JP3069580B2 - Remaining life extension method of single crystal material by reheat treatment - Google Patents

Remaining life extension method of single crystal material by reheat treatment

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JP3069580B2
JP3069580B2 JP7230611A JP23061195A JP3069580B2 JP 3069580 B2 JP3069580 B2 JP 3069580B2 JP 7230611 A JP7230611 A JP 7230611A JP 23061195 A JP23061195 A JP 23061195A JP 3069580 B2 JP3069580 B2 JP 3069580B2
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single crystal
crystal material
remaining life
creep
treatment
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裕 小泉
静夫 中沢
広史 原田
千秋 田中
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科学技術庁金属材料技術研究所長
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、単結晶材料の余
寿命延長方法に関するものである。さらに詳しくは、こ
の発明は、ジェットエンジンやガスタービンのタービン
ブレード材等として使用されるNi基超耐熱単結晶合金
等の単結晶材料の強度劣化に対する余寿命の延長方法に
関するものである。
The present invention relates to a method for extending the remaining life of a single crystal material. More specifically, the present invention relates to a method of extending the remaining life of a single crystal material such as a Ni-based super heat-resistant single crystal alloy used as a turbine blade material of a jet engine or a gas turbine with respect to strength deterioration.

【0002】[0002]

【従来の技術とその課題】従来より、高温・高応力下で
使用されるジェットエンジンやガスタービンのタービン
ブレードなどの部品は、一定の時間使用されると、結晶
粒界などに損傷を受け、強度が劣化しはじめるため、安
全のため新しい部品と交換されている。このような部品
交換の頻度を下げて経済性を向上させたり、部品の信頼
性を高める目的で従来よりタービンブレード材の余寿命
を延長するための研究が種々行われている。たとえば、
多結晶材では、オーステナイト耐熱鋼についての、クリ
ープ損傷の生成挙動を詳細に調べて余寿命予測の指標と
したり、クリープ試験中途に粒界クリープキャビティを
焼結するために静水圧下および圧縮応力下の加熱を行い
余寿命の延伸効果を検討すること等が行われてきてい
る。また、合金中に粒界のあるNi基超耐熱多結晶合金
では、クリープ試験を中断し、HIP(hot issostatic
pressing) 処理を施してキャビティをなくしたり、それ
をさらに表面研磨することが検討され、実際に、これら
の処理により寿命が改善されたことも報告されている。
しかしながら、HIPなど高圧処理は経済的にはコスト
を上げることになるので必ずしも実用的に普及されてい
ない面がある。またこのような寿命延長の研究は、これ
まではいずれも多結晶材料を対象としたものに限られて
おり、たとえばNi基超耐熱単結晶合金等の単結晶材料
についての報告はなされていないのが実情である。
2. Description of the Related Art Conventionally, components such as a jet engine and a turbine blade of a gas turbine which are used under high temperature and high stress are damaged at a grain boundary or the like when used for a certain period of time. Since the strength starts to deteriorate, it is replaced with a new part for safety. Various studies have been made to extend the remaining life of the turbine blade material for the purpose of improving the economic efficiency by reducing the frequency of such component replacement and increasing the reliability of the component. For example,
In the case of polycrystalline materials, the creep damage generation behavior of austenitic heat-resistant steel is examined in detail and used as an index for predicting the remaining life. Has been performed to examine the effect of extending the remaining life. In the case of a Ni-based super heat-resistant polycrystalline alloy having a grain boundary in the alloy, the creep test was interrupted and HIP (hot issostatic
Pressing) treatments to eliminate the cavities or to further polish the cavities have been considered, and in fact, it has been reported that these treatments have improved the life.
However, high-pressure processing such as HIP is not always practically used because it increases costs economically. In addition, studies on such life extension have been limited to polycrystalline materials, and no reports have been made on single crystal materials such as Ni-based super heat resistant single crystal alloys. Is the actual situation.

【0003】粒界のある多結晶材と単結晶材の場合では
破壊に至るまでのメカニズムが異なり、したがってその
寿命の延長についても、多結晶材とは異る方法が必要と
なってくる。しかも単結晶材料は、ジェットエンジンや
ガスタービンのタービンブレード材等の高温高強度材料
としての用途が増々期待されるにもかかわらず、その寿
命延長についてはほとんど現実的な方策が見出されてい
ないのである。
[0003] In the case of a polycrystalline material having a grain boundary and a single crystal material, the mechanism leading to destruction is different. Therefore, a method different from that of the polycrystalline material is required for extending the life. Moreover, although single crystal materials are increasingly expected to be used as high-temperature, high-strength materials such as turbine blade materials for jet engines and gas turbines, practically no measures have been found for extending their life. It is.

【0004】そこでこの発明は、ジェットエンジンやガ
スタービンのタービンブレード材等として有用であっ
て、高温・高応力下で使用されて強度が劣化した、Ni
基超耐熱単結晶合金からなる単結晶材料の余寿命を延長
し、クリープ特性等機械的特性の改善を図ることのでき
る単結晶材料の余寿命の延長方法を提供することを目的
としている。
Accordingly, the present invention is useful as a material for a turbine blade of a jet engine or gas turbine or the like.
It is an object of the present invention to provide a method for extending the remaining life of a single crystal material that can extend the remaining life of a single crystal material made of a base super heat-resistant single crystal alloy and improve mechanical properties such as creep characteristics.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、高温での使用により強度の劣化
したNi基超耐熱単結晶合金からなる単結晶材料に熱処
理を施すことによる単結晶材料の余寿命延長方法であっ
て、使用時間が定常クリープ域または加速クリープ初期
の段階の単結晶材料に完全溶体化処理及び時効処理の熱
処理を施すことを特徴とする単結晶材料の余寿命延長方
法。
Means for Solving the Problems The present invention solves the above-mentioned problems by providing a single crystal material made of a Ni-based super heat-resistant single crystal alloy whose strength has been deteriorated by use at a high temperature by performing a heat treatment. It is a method of extending the remaining life of crystalline materials.
The time required for complete solution treatment and aging treatment of single crystal material in the steady creep region or the initial stage of accelerated creep
A method for extending the remaining life of a single crystal material, characterized by performing a treatment .

【0006】[0006]

【発明の実施の形態】この発明の単結晶材料の余寿命の
延長方法は、上記の通り、強度劣化した単結晶材料を熱
処理することを本質的特徴としているが、このことは、
原理的には、たとえば図2および図3において説明する
ことができる。すなわち、たとえば図1に例示したよう
に、従来の多結晶材では、クリープの早期の段階で組織
の粗大化・乱れが生じ、かつ、粒界にボイドや粒界酸化
等の欠陥が生じる。このような多結晶材では、再熱処理
しても組織は結晶粒内においては析出物が微細化し回復
するが粒界のボイドや粒界酸化は残留するため、全体と
しては組織の回復が不完全である。これに反し、図2に
例示したように、単結晶合金では高温高圧下での使用で
ラフト(応力軸に垂直な板状のγ′相)の粗大化や乱れ
は生じるが、再熱処理により組織が完全に回復すること
になる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION As described above, the method for extending the remaining life of a single crystal material according to the present invention is essentially characterized by heat-treating a single crystal material whose strength has deteriorated.
In principle, this can be explained for example in FIGS. That is, as illustrated in FIG. 1, for example, in the conventional polycrystalline material, coarsening and disorder of the structure occur at an early stage of creep, and defects such as voids and grain boundary oxidation occur at the grain boundaries. In such a polycrystalline material, even if the heat treatment is performed again, the structure in the crystal grains is refined and the precipitates are refined and recovered, but voids at the grain boundaries and grain boundary oxidation remain, so the overall recovery of the structure is incomplete. It is. On the other hand, as illustrated in FIG. 2, in a single crystal alloy, the raft (plate-like γ ′ phase perpendicular to the stress axis) is coarsened and disordered when used under a high temperature and a high pressure. Will recover completely.

【0007】このような現象により、ジェットエンジン
やガスタービンのタービンブレードとして高温・高応力
下で長時間使用すると強度が劣化する単結晶材料、たと
えばNi基超耐熱単結晶合金の部材を使用途中の定常ク
リープ域或いは加速クリープ域初期にて使用を中断し、
再熱処理することによりバージン材のクリープ特性が得
られ、これら部材の余寿命、特にクリープ特性を延長さ
せることができる。このためタービンブレード材等を繰
り返して再使用することができるようになる。従って、
単結晶タービンブレード等のコストパフォーマンスが向
上する。さらに、この発明では、再熱処理を溶体化処
理、時効処理とすることができ、特別の温度条件ではな
いので、再熱処理に用いる熱処理炉に特別のものを用意
することなく通常使用の熱処理炉を使用して実施できる
ことになる。
Due to such a phenomenon, a single crystal material whose strength is deteriorated when used for a long time under high temperature and high stress as a turbine blade of a jet engine or a gas turbine, for example, a member of a Ni-based super heat resistant single crystal alloy is being used. Suspend the use in the steady creep range or the early stage of the acceleration creep range.
By performing the reheat treatment, the creep characteristics of the virgin material can be obtained, and the remaining life, particularly the creep characteristics, of these members can be extended. For this reason, the turbine blade material and the like can be reused repeatedly. Therefore,
Cost performance of single crystal turbine blades and the like is improved. Further, in the present invention, the reheat treatment can be a solution treatment and an aging treatment, and there is no special temperature condition. It can be implemented using.

【0008】なお、単結晶材料としてのNi基合金に限
定されることなく、Co基、W基、Mo基、各種セラミ
ックス等の様々な単結晶材料に対してもこの発明と同様
の熱処理法が適用されることが考慮される。これらの材
料の種類に応じて熱処理の温度等の条件が選択されるこ
とになる。以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発明
の実施の形態について例示説明する。
[0008] Incidentally, it is not limited to Ni-based alloy as a single crystal material, also with the present invention with respect to Co group, W group, Mo group, various different monocrystalline material such as ceramics
Is considered to be applied. Conditions such as the temperature of the heat treatment are selected according to the types of these materials. Hereinafter, examples will be shown, and embodiments of the present invention will be described in more detail by way of example.

【0009】[0009]

【実施例】Cr:6.0wt%、W:10.2wt%、
Al:5.0wt%、Ta:11.0wt%、Ni:残
部からなるNi−Cr−W−Al−Ta系のNi基超耐
熱単結晶合金を平行部φ4×20mmの試験片を用いて
クリープ試験温度1080℃、応力137MPaの条件
でクリープ試験を行った。その試験結果を図に示し
た。このにおいて、曲線Aは破断まで試験を行った
バージン材のクリープ曲線を示したものである。そし
て、同図において、(a)、(b)はこのバージン材A
の定常クリープ域および加速クリープ域で中断した域を
示す。この時、(a)はクリープ寿命比:t/tr=
0.5で、(b)はクリープ寿命比:t/tr=0.9
である。
Example: Cr: 6.0 wt%, W: 10.2 wt%,
Al: 5.0 wt%, Ta: 11.0 wt%, Ni: Ni-Cr-W-Al-Ta based Ni-based super heat-resistant single crystal alloy consisting of the remainder, creeped using a test piece with a parallel portion φ4 × 20 mm. A creep test was performed at a test temperature of 1080 ° C. and a stress of 137 MPa. The test results are shown in FIG. In FIG. 3 , a curve A shows a creep curve of the virgin material tested up to the fracture. (A) and (b) show the virgin material A in FIG.
Fig. 3 shows a region interrupted in a steady creep region and an accelerated creep region. At this time, (a) is the creep life ratio: t / tr =
0.5, (b) is the creep life ratio: t / tr = 0.9
It is.

【0010】そこで、この(a)および(b)におい
て、この発明の再熱処理を施した。この再熱処理では、
上記合金の場合、1345℃で0.5時間の溶体化処理
後空冷し、時効処理として1080℃で5時間保持し、
空冷した後、さらに870℃で20時間保持した後空冷
の2段時効処理を施した。この再熱処理の後、再びクリ
ープ試験温度1080℃、応力137MPaの条件でク
リープ試験を行った。その結果、これらの試験片はほぼ
バージン材のクリープ特性を示し、その結果としてそれ
ぞれ図1のB点およびC点まで破断寿命が延びた。
Therefore, in (a) and (b), the reheat treatment of the present invention was performed. In this reheat treatment,
In the case of the above alloy, the solution is heat-treated at 1345 ° C. for 0.5 hour, air-cooled, and kept at 1080 ° C. for 5 hours as an aging treatment.
After air cooling, the resultant was further kept at 870 ° C. for 20 hours, and then subjected to air cooling two-stage aging treatment. After this reheat treatment, a creep test was performed again at a creep test temperature of 1080 ° C. and a stress of 137 MPa. As a result, these test pieces exhibited almost the creep characteristics of a virgin material, and as a result, the rupture life was extended to points B and C in FIG. 1, respectively.

【0011】[0011]

【発明の効果】以上説明したように、この発明により、
ジェットエンジンやガスタービンのタービンブレードと
して高温・高応力下で長時間使用すると強度が劣化する
単結晶材料、たとえばNi超耐熱単結晶合金等の部材を
使用途中の定常クリープ域或いは加速クリープ域初期に
て使用を中断し、再熱処理することによりバージン材の
クリープ特性が得られ、これら部材の余寿命、特にクリ
ープ特性を延長させることができる。このためタービン
ブレード材等を繰り返して再使用でき、単結晶タービン
ブレード材等のコストパフォーマンスが向上する。さら
に、再熱処理を溶体化処理と時効処理とすることで、特
別の温度条件でないので、再熱処理に用いる熱処理炉に
特別のものを用意することなく通常使用の熱処理炉を使
用してこの発明が実施でき、この点からもコストパフォ
ーマンスが良好であるなど、優れた効果を奏する。
As described above, according to the present invention,
A single crystal material whose strength is deteriorated when used for a long time under high temperature and high stress as a turbine blade of a jet engine or gas turbine, for example, a member such as a Ni super heat resistant single crystal alloy, is used in a steady creep region or an early stage of an accelerated creep region during use. By suspending the use of the virgin material and performing the heat treatment again, the creep characteristics of the virgin material can be obtained, and the remaining life of these members, especially the creep characteristics, can be extended. Therefore, the turbine blade material and the like can be reused repeatedly, and the cost performance of the single crystal turbine blade material and the like is improved. Furthermore, since the reheat treatment is a solution treatment and an aging treatment, there is no special temperature condition, so that the present invention can be performed using a normal heat treatment furnace without preparing a special heat treatment furnace used for the reheat treatment. It can be implemented, and from this point, it has excellent effects such as good cost performance.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】多結晶合金の再熱処理による組織変化の模式図
である。
FIG. 1 is a schematic view showing a structural change of a polycrystalline alloy due to a reheat treatment.

【図2】単結晶合金の再熱処理による組織変化の模式図
である。
FIG. 2 is a schematic diagram of a change in structure of a single crystal alloy due to reheat treatment.

【図3】単結晶材料としてのNi基超耐熱単結晶合金の
クリープ試験結果を示した図である。
FIG. 3 is a diagram showing a creep test result of a Ni-based super heat-resistant single crystal alloy as a single crystal material.

フロントページの続き 合議体 審判長 三浦 悟 審判官 金澤 俊郎 審判官 刑部 俊 (56)参考文献 特開 昭61−119661(JP,A) 特開 昭56−158832(JP,A) 特開 昭63−26343(JP,A) 特開 昭63−118037(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22F 1/10 Continuing from the front page Judge Satoru Satoru Miura Judge Toshio Kanazawa Judge Shun Toshibe 26343 (JP, A) JP-A-63-118037 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) C22F 1/10

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 高温での使用により強度の劣化したNi
基超耐熱単結晶合金からなる単結晶材料に熱処理を施す
ことによる余寿命延長方法であって、 使用時間が定常クリープ域または加速クリープ初期の段
階の単結晶材料に完全溶体化処理及び時効処理の熱処理
を施すことを特徴とする単結晶材料の余寿命延長方法。
1. Ni whose strength has been deteriorated by use at a high temperature.
This is a method of extending the remaining life by subjecting a single crystal material composed of a base super heat-resistant single crystal alloy to heat treatment, in which the working time is reduced to a single crystal material in a steady creep region or in an early stage of accelerated creep by complete solution treatment and aging treatment. Heat treatment
A method for extending the remaining life of a single-crystal material, characterized by performing the following .
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