JPH0211660B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は非常に高い耐酸化性と非常に高い高温
強度を兼備するニツケル基超合金に係る。 従来よりNi−Al−Mo系の合金に関する研究が
なされてきた。この研究は米国特許第2542962号
及び第3933483号により代表される。 米国特許第3904403号には、Ni−Al−Mo系合
金に、Cr、Ta及びＷを含む群から選択された一
つ又はそれ以上の元素を合計で0.1〜３原子％添
加することが提案されている。 本発明によれば、Ni−Al−Mo系合金にＷ、
Cr、Ta、Ｙ及びオプシヨン成分としてのHfを協
調のとれた量で添加することにより、ニツケル基
超合金の耐酸化性が実質的に強化され、高温に於
ける機械的性質に実質的な不利を生ずることなし
に耐酸化性を改善することができる。 本発明が提案するニツケル基超合金の組成は、
5.8〜7.8％Al、８〜12.8％Mo、４〜８％Ｗ、２〜
４％Cr、１〜２％Ta、両者の合計にて0.01〜0.3
％のHfとＹであつてそのうちＹは0.01〜0.1％で
あるHfとＹを含み、残余がNiであるようなもの
である。このうち更に好ましい組成は、6.3〜7.3
％Al、8.5〜11.5％Mo、５〜７％Ｗ、2.5〜3.5％
Cr、１〜２％Ta、0.05〜0.2％Hf、0.01〜0.07％
Ｙを含み、残余がNiであるものである。 これらの組成範囲内の合金は、粉末合金技術を
用いて有用な物品に製造され得るし、または所望
の形状に鋳造され、次いで熱処理され得る。 従つて、本発明の目的は、高強度耐酸化性ニツ
ケル基超合金を提供することである。 以下に本発明を添付の図を参照して実施例につ
いて詳細に説明する。 本発明が提案する組成及びそのうち更に好まし
い組成が、それぞれ第１表及び第２表に示されて
いる。但しこれらの表に於てはHfとＹは分けて
示されている。これらの表は重量百分率で示され
ており、本明細書に於ける全ての他の百分率値も
特に指定されていない限り重量百分率である。第
１表には原子百分率での等価的な値も示されてい
る。

【表】

【表】 Ni−Al−Mo系合金の組成の特別な組合せは幾
つかの点で米国特許第2542962号、第3655462号、
第3904403号及び第3933483号に記載されているも
のと類似している。Ni−Al−Mo系合金は非常に
優れた機械的性質を有するものとして知られてい
るが、これまでそれらの表面安定性及び耐酸化性
は長時間に瓦る使用に際して予測不能でありまた
その性能は限界に近いものであるとされていた。 本発明の核心は、耐酸化性を劇的に改善し、し
かも同時に優れた機械的性質を維持し又は更に増
大するため、これらのNi−Al−Mo系合金にＷ、
Cr、Ta、Ｙ及びオプシヨン成分としてHfを注意
深く協調のとれた量で添加することである。 アルミニウムが存在すると、強化ガンマプライ
ム層が形成され、合金にアルミナ層が形成される
ことによつて耐酸化性が向上する。アルミニウム
含有量が少な過ぎると耐酸化性を改善することは
できないが、多過ぎると合金の強度が低下しまた
合金が脆性化することとなる。 モリブデンとタングステンは主として固溶体強
化材として存在する。これらも含有量が少な過ぎ
ると合金の強度を改善することができず、また多
過ぎると延性が低下することとなる。モリブデン
は一般には耐酸化性にとつて悪い影響を与えると
考えられており、従つて耐酸化性と強度の両者を
向上させるためにはモリブデンとタングステンの
含有量は平衡するように選ばれる。 CrはNiOに基く酸化物ではなくAl₂O₃酸化物の
生成を促進することにより耐酸化性を向上するた
めに添加される。この目的で、少なくとも約２％
のCrが必要であるようである。Cr含有量を約４
％以上に増しても、Cr含有量が約３％の場合に
比べて実質的な改善は得られないようである。 Crは同時に機械的性質を低下させるので、約
４％を越えるCrの添加は望ましくない。Taは微
細構造を安定化するために添加され、上記の量の
TaはCrの添加に起因する機械的性質の低下の問
題を克服する。従つて、Cr及びTaの量は或る範
囲で互いに関係付けられ、高いCr量に対しては
高いTa量を用い、また低いCr量に対しては低い
Ta量を用いるようにTa及びCrの量の協調をとる
ことにより最適な合金性能が得られる。 更にＹも添加されなければならない。またＹと
同じ効果を有するものとしてＹとの合計量が制御
されたHfが添加されてもよい。このような元素
は超合金への酸化物層の付着を改善し、それによ
り破砕（スポレーシヨン）を減じ且酸化による重
量損失を減ずる。これらの元素の0.01〜0.3％
（合計）が所要の作用をし、より好ましい範囲は
0.02〜0.2％（合計）であり、またHfは上記の如
くオプシヨン成分であるが、Ｙは少なくとも0.01
〜0.1％の量で存在することが好ましい。 第１図、第３図及び第４図は上記元素の効果を
示すグラフである。これらの図面には試験された
合金の組成が示され、また酸化試験中の重量変化
が示されている。合金が酸化する時、合金は酸化
物層の生成の結果として最初に重量を増す。続い
て、もしこの酸化物層が破砕すれば、重量損失が
生じ、また酸化物層が再生する。酸化物破砕及び
その結果としての重量損失は基体内の酸化物生成
元素の欠乏を招くのが好ましくない。酸化物破砕
は、合金が所望の保護酸化物層を再生し得ず、保
護能力を有しない酸化物層となつてしまうような
ところまで進行し、そうなると酸化はますます急
速且抑制不能となり、終には試料が破壊されるこ
とになる。大抵の合金はその耐酸化性を保護酸化
物層の生成によつて得ているので、望ましい重量
変化挙動は、最初に保護酸化物層の生成を示す僅
かな重量増加を生じ、その後は重量変化を生じな
くなるか又は非常に僅かな増加しか生じなくなる
ことである。 イツトリウム添加の顕著で意外な結果が第１図
に示されている。この図には2200〓（1204℃）で
の１時間サイクルを50回繰返すサイクリツク検査
の後にイツトリウム含有量が異なる幾つかの合金
に生じた重量損失が示されている。この図より、
試験された基礎合金（10％Mo、6.7％Al、６％
Ｗ、３％Cr、1.5％Ta、0.1％Hf、残余Ni）に対
して約0.01％から約0.06％までのＹの添加により
酸化挙動が顕著に改善されることが明らかであろ
う。Ｙが被覆の耐酸化性能を改善し得ること（米
国特許第3676085号及び第3754903号）及び合金の
耐酸化性能を改善し得ること（米国特許第
3754903号）はこれまでに観察されているが、Ｙ
は約0.1％を越えては有害であるという本願発明
者により得られた知識はこれまでに示されていな
い。 第１図に示されている結果は、試料の酸化表面
の走査電子顕微鏡（3000倍）である第２Ａ図、第
２Ｂ図及び第２Ｃ図を参照することにより説明で
き得る。第２Ａ図は0.1％Hf及び0.002％以内のＹ
を含む試料の写真であり、第２Ｂ図は0.1％Hf、
及び0.029％のＹを含む試料の写真であり、第２
Ｃ図は0.1％Hf及び0.073％Ｙを含む試料の写真で
あり、それぞれ第１図のグラフに於けるＡ点、Ｂ
点、Ｃ点に対応している。 第２Ａ図は相当粗い不規則な酸化物組織を示し
また酸化物破砕の形跡を示しており、第１図のＡ
点が示す如き大きな重量変化に見られるようにＹ
よる合金の改善効果は殆ど得られない。第２Ｂ図
は付着性の酸化物組織の形跡を示しており、Ｙに
よる耐酸化性が大きく改善されており、またこの
ことは第１図のＢ点に於ける重量変化が非常に小
さいこととも対応している。第２Ｃ図は第１図の
Ｃ点に於ける重量変化が示す通りかなりの酸化物
組織と酸化物破砕の形式を示しているが、第１図
のＣ点の重量変化がＡ点の重量変化よりは小さい
ように、Ｙによる幾分かの改善は得られている。
このように第１図及び第２Ａ図、第２Ｂ図、第２
Ｃ図の対照から理解されるように、Ｙの量を制御
することによつて酸化挙動を確実に改善すること
ができる。これらの結果から、Ｙは0.01〜0.1％
の範囲に制御されるべきであり、より好ましく
は、0.01〜0.07％とされるのがよい。第３図及び
第４図には、限定された量のクロームが最適な耐
酸化性のために必要であることが示されている。
第３図には、10％Mo、7.4％Al、６％Ｗ、1.5％
Ta、0.1％Ｙ、残余Niを含む基礎合金の酸化挙動
へのCr含有量変化の影響が示されている。試験
条件は2000〓（1093℃）での１時間炉内酸化を
500回繰返すものであつたが、かかる試験条件下
で所望の最小重量変化が約３％のCr含有量にて
得られることが認められよう。 第４図には、2100〓（1149℃）で得られたサイ
クリツク酸化データを用いて、酸化挙動へのCr
含有量変化の影響が示されている。この図面には
試験中の時間の関数としての重量の変化が示され
ている。四つの曲線は10％Mo、6.6％Al、1.5％
Ta、0.1％Ｙ、残余Niとし、Cr含有量を変えた基
礎合金に対してプロセツトされている。Cr増加
の効果として曲線は水平線（重量変化が零の線）
に向つて回転している。 第３図及び第４図から、この種の合金の良好な
酸化挙動を得るためには約３％のCr含有量が必
要であることが理解されよう。 Al−Mo−Ni合金の機械的性質は多くの点で従
来の超合金の機械的性質よりも優れていることが
従来の研究により示されている。本発明によれ
ば、Ｗ、Cr、Ta、Ｙ及びオプシヨン成分として
のHfの協調のとれた添加により、Al−Mo−Ni
基礎合金の機械的性質と少なくとも同等また場合
によつてはそれ以上の機械的性質を確保した上で
更に実質的に改良された耐酸化性が得られる。こ
のことは、一つの性質を改善すれば他の性質が損
われるという従来の合金に関する一般概念と異な
るものである。 第５図は通常のMAR−M200超合金及び本発
明の範囲に属する合金を含む幾つかの合金に対す
る1900〓／30ksi（1038℃／206.85MPa）での応力
破壊のプロツトである。第５図中のデータは＜
111＞方位配列内の単結晶形態で試験された種々
の組成の応力破壊性質に対するものである。図か
ら解るように、本発明によるNi−Al−Mo組成
は、試験された他の合金と比べて応力破壊寿命が
改善されている。本発明による合金は従来の超合
金と比べて約190〓（105℃）の温度改善を有する
ことが解る。このことは、等価な応力条件下で、
本発明による合金は190〓（105℃）高い温度で作
動可能であり、しかも同一の部品寿命を得られる
ことを意味する。このことは、エンジンを一層高
い温度で作動させること、又はエンジン温度が一
定であれば、冷却空気の流量を減じることにつな
がる。その何れも経済性を向上する。また温度を
含む作動条件を同一に保つて、部品寿命を実質的
に長くすることもできる。更に、温度を同一に保
つて作動応力を増すことにより、同一の燃料消費
量及び部品寿命で性能を向上することもできる。 以上に記載した組成は、鋳造単結晶形態で用い
られることもできるし、また粉末治金技術とそれ
に続いて方向の整つた粒子構造（場合よつては単
結晶であつても良い）を得るための方向性再結晶
化とを用いて部品に製造されることもできる。 鋳造単結晶法による場合には、鋳造部品は米国
特許出願第177047号に概要を記載されているよう
に均質化処理及び熱処理を施される必要がある。
粉末治金法による場合には、幾つかの方法を用い
ることができるが、均質性を高めるために速い固
形化速度を得られる方法を用いることが望まし
い。このようなプロセスは米国特許第4025249号、
第4053264号及び第4053264号及び第4078873号に
記載されている。得られた粉末は、次いで稠密化
され、また所望の構造が得られるように方向性再
結晶化される。方向性再結晶化は米国特許第
3975219号に記載されており、また最終構造内の
種々の結晶アラインメントを得るための特別な方
法は本願と同時に出願された特願昭57−207488号
に記載されている。 こうして得られる製品はガスタービンエンジン
用として特に有用である。鋳造法による場合に
は、所望のサイズが直接得られるように鋳造が行
われ得る。しかし、粉末治金法による場合には、
続いて、最大の冷却可能性を有するブレードを得
るために、米国特許第3872563号に記載されてい
るブレード製造法が用いられるのが有利である。
ここに説明した組成の合金は非常に優れた耐酸化
性を有するが、これらの合金が被覆をほどこした
形態で用いられ得ること、またこのような被覆が
アルミナイド被覆又はMCrAlY形式の表面層被
覆であつて良いことは勿論である。 以上に於ては本発明をその好ましい実施例によ
り図示し説明したが、本発明の範囲内でその形態
及び細部に種々の変更が行われ得ることは当業者
により理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸化挙動へのイツトリウム含有量変化
の影響を示す図である。第２Ａ図、第２Ｂ図及び
第２Ｃ図は種々のイツトリウム含有量の合金で得
られた酸化物組織を示す走査電子顕微鏡写真であ
る。第３図は2000〓（1093℃）での酸化挙動への
クローム含有量の変化の影響を示す図である。第
４図は2100〓（1140℃）での酸化挙動へのクロー
ム含有量の変化の影響を示す図である。第５図は
幾つかの合金の応力破壊挙動を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 5.8〜7.8％のAl、８〜12.8％のMo、４〜８％
   のＷ、２〜４％のCr、１〜２％のTa、両者の合
   計にて0.01〜0.3％のHfとＹであつてそのうちＹ
   は0.01〜0.1％であるHf及びＹを含み、残余がNi
   である高強度耐酸化性のニツケル基超合金。