JP2016056448A

JP2016056448A - ニッケル基超合金物品及び物品を形成するための方法

Info

Publication number: JP2016056448A
Application number: JP2015168400A
Authority: JP
Inventors: アーサー・エス・ペック; Arthur S Peck; ウォーレン・タン・キング; Warren Tan King; ジョン・コンラッド・シェーファー; Jon Conrad Scaeffer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2016-04-21
Also published as: CH710105A2; US20160184888A1; DE102015114158A1; CH710105B1; CN105714381A

Abstract

【課題】物品及び単結晶鋳造品を形成するための方法が開示される。【解決手段】物品は、約８０ｐｐｍを超えるホウ素（Ｂ）を含む組成物と、１以上の結晶粒界を有する実質的に単結晶のミクロ組織とを有する単結晶のニッケル基超合金を含む。物品のクリープ破断強度は、４０度の結晶粒界ミスマッチまで実質的に維持される。単結晶鋳造品を形成するための方法は、鋳型を冷却用プレート上に配置する工程であり、鋳型が単結晶セレクタを含む、工程と、溶融したニッケル基超合金組成物を鋳型内に供給する工程であり、溶融した組成物が、約８０ｐｐｍを超えるホウ素（Ｂ）を含む、工程と、溶融した組成物を冷却用プレートで冷却する工程と、鋳型を熱源内から取り出すことにより一方向温度勾配を形成して、１以上の結晶粒界を有する実質的に単結晶のミクロ組織を含む単結晶鋳造品を形成する工程とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ニッケル基超合金、ニッケル基超合金で形成された物品、及び物品を形成するための方法に向けられる。

ガスタービン及び航空機エンジンの高温ガス流路部品、特にタービンのブレード、ベーン、ノズル、シール及び固定シュラウドは、しばしば２０００°Ｆを超える高温で動作する。高温ガス流路部品の形成に用いる超合金組成物は、しばしば単結晶のニッケル基超合金組成物である。

高温ガス流路部品の強度は、しばしば部品の結晶粒界強度により測定される。産業用ガスタービンバケットの現行の結晶粒界許容基準は、典型的に、翼形部では１２度のミスマッチ、他では最大１８度のミスマッチである。結晶粒界の許容基準に起因して、高温ガス流路部品は、鋳造プロセスにより頻繁に低収率となり、生産コスト及び廃棄部品が増加する。

収率を高める一方法は、ホウ素及び／又は炭素等の要素を添加して、一方向に凝固した（ＤＳ）超合金の結晶粒界強度を高めることを含む。ホウ素及び／又は炭素は、ＤＳ超合金の結晶粒界強度を高め得るが、融点降下材としても作用する。融点の降下は、初期融解温度を低くし、ＤＳ超合金の熱処理を制限し、よって部品内での最大強度の発現性を低くする。融点の降下に起因して、ホウ素及び／又は炭素の添加は、思いとどまらされてきた。

収率を高める別の方法は、製造プロセスを修正して、例えば単結晶部品等、結晶粒界のミスマッチの小さい高温ガス流路部品を形成することを含む。しかし、現行の単結晶製造方法で形成される多くの部品は、依然として結晶粒界を有する。ＤＳ超合金と同様に、単結晶部品へのホウ素及び／又は炭素の添加は、融点を降下させる。加えて、ホウ素及び／又は炭素の量の増加は、単結晶部品の製造の困難性を高める。さらに、単結晶部品は、結晶粒界を有しないことを意図されており、したがって、ホウ素及び／又は炭素の添加は、単結晶部品の形成では頻繁に制限される。単結晶部品での結晶粒界のミスマッチは、形成されると、しばしば許容基準から外れるので、多くの単結晶部品が廃棄され、それにより製造コストが高まる。

当該技術分野では、プロセス及び／又は形成された部品の特性を改良した物品及び方法が望まれている。

米国特許出願公開第２０１３／０１２９５２２号明細書

一実施形態では、単結晶超合金部品は、約８０ｐｐｍを超えるホウ素（Ｂ）を含む組成を有するニッケル基超合金を含む。物品は、１以上の結晶粒界を有する実質的に単結晶のミクロ組織を含み、物品は、４０度の結晶粒界ミスマッチまで実質的に維持されるクリープ破断強度を有する。

別の実施形態では、単結晶超合金部品は、質量パーセントで、約５．７５％〜約６．２５％のクロム（Ｃｒ）、約７．０％〜約８．０％のコバルト（Ｃｏ）、約６．２％〜約６．７％のアルミニウム（Ａｌ）、最大約０．０４％のチタン（Ｔｉ）、約６．４％〜約６．８％のタンタル（Ｔａ）、約６．０％〜約６．５％のタングステン（Ｗ）、約１．３％〜約１．７％のモリブデン（Ｍｏ）、約０．０３％〜約０．１１％の炭素（Ｃ）、約０．００８％〜約０．０１３％のホウ素（Ｂ）、約０．１２％〜約０．１８％のハフニウム（Ｈｆ）、残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物を含む組成を有するニッケル基超合金を含む。物品は、一方向に凝固しており、１以上の結晶粒界を有する実質的に単結晶のミクロ組織を含み、物品は、４０度の結晶粒界ミスマッチまで実質的に維持されるクリープ破断強度を有する。

別の実施形態では、ニッケル基超合金組成物の単結晶鋳造品を形成するための方法は、冷却用プレート上に鋳型を配置する工程であり、鋳型が単結晶セレクタを含む、工程と、鋳型を熱源内に供給する工程と、溶融したニッケル基超合金組成物を鋳型内に供給する工程であり、溶融したニッケル基超合金組成物が、約８０ｐｐｍを超えるホウ素（Ｂ）を含む、工程と、溶融したニッケル基超合金組成物を冷却用プレートで冷却して、核生成した結晶粒を形成する工程と、鋳型を熱源内から取り出すことにより一方向温度勾配を形成する工程とを含む。一方向温度は、核生成した結晶粒からの柱状粒子の成長を生じさせ、柱状粒子の１つのみが単結晶セレクタを鋳型の本体部分へと通過して単結晶鋳造品を形成する。単結晶鋳造品は、１以上の結晶粒界を有する実質的に単結晶のミクロ組織を含み、鋳造品は、４０度の結晶粒界ミスマッチまで実質的に維持されるクリープ破断強度を有する。

本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を例として示す添付図面と併せて、以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。

本開示のある実施形態によるタービンバケットの斜視図を示している。

可能である場合、同じ部品を表すために図面を通じて同じ参照数字を用いている。

物品及び物品を形成するための方法が提供される。本開示の実施形態は、本明細書に開示する特徴の１つ又は複数を用いない方法及び物品と比べて、結晶粒界の許容基準を高め、製造コストを低くし、鋳造プロセスの収率を高め、結晶粒界強度を高め、結晶粒界に関連する寿命上の欠点（ｌｉｆｅｄｅｂｉｔ）を減少させ、又はそれらの組合せを行う。

本発明の各種の実施形態の要素を導入するときに、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」及び「前記（ｓａｉｄ）」は、その要素の１つ又は複数の存在を意味することを意図している。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包含されることを意図しており、列挙した要素以外の追加要素が存在し得ることを意図している。

一実施形態では、物品は、非限定的に、ガスタービン又は航空機エンジンの高温ガス流路部品等、実質的に単結晶の物品を含む。別の実施形態では、高温ガス部品は、少なくとも約２０００°Ｆの温度に晒される任意の部品を含む。さらなる実施形態では、実質的に単結晶の物品は、単結晶プロセスにより形成される。例えば、図１を参照すると、１つの適した物品には、タービンバケット又はブレード１００が含まれる。タービンバケット１００は、翼形部１０１、プラットフォーム部分１０３、及び脚部分１０５を含む。適した他の物品には、非限定的に、ベーン、ノズル、シール、固定シュラウド、他の回転用機器、又はそれらの組合せが含まれる。

当業者により理解されるように、真の「単結晶物品」は、物品全体で単一の結晶度をもたらす単一結晶粒から形成される。単一結晶粒は、結晶粒界、すなわち、結晶配向差又はミスマッチを有する隣り合う結晶粒間の非配向構造領域を有しない。本明細書では、「実質的に単結晶の物品」及び「実質的に単結晶のミクロ組織」は、少なくとも一部分が単結晶であり、一部分が結晶粒界を含み得る、物品及びミクロ組織を含む。加えて、用語「双結晶物品」及び「実質的に単結晶の物品」は、少なくとも一部分が単結晶である物品に対して殆ど同じ意味で用いられ得る。結晶粒界は、粒界角のミスマッチとも称され、存在するときには、低角粒界（ＬＡＢ）及び／又は高角粒界（ＨＡＢ）を含む。低角粒界は、一般的に、最大約１０度の結晶配向差又はミスマッチを有する隣り合う結晶粒間の粒界を含む一方で、高角粒界は、約１０度を超える結晶配向差又はミスマッチを有する隣り合う結晶粒間の粒界を含む。低角粒界と高角粒界の区分は、個人間及び組織間で変動し得るが、そのような区分の変動は、本開示により企図されていることを理解されたい。

単結晶プロセスは、非限定的に、溶融した超合金を冷却用プレート上に据え付けられた鋳型内に供給することと、鋳型を熱源内から取り出すこととを含む。鋳型内への溶融した超合金の供給は、例えば、溶融した超合金を鋳型内に注ぐこと、溶融した超合金を熱源内で加熱すること、又はそれらの組合せを含む。鋳型は、スタータブロック、単結晶セレクタ、及び単結晶物品の形状に対応する本体部分を含む。一実施形態では、スタータブロックは、非限定的に、冷却用プレート上に配置された、又は冷却用プレートに隣接する柱状スタータブロックを含む。冷却用プレートは、溶融した超合金をスタータブロック内で冷却し、かつ核生成した結晶粒を冷却用プレートの隣で形成する低い温度をもたらす。熱源内からの鋳型の取出しは、溶融した超合金を鋳型内で放射冷却させ、放射冷却は、冷却用プレートに隣接する核生成した結晶粒からの柱状粒子の成長を生じさせる一方向温度勾配をもたらす。別の実施形態では、単結晶セレクタは、非限定的に、スタータブロックと本体部分の間に配置された螺旋状結晶粒セレクタを含む。柱状粒子は、鋳型が取り出されるときに結晶粒セレクタの底部に進入し、単一結晶粒は、結晶粒セレクタの頂部から出現する。結晶粒セレクタの頂部から出現する単一結晶粒は、鋳型の本体部分を満たして単結晶物品を形成する。

さらなる実施形態では、プロセスは、単結晶物品を形成するのに適した任意の金属温度を含む。例えば、適した金属温度には、非限定的に、約１４５０〜約１７００℃、約１５００〜約１７００℃、約１５００〜約１６５０℃、約１５００〜約１６００℃、約１５２５〜１５７５℃、又は、それらの任意の組合せ、部分的組合せ、範囲、もしくは部分的範囲が含まれる。別の例では、適した温度には、柱状粒子化成長プロセスの温度を約２５〜約２００℃超える鋳型温度、柱状粒子化成長プロセスの温度を約２５〜約１５０℃超える鋳型温度、柱状粒子化成長プロセスの温度を約１５〜約１００℃超える鋳型温度、又は、それらの任意の組合せ、部分的組合せ、範囲もしくは、部分的範囲が含まれる。プロセスの高められた温度は、柱状粒子化成長プロセスと比べて、溶融した超合金の供給中の偽の結晶粒の核形成を低減又は排除する。

実質的に単結晶の物品は、例えばニッケル基超合金等の超合金を含む。実質的に単結晶の物品の超合金は、現行の単結晶物品と比べて増加した量のホウ素（Ｂ）を含み、最大５０ｐｐｍのＢを有する。増加した量のＢには、非限定的に、少なくとも約８０ｐｐｍのＢ、少なくとも約９０ｐｐｍのＢ、少なくとも約１００ｐｐｍのＢ、約８０ｐｐｍ〜約１３０ｐｐｍのＢ、約８０ｐｐｍ〜約１００ｐｐｍのＢ、又は、それらの任意の組合せ、部分的組合せ、範囲もしくは部分的範囲が含まれる。例えば、実質的に単結晶の一物品の超合金は、質量パーセントで、約５．７５％〜約６．２５％のクロム（Ｃｒ）、約７．０％〜約８．０％のコバルト（Ｃｏ）、約６．２％〜約６．７％のアルミニウム（Ａｌ）、最大約０．０４％のチタン（Ｔｉ）、約６．４％〜約６．８％のタンタル（Ｔａ）、約６．０％〜約６．５％のタングステン（Ｗ）、約１．３％〜約１．７％のモリブデン（Ｍｏ）、約０．０３％〜約０．１１％の炭素（Ｃ）、約０．００８％〜約０．０１３％のホウ素（Ｂ）、約０．１２％〜約０．１８％のハフニウム（Ｈｆ）、残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物を含む組成物を含む。

別の例では、超合金は、質量パーセントで、約９．５％〜約１０．０％のクロム（Ｃｒ）、約７．０％〜約８．０％のコバルト（Ｃｏ）、約４．１％〜約４．３％のアルミニウム（Ａｌ）、約３．３５％〜約３．６５％のチタン（Ｔｉ）、約５．７５％〜約６．２５％のタングステン（Ｗ）、約１．３％〜約１．７％のモリブデン（Ｍｏ）、約４．６％〜約５．０％のタンタル（Ｔａ）、約０．０３％〜約０．１１％の炭素（Ｃ）、約０．００８％〜約０．０１３％のホウ素（Ｂ）、約０．４％〜約０．６％のニオブ（Ｎｂ）、約０．１％〜約０．２％のハフニウム（Ｈｆ）、残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物を含む組成物を含む。

増加した量のホウ素は、実質的に単結晶の物品の破断特性を向上させる。破断特性の向上には、非限定的に、結晶粒界強度を高めること、クリープ破断強度を高めること、粒界角のミスマッチに関連する寿命上の欠点を低減又は排除すること、又はそれらの組合せが含まれる。一実施形態では、向上した破断特性は、実質的に単結晶の物品の許容基準を高める。増加した量のホウ素により向上した破断特性は、高角粒界に対する実質的に単結晶の物品の許容値を高めることにより許容基準を高める。例えば、増加した量のホウ素を有する実質的に単結晶の物品は、ミスマッチ角が増加するときの破断抵抗性（すなわち、結晶粒界強度及び／又はクリープ破断強度）を維持し、又は実質的に維持する、実質的に単結晶のミクロ組織を含む。

一実施形態では、増加した量のホウ素を含む実質的に単結晶の物品の実質的に単結晶のミクロ組織は、最大約４０度の結晶粒界のミスマッチを有するクリープ破断強度を維持し、又は実質的に維持する。９０ｐｐｍのホウ素を含む双結晶物品のクリープ破断強度は、最大４０度のミスマッチで維持され、それによりミスマッチ角の増加による寿命上の欠点の低減又は排除を証明する。対照的に、ホウ素を有しない双結晶物品のクリープ破断強度は、ミスマッチ角の増加により低くなり、それにより寿命上の欠点の増加を証明する。最大約４０度のミスマッチ角の許容基準は、例えば、３０〜５０ｐｐｍのホウ素を有するタービンバケットにおける、翼形部での結晶粒界の１２度のミスマッチ、その他での１８度までのミスマッチを含む、現行の許容基準に対して著しい増加である。

増加した量のホウ素によるミスマッチ角の許容基準の増加は、最大４０度の結晶粒界のミスマッチを有する実質的に単結晶の物品の廃棄を低減又は排除することによって、実質的に単結晶の物品の収率を向上させる。実質的に単結晶の物品の向上した収率は、効率を高め、及び／又は製造コストを低くする。

本発明を１つ又は複数の実施形態を参照して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱せずに、各種の変更を施してもよいこと、及びその要素を等価物に置換してもよいことが当業者により理解されるであろう。加えて、特定の状況又は材料を本発明の教示に適応させるために、本発明の本質的な範囲から逸脱せずに多くの修正を施してもよい。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲に属する全ての実施形態を含むが、この発明を実施するための企図されるベストモードとして開示する特定の実施形態に限定されないことを意図している。

１００タービンバケット又はブレード
１０１翼形部
１０３プラットフォーム部分
１０５脚部分

Claims

単結晶超合金部品であって、
約８０ｐｐｍを超えるホウ素（Ｂ）を含む組成を有するニッケル基超合金を含み、
物品が、１以上の結晶粒界を有する実質的に単結晶のミクロ組織を含み、物品が、４０度の結晶粒界ミスマッチまで実質的に維持されるクリープ破断強度を有する、物品。
約８０ｐｐｍ〜約１３０ｐｐｍのホウ素（Ｂ）をさらに含む、請求項１記載の物品。
約８０ｐｐｍ〜約１００ｐｐｍのホウ素（Ｂ）をさらに含む、請求項１記載の物品。
組成物が、質量パーセントで、
約５．７５％〜約６．２５％のクロム（Ｃｒ）、
約７．０％〜約８．０％のコバルト（Ｃｏ）、
約６．２％〜約６．７％のアルミニウム（Ａｌ）、
最大約０．０４％のチタン（Ｔｉ）、
約６．４％〜約６．８％のタンタル（Ｔａ）、
約６．０％〜約６．５％のタングステン（Ｗ）、
約１．３％〜約１．７％のモリブデン（Ｍｏ）、
約０．０３％〜約０．１１％の炭素（Ｃ）、
約０．００８％〜約０．０１３％のホウ素（Ｂ）、
約０．１２％〜約０．１８％のハフニウム（Ｈｆ）、
残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物を含む、請求項１記載の物品。
組成物が、質量パーセントで、
約９．５％〜約１０．０％のクロム（Ｃｒ）、
約７．０％〜約８．０％のコバルト（Ｃｏ）、
約４．１％〜約４．３％のアルミニウム（Ａｌ）、
約３．３５％〜約３．６５％のチタン（Ｔｉ）、
約５．７５％〜約６．２５％のタングステン（Ｗ）、
約１．３％〜約１．７％のモリブデン（Ｍｏ）、
約４．６％〜約５．０％のタンタル（Ｔａ）、
約０．０３％〜約０．１１％の炭素（Ｃ）、
約０．００８％〜約０．０１３％のホウ素（Ｂ）、
約０．４％〜約０．６％のニオブ（Ｎｂ）、
約０．１％〜約０．２％のハフニウム（Ｈｆ）、
残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物を含む、請求項１記載の物品。
物品が、ガスタービン又は航空機エンジンの高温ガス流路部品（１００）であり、高温ガス流路部品（１００）が、少なくとも約２０００°Ｆの温度に晒される、請求項１記載の物品。
高温ガス流路部品（１００）が、ブレード、ベーン、ノズル、シール及び固定シュラウドからなる群から選択される、請求項６記載の物品。
最大４０度のミスマッチ角の許容基準をさらに含む、請求項１記載の物品。
最大１０度のミスマッチを含む低角粒界をさらに含む、請求項８記載の物品。
１０度を超えるミスマッチを含む高角粒界をさらに含む、請求項８記載の物品。
物品が一方向に凝固している、請求項１記載の物品。
単結晶超合金部品であって、
質量パーセントで、
約５．７５％〜約６．２５％のクロム（Ｃｒ）、
約７．０％〜約８．０％のコバルト（Ｃｏ）、
約６．２％〜約６．７％のアルミニウム（Ａｌ）、
最大約０．０４％のチタン（Ｔｉ）、
約６．４％〜約６．８％のタンタル（Ｔａ）、
約６．０％〜約６．５％のタングステン（Ｗ）、
約１．３％〜約１．７％のモリブデン（Ｍｏ）、
約０．０３％〜約０．１１％の炭素（Ｃ）、
約０．００８％〜約０．０１３％のホウ素（Ｂ）、
約０．１２％〜約０．１８％のハフニウム（Ｈｆ）、
残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物を含む組成を有するニッケル基超合金を含み、
物品が一方向に凝固しており、
物品が、１以上の結晶粒界を含む実質的に単結晶のミクロ組織を含み、物品が、４０度の結晶粒界ミスマッチまで実質的に維持されるクリープ破断強度を有する、物品。
ニッケル基超合金組成物の単結晶鋳造品を形成するための方法であって、
鋳型を冷却用プレート上に配置する工程であり、鋳型が単結晶セレクタを含む、工程と、
鋳型を熱源内に供給する工程と、
溶融したニッケル基超合金組成物を鋳型内に供給する工程であり、溶融したニッケル基超合金組成物が、約８０ｐｐｍを超えるホウ素（Ｂ）を含む、工程と、
溶融したニッケル基超合金組成物を冷却用プレートで冷却して、核生成した結晶粒を形成する工程と、
鋳型を熱源内から取り出すことにより一方向温度勾配を形成する工程とを含み、
一方向温度が、核生成した結晶粒からの柱状粒子の成長を生じさせ、柱状粒子の１つのみが単結晶セレクタを鋳型の本体部分へと通過して、単結晶鋳造品を形成し、
単結晶鋳造品が、１以上の結晶粒界を有する実質的に単結晶のミクロ組織を含み、鋳造品が、４０度の結晶粒界ミスマッチまで実質的に維持されるクリープ破断強度を有する、方法。
約１００ｐｐｍを超えるホウ素（Ｂ）をさらに含む、請求項１３記載の方法。
鋳型が、冷却用プレートと単結晶セレクタの間にあるスタータブロックをさらに含む、請求項１３記載の方法。
スタータブロックが柱状スタータブロックを含む、請求項１５記載の方法。
単結晶セレクタが螺旋状単結晶セレクタをさらに含む、請求項１３記載の方法。
単結晶鋳造品が、ガスタービン又は航空機エンジンの高温ガス流路部品（１００）を備え、高温ガス流路部品（１００）が、ブレード、ベーン、ノズル、シール、及び固定シュラウドからなる群から選択される、請求項１３記載の方法。
４０度の結晶粒界ミスマッチまで実質的に維持されるクリープ破断強度が、単結晶鋳造品の収率を高める、請求項１３記載の方法。
鋳型を約１５００〜約１７００℃の温度まで加熱することをさらに含む、請求項１３記載の方法。