JP5418589B2 - 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、2009年4月17日に日本に出願された特願2009−100903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NiAl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。
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。
ところで、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おり、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問題がある。
このような問題を解決するために、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最適な組成範囲を特定し、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基単結晶超合金が開発されている(特許文献6を参照。)。
また、近年では、上述した従来のNi基単結晶超合金よりもReの組成比の値が大きい(具体的にはReの組成比が8質量%より大きい)Ni基単結晶超合金が開発されている(非特許文献1を参照。)。このNi基単結晶超合金は、非特許文献1において高レニウムNi基単結晶超合金と称されており、同文献の表1に示されるようにReを組成比で9質量%含んでいる。
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 国際公開第2008/111585号パンフレット
E.N.Kablov, N.V.Petrushin, "DESIGNING OF HIGH-RHENIUM SINGLE CRYSTAL NI-BASE SUPERALLOY FOR GAS TURBINE BLADES", in Superalloys 2008 (Russia), Publ. of TMS(The Minerals, Metals & Materials Society), 2008, pp.901-908
高温下で従来よりも高いクリープ強度が得られるNi基単結晶超合金を開発するためには、上記非特許文献1に示されるようにReの組成比を大きくしていくことが、今後必要となっていくと予想される。このため、タービン翼の高温下におけるクリープ強度の向上を図るために、Reの組成比が従来の8質量%より大きいNi基単結晶超合金の開発が望まれている。
加えて、このNi基単結晶超合金は、重金属のReを従来よりも多く添加するため、タービン翼の軽量化と耐用温度の向上を図るべく、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も併せて望まれている。
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、Reを多く含み、且つ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)Reを組成比率で8質量%より増大させるとともに組織安定性やTCP相の抑制を考慮して組成比率の改良し、(2)TCP相を抑制するRuを含め、高温下で高いクリープ強度を維持することができるよう最適な組成範囲を特定することによって、Reを従来よりも多く含みつつも、高温下でのクリープ強度の向上を図り、且つ第4,5世代のNi基単結晶超合金に対して比重が小さい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:0.0質量%以上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4.5質量%以下、W:0.0質量%以上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:0.0質量%以上1.0質量%以下、Hf:0.00質量%以上0.5質量%以下、Nb:0.0質量%以上3.0質量%以下、Re:8.1質量%以上9.9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するNi基単結晶超合金。
(2) 質量比で、Co:0.0質量%以上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4.5質量%以下、W:0.0質量%以上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:0.0質量%以上1.0質量%以下、Hf:0.00質量%以上0.5質量%以下、Nb:0.0質量%以上3.0質量%以下、Re:8.1質量%以上9.9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4.5質量%以下、W:0.0質量%以上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:0.0質量%以上1.0質量%以下、Hf:0.00質量%以上0.5質量%以下、Nb:0.0質量%以上3.0質量%以下、Re:8.1質量%以上9.9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4.5質量%以下、W:0.0質量%以上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:0.0質量%以上1.0質量%以下、Hf:0.00質量%以上0.5質量%以下、Nb:0.0質量%以上3.0質量%以下、Re:8.1質量%以上9.9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するNi基単結晶超合金。
(5) 質量比で、Co:0.0質量%以上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4.5質量%以下、W:0.0質量%以上2.9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:0.0質量%以上1.0質量%以下、Hf:0.00質量%以上0.5質量%以下、Nb:0.0質量%以上3.0質量%以下、Re:8.1質量%以上9.9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するNi基単結晶超合金。
(6) 質量比で、Co:0.0質量%以上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4.5質量%以下、W:0.0質量%以上1.9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:0.0質量%以上1.0質量%以下、Hf:0.00質量%以上0.5質量%以下、Nb:0.0質量%以上3.0質量%以下、Re:8.1質量%以上9.9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するNi基単結晶超合金。
(7) 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4.5質量%以下、W:0.0質量%以上1.9質量%以下、Ta:4.0質量%以上6.5質量%以下、Al:4.5質量%以上6.5質量%以下、Ti:0.0質量%以上0.5質量%以下、Hf:0.00質量%以上0.5質量%以下、Nb:0.0質量%以上1.0質量%以下、Re:8.1質量%以上9.9質量%以下、Ru:4.0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するNi基単結晶超合金。
(8) 質量比で、Co:4.0質量%以上9.5質量%以下、Cr:5.1質量%以上6.5質量%以下、Mo:2.1質量%以上4.0質量%以下、W:0.0質量%以上1.9質量%以下、Ta:4.0質量%以上6.0質量%以下、Al:5.0質量%以上6.0質量%以下、Ti:0.0質量%以上0.5質量%以下、Hf:0.00質量%以上0.5質量%以下、Nb:0.0質量%以上1.0質量%以下、Re:8.1質量%以上9.0質量%以下、Ru:4.0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するNi基単結晶超合金。
(9) 更に、B、C、Si、Y、La、Ce、V、Zrの群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前項(1)〜(8)の何れかのNi基単結晶超合金。
(10) 前記群から選ばれた組成のうち、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%以下を各々満足する前項(9)のNi基単結晶超合金。
(11) 前項(1)〜(10)の何れかの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、Reを組成比率で8質量%より多く含む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。
図1は、本発明のNi基単結晶超合金を用いたタービン翼の一例を示す斜視図である。 図2は、表1に示す各実施例及び参考例のRe含有量と比重との関係を示す特性図である。 図3は、表1に示す各実施例及び非特許文献1の比較例のクリープラプチャー破断時間を示す図である。 図4は、シミュレーションによって得られた、本発明の実施形態の平均成分を有するNi基単結晶超合金の Mo含有量とクリープ速度との関係を示す図である。 図5は、シミュレーションによって得られた、本発明の実施形態の平均成分を有するNi基単結晶超合金のMo含有量とTCP相の析出開始時間との関係を示す図である。
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:0.0質量%以上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4.5質量%以下、W:0.0質量%以上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:0.0質量%以上1.0質量%以下、Hf:0.00質量%以上0.5質量%以下、Nb:0.0質量%以上3.0質量%以下、Re:8.1質量%以上9.9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:0.0質量%以上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4.5質量%以下、W:0.0質量%以上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:0.0質量%以上1.0質量%以下、Hf:0.00質量%以上0.5質量%以下、Nb:0.0質量%以上3.0質量%以下、Re:8.1質量%以上9.9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: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4.5質量%以下、W:0.0質量%以上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:0.0質量%以上1.0質量%以下、Hf:0.00質量%以上0.5質量%以下、Nb:0.0質量%以上3.0質量%以下、Re:8.1質量%以上9.9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: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4.5質量%以下、W:0.0質量%以上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:0.0質量%以上1.0質量%以下、Hf:0.00質量%以上0.5質量%以下、Nb:0.0質量%以上3.0質量%以下、Re:8.1質量%以上9.9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:0.0質量%以上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4.5質量%以下、W:0.0質量%以上2.9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:0.0質量%以上1.0質量%以下、Hf:0.00質量%以上0.5質量%以下、Nb:0.0質量%以上3.0質量%以下、Re:8.1質量%以上9.9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:0.0質量%以上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4.5質量%以下、W:0.0質量%以上1.9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:0.0質量%以上1.0質量%以下、Hf:0.00質量%以上0.5質量%以下、Nb:0.0質量%以上3.0質量%以下、Re:8.1質量%以上9.9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: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4.5質量%以下、W:0.0質量%以上1.9質量%以下、Ta:4.0質量%以上6.5質量%以下、Al:4.5質量%以上6.5質量%以下、Ti:0.0質量%以上0.5質量%以下、Hf:0.00質量%以上0.5質量%以下、Nb:0.0質量%以上1.0質量%以下、Re:8.1質量%以上9.9質量%以下、Ru:4.0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:4.0質量%以上9.5質量%以下、Cr:5.1質量%以上6.5質量%以下、Mo:2.1質量%以上4.0質量%以下、W:0.0質量%以上1.9質量%以下、Ta:4.0質量%以上6.0質量%以下、Al:5.0質量%以上6.0質量%以下、Ti:0.0質量%以上0.5質量%以下、Hf:0.00質量%以上0.5質量%以下、Nb:0.0質量%以上1.0質量%以下、Re:8.1質量%以上9.0質量%以下、Ru:4.0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する。
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。
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NiAl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、0.0質量%以上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%以下であり、更に好ましくは5.1質量%以上6.5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4.5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4.5質量%以下であることが好ましく、より好ましくは2.1質量%以上3.4質量%以下、更に好ましくは2.1質量%以上3.0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、0.0質量%以上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、0.0質量%以上2.9質量%以下とすることが好ましく、より好ましくは0.0質量%以上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4.0質量%以上6.5質量%以下であり、更に好ましくは4.0質量%以上6.0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、NiAl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5.0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、0.0質量%以上1.0質量%以下であることが好ましく、より好ましくは0.0質量%以上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、0.00質量%以上0.5質量%以下であることが好ましい。
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、0.0質量%以上3.0質量%以下であることが好ましく、より好ましくは.0.0質量%以上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。ここで、本発明ではReを従来より多く含むNi基単結晶超合金を対象としているため、Reの組成比の下限を8.1質量%と特定する。一方、Reが9.9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、8.1質量%以上9.9質量%以下であることが好ましく、より好ましくは8.1質量%以上9.0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4.0質量%以上6.5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してもよい。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。

一方、Siには、合金の融点を下げる作用があり、溶体化処理のような高温での熱処理時に、材料を局部的に溶融させるような悪影響を及ぼす場合がある。したがって、本発明を適用したNi基単結晶超合金において、Siのような元素を含有することは好ましくなく、極力低減する方が望ましい。
以上のように、本発明を適用したNi基単結晶超合金では、Reを多く含みつつ、比重の増加を抑え、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。
[実施例]
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1〜3の合金インゴットを鋳造した。これら実施例1〜3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1〜28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1〜3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1〜3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、図2を参照して、Re含有量と比重に対する本技術(実施例1〜3)と既存技術(参考例1〜28)の特性の違いについて説明する。なお、図2において、正方形のプロットは実施例1〜3を示し、菱形のプロットは参考例1〜28を示す。
図2に示すように、本技術と既存技術の特性の違いは、Re含有量と比重との関係により明確に表される。既存技術のNi基単結晶超合金においては、Re含有量が増えるに従い比重が増加する傾向にある。しかしながら、本技術の比重の増加傾向(傾き)は、既存技術の比重の増加傾向(傾き)よりも小さくなる。
すなわち、重金属であるReを組成比率で8質量%より多く含むNi基単結晶超合金では、比重が必然的に大きくなる。これに対し、図2から本技術では、比重の大きいWの添加量を抑えつつ、TCP相を抑制するRuを含めて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した結果、Reを組成比率で8質量%より多く含みつつも、既存技術よりも比重の増加傾向が小さいNi基単結晶超合金が得られたことがわかる。
次に、実施例1〜3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。
図3に示すように、実施例1〜3のNi基単結晶超合金は、図3で比較例1として示す上記非特許文献1に記載の高レニウムNi基単結晶超合金よりもクリープラプチャー破断時間が高い値を示していることがわかる。具体的に、上記クリープ試験の条件下で比較すると、高レニウムNi基単結晶超合金はクリープラプチャー破断時間が593(Hr)であるのに対し、実施例1〜3ではクリープラプチャー破断時間が2007.7(Hr)、888.4(Hr)、828.6(Hr)と高い値を示していることがわかる。特に、実施例1においては、クリープラプチャー破断時間が比較例1に対して約3倍より高い値を示しており、顕著にクリープ強度が優れていることがわかる。
以上のことから、本発明によれば、Reを組成比率で8質量%より多く含みつつも、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。
続いて、図4を参照して、本実施形態のNi基単結晶超合金におけるMo含有量とクリープ寿命とを比較するために行ったシミュレーションの結果について説明する。
なお、本シミュレーションは、英国 Sente Software 社により開発された「JMatPro V.5.0」を用いて行った。本ソフトは、金属合金の物理的、熱力学的物性値及び機械的物性値をその化学成分より計算するもので、本発明の技術分野であるNi基単結晶超合金のクリープ寿命についても、下記文献のFig.16 に示されるように精度良く予測できることが実証されている。(文献: N. Saunders, Z. Guo, X. Li, A. P. Miodownik and J-Ph. Schille:MODELLING THE MATERIAL PROPERTIES AND BEHAVIOUR OF Ni-BASED SUPERALLOYS, Superalloys2004, (TMS, 2004), pp.849-858.)
図4は、シミュレーションによって得られた、Ni基単結晶超合金におけるMo含有量と定常クリープ速度との関係を示すグラフであり、横軸がMoの含有量(質量%)であり、縦軸が定常クリープ速度である。
解析に使用した合金の成分は、実施例1から3の平均の成分とし、Mo含有量のみ 0.0〜4.5質量%まで変化させた。Mo含有量が変化した分は、Niの含有量を調節した。なお、解析条件は、運転中における一般的なタービン翼の状態を想定し、950℃、245MPaに設定した。
図4より、Moの含有量が増加するに従い、クリープ速度が減少することが分かるが、とりわけ、Moの含有量が2.0質量%を超えた辺りから、優れた耐クリープ特性(Moを含有しない場合の1/3以下のクリープ速度)を示すようになる。一方、Moを過剰に添加すると、先述したTCP相の析出が容易化される。図5に、シミュレーションによって得られた、Mo含有量とTCP相の析出開始時間の関係を示す。解析に用いた合金の成分は、図4の解析で使用したものと同一であり、評価した温度は950℃である。
図5より、Moの含有量が増加するに従い、TCP相の析出開始時間が短くなることが分かるが、Moの含有量が3.0質量%を超えると100時間を下回るようになり、更に3.5質量%を越えると70時間を下回るようになる。
従って、優れたクリープ強度を有しながら、TCP相の析出による悪影響を軽減するためには、Moの含有量を 2.1質量%以上3.4質量%以下(望ましくは3.0質量%以下)に抑えることが望ましい。
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
本発明によれば、Reを組成比率で8質量%より多く含み、且つ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Reを多く含み、且つ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

Claims (6)

  1. 質量比で、Co:5.3質量%以上5.5質量%以下、Cr:5.2質量%以上6.3質量%以下、Mo:2.1質量%以上3.4質量%以下、Al:5.4質量%以上5.8質量%以下、Nb:0.5質量%、Ta:4.8質量%以上5.0質量%以下、Hf:0.10質量%、Re:9.1質量%以上9.5質量%以下、Ru:5.5質量%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。
  2. 質量比で、Co:5.5質量%、Cr:5.2質量%、Mo:3.0質量%、Al:5.4質量%、Nb:0.5質量%、Ta:5.0質量%、Hf:0.10質量%、Re:9.2質量%、Ru:5.5質量%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。
  3. 質量比で、Co:5.5質量%、Cr:6.3質量%、Mo:2.2質量%、Al:5.6質量%、Nb:0.5質量%、Ta:5.0質量%、Hf:0.10質量%、Re:9.5質量%、Ru:5.5質量%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。
  4. 質量比で、Co:5.3質量%、Cr:5.2質量%、Mo:2.9質量%、Al:5.8質量%、Nb:0.5質量%、Ta:4.8質量%、Hf:0.10質量%、Re:9.1質量%、Ru:5.5質量%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。
  5. 質量比で、Co:5.3質量%以上5.5質量%以下、Cr:5.2質量%以上6.3質量%以下、Mo:2.1質量%以上3.4質量%以下、W:0.0質量%より多く2.9質量%以下、Al:5.4質量%以上5.8質量%以下、Nb:0.5質量%、Ta:4.8質量%以上5.0質量%以下、Hf:0.10質量%、Re:9.1質量%以上9.5質量%以下、Ru:5.5質量%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。
  6. 請求項1〜5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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