JP6248117B2 - ニッケル基超合金および物品 - Google Patents
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Description
本発明は、概して、過酷な高温のガスタービン環境での使用に適した組成物およびその組成物からなる物品に関する。
ニッケル基単結晶超合金は、航空エンジン全体にわたりタービン動翼、ノズルおよびシュラウド用途で広範囲に使用されている。航空エンジンのエンジン性能を向上させるための設計は、主にクリープ強度（耐クリープ性）向上の形でますます高い高温性能を有する合金を要求している。耐クリープ性の向上ももたらすＴａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｍｏなどの固溶強化元素を増量させた合金は、一般に、相安定性の低下、密度の増加、および耐環境性の低下を示す。近年では、熱機械的疲労（ＴＭＦ）耐性がタービン部品の制約的な設計基準になっている。温度勾配が、クリープ、疲労および酸化の複雑な組み合わせによって損傷を進行させる繰返し熱誘起歪みを引き起こす。一方向凝固超合金は、歴史的に繰返し損傷耐性向けには開発されていなかった。しかしながら、エンジン効率向上のために、繰返し損傷耐性の向上が望まれている。
単結晶超合金は、合金組成および高温機械的特性上の類似性に基づいて４つの世代に分類することができる。いわゆる第１世代の単結晶超合金はレニウムを含有していない。第２世代超合金は、通常、約３重量％のレニウムを含有している。第３世代超合金は、耐熱金属の含有量を上げるとともにクロムレベルを下げることによって、温度性能および耐クリープ性を向上させるよう設計されている。例示の合金では、レニウムレベルが約５．５重量％、クロムレベルが２〜４重量％の範囲である。第４および第５世代合金は、レニウムと、ルテニウムなどの他の耐熱金属のレベルを増量させて含有している。
第２世代合金は、比較的安定した微細構造を有しているが、非常に強度が低い。第３および第４世代合金は、耐熱金属を高レベルに添加することによって強度を向上させている。例えば、これらの合金は、高レベルのタングステン、レニウムおよびルテニウムを含有している。これらの耐熱金属は、ニッケル基よりもはるかに高密度であり、そのため、これら耐熱金属の添加によって合金全体の密度が増大する。例えば、第４世代合金は、第２世代合金よりも約６％も重い場合がある。これら第３および第４世代合金は、その重量とコストの増大により、特別な用途にのみ使用が制限されている。第３および第４世代合金は、長期的な機械的特性に影響を及ぼす恐れのある、微細構造の不安定性によっても制約されている。
合金の各後続世代は、前世代のクリープ強度と温度性能を向上させようと努力して開発された。例えば、第３世代超合金は、第２世代超合金と比較して華氏５０度（約２８℃）のクリープ性能の向上をもたらしている。第４および第５世代超合金は、レニウム、タングステン、タンタル、モリブデンなどの高レベルの固溶強化元素と、ルテニウムの添加によって達成されたクリープ強度のさらなる向上をもたらしている。
一方向凝固超合金のクリープ性能が世代を経て向上するにつれて、連続サイクル疲労耐性および保持時間繰返し損傷耐性も向上してきた。これら破断強度および疲労強度の向上は、上述したように、合金密度とコストの上昇を伴ってきた。加えて、一方向凝固超合金中の耐熱性元素を増量し続けることに対して、微細構造上および環境面での不利益が存在する。例えば、第３世代超合金は、トポロジカル最密充填相（ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｌｏｓｅ−ｐａｃｋｅｄ ｐｈａｓｅｓ）（ＴＣＰ）がそれほど安定しておらず、二次反応帯（ＳＲＺ）を形成する傾向がある。十分な微細構造安定性を維持するのに必要なクロムのレベルを低減させると、超合金の次世代での耐環境性の低下を招く。
繰返し損傷耐性は、保持時間または持続ピーク低サイクル疲労（ＳＰＬＣＦ）試験によって定量化されるが、それは単結晶タービン動翼合金にとって重要な特性要件である。第３および第４世代単結晶超合金は、高密度、レニウムおよびルテニウムが存在することによる高コスト、被覆状態下での微細構造不安定性（ＳＲＺ形成）、および不十分なＳＰＬＣＦ寿命という不利点を有する。
したがって、十分な耐クリープ性と耐酸化性を維持しながら、レニウムおよびルテニウムをそれほど含有せず、ＳＰＬＣＦ寿命を延長させるとともに、ＳＲＺ形成を少なくして微細構造安定性を向上させた単結晶超合金組成物を提供することが望ましい。
均衡のとれた耐クリープ性と耐酸化性はもとより、既知の合金と比較して、低密度で、レニウムおよびルテニウム含有量が低く、低コストで、ＳＰＬＣＦ耐性が向上し、ＳＲＺ形成が少ない、タービン動翼用途の耐疲労性ニッケル基単結晶超合金を様々な例示の実施形態で説明する。
例示の一実施形態によれば、組成物は、アルミニウム約５〜約７重量％、タンタル約４〜約８重量％、クロム約３〜約８重量％、タングステン約３〜約７重量％、モリブデン１〜約５重量％、レニウム１．５〜約５重量％、コバルト５〜約１４重量％、ハフニウム約０〜約１重量％、炭素約０．０１〜約０．０３重量％、ホウ素約０．００２〜約０．００６重量％、および残りのニッケルと不可避不純物を含有する。本発明の実施形態によれば、上記組成物は、華氏１８００度／４５ｋｓｉにおいて少なくとも約４０００サイクルの持続ピーク低サイクル疲労寿命を示すことができる。
本明細書に開示された例示の実施形態は、アルミニウム約５〜約７重量％、タンタル約４〜約８重量％、クロム約３〜約８重量％、タングステン約３〜約７重量％、モリブデン１〜約５重量％、レニウム１．５〜約５重量％、コバルト５〜約１４重量％、ハフニウム約０〜約１重量％、炭素約０．０１〜約０．０３重量％、ホウ素約０．００２〜約０．００６重量％、および残りのニッケルと不可避不純物を含む組成を有する実質的に単結晶からなる、ガスタービンエンジンの動翼、ノズル、シュラウド、スプラッシュプレート、燃焼器などの物品を備えている。本発明の実施形態によれば、上記組成は、華氏１８００度／４５ｋｓｉにおいて少なくとも約４０００サイクルの持続ピーク低サイクル疲労寿命を示すことができる。
本発明として見なされる主題は、明細書の末尾部分において特に指摘され、明確に主張される。しかしながら、本発明は、添付の図面とともに以下の説明を参照することによってもっともよく理解することができる。
本発明は、タービン動翼用途のニッケル基単結晶超合金の化学的性質について述べる。超合金は、均衡のとれた耐クリープ性と耐酸化性はもとより、既知の合金と比較して、密度低減、レニウムおよびルテニウム含有量の低減、コスト低減、ＳＰＬＣＦ耐性の向上、ＳＲＺ形成の抑制をもたらす。耐疲労性の向上は、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｃｏ、Ｃｒなどのガンマ強化剤の量を制御して合金の強度、耐酸化性、耐クリープ性の均衡をとること、およびＡｌ、Ｔａ、Ｈｆの濃度を制御してガンマプライム相の体積分率を制御することによって達成された。本発明は様々な例示の実施形態で説明される。
図面を参照して、図１は、ガスタービン動翼１０として図示されたガスタービンエンジンの部品を示す。ガスタービン動翼１０は、翼型１２、横方向に延びるプラットフォーム１６、ガスタービン動翼１０をタービンディスク（図示せず）に取り付けるあり継ぎ形状の取り付け具１４を備えている。一部の部品では、多数の冷却路が、翼型１２の内部を貫通して延びており、翼型１２表面の開口１８で終わっている。
例示の一実施形態では、部品１０は実質的に単結晶である。すなわち、部品１０は、少なくとも約８０容量パーセント、より好ましくは少なくとも約９５容量パーセントの、単結晶方位を有する単一結晶粒である。わずかな体積分率の他の結晶方位や、小角粒界によって分離された領域が存在してもよい。単結晶構造は、合金組成物の、通常は単結晶および単一結晶粒方位の成長を誘起する種結晶または他の構造からの一方向凝固によって作製される。
本明細書に述べる例示の合金組成物は、ガスタービン動翼１０に使用が限定されず、ガスタービンのノズル、静翼、シュラウド、他のガスタービンエンジン用部品など、他の物品でも使用することができる。
本明細書に開示された例示の実施形態は、ＳＰＬＣＦ耐性および耐破断性を向上させた合金の独特な合金化方法を提供すると考えられる。下記の表Ｉは、本発明の合金に含まれる元素に関する例示の濃度範囲を重量％で表している。範囲として示されたすべての量は、各元素について端点と部分範囲を含むと解釈されるべきである。
本明細書に開示された例示の実施形態は、ガンマプライム強度を高めるようにタンタルを含有してもよい。例示の実施形態は、約４〜約８重量％のタンタルを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約４．５〜約８重量％のタンタルを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約６〜約８重量％のタンタルを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約４〜約６重量％のタンタルを含有してもよい。
本明細書に開示された例示の実施形態は、高温耐食性を向上させるようにクロムを含有してもよい。例示の実施形態は、約３〜約８重量％のクロムを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約４〜約６．５重量％のクロムを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約４．３〜約６．５重量％のクロムを含有してもよい。本明細書に開示された他の例示の実施形態は、約４．５〜約５重量％のクロムを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約５〜約６．５重量％のクロムを含有してもよい。本明細書に開示された他の例示の実施形態は、約５．５〜約６重量％のクロムを含有してもよい。
本明細書に開示された例示の実施形態は、強化剤としてタングステンを含有してもよい。例示の実施形態は、約３〜約７重量％のタングステンを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約３〜約６重量％の量でタングステンを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約４〜約６重量％の量でタングステンを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約３．５〜約６．５重量％の量でタングステンを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約３．５〜約６重量％の量でタングステンを含有してもよい。
本明細書に開示された例示の実施形態は、固溶強化性を付与するようにモリブデンを含有してもよい。例示の実施形態は、約１〜約５重量％のモリブデンを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約２〜約５重量％の量でモリブデンを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約２〜約４重量％の量でモリブデンを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約２〜約３重量％の量でモリブデンを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約１．５〜約４重量％の量でモリブデンを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約１．５〜約２．５重量％の量でモリブデンを含有してもよい。
本明細書に開示された例示の実施形態は、ガンマ相に分配する強力な固溶強化剤であって、ガンマプライムの粗大化を抑制する低速拡散元素でもあるレニウムを含有してもよい。例示の実施形態は、約１．５〜約５重量％のレニウムを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約２．５〜約４．５重量％の間のレベルでレニウムを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約３〜約４．２重量％の間のレベルでレニウムを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約３〜約４重量％の間のレベルでレニウムを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約２．５〜約４．５重量％の間のレベルでレニウムを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約３．５〜約４．２重量％の間のレベルでレニウムを含有してもよい。
本明細書に開示された例示の実施形態は、コバルトを含有してもよい。例示の実施形態は、約５〜約１４重量％のコバルトを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約７〜約１２．５重量％のコバルトを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約９〜約１２重量％のコバルトを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約５〜約８重量％のコバルトを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約６．５〜約７．５重量％のコバルトを含有してもよい。
本明細書に開示された例示の実施形態は、被覆合金の耐酸化性と高温耐食性を向上させるハフニウムを任意選択で含有してもよい。ハフニウムは、遮熱コーティングの寿命を向上させることができる。例示の実施形態は、約０〜約１重量％のハフニウムを含有してもよい。他の例示の実施形態は、約０．２〜約０．６重量％のハフニウムを含有してもよい。
本明細書に開示された例示の実施形態は、炭素を含有してもよい。例示の実施形態は、約０．０１〜約０．０３重量％の炭素を含有してもよい。他の例示の実施形態は、約０．０１５〜約０．０２５重量％の炭素を含有してもよい。
本明細書に開示された例示の実施形態は、小角粒界に耐性を付与するようにホウ素を含有してもよい。例示の実施形態は、約０．００２〜約０．００６重量％のホウ素を含有してもよい。他の例示の実施形態は、約０．００２５〜約０．００５５重量％のホウ素を含有してもよい。他の例示の実施形態は、約０．００３〜約０．００５重量％のホウ素を含有してもよい。他の例示の実施形態は、約０．００３５〜約０．００４５重量％のホウ素を含有してもよい。
例示の一実施形態によれば、組成物は、アルミニウム約５〜約７重量％、タンタル約４〜約８重量％、クロム約３〜約８重量％、タングステン約３〜約７重量％、モリブデン１〜約５重量％、レニウム１．５〜約５重量％、コバルト５〜約１４重量％、ハフニウム約０〜約１重量％、炭素約０．０１〜約０．０３重量％、ホウ素約０．００２〜約０．００６重量％、および残りのニッケルと不可避不純物を含有する。
別の実施形態では、組成物は、アルミニウム約５．５〜約６．５重量％、タンタル約４．５〜約８重量％、クロム約４〜約６．５重量％、タングステン約３〜約６重量％、モリブデン２〜約５重量％、レニウム２．５〜約４．５重量％、コバルト７〜約１２．５重量％、ハフニウム約０．２〜約０．６重量％、炭素約０．０１５〜約０．０２５重量％、ホウ素約０．００２５〜約０．００５５重量％、および残りのニッケルと不可避不純物を含有する。
さらに別の実施形態では、組成物は、アルミニウム約５．５〜約６．５重量％、タンタル約６〜約８重量％、クロム約４．３〜約６．５重量％、タングステン約４〜約６重量％、モリブデン２〜約４重量％、レニウム３〜約４．２重量％、コバルト７〜約１２．５重量％、ハフニウム約０．２〜約０．６重量％、炭素約０．０１５〜約０．０２５重量％、ホウ素約０．００３〜約０．００５重量％、および残りのニッケルと不可避不純物を含有する。
別の実施形態では、組成物は、アルミニウム約５．５〜約６．２重量％、タンタル約６〜約８重量％、クロム約４．５〜約５重量％、タングステン約４〜約６重量％、モリブデン２〜約３重量％、レニウム３〜約４重量％、コバルト９〜約１２．０重量％、ハフニウム約０．２〜約０．６重量％、炭素約０．０１５〜約０．０２５重量％、ホウ素約０．００３５〜約０．００４５重量％、および残りのニッケルと不可避不純物を含有する。
さらに別の実施形態では、組成物は、アルミニウム約６．１〜約６．５重量％、タンタル約４〜約６重量％、クロム約５〜約６．５重量％、タングステン約３．５〜約６．５重量％、モリブデン１．５〜約４重量％、レニウム２．５〜約４．５重量％、コバルト５〜約８重量％、ハフニウム約０．２〜約０．６重量％、炭素約０．０１５〜約０．０２５重量％、ホウ素約０．００３〜約０．００５重量％、および残りのニッケルと不可避不純物を含有する。
別の実施形態では、組成物は、アルミニウム約６．２〜約６．４重量％、タンタル約４〜約６重量％、クロム約５．５〜約６重量％、タングステン約３．５〜約６重量％、モリブデン１．５〜約２．５重量％、レニウム３．５〜約４．２重量％、コバルト６．５〜約７．５重量％、ハフニウム約０．２〜約０．６重量％、炭素約０．０１５〜約０．０２５重量％、ホウ素約０．００３５〜約０．００４５重量％、および残りのニッケルと不可避不純物を含有する。
本明細書に開示された例示の実施形態は、アルミニウム約５〜約７重量％、タンタル約４〜約８重量％、クロム約３〜約８重量％、タングステン約３〜約７重量％、モリブデン１〜約５重量％、レニウム１．５〜約５重量％、コバルト５〜約１４重量％、ハフニウム約０〜約１重量％、炭素約０．０１〜約０．０３重量％、ホウ素約０．００２〜約０．００６重量％、および残りのニッケルと不可避不純物を含む組成を有する実質的に単結晶からなる、ガスタービンエンジンの動翼、ノズル、シュラウド、スプラッシュプレート、燃焼器などの物品を備えている。
本発明にかかる例示の組成および参考組成を図２に示す。図２に示すように、合金Ａ１〜Ａ６は、本発明にかかる組成を有する。参考合金Ｒ１〜Ｒ５は、上述したように、本発明にかかる組成範囲外の組成を有する。図２は、合金Ａ１〜Ａ６および参考合金Ｒ１〜Ｒ５に関して、華氏１８００度／４５ｋｓｉにおける持続ピーク低サイクル疲労（ＳＰＬＣＦ）耐性（サイクル）と、華氏２０００度／２０ｋｓｉにおける破断寿命（時間）も示す。
ＳＰＬＣＦ試験は、華氏１８００度において４５ｋｓｉの擬似交番応力で２分間歪み制御された圧縮保持を施すことによって行われた。
図２に示すように、合金Ａ１、Ａ５およびＡ６は、参考合金Ｒ１〜Ｒ５よりもＳＰＬＣＦ耐性および耐破断性が高い。一般に、本発明の一実施形態にかかる合金は、華氏１８００度／４５ｋｓｉで約４０００サイクルを超えるＳＰＬＣＦと、華氏２０００度／２０ｋｓｉで約１５０時間を超える破断寿命を示す。具体的には、合金Ａ１は、約４１１１サイクルのＳＰＬＣＦと、約１５５時間の破断寿命を有する。また、本発明の別の実施形態にかかる合金は、一般に、華氏１８００度／４５ｋｓｉで約５０００サイクルを超えるＳＰＬＣＦと、華氏２０００度／２０ｋｓｉで約２００時間を超える破断寿命を示す。特に、Ａ５は、約５４９７サイクルのＳＰＬＣＦと、約２０３時間の破断寿命を有し、合金Ａ６は、約５２１９サイクルのＳＰＬＣＦと、約２１１時間の破断寿命を有する。
図３は、本発明にかかる例示の組成と参考組成について、華氏１８００度／４５ｋｓｉにおけるＳＰＬＣＦ寿命（サイクル）をＲｅとＲｕの総濃度（重量％）の関数として示すグラフである。図４は、本発明にかかる例示の組成と参考組成について、華氏２０００度／２０ｋｓｉにおける破断寿命（時間）をＲｅとＲｕの総濃度（重量％）の関数として示すグラフである。
図３および図４に示すように、本発明にかかる合金Ａ１、Ａ５およびＡ６は、Ｒｅ＋Ｒｕ濃度が同様の、またはより高い参考合金Ｒ１〜Ｒ５よりもＳＰＬＣＦ寿命および破断寿命がはるかに長い。特に、合金Ａ１およびＡ５のＲｅ＋Ｒｕ濃度は約４重量％であり、合金Ａ６のＲｅ＋Ｒｕ濃度は約３．５重量％である。参考合金Ｒ３〜Ｒ５は、合金Ａ１、Ａ５およびＡ６よりもＲｅ＋Ｒｕ濃度が高いが、合金Ａ１、Ａ５およびＡ６よりも短いＳＰＬＣＦ寿命および破断寿命を示している。
図２〜図４で要約されたデータからは、本発明に開示された例示の実施形態が、既知の合金よりも耐疲労性と耐クリープ性の組み合わせにおいて向上したことを実証していることがわかる。加えて、本発明の合金の利点は、参考合金の一部と比較してレニウムとルテニウムの総濃度が相対的に低いことによって、合金のコストが著しく低減されることである。
例示の実施形態は、合金の組成と一部の特性について説明したが、いかなる点でも本発明を制限していると解釈されるべきではない。
図５は、本発明にかかる物品を作製する方法を示すブロックフロー図である。参照符号２０で示すように、上述の組成を有する合金が作製される。合金は、参照符号２２で示すように、溶融され、実質的に単結晶として凝固させられる。単結晶物品を凝固させる技術は当分野で周知である。一般に、単結晶物品を凝固させる技術には、種結晶または成長阻害が物品における所望の単結晶方位を規定している状態で、型内で合金を物品の一端から一方向に凝固させることが含まれる。ほとんどの場合、物品は、タービン動翼またはタービン静翼の場合には、物品の長軸に対して平行な［００１］結晶方向で作製される。単結晶として凝固化した後、物品は、参照符号２４で示すように、任意の使用可能な技術で後処理される。後処理は、以下に限定されないが、合金の機械的特性を最適化させるための物品の熱処理、および／または物品の機械加工を含んでもよい。
本明細書は、例示の実施形態を用いて、最良の形態を含む本発明を開示するとともに、当分野の技術者による本発明の実施および使用を可能にしている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定されており、当分野の技術者が想起する他の例示の実施形態を含み得る。そのような他の例示の実施形態は、特許請求の範囲の文字通りの言葉と相違しない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文字通りの言葉とごくわずかな相違を有する等価の構造要素を含む場合には、特許請求の範囲に包含されることが意図されている。
１０ ガスタービン動翼、部品
１２ 翼型
１４ 取り付け具
１６ プラットフォーム
１８ 開口
１２ 翼型
１４ 取り付け具
１６ プラットフォーム
１８ 開口
Claims (7)
- １８００°Ｆ／４５ｋｓｉ（９８２℃／３１０ＭＰａ）において４０００サイクル以上の持続ピーク低サイクル疲労寿命を示すニッケル基単結晶超合金組成物であって、以下の（ａ）〜（ｃ）から選択される組成を有するニッケル基単結晶超合金組成物。
（ａ）６．４質量％のアルミニウム、
５．５質量％のタンタル、
６．０質量％のクロム、
４．０質量％のタングステン、
２．０質量％のモリブデン、
４．０質量％のレニウム、
７．５質量％のコバルト、
０．２０質量％のハフニウム、
０．０２質量％の炭素、
０．００４質量％のホウ素、
残部のニッケル及び不可避不純物からなる組成、
（ｂ）６．０質量％のアルミニウム、
６．５質量％のタンタル、
４．５質量％のクロム、
５．０質量％のタングステン、
２．５質量％のモリブデン、
４．０質量％のレニウム、
１２質量％のコバルト、
０．２０質量％のハフニウム、
０．０２質量％の炭素、
０．００４質量％のホウ素、
残部のニッケル及び不可避不純物からなる組成、
（ｃ）５．８質量％のアルミニウム、
７．０質量％のタンタル、
４．５質量％のクロム、
６．０質量％のタングステン、
２．５質量％のモリブデン、
３．５質量％のレニウム、
１０質量％のコバルト、
０．２０質量％のハフニウム、
０．０２質量％の炭素、
０．００４質量％のホウ素、
残部のニッケル及び不可避不純物からなる組成。 - １８００°Ｆ／４５ｋｓｉ（９８２℃／３１０ＭＰａ）において５０００サイクル以上の持続ピーク低サイクル疲労寿命を示す、請求項１に記載のニッケル基単結晶超合金組成物。
- ２０００°Ｆ／２０ｋｓｉ（１０９３℃／１３８ＭＰａ）において１５０時間以上の破断寿命を示す、請求項１又は請求項２に記載のニッケル基単結晶超合金組成物。
- ２０００°Ｆ／２０ｋｓｉ（１０９３℃／１３８ＭＰａ）において２００時間以上の破断寿命を示す、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のニッケル基単結晶超合金組成物。
- 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のニッケル基単結晶超合金組成物からなる単結晶物品。
- ガスタービンの動翼（１０）をなす、請求項５に記載の単結晶物品。
- ノズル、シュラウド、スプラッシュプレート及び燃焼器部品から選択されるガスタービンエンジン部品をなす、請求項５に記載の単結晶物品。
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