JP3607946B2 - Ｃｒ基耐熱合金 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、Ｃｒ基耐熱合金に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、ガスタービンの動静翼材料等として１１００℃以上の高温環境で使用可能な、高温強度および室温延性に優れたＣｒ基耐熱合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
ガスタービン用動静翼材料等の構造用耐熱材料としては、Ｎｉ基合金やＣｏ基合金が広く使用されている。しかしながら、これらの合金は、比較的高価であったり、融点等の制約から実際の耐用温度が１１００℃程度に制限される等の問題があった。ガスタービンの熱効率は、タービン入口温度を高めることで著しく向上させることができるため、より高温で使用可能な耐熱構造合金の開発が望まれている。
【０００３】
高温強度に最も優れ、比較的安価な材料としては、純Ｃｒが知られているが、従来のＣｒおよびＣｒ基合金は、Ｃｒの含有量を６０原子％以上とした場合には室温脆性を示し、延性がほとんどないために、溶製後の加工ができないという問題があり、構造用材料として用いることはできなかった。特開２０００−３３６４４９号公報には、１０００℃以上の高温域で優れた強度−延性バランスを有するＦｅ−Ｃｒ基合金が開示されているが、このＦｅ−Ｃｒ基合金の高温強度および延性はＮｉ基合金と比較して満足できるものではなかった。また、このＦｅ−Ｃｒ基合金は、不純物の存在が延性および高温高度に大きく影響するため不純物の合計量を６０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下にする必要があり、商用レベルの不純物を含有する原料を用いて製造することはできず、特に高純度の原料を用いる必要があり、製造に注意が必要なうえ高価であった。
【０００４】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、一般的な不純物の含有が許容され、ガスタービンの動静翼等の構造用合金として１１００℃以上の高温環境で使用可能な、高温強度および室温延性に優れたＣｒ基耐熱合金を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、以下の通りの発明を提供する。
【０００６】
すなわち、まず第１には、この出願の発明は、ＲｅまたはＷのうちの１種あるいは両方の混合物を１原子％以上４０原子％以下含有し、残部がＣｒ及び不純物からなり、１２００℃での０．２％圧縮耐力が５００ＭＰａ以上であることを特徴とするＣｒ基耐熱合金を提供する。
【０００８】
さらに、この出願の発明は、第２には、上記の発明のＣｒ基耐熱合金を製造する方法であって、不純物としてのＣ，Ｎ，ＯおよびＳの合計量が、４００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下のＣｒ、１０００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下のＲｅ、３００ｍａｓｓｐｐｍ以下のＷを原料とし、前記Ｃｒに前記ＲｅまたはＷのうちの１種あるいはその両方の混合物を１原子％以上４０原子％以下含有させて溶製することを特徴とするＣｒ基耐熱合金の製造方法をも提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記の通りの特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１０】
まず、この出願の発明が提供するＣｒ基耐熱合金は、Ｃｒを主成分とし、ＲｅまたはＷのうちの１種あるいは両方の混合物を１原子％以上４０原子％以下含有していることを特徴としている。すなわち、Ｃｒ−Ｘ２元系合金における固溶強化元素Ｘとして、ＲｅまたはＷのうちの１種あるいは両方を１原子％以上４０原子％以下含有するようにしている。
【００１１】
主成分としてのＣｒは、Ｎｉに比べて融点が高く、このＣｒ基耐熱合金を高温圧縮強度および耐クリープ性に優れたものとする。また、Ｃｒは資源として豊富に存在するため安価な材料でもある。従来より、Ｃｒは耐熱鋼やＮｉ基合金などへの添加元素としては使用されてきたが、室温脆性を示すことからＣｒが６０原子％以上のＣｒ基合金は構造用材料として使用されていなかった。この出願の発明においては、前記の固溶強化元素及び不可避的不純物以外の全成分をＣｒとすることができる。
【００１２】
この出願の発明において、Ｃｒに添加される固溶強化元素としては、１１００℃以上の高温であっても十分に強度を発現し、高温での耐食性および耐酸化性に十分優れ、コスト面でも負担にならない元素として、ＲｅまたはＷを用いるようにしている。ＲｅおよびＷは、融点が高く、原子量が大きいためＣｒ基合金の融点を上げるとともに、高温変形の原因となる拡散を抑える効果がある。これらＲｅおよびＷのどちらか１種あるいは２種の混合物を、１原子％以上Ｃｒ基合金中に含有させることでその効果を得ることができる。
【００１３】
Ｒｅの含有量が４０原子％を超過すると、１０００℃以上の温度で脆化の原因となるσ相（Ｃｒ２Ｒｅ３）を形成してしまうため、Ｒｅの含有量は４０原子％以下とする。
【００１４】
Ｗの含有量については、４０原子％を超過すると、高温における耐酸化性が著しく低下してしまうため、Ｗの含有量は４０原子％以下とする。
【００１５】
このように、この出願の発明のＣｒ基耐熱合金は、たとえば高価で特殊な元素の添加等が必要なく、少ない元素からなる簡単な設計とされている。そして、この出願の発明のＣｒ基耐熱合金は、室温延性および高温強度が既存のＮｉ基合金と同等あるいはそれ以上の性能を有している。例えば、１２００℃の高温での０．２％圧縮耐力が、５００ＭＰａ以上にも達するＣｒ基耐熱合金等をも実現することができる。したがって、たとえば、この出願の発明のＣｒ基合金を用いてガスタービンの動静翼を製造することによって、より高温での使用が可能となり、熱効率の上昇と排出炭酸ガスの抑制が期待できる。すなわち、この出願の発明により、構造材料として使用することができる初めてのＣｒ基耐熱合金が実現されることになる。
【００１６】
この出願の発明のＣｒ基耐熱合金においては、上記ＲｅまたはＷ添加量の原子％にて１／２までを、強度向上のためにＮｉ基合金等に通常添加するＮｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ等の元素に置き換えてもよい。また、この出願の発明のＣｒ基耐熱合金を多結晶の状態で使用する場合には、粒界強化のため、０．５原子％までのＣ、０．５原子％までのＢ、０．５原子％までのＺｒを、それぞれ単独にあるいは複合して添加してもよい。
【００１７】
また、この出願の発明が提供するＣｒ基耐熱合金は、原料に含まれる不純物としてのＣ，Ｎ，ＯおよびＳの合計量が、Ｃｒで４００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下、Ｒｅで１０００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下、Ｗで３００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下と広い範囲で許容されている。これらの値は、それぞれの材料において一般的に含まれる不純物の範囲であって、この出願の発明のＣｒ基合金の原料としては、高純度品を用いる必要はない。
【００１８】
さらに、この出願の発明のＣｒ基耐熱合金は、上記の原料を使用し、溶解等の通常法により容易に溶製することができる。
【００１９】
以上のことから、このＣｒ基耐熱合金は、安価で、実用性を考慮した十分な延性および高温強度を有しており、従来のＮｉ基耐熱合金の代替合金として使用できる。この出願の発明によって、各種の構造用耐熱合金として広く使用可能なＣｒ基耐熱合金が初めて提供されることになる。
【００２０】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００２１】
【実施例】
商用レベルの不純物を含む原料を用い、アーク溶解によって、ＣｒにＷまたはＲｅが３０原子％あるいは１０原子％含有された、７０Ｃｒ−３０Ｗ，９０Ｃｒ−１０Ｗ，７０Ｃｒ−３０Ｒｅ，９０Ｃｒ−１０Ｒｅの４種のＣｒ基合金を、６０〜９０ｇのボタン状の塊に製造し、順に試料１〜４とした。
【００２２】
試料１〜４に含まれるＣｒ量を測定したところ、試料１および試料３では約４０質量％、試料２および試料４では約７０質量％であった。
【００２３】
この試料から、直径２．５〜３ｍｍ、長さ２．５〜６ｍｍ程度の円柱状試験片を作製し、試料１，試料３については室温（２４℃）および高温（１０００℃，１２００℃）で、試料２，試料４については高温で静的圧縮試験を行った。歪速度は２．７×１０−４／Ｓに設定し、０．２％圧縮耐力を測定することで、高温強度を評価した。図１に、試験温度と得られた圧縮強度の関係を示した。
【００２４】
比較のために、図１に、既存のＮｉ基単結晶耐熱合金のうち高温強度に最も優れているＴＭＳ−７５合金の高温強度（引張り耐力および圧縮耐力）と、５８Ｃｒ−４２Ｆｅ合金の高温強度（引張り耐力）を示した。
【００２５】
試料１および試料２は、１０００〜１２００℃の温度範囲において比較合金よりも大幅に高い強度を示すことが確認された。試料３は１２００℃において比較合金より十分高い強度を示し、試料４は比較合金と同程度の強度を示すことが確認された。試料１〜４の負荷歪は３〜８％程度であり、いずれも脆性破壊や窒素脆化は認められなかった。
【００２６】
また、室温での圧縮延性は、試料１が２０％程度、試料３が３０％程度の十分な室温延性を有していることが示された。
【００２７】
もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この発明によって、ガスタービンの動静翼材料等として使用可能で、Ｎｉ基合金と同程度以上の高温強度を有し、室温延性に優れたＣｒ基耐熱合金が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明のＣｒ基耐熱合金と、比較のためのＴＭＳ−７５合金、５８Ｃｒ−４２Ｆｅ合金の、静的圧縮試験の結果を例示した図である。
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、Ｃｒ基耐熱合金に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、ガスタービンの動静翼材料等として１１００℃以上の高温環境で使用可能な、高温強度および室温延性に優れたＣｒ基耐熱合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
ガスタービン用動静翼材料等の構造用耐熱材料としては、Ｎｉ基合金やＣｏ基合金が広く使用されている。しかしながら、これらの合金は、比較的高価であったり、融点等の制約から実際の耐用温度が１１００℃程度に制限される等の問題があった。ガスタービンの熱効率は、タービン入口温度を高めることで著しく向上させることができるため、より高温で使用可能な耐熱構造合金の開発が望まれている。
【０００３】
高温強度に最も優れ、比較的安価な材料としては、純Ｃｒが知られているが、従来のＣｒおよびＣｒ基合金は、Ｃｒの含有量を６０原子％以上とした場合には室温脆性を示し、延性がほとんどないために、溶製後の加工ができないという問題があり、構造用材料として用いることはできなかった。特開２０００−３３６４４９号公報には、１０００℃以上の高温域で優れた強度−延性バランスを有するＦｅ−Ｃｒ基合金が開示されているが、このＦｅ−Ｃｒ基合金の高温強度および延性はＮｉ基合金と比較して満足できるものではなかった。また、このＦｅ−Ｃｒ基合金は、不純物の存在が延性および高温高度に大きく影響するため不純物の合計量を６０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下にする必要があり、商用レベルの不純物を含有する原料を用いて製造することはできず、特に高純度の原料を用いる必要があり、製造に注意が必要なうえ高価であった。
【０００４】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、一般的な不純物の含有が許容され、ガスタービンの動静翼等の構造用合金として１１００℃以上の高温環境で使用可能な、高温強度および室温延性に優れたＣｒ基耐熱合金を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、以下の通りの発明を提供する。
【０００６】
すなわち、まず第１には、この出願の発明は、ＲｅまたはＷのうちの１種あるいは両方の混合物を１原子％以上４０原子％以下含有し、残部がＣｒ及び不純物からなり、１２００℃での０．２％圧縮耐力が５００ＭＰａ以上であることを特徴とするＣｒ基耐熱合金を提供する。
【０００８】
さらに、この出願の発明は、第２には、上記の発明のＣｒ基耐熱合金を製造する方法であって、不純物としてのＣ，Ｎ，ＯおよびＳの合計量が、４００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下のＣｒ、１０００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下のＲｅ、３００ｍａｓｓｐｐｍ以下のＷを原料とし、前記Ｃｒに前記ＲｅまたはＷのうちの１種あるいはその両方の混合物を１原子％以上４０原子％以下含有させて溶製することを特徴とするＣｒ基耐熱合金の製造方法をも提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記の通りの特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１０】
まず、この出願の発明が提供するＣｒ基耐熱合金は、Ｃｒを主成分とし、ＲｅまたはＷのうちの１種あるいは両方の混合物を１原子％以上４０原子％以下含有していることを特徴としている。すなわち、Ｃｒ−Ｘ２元系合金における固溶強化元素Ｘとして、ＲｅまたはＷのうちの１種あるいは両方を１原子％以上４０原子％以下含有するようにしている。
【００１１】
主成分としてのＣｒは、Ｎｉに比べて融点が高く、このＣｒ基耐熱合金を高温圧縮強度および耐クリープ性に優れたものとする。また、Ｃｒは資源として豊富に存在するため安価な材料でもある。従来より、Ｃｒは耐熱鋼やＮｉ基合金などへの添加元素としては使用されてきたが、室温脆性を示すことからＣｒが６０原子％以上のＣｒ基合金は構造用材料として使用されていなかった。この出願の発明においては、前記の固溶強化元素及び不可避的不純物以外の全成分をＣｒとすることができる。
【００１２】
この出願の発明において、Ｃｒに添加される固溶強化元素としては、１１００℃以上の高温であっても十分に強度を発現し、高温での耐食性および耐酸化性に十分優れ、コスト面でも負担にならない元素として、ＲｅまたはＷを用いるようにしている。ＲｅおよびＷは、融点が高く、原子量が大きいためＣｒ基合金の融点を上げるとともに、高温変形の原因となる拡散を抑える効果がある。これらＲｅおよびＷのどちらか１種あるいは２種の混合物を、１原子％以上Ｃｒ基合金中に含有させることでその効果を得ることができる。
【００１３】
Ｒｅの含有量が４０原子％を超過すると、１０００℃以上の温度で脆化の原因となるσ相（Ｃｒ２Ｒｅ３）を形成してしまうため、Ｒｅの含有量は４０原子％以下とする。
【００１４】
Ｗの含有量については、４０原子％を超過すると、高温における耐酸化性が著しく低下してしまうため、Ｗの含有量は４０原子％以下とする。
【００１５】
このように、この出願の発明のＣｒ基耐熱合金は、たとえば高価で特殊な元素の添加等が必要なく、少ない元素からなる簡単な設計とされている。そして、この出願の発明のＣｒ基耐熱合金は、室温延性および高温強度が既存のＮｉ基合金と同等あるいはそれ以上の性能を有している。例えば、１２００℃の高温での０．２％圧縮耐力が、５００ＭＰａ以上にも達するＣｒ基耐熱合金等をも実現することができる。したがって、たとえば、この出願の発明のＣｒ基合金を用いてガスタービンの動静翼を製造することによって、より高温での使用が可能となり、熱効率の上昇と排出炭酸ガスの抑制が期待できる。すなわち、この出願の発明により、構造材料として使用することができる初めてのＣｒ基耐熱合金が実現されることになる。
【００１６】
この出願の発明のＣｒ基耐熱合金においては、上記ＲｅまたはＷ添加量の原子％にて１／２までを、強度向上のためにＮｉ基合金等に通常添加するＮｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ等の元素に置き換えてもよい。また、この出願の発明のＣｒ基耐熱合金を多結晶の状態で使用する場合には、粒界強化のため、０．５原子％までのＣ、０．５原子％までのＢ、０．５原子％までのＺｒを、それぞれ単独にあるいは複合して添加してもよい。
【００１７】
また、この出願の発明が提供するＣｒ基耐熱合金は、原料に含まれる不純物としてのＣ，Ｎ，ＯおよびＳの合計量が、Ｃｒで４００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下、Ｒｅで１０００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下、Ｗで３００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下と広い範囲で許容されている。これらの値は、それぞれの材料において一般的に含まれる不純物の範囲であって、この出願の発明のＣｒ基合金の原料としては、高純度品を用いる必要はない。
【００１８】
さらに、この出願の発明のＣｒ基耐熱合金は、上記の原料を使用し、溶解等の通常法により容易に溶製することができる。
【００１９】
以上のことから、このＣｒ基耐熱合金は、安価で、実用性を考慮した十分な延性および高温強度を有しており、従来のＮｉ基耐熱合金の代替合金として使用できる。この出願の発明によって、各種の構造用耐熱合金として広く使用可能なＣｒ基耐熱合金が初めて提供されることになる。
【００２０】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００２１】
【実施例】
商用レベルの不純物を含む原料を用い、アーク溶解によって、ＣｒにＷまたはＲｅが３０原子％あるいは１０原子％含有された、７０Ｃｒ−３０Ｗ，９０Ｃｒ−１０Ｗ，７０Ｃｒ−３０Ｒｅ，９０Ｃｒ−１０Ｒｅの４種のＣｒ基合金を、６０〜９０ｇのボタン状の塊に製造し、順に試料１〜４とした。
【００２２】
試料１〜４に含まれるＣｒ量を測定したところ、試料１および試料３では約４０質量％、試料２および試料４では約７０質量％であった。
【００２３】
この試料から、直径２．５〜３ｍｍ、長さ２．５〜６ｍｍ程度の円柱状試験片を作製し、試料１，試料３については室温（２４℃）および高温（１０００℃，１２００℃）で、試料２，試料４については高温で静的圧縮試験を行った。歪速度は２．７×１０−４／Ｓに設定し、０．２％圧縮耐力を測定することで、高温強度を評価した。図１に、試験温度と得られた圧縮強度の関係を示した。
【００２４】
比較のために、図１に、既存のＮｉ基単結晶耐熱合金のうち高温強度に最も優れているＴＭＳ−７５合金の高温強度（引張り耐力および圧縮耐力）と、５８Ｃｒ−４２Ｆｅ合金の高温強度（引張り耐力）を示した。
【００２５】
試料１および試料２は、１０００〜１２００℃の温度範囲において比較合金よりも大幅に高い強度を示すことが確認された。試料３は１２００℃において比較合金より十分高い強度を示し、試料４は比較合金と同程度の強度を示すことが確認された。試料１〜４の負荷歪は３〜８％程度であり、いずれも脆性破壊や窒素脆化は認められなかった。
【００２６】
また、室温での圧縮延性は、試料１が２０％程度、試料３が３０％程度の十分な室温延性を有していることが示された。
【００２７】
もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この発明によって、ガスタービンの動静翼材料等として使用可能で、Ｎｉ基合金と同程度以上の高温強度を有し、室温延性に優れたＣｒ基耐熱合金が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明のＣｒ基耐熱合金と、比較のためのＴＭＳ−７５合金、５８Ｃｒ−４２Ｆｅ合金の、静的圧縮試験の結果を例示した図である。
Claims (2)
- ＲｅまたはＷのうちの１種あるいは両方の混合物を１原子％以上４０原子％以下含有し、残部がＣｒ及び不純物からなり、１２００℃での０．２％圧縮耐力が５００ＭＰａ以上であることを特徴とするＣｒ基耐熱合金。
- 請求項１記載のＣｒ基耐熱合金を製造する方法であって、不純物としてのＣ，Ｎ，ＯおよびＳの合計量が、４００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下のＣｒ、１０００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下のＲｅ、３００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下のＷを原料とし、前記Ｃｒに前記ＲｅまたはＷのうちの１種あるいはその両方の混合物を１原子％以上４０原子％以下含有させて溶製することを特徴とするＣｒ基耐熱合金の製造方法。
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001064057A Expired - Lifetime JP3607946B2 (ja) | 2001-03-07 | 2001-03-07 | Ｃｒ基耐熱合金 |
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2001
- 2001-03-07 JP JP2001064057A patent/JP3607946B2/ja not_active Expired - Lifetime
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2002
- 2002-03-06 US US10/090,726 patent/US6692587B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2002266046A (ja) | 2002-09-18 |
| US6692587B2 (en) | 2004-02-17 |
| US20020129878A1 (en) | 2002-09-19 |
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