JP4557079B2 - Ｎｉ基単結晶超合金及びこれを用いたタービン翼 - Google Patents
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Description
本発明は、Ｎｉ基単結晶超合金及びこれを用いたタービン翼に関する。
本願は、２００７年３月１２日に日本に出願された特願２００７−６１５０１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２００７年３月１２日に日本に出願された特願２００７−６１５０１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
航空機エンジンや産業用ガスタービンなどに使用されるタービン翼（静・動翼）は、高温下に長時間晒されることから、耐熱性に優れた材料としてＮｉ基単結晶超合金が用いられている。このＮｉ基単結晶超合金は、ベースであるＮｉにＡｌを添加してＮｉ３Ａｌ型の析出物を析出させて強化し、更にＣｒ、Ｗ、Ｔａなどの高融点金属を添加して合金化し、単結晶化させた超合金である。また、Ｎｉ基単結晶超合金は、所定の温度で溶体化処理を行った後、時効処理を行って強度向上のために適切な金属組織を得ている。この超合金は、いわゆる析出硬化型合金と呼ばれており、母相（γ相）中に析出相（γ´相）が分散析出した結晶構造を有している。
このようなＮｉ基単結晶超合金には、Ｒｅを含まない第１世代、Ｒｅを３質量％程度含む第２世代、Ｒｅを５〜６質量％含む第３世代が既に開発されており、世代が進むに従ってクリープ強度が向上している。例えば、第１世代のＮｉ基単結晶超合金としてはＣＭＳＸ−２（キャノン・マスケゴン社製、特許文献１を参照。）、第２世代のＮｉ基単結晶超合金としてはＣＭＳＸ−４（キャノン・マスケゴン社製、特許文献２を参照。）、第３世代のＮｉ基単結晶超合金としてはＣＭＳＸ−１０（キャノン・マスケゴン社製、特許文献３を参照。）などが知られている。
ところで、第３世代のＮｉ基単結晶超合金であるＣＭＳＸ−１０は、第２世代のＮｉ基単結晶超合金よりも高温下でのクリープ強度の向上を目的としている。しかしながら、このＮｉ基単結晶超合金は、Ｒｅの組成比が５質量％以上と高く、Ｒｅの母相（γ相）への固溶量が限界を越えてしまうために、高温下で余剰となったＲｅが他の元素と化合して、いわゆるＴＣＰ(Topo1ogically Close Packed)相を析出させることがある。このため、第３世代のＮｉ基単結晶超合金を用いたタービン翼では、高温下で長時間の使用によりＴＣＰ相の量が増加して、クリープ強度が低下するという問題がある。
このような問題を解決するために、ＴＣＰ相を抑制するＲｕを添加し、且つ他の構成元素の組成比を最適な範囲に設定することにより、母相（γ相）の格子定数と析出物（γ´相）の格子定数とを最適な値とし、高温下での更なる強度向上を可能としたＮｉ基単結晶超合金が開発されている。
具体的には、Ｒｕを３質量％程度まで含む第４世代のＮｉ基単結晶超合金と、Ｒｕを４質量％以上含む第５世代のＮｉ基単結晶超合金とが開発されており、世代が進むに従って更にクリープ強度が向上している。例えば、第４世代のＮｉ基単結晶超合金としてはＴＭＳ−１３８（ＮＩＭＳ−ＩＨＩ社製、特許文献４を参照。）、第５世代のＮｉ基単結晶超合金としてはＴＭＳ−１６２（ＮＩＭＳ−ＩＨＩ社製、特許文献５を参照。）等が知られている。
米国特許第４５８２５４８号明細書
米国特許第４６４３７８２号明細書
米国特許第５３６６６９５号明細書
米国特許第６９６６９５６号明細書
米国特許出願公開第２００６／００１１２７１号明細書
しかしながら、上述した第４，５世代のＮｉ基単結晶超合金は、高温下で高いクリープ強度を得るために、ＷやＲｅなどの重金属を多く添加しているため、第２世代以前のＮｉ基単結晶超合金に比べて比重が大きい。その結果、第４，５世代のＮｉ基単結晶超合金を用いたタービン翼は、高温下で高いクリープ強度を有するものの、翼重量の増加により周速の低下を招いたり、上述した航空機エンジンや産業用ガスタービンなどの重量増加を招いたりする。したがって、タービン翼の軽量化と耐用温度の向上を図るためには、比重当たりのクリープ強度が高い、いわゆる比クリープ強度が高いＮｉ基単結晶超合金の開発が望まれている。
本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、比クリープ強度に優れたＮｉ基単結晶超合金及びこれを用いたタービン翼を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記の課題を解決すべく研究を重ねた結果、比重の大きいＷの添加量を抑えつつ、（１）高温下で高いクリープ強度を維持することができる最適な組成範囲を特定する、（２）組織安定性を示す最適な組成範囲を特定することによって、高温下でのクリープ強度の向上を図りながら、第４，５世代のＮｉ基単結晶超合金に対して比重の小さいＮｉ基単結晶超合金が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、以下の手段を提供する。
（１） 質量比で、
Ｃｏ：１５．０質量％以下、
Ｃｒ：４．１質量％以上８．０質量％以下、
Ｍｏ：２．１質量％以上６．５質量％以下、
Ｗ：３．９質量％以下、
Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、
Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、
Ｔｉ：１．０質量％以下、
Ｈｆ：０．５質量％以下、
Ｎｂ：３．０質量％以下、
Ｒｅ：３．０質量％以上８．０質量％以下、
Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、
残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、なお且つ、Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足するＮｉ基単結晶超合金。
（２） 質量比で、
Ｃｏ：１５．０質量％以下、
Ｃｒ：５．１質量％以上８．０質量％以下、
Ｍｏ：２．１質量％以上６．５質量％以下、
Ｗ：３．９質量％以下、
Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、
Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、
Ｔｉ：１．０質量％以下、
Ｈｆ：０．５質量％以下、
Ｎｂ：３．０質量％以下、
Ｒｅ：３．０質量％以上８．０質量％以下、
Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、
残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、なお且つ、Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足するＮｉ基単結晶超合金。
（３） 質量比で、
Ｃｏ：４．０質量％以上９．５質量％以下、
Ｃｒ：４．１質量％以上８．０質量％以下、
Ｍｏ：２．１質量％以上６．５質量％以下、
Ｗ：３．９質量％以下、
Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、
Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、
Ｔｉ：１．０質量％以下、
Ｈｆ：０．５質量％以下、
Ｎｂ：３．０質量％以下、
Ｒｅ：３．０質量％以上８．０質量％以下、
Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、
残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、なお且つ、Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足するＮｉ基単結晶超合金。
（４） 質量比で、
Ｃｏ：４．０質量％以上９．５質量％以下、
Ｃｒ：５．１質量％以上８．０質量％以下、
Ｍｏ：２．１質量％以上６．５質量％以下、
Ｗ：３．９質量％以下、
Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、
Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、
Ｔｉ：１．０質量％以下、
Ｈｆ：０．５質量％以下、
Ｎｂ：３．０質量％以下、
Ｒｅ：３．０質量％以上８．０質量％以下、
Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、
残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、なお且つ、Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足するＮｉ基単結晶超合金。
（５） 前記組成のうち、
Ｗ：２．９質量％以下
を満足する前項（１）〜（４）の何れか一項に記載のＮｉ基単結晶超合金。
（６） 前記組成のうち、
Ｗ：１．９質量％以下
を満足する前項（１）〜（４）の何れか一項に記載のＮｉ基単結晶超合金。
（７） 質量比で、
Ｃｏ：５．０質量％以上８．０質量％以下、
Ｃｒ：５．１質量％以上８．０質量％以下、
Ｍｏ：２．２質量％以上４．８質量％以下、
Ｗ：１．９質量％以下、
Ｔａ：５．５質量％以上８．０質量％以下、
Ａｌ：５．４質量％以上６．０質量％以下、
Ｔｉ：０．５質量％以下、
Ｈｆ：０．０８質量％以上０．５質量％以下、
Ｎｂ：１．０質量％以下、
Ｒｅ：４．０質量％以上７．５質量％以下、
Ｒｕ：１．０質量％以上５．０質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基単結晶超合金。
（８） Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足する前項（７）に記載のＮｉ基単結晶超合金。
（９） Ｐ２(パラメータ２)＝３０×［Ｗ(質量％)］＋１０×［Ｒｅ(質量％)］−３０×［Ｃｒ(質量％)］−２０×［Ｍｏ(質量％)］＋３０×［Ａｌ(質量％)］＋９０×［Ｔｉ(質量％)］＋６０×［Ｔａ(質量％)］−５×［Ｒｕ(質量％)］としたときに、Ｐ２≦５００を満足する前項（１）〜（８）の何れか一項に記載のＮｉ基単結晶超合金。
（１０） 前項（１）〜（９）の何れか一項に記載のＮｉ基単結晶超合金を用いたタービン翼。
（１） 質量比で、
Ｃｏ：１５．０質量％以下、
Ｃｒ：４．１質量％以上８．０質量％以下、
Ｍｏ：２．１質量％以上６．５質量％以下、
Ｗ：３．９質量％以下、
Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、
Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、
Ｔｉ：１．０質量％以下、
Ｈｆ：０．５質量％以下、
Ｎｂ：３．０質量％以下、
Ｒｅ：３．０質量％以上８．０質量％以下、
Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、
残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、なお且つ、Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足するＮｉ基単結晶超合金。
（２） 質量比で、
Ｃｏ：１５．０質量％以下、
Ｃｒ：５．１質量％以上８．０質量％以下、
Ｍｏ：２．１質量％以上６．５質量％以下、
Ｗ：３．９質量％以下、
Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、
Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、
Ｔｉ：１．０質量％以下、
Ｈｆ：０．５質量％以下、
Ｎｂ：３．０質量％以下、
Ｒｅ：３．０質量％以上８．０質量％以下、
Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、
残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、なお且つ、Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足するＮｉ基単結晶超合金。
（３） 質量比で、
Ｃｏ：４．０質量％以上９．５質量％以下、
Ｃｒ：４．１質量％以上８．０質量％以下、
Ｍｏ：２．１質量％以上６．５質量％以下、
Ｗ：３．９質量％以下、
Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、
Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、
Ｔｉ：１．０質量％以下、
Ｈｆ：０．５質量％以下、
Ｎｂ：３．０質量％以下、
Ｒｅ：３．０質量％以上８．０質量％以下、
Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、
残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、なお且つ、Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足するＮｉ基単結晶超合金。
（４） 質量比で、
Ｃｏ：４．０質量％以上９．５質量％以下、
Ｃｒ：５．１質量％以上８．０質量％以下、
Ｍｏ：２．１質量％以上６．５質量％以下、
Ｗ：３．９質量％以下、
Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、
Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、
Ｔｉ：１．０質量％以下、
Ｈｆ：０．５質量％以下、
Ｎｂ：３．０質量％以下、
Ｒｅ：３．０質量％以上８．０質量％以下、
Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、
残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、なお且つ、Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足するＮｉ基単結晶超合金。
（５） 前記組成のうち、
Ｗ：２．９質量％以下
を満足する前項（１）〜（４）の何れか一項に記載のＮｉ基単結晶超合金。
（６） 前記組成のうち、
Ｗ：１．９質量％以下
を満足する前項（１）〜（４）の何れか一項に記載のＮｉ基単結晶超合金。
（７） 質量比で、
Ｃｏ：５．０質量％以上８．０質量％以下、
Ｃｒ：５．１質量％以上８．０質量％以下、
Ｍｏ：２．２質量％以上４．８質量％以下、
Ｗ：１．９質量％以下、
Ｔａ：５．５質量％以上８．０質量％以下、
Ａｌ：５．４質量％以上６．０質量％以下、
Ｔｉ：０．５質量％以下、
Ｈｆ：０．０８質量％以上０．５質量％以下、
Ｎｂ：１．０質量％以下、
Ｒｅ：４．０質量％以上７．５質量％以下、
Ｒｕ：１．０質量％以上５．０質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基単結晶超合金。
（８） Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足する前項（７）に記載のＮｉ基単結晶超合金。
（９） Ｐ２(パラメータ２)＝３０×［Ｗ(質量％)］＋１０×［Ｒｅ(質量％)］−３０×［Ｃｒ(質量％)］−２０×［Ｍｏ(質量％)］＋３０×［Ａｌ(質量％)］＋９０×［Ｔｉ(質量％)］＋６０×［Ｔａ(質量％)］−５×［Ｒｕ(質量％)］としたときに、Ｐ２≦５００を満足する前項（１）〜（８）の何れか一項に記載のＮｉ基単結晶超合金。
（１０） 前項（１）〜（９）の何れか一項に記載のＮｉ基単結晶超合金を用いたタービン翼。
以上のように、本発明によれば、比クリープ強度に優れたＮｉ基単結晶超合金として、比重の増加を抑えつつ、高温下で高いクリープ強度を維持することが可能である。したがって、このような比クリープ強度に優れたＮｉ基単結晶超合金を用いたタービン翼では、軽量化と耐用温度の向上との両立を図ることが可能である。
１…タービン翼
以下、本発明を適用したＮｉ基単結晶超合金及びこれを用いたタービン翼について、図面を参照して詳細に説明する。
本発明を適用したＮｉ基単結晶超合金は、質量比で、Ｃｏ：１５．０質量％以下、Ｃｒ：４．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上６．５質量％以下、Ｗ：３．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、Ｔｉ：１．０質量％以下、Ｈｆ：０．５質量％以下、Ｎｂ：３．０質量％以下、Ｒｅ：３．０質量％以上８．０質量％以下、Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、なお且つ、Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足する。
また、本発明を適用したＮｉ基単結晶合超金は、質量比で、Ｃｏ：１５．０質量％以下、Ｃｒ：５．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上６．５質量％以下、Ｗ：３．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、Ｔｉ：１．０質量％以下、Ｈｆ：０．５質量％以下、Ｎｂ：３．０質量％以下、Ｒｅ：３．０質量％以上８．０質量％以下、Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、なお且つ、Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足する。
また、本発明を適用したＮｉ基単結晶超合金は、質量比で、Ｃｏ：４．０質量％以上９．５質量％以下、Ｃｒ：４．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上６．５質量％以下、Ｗ：３．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、Ｔｉ：１．０質量％以下、Ｈｆ：０．５質量％以下、Ｎｂ：３．０質量％以下、Ｒｅ：３．０質量％以上８．０質量％以下、Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、なお且つ、Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足する。
また、本発明を適用したＮｉ基単結晶超合金は、質量比で、Ｃｏ：４．０質量％以上９．５質量％以下、Ｃｒ：５．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上６．５質量％以下、Ｗ：３．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、Ｔｉ：１．０質量％以下、Ｈｆ：０．５質量％以下、Ｎｂ：３．０質量％以下、Ｒｅ：３．０質量％以上８．０質量％以下、Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、なお且つ、Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足する。
また、本発明では、比重の小さいＮｉ基単結晶超合金を得るために、上記Ｎｉ基単結晶超合金の組成のうち、Ｗを０．０質量％以上２．９質量％以下とすることができ、更にＷを０．０質量％以上１．９質量％以下とすることができる。
さらに、本発明を適用したＮｉ基単結晶超合金は、質量比で、Ｃｏ：５．０質量％以上８．０質量％以下、Ｃｒ：５．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．２質量％以上４．８質量％以下、Ｗ：１．９質量％以下、Ｔａ：５．５質量％以上８．０質量％以下、Ａｌ：５．４質量％以上６．０質量％以下、Ｔｉ：０．５質量％以下、Ｈｆ：０．０８質量％以上０．５質量％以下、Ｎｂ：１．０質量％以下、Ｒｅ：４．０質量％以上７．５質量％以下、Ｒｕ：１．０質量％以上５．０質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有する。
上記Ｎｉ基単結晶超合金の金属組織は、何れも母相（γ相）中に析出相（γ´相）が分散析出した結晶構造を有している。このうち、γ相はオーステナイト相からなり、γ´相は主としてＮｉ３Ａｌといった規則構造を持つ金属間化合物からなる。本発明のＮｉ基単結晶超合金では、γ相と、このγ相中に分散されたγ´相との組成を最適化することによって、高温下で優れた強度特性を得ることができる。
以下、上記Ｎｉ基単結晶超合金を構成する各成分の組成範囲を限定した理由について説明する。
Ｃｏは、Ａｌ、Ｔａ等を含む母相に対する高温下での固溶限度を大きくし、熱処理によって微細なγ´相を分散析出させ、高温強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｃｏが１５．０質量％を超えると、Ａｌ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｃｒなどの他の添加元素とのバランスが崩れ、有害相が析出して高温強度が低下する。したがって、Ｃｏは、１５．０質量％以下であることが好ましく、より好ましくは４．０質量％以上９．５質量％以下であり、更に好ましくは５．０質量％以上８．０質量％以下である。
Ｃｏは、Ａｌ、Ｔａ等を含む母相に対する高温下での固溶限度を大きくし、熱処理によって微細なγ´相を分散析出させ、高温強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｃｏが１５．０質量％を超えると、Ａｌ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｃｒなどの他の添加元素とのバランスが崩れ、有害相が析出して高温強度が低下する。したがって、Ｃｏは、１５．０質量％以下であることが好ましく、より好ましくは４．０質量％以上９．５質量％以下であり、更に好ましくは５．０質量％以上８．０質量％以下である。
Ｃｒは、耐酸化性に優れた元素であり、Ｈｆ及びＡｌと共にＮｉ基単結晶超合金の高温耐食性を向上させる元素である。しかしながら、Ｃｒが４．１質量％未満になると、所望の高温耐食性を確保することが困難となる。一方、Ｃｒが８．０質量％を超えると、γ´相の析出が抑制されると共に、σ相やμ相などの有害相が析出し、高温強度が低下する。したがって、Ｃｒは、４．１質量％以上８．０質量％以下であることが好ましく、より好ましくは５．１質量％以上８．０質量％以下である。
Ｍｏは、Ｗ又はＴａとの共存下において母相となるγ相に固溶して高温強度を増加させると共に、析出硬化により高温強度に寄与する元素である。しかしながら、Ｍｏが２．１質量％未満になると、所望の高温強度を確保することが困難となる。一方、Ｍｏが６．５質量％を超えると、高温強度が低下し、更には高温耐食性も低下する。したがって、Ｍｏは、２．１質量％以上６．５質量％以下であることが好ましく、より好ましくは２．２質量％以上４．８質量％以下である。
Ｗは、Ｍｏ又はＴａとの共存下において固溶強化と析出硬化の作用により高温強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｗが３．９質量％を超えると、高温耐食性が低下する。したがって、Ｗは、３．９質量％以下であることが好ましい。また、Ｗは、比重の小さいＮｉ基単結晶超合金を得るために、２．９質量％以下とすることが好ましく、より好ましくは１．９質量％以下である。本発明では、このようにＷの添加量を抑制する又はＷを添加しない場合であっても、他の構成元素の組成比を最適な範囲に設定することによって、高温下で高いクリープ強度を維持することが可能である。
Ｔａは、Ｍｏ又はＷとの共存下において固溶強化と析出硬化の作用により高温強度を向上させ、また一部がγ´相に対して析出硬化することで、高温強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｔａが４．０質量％未満になると、所望の高温強度を確保することが困難となる。一方、Ｔａが１０．０質量％を超えると、σ相やμ相などの有害相が析出し、高温強度が低下する。したがって、Ｔａは、４．０質量％以上１０．０質量％以下であることが好ましく、より好ましくは５．５質量％以上８．０質量％以下である。
Ａｌは、Ｎｉと化合しながら、母相中に微細均一に分散析出するγ´相として、Ｎｉ３Ａｌで表される金属間化合物を６０〜７０％（体積百分率）の割合で形成する。すなわち、Ａｌは、Ｎｉと共に高温強度を向上させる元素である。また、Ａｌは、耐酸化性に優れた元素であり、Ｃｒ及びＨｆと共にＮｉ基単結晶超合金の高温耐食性を向上させる元素である。しかしながら、Ａｌが４．５質量％未満になると、γ´相の析出量が不充分となり、所望の高温強度及び高温耐食性を確保することが困難となる。一方、Ａｌが６．５質量％を超えると、共晶γ´相と呼ばれる粗大なγ相が多く形成され、溶体化処理が不可能となり、所望の高温強度を確保することが困難となる。したがって、Ａｌは、４．５質量％以上６．５質量％以下であることが好ましく、より好ましくは５．４質量％以上６．０質量％以下である。
Ｔｉは、Ｍｏ又はＷとの共存下において固溶強化と析出強化の作用により高温強度を向上させ、また、一部がγ´相に対して析出硬化し、高温強度を向上させるための元素である。しかしながら、Ｔｉが１．０質量％を超えると、有害相が析出して高温強度が低下する。したがって、Ｔｉは、１．０質量％以下であることが好ましく、より好ましくは０．５質量％以下である。本発明では、このようにＴｉの添加量を抑制する又はＴｉを添加しない場合であっても、他の構成元素の組成比を最適な範囲に設定することによって、高温下で高いクリープ強度を維持することが可能である。
Ｈｆは、粒界偏析元素であり、粒界に偏在して粒界を強化し、これにより高温強度を向上させる元素である。また、Ｈｆは、耐酸化性に優れた元素であり、Ｃｒ及びＡ１と共にＮｉ基単結晶超合金の高温耐食性を向上させる元素である。しかしながら、Ｈｆが０．５質量％を超えると、局部溶融を引き起こして高温強度を低下させることがある。したがって、Ｈｆは、０．５質量％以下であることが好ましく、より好ましくは０．０８質量％以上０．５質量％以下である。
Ｎｂは、高温強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｎｂが３．０質量％を超えると、有害相が析出して高温強度が低下する。したがって、Ｎｂは、３．０質量％以下であることが好ましく、より好ましくは．１．０質量％以下である。本発明では、このようにＮｂの添加量を抑制する又はＮｂを添加しない場合であっても、他の構成元素の組成比を最適な範囲に設定することによって、高温下で高いクリープ強度を維持することが可能である。
Ｒｅは、母相であるγ相に固溶し、固溶強化により高温強度を向上させる元素である。また、耐蝕性を向上させる効果もある。しかしながら、Ｒｅが３．０質量％未満になると、γ相の固溶強化が不充分となって所望の高温強度を確保することが困難となる。一方、Ｒｅが８．０質量％を超えると、高温時に有害相であるＴＣＰ相が析出し、所望の高温強度を確保することが困難となる。したがって、Ｒｅは、３．０質量％以上８．０質量％以下であることが好ましく、より好ましくは４．０質量％以上７．５質量％以下である。
Ｒｕは、ＴＣＰ相の析出を抑え、高温強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｒｕが０．５質量％未満になると、高温時にＴＣＰ相が析出し、所望の高温強度を確保することが困難となる。一方、Ｒｕが６．５質量％を超えると、有害相が析出して高温強度が低下する。したがって、Ｒｕは、０．５質量％以上６．５質量％以下であることが好ましく、より好ましくは１．０質量％以上５．０質量％以下である。
また、本発明を適用したＮｉ基単結晶超合金は、更に、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｖ、Ｚｒの中から選ばれる少なくとも１種又は２種以上の元素を含有するものであってもよい。具体的に、これらの添加元素を含む場合には、有害相が析出して高温強度が低下することがないように、個々の組成範囲については、Ｂ：０．０５質量％以下、Ｃ：０．１５質量％以下、Ｓｉ：０．１質量％以下、Ｙ：０．１質量％以下、Ｌａ：０．１質量％以下、Ｃｅ：０．１質量％以下、Ｖ：１質量％以下、Ｚｒ：０．１質量％以下とすることが好ましい。
また、本発明では、以下のパラメータ式Ｐ１を用いて、高温下で高い比クリープ強度を維持することができる最適な組成範囲を特定している。
Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］
すなわち、上記パラメータ式Ｐ１は、Ｐ１≦７００であることが好ましく、より好ましくはＰ１≦４５０であり、更に好ましくはＰ１≦３００である。本発明のＮｉ基単結晶超合金では、上記パラメータ式Ｐ１の条件を満足することで、比重の大きいＷの添加量を抑えつつ、高温下で高いクリープ強度を維持することができる。
Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］
すなわち、上記パラメータ式Ｐ１は、Ｐ１≦７００であることが好ましく、より好ましくはＰ１≦４５０であり、更に好ましくはＰ１≦３００である。本発明のＮｉ基単結晶超合金では、上記パラメータ式Ｐ１の条件を満足することで、比重の大きいＷの添加量を抑えつつ、高温下で高いクリープ強度を維持することができる。
また、本発明では、以下のパラメータ式Ｐ２を用いて、組織安定性を示す最適な組成範囲を特定している。
Ｐ２(パラメータ２)＝３０×［Ｗ(質量％)］＋１０×［Ｒｅ(質量％)］−３０×［Ｃｒ(質量％)］−２０×［Ｍｏ(質量％)］＋３０×［Ａｌ(質量％)］＋９０×［Ｔｉ(質量％)］＋６０×［Ｔａ(質量％)］−５×［Ｒｕ(質量％)］
すなわち、上記パラメータ式Ｐ２は、Ｐ２≦５００であることが好ましく、より好ましくはＰ２≦４００である。本発明のＮｉ基単結晶超合金では、上記パラメータ式Ｐ２の条件を満足することで、比重の大きいＷの添加量を抑えつつ、組織安定性を示すことができる。
Ｐ２(パラメータ２)＝３０×［Ｗ(質量％)］＋１０×［Ｒｅ(質量％)］−３０×［Ｃｒ(質量％)］−２０×［Ｍｏ(質量％)］＋３０×［Ａｌ(質量％)］＋９０×［Ｔｉ(質量％)］＋６０×［Ｔａ(質量％)］−５×［Ｒｕ(質量％)］
すなわち、上記パラメータ式Ｐ２は、Ｐ２≦５００であることが好ましく、より好ましくはＰ２≦４００である。本発明のＮｉ基単結晶超合金では、上記パラメータ式Ｐ２の条件を満足することで、比重の大きいＷの添加量を抑えつつ、組織安定性を示すことができる。
以上のように、本発明を適用したＮｉ基単結晶超合金では、比重の増加を抑えつつ、高温下で高いクリープ強度を維持することが可能である。具体的には、比重の小さいＮｉ基単結晶超合金を得るために、Ｗの添加量を２．９質量％以下に抑えた場合であっても、高温下で高いクリープ強度を維持することができ、更にＷの添加量を１．９質量％以下に抑えた場合であっても、高温下で高いクリープ強度を維持することができる。したがって、本発明によれば、比重当たりのクリープ強度が高い（比クリープ強度が高い）Ｎｉ基単結晶超合金を得ることが可能である。
また、本発明のＮｉ基単結晶超合金は、例えば図１に示すようなタービン翼１に好適に用いることができる。すなわち、本発明のＮｉ基単結晶超合金を用いたタービン翼１では、高温下で高いクリープ強度を有し、高温下での長時間の使用にも耐え得ると共に、第４，５世代のＮｉ基単結晶超合金に対して比重が小さいことから、軽量化と耐用温度の向上との両立を図ることが可能である。
したがって、本発明のＮｉ基単結晶超合金は、上述した航空機エンジンや産業用ガスタービンなどに使用されるタービン翼（静・動翼）などに幅広く適用することが可能である。さらに、本発明のＮｉ基単結晶超合金は、上述した航空機エンジンや産業用ガスタービンなどに使用されるタービン翼に限らず、高温下で長時間使用される部品又は製品に対して幅広く利用することが可能である。
なお、本発明によれば、γ相と、このγ相中に分散させたγ´相との組成を最適化することができるため、上述したＮｉ基単結晶超合金のみならず、一方向凝固材や普通鋳造材などにも同様に本発明を適用することができる。その場合、本発明と同様の効果を得ることが可能である。
以下、実施例により本発明の効果をより明らかにする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
先ず、真空溶解炉を用いて各種のＮｉ基単結晶超合金の溶湯を調整し、この合金溶湯を用いて組成の異なる実施例１〜２０の合金インゴットを鋳造した。これら実施例１〜２０の各合金インゴットの組成比を表１に示す。また、表１には、参考例１〜８として、公知のＮｉ基単結晶超合金の組成比を示す。
次に、表１に示す各合金インゴットに対して溶体化処理及び時効処理を行い、実施例１〜２０のＮｉ基単結晶超合金を得た。なお、溶体化処理については、１５０３〜１５６３Ｋ（１２３０〜１２９０℃）から多段のステップにより１５７３〜１６１３Ｋ（１３００〜１３４０℃）まで昇温した後、１〜１０時間以上保持した。また、時効処理については、１２７３〜１４２３Ｋ（１０００℃〜１１５０℃）で３〜５時間保持する１次時効処理を行った。
そして、これら実施例１〜２０のＮｉ基単結晶超合金について、合金組織の状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、何れも組織中にＴＣＰ相は確認されなかった。
次に、実施例１〜２０の各Ｎｉ基単結晶超合金に対してクリープ試験を行った。クリープ試験は、温度１０００〜１０５０℃及び応力２４５ＭＰａの条件下で、各試料がクリープ破断するまでの時間を寿命として測定した。
そして、実施例１〜２０及び参考例１〜８の各Ｎｉ基単結晶超合金の比重(密度：ｇ／ｃｍ３)に対する以下に示すラーソン・ミラー・パラメータ(Ｌ.Ｍ.Ｐ.)を用いたクリープ寿命の評価を行った。その評価結果を表１に示し、表１に示す各実施例１〜２０及び比較例１〜８の比重とＬ.Ｍ.Ｐ.との関係を示す特性図を図２に示す。
Ｌ.Ｍ.Ｐ.＝（Ｔ＋２７３）×（２０＋Ｌｏｇｔ）／１０００Ｔ：温度(℃)、ｔ：クリープ破断時間(ｈｒ)
そして、実施例１〜２０及び参考例１〜８の各Ｎｉ基単結晶超合金の比重(密度：ｇ／ｃｍ３)に対する以下に示すラーソン・ミラー・パラメータ(Ｌ.Ｍ.Ｐ.)を用いたクリープ寿命の評価を行った。その評価結果を表１に示し、表１に示す各実施例１〜２０及び比較例１〜８の比重とＬ.Ｍ.Ｐ.との関係を示す特性図を図２に示す。
Ｌ.Ｍ.Ｐ.＝（Ｔ＋２７３）×（２０＋Ｌｏｇｔ）／１０００Ｔ：温度(℃)、ｔ：クリープ破断時間(ｈｒ)
表１及び図２に示すように、実施例１〜２０のＮｉ基単結晶超合金は、参考例１〜８のＮｉ基単結晶超合金よりも比重に対するＬ.Ｍ.Ｐ.が高い値を示していることがわかる。
また、Ｗの添加量が２．９質量％以下に抑えられた実施例１，９，１０，２０のＮｉ基単結晶超合金でも、比重当たりのクリープ強度が高く維持され、さらに、Ｗの添加量が１．９質量％以下に抑えられた実施例２，５，７，１１，１５〜１９のＮｉ基単結晶超合金でも、比重当たりのクリープ強度が高く維持されていることがわかる。一方、Ｗを添加していない実施例３，４，６，８，１２〜１４のＮｉ基単結晶超合金でも、比重当たりのクリープ強度が高く維持されていることがわかる。
以上のことから、本発明によれば、比クリープ強度に優れたＮｉ基単結晶超合金を得ることが可能となる。
また、Ｗの添加量が２．９質量％以下に抑えられた実施例１，９，１０，２０のＮｉ基単結晶超合金でも、比重当たりのクリープ強度が高く維持され、さらに、Ｗの添加量が１．９質量％以下に抑えられた実施例２，５，７，１１，１５〜１９のＮｉ基単結晶超合金でも、比重当たりのクリープ強度が高く維持されていることがわかる。一方、Ｗを添加していない実施例３，４，６，８，１２〜１４のＮｉ基単結晶超合金でも、比重当たりのクリープ強度が高く維持されていることがわかる。
以上のことから、本発明によれば、比クリープ強度に優れたＮｉ基単結晶超合金を得ることが可能となる。
本発明によれば、比クリープ強度に優れたＮｉ基単結晶超合金を提供することが可能である。したがって、このような比クリープ強度に優れたＮｉ基単結晶超合金を用いたタービン翼では、軽量化と耐用温度の向上との両立を図ることが可能である。
Claims (10)
- 質量比で、
Ｃｏ：１５．０質量％以下、
Ｃｒ：４．１質量％以上８．０質量％以下、
Ｍｏ：２．１質量％以上６．５質量％以下、
Ｗ：３．９質量％以下、
Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、
Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、
Ｔｉ：１．０質量％以下、
Ｈｆ：０．５質量％以下、
Ｎｂ：３．０質量％以下、
Ｒｅ：３．０質量％以上８．０質量％以下、
Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、
残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、なお且つ、Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足するＮｉ基単結晶超合金。 - 質量比で、
Ｃｏ：１５．０質量％以下、
Ｃｒ：５．１質量％以上８．０質量％以下、
Ｍｏ：２．１質量％以上６．５質量％以下、
Ｗ：３．９質量％以下、
Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、
Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、
Ｔｉ：１．０質量％以下、
Ｈｆ：０．５質量％以下、
Ｎｂ：３．０質量％以下、
Ｒｅ：３．０質量％以上８．０質量％以下、
Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、
残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、なお且つ、Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足するＮｉ基単結晶超合金。 - 質量比で、
Ｃｏ：４．０質量％以上９．５質量％以下、
Ｃｒ：４．１質量％以上８．０質量％以下、
Ｍｏ：２．１質量％以上６．５質量％以下、
Ｗ：３．９質量％以下、
Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、
Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、
Ｔｉ：１．０質量％以下、
Ｈｆ：０．５質量％以下、
Ｎｂ：３．０質量％以下、
Ｒｅ：３．０質量％以上８．０質量％以下、
Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、
残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、なお且つ、Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足するＮｉ基単結晶超合金。 - 質量比で、
Ｃｏ：４．０質量％以上９．５質量％以下、
Ｃｒ：５．１質量％以上８．０質量％以下、
Ｍｏ：２．１質量％以上６．５質量％以下、
Ｗ：３．９質量％以下、
Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、
Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、
Ｔｉ：１．０質量％以下、
Ｈｆ：０．５質量％以下、
Ｎｂ：３．０質量％以下、
Ｒｅ：３．０質量％以上８．０質量％以下、
Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、
残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、なお且つ、Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足するＮｉ基単結晶超合金。 - 前記組成のうち、
Ｗ：２．９質量％以下
を満足する請求項１〜４の何れか一項に記載のＮｉ基単結晶超合金。 - 前記組成のうち、
Ｗ：１．９質量％以下
を満足する請求項１〜４の何れか一項に記載のＮｉ基単結晶超合金。 - 質量比で、
Ｃｏ：５．０質量％以上８．０質量％以下、
Ｃｒ：５．１質量％以上８．０質量％以下、
Ｍｏ：２．２質量％以上４．８質量％以下、
Ｗ：１．９質量％以下、
Ｔａ：５．５質量％以上８．０質量％以下、
Ａｌ：５．４質量％以上６．０質量％以下、
Ｔｉ：０．５質量％以下、
Ｈｆ：０．０８質量％以上０．５質量％以下、
Ｎｂ：１．０質量％以下、
Ｒｅ：４．０質量％以上７．５質量％以下、
Ｒｕ：１．０質量％以上５．０質量％以下を含有し、
残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基単結晶超合金。 - Ｐ１(パラメータ１)＝１３７×［Ｗ(質量％)］＋２４×［Ｃｒ(質量％)］＋４６×［Ｍｏ(質量％)］−１８×［Ｒｅ(質量％)］としたときに、Ｐ１≦７００を満足する請求項７に記載のＮｉ基単結晶超合金。
- Ｐ２(パラメータ２)＝３０×［Ｗ(質量％)］＋１０×［Ｒｅ(質量％)］−３０×［Ｃｒ(質量％)］−２０×［Ｍｏ(質量％)］＋３０×［Ａｌ(質量％)］＋９０×［Ｔｉ(質量％)］＋６０×［Ｔａ(質量％)］−５×［Ｒｕ(質量％)］としたときに、Ｐ２≦５００を満足する請求項１〜８の何れか一項に記載のＮｉ基単結晶超合金。
- 請求項１〜９の何れか一項に記載のＮｉ基単結晶超合金を用いたタービン翼。
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