JP5981250B2 - 鋳造用Ni基合金、鋳造用Ni基合金の製造方法およびタービン鋳造部品 - Google Patents
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Cは、強化相であるM23C6型炭化物の構成元素として有用であり、特に650℃以上の高温環境下では、タービンの運転中にM23C6型炭化物を析出させることが合金のクリープ強度を維持させる要因の一つである。また、鋳造時の溶湯の流動性を確保する効果も併せ持つ。Cの含有率が0.01%未満の場合には、炭化物の十分な析出量を確保することができないため、機械的強度(高温強度特性、以下同じ)が低下するとともに、鋳造時の溶湯の流動性が著しく低下する。一方、Cの含有率が0.1%を超えると、大型鋳塊作製時の成分偏析傾向が増加する。そのため、Cの含有率を0.01〜0.1%とした。さらに好ましいCの含有率は、0.03〜0.07%である。
Crは、Ni基合金の耐酸化性、耐食性および機械的強度を高めるのに不可欠な元素である。さらにM23C6型炭化物の構成元素として不可欠であり、特に650℃以上の高温環境下では、タービンの運転中にM23C6型炭化物を析出させることで、合金のクリープ強度が維持される。また、Crは、高温環境下における耐酸化性を高める。Crの含有率が15%未満の場合には、耐酸化性が低下する。一方、Crの含有率が25%を超えると、M23C6型炭化物の析出を著しく促進することによって粗大化傾向を高める。また、有害相であるσ相の析出により機械的強度が低下する。そのため、Crの含有率を15〜25%とした。さらに好ましいCrの含有率は、15〜20%である。
Coは、Ni基合金において、母相内に固溶して母相の機械的強度を向上させる。しかしながら、Coの含有率が15%を超えると、機械的強度を低下させる金属間化合物相を生成し、機械的強度が低下する。一方、Coの含有率が10%未満の場合には、鋳造性が低下し、さらに機械的強度が低下する。そのため、Coの含有率を10〜15%とした。さらに好ましいCoの含有率は、10〜13%である。
Moは、Ni母相中に固溶して母相の機械的強度を向上させる効果を有し、また、M6C、M23C6型炭化物中に一部が置換することによって炭化物の安定性を高める。Moの含有率が5%未満の場合には、上記した効果が発揮されない。一方、Moの含有率が12%を超えると、大型鋳塊作製時の成分偏析傾向が増加するとともに、σ相析出により機械的強度が低下する。そのため、Moの含有率を5〜12%とした。さらに好ましいMoの含有率は、8〜10%である。
Alは、Niとともにγ’(Ni3Al)相を生成し、析出によるNi基合金の機械的強度を向上させる。Alの含有率が0.5%未満の場合には、従来鋼と比べて機械的強度の向上が図れない。一方、Alの含有率が2%を超えると、大気鋳造において酸化が著しい。そのため、Alの含有率を0.5〜2%とした。さらに好ましいAlの含有率は、0.5〜1.4%である。
Tiは、γ’(Ni3Al)相中のAlと置換してγ’(Ni3(Al,Ti))となり、γ’相の固溶強化に役立つ元素である。Tiの含有率が0.3%未満の場合には、上記した効果が発揮されない。一方、Tiの含有率が2%を超えると、大気鋳造において酸化が著しい。そのため、Tiの含有率を0.3〜2%とした。さらに好ましいTiの含有率は、0.3〜1.5%である。
Bは、Ni母相中に析出して母相の機械的強度を向上させる効果を有する。Bの含有率が0.001%未満の場合には、母相の機械的強度を向上させる効果が発揮されない。一方、Bの含有率が0.006%を超えると、粒界脆化を招く恐れがある。そのため、Bの含有率を0.001〜0.006%とした。さらに好ましいBの含有率は、0.002〜0.005%である。
鋳造の場合、Siは鋳造時の湯流れを向上させる効果がある。Siの含有率が0.15%未満の場合には、上記した効果が発揮されない。一方、Siの含有率が0.5%を超えると、鋳造性や機械的強度を低下させる。そのため、Siの含有率を0.15〜0.5%とした。さらに好ましいSiの含有率は、0.2〜0.4%である。
普通鋼の場合、Mnの添加によって、脆性に起因するS(イオウ)をMnSとし、脆性を防止することができる。Mnの含有率が0.15%未満の場合には、上記した効果が発揮されない。一方、Mnの含有率が0.5%を超えると、機械的強度を低下させる。そのため、Mnの含有率を0.15〜0.5%とした。さらに好ましいMnの含有率は、0.2〜0.4%である。
Taは、γ’(Ni3(Al,Ti))相に固溶して、γ’相を強化し、γ’相の安定化を図ることができる。Taの含有率が0.05%未満の場合には、上記した効果において従来鋼と比べて向上がみられない。一方、Taの含有率が1%を超えると、経済性が損なわれ、製造コストが増加する。そのため、Taの含有率を0.05〜1%とした。さらに好ましいTaの含有率は、0.05〜0.5%である。
Nbは、Taと同様に、γ’(Ni3(Al,Ti))相に固容して、γ’相を強化し、安定化させる。Nbは、Taに比べ価格が安く、経済的である。Nbの含有率が0.025%未満の場合には、上記した効果において従来鋼と比べて向上がみられない。一方、Nbの含有率が0.5%を超えると、機械的強度は向上するが、鋳造性が低下する。そのため、Nbの含有率を0.025〜0.5%とした。さらに好ましいNbの含有率は、0.1〜0.5%である。
Cu、Fe、P、SおよびNは、実施の形態の鋳造用Ni基合金においては、不可避的不純物に分類されるものである。これらの不可避的不純物は、可能な限りその残存含有率を0%に近づけることが好ましい。これらの不可避的不純物の中でも、Nは、材料中のTiと反応することでTiNを形成し、γ’相の生成に寄与するTiを減少させ、結果として強度低下を招く。Nの含有率を0.01%以下に制限することで、上記した強度低下を防止することができる。そのため、Nの残存含有率を0.01%以下とし、可能な限り0%に近づけることとした。
ここでは、実施の形態の鋳造用Ni基合金が、高温強度特性および鋳造性に優れていることを説明する。
表1は、高温強度特性および鋳造性の評価に用いられた試料1〜試料23の化学組成を示す。なお、試料1〜試料9は本実施の形態の化学組成範囲にあるNi基合金であり、試料10〜試料23は、その組成が本実施の形態の化学組成範囲にないNi基合金であり、比較例である。なお、ここで使用した本発明の化学組成範囲にあるNi基合金には、不可避的不純物として、Fe、Cu、Sが含まれている。
ここでは、上記した試料3の化学組成を有するNi基合金にいて、時効処理の温度を変化させ、高温強度特性および鋳造性を評価した。
Claims (8)
- 質量%で、C:0.01〜0.1、Cr:15〜25、Co:10〜15、Mo:5〜12、Al:0.5〜2、Ti:0.3〜2、B:0.001〜0.006、Ta:0.05〜1、Si:0.15〜0.5、Mn:0.15〜0.5を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなり、
結晶粒界に沿って塊状かつ断続的に析出したMoを主成分とする炭化物、および結晶粒内に粒状に析出したガンマプライム相を有することを特徴とする鋳造用Ni基合金。 - 質量%で、C:0.01〜0.1、Cr:15〜25、Co:10〜15、Mo:5〜12、Al:0.5〜2、Ti:0.3〜2、B:0.001〜0.006、Nb:0.025〜0.5、Si:0.15〜0.5、Mn:0.15〜0.5を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなり、
結晶粒界に沿って塊状かつ断続的に析出したMoを主成分とする炭化物、および結晶粒内に粒状に析出したガンマプライム相を有することを特徴とする鋳造用Ni基合金。 - 質量%で、C:0.01〜0.1、Cr:15〜25、Co:10〜15、Mo:5〜12、Al:0.5〜2、Ti:0.3〜2、B:0.001〜0.006、Si:0.15〜0.5、Mn:0.15〜0.5、Taが0.05〜1質量%含まれると想定したきのTaのモル数と同じモル数になるように、Taの一部をNbに置き換えてTaとNbを含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなり、
結晶粒界に沿って塊状かつ断続的に析出したMoを主成分とする炭化物、および結晶粒内に粒状に析出したガンマプライム相を有することを特徴とする鋳造用Ni基合金。 - Alを0.5〜1.4質量%含有していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の鋳造用Ni基合金。
- AlとTiとを合計して1〜3質量%含有していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の鋳造用Ni基合金。
- 前記不可避的不純物のうち、少なくともNが0.01%以下に抑制されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の鋳造用Ni基合金。
- 請求項1乃至6のいずれか1項記載の鋳造用Ni基合金を製造する際に、
1150〜1200℃の温度で溶体化処理を施し、950〜1050℃の温度で第1時効処理を施すことによって、前記炭化物を析出させ、
750〜850℃の温度で第2時効処理を施すことによって、前記ガンマプライム相を析出させたことを特徴とする鋳造用Ni基合金の製造方法。 - 請求項1乃至6のいずれか1項記載の鋳造用Ni基合金を用いて、少なくとも所定部位が作製されたことを特徴とするタービン鋳造部品。
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