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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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.)
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。
Claims (6)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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