JP2778705B2 - Ni基超耐熱合金およびその製造方法 - Google Patents

Ni基超耐熱合金およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガスタービンのディスク材などに使用され
る、熱間加工が可能で、かつ粉末冶金合金並みの高強度
を有するNi基超耐熱合金およびその製造方法に関するも
のである。
〔従来の技術〕
近年、ガスタービンの高出力、高効率化に伴い、ガス
タービンに使用される耐熱部品に対する要求はますます
厳しいものになりつつある。タービンディスク材に関し
ては、使用温度範囲の上昇よりはむしろ高強度化に対す
る要求が強く、タービンディスク材の高性能化は現在次
の2方向で進められている。
(1) 粉末冶金法による高γ′量の新合金の開発。
(2) 既存溶製合金のサーモメカニカル処理による高
強度化。
(1)のNi基粉末超耐熱合金としては、ルネ95(Ren
95,Renは商標である)やアイエヌ100(IN100,INは
商標である)の名で知られるγ′量を50%前後含有する
高強度の合金が商業ベースで実用化されている。
ルネ95は特公昭46−22333号に記載された合金で当初
従来の溶製、熱間加工の工程による製品化を目的とした
が、γ′相を多量に含むために現実には溶製材から製造
することは、不可能で、現在は粉末冶金技術を用いての
み、製造されている。IN100については、本来鋳造合金
として開発されたため、溶製、熱間加工の工程による製
品化は、実施されていない。
また特開昭63−114933号に示される合金もディスク材
として優れた特性を示すが、これとてγ′量を45%前後
含む高γ′合金で従来の溶製、熱間加工の工程による製
造は不可能である。
〔発明が解決しようとする課題〕
このように、γ′を多量に含む合金は、熱間加工が不
可能になるので、粉末冶金法を採用せざるを得ない。し
かし、この場合には、製造工程数の増加により高価格と
なり、また粉末冶金技術を利用すると酸化物が含有され
やすくなり、合金から製造した部品の信頼性が劣化する
といった問題が生じる。
それに対し、(2)の既存溶製合金の改良としては、
ワスパロイ(Waspally,商標である)やインコネル718
(INCONEL718,INCONELは商標である)と呼ばれるNi基超
耐熱合金に所望する性能を満足せしめるため熱間加工と
熱処理の組合せであるサーモメカニカル処理を施した材
料が知られているが、これらの合金は従来法による溶製
合金よりは良好な機械的性質を示すが、(1)の粉末法
による超耐熱合金並みの機械的性質は得られていないの
が、現状である。
また、特開昭63−145737号に記載される合金は、γ′
量を45体積%含みかつ良好な熱間加工性を有する高強度
の溶製合金とされているが、既存溶製合金に比べ、はる
かに高いγ′量を含有するため、やはり熱間加工に関し
ては、容易でなく極めて高度な鍛造技術を必要とする。
以上、(1)、(2)に示したディスク材の高性能化
の手段の問題点を考慮すると、インゴットの溶製、熱間
加工といった従来の設備を利用したプロセスを適用でき
る合金で、粉末冶金法で製造した合金並みの特性をもつ
合金の開発が可能になれば、低価格、高信頼性、大型化
が可能になるなどの点でメリットが大きいと言える。
本発明の目的は、γ′の含有量を抑えても粉末冶金法
の合金で得られるような強度レベルを有し、かつ良好な
熱間加工性を付与することにより、容易に溶製、熱間加
工の工程で製造可能な高強度Ni基超耐熱合金およびその
製造方法を提供することである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、ディスク用材料などに適した合金組成、お
よび製造方法を十分に検討した結果、特定な合金組成の
もとでγ′が体積%で40%以下としても粉末合金なみの
高強度を有し、かつ良好な熱間加工性を有するNi基超耐
熱合金を開発するに至ったものである。
すなわち、本発明は溶製法で製造される熱間加工が可
能なNi基超耐熱合金であり、従来、この分野の合金系の
溶製、熱間加工の工程では得られなかった粉末冶金法に
よる合金並みの特性、特に高強度を有することを特徴と
する。
以下に本発明についてさらに詳しく説明する。
本発明の第1の発明は、重量%で、C0.01〜0.05%、C
r15〜22%、Mo3〜6%、W3〜6%、Co5〜15%、Al1.0〜
1.9%、Ti1.5〜3.0%、Ta3.0〜6.0%およびB0.001〜0.0
20%を含み、残部は不純物を除き、実質的にNiよりなる
ことを特徴とするNi基超耐熱合金である。
本発明の第2ないし第5の発明は、重量%で、C0.01
〜0.05%、Cr17〜19%、Mo4〜5%、W4〜5%、Co8〜12
%、Al1.1〜1.6%、Ti2.1〜2.7%、Ta4.2〜5.0%および
B0.005〜0.015%を含み、残部は不純物を除き、実質的
にNiよりなることを特徴とするNi基超耐熱合金、重量%
で、C0.01〜0.05%、Cr15〜22%、Mo3〜6%、W3〜6
%、Co5〜15%、Al1.0〜1.9%、Ti1.5〜3.0%、TaとNb
の関係が、3.0≦Ta+2Nb≦6.0かつTa≧2Nbが成り立つ範
囲でTaとNbを含み、さらにB0.001〜0.020%を含み、残
部は不純物を除き、実質的にNiよりなることを特徴とす
るNi基超耐熱合金、Ni3(AlxTiyTaz)(x+y+z=
1)またはNi3(AlxTiyTazNbw)(x+y+z+w=
1)なる組成のγ′が体積%で40%以下であり、かつ65
0℃における0.2%耐力が120kgf/mm2以上、650℃−100kg
f/mm2におけるクリープ破断時間が80時間以上であるNi
基超耐熱合金および、これらの合金を最終の熱間加工の
加熱に際し、γ′のソルバス温度より20〜100℃高い温
度に加熱保持した後再結晶温度までに10%以上、引き続
いて、該再結晶温度以下の温度で10%以上の熱間加工を
施し、その後固溶化処理を行なわずに850℃以下の温度
で直接時効処理することを特徴とするNi基超耐熱合金の
製造方法である。
〔作用〕
以下、本発明の成分範囲の限定理由および数値の限定
理由について述べる。
本発明において、Cは脱酸剤としての効果の他に、T
i、Ta、Nbと共にMC型の炭化物を形成する。また、固溶
化処理を行なわない時効(以下、固溶化処理を行なわな
い時効を直接時効という)の際にCはCrを主体として粒
界にM23C6型の炭化物を不連続に析出し、粒界を強化し
てクリープ破断特性を向上させる作用をもつ。このよう
な目的のためCは最低0.01%を必要とする。しかし、0.
05%を越える過剰のCは一次炭化物の生成量を増加さ
せ、靭延性を低下させるので、本発明におけるC量は0.
01〜0.05%に限定する。
Crは高温における耐酸化性、耐食性を付与するのに、
不可欠の元素であり、タービンディスクなどに要求され
る耐酸化性および耐食性を満足するために最低15%を必
要とするが、22%を越えると組織が不安定となり、Mo、
Wとともに脆化相であるσ相を生成しやすくなるので、
15〜22%に限定する。さらに望ましくはCr17〜19%であ
る。
Moはオーステナイト相に固溶して、基地を強化し、高
温強度を向上させるのに有効な元素であり、最低3%以
上を必要とするが、多量のMoは熱間加工性を悪くし、ま
たCrと同様、組織を不安定にするため上限を6%とす
る。さらに望ましくはMo4〜5%である。
Wはマトリックスの固溶化元素として、Moと同様、引
張強度を向上させるが、Moに対し約2倍の原子量を持つ
ため、Moより拡散速度が遅く、Mo以上に合金のクリープ
速度を小さくし、クリープ破断寿命の向上に役立つ。し
たがって、上記の効果により、Wは最低3%を必要とす
るが、6%を越えるWの添加は、Moと同様、熱間加工性
や組織の安定性に悪影響を及ぼし、さらに合金の比重も
大きくするので、本合金ではWは3〜6%に限定する。
さらに望ましくはWは4〜5%である。
Coは高温域でのγ′の固溶量を増加させ、熱間加工性
を改善するため、最低5%を必要とするが、多量に存在
する場合にはラーベス相などの有害相の析出を生じやす
くするため、上限を15%とする。さらに望ましくはCo8
〜12%である。
AlはNiと結合して安定なγ′相を析出させ、所望の高
温強度を与えるために、不可欠な元素であり、最低1.0
%を必要とするが、本合金では高温強度の向上のため
に、γ′中の{Ti+Ta(+Nb)}/Al比を高くしてγ′
の格子定数を大きくし、γ′の析出による格子歪を高め
る必要があるため、その上限を1.9%に限定する。さら
に望ましくは、Al1.1〜1.6%である。
TiはAlと同様Niと結合してγ′相を析出させ、高温強
度を高める作用をもち、最低1.5%を必要とするが、3.0
%を越える多量のTiは本発明にとって重要な元素である
Taのγ′相中への固溶度を減少させ、また、η相(Ni3T
i)が析出して強度を低下させるので、1.5〜3.0%に限
定する。さらに望ましくはTi2.1〜2.7%である。
本発明が従来合金に比べ、最も特長を異にする点は、
Taのクリープ破断特性に対する卓越した効果を見出した
点にある。現在タービンディスクの使用最高温度はおよ
そ650℃程度であり、このような温度領域で、Taは非常
に有効に働く。Taは、上述のTiと同様Ni3AlのAl側に固
溶してγ′の格子定数を大きくし、引張強度を向上させ
る。またTaはγ′の凝集速度に関し、650℃前後の温度
領域において、その原子量が大きいが故に、他のγ′構
成元素に比べ、γ′の粒成長を遅らせる効果があるの
で、クリープ破断寿命を大幅に引き伸ばす。従来、Taは
Nbと同族の元素で、両者はほぼ同等の機械的性質を向上
させる効果をNi基超耐熱合金にもたらすとされてきた
が、本発明はTaがNbに比べ、その原子量が2倍であるた
めにγ′の凝集速度に対し、Nbよりさらに有利に働き、
クリープ破断強度を高める作用が強いことを知見し、こ
れに基づいてなされたものである。
上記の効果を得るために、Taは最低3.0%を必要とす
るが、6.0%を越えると熱間加工性を悪くし、またδ相
(Ni3Ta)の析出を生じて延性を劣化させるために3.0〜
6.0%に限定する。さらに望ましくはTa4.2〜5.0%であ
る。
NbはTaと同族の元素であり、高温強度の向上には、Ta
と同様の効果を及ぼすが、クリープ破断寿命を増加させ
る効果はTaに及ばない。しかしながら、原子比で1:1ま
ではTaと置換しても特性の劣化が少ないので、重量%で
3.0≦Ta+2Nb≦6.0かつTa≧2Nbの関係の成り立つ成分範
囲に限定する。
Bは粒界強化作用により、高温の強度と延性を高める
のに有効であり、最低0.001%以上必要とするが、0.020
%を越えるBは合金の初期溶融温度の低下を招き、熱間
加工性を劣化させるので、Bは0.001〜0.020%の範囲に
限定する。さらに望ましくはB0.005〜0.015%である。
また、多くのNi基超耐熱合金において、ZrはBと同様
粒界の強化作用をもたらす元素とされているが、Zrは一
次炭化物生成元素であることが、Bと大きく異なる点で
ある。本発明合金では、直接時効処理によって、粒界に
M23C6型の炭化物を適量析出させて粒界を強化させるこ
とに特徴があり、Zrの添加はこのM23C6型の炭化物が粒
界に析出するのを減少させるため、本発明合金において
はZrは添加しない。
Niはオーステナイト基地とNi3(Al,Ti,Ta)または、N
i3(Al,Ti,Ta,Nb)なるγ′析出強化相を構成する基本
元素である。
本発明合金においては、不純物として、通常、Fe,Si,
Mn,P,S,Mg,Ca,Zr等の混入が考えられるが、以下の量は
特性上特に問題はないので、本発明合金中に含まれても
よい。
Fe≦3.0% Si≦0.5% Mn≦1.0% P≦0.03% S≦0.03% Mg≦0.02% Ca≦0.02% Zr≦0.01% 本発明合金は、以上述べた個々の成分の限定範囲の他
に、従来のインゴットの溶製、熱間加工の工程で良好な
熱間加工性を付与させるために、NiとAl,Ti,TaまたはNi
とAl,Ti,Ta,Nbで構成されるγ′相の上限を40%に限定
する。γ′相を40%以下にするのは、γ′形成元素の量
を制御することによりできる。
また、本発明合金は以下に示す製造方法によって、タ
ービンディスク用材料などに適用可能な優れた特性を発
揮させることができる。すなわち、本発明合金の再結晶
温度は、1020〜1050℃の温度範囲にあり、これより高い
温度では良好な熱間加工性を有する。しかしγ′ソルバ
ス温度(γ′がマトリックスに完全に固溶する温度)は
1075〜1120℃の温度範囲にあるため、再結晶温度以上、
γ′ソルバス温度以下での熱間加工では良好な熱間加工
性は有するものの、不均一なγ′の析出が残り、組織
上、また機械的性質上望ましくない。また、γ′ソルバ
ス温度以上の加熱は不均一に析出するγ′が完全に固溶
した状態となるため、結晶粒が成長し易くなるものの、
再結晶温度以上、γ′ソルバス温度以下の熱間加工より
さらに良好な熱間加工性を有し、かつ加工後のミクロ組
織は均一なものとなる。したがって、熱間加工初期の数
ヒートは、非常に良好な熱間加工性を有するγ′ソルバ
ス温度より高い加熱温度で、ある程度所望する形状に塑
性加工したのち、熱間加工中期には、結晶粒微細化のた
めに再結晶温度以上、γ′ソルバス温度以下の温度範囲
で加熱後、熱間加工する。その後最終熱間加工前の加熱
はγ′ソルバス温度より20〜100℃高い温度に短時間加
熱して、不均一に析出するγ′相を基地に固溶させ、結
晶粒の成長をできるだけ抑えて、最終熱間加工を行な
う。
さらに詳しくは、最終熱間加工前にγ′ソルバス温度
より20〜100℃高い温度に加熱した被加工材を再結晶温
度までの間の冷却過程で加工率10%以上、引き続いて、
該再結晶温度以下の温度で加工率10%以上の加工をそれ
ぞれ施して結晶粒を微細化すると同時に十分な加工歪を
与えるのである。なおここで言う加工率とは材料の断面
積が減じ、長さを増す加工の場合は元の断面積をA、加
工後の断面積をaとした時、 で表わされる値であり、材料の元の長さLを長さlに減
じ、その断面積を増す加工の場合(据え込み鍛錬)に
は、 で表わされる値である。
加熱温度がγ′ソルバス温度より20〜100℃高い温度
範囲を越えると結晶粒の粗大化が促進され、一方低すぎ
るとγ′相の固溶が不十分になる。これに対して、再結
晶温度までの加工が10%未満の場合、十分な結晶粒の微
細化ができず、再結晶温度以下の加工が10%未満の場合
には、加工歪が不十分となり、目的とする強度が得られ
なくなるので上記数値にそれぞれ限定する。
さらに熱処理に関しては、熱間加工によって得られる
加工歪による粒内および粒界の強化作用を利用するた
め、固溶化処理を行なわず、直接時効を行なう。時効条
件は、加工歪の影響が消失しない温度範囲で行なう必要
があるため、上限を850℃に限定する。時効の目的は、
一つには、粒内に微細γ′を十分に析出させることにあ
るが、もう一つの目的は、粒界にM23C6型の炭化物を析
出させることにある。直接時効の場合には、固溶化処理
後の時効に比べ、粒界にM23C6型の炭化物が析出し易
く、その形態も不連続かつ粒状の析出であるため、粒界
を強化しクリープ破断寿命の向上により大きく寄与す
る。
〔実施例〕
実施例1 第1表に示す組成の合金を、真空誘導溶解により溶製
し、10kgのインゴットに鋳造した。その後1200℃で20時
間のソーキングを行ない、30mm角に鍛伸した。鍛造は4
ヒートに分けて行ない、1ヒート目と4ヒート目は1150
℃加熱で第2、第3ヒートは1050〜1070℃の間の加熱で
行なった。4ヒート目は1150℃から1030℃の温度範囲で
加工率25%で加工し、さらに1030℃から980℃の温度範
囲で加工率15%で加工した。
本発明合金および比較合金No.21,22および24はいずれ
も良好な熱間加工性を示したが、γ′量が41.8体積%の
No.23のみは鍛造中に割れが発生し鍛造を中止した。
本実施例での熱間加工は鍛造を採用したが、圧延でも
良いことは言うまでもない。
実施例2 第2表および第3表に本発明合金No.2の引張特性およ
びクリープ破断特性に及ぼす熱処理の影響を示す。固溶
化処理は1000℃×2h(hは時間を表わす、以下同じ)、
油冷、時効処理は650℃×24h,空冷+760℃×8h、空冷で
行なった。第2表より引張特性は常温、650℃とも直接
時効材は固溶化処理+時効材に比べ約1割程度良好な0.
2%耐力、引張強さを示すに過ぎないが、第3表より直
接時効材はクリープ破断寿命において、固溶化処理+時
効材よりはるかに良好な特性を示すことがわかる。ま
た、伸び、絞りも良好な値を示す。
実施例3 実施例1で製造した合金No.1〜13,21,22および24につ
いて、直接時効処理を施した後試験を行なった常温、65
0℃、705℃、760℃の引張特性を第4表に示す。本発明
合金と比較合金は、ともに常温から705℃に至るまで、
いずれも非常に優れた耐力、引張強さおよび伸びを示
す。
第5表には試験条件650℃−100kgf/mm2における直接
時効処理材のクリープ破断特性を示す。但し、本発明合
金No.1およびNo.5は、705℃−75kgf/mm2におけるクリー
プ破断特性も示す。比較合金は、引張特性に関しては、
本発明合金と同等の特性を示したが、クリープ破断寿命
において大きく劣ることがわかる。比較合金No.21は、T
aやNbを全く含まないためにクリープ破断寿命が22.3時
間と大変短い。また、比較合金No.22はNbの効果によ
り、クリープ破断寿命が61.8時間とNo.21より大幅に改
善されるが、それでも本発明合金に比べ劣っている。N
o.24はNo.1と良く似た組成にZr0.05%を添加した合金で
あるが、13.7時間でノッチ破断を起こし、本発明合金に
おいてはZrの微量添加は明らかにクリープ破断特性に対
し、有害な作用をもたらすことがわかる。
次に本発明合金について比較するとNo.1,No.4およびN
o.5は、No.2やNo.3に比べ、Ta量が高い分だけクリープ
破断寿命が長い。しかし、Ta量が4.0%のNo.2、また原
子比でNo.1のTa量の13%をNbで置換したNo.12、また40
%をNbで置換したNo.3は、No.1よりはクリープ破断寿命
が短くなるものの、十分満足な特性を示している。また
No.7と8では、Co量の変化にかかわらず、安定した特性
を示しており、No.9とNo.10を比較するとMo量およびW
量の高いNo.10の方が引張強度、クリープ破断寿命とも
に向上するが、延性がやや低くなることがわかる。No.1
1はNo.1,4,5,6に比べCrを高めた組成であるが、特性上
全く問題はない。また、No.13はγ′量が34.3体積%と
高いが、良好な熱間加工性を有し、引張強度、クリープ
破断寿命は向上するが、延性が他の本発明合金に比べや
や低くなる。
第1図には引張特性(0.2%耐力および伸び)を、第
2図には100時間クリープ破断強度をそれぞれ本発明合
金No.1と従来合金を比較して示す。従来合金のNo.31は
現在、粉末冶金法で最良とされるルネ95(0.06C−13Cr
−8Co−3.5Mo−3.5W−2.5Ti−3.5Al−3.5Nb−0.05Zr0.0
1B−BalNi)のデータ、No.32はインコネル718(0.05C−
19Cr−3Mo−0.8Ti−0.5Al−5Nb−18Fe−BalNi)のサー
モメカニカル処理によるデータ、No.33は、従来のサー
モメカニカル処理のないインコネル718のデータを示し
ている。(No.31およびNo.33は、The International Ni
ckel Company,Incのカタログ第3版(1977年7月)に記
載の値、No.32については、F.Turner and H.S.von Harr
ach:Materials Sci.and Tech.,1986,2,733−740に記載
の値を採用した。但し、No.1およびNo.32は、第2図に
おいて、ラーソン ミラー指数を用いて破断時間を100
時間に調整した。) 第1図より、本発明合金は705℃までの0.2%耐力がN
o.31とほぼ同等の値を示しており、No.33よりは格段に
優れ、またNo.32に対しては、650℃において数段優れた
強度を有していることがわかる。また伸びに関しても、
良好な特性を示している。第2図においても705℃まで
の100時間のクリープ破断強度は、粉末合金であるNo.31
とほぼ同等のレベルであり、従来の溶製、熱間加工合金
に比べ、はるかに良好な値が得られている。
〔発明の効果〕
従来、粉末冶金法によってのみ、得られていたディス
ク用材料などの強度レベルが、本発明の合金およびその
製造方法により従来の溶製、熱間加工の工程で製造可能
となり、ガスタービンディスクなどの信頼性の向上、製
造コストの低減に大きな効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明合金と従来合金の引張特性を示す図、
第2図は本発明合金と従来合金の100時間クリープ破断
強度を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C22F 1/10 C22F 1/10 H

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量%で、C0.01〜0.05%、Cr15〜22%、M
    o3〜6%、W3〜6%、Co5〜15%、Al1.0〜1.9%、Ti1.5
    〜3.0%、Ta3.0〜6.0%およびB0.001〜0.020%を含み、
    残部は不純物を除き、実質的にNiよりなることを特徴と
    するNi基超耐熱合金。
  2. 【請求項2】重量%で、C0.01〜0.05%、Cr17〜19%、M
    o4〜5%、W4〜5%、Co8〜12%、Al1.1〜1.6%、Ti2.1
    〜2.7%、Ta4.2〜5.0%およびB0.005〜0.015%を含み、
    残部は不純物を除き、実質的にNiよりなることを特徴と
    するNi基超耐熱合金。
  3. 【請求項3】重量%で、C0.01〜0.05%、Cr15〜22%、M
    o3〜6%、W3〜6%、Co5〜15%、Al1.0〜1.9%、Ti1.5
    〜3.0%、TaとNbの関係が、3.0≦Ta+2Nb≦6.0かつTa≧
    2Nbが成り立つ範囲でTaとNbを含み、さらにB0.001〜0.0
    20%を含み、残部は不純物を除き、実質的にNiよりなる
    ことを特徴とするNi基超耐熱合金。
  4. 【請求項4】Ni3(AlxTiyTaz)(x+y+z=1)また
    はNi3(AlxTiyTazNbw)(x+y+z+w=1)なる組
    成のγ′が体積%で40%以下であり、かつ650℃におけ
    る0.2%耐力が120kgf/mm2以上、650℃−100kgf/mm2にお
    けるクリープ破断時間が80時間以上であることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項ないし第3項いずれかに記載
    のNi基超耐熱合金。
  5. 【請求項5】特許請求の範囲第1項ないし第4項のいず
    れかに記載の合金を最終の熱間加工の加熱に際し、γ′
    のソルバス温度より20〜100℃高い温度に加熱保持した
    後再結晶温度までに10%以上、引き続いて、該再結晶温
    度以下の温度で10%以上の熱間加工を施し、その後固溶
    化処理を行なわずに850℃以下の温度で直接時効処理す
    ることを特徴とするNi基超耐熱合金の製造方法。
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