JPH02149627A

JPH02149627A - ニッケルベース超合金

Info

Publication number: JPH02149627A
Application number: JP1049706A
Authority: JP
Inventors: Peter Lawrence; ピーター　ローレンス; Mohamed Nazmy; モハメド　ナズミー; Markus Staubli; マルクス　シュタウブリ
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1988-03-02
Filing date: 1989-03-01
Publication date: 1990-06-08
Anticipated expiration: 2013-11-18
Also published as: US4957703A; AU610996B2; CH675256A5; DE58901443D1; EP0330858B1; CA1334632C; JP2825836B2; NO890874L; NO172812C; AU3084989A; NO172812B; EP0330858A1; NO890874D0

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】く技術分野〉ニッケルを基体とする超合金は、その構造によって高温
度でその卓越した機械的性質を有するために熱的に及び
機械的に要求の多い熱機関に使用される。これをガスタ
ービン用ブレード材料として使用するのが好ましい。

本発明は、一方向凝固の鋳造−合金を主眼にしてニッケ
ルベース超合金を更に発展させることにある。

特に本発明は６００〜７５０℃の温度範囲で改良された
機械的性質を有する析出硬化しうるニッケルベース超合
金に関する。

更に本発明は析出硬化しうるニッケルベース超合金から
部材を製造する方法に関する。その際合金を溶融し、鋳
造し、そのクリスタリットを強制的に一方向凝固させ、
その後熱処理を行う。

〈従来技術〉従来技術として次の文献が挙げられる二口パート　ダブ
リュー　ファウレ−（ＲｏｂｅｒｔＷ、　　Ｆａｗｌｅ
ｙ）　、超合金の発展、超合金、第３２９頁、編集者Ｃ
ｈｅｓｔｅｒ　Ｔ、　５１ｍ５　ａｎｄ　Ｗｉｌｌｉａ
ｍＣ，Ｉａｇｅｌ、　　Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ　ａｎｄ
　５ｏｎｓ　　、ニューヨーク１９７２ミチコ　ヤマブキ、日本国内企業のニッケルベース超合
金の発展、ガスタービン及び他の適用に関する高温合金
１９８６、第９４５−９５３頁、１９８６年１０月６−
９日、ベルギー、リーン（Ｌｉ＆ｇｅ）で開催された会
議の議事録、Ｄ。

Ｒｅ１ｄｅｌ　　ｐｕｂｌｊｓｈｉｎｇ　　ｃｏｍｐａ
ｎｙ、　　Ｄｏｒｄｒｅｃｈｔ。

市場で入手可能なニッケルベース−鋳造−超合金として
商品名ｌＮ７３８　　（ＩＮＣＯ）の合金がしばしば使
用される。これは次の組成を有する：Ｃｒ＝１６　　　
　重量−％Ｃｏ＝８．５　　　重量−％讐　＝２．６　　　重量−％Ｍｏ＝１．７５　　重量−％Ｔａ＝１．７５　　重量−％ＡＩ＝３．４　　　重量−％Ｔｉ＝３．４　　　重量−％Ｚｒ＝Ｏ，１重量−％Ｂ　　＝　　　０．０１　　重量−％Ｃ＝０．１１　　重量−％Ｎｉ　＝残りこの合金は工業用ガスタービンに長い期間必要とされる
耐塑性変形性に関してしばしば不十分である。その上こ
れは高価な軍事用金属コバルトの多量を含有する。

他の、ガスタービン構造に使用される市販のニッケルベ
ース−鋳造−超合金として商品名ｌＮ７９２’（ＩＮＣ
Ｏ）の合金が挙げられる。これは次の組成を有する：Ｃｒ　　＝　　１２．４　　　重量−％Ｃｏ＝９　　　
　重量−％讐　＝３．８　　　重量−％Ｍｏ＝１．９　　　重量−％Ｔａ＝３．９　　　重量−％ＡＡ＝３．１　　　重量−％Ｔｉ＝４．５　　　重量−％Ｚｒ＝０．１　　　重量−％Ｂ　　＝　　　０．０２　　重量−％Ｃ＝０．１２　　重量−％Ｎｉ　＝残りこの合金も長い期間必要とされるその塑性変形挙動を満
足させない。その上その腐食安定性は適用温度範囲内で
どちらかといえば下限にある。

したがって存在する合金を特にその長期間使用について
改良することが要求される。

〈本発明の説明〉本発明は、６００℃〜７５０℃の温度範囲で十分な腐食
安定性の維持下に改良された機械的性質、たとえば耐熱
性、耐塑性変形性等々を有する、析出硬化しうるニッケ
ルベース超合金を見い出すことを課題とする。この合金
は特に１００００時間以上の長期間使用に関して一方向
凝固で鋳造された部材に適さねばならない。更に本発明
の課題は、最適な機械的性質を保証する一方向凝固で鋳
造された部材に関する熱処理を見い出すことにある。

この課題は前述のニッケルベース超合金が次の組成を有
することによって解決される：Ｃｒ＝１２−１５　　　
　重量−％Ｃｏ＝３−４．５　　　　　重量−％讐　−１−３，５重量−％Ｔａ＝４−５．５　　　　　重量−％へｆ＝３−４．３　　　　　　　重量−％Ｔｉ＝４−５
　　　　　　重量−％Ｈｆ　　＝　　Ｏ−２，５重量−％Ｂ　　＝　　０−０．０２　　　　重量−％Ｚｒ　　＝
　　０．０１−０．０６　　重量−％Ｃ＝　　０．０５
−０．０７　重量−％Ｎｉ’　＝残り更にこの課題は、前述の方法で熱処理が次の処理段階か
ら成ることによって解決される：ａ）　アルゴン雰囲気
下で１１００’ｃに加熱し、ｂ）　１０時間１１００℃
に保ち、Ｃ）速度３０℃／ｈで１２２０℃に加熱し、ｄ）　アル
ゴン雰囲気下で２時間１２２０℃に保ち、ｅ）　アルゴ
ン雰囲気下で速度３０℃／ｈで１２７０〜１２８０　℃
に加熱し、ｆ）　アルゴン雰囲気下で１０時間１２８０℃に保ち、ｇ　少なくともＩＯ″Ｃ／分の速度で室温に冷却し、ｈ
　　８５０℃に加熱し、ｉ　空気中で４時間８５０°Ｃに保ち、ｋ　少なくとも
１０℃／分の速度で室温に冷却し、１　　７６０℃に加
熱し、ｍ　空気中で１６時間７６０°Ｃに保ち、ｎ）少なくと
も１０℃／分の速度で室温に冷却する。

く本発明の実施方法〉本発明を図によって詳述される下記の実施例を用いて説
明する。その１際第１図は第一合金に関する熱処理の図表を、第２図は第
二合金に関する熱処理の図表を、第３図は７００　℃の
温度で第一合金から成る部材の塑性変形挙動の図表を、第４図は７００℃の温度で第二合金から成る部材の塑性
変形挙動の図表を示す。

第１図中、熱処理の温度／時間−図表を第一合金に関し
て表わす。１は段階的溶体化処理に関する時間の関数で
の温度経過である。１１００℃までの加熱は厳密なもの
ではなく、任意に行うことができる。１１００℃から１
２２０　’ｃまで加熱速度３０℃／ｈを維持する。１２
２０°Ｃの温度を２時間保ち、次いで３０℃／ｈで１２
８０℃に加熱する。

この温度を１０時間保つ（超溶体化処理）。次いで急速
に室温に冷却する。２は時効硬化（析出硬化）に関する
時間の関数での温度変化を示す。

第一段階は８５０℃／４ｈであり、３は時効硬化に関す
る温度の変化であり、第二段階は７６０”Ｃ／１６’ｈ
である。線４は８５０℃／２４ｈでの第一段階の時効硬
化に関する時間の関数での温度経過を示す。たとえばこ
れは少なくとも面単にするために実際に第二段階の時効
硬化の代りに実施する。

第２図は第二合金に関する熱処理の図表を表わす。処理
の経過は１２７０℃の超−溶体化処理の温度まで第１図
による処理の経過と同一である。

５は溶体化処理に関する時間の関数での温度であり、６
及び７は第二段階の時効硬化に関する温度であり、８は
第一段階の時効硬化に関する温度である。曲線６．７．
８は第１図中の曲線２．３．４と丁度対応する。

第３図中、７００℃の温度での第一合金から成る部材の
塑性変形挙動の図表である。結果は一方向凝固で鋳造さ
れた加工片から仕上げられたテストロッドを示す（引張
試験）。９は７００℃の温度で破壊するまでの負荷時間
の関数での耐えた引張応力である。細線の曲線は補性さ
れた値を示す。

短時間試験で合金は約１０００ＭＰａに耐える。

１ｏｏｏ時間以上合金はまだ引張負荷約７００ＭＰａに
耐える。

第４図は７００℃の温度での第二合金から成る部材の塑
性変形の図表である。これは再度一方向凝固のテストロ
ッドである。耐えた引張応力は第３図による第一合金の
それと著しく同一である。

曲線１０は第３図中の曲線９に対応する。

実施例１：第１及び３図参照。

次の組成のニッケルベース超合金を製造する：Ｃｒ　　
＝　　１３．３２　　　重量−％Ｃｏ＝３．２　　　　
重量−％讐　−２，２５重量−％Ｔａ＝４゜８　　　重量−％八β　＝４．１　　　　　重量−％Ｔｉ＝４．４１　　　重量−％Ｂ　　＝　　　０．０１６　　重量−％Ｚｒ＝　　　０
．０１５　　重量−％Ｃ＝　　　０．０６４　　重量−％Ｎｉ−残り出発材料として適当な合金前駆体を使用する。

これを通常の割合で減圧炉中で使用し、溶融する。

その際溶融物は約１５００℃の温度に達する。溶融物を
減圧下で鋳造し、インゴットを再度減圧下に再溶融する
。次いで溶融物を減圧下に一方向凝固のセラミック材料
から成る細長い形で鋳造する。

得られたロッドは直径１２龍及び長さ１４０ｍｍを有す
る。ロッド全体をアルゴン雰囲気下に次の順序で熱処理
する（第１図参照）。

ａ）　アルゴン雰囲気下で１１００℃に加熱し、ｂ）　
１０時間１１００℃に保ち、Ｃ）速度３０℃／ｈで１２２０℃に加熱し、ｄ）　アル
ゴン雰囲気下で２時間１２２０℃に保ち、ｅ）　アルゴ
ン雰囲気下で速度３０℃／ｈで１２８０°Ｃに加熱し、ｒ）　アルゴン雰囲気下で１０時間１２８０℃に保ち、ｇ　少なくとも１０℃／分の速度で室温に冷し、ｈ　　
８５０℃に加熱し、ｉ　空気中で４時間８５０℃に保ち、ｋ　少なくとも１０’ｃ／分の速度で室温に冷却し、１
　７６０℃に加熱し、ｍ　空気中で１６時間７６０℃に保ち、ｎ　小なくとも
１０℃／分の速度で室温に冷却する。

熱処理されたロッドから塑性変形テスト用の多数のテス
トロッドを加工する。テストロッドは直径６龍及び長さ
６０龍を有する。塑性変形テストを破壊するまで一定の
引張応力下で７００℃の一定温度で実施する。結果を第
３図の曲線９で表わす。この記載からその値は破壊する
までの負荷時間５００時間から市販合金ｌＮ７３８の値
の約１３０ＭＰａだけ上方にあることが分る。したがっ
て破壊するまでの同一時間で、新規合金から成る部材は
かなり高い負荷に耐えることができる。

６５０ＭＰａより小さい不変化の負荷で破壊するまでの
耐えうる時間を考慮した場合、これは新規合金に関して
ｌＮ７３８の場合より約１０倍多い。

たとえば５００時間の代りに５０００時間；１０００時
間の代りにｔｏｏｏｏ時間。

実施例２゛；第２及び４図参照。

次の組成のニッケルベース超合金を製造する：Ｃｒ　　
＝　　１３．２４　　　重量−％Ｃｏ＝４．２　　　　
重量−％・−＝　　　１．８５　　　重量−％Ｔａ＝５．０８　　　重量−％ＡＡ＝　　　３．７６　　　重量−％Ｔｉ＝４．８６　　　重量−％Ｂ　　＝　　　０．０１３　　重量−％Ｚｒ＝　　　０
．０１５　　重量−％Ｃ＝　　　０．０６５　　重量−％Ｎｉ−残り合金の溶融に際して、例１に於けると全く同様に行う。

溶融物を一方向凝固のために対応するセラミック型で鋳
造する。この方法で製造された、直径１２ｍｍ及び長さ
１４０鳳ｌのロッドをアルゴン雰囲気下に第２図に従っ
て次の様に熱処理する；ａ）　アルゴン雰囲気下で１１
００℃に加熱し、ｂ）　１０時間１１００℃に保ち、Ｃ）　速度３０℃／ｈで１２２０℃に加熱し、ｄ）　ア
ルゴン雰囲気下で２時間１２２０℃に保ち、（・）　ア
ルゴン雰囲気下で速度３０℃／ｈで１２７０℃に加熱し
、ｆ）　アルゴン雰囲気下で１０時間１２８０℃に保ち、ｇ）少なくとも１０℃／分の速度で室温に冷却し、ｈ）
８５０℃に加熱し、ｉ）空気中で２４時間８５０℃に保ち、ｋ）少なくとも
１０℃／分の速度で室温に冷却する。

熱処理されたロンドから、塑性変形テスト用のテストロ
ンド（直径６１１及び長さ６０菖１）を加工する。テス
トを例１と同様に７００　”Ｃの温度で実施する。結果
を第４図の曲ｖＡＩＯで示す。曲線１０　（第４図）及
び９　（第３図）は実質上一致する。この場合例１と同
様な結果が得られる。

本発明は実施例に限定されない。新規の析出硬化しうる
ニッケルベース超合金の組成は次の範囲内を変化する：Ｃｒ　　−１２−１５Ｃｏ　　＝　　３−４．５讐　＝　　１−３．５Ｔａ＝４−５．５Ａｘ　　＝　　３−４．３Ｔｉ＝４−５＋Ｉｆ　　＝　　０−２．５Ｂ　　＝　　Ｏ−０，０２Ｚｒ　　＝　　０．０１　０．０６Ｃ＝　　０．０５−０．０７重量−％重量−％重量−％重量−％重量−％重量−％重量−％重量−％重量−％重量−％Ｎｉ　＝残りこの合金類の典型的代表物として次の２つの合金が適す
る：Ｃｒ　　　＝Ｃｏ　　＝誓　　　＝Ｔａ　　− Ａｌ　　＝ｉ　　− Ｈｆ　　＝Ｂ　　　＝Ｚｒ　　＝Ｎｉ　　＝又はＣｒ　　＝Ｃｏ　　　＝讐　　　＝Ｔａ　　＝Ａ１　＝４−４．３４−４．５０−２．５０−０．０２０．０１−０．０６０．０５−０．０７残り重量−％重量−％重量−％重量−％重量−％重量−％重量−％重量−％重量−％重量−％重量−％重量−％重量−％重量−％重量−％１　３−１３．５４−４．５５−５．５Ｔｉ＝４−５　　　　　　重量−％Ｉｆｆ　　＝　　Ｏ−２，５重量−％Ｂ　　＝　　０．０１−０．０２　　重量−％Ｚｒ　　
−０，０１−０，０３重量−％Ｃ＝　　０．０５−０．
０７　　重量−％Ｎｉ　＝残り析出硬化しうるニッケルベース超合金から成る部材に関
する製造方法は、合金を溶融し、鋳造し、そのクリスタ
リットを強制的に一方向凝固させ、その後熱処理するこ
とにあり、それは次の処理工程から成る：ａ）　アルゴン雰囲気下で１１００℃に加熱し、ｂ）　
１０時間１１００℃に保ち、Ｃ）速度３０℃／ｈで１２２０℃に加熱し、ｄ）　アル
ゴン雰囲気下で２時間１２２０℃に保ち、ｅ）　アルゴ
ン雰囲気下で速度３０℃／ｈで１２７０〜１２８０℃に
加熱し、ｆ）　アルゴン雰囲気下で１０時間１２８０℃に保ち、ｇ）少な（とも１０℃／分の速度で室温に冷却し、ｈ）
８５０℃に加熱し、ｉ）空気中で４時間８５０℃に保ち、ｋ）少なくとも１０℃／分の速度で室温に冷却し、１）
７６０℃に加熱し、ｍ）空気中で１６時間７６０℃に保ち、ｎ）少なくとも
１０℃／分の速度で室温に冷却する。

変法として熱処理を次の様に実施する：ａ）　アルゴン
雰囲気下で１１００℃に加熱し、ｂ）１０時間１１００
℃に保ち、Ｃ）速度３０℃／ｈで１２２０℃に加熱し、ｄ）　アル
ゴン雰囲気下で２時間１２２０℃に保ち、ｅ）　アルゴ
ン雰囲気下で速度３０℃／ｈで１２７０〜１２８０℃に
加熱し、ｆ）　アルゴン雰囲気下で１０時間１２８０℃に保ち、ｇ）少なくとも１０℃／分の速度で室温に冷却し、ｈ）
８５０℃に加熱し、ｉ）空気中で２４時間８５０℃に保ち、ｋ）少なくとも
１０℃／分の速度で室温に冷却する。

新規合金の利点は、市場で入手できるニッケルヘースー
鋳造−超合金に比して６００〜７５０℃の温度範囲で改
良された塑性変形挙動を示すことである。新規合金は、
同一の耐久期間で持続負荷の増加又はその他は同一の負
荷で市販の合金に比して１０倍まで時間的に長い使用を
可能にし、これは上記使用条件下で十分な腐食安定性を
示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は第一合金に関する熱処理の図表を、第２図は第
二合金に関する熱処理の図表を、第３図は７００℃の温
度で第一合金から成る部材の塑性変形挙動の図表を、第４図は７００℃の温度で第二合金から成る部材の塑性
変形挙動の図表を示す。 ■・・・・・・溶体化処理に関する時間の関数での温度
。２・・・・・・時効硬化（析出硬化）に関する時間の関
数での温度。３・・・・・・時効硬化（析出硬化）に関する時間の関
数での温度。４・・・・・・第一段階の時効硬化（析出硬化）に関す
る時間の関数での温度。５・・・・・・溶体化処理に関する時間の関数での温度
。６・・・・・・時効硬化（析出硬化）に関する時間の関
数での温度。７・・・・・・時効硬化（析出硬化）に関する時間の関
数での温度。８・・・・・・第一段階の時効硬化（析出硬化）に関す
る時間の関数での温度９・・・・・・７００℃で破壊するまでの負荷時間の関
数での引張応力。１０・・・７００℃で破壊するまでの時間の関数での引
張応力。ｔ＋ｈンｔｌｈ）ＩＯ’ １０” １０′ １♂ ＋０４１０′

Claims

【特許請求の範囲】１）次の組成：Ｃｒ＝１２−１５重量−％Ｃｏ＝３−４．５重量−％Ｗ＝１−３．５重量−％Ｔａ＝４−５．５重量−％Ａｌ＝３−４．３重量−％Ｔｉ＝４−５重量−％Ｈｆ＝０−２．５重量−％Ｂ＝０−０．０２重量−％Ｚｒ＝０．０１−０．０６重量−％Ｃ＝０．０５−０．０７重量−％Ｎｉ＝残りを有することを特徴とする、６００〜７５０℃の温度範
囲で改良された機械的性質を有する析出硬化しうるニッ
ケルベース超合金。２）次の組成：Ｃｒ＝１２−１４重量−％Ｃｏ＝３−４重量−％Ｗ＝２−３重量−％Ｔａ＝４−５重量−％Ａｌ＝４−４．３重量−％Ｔｉ＝４−４．５重量−％Ｈｆ＝０−２．５重量−％Ｂ＝０−０．０２重量−％Ｚｒ＝０．０１−０．０６重量−％Ｃ＝０．０５−０．０７重量−％Ｎｉ＝残りを有する請求項１記載の析出硬化しうるニッケルベース
超合金。３）次の組成：Ｃｒ＝１３．３２重量−％Ｃｏ＝３．２重量−％Ｗ＝２．２５重量−％Ｔａ＝４．８重量−％Ａｌ＝４．１重量−％Ｔｉ＝４．４１重量−％Ｂ＝０．０１６重量−％Ｚｒ＝０．０１５重量−％Ｃ＝０．０６４重量−％Ｎｉ＝残りを有する請求項２記載の析出硬化しうるニッケルベース
超合金。４）次の組成：Ｃｒ＝１３−１３．５重量−％Ｃｏ＝４−４．５重量−％Ｗ＝１−２重量−％Ｔａ＝５−５．５重量−％Ａｌ′＝３−４重量−％Ｔｉ＝４−５重量−％Ｈｆ＝０−２．５重量−％Ｂ＝０．０１−０．０２重量−％Ｚｒ＝０．０１−０．０３重量−％Ｃ＝０．０５−０．０７重量−％Ｎｉ＝残りを有する請求項１記載の析出硬化しうるニッケルベース
超合金。５）次の組成：Ｃｒ＝１３．２４重量−％Ｃｏ＝４．２重量−％Ｗ＝１．８５重量−％Ｔａ＝５．０８重量−％Ａｌ＝３．７６重量−％Ｔｉ＝４．８６重量−％Ｂ＝０．０１３重量−％Ｚｒ＝０．０１５重量−％Ｃ＝０．０６５重量−％Ｎｉ＝残りを有する請求項４記載の析出硬化しうるニッケルベース
超合金。６）合金を溶融し、鋳造し、そのクリスタリットを強制
的に一方向凝固させ、その後熱処理を行う請求項１記載
の析出硬化しうるニッケルベース超合金から部材を製造
するにあたり、熱処理が次の処理段階から成ることを特
徴とする上記超合金から部材を製造する方法。ａ）アルゴン雰囲気下で１１００℃に加熱し、ｂ）１０
時間１１００℃に保ち、ｃ）速度３０℃／ｈで１２２０℃に加熱し、ｄ）アルゴ
ン雰囲気下で２時間１２２０℃に保ち、ｅ）アルゴン雰囲気下で速度３０℃／ｈで１２７０〜１
２８０℃に加熱し、ｆ）アルゴン雰囲気下で１０時間１２８０℃に保ち、ｇ）少なくとも１０℃／分の速度で室温に冷却し、ｈ）８５０℃に加熱し、ｉ）空気中で４時間８５０℃に保ち、ｋ）少なくとも１０℃／分の速度で室温に冷却し、ｌ）７６０℃に加熱し、ｍ）空気中で１６時間７６０℃に保ち、ｎ）少なくとも１０℃／分の速度で室温に冷却する。７）合金を溶融し、鋳造し、そのクリスタリットを強制
的に一方向凝固させ、その後熱処理を行う請求項１記載
の析出硬化しうるニッケルベース超合金から部材を製造
するにあたり、熱処理が次の処理段階から成ることを特
徴とする上記超合金から部材を製造する方法。ａ）アルゴン雰囲気下で１１００℃に加熱し、ｂ）１０
時間１１００℃に保ち、ｃ）速度３０℃／ｈで１２２０℃に加熱し、ｄ）アルゴ
ン雰囲気下で２時間１２２０℃に保ち、ｅ）アルゴン雰囲気下で速度３０℃／ｈで１２７０〜１
２８０℃に加熱し、ｆ）アルゴン雰囲気下で１０時間１２８０℃に保ち、ｇ）少なくとも１０℃／分の速度で室温に冷却し、ｈ）８５０℃に加熱し、ｉ）空気中で４時間８５０℃に保ち、ｋ）少なくとも１０℃／分の速度で室温に冷却する。