JP2546324B2 - 高温耐食性にすぐれたＮｉ基単結晶超合金 - Google Patents
高温耐食性にすぐれたＮｉ基単結晶超合金Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、すぐれた高温耐食性を有し、かつ高温強
度にもすぐれたNi基単結晶超合金に関するものである。
度にもすぐれたNi基単結晶超合金に関するものである。
従来、例えばガスタービンエンジンの構造部材である
タービンブレードの製造には、高温強度と高温耐食性が
要求されることから、重量％で（以下％は重量％を示
す）、 Cr:9〜12％,Mo:0.1〜2.5％， W:5〜８％,Ta:4〜７％， Al:4〜７％,Ti:0.8〜３％， Co:4〜６％， を含有し、残りがNiと不可避不純物からなる組成を有
し、かつ鋳造状態で単結晶組織を有し、さらに高温耐食
性の良好なγ相の素地に、Ni3（Al,Ti）で代表される金
属間化合物、すなわちγ′相が微細均一に分散析出した
組織を有するNi基単結晶超合金が用いられており、この
Ni基単結晶超合金においては、結晶粒界が存在しないた
め粒界偏析がなく、したがってγ′相の素地への完全固
溶を可能とする高い溶体化処理温度に加熱することがで
きることから、多結晶合金に比べて微細に析出するγ′
相の体積率が一段と多くなり、これによってすぐれた高
温強度を具備するようになるものである。
タービンブレードの製造には、高温強度と高温耐食性が
要求されることから、重量％で（以下％は重量％を示
す）、 Cr:9〜12％,Mo:0.1〜2.5％， W:5〜８％,Ta:4〜７％， Al:4〜７％,Ti:0.8〜３％， Co:4〜６％， を含有し、残りがNiと不可避不純物からなる組成を有
し、かつ鋳造状態で単結晶組織を有し、さらに高温耐食
性の良好なγ相の素地に、Ni3（Al,Ti）で代表される金
属間化合物、すなわちγ′相が微細均一に分散析出した
組織を有するNi基単結晶超合金が用いられており、この
Ni基単結晶超合金においては、結晶粒界が存在しないた
め粒界偏析がなく、したがってγ′相の素地への完全固
溶を可能とする高い溶体化処理温度に加熱することがで
きることから、多結晶合金に比べて微細に析出するγ′
相の体積率が一段と多くなり、これによってすぐれた高
温強度を具備するようになるものである。
しかし、近年のガスタービンエンジンの高速化、省力
化、および軽量化に対する要求は厳しく、これに伴って
タービンブレードなどの構造部材にも一段とすぐれた特
性を具備することが要求されるようになっているが、上
記の従来Ni基単結晶超合金では、すぐれた高温強度をも
つものの、高温耐食性が不十分なために、これらの要求
に満足に対応することができないのが現状である。
化、および軽量化に対する要求は厳しく、これに伴って
タービンブレードなどの構造部材にも一段とすぐれた特
性を具備することが要求されるようになっているが、上
記の従来Ni基単結晶超合金では、すぐれた高温強度をも
つものの、高温耐食性が不十分なために、これらの要求
に満足に対応することができないのが現状である。
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記
従来Ni基単結晶超合金に着目し、これにすぐれた高温耐
食性を付与すべく研究を行なった結果、上記従来Ni基単
結晶超合金に、合金成分として微量のZnを含有させる
と、このZnは素地に固溶し、この結果これの高温耐食性
が飛躍的に向上するようになり、しかもこの微量のZn含
有はγ′相の微細析出に何らの悪影響も及ぼさないの
で、従来Ni基単結晶超合金のもつ高温強度と同等、ある
いはこれ以上のすぐれた高温強度を有するという知見を
得たのである。
従来Ni基単結晶超合金に着目し、これにすぐれた高温耐
食性を付与すべく研究を行なった結果、上記従来Ni基単
結晶超合金に、合金成分として微量のZnを含有させる
と、このZnは素地に固溶し、この結果これの高温耐食性
が飛躍的に向上するようになり、しかもこの微量のZn含
有はγ′相の微細析出に何らの悪影響も及ぼさないの
で、従来Ni基単結晶超合金のもつ高温強度と同等、ある
いはこれ以上のすぐれた高温強度を有するという知見を
得たのである。
この発明は、上記知見にもとづいてなされたものであ
って、 Cr:9〜12％,Mo:0.1〜2.5％， W:5〜８％,Ta:4〜７％， Al:4〜７％,Ti:0.8〜３％， Co:4〜６％,Zn:0.001〜0.05％， を含有し、さらに必要に応じて、 Hf,Zr,およびSiのうちの１種または２種以上:0.01〜
0.3％と， Re:0.01〜４％， のいずれか、あるいは両方を含有し、残りがNiと不可避
不純物からなる組成、並びに鋳造状態で単結晶組織にし
て、かつγ相の素地γ′相が微細均一に分散析出した組
織を有する高温耐食性にすぐれ、さらに高温強度にもす
ぐれたNi基単結晶超合金に特徴を有するものである。
って、 Cr:9〜12％,Mo:0.1〜2.5％， W:5〜８％,Ta:4〜７％， Al:4〜７％,Ti:0.8〜３％， Co:4〜６％,Zn:0.001〜0.05％， を含有し、さらに必要に応じて、 Hf,Zr,およびSiのうちの１種または２種以上:0.01〜
0.3％と， Re:0.01〜４％， のいずれか、あるいは両方を含有し、残りがNiと不可避
不純物からなる組成、並びに鋳造状態で単結晶組織にし
て、かつγ相の素地γ′相が微細均一に分散析出した組
織を有する高温耐食性にすぐれ、さらに高温強度にもす
ぐれたNi基単結晶超合金に特徴を有するものである。
つぎに、この発明の合金において、成分組成範囲を上
記の通りに限定した理由を説明する。
記の通りに限定した理由を説明する。
（ａ） Cr Cr成分には、合金の高温耐食性を向上させる作用があ
るが、その含有量が９％未満では所望の高温耐食性を確
保することができず、一方その含有量が12％を越える
と、γ′相の析出が抑制されるようになるばかりでな
く、σ相やμ相などの有害相が板状に生成するようにな
り、高温強度が低下することから、その含有量を９〜12
％と定めた。
るが、その含有量が９％未満では所望の高温耐食性を確
保することができず、一方その含有量が12％を越える
と、γ′相の析出が抑制されるようになるばかりでな
く、σ相やμ相などの有害相が板状に生成するようにな
り、高温強度が低下することから、その含有量を９〜12
％と定めた。
（ｂ） Mo Mo成分には、TaおよびＷとの共存において、合金素地
であるγ相の格子定数を適切な地にバランスさせ、これ
によって安定な微細組織となって高温強度が向上るよう
になる作用があるが、その含有量が0.1％未満では所望
の高温強度が得られず、一方その含有量が2.5％を越え
ても高温強度が低下するようになり、かつ高温耐食性も
低下するようになることから、その含有量を0.1〜2.5％
と定めた。
であるγ相の格子定数を適切な地にバランスさせ、これ
によって安定な微細組織となって高温強度が向上るよう
になる作用があるが、その含有量が0.1％未満では所望
の高温強度が得られず、一方その含有量が2.5％を越え
ても高温強度が低下するようになり、かつ高温耐食性も
低下するようになることから、その含有量を0.1〜2.5％
と定めた。
（ｃ） Ｗ Ｗ成分には、上記の作用のほか、一部が素地に固溶し
て高温強度を向上させる作用があるが、その含有量が５
％未満では所望の高温強度が得られず、一方その含有量
が８％を越えると高温耐食性が低下するようになること
から、その含有量を５〜８％と定めた。
て高温強度を向上させる作用があるが、その含有量が５
％未満では所望の高温強度が得られず、一方その含有量
が８％を越えると高温耐食性が低下するようになること
から、その含有量を５〜８％と定めた。
（ｄ） Ta Ta成分には、上記のようにMoおよびＷとの共存におい
て高温強度を向上させるほか、素地に固溶して高温耐食
性を向上させる作用があるが、その含有量が４％未満で
は前記作用に所望の効果が得られず、一方その含有量が
７％を越えるとσ相やμ相が生成するようになって高温
強度の低下をもたらすことから、その含有量を４〜７％
と定めた。
て高温強度を向上させるほか、素地に固溶して高温耐食
性を向上させる作用があるが、その含有量が４％未満で
は前記作用に所望の効果が得られず、一方その含有量が
７％を越えるとσ相やμ相が生成するようになって高温
強度の低下をもたらすことから、その含有量を４〜７％
と定めた。
（ｅ） Al Al成分には、NiおよびTiと結合して、素地中に微細均
一に分散析出するγ′相、すなわちNi3（Al,Ti）で代表
される金属間化合を、通常体積率で50〜60％の割合で形
成し、もって高温強度を向上させる作用があるが、その
含有量が４％未満ではγ′相の析出割合が少なすぎて所
望の高温強度を確保することができず、一方その含有量
が７％を越えると、共晶γ′相と呼ばれる粗大なγ′相
が多く形成されるようになって溶体化処理が不可能とな
り、高い高温強度を確保することができなくなることか
ら、その含有量を４〜７％と定めた。
一に分散析出するγ′相、すなわちNi3（Al,Ti）で代表
される金属間化合を、通常体積率で50〜60％の割合で形
成し、もって高温強度を向上させる作用があるが、その
含有量が４％未満ではγ′相の析出割合が少なすぎて所
望の高温強度を確保することができず、一方その含有量
が７％を越えると、共晶γ′相と呼ばれる粗大なγ′相
が多く形成されるようになって溶体化処理が不可能とな
り、高い高温強度を確保することができなくなることか
ら、その含有量を４〜７％と定めた。
（ｆ） Ti Ti成分には、上記の通りNiおよびAlと結合して合金の
高温強度を向上させる作用があるが、その含有量が0.8
％未満ではγ′相の形成が不十分で所望の高温強度が得
られず、一方その含有量が３％を越えると溶体化処理が
不可能となり、微細なγ′相の分散析出をはかることが
できなくなることから、その含有量を0.8〜３％と定め
た。
高温強度を向上させる作用があるが、その含有量が0.8
％未満ではγ′相の形成が不十分で所望の高温強度が得
られず、一方その含有量が３％を越えると溶体化処理が
不可能となり、微細なγ′相の分散析出をはかることが
できなくなることから、その含有量を0.8〜３％と定め
た。
（ｇ） Co Co成分には、溶体化処理温度を低くするほか、高温耐
食性を向上させる作用があるが、その含有量が４％未満
では前記作用に所望の効果が得られず、一方その含有量
が６％を越えるとγ′相の析出が抑制されるようにな
り、所望の高温強度を確保することができなくなること
から、その含有量を４〜６％と定めた。
食性を向上させる作用があるが、その含有量が４％未満
では前記作用に所望の効果が得られず、一方その含有量
が６％を越えるとγ′相の析出が抑制されるようにな
り、所望の高温強度を確保することができなくなること
から、その含有量を４〜６％と定めた。
（ｈ） Zn 一般に、通常のNi基多結晶合金にZnを微量でも添加含
有させると、Znは粒界に偏析して、例えばNiZnの低融点
化合物の相を形成するので、望ましくないが、この発明
のNi基単結晶超合金では、粒界が存在しないので、Znの
偏析はなく、Znはすべて素地に固溶して合金の高温耐食
性を飛躍的に向上させる作用をもつが、その含有量が0.
001％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方
その含有量が0.05％を越えると、低融点相がデンドライ
ト相の境界部に形成されるようになり、これが原因で、
高温強度が低下するようになることから、その含有量を
0.001〜0.05％と定めた。
有させると、Znは粒界に偏析して、例えばNiZnの低融点
化合物の相を形成するので、望ましくないが、この発明
のNi基単結晶超合金では、粒界が存在しないので、Znの
偏析はなく、Znはすべて素地に固溶して合金の高温耐食
性を飛躍的に向上させる作用をもつが、その含有量が0.
001％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方
その含有量が0.05％を越えると、低融点相がデンドライ
ト相の境界部に形成されるようになり、これが原因で、
高温強度が低下するようになることから、その含有量を
0.001〜0.05％と定めた。
（ｉ） Hf,Zr,およびSi これらの成分には、高温耐食性を一段と向上させる作
用があるので、必要に応じて含有されるが、その含有量
が0.01％未満では所望の高温耐食性向上効果が得られ
ず、一方その含有量が0.3％を越えると、高温強度が低
下するようになることから、その含有量を0.01〜0.3％
と定めた。
用があるので、必要に応じて含有されるが、その含有量
が0.01％未満では所望の高温耐食性向上効果が得られ
ず、一方その含有量が0.3％を越えると、高温強度が低
下するようになることから、その含有量を0.01〜0.3％
と定めた。
（ｊ） Re Re成分には、高温強度および高温耐食性をさらに一段
と向上させる作用があるので、必要に応じて含有される
が、その含有量が0.01％未満では所望の向上効果が得ら
れず、一方その含有量が４％を越えても前記作用により
一層の向上効果が得られず、経済性を考慮して、その含
有量を0.01〜４％と定めた。
と向上させる作用があるので、必要に応じて含有される
が、その含有量が0.01％未満では所望の向上効果が得ら
れず、一方その含有量が４％を越えても前記作用により
一層の向上効果が得られず、経済性を考慮して、その含
有量を0.01〜４％と定めた。
つぎに、この発明の合金を実施例により具体的に説明
する。
する。
通常の真空溶解炉を用い、それぞれ第１表に示される
成分組成をもった合金溶湯を調製し、ついでこれらの溶
湯を引下げ式単結晶鋳造炉を用いて鋳造して、いずれも
単結晶鋳造組織をもち、かつ幅:10mm×厚:7mm×長さ:95
mmの寸法をもった角状鋳片とし、引続いて、この鋳片に
対して、1240〜1270℃の範囲内の所定温度に30〜300分
間保持後、空冷の溶体化処理を施した後、950〜1050℃
の範囲内の所定温度に３〜６時間保持後、空冷の安定化
処理を施し、さらに850〜900℃の範囲内の所定温度に16
〜32時間保持後、空冷の時効処理を施すことにより、い
ずれもγ相の素地に微細な金属間化合物からなるγ′相
が均一に分散析出した組織を有する本発明Ni基単結晶超
合金（以下本発明Ni基合金という）１〜30を製造した。
成分組成をもった合金溶湯を調製し、ついでこれらの溶
湯を引下げ式単結晶鋳造炉を用いて鋳造して、いずれも
単結晶鋳造組織をもち、かつ幅:10mm×厚:7mm×長さ:95
mmの寸法をもった角状鋳片とし、引続いて、この鋳片に
対して、1240〜1270℃の範囲内の所定温度に30〜300分
間保持後、空冷の溶体化処理を施した後、950〜1050℃
の範囲内の所定温度に３〜６時間保持後、空冷の安定化
処理を施し、さらに850〜900℃の範囲内の所定温度に16
〜32時間保持後、空冷の時効処理を施すことにより、い
ずれもγ相の素地に微細な金属間化合物からなるγ′相
が均一に分散析出した組織を有する本発明Ni基単結晶超
合金（以下本発明Ni基合金という）１〜30を製造した。
また、比較の目的で、合金溶湯の成分組成を、それぞ
れ第１表に示される成分組成、すなわち構成成分のうち
いずれかの成分含有量（第１表に※印を付したもの）が
この発明の範囲から外れた成分組成とする以外は、同一
の条件で比較Ni基単結晶超合金（以下比較Ni基合金とい
う）１〜16をそれぞれ製造した。
れ第１表に示される成分組成、すなわち構成成分のうち
いずれかの成分含有量（第１表に※印を付したもの）が
この発明の範囲から外れた成分組成とする以外は、同一
の条件で比較Ni基単結晶超合金（以下比較Ni基合金とい
う）１〜16をそれぞれ製造した。
ついで、この結果得られた各種のNi基合金について、
高温強度を評価する目的で、大気中、温度:900℃、荷
重:40kg/mm2の条件で高温クリープラプチャー試験を行
ない、破断寿命、破断伸び、おび絞りを測定し、また高
温耐食性を評価する目的で、75％Na2SO4＋25％Na2CO3の
組成を有する温度:900℃に加熱の溶融塩:50g中に直径:1
0mm×高さ:6mmの試験片を15分間浸漬の条件で溶融塩浸
漬試験を行ない、脱スケール後 の重量減量を測定した。これらの測定結果を第１表に示
した。
高温強度を評価する目的で、大気中、温度:900℃、荷
重:40kg/mm2の条件で高温クリープラプチャー試験を行
ない、破断寿命、破断伸び、おび絞りを測定し、また高
温耐食性を評価する目的で、75％Na2SO4＋25％Na2CO3の
組成を有する温度:900℃に加熱の溶融塩:50g中に直径:1
0mm×高さ:6mmの試験片を15分間浸漬の条件で溶融塩浸
漬試験を行ない、脱スケール後 の重量減量を測定した。これらの測定結果を第１表に示
した。
第１表に示される結果から、本発明Ni基合金１〜30
は、いずれもすぐれた高温強度と高温耐食性を示すのに
対して、比較Ni基合金１〜16に見られるように構成成分
のうちのいずれかの成分含有量でもこの発明の範囲から
外れると高温強度および高温耐食性のうち少なくともい
ずれかの性質が劣ったものになることが明らかであり、
また従来Ni基単結晶超合金に相当する組成を有する比較
Ni基合金15との比較から、本発明Ni基合金１〜30はいず
れもすぐれた高温耐食性を有し、かつこれと同等あるい
はこれ以上の高温強度をもつことがわかる。
は、いずれもすぐれた高温強度と高温耐食性を示すのに
対して、比較Ni基合金１〜16に見られるように構成成分
のうちのいずれかの成分含有量でもこの発明の範囲から
外れると高温強度および高温耐食性のうち少なくともい
ずれかの性質が劣ったものになることが明らかであり、
また従来Ni基単結晶超合金に相当する組成を有する比較
Ni基合金15との比較から、本発明Ni基合金１〜30はいず
れもすぐれた高温耐食性を有し、かつこれと同等あるい
はこれ以上の高温強度をもつことがわかる。
上述のように、この発明のNi基単結晶超合金は、特に
高温耐食性にすぐれ、かつ高温強度にもすぐれているの
で、苛酷な条件下での実用を予儀なくされつつある例え
ばガスタービンエンジンのタービンブレードなどとして
用いた場合にすぐれた性能を発揮するのである。
高温耐食性にすぐれ、かつ高温強度にもすぐれているの
で、苛酷な条件下での実用を予儀なくされつつある例え
ばガスタービンエンジンのタービンブレードなどとして
用いた場合にすぐれた性能を発揮するのである。
Claims (4)
- 【請求項１】Cr:9〜12％,Mo:0.1〜2.5％， W:5〜８％,Ta:4〜７％， Al:4〜７％,Ti:0.8〜３％， Co:4〜６％,Zn:0.001〜0.05％， を含有し、残りがNiと不可避不純物からなる組成（以上
重量％）を有することを特徴とする高温耐食性にすぐれ
たNi基単結晶超合金。 - 【請求項２】Cr:9〜12％,Mo:0.1〜2.5％， W:5〜８％,Ta:4〜７％， Al:4〜７％,Ti:0.8〜３％， Co:4〜６％,Zn:0.001〜0.05％， を含有し、さらに、 Re:0.01〜４％， を含有し、残りがNiと不可避不純物からなる組成（以上
重量％）を有することを特徴とする高温耐食性にすぐれ
たNi基単結晶超合金。 - 【請求項３】Cr:9〜12％,Mo:0.1〜2.5％， W:5〜８％,Ta:4〜７％， Al:4〜７％,Ti:0.8〜３％， Co:4〜６％,Zn:0.001〜0.05％， を含有し、さらに、 Hf,Zr,およびSiのうちの１種または２種以上:0.01〜0.3
％， を含有し、残りがNiと不可避不純物からなる組成（以上
重量％）を有することを特徴とする高温耐食性にすぐれ
たNi基単結晶超合金。 - 【請求項４】Cr:9〜12％,Mo:0.1〜2.5％， W:5〜８％,Ta:4〜７％， Al:4〜７％,Ti:0.8〜３％， Co:4〜６％,Zn:0.001〜0.05％， を含有し、さらに、 Hf,Zr,およびSiのうちの１種または２種以上:0.01〜0.3
％と、 Re:0.01〜４％， を含有し、残りがNiと不可避不純物からなる組成（以上
重量％）を有することを特徴とする高温耐食性にすぐれ
たNi基単結晶超合金。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63059826A JP2546324B2 (ja) | 1988-03-14 | 1988-03-14 | 高温耐食性にすぐれたＮｉ基単結晶超合金 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63059826A JP2546324B2 (ja) | 1988-03-14 | 1988-03-14 | 高温耐食性にすぐれたＮｉ基単結晶超合金 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01234540A JPH01234540A (ja) | 1989-09-19 |
| JP2546324B2 true JP2546324B2 (ja) | 1996-10-23 |
Family
ID=13124419
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63059826A Expired - Fee Related JP2546324B2 (ja) | 1988-03-14 | 1988-03-14 | 高温耐食性にすぐれたＮｉ基単結晶超合金 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2546324B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104259442A (zh) * | 2014-09-29 | 2015-01-07 | 江苏大学 | 一种防止单晶叶片产生杂晶缺陷的方法 |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69316251T2 (de) * | 1992-03-09 | 1998-05-20 | Hitachi Ltd | Hochgradig heisskorrosionsbeständige und hochfeste Superlegierung, hochgradig heisskorrosionsbeständiges und hochfestes Gussstück mit Einkristallgefüge, Gasturbine und kombiniertes Kreislaufenergieerzeugungssystem |
| US20110076182A1 (en) * | 2009-09-30 | 2011-03-31 | General Electric Company | Nickel-Based Superalloys and Articles |
| FR3057880B1 (fr) | 2016-10-25 | 2018-11-23 | Safran | Superalliage a base de nickel, aube monocristalline et turbomachine |
| CN111893388B (zh) * | 2020-08-07 | 2021-04-13 | 阳春新钢铁有限责任公司 | 一种耐腐蚀钢筋及其生产工艺 |
| CN112593122B (zh) * | 2020-12-09 | 2023-02-03 | 中国科学院金属研究所 | 一种长寿命高强抗热腐蚀单晶高温合金 |
| US11739398B2 (en) * | 2021-02-11 | 2023-08-29 | General Electric Company | Nickel-based superalloy |
-
1988
- 1988-03-14 JP JP63059826A patent/JP2546324B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104259442A (zh) * | 2014-09-29 | 2015-01-07 | 江苏大学 | 一种防止单晶叶片产生杂晶缺陷的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01234540A (ja) | 1989-09-19 |
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