JPH01188645A - 酸化物分散強化型一方向凝固Ｎｉ基合金及びその製造法 - 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〕 本発明は酸化物分散強化型一方向凝固Ｎｉ基合金に関し
、特にガスタービンのタービン動・静翼用材料、高温ブ
ロアーの動翼用材料及びその他高温部品用材料に有利に
適用される同合金に関する。

〔従来の技術〕

従来の超高温合金の主流はγ′（Ｎｉｓ（Ａｌ、Ｔｉ）
）析出硬化型耐熱合金である。しかし、γ′相は高温（
概ね９００°Ｃ以上）で長時間使用すると、凝集粗大化
あるいは基質に固溶し、高温強度が低下する。そこで、
高温でも安定な酸化物微粒子を基質に均一に分散させた
酸化物分散強化型耐熱合金が開発され注目されている。

高温で使用される部材の主な破壊形態は作用応力に直角
な方向の粒界での破壊である。そこで、γ′析出硬化型
合金による作用方向に直角な方向の粒界のない一方向凝
固合金が開発された。

しかしながら、このＴＩ析出硬化型一方向凝固合金にお
いても、高温（概ね９００°Ｃ）での凝集粗大化が起き
る。そのためγ′析出硬化型合金による高温強度向上は
約３０°Ｃに過ぎない。

一方、酸化物分散強化型合金は粉末冶金法で製造される
。焼結後、加工・熱処理（帯域熱処理）によシ再結晶さ
せ、長細い結晶粒（アスベクＦ比２〜１６）を有する材
料が製造される。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述のγ′析出硬化型一方向凝固超耐熱合金は、普通鋳
造合金に比べ約３０℃の強度向上が図れるものの、γ′
に高温強度を依存しているため自づと限界がある。

又、前述の酸化物分散強化型超耐熱合金は、粉末冶金法
によシ製造されており、製品形状は例えば丸型、角型、
仮型に限定され、この素材を用いて例えばガスタービン
翼を鍛造・熱処理を行なった場合、翼長手方向に再結晶
が起きる保証はない。又素材製造においても歩留が悪く
、複雑な製造工程により作られているため、この合金は
非常に高価な材料となる。

本発明は上記技術水準に艦み、従来の超耐熱合金の優れ
た点を兼ね備えた合金を提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は （１）　　重量比で、酸化物：０．３〜５％、　Ｃｒ：
　１２〜２５％、Ｃｏ：１０〜１８％、　Ｔｉ：　１〜
６％。

Ａｌ：　１〜６　’Ａ　、　Ｍｏ：　２〜５％ＩＷ：１
１．５〜λ５％、　Ｃ：　０．０５−（１２％、　Ｂ　
：　（１００３〜０．，０８％、　Ｈｆ：　２％以下、
残部実質的にＮｉからなることを特徴とする酸化物分散
強化型一方向凝固Ｎｉ基合金及び （２）　　平均粒径が１ｏｏｉ〜５μｍの酸化物粒子を
重量比で０．，３〜５％と、Ｃｒ：１２〜２５％。

Ｃｏ：　　１　０〜１８％、Ｔｉ：１〜６％　、Ａｌ：
　　１〜６％　、Ｍｏ：　　２〜５％　、Ｗ：０．５〜
２．５％　、Ｃ：　α０５〜ＣＬ２％　、Ｂ　：　ＩＩ
Ｌｏ　０３〜０．ｏ　８％。

Ｈｆ：　２％以下残部実質的にＮｉからなるＮｉ合金粉
末とを混合し、Ｎｉ基合金の溶融温度以上に加熱後、３
０〜５００簡／ｈｏｕｒの凝固速度で一方向凝固させる
ことを特徴とする酸化物分散強化型一方向凝固Ｎｉ基合
金の製造法 である。

〔作用〕

本発明における酸化物分散強化型一方向凝固Ｎｉ基合金
の成分、すなわち、酸化物粒径及びその添加量、合金元
素の範囲につき以下説明する。

酸化物粒径：酸化物の粒径は材料強度、及び溶解・凝固
過程における浮上・凝集の点から１００Ａ〜３μｍとす
べきである。材料強度の観点からは、これよシ細かいと
転位の移動阻止の役割をせず、添加した効果が認められ
ない。又５μ未満であると合金は著しく脆く延性に欠は
高温材料として適さない。

なお、溶解・凝固過程における酸化物粒子の浮上につい
ては、ストークスの式 ％式％ ここで、■：終末速度（ｍ／３ｅｃ）・／ＩＬ：Ｎｉ基
合金融液の比重量（ｉ３）、Ｐに酸化物の比重量（ゆ７
ｍ３）、 Ｄ０二酸化物の粒径（ｍ） ｐ　：　Ｎｉ基合金融液の粘性係数（ｋｌｉ’・ｓｅｃ
／ｍ’　）を用いて計算すると、Ｎｉ基超耐熱合金に１
００；、〜３μｍのｙ、ｏ３を添加した場合、■は９．
２×１０−１１〜ａ　！Ｉｘ　１０−’ｍ／ｓｅｃとな
シ、本発明合金を一方向凝固させる凝固速度３０〜５０
０　ｍ　／ｈｏｕｒ　　（ｌ１３Ｘ１０−’　〜１．４
Ｘ１０−’　ｍ／５ｅｃ）よシ十分小さく、酸化物は浮
上することはない。

又、溶解前にあらかじめ均一に分散させておけば問題と
なるほどの凝集は起きない。

酸化物の添加量；α３〜５％ 前述のとおシ、酸化物（”ｊ０８　＋　”４０３　＃　
Ｌａ１Ｏ１，ＺｒＯ２等）は高温でも安定で、概ね９５
０℃以上の高温で優れた強度を得るためには絶対必要で
ある。

０．３％未満では要求強度を満足することはできない。

又あまり多量に添加すると合金が脆くなり延性を阻害す
る。したがって５％以下とした。

Ｃｒ：１２〜２５　　％ 産業用ガスタービンでは高温における耐食性が必要であ
り、Ｃｒ量を多く添加する程その効果は顕著である。Ｃ
ｒ　Ｊｌが１２％未満ではその効果は少なく十分でない
ので、１２％以上必要である。一方Ｎｉ基合金ではＣｒ
量をあまり多く添加するとσ相などの金属間化合物が高
温（概ね７５０〜９５０℃）で使用中に析出し、金属組
織的に不安定となり高温強度や延性が低下するので２５
％以下とした。

Ｃｏ：　１０〜１８％ Ｔ１やＡｌなどの析出硬化型Ｎｉ基合金において、溶体
化処理でＴｉ、Ａｌを十分に基質中に固溶させ、時効処
理においてγ′相（Ｎｉｓ（Ａ／、、Ｔｉ））として微
細均一に析出させることによシ良好な高温強度が得られ
る。ＣＯはこのＴｉ、ＡＡなどを高温で基質に固溶させ
る限度（固溶限）を大きくする作用がある。本発明合金
に必要なＴｉ、ＡＡ量ではＣＯ量は１０９６以上必要で
ある。一方、ＣＯは高価な成分であるので不必要に添加
する必要はなく１８％以下とした。

Ｔ１：１〜１０％ Ｔｉは析出硬化型Ｎｉ基合金の高温強度を上げるための
析出相（ｒ’相）の析出に必要な元素である。Ｔｉが１
％未満では要求強度を満足することができない。文あま
り多量に添加すると延性を阻害するので、６％以下とし
た。

Ａｌ：１〜６％ ＡｌはＴｉと同様の効果があシ、γ′相を生成して高温
強度を上げるとともに、高温での耐食性（特に、耐酸化
性）に寄与する。その量は１％以上必要であり、あまり
多いと延性を阻害し、その効果は飽和するので６％以下
とした。

ＭＯ：２〜５％ Ｍｏは基質中に固溶して高温強度を上昇させる効果（固
溶体強化）があると同時に、時効処理中に炭化物（Ｃｒ
ｌＩＭｏＷ（４、（Ｍｏｂ）＠　Ｃなど）を生成し、弱
析出強化の効果により高温強度向上に寄与する。その効
果は２％未満では少なく、又あまり多く添加すると延性
を阻害するので５９６以下とした。

Ｗ：１５〜２．５５％ ＷはＭＯと同様に固溶体強化と弱析出強化の作用があり
、高温強度を上昇させる。その効果はｎ、ｓｘ未満では
少ない。又Ｗは比重が大きい元素であるため、あまり多
く添加すると合金の比重が大きくなシ、遠心力の働くタ
ービン動翼では不利で又コスト的にも高くなるので２．
５％以下とした。

Ｃ；α０５〜１２％ Ｃは炭化物を形成し、特に結晶粒界、樹枝状境界に析出
し、粒界や樹枝状境界を強化し高温強度を上昇させるの
で、ａｏｓｘ以上必要である。しかし、あまシ多く添加
すると炭化物の析出が多くなシ、延性を阻害するので１
２％以下とした。

Ｂ；α０５〜１２％％ Ｂは基質を強化して高温強度を上昇させるので、０．Ｏ
Ｏ３％以上必要であるが、あまり多く添加するとその効
果は飽和し、かえって延性を阻害する恐れがあるので、
０．０８％以下とした。

Ｈｆ；２％以下 Ｈｆは、粒界炭化物の析出形態に作用し、Ｈｆ添加によ
り粒界強化に寄与し、高温強度、延性向上に有効である
。あまり多すぎると返って延性を低下させるので電大２
％とした。

なお、Ｎｉ基合金には不純物元素として原材料より８ｉ
、　Ｍｎ、　Ｆｅ、　Ｐ、　８．　Ｃｕが混入し、また
ＭＹ、　Ｃａ、　Ｓｒなどは酸素との結合力が多く、本
発明合金製錬上、脱酸剤として最大０．２％まで添加す
ることがある。

また、上記の元素と加えてＺｒ０．ＩＸ以下、Ｔａ　　
２％以下を含有させてもよい。Ｚｒは本発明合金におい
て必ずしも必要ではないが、Ｚｒは靭性（衝撃値）や延
性の向上に１１Ｘ以下の添加は有効である。Ｔａ　も本
発明合金に必ずしも必要ではないが、Ｔａは固溶体強化
及び一部ＴＩ影形成よる析出強化並びに耐酸化性向上に
２％以下の添加に有効である。

次に本発明の酸化物分散強化型一方向凝固Ｎｉ基合金の
製造法について説明する。

１００Ａ〜３μｍ粒径の酸化物（Ｙｊ　０３　＠　Ａ４
　ｏｌ　＋Ｌａ１０３．　Ｚｒ０１）を、ｒ’（Ｎｉ３
（Ａｌ、Ｔｉ月析出硬化型合金粉末又は上記量的範囲の
金属混合粉末と予め均一に混合し、この混合物を真空中
で容器に充填密封し、高温等圧ブｖ　ス（Ｈｏｔ　Ｉｓ
ｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓｉｎｇ：　ＨＩＰという）に
よシ焼結し、焼結後容器を除去し、焼結材を適当な速度
で一方向凝固させる。

一方向凝固材の凝固速度は合金の特性、装置の性能及び
コストの面から決定される。凝固速度があまり遅いと樹
枝状組織が著しく粗くな択高温強度が得がたくなると共
に鋳造欠陥が出やすくなシ、コスト高となる。したがっ
て凝固速度の下限は３０ｍ／ｈｏｕｒとすべきである。

一方、凝固速度があまシ速いと一方向凝固組織が得がた
くなるので凝固速度の上限は５００ｍ／ｈｏｕｒとすべ
きである。

以上のように、Ｙ、Ｏ，の粒径、添加量、合金元素の配
合割合及び凝固速度を制御することによシ、γ′析出硬
化と酸化物強化を兼備し、かつＭｏ、Ｗ等の固溶体強化
及び炭化物の析出強化がもたらされた高温強度の優れた
Ｎｉ基合金が得られる。本発明の酸化物分散強化型一方
向Ｎｉ基合金の強化要因のグラフを第１図に示す。第１
図において実線■はγ′相析出強化＋（固溶強化、炭化
物析出硬化）の、また実線■は酸化物分散強化の温度と
高温強化の度合のグラフ、破線■は■のγ′相析出強化
＋（固溶強化、炭化物析出硬化）と■の酸化物分散強化
を有する鍛造Ｎｉ基合金の温度と高温強化の度合のグラ
フ、鎖線■は■のγ′相析出強化＋（固溶強化、炭化物
析出硬化）と■の酸化物分散強化を有する本発明の一方
向凝固Ｎｉ基合金の温度と高温強化の度合のグラフであ
る。この第１図ニジ本発明の酸化物分散強化型一方向凝
固Ｎｉ基合金の高温強度が如何に優れているかｙ判る。

〔実施例〕

酸化物分散強化型一方向凝固Ｎｉ基合金の製造プロセス
を第２図及び第３図に示す。まず、第１表に示す化学成
分の析出硬化型Ｎｉ基合金の粉末（粒度ニー８０メツシ
ユ（即ち粒径１７５μｍ以下））をＡｒ　ガスによるガ
ス噴霧法で製造した。

次に酸化物粒子（平均粒径約２００大〜４００大）と合
金粉末を第２表の割合に配合し、ボーμミルで予備混合
した。続いて、アトリッター（ハイ・エネルギーミＡ／
）によシ混合し、均一に混合していることを混合粉末の
硬さと磁化値によシ確認した。

混合粉末を容器に真空中で充填、密封し、高温等圧プレ
スにより焼結し、焼結後、容器を除去し、４０φ■の棒
材にした。

この棒材をマスターメタルとして、一方向凝固炉によシ
鋳込み温度：１６００℃、鋳型加熱温度：１５５０°Ｃ
２凝固材引下げ速度：２００ｇ／ｈｏｕｒなる条件で一
方向凝固材を製作した。

製作した一方向凝固材の断面マクロ組織は第４図の写真
（×１５倍）に示すとおり、結晶粒は一方向に成畏して
おシ、良好な一方向凝固材であった。

次に、製作した一方向凝固材より試験片を採取し、温度
９８０°Ｃ１応力１１．２ｋｇ／−でクリープ破断試験
を行なった。そして酸化物粒子を含まない一方向凝固材
との比率を併せて第２表に示した。酸化物粒子を添加す
ることによシフリープ破断時間が増加することがわかる
。

第１表　γ′析出硬化型Ｎｉ基合金の化学組成　（ｖｒ
ｔ％）第２表　酸化物添加量とクリープ破断強度の比＊
　９８０℃Ｘ１１．２′に９／−の条件下での破断時間
の比率〔発明の効果〕 酸化物微粒子（１００Ａ〜３μｍ）をγ′析出硬化型Ｎ
ｉ基合金粉末（−８０メツシユ以下）にあらかじめ均一
に混合させた材料を製作後、この材料を５０〜５００■
／ｈｏｕｒ凝固速度で一方向凝固させることにより、酸
化物分散強化型一方向凝固合金が製作でき、本発明合金
は、高温で安定な酸化物が均一に分散しているため、従
来のＴＩ析出硬化型一方向凝固合金に比べ、概ね１００
０℃以上ですぐれた高温強度が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としての酸化物分散強化型一
方向凝固Ｎｉ基合金の強化要因を示すグラフ、第２図及
び第３図は本発明の一実施例としての酸化物分散強化型
一方向凝固合金の製作プロセス図第４図は本発明の一実
施例としての試作した酸化物□分散強化型一方向凝固Ｎ
ｉ基合金の金属組織を示す写真である。 温度−一 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量比で、酸化物：０．３〜５％、Ｃｒ：１２〜
   ２５％、Ｃｏ：１０〜１８％、Ｔｉ：１〜６％、Ａｌ：
   １〜６％、Ｍｏ：２〜５％、Ｗ：０．５〜２．５％、Ｃ
   ：０．０５〜０．２％、Ｂ：０．００３〜０．０８％、
   Ｈｆ：２％以下、残部実質的にＮｉからなることを特徴
   とする酸化物分散強化型一方向凝固Ｎｉ基合金。
2. （２）平均粒径が１００Å〜３μｍの酸化物粒子を重量
   比で０．３〜５％と、Ｃｒ：１２〜２５％、Ｃｏ：１０
   〜１８％、Ｔｉ：１〜６％、Ａｌ：１〜６％、Ｍｏ：２
   〜５％、Ｗ：０．５〜２．５％、Ｃ：０．０５〜０．２
   ％、Ｂ：０．００３〜０．０８％、Ｈｆ：２％以下残部
   実質的にＮｉからなるＮｉ合金粉末とを混合し、Ｎｉ基
   合金の溶融温度以上に加熱後、３０〜５００ｍｍ／ｈｏ
   ｕｒの凝固速度で一方向凝固させることを特徴とする酸
   化物分散強化型一方向凝固Ｎｉ基合金の製造法。