JPH04221035A - コバルト基鍛錬用合金組成物と物品 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般的には冶金技術にお
ける超合金分野に関し、さらに詳しくは高温強度、耐酸
化性、耐高温腐食性、および耐熱疲労亀裂性を独特にか
ねそなえた新規なコバルト基合金並びにそれを用いた新
規な物品に関する。

【０００２】

【発明の背景】ガスタ―ビンの高温部構成部品は応力お
よび温度に関して苛酷な条件下で高温腐食および侵食雰
囲気における連続的な運転に耐えることができなければ
ならず、これまでのところ耐熱コバルト基超合金および
ニッケル基超合金のみがかかる用途に耐えることがわか
っている。数種の鋳造用コバルト合金がタ―ビン用途に
市販されている。しかし、意外にも市販されている鍛錬
用コバルト合金の数は、よりよいものが待望久しいにも
かかわらず極めて限られている。かくして、高温部分コ
バルト合金構造物を製作または修理するための溶接ワイ
ヤ―の製造に用いる鍛錬用合金は望ましい特性のうちの
いずれかを欠くこととなる。現在、かかる鍛錬用合金と
して２種類が広く用いられているが、長期間の熱サイク
ルに耐える構成部品修理に提供することはできない。し
たがって、高価な高温部修理の耐久性は当業者の重大な
関心事である。

【０００３】

【発明の要約】以下に述べる新しい概念および発見によ
り導かれた本発明により、従来技術による鍛錬用合金の
欠点は除去されるとともに意味のある効果が一慣して得
られる。さらに、これらの主要な効果は、かかる効果を
相殺する原価の上昇またはその他の不利益を招来するこ
となく実現される。

【０００４】長期の使用期間にわたってガスタ―ビンエ
ンジンの熱サイクルおよび高温腐食に耐えるであろうコ
バルト基鍛錬用合金に対する長年の需要を満足させるこ
とは可能であり、さらに、この新しい特性を流動性、湿
潤性などのワイヤ態様にて問題となる溶接特性および良
好な機械加工性とともに得ることができると判明した。

【０００５】本発明により製造した溶接ワイヤは鋳造コ
バルト基合金製ガスタ―ビン部品の修理に特に有用であ
ることも判明した。実際に、熱疲労流体ベッド試験によ
り亀裂発生に対する抵抗をみてみると、上述の修理を行
った部品は従来技術による合金で修理した同等部品に比
較してほぼ１０倍に向上していた。

【０００６】上記の新しい効果を奏するのに、従来から
知られていたコバルト基鍛錬用合金の組成に対して比較
的小さいが意味のある変化を与えればよいことも意外で
あった。かくして本発明の合金は、米国特許第３，３６
６，４７８号に開示された合金とくらべて、炭素、ニッ
ケルおよびタンタルについてはよく似た量比でクロムに
ついてはやや多めに、そしてコバルトについてはその分
やや少なめに含有する。しかし、本発明の合金は重要な
追加成分として微量だが有効な量比のセリウムを含有す
る。

【０００７】一般的に述べれば、本発明の新規な合金は
コバルト以外に約０．０３〜０．１０重量％の炭素、約
２４〜３２重量％のクロム、約１４〜２２重量％のニッ
ケル、約２〜８重量％のタンタル、および約０．０２〜
０．７５重量％のセリウムを含有する。さらに、これら
合金に微量のアルミニウム、銅、マンガン、ケイ素、ホ
ウ素、タングステン、モリブデン、鉄およびジルコニウ
ムをこれらの合計量で１．３８重量％以下含有させてよ
い。酸素、窒素、並びにビスマス、ヒ素および鉛のごと
き低融点金属元素は可能なかぎり低い濃度に抑える。最
適な配合において、本発明の合金は約２９％のクロム、
約２０％のニッケッル、約６％のタンタル、約０．０５
％の炭素、約０．２５％のセリウム、および残部のコバ
ルトからなる。

【０００８】本発明は製造される物品として様々な形態
をとる。簡単に説明すれば、本発明の新規な合金を溶接
ワイヤ―としたり、当該新規合金を保護被膜として被覆
した高温段階ガスタ―ビンエンジン構成部品のごとき複
合構造体とすることができる。別の利用として、ガスタ
―ビンエンジンノズルの亀裂を当該新規合金で溶接補修
することもできる。

【０００９】

【実施例の記載】本発明の合金の製造方法は製造者が任
意に選択できる。しかし、本発明の実施にしたがえば、
コバルト、クロム、ニッケル、タンタルおよび炭素から
なる融体を真空中で作成すなわち真空誘導溶融する。セ
リウムのような金属は溶解の末期近くで加える。インゴ
ットはさらに再溶融して２回目には均質化および組織の
改良を促して一次あら延べに好効果をもたらすようにす
る。得られたビレットを加工して棒材および溶接ワイヤ
―のごとき様々な形状に鍛錬する。別法としてインゴッ
トを粉末に変えることもできる。

【００１０】これらの新規合金をガスタ―ビンシュラウ
ドブロック等の被膜として適用する場合、低圧（すなわ
ち真空）プラズマスプレ―、電子ビ―ム物理的蒸着法（
ＰＶＤ）、またはアルゴン包囲プラズマスプレ―を用い
ることが望ましい。様々なその他の適切な方法が記載さ
れている文献としてパウェル（Ｐｏｗｅｌｌ）「蒸着（
Ｖａｐｏｕｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）」Ｊｏｈｎ　
Ｗｉｌｅｙ　＆　Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．，　１９６６年２
４２〜２４６ペ―ジ、およびスミス（Ｓｍｉｔｈ　）ら
の“Ｌｏｗ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｐｌａｓｍａ　Ｓｐｒ
ａｙ　Ｃｏａｔｉｎｇ　ｆｏｒ　ＨｏｔＣｏｒｒｏｓｉ
ｏｎ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ”第９回溶射国際会議会報
３３４ペ―ジ（１９８０）がある。

【００１１】鋳造合金物品の亀裂の補修に本発明による
溶接ワイヤ―を用いる場合、ガスタングステンア―ク溶
接法を用いると望ましいが、必要な強度、延性および一
体性を有する溶接物が得られるかぎりにおいて、その他
の方法を用いてもよいことは当業者なら理解するだろう
。

【００１２】試験は従来技術の合金および本発明の合金
（２９％Ｃｒ，２０％Ｎｉ，６％Ｔａ，０．２５％Ｃｅ
，０．０５％Ｃ，残部Ｃｏ）の試験片を用いて行った。 溶接部についての一連の熱疲労挙動試験では、図５の１
０を付したコバルト基超合金試験片を用いた。該試験片
はガスタ―ビンエンジンノズルの製造に用いられる部品
でありノッチ１１，１２および１３を図６の符号１４に
示すように溶接金属で充填してある。亀裂の発生および
成長を示す図１の曲線Ａ，ＢおよびＣはそれぞれ、正常
な運転において典型的にノズルに負荷される条件、具体
的には１５８８°Ｆ４分間＋７０°Ｆ４分間の流体ベッ
ド温度−時間サイクルを模擬した条件での熱疲労試験で
集めたデ―タを示す。試験は２０，４０，６０，８０，
１００，１５０，２００および３００の各サイクル時点
で亀裂の発生の検査および亀裂の拡張の測定のために中
断し、５００サイクル実施後に終了した。これらの試験
から得られたデ―タは図１の曲線Ａ，ＢおよびＣで示し
てあり、これらはそれぞれ本発明の合金、合金Ｌ−６０
５および合金ＦＳＸ−４１４ＬＣの結果を示す。

【００１３】別の一連の試験において上記と同一の本発
明の合金の破断強度を１５００°Ｆ／２５ｋｓｉ　で測
定した。得られた結果は図２のグラフ上の測定値Ｈで示
す。 同図には合金Ｌ−６０５、合金ＦＳＸ−４１４、合金Ｈ
Ｓ−１８８および合金ＭＭ−９１８に関しての文献デ―
タをもそれぞれ点Ｋ，Ｌ，ＭおよびＮとして示す。１０
０３時間後において本発明の合金の試験片には全く破損
が見られず、それをもって試験は終了した。他方、その
他の合金がそれぞれ示す測定値は試験片の破損を示す。 破断強度に関して、本発明の合金の格別な優位性は明瞭
である。

【００１４】本発明の前記２９％クロム合金の試験片に
ついて行った引張強度試験のデ―タは下記の表１に記述
する。比較のために文献によるＬ−６０５，ＨＳ−１８
８およびＭＭ−９１８合金に関するデ―タも表１に示す
。

【００１５】

【表１】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　表　　１　　合　　金　　　　　　
　　温　　度　　　　　　引張強さ　　　　　　　　０
．２％耐力　　　　　　伸び　　　　　　　　　　　　
　　（°Ｆ）　　　　　　（ｐｓｉ　）　　　　　　　
　（ｐｓｉ　）　　　　　　　　　　（％）本発明　　
　　　　　　　　１４００　　　　１０３，４００　　
　　７１，８００　　　　４１．２Ｌ６０５　　　　　
　　　１４００　　　　　　６６，０００　　　　３８
，０００　　　　１２．０ＨＳ　　１８８　　　　１４
００　　　　　　９２，０００　　　　４２，０００　
　　　４３．０ＭＭ　　９１８　　　　１４００　　　
　　　８１，１００　　　　２６，８００　　　　５２
．８本発明　　　　　　　　　　１６００　　　　　　
６０，１００　　　　５４，５００　　　　４８．８Ｌ
６０５　　　　　　　　１６００　　　　　　４７，０
００　　　　３５，０００　　　　３５．０ＨＳ　　１
８８　　　　１６００　　　　　　６１，０００　　　
　３８，０００　　　　７３．０ＭＭ　　９１８　　　
　１６００　　　　　　６４，６００　　　　２３，７
００　　　　６５．３本発明の前記２９％クロム合金が
温度（１４００°Ｆおよび１６００°Ｆ）においてより
優れた降伏強度を保有することは表１のデ―タから明ら
かである。

【００１６】本発明の合金と現在もっとも良いとされて
いる合金とについて、高温腐食／酸化の比較試験を実施
して得た結果を下記の表２に示す。この比較試験はバ―
ナ―装置を用いて各合金の丸形ピン試験片を１３５０°
Ｆ，１６００°Ｆおよび１７００°Ｆの各温度に暴露し
て行った。１３５０°Ｆおよび１６００°Ｆの試験に用
いた燃料は二硫化ｔ−ブチル（１％の硫黄を加えるため
）および約５００ｐｐｍ　の合成海水塩を添加した＃２
ディ―ゼル油である。十分な量のＳＯ２　を燃焼空気に
添加して、通常の船舶用および産業用ガスタ―ビンの運
転状態においてふつうみられる値にほぼ相当する硫黄水
準とした。１７００°Ｆの試験は天然ガスを燃料として
純酸化性の条件下で実施した。１３５０°Ｆでは苛酷な
第二種高温腐食条件下で２０００時間経過すると、本発
明の合金の侵入平均値は０．０００１５インチだったの
に対し、ＭＭ−９１８合金のそれは０．０００９インチ
であった。

【００１７】１６００°Ｆでは、同じく第二種条件下で
２０００時間経過すると、本発明の合金の浸入深度の平
均値が４．７ミルだったのに対し、ＭＭ−９１８合金の
それは６．７ミルであった。かくして本発明の合金がＭ
Ｍ−９１８合金と比較して格段に優れていることは明瞭
である。

【００１８】

【表２】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　表　　２　　　　合　　金　　　　
　　　　　　温度／燃料　　　　　　　　　　　　　　
　　時　　間　　　　　　平均浸透ミル　　本発明　　
　　　　　　　　１３５０Ｆ／ディ―ゼル油　　　　２
０００　　　　　　　　．１５　　ＭＭ−９１８　　　
　１３５０Ｆ／ディ―ゼル油　　　　２０００　　　　
　　　　．９０　　本発明　　　　　　　　　　１６０
０Ｆ／ディ―ゼル油　　　　２０００　　　　　　４．
７　　ＭＭ−９１８　　　　１６００Ｆ／ディ―ゼル油
　　　　２０００　　　　　　６．７最後に前記２９％
クロム合金（本発明）について一連の耐高温酸化性試験
を実施した。これらの試験には上記の高温腐食／酸化試
験に用いたと同様のバ―ナ装置と丸形ピン試験片を用い
た。これらの試験では天然ガスを用いた。得られた結果
は図３のグラフに測定値を線で結んで曲線Ｒとして示し
た。

【００１９】上記の試験において選択した市販合金は次
のとおりである。

【００２０】Ｌ−６１５合金…初期のコバルト基鍛錬用
合金の一つ。

【００２１】ＦＳＸ−４１４ＬＣ合金…ゼネラル・エレ
クトリック社が特許を保有する鋳造用コバルト基合金の
低炭素溶接ワイヤ―仕様。

【００２２】ＨＳ−１８８合金…少量のＬａを含有させ
たＬ−６０５合金の改良合金。

【００２３】ＭＭ−９１８合金…米国特許第３，３６６
，４７８号の請求項（９）の合金。

【００２４】図４に示すように本発明は複合体の形態、
具体的には本発明の合金で被覆されたガスタ―ビンエン
ジンシュラウドブロック１５の形態をとる。かくして、
タ―ビンバケットチップ１７に対向するブロックの表面
部分は本発明の合金の被膜１６を保有する。そのため、
タ―ビンシェル１８に固定されるブロック１５は、耐熱
疲労亀裂性の被膜１６により、重要な部位における酸化
および腐食から保護される。該被膜１６は約８〜１０ミ
ルの厚さであることが適しており、空気プラズマスプレ
―または真空プラズマスプレ―の技法により設けられる
。

【００２５】本明細書中に記載した比、割合または百分
率は特にことわらないかぎり重量基準である。

【図面の簡単な説明】

【図１】サイクル数に対して亀裂発生までの時間とミル
で表示した亀裂長さとをプロットしたグラフである。本
発明を具体化する試験片と従来の２種の充填溶接ワイヤ
―合金の試験片とについて、熱疲労試験を実施した結果
をそれぞれの合金の点を線で結んでグラフに表してある
。

【図２】温度に対して応力をプロットした１０００時間
破断強度図である。本発明を具体化する試験片の破断強
度試験の結果と４種類の従来技術の合金について文献に
報告されていた該試験の結果とをそれぞれプロットして
表示してある。

【図３】１８００°Ｆ天然ガス中における本発明の合金
の耐酸化性を示すグラフであって、時間（１０００時間
単位）に対して浸入平均値（ミル）をプロットして線で
結んで表示してある。

【図４】ガスタ―ビンエンジンのシェル、シュラウドブ
ロックおよびタ―ビンバケットの部分の横断面図である
。シュラウドブロックは、バケットチップに対向する表
面部分を本発明の合金により被覆してある。

【図５】本発明の合金および従来技術の合金を充填溶接
材料として評価するために用いた熱疲労試験片の平面図
である。試験の結果は図１に示した。

【図６】図５の試験片の線６−６に沿った断面図である
。

【符号の説明】

１５　　シュラウドブロック １６　　被膜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　２４〜３２％のクロム、１４〜２２％
   のニッケル、２〜８％のタンタル、０．０２〜０．７５
   ％のセリウム、０．０３〜０．１％の炭素、および残部
   のコバルトからなり、高温強度、耐酸化性、耐高温腐食
   性、耐熱疲労性に優れ、これらを独特にかねそなえるた
   め特に、１８００°Ｆのガスタ―ビンエンジン環境にお
   ける用途を有するコバルト基鍛錬用合金。
2. 【請求項２】　　２９％のクロム、２０％のニッケル、
   ６％のタンタル、０．０５％の炭素、０．２５％のセリ
   ウム、および残部のコバルトからなることを特徴とする
   請求項１記載の合金。
3. 【請求項３】　　２４〜３２％のクロム、１４〜２２％
   のニッケル、２〜８％のタンタル、０．０２〜０．７５
   ％のセリウム、０．０３〜０．１％の炭素、および残部
   のコバルトからなるコバルト基合金の層で局部的に被覆
   してなる高温段ガスタ―ビンエンジン構成部品の形態の
   複合体物品。
4. 【請求項４】　　該被膜が２９％のクロム、２０％のニ
   ッケル、６％のタンタル、０．０５％の炭素、０．７５
   ％のセリウム、および残部のコバルトからなる合金でで
   きたシュラウドブロックである請求項３記載の複合体物
   品。