JP4035617B2 - イリジウム基合金とその製造方法 - Google Patents

Description

この出願の発明は、タングステンと残部がイリジウムと不可避的不純物からなるイリジウム基合金とその製造方法に関するものであり、さらに詳しくは、ジェットエンジン、ロケットエンジン、発電用ガスタービン、タービンブレード、タービンベーン、宇宙往還機のエンジンなど、高温、高応力下で使用される高温機器の部材に有用な、高融点のイリジウム基合金とその製造方法に関するものである。

高温機器用部材として使用されている高融点超合金としては、これまでニッケルをベースとして、これにコバルト、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、チタン、タンタル、ニオブ、レニウム、ハフニウム等を添加したニッケル基合金が知られている。また、最近では、このニッケル基合金よりもさらに高い高融点特性を有するものとして、イリジウムをベースにして、これにバナジウム、チタン、ニオブ、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム等を添加したイリジウム基合金も開発されている（特許文献１および２）。
特開平８− ３１１５８４号公報 特開２００１−３０３１５２号公報

しかしながら、このような高融点超合金をジェットエンジン、タービンベーン、タービンブレード等に使用するためには、高い融点を有することと共に、室温延性、や加工性、そして高温強度特性が要求される。使用条件が厳しいとされる航空宇宙分野のスペースプレーンなどの部材に用いるためには、１５００℃以上の温度域でも使用可能な高温耐性を有することが不可欠であるとされている。しかも、宇宙往還機のエンジン部材などの高温・高応力下で使用される材料として最も求められるのはクリープ特性であり、宇宙往還機などの分野では１５００℃におけるクリープ寿命が重要とされている。しかしながら、現在では、１５００℃で１００ＭＰａの応力下で１００時間以上耐え得る材料は未だ開発されていない。当然ながらこのようなクリープ特性と共に室温延性をも兼ね備えた材料は未だ知られていない。

そこで、この出願の発明は１５００℃以上においても優れたクリープ特性と充分な室温延性を有する高融点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ためのものとして、ｆｃｃ構造を持つ母相中にｈｃｐ構造を持つ析出物が均一に析出し、タングステンが１９〜２２at％含有されていることを特徴とするイリジウム基合金を提供する。

第２には、イリジウムにタングステンを添加して溶製した後に１４００〜２２００℃の温度範囲で熱処理をする方法を提供する。

第３には、イリジウムにタングステンを添加して溶製した後に１４００〜１８００℃の温度範囲で熱処理をする方法を提供する。

上記第1のイリジウム基合金の発明によれば、１５００℃以上の高温においても優れたクリープ特性と十分な室温延性を有する光勇店超合金を得ることができる。また、イリジウムに対するタングステンの組成範囲が特定することにより、さらに優れたクリープ特性と十分な室温延性を有する光勇店超合金を得ることができる。

上記第２のイリジウム基合金の製造方法の発明によれば、熱処理の温度範囲を特定することにより１５００℃以上の高温においても優れたクリープ特性と十分な室温延性を有する高融点超合金の製造方法を得ることができる。

上記第３のイリジウム基合金の製造方法の発明によれば、上記第２と同様な効果が得られ、熱処理温度の範囲を限定することにより、１５００℃以上の高温においてもさらに優れたクリープ特性と十分な室温延性を有する高融点超合金の製造方法を得ることができる。

この出願の発明者らはニッケル基合金よりもさらに高融点の新しい超合金として、イリジウム（Ｉｒ）をベースにバナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）の金属群から選択される１種以上の金属を２〜２２ａｔ％
添加してｆｃｃ構造を持つ母相中にＬ１２構造を持つ析出物が整合して析出した、いわゆるイリジウム基合金について検討してきた（特許文献２）。ところが、このｆｃｃとＬ１２の二相整
合組織を持つイリジウム基合金はＬ１２相を有しているために高融点で耐酸化性に優れて
いるという特性を有している反面、脆く加工が困難であるという欠点をも有している。そこで、この出願の発明はイリジウムにこのような貴金属を２〜２２ａｔ％添加する従来の方法
に変えてイリジウムにタングステン（Ｗ）を添加したものを熱処理することによってイリ
ジウム基合金の高温強度特性を向上するものであるが、このイリジウムにタングステンを添加したＩｒ−Ｗ超合金は、Ｌ１２相の代わりにｈｃｐ相を析出させ、しかもｆｃｃ相中にｈｃｐ
相が均一に析出する。このようにｆｃｃ相中にｈｃｐ相が均一に析出したイリジウム基合金は融点が高いだけでなく、優れた高温クリープ強度と良好な室温延性を有することが見出された。この出願の発明は、このような従来の技術からは全く予期することのできない知見に基づいて完成されたものである。

この出願の発明は上記のとお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。

なによりも重要なことは、この出願の発明のイリジウム基合金では、その組成においてイリジウム（Ｉｒ）にタングステン（Ｗ）が含有された二元系合金であることを基本とし、ｆｃｃ構造を持つ母相中にｈｃｐ構造を持つ析出物が均一に析出している組成を有していることである。

上記組成については、原料や製造工程からの不可避的不純物の混入が許容されていることは言うまでもない。また、第３、第４等の他機能実現のための元素成分が添加される場合であっても、上記の組織の特徴と、高温クリープ特性並びに室温延性が阻害されない限りはその添加が許容されることになる。

そこで、イリジウム（Ｉｒ）とタングステン（Ｗ）の最適組成比を調べるためにイリジウム（Ｉｒ）とタングステン（Ｗ）の組成をＩｒ−２ａｔ％Ｗ、Ｉｒ−ａｔ１０％Ｗ、Ｉｒ−２０ａｔ％ＷおよびＩｒ−２３．５ａｔ％Ｗに変化させたものを熱処理をして得られたイリジウム基超
合金を１５００℃の温度で１００ＭＰａで圧縮クリープ試験の結果を示したものが図１である。図１
からもわかるようにｆｃｃ単相であるＩｒ−２ａｔ％ＷおよびＩｒ−１０ａｔ％Ｗはクリープ変形量（歪み量）が大きいのに対して、Ｉｒ−２０ａｔ％Ｗ、Ｉｒ−２３．５ａｔ％Ｗはクリープ変形量（歪み量）が抑えられて優れたクリープ強度を有することが示されている。

ところが、クリープ強度が優れている一方のＩｒ−２０ａｔ％Ｗは二相合金を形成しているのに対し、他方のＩｒ−２３．５ａｔ％Ｗはｈｃｐ単相を形成している。この二相合金のＩｒ−２０ａｔ％Ｗとｈｃｐ単相のＩｒ−２３．５ａｔ％Ｗの延性を比較すると、図２に示されているように二相合金のＩｒ−２０ａｔ％Ｗの延性はｈｃｐ単相を形成するＩｒ−２３．５ａｔ％Ｗに比較して明らかに
優れている。クリープ強度および延性のバランスを考慮するとイリジウム（Ｉｒ）に対するタングステン（Ｗ）の割合は１９〜２２ａｔ％の範囲が好ましいものと考えられる。

また、タングステン（Ｗ）の割合が１９〜２２ａｔ％のイリジウム基合金の製造に際しては、混合と溶製によるプロセスにおいてイリジウムにタングステンを添加した後に、１４００℃〜１８００℃の温度範囲で熱処理することが好ましいものと考えられる。この理由としては、熱処理温度が１４００℃よりも低い温度では第二相ｈｃｐ相の析出がするためには充分な温度で
はなく、また熱処理温度が１８００℃を超えると析出した第二相ｈｃｐ相が粗大化してしまい微細
な組織が形成されないものと考えられる。なお、加熱のための時間の長さについては、加熱温度によっても相違するため特に限定的ではないが、一般的には２０時間以上とすることが考慮され、さらには５０時間以上、より好適には６０時間〜８０時間程度とすることが考慮される。

そこで以下に実施例を示し、さらに詳しくこの出願の発明について説明する。もちろん以下の例によって発明が制限されることはない。

イリジウム（Ｉｒ）とタングステン（Ｗ）とを、タングステンが２０ａｔ％となるように添加混
合し、これを溶製して、Ｉｒ−２０ａｔ％Ｗ合金インゴットを作製し、１５００℃で７２時間熱処理した。得られた超合金の組織の走査型電子顕微鏡写真を示したものが図３である。１５００℃の熱処理により第二相ｈｃｐが板状に微細に生成していることが確認される。また、熱処理温
度を１１００℃にして７２時間熱処理を行い、生成した組織の走査型電子顕微鏡観察した時の写真が図４である。この図４からも明らかなように１１００℃での熱処理組織では第二相ｈｃｐ相
の析出は観察されない。この原因としては熱処理温度が低すぎるために組織が熱処理前のインゴットのままであると考えられる。そして、熱処理温度を２２００℃まで上げて７２時間熱処理を行い、生成した組織の走査型電子顕微鏡観察した時の写真が図５である。図５からは熱処理温度を２２００℃まで上げると、第二相が粗大化してしまい微細な組織は形成されていないことが確認される。

図６はＩｒ−２０ａｔ％Ｗ合金を１５００℃、１８００℃および２２００℃でそれぞれ７２時間熱処理して得られたイリジウム基合金を１５００℃の温度で１００ＭＰａの応力で圧縮クリープ試験（歪み）の結果を示したものである。

図６からも明らかなように、１５００℃で熱処理されたＩｒ−２０ａｔ％Ｗ合金は試験時間は３００
時間を経過しても歪みが１％以下の定常クリープが続いている。

このことから、微細な組織を形成するための好適な温度条件としては、熱処理温度を１４００℃から１８００℃の範囲とすることが最も好ましいことがわかる。

ただ、１８００℃の熱処理では歪み率は大きくなっているが、２２００℃の熱処理では再び１５００℃の熱処理の歪み率に近くなっている。このことから、圧縮クリープ強度は熱処理の温度による顕著な差異はないものと考えられるが、熱処理温度を２３００℃以上にすると溶融する
恐れがあり、安全をみて上限は２２００℃程度にすることが好ましい。なお、図６では１４００℃以下で熱処理するものが除かれているが、これは１４００℃以下ではｈｃｐ単相になっておりｈｃｐ単相は圧縮クリープ強度が大きいことは予めわかっていることや、たとえ１４００℃以下の低温で熱処理をしても１５００℃のような高温で使用する場合には使用中に組織が変化するためである。

また、Ｉｒ−２０ａｔ％Ｗ合金を１５００℃で７２時間熱処理して得られたイリジウム基合金とＩｒ−１５ａｔ％Ｎｂの室温圧縮試験をした時の応力−歪み曲線を測定したグラフが図７であるが、図７から明らかなようにｆｃｃ＋Ｌ１２二相整合組織を有するＩｒ−１５ａｔ％Ｎｂの圧縮破断歪みが１０％であるのに対し、Ｉｒ−２０ａｔ％Ｗ合金の圧縮破断歪みは１６％であり、変形能に優
れていることが確認された。

Ｉｒ−Ｗ合金インゴットのクリープ特性の組成依存性を示したものである。 Ｉｒ−Ｗ合金インゴットの延性の組成依存性を示したものである。 Ｉｒ−２０ａｔ％Ｗ合金インゴットを１５００℃で７２時間熱処理をした後の表面組織の走査型電子顕微鏡写真である。 Ｉｒ−２０ａｔ％Ｗ合金インゴットを１１００℃で７２時間熱処理をした後の表面組織の走査型電子顕微鏡写真である。 Ｉｒ−２０ａｔ％Ｗ合金インゴットを２２００℃で７２時間熱処理をした後の表面組織の走査型電子顕微鏡写真である。 Ｉｒ−２０ａｔ％Ｗ合金インゴットを１５００℃、１８００℃および２２００℃で７２時間熱処理した処理材を１５００℃で１００ＭＰａの条件で圧縮クリープ試験をした時のグラフである。 １５００℃で７２時間熱処理したＩｒ−２０ａｔ％Ｗ合金とＩｒ−１５ａｔ％Ｎｂ合金の室温圧縮試験における応力−歪曲線である。

Claims (3)

1. タングステンと残部がイリジウムと不可避的不純物からなるイリジウム基合金であって、ｆｃｃ構造をもつ母相中にｈｃｐ構造を持つ析出物が均一に析出し、タングステンが１９〜２２aｔ％含有されていることを特徴とするイリジウム基合金。
2. 請求項１のイリジウム基超合金の製造方法であって、イリジウムにタングステンを添加して合金を溶製した後に１４００〜２２００℃の温度範囲で熱処理することを特徴とするイリジウム基合金の製造方法。
3. 熱処理温度が１４００〜１８００℃の温度範囲であることを特徴とする請求項２のイリジウム基合金の製造方法。