JPH03253531A - 低比重Ｎｉ基単結晶耐熱合金 - 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） この発明は、単結晶超合金としては低比重でかつクリー
プ破断強度にも優れたＮｉ基単結晶耐熱合金に関するも
のである。

（従来の技術とその課題） ジェットエンジンや発電設備などに用いられるガスター
ビンの出力および熱効率を上げようとする場合には、燃
焼ガス温度を上昇させるのが最も有効であることが知ら
れている。しかしながら、そのためには、クリープ破断
強度の大きい動翼材を使用することが必要となる。現在
までに実用化されている比較的強度の大きい単結晶耐熱
合金としては、＾ｌｌ０Ｖ　４５４と呼ばれる、重量％
組成でＣｏ　：　５．Ｃｒ　：　１０．Ｗ：　４、Ａｌ
：５、Ｔ　ｉ　：　１．５およびＴａ：１２を含んだＮ
ｉ基合金が知られている。このほか、ＰＷＡ　１４８４
と呼ばれる、重量％組成でＣｏ：１０．Ｃｒ：５、Ｍｏ
　：２．０　、Ｗ；　６、ＡＩ　＋５．６　、Ｔａ：８
．７、Ｈｆ：０．１およびＲＥ：３．Ｏを含有するＮｉ
基合金と、ＭＸＯＮと呼ばれるＣｏ：５、Ｃｒ：８、Ｍ
ｏ：２、Ｗ：８、Ａｌ：６．１、Ｔａ：６を含有するＮ
ｉ基合金、さらには５Ｃ８３と呼ばれるＣ　ｒ−ニー６
、５５、Ｍ　ｏ　：　４．３８、Ｗニア、０８、Ａ　１
　：　５．２０、Ｔ　ａ　：　７．４９を含有するＮｉ
基合金が知られている。

しかしながら、これらの合金には原子量の大きいＷとＴ
ａが多量に含有されているために合金の比重が大きいと
いう欠点がある。このためタービンの動翼として用いる
場合には、部材内に大きな遠心力が発生し、タービン動
翼そのもののクリープ破断寿命が低下するだけでなく、
タービン動翼を取付けたディスクへの負荷が大きくなる
という欠点があり、後者が特に実用上の障害となる。

このような観点から開発された合金としてＲＲ２０００
がある。この合金は比重が７，９と小さく、ディスクへ
の負荷低減には有利である。しかしながら、クリープ強
度が極端に低い。このため、動翼自体の破断が問題とな
って、タービンの温度、回転速度が制限され、その結果
タービンの出力効率を上昇させるにも限度がある。

この発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたもので
あり、従来のＮｉ基合金の上記欠点を解消し、低比重で
かつ優れたクリープ破断強度を有する新しい合金を提供
することを目的としている。

く課題を解決するための手段） この発明は、上記の課題を解決するために、化学組成と
して重量％でＣｒ：５〜１４、Ｍｏ：４〜８、Ａｌ：４
〜７、Ｔｉ　：４以下、Ｎｂ：４以下を含有し、残部は
実質的にＮｉよりなることを特徴とする低比ｌＮｉＮ単
基晶合金を提供する。

この発明は、上記の規定から明らかなように、合金の比
重を小さくするために、Ｗを含有させないだけでなく、
Ｔａを含有させないか、もしくはその含有量を特定の範
囲内に十分低くすることを特徴とし、しかも強度的にも
優れた画然合金とな′るようにしている。通常は、これ
らのＷやＴａの元素の含有量を低下させるとクリープ破
断強度が低下するが、この発明においては、４〜８重量
％のＭＯ１４％以下のＴｉ、および４％以下のＮｂ、４
％以下のＴａを添加することにより、ＷとＴａ含有量の
低下によるクリープ破断強度の低下を補っており、また
、合金の比重も実用化されている従来の最強合金よりも
大巾に小さくなっている。

ような特徴を有するこの発明の合金については、成分元
素の添加によるその組成の制御を次の観点から行うのが
好ましい。

Ｃｒ：　　Ｃｒは合金の耐硫化腐食性を良好にする作用
がある。Ｏｒが５％より少ないとその作用が十分に得ら
れない。またその量が１４％を超えるとび相やμ相など
の有害相が板状に生成してクリープ破断強度を低下させ
る。

ＡＩ＋　　ＡＩはγ′相を生成するために必要な元素で
あり、γ′相を十分に析出するためには４％以上含有さ
せる。しかしながら、７％を超えると共晶γ′と呼ばれ
る粗大なγ′相の量が過多となり、溶体化処理が不可能
となって、その結果クリープ破断強度を低下させること
になる。

Ｔｉ：　　Ｔｉはγ′相と固溶強化させるとともにγ′
相の量を増加させるために、必要な元素である。しかし
その量が４％を超えるとη相を生成し、クリープ破゛断
強度を低下させる。

Ｎｂはγ′相を著しく固溶強化させる とともにγ′相量を増加させるために必要な元素である
。しかしその量か４冗を超えるとδ相を生成し、クリー
プ破断強度を低下させる。

Ｔａ：　　Ｔａはγ′相を著しく固溶強化させるに、γ
′相の量を増加する元素である。

しかしながら、その量が４％を超えると比重が大きくな
る。

Ｍｏは主としてγ相に固溶し、これを 著しく強化するとともに、γ相の格子定数をγ′相の格
子定数よりも大きくしてγ′析出物のまわりに応力場を
生じさせる。これによって、クリープ破断強度向上に有
効な非等方性粗大化組織が得られやすくなると同時に、
得られた組織中のγ相とγ′相の界面により間隔の小さ
い転位網を形成して合金中の転位の動きを阻げ、クリー
プ破断強度を向上させる。

このため、本発明ではＭｏ量は４％以上Ｎｂ　： ＭＯ： 必要である。しかしながら、その含有 量が８％を超えるとμ相などの有害相を生威し、クリー
プ破断強度を低下させる。

なお、この発明の合金には、所望により、さらにＣｏ、
Ｈｆおよび／またはＲｅを添加してさらに一層の性能向
上を図ってもよい、一般に、Ｃ０（５〜１５％）の添加
は、Ｎｉ基単結晶合金の中低温（８００〜９５０°Ｃ）
でのクリープ破断強度向上に有効とされており、また、
Ｈｆ（０，１％程度）は耐酸化性と耐高温腐食性向上に
有効とされている。また、Ｒｅ（１〜３％）は、クリー
プ破断強度向上、ならびに耐高温腐食性向上に有効とさ
れている。このような観点からのＣｏ、Ｈｆおよび／、
ｔたはＲｅの添加が考慮される。この発明の合金は、Ｃ
，Ｂ、Ｚｒなどの粒界強化元素を含有させないので、粒
界のない状態で使用する。このため単結晶合金となる。

すなわち、一方向凝固によって単結晶とし、次いで、溶
体化＋均質化処理後に冷却してγ′相を析出させる。さ
らに必要に応じ、１段または２段階の時効熱処理によっ
てγ′相の形状を調整してもよい、なお、溶体化＋均質
化処理は１２５０〜１３３０℃程度の温度において行う
ことができる。

（実施例１〜３） 表１に示した組成からなる２種類の合金を一方向凝固さ
せて単結晶試験片を製造した。すなわち高周波真空溶解
炉により合金を溶解し、水冷銅板上で別途加熱された鋳
型に鋳込んだ。次に鋳型を２００ｍ＋／ｈｒにてヒータ
ー下方に移動させることにより、水冷銅板の上方に向っ
て一方向凝固させた。

得られた単結晶を合金１については１２５０°Ｃ１合金
２については１３００℃にて４ｈ溶体化＋均質化処理し
た後、空冷してγ′相を析出させた。さらに、両合金と
も９８２℃ｘ５ｈ、空冷→８７０℃Ｘ２０ｈ、空冷の２
段時効処理を行った。

この試験片について１０４０℃、１４ｋｇｆ／ｍ＋’の
条件でクリープ破断試験を行い、破断寿命を測定した。

その結果を従来の合金とともに表１に示した。

これらの特性を比重とクリープ破断寿命で整理したのが
第１図である。この結果より明らかなように、この発明
のＮｉ基単結晶耐画然金は既存の高強度単結晶合金と比
較し得るクリープ破断強度を有しながら比重が６〜１０
％も低減されている。

一方、既存の低比重合金と比較するとやや比重が大きい
が、クリープ破断強度は大巾に高くなっている。このよ
うに、この発明の合金はクリープ破断強度と比重のバラ
ンスの点で既存合金にない優れた合金を提供するもので
ある。この発明の合金をジェットエンジンや発電用ガス
タービンの動翼材に用いることにより、従来の高強度合
金に比べてタービンディスクへの負荷を６〜１０％低減
させることができる。これによって現在すでに極限状態
に近いディスクへの負担を低減し、タービンの耐久性、
信頼性を大巾に向上させることが可能となる。一方、既
存の低比重合金に比べ、クリープ破断強度が大きいだけ
タービンの高温化および回転速度白土が可能となる。

４

【図面の簡単な説明】

第１図は、 この発明の合金と既存合金との特性 を対比して示したクリープ破断寿命と比重との相第 図 開国である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）化学組成として重量％で Ｃｒ：５〜１４ Ｍｏ：４〜８ Ａｌ：４〜７ Ｔｉ：４以下 Ｎｂ：４以下 を含有し、残部は実質的にＮｉよりなることを特徴とす
   る低比重Ｎｉ基単結晶耐熱合金。（２）請求項（１）記
   載の合金に対して４％以下のＴａを含有させてなる低比
   重Ｎｉ基単結晶耐熱合金。