JP4115369B2 - Ni-base superalloy - 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、高温での組織安定性と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。 The invention of this application relates to a Ni-base superalloy, and more specifically, excellent in structural stability and creep characteristics at high temperatures, high temperatures of turbine blades such as jet engines and gas turbines, turbine vanes, and turbine disks, The present invention relates to a new Ni-base superalloy suitable as a member used under high stress.
従来、Ni基超合金としては、CMSX−10(質量%で、Co:3.3、Cr:2.4、Mo:0.4、W:5.3、Al:5.7、Ti:0.2、Nb:0.1、Ta:8.2、Hf:0.03、Re:6.3で残部がNiからなる合金)(特許文献1)、TMS−138(質量%で、Co:5.8、Cr:2.8、Mo:2.9、W:6.1、Al:5.8、Ta:5.6、Hf:0.05、Re:5.1、Ru:1.9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。 Conventionally, as Ni-base superalloy, CMSX-10 (in mass%, Co: 3.3, Cr: 2.4, Mo: 0.4, W: 5.3, Al: 5.7, Ti: 0 .2, Nb: 0.1, Ta: 8.2, Hf: 0.03, Re: 6.3 and the balance of Ni (Patent Document 1), TMS-138 ( mass%, Co: 5.8, Cr: 2.8, Mo: 2.9, W: 6.1, Al: 5.8, Ta: 5.6, Hf: 0.05, Re: 5.1, Ru: 1. No. 9 (alloy made of Ni as the balance) (Patent Document 2) is known as the most excellent high-temperature strength.
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、多量のReを含有するため長時間のクリープに際して、TCP相と呼ばれる有害結晶を生成しやすいという欠点があった。ジェットエンジンやガスタービンの長時間の信頼性を高めるためには合金の組織の安定性を高めることが重要であるので、このような観点から、Reを含まずに、従来のNi基超合金と同等あるいはそれ以上のクリープ強度を有するNi基超合金の実現が望まれていた。
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、Reを含有せずに、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長時間にわたり組織安定な、新しい高強度Ni基超合金を提供することを課題としている。 The invention of this application was made based on the background as described above, and does not contain Re, and is stable in structure as a high-temperature member such as a turbine blade or turbine vane of a jet engine or a gas turbine for a long time. It is an object to provide a new high-strength Ni-base superalloy.
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、第1には、質量%として、Cr:0.1〜20、Mo:0.1〜10、W:0.1〜15、Al:2−10、Ta:0.1〜16、Ru:0.1〜10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基超合金を提供する。 The invention of this application is for solving the above-mentioned problems. First, as mass%, Cr: 0.1-20 , Mo: 0.1-10 , W: 0.1-15 , Provided is a Ni-base superalloy characterized by containing Al: 2-10 , Ta : 0.1-16 , Ru: 0.1-10 , and the balance of Ni and inevitable impurities.
第2には、上記の合金においてさらに、質量%でCo:0.1〜20を含有することを特徴とするNi基超合金を提供する。 Second, there is provided a Ni-base superalloy characterized in that the alloy further contains Co: 0.1 to 20 by mass% .
第3には、これらの合金を用いて、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。 Third, by using these alloys, conventional casting methods, unidirectional solidification process, or to provide a turbine blade or turbine vane component, characterized in that created by a single crystal solidification method.
第4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。 Fourthly, a turbine disk component produced by a powder metallurgy method or a forging method is provided.
この出願の第1の発明によれば、長時間にわたり組織安定でクリープ強度の優れたNi基超合金を得ることができる。 According to the first invention of this application, it is possible to obtain a Ni-base superalloy having a stable structure over a long period of time and an excellent creep strength.
また、上記第2の発明は、さらにCoを含有させて中低温側でのクリープ強度を向上させる効果を有する。 Further, the second invention has an effect of further improving the creep strength on the medium / low temperature side by containing Co.
第3の発明では、新しいNi基超合金によるタービンブレード、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、それらの長時間使用が可能となり信頼性などが向上する。 In the third invention, by using a turbine blade and a turbine vane made of a new Ni-base superalloy for a jet engine or a gas turbine, they can be used for a long time, and reliability and the like are improved.
第4の発明では、新しいNi基超合金による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、それらの長時間信頼性などが向上する。 In the fourth invention, by using a turbine disk made of a new Ni-base superalloy for a jet engine or a gas turbine, their long-term reliability is improved.
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。 The invention of this application has the features as described above, and an embodiment thereof will be described below.
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、高強度Ni基超合金に必須と考えられてきたReを添加することなく高いクリープ強度を実現したことを特徴としている。その組成について説明すると以下のとおりである。 The invention of this application is characterized in that a high creep strength has been realized without adding Re, which has been considered essential for high-strength Ni-base superalloys, as will be described later in the examples. The composition will be described as follows.
この出願の発明のNi基超合金においては、Coは中低温のクリープ強度を向上させる有効な元素である。しかし添加量が20質量%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。また、0.1質量%以上とすることが好ましい。 In the Ni-base superalloy of the invention of this application, Co is an effective element that improves the creep strength at medium and low temperatures. However, when the addition amount exceeds 20% by mass, harmful crystals called TCP phase are generated, and the creep strength is lowered. Moreover, it is preferable to set it as 0.1 mass % or more.
Crは耐酸化性と耐高温腐食性を向上させる有効な元素として必要である。しかし添加量が20質量%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。また、0.1質量%以上とすることが好ましい。 Cr is necessary as an effective element for improving oxidation resistance and hot corrosion resistance. However, when the addition amount exceeds 20% by mass, harmful crystals called TCP phase are generated, and the creep strength is lowered. Moreover, it is preferable to set it as 0.1 mass % or more.
Moは格子定数ミスフィットを負に移行させて、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有効な元素として必要である。しかし添加量が10質量%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。また、0.1質量%以上とすることが好ましい。 Mo is necessary as an effective element for shifting the lattice constant misfit to a negative value, forming a dense dislocation network at the interface between the gamma phase and the gamma ′ phase, and improving the high-temperature creep strength. However, when the addition amount exceeds 10% by mass, harmful crystals called TCP phases are generated, and the creep strength is lowered. Moreover, it is preferable to set it as 0.1 mass % or more.
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、合金に添加することが必要である。しかし添加量が15質量%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。また、0.1質量%以上とすることが好ましい。 Since W has the effect of improving the creep strength from high temperature to low temperature, it must be added to the alloy. However, if the added amount exceeds 15% by mass, the formation of a harmful phase is promoted, so it is necessary to make it less than this. Moreover, it is preferable to set it as 0.1 mass % or more.
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2質量%以上必要である。しかし10質量%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2−10質量%とすることが必要である。より好ましくは4−8質量%である。 Al needs to be 2% by mass or more in order to form a gamma ′ phase indispensable for improving high-temperature strength. However, if it exceeds 10% by mass, coarse crystals called eutectic gamma 'are formed and the creep strength is lowered. Therefore, it is necessary to set it as 2-10 mass %. More preferably, it is 4-8 mass %.
Taは、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。したがって添加が必要である。16質量%以上になると有害相の生成が助長されるので、16質量%以下である必要がある。また、0.1質量%以上とすることが好ましい。 Ta is an element effective for improving the creep strength by strengthening the gamma prime phase. Addition is therefore necessary. Since the production | generation of a harmful phase will be encouraged when it becomes 16 mass % or more, it needs to be 16 mass % or less. Moreover, it is preferable to set it as 0.1 mass % or more.
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10質量を超えると有害相の生成が助長されるので、10質量以下でなくてはならない。また、このRuの添加については、0.1質量以上とすることが好ましい。 Ru is an essential element for improving the creep strength on the low temperature side. However, if the addition amount exceeds 10 masses , the formation of a harmful phase is promoted, so it must be 10 masses or less. The addition of Ru is preferably 0.1 mass or more.
Hfは耐酸化性を向上させる効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が10質量%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8質量%以下である。 Since Hf has the effect of improving the oxidation resistance, it is effective to add it to the alloy. However, if the addition amount exceeds 10% by mass, the formation of a harmful phase is promoted, so it is necessary to make it less than this. Preferably it is 8 mass % or less.
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、合金に添加することが有効である。しかし添加量が10質量%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。 Since Pt has the effect of improving the structural stability and preventing the formation of harmful phases, it is effective to add it to the alloy. However, if the addition amount exceeds 10% by mass, the formation of a harmful phase is promoted, so it is necessary to make it less than this.
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、合金に添加することが有効である。しかし添加量が10質量%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。 Since Rh also has the effect of improving the structural stability and preventing the formation of harmful phases, it is effective to add it to the alloy. However, if the addition amount exceeds 10% by mass, the formation of a harmful phase is promoted, so it is necessary to make it less than this.
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、合金に添加することが有効である。しかし添加量が3質量%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2質量%以下である。 V has the effect of improving the creep strength on the low temperature side, so it is effective to add it to the alloy. However, if the added amount exceeds 3% by mass, the formation of a harmful phase is promoted, so it is necessary to make it less than this. Preferably it is 2 mass % or less.
Zrは結晶粒界強度を向上させる効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が3質量%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2質量%以下である。 Since Zr has the effect of improving the grain boundary strength, it is effective to add it to the alloy. However, if the added amount exceeds 3% by mass, the formation of a harmful phase is promoted, so it is necessary to make it less than this. Preferably it is 2 mass % or less.
Siは耐酸化性を向上させる効果があるので、合金に添加することが有効である。しかし添加量が3質量%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2質量%以下である。 Since Si has the effect of improving oxidation resistance, it is effective to add it to the alloy. However, if the added amount exceeds 3% by mass, the formation of a harmful phase is promoted, so it is necessary to make it less than this. Preferably it is 2 mass % or less.
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、合金に添加することが有効である。しかし添加量が10質量%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。 Since Fe has the effect of improving the creep strength on the low temperature side, it is effective to add it to the alloy. However, if the addition amount exceeds 10% by mass, the formation of a harmful phase is promoted, so it is necessary to make it less than this.
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、合金に添加することが有効である。しかし添加量が0.3質量%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。 Since C has the effect of generating carbides at the grain boundaries and improving the creep strength, it is effective to add C to the alloy. However, if the added amount exceeds 0.3% by mass, the amount of carbide becomes excessive and the alloy becomes brittle, so it is necessary to make it less than this.
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、合金に添加することが有効である。しかし添加量が0.2質量%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。 Since B has the effect of segregating at the grain boundaries to improve the strength, it is effective to add B to the alloy. However, if the added amount exceeds 0.2% by mass , the melting point is lowered, so it is necessary to make it less than this.
Yは耐酸化性を向上させる効果があるので、添加することが有効である。しかし添加量が0.2質量%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。 Since Y has an effect of improving oxidation resistance, it is effective to add it. However, if the added amount exceeds 0.2% by mass, the oxidation resistance is lowered, so it is necessary to make it less than this.
Laは耐酸化性を向上させる効果があるので、添加することが有効である。しかし添加量が0.2質量%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。 Since La has an effect of improving the oxidation resistance, it is effective to add it. However, if the added amount exceeds 0.2% by mass, the oxidation resistance is lowered, so it is necessary to make it less than this.
Ceは耐酸化性を向上させる効果があるので、添加することが有効である。しかし添加量が0.2質量%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 is effective to improve oxidation resistance, so it is effective to add it. However, if the added amount exceeds 0.2% by mass, the oxidation resistance is lowered, so it is necessary to make it less than this.
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。 The Ni-base superalloy of the invention of this application having the characteristics of the composition as described above can be manufactured, for example, by casting as a single crystal and performing solution treatment and aging treatment. A unidirectionally solidified alloy may be used.
たとえば溶体化処理については、1200℃〜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。 For example, regarding the solution treatment, in the range of 1200 ° C. to 1350 ° C., regarding the aging treatment, it is considered that multi-step treatment of primary aging at 1000 ° C. or higher and secondary aging at 950 ° C. or lower is preferable. Is done.
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。 Hereinafter, examples will be shown and described in more detail. Of course, the invention is not limited by the following examples.
Ni基超合金(実施例A組成(質量%):5.7Cr、1.0Mo、12.5W、4.7Al、7.4Ta、2.0Ru、残Ni、実施例B組成(質量%:7.9Co、5.0Cr、2.8Mo、11.1W、4.9Al、7.8Ta、2.5Ru、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、1270℃で1時間保持した後、1300℃まで昇温し、5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。 Ni-base superalloy (Example A composition (mass%) : 5.7Cr, 1.0Mo, 12.5W, 4.7Al, 7.4Ta, 2.0Ru, residual Ni, Example B composition (mass% : 7 .9Co, 5.0Cr, 2.8Mo, 11.1W, 4.9Al, 7.8Ta, 2.5Ru, and remaining Ni) were cast into a single crystal and subjected to solution treatment and aging treatment. Was held at 1270 ° C. for 1 hour, then heated to 1300 ° C. and held for 5 hours, and the aging treatment was a primary aging treatment held at 1100 ° C. for 4 hours and a secondary aging treatment held at 870 ° C. for 20 hours. Went.
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1100℃、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。 Next, the creep strength was measured for the sample of this example that had undergone solution treatment and aging treatment. In the creep test, the time until the sample creep ruptured under the conditions of a temperature of 1100 ° C. and a stress of 137 MPa was defined as the lifetime.
実施例A合金とB合金のクリープ試験結果と従来技術の合金とを比較し、その結果を図1に示した。なお、図1では機器設計で重要な値である1%クリープひずみ到達時間を示している。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。 The creep test results of Example A and B alloys were compared with the prior art alloys, and the results are shown in FIG. FIG. 1 shows the 1% creep strain arrival time, which is an important value in equipment design. As is apparent from FIG. 1, the alloy of the present invention has a higher creep strength than the comparative example CMSX-10 and the fourth generation Ni-based single crystal alloy TMS-138, which are called third-generation Ni-based single crystal alloys. I understand.
この出願の発明によって、高温での組織安定性と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、タービンディスクなどの高温、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。 By the invention of this application, the structure stability and creep characteristics at high temperature are excellent, and it is suitable as a member used under high temperature and high stress such as turbine blades, turbine vanes, turbine disks, etc. of jet engines and gas turbines. A Ni-base superalloy will be provided.
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