JP2017518184A - 複数の結晶粒組織を有し、高応力環境で使用するための物品 - Google Patents

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Abstract

物品を形成する方法は、金属温度を有する溶融金属を形成するために金属を加熱するステップと、鋳型を金属温度以上の鋳型温度に加熱するステップと、鋳型へ溶融金属を導入するステップと、溶融金属の第１の部分を、溶融金属の第２の部分を金属温度に維持しつつ、冷却するステップであって、第１の部分は、第１の側面及び第２の側面を有し、第２の側面は、第１の側面の反対側にあって、第２の部分に隣接し、冷却するステップは、凝固界面が第１の側面から第２の側面まで進行するように、第１の部分を第１の側面から第２の側面まで漸進的に冷却するステップを含む、ステップと、第１の部分が結晶化温度以下に冷却された後に、溶融金属の残部を複数の方向から冷却するステップとを含むことができる。【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題は、高応力環境で使用するための物品及びその製造方法に関する。より具体的には、本主題は、タービンの高温部で使用する物品の耐久性を向上させることに関する。
高温環境に曝される物品は、物品内の局所的な応力による応力亀裂を受ける可能性がある。この局所的な応力は、異なる膨張率につながる可能性がある材料内の温度勾配によって生じることがある。材料の一部がより急速に膨張する場合があり、隣接する領域に張力を生じさせる可能性がある。応力亀裂は、緩和させない場合には、物品を通して伝播し、クリープ及び熱疲労などの物品の故障を引き起こすおそれがある。
亀裂が生じた物品を溶接することにより、一時的な修理を行うことができる。このような修理により、物品を、ある期間、業務運転に復帰させることができる。しかし、この種の修理は破壊的であるおそれがあり、かつ高価であり得る。例えば、発電ガスタービンの修理は、タービンを強制的にオフラインにする場合があり、或いはジェットエンジンの修理は、修理を行う間、航空機を強制的に地上にとめておく場合がある。結果として、製造業者は、応力により生じる亀裂の頻度を低減し、修理と修理との間の時間を長くすることができる、より長く持続する部品を所望する。
応力亀裂の可能性を低減するために、これらの製品の製造に超合金を使用することができる。これらの材料は、他の金属合金に比べて優れた機械的性質を提供することができる。しかし、これらの材料であっても応力により生じる亀裂を受ける可能性があり、定期的な修理を必要とする場合がある。これらの高強度合金は、溶接性に劣り、溶接による修理が困難である場合があり、したがって部品が修理不可能になるおそれがある。このように、修理せずに長い期間にわたって動作することができる、又は溶接することができる、高応力環境における耐久性が向上した物品に対する技術上の必要性がある。
欧州特許出願公開第２７２７６６９号明細書
本発明の一態様によれば、物品を形成する方法は、金属温度を有する溶融金属を形成するために金属を加熱するステップと、鋳型を金属温度以上の鋳型温度に加熱するステップと、鋳型へ溶融金属を導入するステップと、溶融金属の第１の部分を、溶融金属の第２の部分を金属温度に維持しつつ、冷却するステップであって、第１の部分は、第１の側面及び第２の側面を有し、第２の側面は、第１の側面の反対側にあって、第２の部分に隣接し、冷却するステップは、凝固界面が第１の側面から第２の側面まで進行するように、第１の部分を第１の側面から第２の側面まで漸進的に冷却するステップを含む、ステップと、第１の部分が結晶化温度以下に冷却された後に、溶融金属の残部を複数の方向から冷却するステップとを含むことができる。
本発明の別の態様によれば、タービン用部品は、基壁及び取り付け部を有する基部であって、取り付け部は、タービン部品の機械的取り付けのために構成された、基部と、基壁から延在する翼形部とを含むことができ、部品は、基部及び翼形部の第１のセクションを含む第１の部分と、翼形部の第２のセクションを含む第２の部分とを含み、第１の部分は、方向性凝固結晶粒を有する金属を含み、第２の部分は、等軸性結晶粒を有する金属を含み、方向性凝固結晶粒の最長寸法は、部品が使用されている場合に予想される引張応力に平行に延びる。
これらの及び他の利点並びに特徴は、図面と合わせて以下の説明からさらに明らかになろう。
本発明とみなされる発明の主題は、本明細書の最後の特許請求の範囲において特に示され、明確に請求される。本発明の上述した及び他の特徴並びに利点は、添付した図面と合わせて以下の詳細な説明から明らかである。
鋳造されている金属部品の断面を示す図である。 方向性凝固（ＤＳ）結晶粒を有する鋳造されている金属部品の断面を示す図である。 混成結晶粒組織を有する鋳型内の金属部品の断面を示す図である。 ２つの壁部の間に固定された翼形部を有する、タービンに使用される金属部品を示す図である。
詳細な説明では、例として図面を参照しながら、本発明の実施形態を利点及び特徴と共に説明する。
タービン部品は、翼形部を有するブレード及び／又はベーンを含むことができる。タービン部品は、高温流体の流れに曝され得る。この流れは、タービン部品のいくつかの領域に高い熱応力を発生させ、この熱応力は、少なくとも部分的に、部品の表面に沿って流れる高温流体によって部品に生じる熱勾配に起因する。タービン部品は、中空部分、空洞、又は通路を含む場合があるので、部品内の温度勾配を低減する様々な方法を用いて冷却することができ、それによって部品内の内部応力の大きさを低減することができる。このような冷却方法は、内部冷却方法（例えば、対流冷却及び衝突冷却など）又は外部冷却方法（例えばフィルム冷却、滲出冷却、吹出冷却及びピンフィン冷却など）を含むことができる。
タービン部品は、金属合金などの金属から鋳造することができる。これらの部品の耐久性を向上させるために、超合金を使用することができる。固相金属及び金属合金は、微視的結晶組織を有することができる。これらの微視的結晶は、結晶粒とも呼ばれ、固体金属の体積内のミクロ組織を形成することができる。これらの結晶粒組織は、引張強度、極限強度、硬度及び延性などを含む構造的特性などの特定の特性を金属に付与する。本明細書では、部品の異なる領域に２つ以上の異なる結晶粒組織などの混成結晶粒組織を有する金属タービン部品及びこれらの構造を形成する方法が開示される。
タービン部品を製造する際には、例えば鋳造工程で、金属を選択した部品形状に成形することができる。このような工程では、溶融温度、例えば金属を溶融して均質な金属混合物を形成するのに十分な温度に金属を加熱することができ、均質な金属混合物は単相ミクロ組織を有する。例えば、均質な金属混合物では、組成を均一にすることができる。溶融温度は、鋳造用に選択した金属の組成に応じて変化することがあり得る。溶融温度は、金属合金の金属成分の溶融温度よりも高くすることができるので、金属は均質な混合物を形成することができる。溶融温度は、２３００°Ｆ（１２６０℃）以上、例えば、２５００°Ｆ（１３７１℃）〜３０００°Ｆ（１６４９℃）、又は、２６００°Ｆ（１４２７℃）〜２８００°Ｆ（１５３８℃）とすることができる。
鋳型を溶融温度以上の温度に加熱することができるので、溶融金属が固化せずに鋳型空洞に流入して充填することができる。鋳型を炉内又は他の適切な熱源内に配置することにより、鋳型を加熱することができる。炉は、鋳型の温度を溶融温度以上に維持することができる。任意選択的に、鋳型は、付加的な加熱を提供するための及び／又は鋳型表面の一部に沿って温度を制御するための電気加熱要素を含むことができる。
鋳型の表面は、溶融金属の隣接する体積を凝固させるために冷却することができる。溶融金属の一部がこの冷却表面に沿って冷却される間、溶融金属の残部の温度は溶融温度より高く維持することができる。このようにして、溶融金属中に温度勾配を確立することができる。温度勾配は、溶融金属の単一の直線寸法に沿って確立することができる。この勾配は、鋳型の寸法に沿った鋳型の空洞表面の温度及び冷却表面の温度を制御することによって維持することができる。溶融金属から熱エネルギーが流れ出る方向は、確立された温度勾配によって制御することができる。金属から出る熱流束が平面を通るように、冷却表面に隣接する平面に沿って熱エネルギーを除去することができる。
溶融金属の体積が固化温度より低い温度に冷却されると、冷却表面に隣接する凝固した金属の層を形成することができる。凝固した金属は、凝固した層に隣接する溶融金属から熱を除去する熱伝導体として作用し、冷却表面と凝固界面（例えば溶融相及び固化相の両方が当接する表面）との間の距離を架橋することができる。このようにして、凝固界面は、冷却表面から鋳型の空洞体積の中を段階的に移動することができる。冷却過程中の熱エネルギーの流れを制御することにより、方向性凝固（ＤＳ）結晶粒組織を凝固した金属中に確立することができる。このような結晶粒組織は、協調した配向を含む互いに隣接する金属結晶、すなわち結晶粒を有することができる。これらの結晶粒は、共通の軸方向寸法（例えば、最長寸法）を共有することができるので、各結晶粒の最長寸法は共通軸線に平行に延びている。これらのＤＳ結晶粒の軸方向寸法の方向は、冷却中に熱エネルギーが抽出される平面に対して垂直とすることができる。ＤＳ結晶粒の軸方向寸法の方向は、金属の表面から熱が取り除かれる方向と平行にすることができる。
凝固する際に金属から熱エネルギーが取り除かれる方向を維持することによって、例えば、選択された温度勾配を維持することによって、ＤＳ結晶粒が寸法に沿って成長することができる。鋳型空洞内の金属全体の温度は、炉などの熱源から金属に流入するエネルギーの量と、チルプレートなどの冷却表面から取り除かれるエネルギーの量とを制御することによって制御することができる。金属の冷却速度は、冷却表面から取り除かれるエネルギーの量を調整することによって制御することができる。エネルギーを取り除く速度を制御することにより、溶融金属を冷却表面から段階的に、例えば、漸進的に冷却することができる。エネルギーを取り除く具体的な速度は、部品設計、肉厚及び材料などの特定の部品に基づいて容易に決定される。
金属鋳造の冷却速度を制御することにより、強化された構造的特性を部品に付与することができる。しかし、このような処理は時間がかかり、鋳造部品の処理時間が延びることがあり得る。選択した領域（単数又は複数）の鋳造金属部品にＤＳミクロ組織を形成することにより、鋳造部品が全体にわたってＤＳミクロ組織を有するように形成された場合と比較して、処理時間を短縮することができる。このようにして、部品が所望の構造的特性を有することができ、処理時間を短縮しつつ、より優れた構造的完全性が部品の高応力領域に設けられる。
漸進的な冷却によって、冷却表面に対して垂直な軸を有する方向性凝固結晶粒の形成が可能になる。隣接する金属が冷却されて固体ＤＳ結晶粒となるにつれて、凝固界面が冷却表面から温度勾配の次元に沿って移動することができる。金属の一部（例えば、ある体積）が冷却されると、鋳型を熱源から取り除くことができ、残りの溶融金属を冷却表面からだけでなく複数の表面に沿って冷却することができる。このようにして、残りの金属は、ＤＳ結晶粒組織を形成するために冷却される金属の部分と比較して、急速に冷却することができる。このような冷却は、エネルギーが鋳型空洞の複数の表面を通して引き抜かれるので、残った金属中に等軸性結晶粒を形成することができる。この等軸部分における金属結晶粒成長は、複数の方向に、複数の次元に沿って生じる。
ＤＳ結晶粒を有する（例えば、ＤＳ結晶粒組織を有する）ように製造される金属部品の部分は、金属部品の任意の部分であるように選択することができる。ＤＳ結晶粒を有するように形成された部品の部分は、このようにして、部品の全体積の６０％まで、例えば１０％〜５０％、又は２５％〜５０％を含むことができる。
ＤＳ結晶粒を形成するように冷却された金属部品の体積は、部品が使用される場合に最も高い応力を受ける部品の部分を含むように選択することができる。最も高い応力を受ける部品の部分は、経験的又は解析的に決定することができる。これらの応力は、少なくとも部分的に、部品の表面に当たるガス温度と、タービン軸の周りの回転に起因して部品に作用する遠心力と、の結果として生じる可能性がある。例えば、外側壁部に隣接する翼形部の一部、又は外側シュラウドは、最も高い応力を有することがあり得る。したがって、外側シュラウド及び翼形部の隣接する一部は、この領域の部品の耐久性を高めるためにＤＳ結晶粒組織を有するように形成することができる。ＤＳ結晶粒は、結晶粒の最長寸法が部品の使用時に予想される引張荷重と平行になるように配向することができる。ＤＳ結晶粒は、結晶粒の最長寸法が翼形部の長さＬ（添付図面ではｌ軸方向に延びる）と平行になるように配向することができる。ＤＳ結晶粒の配向は、部品の引張強度が部品の使用時（すなわちタービンの動作時）に部品に働く引張応力を超えることができるように、部品に対して引張強度の向上に寄与することができる。
ＤＳ結晶粒組織は、部品の選択した体積に形成することができる。例えば、鋳型の冷却表面は、翼形部の前縁の表面に平行な方向に沿った溶融金属からの熱流束を制御することができる。ＤＳ結晶粒組織（例えば、図４の線８４の左側の領域）は、矢印８２の方向に熱を抜き取ることなどにより、前縁の表面に垂直に、前縁からある深さまで形成することができる（図４の深さＤを参照）。ＤＳ結晶粒を含む部品の選択した体積は、経験的又は解析的に決定された部品の高応力領域を含むことができる。
図１は、鋳型１４内で鋳造されている金属部品１０の断面を示す。金属２は、炉６内の坩堝などのホルダ４内に保持することができる。炉６は、金属２を溶融させるための及び／又は鋳型１４を加熱するための熱エネルギー８を供給することができる。炉６の熱エネルギー８は、金属２を均質な溶融状態２０（波線で示す）に維持するために使用することができる。一旦溶融すると、金属２は、例えば重力により流れて、通路２２及び鋳型入口２４を経由して鋳型空洞１２に導入することができる。金属２を鋳型空洞１２に導入するために、任意の好適な方法、例えば圧力で補助されたポンピング及び／又は真空で補助されたプリングを用いることができる。鋳型は、金属２により所望の体積まで充填することができる。冷却流体は、冷却プレート３０に導入することができる。冷却プレート３０は、冷却表面３２を提供することができる。冷却表面は、金属２から熱エネルギーを抽出する熱流束３４を生成することができる。冷却表面３２は、単一次元に沿って、例えばｌ軸次元に沿って金属２から熱エネルギーを抽出することができる。
図２は、方向性凝固（ＤＳ）結晶粒４２（ｌ軸次元に平行な直線で示す）を有する鋳造されている金属部品１０の断面を示す。ＤＳ結晶粒４２は、冷却プレート３０から冷却表面３２に直交する方向に、冷却表面３２を通る熱流束３４の方向と反対方向に成長することができる。ＤＳ結晶粒４２の軸方向寸法（例えば、最長寸法）は、金属のＤＳ部分全体にわたって協調された配向を有することができるので、結晶粒の軸は、冷却表面３２に直交する共通の軸線（例えば、ｌ軸）と平行に延びている。残部を炉６で加熱するなどして、金属２の残部を均質な溶融相２０に維持しつつ、ＤＳ結晶粒４２を形成することができる。これによって、溶融金属が凝固した金属相に当接する凝固界面３８を確立することができる。凝固界面３８は、冷却表面３２を通る熱流束３４の反対方向に冷却表面３２から段階的に進行することができる。例えば、隣接するＤＳ結晶粒４２が微視的層の凝固界面３８に沿って段階的に形成されるにつれて、鋳型１４を方向５０に沿って炉から漸進的に引き出すことができる。このようにして、凝固界面３８が熱流束３４と反対方向に進むように、別の部分をＤＳ結晶粒４２に固化しつつ、金属の一部を溶融均質相２０（波線で示す）のままにしておくことができる。
図３は、金属２の凝固が完了した後の、混成結晶粒組織を有する鋳型１４内の金属部品１０の断面を示す。金属部品１０は、基部２６及び翼形部７０を含むことができる。基部２６は、シュラウド、シャフト、隣接する部品の基部及びプラットフォームなどのタービン部品に機械的に取り付けるように構成することができる。このような取り付けは、非恒久的なものとすることができるので、金属部品１０を取り外して（例えば、タービン外部から）修理し、或いは周囲の部品を損傷することなく交換することができる。
金属部品１０は、冷却プレート３０の冷却表面３２によって生じる第１の次元（ｌ軸次元）に沿った熱流束３４により、最初に冷却することができる。熱流束３４は、冷却表面３２を通る熱流束３４に平行な単一方向に金属２から熱エネルギーを取り除くことができる。鋳型１４内の均質な溶融金属２０の残部は、温度勾配がｌ軸次元に確立され得るように、金属２の溶融温度以上の温度に維持することができる。凝固界面３８が所定の位置（例えば、冷却表面３２からある距離）まで進むと、ＤＳ結晶粒４２の形成を停止させるために、鋳型１４を炉６から取り除くことができる。凝固界面３８は、冷却表面３２に当接する第１の側面５５から第２の側面５７まで進行して、ＤＳ結晶粒４２を有する第１の部分５６を画成することができる。第１の部分５６は、翼形部７０の第１のセクション７６を含むことができる。
ＤＳ結晶粒４２を有する第１の部分５６が凝固したら、鋳型１４内の均質な溶融金属２０の残部を冷却することができる。第１の部分５６が形成された後に、均質な溶融金属２０の残部によって第２の部分５８を画成することができる。第２の部分５８は、翼形部７０の第２のセクション７８を含むことができる。第２のセクション７８は、複数の表面を通る複数の方向の複数の熱流束３６によって冷却することができる。単一の温度勾配が維持されない、この種の冷却においては、均質な溶融金属２０は、個々の結晶粒の軸方向が協調された配向を有するように形成されない、或いは共通の軸に平行になるように形成されない等軸性結晶粒４４（クロスハッチング線で示す）を有するように凝固することができる。等軸性結晶粒４４を形成する際の冷却速度は、ＤＳ結晶粒４２を形成する際よりも高速にすることができる。等軸性結晶粒４４を形成する際の冷却速度は、鋳型１４を通して及び／又は鋳型１４の表面に沿って冷却流体を圧入することによって、速くすることができる。等軸性結晶粒４４を形成する際には、金属２を、空気、オイル及び水などの任意の適切な急冷剤で急冷することができる。
図４は、内側壁部６２及び外側壁部６４に固定された翼形部７０を有する、タービンに使用される金属部品６０を示す。翼形部は、内側壁部６２からｌ軸次元に延びる長さＬ、前縁７２及び後縁７４を有することができる。金属部品６０は、高応力領域８０を有することができる。高応力領域８０は、外側壁部６４に隣接する前縁７２の領域にあってもよい。金属部品６０は、第１の側面５５及び第２の側面５７を有する第１の部分５６がＤＳ結晶粒４２を含み、かつ、第２の部分５８が等軸性結晶粒４４を含む混成結晶粒組織を有するように、鋳造することができる。第１の側面５５は、第２の側面５７の反対側にあってもよい。第１の部分５６は、高応力領域８０を含むことができる。第１の部分５６は、翼形部７０の第１のセクション及び外側壁部６４を含むことができる。第２の部分５８は、翼形部７０の第２のセクション及び内側壁部６２を含むことができる。第１の部分５６の第２の側面５７は、第２の部分５８に隣接することができる。金属部品６０が複数の方向に冷却される直前の凝固界面３８の位置は、ＤＳ結晶粒４２を有する部品の部分と等軸性結晶粒４４を有する金属部品６０の部分との間の境界を決定することができる。部品が混成結晶粒組織を有する場合である。
鋳造された部品は、中空部分を含むことができる。中空部分は、動作中に部品を冷却するために冷却流体が部品を通過することを可能にすることができる。中空部分は、部品の質量を低減することができる。
タービン用部品は、翼形部及び基部を有するタービンブレードを含むことができる。タービン用部品は、中央翼形部及び２つのシュラウド部（例えば、内側シュラウド、もしくは基部及び外側シュラウド）を有するベーンを含むことができる。内側シュラウドは、タービンブレードの基部に相当するとみなすことができる。基部は、部品をタービンの構成要素に固定するための機械的取り付け部を含むことができ、部品と構成要素とが機械的に連係される。部品の基部は、シュラウド、シャフト、隣接する部品の基部及びプラットフォームなどを含むことができるタービン構成要素に取り付けることができる。
タービン部品は、高応力環境に曝される可能性がある。高い応力は、少なくとも部分的には、部品の表面に沿って流れて、部品内に温度勾配を生成する高温流体の結果であり得る。したがって、温度勾配によって部品内に高い内部応力が生じる可能性があり、それによって部品の表面に応力亀裂が生じるおそれがある。
金属合金は、任意の金属及び／又はメタロイドを含むことができる。金属合金は、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、レニウム（Ｒｅ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）及びジルコニウム（Ｚｒ）、並びに上記のうちの少なくとも１つを含む組合せ、例えばニッケル基超合金（例えば、Ｎｉ、Ｃｒ及びＣｏを含む合金、或いはＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｂ、Ｚｒを含む合金）などを含むことができる。金属合金のいくつかの例としては、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ、Ｉｎｃｏｎｅｌ合金（「ＩＮ」）、Ｗａｓｐａｌｏｙ、Ｒｅｎｅ合金、例えばＧＴＤ１１１、ＧＴＤ２２２、ＧＴＤ２６２、Ｍａｒ Ｍ２４７、ＩＮ７３８、Ｒｅｎｅ８０、ＩＮ９３９、Ｒｅｎｅ Ｎ２、Ｒｅｎｅ１０８、ＩＮ７０６、Ｎｉｍｏｎｉｃ２６３など、或いは上記のうちの少なくとも１つを含む組合せを挙げることができる。合金中のこれらの元素の組成は、大幅に変化してもよい。例えば、金属合金の組成は、以下の重量パーセント（重量％）の範囲を有することができる。
Ａｌ：０重量％〜６．０重量％、例えば、０重量％超〜６．０重量％、又は０．５重量％〜４．５重量％；
Ｂ：０重量％〜０．０６重量％、例えば、０重量％超〜０．０６重量％、又は０．０１重量％〜０．０５重量％；
Ｃ：０重量％〜０．２重量％、例えば、０重量％超〜２．０重量％、又は０．０５重量％〜０．１５重量％；
Ｃｏ：０重量％〜２０重量％、例えば、０重量％超〜２０重量％、又は２．０重量％〜１８．０重量％；
Ｃｒ：５重量％〜２２．５重量％、又は８重量％〜１８重量％；
Ｈｆ：０重量％〜１．５重量％、例えば、０重量％超〜１．５重量％、又は０．１重量％〜１．０重量％；
Ｆｅ：０重量％−１９重量％、例えば、０重量％超〜１９重量％、又は５．０重量％〜１５．０重量％；
Ｎｉ：４０重量％〜８５重量％、例えば、４５重量％〜８０重量％、又は５０重量％〜８０重量％；
Ｎｂ：０重量％〜５重量％、例えば、０重量％超〜５．０重量％、又は１．０重量％〜４．０重量％；
Ｒｅ：０重量％〜３重量％、例えば、０重量％超〜３．０重量％、又は０．０５重量％〜２．５重量％；
Ｔａ：０重量％〜７．５重量％、例えば、０重量％超〜７．５重量％、又は１．０重量％〜６．５重量％；
Ｔｉ：０重量％〜５重量％、例えば、０重量％超〜５．０重量％、又は０．０５重量％〜４．０重量％；
Ｗ：０重量％〜１２．５重量％、例えば、０重量％超〜１２．５重量％、又は２．０重量％〜１０重量％；
Ｚｒ：０重量％〜０．１重量％、例えば、０重量％超〜０．１重量％、又は０．０５重量％〜０．１重量％である。
ＤＳ結晶粒組織を有する材料は、等軸性結晶粒組織と比較して増強されたクリープ歪み耐性を示すことができる。例えば、ＤＳ結晶粒組織を有する金属合金は、破壊前に等軸性結晶粒組織の１２倍までのクリープ歪みに耐えることができ、８５％長い間クリープ歪みに耐えることができる。
本願は、部品、例えば、翼形部及びブレードなどのタービン部品について多くの利点を提供する。部品が高い応力の領域にＤＳ結晶粒を含んでいるので、これらの領域が強化されている（例えば、等軸性結晶粒のみを有する部品と比較して）。結果的に、部品の材料選択肢が拡大され、所望の特性を達成しつつ、以前は所望の機械的特性を提供するには不十分であった、溶接可能な材料を用いることができる。
以下では、本明細書に開示された、物品を形成するための方法及び物品のいくつかの実施形態について説明する。
実施形態１：物品を形成する方法であって、金属温度を有する溶融金属を形成するために金属を加熱するステップと、鋳型を金属温度以上の鋳型温度に加熱するステップと、鋳型へ溶融金属を導入するステップと、溶融金属の第１の部分を、溶融金属の第２の部分を金属温度に維持しつつ、冷却するステップであって、第１の部分は、第１の側面及び第２の側面を有し、第２の側面は、第１の側面の反対側にあって、第２の部分に隣接し、冷却するステップは、凝固界面が第１の側面から第２の側面まで進行するように、第１の部分を第１の側面から第２の側面まで漸進的に冷却するステップを含む、ステップと、第１の部分が結晶化温度以下に冷却された後に、溶融金属の残部を複数の方向から冷却するステップとを含む。
実施形態２：実施形態１の方法であって、溶融金属の残部を冷却するステップは、すべての鋳型表面から溶融金属を冷却するステップをさらに含む。
実施形態３：実施形態１〜２のいずれかの方法であって、第１の部分の体積は、物品の全体積の２０％以上である。
実施形態４：実施形態１〜３のいずれかの方法であって、物品の高応力領域を決定するステップを含む。
実施形態５：実施形態４の方法であって、高応力領域は、第１の部分内にある。
実施形態６：実施形態１〜５のいずれかの方法で製造されたタービン用部品である。
実施形態７：タービン用部品であって、基壁及び取り付け部を有する基部と、基壁から延在する翼形部とを含み、部品は、基部及び翼形部の第１のセクションを含む第１の部分と、翼形部の第２のセクションを含む第２の部分とを含み、第１の部分は、方向性凝固結晶粒を有する金属を含み、第２の部分は、等軸性結晶粒を有する金属を含む。
実施形態８：実施形態７の部品であって、シュラウド壁を有するシュラウドを含み、翼形部は、基部とシュラウド壁との間に延在し、第２の部分は、シュラウドをさらに含む。
実施形態９：実施形態７〜８のいずれかの部品であって、第１の部分は、第１の部分体積を含み、第１の部分体積は、部品の全体積の６０％以下である。
実施形態１０：実施形態７〜９のいずれかの部品であって、金属は、ＧＴＤ１１１、ＧＴＤ２２２、ＧＴＤ２６２、Ｍａｒ Ｍ２４７、ＩＮ７３８、Ｒｅｎｅ８０、ＩＮ９３９、Ｒｅｎｅ Ｎ２、Ｒｅｎｅ１０８、又は上記のうちの少なくとも１つを含む組合せを含む。
実施形態１１：実施形態７〜９のいずれかの部品であって、金属が金属合金であって、金属合金が、７．５〜９．０重量％のＣｒ、９．５〜１０．５重量％のＣｏ、５．０〜６．０重量％のＡｌ、０．５０〜１．５重量％のＴｉ、０．２〜１重量％のＭｏ、２〜４重量％のＴａ、９〜１１重量％のＷ、１〜２重量％のＨｆ、０．０２５〜０．０７５重量％のＺｒ、０．０１０〜０．０２０重量％のＢ、０．１０〜０．２０重量％のＣ、及び残部のＮｉを含む（例えば、金属は、８．１重量％のＣｒ、１０重量％のＣｏ、５．５重量％のＡｌ、１重量％のＴｉ、０．６重量パーセントのＭｏ、３重量％のＴａ、１０重量％のＷ、１．５重量％のＨｆ、０．０５質量％のＺｒ、０．０１５重量％のＢ、０．１６重量％のＣ、及び残部のＮｉを含む）。
実施形態１２：実施形態７〜９のいずれかの部品であって、金属が金属合金であって、金属合金が、１３〜１５重量％のＣｒ、９〜１０重量％のＣｏ、２〜４重量％のＡｌ、４〜６重量％のＴｉ、１〜３重量％のＭｏ、２〜４重量％のＴａ、３〜５重量％のＷ、０．０１〜０．０３重量％のＺｒ、０．００８〜０．０２重量％のＢ、０．０５０〜０．２０重量％のＣ、及び残部のＮｉを含む（例えば、金属は、１４重量％のＣｒ、９．５重量％のＣｏ、３重量％のＡｌ、４．９重量％のＴｉ、１．６重量％のＭｏ、２．８重量％のＴａ、３．８重量％Ｗ、０．０２重量％のＺｒ、０．０１２重量％のＢ、０．１０重量％のＣ、及び残部のＮｉを含む）。
実施形態１３：実施形態７〜９のいずれかの部品であって、金属が金属合金であって、金属合金が、１９〜２５重量％のＣｒ、１２〜２１重量％のＣｏ、１．５〜３．５重量％のＡｌ、１．０〜３．９重量％のＴｉ、０．０５０〜３．０重量％のＴａ、０．０５０〜３．５重量％のＷ、０．００５０〜０．０５０重量％のＺｒ、０．００１０〜０．０６０重量％のＢ、０．０５０〜０．２０重量％のＣ、０．０５〜２重量％のＮｂ、及び残部のＮｉを含む（例えば、金属は、２２．５重量％のＣｒ、１９重量％のＣｏ、１．２重量％のＡｌ、２．３重量％のＴｉ、１重量％のＴａ、２重量％のＷ、０．０１２重量％のＺｒ、０．００５重量％のＢ、０．１０重量％のＣ、０．８重量％のＮｂ、及び残部のＮｉを含む）。
実施形態１４：実施形態７〜９のいずれかの部品であって、金属が金属合金であって、金属合金が、１５．５〜１７．５重量％のＣｒ、７〜９重量％のＣｏ、１〜５重量％のＡｌ、２．５〜６．０重量％Ｔｉ、０．５０〜３．０重量％のＭｏ、０．７０〜３．０重量％のＴａ、０．０５０〜３．５重量％のＷ、０．００５０〜０．１５重量％のＺｒ、０．００１０〜０．０６０重量％のＢ、０．０５０〜０．２０重量％のＣ、０．０５〜２重量％のＮｂ、及び残部のＮｉを含む（金属は、１６重量％のＣｒ、８．５重量％のＣｏ、３．５重量％のＡｌ、３．５重量％のＴｉ、１．７重量％のＭｏ、１．７重量％のＴａ、２．５重量％のＷ、０．０５〜０．１質量％のＺｒ、０．０１重量％のＢ、０．０９〜０．１７重量％のＣ、０．８重量％のＮｂ、及び残部のＮｉを含む）。
実施形態１５：実施形態７〜９のいずれかの部品であって、金属が金属合金であって、金属合金が、１３〜１５重量％のＣｒ、７．０〜１１重量％のＣｏ、１〜５重量％のＡｌ、２．５〜６．０重量％のＴｉ、３．１〜６重量％のＭｏ、２〜６重量％のＷ、０．００５０〜０．１５質量％のＺｒ、０．００１０〜０．０６０重量％のＢ、０．０５０〜０．２０重量％のＣ、及び残部のＮｉを含む（金属は、１４重量％のＣｒ、９．５重量％のＣｏ、３重量％のＡｌ、５重量％のＴｉ、４重量％のＭｏ、４重量％のＷ、０．０３質量％のＺｒ、０．０１５重量％のＢ、０．１６重量％のＣ、及び残部のＮｉを含む）。
実施形態１６：実施形態７〜１５のいずれかの部品であって、方向性凝固結晶粒の最長寸法は、部品が使用されている場合に予想される引張応力に平行に延びる。
実施形態１７：実施形態７〜１６のいずれかの部品であって、取り付け部は、タービン部品の機械的取り付けのために構成される。
実施形態１８：実施形態７〜１０のいずれかの部品であって、部品は溶接可能ではない。
実施形態１９：実施形態１８の部品であって、金属は、Ｍａｒ Ｍ２４７、ＩＮ７３８、Ｒｅｎｅ８０、ＩＮ９３９、Ｒｅｎｅ Ｎ２、Ｒｅｎｅ１０８、又は上記のうちの少なくとも１つを含む組合せを含む。
実施形態２０：実施形態１８の部品であって、金属は、ＩＮ７３８、Ｒｅｎｅ８０、ＩＮ９３９、Ｒｅｎｅ Ｎ２、Ｒｅｎｅ１０８、又は上記のうちの少なくとも１つを含む組合せを含む。
実施形態２１：実施形態７〜１０のいずれかの部品であって、部品は溶接可能である。
実施形態２２：実施形態２１の部品であって、金属は、ＧＴＤ１１１、ＧＴＤ２２２、ＧＴＤ２６２、ＩＮ Ｘ−７５０、Ｗａｓｐａｌｏｙ、Ｎｉｍｏｎｉｃ２６３、又は上記のうちの少なくとも１つを含む組合せを含む。
実施形態２３：実施形態２１の部品であって、金属は、ＧＴＤ１１１、ＧＴＤ２２２、ＧＴＤ２６２、又は上記のうちの少なくとも１つを含む組合せを含む。
実施形態２４：実施形態７〜９のいずれかの部品であって、金属が金属合金であって、金属合金が、０重量％超〜６．０重量％のＡｌ、０重量％超〜０．０６重量％のＢ、０重量％超〜２．０重量％のＣ、０重量％超〜２０重量％のＣｏ、５重量％〜２２．５重量％のＣｒ、０重量％超〜１９重量％のＦｅ、０重量％超〜５．０重量％のＮｂ、任意選択的にＲｅ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ及び／又はＺｎ、残部のＮｉを含む。
金属合金の溶接性は、それが含むガンマプライム相の量によって特徴付けることができる。これらの材料は、合金中のチタンの重量％に対するアルミニウムの重量パーセントの関係によって特徴付けることができる。以下の関係が、アーク溶接、酸素−燃料溶接、電気抵抗溶接、レーザビーム溶接、電子ビーム溶接及びテルミット溶接などの通常の融解溶接技術を用いて溶接可能とみなし得る金属合金についてのＹAl対ＸTiグラフの領域を確立することが分かっている。
ＹAl≦−０．５ＸTi＋３， ［１］
ここで、ＹAlは合金のアルミニウムの重量パーセントであり、ＸTiは合金のチタンの重量パーセントである。
本明細書において、［１］の関係を満たすことができる組成を有する金属合金は、溶接可能とみなすことができる。本明細書において、［１］の関係を満たさない組成を有する金属合金は、溶接可能ではないとみなすことができる。
本発明について限られた数の実施形態にのみ関連して詳述しているが、本発明がこのような開示された実施形態に限定されないことが直ちに理解されるべきである。むしろ、これまでに記載されていない任意の数の変形、変更、置換又は等価な構成を組み込むために、本発明を修正することができ、それらは本発明の趣旨と範囲に相応している。さらに、本発明の様々な実施形態について記載しているが、本発明の態様は記載した実施形態のうちのいくつかのみを含んでもよいことを理解すべきである。したがって、本発明は、上記の説明によって限定されるとみなされるのではなく、添付した特許請求の範囲によって限定されるだけである。
［実施態様１］
物品を形成する方法であって、
金属温度を有する溶融金属を形成するために金属（２）を加熱するステップと、
鋳型（１４）を金属温度以上の鋳型温度に加熱するステップと、
鋳型（１４）へ溶融金属を導入するステップと、
溶融金属の第１の部分（５６）を、溶融金属の第２の部分（５８）を金属温度に維持しつつ、冷却するステップであって、第１の部分（５６）は、第１の側面（５５）及び第２の側面（５７）を有し、第２の側面（５７）は、第１の側面（５５）の反対側にあって、第２の部分（５８）に隣接し、冷却するステップは、凝固界面（３８）が第１の側面（５５）から第２の側面（５７）まで進行するように、第１の部分（５６）を第１の側面（５５）から第２の側面（５７）まで漸進的に冷却するステップを含む、ステップと、
第１の部分（５６）が結晶化温度以下に冷却された後に、溶融金属の残部を複数の方向から冷却するステップとを含む方法。
［実施態様２］
溶融金属の残部を冷却するステップは、すべての鋳型表面から溶融金属を冷却するステップをさらに含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様３］
第１の部分（５６）の体積は、物品の全体積の２０％以上である、実施態様１に記載の方法。
［実施態様４］
物品の高応力領域（８０）を決定するステップを含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様５］
高応力領域（８０）は、第１の部分（５６）内にある、実施態様４に記載の方法。
［実施態様６］
実施態様１に記載の方法で製造されたタービン用部品（６０）。
［実施態様７］
タービン用部品（６０）であって、
基壁及び取り付け部を有する基部（２６）と、
基壁から延在する翼形部（７０）とを含み、
部品（６０）は、基部（２６）及び翼形部（７０）の第１のセクション（７６）を含む第１の部分（５６）と、翼形部（７０）の第２のセクション（７８）を含む第２の部分（５８）とを含み、第１の部分（５６）は、方向性凝固結晶粒（４２）を有する金属（２）を含み、第２の部分（５８）は、等軸性結晶粒（４４）を有する金属（２）を含む、部品。
［実施態様８］
シュラウド壁を有するシュラウドを含み、翼形部（７０）は、基部（２６）とシュラウド壁との間に延在し、第２の部分（５８）は、シュラウドをさらに含む、実施態様７に記載の部品。
［実施態様９］
第１の部分（５６）は、第１の部分体積を含み、第１の部分体積は、部品の全体積の６０％以下である、実施態様７に記載の部品。
［実施態様１０］
金属（２）が金属合金であって、金属合金が、ＧＴＤ１１１、ＧＴＤ２２２、ＧＴＤ２６２、Ｍａｒ Ｍ２４７、ＩＮ７３８、Ｒｅｎｅ８０、ＩＮ９３９、Ｒｅｎｅ Ｎ２、Ｒｅｎｅ１０８、又は上記のうちの少なくとも１つを含む組合せを含む、実施態様７に記載の部品。
［実施態様１１］
金属（２）が金属合金であって、金属合金が、７．５〜９．０重量％のＣｒ、９．５〜１０．５重量％のＣｏ、５．０〜６．０重量％のＡｌ、０．５０〜１．５重量％のＴｉ、０．２〜１重量％のＭｏ、２〜４重量％のＴａ、９〜１１重量％のＷ、１〜２重量％のＨｆ、０．０２５〜０．０７５重量％のＺｒ、０．０１０〜０．０２０重量％のＢ、０．１０〜０．２０重量％のＣ、及び残部のＮｉを含む、実施態様７に記載の部品。
［実施態様１２］
金属（２）が金属合金であって、金属合金が、１３〜１５重量％のＣｒ、９〜１０重量％のＣｏ、２〜４重量％のＡｌ、４〜６重量％のＴｉ、１〜３重量％のＭｏ、２〜４重量％のＴａ、３〜５重量％のＷ、０．０１〜０．０３重量％のＺｒ、０．００８〜０．０２重量％のＢ、０．０５０〜０．２０重量％のＣ、及び残部のＮｉを含む、実施態様７に記載の部品。
［実施態様１３］
金属（２）が金属合金であって、金属合金が、１９〜２５重量％のＣｒ、１２〜２１重量％のＣｏ、１．５〜３．５重量％のＡｌ、１．０〜３．９重量％のＴｉ、０．０５０〜３．０重量％のＴａ、０．０５０〜３．５重量％のＷ、０．００５０〜０．０５０重量％のＺｒ、０．００１０〜０．０６０重量％のＢ、０．０５０〜０．２０重量％のＣ、０．０５〜２重量％のＮｂ、及び残部のＮｉを含む、実施態様７に記載の部品。
［実施態様１４］
金属（２）が金属合金であって、金属合金が、１５．５〜１７．５重量％のＣｒ、７〜９重量％のＣｏ、１〜５重量％のＡｌ、２．５〜６．０重量％Ｔｉ、０．５０〜３．０重量％のＭｏ、０．７０〜３．０重量％のＴａ、０．０５０〜３．５重量％のＷ、０．００５０〜０．１５重量％のＺｒ、０．００１０〜０．０６０重量％のＢ、０．０５０〜０．２０重量％のＣ、０．０５〜２重量％のＮｂ、及び残部のＮｉを含む、実施態様７に記載の部品。
［実施態様１５］
金属（２）が金属合金であって、金属合金が、１３〜１５重量％のＣｒ、７．０〜１１重量％のＣｏ、１〜５重量％のＡｌ、２．５〜６．０重量％のＴｉ、３．１〜６重量％のＭｏ、２〜６重量％のＷ、０．００５０〜０．１５質量％のＺｒ、０．００１０〜０．０６０重量％のＢ、０．０５０〜０．２０重量％のＣ、及び残部のＮｉを含む、実施態様７に記載の部品。
２ 金属
４ ホルダ
６ 炉
８ 熱エネルギー
１０ 金属部品
１２ 鋳型空洞
１４ 鋳型
２０ 均質な溶融相、溶融均質層、均質な溶融状態、均質な溶融金属
２２ 通路
２４ 鋳型入口
２６ 基部
３０ 冷却プレート
３２ 冷却表面
３４ 熱流束
３６ 熱流束
３８ 凝固界面
４２ ＤＳ結晶粒
４４ 等軸性結晶粒
５０ 方向
５５ 第１の側面
５６ 第１の部分
５７ 第２の側面
５８ 第２の部分
６０ 金属部品
６２ 内側壁部
６４ 外側壁部
７０ 翼形部
７２ 前縁
７４ 後縁
７６ 第１のセクション
７８ 第２のセクション
８０ 高応力領域
８２ 矢印
８４ 線

Claims (10)

  1. 物品を形成する方法であって、
    金属温度を有する溶融金属を形成するために金属（２）を加熱するステップと、
    鋳型（１４）を金属温度以上の鋳型温度に加熱するステップと、
    鋳型（１４）へ溶融金属を導入するステップと、
    溶融金属の第１の部分（５６）を、溶融金属の第２の部分（５８）を金属温度に維持しつつ冷却するステップであって、第１の部分（５６）が第１の側面（５５）及び第２の側面（５７）を有し、第２の側面（５７）が第１の側面（５５）の反対側にあって、第２の部分（５８）に隣接し、冷却ステップが、凝固界面（３８）が第１の側面（５５）から第２の側面（５７）まで進行するように、第１の部分（５６）を第１の側面（５５）から第２の側面（５７）まで漸進的に冷却することを含んでいる、ステップと、
    第１の部分（５６）が結晶化温度以下に冷却された後に、溶融金属の残部を複数の方向から冷却するステップと
    を含む方法。
  2. 溶融金属の残部を冷却するステップが、すべての鋳型表面から溶融金属を冷却することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. 物品の高応力領域（８０）を決定するステップを含んでいて、高応力領域（８０）が第１の部分（５６）内にある、請求項１又は請求項２に記載の方法。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の方法で製造されたタービン用部品（６０）。
  5. タービン用部品（６０）であって、当該部品が、
    基壁及び取り付け部を有する基部（２６）と、
    基壁から延在する翼形部（７０）と
    を備えており、当該部品（６０）が、基部（２６）及び翼形部（７０）の第１のセクション（７６）を含む第１の部分（５６）と、翼形部（７０）の第２のセクション（７８）を含む第２の部分（５８）とを含んでおり、第１の部分（５６）が方向性凝固結晶粒（４２）を有する金属（２）を含み、第２の部分（５８）が等軸性結晶粒（４４）を有する金属（２）を含む、部品。
  6. シュラウド壁を有するシュラウドを含んでおり、翼形部（７０）が基部（２６）とシュラウド壁との間に延在し、第２の部分（５８）がシュラウドをさらに含む、請求項５に記載の部品。
  7. 第１の部分（５６）が第１の部分体積を含み、第１の部分体積が部品の全体積の６０％以下である、請求項５又は請求項６に記載の部品。
  8. 金属（２）が金属合金であって、金属合金が、ＧＴＤ１１１、ＧＴＤ２２２、ＧＴＤ２６２、Ｍａｒ Ｍ２４７、ＩＮ７３８、Ｒｅｎｅ８０、ＩＮ９３９、Ｒｅｎｅ Ｎ２、Ｒｅｎｅ１０８、又は上記のうちの少なくとも１つを含む組合せを含む、請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の部品。
  9. 金属（２）が金属合金であって、金属合金が、７．５〜９．０重量％のＣｒ、９．５〜１０．５重量％のＣｏ、５．０〜６．０重量％のＡｌ、０．５０〜１．５重量％のＴｉ、０．２〜１重量％のＭｏ、２〜４重量％のＴａ、９〜１１重量％のＷ、１〜２重量％のＨｆ、０．０２５〜０．０７５重量％のＺｒ、０．０１０〜０．０２０重量％のＢ、０．１０〜０．２０重量％のＣ、及び残部のＮｉを含んでいるか、或いは
    金属（２）が金属合金であって、金属合金が、１３〜１５重量％のＣｒ、９〜１０重量％のＣｏ、２〜４重量％のＡｌ、４〜６重量％のＴｉ、１〜３重量％のＭｏ、２〜４重量％のＴａ、３〜５重量％のＷ、０．０１〜０．０３重量％のＺｒ、０．００８〜０．０２重量％のＢ、０．０５０〜０．２０重量％のＣ、及び残部のＮｉを含んでいる、請求項５乃至請求項８のいずれか１項に記載の部品。
  10. 金属（２）が金属合金であって、金属合金が、１９〜２５重量％のＣｒ、１２〜２１重量％のＣｏ、１．５〜３．５重量％のＡｌ、１．０〜３．９重量％のＴｉ、０．０５０〜３．０重量％のＴａ、０．０５０〜３．５重量％のＷ、０．００５０〜０．０５０重量％のＺｒ、０．００１０〜０．０６０重量％のＢ、０．０５０〜０．２０重量％のＣ、０．０５〜２重量％のＮｂ、及び残部のＮｉを含んでいるか、或いは
    金属（２）が金属合金であって、金属合金が、１５．５〜１７．５重量％のＣｒ、７〜９重量％のＣｏ、１〜５重量％のＡｌ、２．５〜６．０重量％Ｔｉ、０．５０〜３．０重量％のＭｏ、０．７０〜３．０重量％のＴａ、０．０５０〜３．５重量％のＷ、０．００５０〜０．１５重量％のＺｒ、０．００１０〜０．０６０重量％のＢ、０．０５０〜０．２０重量％のＣ、０．０５〜２重量％のＮｂ、及び残部のＮｉを含んでいるか、或いは
    金属（２）が金属合金であって、金属合金が、１３〜１５重量％のＣｒ、７．０〜１１重量％のＣｏ、１〜５重量％のＡｌ、２．５〜６．０重量％のＴｉ、３．１〜６重量％のＭｏ、２〜６重量％のＷ、０．００５０〜０．１５質量％のＺｒ、０．００１０〜０．０６０重量％のＢ、０．０５０〜０．２０重量％のＣ、及び残部のＮｉを含んでいる、請求項５乃至請求項９のいずれか１項に記載の部品。
JP2016558187A 2014-03-27 2015-03-27 複数の結晶粒組織を有し、高応力環境で使用するための物品 Pending JP2017518184A (ja)

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