JP5595917B2

JP5595917B2 - 実質的にレニウムを含まないニッケル基超合金組成物及び超合金物品

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Publication number: JP5595917B2
Application number: JP2010523068A
Authority: JP
Inventors: オハラ，ケヴィン・スウェイン; キャロル，ローラ・ジル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2028-08-25
Also published as: WO2009032579A1; US20130230405A1; JP2011514431A; CN104313397A; CN101790593A; EP2188401A1; CA2696939A1

Description

本発明は概して、ニッケル基超合金及びニッケル基超合金を含む製品に関する。開示の実施形態は、ガスタービンエンジンの高温部に配置される部品、より詳しくはタービンのノズル及びシュラウド等の、クリープ制限のない用途への使用に利用する。

ガスタービンエンジンの効率は様々なエンジン部品の動作温度に著しく依存しており、動作温度が高くなると効率が向上する。高い効率を探求することは、その構造的完全性を維持しながら更に高い温度に耐えることが可能な超合金の開発に通ずる。

ニッケル基超合金はタービンの翼、ノズル及びシュラウドの用途において航空エンジン全体に広く用いられる。エンジン性能の改善を目的とする航空エンジン設計は、より高い温度性能を持つ合金を必要とする。シュラウド及びノズルの用途は、翼用途と同程度の耐高温クリープ性を必要としないが、熱機械的損傷及び環境悪化に対する同様の耐性を必要とする。超合金は、その融点の９０％までの強度を維持し、優れた環境抵抗を持つため、これらの厳しい用途に使用される。

単結晶（ＳＣ）超合金は、合金の組成及び性能における類似性に基づいて「第四世代」に分けられ得る。いわゆる「第一世代」ＳＣ超合金を明確に表す特徴は、合金化元素レニウム（Ｒｅ）がないことである。例えば、米国特許第５，１５４，８８４号、第５，３９９，３１３号、第４，５８２，５４８号及び第４，２０９，３４８号はそれぞれ、実質的にＲｅがない超合金組成物を開示する。

代表的なＳＣニッケル基超合金は、Ｃｏ６．０−７．０％、Ｃｒ９．５−１０．０％、Ｍｏ１．５％、Ｗ６．０％、Ｔａ４．８％、Ａｌ４．２％、Ｔｉ３．５％、Ｎｂ０．５％、Ｂ最大０．０１％、Ｈｆ最大０．２％及び残部が原則的にＮｉ及びＣであり、Ｃは最大０．０１％（１００ｐｐｍ）と特定される組成を有するＲｅｎｅＮ４として当該技術分野で公知である。ＲｅｎｅＮ４超合金及びＡＭ１超合金の２１５０°Ｆでのマッハ１速度サイクル酸化試験データを、比較するために添付の図面において提供する。

超合金組成物への約３重量％のＲｅの追加は、クリープ破断性能において約５０°Ｆ（２８℃）の改善及び付随する疲労に対する効果をもたらすことが発見された。ＣＭＳＸ−４、ＰＷＡ−１４８４及びＲｅｎｅＮ５等の合金製品は全て約３重量％のＲｅを含む。これらの「第二世代」合金は、例えば米国特許第４，７１９，０８０号、第４，６４３，７８２号、第６，０７４，６０２号及び第６，４４４，０５７号に開示される。

米国特許第４，７１９，０８０号は、Ｐ＝−２００Ｃｒ＋８０Ｍｏ−２０Ｍｏ^２−２５０Ｔｉ^２−５０（Ｔｉ×Ｔａ）＋１５Ｃｂ＋２００Ｗ−１４Ｗ^２＋３０Ｔａ−１．５Ｔａ^２＋２．５Ｃｏ＋１２００Ａｌ−１００Ａｌ^２＋１００Ｒｅ＋１０００Ｈｆ−２０００Ｈｆ^２＋７００Ｈｆ^３−２０００Ｖ−５００Ｃ−１５０００Ｂ−５００Ｚｒで定義される「Ｐ値」と呼ばれる組成成分間の関連性を開示している。この特許は、より高い「Ｐ値」が、安定性、熱処理性並びに酸化及び腐食に対する耐性と相まって高い強度と相関することを強調している。特に、この特許で開示される超合金組成物は、３３６０よりも高い「Ｐ値」に制約される。

米国特許第６，０７４，６０２号は、単結晶鋳造に適したニッケル基超合金に関する。ここで開示される超合金は、重量％で、Ｃｒ５−１０、Ｃｏ５−１０、Ｍｏ０−２、Ｗ３−８、Ｔａ３−８、Ｔｉ０−２、Ａｌ５−７、Ｒｅ６以下、Ｈｆ０．０８−０．２、Ｃ０．０３−０．０７、Ｂ０．００３−０．００６、Ｙ０．０−０．０４、残部としてニッケル及び不可避不純物を含む。これらの超合金は、第一世代ニッケル基超合金と比較すると、応力破断強度並びに低サイクル及び高サイクル疲労特性に基づく温度性能の上昇を示す。更にこの超合金は、サイクル酸化劣化及び高温腐食に対して第一世代超合金より良い耐性を示す。

米国特許第５，１５１，２４９号、第５，３６６，６９５号、第６，００７，６４５号及び第６，９６６，９５６号は、第三及び第四世代の超合金に関する。一般に、第三世代超合金は約６重量％のＲｅを含むことを特徴とし、第四世代超合金は約６重量％のＲｅ並びに合金化元素Ｒｕを含む。これらの超合金組成物は、機械的性能の点でＲｅ添加の増加の意義を示す。

第一世代ＳＣ超合金は、熱的・機械的損傷（ＴＭＦ）に対する耐性、あるいはタービンのノズル及びシュラウド等の多くの高温部品において必要な環境抵抗を持たない。また、第一世代ＳＣ超合金は、これらの部品の許容可能な耐高温酸化性を持たない。

現在、航空エンジンは、増加する高温部の用途に、主に第二世代の超合金を用いている。合金化元素Ｒｅはこの種類の超合金で知られる最も強力な固溶体強化剤であるため、合金化添加物として、ＳＣ及び柱状粒子一方向凝固（ＤＳ）超合金に広く用いられている。第二世代超合金は、満足できる機械特性によりバランスのとれた非常に優れた高温酸化性能を示す。

低Ｒｅ含量の公知の超合金組成物は、第二世代超合金から得られる性能を提供できていない。特に、米国特許第４，７１９，０８０号において、２．９％未満のＲｅを有するある合金（すなわち、Ｂ１）のデータは、第一世代、すなわちＲｅを含まない超合金と同程度の特性を示す。従って、超合金組成物の開発において、少なくとも３重量％のＲｅを用いて、耐酸化性及び高温強度の満足できるバランスを得られる傾向がある。

しかしながら、原料のコスト及び特にＲｅの世界的不足により、第二世代超合金の立証された機械特性の改善及び耐酸化性を提供できる超合金組成物を、低いＲｅ水準、好ましくは０％であるが、開発する上での課題が生じる。

日本国特開２００９−１５７７７７Ａ号

従って、所望の高温機械特性及び耐酸性化を提供できる、実質的にレニウムを含まないニッケル基超合金組成物を提供することが望ましい。

上述の１つ又は複数のニーズは、実質的にＲｅを含まずに、所望の熱機械特性、クリープ強度及び耐酸化性を提供できるニッケル基超合金組成物を提供する例示的実施形態により満たされ得る。

ある例示的実施形態は、重量パーセントで、Ｃｒ約５−８、Ｃｏ約７−８、Ｍｏ約１．３−２．２、Ｗ約４．７５−６．７５、Ｔａ約６．０−７．０、存在するならばＴｉ約０．５以下、Ａｌ約６．０−６．４、存在するならばＲｅ約１．３以下、Ｈｆ約０．１５−０．６、存在するならばＣ約０．０３−０．０６、存在するならばＢ約０．００４以下、存在するならばＹ、Ｌａ及びＣｅより選択される１つ又は複数の希土類元素の合計約０．０３以下、残部としてニッケル及び不可避不純物を含む、ニッケル基超合金組成物を提供する。

ある例示的実施形態は、重量パーセントで、Ｃｒ約５−８、Ｃｏ約７−８、Ｍｏ約１．３−２．２、Ｗ約４．７５−６．７５、Ｔａ約６．０−７．０、存在するならばＴｉ約０．５以下、Ａｌ約６．０−６．４、存在するならばＲｅ約１．３以下、Ｈｆ約０．１５−０．６、存在するならばＣ約０．０３−０．０６、存在するならばＢ約０．００４以下、存在するならばＹ、Ｌａ及びＣｅより選択される１つ又は複数の希土類元素の合計約０．０３以下、残部としてニッケル及び不可避不純物を含む超合金を含むニッケル単結晶物品を提供する。

ある例示的実施形態は、Ｃｒ約５−８、Ｃｏ約７−８、Ｍｏ約１．３−２．２、Ｗ約４．７５−６．７５、Ｔａ約６．０−７．０、存在するならばＴｉ約０．５以下、Ａｌ約６．０−６．４、存在するならばＲｅ約１．３以下、Ｈｆ約０．１５−０．６、存在するならばＣ約０．０３−０．０６、存在するならばＢ約０．００４以下、存在するならばＹ、Ｌａ及びＣｅより選択される１つ又は複数の希土類元素の合計約０．０３以下、残部としてニッケル及び不可避不純物を含むニッケル基超合金組成物から鋳造されたガスタービンエンジン部品を提供する。

本発明と見なされる主題は特に、明細書の末尾で指摘され、明確に主張される。しかし、本発明は、添付図面と併せて以下の記載を参照することにより最も良く理解される。

比較の持続ピーク低サイクル疲労（ＳＰＬＣＦ）特性のグラフである。比較の２１５０°Ｆでのマッハ１速度サイクル酸化試験データのグラフである。比較の２０００°Ｆでのマッハ１速度サイクル酸化試験データのグラフである。比較の２１５０°Ｆでのマッハ１速度サイクル酸化試験データのグラフである。約３重量％のＲｅ含量を有する第二世代ニッケル基超合金に正規化した２１００°Ｆ／１０ｋｓｉでのクリープ破断データのグラフである。約３重量％のＲｅを有する第二世代ニッケル基超合金に正規化した１６００°Ｆ、１８００°Ｆ、２０００■Ｆ及び２１００■Ｆでのクリープ破断データのグラフである。約３重量％のＲｅを有する第二世代ニッケル基超合金に正規化した２０００°Ｆ及び１６００°ＦでのＳＰＬＣＦデータのグラフである。約３重量％のＲｅを有する第二世代ニッケル基超合金に正規化した２０００°ＦでのＳＰＬＣＦデータのグラフである。例示的なガスタービンエンジンのタービン翼の概略図である。

いくつかの図全体を通して同一符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図９は、ガスタービン翼２２として示されるガスタービンエンジンのコンポーネント品２０を示す。ガスタービン翼２２は、翼２４と、Ｖ字型の継ぎ手の形でガスタービン翼２２をタービンディスク（図示せず）に取り付ける取り付け具２６と、翼２４及び取り付け具２６の中間介在する横方向に伸びる基盤２８とを含む。一例示的実施形態において、コンポーネント品２０は実質的に単結晶である。つまり、コンポーネント品２０は、少なくとも約８０容量％、より好ましくは約９５容量％であり、単結晶方位を持つ単一結晶粒である。他の結晶方位の微量画分及び小傾角粒界に分離された領域もある。単結晶構造は、当業者に公知の方法で合金組成物の一方向凝固で作られる。別の例示的実施形態において、コンポーネント品２０は一方向に配向した多結晶であり、多結晶では全てが普通に配向した好ましい成長方向を有する少なくともいくつかの粒子がある。

本明細書で述べる合金組成物は、ノズル、シュラウド及びスプラッシュプレート等の他のガスタービンエンジン部品において用いられ得る。

本明細書で開示する実施形態は、有害作用を最小限にしながら、組成物の熱機械特性、クリープ強度、及び耐酸化性への様々な合金化元素の寄与のバランスをとる。特に断りのない限り、全ての値は重量パーセントで表される。

例えば、本明細書で開示するある実施形態は、少なくとも約５％のクロミウム（Ｃｒ）を含む。約５％未満の量では耐高温腐食性を低下させる。約８％を超える量では位相稠密（ＴＣＰ）相の不安定及び低い耐サイクル酸化性をもたらす。

本明細書で開示するある実施形態は、少なくとも約７％から約８％のＣｏを含む。より低量のコバルトは合金の安定性を低下させる。より多量になるとガンマプライムソルバス温度を下げ、ひいては高温強度及び耐酸化性に影響する。

本明細書で開示するある実施形態は、約１．３％から２．２％のモリブデン（Ｍｏ）を含む。固溶体強化をするのには最低値で十分である。最大を超える量では表面不安定性をもたらす。より多量のＭｏはまた、高温腐食性及び耐酸化性の両方に悪影響を与える。

本明細書で開示するある実施形態は、約４．７５％から約６．７５％のタングステン（Ｗ）を含む。より低量のＷは強度を低下させる。より多量になるとＴＣＰ相形成に関して不安定性を生じる。より多量になると更に、酸化能力を下げる。

本明細書で開示するある実施形態は、約６．０％から約７．０％のタンタル（Ｔａ）を含む。他の実施形態では、約６．２５％から約６．５％のＴａを含む。

本明細書で開示するある実施形態は、約６．０％から約６．５％のアルミニウム（Ａｌ）を含む。他の実施形態では、約６．２％から約６．５％のＡｌを含む。

本明細書で開示するある実施形態は、約０．５％以下のチタン（Ｔｉ）を含む。チタンは強力なガンマプライム硬化剤である。任意のＴｉ添加はガンマプライム相を強化し、クリープ性能を改善できる。しかしながら、Ｔｉの添加により、特に約０．５％より高い水準の添加により、耐酸化性は悪影響を受け得る。

ある例示的実施形態において、超合金組成物は実質的にＲｅを含まない。「実質的にＲｅを含まない」とは、例示的組成物においてＲｅ添加が名目上求められないことを意味する。しかしながら、適合性のある戻り（revert）合金（すなわち、使用済み、廃物又は再生した合金）が、例示の超合金組成物を提供するのに利用されることが考えられる。このような実施形態において、Ｒｅは約１．３％以下の量で存在し得る。

本明細書で開示するある実施形態は、約０．１５％から約０．６％のハフニウム（Ｈｆ）を含む。ハフニウムを利用して被覆合金の耐酸化性及び耐高温腐食性を改善し、塗布された遮熱コーティングの耐用期間を改善する。約０．７％のハフニウム添加は良好であるが、約１％を超える添加は、応力破断特性及び初期の融点に悪影響を与える。

本明細書で開示するある実施形態は、約０．００４％以下のボロン（Ｂ）を含む。Ｂは小傾角粒界にひずみを与え、小傾角粒界を有する成分の許容限度を高める。

存在するならば、炭素（Ｃ）は約０．０３％から約０．０６％含まれる。下限で十分なＣを供給して、より純粋な融合金を可能にし、耐腐食性の促進を助長する。

ある実施形態において、希土類元素添加物、すなわちイットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）及びセリウム（Ｃｅ）を、任意で約０．０３％以下供給する。これらの添加物は、アルミナ保護膜の保持を高めることにより耐酸化性を改善する。より多量では、鋳肌において鋳型／溶湯の反応を促進し、成分介在物含有量を増加する。

ある例示的実施形態では、重量パーセントで、Ｃｒ６．０、Ｃｏ７．５、Ｍｏ１．５−２．０、Ｗ６．０−６．５、Ｔａ６．５、Ｔｉ０、Ａｌ６．２、Ｒｅ０、Ｈｆ０．１５−０．６、Ｃ０．０３−０．０６、Ｂ０．００４、残部としてニッケル及び不可避不純物を含む組成を含むニッケル基超合金が挙げられる。ある例示的実施形態では、３３６０未満のＰ値を更に特徴とし、Ｐ値は上述の関係により決定される。例示的実施形態において、Ｐ値は３２５０未満である。

以下の表１は、例示的組成、関連のＲｅ比率、及びＰ値を示す。「Ｒｅ比率」は、Ｗの重量％とＭｏの重量％の合計に対するＲｅの重量％の比率であると本明細書で定義される。実質的にＲｅを含まない例示的実施形態については、Ｒｅ比率は基本的にゼロである（例えば、合金１−１４、１５及び１６）。各組成の値は重量％で示され、残部はニッケル及び不可避不純物である。比較のために、ＲｅｎｅＮ５の組成、Ｒｅ比率及びＰ値を示す。

以下の表２は、別の例示的組成、関連のＲｅ比率、及び第二世代（すなわちＲｅ３％）ニッケル基超合金に正規化したクリープ破断（ＣＲ）データを示す。表２の例示的組成は、所望のクリープ破断強度を提供できる約１重量％のＲｅを有する組成物を示す。第二世代合金（Ｒｅ３重量％）と第一世代合金（Ｒｅ０重量％）とを比較した表２のデータを、図８に示す。

図１は、第一世代超合金を超え、より第二世代超合金と同程度の、本明細書で開示するある実施形態の持続ピーク低サイクル疲労（ＳＰＬＣＦ）特性の改善を示す。第一世代ＳＣ超合金は、多くの高温部品において必要な、熱的・機械的損傷（ＴＭＦ）に対する耐性を持たない。ＳＰＬＣＦは特性の独特な組み合わせにより促進され、その特性のうちの１つが耐酸化性である。ＳＰＬＣＦ又はＴＭＦ性能は、部品内での温度勾配のため、冷却された機械設備にとって重要である。

図２は、２１５０°Ｆでのマッハ１速度サイクル酸化試験の経時的な重量損失を示すデータの比較のグラフであり、本明細書で開示するある実施形態の耐酸化性の改善を示す。

図３は、２０００°Ｆでのマッハ１速度サイクル酸化試験の経時的な重量損失を示すデータの比較のグラフであり、本明細書で開示するある実施形態の耐酸化性の改善を示す。

図４は、２１５０°Ｆでのマッハ１速度サイクル酸化試験の経時的な重量損失を示すデータの比較のグラフであり、本明細書で開示するある実施形態の耐酸化性の改善を示す。

図５は、約３重量％のＲｅ含量を有する第二世代ニッケル基超合金に正規化した２１００°Ｆ／１０ｋｓｉでのクリープ破断データのグラフである。本明細書で開示するある実施形態は、第二世代超合金と比較しても遜色なく、第一世代超合金に対して顕著な改善を示す。ガンマプライム相の安定性は、特に２１００°Ｆを超える温度で、特性の改善に寄与すると考えられる。本明細書で開示するある組成において、２１５０°Ｆでのガンマプライム相の体積分率は第二世代超合金に匹敵する約４６％であり、一般に第一世代超合金よりも大きい。ガンマプライム相の相対安定性はＳＰＬＣＦ耐性のためになり、２１００°Ｆでのクリープ破断特性に良い影響を与える。

第二世代ニッケル基超合金に正規化したクリープ破断データは、本明細書で開示する低Ｒｅ含量の実施形態が第一世代超合金よりも第二世代超合金と同等であることを示す。合金５−合金１４（表１）の１６００°Ｆ、１８００°Ｆ、２０００°Ｆ及び２１００°Ｆでの正規化クリープ破断データを図６に示す。

図７は、約３重量％のＲｅを有する第二世代ニッケル基超合金に正規化した２０００°Ｆ及び１６００°ＦでのＳＰＬＣＦデータのグラフである。

図８は、約３重量％のＲｅを有する第二世代ニッケル基超合金に正規化した２０００°ＦでのＳＰＬＣＦデータのグラフである。

本明細書で開示する超合金組成物は、第二世代超合金で製造した物品と同程度の温度性能を有する単結晶物品を製造するのに使用される。そのように製造された物品は、ガスタービンエンジンの部品である。このような物品は、ガスタービンエンジンの翼又は羽根の翼部材である。そのように製造された物品は、ノズル、シュラウド、スプラッシュプレート又は他の高温部品である。

本明細書で開示するある実施形態は、航空ガスタービンエンジンの高温部品、特に回転翼として、一方向凝固される際に特に有益である。

本明細書で開示する製品の製造方法は、ニッケル、コバルト、クロミウム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、タンタル、任意のチタン、実施的にレニウム０重量％、ハフニウム、任意の炭素、任意のイットリウム、セシウム及びランタンの１つ又は複数を含む原料から、開示の実施形態に記載の化学組成を有するニッケル基単結晶超合金元素材料を用意することを含む。超合金元素材料は、適当な熱処理及び適当なその後の鋳造工程を受ける。別の実施形態は、戻り超合金材料を少なくとも一部の原料と置換することを含む。従って、Ｒｅを含まないと名目上記載する実施形態は、戻り材料を用いる際にＲｅ約１．３重量％以下を含み得る。

従って、本明細書で開示する超合金組成物は、組成成分の寄与のバランスを取ることにより、少ないＲｅ含量で所望の熱機械特性、クリープ強度、及び耐酸化性を提供する。

本明細書は、最良の実施形態を含む例を用いて本発明を開示し、当業者が本発明を実行し、利用することができるようにするものである。特許可能な本発明の範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含む。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合又は特許請求の範囲の文言と実質的に相違しない同等の構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲内に含まれることを意図している。

Claims

Ｒｅを含まず、重量パーセントで、Ｃｒ６、Ｃｏ７．５、Ｍｏ１．５−２、Ｗ６−６．５、Ｔａ６．５、Ａｌ６．２、Ｈｆ０．１５−０．６、Ｃ０．０３、Ｂ０．００４、ニッケル及び不可避不純物からなる残部からなる、ニッケル基超合金組成物。
重量％で、Ａｌ６．２、Ｔａ６．５、Ｃｒ６、Ｗ６、Ｍｏ１．５、Ｒｅ０、Ｃｏ７．５、Ｃ０．０３、Ｂ０．００４、Ｈｆ０．１５、残部はニッケル及び不可避不純物である組成を有する、請求項１項に記載のニッケル基超合金組成物。
重量％で、Ａｌ６．２、Ｔａ６．５、Ｃｒ６、Ｗ６、Ｍｏ２、Ｒｅ０、Ｃｏ７．５、Ｃ０．０３、Ｂ０．００４、Ｈｆ０．１５、残部がニッケル及び不可避不純物である組成を有する、請求項１項に記載のニッケル基超合金組成物。
重量％で、Ａｌ６．２、Ｔａ６．５、Ｃｒ６、Ｗ６．５、Ｍｏ１．５、Ｒｅ０、Ｃｏ７．５、Ｃ０．０３、Ｂ０．００４、Ｈｆ０．１５、残部がニッケル及び不可避不純物である組成を有する、請求項１項に記載のニッケル基超合金組成物。
重量％で、Ａｌ６．２、Ｔａ６．５、Ｃｒ６、Ｗ６．５、Ｍｏ２、Ｒｅ０、Ｃｏ７．５、Ｃ０．０３、Ｂ０．００４、Ｈｆ０．１５、残部がニッケル及び不可避不純物である組成を有する、請求項１項に記載のニッケル基超合金組成物。
重量％で、Ａｌ６．２、Ｔａ６．５、Ｃｒ６、Ｗ６．５、Ｍｏ１．５、Ｒｅ０、Ｃｏ７．５、Ｃ０．０３、Ｂ０．００４、Ｈｆ０．６、残部がニッケル及び不可避不純物である組成を有する、請求項１項に記載のニッケル基超合金組成物。
重量％で、Ａｌ６．２、Ｔａ６．５、Ｃｒ６、Ｗ６、Ｍｏ２、Ｒｅ０、Ｃｏ７．５、Ｃ０．０３、Ｂ０．００４、Ｈｆ０．６、残部がニッケル及び不可避不純物である組成を有する、請求項１項に記載のニッケル基超合金組成物。
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のニッケル基超合金組成物で単結晶物品を構成したニッケル基単結晶物品。
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のニッケル基超合金組成物を鋳造して構成したガスタービンエンジン部品。
単結晶物品として鋳造された、請求項９に記載のガスタービンエンジン部品。
一方向凝固物品である、請求項９又は１０に記載のガスタービンエンジン部品。