JP5599540B2 - 最小限の結晶粒欠陥しか呈さないニッケル基超合金 - Google Patents

Description

発明の属する技術の分野

本発明は概してニッケル基超合金の分野に関する。好ましい実施形態では、本発明は鋳造時に最小限の結晶粒欠陥しか呈さない単結晶（ＳＣ）及び方向性凝固（ＤＳ）ニッケル基超合金に関する。

発明の属する技術の分野

【従来の技術】
近年、航空機エンジン又は大型発電用タービン部品用に設計された単結晶（ＳＣ）ニッケル基超合金が使用されるようになって、かかる合金がフレックル（freckle）や迷結晶粒（stray grains；「ストレイ結晶」ともいう。）のような欠陥を生じやすいことが分かってきた。従来は、航空機エンジンにおける方向性凝固部品の比較的小さな寸法又は発電用タービンにおける比較的低い作動応力及び温度のため、これらの欠陥は大きな問題とはされていなかった。しかし、最近では、タービン性能の向上を図るため従来よりも壁厚を薄くしてさらに高い温度へと発電用タービン部品の作動条件を高めることが望まれている。このような作動条件の下では、フレックルや迷結晶粒等の欠陥が発電用タービン部品の寿命制限因子となってしまう。

広義には、本発明は、フレックル及び迷結晶粒欠陥のような結晶粒欠陥を最小限にするためニッケル基超合金に炭化物生成元素を添加することにある。さらに具体的には、本発明は、単結晶（ＳＣ）及び方向性凝固（ＤＳ）ニッケル基超合金の凝固界面のマッシーゾーン中の液体から生成する炭化物生成元素を添加して、かかる合金におけるフレックル及び迷結晶粒欠陥の形成を低減するというものである。

本発明の特に好ましい実施形態では、ニッケル基超合金が提供されるが、これは、重量％で、約４．００％以上９．２５％未満のタンタル、約４．７５％〜約６．５０％のタングステン、約２．７５％以上のレニウム、約５．００％〜約７．００％のアルミニウム、約０．１０％以上のハフニウム及び鋳造時に超合金のマッシーゾーンでのフレックル形成を大幅に低減するための炭化物を他の構成成分と形成するに十分な量の炭素を含んでいる。

本発明の合金はタービンブレード（特に発電用タービンのブレード）を鋳造するのにとりわけ有用である。鋳造物はそのまま使用することもできるし、さらに高温溶体化処理、時効処理、コーティング処理等の加工に付してもよい。

本発明の上記その他の態様及び利点は、本発明の好ましい例示的実施形態についての以下の説明から明らかとなろう。

好ましい実施の形態

本発明の特に好ましい超合金は、重量％で、約６．００％以上９．２５％未満のタンタル、約４．７５％〜約６．５０％のタングステン、約２．７５％以上のレニウム、約５．００％〜約７．００％のアルミニウム、約０．１０％以上のハフニウム、炭素を含み、残部は実質的にニッケルである。

本発明の超合金組成物は、炭化物を他の構成成分と形成してＳＣ又はＤＳ鋳造時にマッシーゾーンでのフレックル形成を大幅に低減する程度の炭素を含んでいる必要がある。具体的には、炭素は約０．１０％以上の量、最も好ましくは約０．１０％〜０．１５％の量で、他の構成成分と共存する。本発明の合金中に存在する比較的高レベルの炭素は、単結晶及び／又は方向性凝固技術には炭素含量を比較的低レベルに維持しなければならないとする従来の認識とは正反対である。

タンタルは本発明の超合金中に約６．００重量％以上９．２５重量％未満の量で存在する。加えて、本発明の超合金は約０．１０重量％以上、さらに好ましくは約０．１２〜０．３０重量％（好適には約０．１５〜０．２５重量％）のハフニウムを含む。タンタルとハフニウムは強力な炭化物生成元素である。本発明で必要とされるレベルの炭素と合金化すると、相互作用によってニッケル基超合金がフレックルを生ずる傾向が低減することが判明した。

レニウムは本発明の超合金中に約２．７５重量％以上、通例約２．７５〜６．４０重量％の量で存在する。レニウムは、最も好ましくは、低減したタングステンの存在量を補うのに十分な量で用いられる。これに関して、具体的には、タングステンは、４．７４重量％〜約６．５０重量％、通例約５．００重量％〜約５．７５重量％の量で存在する。

アルミニウムは、約５．００重量％〜約７．００重量％、さらに好ましくは約６．００重量％〜６．４０重量％の量で存在する。ただし、アルミニウムとタンタルの合計量は約１２．４５％以上とすべきである。

本発明の超合金にはその他の構成成分も使用し得る。例えば、本発明の超合金は、クロム、コバルト、モリブデン、ホウ素、イットリウム、ルテニウム及びニオブから選択される１種類以上の元素を含み得る。これらの任意成分を使用する場合、それらは以下の重量％範囲：
クロム・・・・・・・・４．００〜７．２５
コバルト・・・・・・・７．００〜１５．００
モリブデン・・・・・・０〜２．００
ホウ素・・・・・・・・０．００３〜０．０１０
イットリウム・・・・・０〜０．０３
ルテニウム・・・・・・０〜６．００
ニオブ・・・・・・・・０〜１．００
で存在する。

特に好ましいニッケル基超合金は、以下の重量％範囲：
アルミニウム・・・・・６．００〜６．４０
タンタル・・・・・・・６．３０〜６．７０
タングステン・・・・・４．７５〜５．２５
レニウム・・・・・・・２．７５〜３．２５
ハフニウム・・・・・・０．２０〜０．３０
炭素・・・・・・・・・０．１０〜０．１５
クロム・・・・・・・・６．７５〜７．２５
コバルト・・・・・・・７．００〜８．００
モリブデン・・・・・・１．３０〜１．７０
ホウ素・・・・・・・・０．００３〜０．００５
ニッケル（実質的）・・残部
で存在する構成成分を有する。

もう一つの好ましいニッケル基超合金は、以下の重量％範囲：
アルミニウム・・・・・５．５０〜６．００
タンタル・・・・・・・７．００〜７．４０
タングステン・・・・・５．７５〜６．２５
レニウム・・・・・・・５．２０〜５．６０
ハフニウム・・・・・・０．１２〜０．１８
炭素・・・・・・・・・０．１０〜０．１５
クロム・・・・・・・・４．００〜４．５０
コバルト・・・・・・・１２．２５〜１２．７５
モリブデン・・・・・・１．５０以下
ホウ素・・・・・・・・０．００３〜０．０１０
ルテニウム・・・・・・６．００以下
ニオブ・・・・・・・・１．００以下
ニッケル（実質的）・・残部
で存在する構成成分を有する。

本発明の高炭素含量の好ましい超合金は、例えば米国特許第５４４５１２０号及び同第５２７０１２３号にさらに詳しく記載されたものとすることができ、その全開示内容は文献の援用によって本明細書の内容の一部をなす。

「実質的にニッケル」とは、本発明の超合金がその基本的及び新規特徴に実質的影響を与えない他の成分を痕跡量（微量）含み得ることを意味する。かかる痕跡成分としては、例えばイオウ、リン、銅、その他同様に用いる合金成分に通常痕跡量で付随する元素がある。

本発明の超合金は、米国特許第３４９４７０９号（その全開示内容は文献の援用によって本明細書の内容の一部をなす）にさらに詳しく記載されているような単結晶鋳造技術を用いた部品の製造並びに米国特許第３２６０５０５号（その全開示内容は文献の援用によって本明細書の内容の一部をなす）にさらに詳しく記載されているような方向性凝固技術による部品の製造に特に適している。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態と考えれれるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、特許請求の範囲に記載された技術的思想及び範囲に属する様々な変更及び均等な構成を包含するものである。

Claims (6)

1. 下記構成成分：
   ６．００％〜６．４０％のアルミニウム、
   ６．３０％〜６．７０％のタンタル、
   ４．７５％〜５．２５％のタングステン、
   ２．７５％〜３．２５％のレニウム、
   ０．２０％〜０．３０％のハフニウム、
   ０．１０％〜０．１５％の炭素、及び
   実質的に残部をなすニッケル
   （以上、質量％）からなる単結晶又は方向性凝固ニッケル基合金。
   
2. 下記構成成分：
   ６．７５％〜７．２５％のクロム、
   ７．００％〜８．００％のコバルト、
   １．３０％〜１．７０％のモリブデン、及び
   ０．００３％〜０．００５％ホウ素
   （以上、質量％）をさらに含んでなる、請求項１記載の合金。
   
3. アルミニウムとタンタルの合計量が１２．４５％以上である、請求項１記載の合金。
   
4. ハフニウムが０．２５％の量で存在する、請求項１記載の合金。
   
5. 下記構成成分：
   ５．５０％〜６．００％のアルミニウム、
   ７．００％〜７．４０％のタンタル、
   ５．７５％〜６．２５％のタングステン、
   ５．２０％〜５．６０％のレニウム、
   ０．１２％〜０．１８％のハフニウム、
   ０．１０％〜０．１５％の炭素、及び
   実質的に残部をなすニッケル
   （以上、質量％）からなる単結晶又は方向性凝固ニッケル基合金。
   
6. 下記構成成分：
   ４．００％〜４．５０％のクロム、
   １２．２５％〜１２．７５％のコバルト、
   １．５０％以下のモリブデン、
   ０．００３％〜０．０１０％のホウ素、
   ６．００％以下のルテニウム、及び
   １．００％以下のニオブ
   （以上、質量％）をさらに含んでなる、請求項５記載の合金。