JP6266196B2 - 多元合金物品及びその製造方法 - Google Patents

Description

ヘビーデューティーガスタービン及びジェットエンジンのようなターボ機械は非常に過酷な環境で作動し、タービン部品、特にタービンホットセクションの部品は高い作動温度及び応力に曝露される。ホットセクション部品の機械的健全性を維持するため、２つの対策のいずれかが従前用いられていた。最初の対策では、冷却用空気を使用して、部品の有効温度を下げる。第２の対策では、応力を低減させるために部品を大型化する。しかし、これらの対策はタービンの効率を低下させ、コストを増大させるおそれがある。

タービン部品は、ホットセクションでの高い温度及び応力に耐えられるように、こうした厳しい条件に耐えることのできる材料から製造される。ある用途では、超合金はその溶融温度の９０％まで強度を維持するとともに優れた環境耐性を有するので、超合金がこれらの厳しい用途に用いられている。他の用途では、ニッケル基超合金が、ガスタービンエンジン全体、例えばタービンブレード、ノズル、ホイール、スペーサー、ディスク、スプール、ブリスク及びシュラウド用途に用いられている。温度及び応力の低い用途では、タービン部品の製造に鋼を使用し得る。しかし、従来の鋼は、必要とされる機械的特性要件を満たさないので、現時点では温度及び応力の高い用途には使用できない。

特に、高温（例えば約１０００°Ｆ超）で作動するヘビーデューティー陸用ガスタービンホイールに対しては、従来の鋼は必要な機械的特性を有していない。そのため、かかる用途には従前γ″相強化ニッケル基超合金が用いられてきた。しかし、かかる高温では、大半のγ″強化ニッケル基超合金の保持時間亀裂成長耐性（ＨＴＦＣＧ）は設計要件を満足しないことがある。

ヘビーデューティーガスタービンホイールについては、臨界的な機械的性質はホイールのボアからリムにかけて変化することに留意すべきである。例えば、ボアは破裂強さによって制限され、そのため最大引張強さを高くする必要がある。リムは材料のクリープ寿命及びＨＴＦＣＧ耐性によって制限される。多くのγ″ニッケル基超合金は高温で所要のＨＴＦＣＧ耐性を満たすことができない。

米国特許第７２３８００５号明細書

そこで、高応力／低温から高温／低応力に至る幅広い条件下でその機械的健全性を維持することのできる改良合金物品が望まれている。

本発明の例示的な実施形態では、物品は、外周からその内側に位置する所定の面まで延在する第１のセクションを含む。第１のセクションはナノ組織鉄合金を含む。本物品は、内周からその外側に位置する上記所定の面まで延在する第２のセクションを含む。第２のセクションは、上記ナノ組織鉄合金とは異なる１種以上の他の合金を含む。

本発明の別の例示的な実施形態では、ターボ機械部品について開示する。

本発明のさらに別の例示的な実施形態では、物品の製造方法について開示する。

本発明の実施形態の上記その他の特徴、態様及び利点については、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の符号は同様の部品を表す。

図１は、本発明の例示的な実施形態に係る多元合金物品の概略図である。 図２は、本発明の例示的な実施形態に係る二元合金ガスタービンホイールのトップダウン断面図である。

本明細書で用いる技術用語及び科学用語は、別途定義しない限り、本発明の属する技術分野の技術者によって通常理解されている意味をもつ。本明細書において「第１」、「第２」などの用語は、いかなる順序、量又は重要性をも意味するものではなく、ある構成要素を他の構成要素から区別するために用いる。単数形で記載したものであっても、数を限定するものではなく、そのものが少なくとも１つ存在することを意味する。範囲が開示されているときは、同じ成分又は性質に関するすべての範囲はその上下限を含み、独立に結合可能である（例えば、「約２５重量％以下、具体的には約５〜約２０重量％」という範囲は、「約５〜２５重量％」の上下限とその範囲内のすべての中間値を含む）。数量に用いられる「約」という修飾語は、標記の数値を含み、文脈毎に決まる意味をもつ（例えば、特定の数量の測定に付随する誤差範囲を含む）。

本発明は、広義には多元合金物品及びその製造方法に関し、具体的には、物品の外周からその内側に位置する所定の面まで延在するナノ組織鉄合金からなる第１のセクションと、物品の内周からその外側に位置する上記所定の面まで延在していて、第１のセクションに用いたナノ組織鉄合金とは異なる別の合金からなる第２のセクションとを有する二元合金物品に関する。なお、本明細書でいう「他の合金」という用語は、ナノ組織鉄合金とは異なる種類の合金をいう。また、実施形態によっては、２種以上の他の合金を第２のセクションに使用してもよい。

本明細書の以下の実施形態では、多元合金物品について開示する。例示的な実施形態では、二元合金物品はターボ機械部品を含む。物品は、物品の外周からその内側に位置する所定の面まで延在する第１のセクションを含む。第１のセクションはナノ組織鉄合金を含む。物品はさらに、物品の内周からその外側に位置する上記所定の面まで延在する第２のセクションを含む。第２のセクションはナノ組織鉄合金とは異なる１種以上の他の合金を含む。

図１を参照すると、本発明の例示的な実施形態に係る物品１０が示してある。図に示す実施形態では、物品１０は二元合金物品を含む。他の幾つかの実施形態では、物品１０は多元合金物品であってもよく、換言すれば、物品１０は３種以上の合金を含んでいてもよい。図に示す実施形態では、物品１０は、外周１４から所定の面１６まで延在する第１のセクション１２を含む。第１のセクション１２はナノ組織鉄合金を含む。物品１０はさらに、内周２０から所定の面１６まで延在する第２のセクション１８を含む。第２のセクション１８は、ナノ組織鉄合金とは異なる１種以上の他の合金を含む。ある実施形態では、物品１０はターボ機械部品である。他の実施形態では、物品１０は高温で作動する他の用途に応用することもできる。ある実施形態では、物品１０はヘビーデューティーガスタービンホイールである。別の実施形態では、物品１０はヘビーデューティーガスタービンスペーサーであってもよい。さらに別の実施形態では、物品１０は、航空宇宙用途に使用されるターボ機械部品である。さらに別の実施形態では、物品１０はジェットエンジンディスクであってもよい。

図２を参照すると、ターボ機械部品２２のトップダウン横断面が示してある。このターボ機械部品２２は上記の実施形態の物品１０と同様である。図に示す実施形態では、ターボ機械部品２２は二元合金部品を含む。他の幾つかの実施形態では、部品２２は多元合金部品であってもよく、換言すれば、部品２２は３種以上の合金を含んでいてもよい。例示した部品２２はヘビーデューティーガスタービンホイールである。

図示した実施形態では、部品２２は、リム２６（外周）から所定の面２８まで延在する第１のセクション２４を含む。第１のセクション２４はナノ組織鉄合金を含む。部品２２はさらに、ボア３２（内周）から所定の面２８まで延在する第２のセクション３０を含む。第２のセクション３０は、ナノ組織鉄合金とは異なる１種以上の他の合金を含む。本明細書の以下の記載は図２を参照して説明するが、以下の記載は図１の実施形態にも等しく適用できる。

上述の通り、臨界的な機械的性質は、ヘビーデューティータービンホイールのボアからリムにかけて変化する。例えば、ボアは破裂強さによって制限され、そのため最大引張強さを高くする必要がある。リムは材料のクリープ寿命及びＨＴＦＣＧ耐性によって制限される。従来のγ″ニッケル基超合金は高温で所要のＨＴＦＣＧ耐性を満足できない。

第１のセクション２４のナノ組織鉄合金（ＮＦＡ；nanostructured ferric alloy）は、ステンレス鋼マトリックスを非常に高密度（例えば約１０^１８ｍ^−３以上、又は約１０^２０ｍ^−３以上、さらには約１０^２２ｍ^−３以上）のナノメートル大（例えば約１〜約１００ｎｍ、又は約１〜約５０ｎｍ、又は約１〜約１０ｎｍ）の酸化チタン及びナノ組織鉄合金又は合金マトリックスの調製に用いた酸化物に由来する１種以上の他の元素を含むナノ構造体（nanofeature）で分散強化したものからなる。例えば、ＮＦＡの調製には、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムを使用することができ、その場合、ナノ構造体はイットリウム（Ｙ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚ）、ハフニウム（Ｈｆ）又はこれらの組合せを含んでいてもよい。合金マトリックスに由来する鉄、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、ケイ素、ニオブ、アルミニウム、ニオブ又はタンタルのような遷移金属もナノ構造体の生成に関与し得る。

ナノ組織鉄合金では、添加した酸化物の（実質的にすべてとはいえなくても）大部分が粉体摩砕時に合金マトリックス中に溶解し、圧密化プロセスで粉体を昇温したときにナノ構造体の生成に関与する。上述の通り、ナノ組織鉄合金中の新たな酸化物は、当初添加した酸化物の金属元素だけでなく、母材合金中に存在する遷移金属を含んでいることもある。ある実施形態では、ナノ組織鉄合金マトリックスはフェライト系ステンレス鋼を含む。他の幾つかの実施形態では、ナノ組織鉄合金マトリックスはマルテンサイト系、二相、オーステナイト系ステンレス又は析出硬化鋼を含んでいてもよい。

例示的な実施形態では、ナノ組織鉄合金は、約５〜約３０重量％のクロム、約０．１〜約２重量％のチタン、約０〜約５重量％のモリブデン、約０〜約５重量％のタングステン、約０〜約５重量％のマンガン、約０〜約５重量％のケイ素、約０〜約２重量％のニオブ、約０〜約２重量％のアルミニウム、約０〜約８重量％のニッケル、約０〜約２重量％のタンタル、約０〜約０．５重量％の炭素及び約０〜約０．５重量％の窒素、残部の鉄と不可避不純物、さらに数密度約１０^１８ｍ^−３以上の、酸化チタンとナノ組織鉄合金の形成時に添加した酸化物又は合金マトリックスに由来する１種以上の元素とを含むナノ構造体を含む。

別の例示的な実施形態では、ナノ組織鉄合金は、約９〜約２０重量％のクロム、約０．１〜約１重量％のチタン、約０〜約４重量％のモリブデン、約０〜約４重量％のタングステン、約０〜約２．５重量％のマンガン、約０〜約２．５重量％のケイ素、約０〜約１重量％のニオブ、約０〜約１重量％のアルミニウム、約０〜約４重量％のニッケル、約０〜約１重量％のタンタル、約０〜約０．２重量％の炭素及び約０〜約０．２重量％の窒素、残部の鉄と不可避不純物、さらに数密度約１０^２０ｍ^−３以上の、酸化チタンとナノ組織鉄合金の形成時に添加した酸化物又は合金マトリックスに由来する１種以上の元素とを含むナノ構造体を含む。

さらに別の例示的な実施形態では、ナノ組織鉄合金は、約９〜約１４重量％のクロム、約０．１〜約０．５重量％のチタン、約０〜約３重量％のモリブデン、約０〜約３重量％のタングステン、約０〜約１重量％のマンガン、約０〜約１重量％のケイ素、約０〜約０．５重量％のニオブ、約０〜約０．５重量％のアルミニウム、約０〜約２重量％のニッケル、約０〜約０．５重量％のタンタル、約０〜約０．１重量％の炭素及び約０〜約０．１重量％の窒素、残部の鉄と不可避不純物、さらに数密度約１０^２２ｍ^−３以上の、酸化チタンとナノ組織鉄合金の形成時に添加した酸化物又は合金マトリックスに由来する１種以上の元素とを含むナノ構造体を含む。

上述の通り、第２のセクション３０は、ナノ組織鉄合金とは異なる１種以上の他の合金を含む。ある実施形態では、他の合金はマルテンサイト系鋼を含み、ナノ組織鉄合金はマルテンサイト系鋼マトリックスを含む。別の実施形態では、他の合金はマルテンサイト系鋼を含み、ナノ組織鉄合金は非マルテンサイト系鋼マトリックスを含む。さらに別の実施形態では、他の合金はフェライト鋼を含み、ナノ組織鉄合金はフェライト鋼マトリックスを含む。さらに別の実施形態では、他の合金はフェライト鋼を含み、ナノ組織鉄合金は非フェライト鋼マトリックスを含む。さらに別の実施形態では、他の合金はオーステナイト系鋼を含み、ナノ組織鉄合金はオーステナイト系鋼マトリックスを含む。さらに別の実施形態では、他の合金はオーステナイト系鋼を含み、ナノ組織鉄合金は非オーステナイト系鋼マトリックスを含む。さらに別の実施形態では、他の合金は二相鋼を含み、ナノ組織鉄合金は二相鋼マトリックスを含む。さらに別の実施形態では、他の合金は二相鋼を含み、ナノ組織鉄合金は非二相鋼マトリックスを含む。さらに別の実施形態では、他の合金は析出硬化鋼を含み、ナノ組織鉄合金は析出硬化鋼マトリックスを含む。さらに別の実施形態では、他の合金は析出硬化鋼を含み、ナノ組織鉄合金は非析出硬化鋼マトリックスを含む。さらに別の実施形態では、他の合金はγ″相強化ニッケル基超合金を含み、ナノ組織鉄合金はフェライト系、マルテンサイト系、オーステナイト系又は二相鋼マトリックスを含む。さらに別の実施形態では、他の合金はγ′相強化ニッケル基超合金を含み、ナノ組織鉄合金はフェライト系、マルテンサイト系、オーステナイト系又は二相鋼マトリックスを含む。

上述の通り、ナノ組織鉄合金はリム２６から所定の面２８まで延在する第１のセクション２４に配置され、他の合金（例えばマルテンサイト系鋼）はボア３２から所定の面２８まで延在する第２のセクション３０に配置される。この所定の面２８は第１のセクション２４と第２のセクション３０との間の「遷移面」ということができる。第２のセクション３０の合金材料を第１のセクション２４のナノ組織鉄合金のマトリックス相として使用すると、部品２２の使用時に接合部で起こる材料の相互拡散の量を制限するように作用し、耐用年数が延びる。

部品２２は何種類かの方法で製造することができる。ある実施形態では、第１のセクション２４と第２のセクション３０を予め製造しておき、しかる後に互いに接合する。別の実施形態では、部品２２は、セクション２４とセクション３０を同時に圧密化し接合することによって製造される。ある実施形態では、方法は、第１のセクション２４と第２のセクション３０の一回熱処理を実施することを含む。

ある実施形態では、部品２２は鍛造接合で形成される。かかる実施形態では、製造プロセスは、ボア及びリムのプリフォームの等温鍛造と、ボア及びリムのプリフォームのＨＩＰ拡散接合と、接合線を局部的に変形させるための等温仕上鍛造作業と、ボア及びリムの性質及び接合線近傍の性質を最適化するための鍛造接合品の熱処理とを含む。

別の実施形態では、部品２２は、接合すべき材料に高速電子ビームを当てる電子ビーム溶接（ＥＢＷ）で形成される。電子の運動エネルギーが衝撃時に熱に変換されると材料が溶融する。溶接は、電子ビームの分散を防ぐため真空条件下で実施されることが多い。

さらに別の実施形態では、部品２２は固相接合技術で形成される。この技術は、ろう材を添加せずに、基本的に接合すべき母材の融点未満の温度で融合させる接合プロセスを伴う。固相接合としては、イナーシャ溶接、並進摩擦接合、線形摩擦接合、消耗ロッド摩擦接合、プロジェクション溶接などが挙げられる。

さらに別の実施形態では、部品２２は拡散接合又は活性化拡散接合によって形成される。かかる技術では、接合は、２つの合わせ面を、界面を越えた原子の相互交換を起こして界面が存在しなくなるようにすることのできる温度、時間及び圧力条件下で、互いに圧接したときに起こる。

さらに別の実施形態では、ＨＩＰ缶に、周囲に配置したナノ組織鉄合金粉体と、中心に配置した第２の合金粉体を充填する。次いで、缶を脱気し、ＨＩＰ処理して粉体を緻密化する。二元合金圧密成形体を所要の形状へと鍛造する。

部品２２は任意の適切な方法で成形できる。

本明細書では本発明の幾つかの特徴のみを例示し説明したが、当業者には多くの修正及び変化が自明であろう。従って、特許請求の範囲はかかる修正及び変化を本発明の技術的思想に属するものとして包含する。

１０ 物品
１２ 第１のセクション
１４ 外周
１６ 所定の面
１８ 第２のセクション
２０ 内周
２２ 部品
２４ 第１のセクション
２６ リム
２８ 所定の面
３０ 第２のセクション
３２ ボア

Claims (6)

1. 外周（１４）からその内側に位置する所定の面（１６）まで延在する第１のセクション（１２）であって、ナノ組織鉄合金からなる第１のセクション（１２）と、
   内周（２０）からその外側に位置する上記所定の面（１６）まで延在する第２のセクション（１８）であって、上記ナノ組織鉄合金とは異なる１種以上の他の合金からなる第２のセクション（１８）と
   を含む物品（１０）であって、
   前記ナノ組織鉄合金が、５〜３０重量％のクロム、０．１〜２重量％のチタン、０〜５重量％のモリブデン、０〜５重量％のタングステン、０〜５重量％のマンガン、０〜５重量％のケイ素、０〜２重量％のニオブ、０〜２重量％のアルミニウム、０〜８重量％のニッケル、０〜２重量％のタンタル、０〜０．５重量％の炭素及び０〜０．５重量％の窒素、残部の鉄と不可避不純物、さらに数密度１０¹⁸ｍ^-3以上の、酸化チタンと、イットリウム、アルミニウム、ジルコニウム、ハフニウム、鉄、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、ケイ素、ニオブ、タンタル又はこれらの組合せを含む１種以上の元素とを含むナノ構造体からなり、
   前記１種以上の他の合金が、マルテンサイト系鋼、フェライト鋼、オーステナイト系鋼、二相鋼、析出硬化鋼、又は１種以上のγ″相強化ニッケル基超合金もしくはγ′相強化ニッケル基超合金からなる、物品（１０）。
2. 前記ナノ組織鉄合金が、９〜２０重量％のクロム、０．１〜１重量％のチタン、０〜４重量％のモリブデン、０〜４重量％のタングステン、０〜２．５重量％のマンガン、０〜２．５重量％のケイ素、０〜１重量％のニオブ、０〜１重量％のアルミニウム、０〜４重量％のニッケル、０〜１重量％のタンタル、０〜０．２重量％の炭素及び０〜０．２重量％の窒素、残部の鉄と不可避不純物、さらに数密度１０²⁰ｍ^-3以上の、酸化チタンと前記１種以上の元素とを含むナノ構造体からなる、請求項１記載の物品（１０）。
3. 前記ナノ組織鉄合金が、９〜１４重量％のクロム、０．１〜０．５重量％のチタン、０〜３重量％のモリブデン、０〜３重量％のタングステン、０〜１重量％のマンガン、０〜１重量％のケイ素、０〜０．５重量％のニオブ、０〜０．５重量％のアルミニウム、０〜２重量％のニッケル、０〜０．５重量％のタンタル、０〜０．１重量％の炭素及び０〜０．１重量％の窒素、残部の鉄と不可避不純物、さらに数密度１０²²ｍ^-3以上の、酸化チタンと前記１種以上の元素とを含むナノ構造体からなる、請求項２記載の物品（１０）。
4. 当該物品（１０）がターボ機械部品からなる、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の物品（１０）。
5. 物品（１０）の製造方法であって、
   ５〜３０重量％のクロム、０．１〜２重量％のチタン、０〜５重量％のモリブデン、０〜５重量％のタングステン、０〜５重量％のマンガン、０〜５重量％のケイ素、０〜２重量％のニオブ、０〜２重量％のアルミニウム、０〜８重量％のニッケル、０〜２重量％のタンタル、０〜０．５重量％の炭素及び０〜０．５重量％の窒素、残部の鉄と不可避不純物、さらに数密度１０¹⁸ｍ^-3以上の、酸化チタンと、イットリウム、アルミニウム、ジルコニウム、ハフニウム、鉄、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、ケイ素、ニオブ、タンタル又はこれらの組合せを含む１種以上の元素とを含むナノ構造体からなるナノ組織鉄合金からなる第１のセクション（１２）を形成し、
   上記ナノ組織鉄合金とは異なる１種以上の他の合金からなる第２のセクション（１８）を形成し、
   外周（１４）からその内側に位置する所定の面（１６）まで延在する第１のセクション（１２）と、内周（２０）からその外側に位置する上記所定の面（１６）まで延在する第２のセクション（１８）とを接合する
   ことを含む方法であって、
   前記１種以上の他の合金が、マルテンサイト系鋼、フェライト鋼、オーステナイト系鋼、二相鋼、析出硬化鋼、又は１種以上のγ″相強化ニッケル基超合金もしくはγ′相強化ニッケル基超合金からなる、方法。
6. 第１のセクション（１２）及び第２のセクション（１８）の一回熱処理を実施することをさらに含む、請求項５記載の方法。