々の実施形態の組成物及び製造方法を種々の材料及び装置を用いて具体的に説明するが、これらは例示にすぎず、本発明を制限するものではない。   Hereinafter, although the composition and the manufacturing method of various embodiments of the nickel-containing alloy will be specifically described using various materials and apparatuses by way of examples, these are merely examples and do not limit the present invention. .

実施例1
この実施例は、タンタルを含まないニッケル含有合金の特性が比較のタンタルを含むニッケル含有合金試料に対して向上することを示すために行った。比較組成の試料及び本発明を具体化した組成の試料を表1に示す。表1から比較試料(試料No.1)はタンタルを含み、それ以外の試料(試料No.2〜6)はタンタルを含まないことがわかる。
Example 1
This example was done to show that the properties of nickel-containing alloys containing no tantalum are improved relative to nickel-containing alloy samples containing comparative tantalum. Table 1 shows a sample having a comparative composition and a sample having a composition embodying the present invention. From Table 1, it can be seen that the comparative sample (sample No. 1) contains tantalum, and the other samples (samples No. 2 to 6) do not contain tantalum.

試料を以下のように製造した。まず、表1に示す試料の種々の成分を用意し、1550℃の温度に加熱し、溶湯にし、その後鋳造した。鋳造物を空冷した。これを1150℃で4時間アニールし、780℃で24時間時効処理した。引張試験機で15ksiの応力下1600°F(871℃)の温度で試料にクリープ試験を行った。1%ひずみに達するのにかかる時間を測定し、試料が耐クリープ性を示す能力の関数として記録した。試料は全長4インチ及び基準直径約0.25インチの円柱状ドックボーン形標準クリープ試料である。   Samples were prepared as follows. First, various components of the sample shown in Table 1 were prepared, heated to a temperature of 1550 ° C., made into a molten metal, and then cast. The casting was air cooled. This was annealed at 1150 ° C. for 4 hours and aged at 780 ° C. for 24 hours. The specimen was subjected to a creep test at a temperature of 1600 ° F. (871 ° C.) under a stress of 15 ksi using a tensile tester. The time taken to reach 1% strain was measured and recorded as a function of the ability of the sample to exhibit creep resistance. The sample is a cylindrical dockbone standard creep sample with a total length of 4 inches and a reference diameter of about 0.25 inches.

図1にクリープ試験の結果を示す。約0.5%及び1%ひずみに達するのにかかる時間を両方の試料で比較する。図1から、タンタルを含まない試料のクリープは、上記のタンタルを含む比較試料と比べて200%向上することがわかる。同様に、1%ひずみで、タンタルを含まない試料のクリープは、比較組成物に比べて220%向上する。 FIG. 1 shows the result of the creep test. The time taken to reach about 0.5% and 1% strain is compared for both samples. FIG. 1 shows that the creep of the sample not containing tantalum is improved by 200% compared to the comparative sample containing tantalum. Similarly, the creep of the 1% strain and tantalum free sample is improved by 220% compared to the comparative composition.

試料No.2〜6に金属組織画像解析を実施したところ、各試料がほぼ同量のγ’相を有し、望ましくないη相をほとんど含まなかったことがわかる。   Sample No. When the metallographic image analysis was performed on Nos. 2 to 6, it was found that each sample had almost the same amount of γ ′ phase and almost no undesirable η phase.

上記の実施例から、タンタルを含まないニッケル含有合金は、タンタルを含む合金に比べ優れた耐クリープ特性を示し、したがってガスタービンなどの高温用途で使用することができ有利であることが確認される。ニッケル含有合金を含むタービンは、航空機及び宇宙船、地上発電システム及び大型船、潜水艦、はしけ船など水上及び水中を移動する船に使用することができる。
実施例2
この実施例は本発明のいくつかの実施形態の効果を示す。3つの試料を次のように製造した。表2に示す成分を混合し、約2700°F(1482℃)〜2800°F(1538℃)の範囲の温度で溶湯にした。その後、溶融合金を従来のインベストメント鋳造法により適当なセラミック鋳型に鋳込んだ。
The above examples confirm that nickel-containing alloys that do not contain tantalum exhibit superior creep resistance properties compared to alloys that contain tantalum and can therefore be used advantageously in high temperature applications such as gas turbines. . Turbines containing nickel-containing alloys can be used on ships moving on and under water, such as aircraft and spacecraft, ground power systems and large ships, submarines, barges.
Example 2
This example demonstrates the effect of some embodiments of the present invention. Three samples were made as follows. The ingredients shown in Table 2 were mixed and melted at a temperature in the range of about 2700 ° F. (1482 ° C.) to 2800 ° F. (1538 ° C.). The molten alloy was then cast into a suitable ceramic mold by conventional investment casting.

下記の表2に、試料A、B及びCの組成を重量%で示す(アルミニウム/チタンの比を原子%で示す。)(試料Aは市販の合金である。)。   Table 2 below shows the compositions of Samples A, B, and C in weight percent (the aluminum / titanium ratio is shown in atomic percent) (Sample A is a commercially available alloy).

試料Aは、いくつかの点において本発明の技術的範囲から外れている。例えば、試料Aはタングステンもニオブも含まなかった。さらに、試料Aはアルミニウム/チタンの原子比が1未満であった。説明したように、Al/Ti原子比は、主要パラメータであり、成分の別の差異、例えばモリブデン及びタングステンレベルの差異(表2参照)とは通常無関係である。試料Bは、Al/Ti原子比が約0.5以上という本発明の実施形態の技術範囲に入る。しかし、試料BはAl/Ti原子比が約1.0超でなけらばならない本発明の好ましい実施形態の技術的範囲から外れている。試料Cは本発明の実施形態の技術範囲内であった。 Sample A deviates from the technical scope of the present invention in several respects. For example, Sample A contained no tungsten or niobium. Furthermore, Sample A had an aluminum / titanium atomic ratio of less than 1. As explained, the Al / Ti atomic ratio is a key parameter and is usually independent of other component differences such as molybdenum and tungsten level differences (see Table 2). Sample B falls within the technical scope of embodiments of the present invention with an Al / Ti atomic ratio of about 0.5 or greater. However, Sample B deviates from the technical scope of the preferred embodiment of the present invention where the Al / Ti atomic ratio must be greater than about 1.0. Sample C was within the scope of the embodiments of the present invention.

試料Aは、高温への熱暴露後に、本発明では望ましくないη相が多量に存在した。試料Cは、鋳造したままの状態及び高温への熱暴露後に、η相がほとんど存在しなかった。(試料Aはまた、本発明の合金組成物の要求に対してγ’相形成元素のレベルが不十分であった。)。   Sample A had a large amount of η phase that was undesirable in the present invention after thermal exposure to high temperature. Sample C had almost no η phase after as-cast and after heat exposure to high temperature. (Sample A also had insufficient levels of γ 'phase forming elements for the requirements of the alloy composition of the present invention).

鋳造及び熱処理後の合金からワイヤー放電加工(EDM)及び研磨加工により試験クーポンを機械加工した。クーポンの寸法は長さ約5インチ(12.7cm)、直径0.75インチ(1.9cm)であった。クーポンをASTMクリープ試験規格E139に準じて耐クリープ特性について試験した。   Test coupons were machined from the cast and heat treated alloy by wire electrical discharge machining (EDM) and polishing. The coupon dimensions were about 5 inches (12.7 cm) long and 0.75 inches (1.9 cm) in diameter. The coupons were tested for creep resistance properties according to ASTM creep test standard E139.

図2は1600°F(871℃)の温度及び同様な応力レベルで1%クリープひずみに達する時間を示すグラフである。この図に示すように、試料Cは、耐クリープ性が試料Bに比べると大幅に増加し、試料Aに比べると一段と大幅に増加した。試料Aの1%クリープひずみレベルに達する推定時間は110時間、試料Bの推定時間は1450時間であった。試料Cの1%クリープひずみレベルに達する推定時間は3050時間であった。(試料Cは、他の市販のニッケル基合金、例えばアルミニウムのレベルが不十分なニッケル基合金に比べ耐クリープ性が優れていることも確認された。)
これらの結果は別の理由でも驚くべきであった。例えば、試料A及びCの各組成物を比べると、試料Cは、析出強化元素、即ちアルミニウム、チタン及びニオブのレベル(合計量)が試料Aに対して89%増加したことがわかり、なお耐クリープ性は約2800%増加した。
FIG. 2 is a graph showing the time to reach 1% creep strain at a temperature of 1600 ° F. (871 ° C.) and a similar stress level. As shown in the figure, the creep resistance of the sample C was greatly increased as compared with the sample B, and was significantly increased as compared with the sample A. The estimated time to reach 1% creep strain level for sample A was 110 hours, and the estimated time for sample B was 1450 hours. The estimated time to reach 1% creep strain level for Sample C was 3050 hours. (Sample C was also confirmed to be superior in creep resistance compared to other commercially available nickel-based alloys such as nickel-based alloys with insufficient levels of aluminum.)
These results were surprising for another reason. For example, comparing the compositions of Samples A and C, Sample C shows that the level (total amount) of precipitation strengthening elements, that is, aluminum, titanium, and niobium, increased by 89% relative to Sample A. The creep property increased by about 2800%.

以上、本発明を代表的な実施形態について説明したが、本発明の要旨から逸脱することなく、種々の改変が可能であり、また構成要素を均等物に置き換え得ることが当業者に明らかである。さらに、本発明の要旨から逸脱することなく、個別の状況や材料を本発明に適合させる多くの変更が可能である。したがって、本発明はこの発明を実施するうえで考えられる最良の形態として上述した特定の実施形態に限定されず、本発明は特許請求の範囲に入る全ての実施形態を包含する。   While the present invention has been described with reference to the exemplary embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention, and that constituent elements can be replaced with equivalents. . In addition, many modifications may be made to adapt a particular situation or material to the present invention without departing from the spirit of the invention. Therefore, the present invention is not limited to the specific embodiment described above as the best mode for carrying out the invention, and the present invention includes all embodiments falling within the scope of the claims.

Claims (9)

1.5〜4.5重量%のアルミニウム、
1.5〜4.5重量%のチタン、
0.8〜3重量%のニオブ、
14〜28重量%のクロム、
10〜23重量%のコバルト、
1〜3重量%のタングステン、
0.05〜0.2重量%の炭素、
0.002〜0.012重量%のホウ素及び
40〜70重量%のニッケルを含み、
チタンに対するアルミニウムの原子比が1.0超であり、
タンタルを実質的に含まない、
ニッケル含有合金。
1.5-4.5 wt% aluminum,
1.5-4.5 wt% titanium,
0.8-3 wt% niobium,
14-28% by weight chromium,
10-23 wt% cobalt,
1-3 wt% tungsten,
0.05-0.2 wt% carbon,
0.002 to 0.012 wt% boron and 40 to 70 wt% nickel,
The atomic ratio of aluminum to titanium is greater than 1.0;
Substantially free of tantalum,
Nickel-containing alloy.
アルミニウム及びチタンの合計量がニッケル含有合金に対して2〜9重量%である、請求項1記載のニッケル含有合金。   The nickel-containing alloy according to claim 1, wherein the total amount of aluminum and titanium is 2 to 9% by weight based on the nickel-containing alloy. アルミニウム、チタン及びニオブの合計量が合金の重量に対して2〜13重量%である、請求項1記載のニッケル含有合金。   The nickel-containing alloy according to claim 1, wherein the total amount of aluminum, titanium and niobium is 2 to 13% by weight based on the weight of the alloy. さらに、ジルコニウム、ハフニウム、レニウム及びルテニウムよりなる群から選択される元素を少なくとも1つ含む、請求項1記載のニッケル含有合金。   The nickel-containing alloy according to claim 1, further comprising at least one element selected from the group consisting of zirconium, hafnium, rhenium and ruthenium. 5体積%未満のレベルのη相を含む、請求項1記載のニッケル含有合金。   The nickel-containing alloy of claim 1, comprising a η phase at a level of less than 5% by volume. (a)1.5〜4.5重量%のアルミニウム、2.1〜4.5重量%のチタン、0.8〜3重量%のニオブ、14〜24重量%のクロム、10〜23重量%のコバルト、1〜3重量%のタングステン、レニウム、ルテニウム、モリブデンから選択される元素又はこれらの組合せ、0.05〜0.2重量%の炭素、0.002〜0.012重量%のホウ素及び40〜70重量%のニッケルを含む合金を鋳造し、
(b)鋳造物を凝固する工程を含む、
物品の製造方法。
(A) 1.5-4.5 wt% aluminum, 2.1-4.5 wt% titanium, 0.8-3 wt% niobium, 14-24 wt% chromium, 10-23 wt% Cobalt, 1 to 3% by weight of tungsten, rhenium, ruthenium, molybdenum, or a combination thereof, 0.05 to 0.2% by weight of carbon, 0.002 to 0.012% by weight of boron, and Casting an alloy containing 40-70 wt% nickel;
(B) including a step of solidifying the casting,
Article manufacturing method.
さらに鋳造物を方向性凝固する工程を含む、請求項6記載の方法。   The method of claim 6 further comprising the step of directional solidification of the casting. 鋳造物が等軸鋳造物である、請求項6記載の方法。   The method of claim 6, wherein the casting is an equiaxed casting. 請求項1記載の合金を含む材料から製造したタービン部品。

A turbine component manufactured from a material comprising the alloy of claim 1.

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