JP5202785B2

JP5202785B2 - ニッケル系スーパーアロイ組成及び単結晶物品におけるその使用

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Publication number: JP5202785B2
Application number: JP2003406753A
Authority: JP
Inventors: ケビン・スウェーン・オハラ; ウィリアム・スコット・ウォルストン; チャールズ・ギタヒ・ムキラ; メルビン・ロバート・ジャクソン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2023-12-05
Also published as: CA2451299C; BR0305470A; JP2004190139A; CA2451299A1; EP1426457B1; US6905559B2; EP1426457A3; EP1426457A2; SG118217A1; US20040109786A1

Description

本発明は、ニッケル系スーパーアロイの組成及び実質的に単結晶である物品におけるその使用に関する。

ニッケル系スーパーアロイは、エンジン内の最も過酷で、過度な温度条件及び環境条件にさらされるガスタービンエンジンの部品のいくつかを製造する材料として使用されている。例えば、タービンブレード、タービンベーン、シール及びシュラウドは、通常、そのようなニッケル系スーパーアロイから形成される。稼働中、それらの部品は２０００°Ｆ以上の温度にさらされると共に、高温の燃焼ガスの高速流れの影響にもさらされる。長時間にわたり、多数のエンジンサイクルを経てこの高温で性能を発揮するためには、それらの部品で使用される材料は高い温度においてすぐれた破壊強度、十分に高い融点、すぐれた熱衝撃抵抗、及びすぐれた酸化抵抗を有していなければならない。

更に、それらの部品は稼働中に約８４３℃から約９２７℃の範囲の中間温度での熱腐食作用にもさらされる。この温度範囲では、燃焼ガス中に見られるＮａ２ＳＯ４などのアルカリ金属塩が部品上で凝縮し、加速された過酷な腐食作用を発生させると考えられる。そのようなアルカリ金属塩は、通常、海塩中の塩化ナトリウムの経口摂取と、その後の燃料の燃焼中におけるイオウ酸化物との反応の結果として形成される。
米国特許３４５９５４５号明細書米国特許３６１９１８２号明細書米国特許３６１５３７６号明細書米国特許４１１６７２３号明細書米国特許４７１９０８０号明細書米国特許４８７８９６５号明細書米国特許５１７３２５５号明細書米国特許６０７４６０２号明細書米国特許６３３１２１７号明細書米国特許６４１９７６３号明細書米国特許出願公開第２００３／０２１１３５６号明細書欧州特許１２０１７７８号明細書

これらの種類の異なる温度条件及び環境条件にさらされる部品の合金組成の選択には、いくつかの困難な問題がある。適切な高温特性を生み出す元素の添加や組成によって、中間温度における耐食性が不十分になる場合は多く、その逆に、中間温度で適切な特性を生み出すような元素の添加や組成によって、高温特性が損なわれることもある。酸化及び腐食の作用のいくつかを軽減するために被覆膜が開発されているが、アルミニウム含有量の多い被覆膜は、長期間にわたり最高温度にさらされている間に相互拡散領域で相の不安定をもたらすであろう。

高温特性及び中間温度特性の、現在利用可能であるスーパーアロイより適切な組み合わせを実現するニッケル系スーパーアロイ及びそのようなスーパーアロイから製造された物品は必要とされ続けている。この必要性は、特に、最高温度で使用される物品のような、単結晶物品を製造するために使用されるスーパーアロイに関して特に重大な問題となっている。本発明はこの必要を満たし、更に関連する利点を提供する。

本発明はニッケル系スーパーアロイ及びそのスーパーアロイから製造された物品、特に単結晶物品を提供する。ニッケル系スーパーアロイは、密度などの物理的特性、すぐれた破壊強度、融点、熱衝撃抵抗性及び酸化抵抗などの高温特性、並びに中間温度機械特性及び熱腐食抵抗をバランス良く実現する。

物質の組成は、本質的に、約１ｗｔ（重量）％から約３ｗｔ％のレニウムと、約６ｗｔ％から約９ｗｔ％のアルミニウムと、約０ｗｔ％から約０．５ｗｔ％のチタンと、約４ｗｔ％から約６ｗｔ％のタンタルと、約１２．５ｗｔ％から約１５ｗｔ％のクロムと、約３ｗｔ％から約１０ｗｔ％のコバルトと、約２ｗｔ％から約５ｗｔ％のタングステンと、０ｗｔ％から約０．２ｗｔ％のハフニウムと、０ｗｔ％から約１ｗｔ％の珪素と、０ｗｔ％から約０．２５ｗｔ％のモリブデンと、０ｗｔ％から約０．２５ｗｔ％のニオブと、残部ニッケルと、複数の少量元素とから構成される。物質の組成は１立方インチ当たり約０．３０５ポンド未満の密度を有することが望ましく、１立方インチ当たり約０．３００ポンド未満の密度を有するのが最も好ましい。

この組成の好ましい一実施例では、スーパーアロイは約１．６％のレニウムと、約６．６％のアルミニウムと、約０．１％未満のチタンと、約５％のタンタルと、約１３％のクロムと、約７．５％のコバルトと、約３．８％のタングステンと、約０．１５％のハフニウムと、約０．１％未満の珪素とを有する。

全ての組成において少量元素を限定するのが好ましい。組成は最大で約０．０１％のホウ素、最大で約０．０７％の炭素、最大で約０．０３％のジルコニウム、最大で約０．０１％のセリウム、最大で約０．０１％のランタン、最大で約０．０４％のマグネシウム、最大で約０．００１％のカルシウム、最大で約０．０１％のマンガン、最大で約０．００５％のリン、最大で約０．００１％のイオウ、最大で約０．０８％の鉄、最大で約０．１５％のモリブデン、最大で約０．１５％のニオブ、最大で約０．２％の銅、最大で約０．１％のバナジウム、最大で約０．０３％のイットリウム、最大で約０．０１％のプラチナ、約０．００１％未満の酸素及び／又は約０．００１％の窒素を有するのが好ましい。

本発明の物質の組成は、例えば、方向性凝固された多結晶微細構造又は単結晶微細構造などの何らかの動作可能結晶構造を有する物品に使用できるであろう。しかし、その最大の利点は単結晶物品に対して実現される。従って、物品は、本質的に、約１ｗｔ％から約３ｗｔ％のレニウムと、約６ｗｔ％から約９ｗｔ％のアルミニウムと、約０ｗｔ％から約０．５ｗｔ％のチタンと、約４ｗｔ％から約６％のタンタルと、約１２．５ｗｔ％から約１５ｗｔ％のクロムと、約３ｗｔ％から約１０ｗｔ％のコバルトと、約２ｗｔ％から約５ｗｔ％のタングステンと、０ｗｔ％から約０．２ｗｔ％のハフニウムと、０ｗｔ％から約１ｗｔ％の珪素と、残部ニッケルと、複数の少量の元素とから構成される組成を有する実質的単結晶を具備する。他の箇所で論じられる本発明のその他の両立しうる特徴はそのような物品に関連して使用できるであろう。

物品は、タービンブレード、タービンベーン、シール又は固定シュラウドなどのガスタービンエンジンの部品の形状であっても良い。

本発明の合金の密度は低く、１立方インチ当たり約０．３０５ポンド未満であるのが好ましく、１立方インチ当たり約０．３００インチ未満であるのが最も好ましい。一般に、飛行する構造並びに特に稼働中に回転する構造の部分において重量を軽減するためには、密度が低いことが望ましい。回転する構造について重量を軽減することにより、ディスク、シャフト、軸受及びその関連構造においても重量を軽減することができる。本発明のその他の特徴及び利点は、一例として、本発明の原理を示す添付の図面と関連させた、以下の好ましい実施例の更に詳細な説明から明白になるであろう。しかし、本発明の範囲はこの好ましい実施例に限定されない。

図１は、ガスタービンエンジンの部品２０、この場合には実質的に単結晶のガスタービンブレード２２の形態をとる物品１８を示す。本発明の方法は、ガスタービンエンジンの他の部品などの他の物品と組み合わせても実施可能であり、ガスタービンブレード２２は１つの例として提示されている。その他の部品にはタービンベーン（すなわち、ノズル）、シール及び固定シュラウドがある。ガスタービンブレード２２は、稼働中に高温の燃焼ガスの流れが衝突するエーロフォイル２４と、下方へ延出するシャンク２６と、ガスタービンブレード２２をガスタービンエンジンのガスタービンディスク（図示せず）に装着するダブテール２８の形態をとる装着部分とを有する。プラットホーム３０はエーロフォイル２４とシャンク２６との間の箇所で横方向外側へ延出している。ガスタービンブレード２２の内部には、出口開口部３２で終わる複数の内部冷却流路が存在していても良い。稼働中、ダブテール２８にある複数の開口部（図では見えていない）を介してガスタービンブレード２２の下端部に加圧された冷却空気が導入され、空気はガスタービンブレード２２の内部を流れている間に熱を取り除き、開口部３２を通ってガスタービンブレード２２の外へ出る。

本発明の方法の組成はニッケル系スーパーアロイである。ニッケル系合金は他の元素より多くのニッケルを有する。ニッケル系スーパーアロイは、ガンマプライム又は関連相の沈殿により強化されたニッケル系合金である。

物品１８は本発明の方法の組成を有し、その組成は、本質的に、約１ｗｔ％から約３ｗｔ％のレニウムと、約６ｗｔ％から約９ｗｔ％のアルミニウムと、約０ｗｔ％から約０．５ｗｔ％のチタンと、約４ｗｔ％から約６ｗｔ％のタンタルと、約１２．５ｗｔ％から約１５ｗｔ％のクロムと、約３ｗｔ％から約１０ｗｔ％のコバルトと、約２ｗｔ％から約５ｗｔ％のタングステンと、０ｗｔ％から約０．２ｗｔ％のハフニウムと、０ｗｔ％から約１ｗｔ％の珪素と、０ｗｔ％から約０．２５ｗｔ％のモリブデンと、０ｗｔ％から約０．２５ｗｔ％のニオブと、残部ニッケルと、複数の少量元素とから構成される。（ここで挙げる全ての組成は、特に指定のない限り、全てｗｔ％単位である。）組成は約１．３％から約２．０％のレニウムと、約６％から約７％のアルミニウムと、約４．５％から約５．５％のタンタルと、約１２．５％から約１３．５％のクロムと、約７％から約８％のコバルトと、約３．２５％から約４．２５％のタングステンと、約０．１％から約０．２％のハフニウムと、約０．０３％から約０．０７％の珪素とを有するのがより好ましい。

上記の大まかな組成及び特定の組成は最大で約０．０１％のホウ素、最大で約０．０７％の炭素、最大で約０．０３％のジルコニウム、最大で約０．０１％のセリウム、最大で約０．０１％のランタン、最大で約０．０４％のマグネシウム、最大で約０．００１％のカルシウム、最大で約０．０１％のマンガン、最大で約０．００５％のリン、最大で約０．００１％のイオウ、最大で約０．０８％の鉄、最大で約０．１５％のモリブデン、最大で約０．１５％のニオブ、最大で約０．２％の銅、最大で約０．１％のバナジウム、最大で約０．０３％のイットリウム、最大で約０．０１％のプラチナ、約０．００１％未満の酸素、及び約０．００１％の窒素に限定されるのが好ましい。

スーパーアロイ中に存在する元素及びその特定の量は互いに協同して作用し合い、物質の組成と関連する有利な結果を生み出す。元素について指示されている範囲及び量から大きく逸脱すると、それらの有利な結果に悪影響が及ぶと考えられる。

レニウムの含有量は約１％から約３％、好ましくは約１．３％から約２．０％、更に好ましくは約１．３％から約１．９％、最も好ましくは約１．６％である。レニウムは強力な固溶体強化剤である。レニウムの含有量が約１％未満であると、破壊強度が低下し、約３％を超えると、シグマ層の形成が促進され、この場合にも、レニウムがＴＣＰシグマ相でタイアップすることにより破壊強度が低下する。

アルミニウムの含有量は約６％から約９％、好ましくは約６％から約７％、更に好ましくは約６．４％から約６．８％、最も好ましくは約６．６％である。アルミニウムは、スーパーアロイに析出硬化をもたらし、それにより強度を与えるための主要なガンマプライム形成元素である。アルミニウムの含有量が約６％未満であると、酸化抵抗及び強度が許容できないほど低下し、約９％を超えると、余りにも多くのガンマプライム相が形成され、その結果、シグマ相の形成が促進されるために安定性が低下する。

チタンの含有量は０％から約０．５％、好ましくは０％から約０．１％、更に好ましくは０％から約０．０４％、最も好ましくは０％である。チタンは酸化抵抗を損なわせるため、その使用はできる限り回避される。

タンタルの含有量は約４％から約６％、好ましくは４．５％から約５．５％、更に好ましくは約４．８％から約５．２％、最も好ましくは約５．０％である。タンタルは強力なガンマプライム形成元素であるが、スーパーアロイの密度を相当に増加させる重元素である。タンタルは熱腐食抵抗及び酸化抵抗に対しては主として中性である。タンタルの含有量が約４％未満であると、スーパーアロイの破壊強度は損なわれる。タンタルの含有量が約６％を超えると、ガンマプライム含有量が増加するために、シグマ相の形成が不安定になるという危険がある。

クロムの含有量は約１２．５％から約１５％、好ましくは約１２．５％から約１３．５％、更に好ましくは約１２．７５％から約１３．２５％、最も好ましくは約１３％である。クロムは、広い温度範囲にわたり酸化アルミニウムの形成を安定化させ且つ自由イオウをタイアップすることにより、熱腐食抵抗を促進するために存在している。クロムの含有量が約１２．５％未満であると、熱腐食抵抗が低下し、約１５％を超えると、過剰なクロムが酸化抵抗をもたらす主要な酸化物スケールである酸化アルミニウムではなく混合酸化物の形成を促進するために、酸化抵抗が低下する。

コバルトの含有量は約３％から約１０％、好ましくは約６％から約８％、更に好ましくは約７％から約８％、最も好ましくは約７．５％である。コバルトは安定性及び熱腐食抵抗を促進する。コバルトの含有量が約３％未満であると、安定性及び熱腐食抵抗は低下する。コバルトの含有量が約１０％を超えると、酸化抵抗は低下し、ガンマプライムソルバス温度が低下するので、高温破壊能力が制限される。

タングステンの含有量は約２％から約５％、好ましくは約３．２５％から約４．２５％、更に好ましくは約３．５％から約４．１％、最も好ましくは約３．８％である。タングステンはすぐれた固溶体強化剤であるので、破壊強度の向上に寄与する。タングステンの含有量が約２％未満であると、破壊強度は不十分である。タングステンの含有量が約５％を超えると、不安定になる可能性があり、また、熱腐食抵抗及び酸化抵抗は許容できないほど低下する。

ハフニウムの含有量は０％から約０．２％、好ましくは約０．１％から約０．２％、更に好ましくは約０．１２％から約０．１８％、最も好ましくは約０．１５％である。ハフニウムは酸化アルミニウムスケールの安定性を促進し、それにより、酸化抵抗を改善する。レベルが高くなると、合金の密度は増加し且つガンマプライム相の形成が促進されるため、最終的にはシグマ相形成に関する合金の安定性は低下する。

珪素の含有量は０％から約１％、好ましくは０％から約０．１％、更に好ましくは約０．０３％から約０．０７％、最も好ましくは約０．０５％である。少量添加される珪素は酸化抵抗を改善する。しかし、余りにも多くの珪素が添加されると、弱いベータ相が沈殿するためにスーパーアロイの硬度は低下する。

モリブデン及びニオブはそれぞれ０％から約０．２５％、好ましくは０％から約０．１５％、更に好ましくは０％から約０．１％、最も好ましくは０％の量で存在している。モリブデンはガンマ相の溶体硬化剤であり、ニオブはガンマプライム相においてアルミニウムと置き換えられ、その結果、いずれの場合にも強度を向上させる。しかし、モリブデン及びニオブの含有量がそれぞれ指示されている値より多い場合には、熱腐食において、これらの元素が溶融硫化物に溶解して、酸性フラクシングを促進するため、熱腐食抵抗は低下する。

イットリウムは最大で約０．０３％の量で存在するのが好ましく、約０．０１％の量で存在しているのが最も好ましい。イットリウムはアルミニウムスケール安定性及び密着性を促進する。約０．０３％より量が多いと、過剰なイットリウムが鋳造物表面における型と金属の反応を望ましくないほどに促進し、材料の介在物含有量を増加させる。

ホウ素は最大で約０．０１％の量で存在しているのが好ましく、約０．００３％から約０．００５％であるのがより好ましく、約０．００４％であるのが最も好ましい。ホウ素は粒界強度、特に単結晶物質における低角粒界強度を促進する。これより多い量のホウ素は溶体熱処理中の初期溶融を促進する。

炭素は最大で約０．０７％の量で存在しているのが好ましく、約０．０３％から約０．０６％であるのがより好ましく、約０．０４％であるのが最も好ましい。炭素はスーパーアロイにおける介在物を減少させるために存在する脱酸剤である。これより多い量の炭素は、硬化元素と化合することによりスーパーアロイの強度を低下させる。

ジルコニウムは最大で約０．０３％の量で存在するのが好ましく、０％の量で存在しているのがより好ましい。ジルコニウムは存在している粒界を強化する。しかし、単結晶物品の場合、ジルコニウムはできる限り少ない量で存在しているのが好ましい。

セリウム及びランタンは、酸化抵抗を促進するために、それぞれ最大で約０．０１％の量で存在しているのが好ましい。これらの元素がこれより多い量で存在していると、鋳造物表面における望ましくない型と金属の化学反応が促進され、スーパーアロイの介在物含有量は増加する。

マグネシウムは最大で約０．０４％の量で存在しているのが好ましく、カルシウムは最大で約０．０１％の量で存在しているのが好ましい。これらの元素は脱酸剤として機能すると共に、少量で酸化抵抗を改善する。

マンガンは最大で約０．０１％の量で存在しているのが好ましく、リンは最大で約０．００５％の量で存在しているのが好ましく、イオウは最大で０．００１％の量で存在しているのが好ましく、鉄は最大で約０．０８％の量で存在しているのが好ましく、銅は最大で約０．２％の量で存在しているのが好ましく、バナジウムは最大で約０．１％の量で存在しているのが好ましく、プラチナは最大で約０．０１％の量で存在しているのが好ましく、酸素は最大で約０．００１％の量で存在しているのが好ましく、窒素は最大で約０．００１％の量で存在しているのが好ましい。

図２は、本発明の方法を使用して、ガスタービンブレード２２などの物品１８を製造するのに好ましい方法のブロック流れ図である。工程４０で、ここに記載したような組成を有するニッケル系スーパーアロイの溶融物（すなわち、溶融した塊）が提供される。溶融物は、通常、他のニッケル系スーパーアロイについて当該技術分野で知られている溶融方法を使用して真空炉内で構成元素の断片を溶融することにより提供される。

その後、工程４２で、溶融物は鋳造され、凝固される。溶融物は、物品１８の最終的な形状と寸法をほぼ有する鋳造物品となるように凝固されても良い。あるいは、溶融物は、まず、鋳造物品として鋳造され、その鋳造物品が最終的な形状及び寸法まで機械加工されても良い。物品１８は実質的に単結晶の構造、方向性をもって配向された多結晶構造、又は多結晶構造として鋳造されれば良い。鋳造技法は他のニッケル系スーパーアロイについてそのような結晶構造を実現する技法として知られており、本発明のニッケル系スーパーアロイに対しても同じ鋳造技法が利用される。本発明のニッケル系スーパーアロイは、物品が最高温度の場所で使用され、高温機械特性、高温酸化抵抗特性及び中間温度熱腐食抵抗の最大限の組み合わせを要求するという点で、実質的に単結晶である物品を鋳造するために使用されるのが好ましい。「単結晶」という用語は、物品が主に単一の結晶（すなわち、単一の粒）であることを意味しているが、他の粒から形成されるその材料が少量、通常は総体積の約１０％を超えない量で存在していても良い。

その後、工程４４で、物品１８は任意に後処理される。そのような後処理は、例えば、鋳造欠陥の修理、洗浄、熱処理、機械加工、保護被覆膜の塗布などを含んでいても良い。他のニッケル系スーパーアロイについて知られているそのような後処理作業の技法を本発明のニッケル系スーパーアロイに対して使用しても問題ない。

本発明を実施し、市販の競合する合金と比較試験した。いくつかの開発中の溶融物と、２つの生産規模の溶解物を準備した。Ｙ１７１５と名付けられた生産規模の溶解物を競合する合金に対して酸化抵抗、機械的特性及び熱腐食抵抗に関して比較試験した。Ｙ１７１５材料は、０．０３５ｗｔ％の炭素、０．０１ｗｔ％未満のマンガン、０．０５ｗｔ％の珪素、０．００３ｗｔ％のリン、０．０００２ｗｔ％のイオウ、１２．９９ｗｔ％のクロム、３．８ｗｔ％のタングステン、０．０５ｗｔ％の鉄、７．５４ｗｔ％のコバルト、０．１ｗｔ％未満のモリブデン、６．６４ｗｔ％のアルミニウム、０．０１ｗｔ％未満のチタン、０．１ｗｔ％未満のニオブ、４．９ｗｔ％のタンタル、０．０１ｗｔ％未満のジルコニウム、０．００３％のホウ素、０．１ｗｔ％の銅、０．１ｗｔ％未満のバナジウム、０．１４ｗｔ％のハフニウム、０．０００１ｗｔ％未満のイットリウム、１．５７ｗｔ％のレニウム、０．０１ｗｔ％のプラチナ、０．０００７ｗｔ％の酸素、０．０００３ｗｔ％の窒素、１００ｐｐｍｗ未満のマグネシウム、残部ニッケル及び少量元素の組成を有することが解析された。この合金の密度は、１立方インチ当たり約０．３１２ポンドのＲｅｎｅ（登録商標）Ｎ５の密度と比較して、１立方インチ当たり約０．２９９ポンドであった。

第１回の試験シリーズでは１時間に１回のサイクルで２２２０°Ｆから室温までマッハ１速度酸化試験を実施し、第２回の試験シリーズでは１時間に２０回のサイクルで２１５０°Ｆから室温までマッハ１速度酸化試験を実施した。２つの試験は共に、圧縮空気噴射を使用する室温までの強制空気冷却を利用した。基準であるＲｅｎｅ（登録商標）Ｎ５（「ＲＮ５」）合金及びＹ１７１５合金の試料は各々の試験においてほぼ同じ性能を有していた。比較のための、ガスタービン材料として広く使用されている合金ＩＮ７３８、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ（「ＨＡＳＴＸ」）及び方向性凝固されたＭａｒＭ２４７ＬＣ（「ＤＳＭＭ２４７ＬＣ」）は、２２２０°Ｆ酸化試験でＲｅｎｅ（登録商標）Ｎ５合金及びＹ１７１５合金の双方と比較して劣る性能を示した。図３を参照。比較のための合金Ｒｅｎｅ（登録商標）Ｎ４（「ＲＮ４」）及びＲｅｎｅ（登録商標）１４２も共にガスタービン材料として広く使用されているが、これらは２１５０°Ｆ酸化試験においてＲｅｎｅ（登録商標）Ｎ５合金及びＹ１７１５合金の双方と比較して劣る性能を示した。図４を参照。

２ｐｐｍ（百万分率）海塩汚染要因物質を使用する熱腐食試験を直径０．１３０インチのピンに対して、試料をバーナリグにおいて１５００°Ｆと１６５０°Ｆの間で、のこぎり歯ランプ及び１時間のサイクル時間でいずれの場合にも合計１０３９時間となるように循環させる循環温度試験により実施した。試験後、試料を区分し、総腐食の深さ（面当たりインチ単位）を測定した。以下の表はその結果をまとめたものである。

Ｒｅｎｅ（登録商標）Ｎ５合金は完全に腐食し、３５０時間で完全に破壊されてしまい、その時点で面当たり０．０６５インチの腐食を示していたので、この試験ではＲｅｎｅ（登録商標）Ｎ５合金の性能を測定することは不可能であった。

ある範囲の温度について応力破壊試験を実施し、その結果を図５の標準ラーソン−ミラーフォーマットで提示した。高い温度では、合金Ｙ１７１５及びＭａｒＭ２４７ＬＣは応力破壊性能についてほぼ同等である。Ｙ１７１５合金は１立方インチ当たり０．２９９ポンドの密度を有し、それに対し、ＭａｒＭ２４７はそれより高い１立方インチ当たり０．３０８ポンドの密度を有するため、この結果は重大である。Ｙ１７１５合金は１平方インチ当たり約３００００ポンドの１８００°Ｆ／１００時間破壊応力を有し、これは１３％範囲のクロムを含む合金について期待されると考えられる値より著しく良い。

図６は、疲労パラメータＡ＝−１及び保持時間を２分とした場合の合金Ｙ１７１５の低サイクル疲労能力をＲｅｎｅ（登録商標）Ｎ５合金の低サイクル疲労能力と比較して示す。Ｙ１７１５合金の密度は１立方インチ当たり０．２９９ポンドであり、Ｒｅｎｅ（登録商標）Ｎ５合金の密度は１立方当たり０．３１２ポンドであるが、Ｙ１７１５合金はＲｅｎｅ（登録商標）Ｎ５合金より強い。

合金の設計に際しては、１つの特性を向上させる何らかの元素の添加が別の特性を劣化させることもありうるので、酸化に伴う破壊強度と熱腐食抵抗のバランスをとることは困難である。クロムはその一例である。熱腐食抵抗を促進するためにクロムを添加しても良いのであるが、クロムはモリブデン、タングステン及びレニウムなどのより重い耐火元素と比較して有効な溶体強化剤ではない。従って、多くの合金はそれらのより有効な強化元素を犠牲にしてクロムの含有量を減少させている。

合金の設計に際して直面するもう１つの問題は、酸化抵抗と熱腐食抵抗の結びつきの成否である。耐食性に関して認められている合金にはＲｅｎｅ（登録商標）８０、ＩＮ７３８及びＩＮ７９２がある。これらの合金は約１２．５％を超えるクロム含有量を有し、アルミニウム／チタン比は１以下である。このようなチタン及びクロムのレベルにより、腐食を防止するために、合金は熱腐食温度範囲でＣｒ２Ｏ３及びＴｉＯ２を形成することができる。この組成により、約２０００°Ｆまで有用な強度特性も得られる。

Ｒｅｎｅ（登録商標）Ｎ５は約２０００°Ｆを超える温度ですぐれた強度及び酸化抵抗を示す。その組成により、合金は酸化保護のための酸化アルミニウムの保護層を容易に形成できる。しかし、アルミニウムのレベルが低すぎて、これより低い温度では保護機能を果たせないため、Ｒｅｎｅ（登録商標）Ｎ５の熱腐食抵抗はＲｅｎｅ（登録商標）８０、ＩＮ７３８及びＩＮ７９２の熱腐食抵抗より劣る。更に、強度、安定性及び酸化に要求される条件のため、クロムのレベルは慎重に制限される。Ｒｅｎｅ（登録商標）Ｎ５は約２０００°Ｆを超える温度での強度を考慮して設計されているので、この高温範囲で揮発するクロミアの形成は望ましくない。従って、Ｒｅｎｅ（登録商標）Ｎ５のクロム含有量は約７ｗｔ％に制限されている。

試験結果により実証されるように、本発明の組成は機械的特性、酸化特性及び腐食特性をバランス良く示す。ノズル（ベーン）及びシュラウドなどの多くのガスタービン部品は応力破壊制限されていない。これらの部品は、熱腐食及び酸化と、熱サイクリングからの低サイクル疲労損傷との組み合わせ効果による浸食に耐えなければならない。合金Ｙ１７１５を一例とする本発明の合金はこれらの基準に適合し、その特性バランスは独特である。

例示を目的として本発明の特定の一実施例を詳細に説明したが、本発明の趣旨から逸脱せずに様々な変形や改善を実施できるであろう。特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

ガスタービン部品、特にタービンブレードの斜視図。物品を製造するための好ましい方法のブロック流れ図。２つの異なる試験プロトコルに関して循環酸化試験中の重量変化を時間の関数として示すグラフ。２つの異なる試験プロトコルに関して循環酸化試験中の重量変化を時間の関数として示すグラフ。クリープ応力をラーソン−ミラーのパラメータの関数として示すグラフ。高温低サイクル疲労試験における正規化応力と正規化寿命との関係を示すグラフ。

符号の説明

１８…物品、２０…ガスタービンエンジンの部品、２２…ガスタービンブレード

Claims

質量％で表して、１％から３％のレニウムと、６％から９％のアルミニウムと、０％から０．５％のチタンと、４％から６％のタンタルと、１２．５％から１５％のクロムと、３％から１０％のコバルトと、２％から５％のタングステンと、０％から０．２％のハフニウムと、０％から１％の珪素と、０％から０．２５％のモリブデンと、０％から０．２５％のニオブと、最大で０．０１％のホウ素と、最大で０．０７％の炭素と、最大で０．０３％のジルコニウムと、最大で０．０１％のセリウムと、最大で０．０１％のランタンと、最大で０．０４％のマグネシウムと、最大で０．００１％のカルシウムと、最大で０．０１％のマンガンと、最大で０．００５％のリンと、最大で０．００１％のイオウと、最大で０．０８％の鉄と、最大で０．２％の銅と、最大で０．１％のバナジウムと、最大で０．０００１％のイットリウムと、最大で０．０１％のプラチナと、０．００１％未満の酸素と、最大で０．００１％の窒素と、残部ニッケルとから構成される合金組成物。
前記合金組成物は、質量％で表して、１．３％から２．０％のレニウムと、６％から７％のアルミニウムと、４．５％から５．５％のタンタルと、１２．５％から１３．５％のクロムと、７％から８％のコバルトと、３．２５％から４．２５％のタングステンと、０．１％から０．２％のハフニウムと、０．０３％から０．０７％の珪素とを有する請求項１記載の合金組成物。
前記合金組成物は、質量％で表して、１．６％のレニウムと、６．６％のアルミニウムと、０．１％未満のチタンと、５％のタンタルと、１３％のクロムと、７．５％のコバルトと、３．８％のタングステンと、０．１５％のハフニウムと、０．１％未満の珪素とを有する請求項１又は請求項２記載の合金組成物。
質量％で表して、１％から３％のレニウムと、６％から９％のアルミニウムと、０％から０．５％のチタンと、４％から６％のタンタルと、１２．５％から１５％のクロムと、３％から１０％のコバルトと、２％から５％のタングステンと、０％から０．２％のハフニウムと、０％から１％の珪素と、０％から０．２５％のモリブデンと、０％から０．２５％のニオブと、最大で０．０１％のホウ素と、最大で０．０７％の炭素と、最大で０．０３％のジルコニウムと、最大で０．０１％のセリウムと、最大で０．０１％のランタンと、最大で０．０４％のマグネシウムと、最大で０．００１％のカルシウムと、最大で０．０１％のマンガンと、最大で０．００５％のリンと、最大で０．００１％のイオウと、最大で０．０８％の鉄と、最大で０．２％の銅と、最大で０．１％のバナジウムと、最大で０．０００１％のイットリウムと、最大で０．０１％のプラチナと、０．００１％未満の酸素と、最大で０．００１％の窒素と、残部ニッケルとから構成される合金組成を有する単結晶物品（１８）。
前記合金組成は、質量％で表して、１．３％から２．０％のレニウムと、６％から７％のアルミニウムと、４．５％から５．５％のタンタルと、１２．５％から１３．５％のクロムと、７％から８％のコバルトと、３．２５％から４．２５％のタングステンと、０．１％から０．２％のハフニウムと、０．０３％から０．０７％の珪素とを有する請求項４記載の単結晶物品（１８）。
前記合金組成は、質量％で表して、１．６％のレニウムと、６．６％のアルミニウムと、０．１％未満のチタンと、５％のタンタルと、１３％のクロムと、７．５％のコバルトと、３．８％のタングステンと、０．１５％のハフニウムと、０．１％未満の珪素とを有する請求項４記載の単結晶物品（１８）。