JP3388970B2 - TiAl系金属間化合物基合金 - Google Patents

TiAl系金属間化合物基合金

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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は産業用ガスタービ
ン、蒸気タービン及びジェットエンジン等のタービンブ
レード材に用いるに適した耐熱性、耐酸化性と耐共振性
に優れたTiAl系金属間化合物基合金に関する。 【0002】 【従来の技術】種々の大型タービン機関の高性能化のた
めには、温度、圧力などの流体条件の上昇とともに、タ
ービンの大容量化(タービンブレードの長尺化)、高速
化(回転数増加)が必要である。しかしながら、タービ
ンブレードの長尺化あるいは高回転化に伴い、ブレード
自身及びロータに負荷される遠心応力は飛躍的に増加す
るため、従来の12Cr系耐熱鋼、Ni基超合金製のブ
レードでは、ブレード自身及びロータ(同様に12Cr
系耐熱鋼、Ni基超合金製)の強度の点で限界があっ
た。したがって、ブレード長尺化及び高回転化による大
型タービン機関の高性能化を実現するために、軽量でか
つ高温強度が高い新たな材料をブレードに使用すること
が望まれてきた。金属間化合物TiAlを主相とする合
金(以下、TiAl基合金と略記する)は金属系新素材
として近年注目を集めている。その最大の特徴は軽量高
強度ということであるため、従来のブレード材に変わる
新規のブレード材として有望と考えられてきた。 【0003】一般に、ブレードなどの高温回転部品に適
用される材料を考えた場合、高温強度、疲労強度、クリ
ープ強度、破壊靱性、耐酸化性、常温延性などの一般的
な材料特性が必要であるが、それ以外にも回転部品固有
の特性、すなわち、耐共振性が必要となる。すなわち、
これらの部品には使用中に一定の励振力が作用し、共振
を起こす可能性があるためである。共振が生じると振
動、騒音が許容値以上となり、環境に悪影響を与えると
同時に、甚だしくは疲労破壊にまで至る。この危険な共
振を設計的な手段のみにおいて防止することは困難であ
り、またこれを追求することによって構造物の巨大化な
どの他の弊害も生じることから、材料自身に振動の減衰
能をもたす考え方が一般的である。このためには材料に
は減衰能、つまり大きな内部摩擦が必要とされる。 【0004】TiAl基合金は近年世界中で盛んに研究
されており、強度、クリープ、耐酸化性、延性などに関
しては種々の手法によって改善することが明らかとなっ
ている。しかしながらTiAl基合金の内部摩擦が小さ
い(12Cr系耐熱鋼の1/10程度)と言うことに着
目した例はほとんどなく、これの改善方法も全く示され
ていなかった。つまり従来の技術によるTiAl基合金
ではブレードとして必要な特性である内部摩擦が小さ
く、耐共振性が不十分なためこのままでは実際に製品化
されるまでには至らないと言える。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】本発明は以上の事情に
鑑み、高温強度、耐酸化性、常温延性など通常の材料特
性とともに、従来技術では考慮されず低いまま放置され
てきた耐共振性が改善されたブレード材として用いるの
に適当なTiAl基合金を提供しようとするものであ
る。 【0006】 【課題を解決するための手段】本発明者は従来技術の合
金で不十分な特性であった内部摩擦を向上させるために
は適量のMo、Niの添加が有効であることを見出し
た。また、高温強度、常温延性など種々の材料特性をバ
ランスよく向上させるためには適量なC、Mnを添加す
ることが有効であることを見出した。また更に、800
℃程度のTiAl基合金としては高温域に当たる温度域
において、長時間使用するのに必要な特性である耐酸化
性を向上させるにはNbを比較的多量に添加すればよい
ことを見いだした。 【0007】本発明はこの結果に基づいてなされたもの
で、Al濃度:45〜48原子%、Mo及び/又はNi
濃度:0.5〜3原子%、Nb濃度:5〜9原子%、C
濃度:0.1〜0.5原子%、Mn濃度:1〜2原子%
を含有し、残部がTi、及び不可避的不純物からなるこ
とを特徴とする耐熱性、耐酸化性、耐共振性に優れたT
iAl系金属間化合物基合金である。 【0008】(作用)以下、本発明に係わる合金におけ
る各成分の作用並びに限定理由を示す。 【0009】(1)Al: Alは本合金の主要構成元
素である。濃度が45原子%未満になるとα2 相の割合
が多くなり過ぎるため常温延性が低下する。一方、48
原子%を越えるとα2 相の割合が少なくなり過ぎるため
高温強度が低下し望ましくない。 【0010】(2)Mo及び/又はNi: 内部摩擦を
増加させるための添加成分である。Mo及び/又はNi
の添加量が0.5原子%未満では添加効果が認められな
い。一方、Mo及び/又はNiの添加量が3原子%を越
えるとそれ以下と比べ内部摩擦は大差ないが、ラーベス
相などの有害相を生成させ常温延性を低下させるため望
ましくない。 【0011】(3)Nb: 主な作用は耐酸化性を向上
させることであるが、高温強度を向上させる働きもも
つ。添加量が5原子%未満では800℃程度の耐酸化性
を想定すると不十分であり、添加効果は認められない。
一方、9原子%を越えると、それ以下と比べて耐酸化性
に大差がなく、比重が増加するとともにσ相などの有害
相を生成させ、常温延性を低下させるため望ましくな
い。 【0012】(4)C: 高温強度を向上させるための
添加成分である。添加量が0.1原子%未満では添加効
果が認められない。一方、0.5原子%を越えると、常
温延性が低下するため望ましくない。 【0013】(5)Mn: 常温延性を向上させるため
の添加成分である。添加量が1原子%未満では添加効果
が認められない。一方、2原子%を越えると、それ以下
と比べ常温延性は大差なく高温強度と耐酸化性を低下さ
せるので望ましくない。 【0014】 【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。純
度99.8%のスポンジTi及び純度99.9%のA
l、Mo、Ni、Nb、C、Mnを原料として用い、高
周波スカル溶解によって、表1に示す組成の径:100
mm×長さ:150mmのインゴットを作製した。次に
インゴットに1260℃×5時間、1500気圧のHI
P処理を施した後、機械加工により平行部の直径:5m
m、標点間距離:22mmの引張り試験片、縦:20m
m×横:20mm×厚さ:2mmの酸化試験片及び縦:
90mm×横:10mm×厚さ:2mmの内部摩擦測定
用試験片を採取した。 【0015】常温延性は室温の引張り試験での伸びによ
って、また高温強度は800℃の引張り試験での引張り
強度によって評価した。引張り試験の初期ひずみ速度は
両温度とも3.8×10-4/sである。耐酸化性は80
0℃で500時間保持した場合の酸化増量によって評価
した。また、内部摩擦は室温において横振動法によって
測定した。これらの試験結果の一覧表を表1に併せて示
す。 【0016】No.1は本発明に係わる合金においてA
l濃度が本発明の範囲以下のものの結果である。800
℃の強度、内部摩擦、酸化増量は良好であるものの、室
温伸びは0.6%と不良であった。No.2〜No.5
は本発明の合金であり、室温伸びは1.6%以上、80
0℃の強度は52Kgf/mm2 以上、内部摩擦
(Q -1)は1.8×10-3以上、酸化増量は2.4mg
/cm2 以下といずれの特性も良好であった。No.6
は本発明に係わる合金においてAl濃度が本発明の範囲
以上のものの結果である。室温伸び、内部摩擦、酸化増
量は良好であるものの、800℃の強度は47.3Kg
f/mm2 と不良であった。 【0017】No.7は本発明に係わる合金においてM
o及び/又はNi濃度が本発明の範囲以下のものの結果
である。室温伸び、800℃の強度、酸化増量は良好で
あるものの、内部摩擦(Q-1)は0.6×10-3と不良
であった。No.8〜No.11は本発明の合金であ
り、室温伸びは1.5%以上、800℃の強度は51K
gf/mm2 以上、内部摩擦(Q-1)は1.4×10-3
以上、酸化増量は2.8mg/cm2 以下といずれの特
性も良好であった。No.12、No.13は本発明に
係わる合金においてMo及び/又はNi濃度が本発明の
範囲以上のものの結果である。800℃の強度、内部摩
擦、酸化増量は良好であるものの、常温伸びは0.8%
以下と不良であった。 【0018】No.14は本発明に係わる合金において
Nb濃度が本発明の範囲以下のものの結果である。室温
伸び、800℃の強度、内部摩擦は良好であるものの、
酸化増量は4.5mg/cm2 と不良であった。No.
15〜No.17は本発明の合金であり、室温伸びは
1.5%以上、800℃の強度は52Kgf/mm2
上、内部摩擦(Q-1)は1.7×10-3以上、酸化増量
は2.7mg/cm2 以下といずれの特性も良好であっ
た。No.18は本発明に係わる合金においてNb濃度
が本発明の範囲以上のものの結果である。800℃の強
度、内部摩擦、酸化増量は良好であるものの、室温伸び
は1.0%と不良であった。 【0019】No.19は本発明に係わる合金において
C濃度が本発明の範囲以下のものの結果である。室温伸
び、内部摩擦、酸化増量は良好であるものの、800℃
の強度は48.4Kgf/mm2 と不良であった。N
o.20〜No.23は本発明の合金であり、室温伸び
は1.5%以上、800℃の強度は51Kgf/mm2
以上、内部摩擦(Q-1)は1.8×10-3以上、酸化増
量は2.7mg/cm2以下といずれの特性も良好であ
った。No.24は本発明に係わる合金においてC濃度
が本発明の範囲以上のものの結果である。800℃の強
度、内部摩擦、酸化増量は良好であるものの、室温伸び
は0.8%と不良であった。 【0020】No.25は本発明に係わる合金において
Mn濃度が本発明の範囲以下のものの結果である。80
0℃の強度、内部摩擦、酸化増量は良好であるものの、
室温伸びは0.9%と不良であった。No.26〜N
o.28は本発明の合金であり、室温伸びは1.6%以
上、800℃の強度は52Kgf/mm2 以上、内部摩
擦(Q-1)は1.8×10-3以上、酸化増量は2.7m
g/cm2 以下といずれの特性も良好であった。No.
29は本発明に係わる合金においてMn濃度が本発明の
範囲以上のものの結果である。室温伸び、内部摩擦は良
好であるものの、800℃の強度は48.3Kgf/m
2 、酸化増量は4.3mg/cm2 と不良であった。 【0021】 【表1】【0022】 【表2】 【0023】 【発明の効果】以上詳述した如く本発明によれば、産業
用ガスタービン、蒸気タービン、及びジェットエンジン
等のタービンブレード材に用いるに適した耐熱性、耐酸
化性と耐共振性に優れたTiAl系金属間化合物基合金
が提供できる。

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 Al濃度:45〜48原子%、Mo及び
    /又はNi濃度:0.5〜3原子%、Nb濃度:5〜9
    原子%、C濃度:0.1〜0.5原子%、Mn濃度:1
    〜2原子%を含有し、残部がTi及び不可避的不純物か
    らなることを特徴とする耐熱性、耐酸化性、耐共振性T
    iAl系金属間化合物基合金。
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