JP3546984B2 - 健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金に関するものであり、特に、このＮｉ基耐熱合金で作られた健全な鋳肌および鋳物内部組織を有する柱状晶大型鋳物および健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶大型鋳物製タービン翼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンのタービン動・靜翼、高温ブロアーの動翼はＮｉ基耐熱合金鋳物で構成されることは知られているところであり、例えば、特開平６−５７３９５号公報には、ガスタービンのタービン動・靜翼、高温ブロアーの動翼を作るためのＮｉ基耐熱合金として、重量％（以下、％は、重量％を示す）で、
（ａ）Ｃｒ：１３．１〜１５．０％、Ｃｏ：８．５〜１０．５％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜４．５％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０６〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０２５％、Ｚｒ：０．０１０〜０．０５０％、Ｍｇおよび／またはＣａ：１〜１００ｐｐｍを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有する、高温強度、高温耐酸化性および高温耐蝕性に優れたＮｉ基耐熱合金、
（ｂ）Ｃｒ：１３．１〜１５．０％、Ｃｏ：８．５〜１０．５％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜４．５％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０６〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０２５％、Ｚｒ：０．０１０〜０．０５０％、さらに、Ｈｆ：０．２〜１．５％を含有し、Ｍｇおよび／またはＣａ：１〜１００ｐｐｍを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有する、高温強度、高温耐酸化性および高温耐蝕性に優れたＮｉ基耐熱合金、
（ｃ）Ｃｒ：１３．１〜１５．０％、Ｃｏ：８．５〜１０．５％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜４．５％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０６〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０２５％、Ｚｒ：０．０１０〜０．０５０％、Ｍｇおよび／またはＣａ：１〜１００ｐｐｍを含有し、さらに、Ｈｆ：０．２〜１．５％を含有し、さらに、Ｐｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有する、高温強度、高温耐酸化性および高温耐蝕性に優れたＮｉ基耐熱合金、
（ｄ）Ｃｒ：１３．１〜１５．０％、Ｃｏ：８．５〜１０．５％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜４．５％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０６〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０２５％、Ｚｒ：０．０１０〜０．０５０％、Ｍｇおよび／またはＣａ：１〜１００ｐｐｍを含有し、さらにＨｆ：０．２〜１．５％を含有し、さらにＰｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有する、高温強度、高温耐酸化性および高温耐蝕性に優れたＮｉ基耐熱合金、などが記載されている。
【０００３】
一方、ガスタービンのタービン動・靜翼および高温ブロアーの動翼は柱状晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物で構成されることも知られている。この柱状晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物を製造するには、一方向凝固装置において、真空溶解で溶解されたＮｉ基合金溶湯を鋳型に注入した後、鋳型加熱温度：１４８０〜１５３０℃、チル板の引き下げ速度：２００〜３５０ｍｍ／ｈでチル板上の鋳型を水冷チルリングを通して下方に下げ、チル板に形成された柱状晶を成長させることにより長尺の柱状晶Ｎｉ基耐熱合金大型鋳物または大型タービン翼を製造する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ガスタービンの大型化に伴って、そこに据え付けられるタービン翼も大型化している。しかし、従来のＮｉ基耐熱合金で、柱状晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物からなる大型のタービン翼を製造すると、得られる大型タービン翼の柱状晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物の鋳肌表面が粗くなりかつ鋳肌に部分的に凹部欠陥ができて健全な鋳肌を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶鋳物を得ることができず、従って、健全な鋳肌を有するＮｉ基耐熱合金鋳物からなる大型のタービン翼を得ることができない。大型タービン翼の外面の鋳肌表面が粗くなったり鋳肌に部分的に凹部欠陥が多数発生しても、これらは研削除去して仕上げることができるが、中子鋳型により形成された大型タービン翼の内面の鋳肌表面が粗い部分または部分的に発生した凹部欠陥は除去することができず、大型タービン翼の内面に鋳肌表面が粗い部分または部分的凹部欠陥が存在すると、これを起点として破壊したり、クリープ疲労強度が低下したりするところから大型タービン翼の信頼性と寿命が低下していた。
さらにタービン翼の大型化にともない、製造された大型タービン翼の柱状晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物の内部組織にマイクロポロシティーが多数発生し、内部欠陥の少ない柱状晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物からなる大型のタービン翼を得ることができなくなる。マイクロポロシティーは、従来、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理によって軽減していたが、ＨＩＰ処理を施しても大型タービン翼の柱状晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物内部に発生したマイクロポロシティーは完全に除去することはできず、除去されずに残ったマイクロポロシティーを起点として破壊が起きたり、クリープ疲労強度が低下したりするなどして大型タービン翼の信頼性を損なうこともあった。
【０００５】
【課題を解決する手段】
そこで本発明者等は、従来よりも一層健全な鋳肌を得ることができると共に鋳物内部にマイクロポロシティーが発生することの少ないＮｉ基耐熱合金を開発し、このＮｉ基耐熱合金を鋳込んで信頼性のある長寿命の大型タービン翼鋳物を得るべく鋭意研究した結果、
Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成のＮｉ基合金を溶解して得られた溶湯を一方向凝固装置の鋳型に注入したのち、従来よりも高温の１４８０〜１６５０℃で引き下げ速度：１００〜３５０ｍｍ／ｈのゆっくりとした引き下げ速度でチル板を引き下げることにより柱状晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物を製造したところ、得られた柱状晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物の鋳肌は滑らかであり、さらに部分的な凹部欠陥およびマイクロポロシティーが存在せず、存在しても極めて少ないので破壊の起点となることは極めて少ない、という知見を得たたのである。
【０００６】
この発明は、かかる知見に基づいてなされたものであって、
（１）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有する健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金、
に特徴を有するものである。
【０００７】
この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金は、前記（１）記載のＮｉ基耐熱合金に、Ｍｇおよび／またはＣａ：１〜１００ｐｐｍを含有してもよく、さらにＰｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有してもよく、これら双方を含有してもよい。従って、この発明は、
（２）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＭｇおよび／またはＣａ：０．５〜１００ｐｐｍを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有する健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金、
（３）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＰｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有する健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金、
（４）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＭｇおよび／またはＣａ：０．５〜１００ｐｐｍを含有し、さらにＰｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有する健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金、
に特徴を有するものである。
【０００８】
この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金を溶解して得られた溶湯を一方向凝固装置の鋳型に注入したのち、１４８０〜１６５０℃で引き下げ速度：１００〜３５０ｍｍ／ｈの引き下げ速度でチル板を引き下げることにより健全な鋳肌および鋳物内部組織を有する柱状晶Ｎｉ基耐熱合金大型鋳物を製造することができる。従って、この発明は、
（５）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成のＮｉ基合金からなる健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶大型鋳物、
（６）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＭｇおよび／またはＣａ：０．５〜１００ｐｐｍを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成のＮｉ基合金からなる健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶大型鋳物、
（７）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＰｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成のＮｉ基合金からなる健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶大型鋳物、
（８）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＭｇおよび／またはＣａ：０．５〜１００ｐｐｍを含有し、さらにＰｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成のＮｉ基合金からなる健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶大型鋳物、
に特徴を有するものである。
【０００９】
さらに、この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金を溶解して得られた溶湯を一方向凝固装置の鋳型に注入したのち、１４８０〜１６５０℃で引き下げ速度：１００〜３５０ｍｍ／ｈの引き下げ速度でチル板を引き下げることにより健全な鋳肌および鋳物内部組織を有する柱状晶Ｎｉ基耐熱合金大型鋳物からなる大型タービン翼を製造することができる。従って、この発明は、
（９）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成のＮｉ基合金からなる健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶鋳物製大型タービン翼、
（１０）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＭｇおよび／またはＣａ：０．５〜１００ｐｐｍを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成のＮｉ基合金からなる健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶鋳物製大型タービン翼、
（１１）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＰｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成のＮｉ基合金からなる健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶鋳物製大型タービン翼、
（１２）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＭｇおよび／またはＣａ：０．５〜１００ｐｐｍを含有し、さらにＰｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成のＮｉ基合金からなる健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶鋳物製大型タービン翼、
に特徴を有するものである。
【００１０】
前記（１）、（２）、（３）または（４）記載の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金、前記（５）、（６）、（７）または（８）記載の健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶大型鋳物、および前記（９）、（１０）、（１１）または（１２）記載の健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶鋳物製大型タービン翼に、温度：１１８０〜１２６５℃、９００〜１６００気圧、２〜５時間保持の条件でＨＩＰを施した後、温度：１２００〜１２６５℃で溶体化熱処理を施し、さらに９５０〜１０８０℃で２〜１０時間保持したのち７５０〜８８０℃で１６〜２４時間保持の二段時効熱処理を施すと、強度を一層向上させるので一層好ましい。
【００１１】
次に、この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金、健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶大型鋳物および健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶鋳物製大型タービン翼において、その成分組成を前記のごとく限定した理由を説明する。
【００１２】
Ｃｒ
産業用ガスタービンでは、燃焼によって生じた酸化性および腐食性物質を含有する燃焼ガスと接触するため、高温における耐酸化性及び耐蝕性が要求される。Ｃｒは合金に耐酸化性、耐蝕性を付与する元素であり、合金中におけるＣｒ量を多くする程、その効果は顕著である。しかし、Ｃｒ量が１２．０％未満ではその効果は少なく、一方、この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金では、他にＣｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ等も添加されるため、これらとのバランスをとるため１４．３％を越えて含有することは好ましくない。よって、Ｃｒ含有量は１２．０〜１４．３％に定めた。上述のように、この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金に含まれるＣｒ含有量は１２．５〜１３．５％であることが一層好ましい。
【００１３】
Ｃｏ
Ｃｏは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔａ等を高温で素地に固溶させる限度（固溶限）を大きくさせ、熱処理によってγ´相（Ｎｉ３ （Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ））を微細分散析出させて健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金の強度を向上させる作用があるところからＣｏ量は８．５％以上であることが必要であり、一方、Ｃｏ含有量が１１．０％を越えると、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ａｌ、Ｔｉ等の他の元素とのバランスが崩れ、有害相の析出による延性低下をもたらすことからＣｏ含有量は８．５〜１１．０％に定めた。この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金に含まれるＣｏ含有量は９．４〜１０．６％であることが一層好ましい。
【００１４】
Ｍｏ
Ｍｏは、素地中に固溶して、高温強度を上昇させる作用があると同時に、析出硬化によって高温強度に寄与する効果があるが、その含有量が、１．０％未満では不十分であり、一方、３．５％を越えて添加し過ぎると有害相の析出による延性を阻害するのでＭｏ：１．０〜３．５％に定めた。この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金に含まれるＭｏ含有量は１．２〜２．０％であることが一層好ましい。
【００１５】
Ｗ
ＷはＭｏと同様に固溶強化と析出硬化の作用があり、高温強度の付与に寄与する効果があるが、その量は３．５％以上必要であり、また、あまり多くし過ぎると、有害相を析出するとともにＷ自身比重が大きい元素であるため合金全体の比重が大きくなり、遠心力の働くタービン動翼では不利であり、柱状晶大型鋳物の製造方法を鋳造するときにフレックル欠陥が発生するようになり、さらにコスト的にも高くなるところから、その含有量は、３．５〜６．２％とした。この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金に含まれるＷ含有量は４．２〜５．８％であることが一層好ましい。
【００１６】
Ｔｉ
Ｔｉはγ´析出硬化型Ｎｉ基合金の高温強度を上げるためのγ´相の析出に必要な元素であり、２．０％未満ではγ´相の析出強化が不十分で、要求強度を満足することができず、また、３．２％よりも多量に添加し過ぎると析出量が多くなり過ぎて延性を阻害するとともに、柱状晶大型鋳物を鋳造するときに鋳型との反応が激しくなり、鋳肌を悪くするので好ましくない。従って、Ｔｉ含有量は２．０〜３．２％に定めた。上述のように、この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金に含まれるＴｉ含有量は２．２〜３．０％であることが一層好ましい。
【００１７】
Ａｌ
ＡｌはＴｉと同様の効果を発揮する元素で、γ´相を生成し、高温強度を上げると共に、高温での耐酸化性、耐蝕性の付与に寄与する作用を有するが、その量は３．５％以上であることが必要であり、一方、４．５％を越えてあまり多量に添加し過ぎると延性を阻害するためにＡｌ含有量は３．５〜４．５％に定めた。この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金に含まれるＡｌ含有量は３．８〜４．４％であることが一層好ましい。
【００１８】
Ｔａ
Ｔａは固溶強化及びγ´相析出硬化により高温強度の向上に寄与し、３．０％以上で効果がある。一方、添加し過ぎると延性を低下するので５．５％以下とした。従って、この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金に含まれるＴａ含有量は３．０〜５．５％に定めたが、４．２〜５．４％であることが一層好ましい。
【００１９】
Ｃ
Ｃは炭化物を形成し、特に結晶粒界、樹枝状晶境界に析出して粒界や樹枝状晶境界を強化し、高温強度の向上に寄与するので０．０４％以上必要であるが、一方、０．１２％を越えて添加し過ぎると延性を阻害するのでその含有量を０．０４〜０．１２％とした。Ｃの含有量の一層好ましい範囲は０．０５〜０．０９％である。
【００２０】
Ｂ
Ｂは結晶粒界における結合力を増して結晶粒界を強化し、高温強度を上昇させるので必要な成分であるが、その含有量が０．００５％未満では所望の効果が得られず、一方、あまり多く添加すると延性を阻害する恐れがあるため０．０５％以下とした。Ｂの含有量の一層好ましい範囲は０．００６〜０．０３％である。
【００２１】
Ｍｇおよび／またはＣａ
Ｍｇおよび／またはＣａは酸素、硫黄等の不純物との結合力が強く、さらに酸素、硫黄等の不純物による延性低下を防止する作用があるが、１ｐｐｍ未満では十分な作用が得られず、一方、１００ｐｐｍを越えて含有するとかえって結晶粒界の結合を弱めて割れの原因になるところからＭｇおよび／またはＣａは１〜１００ｐｐｍと定めた。
【００２２】
Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｅ
Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｅは耐食性向上作用があるが、その含有量がそれぞれ０．０２％未満では所望の効果が得られず、一方、その含有量がそれぞれ０．５％を越えて含有すると、なお一層の効果が望めないほか、貴金属であるために価格が高くなるので好ましくない。したがって、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｅの内の１種または２種以上はそれぞれ０．０２〜０．５％に定めた。
【００２３】
【発明の実施の形態】
表１〜表４に示される成分組成を有する本発明Ｎｉ基耐熱合金１〜２４および従来Ｎｉ基耐熱合金１〜４を用意した。さらにシリカ：９７％以上の鋳型材からなる中子型およびバインダーにシリカを用いたアルミナ外周鋳型を組み合わせて、翼長：２５０ｍｍの寸法を有するガスタービン用動翼の精密鋳造鋳型を作製した。
【００２４】
【表１】
【００２５】
【表２】
【００２６】
【表３】
【００２７】
【表４】
【００２８】
表１〜表４に示される成分組成を有する本発明Ｎｉ基耐熱合金１〜２４および従来Ｎｉ基耐熱合金１〜４をそれぞれ真空溶解し、Ｎｉ基耐熱合金の溶湯の温度を１５７０℃に保持した。一方、バインダーにシリカを用いたアルミナ鋳型およびシリカ：９７％以上のシリカ中子を用意し、これらを用いてガスタービン用動翼鋳型を作製した。このガスタービン用動翼鋳型を温度：１５２０℃に加熱し、一方向凝固装置のチル板の上に設置し、ガスタービン用動翼鋳型にＮｉ基耐熱合金の溶湯を鋳込み、チル板を引き下げ速度：２２０ｍｍ／ｈの条件で引き下げながら一方向凝固鋳造を行い、ガスタービン用動翼柱状晶鋳物を作製した。ガスタービン用動翼柱状晶鋳物を鋳造後ばらして、翼長：２５０ｍｍの寸法を有するガスタービン用動翼柱状晶鋳物を取り出し、サンドブラストを行って鋳物外面の鋳型材を除去した後リーチング（鋳物をアルカリ溶液に漬けて圧力釜にいれ、中子を溶かし出す操作）を１昼夜行った。
【００２９】
得られた本発明Ｎｉ基耐熱合金１〜２４および従来Ｎｉ基耐熱合金１〜４のガスタービン用動翼柱状晶鋳物の外表面の蛍光探傷試験を行って直径：０．２ｍｍ以上の凹欠陥の数を測定し、その結果を表５〜表８に示した。さらに、本発明Ｎｉ基耐熱合金１〜２４および従来Ｎｉ基耐熱合金１〜４のガスタービン用動翼柱状晶鋳物の中央部をそれぞれ切断し、ガスタービン用動翼柱状晶鋳物のアルミナ鋳型に接する鋳物外面の鋳肌およびシリカ中子に接する鋳物内面の鋳肌の２５倍および１００倍の拡大写真を撮り、２５倍の拡大写真により最大凹凸の大きさを測定し、さらに１００倍の拡大写真により１ｍｍ２ の面積内に存在する鋳物内部のマイクロポロシティの数を数え、その結果を表５〜表８に示した。
【００３０】
【表５】
【００３１】
【表６】
【００３２】
【表７】
【００３３】
【表８】
【００３４】
表１〜表８に示される結果から、本発明Ｎｉ基耐熱合金１〜２４で作製したガスタービン用動翼柱状晶鋳物は、従来Ｎｉ基耐熱合金１〜４で作製したガスタービン用動翼柱状晶鋳物に比べて、蛍光探傷試験による凹欠陥数が少なく、最大凹凸の大きさが小さく、さらに鋳物内部のマイクロポロシティの数が小さいところから、本発明Ｎｉ基耐熱合金１〜２４で作製したガスタービン用動翼柱状晶鋳物は、従来Ｎｉ基耐熱合金１〜４で作製したガスタービン用動翼柱状晶鋳物よりも健全な鋳肌を有しかつ健全な鋳物内部組織を有することが分かる。
【００３５】
【発明の効果】
上述のように、この発明のＮｉ基耐熱合金は、従来よりも健全な鋳肌表面および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金大型鋳物またはタービン翼を提供することができるので、その信頼性が向上し、使用寿命も延びるなど産業上すぐれた効果を奏するものである。
【発明の属する技術分野】
この発明は、健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金に関するものであり、特に、このＮｉ基耐熱合金で作られた健全な鋳肌および鋳物内部組織を有する柱状晶大型鋳物および健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶大型鋳物製タービン翼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンのタービン動・靜翼、高温ブロアーの動翼はＮｉ基耐熱合金鋳物で構成されることは知られているところであり、例えば、特開平６−５７３９５号公報には、ガスタービンのタービン動・靜翼、高温ブロアーの動翼を作るためのＮｉ基耐熱合金として、重量％（以下、％は、重量％を示す）で、
（ａ）Ｃｒ：１３．１〜１５．０％、Ｃｏ：８．５〜１０．５％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜４．５％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０６〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０２５％、Ｚｒ：０．０１０〜０．０５０％、Ｍｇおよび／またはＣａ：１〜１００ｐｐｍを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有する、高温強度、高温耐酸化性および高温耐蝕性に優れたＮｉ基耐熱合金、
（ｂ）Ｃｒ：１３．１〜１５．０％、Ｃｏ：８．５〜１０．５％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜４．５％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０６〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０２５％、Ｚｒ：０．０１０〜０．０５０％、さらに、Ｈｆ：０．２〜１．５％を含有し、Ｍｇおよび／またはＣａ：１〜１００ｐｐｍを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有する、高温強度、高温耐酸化性および高温耐蝕性に優れたＮｉ基耐熱合金、
（ｃ）Ｃｒ：１３．１〜１５．０％、Ｃｏ：８．５〜１０．５％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜４．５％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０６〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０２５％、Ｚｒ：０．０１０〜０．０５０％、Ｍｇおよび／またはＣａ：１〜１００ｐｐｍを含有し、さらに、Ｈｆ：０．２〜１．５％を含有し、さらに、Ｐｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有する、高温強度、高温耐酸化性および高温耐蝕性に優れたＮｉ基耐熱合金、
（ｄ）Ｃｒ：１３．１〜１５．０％、Ｃｏ：８．５〜１０．５％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜４．５％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０６〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０２５％、Ｚｒ：０．０１０〜０．０５０％、Ｍｇおよび／またはＣａ：１〜１００ｐｐｍを含有し、さらにＨｆ：０．２〜１．５％を含有し、さらにＰｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有する、高温強度、高温耐酸化性および高温耐蝕性に優れたＮｉ基耐熱合金、などが記載されている。
【０００３】
一方、ガスタービンのタービン動・靜翼および高温ブロアーの動翼は柱状晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物で構成されることも知られている。この柱状晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物を製造するには、一方向凝固装置において、真空溶解で溶解されたＮｉ基合金溶湯を鋳型に注入した後、鋳型加熱温度：１４８０〜１５３０℃、チル板の引き下げ速度：２００〜３５０ｍｍ／ｈでチル板上の鋳型を水冷チルリングを通して下方に下げ、チル板に形成された柱状晶を成長させることにより長尺の柱状晶Ｎｉ基耐熱合金大型鋳物または大型タービン翼を製造する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ガスタービンの大型化に伴って、そこに据え付けられるタービン翼も大型化している。しかし、従来のＮｉ基耐熱合金で、柱状晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物からなる大型のタービン翼を製造すると、得られる大型タービン翼の柱状晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物の鋳肌表面が粗くなりかつ鋳肌に部分的に凹部欠陥ができて健全な鋳肌を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶鋳物を得ることができず、従って、健全な鋳肌を有するＮｉ基耐熱合金鋳物からなる大型のタービン翼を得ることができない。大型タービン翼の外面の鋳肌表面が粗くなったり鋳肌に部分的に凹部欠陥が多数発生しても、これらは研削除去して仕上げることができるが、中子鋳型により形成された大型タービン翼の内面の鋳肌表面が粗い部分または部分的に発生した凹部欠陥は除去することができず、大型タービン翼の内面に鋳肌表面が粗い部分または部分的凹部欠陥が存在すると、これを起点として破壊したり、クリープ疲労強度が低下したりするところから大型タービン翼の信頼性と寿命が低下していた。
さらにタービン翼の大型化にともない、製造された大型タービン翼の柱状晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物の内部組織にマイクロポロシティーが多数発生し、内部欠陥の少ない柱状晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物からなる大型のタービン翼を得ることができなくなる。マイクロポロシティーは、従来、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理によって軽減していたが、ＨＩＰ処理を施しても大型タービン翼の柱状晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物内部に発生したマイクロポロシティーは完全に除去することはできず、除去されずに残ったマイクロポロシティーを起点として破壊が起きたり、クリープ疲労強度が低下したりするなどして大型タービン翼の信頼性を損なうこともあった。
【０００５】
【課題を解決する手段】
そこで本発明者等は、従来よりも一層健全な鋳肌を得ることができると共に鋳物内部にマイクロポロシティーが発生することの少ないＮｉ基耐熱合金を開発し、このＮｉ基耐熱合金を鋳込んで信頼性のある長寿命の大型タービン翼鋳物を得るべく鋭意研究した結果、
Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成のＮｉ基合金を溶解して得られた溶湯を一方向凝固装置の鋳型に注入したのち、従来よりも高温の１４８０〜１６５０℃で引き下げ速度：１００〜３５０ｍｍ／ｈのゆっくりとした引き下げ速度でチル板を引き下げることにより柱状晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物を製造したところ、得られた柱状晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物の鋳肌は滑らかであり、さらに部分的な凹部欠陥およびマイクロポロシティーが存在せず、存在しても極めて少ないので破壊の起点となることは極めて少ない、という知見を得たたのである。
【０００６】
この発明は、かかる知見に基づいてなされたものであって、
（１）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有する健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金、
に特徴を有するものである。
【０００７】
この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金は、前記（１）記載のＮｉ基耐熱合金に、Ｍｇおよび／またはＣａ：１〜１００ｐｐｍを含有してもよく、さらにＰｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有してもよく、これら双方を含有してもよい。従って、この発明は、
（２）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＭｇおよび／またはＣａ：０．５〜１００ｐｐｍを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有する健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金、
（３）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＰｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有する健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金、
（４）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＭｇおよび／またはＣａ：０．５〜１００ｐｐｍを含有し、さらにＰｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有する健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金、
に特徴を有するものである。
【０００８】
この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金を溶解して得られた溶湯を一方向凝固装置の鋳型に注入したのち、１４８０〜１６５０℃で引き下げ速度：１００〜３５０ｍｍ／ｈの引き下げ速度でチル板を引き下げることにより健全な鋳肌および鋳物内部組織を有する柱状晶Ｎｉ基耐熱合金大型鋳物を製造することができる。従って、この発明は、
（５）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成のＮｉ基合金からなる健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶大型鋳物、
（６）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＭｇおよび／またはＣａ：０．５〜１００ｐｐｍを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成のＮｉ基合金からなる健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶大型鋳物、
（７）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＰｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成のＮｉ基合金からなる健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶大型鋳物、
（８）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＭｇおよび／またはＣａ：０．５〜１００ｐｐｍを含有し、さらにＰｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成のＮｉ基合金からなる健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶大型鋳物、
に特徴を有するものである。
【０００９】
さらに、この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金を溶解して得られた溶湯を一方向凝固装置の鋳型に注入したのち、１４８０〜１６５０℃で引き下げ速度：１００〜３５０ｍｍ／ｈの引き下げ速度でチル板を引き下げることにより健全な鋳肌および鋳物内部組織を有する柱状晶Ｎｉ基耐熱合金大型鋳物からなる大型タービン翼を製造することができる。従って、この発明は、
（９）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成のＮｉ基合金からなる健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶鋳物製大型タービン翼、
（１０）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＭｇおよび／またはＣａ：０．５〜１００ｐｐｍを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成のＮｉ基合金からなる健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶鋳物製大型タービン翼、
（１１）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＰｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成のＮｉ基合金からなる健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶鋳物製大型タービン翼、
（１２）Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＭｇおよび／またはＣａ：０．５〜１００ｐｐｍを含有し、さらにＰｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成のＮｉ基合金からなる健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶鋳物製大型タービン翼、
に特徴を有するものである。
【００１０】
前記（１）、（２）、（３）または（４）記載の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金、前記（５）、（６）、（７）または（８）記載の健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶大型鋳物、および前記（９）、（１０）、（１１）または（１２）記載の健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶鋳物製大型タービン翼に、温度：１１８０〜１２６５℃、９００〜１６００気圧、２〜５時間保持の条件でＨＩＰを施した後、温度：１２００〜１２６５℃で溶体化熱処理を施し、さらに９５０〜１０８０℃で２〜１０時間保持したのち７５０〜８８０℃で１６〜２４時間保持の二段時効熱処理を施すと、強度を一層向上させるので一層好ましい。
【００１１】
次に、この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金、健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶大型鋳物および健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶鋳物製大型タービン翼において、その成分組成を前記のごとく限定した理由を説明する。
【００１２】
Ｃｒ
産業用ガスタービンでは、燃焼によって生じた酸化性および腐食性物質を含有する燃焼ガスと接触するため、高温における耐酸化性及び耐蝕性が要求される。Ｃｒは合金に耐酸化性、耐蝕性を付与する元素であり、合金中におけるＣｒ量を多くする程、その効果は顕著である。しかし、Ｃｒ量が１２．０％未満ではその効果は少なく、一方、この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金では、他にＣｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ等も添加されるため、これらとのバランスをとるため１４．３％を越えて含有することは好ましくない。よって、Ｃｒ含有量は１２．０〜１４．３％に定めた。上述のように、この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金に含まれるＣｒ含有量は１２．５〜１３．５％であることが一層好ましい。
【００１３】
Ｃｏ
Ｃｏは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔａ等を高温で素地に固溶させる限度（固溶限）を大きくさせ、熱処理によってγ´相（Ｎｉ３ （Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ））を微細分散析出させて健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金の強度を向上させる作用があるところからＣｏ量は８．５％以上であることが必要であり、一方、Ｃｏ含有量が１１．０％を越えると、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ａｌ、Ｔｉ等の他の元素とのバランスが崩れ、有害相の析出による延性低下をもたらすことからＣｏ含有量は８．５〜１１．０％に定めた。この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金に含まれるＣｏ含有量は９．４〜１０．６％であることが一層好ましい。
【００１４】
Ｍｏ
Ｍｏは、素地中に固溶して、高温強度を上昇させる作用があると同時に、析出硬化によって高温強度に寄与する効果があるが、その含有量が、１．０％未満では不十分であり、一方、３．５％を越えて添加し過ぎると有害相の析出による延性を阻害するのでＭｏ：１．０〜３．５％に定めた。この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金に含まれるＭｏ含有量は１．２〜２．０％であることが一層好ましい。
【００１５】
Ｗ
ＷはＭｏと同様に固溶強化と析出硬化の作用があり、高温強度の付与に寄与する効果があるが、その量は３．５％以上必要であり、また、あまり多くし過ぎると、有害相を析出するとともにＷ自身比重が大きい元素であるため合金全体の比重が大きくなり、遠心力の働くタービン動翼では不利であり、柱状晶大型鋳物の製造方法を鋳造するときにフレックル欠陥が発生するようになり、さらにコスト的にも高くなるところから、その含有量は、３．５〜６．２％とした。この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金に含まれるＷ含有量は４．２〜５．８％であることが一層好ましい。
【００１６】
Ｔｉ
Ｔｉはγ´析出硬化型Ｎｉ基合金の高温強度を上げるためのγ´相の析出に必要な元素であり、２．０％未満ではγ´相の析出強化が不十分で、要求強度を満足することができず、また、３．２％よりも多量に添加し過ぎると析出量が多くなり過ぎて延性を阻害するとともに、柱状晶大型鋳物を鋳造するときに鋳型との反応が激しくなり、鋳肌を悪くするので好ましくない。従って、Ｔｉ含有量は２．０〜３．２％に定めた。上述のように、この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金に含まれるＴｉ含有量は２．２〜３．０％であることが一層好ましい。
【００１７】
Ａｌ
ＡｌはＴｉと同様の効果を発揮する元素で、γ´相を生成し、高温強度を上げると共に、高温での耐酸化性、耐蝕性の付与に寄与する作用を有するが、その量は３．５％以上であることが必要であり、一方、４．５％を越えてあまり多量に添加し過ぎると延性を阻害するためにＡｌ含有量は３．５〜４．５％に定めた。この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金に含まれるＡｌ含有量は３．８〜４．４％であることが一層好ましい。
【００１８】
Ｔａ
Ｔａは固溶強化及びγ´相析出硬化により高温強度の向上に寄与し、３．０％以上で効果がある。一方、添加し過ぎると延性を低下するので５．５％以下とした。従って、この発明の健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金に含まれるＴａ含有量は３．０〜５．５％に定めたが、４．２〜５．４％であることが一層好ましい。
【００１９】
Ｃ
Ｃは炭化物を形成し、特に結晶粒界、樹枝状晶境界に析出して粒界や樹枝状晶境界を強化し、高温強度の向上に寄与するので０．０４％以上必要であるが、一方、０．１２％を越えて添加し過ぎると延性を阻害するのでその含有量を０．０４〜０．１２％とした。Ｃの含有量の一層好ましい範囲は０．０５〜０．０９％である。
【００２０】
Ｂ
Ｂは結晶粒界における結合力を増して結晶粒界を強化し、高温強度を上昇させるので必要な成分であるが、その含有量が０．００５％未満では所望の効果が得られず、一方、あまり多く添加すると延性を阻害する恐れがあるため０．０５％以下とした。Ｂの含有量の一層好ましい範囲は０．００６〜０．０３％である。
【００２１】
Ｍｇおよび／またはＣａ
Ｍｇおよび／またはＣａは酸素、硫黄等の不純物との結合力が強く、さらに酸素、硫黄等の不純物による延性低下を防止する作用があるが、１ｐｐｍ未満では十分な作用が得られず、一方、１００ｐｐｍを越えて含有するとかえって結晶粒界の結合を弱めて割れの原因になるところからＭｇおよび／またはＣａは１〜１００ｐｐｍと定めた。
【００２２】
Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｅ
Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｅは耐食性向上作用があるが、その含有量がそれぞれ０．０２％未満では所望の効果が得られず、一方、その含有量がそれぞれ０．５％を越えて含有すると、なお一層の効果が望めないほか、貴金属であるために価格が高くなるので好ましくない。したがって、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｅの内の１種または２種以上はそれぞれ０．０２〜０．５％に定めた。
【００２３】
【発明の実施の形態】
表１〜表４に示される成分組成を有する本発明Ｎｉ基耐熱合金１〜２４および従来Ｎｉ基耐熱合金１〜４を用意した。さらにシリカ：９７％以上の鋳型材からなる中子型およびバインダーにシリカを用いたアルミナ外周鋳型を組み合わせて、翼長：２５０ｍｍの寸法を有するガスタービン用動翼の精密鋳造鋳型を作製した。
【００２４】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
表１〜表４に示される成分組成を有する本発明Ｎｉ基耐熱合金１〜２４および従来Ｎｉ基耐熱合金１〜４をそれぞれ真空溶解し、Ｎｉ基耐熱合金の溶湯の温度を１５７０℃に保持した。一方、バインダーにシリカを用いたアルミナ鋳型およびシリカ：９７％以上のシリカ中子を用意し、これらを用いてガスタービン用動翼鋳型を作製した。このガスタービン用動翼鋳型を温度：１５２０℃に加熱し、一方向凝固装置のチル板の上に設置し、ガスタービン用動翼鋳型にＮｉ基耐熱合金の溶湯を鋳込み、チル板を引き下げ速度：２２０ｍｍ／ｈの条件で引き下げながら一方向凝固鋳造を行い、ガスタービン用動翼柱状晶鋳物を作製した。ガスタービン用動翼柱状晶鋳物を鋳造後ばらして、翼長：２５０ｍｍの寸法を有するガスタービン用動翼柱状晶鋳物を取り出し、サンドブラストを行って鋳物外面の鋳型材を除去した後リーチング（鋳物をアルカリ溶液に漬けて圧力釜にいれ、中子を溶かし出す操作）を１昼夜行った。
【００２９】
得られた本発明Ｎｉ基耐熱合金１〜２４および従来Ｎｉ基耐熱合金１〜４のガスタービン用動翼柱状晶鋳物の外表面の蛍光探傷試験を行って直径：０．２ｍｍ以上の凹欠陥の数を測定し、その結果を表５〜表８に示した。さらに、本発明Ｎｉ基耐熱合金１〜２４および従来Ｎｉ基耐熱合金１〜４のガスタービン用動翼柱状晶鋳物の中央部をそれぞれ切断し、ガスタービン用動翼柱状晶鋳物のアルミナ鋳型に接する鋳物外面の鋳肌およびシリカ中子に接する鋳物内面の鋳肌の２５倍および１００倍の拡大写真を撮り、２５倍の拡大写真により最大凹凸の大きさを測定し、さらに１００倍の拡大写真により１ｍｍ２ の面積内に存在する鋳物内部のマイクロポロシティの数を数え、その結果を表５〜表８に示した。
【００３０】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
表１〜表８に示される結果から、本発明Ｎｉ基耐熱合金１〜２４で作製したガスタービン用動翼柱状晶鋳物は、従来Ｎｉ基耐熱合金１〜４で作製したガスタービン用動翼柱状晶鋳物に比べて、蛍光探傷試験による凹欠陥数が少なく、最大凹凸の大きさが小さく、さらに鋳物内部のマイクロポロシティの数が小さいところから、本発明Ｎｉ基耐熱合金１〜２４で作製したガスタービン用動翼柱状晶鋳物は、従来Ｎｉ基耐熱合金１〜４で作製したガスタービン用動翼柱状晶鋳物よりも健全な鋳肌を有しかつ健全な鋳物内部組織を有することが分かる。
【００３５】
【発明の効果】
上述のように、この発明のＮｉ基耐熱合金は、従来よりも健全な鋳肌表面および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金大型鋳物またはタービン翼を提供することができるので、その信頼性が向上し、使用寿命も延びるなど産業上すぐれた効果を奏するものである。
Claims (6)
- 重量％で、Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金。
- 重量％で、Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＭｇおよび／またはＣａ：０．５〜１００ｐｐｍを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金。
- 重量％で、Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＰｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金。
- 重量％で、Ｃｒ：１２．０〜１４．３％、Ｃｏ：８．５〜１１．０％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、Ｗ：３．５〜６．２％、Ｔａ：３．０〜５．５％、Ａｌ：３．５〜４．５％、Ｔｉ：２．０〜３．２％、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＭｇおよび／またはＣａ：０．５〜１００ｐｐｍを含有し、さらにＰｔ：０．０２〜０．５％、Ｒｈ：０．０２〜０．５％、Ｒｅ：０．０２〜０．５％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする健全な鋳肌および鋳物内部組織を得ることのできるＮｉ基耐熱合金。
- 請求項１、２、３または４記載のＮｉ基耐熱合金からなることを特徴とする健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶大型鋳物。
- 請求項１、２、３または４記載のＮｉ基耐熱合金からなることを特徴とする健全な鋳肌および鋳物内部組織を有するＮｉ基耐熱合金柱状晶鋳物製大型タービン翼。
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-
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