JP6030250B1 - ケイ化ニオブ基複合材とそれを用いた高温部品及び高温熱機関 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明者らは、上記目的を達成すべく、合金の各添加元素のバランスをとり、高融点を維持し、かつ室温靭性を向上できるケイ化ニオブ基複合材について検討した。そして、組織制御に基づいて、適切な元素の添加でNb相の靭性を改善し、適切な熱処理工程を組み合わせることにより、強度と靭性が両立する可能性を見出した。より具体的には、延性に富むニオブベース結晶粒(粒子状のニオブ結晶)と、高温強度を有する微細な組織(例えば、ラメラー組織)とを組み合わせ、さらに適切な熱処理を組み合わせることにより、高温強度と常温靭性とを両立することを見出した。本発明は、該知見に基づくものである。
以下に上述した組織を有する本発明に係るケイ化ニオブ基複合材に含まれる各添加元素の働き及び好ましい組成範囲について説明する。なお、本発明において「ニオブ結晶」は、ニオブ単体(Nb)の結晶及びニオブ固溶体の結晶を含む。また、「ニオブシリサイド」は、ニオブ及びシリコンを含む化合物であればよく、その他の組成等については特に限定されるものではない。
Nb‐Si系の二元系合金は、その状態図により、Si:18.7at%付近に共晶点がある。共晶点の付近では、室温で靭性が大きいニオブ相が連続相になり易い。Siの含有量が13at%未満では、シリサイド相(強化相)が少ないため、高温強度が足りない。一方、Siの含有量が23at%より大きいと、シリサイド相が多いため、硬くて脆い材料になり、靭性の確保が難しい。また、他の元素の添加により、共晶点が前後にずれることがあるので、上記の範囲が望ましい。より望ましくは14〜20at%(14at%以上20at%以下)の範囲であり、更に望ましくは15〜19at%の範囲である。
従来の研究により、固溶強化により、高温強度を向上することができる。またCrは、高温耐酸化性に有効な元素である。更に、Crの添加で、Nb粒子を粗大化して低温靱性を向上することが可能である。そして、それらの効果がより顕著に現れるのは2.0at%以上の場合である。しかし、Cr量が多くなりすぎると、脆いLaves相が多く析出して靭性が低下する。そのため、他の合金元素とのバランスをとって、その上限を10at%とすることが望ましい。より望ましくは5.0〜10at%であり、更に望ましくは6.0〜9.0at%の範囲である。
Tiは、5.0at%以上である場合、Nb相に固溶することでケイ化ニオブ基複合材の靭性を向上する。しかし、Tiの添加量が23at%より多くなると、TiはSiとシリサイド(TiSi3又はTi5Si3)を形成し、それらのシリサイドは脆いため、複合材の室温靭性が低下する。更に、Tiは低融点であり、ケイ化ニオブ複合材の融点を低下することでケイ化ニオブ複合材の高温強度を低下する。より望ましくは7.0〜20at%であり、更に望ましくは9.0〜19at%である。
HfはNb5Si3への固溶により、Tiのニオブ相への固溶量を増加させる効果がある。その効果が顕著に現れるのは1.0at%以上からである。しかし、Hf量が多くなりすぎると、HfSi2が現れることで靭性および高温強度が低下する。そのために、Hfの上限を8.0at%とすることが望ましい。より望ましくは2.0〜6.0at%であり、更に望ましくは2.5〜5.0at%の範囲である。
Alの添加はHfと同様、ニオブ相へのTiの固溶量を増加させる効果がある。その効果が顕著に現れるのは0.5at%以上である。しかし、低融点元素であるAl量が多くなりすぎると、複合材の融点が低下し、高温強度が劣化する可能性がある。そのために、Alの上限を6.0at%とすることが望ましい。より望ましくは2.0〜4.0at%の範囲である。
Zrを添加することで、熱処理工程中においてNb3Siの共析分解速度を加速させて、ニオブ相粒子の粗大化に効果がある。その効果が顕著に現れるのは0.1at%以上である。しかし、Zr量が多くなりすぎると、シリサイド(ZrSi2)が現れることで靭性および高温強度が低下する。そのため、0.1〜8.0at%の範囲とすることが望ましい。より望ましくは1.5at%〜5.0at%であり、更に望ましくは2.0〜4.0at%である。
Snを添加することで、Nb‐Si金属間化合物のペスト酸化を抑制することが可能である。その効果が顕著に現れるのは0.10at%以上である。しかし、Snが多くなりすぎると、ケイ化ニオブ基複合材の融点が低下し、高温強度が低下する。そのために、Snの上限を6.0at%とすることが望ましい。より望ましい範囲は0.50〜5.0at%であり、更に望ましくは1.0〜4.0at%である。
Nbに固溶する強化元素として、MoとWを複合添加する理由は、いずれか一方のみの場合より、高温強度と靭性のバランスを得易いためである。W+Moの添加量が6.0〜8.0at%とすることがより望ましい。W+Mo合計6at%未満では、固溶効果が不十分である。高融点金属Wの添加は、ニオブ相を固溶強化することができる。WとMoの上限を8.0at%とする理由は、これより高いと、靭性が著しく低下するためである。Wのより望ましい範囲は0.60〜2.0at%であり、更に望ましい範囲は0.80〜1.6at%の範囲である。Moのより望ましい範囲は3.5〜7.0at%であり、更に望ましい範囲は3.8〜6.6at%である。
Bを添加することで、室温靱性が向上する。理由はまだ明らかではないが、Bの添加でNb結晶/Nbシリサイド組織の相界面強度が改善された可能性が考えられる。更に、Bの添加で、耐酸化性の改善も可能である。その効果が顕著に現れるのは0.20at%以上からである。しかし、B量が多くなりすぎると、偏析などにより、NbB2が現れることで靭性および高温強度が低下するおそれがある。そのために、Bの上限を5.0at%とすることが望ましい。より望ましくは0.50〜4.5at%の範囲であり、更に望ましくは0.50〜4.0原子%の範囲である。
本発明に係るケイ化ニオブ基複合材の製造方法は、次の工程を含む。すなわち、Nbを含む材料と、Siを含む材料と、上記Nb及びSi以外の適切な添加元素とを混合し、溶融する溶融工程と、溶融工程によって得られた溶融物を凝固する凝固工程と、凝固工程によって得られた凝固物を固体状態で熱処理する熱処理工程と、である。少なくとも、上記溶融工程によって得られた溶融物を凝固させる凝固工程と、上記凝固工程によって得られた凝固物を固体状態で熱処理する熱処理工程とを含んでいればよい。Nb又はSiを含む材料、添加物の種類、熱処理温度、及び製造設備・器具等の諸条件については、特に限定されるものではない。
図1は本発明に係るケイ化ニオブ基複合材を用いたガスタービンの一例を模式的に示す断面図である。図1の各部品に付した符号において、10はタービンスタブシャフト、3はタービンブレード、13はタービンスタッキングボルト、18はタービンスペーサ、19はデイスタントピース、20は初段ノズル、6はコンプレッサディスク、7はコンプレッサブレード、16はコンプレッサノズル、8はコンプレッサスタッキングボルド、9はコンプレッサスタブシャフト、4はタービンディスク、11は穴、15は燃焼器を示す。本発明に係るケイ化ニオブ基複合材は、上述したいずれの部品に適用されてもよいが、特に高温に曝されるタービンブレード3(タービン動翼及び静翼)に適用されることが好ましい。
Claims (14)
- Si:13〜23at%,Cr:2.0〜10at%,Ti:5.0〜23at%,Al:0.0〜6.0at%,Zr:0.10〜8.0at%,Hf:1.0〜8.0at%,W:0.0〜2.0at%,Sn:0.10〜6.0at%,Mo:3.1〜8.0at%及びB:0.20〜5.0at%を含み、残部がNbと不可避不純物であることを特徴とするケイ化ニオブ基複合材。
- WとMoの合計含有量が、6.0〜8.0at%であることを特徴とする請求項1記載のケイ化ニオブ基複合材。
- C、Ge、V、N、Fe及びInから成る群から選択された少なくとも1つの元素を更に含むことを特徴とする請求項1記載のケイ化ニオブ基複合材。
- ニオブ結晶粒と、ニオブシリサイドを含む化合物相と、前記化合物相に分散されたニオブ結晶粒と、を含み、前記ニオブシリサイドと前記化合物相に分散されたニオブ結晶粒とで構成されたラメラー組織を含むことを特徴とする請求項1記載のケイ化ニオブ基複合材。
- 前記ニオブ結晶粒の含有量が35〜65体積%であり、前記化合物相の含有量が35〜65体積%であることを特徴とする請求項4記載のケイ化ニオブ基複合材。
- さらに、析出相を含み、前記析出相の含有量が、5体積%以下であることを特徴とする請求項4記載のケイ化ニオブ基複合材。
- 前記析出相が、ラーベス相又はHf2Si相であることを特徴とする請求項6記載のケイ化ニオブ基複合材。
- 粗大な前記ニオブ結晶粒のネットワーク中に前記化合物相が分散していることを特徴とする請求項4記載のケイ化ニオブ基複合材。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載のケイ化ニオブ基複合材を用いたことを特徴とする高温部品。
- 前記高温部品が、ガスタービン用タービン動翼であることを特徴とする請求項9記載の高温部品。
- 前記高温部品が、ガスタービン用タービン静翼であることを特徴とする請求項9記載の高温部品。
- 請求項9記載の高温部品を用いたことを特徴とする高温熱機関。
- 前記高温熱機関がガスタービンであることを特徴とする請求項12記載の高温熱機関。
- 前記高温熱機関がジェットエンジンであることを特徴とする請求項12記載の高温熱機関。
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