JPH01180933A - ニッケル基合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は低熱膨脹係数を備えたニッケル基合金に関する
ものであり、より具体的にはニッケル生地内の主要元素
としてきっちり比率化されたモリブデン及びクロームを
含んだ合金に関するものである。

（背景及び従来技術） ガスタービンエンジンにおいては、性能の程度はひとえ
にその構成部品、例えばシール、鋳物、シールシュラウ
ド支持体リング、シャフト及びその類いの物理的及び機
械的特性に依存する。これらの部品はエンジンの効果的
な性能を保証するためには極めて高度の熱膨張及び強度
特性をもたねばならない。熱的安定性及び時効特性は効
率的作動のため等しく重要な特性である。

既知の合金又は超合金ニッケル基合金は基本となったｒ
８ｃ）−２０」ニッケルークローム合金の副産物であっ
た。前記基本「８Ｏ−２０ｊニツケル一クローム合金に
タングステン及びモリブデンのような１つ又はそれ以上
の修整元素を添加して、合金のある種の特性を改良する
多くの開発が行なわれた。かくして、従来技術には約１
５〜２５％のクロームと、約１２％の修整元素、特にモ
リブデンを含んだニッケル基台金がたくさん存在する。

種々のエンジン部品を製造するのに用いる従来技術合金
の３つが表１に記載されている。これらの合金の成分は
類似に児える。各合金は特定の特性において他をしのい
でいるので、−見マイナに見える成分上の差異は明白で
ある。その故に、好ましい組合せの種々の特性を提供す
る合金に対するさしせまったニーズが認められる。

広範囲の特性を備えた合金は以下のような他の過酷な用
途にも適しているであろう。（１）ロケットエンジン・
スラスト・チャンバ及び燃料マニホールド、（２）高強
度ファスナ、（３）高温度ばね及び（４）異種材溶接及
びガスタービン及び石油、石炭電力プラントの修理。

（発明の目的） 本発明の主要な目的は価値のある組合せの望ましい物理
的及び機械的特性を備えた合金を提供することである。

本発明の別の目的は過酷な使用状態で用いるのに適し、
低熱膨脹係数、熱安定性及び耐酸化性を必要とする用途
に特に適した合金を提供することである。

本発明の更に別の目的は最大の特性を得るため容易に製
造出来、容易に時効硬化され得る合金を提供することで
ある１、 表　　１ Ｎ　ｉ　　３８．４　３８，２　　３８．０Ｇ　ｏ　　
１３，０　１３．０　　１５．ＯＦｅ　　　　ＢＡＬ　
　　　ＢＡＬ　　　　　ＢＡＬＣｂ　　４．７　　４．
７　　３０ Ｔ　ｉ　　１．５　　１．５　　１．４ＡＩ　　　、０
３　　．０３　　０．９３　ｉ　　　、１　　．４　　
．１ （実施例） 前述した本発明の［１的及び他の目的並びに利点は表２
に記載した合金によって与えられている。

前記合金（本合金）は独特の長距離秩序特性を備えてい
る。同合金は２４時間の時効時間の後においてもすぐれ
た秩序特性を備えている。

本合金は長期間時効の後には高い衝撃強度を持つ、低熱
膨張特性を備えている。

本合金は切欠き破壊試験において切欠き敏感ではない。

本合金は長期間熱損傷すなわち酸化に抵抗するために被
膜を必要としない。

本合金のすぐれた工学的特性は組成、特に（モリブデン
＋タングステン）とクロームの限界比率を細密に］ン１
〜ロールすることによって与えられる。表２に示すよう
に、Ｍｏ＋Ｗ：Ｃｒの比率は２：１〜７：１の間、又は
好ましくは２：１〜６：１の間になければならない。こ
のことは８ＯＮ　１−２０Ｃｒの概念とは逆行するもの
である。

本発明においてはニッケルーモリブデンの生地にわずか
にクロームが添加されている。

表２ 本発明の合金 Ｃ〜３　　　０．０２−０．０６　　　約０．０４Ｃｒ
　　　　　　　　　５−１２　　　　７−９　　　　約
８Ｍｏ　　　　　　　　　　　　１０−３０　　　　　
　１０−２６　　　　　約２５Ｍ　Ｏ＋Ｗ　　　　　　
　　　　２２−４０　　　　　　２２−４０　　　　　
約２５Ａ１　　　　　　　　　最大１０　　　　　最大
０５　　　　　約０２Ｂ　　　　　　　　　痕跡〜・０
．０１５　　　０．００２−０．００６　　　約０．０
０３Ｆｅ　　　　　　　　　　最大５　　　　　　最大
２０　　　　　約１．ＯＭｎ　　　　　　　　　　８人
２　　　　　　最大０．８　　　　　約０．５Ｓ１　　
　　　　　　　最大１２　　　　　最大０８　　　　　
約０４Ｒｅ　　　　　　　　　　最大０１　　　　　最
大０．０７　　　　　約０．０３Ｎ１　　　　　　　　
　残余　　　　　　　残余　　　　　　　　残余（Ｍｏ
＋Ｗ）　：Ｃｒ　　　　２−７．０　　　　２−６　　
　　約３の比率 当業界では周知のように、モリブデン及びタングステン
は多くの合金系において互換性がある。

本発明の合金においては、これらの元素は互換可能であ
る。モリブデンのコストが低く、タングステンの重量が
大きく金属加工性が悪い故にモリブデンが好まれる。か
くして、最適の経済的及び技術的利点を得るためには、
１０％を下まわらない量だけのモリブデンを本発明の合
金に含有させることが出来る。当業界において周知のよ
うに、元素の原子重量に差があるための成分調節をしな
ければならない。例えば、２５％相当量のモリブデンを
得るためには、１０％のモリブデンと３０％のタングス
テンを含むことが必要である。互換可能なるため本発明
の合金においてはモリブデン＋タングステンの量は２２
〜４０％に達することが出来る。

当業界で周知のある種の利点を得るために本発明の合金
には約０．０１５％に至る少量ではあるが効果的な痕跡
含有量のホウ素を含有させることが出来る。

当業界で知られているある種の利点を得るため、付随的
不純物又は必然的添加物として本発明の合金には他の元
素を存在させることが出来る。そのような利点は酸化段
階、コスト低減、延性又は流動性の改善及びその類いに
ある。そのような元素をあげれば次の通りである。アル
ミニ・クム、鉄、マンガン、シリ−１ン及び希土類金属
、例えばセリウム、ランタン、イツトリウム等であり、
これは表２に示す含有量迄存在することが出来る。

表２の成分には残余としてニッケル＋不純物が含まれる
。このクラスのニッケル合金の製造においては、最終製
品において多くの源からの不純物が見出される。これら
のいわゆる「不純物」は必ずしも常に有害ではなく、例
えばコバルト及びアルミニウムのようにあるものは実際
に有用であるか、又は無害である。

前記「不純物」のあるものはある種の処理段階から生ず
る残留元素として存在Ｊ−るが又はチャージ材料内に偶
発的に存在することが出来る。これらは例えばカルシウ
ム、マグネシウム、バナジウム、ジルコニウム及びその
類いである。

実際の技術においては、これらの合金の溶融及び処理の
業界において知られていることであるが、ある種の不純
物元素は最大値及び／又は最小値を持つ限界内に保持さ
れ、−様な製品を得ている。

硫黄、リン及び亜鉛は一般的に言って低レベルに維持さ
れなければならない。

かくして、本発明の合金はこれら及び他の不純物をこの
クラスの合金において通常関係し、市販の仕様書におい
て記載された制限値内において含むことが出来る。

（本発明の実験的試験及び例） 本発明を記述するための実験的ヒート真空誘導溶解炉内
の４５Ｎｙ（１００ポンド）のヒートとして作られた。

前記ヒートは２本の６９．８５＃（２３／４インチ）直
径の電極へと鋳造された。

前記電極は次に１０１．６馴（４インチ）の直径のイン
ゴットへとエレクトロスラグ再溶融された。

前記インゴットは約４４．４５ｍｍ（１３／４インチ）
厚Ｘ１０１．６ｍｍ（４インチ）幅のスラブへと鍛造さ
れた。次にスラブは１２．７ｍｍ厚×１６５．１ｍｍ幅
×長さの板へと熱間圧延された。前記板は焼鈍され、時
効され所望の強度が達成された。

板は適当な物理的及び機械的特性データを決定するため
に横断方向に沿ってサンプリングされた。

前記実験合金の溶融及び加工の容易さは本発明の製品を
製造するのに当業界既知の他のプロセスを使用可能であ
ることを示唆している。

表３は種々の成分から得られたデータを示している。こ
れらの合金は表３に示すようにモリブデン及びクローム
の変動以外は一般的に表２に示される範囲内にあった。

これらのデータは成分の範囲のみならず、モリブデンと
クロームの間の比率をもきちんとコントロールする必要
性について示している。

表３は前記実験合金の微細組織分析を示している。６４
９℃で単に２４時間時効した後に秩序相が観察された。

当業界で良く知られているように、Ａ２Ｂクラスの合金
の硬度を得るための時効時間は−膜内にｉ　ｏｏｏ時間
を十分超えるものである。

表３のデータは合計で３１％より少ないモリブデン＋ク
ロームを含んだ合金（合金×−Ｘ）はＭｏ＋Ｃｒの比率
が２〜約４の範囲内にあっても所望の時効特性を備えて
いないということをはっきりと示している。

表３ 微細組織分析 時効後の秩序　　　　　ＨＯ：１ 競　　　　　　組　成　　　　　　殴成Ｒ（６４９℃／
２４時間）　　　辻１Ｘ−Ｘ　　　２ｌ−２３）ｔｏ　
　　　５−８　ＣＲ２６−３１無（硬化熱シ）４．２−
＊１　　　２７ＨＯ５（Ｊｔ　　　３２　　　Ａ２Ｂ　
　　　　　　５゜＊２　　　２５）ＩＱ　　　　８ＣＲ
３３Ａ２Ｂ　　　　　　　　３゜＊３　　　２３Ｍ０　
　１ＯＣＲ３３Ａ２Ｂ＋Ｎｌ４Ｍ０　　３・＊４　　　
　２７）１０　　　　８ＣＲ３５Ａ２Ｂ＋Ｎｌ４Ｍ０　
　　３．１＊５　　　２９８０　　　８ＣＲ３７Ａ２Ｂ
＋Ｎｌ３Ｍ０　　３．１＊６　　　２７）１０　　１０
ＣＲ３７Ａ２Ｂ＋Ｎｌ４Ｍ０　．２＊７　　　　　　　
　　２５８０　　　　　　　　１２ＣＲ３７Ａ２　Ｂ−
ｔ−Ｎ１４　Ｍｏ２，１＊本発明の合金 前記データは更に合計３２％のＭｏ＋Ｃｒを含み、Ｍｏ
：Ｃｒの比率が５．４である合金１は所望のＡ２Ｂ秩序
相を備えていることを示している。

ＣＲの 一 及びその類いのような短時間作業においては有用−２，
９なものとなり得る。

４００　　　　合金２．３．４．５及び６は本発明の範
囲内の１２５　　　合金であり、モリブデン及びクロー
ムの合計含有４００　　　量及び比率はそれぞれ３１％
並びに２〜４の間を３７５　　　超えている。

合金７は前述の合金１についての議論と類似のｏ８３３
　　理由によって・用途によっては本発明の広い範囲内
に入っている。

表３に示されたデータはモリブデン＋タングステンとク
ロームの間のバランスをきち／υとコントロールする必
要性を明らかに強調している。モリブデン＋タングステ
ンとりＩコームの合計量又は比率が前記比率の限度に近
いか又はある時には、前記所望の工学的特性はかろうじ
て得られる。

大部分の場合、本発明の合金に関する種類の超合金は極
めてきっちりとした平均的熱膨脹係数を必要とする。第
１図は当業界で知られた種々の合金並びに本発明の合金
の熱膨脹係数を比較したものである。

本発明の合金、合金２は現在当業界で用いられている合
金とほぼ匹敵するように見える。より高温での使用の場
合、合金８及び１０は一般的に宮って酸化保護のための
コーティングが必要であり、合金２は木質的な耐酸化性
能を備えており、コーティングの必要性は無い。

最適なモリブデンの含有量を決定するための別のテスト
として、一連の試験が行なわれた。モリブデン含有量は
８％のクロームを含む基本的にニッケルの生地内に約２
Ａ％から約２９％の範囲で実験的に変化させられた。

熱膨張のデータは合金（１）について、空温（２５，６
°Ｃ）から５３８℃迄及び（２）について、空温（２５
，６℃）から６４９℃迄調べられた。

第２図に報告されたデータは約２２〜３０％の範囲のモ
リブデン含有量について比較的予測のつく係数を示して
おり、最適値は約２４〜２６％のモリブデン含有率であ
ることがわかる。

本発明の合金は６４９℃においてたった２４時間の後そ
れらの秩序相（及び硬度）を得ている。

このことは当業界における価値のある改良事項である。

このクラスの他の合金（すなわち登録商品名ハステロイ
合金Ｓ）は５３８〜５９３℃において５００〜１０００
時間熱処理しなければならない。なおハステロイはへイ
ンズインタナショナル社の登録商標名である。

本発明の合金は低熱膨脂合金として用いられているハス
テロイ合金Ｂとともに熱的安定性が試験された。合金Ｂ
は公称値として約２８％のモリブデンと不純物として１
％より少ないクロームを含んでおり、約１９３８年以来
塩酸に対する耐触性があることで知られている。これら
の合金はＶ字切欠ぎのテストバーの形態においてシ＼フ
ルピ衝撃試験機で試験された。試験結果は表４に与えら
れている。本発明の合金はｉ　ｏｏｏ時間及び４０００
時間の後において高度の衝撃強度安定性を保持している
ことが明らかである。

表　　４ ２　　時効６４９℃／２４時間　　　　　９．１８／１
０００時間　　　　５．８１ ／　４０００時間　　　　４３２ Ｂ　　焼鈍　　　　　　　　　　　１１８８時効６４９
℃／１０００時間　　　　３，７８／　４０００時間　
　　　０８１ 本発明の合金の強度が当業界で知られているある種の低
熱膨脂合金と比較された。米国特許第４゜１１８．２２
３号に記載された合金Ｓは公称値として約１６％のクロ
ーム、１５％のモリブデン、０．５％のシリコン、０．
８％のマンガン及び０．０４％のランタンを含／υでい
る。前記合金は熱的に安定な合金として当業界では知ら
れている。

空温の引張り特性の結果が表５に示されている。

データは本発明の合金が現在当業界で用いられている他
の合金と同等がそれ以上の性能を有していることをはっ
きり示している。合金１０は良好な引張強度特性を備え
てはいるが、当該合金の延性（伸び）は低い。

実験合金の酸化特性を調べるために一連のテストが行な
われた。テストに用いた合金としては従来合金から選択
したもの及び本発明の合金である合金２が含まれている
。これらの合金は空中で合計１００８時間８１６℃にさ
らされた。グループ■は２４時間毎の繰返しで試験を行
ない、グループ■は１６８時間毎の繰返しで゛試験を行
なった。

表６に示すように、金属損失量及び最大金属影響量のテ
スト結果は合金２が酸化露出によって実質的に損傷を受
けないということを明らかに示している。合金Ｘ、Ｎ及
びＳはごくわずかに損傷を受けた。合金Ｂはわずかに多
く損傷を受けた。明らかに、合金１０が最も多く損傷を
受りた。この理由の故に合金１０は酸化状態で用いられ
る時には被覆されなければならない。

本発明の合金の製造は比較的に言ってトラブルが無かっ
たので、本合金は殆／υどの周知のプロセスによって製
造され得るということが予期される。

更には、前記合金の鋳造及び加工特性は鋳造品、ワイヤ
、圧延製品、粉末、溶接及び表面硬化製品及びその類い
を含む多様な市販品形態において製造することが可能で
ある。

表５ 種々の合金の室温における引張り特性 ３　　　　　３８．９　　　　　　　　　　　　８６．
２　　　　　　　　　　５５Ｂ　　　　　　３９．２　
　　　　　　　　　　　　８８．９　　　　　　　　　
５２１０　　　　１０３．５　　　　　　　　　　　　
１３３．３　　　　　　　　　　１６２　　　７０〜８
７．５　　　　　　　　　１２１．１〜１３５．１　　
　　　　　３５〜４３＝　　１９　− 表６ 種々の合金の酸化試験デ〜り ８１６°Ｃ／１００８時間酸化テスト 王、２４時間サイクル 合金　　　　金属損失（μｍ）　　　　　　　　最大金
属影響量（μｍ）１０　　　　　　　　１１１．８　　
　　　　　　　　　　　　　４９２．７６２　　　　　
　　　　０　　　　　　　　　　　　　　　　　１２、
７Ｂ　　　　　　　　　１８２．９　　　　　　　　　
　　　　　　２０８．２８χ　　　　　　　　　２．５
４　　　　　　　　　　　　　　　２７．９４Ｎ　　　
　　　　　　　１０．１６　　　　　　　　　　　　　
　　３０．４８Ｓ　　　　　　　　　　０　　　　　　
　　　　　　　　　　　１２．７■１６８時間ナイクル 合金　　　　　金属損失（μｍ）　　　　　　　　最大
金属影響量（μｍ）１０　　　　　　　　８６、３６　
　　　　　　　　　　　　　　３８６．０８Ｂ　　　　
　　　　　３０．４８　　　　　　　　　　　　　　　
　４３．１８Ｘ　　　　　　　　　　２．５４　　　　
　　　　　　　　　　　　２０．３２Ｓ　　　　　　　
　　　　０　　　　　　　　　　　　　　　　１２．７
最大金属影響量−金属損失量士最大内部浸蝕量当業界に
精通する者にとっては本明細書で特定の実施例と関連し
て述べられた本発明の新規な原理は同発明の種々の他の
修正例及び適用例の裏付けとなるであろうことは自明で
あろう。従って特許請求の範囲を解釈するに当っては同
範囲は本発明の説明された特定の実施例に限定されるも
のではないことを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は種々の合金に対する熱膨脹係数をグラフで示し
た図、 第２図はニッケル基合金におりるモリブデンのＩＩをグ
ラフで示した図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）低い熱膨脹係数を備えたニッケル基合金であつて
   、基本的に、重量％であらわして、０．３迄の炭素と、
   ５〜１２のクロームと、１０〜３０のモリブデンと、２
   ２〜４０のモリブデン＋タングステンと、最大１のアル
   ミニウムと、痕跡〜０．０１５のホウ素と、最大５の鉄
   と、最大２のマンガンと、最大１．２のシリコンと、最
   大０．１の希土類金属と、残余のニッケル＋通常の不純
   物とからなるニッケル基合金において、Ｍｏ＋Ｗ対Ｃｒ
   の比率が好ましい組合せの特性を提供するために２：１
   〜７：１の間にあることを特徴とするニッケル基合金。
2. （２）特許請求の範囲第１項に記載の合金であつて、０
   ．０２〜０．０６の炭素、７〜９のクローム、１０〜２
   ６のモリブデン、２２〜４０のモリブデン＋タングステ
   ン、最大０．５のアルミニウム、０．００２〜０．００
   ６のホウ素、最大２の鉄、各々が最大０．８のマンガン
   及びシリコン、最大が０．０７の希土類金属を含み、Ｍ
   ｏ＋Ｗ：Ｃｒの比率が２：１〜６：１の間にある合金。
3. （３）特許請求の範囲第１項に記載の合金であつて、約
   ０．０４の炭素、約８のクローム、約２５のモリブデン
   、約０．２のアルミニウム、約０．００３のホウ素、約
   １の鉄、約０．５のマンガン、約０．４のシリコン、約
   ０．０３の希土類金属を含み、Ｍｏ＋Ｗ：Ｃｒの比率が
   約３：１である合金。
4. （４）特許請求の範囲第１項に記載の合金において、前
   記クローム＋モリブデンの含有率が最適の秩序特性を得
   るために３１％を超えていることを特徴とする合金。