JP2013136843A - 偏析特性に優れるＮｉ基耐熱合金，ガスタービン部材およびスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】高温強度に優れ、偏析元素の添加量を調整することで、偏析が発生しにくく大型鋼塊製造性に優れたＮｉ基耐熱合金と、それを用いたガスタービン部材，ガスタービンを提供する。
【解決手段】Ｎｉ基耐熱合金は、質量で、Ｃ：０.００１〜０.１ｍass％，Ｃｒ：１６〜２２ｍass％，Ａｌ：０.５〜１.５ｍass％，Ｍｏ：０.１〜２.０ｍass％，Ｗ：０.１〜６.０ｍass％，Ｎｂ：３.５〜５.５ｍass％，Ｔｉ：０.８〜３.０ｍass％，Ｆｅ：１６〜２０ｍass％を含み、残部がＮｉ及び不可避不純物からなり、（１）式で表される偏析傾向を示すパラメータＰｓがＰｓ≧−３.５の範囲である。Ｐｓ＝１.０５×Ａｌ量＋０.６×Ｔｉ量−０.８×Ｎｂ量−０.３×Ｍｏ量…（１）これにより、製造時に凝固偏析が発生しにくく、ガスタービン部材として用いることで大型化・高効率化が可能になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、偏析特性に優れ、大型部材の製造が可能なＮｉ基耐熱合金、それを用いたガスタービン部材，ガスタービンに関する。

ガスタービンの高効率化には燃焼温度の上昇が有効である。そのため、ガスタービンを構成する部品には、高温強度に優れるＮｉ基耐熱合金が様々な箇所で使用されている。Ｎｉ基耐熱合金は、Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏなどの固溶強化元素、またＡｌ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａなどの析出強化元素を多く含有し、優れた高温強度を有している。主要な析出強化相であるγ′相（Ｎｉ₃Ａｌ）は、温度上昇に伴って強度も上昇する性質があり、高温における強度特性の向上に極めて効果的である。Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ等の元素を添加することによって、γ′相は安定化され、より高温まで存在できるようになるため、Ｎｉ基合金の高性能化では、γ′相をいかに安定化するかに主眼を置いて開発がなされてきた。しかし、これらＴｉ，Ｎｂ，Ｔａ等の元素は、凝固中に偏析を生じやすく、大型部材の製造が困難であることから、高強度Ｎｉ基合金の使用は、動静翼など比較的小型の部品に限定されている。

代表的なガスタービンの大型部材としてはタービンディスクが挙げられる。タービンディスク材には、従来、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼が使用されてきたが、高温化の要求から、Ｎｉ基合金が用いられるようになってきている。耐熱鋼は１０tonを超える大型鋼塊の製造実績がある。Ｎｉ基合金では、比較的製造性の良いＡｌｌｏｙ７０６がタービンディスクとして利用されているが、製品重量で２〜３tonが限界である。それ以上になると、製造時に偏析が発生し、凝固時、あるいは鍛造時に割れが生じてしまうため、さらなる大型化は難しい。

Ａｌｌｏｙ７０６よりも高強度なＮｉ基合金にＡｌｌｏｙ７１８があるが（特許文献１，２参照）、これは強度を得るために、前述の析出強化元素を多く含んでおり、Ａｌｌｏｙ７０６よりも偏析が起こりやすく、大型鋼塊の製造が困難であるため、大型ガスタービンへの適用は難しいのが現状である。

特開２０００−１９２２０８号公報 特開２０００−１９２１７９号公報

本発明の目的は、高温強度に優れ、偏析元素の添加量を調整することで、偏析が発生しにくく大型鋼塊製造性に優れたＮｉ基耐熱合金と、それを用いたガスタービン部材，ガスタービンを提供することにある。

本発明者らは、熱力学計算、および偏析実験等により、合金の偏析傾向に及ぼす各合金元素の影響を調査した結果、ある合金成分範囲において、Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏの添加量が一定の条件を満たす場合には偏析が発生しにくく、大型鋼塊製造性に優れる合金が得られることを見出した。
すなわち、本発明は、質量で、Ｃ：０.００１〜０.１％，Ｃｒ：１６〜２２％，Ａｌ：０.５〜１.５，Ｍｏ：０.１〜２.０％，Ｗ：０.１〜６.０％，Ｎｂ：３.５〜５.５％，Ｔｉ：０.８〜３.０％，Ｆｅ：１６〜２０％を含み、残部がＮｉ及び不可避不純物からなり、（１）式で表される偏析傾向を示すパラメータＰｓが、Ｐｓ≧−３.５の範囲であることを特徴とするＮｉ基鍛造合金である。

これらの合金は、ガスタービン部品として、タービンディスク，タービンスペーサなどに用いることができる。

上記構成によれば、大型部材を高強度なＮｉ基耐熱合金で製造することが可能となり、ガスタービンの高効率化が可能になる。

合金元素添加量と偏析特性の相関を示す図。 ガスタービンの模式図を示す図。

以下、本発明を詳細に説明する。

大型鋼塊製造性を改善するためには、凝固時に生じる偏析を抑制することが必要である。偏析が起こる原因は、溶質元素が固液界面で分配して、溶湯中の密度差変化がおこるためと考えられている。図１は、Ａｌｌｏｙ７１８の基本成分に対して、各合金元素量を変化させた場合に、偏析傾向がどのように変化するかを示している。図の下側ほど、偏析が生じやすく、大型部材の製造が難しくなる。Ｍｏ，ＮｂといったＮｉよりも原子量が大きく重い元素は、添加量を低減するにしたがって溶湯密度差が小さくなり、偏析が抑えられる傾向にある。反対に軽い元素であるＡｌ，Ｔｉは添加量を増加させるほど溶湯密度差が小さくなるため、偏析が抑えられる傾向にある。Ｃｒ，Ｗ，Ｆｅなどの元素は添加量を変化させても偏析傾向への影響はほとんど見られない。

したがって、Ｍｏ，Ｎｂ，Ａｌ，Ｔｉといった偏析の傾向が互いに異なる元素をバランスすることで、溶湯中の密度差を調整して偏析を抑制し、優れた高温強度と大型鋼塊製造性を両立することができる。

以下に、本発明の合金元素の組成範囲およびその選定理由を示す。

Ｃは、母相に固溶して高温での引張強さを向上させると共に、ＭＣ，Ｍ₂₃Ｃ₆などの炭化物を形成することで粒界強度を向上させる。これらの効果は０.００１％程度から顕著になるが、過剰なＣの添加は粗大な共晶炭化物の原因となり、靭性の低下を招くため０.１％を上限とする。０.０３〜０.８％の添加量が好ましい。０.１％を超えて添加すると粗大な炭化物が集中して析出するなど、強度特性を損なう。

Ｃｒは、表面にＣｒ₂Ｏ₃からなる緻密な酸化皮膜を形成して耐酸化性，高温耐食性を向上させる元素である。本発明で対象とする高温部材に利用するためには少なくとも１６％を含有することが必要である。しかし２２％以上添加すると、σ相が析出して材料の延性，破壊靭性が悪化するため２２％を超えない範囲とする。特に、好適な範囲は１７〜２０％である。

Ａｌはγ′（Ｎｉ₃Ａｌ）相を形成する元素であり、γ′相強化型のＮｉ基合金の強化には不可欠な元素である。また、耐酸化性を向上させる効果も有している。不足の場合には時効によるγ′相析出量が少ないため十分な高温強度が得られない。本発明では、他の強化元素であるＴｉ，Ｎｂを比較的多く含むため、０.５％程度から強化の効果が得られる。過剰になると硬質で脆い有害相の出現を助長することから、上限は１.５％とする。より好ましい範囲は０.６〜１.２％である。凝固時には液相に多く分配し、溶湯の密度差を小さくする効果があるため偏析を低減する効果がある。

Ｍｏは固溶強化によって母相を強化する効果があり、０.１％程度でも強度の改善が認められ、その効果は添加量と共に上昇するが、溶湯密度差が大きくなり偏析が発生し易くなることから、上限は２.０％とする。

Ｗは、強度に及ぼす影響はＭｏと非常に良く似ており、固溶強化によって母相を強化する効果があるが、偏析に及ぼす影響はＭｏに比べて小さいため、より多く添加して高強度化を図ることが可能である。しかしながら、６.０％を超えると、硬質で脆い金属間化合物相の生成を助長したり、高温鍛造性の悪化を招いたりする。より好ましい範囲は、１.０〜５.０％である。

Ｎｂは、Ａｌと同様にγ′析出強化元素として高温強度を改善する元素である。さらに本発明では、３.５％以上の添加を行うことで、γ′相と良く似た結晶構造を有する強化相γ″（Ｎｉ₃Ｎｂ）を形成し、より高強度化する効果も有している。しかし、Ａｌと同様に過剰な添加は有害相の析出の原因となることから、上限は５.５％とする。前述のように、添加量が増えるほど偏析傾向は悪化することから、大型鋼塊製造性の観点からは５.０％を超えない範囲が望ましい。

Ｔｉも、Ａｌ，Ｎｂと同様にγ′析出強化元素として高温強度の改善に寄与する。その効果はわずかな添加でも認められるが、偏析傾向の改善の観点から、少なくとも１.０％添加する必要がある。Ａｌ，Ｎｂと同様、過剰に添加するとγ′相以外の金属間化合物を形成し、延性や高温加工性を損なうことから、３.０％を上限とする。

ＦｅはＮｉに比べて延性が高く、添加することによって熱間加工性が改善される。また、他の元素に比べて廉価であることから、材料の低コスト化にも効果がある。ただし、過剰に添加すると、強化相であるγ′相が不安定になり、高温強度が低下するため、成分範囲は１６〜１８％とした。

さらに、前述のように大型鋼塊製造性に関して、Ｎｂ，ＭｏとＡｌ，Ｔｉは互いに反する効果を有するため、これらの元素は（１）式で表わされるパラメータＰｓが一定の関係を満たすことが必要である。
Ｐｓ＝１.０５×Ａｌ量＋０.６×Ｔｉ量−０.８×Ｎｂ量−０.３×Ｍｏ量 …（１）

Ｐｓ≧−３.５となる合金組成範囲を選定することにより、本発明の目的である大型鋼塊製造性が改善され、ガスタービンディスク等、大型鍛造材の製造が可能となる。Ｐｓのさらに好ましい範囲としてはＰｓ≧−３.０である。

〔実施例〕
以下に、本発明の実施例を説明する。

表１は、供試材の合金組成である。表１に示す組成の合金１０kgを真空誘導溶解炉にて作製した。Ｎo.１〜８が本発明合金、Ｎo.９〜１１が比較合金であり、Ｎo.９は市販されているＡｌｌｏｙ７１８相当成分の合金である。作製した合金は表面の酸化皮膜や鋳造欠陥を除去した後に、熱間加工によりφ１５mmの丸棒形状に加工した。丸棒素材から、各種試験片を採取して、室温におけるビッカース硬さ試験、７００℃における高温引張試験により、材料の機械的特性の評価を行った。また、１０kg溶解材とは別に、大型鋼塊の製造条件を模擬した試験を行い、偏析の有無を確認し、発生傾向を評価した。

各種試験の結果は、表２に示すとおりである。

ビッカース硬さ、引張強度特性に関しては、発明合金，比較合金で大差は見られず、市販材として用いられているＡｌｌｏｙ７１８とほぼ同等の優れた強度特性を示していることが分かる。

偏析特性の評価では、発明合金と比較合金で大きな差が見られた。表２において、偏析模擬試験で偏析が観察されなかったものには○、偏析が観察され、加工性や特性を大きく劣化させたものは×、軽微な偏析については△を記載している。

発明合金では、いずれの合金でも偏析は確認されず、極めて良好な製造性を有している。今回の試験条件では、５tonの鋼塊製造条件を想定しており、この試験で偏析が生じなければ、実際に大型鋼塊を無偏析で製造できるものと推定することができる。比較合金のＮo.９，１０では偏析の発生が確認された。Ｎo.１１では軽微な偏析が認められた。偏析が発生したインゴットでは、化学組成が不均一になることで、局部的に強度特性が劣化してしまい、加工性，強度特性が大きく損なわれる。Ｎo.９〜１１の合金では、５ton程度の大型鋼塊の製造は困難と判断できる。軽微な偏析が確認されたＮo.１１の合金成分から算出されるＰｓ値は−３.５９であり、発明合金の中で最もＰｓ値が小さいものはＮo.８の−３.４２であることから、偏析発生のしきい値を−３.５としている。発明合金の中にはこのしきい値を大きく上回るものもあり、これらの合金はより一層偏析が発生しにくく、大型鋼塊製造性に優れていると考えられる。Ｐｓ≧−３.０であれば、１０ton以上の大型鋼塊の製造が可能になると推定される。

このように、本発明では、偏析元素の添加量を適正に制御することにより、Ａｌｌｏｙ７１８と同等の優れた高温強度特性を有しながら、大型鋼塊を無偏析で製造することが可能になる。

本発明の材料を用いて作製した鍛造部品の例を図２に示す。

図２はガスタービンの模式図を示している。図２において、３はタービンブレード、４はタービンディスク、６はコンプレッサディスク、７はコンプレッサブレード、８はコンプレッサスタッキングボルト、９はコンプレッサスタブシャフト、１０はタービンスタブシャフト、１１は穴、１３はタービンスタッキングボルト、１５は燃焼器、１６はコンプレッサノズル、１８はタービンスペーサ、１９はデイスタントピース、２０は初段ノズルを示している。

図２に示すガスタービンの部品のうち、高温強度が要求され、かつ大型鍛造部材として使用される部品としては、タービンディスク，タービンスペーサが挙げられる。Ａｌｌｏｙ７１８等の従来材では、大型化が困難であったため、大型タービンディスクへの適用は難しく、その代わりに大型鋼塊の製造が可能だが耐用温度の低い材料を用いる必要があり、ガスタービンの高効率化の障害となっていた。

本発明の合金は、耐用温度が高く、かつタービンディスクの製造に足る大型鋼塊の製造が可能であることから、ガスタービン運転温度の高温化，高効率化が可能となる。本発明のガスタービンは、図２に示すようなガスタービンと発電機からなる発電プラントや、蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクル発電プラントにも使用することが可能である。

３ タービンブレード
４ タービンディスク
６ コンプレッサディスク
７ コンプレッサブレード
８ コンプレッサスタッキングボルト
９ コンプレッサスタブシャフト
１０ タービンスタブシャフト
１１ 穴
１３ タービンスタッキングボルト
１５ 燃焼器
１６ コンプレッサノズル
１８ タービンスペーサ
１９ デイスタントピース
２０ 初段ノズル

Claims (12)

1. 質量で、Ｃ：０.００１〜０.１ｍass％，Ｃｒ：１６〜２２ｍass％，Ａｌ：０.５〜１.５ｍass％，Ｍｏ：０.１〜２.０ｍass％，Ｗ：０.１〜６.０ｍass％，Ｎｂ：３.５〜５.５ｍass％，Ｔｉ：０.８〜３.０ｍass％，Ｆｅ：１６〜２０ｍass％を含み、残部がＮｉ及び不可避不純物からなり、
   （１）式で表される偏析傾向を示すパラメータＰｓが、Ｐｓ≧−３.５の範囲であることを特徴とするＮｉ基鍛造合金。
   Ｐｓ＝１.０５×Ａｌ量＋０.６×Ｔｉ量−０.８×Ｎｂ量−０.３×Ｍｏ量 …（１）
2. 質量で、Ｃ：０.００１〜０.１ｍass％，Ｃｒ：１６〜２２ｍass％，Ａｌ：０.５〜１.５ｍass％，Ｍｏ：０.１〜２.０ｍass％，Ｗ：０.１〜６.０ｍass％，Ｎｂ：３.５〜５.５ｍass％，Ｔｉ：０.８〜３.０ｍass％，Ｆｅ：１６〜２０ｍass％を含み、主成分がＮｉからなり、
   （１）式で表される偏析傾向を示すパラメータＰｓが、Ｐｓ≧−３.５の範囲であることを特徴とするＮｉ基鍛造合金。
   Ｐｓ＝１.０５×Ａｌ量＋０.６×Ｔｉ量−０.８×Ｎｂ量−０.３×Ｍｏ量 …（１）
3. 請求項１または２において、
   （１）式で偏析傾向を示すパラメータＰｓが、Ｐｓ≧−３.０の範囲であることを特徴とするＮｉ基鍛造合金。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて
   質量で、Ｃ：０.０３〜０.０８ｍass％を含むことを特徴とするＮｉ基鍛造合金。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて
   質量で、Ｃｒ：１７〜２０ｍass％を含むことを特徴とするＮｉ基鍛造合金。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて
   質量で、Ａｌ：０.６〜１.２ｍass％を含むことを特徴とするＮｉ基鍛造合金。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて
   質量で、Ｗ：１．０〜５.０ｍass％を含むことを特徴とするＮｉ基鍛造合金。
8. 請求項１乃至７のいずれかにおいて
   質量で、Ｔｉ：１.０〜３.０ｍass％を含むことを特徴とするＮｉ基鍛造合金。
9. 請求項１乃至８のいずれかにおいて
   質量で、Ｆｅ：１６〜１８ｍass％を含むことを特徴とするＮｉ基鍛造合金。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の合金を用いることを特徴とするガスタービンディスク。
11. 請求項１乃至９のいずれかに記載の合金を用いることを特徴とするガスタービンスペーサ。
12. 請求項１０または１１に記載の部品を備えたことを特徴とするガスタービン。