JP5427642B2 - ニッケル基合金及びそれを用いたランド用ガスタービン部品 - Google Patents
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- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Description
4.9質量%,Mo:0.1〜1.9質量%,C:0.05〜0.20質量%,B:0.01〜0.03質量%を含み、残部がNi及びその他不可避不純物からなるニッケル基合金であ
る。ここで言う、「不可避不純物」とは、合金組成の特性を出すために意図的に添加しないもので、原材料に元々含まれているものを意味する。
.6〜1.9質量%,C:0.08〜0.16質量%,B:0.01〜0.02質量%、残部Ni及びその他不可避不純物からなるものである。
%,Mo:0.8〜1.6質量%,C:0.1〜0.14質量%,B:0.01〜0.02質量%,残部Ni及びその他不可避不純物からなるものである。
避量以上に増加しても良く、その場合の増加量は、O:0〜0.005質量%以下,N:0〜0.005質量%以下である。添加物を加えた場合には、Ni及び不可避不純物の組成により合金の成分量を調整する。
度である。一方、航空機用は、翼部とルート部(ダブティル部)よりなり、大きさは、3〜20cm、重量で0.1〜1kg程度と、ランド用に対し、小型,軽量で、細長い形状を有する。ガスタービンの動静翼材には、種々の特性が要求され、使用環境によっても重要性は異なっている。特に、基本的な材料特性として、室温引張り強度,高温引張り強度,クリープ強度,耐食性,耐酸化特性がある。これらの特性に著しく劣る特性のないバランスの取れた特性の鋳造用合金組成の開発は重要視されている。本発明者らは、普通鋳造合金であって、クリープ強度を維持しながら、耐食性及び耐酸化性、を同時に改善しうる合金を検討した結果、特に溶融塩腐食に対する耐食性に優れた上記本発明に至ったものである。
Crは合金の高温における耐食性を改善するのに有効な元素であり、特に溶融塩腐食に対する耐食性を向上させるためには、Cr含有量をより増加させるほど効果は大きくなる。そして、その効果がより顕著に現れるのは15.1質量%以上からである。しかし本発明の合金では、Ti,W等が多く添加されているため、Cr量が多くなりすぎると、脆化相であるTCP相が析出して高温強度や高温耐食性を著しく害するようになるため、他の合金元素とのバランスをとって、その上限を18.0質量%とする必要がある。この組成範囲において、強度と耐食性のバランスを考慮した場合、好ましくは15.1〜17.0質量%の範囲であり、より好ましくは15.5〜16.5質量%の範囲である。
Coは、γ′相(NiとAlの金属間化合物Ni3Al)の固溶温度を低下させて溶体化処理を容易にするほか、γ相を固溶強化する。そのため、1200K以下の中低温領域でのクリープ強度を向上させる効果がある。また、わずかであるが高温耐食性を向上させる効果を有し、そのような効果が現れるのは、Coの含有量が1.0質量%以上である。
一方、本発明の合金では、Ti,W,Ta等が添加されているため、Coの含有量が7.9質量%を越えると、他の合金元素とのバランスがくずれ、γ′相の析出を抑制し高温強度を低下させてしまうため、7.9質量%以下にする必要がある。本発明の組成範囲において、溶体化熱処理の容易性と強度とのバランスを考慮した場合、好ましくは2.0〜7.0質量%の範囲であり、より好ましくは2.0〜6.0質量%の範囲である。
Wはマトリックスであるγ相と析出相であるγ′相に固溶し、固溶強化によりクリープ強度を高めるのに有効な元素である。そして、このような効果を十分に得るためには3.0質量%以上の含有量が必要である。しかし、Wは比重が大きく、合金の質量を増大するばかりでなく、合金の高温における耐食性を低下させる。また、本発明合金のようにTiとCr量の多い合金では、4.9質量%を越えると針状のα−Wが析出し、クリープ強度,高温耐食性および靭性を著しく低下させるため、その上限を4.9質量%にする必要がある。本発明の組成範囲において、高温における強度,耐食性及び高温での組織安定性のバランスを考慮した場合、好ましくは3.0〜4.5質量%の範囲であり、より好ましくは3.5〜4.5質量%の範囲である。
Taはγ′相に[Ni3(Al,Ta,Al)]の形で固溶し、固溶強化する。これによりクリープ強度が向上する。この効果を十分に得るためには、2.0質量%以上の含有量が必要であり、4.0質量%以上になると過飽和になって針状のδ相[Ni,Ta]が析出し、クリープ強度を低下させる。したがって、その上限を4.0質量%とする必要がある。この組成範囲において、高温における強度と組織安定性のバランスを考慮した場合、好ましくは、2.5〜4.0質量%の範囲、より好ましくは2.5〜3.5質量%の範囲である。
MoはWと同様の効果を有するため、必要に応じてWの一部と代替えすることが可能であり、γ′相の固溶温度をあげるため、Wほどではないがクリープ強度を向上させる効果がある。また、Crほどではないが、溶融塩に対する耐食性を向上させる効果がある。そして、このような効果を得るためには0.1質量%以上の含有量が必要である。また、MoはWに比べて比重が小さいため合金の軽量化が図れる。一方、Moは合金の耐酸化特性を低下させることから、その上限を1.9質量%とする必要がある。この組成範囲において、高温における強度,耐食性及び高温での耐酸化特性のバランスを考慮した場合、好ましくは0.6〜1.6質量%の範囲であり、より好ましくは0.8〜1.6質量%の範囲であり、更に好ましくは、1.0〜1.6質量%の範囲である。
TiはTaと同様にγ′相に[Ni3(Al,Ta,Ti)]の形で固溶強化するが、Taほどの効果はない。むしろ、TiはCrと同じく合金の高温における耐食性を著しく改善する効果がある。特に溶融塩腐食に対する耐食性に顕著な効果が現れるためには、4.1質量%以上の含有量が必要である。しかし、5.6質量%を越えて添加すると、耐酸化特性が著しく劣化し、更に脆化相のη相が析出してくるため、その上限を5.6質量%とする必要がある。本発明合金のようにCrを15.1〜18.0質量%含む合金において、高温における強度と著しく優れた耐食性,耐酸化特性のバランスを考慮した場合、好ましくは4.8〜5.4質量%の範囲であり、より好ましくは4.8〜5.2質量%の範囲である。
Alは析出強化相であるγ′相[Ni3(Al,Ta,Ti)]の主構成元素であり、これによりクリープ強度が向上する。また、耐酸化特性の向上にも大きく寄与する。それらの効果が十分得るためには、2.6質量%以上の含有量が必要である。本発明合金ではCr,Ti、及びTaの含有量が高いことから、3.4質量%を超えると、γ′相[Ni3(Al,Ta,Ti)]が過大に析出し、かえって強度を低下させると共に、クロムと複合酸化物を形成し、耐食性を低下させることから、2.6〜3.4質量%の範囲とすることが必要である。この組成範囲において、高温における強度と耐酸化特性,耐食性のバランスを考慮した場合、好ましくは2.8〜3.4質量%の範囲であり、より好ましくは2.8〜3.2質量%の範囲である。
Cは結晶粒界に偏析し、結晶粒界の強度を向上させると共に、一部は炭化物(TiC,TaC等)を形成し塊状に析出する。結晶粒界に偏析し、粒界強度を上げるには、0.05質量%以上の添加が必要であるが、0.2質量%を越えて添加すると過剰の炭化物を形成し、高温でのクリープ強度や延性を低下させ、更に耐食性も低下させるので、上限を0.2質量%とする必要がある。この組成範囲において、強度,延性及び耐食性のバランスを考慮した場合、好ましくは0.08〜0.16質量%の範囲であり、より好ましくは0.1〜0.14質量%の範囲である。
Bは結晶粒界に偏析し、結晶粒界の強度を向上させると共に、一部は硼化物[(Cr,Ni,Ti,Mo)3B2]を形成し、合金の粒界に析出する。結晶粒界に偏析し粒界強度を上げるには、0.005質量%以上の添加が必要であるが、この硼化物は合金の融点に比べ低融点であるため、合金の溶融温度を著しく低下させ、溶体化処理温度を困難にすることから、上限を0.03質量%とした。この組成範囲において、強度及び溶体化熱処理性のバランスを考慮した場合、好ましくは0.01〜0.02質量%の範囲である。
0.01〜0.03質量%)と、不可避不純物および残部のNiよりなるNi基合金は、高温強度,耐酸化特性,耐食性に優れる。このNi基合金は、高温での耐食性,耐酸化性、及びクリープ破断強度においてバランスがとれた特性を有し、特に溶融塩に対する耐食性に優れている。従って、不純物量の多い燃料を用いるガスタービンなどの動力機関において、それらの使用環境に十分対応しうるものであり、耐食性及び耐酸化性に優れた効果がもたらされる。また、不純物の多い燃料を使用するランド用ガスタービンで、燃焼ガス温度の高温化による熱効率向上を達成できる。
0.005質量%以下の制限内において含み、残部をNi及びその他の不可避不純物からなる合金である。
NbはTiと同様にγ′相に[Ni3(Al,Nb,Ti)]の形で固溶強化し、固溶強化はTiより効果が大きいが、高温における耐食性を改善する効果は、Tiほどない。
Hfは強度の向上にはほとんど寄与しないが、合金表面に形成される保護皮膜(例えば、Cr2O3,Al2O3)の密着性を向上させることで、高温での耐食,耐酸化性を向上させ、Hfの添加量が多くなると保護皮膜の密着性は向上する。しかし、本発明合金においては、Ti量が4.1〜5.6質量%と多いことから、Hfの添加量が2.0質量%を越えると多量の[Ni3(Hf,Ti)]の共晶を作り、ニッケル基合金の融点を著しく下げて
しまい、溶体化熱処理を困難にするため、その上限を2.0質量%にすることが必要である。本発明合金において、好ましくは0.1%質量未満とし、実質的に添加しないことである。
Reは必要に応じてWの一部と代替えすることが可能であり、マトリックスであるγ相に固溶し、固溶強化によってクリープ強度を高める。またCrやTiほどではないが、合金の耐食性を改善するのに有効な元素である。しかし、Reは高価であると共に、比重が大きく合金の比重を増大する。また、本発明合金の様なCrを15.1〜18.0質量%含む合金では、0.5質量%を越えると針状のα−Wまたはα−Re(Mo)の析出を助長し、クリープ強度および靭性を低下させるため、その上限を0.5%質量%とする必要がある。本発明合金において、好ましくは0.1%質量%以下であり、より好ましくは実質的に添加しないことである。
Zrは結晶粒界に偏析し結晶粒界の強度を向上させる効果があるが、ほとんどは合金の主成分であるニッケルと金属間化合物[Ni3Zr]を結晶粒界に形成する。この金属間化合物は合金の延性を低下させ、また著しく低融点であるため、合金の溶融温度を低下させ、溶体化処理温度を困難にするなど、有害な作用が多いことから、上限を0.05質量%以下にする必要がある。本発明合金において、好ましくは0.03質量%以下であり、より好ましくは0.01質量%以下として実質的に添加しないことである。
これらの元素は不純物であり、いずれも合金原料から持ち込まれることが多く、Oはるつぼからも入り、合金中には酸化物(Al2O3)や窒化物(TiNあるいはAlN)として塊状に存在する。鋳物中にこれらが存在すると、クリープ変形中のクラックの起点となり、クリープ破断寿命を低下させたり、疲労亀裂発生の起点となって疲労寿命が低下させたりする。特にOは、鋳物表面に酸化物として現れることで、鋳物の表面欠陥となり、鋳造品の歩留まりを低下させる原因となる。従って、これら元素の含有量は少ないほど良いが、実際のインゴットを作る場合に0には出来ないことから、特性を大きく劣化させない範囲として、両元素の上限をいずれも0.005質量%とした。
なお、既存合金C1は米国特許第3459545号に、C2は特開昭51−34819号公報に、C3は特開2004−197131号公報、C4は特公昭46−27144号公報に、C5は特開平6−57359号公報に示されている合金である。
で真空溶解し、1000℃に加熱したセラミック鋳型に鋳込み、直径20mm、長さ150
mmの試験片を鋳造した。鋳造後、試験片には、表3に示す溶体化熱処理および時効熱処理
を行った。
熱処理した試験片から機械加工により、平行部直径6.0mm,平行部長さ30mmのクリ
ープ試験片と、長さ25mm,幅10mm,厚さ1.5mmの高温酸化試験片、及び15mm×1
5mm×15mmの立方体形状の高温腐食試験片を切り出すと共に、走査型電子顕微鏡でミク
ロ組織を調査し、合金の組織安定性を評価した。
クリープ破断試験は、1255K−137MPaの条件で行った。高温酸化試験は、1255K−600時間保持の酸化試験を5回繰返し行い、それぞれ質量の変化を測定した。また、高温腐食試験は、1133Kの溶融塩(組成は、Na2SO4:75%,NaCl:25%)中に100時間浸漬する試験を10回(計1000時間)行い、質量変化を測定した。
そのため、動翼には優れたクリープ強度,耐食性,耐酸化性が必要となる。動翼は、回転による遠心力を受けるため、それに耐えうるクリープ強度が必要となるが、クリープ強度が高いほど、内部冷却空気量を削減でき、熱効率の向上を図ることができる。一方、翼の寿命(使用期間)は、クリープ強度で決まる事は殆どなく、酸化や腐食による局部損傷で決まることが多い。動翼の平均メタル温度は、クリープ強度の面から800〜900℃と抑えられているが、冷却の悪い部分、例えば翼の先端部分や、翼の表面では局所的に温度が上昇し、酸化による損傷を受け、翼の寿命を著しく短くしてしまうことから、翼を設計寿命まで使用するためには、優れた耐酸化特性が必要である。また、動翼のダブティル部は、ディスクに埋め込まれているが、ダブティル部の温度は、一般的には500℃以下である。そのため、翼はダブティル部に向かって温度が低くなり、溶融塩腐食が生じる温度(850〜900℃)の翼表面が現れてくる。この場合、LNGのようなクリーンな燃料を使用するガスタービンでは溶融塩腐食を殆ど生じないが、不純物量の多い燃料を使用するガスタービンでは、腐食損傷を受け、翼の寿命を著しく短くしてしまう。極端な場合には、腐食損傷を受けた部分を起点に翼が破損する事故が起こることもあり、翼を設計寿命まで使用するためには、優れた耐食性が必要である。
3 ルート部(ダブティル部)
4 シャンク部
6 ラジアルフィン
7 プラットホーム部
Claims (8)
- 少なくともCr,Co,Al,Ti,Ta,W,Mo,C,Bを含み、残部がNiよりなるニッケル基合金であって、
Cr:15.1〜18.0質量%,Co:1.0〜7.9質量%,Al:2.6〜3.4質量%,Ti:4.1〜5.6質量%,Ta:2.0〜4.0質量%,W:3.0〜4.9質量%,Mo:0.1〜1.9質量%,C:0.05〜0.20質量%,B:0.01〜0.03質量%の合金組成であることを特徴とするニッケル基合金。 - 請求項1において、さらに、Nb,Hf,Re,Zr,O及びNから選ばれる少なくとも1種を含み、
Nb:0〜0.25質量%以下,Hf:0〜2.0質量%以下,Re:0〜0.5質量%以下,Zr:0〜0.05質量%以下,O:0〜0.005質量%以下,N:0〜0.005質量%以下の合金組成であることを特徴とするニッケル基合金。 - 請求項1または2において、Cr:15.1〜17.0質量%,Co:2.0〜7.0質量%,Al:2.8〜3.4質量%,Ti:4.8〜5.4質量%,Ta:2.5〜4.0質量%,W:3.0〜4.5質量%,Mo:0.6〜1.9質量%,C:0.08〜0.16質量%,B:0.01〜0.02質量%の合金組成であることを特徴とするニッケル基合金。
- 請求項3において、Cr:15.5〜16.5質量%,Co:2.0〜6.0質量%,Al:2.8〜3.2質量%,Ti:4.8〜5.2質量%,Ta:2.5〜3.5質量%,W:3.5〜4.5質量%,Mo:0.8〜1.6質量%,C:0.1〜0.14質量%,B:0.01〜0.02質量%の合金組成であることを特徴とするニッケル基合金。
- 請求項2において、Nb:0〜0.1質量%以下,Hf:0〜0.1質量%以下,Re:0〜0.1質量%以下,Zr:0〜0.03質量%以下,O:0〜0.005質量%以下,N:0〜0.005質量%以下の合金組成であることを特徴とするニッケル基合金。
- 請求項1ないし5のいずれかに記載のニッケル基合金よりなる鋳造品。
- 請求項1ないし5のいずれかに記載のニッケル基合金よりなるランド用ガスタービン部品。
- 請求項1ないし5のいずれかに記載のニッケル基合金よりなるランド用ガスタービン翼。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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