JP3146341B2 - High melting point superalloy - Google Patents

High melting point superalloy

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JP3146341B2 JP28613595A JP28613595A JP3146341B2 JP 3146341 B2 JP3146341 B2 JP 3146341B2 JP 28613595 A JP28613595 A JP 28613595A JP 28613595 A JP28613595 A JP 28613595A JP 3146341 B2 JP3146341 B2 JP 3146341B2
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容子 山邉
芳一 呂
智弘 丸子
静夫 中沢
秀之 村上
広史 原田
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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]

【産業上の利用分野】この発明は、高融点超合金に関す
るものである。さらに詳しくは、この発明は、発電用ガ
スタービン、ジェットエンジン、ロケットエンジン等の
タービンブレード、タービンベーン等に用いられる耐熱
部材として有用な高融点超合金に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high melting point superalloy. More specifically, the present invention relates to a high-melting superalloy useful as a heat-resistant member used for turbine blades, turbine vanes, and the like of gas turbines for power generation, jet engines, rocket engines, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術とその課題】従来より、タービンブレード
やタービンベーン等の高温機器に用いられる耐熱部材と
してはNi基超合金が用いられている。このNi基超合
金の融点は1300℃前後であり、従って、実用的な強
度を有することのできる温度範囲、つまり耐用温度は1
100℃程度である。しかしながら、発電用ガスタービ
ン、ジェットエンジン、ロケットエンジン等の高温機器
の出力や熱効率をさらに向上させるためには、燃焼ガス
温度を上昇させなければならず、このためには従来より
用いられているNi基超合金の耐用温度1100℃より
さらに高い耐用温度を有する耐熱部材が必要である。
2. Description of the Related Art Conventionally, Ni-based superalloys have been used as heat-resistant members used for high-temperature equipment such as turbine blades and turbine vanes. The melting point of this Ni-based superalloy is about 1300 ° C., and therefore, the temperature range in which practical strength can be obtained, that is, the service temperature is 1 ° C.
It is about 100 ° C. However, in order to further improve the output and thermal efficiency of high-temperature equipment such as gas turbines for power generation, jet engines, and rocket engines, the temperature of the combustion gas must be increased. A heat-resistant member having a service temperature higher than the service temperature 1100 ° C. of the base superalloy is required.

【0003】従来より、このような高い耐用温度を有す
る耐熱部材としてタングステン、ニオブ、モリブデン、
タンタル等の高融点合金が研究されている。しかしなが
ら、これらの合金は、真空中や不活性ガス中など酸化の
生じない雰囲気中においては十分な高温強度を有する
が、大気中や燃焼ガス中など酸化の生じる雰囲気中にお
いては急速に酸化消耗してしまうため上記のような高温
機器の部材としては用いることができないという欠点が
ある。
[0003] Conventionally, tungsten, niobium, molybdenum, and the like have been used as heat-resistant members having such a high service temperature.
High melting point alloys such as tantalum have been studied. However, these alloys have sufficient high-temperature strength in an atmosphere where oxidation does not occur, such as in a vacuum or an inert gas, but rapidly deplete in an atmosphere where oxidation occurs, such as in the air or in a combustion gas. Therefore, there is a disadvantage that it cannot be used as a member of the high-temperature equipment as described above.

【0004】そこでこの発明は、上記のような従来技術
の欠点を解決するために創案されたものであり、従来の
超合金よりもさらに高い耐用温度の高温強度特性と、さ
らに優れた耐酸化特性とを有する、新しい高融点超合金
を提供することを目的としている。
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned drawbacks of the prior art, and has a high-temperature strength characteristic at a higher service temperature than a conventional superalloy and a more excellent oxidation resistance characteristic. It is intended to provide a new high melting point superalloy having the following.

【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、イリジウム、ロジウムまたはこ
れらの混合物に、ニオブ、タンタル、チタンおよびアル
ミニウムのうちの1種または2種以上の元素が添加され
た合金(添加量が2.0重量%以下のものを除く)であ
って、FCC構造とLl2 構造との2つの結晶を有す
ることを特徴とする高温高強度の耐酸化性高融点超合金
を提供する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention, as to solve the foregoing problems, iridium, rhodium or mixtures thereof, niobium, tantalum, one or more elements of titanium and aluminum An added alloy (excluding alloys having an addition amount of 2.0% by weight or less), which has two crystal phases of an FCC structure and an Ll 2 structure, and is characterized by high temperature, high strength and oxidation resistance. Provide a melting point superalloy.

【0006】[0006]

【0007】[0007]

【作用】この発明においては、上記の通り、イリジウ
ム、ロジウムまたはこれらの混合物に、ニオブ、タンタ
ル、ハフニウム、ジルコニウム、ウラン、バナジウム、
チタン、アルミニウムを単独に、もしくは複合的に添加
することにより、FCC構造とL12 構造との2つの結
晶を有する高い耐用温度の高温強度特性と優れた耐酸化
特性の高融点超合金とすることができる。
In the present invention, as described above, iridium, rhodium or a mixture thereof is added to niobium, tantalum, hafnium, zirconium, uranium, vanadium,
Titanium, aluminum alone, or by composite addition the be a high-melting superalloy of high temperature strength and excellent oxidation resistance of high temperature capability with two crystals of FCC structure and the L1 2 structure Can be.

【0008】この発明の高融点超合金の高温強度は、2
つの結晶がお互いに整合して存在する時に、その整合界
面が転位の移動を妨げることにより最大となる。イリジ
ウムに添加される元素の単独、あるいは複合的な添加量
が2原子%以下で得られる合金はFCC構造の結晶のみ
の単相組織となりやすく、また、添加量が22原子%を
超えると得られる合金はLl2 構造の結晶のみの単相結
晶となりやすい。このため十分な高温強度を得ることが
できにくい。このような観点からは、一般的目安として
は、元素の添加量は2原子%以上22原子%以下とする
ことが好ましい。なお、ニオブ、タンタル、チタン、お
よびアルミニウム総添加量が2.0重量%以下の合金は
この発明において除外される。
The high-temperature strength of the high melting point superalloy of the present invention is 2
When two crystals exist in alignment with each other, their alignment interface is maximized by preventing dislocation movement. An alloy obtained by adding an element added to iridium singly or in a combined amount of 2 atomic% or less tends to have a single-phase structure of only crystals having an FCC structure, and is obtained when the added amount exceeds 22 atomic%. alloy is likely to be a single-phase crystal of only crystal of Ll 2 structure. For this reason, it is difficult to obtain sufficient high-temperature strength. From such a viewpoint, as a general guide, it is preferable that the addition amount of the element be 2 atomic% or more and 22 atomic% or less. In addition, niobium, tantalum, titanium,
And alloys with a total aluminum content of 2.0% by weight or less
Excluded in this invention.

【0009】なお、FCC構造とLl2 構造の2相から
なる本発明合金の結晶構造を実質的に保つ範囲内で、他
の合金元素を添加して、特性をさらに向上させてもよ
い。たとえば、耐熱鋼やNi基超耐熱合金などの耐熱材
料に通常添加され、高温強度向上に有効であることが広
く知られているモリブデン、タングステン、レニウムな
どの強化元素を単独にあるいは複合的に添加してもよ
い。イリジウムまたはロジウムの一部をルテニウム、パ
ラジウム、プラチナ、オスミウムなどにて置換すること
も高温強度向上に有効である。また、合金の融点を若干
下げるが、イリジウムまたはロジウムの全部をパラジウ
ムまたはプラチナで置換することも可能である。
Incidentally, other alloying elements may be added to further improve the characteristics within a range in which the crystal structure of the alloy of the present invention consisting of the FCC structure and the Ll 2 structure is substantially maintained. For example, reinforcing elements such as molybdenum, tungsten, and rhenium, which are usually added to heat-resistant materials such as heat-resistant steel and Ni-base super heat-resistant alloys and are widely known to be effective in improving high-temperature strength, are added alone or in combination. May be. Replacing part of iridium or rhodium with ruthenium, palladium, platinum, osmium or the like is also effective for improving the high-temperature strength. It is also possible to slightly reduce the melting point of the alloy, but replace all of iridium or rhodium with palladium or platinum.

【0010】耐酸化性と耐高温腐食性の向上を目的とし
て、クロム、レニウムなど耐熱合金の耐酸化性や耐高温
腐食性の向上に一般に効果のある元素を単独もしくは複
合的に添加してもよい。また、耐熱鋼やNi基超耐熱合
金に通常添加され、多結晶材として用いる場合の粒界強
度向上に有効であることが広く知られている炭素、ホウ
素などを単独にあるいは複合的に添加してもよい。
For the purpose of improving oxidation resistance and high-temperature corrosion resistance, an element generally effective in improving the oxidation resistance and high-temperature corrosion resistance of a heat-resistant alloy such as chromium and rhenium may be added alone or in combination. Good. In addition, carbon or boron, which is usually added to heat-resistant steel or Ni-base super heat-resistant alloy and is widely known to be effective in improving the grain boundary strength when used as a polycrystalline material, is added alone or in combination. You may.

【0011】さらに、イリジウムの一部をニッケル、コ
バルトなど廉価で比重の小さい金属元素で置換し、合金
の価格や比重を低減することもできる。さらに、Ni基
超耐熱合金の強度向上の目的で行われている一方向凝固
法や単結晶凝固法、あるいは粉末冶金成形法を適用して
組織制御を行ってもよい。2相合金に通常適用される溶
体化処理やその後の時効処理などの熱処理や、加工熱処
理などを施して、ミクロ組織を制御して特性向上を図る
ことができる。
Further, it is possible to reduce the price and specific gravity of the alloy by replacing a part of iridium with an inexpensive metal element having low specific gravity such as nickel and cobalt. Further, the structure may be controlled by applying a unidirectional solidification method, a single crystal solidification method, or a powder metallurgy molding method, which is performed for the purpose of improving the strength of the Ni-base superalloy. A heat treatment such as a solution treatment or a subsequent aging treatment generally applied to a two-phase alloy, a working heat treatment, or the like is performed to control the microstructure and improve characteristics.

【0012】いずれにしても、イリジウム、ロジウムま
たはこれらの混合物をベースとし実質的にFCC構造と
Ll2 構造の2相からなるこの発明の合金が新しい合金
系の基本となる可能性がある。以下、実施例を示し、さ
らに詳しくこの発明の構成と作用効果について説明す
る。もちろんこの発明は以下の例によって限定されるも
のではない。
In any event, the alloys of the present invention based on iridium, rhodium or mixtures thereof and consisting essentially of two phases, the FCC structure and the Ll 2 structure, may be the basis for new alloy systems. Hereinafter, examples will be shown, and the configuration, operation, and effect of the present invention will be described in more detail. Of course, the present invention is not limited by the following examples.

【0013】[0013]

【実施例】イリジウムに、ニオブ、チタン、及びアルミ
ニウムを、また、ロジウムにニオブおよびタンタルをそ
れぞれ単独で15原子%添加し、アーク溶解法により合
金を生成する。これにより生成された5種類の合金を、
耐熱強度特性について、従来のNi基超合金であるMa
rM247と比較する。また、耐酸化特性について、M
arM247、純イリジウム、ニオブ合金、タンタル合
金、モリブデン合金、タングステン合金と比較する。耐
熱強度特性については、1200℃および1800℃に
おいて圧縮試験を行った。図1は、圧縮歪みと応力との
関係を示した図である。この図1から明らかなように、
この発明のイリジウムまたはロジムウをベースとした高
融点超合金は、外部からの変形に対して非常に高い応力
(縦軸MPa)を示し、よって、従来のNi基超合金に
比べて非常に優れた強度特性を有することがわかる。ま
た、耐酸化特性については、1500℃における1時間
の酸化消耗量を計測した。表1は、各合金の酸化消耗量
と1200℃における0.2%耐力(MPa)とを示し
たものである。この表1から明らかなように、この発明
の高融点超合金は、従来のMarM247、純イリジウ
ム、ニオブ合金、タンタル合金、モリブデン合金、タン
グステン合金に比べ、同等のまたはより優れた強度を有
しながら非常に優れた耐酸化特性をも有することがわか
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Niobium, titanium, and aluminum are added to iridium, and niobium and tantalum are individually added to rhodium at 15 atomic%, and alloys are formed by an arc melting method. The resulting five alloys are
Regarding the heat resistance property, Ma which is a conventional Ni-based superalloy
Compare with rM247. Regarding oxidation resistance, M
Compare with arM247, pure iridium, niobium alloy, tantalum alloy, molybdenum alloy, tungsten alloy. As for the heat resistance properties, compression tests were performed at 1200 ° C. and 1800 ° C. FIG. 1 is a diagram showing the relationship between compressive strain and stress. As is clear from FIG.
The high-melting point superalloy based on iridium or lozimium according to the present invention exhibits a very high stress (vertical axis MPa) against external deformation, and is therefore much superior to the conventional Ni-based superalloy. It can be seen that it has strength characteristics. As for the oxidation resistance, the amount of oxidation consumption at 1500 ° C. for one hour was measured. Table 1 shows the oxidative consumption of each alloy and the 0.2% proof stress (MPa) at 1200 ° C. As is clear from Table 1, the high melting point superalloy of the present invention has the same or better strength than the conventional MarM247, pure iridium, niobium alloy, tantalum alloy, molybdenum alloy, and tungsten alloy. It turns out that it also has very excellent oxidation resistance.

【0014】[0014]

【表1】 [Table 1]

【0015】[0015]

【発明の効果】この発明は、以上詳しく説明した通り、
高い耐用温度の高温強度特性と優れた耐酸化特性を有す
る高融点超合金を製造することができる。
According to the present invention, as described in detail above,
A high melting point superalloy having high temperature strength characteristics at a high service temperature and excellent oxidation resistance characteristics can be manufactured.

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

【図1】この発明の高融点超合金と従来の超合金の歪み
−応力曲線を示した図である。
FIG. 1 is a diagram showing strain-stress curves of a high melting point superalloy of the present invention and a conventional superalloy.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中沢 静夫 茨城県つくば市千現1丁目2番1号 科 学技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 村上 秀之 茨城県つくば市千現1丁目2番1号 科 学技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 原田 広史 茨城県つくば市千現1丁目2番1号 科 学技術庁金属材料技術研究所内 合議体 審判長 三浦 悟 審判官 山岸 勝喜 審判官 金澤 俊郎 (56)参考文献 特開 平1−119595(JP,A) 特開 昭53−88684(JP,A) 特公 昭43−19751(JP,B1) 特公 昭42−12351(JP,B1) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Shizuo Nakazawa 1-2-1, Sengen, Tsukuba, Ibaraki Prefecture Within the National Institute for Metals and Materials Science and Technology (72) Inventor Hideyuki Murakami 1-2-1, Sengen, Tsukuba, Ibaraki No. 1 Inside the National Institute of Metals Technology (72) Inventor Hiroshi Harada 1-1-2 Sengen, Tsukuba-shi, Ibaraki Prefectural Government, National Institute for Metals Materials Research, Chief Judge Satoru Miura Judge Katsuyoshi Yamagishi Judge Toshiro Kanazawa (56) References JP-A-1-119595 (JP, A) JP-A-53-88684 (JP, A) JP-B-43-19751 (JP, B1) JP-B-42-12351 (JP, B1) )

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 イリジウム、ロジウムまたはこれらの混
合物に、ニオブ、タンタル、チタンおよびアルミニウム
うちの1種または2種以上の元素が添加された合金
(添加量が2.0重量%以下のものを除く)であって、
FCC構造とLl2 構造との2つの結晶を有すること
を特徴とする高温高強度の耐酸化性高融点超合金。
An alloy in which one or more elements of niobium, tantalum, titanium and aluminum are added to iridium, rhodium or a mixture thereof (the alloy having an addition amount of 2.0% by weight or less). Excluding)
A high-temperature, high-strength, oxidation-resistant, high-melting superalloy characterized by having two crystal phases , an FCC structure and an Ll 2 structure.
JP28613595A 1995-03-15 1995-11-02 High melting point superalloy Expired - Lifetime JP3146341B2 (en)

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