JP6721289B2 - 物品及び物品の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ニッケル基超合金、ニッケル基超合金で形成された物品、及び物品の製造方法に関する。
ガスタービン及び航空エンジンの高温ガス通路部部品、特にタービンブレード、ベーン、ノズル、シール及び静止シュラウドは、しばしば２０００°Ｆを超える高温で稼働する。高温ガス通路部部品を形成するのに使用される超合金組成物は、しばしば、相当な量のタンタル（Ｔａ）を組み入れた単結晶組成物である。
本発明は、２００２年７月９日にＪｏｈｎ Ｈ．Ｗｏｏｄらに発行された米国特許第６４１６５９６号に開示され、特許請求された合金のクラスに対する改良であり、該特許は、１９７１年１０月２６日にＥａｒｌ Ｗ．Ｒｏｓｓに発行された米国特許第３６１５３７６号において開示、特許請求された合金のクラスに対する改良であった。両方の特許が本譲受人に譲渡され、参照によりそれらの全体において組み込まれる。上記合金のクラス内の公知の超合金組成物の１つを、本明細書において、「ＧＴＤ−１１１」と称する。ＧＴＤ−１１１は、該合金の重量％で、１４％のクロム、９．５％のコバルト、３．８％のタングステン、１．５％のモリブデン、４．９％のチタン、３．０％のアルミニウム、０．１％の炭素、０．０１％のホウ素、２．８％のタンタル、並びに残部のニッケル及び不可避不純物の公称組成を有する。ＧＴＤ−１１１は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙの登録商標である。
ＧＴＤ−１１１は、相当な濃度のチタン（Ｔｉ）及びタンタル（Ｔａ）を含有する。特定の条件では、η相が鋳型表面及び鋳物の内部に形成されることがあり、これが、結果として亀裂の発生を招く場合がある。ＧＴＤ−１１１を含めた、米国特許第６４１６５９６号において開示、特許請求された合金の特質は、金属間化合物Ｎｉ3Ｔｉの六方最密充填構造である「η」相、並びに凝固した合金中の偏析チタン金属の存在である。合金の凝固中、チタンは固／液界面の液側から拒絶される強い傾向を有し、これが凝固フロントにおけるチタンの偏析（局所的濃縮）につながり、最後に凝固する液体におけるη相の形成を促進する。チタンの偏析はまた、固相線温度を低減し、ガンマ／ガンマプライム（γ／γ’）共晶相の割合を増加させ、その結果凝固した合金中にミクロシュリンケージを増加させる。η相は、特に、そうした合金から鋳造される特定の物品を、最初の鋳造過程、並びに鋳造後処理、機械加工及び修繕過程中に廃棄処分させうる。さらに、η相が存在する結果として、使用時の曝露中に合金の機械的特性が劣化しうる。
η相の形成に加え、米国特許第６４１６５９６号において特許請求された合金のクラスでは、有害なＴＣＰ（トポロジー最密充填；topologically close packed）相（例えば、μ相及びσ相）が形成されやすい。ＴＣＰ相は、約１５００°Ｆ超の温度にさらされた後に形成される。ＴＣＰ相は脆性であるばかりではなく、これらが形成されることにより、所望の合金相から溶質元素が取り除かれ脆性相に濃縮することにより、合金の固溶強化能が低減され、その結果、意図した強度及び寿命の目標が達成されない。ごくわずかな量を超えたＴＣＰ相の形成は、合金の組成及び熱履歴から生じる。
過程及び／又は形成される部品の特性に改善点を有する物品及び方法が、当技術分野において望ましいであろう。
一実施形態では、物品は組成物を含み、組成物は、重量％で、約１３．７％〜約１４．３％のクロム（Ｃｒ）、約９．０％〜約１０．０％のコバルト（Ｃｏ）、約３．５％〜約３．９％のアルミニウム（Ａｌ）、約３．４％〜約３．８％のチタン（Ｔｉ）、約４．０％〜約４．４％のタングステン（Ｗ）、約１．４％〜約１．７％のモリブデン（Ｍｏ）、約１．５５％〜約１．７５％のニオブ（Ｎｂ）、約０．０８％〜約０．１２％の炭素（Ｃ）、約０．００５％〜約０．０４０％のジルコニウム（Ｚｒ）、約０．０１０％〜約０．０１４％のホウ素（Ｂ）、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物を含む。組成物はタンタル（Ｔａ）を実質的に含まず、η相及びＴＣＰ相が実質的に存在しないミクロ組織を含む。
別の実施形態では、物品の製造方法は、組成物を準備し、物品を形成することを含む。該方法は、重量％で、約１３．７％〜約１４．３％のクロム（Ｃｒ）、約９．０％〜約１０．０％のコバルト（Ｃｏ）、約３．５％〜約３．９％のアルミニウム（Ａｌ）、約３．４％〜約３．８％のチタン（Ｔｉ）、約４．０％〜約４．４％のタングステン（Ｗ）、約１．４％〜約１．７％のモリブデン（Ｍｏ）、約１．５５％〜約１．７５％のニオブ（Ｎｂ）、約０．０８％〜約０．１２％の炭素（Ｃ）、約０．００５％〜約０．０４０％のジルコニウム（Ｚｒ）、約０．０１０％〜約０．０１４％のホウ素（Ｂ）、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物の組成物を鋳造することを含む。組成物はタンタル（Ｔａ）を実質的に含まない。該方法は、組成物を熱処理して熱処理されたミクロ組織を形成することを含む。熱処理されたミクロ組織には、η相及びＴＣＰ相が実質的に存在しない。
本発明のその他の特徴及び利点が、本発明の原理を例として例示する添付の図面と併せた以下のより詳細な説明から明らかとなろう。
物品及び物品の製造方法が提供される。本開示の実施形態は、本明細書において開示される特徴の１つ以上を使用しない方法及び物品と比較して、耐食性が増す、耐酸化性が増す、低サイクル疲労寿命が長くなる、高サイクル疲労寿命が長くなる、クリープ寿命が増す、鋳造性が改善される、高温での相安定性が増す、コストが低減される、又はこれらの組合せを両立する。本開示の実施形態は、タンタル含有ニッケル基超合金と少なくとも同程度に有利な高温特性を有し、η相及びＴＣＰ相を含まないタンタル不含ニッケル基超合金を用いたガスタービン及びガスタービンエンジンの高温ガス通路部部品の製作を可能にする。
本発明の多様な実施形態の要素を導入するとき、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「該（ｔｈｅ）」、及び「前記（ｓａｉｄ）」は、要素が１つ以上存在することを意味することが意図される。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、非排他的（ｉｎｃｌｕｓｉｖｅ）であることが意図され、列挙された要素の他にさらなる要素が存在してもよいことを意味する。
一実施形態では、物品は、重量％で、約１３．７％〜約１４．３％のクロム（Ｃｒ）、約９．０％〜約１０．０％のコバルト（Ｃｏ）、約３．５％〜約３．９％のアルミニウム（Ａｌ）、約３．４％〜約３．８％のチタン（Ｔｉ）、約４．０％〜約４．４％のタングステン（Ｗ）、約１．４％〜約１．７％のモリブデン（Ｍｏ）、約１．５５％〜約１．７５％のニオブ（Ｎｂ）、約０．０８％〜約０．１２％の炭素（Ｃ）、約０．００５％〜約０．０４０％のジルコニウム（Ｚｒ）、約０．０１０％〜約０．０１４％のホウ素（Ｂ）、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物を含む組成物を含む。該組成物は、タンタル（Ｔａ）を含まないか、タンタル（Ｔａ）を微量元素としてしか含まない。別の実施形態では、タンタル（Ｔａ）は、組成物の約０．０１重量％未満又は約０．００１重量％未満の量で存在する。
本発明の一実施形態では、合金組成物中のチタンに対するアルミニウムの比が、０．９２〜１．１５又は０．９５〜１．１０又は約１．００である。
別の実施形態では、組成物は、重量％で、約１３．９％〜約１４．１％のクロム（Ｃｒ）、約９．２５％〜約９．７５％のコバルト（Ｃｏ）、約３．６％〜約３．８％のアルミニウム（Ａｌ）、約３．５％〜約３．７％のチタン（Ｔｉ）、約４．１％〜約４．３％のタングステン（Ｗ）、約１．５％〜約１．６％のモリブデン（Ｍｏ）、約１．６０％〜約１．７０％のニオブ（Ｎｂ）、約０．０９％〜約０．１１％の炭素（Ｃ）、約０．０１０％〜約０．０３０％のジルコニウム（Ｚｒ）、約０．０１１％〜約０．０１３％のホウ素（Ｂ）、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物を含む。別の実施形態では、組成物は、重量％で、約１４．０％のクロム（Ｃｒ）、約９．５０％のコバルト（Ｃｏ）、約３．７％のアルミニウム（Ａｌ）、約３．６％のチタン（Ｔｉ）、約４．２％のタングステン（Ｗ）、約１．５５％のモリブデン（Ｍｏ）、約１．６５％のニオブ（Ｎｂ）、約０．１０％の炭素（Ｃ）、約０．０２％のジルコニウム（Ｚｒ）、約０．０１２％のホウ素（Ｂ）、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物を含む。組成物はタンタル（Ｔａ）を含まないか、タンタル（Ｔａ）を微量元素としてしか含まない。
本開示による、組成物で形成された物品は、η相及びＴＣＰ相などのミクロ組織的不安定要素の形成を最小化するか、理想的には完全に回避しながら、ＧＴＤ−１１１などの従来の超合金の機械的特性以上の、超合金における機械的特性を達成する。例えば、本発明のニッケル基超合金鋳造物品は、すべてＧＴＤ−１１１に対して、耐食性、耐酸化性、長い低サイクル疲労寿命、長い高サイクル疲労寿命、増したクリープ寿命、改善された鋳造性、増した高温での相安定性、低コストの改善された組合せを有し、超合金ミクロ組織における高温でのη相の有害な形成及びＴＣＰ相の有害な形成を最小化又は排除する。ニッケル基超合金製物品は、クリープ寿命、並びに超合金ミクロ組織における高温でのη相及びＴＣＰ相の有害な形成が最小化又は排除されたミクロ組織的安定性の改善された組合せにより特徴付けられる。一実施形態では、本開示による組成物から形成されたミクロ組織には、η相が存在しない。一実施形態では、組成物から形成されたミクロ組織にはＴＣＰ相が存在しない。
一実施形態では、物品の製造方法は、組成物を準備し、組成物から物品を形成することを含む。別の実施形態では、組成物から物品を形成することは、鋳造を含むがこれに限定されない任意の適切な技術を含む。
上述のように、任意の鋳造法、例えば、造塊、インベストメント鋳造又はニアネットシェイプ鋳造を利用することができる。より複雑な部品を製造するのが望ましい実施形態では、溶融金属は、望ましくは、複雑な形状を有するタービンバケット、又は高温に耐えることが必要なタービン部品など、通常の製造技術では製造することが不可能な部品の製造に概してより適切でありうるインベストメント鋳造法により鋳造することができる。別の実施形態では、溶融金属は造塊法によりタービン部品に鋳造することができる。鋳造は、重力、圧力、不活性ガス又は真空条件を用いて実施することができる。いくつかの実施形態では、鋳造は真空中で実施される。
一実施形態では、鋳型中の溶融物は一方向凝固される。一方向凝固は、概して単結晶又は柱状構造、すなわち、成長の方向に細長い結晶粒を生じ、したがって、同軸鋳造物より高いクリープ強度をエーロフォイルにもたらし、いくつかの実施形態での使用に適している。一方向凝固では、樹枝状晶は一方向熱流に沿って配向され、柱状晶ミクロ組織（すなわち、ワークピースの全長にわたり、慣用される専門用語にしたがって、本明細書では一方向凝固物（ＤＳ）と称する結晶粒）を形成する。この過程において、無方向性の成長は必然的に横方向及び縦方向の結晶粒界を形成し、一方向凝固物（ＤＳ）の好ましい特性を逃がすため、球状（多結晶）凝固への移行は回避されなければならない。
ニッケル基合金を含む鋳造物品は、通常、強度を最適化するため、並びに耐クリープ性を増強するために、異なる熱処理に供される。いくつかの実施形態では、鋳物を、望ましくは、固相線温度とγ’ソルバス温度の間の温度で固溶化熱処理する。固相線は、合金が加熱中に溶融し始めるか、液相から冷却中に凝固し終える温度である。γ’ソルバスは、γ’相が加熱中にγマトリックス相中に完全に溶解するか、冷却中にγマトリックス相中に析出し始める温度である。そのような熱処理は通常、偏析の存在を低減させる。固溶化熱処理後、合金をγ’ソルバス温度未満で熱処理して、γ’析出物を形成させる。
本開示による、組成物で形成された物品は、従来の超合金組成物、例えばＧＴＤ−１１１などと比較して、微細な共晶領域を有する。形成された物品は、本開示の組成物により亀裂開始部位がより少ないことから、より長い低サイクル疲労（ＬＣＦ）寿命を有する。さらに、微細化共晶領域により、凝固過程において形成したγ’相のより多くが熱処理時に固溶化する結果にもなる。
一実施形態では、記載されたニッケル基合金は、ガスタービン又は航空エンジンの高温ガス通路部部品に加工され、高温ガス通路部部品は約２０００°Ｆ以上の温度にさらされる。別の実施形態では、高温ガス通路部部品は、バケット又はブレード、ベーン、ノズル、シール、燃焼器、及び静止シュラウドからなる群から選択される。一実施形態では、ニッケル基合金は、大型ガスタービン機用のタービンバケット（タービンブレードとも称する）に加工される。
実施例１
本開示による一方向凝固組成物は一方向凝固させ、２０５０°Ｆで２時間の固溶化熱処理に供し、１５５０°Ｆで４時間時効処理した。図１は、２つの異なる倍率における、鋳造した組成物の顕微鏡写真を示す。図１に示される通り、実施例１は、７５％が固溶化しており、試料の大部分にわたって１ミル未満の微細な共晶相を有するミクロ組織を含む。η相及びＴＣＰ相は試料中に存在しない。
本開示による一方向凝固組成物は一方向凝固させ、２０５０°Ｆで２時間の固溶化熱処理に供し、１５５０°Ｆで４時間時効処理した。図１は、２つの異なる倍率における、鋳造した組成物の顕微鏡写真を示す。図１に示される通り、実施例１は、７５％が固溶化しており、試料の大部分にわたって１ミル未満の微細な共晶相を有するミクロ組織を含む。η相及びＴＣＰ相は試料中に存在しない。
実施例２
本開示による一方向凝固組成物を、１５００°Ｆで１２０１時間のクリープ破断試験に供した。図２は、２つの異なる倍率における、試験した試料の生じたミクロ組織の顕微鏡写真を示す。図２に示される通り、実施例２は、η相を有しないバイモーダルγ’ミクロ組織を含み、ＴＣＰ相は試料中に存在しない。さらに、γ”相は試料中に同定されない。
本開示による一方向凝固組成物を、１５００°Ｆで１２０１時間のクリープ破断試験に供した。図２は、２つの異なる倍率における、試験した試料の生じたミクロ組織の顕微鏡写真を示す。図２に示される通り、実施例２は、η相を有しないバイモーダルγ’ミクロ組織を含み、ＴＣＰ相は試料中に存在しない。さらに、γ”相は試料中に同定されない。
図３は、本開示による実施例１の引張強さ及び降伏応力をＧＴＤ−１１１の相対的な結果に対して示す。図４は、本開示による実施例１の相対的な低サイクル疲労特性をＧＴＤ−１１１の相対的な結果に対して示す。図５は、本開示による実施例１の相対的な高サイクル疲労特性をＧＴＤ−１１１の相対的な結果に対して示す。図６は、本開示による実施例１の相対的な応力破断寿命をＧＴＤ−１１１の相対的な結果に対して示す。
本発明を１つ以上の実施形態を参照して記載したが、本発明の範囲から逸脱することなく、多様な変更を加えることができ、その要素を均等物で代替することができることが、当業者には理解されよう。さらに、特定の状況及び材料を本発明の教示に適合させるために、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、多くの修正を加えることができる。したがって、本発明が、本発明を実施するために企図された最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、本発明は添付の特許請求の範囲の範疇にあるすべての実施形態を包含することが意図される。
Claims (20)
- 組成物を含む物品であって、組成物が、質量％で、
１３．７％〜１４．３％のクロム（Ｃｒ）、
９．０％〜１０．０％のコバルト（Ｃｏ）、
３．５％〜３．９％のアルミニウム（Ａｌ）、
３．４％〜３．８％のチタン（Ｔｉ）、
４．０％〜４．４％のタングステン（Ｗ）、
１．４％〜１．７％のモリブデン（Ｍｏ）、
１．５５％〜１．７５％のニオブ（Ｎｂ）、
０．０８％〜０．１２％の炭素（Ｃ）、
０．００５％〜０．０４０％のジルコニウム（Ｚｒ）、
０．０１０％〜０．０１４％のホウ素（Ｂ）、
を含み、
残部ニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物であり、
組成物がタンタル（Ｔａ）を含まず、組成物がη相が存在しないミクロ組織を含む、物品。 - ミクロ組織にη相が存在しない、請求項１記載の物品。
- ミクロ組織にＴＣＰ相が存在しない、請求項１記載の物品。
- ミクロ組織にη相及びＴＣＰ相が存在しない、請求項１記載の物品。
- 組成物が一方向凝固されている、請求項１記載の物品。
- 組成物が、質量％で、
１３．９％〜１４．１％のクロム（Ｃｒ）、
９．２５％〜９．７５％のコバルト（Ｃｏ）、
３．６％〜３．８％のアルミニウム（Ａｌ）、
３．５％〜３．７％のチタン（Ｔｉ）、
４．１％〜４．３％のタングステン（Ｗ）、
１．５％〜１．６％のモリブデン（Ｍｏ）、
１．６０％〜１．７０％のニオブ（Ｎｂ）、
０．０９％〜０．１１％の炭素（Ｃ）、
０．０１０％〜０．０３０％のジルコニウム（Ｚｒ）、
０．０１１％〜０．０１３％のホウ素（Ｂ）、
残部ニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物
を含む、請求項１記載の物品。 - 組成物が、質量％で、１４．０％のクロム（Ｃｒ）、９．５０％のコバルト（Ｃｏ）、３．７％のアルミニウム（Ａｌ）、３．６％のチタン（Ｔｉ）、４．２％のタングステン（Ｗ）、１．５５％のモリブデン（Ｍｏ）、１．６５％のニオブ（Ｎｂ）、０．１０％の炭素（Ｃ）、０．０２％のジルコニウム（Ｚｒ）、０．０１２％のホウ素（Ｂ）、並びに残部ニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物を含む、請求項１記載の物品。
- 物品がガスタービン又は航空エンジンの高温ガス通路部部品であり、高温ガス通路部部品が１０９３．３°Ｃ（２０００°Ｆ）以上の温度にさらされる、請求項１記載の物品。
- 高温ガス通路部部品が、ブレード、ベーン、ノズル、シール及び静止シュラウドからなる群から選択される、請求項８記載の物品。
- 物品の製造方法であって、
質量％で、
１３．７％〜１４．３％のクロム（Ｃｒ）、
９．０％〜１０．０％のコバルト（Ｃｏ）、
３．５％〜３．９％のアルミニウム（Ａｌ）、
３．４％〜３．８％のチタン（Ｔｉ）、
４．０％〜４．４％のタングステン（Ｗ）、
１．４％〜１．７％のモリブデン（Ｍｏ）、
１．５５％〜１．７５％のニオブ（Ｎｂ）、
０．０８％〜０．１２％の炭素（Ｃ）、
０．００５％〜０．０４０％のジルコニウム（Ｚｒ）、
０．０１０％〜０．０１４％のホウ素（Ｂ）、
を含み、
残部ニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物であり、タンタル（Ｔａ）を含まない組成物を鋳造し、
組成物を熱処理して、熱処理されたミクロ組織を形成する
ことを含み、微細化ミクロ組織にη相が存在しない、方法。 - 熱処理されたミクロ組織にη相が存在しない、請求項１０記載の方法。
- 熱処理されたミクロ組織にＴＣＰ相が存在しない、請求項１０記載の方法。
- ミクロ組織にη相及びＴＣＰ相が存在しない、請求項１０記載の方法。
- 組成物が、質量％で、
１３．９％〜１４．１％のクロム（Ｃｒ）、
９．２５％〜９．７５％のコバルト（Ｃｏ）、
３．６％〜３．８％のアルミニウム（Ａｌ）、
３．５％〜３．７％のチタン（Ｔｉ）、
４．１％〜４．３％のタングステン（Ｗ）、
１．５％〜１．６％のモリブデン（Ｍｏ）、
１．６０％〜１．７０％のニオブ（Ｎｂ）、
０．０９％〜０．１１％の炭素（Ｃ）、
０．０１０％〜０．０３０％のジルコニウム（Ｚｒ）、
０．０１１％〜０．０１３％のホウ素（Ｂ）、
残部ニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物
を含む、請求項１０記載の方法。 - 組成物が、質量％で、１４．０％のクロム（Ｃｒ）、９．５０％のコバルト（Ｃｏ）、３．７％のアルミニウム（Ａｌ）、３．６％のチタン（Ｔｉ）、４．２％のタングステン（Ｗ）、１．５５％のモリブデン（Ｍｏ）、１．６５％のニオブ（Ｎｂ）、０．１０％の炭素（Ｃ）、０．０２％のジルコニウム（Ｚｒ）、０．０１２％のホウ素（Ｂ）、並びに残部ニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物を含む、請求項１０記載の方法。
- 物品がガスタービン又は航空エンジンの高温ガス通路部部品であり、高温ガス通路部部品が１０９３．３°Ｃ（２０００°Ｆ）以上の温度にさらされる、請求項１０記載の方法。
- 高温ガス通路部部品が、ブレード、ベーン、ノズル、シール及び静止シュラウドからなる群から選択される、請求項１０記載の方法。
- 組成物を鋳造することが、造塊、インベストメント鋳造及びニアネットシェイプ鋳造のうちの１つを含む、請求項１０記載の方法。
- 組成物を鋳造することが、インベストメント鋳造を含む、請求項１８記載の方法。
- 組成物を鋳造することが、組成物を一方向凝固させることを含む、請求項１０記載の方法。
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