JP3241745B2 - コバルト基鍛錬用合金組成物と物品 - Google Patents
コバルト基鍛錬用合金組成物と物品Info
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Description
ける超合金分野に関し、さらに詳しくは高温強度、耐酸
化性、耐高温腐食性、および耐熱疲労亀裂性を独特にか
ねそなえた新規なコバルト基合金並びにそれを用いた新
規な物品に関する。
よび温度に関して苛酷な条件下で高温腐食および侵食雰
囲気における連続的な運転に耐えることができなければ
ならず、これまでのところ耐熱コバルト基超合金および
ニッケル基超合金のみがかかる用途に耐えることがわか
っている。数種の鋳造用コバルト合金がタ―ビン用途に
市販されている。しかし、意外にも市販されている鍛錬
用コバルト合金の数は、よりよいものが待望久しいにも
かかわらず極めて限られている。かくして、高温部分コ
バルト合金構造物を製作または修理するための溶接ワイ
ヤ―の製造に用いる鍛錬用合金は望ましい特性のうちの
いずれかを欠くこととなる。現在、かかる鍛錬用合金と
して2種類が広く用いられているが、長期間の熱サイク
ルに耐える構成部品修理に提供することはできない。し
たがって、高価な高温部修理の耐久性は当業者の重大な
関心事である。
り導かれた本発明により、従来技術による鍛錬用合金の
欠点は除去されるとともに意味のある効果が一慣して得
られる。さらに、これらの主要な効果は、かかる効果を
相殺する原価の上昇またはその他の不利益を招来するこ
となく実現される。
ンジンの熱サイクルおよび高温腐食に耐えるであろうコ
バルト基鍛錬用合金に対する長年の需要を満足させるこ
とは可能であり、さらに、この新しい特性を流動性、湿
潤性などのワイヤ態様にて問題となる溶接特性および良
好な機械加工性とともに得ることができると判明した。
バルト基合金製ガスタ―ビン部品の修理に特に有用であ
ることも判明した。実際に、熱疲労流体ベッド試験によ
り亀裂発生に対する抵抗をみてみると、上述の修理を行
った部品は従来技術による合金で修理した同等部品に比
較してほぼ10倍に向上していた。
知られていたコバルト基鍛錬用合金の組成に対して比較
的小さいが意味のある変化を与えればよいことも意外で
あった。かくして本発明の合金は、米国特許第3,36
6,478号に開示された合金とくらべて、炭素、ニッ
ケルおよびタンタルについてはよく似た量比でクロムに
ついてはやや多めに、そしてコバルトについてはその分
やや少なめに含有する。しかし、本発明の合金は重要な
追加成分として微量だが有効な量比のセリウムを含有す
る。
コバルト以外に約0.03〜0.10重量%の炭素、約
24〜32重量%のクロム、約14〜22重量%のニッ
ケル、約2〜8重量%のタンタル、および約0.02〜
0.75重量%のセリウムを含有する。さらに、これら
合金に微量のアルミニウム、銅、マンガン、ケイ素、ホ
ウ素、タングステン、モリブデン、鉄およびジルコニウ
ムをこれらの合計量で1.38重量%以下含有させてよ
い。酸素、窒素、並びにビスマス、ヒ素および鉛のごと
き低融点金属元素は可能なかぎり低い濃度に抑える。最
適な配合において、本発明の合金は約29%のクロム、
約20%のニッケッル、約6%のタンタル、約0.05
%の炭素、約0.25%のセリウム、および残部のコバ
ルトからなる。
をとる。簡単に説明すれば、本発明の新規な合金を溶接
ワイヤ―としたり、当該新規合金を保護被膜として被覆
した高温段階ガスタ―ビンエンジン構成部品のごとき複
合構造体とすることができる。別の利用として、ガスタ
―ビンエンジンノズルの亀裂を当該新規合金で溶接補修
することもできる。
意に選択できる。しかし、本発明の実施にしたがえば、
コバルト、クロム、ニッケル、タンタルおよび炭素から
なる融体を真空中で作成すなわち真空誘導溶融する。セ
リウムのような金属は溶解の末期近くで加える。インゴ
ットはさらに再溶融して2回目には均質化および組織の
改良を促して一次あら延べに好効果をもたらすようにす
る。得られたビレットを加工して棒材および溶接ワイヤ
―のごとき様々な形状に鍛錬する。別法としてインゴッ
トを粉末に変えることもできる。
ドブロック等の被膜として適用する場合、低圧(すなわ
ち真空)プラズマスプレ―、電子ビ―ム物理的蒸着法
(PVD)、またはアルゴン包囲プラズマスプレ―を用
いることが望ましい。様々なその他の適切な方法が記載
されている文献としてパウェル(Powell)「蒸着(Vapo
ur Deposition )」John Wiley & Sons,Inc., 1966
年242〜246ペ―ジ、およびスミス(Smith )らの
“Low Pressure Plasma Spray Coating for HotCorrosi
on Resistance”第9回溶射国際会議会報334ペ―ジ
(1980)がある。
溶接ワイヤ―を用いる場合、ガスタングステンア―ク溶
接法を用いると望ましいが、必要な強度、延性および一
体性を有する溶接物が得られるかぎりにおいて、その他
の方法を用いてもよいことは当業者なら理解するだろ
う。
(29%Cr,20%Ni,6%Ta,0.25%Ce,0.0
5%C,残部Co)の試験片を用いて行った。溶接部につ
いての一連の熱疲労挙動試験では、図5の10を付した
コバルト基超合金試験片を用いた。該試験片はガスタ―
ビンエンジンノズルの製造に用いられる部品でありノッ
チ11,12および13を図6の符号14に示すように
溶接金属で充填してある。亀裂の発生および成長を示す
図1の曲線A,BおよびCはそれぞれ、正常な運転にお
いて典型的にノズルに負荷される条件、具体的には15
88°F4分間+70°F4分間の流体ベッド温度−時
間サイクルを模擬した条件での熱疲労試験で集めたデ―
タを示す。試験は20,40,60,80,100,1
50,200および300の各サイクル時点で亀裂の発
生の検査および亀裂の拡張の測定のために中断し、50
0サイクル実施後に終了した。これらの試験から得られ
たデ―タは図1の曲線A,BおよびCで示してあり、こ
れらはそれぞれ本発明の合金、合金L−605および合
金FSX−414LCの結果を示す。
明の合金の破断強度を1500°F/25ksi で測定し
た。得られた結果は図2のグラフ上の測定値Hで示す。
同図には合金L−605、合金FSX−414、合金H
S−188および合金MM−918に関しての文献デ―
タをもそれぞれ点K,L,MおよびNとして示す。10
03時間後において本発明の合金の試験片には全く破損
が見られず、それをもって試験は終了した。他方、その
他の合金がそれぞれ示す測定値は試験片の破損を示す。
破断強度に関して、本発明の合金の格別な優位性は明瞭
である。
ついて行った引張強度試験のデ―タは下記の表1に記述
する。比較のために文献によるL−605,HS−18
8およびMM−918合金に関するデ―タも表1に示
す。
よび1600°F)においてより優れた降伏強度を保有
することは表1のデ―タから明らかである。
いる合金とについて、高温腐食/酸化の比較試験を実施
して得た結果を下記の表2に示す。この比較試験はバ―
ナ―装置を用いて各合金の丸形ピン試験片を1350°
F,1600°Fおよび1700°Fの各温度に暴露し
て行った。1350°Fおよび1600°Fの試験に用
いた燃料は二硫化t−ブチル(1%の硫黄を加えるた
め)および約500ppm の合成海水塩を添加した#2デ
ィ―ゼル油である。十分な量のSO2 を燃焼空気に添加
して、通常の船舶用および産業用ガスタ―ビンの運転状
態においてふつうみられる値にほぼ相当する硫黄水準と
した。1700°Fの試験は天然ガスを燃料として純酸
化性の条件下で実施した。1350°Fでは苛酷な第二
種高温腐食条件下で2000時間経過すると、本発明の
合金の侵入平均値は0.00015インチだったのに対
し、MM−918合金のそれは0.0009インチであ
った。
2000時間経過すると、本発明の合金の浸入深度の平
均値が4.7ミルだったのに対し、MM−918合金の
それは6.7ミルであった。かくして本発明の合金がM
M−918合金と比較して格段に優れていることは明瞭
である。
耐高温酸化性試験を実施した。これらの試験には上記の
高温腐食/酸化試験に用いたと同様のバ―ナ装置と丸形
ピン試験片を用いた。これらの試験では天然ガスを用い
た。得られた結果は図3のグラフに測定値を線で結んで
曲線Rとして示した。
のとおりである。
合金の一つ。
クトリック社が特許を保有する鋳造用コバルト基合金の
低炭素溶接ワイヤ―仕様。
たL−605合金の改良合金。
6,478号の請求項(9)の合金。
具体的には本発明の合金で被覆されたガスタ―ビンエン
ジンシュラウドブロック15の形態をとる。かくして、
タ―ビンバケットチップ17に対向するブロックの表面
部分は本発明の合金の被膜16を保有する。そのため、
タ―ビンシェル18に固定されるブロック15は、耐熱
疲労亀裂性の被膜16により、重要な部位における酸化
および腐食から保護される。該被膜16は約8〜10ミ
ルの厚さであることが適しており、空気プラズマスプレ
―または真空プラズマスプレ―の技法により設けられ
る。
率は特にことわらないかぎり重量基準である。
で表示した亀裂長さとをプロットしたグラフである。本
発明を具体化する試験片と従来の2種の充填溶接ワイヤ
―合金の試験片とについて、熱疲労試験を実施した結果
をそれぞれの合金の点を線で結んでグラフに表してあ
る。
破断強度図である。本発明を具体化する試験片の破断強
度試験の結果と4種類の従来技術の合金について文献に
報告されていた該試験の結果とをそれぞれプロットして
表示してある。
の耐酸化性を示すグラフであって、時間(1000時間
単位)に対して浸入平均値(ミル)をプロットして線で
結んで表示してある。
ロックおよびタ―ビンバケットの部分の横断面図であ
る。シュラウドブロックは、バケットチップに対向する
表面部分を本発明の合金により被覆してある。
材料として評価するために用いた熱疲労試験片の平面図
である。試験の結果は図1に示した。
る。
Claims (3)
- 【請求項1】 29%のクロム、20%のニッケル、6
%のタンタル、0.05%の炭素、0.25%のセリウ
ム、および残部のコバルトからなり、高温強度、耐酸化
性、耐高温腐食性、耐熱疲労性に優れた、1800°F
のガスタ―ビンエンジン用コバルト基合金。 - 【請求項2】 溶接ワイヤー用の請求項1記載のガスタ
―ビンエンジン用コバルト基合金。 - 【請求項3】 24〜32%のクロム、14〜22%の
ニッケル、2〜8%のタンタル、0.02〜0.75%
のセリウム、0.03〜0.1%の炭素、および残部の
コバルトからなるコバルト基合金の層で被覆してなるガ
スタ―ビンエンジン構成部品。
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