JPH0429728B2

JPH0429728B2 -

Info

Publication number: JPH0429728B2
Application number: JP60023368A
Authority: JP
Priority date: 1984-02-10
Filing date: 1985-02-08
Publication date: 1992-05-19
Also published as: US4597809A; GB8502662D0; DE3503110A1; FR2561259A1; DE3503110C2; GB2153847B; JPS60184657A; GB2153847A; CA1246903A; FR2561259B1

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、高温に於て良い機械的性質を有し、
且高温腐食に対する耐性を有する、ニツケルをベ
ースとした超合金の分野に係る。ガスタービンエンジンの効率に対する要求が増し
たことから、より苛酷な操作条件に耐えられるよ
うな物品が求められるようになつた。特に、一部
の用途に於ては、これまで以上の強度と高温腐食
に対する耐性とが求められている。米国特許第3494709号は、向上した特性を有す
る単結晶形のガスタービン物品の製造について述
べている。米国特許第3567526号は、単結晶超合
金物品より炭素を実質的に除去することにより、
特定の機械的性質が如何に改善されるかについて
述べている。米国特許第4116723号は、そ特性を
向上させるために単結晶超合金物品に対して適用
することの可能な熱処理について述べている。米
国特許第3619182号は秀れた耐腐食性を有する、
N792なる商品名で知られている、適度な強度
の超合金について述べている。1981年12月30日出
願の米国特許出願第336002号は単結晶形の、炭素
を含まないIN792型組成物を作ることにより、そ
の機械的性質が予想もしなかつた程驚くべき向上
を示すことを明らかにしている。米国特許第
3619182号及び共有米国特許出願第336002号の内
容は、本明細書中に組込まれるものとする。本発明は、炭素、硼素、ジルコニウム及びハフ
ニウム等の微量元素が単結晶体として商品化され
ている合金の性質にどのような影響を及ぼすかを
研究することにより成された。（これらの微量元
素の主たる作用は、結晶粒界の強化に関つている
ように思われる。）米国特許出願第336002号に述
べられているように、IN792として知られている
合金の単結晶（但し結晶粒界の強化されていない
もの）としての製造（米国特許第3619182号に述
べられている）により、機械的性質が予想もしな
かつたほど大幅に向上することが、既に分つてい
る。この場合の単結晶IN７９２物品は、炭素も
硼素もジルコニウムもハフニウムも意図的な添加
物ではなかつた。IN792に於ける微量元素の影響
を研究しているうちに、単結晶IN792に微量の、
即ち0.10重量％の炭素を加えることにより、この
物品の耐高温腐食性は大幅に向上するものの、同
時に機械的性質は大幅に低下してしまうことが認
められた。耐高温腐食性の向上は全く予期しなか
つたことであり、その理由も理解できない。研究
の次の段階として、基本となるIN792組成物に対
し、添加された炭素と関連付けつつタンタルを添
加することが成され、タンタルと炭素の添加量が
炭化タンタルを形成するよう炭素と関連付けられ
て釣合つているときに、機械的性質も耐高温腐食
性も共に向上することが発見された。本出願中のパーセント値は、特に断らない限
り、全て重量％の値である。本発明は、9.5〜14％クロム、７〜11％コバル
ト、１〜2.5％モリブデン、３〜６％タングステ
ン、１〜４％タンタル、３〜４％アルミニウム、
３〜５％チタニウム、6.5〜８％アルミニウム＋
チタニウム、残部実質的にニツケルの組成を有
し、0.05〜0.15％の炭素と、更にその炭素量の７
〜17倍の追加のタンタルとを添加された単結晶体
の形による機械的性質と耐高温腐食性とが改善さ
れた合金に係る。タンタルと炭素との組合せは、
体積割合にして約0.4乃至約1.5％程の炭化タンタ
ルに基く層の目に見える沈降を与える。タンタル
と炭素とを互の量を関連付けつつ添加することに
より、炭素も追加タンタルも添加しない単結晶
IN792と比較して１％クリープ寿命を2.6〜3.1倍
（即ち少なくも２倍）、耐高温腐食性を2.4倍（即
ち少なくとも２倍）向上することができる。本発明の組成は、本明細書中に引用されている
米国特許第3700023号，第3763926号及び第
4190094号を含め、幾つもの従来技術の教える所
に従つて、単結晶体に鋳造することができるもの
である。典型的な例としては、鋳造方向はこの物
品主応力軸に平行な＜100＞軸とされる。本組成
は単結晶形に鋳造された後、本明細書中に組込ま
れるものとする米国特許第4116723号の教えると
ころにより、ガンマ・プライム粒子の大きさを調
整することにより機械的性質を改善すべく、熱処
理され、合金の機械的性質が改善されるべきもの
である。その他の特徴や利点は、本発明の一つの実施例
について述べる詳細な説明と特許請求の範囲の記
載により明らかであろう。本発明を十分に理解す
るために、添付した図面を参照されたい。本発明は、IN792なる商品名で知られている合
金（これはそもそも結晶粒界強化元素を有しない
ものである）に、炭素と追加のタンタルとを互の
量を関連付けつつ添加し、この修正された組成物
を単結晶体に作ることである。ここで炭素の量は
0.05〜0.15％とし、追加のタンタルはこれを丁度
TaCを形成するような量とされる。IN792の基本
組成は、米国特許第3619182号に述べられている。
この特許による組成が、通常は単結晶物品には加
えられない。あまり重要でない元素を除くという
点に関してだけ修正される。（米国特許第4116723
号及び第3567526号を参照されたい。）その結果と
して、組成は9.5〜14％クロム、７〜11％コバル
ト、１〜2.5％モリブデン、３〜６％タグステン、
１〜４％タンタル、３〜４％アルミニウム、３〜
５％チタニウム、ここでアルミニウムとチタニウ
ムの合計は約6.5至約８％とし、１％以下のニオ
ブ、残部実質的にニツケル、となる。ここで各成
分について簡単な説明を加えると、クロムは基本
的な耐高温腐食性を与える。これが9.5％以下で
あると好ましい耐高温腐食性が得られず、一方14
％を越えると望ましくない相を形成することとな
り、又合金の強度が低減する。コバルトは安定し
た相を形成し望ましくない相の形成を抑制する。
７％以下或いは11％以上であると所望の結果は得
られない。モリブデン、タングステン、及びニオ
ブは基本的な固容体強化材として与えられ、独立
の相を形成しないがマトリツクスを強化する効果
がある。又これらはある程度炭化タンタル相に含
まれてよい。これらは必要な強化効果を与えるた
めに含まれるが、マトリツクス相とガンマプライ
ム相の格子パラメータを調節し、クリープ量を制
御し、更に強度を与える。アルミニウムは耐酸化
性及びガンマプライム相を強化するために与えら
れる。３％以下では必要な強度が得られず４％以
上では延性が低減されてしまう。３〜５％チタニ
ウムはアルミニウムと同様に延性を低減しないよ
う与えられる。もしこの制限を越えると、延性は
低減してしまう。かくしてニツケルで構成される
マトリツクスに於てガンマプライム粒子が強化さ
れる。上記の各成分についての機能及び効果は従
来の技術に於て既に知られていることである。この組成に対し、約0.05乃至約0.15％の炭素、
望ましくは約0.07乃至約0.12の炭素が加えられ
る。炭素添加と関連させつつタンタル添加もまた
行われなければならない。添加炭素と釣合つて炭
化タンタルを構成するようなタンタルの重量は、
炭素添加量の重量パーセント値の約15倍にあた
る。しかしながら、炭素量に対するタンタル量の
比率の範囲はこれより広く、炭素含有量の約７乃
至17倍、そのうち望ましくは約12乃至約16倍であ
る。結果として得られる組成は、米国特許第
3616182号に於てIN792の構成として提示された
ものと同じ、（但しＣ，Ｂ，Zr、又はHfを含まな
い）であり、これは約0.4乃至約1.5体積パーセン
トのTaC型粒子を含んでいる。これらの粒子は、
方向性をもつて固化した組織構造内にあつてラン
ダムな方向を向いている。 IN792に対し本発明の変更を加えることによつ
てどのような利点が得られるかは表に示されてい
る。表中に示されているデータは、普通に鋳造さ
れ商品化されているIN792、炭素を添加されない
単結晶のIN792（米国特許出願第336002号に提示
されているもの）、0.1％の炭素を含む合金IN792
の単結晶物品、及び本発明による物品、即ち合金
IN792を基礎としながら0.07％の炭素と4.05％の
通常のタンタルと炭素添加と釣合わせるための約
1.05％に等しい量の追加のタンタルとが添加され
ている単結晶物品、に対して成された測定によつ
て得られたものである。試験された本発明物品の
構成は、11.8％Cr、4.0％Ｗ、5.1％Ta、3.7％A1、
4.2％Ti、9.0％Co、1.96％Mo、0.07％Ｃ、残部
Ni、である。この物品は単結晶体に鋳造され、
1246℃（2275〓）に於て４時間の溶体化処理が行
なわれ、1121℃（2050〓）に於て４時間かけて時
効処理された。通常のIN792については初期融解
を生じることなく溶体化処理することができなか
つたが、全ての材料が同様の熱処理に付された。
表は、871℃（1600〓）に於て379.22MPa
（55Ksi）の圧力を加えたとき、及び982℃（1800
〓）に於て172.37MPa（25Ksi）の圧力を加えた
ときに、１％のクリープを生ずるまでの時間を示
している。破断寿命に対しても同様のデータが得
られ、また899℃（1650〓）に於ける耐高温腐食
性のデータも示されている。腐食試験は、899℃
（1650〓）に於て、ジエツトＡ燃料に20ppmの
ASTM食塩と、燃料中に1.3％に相当する硫黄含
有量を生ずるのに十分な量の二酸化硫黄を含むも
のを空燃比30：１にて燃焼させて生じた腐蝕性ガ
スの中で行われた。表示されている数値は、
24.4μm（1mil）の腐食痕を生ずるために必要な露
呈時間数を示している。機械的性質に関して言えば、通常の多結晶鋳造
から単結晶鋳造へと鋳造技術を変更することによ
る特性の変化は大幅なものであつて、それは６〜
16倍程度にまでなるということが解る。鋳造方式
の変更によつて耐腐食性が低下するということ
も、また認められる。単結晶IN792から単結晶
IN792＋炭素に移ることにより、耐腐食性はかな
り向上するが、機械的性質は大幅に低下し、炭素
添加単結晶IN792の機械的特性は通常方式で鋳造
されたIN792のそれと同程度になつてしまうとい
うことが認められる。炭素添加単結晶IN792物品
の微小構造を調べることにより、固化した構造の
中に、炭素がランダムに方向付けられた炭化タン
タルの形で存在していることが解つた。他の合金
成分は、TaCの相に少しばかり影響しているか
もしれない。タンタルは固容体強化元素として知
られているので、炭化タンタルの形成はタンタル
の強化剤としての効果を弱められるのではないか
ということが仮説として立てられた。この仮設を
験証するために、通常のIN792物品と同程度まで
固容体中のタンタル含有量が回復するよう、余分
のタンタルが添加された。その結果は表に示され
ており、炭素との釣合い以上のタンタルを加える
ことによつて機械的性質が大幅に向上し、耐腐食
性が通常のIN792と同程度までには低下しないこ
とが認められる。耐腐食性は低下しはするもの
の、本発明の組成による変更されたIN792物品の
耐腐食性は、それでも尚通常のIN792物品の耐腐
食性と同程度のものである。表のデータは、表を作成する基となつてい
る。表は、異なる組成や異なる環境条件につい
て表に掲げられているデータに基いて、それぞ
れの間の比率を示すものである。ここでＡ行は、
炭素を含まない単結晶IN792と炭素を含む通常方
式で鋳造されたIN792との間の、特性値の比率で
ある。Ａ行を見れば、米国特許出願第336002号に
よつて提案された発明（即ち、炭素、硼素、ジル
コニウム又はハフニウムを含まないIN792単結晶
の製造）は機械的性質を著しく改良しはするもの
の、一方では耐高温腐食性を低させてしまうとい
うことが解る。Ｂ行は、炭素を含むが追加タンタ
ルを含まない単結晶IN792と炭素を含む通常方式
で鋳造されたIN792との間、特性値の比率を示し
ている。これらの比率を見れば、炭素を含む単結
晶IN792は、通常鋳造方式のIN792と同等の耐高
温腐食性を有し、機械的性質は改善されているこ
とが解る。この点はＣ行に於て更に明らかにされ
ており、ここでは炭素を含む追加タンタルを含ま
ない単結晶IN792と炭素を含まない単結晶IN792
との間の、特性値の比率が示されている。単結晶
IN792に炭素のみを添加すると、耐高温腐食性は
大幅に向上するが、機械的性質は大きく低下して
しまうことが解る。Ｄ行は、本発明物品（単結晶
IN792＋Ta＋Ｃ）と通常鋳造方式による炭素を
含むIN792との比較を示していて、単結晶鋳造と
共にタンタルと炭素とを関連付けつつ添加するこ
とによつて、従来の物品に比較して機械的性質が
著しく向上することは明らかである。機械的特性
値は17.1至24.7倍の範囲で増大するが、一方耐腐
食性は実質的に同等である。Ｅ行は、本発明によ
るタンタルも炭素も共に含む単結晶IN792と炭素
のみを含む単結晶IN792との間の比率を示してい
る。本発明に従つて関連付けられた量のタンタル
を添加することによる効果は、機械的特性を4.1
乃至11倍の範囲で大幅に向上させ、耐腐食性はほ
んの僅かに低下させるのみであることが解る。最
後の行、Ｆ行は、本発明物品（タンタルと炭素と
を共に含む単結晶IN792）と、米国特許出願第
336002号の主題となつている、意図的には炭素を
含ませていない単結晶IN792との間の比率を示し
ている。Ｆ行の比率によつて、炭素とタンタルと
を量的に関連付けつつ添加することにより、１％
クリープ寿命が平均2.85倍（即ち少なくとも２
倍）増大すると共に、耐腐食性を2.4倍（即ち、
少なくとも２倍）の比率で増大させることが解
る。本発明によつて得られ、表に示されている
有益な結果は、当分野に於けるどのような従来技
術からも予測できなかつたものであり、結果とし
て得られる合金は、極めて有用な特性を有してい
る。第１図及び第２図は、本発明に基く変更を加え
たIN792物品と、そのような変更を加えない
IN792物品の、顕微鏡写真である。両図面に於て黒い円形に写つているのは、実験
室に於ける、あまり理想的とは言えない加圧によ
り生じた空隙である。第１図は、炭素を含まない
IN792単結晶物品の微細構造である。炭化タンタ
ル相は殆ど見えない程の量である。第２図は、本
発明に従つて変更されたIN792物品、即ち0.07％
の炭素と、これと組合わされた約1.05％追加タン
タルを含む物品、の微細構造を示す。炭素とタン
タルのこの組合せによつて、ほぼ0.5体積％の炭
化タンタル相が生じ、これは簡単に見つけること
ができる。本発明は、本明書中に説明された特定の実施例
に限定されるものではなく、特許請求の範囲によ
つて定義される。この新規な概念の範囲を超える
ことなく、種々の変化や変更が可能であることを
理解されたい。

【表】

【表】【図面の簡単な説明】

第１図は炭素を含まない単結晶IN792物品の顕
微鏡写真である。第２図は、炭素及び追加タンタ
ルを含む単結晶IN792物品の顕微鏡写真である。

Claims

【特許請求の範囲】１高強度及び耐食性を有するニツケル基単結晶
超合金物品であつて、 9.5〜14％クロム７〜11％コバルト１〜2.5モリブデン３〜６％タングステン１〜４％タンタル３〜４％アルミニウム３〜５％チタニウム 6.5〜８％アルミニウム＋チタニウム０％でない１％以下のニオブ実質的にニツケルの残部で構成されるマトリツクスと該マトリツクス内に含有される実質的に0.4乃
至1.5体積％の炭化タンタル相と、で構成される組成を有するニツケル基単結晶超合
金物品。２特許請求の範囲第１項に記載されたニツケル
基単結晶超合金物品であつて、特にクロムが10〜
14％であり、コバルトが８〜10％であり、モリブ
デンが１〜2.5％であり、タングステンが３〜５
％であり、チタニウムが３〜５％であることを特
徴とするニツケル基単結晶超合金物品。３ 9.5〜14％クロム７〜11％コバルト１〜2.5モリブデン３〜６％タングステン１〜４％タンタル３〜４％アルミニウム３〜５％チタニウム 6.5〜８％アルミニウム＋チタニウム０％でない１％以下のニオブ実質的にニツケルの残部の範囲に含まれる組成を有する物質より、該物質
を単結晶形に鋳造して高強度耐高温腐食性物品を
製造する方法であつて、0.05乃至0.15％の炭素と
該炭素の添加量の１乃至17倍の量のタンタルを添
加することを特徴とする高強度耐高温腐食性物品
を製造する方法。４特許請求の範囲第３項に記載された方法であ
つて、特に、クロムが10〜14％であり、コバルト
が８〜10％であり、モリブデンが１〜2.5％であ
り、タングステンが３〜５％であり、チタニウム
が３〜５％であることを特徴とする高強度耐高温
腐食性物品を製造する方法。５特許請求の範囲第３項に記載された方法であ
つて、炭素添加量が0.07乃至0.12％であることを
特徴とする高強度耐高温腐食性物品を製造する方
法。６特許請求の範囲第３項に記載された方法であ
つて、タンタル添加量が炭素の添加量の12乃至16
倍であることを特徴とする高強度耐高温腐食性物
品を製造する方法。