JP5663530B2 - タービンブレード及びベーン用途向けのレニウムを含まない単結晶超合金 - Google Patents
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Description
レニウムを実質的に含まないが、他の関連特性には悪影響を及ぼすことなく、優れた高温耐クリープ特性を示す単結晶ニッケル基超合金が開示される。
従来、相対的に希少な金属元素を多量に必要としてきた製品需要が世界的に増大しているので、希少金属元素の需要及び価格の両方が急激に増加している。その結果、製造業者は、このような金属元素の必要性を低減させるか、又は使用しない新規な技術を探索している。
レニウムは様々な産業に重要な、真に希少な金属の一例である。極めて少量のレニウムが、銅−モリブデン製造及び銅製造の副産物として回収される。レニウムの高コストに加えて、その使用は経済的帰結及び戦略的帰結の両方のサプライチェーンに対してリスクをもたらす。
ジェット機及び発電装置向けガスタービンの単結晶部品を鋳造するために使用されるニッケル基超合金の製造に、レニウムが幅広く使用されてきた。より具体的には、レニウムは特に長期間の高温（例えば、１，０００℃超え）における拡散を遅延させ、したがってクリープ変形を遅延させる強力な効果のために、合金化添加物としてタービンブレード、ベーン及びシールセグメント向けの先進的な単結晶超合金に使用されている。高温耐クリープ特性は、ガスタービンの部品の有用な耐用年数、並びに出力、燃料燃焼及び二酸化炭素排出などのエンジン性能に直接関係する。
単結晶鋳造物に使用される典型的なニッケル基超合金は、約３重量％〜約７重量％のレニウムを含有する。レニウムは比較的少量の添加物としてのみ使用され、拡散を阻止して高温耐クリープ性を改善するために単結晶ニッケル基超合金にとって肝要なものと見なされているが、このような合金の総コストをかなり高くしている。
ＪＯＭ、２０１０年１月、６２巻１号、第５５〜５７頁
上記の考察から、レニウム添加の必要性を低減又は無くし、且つ良好な鋳造性及び相安定性などの望ましい他の特性を維持しつつも、優れた高温耐クリープ性を示す単結晶ニッケル基超合金を開発することが非常に望まれているのは明らかである。
本明細書に開示したレニウムを含まない単結晶ニッケル基超合金は、この合金からレニウムを実質的に排除しつつも、特に、タングステン、モリブデン及びクロムに富んだ有害な位相幾何学的最密充填相（ＴＣＰ）が過度にないことを保証する許容可能な合金相安定性と共に、良好なクリープ破断機械特性を達成するために、総量約１７％〜２０％の耐熱性金属元素（タンタル、タングステン及びモリブデン）同士をバランスさせることにとりわけ左右される。
優れた高温耐クリープ性、及びガスタービンの部品を鋳造する際の使用に良く適合する他の諸特性を示すレニウムを含まない単結晶ニッケル基超合金は、５．６０重量％〜５．８５重量％のアルミニウム、９．４重量％〜９．９重量％のコバルト、５．０重量％〜６．０重量％のクロム、０．０８重量％〜０．３５重量％のハフニウム、０．５０重量％〜０．７０重量％のモリブデン、８．０重量％〜９．０重量％のタンタル、０．６０重量％〜０．９０重量％のチタン、８．５重量％〜９．８重量％のタングステンを含み、残部がニッケル及び少量の不可避元素を含有し、不可避元素の総量が実質的に１重量％未満である合金組成において、得られることが発見された。
ある具体例によれば、このニッケル基超合金の不可避元素の最大値は、炭素が１００ｐｐｍ、ケイ素が０．０４％、マンガンが０．０１％、硫黄が３ｐｐｍ、リンが３０ｐｐｍ、ホウ素が３０ｐｐｍ、ニオブが０．１％、ジルコニウムが１５０ｐｐｍ、レニウムが０．１５％、銅が０．０１％、鉄が０．１５％、バナジウムが０．１％、ルテニウムが０．１％、白金が０．１５％、パラジウムが０．１５％、マグネシウムが２００ｐｐｍ、窒素が５ｐｐｍ及び酸素が５ｐｐｍに制御され、他の任意の各不可避元素は最大値として約２５ｐｐｍの微量元素として存在している。
ある具体例によれば、開示したニッケル基超合金の不可避不純物における微量元素の最大値は、銀が２ｐｐｍ、ビスマスが０．２ｐｐｍ、ガリウムが１０ｐｐｍ、カルシウムが２５ｐｐｍ、鉛が１ｐｐｍ、セレンが０．５ｐｐｍ、テルルが０．２ｐｐｍ、タリウムが０．２ｐｐｍ、スズが１０ｐｐｍ、アンチモンが２ｐｐｍ、ヒ素が２ｐｐｍ、亜鉛が５ｐｐｍ、水銀が２ｐｐｍ、カドミウムが２ｐｐｍ、ゲルマニウムが２ｐｐｍ、金が２ｐｐｍ、インジウムが２ｐｐｍ、ナトリウムが２０ｐｐｍ、カリウムが１０ｐｐｍ、バリウムが１０ｐｐｍ、リンが３０ｐｐｍ、ウランが２ｐｐｍ及びトリウムが２ｐｐｍに制御される。
耐酸化性、及び／又はコーティング及び断熱コーティング（ＴＢＣ）寿命の向上が望まれるある具体例によれば、硫黄が最大量０．５ｐｐｍ存在し、且つランタン及びイットリウムが、このニッケル基超合金から鋳造される単結晶の部品においてランタン及びイットリウムの総量が約５ｐｐｍ〜約８０ｐｐｍの目標となるように添加される。
最大１２°の小角粒界（ＬＡＢ）の強化を必要とする、単結晶部品の大型工業用ガスタービン（ＩＧＴ）用途に使用されるある具体例によれば、約０．０２重量％〜約０．０５重量％の炭素が添加され、且つ約４０ｐｐｍ〜約１００ｐｐｍのホウ素が添加される。
実質的にレニウムを含まない組成物において優れた高温耐クリープ性を達成する他に、開示した単結晶ニッケル基超合金のある具体例は、８．７９ｇ／ｃｃ（ｋｇ／ｄｍ３）などの約８．８ｇ／ｃｃ以下の望ましい程度に過剰でない密度を有する。
本明細書に開示した合金は、「ＣＭＳＸ（登録商標）−７」合金と呼ぶことにする。これは商業的に使用されることになる名称であり、「ＣＭＳＸ」という表記は、ニッケル基単結晶（ＳＸ）超合金のファミリー又はシリーズの販売に関連して使用されるキャノン・マスケゴン社（Ｃａｎｎｏｎ−Ｍｕｓｋｅｇｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）の登録商標である。
本明細書に開示した合金はレニウムを含まない、又はレニウムを実質的に含まないものとして表現される。本明細書で使用する場合、これらの用語は、この合金は添加されたレニウムを全く含有しない、及び／又は該合金中に存在するレニウムの量は最大０．１５重量％であることを意味する。
特に示されない限り、百分率はすべて重量基準であり、また百万分率（ｐｐｍ）の量はすべて、合金組成物の総重量に基づく重量百万分率を指す。
単結晶超合金及び鋳造物は、とりわけ高温耐クリープ性、長期疲労寿命、耐酸化性及び耐食性、望ましい鋳造特性及び低不良率を伴う固溶強化、並びに相安定性を含む、一連の優れた特性を示すように開発された。ある特定の特性のために、単一添加物の合金化元素を最適化することは可能であるが、他の特性に対する影響が非常に予測不能になる場合が多い。一般に、様々な特性と様々な元素成分の関係は非常に複雑であり、且つ予測不能であるので、少なくともある種の不可欠な特性に悪影響を及ぼすことなく、実質的な変化を組成物になし得る場合、これは驚くべきことである。
本明細書に開示した実施例では、許容可能な合金相安定性（有害な位相幾何学的最密充填（ＴＣＰ）相が過度にない。このタイプの合金では、通常タングステン、モリブデン及びクロムに富む。）と共に、良好なクリープ破断機械特性を達成するために、耐熱性金属元素（タンタル、タングステン及びモリブデン）同士の量をバランスさせながら、これらの耐熱性元素を約１７重量％〜約２０重量％の総量に維持した。クロム及びコバルトも、必要な相安定性を確保するために調節した。多量のタンタル（約８％）は、「フレックル」欠陥がない等の優れた単結晶鋳造性をもたらすために選択した。チタン（約０．８％）及びタンタル（約０．８％）の量は、高温クリープ強度及び室温での許容可能な密度（例えば、約８．８ｇ／ｃｃ（８．７９ｇ／ｃｃなど））となるように、低い負のγ／γ’ミスマッチをもたらすように調節した。アルミニウム、チタン及びタンタルは、適切なγ’体積率（Ｖｆ）を得るために調節する一方、アルミニウム、モリブデン、タンタル及びチタンの組合せは、高温での良好な耐酸化特性をもたらすために選択した。ハフニウムの添加量は、高温におけるコーティング寿命を実現するために選択した。
本明細書に開示し、且つ特許請求した合金の典型的な化学組成を表１に列挙する。しかし、ある種のわずかな変更がある。第１に、耐酸化性の向上及び／又は断熱コーティングの寿命向上を達成するために、合金から作製した単結晶鋳造物中に、ランタン及びイットリウムの総量が約５ｐｐｍ〜８０ｐｐｍになることを目標とした量のランタン及び／又はイットリウムを添加することが望ましい。他の変更として、最大１２°の小角粒界（ＬＡＢ）強化を必要とする大型工業用ガスタービン（ＩＧＴ）の単結晶用途の場合、炭素及びホウ素の添加目標を、それぞれ約０．０２％〜０．０５％及び４０〜１００ｐｐｍの範囲に定める。
本発明のよりよい理解を促進すると見込まれるある種の例示的、非限定的な実施例について説明する。
ＣＭＳＸ（登録商標）−７合金の１００％未使用の初期溶解品１８１ｋｇ（４００ｌｂ）を、ＣＭ ＫＨ ０１／０３／１１（ＣＭ ＣＲＭＰ ＃８１−１７００ Ｉｓｓｕｅ １）を目標化学組成として、ＣＭ Ｖ−５ Ｃｏｎｓａｒｃ ＶＩＭの炉内で、２０１１年１月に溶融した。溶解品（５Ｖ０４２４）の化学成分を表２に示す。
ＳＸ ＮＮＳ ＤＬ−１０試験片の２つの鋳物（＃９１２及び＃９１３）を、ロールス・ロイス社（Ｒｏｌｌｓ−Ｒｏｙｃｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（ＳＣＦＯ）によるＣＭＳＸ−４（登録商標）鋳造パラメータに合わせて鋳造した。ＤＬ−１０試験片の歩留まりは、全２４点の鋳造品中、完全に許容可能なものが２３点と優れていた。中実ＨＰ２タービンブレードの鋳物（＃５３７０１）も、本製造部品に対する典型的な鋳造歩留まりで、ＣＭＳＸ−４（登録商標）鋳造パラメータを用いたＳＣＦＯによってＳＸ鋳造した。
これらのＤＬ−１０試験片及びタービンブレードは、以下の通りＣＭＳＸ（登録商標）−７の試験片に関する溶体化／均一化研究に基づいて、ＣＭにおいて溶体化／均一化＋２段時効加熱処理を行った。
溶体化＋均一化
２時間／２３４０°Ｆ（１２８２°Ｃ）＋２時間／２３６０°Ｆ（１２９３°Ｃ）
＋４時間／２３８０°Ｆ（１３０４°Ｃ）＋４時間／２３９０°Ｆ（１３１０°Ｃ）
＋１２時間／２４００°Ｆ（１３１６°Ｃ）ＡＣ−ステップ同士の間では１７℃（１°Ｆ）／分で昇温。
２段時効
４時間／２０５０°Ｆ（１１２１°Ｃ）ＡＣ＋２０時間／１６００°Ｆ（８７１°Ｃ）ＡＣ
２時間／２３４０°Ｆ（１２８２°Ｃ）＋２時間／２３６０°Ｆ（１２９３°Ｃ）
＋４時間／２３８０°Ｆ（１３０４°Ｃ）＋４時間／２３９０°Ｆ（１３１０°Ｃ）
＋１２時間／２４００°Ｆ（１３１６°Ｃ）ＡＣ−ステップ同士の間では１７℃（１°Ｆ）／分で昇温。
２段時効
４時間／２０５０°Ｆ（１１２１°Ｃ）ＡＣ＋２０時間／１６００°Ｆ（８７１°Ｃ）ＡＣ
許容可能なミクロ組織造の実現は図１〜図２で明らかである。すなわち４時間／２０５０°Ｆ（１１２１°Ｃ）の高温時効の後に、γ’の完全な溶体化、一部残ったγ／γ’共溶物、部分溶融はなく、またγ’は平均が約０．５μｍの立方体状で配列しており、これは適切なγ／γ’のミスマッチ及びγ／γ’の界面化学を示している。
クリープ破断及び応力破断用の試料を低い応力で研磨して、ジョリエット・メタラージカル・ラボラトリーズ社（Ｊｏｌｉｅｔ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｌａｂｓ）による試験を行い、現在までの結果を表３及び表４に示した。ラーソン・ミラー応力破断のグラフ（図３、４及び５）は、最大約１９００°Ｆ（１０３８°Ｃ）までのＣＭＳＸ−２／３（登録商標）合金（Ｒｅを含有しない）と比較すると、ブレードからの機械加工品（ＭＦＢ）の１．７８ｍｍ（０．０７０”）Φ小型片の結果を含めて、ＣＭＳＸ（登録商標）−７が優れており、驚くほど良好なクリープ強度／応力破断寿命特性を有し、２０５０°Ｆ（１１２１℃）では類似した特性を有することを示している。これらの特性すべてが、Ｒｅｎｅ’ Ｎ−５（３％Ｒｅ）合金及びＲｅｎｅ’ Ｎ−５１５（１．５％Ｒｅ）合金に驚くほど類似している（ＧＥの発表データ）［ＪＯＭ、２０１０年１月、６２巻１号、５５〜５７頁］。ＭＦＢの応力破断試験を、本明細書に開示した合金から鋳造し、小型片１５及び小型平板試料２０を機械加工するための設備を有する単結晶中実タービンブレード１０（図１６）について実施した。
相安定性は驚くほど良好であり、現在まで調べた試験後のクリープ／応力破断片においてＴＣＰ相が全く存在しないことは、明らかである（図６〜図１３）。
バーナーリグ動力学試験、繰り返し酸化試験及び熱間腐食（硫化）試験を現在、タービンエンジンの大手の会社で計画中である。８３ＭＰａ（１２ｋｓｉ）／１０９３℃（２０００°Ｆ）におけるＭＦＢのゲージ厚さ０．５０８ｍｍ（０．０２０”）の小型平板の結果（表４，図５）は、この合金に関して、あからさまに良好な高温耐酸化性を示している。
ＣＭＳＸ−７の引張特性
この合金は、非常に大きい引張強度（１４００°Ｆ（７６０°Ｃ）において最大２００ｋｓｉ（１３７９ＭＰａ）のＵＴＳ）及び同一温度における０．２％耐力（最大１９１ｋｓｉ（１３１８ＭＰａ））、並びに良好な延性を示す（表５、図１７及び図１８）。１４００°Ｆ（７６０°Ｃ）における異常に高いＵＴＳ及び０．２％ＰＳは、おそらくこの温度におけるγチャンネル中にさらなる二次又は三次γ’析出がおこり転位移動を遅らせるために、この温度においてひずみ硬化があることを示している。この最大強度レベルにおける延性は、１３％の伸び（４Ｄ）及び１７％の絞り（ＲＡ）の範囲にある。
この合金は、非常に大きい引張強度（１４００°Ｆ（７６０°Ｃ）において最大２００ｋｓｉ（１３７９ＭＰａ）のＵＴＳ）及び同一温度における０．２％耐力（最大１９１ｋｓｉ（１３１８ＭＰａ））、並びに良好な延性を示す（表５、図１７及び図１８）。１４００°Ｆ（７６０°Ｃ）における異常に高いＵＴＳ及び０．２％ＰＳは、おそらくこの温度におけるγチャンネル中にさらなる二次又は三次γ’析出がおこり転位移動を遅らせるために、この温度においてひずみ硬化があることを示している。この最大強度レベルにおける延性は、１３％の伸び（４Ｄ）及び１７％の絞り（ＲＡ）の範囲にある。
ＣＭＳＸ（登録商標）−７のＭｏｄ Ｂと称される１００％未使用品（２１３ｋｇ）（４７０ｌｂｓ）の他の溶解品（５Ｖ０４５９）を、ＣＭ ＫＨ ０４／１３／１１（ＣＭ ＣＲＭＰ＃８１−１７０３ Ｉｓｓｕｅ １）を目標化学組成に用いて、ＣＭ Ｖ−５ Ｃｏｎｓａｒｃ ＶＩＭの炉内で、２０１１年５月に溶融した。溶解品（５Ｖ０４５９）の化学成分を表６に示す。
ＳＸ ＮＮＳ ＤＬ−１０試験片の２つの鋳物（＃９２３及び＃９２４）を、ロールス・ロイス社（ＳＣＦＯ）によってＣＭＳＸ−４（登録商標）鋳造パラメータに合わせて鋳造した。ＤＬ−１０試験片の歩留まりは、全２４点の鋳造品中、完全に許容可能なものが２２点と優れていた。
これらのＤＬ−１０試験片は、以下の通りＣＭＳＸ（登録商標）−７ Ｍｏｄ Ｂの試験片に関する溶体化／均一化研究に基づいて、キャノン・マスケゴン社において、溶体化／均一化＋２段時効加熱処理を行った。
溶体化及び均一化
２時間／２３６０°Ｆ（１２９３°Ｃ）＋２時間／２３７０°Ｆ（１２９９°Ｃ）
＋２時間／２３８０°Ｆ（１３０４°Ｃ）＋１２時間／２３９０°Ｆ（１３１０°Ｃ）ＡＣ−１７℃（１°Ｆ）／分で昇温
２段時効加熱処理
４時間／２０５０°Ｆ（１１２１°Ｃ）ＡＣ
＋２０時間／１６００°Ｆ（８７１°Ｃ）ＡＣ
２時間／２３６０°Ｆ（１２９３°Ｃ）＋２時間／２３７０°Ｆ（１２９９°Ｃ）
＋２時間／２３８０°Ｆ（１３０４°Ｃ）＋１２時間／２３９０°Ｆ（１３１０°Ｃ）ＡＣ−１７℃（１°Ｆ）／分で昇温
２段時効加熱処理
４時間／２０５０°Ｆ（１１２１°Ｃ）ＡＣ
＋２０時間／１６００°Ｆ（８７１°Ｃ）ＡＣ
許容可能なミクロ組織の実現は図１４及び図１５で明らかである。すなわち、４時間／２０５０°Ｆ（１１２１°Ｃ）の高温時効の後に、γ’のほぼ完全な溶体化、残りはγ／γ’共溶物、部分溶融はなく、またγ’は平均が約０．４５μｍの立方体状で配列しており、これは適切なγ／γ’のミスマッチ及びγ／γ’の界面化学を示している。
ＣＭＳＸ（登録商標）−７のＭｏｄ Ｂのクリープ破断特性は、ＣＭＳＸ（登録商標）−７のそれと非常に類似しており、明確な優位点はない（表７）。
より長期の、高温応力破断試験［２０００°Ｆ／１２ｋｓｉ（１０９３°Ｃ／８３ＭＰａ）／１１７６．５時間］から得られた試験後のミクロ組織（図１９Ａ〜１９Ｃ）は、良好な応力破断寿命並びに破断延性（３４％の伸び（４Ｄ））及び４２％のＲＡ（図１９Ａ〜２０Ｃ）と兼ね備えた、ＴＣＰ相（「針状」）が明らかに無視できる、良好な相安定性を示すことが示される。
本明細書に開示した実施例は、実際に例示し、よりよい理解を促進するために提示した非限定的な実例であり、本発明の範囲は等価物の原理を含め、特許法の下で適切に解釈される添付の特許請求の範囲によって規定される。
Claims (6)
- 単結晶鋳造物用のニッケル基超合金であって、
５．６０重量％〜５．８５重量％のアルミニウム、
９．４重量％〜９．９重量％のコバルト、
５．０重量％〜６．０重量％のクロム、
０．０８重量％〜０．３５重量％のハフニウム、
０．５０重量％〜０．７０重量％のモリブデン、
８．０重量％〜９．０重量％のタンタル、
０．６０重量％〜０．９０重量％のチタン、
８．５重量％〜９．８重量％のタングステン
を含み、残部がニッケル及び少量の不可避元素を含み、不可避元素の総量は１重量％以下であり、
前記不可避元素の最大値が、炭素が１００ｐｐｍ、ケイ素が０．０４％、マンガンが０．０１％、硫黄が３ｐｐｍ、リンが３０ｐｐｍ、ホウ素が３０ｐｐｍ、ニオブが０．１％、ジルコニウムが１５０ｐｐｍ、レニウムが０．１５％、銅が０．０１％、鉄が０．１５％、バナジウムが０．１％、ルテニウムが０．１％、白金が０．１５％、パラジウムが０．１５％、マグネシウムが２００ｐｐｍ、窒素が５ｐｐｍ、及び酸素が５ｐｐｍに制御され、
他の任意の各不可避元素は、２５ｐｐｍの最大値で微量元素として存在しており、
前記微量元素の最大値が、銀が２ｐｐｍ、ビスマスが０．２ｐｐｍ、ガリウムが１０ｐｐｍ、カルシウムが２５ｐｐｍ、鉛が１ｐｐｍ、セレンが０．５ｐｐｍ、テルルが０．２ｐｐｍ、タリウムが０．２ｐｐｍ、スズが１０ｐｐｍ、アンチモンが２ｐｐｍ、ヒ素が２ｐｐｍ、亜鉛が５ｐｐｍ、水銀が２ｐｐｍ、カドミウムが２ｐｐｍ、ゲルマニウムが２ｐｐｍ、金が２ｐｐｍ、インジウムが２ｐｐｍ、ナトリウムが２０ｐｐｍ、カリウムが１０ｐｐｍ、バリウムが１０ｐｐｍ、ウランが２ｐｐｍ及びトリウムが２ｐｐｍに制御されている、ニッケル基超合金。 - 最大量０．５ｐｐｍの硫黄を含有し、且つ前記単結晶鋳造物中のランタン及びイットリウムの総含量が、５ｐｐｍ〜８０ｐｐｍになることを目標とした量のランタン及びイットリウムをさらに含む、請求項１に記載されたニッケル基超合金。
- ８．８ｇ／ｃｃ（ｋｇ／ｄｍ３）の密度を有する、請求項１に記載されたニッケル基超合金。
- 請求項１に記載されたニッケル基超合金から鋳造された単結晶の部品。
- ガスタービンの部品である、請求項４に記載された単結晶の部品。
- ガスタービン用のブレード、ベーン又はシールセグメントである、請求項４に記載された単結晶の部品。
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