JP2021523985A - Nickel-based alloy - Google Patents

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JP2021523985A JP2021513008A JP2021513008A JP2021523985A JP 2021523985 A JP2021523985 A JP 2021523985A JP 2021513008 A JP2021513008 A JP 2021513008A JP 2021513008 A JP2021513008 A JP 2021513008A JP 2021523985 A JP2021523985 A JP 2021523985A
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Abstract

質量%で、9.0〜13.2%のクロム、5.9〜24.9%のコバルト、0.0〜4.0%の鉄、1.1〜4.4%のモリブデン、0.0〜8.0%のタングステン、2.8〜3.7%のアルミニウム、0.3〜5.1%のチタン、0.0〜4.0%のニオブ、2.4%超9.5%以下のタンタル、0.01〜0.1%の炭素、0.001〜0.1%のホウ素、0.001〜0.3%のジルコニウム、0.0〜0.5%のケイ素、0.0〜0.1%のイットリウム、0.0〜0.1%のランタン、0.0〜0.1%のセリウム、0.0〜0.003%の硫黄、0.0〜0.25%のマンガン、0.0〜0.5%のバナジウム、0.0〜0.5%の銅、及び0.0〜0.5%のハフニウムを備え、残部がニッケルおよび不可避的不純物であり、合金に含まれるモリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル及びチタンの質量%をそれぞれWMo、WW、WNb、WTa及びWTiとすると、以下の式を満たす、ニッケル基合金組成物。1.29WMo+0.5WW≧5.70.6WTi+0.44WNb+0.27WTa≧4.2By mass%, 9.0 to 13.2% chromium, 5.9 to 24.9% cobalt, 0.0 to 4.0% iron, 1.1 to 4.4% molybdenum, 0. 0-8.0% tungsten, 2.8-3.7% aluminum, 0.3-5.1% tantalum, 0.0-4.0% niobium, over 2.4% 9.5 % Or less tantalum, 0.01-0.1% carbon, 0.001-0.1% molybdenum, 0.001-0.3% zirconium, 0.0-0.5% silicon, 0 .0 to 0.1% molybdenum, 0.0 to 0.1% tantalum, 0.0 to 0.1% cerium, 0.0 to 0.003% sulfur, 0.0 to 0.25 With% manganese, 0.0-0.5% vanadium, 0.0-0.5% copper, and 0.0-0.5% hafnium, the balance is nickel and unavoidable impurities. When the mass% of molybdenum, tungsten, niobium, tantalum and titanium contained in the alloy are WMo, WW, WNb, WTa and WTi, respectively, a nickel-based alloy composition satisfying the following formula. 1.29WMo + 0.5WW ≧ 5.70.6WTi + 0.44WNb + 0.27WTa ≧ 4.2

Description

本発明は、ガスタービンエンジン及び他のターボ機械内のタービンディスク部品として用いられるニッケル基超合金組成物に関する。 The present invention relates to nickel-based superalloy compositions used as turbine disk components in gas turbine engines and other turbomachinery.

タービンディスクは、ガスタービンエンジンにおいて重要な部品である。最大動作温度及び最大耐用年数の観点に基づきタービンディスク合金の性能を向上させることは、エンジンの効率及びエンジンの動作の費用対効果に対して、重大な影響を及ぼす可能性がある。 Turbine disks are an important component in gas turbine engines. Improving the performance of turbine disc alloys in terms of maximum operating temperature and maximum service life can have a significant impact on engine efficiency and cost-effectiveness of engine operation.

タービンディスク部品に使用されるニッケル基超合金の典型的な組成の例を表1に列挙する。図1を参照して、より高い強度を備える合金の開発においては、コストがより高いレベルに向かう傾向がある。表1は、粉末冶金タービンディスクに使用される、一般的に適用されるニッケル基超合金の、質量%における公称組成である。 Table 1 lists examples of typical compositions of nickel-based superalloys used in turbine disc components. With reference to FIG. 1, in the development of alloys with higher strength, the cost tends to go to higher levels. Table 1 shows the nominal composition in% by mass of commonly applied nickel-based superalloys used in powder metallurgy turbine discs.

Figure 2021523985
Figure 2021523985

本発明は、低廉な合金コスト(好ましくは合金コストの削減)及び耐酸化性/耐食性の改善と組み合わせて、高い高温強度及び耐クリープ性を提供することを目的とする。新たな合金の特性のバランスにより、高温用途(特に、部品の動作温度が800度以上であるタービンディスク用途としての使用)の部品の製造において、費用対効果をさらに高めることができる。 It is an object of the present invention to provide high high temperature strength and creep resistance in combination with low alloy cost (preferably reduction of alloy cost) and improvement of oxidation resistance / corrosion resistance. The balance of properties of the new alloy can further increase cost effectiveness in the manufacture of parts for high temperature applications (particularly for turbine disc applications where the operating temperature of the part is 800 degrees or higher).

本発明によれば、質量%で、9.0〜13.2%のクロム、5.9〜24.9%のコバルト、0.0〜4.0%の鉄、1.1〜4.4%のモリブデン、0.0〜8.0%のタングステン、2.8〜3.7%のアルミニウム、0.3〜5.1%のチタン、0.0〜4.0%のニオブ、2.4%超9.5%以下のタンタル、0.01〜0.1%の炭素、0.001〜0.1%のホウ素、0.001〜0.3%のジルコニウム、0.0〜0.5%のケイ素、0.0〜0.1%のイットリウム、0.0〜0.1%のランタン、0.0〜0.1%のセリウム、0.0〜0.003%の硫黄、0.0〜0.25%のマンガン、0.0〜0.5%のバナジウム、0.0〜0.5%の銅、及び0.0〜0.5%のハフニウムを備え、残部がニッケルおよび不可避的不純物であり、合金に含まれるモリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル及びチタンの質量%をそれぞれWMo、W、WNb、WTa及びWTiとすると、以下の式を満たす、ニッケル基合金組成物が提供される。
1.29WMo+0.5W≧5.7
0.6WTi+0.44WNb+0.27WTa≧4.2
According to the present invention, by mass%, 9.0 to 13.2% chromium, 5.9 to 24.9% molybdenum, 0.0 to 4.0% iron, 1.1 to 4.4. % Molybdenum, 0.0-8.0% tungsten, 2.8-3.7% aluminum, 0.3-5.1% tantalum, 0.0-4.0% niobium, 2. More than 4% and less than 9.5% tantalum, 0.01 to 0.1% carbon, 0.001 to 0.1% molybdenum, 0.001 to 0.3% zirconium, 0.0 to 0. 5% silicon, 0.0-0.1% molybdenum, 0.0-0.1% tantalum, 0.0-0.1% cerium, 0.0-0.003% sulfur, 0 .0 to 0.25% manganese, 0.0 to 0.5% vanadium, 0.0 to 0.5% copper, and 0.0 to 0.5% hafnium, with the balance being nickel and A nickel-based alloy that is an unavoidable impurity and satisfies the following formula, where the mass% of molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, and titanium contained in the alloy are W Mo , W W , W Nb , W Ta, and W Ti, respectively. The composition is provided.
1.29W Mo + 0.5W W ≧ 5.7
0.6W Ti + 0.44W Nb + 0.27W Ta ≧ 4.2

この合金は、優れた耐酸化性/耐食性およびTCP形成に対する耐性と組み合わせて、高温で非常に高い強度を提供する。 This alloy, combined with excellent oxidation / corrosion resistance and resistance to TCP formation, provides very high strength at high temperatures.

好ましい実施形態では、合金に含まれるニオブ、タンタル、チタン及びアルミニウムの質量%をそれぞれWNb、WTa、WTi及びWAlとすると、以下の式を満たす。
6.2≦0.6WTi+0.31WNb+0.15WTa+0.94WAl≦7.4
好ましくは、以下の式を満たす。
6.2≦0.6WTi+0.31WNb+0.15WTa+0.94WAl≦6.7
これにより、合金に高強度を付与するのに十分なガンマプライム相が確保される。
In a preferred embodiment, where the mass% of niobium, tantalum, titanium and aluminum contained in the alloy are W Nb , W Ta , W Ti and W Al , respectively, the following formula is satisfied.
6.2 ≤ 0.6W Ti + 0.31W Nb + 0.15W Ta + 0.94W Al ≤ 7.4
Preferably, the following formula is satisfied.
6.2 ≤ 0.6W Ti + 0.31W Nb + 0.15W Ta + 0.94W Al ≤ 6.7
This ensures a gamma prime phase sufficient to impart high strength to the alloy.

好ましい実施形態では、合金に含まれるニオブ、タンタル、チタン及びアルミニウムの質量%をそれぞれWNb、WTa、WTi及びWAlとすると、以下の式を満たす。
1.0≦(0.6WTi+0.31WNb+0.15WTa)/WAl≦1.3
これにより、高いAPBエネルギーと安定したガンマプライム相を備えた合金が保証される。そのため、この合金は、析出せん断に対する優れた耐性と、イータ相およびデルタ相の形成に対する耐性と、を備える。
In a preferred embodiment, where the mass% of niobium, tantalum, titanium and aluminum contained in the alloy are W Nb , W Ta , W Ti and W Al , respectively, the following formula is satisfied.
1.0 ≤ (0.6W Ti + 0.31W Nb + 0.15W Ta ) / W Al ≤ 1.3
This guarantees an alloy with high APB energy and a stable gamma prime phase. As such, the alloy has excellent resistance to precipitation shear and resistance to the formation of eta and delta phases.

好ましい実施形態では、合金に含まれるタングステン及びモリブデンの質量%をそれぞれWW、WMoとすると、以下の式を満たす。
6.0≦1.29WMo+0.5WW
このような合金は、固溶メリット指数が高いため、高温クリープに対する耐性が向上し、高温強度が向上する。
In a preferred embodiment, the weight percent of tungsten and molybdenum contained in the alloy, respectively W W, When W Mo, satisfy the following equation.
6.0 ≤ 1.29 W Mo + 0.5 W W
Since such an alloy has a high solid solution merit index, resistance to high temperature creep is improved and high temperature strength is improved.

好ましい実施形態では、合金に含まれるタンタル及びタングステンの質量%をそれぞれWTa、WWとすると、以下の式を満たす。
Ta+0.88WW≦9.4
このような合金は、上記式を満たさない合金と比較して密度が低くなる。
In a preferred embodiment, where the mass% of tantalum and tungsten contained in the alloy are W Ta and W W , respectively, the following equation is satisfied.
W Ta + 0.88 W W ≤ 9.4
Such alloys have a lower density than alloys that do not satisfy the above formula.

好ましい実施形態では、合金に含まれるタンタル及びコバルトの質量%をそれぞれWTa、WCoとすると、以下の式を満たす。
Ta+0.47WCo≦14.1
このような合金では、コストが制限される。
In a preferred embodiment, where the mass% of tantalum and cobalt contained in the alloy are W Ta and W Co , respectively, the following formula is satisfied.
W Ta + 0.47 W Co ≤ 14.1
Costs are limited for such alloys.

好ましい実施形態では、合金に含まれるタングステン、モリブデン及びクロムの質量%をそれぞれWW、WMo及びWCrとすると、以下の式を満たす。
W+1.62WCr+2.0WMo≦30.2
好ましくは、以下の式を満たす。
W+1.62WCr+2.0WMo≦28.3
このような合金は、有害なTCP相の形成に対して、高い耐性を備える。
In a preferred embodiment, where the mass% of tungsten, molybdenum and chromium contained in the alloy are WW , WM and W Cr , respectively, the following equation is satisfied.
W W + 1.62W Cr + 2.0W Mo ≦ 30.2
Preferably, the following formula is satisfied.
W W + 1.62W Cr + 2.0W Mo ≦ 28.3
Such alloys are highly resistant to the formation of harmful TCP phases.

好ましい実施形態では、ニッケル基合金組成物が備えるアルミニウムは、質量%で、3.5%以下、好ましくは3.1%以下である。このような合金は、ガンマプライムソルバス温度が低いため、製造性が向上する。 In a preferred embodiment, the aluminum content of the nickel-based alloy composition is 3.5% or less, preferably 3.1% or less, by mass. Such alloys have a low gamma prime solver temperature, which improves manufacturability.

好ましい実施形態では、ニッケル基合金組成物が備えるタンタルは、質量%で、2.45%以上、好ましくは2.5%以上、より好ましくは3.4%以上、さらにより好ましくは5.1%以上である。このような合金は、ガンマプライムソルバス温度が低くなる代わりに、さらに高い強度を備える。 In a preferred embodiment, the tantalum contained in the nickel-based alloy composition is 2.45% or more, preferably 2.5% or more, more preferably 3.4% or more, still more preferably 5.1% by mass. That is all. Such alloys have higher strength at the cost of lower gamma prime sorbus temperature.

好ましい実施形態では、ニッケル基合金組成物が備えるタンタルは、質量%で、6.4%以下である。このような合金では、ガンマプライムソルバス温度が制限されているため、製造容易性が維持される。 In a preferred embodiment, the tantalum content of the nickel-based alloy composition is 6.4% or less by mass. In such alloys, the gamma prime solver temperature is limited, so ease of manufacture is maintained.

好ましい実施形態では、ニッケル基合金組成物が備えるニオブは、質量%で1.0%以上である。このような合金は、強度が向上する。 In a preferred embodiment, the niobium contained in the nickel-based alloy composition is 1.0% or more by mass. Such alloys have improved strength.

好ましい実施形態では、ニッケル基合金組成物が備えるニオブは、質量%で、3.0%以下、好ましくは2.0%以下である。このような合金は、強度が向上する。 In a preferred embodiment, the niobium contained in the nickel-based alloy composition is 3.0% or less, preferably 2.0% or less in mass%. Such alloys have improved strength.

好ましい実施形態では、ニッケル基合金組成物が備えるチタンは、質量%で、1.7%以上、好ましくは2.5%以上である。このような合金は、強度が向上する。 In a preferred embodiment, the titanium content of the nickel-based alloy composition is 1.7% or more, preferably 2.5% or more in mass%. Such alloys have improved strength.

好ましい実施形態では、ニッケル基合金組成物が備えるチタンは、質量%で、4.8%以下、好ましくは4.6%以下、より好ましくは4.2%以下である。このような合金は、より優れた耐酸化性と、改善された製造性と、を有する。 In a preferred embodiment, the content of titanium contained in the nickel-based alloy composition is 4.8% or less, preferably 4.6% or less, and more preferably 4.2% or less in terms of mass%. Such alloys have better oxidation resistance and improved manufacturability.

好ましい実施形態では、ニッケル基合金組成物が備えるタングステンは、質量%で、3.2%以上である。このような合金は、優れた高温強度を有する。 In a preferred embodiment, the content of tungsten contained in the nickel-based alloy composition is 3.2% or more in mass%. Such alloys have excellent high temperature strength.

好ましい実施形態では、ニッケル基合金組成物が備えるタングステンは、質量%で、7.8%以下、好ましくは6.9%以下である。このような合金は低密度である。 In a preferred embodiment, the content of tungsten contained in the nickel-based alloy composition is 7.8% or less, preferably 6.9% or less in mass%. Such alloys have a low density.

好ましい実施形態では、ニッケル基合金組成物が備えるモリブデンは、質量%で、1.2%以上、好ましくは1.7%以上である。このような合金は、より高い固溶強度を有するため、クリープ強度が改善される。 In a preferred embodiment, the molybdenum contained in the nickel-based alloy composition is 1.2% or more, preferably 1.7% or more in mass%. Such alloys have higher solid solution strength, which improves creep strength.

好ましい実施形態では、ニッケル基合金組成物が備えるコバルトは、質量%で、6.1%以上、好ましくは7.1%以上である。このような合金は、強度、特に耐クリープ性が向上する。 In a preferred embodiment, the cobalt content of the nickel-based alloy composition is 6.1% or more, preferably 7.1% or more, by mass. Such alloys have improved strength, especially creep resistance.

好ましい実施形態では、ニッケル基合金組成物が備えるコバルトは、質量%で、24.6%以下、好ましくは22.8%以下、より好ましくは19.1%以下、さらには16.8%以下または16.6%以下、さらにより好ましくは14.7%以下、最も好ましくは11.1%以下である。このような合金は、低コストである。 In a preferred embodiment, the cobalt content of the nickel-based alloy composition is 24.6% or less, preferably 22.8% or less, more preferably 19.1% or less, and even 16.8% or less, in mass%. It is 16.6% or less, even more preferably 14.7% or less, and most preferably 11.1% or less. Such alloys are low cost.

好ましい実施形態では、ニッケル基合金組成物が備えるクロムは、質量%で、11.9%以下、好ましくは11.5%以下、より好ましくは11.2%以下である。このような合金は、TCP相の形成に対する耐性の観点から、微細構造安定性が向上している。 In a preferred embodiment, the amount of chromium contained in the nickel-based alloy composition is 11.9% or less, preferably 11.5% or less, and more preferably 11.2% or less in mass%. Such an alloy has improved microstructural stability from the viewpoint of resistance to the formation of the TCP phase.

本明細書における「を備える」との用語は、組成物を100%として、追加の成分の存在を排斥することでパーセンテージを100%にしていることを示すために用いられる。特に明記しない限り、%は質量%として表される。 The term "comprising" as used herein is used to indicate that the composition is 100% and the percentage is 100% by excluding the presence of additional ingredients. Unless otherwise stated,% is expressed as% by mass.

本発明について、単なる例示を通じて、添付図面を参照しながら、さらに十分に説明する。 The present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, only by way of illustration.

図1は、表1に列挙された合金及び表2に列挙された合金設計領域内に存する合金について、元素コストと(強度メリット指数の観点からの)降伏強度との間の計算されたトレードオフを示す。グラフ上のハッチングされた領域は、強度とコストとの好ましい組み合わせを示す。FIG. 1 shows the calculated trade-off between elemental cost and yield strength (in terms of strength merit index) for the alloys listed in Table 1 and the alloys located within the alloy design areas listed in Table 2. Is shown. The hatched areas on the graph indicate the preferred combination of strength and cost. 図2は、(強度メリット指数の観点からの)降伏強度と850℃でのγ´相の体積分率との間の計算された関係性を示す。所望のレベルの強度メリット指数を達成するために必要なγ´体積分率の最小値を、ハイライトで示す。FIG. 2 shows the calculated relationship between yield strength (in terms of intensity merit index) and volume fraction of the γ'phase at 850 ° C. The minimum value of the γ'volume fraction required to achieve the desired level of intensity merit index is highlighted. 図3は、900℃でのγ´体積分率に対する、アルミニウム及び(0.6WTi+0.31WNb+0.15WTaとの関係に基づく)ニオブ元素とチタン元素とタンタル元素との合計の影響を示す等値線図である。また、グラフには、γ´ソルバス及び強度における組成依存関係が示されている。FIG. 3 shows the total effect of aluminum and niobium element (based on the relationship between 0.6 W Ti + 0.31 W Nb + 0.15 W Ta ), titanium element and tantalum element on the γ'volume fraction at 900 ° C. It is a contour figure which shows. The graph also shows the composition dependence of γ'solvus and intensity. 図4は、γ´ソルバス温度に対する、アルミニウム及び(0.6WTi+0.31WNb+0.15WTaとの関係に基づく)ニオブ元素とチタン元素とタンタル元素との合計の影響を示す等値線図である。FIG. 4 is a contour diagram showing the total effect of aluminum and niobium element (based on the relationship with 0.6 W Ti + 0.31 W Nb + 0.15 W Ta), titanium element and tantalum element on γ'solvus temperature. Is. 図5は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、強度メリット指数に対する、チタン及びタンタルの影響を示す等値線図である。この合金において、アルミニウム含有量は2.8〜3.7質量%に固定され、ニオブ含有量は0.0質量%に固定されている。FIG. 5 is a contour diagram showing the effects of titanium and tantalum on the strength merit index in an alloy having a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. In this alloy, the aluminum content is fixed at 2.8-3.7% by mass and the niobium content is fixed at 0.0% by weight. 図6は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、強度メリット指数に対する、チタン及びタンタルの影響を示す等値線図である。この合金において、アルミニウム含有量は2.8〜3.7質量%に固定され、ニオブ含有量は1.0質量%に固定されている。FIG. 6 is a contour diagram showing the effects of titanium and tantalum on the strength merit index in an alloy having a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. In this alloy, the aluminum content is fixed at 2.8-3.7% by mass and the niobium content is fixed at 1.0% by weight. 図7は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、強度メリット指数に対する、チタン及びタンタルの影響を示す等値線図である。この合金において、アルミニウム含有量は2.8〜3.7質量%に固定され、ニオブ含有量は2.0質量%に固定されている。FIG. 7 is a contour diagram showing the effects of titanium and tantalum on the strength merit index in an alloy having a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. In this alloy, the aluminum content is fixed at 2.8-3.7% by mass and the niobium content is fixed at 2.0% by weight. 図8は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、強度メリット指数に対する、チタン及びタンタルの影響を示す等値線図である。この合金において、アルミニウム含有量は2.8〜3.7質量%に固定され、ニオブ含有量は3.0質量%に固定されている。FIG. 8 is a contour diagram showing the effects of titanium and tantalum on the strength merit index in an alloy having a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. In this alloy, the aluminum content is fixed at 2.8-3.7% by mass and the niobium content is fixed at 3.0% by weight. 図9は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、強度メリット指数に対する、チタン及びタンタルの影響を示す等値線図である。この合金において、アルミニウム含有量は2.8〜3.7質量%に固定され、ニオブ含有量は4.0質量%に固定されている。FIG. 9 is a contour diagram showing the effects of titanium and tantalum on the strength merit index in an alloy having a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. In this alloy, the aluminum content is fixed at 2.8-3.7% by mass and the niobium content is fixed at 4.0% by weight. 図10は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、固溶メリット指数に対する、モリブデン及びタングステンの影響を示す等値線図である。FIG. 10 is a contour diagram showing the effects of molybdenum and tungsten on the solid solution merit index in an alloy having a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. 図11は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、合金密度に対する、タンタル及びタングステンの影響を示す等値線図である。FIG. 11 is a contour diagram showing the effects of tantalum and tungsten on the alloy density in an alloy having a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. 図12は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、(2017年の元素価格に基づく生元素コストの観点からの)合金コストに対する、コバルト及びタンタルの影響を示す等値線図である。FIG. 12 shows the effect of cobalt and tantalum on alloy costs (in terms of raw element costs based on 2017 element prices) in alloys with a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. It is a contour diagram. 図13は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、(クリープメリット指数の観点からの)耐クリープ性に対する、コバルト及びタングステンの影響を示す等値線図である。この合金におけるモリブデン含有量は、1.0質量%に固定されている。FIG. 13 is a contour diagram showing the effect of cobalt and tungsten on creep resistance (from the viewpoint of creep merit index) in an alloy having a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. .. The molybdenum content in this alloy is fixed at 1.0% by mass. 図14は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、(クリープメリット指数の観点からの)耐クリープ性に対する、コバルト及びタングステンの影響を示す等値線図である。この合金におけるモリブデン含有量は、2.0質量%に固定されている。FIG. 14 is a contour diagram showing the effect of cobalt and tungsten on creep resistance (from the viewpoint of creep merit index) in alloys having a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. .. The molybdenum content in this alloy is fixed at 2.0% by mass. 図15は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、(クリープメリット指数の観点からの)耐クリープ性に対する、コバルト及びタングステンの影響を示す等値線図である。この合金におけるモリブデン含有量は、3.0質量%に固定されている。FIG. 15 is a contour diagram showing the effect of cobalt and tungsten on creep resistance (from the viewpoint of creep merit index) in alloys having a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. .. The molybdenum content in this alloy is fixed at 3.0% by mass. 図16は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、(クリープメリット指数の観点からの)耐クリープ性に対する、コバルト及びタングステンの影響を示す等値線図である。この合金におけるモリブデン含有量は、4.0質量%に固定されている。FIG. 16 is a contour diagram showing the effect of cobalt and tungsten on creep resistance (from the viewpoint of creep merit index) in alloys having a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. .. The molybdenum content in this alloy is fixed at 4.0% by mass. 図17は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、(クリープメリット指数の観点からの)耐クリープ性に対する、コバルト及びタングステンの影響を示す等値線図である。この合金におけるモリブデン含有量は、5.0質量%に固定されている。FIG. 17 is a contour diagram showing the effects of cobalt and tungsten on creep resistance (from the viewpoint of creep merit index) in alloys having a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. .. The molybdenum content in this alloy is fixed at 5.0% by mass. 図18は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、安定度数Mdに対する、クロム及びタングステンの影響を示す等値線図である。この合金におけるモリブデン含有量は、0.0質量%に固定されている。FIG. 18 is a contour diagram showing the effects of chromium and tungsten on the stability number Md in an alloy having a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. The molybdenum content in this alloy is fixed at 0.0% by mass. 図19は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、安定度数Mdに対する、クロム及びタングステンの影響を示す等値線図である。この合金におけるモリブデン含有量は、1.0質量%に固定されている。FIG. 19 is a contour diagram showing the effects of chromium and tungsten on the stability number Md in an alloy having a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. The molybdenum content in this alloy is fixed at 1.0% by mass. 図20は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、安定度数Mdに対する、クロム及びタングステンの影響を示す等値線図である。この合金におけるモリブデン含有量は、2.0質量%に固定されている。FIG. 20 is a contour diagram showing the effects of chromium and tungsten on the stability number Md in an alloy having a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. The molybdenum content in this alloy is fixed at 2.0% by mass. 図21は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、安定度数Mdに対する、クロム及びタングステンの影響を示す等値線図である。この合金におけるモリブデン含有量は、3.0質量%に固定されている。FIG. 21 is a contour diagram showing the effects of chromium and tungsten on the stability number Md in an alloy having a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. The molybdenum content in this alloy is fixed at 3.0% by mass. 図22は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、安定度数Mdに対する、クロム及びタングステンの影響を示す等値線図である。この合金におけるモリブデン含有量は、4.0質量%に固定されている。FIG. 22 is a contour diagram showing the effects of chromium and tungsten on the stability number Md in an alloy having a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. The molybdenum content in this alloy is fixed at 4.0% by mass. 図23は、γ´の体積分率が0.51〜0.62である合金において、安定度数Mdに対する、クロム及びタングステンの影響を示す等値線図である。この合金におけるモリブデン含有量は、5.0質量%に固定されている。FIG. 23 is a contour diagram showing the effects of chromium and tungsten on the stability number Md in an alloy having a volume fraction of γ'of 0.51 to 0.62. The molybdenum content in this alloy is fixed at 5.0% by mass.

従来、ニッケル基超合金は、経験主義に基づき設計されてきた。したがって、ニッケル基超合金の化学的組成物は、限られた量の材料の小規模処理と、挙動についてのその後の特性分析と、を含む時間のかかる高価な実験開発によって特定されてきた。その後、最良の、すなわちもっとも望ましい特性の組み合わせを示すことを見出された合金組成物が採用される。この組み合わせを達成可能な合金元素群が多数存在することは、これらの合金が完全には最適化されておらず、より改良された合金が存在する可能性が高いことを示している。 Traditionally, nickel-based superalloys have been designed on an empirical basis. Therefore, the chemical composition of nickel-based superalloys has been identified by time-consuming and expensive experimental developments, including small-scale processing of limited amounts of material and subsequent property analysis of behavior. Then an alloy composition found to exhibit the best, or most desirable combination of properties, is adopted. The presence of a large number of alloying elements that can achieve this combination indicates that these alloys are not fully optimized and are likely to have better alloys.

超合金においては一般的に、耐酸化性/耐食性を付与するためにクロム(Cr)及びアルミニウム(Al)が添加され、硫化に対する耐性を向上させるためにコバルト(Co)が添加される。耐クリープ性の為に、モリブデン(Mo)、タングステン(W)及びコバルト(Co)が導入されるが、これは、これらの元素が、クリープ変形の割合を決定する熱活性化過程(例えば、転位上昇)を阻害するためである。静的強度及び繰り返し強度を高めるために、アルミニウム(Al)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)及びチタン(Ti)が導入されるが、これは、これらの元素が、析出硬化相ガンマプライム(γ´)の形成を促進させるためである。この析出相は、ガンマ(γ)と呼ばれる面心立方(FCC)マトリックス相とコヒーレントである。 In superalloys, chromium (Cr) and aluminum (Al) are generally added to impart oxidation resistance / corrosion resistance, and cobalt (Co) is added to improve resistance to sulfide. Molybdenum (Mo), tungsten (W) and cobalt (Co) are introduced for creep resistance, which is a thermal activation process in which these elements determine the rate of creep deformation (eg, dislocations). This is to prevent the rise). Aluminum (Al), tantalum (Ta), niobium (Nb) and titanium (Ti) are introduced to increase static and repeat strength, which means that these elements are precipitation-hardened phase gamma prime. This is to promote the formation of γ'). This precipitated phase is coherent with a face-centered cubic (FCC) matrix phase called gamma (γ).

本明細書においては、ニッケル基超合金の新たなグレードの特定に用いられる、モデルに基づく手法を、「合金設計」(ABD)法という用語で記載する。この手法には、非常に広範な組成領域に亘って設計関連特性を推定するための計算材料モデルのフレームワークが利用される。原則的に、この合金設計ツールにより、いわゆる逆問題が解決可能となる。すなわち、指定された設計制約を最も満足する、最適な合金組成を特定できる。 As used herein, a model-based approach used to identify new grades of nickel-based superalloys is described in terms of the "alloy design" (ABD) method. This technique utilizes a computational material model framework for estimating design-related properties over a very wide range of compositional areas. In principle, this alloy design tool can solve the so-called inverse problem. That is, the optimum alloy composition that most satisfies the specified design constraints can be specified.

設計過程の第1ステップは、元素表と、その元素表に付随した組成制限の上限及び下限と、を規定することである。本発明においては、「合金設計領域」と呼ばれる、各元素を添加する際の元素ごとの組成制限が考慮される。この組成制限については、表2に詳述されている。表2に、研究された合金設計領域を示す。 The first step in the design process is to define the elemental table and the upper and lower limits of the composition restrictions associated with the elemental table. In the present invention, a composition limitation for each element when adding each element, which is called an "alloy design area", is taken into consideration. This composition restriction is detailed in Table 2. Table 2 shows the alloy design areas studied.

Figure 2021523985
Figure 2021523985

第2ステップは、特定の合金組成物の相図及び熱力学的特性を計算するための、熱力学的計算に基づいて行われる。これは、CALPHAD法(CALculate PHAse Diagram)と呼ばれることが多い。これらの計算を、新しい合金の典型的な使用温度(900℃)で実施することで、相平衡(微細構造)についての情報が得られる。 The second step is based on thermodynamic calculations to calculate the phase diagram and thermodynamic properties of a particular alloy composition. This is often referred to as the CALPHAD method (CALculate PHAse Diagram). Performing these calculations at the typical operating temperature (900 ° C.) of the new alloy provides information about phase equilibrium (microstructure).

第3段階には、所望の微細構造を有する合金組成物を特定することが含まれる。クリープ変形に対する優れた耐性を必要とするニッケル基超合金の場合、析出硬化相γ´の体積分率が増加するにつれてクリープ破断寿命が徐々に改良される。クリープ破断寿命が最も有益となるγ´の体積分率の範囲は、900℃で60〜70%である(ただし、他の設計上の制約により、体積分率はこれよりも低い値に制限されることが多いため、γ´体積分率が50%〜60%の合金が含まれる)。γ´の体積分率が70%を超えると、耐クリープ性の低下が観察される。 The third step involves identifying an alloy composition having the desired microstructure. In the case of nickel-based superalloys that require excellent resistance to creep deformation, the creep rupture life is gradually improved as the volume fraction of the precipitation hardening phase γ'increases. The range of volume fraction of γ'where creep break life is most beneficial is 60-70% at 900 ° C. (however, other design constraints limit the volume fraction to lower values. Includes alloys with a γ'volume fraction of 50% to 60%). When the volume fraction of γ'exceeds 70%, a decrease in creep resistance is observed.

また、γ/γ´格子不整は、コヒーレンシーを失うため、正又は負のうち、いずれか小さい値に従う必要がある。したがって、制限はその値の絶対値に依存する。格子不整δは、γ相とγ´相との間の不整合として定義され、以下の式によって求められる。 In addition, since γ / γ'lattice irregularity loses coherency, it is necessary to follow a smaller value of positive and negative. Therefore, the limit depends on the absolute value of that value. Lattice irregularity δ is defined as an inconsistency between the γ phase and the γ'phase, and is calculated by the following equation.

Figure 2021523985
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ここで、αγ及びαγ´は、γ相及びγ´相の格子定数である。 Here, α γ and α γ'are lattice constants of the γ phase and the γ'phase.

したがって、このモデルにより、γ´の体積分率の計算結果が所望の値となる、設計領域内における全ての組成物が特定される。これらの組成物では、γ´の格子不整が所定の絶対値未満である。 Therefore, this model identifies all compositions in the design area where the calculation result of the volume fraction of γ'is the desired value. In these compositions, the lattice irregularity of γ'is less than a predetermined absolute value.

第4段階では、データセット内に残った特定された合金組成物について、メリット指数が推定される。メリット指数には、クリープメリット指数(平均組成のみに基づく合金の耐クリープ性を示す)、強度メリット指数(平均組成のみに基づく合金の析出降伏強度(an alloy’s precipitation yield strength)を示す)、密度、コスト、微細構造安定性及びガンマプライムソルバス温度が含まれる。 In the fourth stage, a merit index is estimated for the identified alloy compositions remaining in the dataset. The merit index includes creep merit index (indicating creep resistance of alloy based only on average composition), strength merit index (indicating an alloy's precipitation yield strength based only on average composition), density, and Includes cost, microstructural stability and gamma prime sorbus temperature.

第5段階では、計算されたメリット指数が所望の挙動に対する制約と比較され、これらの設計制約が、問題に対する境界条件とみなされる。境界条件を満たさないすべての組成物は排斥される。この段階において、試験データセットのサイズは非常に小さくなる。 In the fifth stage, the calculated merit index is compared to the constraints on the desired behavior and these design constraints are considered as boundary conditions for the problem. All compositions that do not meet the boundary conditions are rejected. At this stage, the size of the test data set is very small.

最後の第6段階には、残った組成物のデータセットを分析することが含まれる。この分析は、様々な方法で行われ得る。1つには、メリット指数が最大値を示す合金について、データベースを介して分類してもよい。メリット指数が最大値を示す合金とは、例えば最軽量合金、最も耐クリープ性が高い合金、最も耐酸化性が高い合金、及び最も安価な合金である。又は、その代わりに、データベースを用いて、特性の異なる組み合わせによって生じる、性能の相対的なトレードオフを求めてもよい。 The final sixth step involves analyzing the dataset of the remaining composition. This analysis can be done in a variety of ways. For one thing, alloys having the maximum merit index may be classified via a database. The alloy having the maximum merit index is, for example, the lightest alloy, the alloy with the highest creep resistance, the alloy with the highest oxidation resistance, and the cheapest alloy. Alternatively, a database may be used to determine the relative performance trade-offs caused by the combination of different properties.

7つのメリット指数を説明する。 The seven merit indexes will be described.

第1のメリット指数はクリープメリット指数である。最も重要な観測は、ニッケル基超合金の時間依存変形(即ち、クリープ)が、γ相に限られた初期活性に伴う転位クリープによって発生することである。したがって、γ´相の割合が大きくなるため、転位セグメントが急速にγ/γ´界面に固定される。律速段階は、γ/γ´界面からの、転位のトラップされた構成の離脱である。それは、クリープ特性に対して合金組成物が及ぼす重大な影響を引き起こす局所化学(この場合はγ相の組成)に依存する。 The first merit index is the creep merit index. The most important observation is that the time-dependent deformation (ie, creep) of the nickel-based superalloy is caused by dislocation creep with initial activity limited to the γ phase. Therefore, the dislocation segment is rapidly fixed at the γ / γ'interface due to the large proportion of the γ'phase. The rate-determining step is the departure of the trapped configuration of dislocations from the γ / γ'interface. It depends on the local chemistry (in this case the composition of the γ phase) that causes the significant effect of the alloy composition on the creep properties.

物理学に基づいた微細構造モデルは、荷重が一軸であって<001>結晶学的方向に沿っている場合において、クリープ歪εの蓄積速度に援用される。集合方程式は、以下の式である。 The physics-based microstructure model is used for the rate of accumulation of creep strain ε · when the load is uniaxial and along the <001> crystallographic direction. The set equation is the following equation.

Figure 2021523985
Figure 2021523985

ここで、ρは可動転位密度、φpはγ´相の体積分率、ωはマトリックスチャネルの幅である。項σ及びΤはそれぞれ、作用応力及び温度である。項b及びkはそれぞれ、バーガースベクトル及びボルツマン定数である。項KCFは、拘束係数である。 Here, ρ m is the movable dislocation density, φ p is the volume fraction of the γ'phase, and ω is the width of the matrix channel. The terms σ and Τ are working stress and temperature, respectively. The terms b and k are Burgers vector and Boltzmann constant, respectively. The term K CF is the constraint factor.

Figure 2021523985
Figure 2021523985

項KCFは、これらの合金内の立方状粒子の近接度を示す。式3は、乗算パラメータC及び初期転位密度の推定を必要とする転位乗算過程を示している。項Deffは、粒子/マトリックス界面における上昇過程を制御する有効拡散率である。 The term K CF indicates the proximity of cubic particles in these alloys. Equation 3 shows the dislocation multiplication process that requires the multiplication parameter C and the estimation of the initial dislocation density. The term D eff is an effective diffusivity that controls the ascending process at the particle / matrix interface.

なお、上述の内容において、組成依存性は、2つの項φとDeffから生じる。したがって、微細構造が一定である(微細構造の大部分が熱処理によって制御される)と仮定すると、φが固定されるため、化学組成への依存性は、Deffによって生じる。ここに説明されている合金設計モデリングの目的のために、各プロトタイプ合金組成物に対して式2及び式3の完全な積分を実施する必要がないことがわかる。代わりに、最大化が必要な、一次メリット指数Mcreepが用いられる。Mcreepは、以下の式で求められる。 In the above contents, the composition dependence arises from the two terms φ p and D eff . Therefore, assuming that the microstructure is constant (most of the microstructure is controlled by heat treatment), the dependence on the chemical composition is caused by Deff because φp is fixed. It can be seen that for the purposes of alloy design modeling described herein, it is not necessary to perform the complete integration of Equations 2 and 3 for each prototype alloy composition. Instead, the primary merit index Mcreep , which needs to be maximized, is used. M creep is calculated by the following formula.

Figure 2021523985
Figure 2021523985

ここで、xは、γ相中の溶質iの原子分率である。D は、適切な相互拡散係数である。 Here, x i is the atomic fraction of the solute i in the γ phase. Di ~ is an appropriate mutual diffusion coefficient.

第2のメリット指数は強度メリット指数である。高ニッケル基超合金の場合、強度の大部分は析出相に由来する。したがって、析出強度を最大とするために合金組成を最適化することは、設計上の重要な考慮事項である。硬化理論に基づき、強度のメリット指数Mstrengthが提案される。この指数は、(弱い結合から強い結合への転位せん断の移行が起こる点として決定される)最大可能析出強度を考慮しており、下記の式を用いて近似される。 The second merit index is the strength merit index. For high nickel-based superalloys, most of the strength comes from the precipitated phase. Therefore, optimizing the alloy composition to maximize precipitation strength is an important design consideration. Based on the curing theory, the strength merit index M strength is proposed. This index takes into account the maximum possible precipitation strength (determined as the point at which the dislocation shear transition from a weak bond to a strong bond occurs) and is approximated using the formula below.

Figure 2021523985
Figure 2021523985

ここで、M−はテイラー係数、γAPBは逆位相境界(APB)エネルギー、φpはγ´相の体積分率、bはバーガースベクトルである。 Here, M− is the Taylor coefficient, γ APB is the antiphase boundary (APB) energy, φ p is the volume fraction of the γ'phase, and b is the Burgers vector.

式(5)より、γ´相における欠陥エネルギー(例えば逆位相境界APBエネルギー)が、ニッケル基超合金の変形挙動に大きな影響を与えることは明らかである。APBエネルギーを増加させることは、引張強度およびクリープ変形に対する耐性を含む機械的性質を改善することがわかった。APBエネルギーの研究は、密度汎関数理論を用いて、多くのNi−Al−X系について行われた。この研究により、γ´相のAPBエネルギーに対する三元元素の影響が計算され、複合多成分系を考慮した場合における、各三元元素の添加による影響の線形重畳が仮定された。その結果、以下の式が導かれた。 From equation (5), it is clear that the defect energy in the γ'phase (for example, the anti-phase boundary APB energy) has a great influence on the deformation behavior of the nickel-based superalloy. Increasing APB energy has been found to improve mechanical properties, including tensile strength and resistance to creep deformation. Studies of APB energies have been carried out on many Ni-Al-X systems using density functional theory. This study calculated the effect of the ternary elements on the APB energy of the γ'phase and assumed a linear superposition of the effects of the addition of each ternary element when considering complex multi-component systems. As a result, the following equation was derived.

Figure 2021523985
Figure 2021523985

ここで、xCr、xMo、x、xTa、xNb及びxTiはそれぞれ、γ´相におけるクロム、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ及びチタンの原子%濃度を表す。γ´相における組成は、相平衡計算によって求められる。 Here, x Cr , x Mo , x W , x Ta , x Nb and x Ti represent the atomic% concentrations of chromium, molybdenum, tungsten, tantalum, niobium and titanium in the γ'phase, respectively. The composition in the γ'phase is determined by phase equilibrium calculation.

第3のメリット指数は、密度である。密度ρは、混合物の単純な規則及び補正係数を用いることで計算された。ここで、ρは所与の元素の密度であり、xiは合金元素の原子分率である。 The third merit index is density. The density ρ was calculated using a simple rule of the mixture and a correction factor. Where ρ i is the density of a given element and x i is the atomic fraction of the alloying element.

Figure 2021523985
Figure 2021523985

第4のメリット指数は、コストである。各合金のコストを推定するために、混合物の単純な規則を適用した。ここで、各合金のコストは、合金元素の質量分率xiに、合金元素の現在(2017)の原材料コストcを掛けたものを用いた。 The fourth merit index is cost. A simple rule of mixture was applied to estimate the cost of each alloy. Here, the cost of each alloy, the mass fraction x i of alloying elements was used multiplied by the raw material cost c i of the current (2017) of the alloying elements.

Figure 2021523985
Figure 2021523985

この推定は、加工コストがすべての合金において同一であると仮定している。すなわち、製品収率は組成物による影響を受けない。 This estimation assumes that the processing costs are the same for all alloys. That is, the product yield is not affected by the composition.

第5のメリット指数は、TCP相に対する感受性(susceptibility)に基づいて作成された不適切な微細構造を基礎とする合金候補の除外に基づいている。これを行うために、合金元素のd軌道エネルギーレベル(Mdと称す)を用い、以下の式に従って総有効Mdレベルを決定する。 The fifth merit index is based on the exclusion of alloy candidates based on improper microstructures created based on susceptibility to the TCP phase. To do this, the d-orbital energy level of the alloying element (referred to as Md) is used to determine the total effective Md level according to the following equation.

Figure 2021523985
Figure 2021523985

ここで、xは、合金に含まれる元素iのモル分率を表す。Mdの値が高いほど、TCP形成の可能性が高いことを示す。 Here, x i represents the mole fraction of the element i contained in the alloy. The higher the value of Md, the higher the possibility of TCP formation.

第6のメリット指数は、ガンマプライムソルバス温度である。ガンマプライムソルバスは、ガンマプライムの体積分率が0になる傾向がある温度として定義される。これは、合金設計法の第2ステップにおいて上述したように、熱力学計算を用いて決定される。特定の合金組成物の相図及び熱力学的特性を計算し、相転移が生じる温度を発見するために用いる。 The sixth merit index is the gamma prime solver temperature. Gamma prime solves are defined as the temperature at which the volume fraction of gamma prime tends to be zero. This is determined using thermodynamic calculations, as described above in the second step of the alloy design method. It is used to calculate the phase diagram and thermodynamic properties of a particular alloy composition and to discover the temperature at which the phase transition occurs.

第7のメリット指数は固溶メリット指数である。固溶硬化は、ガンマ(γ)と呼ばれる(FCC)マトリックス相で起こり、特にこの硬化メカニズムは、高い強度及び耐クリープ性のために、高温において重要である。マトリックス相の強化に対する個々の溶質原子の重ね合わせを仮定するモデルが採用されている。設計領域内で考慮される元素の固溶強度係数kiは、アルミニウム、コバルト、クロム、モリブデン、ニオブ、タンタル、チタンおよびタングステンにおいてそれぞれ、225、39.4、337、1015、1183、1191、775および977MPa/at.%1/2である(H. Roth, C. Davis, and R. Thomson: Metallurgical and Materials Transactions A, 1997, vol. 28, pp. 1329 - 1335)。固溶指数は、以下の式を使用して、マトリックス相の平衡組成に基づいて計算される。 The seventh merit index is the solid solution merit index. Solid solution curing occurs in a (FCC) matrix phase called gamma (γ), and this curing mechanism is particularly important at high temperatures due to its high strength and creep resistance. A model has been adopted that assumes the superposition of individual solute atoms for reinforcement of the matrix phase. The solid solubility strength coefficients k i of the elements considered within the design area are 225, 39.4, 337, 1015, 1183, 1191, 775 for aluminum, cobalt, chromium, molybdenum, niobium, tantalum, titanium and tungsten, respectively. And 977 MPa / at.% 1/2 (H. Roth, C. Davis, and R. Thomson: Metallurgical and Materials Transactions A, 1997, vol. 28, pp. 1329-1335). The solid solution index is calculated based on the equilibrium composition of the matrix phase using the following formula.

Figure 2021523985
Figure 2021523985

ここで、Msolid-solutionは固溶メリット指数、xは、γマトリックス相中の元素iの濃度である。 Here, M solid-solution is a solid solution figure of merit, x i is the concentration of the element i of the γ matrix phase.

上述のABD法を用いて、本発明の合金組成物を特定した。この合金の設計意図は、低廉な合金コスト、耐酸化性/耐食性の向上及び微細構造安定性と組み合わせて、強度の大幅な向上、特に高温強度及び耐クリープ性の向上を実現することである。新たな合金の特性のバランスによれば、特に部品の動作温度が800度以上であるタービンディスク用途としての使用において、従来技術と比較して、動作温度の最大値を向上させることができる。 The alloy composition of the present invention was identified using the ABD method described above. The design intent of this alloy is to achieve significant improvements in strength, especially high temperature strength and creep resistance, in combination with low alloy costs, improved oxidation / corrosion resistance and microstructural stability. According to the new balance of alloy properties, the maximum operating temperature can be improved as compared with the prior art, especially in use for turbine disc applications where the operating temperature of the component is 800 degrees or higher.

粉末冶金(PM)タービンディスク用途として一般的に適用/研究されている合金の公称組成(表1に記載)における、(ABD法を用いて決定された)材料特性を、表3に列挙する。これらの合金について列挙されている予測特性と関連付けて、新しい合金の設計が考慮された。表3は、「合金設計」ソフトウェアによって作成された、計算された相割合、不整合及びメリット指数を示している。これは、表1に列挙されたニッケル基超合金に関する結果である。 Table 3 lists the material properties (determined using the ABD method) in the nominal composition of alloys (listed in Table 1) commonly applied / studied for powder metallurgy (PM) turbine disc applications. New alloy designs were considered in association with the predicted properties listed for these alloys. Table 3 shows the calculated phase ratios, inconsistencies and merit indices created by the "Alloy Design" software. This is the result for the nickel-based superalloys listed in Table 1.

新しい合金の設計原理について、以下に説明する。 The design principle of the new alloy will be described below.

Figure 2021523985
Figure 2021523985

アルミニウム、ニオブ、タンタル及びチタンの添加は、析出硬化相γ´の割合に影響を与える。強度メリット指数が1900MPaを超えるという要件が選択された。この要件は、列挙された従来技術のうち最も強度が高いUS8,147,749と比較して、強度が向上していることを示している。設計領域内のすべての合金組成物の強度メリット指数対体積分率をプロットすることにより、850℃の温度で51%以上のガンマプライム体積分率を有することで所望の強度を達成できることがわかった(図2)。 The addition of aluminum, niobium, tantalum and titanium affects the proportion of precipitation-hardened phase γ'. The requirement that the strength merit index exceed 1900 MPa was selected. This requirement shows that the strength is improved compared to US8,147,749, which is the strongest of the prior arts listed. By plotting the strength merit index vs. volume fractions of all alloy compositions in the design area, it was found that the desired strength can be achieved by having a gamma prime volume fraction of 51% or more at a temperature of 850 ° C. (Fig. 2).

図3は、(等値線としての)合金γ´の割合と、(0.6WTi+0.31WNb+0.15WTaの関係に基づく)チタン、タンタル及びニオブの合計対プロットされたアルミニウムに基づく合金組成と、の関係を示す。チタン、ニオブ及びタンタルの添加量には、質量%を「アルミニウム相当量」に変換するための重み係数が付与される。この分析にタンタルが含まれるのは、合金のコストが非常に高くなることが許容されるため、タンタルの許容レベルが非常に高くなるからである。これにより、大幅に密度が異なる元素の影響を、直接比較することができる。たとえば、アルミニウムは2.7g/cmの密度を有するのに対して、チタンは4.5g/cmの密度を有するため、係数として0.6が適用される(すなわち、2.7/4.5=0.6)。チタンと同様に、ニオブ元素(8.57g/cm)及びタンタル元素(16.4g/cm)の添加量を「アルミニウム相当量」に変換するために、定数が追加される。すなわち、ニオブ及びタンタルの補正係数は、アルミニウムに対するそれらの元素の密度から決定され、それぞれ0.31と0.15である。図3より、γ´の割合が51%以上となる合金を実現するには、アルミニウム、チタン及びニオブの添加量が以下の式に従う必要があることがわかる。 Figure 3 shows the ratio of alloy γ'(as contour lines) to the total of titanium, tantalum and niobium (based on the relationship of 0.6W Ti + 0.31W Nb + 0.15W Ta) vs. the plotted aluminum-based alloy. The relationship with the composition is shown. The amount of titanium, niobium, and tantalum added is given a weighting factor for converting mass% to "aluminum equivalent". Tantalum is included in this analysis because the cost of the alloy can be very high and therefore the tolerable level of tantalum is very high. This makes it possible to directly compare the effects of elements with significantly different densities. For example, aluminum has a density of 2.7 g / cm 3 , whereas titanium has a density of 4.5 g / cm 3 , so a coefficient of 0.6 is applied (ie, 2.7 / 4). .5 = 0.6). Similar to titanium, a constant is added to convert the amount of niobium element (8.57 g / cm 3 ) and tantalum element (16.4 g / cm 3) added to "aluminum equivalent". That is, the correction factors for niobium and tantalum are determined from the densities of those elements relative to aluminum and are 0.31 and 0.15, respectively. From FIG. 3, it can be seen that in order to realize an alloy in which the ratio of γ'is 51% or more, the addition amounts of aluminum, titanium and niobium must follow the following formula.

Figure 2021523985
Figure 2021523985

ここで、f(γ´)は数値であり、WTi、WNb、WTa及びWAlはそれぞれ、合金に含まれるチタン、ニオブ、タンタル及びアルミニウムの質量%である。合金を処理する容易な能力を維持するために、ガンマプライムソルバスは望ましくは1180℃以下であり、これは、ガンマプライム割合を62%以下とすることが有益であることを意味する(図4を参照して後述)。ガンマプライム割合を62%以下とするためには、f(γ´)の数値を7.4以下とする必要がある。したがって、f(γ´)は、6.2〜7.4の範囲とすることが好ましい。より好ましくは、合金のガンマプライムソルバスは、1170℃以下である。これにより、ガンマプライム割合が56%以下に制限される。これを実現するためには、f(γ´)は6.7以下とする必要がある。 Here, f (γ') is a numerical value, and W Ti , W Nb , W Ta, and W Al are mass% of titanium, niobium, tantalum, and aluminum contained in the alloy, respectively. In order to maintain the easy ability to process the alloy, the gamma prime solver is preferably 1180 ° C. or lower, which means that it is beneficial to have a gamma prime ratio of 62% or less (FIG. 4). See below). In order for the gamma prime ratio to be 62% or less, the value of f (γ') must be 7.4 or less. Therefore, f (γ') is preferably in the range of 6.2 to 7.4. More preferably, the gamma prime solution of the alloy is 1170 ° C. or lower. This limits the gamma prime ratio to 56% or less. In order to realize this, f (γ') needs to be 6.7 or less.

ガンマプライム体積分率は、以下の手順によって実験的に測定される。長時間850℃の熱に暴露した後、試料が水で急冷されて材料の一部が切り取られ、走査型電子顕微鏡を用いて従来の/標準的な冶金準備技術を利用して研磨される。準備が完了すると、ガンマ/ガンマプライムの微細構造を走査型電子顕微鏡によって観察できるようにし、直径30nm以上の粒子を観察できるようにする。統計的に代表的なデータセットを提供する、最低10枚の画像が撮影される。該画像は少なくとも1mmの領域をカバーする必要がある。ガンマ/ガンマプライムの微細構造を明らかにする2次元画像を、ガンマプライム相を特定するように処理し、ガンマプライム相の面積率を算出する必要がある。該相の面積率は、ガンマプライムの体積分率とみなされ、51〜62%の間に存する必要がある。 The gamma prime volume fraction is measured experimentally by the following procedure. After prolonged exposure to heat of 850 ° C., the sample is quenched with water to cut out a portion of the material and polished using a scanning electron microscope using conventional / standard metallurgical preparation techniques. When the preparation is completed, the fine structure of gamma / gamma prime can be observed by a scanning electron microscope, and particles having a diameter of 30 nm or more can be observed. At least 10 images are taken that provide a statistically representative dataset. The image should cover an area of at least 1 mm 2. It is necessary to process a two-dimensional image for clarifying the fine structure of gamma / gamma prime so as to identify the gamma prime phase, and calculate the area ratio of the gamma prime phase. The area fraction of the phase is considered the volume fraction of gamma prime and must be between 51 and 62%.

強度と合金を処理する能力との良好なバランスを達成するために、γ´相のソルバス温度は、1180℃以下とする。γ´ソルバス以上の熱処理を可能としつつ、γ´ソルバス温度以上の温度からの冷却時における合金の割れ感受性を低減することができるため、γ´ソルバスは1180℃以下であることが好ましい。γ´ソルバス温度以上の温度で熱処理を行うことにより、粗粒を成長させて滞留疲労(dwell fatigue)に対する耐性を向上させることができるため、γ´ソルバス温度以上の温度で熱処理を行うことが望ましい。この損傷メカニズムは、このクラスの合金においてしばしば寿命を制限する要因である。図4に基づいて、合金のγ´ソルバスと、(0.6WTi+0.31WNb+0.15WTaの関係に基づく)チタン、タンタル及びニオブの合計及びアルミニウムに基づく合金組成と、の関係性が得られた。アルミニウム、チタン及びニオブの添加量は、以下の式に従う。 In order to achieve a good balance between strength and ability to process alloys, the γ'phase sorbus temperature is set to 1180 ° C. or lower. The γ'solvus is preferably 1180 ° C. or lower because it is possible to reduce the cracking susceptibility of the alloy during cooling from a temperature equal to or higher than the γ'solvus temperature while enabling heat treatment of γ'solvus or higher. By performing the heat treatment at a temperature equal to or higher than the γ'solvus temperature, coarse particles can be grown and the resistance to dwell fatigue can be improved. Therefore, it is desirable to perform the heat treatment at a temperature equal to or higher than the γ'solvus temperature. .. This damage mechanism is often a life limiting factor in this class of alloys. Based on FIG. 4, the relationship between the alloy γ'solvus and the total of titanium, tantalum and niobium (based on the relationship of 0.6W Ti + 0.31W Nb + 0.15W Ta) and the alloy composition based on aluminum is obtained. Was done. The amount of aluminum, titanium and niobium added is according to the following formula.

Figure 2021523985
Figure 2021523985

ここで、f(solvus)は数値である。ソルバスが1180℃以下の合金を製造するためには、f(solvus)の数値は8.0未満である必要がある。この制約によれば、ガンマプライム体積分率が62%までに制限される(図3参照)。1170℃以下のソルバスを有する合金を製造するために、f(solvus)の数値は7.3未満であることが好ましい。ソルバスが1170℃以下の場合、合金を処理する能力をさらに向上させることができる。したがって、ガンマプライムの割合を56%までに制限することが好ましい(図3参照)。 Here, f (solvus) is a numerical value. In order to produce an alloy in which Sorbas is 1180 ° C or lower, the value of f (solvus) needs to be less than 8.0. According to this constraint, the gamma prime volume fraction is limited to 62% (see FIG. 3). In order to produce an alloy having a sorbus of 1170 ° C. or lower, the value of f (solvus) is preferably less than 7.3. When the sorbus is 1170 ° C. or lower, the ability to process alloys can be further improved. Therefore, it is preferable to limit the proportion of gamma prime to 56% (see FIG. 3).

1.0≦(0.6WTi+0.31WNb+0.15WTa)/WAl≦1.3との関係性(D.J. Crudden, N. Warnken, A. Mottura, and R.C. Reed. Modelling of the influence of alloy composition on flow stress in high-strength nickel-based superalloys. Acta Materialia, 7:356〜370, 2014 参照)を満たす元素の割合を有する合金を選択することが有益である。最小値は、1.0に制限することが望ましい。これにより、APBエネルギーが大幅に増加するため、合金強度を高めることができる(式(6)参照)。APBエネルギーを高めることで、特に600〜850℃の中間温度領域(この温度領域は、この合金の意図された動作温度範囲である)において、析出せん断に対する耐性を向上させ、引張強度とクリープ強度の双方の観点から合金に強度を付与することができるため、望ましい。最大値は、1.3に制限することが好ましい。これは、γ´相の安定性を維持するために必要であり、この値を超えると、合金の延性及び耐疲労性を減少させる、望ましくないイータ相(Ni3Ti)及びデルタ相(Ni3Nb)が形成されやすくなる。ニオブを高濃度にするとニオブリッチなデルタ相Ni3Nbを安定化させてしまうため、ニオブは4.0質量%以下に制限される必要がある。(0.6WTi+0.31WNb+0.15WTa)/WAlの割合が1.0〜1.3の間に存する合金は、強度と、ガンマプライム安定性と、の望ましい組み合わせを有する。より好ましくは、合金が備えるニオブは、3質量%以下である。これは、ニオブに関しては、ニオブ酸化物が形成されることによって、合金の滞留亀裂伝播(dwell crack propagation)の速度が大きくなることが見出されているためである。最も好ましくは、合金が備えるニオブは、2質量%以下に制限される。これにより、ニオブ酸化物の形成が阻害され、滞留亀裂伝播に対する耐性がより向上する。 Relationship with 1.0 ≤ (0.6W Ti + 0.31W Nb + 0.15W Ta ) / W Al ≤ 1.3 (DJ Crudden, N. Warnken, A. Mottura, and RC Reed. Modeling of the influence of alloy composition on flow stress in high-strength nickel-based superalloys. Acta Materialia, 7: 356-370, 2014) It is beneficial to select an alloy with a proportion of elements that satisfies it. The minimum value is preferably limited to 1.0. As a result, the APB energy is significantly increased, so that the alloy strength can be increased (see equation (6)). Increasing the APB energy improves resistance to precipitation shear, especially in the intermediate temperature range of 600-850 ° C., which is the intended operating temperature range of the alloy, for tensile and creep strength. It is desirable because it can impart strength to the alloy from both perspectives. The maximum value is preferably limited to 1.3. This is necessary to maintain the stability of the γ'phase, above which the undesired eta phase (Ni 3 Ti) and delta phase (Ni 3) reduce the ductility and fatigue resistance of the alloy. Nb) is likely to be formed. High concentrations of niobium stabilize the niobium-rich delta phase Ni 3 Nb, so niobium needs to be limited to 4.0% by weight or less. Alloys with a ratio of (0.6W Ti + 0.31W Nb + 0.15W Ta ) / W Al between 1.0 and 1.3 have the desired combination of strength and gamma prime stability. More preferably, the niobium contained in the alloy is 3% by mass or less. This is because, with respect to niobium, it has been found that the formation of niobium oxide increases the rate of dwell crack propagation in the alloy. Most preferably, the niobium contained in the alloy is limited to 2% by mass or less. This inhibits the formation of niobium oxides and further improves resistance to retention crack propagation.

図3に、合金のγ´割合と、アルミニウム及び(0.6WTi+0.31WNb+0.15WTaとの関係に基づく)ニオブ元素とチタン元素とタンタル元素との合計の影響と、の関係を示す。この図には、f(solvus)が8.0及び7.3の場合におけるガンマプライムソルバスの関係が描かれている。また、この図には、(0.6WTi+0.31WNb+0.31WTa)/WAlが1.0及び1.3の場合における関係が描かれている。図3のハッチングされた領域は、本発明における好ましい組成領域を示している。この図より、ガンマプライム割合を51%以上とするためには、アルミニウム含有量を2.8質量%以上とする必要がある(図3)。ガンマプライムソルバスを1180℃以下に制限するには、アルミニウム含有量を3.7質量%以下に制限する必要がある。アルミニウム含有量は、3.5質量%までに制限することが好ましい。これは、ガンマプライムソルバス温度を下げるのに役立つ。アルミニウム含有量は、3.1質量%までに制限することが、より好ましい。これにより、強度と、ガンマプライムソルバス温度の低下と、の組み合わせがさらにより良好となる。 FIG. 3 shows the relationship between the γ'ratio of the alloy and the total effect of aluminum, niobium element (based on the relationship with 0.6W Ti + 0.31W Nb + 0.15W Ta), titanium element and tantalum element. show. This figure shows the relationship of gamma prime sorbas when f (solvus) is 8.0 and 7.3. Further, in this figure, the relationship when (0.6W Ti + 0.31W Nb + 0.31W Ta ) / W Al is 1.0 and 1.3 is drawn. The hatched regions in FIG. 3 indicate preferred composition regions in the present invention. From this figure, in order to make the gamma prime ratio 51% or more, the aluminum content needs to be 2.8% by mass or more (FIG. 3). In order to limit the gamma prime solution to 1180 ° C. or lower, the aluminum content must be limited to 3.7% by mass or less. The aluminum content is preferably limited to 3.5% by mass. This helps lower the gamma prime solver temperature. More preferably, the aluminum content is limited to 3.1% by mass. This makes the combination of intensity and lower gamma prime solver temperature even better.

図5〜9は、アルミニウム濃度を2.8〜3.7質量%に制限した場合における、強度メリット指数の観点からの、合金強度に対するチタン、ニオブ及びタンタルの影響を示す。各図には、合金にアルミニウム濃度が最大量含有されている(3.7質量%)場合における、ガンマプライムソルバスの制限(f(solvus)=8.0)が示されている。図5〜9より、合金の化学的性質と予測される強度との関係を決定することができる。アルミニウム含有量が2.8〜3.7質量%の場合、元素の添加量は次の式に従う。 FIGS. 5-9 show the effects of titanium, niobium and tantalum on the alloy strength from the viewpoint of the strength merit index when the aluminum concentration is limited to 2.8 to 3.7% by mass. Each figure shows the limitation of gamma prime sorbus (f (solvus) = 8.0) when the alloy contains the maximum amount of aluminum (3.7% by mass). From FIGS. 5-9, the relationship between the chemical properties of the alloy and the expected strength can be determined. When the aluminum content is 2.8 to 3.7% by mass, the amount of the element added is according to the following formula.

Figure 2021523985
Figure 2021523985

f(strength)は、1900MPa以上の強度メリット指数を有する合金を得るために、4.2以上となることが必要な数値である。チタンに対する強度の影響を正規化するとともにこれらの「アルミニウム相当量」を考慮することによって、式5に基づいて、ニオブ及びタンタルの定数が得られる。例えば、ニオブは、アルミニウム相当量で0.31であり、APBエネルギーに対する影響がチタンの1.4倍であるため、係数として0.44(0.31×1.4)が適用される。タンタルは、アルミニウム相当量で0.15であり、APBエネルギーに対する影響がチタンの1.8倍であるため、係数として0.27(0.15×1.8)が適用される。 f (strength) is a numerical value that needs to be 4.2 or more in order to obtain an alloy having a strength merit index of 1900 MPa or more. By normalizing the effect of strength on titanium and considering these "aluminum equivalents", niobium and tantalum constants can be obtained based on Equation 5. For example, niobium has an aluminum equivalent of 0.31 and its effect on APB energy is 1.4 times that of titanium, so 0.44 (0.31 x 1.4) is applied as a coefficient. Since tantalum has an aluminum equivalent of 0.15 and its effect on APB energy is 1.8 times that of titanium, a coefficient of 0.27 (0.15 × 1.8) is applied.

図5〜9より、ニオブとチタンのみでは、好ましい低ソルバス温度としつつ所望のレベルの強度メリット指数(1900MPa)を達成することが簡単でないことがわかる。したがって、本発明の合金は、2.4質量%以上のタンタルを含有することが必要である。タンタルを高レベルにすることで、強度を高めてγ´ソルバスを低めることができるが、これはチタン及びニオブのレベルだけで可能となるため、合金におけるタンタルの含有量は、2.45質量%以上または2.5質量%以上であることが好ましい。最も好ましくは、タンタルは3.4質量%以上である。さらにより好ましくは、特にニオブが2.0質量%までに制限されている場合、合金におけるタンタルの含有量は5.1質量%以上である。これにより、合金強度をより高め、強度メリット指数を1950MPa以上とすることができる。好ましくは、ニオブは、合金の強度に寄与するために、少なくとも1.0質量%で存在する。 From FIGS. 5 to 9, it can be seen that it is not easy to achieve a desired level of strength merit index (1900 MPa) while maintaining a preferable low sorbus temperature with niobium and titanium alone. Therefore, the alloy of the present invention needs to contain 2.4% by mass or more of tantalum. Higher levels of tantalum can increase strength and lower γ'solvus, but this is only possible at titanium and niobium levels, so the tantalum content in the alloy is 2.45% by weight. It is preferably more than or equal to 2.5% by mass or more. Most preferably, tantalum is 3.4% by mass or more. Even more preferably, the tantalum content in the alloy is 5.1% by weight or higher, especially when niobium is limited to 2.0% by weight. As a result, the alloy strength can be further increased and the strength merit index can be set to 1950 MPa or more. Preferably, niobium is present in at least 1.0% by weight to contribute to the strength of the alloy.

合金のチタン含有量は、5.1質量%以下に制限される。これにより、(強度メリット指数を1900MPa以上とする観点からの)強度と、(ガンマプライムソルバスを1180℃以下とする観点からの)被製造能力と、の正しいバランスを有する合金が得られる(図5参照)。合金にチタンを添加することにより、合金強度を向上させる効果が得られる。一方、チタンは酸化に対する悪影響を与える可能性があるため、チタンは4.8質量%までに制限されることが好ましく(図6)、4.6質量%までに制限されることがより好ましい(図7)。これにより、強度と耐酸化性との改善されたバランスが達成される。さらにより好ましくは、特にタンタル含有量が5.1質量%である場合、チタン含有量を4.2質量%までに制限することにより、1950MPaのより高い強度が得られるとともに、合金強度と耐酸化性とのさらに良好な組み合わせが得られる。 The titanium content of the alloy is limited to 5.1% by weight or less. As a result, an alloy having the correct balance between the strength (from the viewpoint of the strength merit index of 1900 MPa or more) and the production capacity (from the viewpoint of the gamma prime solver of 1180 ° C. or less) can be obtained (Fig. 5). By adding titanium to the alloy, the effect of improving the alloy strength can be obtained. On the other hand, since titanium may have an adverse effect on oxidation, titanium is preferably limited to 4.8% by mass (FIG. 6), and more preferably 4.6% by mass (FIG. 6). FIG. 7). This achieves an improved balance between strength and oxidation resistance. Even more preferably, especially when the tantalum content is 5.1% by weight, limiting the titanium content to 4.2% by weight provides a higher strength of 1950 MPa, as well as alloy strength and oxidation resistance. A better combination with sex is obtained.

(図11を用いた、後述する合金密度の観点からの)タンタル濃度の最大値である9.5質量%と、ニオブの最大濃度(4質量%)と、に基づくと、合金におけるチタンの含有量は、f(strength)に記載された関係にしたがって、少なくとも0.3質量%である。特に(安定性を向上させるために)ニオブが3.0質量%までに制限されている場合、チタン含有量は少なくとも1.1質量%である。より好ましくは、特に(さらに安定性を向上させるために)ニオブ含有量が2.0質量%以下である場合、チタン含有量は少なくとも1.8質量%である。酸化に対する悪影響に基づいて、合金のチタン含有量を制限することも望ましい。 Based on the maximum tantalum concentration of 9.5% by mass (from the viewpoint of alloy density described later using FIG. 11) and the maximum concentration of niobium (4% by mass), the content of titanium in the alloy. The amount is at least 0.3% by weight according to the relationship described in f (strength). The titanium content is at least 1.1% by weight, especially if niobium is limited to 3.0% by weight (to improve stability). More preferably, the titanium content is at least 1.8% by weight, especially if the niobium content is 2.0% by weight or less (to further improve stability). It is also desirable to limit the titanium content of the alloy based on its adverse effects on oxidation.

(強度メリット指数の観点から算出された)ガンマプライム相に起因する析出硬化に基づく強度寄与の増加とともに、強力なガンママトリックス相を有する合金を設計することが望ましい。ガンママトリックスの強度は、固溶メリット指数の観点から算出することができる。固溶強度は、合金に高温強度(引張強度及びクリープ強度の双方)を付与するために、特に重要である。タングステン及びモリブデンは、係数が大きく、ガンマ相に強力に分配される。これと異なり、ニオブ及びタンタルは、強度係数は大きいものの、ガンマ相への分配が制限される(式10参照)。そのため、合金のガンマ相の固溶強度は、主にタングステン及びモリブデンの添加量に依存する。図10は、モリブデン、タングステン及び固溶指数の関係を示す。タングステンの密度はモリブデンの密度の約2倍であるため、タングステン含有量に対して係数0.5が適用される。すなわち、この係数は、密度の相違を説明している。従来技術(特に1800MPa超の強度メリット指数を有する、表3に記載の合金)よりも優れたクリープ強度を実現するために、固溶指数が100MPa超とすることが望ましい。図10より、タングステン及びモリブデンの添加量と、固溶指数と、の関係を決定することができる。 It is desirable to design alloys with a strong gamma matrix phase, along with an increase in strength contribution based on precipitation hardening due to the gamma prime phase (calculated in terms of strength merit index). The strength of the gamma matrix can be calculated from the viewpoint of the solid solution merit index. Solid solution strength is particularly important for imparting high temperature strength (both tensile strength and creep strength) to the alloy. Tungsten and molybdenum have large coefficients and are strongly distributed to the gamma phase. Unlike this, niobium and tantalum have a large intensity coefficient, but their distribution to the gamma phase is limited (see Equation 10). Therefore, the solid solution strength of the gamma phase of the alloy mainly depends on the amount of tungsten and molybdenum added. FIG. 10 shows the relationship between molybdenum, tungsten and the solid solution index. Since the density of tungsten is about twice that of molybdenum, a factor of 0.5 is applied to the tungsten content. That is, this coefficient explains the difference in density. It is desirable that the solid solution index be more than 100 MPa in order to realize a creep strength superior to that of the prior art (particularly the alloys shown in Table 3 having a strength merit index of more than 1800 MPa). From FIG. 10, the relationship between the amount of tungsten and molybdenum added and the solid solution index can be determined.

Figure 2021523985
Figure 2021523985

ここで、f(solid solution)は、5.7以上が必要な数値であり、WMo及びWはそれぞれ、100MPa超の固溶メリット指数を有する合金を実現するための、合金内のモリブデン及びタングステンの質量%を表す。密度は8.6g/cmの制約が課せられているため、タングステンは8.0質量%まで、好ましくは7.8質量%まで、最も好ましくは6.9質量%までに制限される(これについては、図11を参照して次のセクションで説明する)。したがって、タングステンの上限(8.0質量%)に基づき、固溶の要件を満たすために、合金は最低で1.1質量%のモリブデンを備える。モリブデンは、特にタングステンが8.2質量%までに制限されている場合、1.2質量%以上存在することが好ましい。モリブデンは、特にタングステンが6.9質量%までに制限されている場合、1.7質量%以上存在することが、より好ましい。f(solid solution)は6.0以上であることが望ましい。これにより、固溶メリット指数を103MPa以上とすることができる。 Here, f (solid solution) is a numerical value that requires 5.7 or more, and W Mo and WW are molybdenum and molybdenum in the alloy for realizing an alloy having a solid solution merit index of more than 100 MPa, respectively. Represents the mass% of tungsten. Due to the density constraint of 8.6 g / cm 3 , tungsten is limited to 8.0% by weight, preferably 7.8% by weight, most preferably 6.9% by weight (this). Will be described in the next section with reference to FIG. 11). Therefore, based on the upper limit of tungsten (8.0% by weight), the alloy comprises a minimum of 1.1% by weight of molybdenum to meet the solid solution requirements. Molybdenum preferably exists in an amount of 1.2% by mass or more, especially when tungsten is limited to 8.2% by mass. Molybdenum is more preferably present in an amount of 1.7% by mass or more, especially when tungsten is limited to 6.9% by mass. It is desirable that f (solid solution) is 6.0 or more. As a result, the solid solution merit index can be set to 103 MPa or more.

合金強度の増加と組み合わせて、強度と質量との良好な組み合わせを有する合金を特定することが有益である。したがって、密度を制御することが望ましい。すなわち、密度を8.6g/cm以下に制限することをこの合金の設計目標とすることにより、表3の高強度合金と同等の密度が得られる。図11は、合金密度に対するタンタル及びタングステンの影響を示す。これらの合金元素は、ニッケル(8.9g/cm)より大幅に大きい密度を有するため、合金密度に対して最も大きな影響を与える。タングステン及びタンタルの密度はそれぞれ、19.3g/cm、16.4g/cmである。図11より、本発明のタンタル含有量は、合金の密度を制限するために、9.5質量%以下に制限する必要がある。図11より、タングステン及びタンタルの添加量と、合金密度と、の関係を決定することができる。元素の添加量は、以下の式に従う。 In combination with the increase in alloy strength, it is useful to identify alloys that have a good combination of strength and mass. Therefore, it is desirable to control the density. That is, by limiting the density to 8.6 g / cm 3 or less as the design goal of this alloy, a density equivalent to that of the high-strength alloy in Table 3 can be obtained. FIG. 11 shows the effect of tantalum and tungsten on the alloy density. Since these alloying elements have a density significantly higher than that of nickel (8.9 g / cm 3 ), they have the greatest effect on the alloy density. The densities of tungsten and tantalum are 19.3 g / cm 3 and 16.4 g / cm 3 , respectively. From FIG. 11, the tantalum content of the present invention needs to be limited to 9.5% by mass or less in order to limit the density of the alloy. From FIG. 11, the relationship between the amount of tungsten and tantalum added and the alloy density can be determined. The amount of the element added follows the following formula.

Figure 2021523985
Figure 2021523985

ここで、f(density)は、8.6g/cm以下の密度を達成するために、9.4以下の数値となる。タンタルの所望の最小レベル(>2.4質量%)に基づき、タングステンの含有量は8.0質量%までに制限されることが望ましい。好ましくは、合金密度を低く維持するために、タングステンは7.8質量%または6.9質量%までに制限される。これにより、強度増加のためにタンタルをより高いレベルで含有させることができる。また、タングステンの含有量は、3.3質量%以上とすることが好ましい(これについては、クリープメリット指数及び合金コストの観点から後に説明する)。これにより、タンタルの含有量が6.4質量%以下に制限され、耐クリープ性、合金コスト及び密度の良好なバランスが確保される。 Here, f (density) is a numerical value of 9.4 or less in order to achieve a density of 8.6 g / cm 3 or less. Based on the desired minimum level of tantalum (> 2.4% by weight), it is desirable that the tungsten content be limited to 8.0% by weight. Preferably, tungsten is limited to 7.8% by weight or 6.9% by weight in order to keep the alloy density low. This allows tantalum to be contained at higher levels for increased strength. The tungsten content is preferably 3.3% by mass or more (this will be described later from the viewpoint of creep merit index and alloy cost). This limits the tantalum content to 6.4% by weight or less, ensuring a good balance of creep resistance, alloy cost and density.

コバルト及びタンタルの添加量は、合金コストに最も強く影響を与える。図12は、タンタル及びコバルトの添加量と、合金コストと、の関係を示す。図1に基づき、強度をさらに上げるためにはコストを大幅に増やす必要があるため、合金コストを26$/kgまでに制限することが望ましいと判断される。さらに、これにより、表3に列挙されている他の高強度合金と比較してコストが削減される。したがって、26$/kgのコスト制限によって、合金のコストと性能との魅力的なバランスが提供される。合金のコバルト濃度は、合金に含有されるタンタルの最小量(>2.4質量%)に基づき、24.9質量%までに制限される。合金の化学的性質と予測コストの関係は、以下の通りである。 The amount of cobalt and tantalum added has the strongest effect on alloy costs. FIG. 12 shows the relationship between the amount of tantalum and cobalt added and the alloy cost. Based on FIG. 1, it is judged that it is desirable to limit the alloy cost to 26 $ / kg because it is necessary to significantly increase the cost in order to further increase the strength. In addition, this reduces costs compared to the other high-strength alloys listed in Table 3. Therefore, the $ 26 / kg cost limit provides an attractive balance between alloy cost and performance. The cobalt concentration of the alloy is limited to 24.9% by weight based on the minimum amount of tantalum (> 2.4% by weight) contained in the alloy. The relationship between the chemical properties of the alloy and the predicted cost is as follows.

Figure 2021523985
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ここで、f(cost)は、26$/kg以下のコストを達成するために14.1以下の数値となる必要がある。含有されるタンタルの最小量が2.4質量%の場合、これにより最大コバルト濃度は24.9質量%となる。強度のレベルをより高くするために、タンタル含有量を2.45質量%以上または2.5質量%以上とすることが好ましい。コバルトは、24.6質量%までに制限することが好ましい。より好ましくは、タンタルを3.4質量%以上とする。コバルトを22.8質量%までに制限することが、より好ましい。最も好ましくは、タンタルを5.1質量%以上とする。最も好ましくは、コバルトを19.1質量%までに制限する。さらにより好ましくは、コストを22$/kgまでに制限し、したがって、f(cost)を10.3未満とする必要があり、合金のコバルト濃度を16.8質量%までに制限することが好ましい。特にタンタル濃度が3.4質量%以上である場合、コバルトを14.7質量%までに制限することがより好ましい。特に、タンタル濃度が5.1質量%以上の場合、最も好ましくは、コバルトは11.1質量%までに制限される。 Here, f (cost) needs to be a numerical value of 14.1 or less in order to achieve a cost of 26 $ / kg or less. If the minimum amount of tantalum contained is 2.4% by weight, this results in a maximum cobalt concentration of 24.9% by weight. In order to increase the level of strength, the tantalum content is preferably 2.45% by mass or more or 2.5% by mass or more. Cobalt is preferably limited to 24.6% by weight. More preferably, tantalum is 3.4% by mass or more. It is more preferred to limit the cobalt to 22.8% by weight. Most preferably, tantalum is 5.1% by mass or more. Most preferably, cobalt is limited to 19.1% by weight. Even more preferably, the cost should be limited to $ 22 / kg and therefore f (cost) should be less than 10.3 and the cobalt concentration of the alloy should be limited to 16.8% by weight. .. In particular, when the tantalum concentration is 3.4% by mass or more, it is more preferable to limit the cobalt to 14.7% by mass. In particular, when the tantalum concentration is 5.1% by mass or more, cobalt is most preferably limited to 11.1% by mass.

クリープメリット指数の観点からの耐クリープ性は、モリブデン、タングステン、コバルトの添加量に依存する(図13〜17)。合金に十分な耐クリープ性を付与するために、目標クリープメリット指数を2.8×10−16−2sとすることが望ましい。図13〜17に基づき、クリープメリット指数に対するタングステン、コバルト及びモリブデンの添加量の関係を決定することができる。これらの元素の添加量を、以下の式に従う。 The creep resistance from the viewpoint of the creep merit index depends on the amount of molybdenum, tungsten, and cobalt added (FIGS. 13 to 17). In order to impart sufficient creep resistance to the alloy, it is desirable to set the target creep merit index to 2.8 × 10-16 m- 2 s. Based on FIGS. 13 to 17, the relationship between the amounts of tungsten, cobalt and molybdenum added to the creep merit index can be determined. The amount of these elements added is according to the following formula.

Figure 2021523985
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ここで、f(creep)は、2.8×10−16−2s以上のクリープメリット指数を有する合金を実現するために、17.2以上の数値となる必要がある。モリブデンの上限(4.4質量%)及びタングステンの上限(8.0質量%)に基づき、2.8×10−16−2s以上のクリープメリット指数を実現するために、合金に含まれるコバルトを、少なくとも5.9質量%とする必要がある。タングステンは、7.8質量%までに制限されることが好ましい。この場合、コバルトは少なくとも6.1質量%であることが好ましく、これは、クリープ強度を増加させるため、いずれの場合にも望ましい。タングステンは、6.9質量%までに制限されることが、より好ましい。この場合、コバルト濃度を7.1質量%とすることが、より好ましい。合金コストに関連して説明したように、合金中のコバルトの使用を減らすことが最も好ましく、11.1質量%以下に減らすことが好ましい。タングステン含有量を、少なくとも3.2質量%とすることが好ましい。 Here, f (creep) needs to be a numerical value of 17.2 or more in order to realize an alloy having a creep merit index of 2.8 × 10-16 m- 2 s or more. Included in the alloy to achieve a creep merit index of 2.8 x 10-16 m- 2 s or higher, based on the upper limit of molybdenum (4.4% by weight) and the upper limit of tungsten (8.0% by weight). Cobalt should be at least 5.9% by weight. Tungsten is preferably limited to 7.8% by mass. In this case, cobalt is preferably at least 6.1% by weight, which is desirable in any case as it increases creep strength. Tungsten is more preferably limited to 6.9% by mass. In this case, it is more preferable that the cobalt concentration is 7.1% by mass. As described in relation to alloy costs, it is most preferred to reduce the use of cobalt in the alloy, preferably to 11.1% by weight or less. The tungsten content is preferably at least 3.2% by mass.

図18〜23は、安定度数に対するクロム、タングステン及びモリブデンの影響を示す。安定度数が高いほど、TCP相が形成されやすい合金となる。TCP相は材料特性の劣化に繋がるため、TCP相形成の析出を制限又は停止することは有益である。耐酸化性を良好なレベルとするために、クロムレベルは9.0質量%以上とすることが望ましい。このレベルのクロムにより、保護クロム酸化スケールが形成され得る。表3に記載の従来の合金を参照して、微細構造安定性を確保しつつTCP形成を回避するために、目標とする安定性は0.92以下である。より良好な微細構造安定性を確保しつつTCP形成を回避するために、目標とする安定性は0.91以下であることが望ましい。図18〜23に基づき、モリブデン元素、タングステン元素及びクロム元素の添加量は、以下の式に従うことが分かった。 Figures 18-23 show the effect of chromium, tungsten and molybdenum on the stability number. The higher the stability number, the easier the alloy to form the TCP phase. Since the TCP phase leads to deterioration of material properties, it is beneficial to limit or stop the precipitation of TCP phase formation. In order to obtain a good level of oxidation resistance, it is desirable that the chromium level is 9.0% by mass or more. This level of chromium can form a protective chromium oxidation scale. With reference to the conventional alloys shown in Table 3, the target stability is 0.92 or less in order to avoid TCP formation while ensuring microstructural stability. In order to avoid TCP formation while ensuring better microstructural stability, the target stability is preferably 0.91 or less. Based on FIGS. 18 to 23, it was found that the addition amounts of the molybdenum element, the tungsten element and the chromium element follow the following formulas.

Figure 2021523985
Figure 2021523985

ここで、f(stability)は、0.92以下の安定度数を有する合金を実現するために、30.2以下の数値となる必要がある。固溶強度の式をf(solid solution)>5.7となるように考慮すると、モリブデン含有量の上限を4.4質量%に設定する場合、タングステンが存在しなくてもよいことがわかる。したがって、モリブデン含有量の上限は4.4質量%である。モリブデン含有量を4.4質量%までに制限することにより、安定度数の要件を満たしながらクロム含有量を最大化できるため、(固溶強度から得られる)高温強度と耐酸化性の優れたバランスを得ることができる。したがって、4.4質量%の最大モリブデン含有量に基づいて、クロム含有量は13.2%までに制限され、これにより、高温強度と耐酸化性の良好なバランスを確保することができる。 Here, f (stability) needs to be a value of 30.2 or less in order to realize an alloy having a stability number of 0.92 or less. Considering that the formula of solid solution strength is f (solid solution)> 5.7, it can be seen that tungsten does not have to be present when the upper limit of the molybdenum content is set to 4.4% by mass. Therefore, the upper limit of the molybdenum content is 4.4% by mass. By limiting the molybdenum content to 4.4% by mass, the chromium content can be maximized while satisfying the stability requirement, resulting in an excellent balance between high temperature strength (obtained from solid solution strength) and oxidation resistance. Can be obtained. Therefore, based on the maximum molybdenum content of 4.4% by weight, the chromium content is limited to 13.2%, which allows a good balance between high temperature strength and oxidation resistance.

安定度数は、0.91までに制限することが好ましい。これを行うために、f(stability)の数値を28.3以下とする必要がある。したがって、クロム含有量を11.9質量%までに制限することが好ましい。これにより、安定度数が0.91までに制限され、上述のモリブデンおよびタングステンの含有量に基づいて、より優れた微細構造安定性が得られる。より好ましくは、クロム含有量を11.5質量%までに制限する。これにより、安定度数が0.92以下となるため、高温強度、コスト及び安定性の最適なバランスが得られる。さらにより好ましくは、クロム含有量を11.2質量%までに制限する。これにより、Md数を0.91に制限することができる。 The stability number is preferably limited to 0.91. In order to do this, the value of f (stability) needs to be 28.3 or less. Therefore, it is preferable to limit the chromium content to 11.9% by mass. This limits the stability number to 0.91 and provides better microstructural stability based on the molybdenum and tungsten content described above. More preferably, the chromium content is limited to 11.5% by weight. As a result, the stability number is 0.92 or less, so that the optimum balance between high temperature strength, cost and stability can be obtained. Even more preferably, the chromium content is limited to 11.2% by weight. Thereby, the number of Md can be limited to 0.91.

粒界に強度を与えるためには、炭素、ホウ素及びジルコニウムの添加が必要である。これは、特に、合金のクリープ及び疲労特性に有益である。炭素は、粒界ピン止め粒子として機能するように添加される。炭素は、過度な粒子の成長を抑制するためにガンマプライムソルバス温度を超える温度で熱処理を行う場合に必要である。炭素濃度は、0.01質量%〜0.1質量%の範囲とする必要がある。合金の微細構造、特に粒径を制御するための炭化物相をよりよい分布とするために、炭素のレベルは、0.2〜0.06の間とすることが好ましい。 Addition of carbon, boron and zirconium is required to give strength to the grain boundaries. This is particularly beneficial for the creep and fatigue properties of the alloy. Carbon is added to function as grain boundary pinning particles. Carbon is required when the heat treatment is performed at a temperature above the gamma prime sorbus temperature in order to suppress excessive particle growth. The carbon concentration should be in the range of 0.01% by mass to 0.1% by mass. The carbon level is preferably between 0.2 and 0.06 in order to better distribute the microstructure of the alloy, especially the carbide phase for controlling the particle size.

ホウ素濃度は、0.001〜0.1質量%の範囲とすべきである。ホウ素を添加することにより、ホウ化物相の形成を通じて、クリープ延性及び粒界強度を向上させることができる。ホウ化物相を望ましいレベルとするために、合金内のホウ素含有量は、0.01〜0.05質量%とすることが好ましい。 The boron concentration should be in the range of 0.001 to 0.1% by weight. By adding boron, creep ductility and grain boundary strength can be improved through the formation of a boride phase. The boron content in the alloy is preferably 0.01-0.05% by mass in order to bring the boride phase to the desired level.

ジルコニウム濃度は、0.001質量%〜0.3質量%の範囲とすべきであり、好ましくは0.02〜0.1質量%である。ジルコニウムは、合金に含まれる望ましくない不純物(例えば、酸素や硫黄)を排出する役割を果たす。これらの不純物は、特に粒界脆化(grain boundary embrittlement)により、合金の脆化を引き起こす可能性がある。 The zirconium concentration should be in the range of 0.001% by mass to 0.3% by mass, preferably 0.02 to 0.1% by mass. Zirconium serves to expel unwanted impurities (eg, oxygen and sulfur) contained in the alloy. These impurities can cause embrittlement of the alloy, especially due to grain boundary embrittlement.

合金が製造されるとき、合金に不可避的不純物が実質的にないことが有益である。これらの不純物には、硫黄元素(S)、マンガン元素(Mn)及び銅元素(Cu)が含まれ得る。硫黄元素は、0.003質量%(質量換算で30PPM)より低くするべきである。マンガンは、0.25質量%までに制限される不可避的不純物であり、好ましくは0.1質量%未満に制限される。銅(Cu)は、好ましくは0.5質量%までに制限される不可避的不純物である。0.003質量%を超える硫黄の存在は、合金の脆化を引き起こす可能性があり、また、硫黄は、酸化中に形成される合金/酸化物界面に偏析する。このため、硫黄のレベルは、好ましくは、0.001質量%未満である。不可避的不純物であるバナジウムは、合金の酸化挙動に悪影響を及ぼすため、好ましくは0.5質量%までに制限され、好ましくは0.3質量%未満、最も好ましくは0.1質量%未満に制限される。この偏析は、保護酸化物スケールの破砕の増加につながる可能性がある。これらの不可避的不純物の濃度が指定されたレベルを超えると、製品の歩留まりと合金の材料特性の劣化に関する問題が予期される。 When the alloy is manufactured, it is beneficial that the alloy is substantially free of unavoidable impurities. These impurities may include sulfur element (S), manganese element (Mn) and copper element (Cu). Sulfur elements should be lower than 0.003% by weight (30PPM in terms of mass). Manganese is an unavoidable impurity limited to 0.25% by weight, preferably less than 0.1% by weight. Copper (Cu) is an unavoidable impurity, preferably limited to 0.5% by weight. The presence of sulfur in excess of 0.003% by weight can cause embrittlement of the alloy, and sulfur segregates at the alloy / oxide interface formed during oxidation. Therefore, the sulfur level is preferably less than 0.001% by weight. Vanadium, which is an unavoidable impurity, adversely affects the oxidizing behavior of the alloy, and is therefore preferably limited to 0.5% by mass, preferably less than 0.3% by mass, and most preferably less than 0.1% by mass. Will be done. This segregation can lead to increased disruption of the protective oxide scale. If the concentration of these unavoidable impurities exceeds the specified level, problems with product yield and deterioration of the material properties of the alloy are expected.

合金内の不可避的不純物を拘束するため、及び強度を付与するために、ハフニウム(Hf)を0.5質量%まで添加することは有益である。ハフニウムは強力な炭化物形成材であるため、さらなる粒界の強化をもたらし得る。元素コストが大きく、添加すると合金コストに対して悪影響を与えるため、ハフニウムは、0.2質量%までに制限されることが好ましく、0.1質量%未満であることがより好ましい。 It is beneficial to add hafnium (Hf) up to 0.5% by weight in order to constrain unavoidable impurities in the alloy and to impart strength. Since hafnium is a strong carbide forming material, it can bring about further strengthening of grain boundaries. Hafnium is preferably limited to 0.2% by mass, more preferably less than 0.1% by mass, because the element cost is high and its addition adversely affects the alloy cost.

いわゆる「反応性元素」(イットリウム(Y)、ランタン(La)及びセリウム(Ce))は、0.1質量%までのレベルの添加とする。これは、Cr等の保護酸化物層の接着性を向上させるのに有益である。これらの反応性元素は、硫黄などの有害元素を「掃討」することができる。硫黄は、合金酸化物界面に偏析して酸化物と基材との結合を弱め、酸化物の剥離をもたらす。ケイ素(Si)は、0.5質量%まで添加することが有益となりうる。ニッケル基超合金に0.5質量%までのレベルのケイ素を添加することは、酸化特性に対して有益であることが示されている。特にケイ素は合金/酸化物界面に偏析し、基材に対する酸化物の結合力を向上させる。これにより、酸化物の剥離が抑制され、結果として耐酸化性が向上する。 So-called "reactive elements" (yttrium (Y), lanthanum (La) and cerium (Ce)) are added at levels up to 0.1% by weight. This is beneficial for improving the adhesiveness of the protective oxide layer such as Cr 2 O 3. These reactive elements can "clean up" harmful elements such as sulfur. Sulfur segregates at the alloy oxide interface, weakening the bond between the oxide and the substrate, resulting in oxide exfoliation. It may be beneficial to add silicon (Si) up to 0.5% by weight. The addition of silicon at levels up to 0.5% by weight to nickel-based superalloys has been shown to be beneficial for oxidizing properties. In particular, silicon segregates at the alloy / oxide interface and improves the bondability of the oxide to the substrate. As a result, peeling of the oxide is suppressed, and as a result, the oxidation resistance is improved.

本発明の一実施形態では、ニッケルを含有させる代わりに、鉄を含めることが望ましい。これにより、合金コストを低減できるとともに、合金のリサイクル能力を高めるという利点がある。鉄を添加することにより、微細構造安定性が損なわれる可能性がある。鉄の添加のレベルを4.0質量%までに制限することにより、低コスト、リサイクル性の向上及び微細構造安定性の良好なバランスが得られる。より好ましくは、1.0質量%〜2.0質量%の間の範囲であることが望ましい。 In one embodiment of the invention, it is desirable to include iron instead of nickel. This has the advantage that the cost of the alloy can be reduced and the recycling capacity of the alloy can be increased. The addition of iron can impair microstructural stability. By limiting the level of iron addition to 4.0% by weight, a good balance between low cost, improved recyclability and microstructural stability can be obtained. More preferably, it is in the range of 1.0% by mass to 2.0% by mass.

このセクションにおける本発明の記載に基づき、本発明の広範な範囲を表4に列挙する。また、表4には、好ましい範囲が示されている。表4は、新しい設計合金における組成範囲を質量%で示す。 Based on the description of the invention in this section, the broad scope of the invention is listed in Table 4. Further, Table 4 shows a preferable range. Table 4 shows the composition range of the new design alloy in% by mass.

Figure 2021523985
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次のセクションでは、本発明の例示的な組成物について説明する。これらの新しい合金における計算された特性が列挙される。これらの合金の設計の論理的根拠を、次に説明する。 The next section describes exemplary compositions of the invention. The calculated properties of these new alloys are listed. The rationale for the design of these alloys will be described below.

本発明の2つの例を表5に記載する。合金の予測される特性を表6に列挙する。列挙されている合金は、表3に記載されている従来技術の合金よりも、強度メリット指数の観点から、強度が向上しているという利点を有する。この強度の改善は、合金の製造を可能にするための、従来技術と同等のソルバス温度と組み合わせて達成される。表5の合金の密度も、1700MPa以上の強度指数を有する表3の合金と同等である。材料性能に関するこれらの改善は、1700MPa以上の強度指数を有する合金と同等またはそれ以下のコストを維持しながら、達成される。表5は、本発明の合金の例である。表6は、「合金設計」ソフトウェアによって作成された、計算された相分率及びメリット指数を示す。表6は、表5に列挙された組成の結果である。 Two examples of the present invention are shown in Table 5. The expected properties of the alloy are listed in Table 6. The listed alloys have the advantage of improved strength over the prior art alloys listed in Table 3 in terms of strength merit index. This strength improvement is achieved in combination with the same sorbus temperature as in the prior art to enable the production of alloys. The density of the alloys in Table 5 is also equivalent to that of the alloys in Table 3 having a strength index of 1700 MPa or more. These improvements in material performance are achieved while maintaining costs equal to or less than those of alloys with a strength index of 1700 MPa or higher. Table 5 is an example of the alloy of the present invention. Table 6 shows the calculated phase fractions and merit indexes created by the "Alloy Design" software. Table 6 shows the results of the compositions listed in Table 5.

Figure 2021523985
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Figure 2021523985
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表7では、合金ABD−PMD4におけるガンマプライム形成元素の量を変更している。合金ABD−PMD5〜ABD−PMD8は、ガンマプライム形成元素のレベルが低いため、ガンマプライム体積分率の低下によって、合金の強度が低下する(表8)。しかしながら、表3の従来技術よりも高い強度が依然として達成されている。ガンマプライム形成元素を減らすことは、ガンマプライムソルバスが低減されるという利点があり、これによって、熱機械的処理を通して合金を形成する能力が改善される。また、ソルバスを低めると、合金は熱処理中の割れの影響を受けにくくなる。合金の例ABD−PMD10は、ABD−PMD4と比較して、高レベルのガンマプライム形成元素を有する。ガンマプライムソルバスを1180℃未満に維持しつつ強度をさらに高め得ることがわかる。この合金は、熱機械的特性を維持しつつ、ABD−PMD4よりも機械的強度が高いが、好ましいガンマプライムソルバス(1170℃未満)を完全には達成していない。表7は、ガンマプライム含有量とガンマプライムソルバスとを変更するために、例示的な合金ABD−PMD4のガンマプライム形成元素の含有量を変更した、例示的な組成物を示す。表8は、例示的な合金ABD−PMD4のガンマプライム形成元素の含有量を変更した合金について、「合金設計」ソフトウェアによって作成された、計算された相分率及びメリット指数を示す。これは、表7に列挙された組成の結果である。 In Table 7, the amounts of gamma prime forming elements in the alloy ABD-PMD4 are changed. Since the alloys ABD-PMD5 to ABD-PMD8 have low levels of gamma prime forming elements, the strength of the alloy decreases due to the decrease in the gamma prime volume fraction (Table 8). However, higher strength than the prior art in Table 3 is still achieved. Reducing gamma prime forming elements has the advantage of reducing gamma prime solvers, which improves the ability to form alloys through thermomechanical treatment. Also, lowering the sorbus makes the alloy less susceptible to cracking during heat treatment. Alloy Examples ABD-PMD10 has higher levels of gamma prime forming elements as compared to ABD-PMD4. It can be seen that the intensity can be further increased while maintaining the gamma prime sorbus below 1180 ° C. This alloy has higher mechanical strength than ABD-PMD4 while maintaining thermomechanical properties, but does not completely achieve the preferred gamma prime solution (less than 1170 ° C.). Table 7 shows an exemplary composition in which the content of the gamma prime forming element of the exemplary alloy ABD-PMD4 was altered to alter the gamma prime content and the gamma prime solves. Table 8 shows the calculated phase fractions and merit indexes created by the "Alloy Design" software for alloys with varying gamma prime forming element content in the exemplary alloy ABD-PMD4. This is the result of the compositions listed in Table 7.

Figure 2021523985
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Figure 2021523985
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表9では、0.6WTi+0.15WTaの値を一定として、チタン及びタンタルを変化させている。合金ABD−PMD11〜PMD13は、PMD−4に比べてタンタル含有量が低く、タンタルの代わりにチタンが使用されている。これは、合金の元素コストを削減する必要がある場合に特に有利である。合金PMD−14〜PMD−16では、チタンの代わりにタンタルが使用されている。これは、合金の強度をさらに高めるとともに、ガンマプライムソルバスを低下させて合金を製造する能力を向上させるので、有利である。チタンの削減は、耐酸化性の向上にも役立つが、これらの向上には、合金コストの増加が伴う。表9は、例示的な合金ABD−PMD4のチタン元素とタンタル元素とを同じ比率で入れ替えた組成例を示す。表10は、例示的な合金ABD−PMD4のチタン元素とタンタル元素とを同じ比率で入れ替えた合金について、「合金設計」ソフトウェアによって作成された、計算された相分率及びメリット指数を示す。これは、表9に列挙された組成の結果である。 In Table 9, the values of 0.6W Ti + 0.15W Ta are kept constant, and titanium and tantalum are changed. The alloys ABD-PMD11 to PMD13 have a lower tantalum content than PMD-4, and titanium is used instead of tantalum. This is especially advantageous when the elemental cost of the alloy needs to be reduced. In the alloys PMD-14 to PMD-16, tantalum is used instead of titanium. This is advantageous because it further increases the strength of the alloy and lowers the gamma prime solution to improve the ability to produce the alloy. Titanium reduction also helps improve oxidation resistance, but these improvements are accompanied by increased alloy costs. Table 9 shows a composition example in which the titanium element and the tantalum element of the exemplary alloy ABD-PMD4 are replaced at the same ratio. Table 10 shows the calculated phase fractions and merit indices created by the "Alloy Design" software for alloys in which the titanium and tantalum elements of the exemplary alloy ABD-PMD4 are replaced at the same ratio. This is the result of the compositions listed in Table 9.

Figure 2021523985
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表11では、0.6WTi+0.31WNbの値を一定として、チタン及びニオブを変化させている。合金ABD−PMD17〜PMD20は、PMD−4に比べてニオブ含有量が低く、ニオブの代わりにチタンが使用されている。これは、合金中のニオブ含有量を減らす必要がある場合に特に有利である。なぜなら、ニオブを減らすことにより、酸化ニオブの形成に対する感受性を低減し得るためである。ここで、酸化ニオブは、ニッケル超合金の亀裂メカニズムを助長する酸化を促進し得る。合金PMD−21〜PMD−24では、チタンの代わりにニオブが使用されている。これは、合金の強度をさらに高めるとともに、ガンマプライムソルバスを低下させて合金を製造する能力を向上させるので、有利である。チタンの削減は、耐酸化性の向上にも役立つが、これらの向上には、合金コストの増加が伴う。表11は、例示的な合金ABD−PMD4のチタン元素とニオブ元素とを同じ比率で入れ替えた組成例を示す。表12は、例示的な合金ABD−PMD4のチタン元素とニオブ元素とを同じ比率で入れ替えた合金について、「合金設計」ソフトウェアによって作成された、計算された相分率及びメリット指数を示す。これは、表11に列挙された組成の結果である。 In Table 11, the values of 0.6W Ti + 0.31W Nb are kept constant, and titanium and niobium are changed. The alloys ABD-PMD17 to PMD20 have a lower niobium content than PMD-4, and titanium is used instead of niobium. This is especially advantageous when the niobium content in the alloy needs to be reduced. This is because reducing niobium can reduce susceptibility to the formation of niobium oxide. Here, niobium oxide can promote oxidation that promotes the cracking mechanism of nickel superalloys. In the alloys PMD-21 to PMD-24, niobium is used instead of titanium. This is advantageous because it further increases the strength of the alloy and lowers the gamma prime solution to improve the ability to produce the alloy. Titanium reduction also helps improve oxidation resistance, but these improvements are accompanied by increased alloy costs. Table 11 shows a composition example in which the titanium element and the niobium element of the exemplary alloy ABD-PMD4 are replaced at the same ratio. Table 12 shows the calculated phase fractions and merit indices created by the "Alloy Design" software for alloys in which the titanium and niobium elements of the exemplary alloy ABD-PMD4 are replaced at the same ratio. This is the result of the compositions listed in Table 11.

Figure 2021523985
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表13では、合金ABD−PMD4のタングステンレベルを上げてクリープメリット指数を改善し、合金の耐クリープ性を向上させている。合金のモリブデンレベルは、合金の安定性と固溶強度を維持するために制御されている。高い合金強度と低い合金密度を維持するために、タンタルとチタンが代用されている。タンタルの削減には、合金コストの削減という利点もある。表13は、例示的な合金ABD−PMD4のモリブデン元素とタングステン元素とを同じ比率で入れ替えた組成例を示す。表14は、例示的な合金ABD−PMD4のモリブデン元素とタングステン元素とを同じ比率で入れ替えた合金について、「合金設計」ソフトウェアによって作成された、計算された相分率及びメリット指数を示す。これは、表13に列挙された組成の結果である。 In Table 13, the tungsten level of the alloy ABD-PMD4 is increased to improve the creep merit index and the creep resistance of the alloy is improved. The molybdenum level of the alloy is controlled to maintain the stability and solid solution strength of the alloy. Tantalum and titanium have been substituted to maintain high alloy strength and low alloy density. Reducing tantalum also has the advantage of reducing alloy costs. Table 13 shows a composition example in which the molybdenum element and the tungsten element of the exemplary alloy ABD-PMD4 are replaced at the same ratio. Table 14 shows the calculated phase fractions and merit indices created by the "Alloy Design" software for alloys in which the molybdenum and tungsten elements of the exemplary alloy ABD-PMD4 are replaced at the same ratio. This is the result of the compositions listed in Table 13.

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表15では、合金の耐クリープ性を向上させるために、モリブデンとタングステンのレベルを下げてクロムに置き換えている。合金のコバルトレベルを上げることで、高いクリープメリット指数を維持し、良好な耐クリープ性を得る。表15は、例示的な合金ABD−PMD4のモリブデン元素とタングステン元素とを減らし、クロム元素の含有量を増やした組成例を示す。表16は、例示的な合金ABD−PMD4のモリブデン元素とタングステン元素とを減らし、クロム元素の含有量を増やした合金について、「合金設計」ソフトウェアによって作成された、計算された相分率及びメリット指数を示す。これは、表15に列挙された組成の結果である。 In Table 15, the levels of molybdenum and tungsten are lowered and replaced with chromium in order to improve the creep resistance of the alloy. By increasing the cobalt level of the alloy, a high creep merit index is maintained and good creep resistance is obtained. Table 15 shows a composition example in which the molybdenum element and the tungsten element of the exemplary alloy ABD-PMD4 are reduced and the content of the chromium element is increased. Table 16 shows the calculated phase fractions and benefits created by the Alloy Design software for alloys with reduced molybdenum and tungsten elements and increased chromium element content in the exemplary alloy ABD-PMD4. Shows the index. This is the result of the compositions listed in Table 15.

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Claims (25)

質量%で、9.0〜13.2%のクロム、5.9〜24.9%のコバルト、0.0〜4.0%の鉄、1.1〜4.4%のモリブデン、0.0〜8.0%のタングステン、2.8〜3.7%のアルミニウム、0.3〜5.1%のチタン、0.0〜4.0%のニオブ、2.4%超9.5%以下のタンタル、0.01〜0.1%の炭素、0.001〜0.1%のホウ素、0.001〜0.3%のジルコニウム、0.0〜0.5%のケイ素、0.0〜0.1%のイットリウム、0.0〜0.1%のランタン、0.0〜0.1%のセリウム、0.0〜0.003%の硫黄、0.0〜0.25%のマンガン、0.0〜0.5%のバナジウム、0.0〜0.5%の銅、及び0.0〜0.5%のハフニウムを備え、残部がニッケルおよび不可避的不純物であり、合金に含まれるモリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル及びチタンの質量%をそれぞれWMo、W、WNb、WTa及びWTiとすると、以下の式を満たす、ニッケル基合金組成物。
1.29WMo+0.5W≧5.7
0.6WTi+0.44WNb+0.27WTa≧4.2
By mass%, 9.0 to 13.2% chromium, 5.9 to 24.9% cobalt, 0.0 to 4.0% iron, 1.1 to 4.4% molybdenum, 0. 0-8.0% tungsten, 2.8-3.7% aluminum, 0.3-5.1% tantalum, 0.0-4.0% niobium, over 2.4% 9.5 % Or less tantalum, 0.01-0.1% carbon, 0.001-0.1% molybdenum, 0.001-0.3% zirconium, 0.0-0.5% silicon, 0 .0 to 0.1% molybdenum, 0.0 to 0.1% tantalum, 0.0 to 0.1% cerium, 0.0 to 0.003% sulfur, 0.0 to 0.25 With% manganese, 0.0-0.5% vanadium, 0.0-0.5% copper, and 0.0-0.5% hafnium, the balance is nickel and unavoidable impurities. A nickel-based alloy composition satisfying the following formula, where the mass% of molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, and titanium contained in the alloy are W Mo , W W , W Nb , W Ta, and W Ti, respectively.
1.29W Mo + 0.5W W ≧ 5.7
0.6W Ti + 0.44W Nb + 0.27W Ta ≧ 4.2
合金に含まれるニオブ、タンタル、チタン及びアルミニウムの質量%をそれぞれWNb、WTa、WTi及びWAlとすると、以下の式を満たす、請求項1に記載のニッケル基合金組成物。
6.2≦0.6WTi+0.31WNb+0.15WTa+0.94WAl≦7.4
好ましくは、
6.2≦0.6WTi+0.31WNb+0.15WTa+0.94WAl≦6.7
The nickel-based alloy composition according to claim 1, wherein the mass% of niobium, tantalum, titanium and aluminum contained in the alloy are W Nb , W Ta , W Ti and W Al, respectively, and the following formula is satisfied.
6.2 ≤ 0.6W Ti + 0.31W Nb + 0.15W Ta + 0.94W Al ≤ 7.4
Preferably,
6.2 ≤ 0.6W Ti + 0.31W Nb + 0.15W Ta + 0.94W Al ≤ 6.7
合金に含まれるニオブ、タンタル、チタン及びアルミニウムの質量%をそれぞれWNb、WTa、WTi及びWAlとすると、以下の式を満たす、請求項1または2に記載のニッケル基合金組成物。
1.0≦(0.6WTi+0.31WNb+0.15WTa)/WAl≦1.3
The nickel-based alloy composition according to claim 1 or 2, where the mass% of niobium, tantalum, titanium and aluminum contained in the alloy are W Nb , W Ta , W Ti and W Al, respectively, and the following formula is satisfied.
1.0 ≤ (0.6W Ti + 0.31W Nb + 0.15W Ta ) / W Al ≤ 1.3
合金に含まれるタングステン及びモリブデンの質量%をそれぞれWW、WMoとすると、以下の式を満たす、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物。
6.0≦1.29WMo+0.5WW
The nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 3, wherein the mass% of tungsten and molybdenum contained in the alloy are W W and W Mo, respectively, and the following formula is satisfied.
6.0 ≤ 1.29 W Mo + 0.5 W W
合金に含まれるタンタル及びタングステンの質量%をそれぞれWTa、WWとすると、以下の式を満たす、請求項1乃至4のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物。
Ta+0.88WW≦9.4
Weight percent tantalum and tungsten contained in the alloy, respectively W Ta, When W W, satisfying the following equation, nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 4.
W Ta + 0.88 W W ≤ 9.4
合金に含まれるタンタル及びコバルトの質量%をそれぞれWTa、WCoとすると、以下の式を満たす、請求項1乃至5のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物。
Ta+0.47WCo≦14.1
The nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 5, wherein the mass% of tantalum and cobalt contained in the alloy are W Ta and W Co, respectively, and the following formula is satisfied.
W Ta + 0.47 W Co ≤ 14.1
合金に含まれるタングステン、クロム及びモリブデンの質量%をそれぞれWW、WCr及びWMoとすると、以下の式を満たす、請求項1乃至6のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物。
W+1.62WCr+2.0WMo≦30.2
好ましくは、
W+1.62WCr+2.0WMo≦28.3
Tungsten contained in the alloy, the weight percent chromium and molybdenum, respectively W W, when the W Cr and W Mo, satisfy the following equation, nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 6.
W W + 1.62W Cr + 2.0W Mo ≦ 30.2
Preferably,
W W + 1.62W Cr + 2.0W Mo ≦ 28.3
アルミニウムを、質量%で、3.5%以下、好ましくは3.1%以下備える、請求項1乃至7のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物。 The nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 7, further comprising aluminum in an amount of 3.5% or less, preferably 3.1% or less in mass%. タンタルを、質量%で、2.45%以上、好ましくは2.5%以上、より好ましくは3.4%以上、さらにより好ましくは5.1%以上備える、請求項1乃至8のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物。 Any one of claims 1 to 8 comprising tantalum in mass% of 2.45% or more, preferably 2.5% or more, more preferably 3.4% or more, still more preferably 5.1% or more. The nickel-based alloy composition according to the item. タンタルを、質量%で、6.4%以下備える、請求項1乃至9のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物。 The nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 9, which comprises 6.4% or less of tantalum in mass%. ニオブを、質量%で1.0%以上備える、請求項1乃至10のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物。 The nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 10, which comprises 1.0% or more of niobium in mass%. ニオブを、質量%で、3.0%以下、好ましくは2.0%以下備える、請求項1乃至11のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物。 The nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 11, wherein niobium is contained in an amount of 3.0% or less, preferably 2.0% or less in mass%. チタンを、質量%で、1.1%以上、好ましくは1.8%以上備える、請求項1乃至12のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物。 The nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 12, comprising titanium in an amount of 1.1% or more, preferably 1.8% or more in mass%. チタンを、質量%で、4.8%以下、好ましくは4.6%以下、より好ましくは4.2%以下備える、請求項1乃至13のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物。 The nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 13, which comprises 4.8% or less, preferably 4.6% or less, more preferably 4.2% or less of titanium in terms of mass%. タングステンを、質量%で3.2%以上備える、請求項1乃至14のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物。 The nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 14, which comprises 3.2% or more of tungsten in terms of mass%. タングステンを、質量%で、7.8%以下、好ましくは6.9%以下備える、請求項1乃至15のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物。 The nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 15, comprising tungsten in an amount of 7.8% or less, preferably 6.9% or less in mass%. モリブデンを、質量%で、1.2%以上、好ましくは1.7%以上備える、請求項1乃至16のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物。 The nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 16, which comprises 1.2% or more, preferably 1.7% or more of molybdenum in mass%. コバルトを、質量%で、6.1%以上、好ましくは7.1%以上備える、請求項1乃至17のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物。 The nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 17, which comprises 6.1% or more, preferably 7.1% or more of cobalt in mass%. コバルトを、質量%で、24.6%以下、好ましくは22.8%以下、より好ましくは19.1%以下、さらには16.8%以下または16.6%以下、さらにより好ましくは14.7%以下、最も好ましくは11.1%以下備える、請求項1乃至18のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物。 Cobalt, in mass%, 24.6% or less, preferably 22.8% or less, more preferably 19.1% or less, further 16.8% or less or 16.6% or less, still more preferably 14. The nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 18, which comprises 7% or less, most preferably 11.1% or less. クロムを、質量%で、11.9%以下、好ましくは11.5%以下、より好ましくは11.2%以下備える、請求項1乃至19のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物。 The nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 19, which comprises 11.9% or less, preferably 11.5% or less, more preferably 11.2% or less of chromium in mass%. 850℃で51〜62%のガンマプライム体積分率、好ましくは850℃で51〜56%のガンマプライム体積分率を備える、請求項1乃至20のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物。 The nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 20, comprising a gamma prime volume fraction of 51 to 62% at 850 ° C., preferably a gamma prime volume fraction of 51 to 56% at 850 ° C. .. 請求項1乃至21のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物の粉末。 The powder of the nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 21. 請求項1乃至21のいずれか1項に記載のニッケル基合金組成物または請求項22に記載の粉末から形成された、タービンディスク。 A turbine disc formed from the nickel-based alloy composition according to any one of claims 1 to 21 or the powder according to claim 22. 請求項23に記載のタービンディスクを備えるガスタービンエンジン。 A gas turbine engine comprising the turbine disk according to claim 23. 鋳造の前に、請求項22に記載の粉末を圧縮することを含む、タービンディスクの製造方法。











A method of manufacturing a turbine disk, comprising compressing the powder according to claim 22, prior to casting.











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