JP2013133505A - ニッケル基単結晶超合金熱処理方法及びニッケル基単結晶超合金 - Google Patents

Abstract

【課題】ルテニウムが加えられた先進ニッケル基単結晶超合金に於いて、中温域の降伏強度を向上させる。
【解決手段】ルテニウムを合金の組成として含むニッケル基単結晶超合金の熱処理方法であって、溶体化処理工程と、１次時効処理工程と、２次時効処理工程とを有し、該２次時効処理工程では、６００℃〜８００℃の範囲の任意の温度に保持して加熱し、２次析出物３を析出させた。さらに、１次析出物の境界部に２次析出物を析出させた組織とする。
【選択図】図１

Description

本発明は高温下で使用される部材に用いられるニッケル基単結晶超合金熱処理方法及びニッケル基単結晶超合金に関するものである。

高温下で使用される部材、例えばジェットエンジン、ガスタービン等のタービンブレードで、１２００℃〜１７００℃の高温のガスに曝され、タービンブレードには耐熱合金が用いられる。耐熱合金として、ニッケル基単結晶超合金がある。

ニッケル基単結晶超合金はニッケルを基材（５０％〜６０％（ｗｔ））とする合金であるが、高温での強度を増大させる為、従来より合金組成に改良が加えられている。

近年のニッケル基単結晶超合金には、合金組成としルテニウムが加えられ、先進ニッケル基単結晶超合金として、高温域での強度が向上されている。

一方、ルテニウムが加えられることで、中温域（６００℃〜８００℃）での降伏強度の低下が現れている。

この強度の低下は、ルテニウムが加えられない世代のニッケル基単結晶超合金では１次析出物（１次γ′）の間に微細な析出物である２次γ′が析出しており、この２次γ′が強化相として作用し、中温域で降伏強度を増加させていた。

ところが、ルテニウムが加えられたことで、微細な析出物である２次γ′が析出しなくなり、中温域（６００℃〜８００℃）での降伏強度が低下している。

ジェットエンジン、ガスタービンの運転状況では、中温域での運転もあり、中温域での降伏強度の向上が望まれていた。

尚、合金組成に改良を加えたニッケル基単結晶超合金としては、特許文献１、特許文献２に示されるものがある。

特開平５−５１４３号公報 特開２０００−１２９３８１号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、ルテニウムが加えられた先進ニッケル基単結晶超合金に於いて、中温域の降伏強度を向上させるものである。

本発明は、ルテニウムを合金の組成として含むニッケル基単結晶超合金の熱処理方法であって、溶体化処理工程と、１次時効処理工程と、２次時効処理工程とを有し、該２次時効処理工程では、６００℃〜８００℃の範囲の任意の温度に保持して加熱し、２次析出物を析出させたニッケル基単結晶超合金熱処理方法に係るものである。

又本発明は、ルテニウムを合金の組成として含み、１次析出物の境界部に２次析出物を析出させた組織を有するニッケル基単結晶超合金に係るものである。

本発明によれば、ルテニウムを合金の組成として含むニッケル基単結晶超合金の熱処理方法であって、溶体化処理工程と、１次時効処理工程と、２次時効処理工程とを有し、該２次時効処理工程では、６００℃〜８００℃の範囲の任意の温度に保持して加熱し、２次析出物を析出させたので、中温域での強度を向上させることができるという優れた効果を発揮する。

（Ａ）は本発明の実施例に係る熱処理サイクルを示すグラフであり、（Ｂ）は該熱処理サイクルに於いて１次時効処理後のミクロ組織の写真、（Ｃ）は２次時効処理後のミクロ組織の写真である。 （Ａ）は従来の熱処理サイクルを示すグラフであり、（Ｂ）は２次時効処理後のミクロ組織の写真である。 従来の熱処理を実施した場合と本実施例の熱処理を実施した場合の中温域での引張強度を示すグラフである。 代表的なニッケル基単結晶超合金の化学組成を示す表である。 第１世代合金のミクロ組織の写真である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

ニッケル基単結晶超合金は、当初鋳造されたものが一般に提供されるので、ニッケル基単結晶超合金としての性能を発揮させる為には、材料調質の為の熱処理が行われる。

図１（Ａ）は、合金組成としルテニウムが加えられた先進ニッケル基単結晶超合金の熱処理サイクルを示している。

ニッケル基単結晶超合金の鋳造品（素材）は、最初に１３００℃程度（第１加熱温度）（１２００℃〜１３５０℃）に加熱され、その温度で所定時間（１時間〜１５時間程度）保持され溶体化処理され、その後室温迄冷却される。この加熱保持後の冷却中に、１次析出物（Ｎｉ3 Ａｌ）（１次γ′）１が析出する。

次に、素材を１１００℃程度（第２加熱温度）（１１００℃〜１２００℃）迄加熱し、その温度で所定時間（１時間〜４時間程度）保持し、その後室温迄冷却し、１次時効処理をする。この１次時効処理で、前工程で析出した１次析出物（１次γ′）１が成長する。図１（Ｂ）は、１次析出物１が成長した様子を示すミクロ組織の写真である。

次に、素材を８００℃程度（第３加熱温度）（７００℃〜８００℃）迄加熱し、その温度で所定時間（４時間〜２０時間）保持し、その後室温迄冷却し、２次時効処理をする。この２次時効処理によって、１次析出物１，１間の境界部２に微細な２次析出物（２次γ′）３が析出する。又、第３加熱温度で所定時間、好ましくは４時間程度、加熱することで２次析出物３が成長する。図１（Ｃ）は、境界部２に微細な２次析出物３が析出した状態を示すミクロ組織の写真である。

１次析出物１，１間の境界部２に２次析出物（２次γ′）３が析出することで、先進ニッケル基単結晶超合金の中温域での引張強度が増大する。

尚、２次時効の処理温度を８７０℃とした場合、２次析出物３の析出は見られなかった。従って、２次析出物３が析出するのは８５０℃程度が限度と見られる。又、２次析出物３が析出する下限の温度は６００℃程度である。尚、２次時効の処理温度を低くした場合は、析出速度が遅くなるので、所定の粒径迄成長させるには２次時効の処理時間を長くする必要がある。

次に、本実施例との比較の為に、図２（Ａ）により本実施例と同一の素材で、従来と同様な熱処理を実行した場合を説明する。

従来の熱処理サイクルでは、溶体化処理の加熱温度及び１次時効処理の加熱温度は、本実施例と同様、１３００℃程度及び１１００℃程度である。

又、従来では２次時効処理を加熱温度９００℃で実施している。従来の２次時効処理では、境界部２に微細な２次析出物３は析出していない。又、図２（Ｂ）は、２次時効処理後のミクロ組織の写真であり、境界部２には２次析出物３が析出していないことが分る。

図３は、本実施例の熱処理を実施した素材と、従来の熱処理を実施した素材とを６００℃の環境で引張試験をした結果を示している。

左側の１組の棒グラフは、従来の熱処理を実施した素材の試験結果であり、右側の１組の棒グラフは本実施例の熱処理を実施した素材の試験結果を示しており、図中、薄墨を施したものは、０．２％耐力（σ０．２）を示し、白抜きのものは破断に至る迄の最高強度（ＵＴＳ）を示している。

図３が示す様に、０．２％耐力及び最高強度共に本実施例の熱処理を実施することで、６００℃環境（中温環境）での強度が向上しているのが分る。尚、図示していないが、高温環境（１１００℃）での０．２％耐力及び最高強度は、従来の熱処理、本実施例の熱処理共に同様な結果が得られている。即ち、本実施例を実施することで、高温環境の強度を維持しつつ、中温域の強度を向上させることができる。

図４は、代表的なニッケル基単結晶超合金の化学組成を示している。

図示される様に、化学組成は第１世代（１ｓｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）から第５世代（５ｔｈ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）迄、高温時での強度を向上させる為改良がなされており、第４世代から合金組成としルテニウムが加えられている。ルテニウムが加えられない、第１世代から第３世代迄は、従来の熱処理方法でも境界部２に２次析出物３が析出している（図５参照）。

第４世代、第５世代でルテニウムが加えられたことで高温域での強度は向上したが、中温域での強度は低下していた。

本実施例を第４世代、第５世代の素材に、実施することで境界部２に２次析出物３が析出し、中温域での強度が向上する。

１ １次析出物
２ 境界部
３ ２次析出物

Claims (2)

1. ルテニウムを合金の組成として含むニッケル基単結晶超合金の熱処理方法であって、溶体化処理工程と、１次時効処理工程と、２次時効処理工程とを有し、該２次時効処理工程では、６００℃〜８００℃の範囲の任意の温度に保持して加熱し、２次析出物を析出させたことを特徴とするニッケル基単結晶超合金熱処理方法。
2. ルテニウムを合金の組成として含み、１次析出物の境界部に２次析出物を析出させた組織を有することを特徴とするニッケル基単結晶超合金。