JP5526223B2

JP5526223B2 - Ｎｉ基合金、並びにそれを用いたガスタービン動翼及び静翼

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Publication number: JP5526223B2
Application number: JP2012508204A
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Inventors: 玉艇王; 明吉成
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Filing date: 2011-03-16
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Description

本発明は、高温におけるクリープ強度、耐酸化性及び耐食性のバランスに優れたＮｉ基合金に関し、特に、ガスタービン動翼及び静翼等に用いられるＮｉ基合金に関する。

近年、化石燃料の節約、二酸化炭素の排出量削減、地球温暖化防止等、環境意識の高まりから、内燃機関に対しては熱効率の向上が図られている。ガスタービンやジェットエンジン等の熱機関は、カルノーサイクルの高温側をより高温で運転することによって、熱効率を最も有効に向上できることが知られている。タービン入口温度の高温化に伴い、ガスタービンの高温部品、すなわち燃焼器やタービン動翼及び静翼に使用される材料の開発・改良の重要性が高まっている。この高温化に対処するために、材料面ではより高温強度に優れるＮｉ基耐熱合金が適用され、現在多くのＮｉ超合金が使用されている。Ｎｉ基合金には、等軸晶からなる普通鋳造合金、柱状晶からなる一方向凝固合金、及び一つの結晶からなる単結晶合金がある。Ｎｉ基合金を高強度化するためには、固溶強化元素であるＷ、Ｍｏ、Ｔａ及びＣｏ等を多く添加するとともに、Ａｌ及びＴｉを添加して強化相であるγ′Ｎｉ_３（Ａｌ，Ｔｉ）相を多く析出させることが必要である。

一方、燃料価格の高騰により、腐食の原因となる不純物を多く含む低品質の燃料を、ランド用ガスタービンの燃料に使用する動きがあり、高温強度と耐食性を兼ね備えた材料の開発も必要となっている。このような材料では、保護性の皮膜を形成するＣｒを多く添加することが望ましい。耐食性を重視した合金として、例えば、（特許文献１）や（特許文献２）に示される普通鋳造合金がある。

しかし、これらの合金元素を多く含むほど、材料の組織の安定性が低下し、長時間の使用に際してσ相等の硬質で脆い有害相が析出するという問題がある。

すなわち、優れた高温クリープ強度と耐食性及び耐酸化性とを併せ持つ合金材料を開発することは従来困難であった。

特開２００４−１９７１３１号公報特開昭５１−３４８１９号公報

本発明の目的は、従来材に比べて高温強度、耐食性及び耐酸化性のバランスに優れた、特に普通鋳造用のＮｉ基合金を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下の通りである。

（１）Ｃｒ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃ、Ｂ及び不可避不純物を含み、残部がＮｉよりなるＮｉ基合金であって、質量比で、Ｃｒ：１３．１〜１５．０％、Ｃｏ：１．０〜１５．０％、Ａｌ：２．３〜３．３％、Ｔｉ：４．５５〜６．０％、Ｔａ：３．０５〜４．０％、Ｗ：４．３５〜４．９％、Ｍｏ：０．１〜２．５％、Ｎｂ：０．０５〜０．５％、Ｚｒ：０．０５％未満、Ｃ：０．０５〜０．２％、及びＢ：０．０１〜０．０３％の合金組成を有する前記Ｎｉ基合金。

（２）Ｃｒ：１３．１〜１５．０％、Ｃｏ：１．０〜７．９％、Ａｌ：２．３〜３．３％、Ｔｉ：４．５５〜６．０％、Ｔａ：３．０５〜４．０％、Ｗ：４．３５〜４．９％、Ｍｏ：０．１〜０．９％、Ｎｂ：０．０５〜０．５％、Ｚｒ：０．０５％未満、Ｃ：０．０５〜０．２％、及びＢ：０．０１〜０．０３％の合金組成を有する前記（１）に記載のＮｉ基合金。

（３）Ｃｒ：１３．１〜１５．０％、Ｃｏ：１０．１〜１５．０％、Ａｌ：２．３〜３．３％、Ｔｉ：４．５５〜６．０％、Ｔａ：３．０５〜４．０％、Ｗ：４．３５〜４．９％、Ｍｏ：１．０５〜２．０％、Ｎｂ：０．０５〜０．５％、Ｚｒ：０．０５％未満、Ｃ：０．０５〜０．２％、及びＢ：０．０１〜０．０２％の合金組成を有する前記（１）に記載のＮｉ基合金。

（４）Ｃｒ：１３．６〜１４．１％、Ｃｏ：２．０〜６．９％、Ａｌ：２．６〜３．３％、Ｔｉ：４．５５〜５．５％、Ｔａ：３．０５〜３．４％、Ｗ：４．５５〜４．９％、Ｍｏ：０．６〜０．９％、Ｎｂ：０．０５〜０．２５％、Ｚｒ：０．０５％未満、Ｃ：０．１０〜０．１８％、及びＢ：０．０１〜０．０２％の合金組成を有する前記（１）に記載のＮｉ基合金。

（５）Ｃｒ：１３．８〜１４．１％、Ｃｏ：５．０〜６．９％、Ａｌ：３．０〜３．３％、Ｔｉ：４．７〜５．１％、Ｔａ：３．１〜３．４％、Ｗ：４．５５〜４．８５％、Ｍｏ：０．７〜０．９％、Ｎｂ：０．１５〜０．２５％、Ｚｒ：０．０５％未満、Ｃ：０．１２〜０．１６％、及びＢ：０．０１〜０．０３％の合金組成を有する前記（１）に記載のＮｉ基合金。

（６）Ｃｒ：１３．３〜１４．３％、Ｃｏ：１０．１〜１２．０％、Ａｌ：２．９〜３．３％、Ｔｉ：４．６５〜５．５％、Ｔａ：３．０５〜４．０％、Ｗ：４．５５〜４．９％、Ｍｏ：１．１〜１．６％、Ｎｂ：０．１５〜０．２５％、Ｚｒ：０．０５％未満、Ｃ：０．１０〜０．１８％、及びＢ：０．０１〜０．０２％の合金組成を有する前記（１）に記載のＮｉ基合金。

（７）Ｃｒ：１３．５〜１４．１％、Ｃｏ：１０．１〜１１．０％、Ａｌ：３．０〜３．３％、Ｔｉ：４．７〜５．１％、Ｔａ：３．１〜３．４％、Ｗ：４．５５〜４．８５％、Ｍｏ：１．２〜１．５％、Ｎｂ：０．１５〜０．２５％、Ｚｒ：０．０５％未満、Ｃ：０．１２〜０．１６％、及びＢ：０．０１〜０．０２％の合金組成を有する前記（１）に記載のＮｉ基合金。

（８）さらに、Ｈｆ：０．０１〜０．０５％を含む前記（１）〜（７）のいずれかに記載のＮｉ基合金。

（９）前記（１）〜（８）のいずれかに記載のＮｉ基合金からなる鋳造品。

（１０）前記（１）〜（８）のいずれかに記載のＮｉ基合金からなるガスタービン動翼。

（１１）前記（１）〜（８）のいずれかに記載のＮｉ基合金からなるガスタービン静翼。

（１２）前記（１０）に記載のガスタービン動翼及び／又は前記（１１）に記載のガスタービン静翼を備えたガスタービン。

本明細書は本願の優先権の基礎である日本国特許出願２０１０−０７５９６４号の明細書及び／又は図面に記載される内容を包含する。

本発明により、従来材に比べて高温強度、耐食性及び耐酸化性等の特性のバランスに優れたＮｉ基合金が提供される。この合金は、特に普通鋳造用として最適である。さらに、本発明のＮｉ基合金は、結晶粒界強化に効果のあるＣ、Ｂ、及び鋳造時の結晶粒界割れの抑制に効果のあるＨｆが含まれていることから、一方向凝固合金の材料としても適した合金組成となっている。

合金試験片のクリープ破断時間を示すグラフである。合金試験片に対する高温酸化試験での酸化減量を示すグラフである。合金試験片に対する溶融塩浸漬腐食試験での腐食減量を示すグラフである。ガスタービンの動翼形状の一例を示す図である。ガスタービンの断面を模式的に示す図である。

図４に、ランド用発電ガスタービンの動翼形状の一例を示す。ガスタービン動翼は、内部に複雑な冷却構造を持つ回転部品であり、回転中の遠心力及び起動停止に伴う熱応力の負荷が繰り返し加わる厳しい環境に曝される。基本的な材料特性として、優れた高温クリープ強度、高温燃焼ガス雰囲気に対する耐酸化性、及び耐食性が要求される。したがって、いずれかの特性が著しく劣ることのない、バランスの取れた特性を持つ鋳造用合金組成を開発することが重視される。

また、通常、ガスタービン翼の作製手法としては、普通鋳造、一方向凝固鋳造、及び単結晶鋳造が知られている。一方向凝固合金や単結晶合金は、主に小型で軽量のジェットエンジン（航空用ガスタービン）の動静翼に使用されている。しかし、一方向凝固合金や単結晶合金を用いた翼は、鋳造プロセスが複雑であるため、翼を鋳造する際の鋳造歩留りが悪くなる。特に、ランド用ガスタービンの翼では、サイズが大きく形状も複雑であることから、鋳造歩留りが非常に低く、そのため非常に高価な製品になってしまうという欠点がある。

そこで本発明者らは、合金中のそれぞれの元素の添加量を調整し、特に普通鋳造合金として最適な、従来材より高温強度、耐食性及び耐酸化性等の特性のバランスに優れた合金を検討した。以下、本発明のＮｉ基合金の各成分の働き、及び好ましい組成範囲について説明する。

Ｃｒ：１３．１〜１５．０質量％
Ｃｒは、高温における合金の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１３．１質量％を超えてからである。しかし、本発明の合金では、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ等が多く添加されるため、Ｃｒ量が多くなり過ぎると、脆いＴＣＰ相が析出して高温強度が低下する。そのため、他の合金元素とのバランスを考慮して、その上限を１５．０質量％とすることが望ましい。この組成範囲において、高強度と高耐食性が得られる。上記範囲の中でも、好ましくは１３．３質量％以上、より好ましくは１３．５質量％以上、さらに好ましくは１３．６質量％以上、特に１３．８質量％以上であり、１４．３質量％以下、特に１４．１質量％以下の範囲とすることが好ましい。

Ｃｏ：１．０〜１５．０質量％
Ｃｏは、γ′相（ＮｉとＡｌの金属間化合物Ｎｉ_３Ａｌ）の固溶温度を低下させて溶体化処理を容易にする他、γ相を固溶強化するとともに高温耐食性を向上させ、さらに積層欠陥エネルギーを小さくすることで室温延性を良好にする効果をもたらす。そして、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。

一方で、Ｃｏの含有量が増えるにつれてγ′相の固溶温度は徐々に低下するため、それに伴ってγ′相の析出量も減少し、クリープ強度が低下してしまうため、１５．０質量％以下にすることが必要である。

したがって、本発明の組成範囲の中でも、Ｃｏによる固溶強化の効果が大きい中温度領域のクリープ強度と室温延性を重視する場合、１０．１〜１５．０質量％の範囲とするのが好ましく、より好ましくは１０．１〜１２．０質量％、さらに好ましくは１０．１〜１１．０質量％の範囲である。

また、中温領域のクリープ強度よりも、γ′相の析出強化による高温でのクリープ強度を重視する場合は、Ｃｏの含有量を少なくすることが望ましく、好ましくは１．０〜７．９質量％の範囲であり、より好ましくは２．０〜６．９質量％、さらに好ましくは５．０〜６．９質量％の範囲である。

Ｗ：４．３５〜４．９質量％
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効果がある。そして、このような効果を十分に得るためには含有量を４．３５質量％以上とすることが必要である。しかし、Ｗは比重が大きく、合金の密度を増大させるとともに、合金の高温における耐食性を低下させる。さらに、本発明の合金のようにＴｉ及びＣｒ添加量の多い合金では、４．９質量％を超えると針状のα−Ｗが析出し、クリープ強度、高温耐食性及び靭性が低下するため、その上限を４．９質量％にすることが望ましい。また、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４．５５〜４．９質量％の範囲であり、より好ましくは４．５５〜４．８５質量％の範囲である。

Ｔａ：３．０５〜４．０質量％
Ｔａは、γ′相に［Ｎｉ_３（Ａｌ，Ｔａ）］の形で固溶し、固溶強化によりクリープ強度を向上させる効果がある。この効果を十分に得るためには、３．０５質量％以上の含有量が必要である。一方、４．０質量％を超えると過飽和になって針状のδ相［Ｎｉ，Ｔａ］が析出し、クリープ強度が低下するため、上限は４．０質量％とする必要がある。特に、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３．０５〜３．５質量％の範囲、より好ましくは３．１〜３．４質量％の範囲である。

Ｍｏ：０．１〜２．５質量％
Ｍｏは、Ｗと同様の効果を有するため、必要に応じてＷの一部と置き換えることが可能である。また、γ′相の固溶温度を上げるため、Ｗと同様にクリープ強度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り、Ｍｏの含有量が増えるにつれてクリープ強度も向上する。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及び耐食性を低下させる。特に、Ｍｏの含有量が増えるにつれて耐酸化特性が大幅に悪くなることから、その上限を２．５質量％、好ましくは２．０質量％とする必要がある。したがって、高温での耐酸化性を従来合金とほぼ同等とし、クリープ強度を重要視する場合は、１．０５〜２．５質量％、特に１．１〜２．０質量％の範囲とすることが好ましく、より好ましくは１．１〜１．６質量％、特に１．２〜１．５質量％の範囲である。一方、クリープ強度は従来合金とほぼ同等とし、耐食性や高温での耐酸化特性を重要視する場合は、好ましくは０．１〜０．９質量％の範囲であり、より好ましくは０．６〜０．９質量％、さらに好ましくは０．７〜０．９質量％の範囲である。

Ｔｉ：４．５５〜６．０質量％
Ｔｉは、Ｔａと同様にγ′相に［Ｎｉ_３（Ａｌ，Ｔａ，Ｔｉ）］の形で固溶するが、固溶強化の効果はＴａほどではない。むしろ、Ｔｉは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。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、４．５５質量％以上の含有量が必要である。しかし、６．０質量％を超えて添加すると、耐酸化特性が著しく劣化し、さらに脆化相のη相が析出してくるため、上限を６．０質量％とする必要がある。本発明の合金のようにＣｒを１３．１〜１５．０質量％含む合金において、高温における強度と耐食性、耐酸化特性とのバランスを考慮した場合、Ｔｉは好ましくは４．５５〜５．５質量％、より好ましくは４．６５〜５．５質量％の範囲であり、特に好ましくは４．７〜５．１質量％の範囲である。

Ａｌ：２．３〜３．３質量％
Ａｌは、析出強化相であるγ′相［Ｎｉ_３Ａｌ］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、高温耐酸化特性の向上にも大きく寄与する。それらの効果を十分得るためには、２．３質量％以上の含有量が必要である。一方、本発明の合金では、Ｃｒ、Ｔｉ及びＴａの含有量が高いことから、３．３質量％を超えると、γ′相［Ｎｉ_３（Ａｌ，Ｔａ，Ｔｉ）］が過大に析出し、かえって強度を低下させるとともに、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、２．３〜３．３質量％の範囲とすることが望ましい。この組成範囲において、高温における強度と耐酸化特性、耐食性とのバランスを考慮した場合、好ましくは２．６〜３．３質量％、より好ましくは２．９〜３．３質量％の範囲であり、特に好ましくは３．０〜３．３質量％の範囲である。

Ｎｂ：０．０５〜０．５質量％
Ｎｂは、Ｔｉと同様にγ′相に［Ｎｉ_３（Ａｌ，Ｎｂ，Ｔｉ）］の形で固溶し、固溶強化の効果はＴｉより大きい。また、Ｔｉほどの著しい効果は無いが、高温における耐食性を改善する効果がある。添加により高温での固溶強化の効果を得るためには、０．０５質量％以上の含有量が必要である。しかし、本発明の合金のようにＴｉ量の多い合金では、０．５質量％を超えると、脆化相のη相が析出し、強度を著しく低下させることから、Ｎｂの上限は０．５質量％とすることが望ましい。特に、高温における強度と耐食性、耐酸化特性とのバランスを考慮した場合、好ましくは０．０５〜０．２５質量％の範囲であり、より好ましくは０．１５〜０．２５質量％の範囲である。

Ｃ：０．０５〜０．２質量％
Ｃは、結晶粒界に偏析し、結晶粒界の強度を向上させるとともに、一部は炭化物（ＴｉＣ，ＴａＣ等）を形成し塊状に析出する。結晶粒界に偏析させて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％を超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、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０．１０〜０．１８質量％の範囲であり、より好ましくは０．１２〜０．１６質量％の範囲である。

Ｂ：０．０１〜０．０３質量％
Ｂは、結晶粒界に偏析し、結晶粒界の強度を向上させるとともに、一部は硼化物［（Ｃｒ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｍｏ）_３Ｂ_２］を形成し、合金の粒界に析出する。結晶粒界に偏析させ粒界強度を上げるには、０．０１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、添加量が多過ぎると合金の溶融温度を著しく低下させ、溶体化処理を困難にすることから、上限を０．０３質量％とすることが望ましい。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。

Ｚｒ：０．０５質量％未満
Ｚｒは、結晶粒界に偏析して結晶粒界の強度を若干向上させる。しかし、大部分は結晶粒界にニッケルとの金属間化合物すなわちＮｉ_３Ｚｒを形成する。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、溶体化処理の温度範囲を狭くする等、有効な作用が少ない。したがって、Ｚｒの含有量は０であって良く、その上限は０．０５重量％とする。

Ｈｆ：０．０１〜０．０５質量％
Ｈｆは、鋳造時の結晶粒界割れの抑制に効果的であることから、本発明の合金中に添加することが好ましい。添加量は、０．０１〜０．０５質量％とすることが好ましい。

Ｒｅ：０．５質量％以下
Ｒｅは、必要に応じてＷの一部と置き換え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とともに、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は高価であるとともに、比重が大きく、合金の比重を増大させる。また、Ｃｒを１３.１〜１５.０質量％含む合金では、Ｒｅが０.５質量％を超えると針状のα−Ｗ又はα−Ｒｅ（Ｍｏ）の析出を助長し、クリープ強度及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。本発明の合金においては、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。

Ｏ：０．００５質量％未満、Ｎ：０．００５質量％未満、Ｓ：０．００５質量％未満、Ｐ:０．００５質量％未満
酸素と窒素は不可避不純物であり、いずれも合金原料から持ち込まれることが多く、Ｏはるつぼからも混入し、合金中には酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）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を低下させたりする。特に酸素は、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。そのため、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は酸素が含まれることは避けられないことから、特性を大きく劣化させない範囲として、両元素はいずれも０．００５質量％未満とすることが望ましい。また、硫黄とリンも不可避不純物であり、いずれも合金原料から持ち込まれる。Ｓ、ＰとＮｉとの共晶反応により、低融点物質（Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｓ等）が結晶粒界でフィルム状に形成されるので、高温割れが起こりやすく、翼のクリープ破断寿命を低下させやすい。耐高温割れ性を考慮して、特性を大きく劣化させない範囲として、両元素はいずれも０．００５質量％未満とすることが好ましい。

なお、ここで不可避不純物とは、合金の出発原料中に存在したり、製造工程において不可避に混入するもので、本来は不要なものであるが、微量であり、本発明合金の特性に影響を及ぼさない程度の成分を意味する。

上記の各成分と、不可避不純物及び残部のＮｉよりなるＮｉ基合金は、高温強度、耐酸化性及び耐食性のバランスに優れ、ガスタービン動翼及び静翼等の鋳造品用の合金として好適に用いられる。

上記のＮｉ基合金からなるガスタービン動翼の一実施形態について図４に基づき説明するが、以下の構成に限定されるものではない。図４は、ガスタービン動翼の全体構成を表す斜視図である。このガスタービン動翼は、内部を空気で冷却しながら、１３００℃以上の高温ガス中で使用されるものであり、例えば３段の動翼を備えたガスタービン回転部分の初段の動翼として用いられる。図４に示すように、ガスタービン動翼は、翼部２１、プラットフォーム部２２、シャンク２３、シールフィン２４及びチップポケット２５を有し、ダブテイルを介してディスクに取り付けられる。また、このガスタービン動翼は、例えば、翼部長さが１００ｍｍ、プラットフォーム部２２以降の長さが１２０ｍｍであり、ガスタービン動翼は内部から冷却できるように冷却媒体、特に空気又は水蒸気が通るように冷却孔（図示せず）がダブテイルから翼部２１を通して設けられている。ガスタービン動翼において、燃焼ガスに曝される翼部２１及びプラットフォーム部２２には遮熱コーティングを形成しても良い。

本発明のＮｉ基合金はクリープ破断強度、耐酸化性及び耐食性の全ての点でバランスがとれており、既存合金より実用性に優れている。したがって、本発明のＮｉ基合金は上記のようなガスタービン動翼として好適に用いられるが、ガスタービン静翼として用いることもできる。

次に、本発明のＮｉ基合金からなる動静翼を備えたガスタービンの一実施形態について図５に基づき説明する。図５は発電用ガスタービンの主要部の断面を模式的に示した図である。このガスタービンは、タービンケーシング４８の内部に、中心にロータ（回転軸）４９と、ロータ４９の周囲に設置されるガスタービン動翼４６と、ケーシング４８側に支持されるガスタービン静翼４５と、タービンシュラウド４７とを有するタービン部４４を備える。また、このタービン部４４に連結されて、大気を吸い込み、燃焼用及び冷却媒体用の圧縮空気を得るための圧縮機５０と、燃焼器４０とを備える。燃焼器４０は、圧縮機５０から供給される圧縮空気と、供給される燃料（図示せず）とを混合して噴射するための燃焼器ノズル４１を有し、この混合気を燃焼器ライナ４２内で燃焼させて高温高圧の燃焼ガスを発生させ、トランジションピース（尾筒）４３を介して、この燃焼ガスをタービン部４４に供給することで、ロータ４９が高速で回転する。圧縮機５０より吐出された圧縮空気の一部は、燃焼器４０における燃焼器ライナ４２、トランジションピース４３、ガスタービン静翼４５、ガスタービン動翼４６等の内部冷却用空気として用いられる。燃焼器４０で発生した高温高圧の燃焼ガスは、トランジションピース４３を経てガスタービン静翼４５で整流され、ガスタービン動翼４６に噴射されてタービン部４４を回転駆動する。そして、図示はしていないが、一般的にはロータ４９の端部に結合されている発電機により発電するように構成されている。

なお、ガスタービンは、ガスから液体までの幅広い燃料に対応して運転できることが大きな特徴である。例えば、ガス燃料としてＬＮＧやオフガスが適用可能である。ＬＮＧを使うようなガスタービンでは、耐酸化性に優れた合金が適しているが、不純物の多いオフガスを使用するガスタービンでは、耐酸化性と共に耐食性にも優れていることが必要である。一方、液体燃料としては軽油や重油等があり、これらは腐食成分であるＳやＮａ等を含んでいることから、これらの液体燃料を使用するガスタービンでは、耐酸化性とともに耐食性に優れていることが必要である。また、ガスタービンは、設置場所や運転条件、使用する燃料等が一台毎に異なることから、それらの種々の条件に対応するために、ガスタービン動静翼の材料としては、クリープ強度とともに耐食・耐酸化特性に優れていることが必要である。

本発明のＮｉ基合金は、クリープ強度、耐食性、耐酸化特性のいずれにも優れているため、上記のような、ガスから液体までの幅広い燃料に対応して運転されるガスタービンの動静翼の材料として好適である。

以下、実施例及び比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、これらに限定されるものではない。

試験に供したＮｉ基合金の組成（質量％）を表１に示す。表１中、試験片番号Ａ１〜Ａ６は実施例に相当し、Ｂ１〜Ｂ３は既存の合金（比較例）に相当する。各試験片は、マスターインゴットと秤量した合金元素をアルミナるつぼで溶解し、厚さ１４ｍｍの平板に鋳造した。鋳型加熱温度は１３７３Ｋ、鋳込み温度は１７１３Ｋ、鋳型はアルミナのセラミック鋳型を用いた。鋳造後、試験片に対し、表２に示す条件で溶体化熱処理及び時効熱処理を行った。Ａ１〜Ａ６については、まず、合金組成を均一化するために１４８０Ｋで２ｈ溶体化熱処理を行った。溶体化熱処理後は空冷とし、これに続く時効熱処理の条件は、全てのＡ１〜Ａ６試験片で１３６６Ｋ／４時間／空冷＋１３２５Ｋ／４時間／空冷＋１１１６Ｋ／１６時間／空冷とした。その後、以下の通り試験片加工を行い、クリープ破断試験、腐食及び酸化試験を実施した。

具体的には、熱処理した試験片から、機械加工によって平行部直径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×１５ｍｍ×１５ｍｍの立方体形状の高温腐食試験片を切り出すとともに、走査型電子顕微鏡ＨＩＴＡＣＨＩ３２００でミクロ組織を観察し、合金の組織安定性を評価した。

表３に、各試験片に対して行った特性評価試験の試験条件を示す。クリープ破断試験は、１２５５Ｋ−１３８ＭＰａの条件で行った。高温酸化試験は、１３１３Ｋ−６００時間保持の酸化試験を３回繰り返して行い、重量の変化を測定した。また、高温腐食試験は、１１２３Ｋの溶融塩（組成は、Ｎａ_２ＳＯ_４：７５％、ＮａＣｌ：２５％）中に２５時間浸漬する試験を４回（計１００時間）行い、重量の変化を測定した。試験結果を表４、及び図１〜３に示す。表４は試験結果の一覧である。図１は１２５５Ｋ−１３８ＭＰａでのクリープ破断時間、図２は高温酸化試験による酸化減量、図３は溶融塩浸漬腐食試験による腐食減量を棒グラフにしたものである。

表４に示す結果から明らかなように、本発明の合金Ａ１〜Ａ６では、クリープ破断時間は既存合金Ｂ１（Ｒｅｎｅ８０相当）とほぼ同じ強度を有しながら、腐食による重量変化量はほぼ同等であり、酸化による重量変化量は大幅に低減され、耐酸化特性が向上していることが分かった。別の既存合金Ｂ２（ＧＴＤ１１１相当）と比較すると、耐酸化性、耐食性はほぼ同等でありながら、クリープ破断時間は１．５倍以上に向上していた。また、別の既存合金Ｂ３（ＩＮ７３８ＬＣ）と比較すると、耐酸化性、耐食性はほぼ同等であり、クリープ破断時間は２倍以上に向上していた。

すなわち、本発明により、高温クリープ破断寿命を犠牲にすることなく、高温での耐食性、耐酸化特性を著しく向上させることができ、クリープ強度、耐酸化特性、及び耐食性のバランスに優れた合金が得られることが明らかとなった。

上記の実施例においては、普通鋳造材としての効果を説明したが、本発明の合金は、結晶粒界の強化に効果的なＣ、Ｂ、及び鋳造時の結晶粒界割れの抑制に効果的なＨｆを含むことから、一方向凝固材としての使用にも適した合金組成となっている。

以上述べたように、本発明によれば、優れた高温クリープ強度と耐食性及び耐酸化性とを併せ持つ、普通鋳造可能なニッケル基超合金を得ることができる。この合金は、特にランド用ガスタービンの動翼及び静翼を形成するために好適に用いられる。

本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願をそのまま参考として本明細書にとり入れるものとする。

２１翼部
２２プラットフォーム部
２３シャンク
２４シールフィン
２５チップポケット
４０燃焼器
４１燃焼器ノズル
４２燃焼器ライナ
４３トランジションピース
４４タービン部
４５ガスタービン静翼
４６ガスタービン動翼
４７タービンシュラウド
４８タービンケーシング
４９ロータ
５０圧縮機

Claims

Ｃｒ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃ、Ｂ及び不可避不純物を含み、残部がＮｉよりなるＮｉ基合金であって、質量比で、Ｃｒ：１３．１〜１５．０％、Ｃｏ：１０．１〜１５．０％、Ａｌ：２．３〜３．３％、Ｔｉ：４．５５〜６．０％、Ｔａ：３．０５〜４．０％、Ｗ：４．３５〜４．９％、Ｍｏ：１．０５〜２．０％、Ｎｂ：０．０５〜０．５％、Ｚｒ：０．０５％未満、Ｃ：０．０５〜０．２％、及びＢ：０．０１〜０．０２％の合金組成を有する前記Ｎｉ基合金。
Ｃｒ：１３．３〜１４．３％、Ｃｏ：１０．１〜１２．０％、Ａｌ：２．９〜３．３％、Ｔｉ：４．６５〜５．５％、Ｔａ：３．０５〜４．０％、Ｗ：４．５５〜４．９％、Ｍｏ：１．１〜１．６％、Ｎｂ：０．１５〜０．２５％、Ｚｒ：０．０５％未満、Ｃ：０．１０〜０．１８％、及びＢ：０．０１〜０．０２％の合金組成を有する請求項１に記載のＮｉ基合金。
Ｃｒ：１３．５〜１４．１％、Ｃｏ：１０．１〜１１．０％、Ａｌ：３．０〜３．３％、Ｔｉ：４．７〜５．１％、Ｔａ：３．１〜３．４％、Ｗ：４．５５〜４．８５％、Ｍｏ：１．２〜１．５％、Ｎｂ：０．１５〜０．２５％、Ｚｒ：０．０５％未満、Ｃ：０．１２〜０．１６％、及びＢ：０．０１〜０．０２％の合金組成を有する請求項１に記載のＮｉ基合金。
さらに、Ｈｆ：０．０１〜０．０５％を含む請求項１〜３のいずれかに記載のＮｉ基合金。
請求項１〜４のいずれかに記載のＮｉ基合金からなる鋳造品。
請求項１〜４のいずれかに記載のＮｉ基合金からなるガスタービン動翼。
請求項１〜４のいずれかに記載のＮｉ基合金からなるガスタービン静翼。
請求項６に記載のガスタービン動翼及び／又は請求項７に記載のガスタービン静翼を備えたガスタービン。