JP3944582B2 - Ｎｉ基超合金 - Google Patents
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Description
この出願の発明は、Ni基超合金に関するものであり、さらに詳しくは、1150℃のような高温でのクリープ特性に優れ、ジェットエンジンやガスタービンなどのタービンブレードやタービンベーン、タービンディスク等の高温、高応力下で使用される部材として好適な、新しいNi基超合金に関するものである。
従来、Ni基超合金としては、CMSX-10（Co:3.3wt%、Cr:2.4wt%、Mo:0.4wt%、Ｗ:5.3wt%
、Al:5.7wt%、Ti:0.2wt%、Nb:0.1wt%、Ta:8.2wt%、Hf:0.03wt%、Re:6.3wt%で残部がNiか
らなる合金）（特許文献１）、TMS-138（Co:5.8wt%、Cr:2.8wt%、Mo:2.9wt%、Ｗ:6.1wt%
、Al:5.8wt%、Ta:5.6wt%、Hf:0.05wt%、Re:5.1wt%、Ru:1.9wt%で残部がNiからなる合金）（特許文献２）などが高温強度に最も優れたものとして知られている。
、Al:5.7wt%、Ti:0.2wt%、Nb:0.1wt%、Ta:8.2wt%、Hf:0.03wt%、Re:6.3wt%で残部がNiか
らなる合金）（特許文献１）、TMS-138（Co:5.8wt%、Cr:2.8wt%、Mo:2.9wt%、Ｗ:6.1wt%
、Al:5.8wt%、Ta:5.6wt%、Hf:0.05wt%、Re:5.1wt%、Ru:1.9wt%で残部がNiからなる合金）（特許文献２）などが高温強度に最も優れたものとして知られている。
これら従来のNi基超合金は、単結晶合金部材として1100℃までのクリープ強度の点で優れている。しかしながら、さらに1150℃のような高温ではクリープ強度が低下するという問題点を有している。ジェットエンジンやガスタービンの効率を高めるためには燃焼温度を高めることが最も効率的であるので、このような観点から、従来のNi基超合金の限界を克服した、高温強度性により優れたNi基超合金の出現が望まれていた。
米国特許第５，３６６，６９５号公報
欧州特開 １２６２５６９号公報
この出願の発明は以上のとおりの背景を踏まえてなされたものであって、ジェットエンジンやガスタービンのタービンブレードやタービンベーンなどの高温部材として、メタル温度にて1150℃のような高温での使用に耐えることのできる、新しいNi基超合金を提供することを課題としている。
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして第１には、Mo:4.5-16wt%、Al:４-８wt%、Ta+Nb+Ti:３-12wt%、Re:0.1-12wt%、Ru:１-14wt%を含有し、残部がNiと不可避的
不純物からなる組成を有することを特徴とするNi基超合金の最適組成を提供する。
不純物からなる組成を有することを特徴とするNi基超合金の最適組成を提供する。
第２には、上記の合金において、さらに、Co:20wt%以下、Cr:20wt%以下、Ｗ:15wt%以下、Hf:10wt%以下、Pt:10wt%以下、Rh:10wt%以下、Ｖ:３wt%以下、Zr:３wt%以下、Si:３wt%以下、Fe:10wt%以下の元素のうちのいずれか１つを含有させて高温特性をさらに
向上させることを特徴とするNi基超合金を提供する。
向上させることを特徴とするNi基超合金を提供する。
第３には、上記第１の発明の合金において、さらに、Co:20wt%以下、Cr:16wt%以下、Ｗ:12wt%以下、Hf:８wt%以下、Pt:10wt%以下、Rh:10wt%以下、Ｖ:２wt%以下、Zr:２wt%以下、Si:２wt%以下、Fe:10wt%以下の元素のうちのいずれか２つを含有させて高温特性をさらに向上させることを特徴とするNi基超合を提供する。
第４には、上記第１の発明の合金において、さらに、Co:20wt%以下、Cr:16wt%以下、Ｗ:12wt%以下、Hf:８wt%以下、Pt:10wt%以下、Rh:10wt%以下、Ｖ:２wt%以下、Zr:２wt%以下、Si:２wt%以下、Fe:10wt%以下の元素のうちのいずれか３つあるいはそれ以上を含有させて高温特性をさらに向上させることを特徴とするNi基超合金を提供する。
第５には、上記いずれかの合金において、さらに、Ｃ:0.3wt%以下、Ｂ:0.2wt%以下、Ｙ:0.2wt%以下、La:0.2wt%以下、Ce:0.2wt%以下の元素のうちのいずれか１つあるいは２つ
以上を含有することにより高温特性をさらに向上させることを特徴とするNi基超合金を提供する。
以上を含有することにより高温特性をさらに向上させることを特徴とするNi基超合金を提供する。
第6には、以上いずれかの合金を用いて、普通鋳造法、一方向凝固法、あるいは単結晶
凝固法により作成したことを特徴とするタービンブレードあるいはタービンベーン部品を提供する。
凝固法により作成したことを特徴とするタービンブレードあるいはタービンベーン部品を提供する。
第７には、粉末冶金法あるいは鍛造法により作成したことを特徴とするタービンディスク部品を提供する。
この出願の第１の発明の合金によれば、メタル温度にて1150℃のような高温でのクリープ強度に優れたNi基超合金を提供することができる。
第２の発明の合金によれば、以上の合金においてCo、Cr、Ｗ、Hf、Pt、Rh、Ｖ、Zr、Si、Feの元素のいずれかを単独に含有させて中低温側でのクリープ強度や、耐酸化性、組織安定性などのひとつをさらに向上させる効果を有する。
第３の発明の合金によれば、第２の発明の合金においてCo、Cr、Ｗ、Hf、Pt、Rh、Ｖ、Zr、Si、Feの元素のいずれか３つあるいはそれ以上を含有させて中低温側でのクリープ強度や、耐酸化性、組織安定性などの２つの特性をさらに向上させる効果を有する。
第４の合金によれば、第２の発明の合金においてCo、Cr、Ｗ、Hf、Pt、Rh、Ｖ、Zr、Si、Feの元素のいずれか３つあるいはそれ以上を含有させて中低温側でのクリープ強度や、耐酸化性、組織安定性などの３つあるいはそれ以上の特性をさらに向上させる効果を有する。
第５の合金によれば、上記いずれかの合金においてさらに、Ｃ、Ｂ、Ｙ、La、Ceの微量元素を単独あるいは複合的に含有することによって、結晶粒界の強度向上、耐酸化性向上の効果を発揮する。
第６の発明によれば、以上の合金を用いて作成したタービンブレード、タービンベーンをジェットエンジンやガスタービンに用いることによって、それらの高温化が可能となり熱効率、出力、信頼性などが向上する。
第７の発明によれば、以上の合金を用いて作成したタービンディスクをジェットエンジンやガスタービンに用いることによって、それらの高温化が可能となり熱効率、出力、信頼性などが向上する。
この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
なによりも強調されることは、この出願の発明においては、後述実施例に述べるように、従来Ni基超合金が対応困難と考えられてきた1150℃/137MPaレベルで100時間を超えるクリープ寿命を実現したことである。その実施の形態は以下のとおりである。
本出願のNi基超合金において、Moは格子定数ミスフィットを負（ガンマ相の格子定数＞ガンマ'相の格子定数）に移行させて、ガンマ相とガンマ'相の界面に緻密な転位網を形成させ、高温のクリープ強度を向上させるのに有効な元素として必要である。しかし添加量が20wt%を超えるとTCP相とよばれる有害結晶を生成して、クリープ強度が低下する。そして、所要の作用効果を実現するためには、3.5wt％以上添加することが好ましい。また、
このＭｏの添加量については、より好ましくは4.5-16wt%である。
このＭｏの添加量については、より好ましくは4.5-16wt%である。
Alは高温強度向上に不可欠なガンマ'相を形成させるために２wt%以上必要である。しかし10wt%を超えると共晶ガンマ'と呼ばれる粗大な結晶が生成しクリープ強度が低下する。よって２-10wt%とすることが必要である。より好ましくは４-８wt%である。
Ta、Nb、Tiは、いずれもガンマ'相を強化してクリープ強度を向上させる有効な元素で
ある。したがってこれらのいずれか１つ、２つあるいは３つの添加が必要である。いずれの場合も総和が16wt%以上になると有害相の生成が助長されるので、16wt%以下である必要がある。好ましくは３-12wt%である。
ある。したがってこれらのいずれか１つ、２つあるいは３つの添加が必要である。いずれの場合も総和が16wt%以上になると有害相の生成が助長されるので、16wt%以下である必要がある。好ましくは３-12wt%である。
Reはガンマ相を強化する有効な元素であり、添加が必要である。しかし添加量が16wt%
をこえると長時間使用にあたって有害相の生成が助長されるので、16wt%以下でなくては
ならない。好ましくは0.1-12wt%である。
をこえると長時間使用にあたって有害相の生成が助長されるので、16wt%以下でなくては
ならない。好ましくは0.1-12wt%である。
Ruは低温側のクリープ強度を向上させるために必須の元素である。しかし添加量が16wt%を超えると有害相の生成が助長されるので、16wt%以下でなくてはならない。好ましくは１-14wt%である。より好ましくは３〜10wt%である。
Coは中低温のクリープ強度を向上させる効果を有するので、本発明合金に添加することが有効である。添加量が20wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必
要がある。
要がある。
Crは耐酸化性、耐高温腐食性を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が20wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下と
する必要がある。好ましくは12wt%以下である。
する必要がある。好ましくは12wt%以下である。
Ｗは高温から低温までのクリープ強度を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が15wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこ
れとする必要がある。好ましくは12wt%以下である。
れとする必要がある。好ましくは12wt%以下である。
Hfは耐酸化性を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が10wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある
。好ましくは８wt%以下である。
。好ましくは８wt%以下である。
Ptは組織安定性を向上させ有害相生成を防ぐ効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が10wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下
とする必要がある。
とする必要がある。
Rhも組織安定性を向上させ有害相生成を防ぐ効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が10wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下
とする必要がある。
とする必要がある。
Ｖは低温側のクリープ強度を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が３wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とす
る必要がある。好ましくは２wt%以下である。
る必要がある。好ましくは２wt%以下である。
Zrは結晶粒界強度を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が３wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要が
ある。好ましくは２wt%以下である。
ある。好ましくは２wt%以下である。
Siは耐酸化性を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が３wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある
。好ましくは２wt%以下である。
。好ましくは２wt%以下である。
Feは低温側のクリープ強度を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が10wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とす
る必要がある。
る必要がある。
Ｃは炭化物を結晶粒界に生成させクリープ強度を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が0.3wt%を超えると炭化物量が過多となり合金が脆化するのでこれ以下とする必要がある。
Ｂは結晶粒界に偏析して強度を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が0.2wt%を超えると融点の低下を招くのでこれ以下とする必要がある。
Ｙは耐酸化性を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が0.2wt%を超えるとかえって耐酸化性を低下させるのでこれ以下とする必要がある。
Laは耐酸化性を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が0.2wt%を超えるとかえって耐酸化性を低下させるのでこれ以下とする必要がある。
Ceは耐酸化性を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が0.2wt%を超えるとかえって耐酸化性を低下させるのでこれ以下とする必要がある。
以上のような組成の特徴を有するこの出願の発明のNi基超合金については、たとえば単結晶として鋳造し、溶体化処理、時効処理を行うことによって製造することができる。一方向凝固合金としてもよい。
たとえば溶体化処理については、1300℃〜1350℃の範囲において、時効処理については、1000℃以上での１次時効と、950℃以下での２次時効との多段階処理が好適なものとし
て考慮される。
て考慮される。
以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。
本発明のNi基超合金（実施例組成：10wt%Mo、６wt%Al、６wt%Ta、６wt%Re、８wt%Ru、
残Ni）を単結晶に鋳造し、溶体化処理及び時効処理を行った。溶体化処理は、1310℃で１時間保持した後、1330℃まで昇温し、10時間保持した。また時効処理は1100℃で４時間保持する１次時効と、870℃で20時間保持する２次時効処理を行った。
残Ni）を単結晶に鋳造し、溶体化処理及び時効処理を行った。溶体化処理は、1310℃で１時間保持した後、1330℃まで昇温し、10時間保持した。また時効処理は1100℃で４時間保持する１次時効と、870℃で20時間保持する２次時効処理を行った。
次に、溶体化処理及び時効処理を施した本実施例の試料に対してクリープ強度を測定した。クリープ試験は温度1150℃、応力137MPaの条件で試料がクリープ破断するまでの時間を寿命とした。
本実施例のクリープ試験結果と従来技術とを比較検討し図１と図２に示した。図１から明らかなように、本発明合金は第３世代Ni基単結晶合金といわれる比較例CMSX-10及び第
４世代Ni基単結晶合金TMS-138に比べ高いクリープ強度を有していることがわかる。
４世代Ni基単結晶合金TMS-138に比べ高いクリープ強度を有していることがわかる。
また、このクリープ試験での１％クリープひずみ時間は機器設計で重要な値とされており、その結果についても比較例CMSX-10及びTMS-138と本発明合金を比べ図２に示した。図２から明らかなように、本発明合金は比較例合金に比べ高い強度を有していることがわかる。
この出願の発明によって、高温でのクリープ特性に優れ、メタル温度にて1150℃のような高温での使用に耐え、ジェットエンジンやガスタービンなどのタービンブレードやタービンベーン、タービンディスク等の高温、高応力下で使用される部材として好適な、新しいNi基超合金が提供されることになる。
Claims (7)
- Mo:4.5-16wt%、Al:４-８wt%、Ta+Nb+Ti:３-12wt%、Re:0.1-12wt%、Ru:１-14wt%を含有
し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするNi基超合金。 - 請求項１記載の合金において、さらに、Co:20wt%以下、Cr:20wt%以下、Ｗ:15w
t%以下、Hf:10wt%以下、Pt:10wt%以下、Rh:10wt%以下、Ｖ:３wt%以下、Zr:３wt%以下、Si:３wt%以下、Fe:10wt%以下の元素のうちのいずれか１つを含有することを特徴とするNi基超合金。 - 請求項１記載の合金において、さらに、Co:20wt%以下、Cr:16wt%以下、Ｗ:12w
t%以下、Hf:８wt%以下、Pt:10wt%以下、Rh:10wt%以下、Ｖ:２wt%以下、Zr:２wt%以下、Si:２wt%以下、Fe:10wt%以下の元素のうちのいずれか２つを含有することを特徴とするNi基超合金。 - 請求項１記載の合金において、さらに、Co:20wt%以下、Cr:16wt%以下、Ｗ:12wt%以下、Hf:８wt%以下、Pt:10wt%以下、Rh:10wt%以下、Ｖ:２wt%以下、Zr:２wt%以下、Si:２wt%以下、Fe:10wt%以下の元素のうちのいずれか３つあるいはそれ以上を含有することを特徴とするNi基超合金。
- 請求項１ないし４のいずれか記載の合金においてさらに、Ｃ:0.3wt%以下、Ｂ:0.2wt%以下、Ｙ:0.2wt%以下、La:0.2wt%以下、Ce:0.2wt%以下の元素のうちのいずれか１つあるい
は２つ以上含有することを特徴とするNi基超合金。 - 請求項１ないし５のいずれか記載の合金を用いて、普通鋳造法、一方向凝固法、あるいは単結晶凝固法により作成したことを特徴とするタービンブレードあるいはタービンベーン部品。
- 請求項１ないし５のいずれか記載の合金を用いて、粉末冶金法あるいは鍛造法により作成したことを特徴とするタービンディスク部品。
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