JPH0456099B2

JPH0456099B2 -

Info

Publication number: JPH0456099B2
Application number: JP62139067A
Authority: JP
Inventors: Kaan Tasadeyuku; Kyaron Pieeru; Rafusutein Jannrui
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1986-06-04
Filing date: 1987-06-04
Publication date: 1992-09-07
Also published as: EP0252775B1; FR2599757A1; JPS62294146A; JPH06192803A; JPH0768606B2; US4900511A; US4837384A; FR2599757B1; EP0252775A1; DE3763432D1

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野本発明は、特にターボ機械の可動羽根の単結晶
（monocrystalline）の凝固（solidification）に
適した、ニツケルベースの超合金（superalloy）
に関する。発明の背景特別の組成物により特徴づけられるこのような
合金は、ONERA（出願人の頭文字）のフランス
特許2555204号（1982年３月29日付米国出願番号
第363285号に相当）に記載されている。本発明の
合金は、これまで高温クリープ抵抗に関して知ら
れている最高の超合金と比較しても優れており、
それよりかなり低い密度を有している。上記特許は、特に、当時生産され、参照番号
PWA 1422（DS200＋Hf）で知られ且つ8.55ｇ／
cm³の密度を有する最高性能の超合金について記載
している。この合金は、方向性凝固（directed
solidification）によつて得られる柱（column）
状の粒体を有し、粒子間の境界に平行な方向に作
用する力に対する高い強度を有する合金である。前記特許は、方向性凝固によつて単結晶性羽根
を作るのに適した新規な組成物の最近の開発作業
から生まれた合金に言及している。参照番号
PWA 1480（又は合金454）で知られるこの合金
は、8.7ｇ／cm³の密度を有している。熱間におけるクリープに対するこれらの従来の
合金の抵抗は、Ta、Ｗ、Mo、あるいはReのよ
うな耐熱性元素を大量に添加することによる従来
の方法で得られる。かくして、合金454は12％の
Taと４％のＷを含み、そして、合金DS200＋Hf
は12％のＷを含む。これらの耐熱性元素は、クリープ速度を少くす
るのに重要な役割をしている。これにより、寿命
が比例して増大する。高温においても、これらの元素は大変低い拡散
率を有しているために、熱間クリープ抵抗を支配
する焼入、あるいはガンマ′（γ′）相（gamma
primephase）Ni₃（Al、Ti……）の凝結速度を遅
らせる。しかし、これらの耐熱性元素は大変重く、たと
え熱間クリープ抵抗が増大しても、合金の比重が
同時に増加するという欠点がある。合金の密度は、特にアルミニウムのような軽い
元素の大量添加によつて下げられる。しかしなが
ら、これはガンマ′相の一次析出（primary
precipitation）を引き起こし、合金は必要なクリ
ープ特性を有しなくなる性質がある。密度とクリープ抵抗に関する矛盾した要求を調
整するために、ターボ機械の羽根用超合金に関す
る出願人の開発作業によつて、耐熱性元素と、硬
化ガンマ′相の形成に関与する元素の各比率に
夫々関連した２つのパラメータS₁，S₂の最適化が
できるようになつた。即ち、S₁＝0.5W＋Ta＋Mo 式中、化学記号は対応元素の重量パーセントを
表わす。そして、 S₂＝Al＋Ti＋Ta＋Nb＋Ｖ式中、化学記号は元素の原子の数のパーセント
を表わす。前記特許は、S₁が４〜９重量％範囲にあり、S₂
が原子数で14.9％と20.6％の間にある合金組成物
を提案している。 S₂全体のバナジウムの量は、熱処理窓、即ち、
溶融物になりつつあるガンマ′相の終りと、合金
の溶融開始点との間の温度範囲を拡大するのに役
立ち、工業的に熱処理を実施するとき有利であ
る。合金の溶融開始点を低くすることを避けそれに
よりガンマ′相を実質的にすべてのガンマ／ガン
マ′共晶物とともに溶解状態に帰えすのに充分高
い温度まで熱処理中に部品温度をあげるため、
Ｃ、Ｂ及びZrはこれらの合金に加えられない。
この組成は、冷却中に微細なガンマ′粒子の形で
析出する。特許第2555204号は、次の組成物を提案してい
る。パーセントは重量パーセントを表わす。 Co ：５乃至７％ Cr ：５乃至 10％ Mo ：６乃至 2.5％Ｗ：０乃至３％ Al ：６乃至 7.5％ Ti ： 1.5 乃至 2.25％ Nb ：５乃至 0.5％ Ta ：２乃至 10％Ｖ： 0.3 乃至 0.6％ Ni ：残部100％に達するまで。Ｂ、Ｃ、
Zrは添加しない。合金を単結晶の羽根に製作した後、羽根はガン
マ′相を溶解状態にするため熱処理される。この
処理は、その組成物によるが、30分から４時間の
間、1290℃から1325℃の間の温度に部品温度を上
げることからなる。部品は、それから空気中で冷却される。1981年
４月３日出願のフランス特許番号2503188号
（1980年６月20日出願の米国継続出願番号第
878401号に相当）に定義されている熱処理が、ガ
ンマ′相を析出させるために適用される。この析出は1000℃を越える温度で起こる。平均寸法0.5ミクロンのガンマ′粒子の正規分布
がこのようにして得られる。析出物は＜100＞タイプの結晶図の方向に沿つ
て並んでいる。このような合金の相対的密度は約8.2である。少なくとも0.3％のバナジウムを含み特許第
255204号に従つて作られた合金は、周期的な酸化
（cyclic oxidation）に充分耐えられないことが
観察された。実際には、殆んど常にタービン羽根の合金は腐
食や酸化に対する保護膜で被覆されるけれども、
裸の材料も、また、仮に皮膜に傷がついても合金
の劣化に充分耐えられることが重要である。この発明は、ある種の、バナジウムを含まない
合金は、前記特許（組成を下記表１に示してある
合金１，２）の実施例１，２に記載された合金よ
りも相当高いクリープ抵抗特性を有するのみでは
なく、前記合金１，２よりも1100℃での周期的酸
化に対して優れた抵抗を有するという驚くべき観
察に基づく。さらに驚くべきことは、これらの、
バナジウムを含まない合金の熱処理窓は約20℃で
あり、即ち、ほとんど合金１と２と同じである。
この結果は、この発明によれば合金中の硼素の比
率が大変低いことに主として起因する（10ppm以
下）と考えられ、このことはバナジウムを無くす
ることの欠点とは到底ならないものである。この発明は、上記に特徴づけられたパラメータ
S₁が重量パーセントで7.8％と8.5％の間で、パラ
メータS₁が、原子数で15.6％と16.88％の間であ
る合金組成物に関する。発明の要旨より正確にいうと、この発明に従つた合金の組
成物は重量比で次のとおりである。 Co ： 5.0 乃至 6.0％Ｗ： 4.8 乃至 5.2％ Cr ： 7.8 乃至 8.3％ Al ： 5.8 乃至 6.1％ Ta ： 3.3 乃至 3.7％ Mo ： 2.1 乃至 2.4％ Ti ： 1.8 乃至 2.2％Ｂ： 10 ppm ZR ： 50 ppm Ni ：残り100％に達するまで好ましくは、この組成物は実質的に次のとおりで
ある。 Co ： 5.5％Ｗ： 5.0％ Cr ： 8.1％ Al ： 6.1％ Ta ： 3.4％ Mo ： 2.2％ Ti ： 2.0％Ｂ： 10 ppm Zr ： 50 ppm Ni ：残り100％に達するまで硼素とジルコニウムは、不純物として合金には
いつてくるものであり、その含有量が上記の値を
越えないようにすることが、充分な熱処理窓を得
るために肝要である。何故なら、これらの元素
は、合金の溶融開始温度を低めることによつて熱
処理窓（すなわち、合金の溶融を始めさせないで
γ′相が固溶体になされ得る温度間隔）を狭めてし
まうからである。合金中の各元素の添加及びその範囲の理由は以
下のとおりである。コバルトは共晶片（eutectic fraction）を制限
するために添加される。多量に添加されると、σ
相やμ相のような寄生相であるトポロジー的最密
相の形成をもたらす。タングステンはマトリツクス及びγ粒子の硬度
向上のために添加される。タングステンは密度の
大きい元素であるから、合金の密度を低くするた
めには、比較的少量に保つことが肝要である。クロムはマトリツクスの硬度向上のために添加
される。また合金の腐食抵抗を改善する。しか
し、クロムを多量に添加すると、γ′相の容積率を
減じ、合金の強度を低下させる。アルミニウムは軽い元素であり、酸化腐食抵抗
を改善し、γ′相の容積率を改善する。γ′相は基本
的にNi₃Alで表わされ、ここに、Alは部分的に
Ti、Ta及びNbで置換されている。Alが多くな
ると、γ′相のAl原子の置換が不充分となり、合金
の強度が減少することになる。タンタルは、重い元素で、実質的にγ′相に入
り、強度を改善する。その最低量を限定する理由
は、γ′析出物の積層欠陥（stacking fault）エネ
ルギーを増大せしめて強度を改善するためであ
る。しかし、その量が多くなりすぎると、合金の
密度が大きくなりすぎる。モリブデンは、特に、高温における強度改善の
ために重要である。最少量が必要とされるのはこ
のためである。しかし、これを多量に添加する
と、γ相に入り、μ相の形成によつて合金の安定
性を損なうことになる。10％以下のクロムととも
に2.4％を越える量で添加されると、腐食抵抗が
改良される。しかし、クロムの量が約15％である
と、このようなことはない。チタンはγ′相に入る軽い元素である。特に、比
較的多いAlとともに存在すると、共晶片を増加
させやすいのであまり多くしてはならない。詳細な説明その組成を表１に重量比で示したONERA3と
呼ばれる合金は、溶解に続く単結晶の凝固によつ
て作られた。表１には、特許第2555204号の合金
ONERA1とONERA2とともに、前記合金454の
組成物が示してある。合金ONERA3の相対的密度は、大体8.25ｇ／
cm³に等しい。

【表】

【表】表１において、０は、表示した元素を意識的に
入れていないことを意味する。合金３のクリープ特性は、この合金の前述の熱
処理後判定されるとともに、合金１と２を同じ熱
処理した後のクリープ特性と比較された。そし
て、また、合金454とDS200＋Hfの特性とも比較
された。表２は５つの合金の夫々が、１％歪、あるいは
温度及び応力が異つた条件のもとで破壊にいたる
のに要した時間を時間単位で示してある。合金ONERA3に関する数値のすべては、他の
合金の対応数値より優れており、最高試験温度、
すなわち1050℃において特に顕著な違いが見られ
る。

【表】第１図の曲線は、１％の伸びが1000時間におい
て得られる比応力（応力の密度に対する比）が温
度の関数として如何に変化するかを示している。第２図は、1000時間における破壊に対する比応
力の関係を同様な曲線で示している。これらの曲線は、前記合金より合金ONERA3
が特に高温において優れていることを実証してい
る。 1100℃における周期酸化テストが、次の条件の
もとで合金ONERA1乃至３について行われた。
炉の中が1100℃の雰囲気で１時間維持、４分間で
約200℃に冷却、そして、８分間再度炉の中で加
熱。サンプルは、ユニツト面積当りの質量の変化
を判定するために10サイクル毎に計量された。こ
の結果は、第３図に示されており、特許第
2555204号による合金の平凡な特性と、この発明
によるこの点における著しい改良が見られる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は各種合金の熱間クリープ特性
を示すグラフ、第３図は、1100℃における各種合
金の周期的酸化に対する抵抗を示すグラフであ
る。

Claims

【特許請求の範囲】１特に、ターボ機器の部品用の単結晶凝固によ
るニツケルベース超合金であつて、次の重量比の
組成物からなるもの： Co ： 5.0 乃至 6.0％Ｗ： 4.8 乃至 5.2％ Cr ： 7.8 乃至 8.3％ Al ： 5.8 乃至 6.1％ Ta ： 3.3 乃至 3.7％ Mo ： 2.1 乃至 2.4％ Ti ： 1.8 乃至 2.2％Ｂ： ≦ 10 ppm Zr ： ≦ 50 ppm Ni ：残り100％に達するまで２次の重量比による組成物から成る、特許請求
の範囲第１項記載の超合金。 Co ： 5.5％Ｗ： 5.0％ Cr ： 8.1％ Al ： 6.1％ Ta ： 3.4％ Mo ： 2.2％ Ti ： 2.0％Ｂ： ≦ 10 ppm Zr ： ≦ 50 ppm Ni ：残り100％に達するまで