JPH0593234A - 改善された延性をもつマイクロアロイ化ＮｉＡｌ金属間化合物 - Google Patents
改善された延性をもつマイクロアロイ化ＮｉＡｌ金属間化合物Info
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- JPH0593234A JPH0593234A JP4041828A JP4182892A JPH0593234A JP H0593234 A JPH0593234 A JP H0593234A JP 4041828 A JP4041828 A JP 4041828A JP 4182892 A JP4182892 A JP 4182892A JP H0593234 A JPH0593234 A JP H0593234A
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 航空機のガスタービンの翼及びタービンディ
スクに使用される、改善された室温延性及び塑性歪を有
するアルミニウム化ニッケル合金を提供する。 【構成】 上述の合金は原寸百分率で少なくとも約50％
のニッケル、約0.01％ないし約0.25％のイットリウム、
隨意に約0.15％までのガリウム及び約0.05％ないし約４
％のクロム及びモリブデン及びそれらの組合せからなる
群から選んだ元素を含んでいるNiAl金属間化合物合金で
ある。
スクに使用される、改善された室温延性及び塑性歪を有
するアルミニウム化ニッケル合金を提供する。 【構成】 上述の合金は原寸百分率で少なくとも約50％
のニッケル、約0.01％ないし約0.25％のイットリウム、
隨意に約0.15％までのガリウム及び約0.05％ないし約４
％のクロム及びモリブデン及びそれらの組合せからなる
群から選んだ元素を含んでいるNiAl金属間化合物合金で
ある。
Description
【０００１】本発明は航空機のガスタービンエンジンに
使われるアルミニウム化ニッケル合金に係わり、特に、
性能及び効率を高めるために高温で運転される翼及びタ
ービンディスクの用途に使われるクロム、モリブデン、
イットリウム及び随意にガリウムで合金化されたβ相Ni
Alアルミニウム化ニッケルに係わる。
使われるアルミニウム化ニッケル合金に係わり、特に、
性能及び効率を高めるために高温で運転される翼及びタ
ービンディスクの用途に使われるクロム、モリブデン、
イットリウム及び随意にガリウムで合金化されたβ相Ni
Alアルミニウム化ニッケルに係わる。
【０００２】
【産業上の利用分野】本発明はクロム、モリブデン、イ
ットリウム及び随意にガリウムと合金化されたβ相NiAl
アルミニウム化に基づく金属間化合物に関するものであ
る。
ットリウム及び随意にガリウムと合金化されたβ相NiAl
アルミニウム化に基づく金属間化合物に関するものであ
る。
【０００３】
【従来の技術】ガスタービンエンジン、典型的には航空
機用のガスタービンエンジンに使用するための改良され
た、軽量の耐高温材料の開発は絶えず要求されている。
この目的を達成するために、きわめて多くの研究が鉄、
ニッケル及びコバルトに基づく超合金の開発に向けられ
てきた。しかしながら、多大の可能性を秘めた別の領域
として金属間化合物の分野がある。
機用のガスタービンエンジンに使用するための改良され
た、軽量の耐高温材料の開発は絶えず要求されている。
この目的を達成するために、きわめて多くの研究が鉄、
ニッケル及びコバルトに基づく超合金の開発に向けられ
てきた。しかしながら、多大の可能性を秘めた別の領域
として金属間化合物の分野がある。
【０００４】金属間化合物は成分金属の結晶構造とは異
なる特定の結晶構造をもつ複数の金属の化合物である。
金属間化合物は整列された原子分布をもつ。金属間化合
物の結合はなお主として金属結合であり、それによって
金属間化合物はセラミックスほど脆性ではないが、それ
でも周囲温度において脆化する傾向がある。これらの整
列構造は特定の組成範囲にわたって存在し、周囲温度に
おいて低い延性又は破壊靱性をもつにもかゝわらず、高
い融点を示し、良好な強度をもつ可能性を示す。典型的
な金属間化合物はTiAl、Ti3 Al、Ni3 Al及びNiAlを包含
する。
なる特定の結晶構造をもつ複数の金属の化合物である。
金属間化合物は整列された原子分布をもつ。金属間化合
物の結合はなお主として金属結合であり、それによって
金属間化合物はセラミックスほど脆性ではないが、それ
でも周囲温度において脆化する傾向がある。これらの整
列構造は特定の組成範囲にわたって存在し、周囲温度に
おいて低い延性又は破壊靱性をもつにもかゝわらず、高
い融点を示し、良好な強度をもつ可能性を示す。典型的
な金属間化合物はTiAl、Ti3 Al、Ni3 Al及びNiAlを包含
する。
【０００５】NiAl系は特に興味あるものである。それは
タービン翼としての使用のために特に関心がもたれてい
る。これらのタービン翼は典型的にはニッケル基超合金
から製造されている。しかしながら、NiAl金属間化合物
はニッケル基超合金と比較して３３％まで低下した密度
及び３００％まで高められた熱伝導性を与える。しかる
に、NiAl金属間化合物は延性が低く、室温と約６００°
Ｆとの間では１％より低い延性を示すのみであり、この
ためにニッケル基合金の実用可能な代替品としてのNiAl
金属化合物の利用は阻止されてきた。
タービン翼としての使用のために特に関心がもたれてい
る。これらのタービン翼は典型的にはニッケル基超合金
から製造されている。しかしながら、NiAl金属間化合物
はニッケル基超合金と比較して３３％まで低下した密度
及び３００％まで高められた熱伝導性を与える。しかる
に、NiAl金属間化合物は延性が低く、室温と約６００°
Ｆとの間では１％より低い延性を示すのみであり、この
ためにニッケル基合金の実用可能な代替品としてのNiAl
金属化合物の利用は阻止されてきた。
【０００６】Ni3 Alについての改良及び改善には多数の
研究が行なわれてきたが、NiAlについての改良のための
研究は幾分制限されてきた。たとえば、Liu らは米国特
許第４，６１２，１６５号及び同第４，７３１，２２１
号明細書において、２４．５重量％未満のアルミニウム
を含むNi3 Alに有効量のホウ素の添加及び０．３５ない
し１．５重量％のハフニウム、ジルコニウム、鉄及びそ
れらの組合せの添加によってNi3 Clの延性を改善する研
究を行なっている。同様に、Huang らは米国特許第４，
４７８，７９１号明細書において、少量のホウ素の添加
によるNi3 Al金属間化合物の延性の改良を検討した。
研究が行なわれてきたが、NiAlについての改良のための
研究は幾分制限されてきた。たとえば、Liu らは米国特
許第４，６１２，１６５号及び同第４，７３１，２２１
号明細書において、２４．５重量％未満のアルミニウム
を含むNi3 Alに有効量のホウ素の添加及び０．３５ない
し１．５重量％のハフニウム、ジルコニウム、鉄及びそ
れらの組合せの添加によってNi3 Clの延性を改善する研
究を行なっている。同様に、Huang らは米国特許第４，
４７８，７９１号明細書において、少量のホウ素の添加
によるNi3 Al金属間化合物の延性の改良を検討した。
【０００７】NiAl金属間化合物系についても研究されて
いる。大部分の研究はNiAlの室温延性の改良に向けられ
てきた。Law らは米国特許第４，９６１，９０５号明細
書において、原子百分率で少なくとも１０％のコバルト
を添加してLI0 マルテンサイト相を形成せしめることに
よってNiAl金属間化合物の低温における延性及び靱性を
改善することを研究した。Rudy及びSauthoffは“Creep
Behaviour of the Ordered Intermetallic（Fe,Ni ）Al
Phase”、Mat.Res.Soc.Symp.Proc., 39(1985)において
少なくとも１０原子％の鉄を含むNiAl金属間化合物のク
リープ挙動について論じそしてこれらの脆性合金のクリ
ープ抵抗は１０原子％の鉄含量において最大であると結
論している。
いる。大部分の研究はNiAlの室温延性の改良に向けられ
てきた。Law らは米国特許第４，９６１，９０５号明細
書において、原子百分率で少なくとも１０％のコバルト
を添加してLI0 マルテンサイト相を形成せしめることに
よってNiAl金属間化合物の低温における延性及び靱性を
改善することを研究した。Rudy及びSauthoffは“Creep
Behaviour of the Ordered Intermetallic（Fe,Ni ）Al
Phase”、Mat.Res.Soc.Symp.Proc., 39(1985)において
少なくとも１０原子％の鉄を含むNiAl金属間化合物のク
リープ挙動について論じそしてこれらの脆性合金のクリ
ープ抵抗は１０原子％の鉄含量において最大であると結
論している。
【０００８】Law 及びBlackburn は多結晶質NiAlにガリ
ウムを添加する効果について検討した。彼等はFinal Ai
r Force Report AFWAL-TR-87-4102 （１９８７年１２
月）、“Rapidly Solidified Lightweight Durable Dis
k Material”において、０．５％程度の低割合のガリウ
ムをβ相NiAlに添加しても多結晶質NiAlに延性の改良は
認められない旨を述べている。
ウムを添加する効果について検討した。彼等はFinal Ai
r Force Report AFWAL-TR-87-4102 （１９８７年１２
月）、“Rapidly Solidified Lightweight Durable Dis
k Material”において、０．５％程度の低割合のガリウ
ムをβ相NiAlに添加しても多結晶質NiAlに延性の改良は
認められない旨を述べている。
【０００９】Barrett らは米国特許第４，６１０，７３
６号明細書において、少量、すなわち０．０５ないし
０．２５重量％のジルコニウムをNiAlに添加することに
より被覆としてのNiAlのサイクル酸化に対する抵抗を改
善することを述べている。Grala らは“Investigations
of NiAl and Ni3 Al”Mechanical Properties of Int
ermetallic Compounds、(1960)において、０．５重量％
のモリブデンを添加すると多量の粒界沈澱を生ずるが、
NiAlの脆性−延性遷移温度を室温まで低下させ、それに
よって延性を約１．９％改良せしめることを報告してい
る。
６号明細書において、少量、すなわち０．０５ないし
０．２５重量％のジルコニウムをNiAlに添加することに
より被覆としてのNiAlのサイクル酸化に対する抵抗を改
善することを述べている。Grala らは“Investigations
of NiAl and Ni3 Al”Mechanical Properties of Int
ermetallic Compounds、(1960)において、０．５重量％
のモリブデンを添加すると多量の粒界沈澱を生ずるが、
NiAlの脆性−延性遷移温度を室温まで低下させ、それに
よって延性を約１．９％改良せしめることを報告してい
る。
【００１０】金属間化合物の高温における引張強さ、高
い融点及び優れた熱伝導性のような望ましい特性に寄与
する金属間化合物を整列原子構造を保持しながらNiAl金
属間化合物の室温延性を改善するような方法で該金属間
化合物を合金化し得ることが望ましい。
い融点及び優れた熱伝導性のような望ましい特性に寄与
する金属間化合物を整列原子構造を保持しながらNiAl金
属間化合物の室温延性を改善するような方法で該金属間
化合物を合金化し得ることが望ましい。
【００１１】
【発明の概要】本発明の合金は少量のイットリウム、随
意にガリウム、及びクロム及びモリブデン及びそれらの
組合せからなる群から選んだ元素で合金化された改善さ
れた延性をもつNiAlアルミニウム化ニッケルである。こ
れらの合金はβ相金属間化合物であり、ほゞ等原子割合
のアルミニウム及びニッケルを有するNiAl金属間化合物
中に合金化添加剤としてイットリウム、クロム、モリブ
デン及び随意にガリウムを含有するものである。
意にガリウム、及びクロム及びモリブデン及びそれらの
組合せからなる群から選んだ元素で合金化された改善さ
れた延性をもつNiAlアルミニウム化ニッケルである。こ
れらの合金はβ相金属間化合物であり、ほゞ等原子割合
のアルミニウム及びニッケルを有するNiAl金属間化合物
中に合金化添加剤としてイットリウム、クロム、モリブ
デン及び随意にガリウムを含有するものである。
【００１２】原子百分率（以下原子％という）で表わし
て約４５％ないし約５９％のNiを含むNiAlはβ相と呼ば
れる単一相金属間化合物を形成する。この相域はその融
点、約２９５０°Ｆ−３０００°Ｆまで存在するが、ニ
ッケル及びアルミニウムの組成範囲は温度とともに幾分
変動するであろう。本発明のもっとも広い実施態様にお
いては、本発明の合金は原子％で表わして少なくとも約
４８％のニッケル、約０．０１％ないし約０．２５％の
イットリウム、随意に約０．０１％ないし約０．１５％
のガリウム及び約０．０５％ないし約４％のクロム及び
モリブデンからなる群から選んだ元素を含んでなるβ相
NiAl金属間化合物である。クロム及びモリブデンは合金
中に単独で又は組合わせて約４％までの量で存在し得
る。本発明に従うアルミニウム化ニッケル金属間化合物
は改善された室温延性及び塑性歪を示す。
て約４５％ないし約５９％のNiを含むNiAlはβ相と呼ば
れる単一相金属間化合物を形成する。この相域はその融
点、約２９５０°Ｆ−３０００°Ｆまで存在するが、ニ
ッケル及びアルミニウムの組成範囲は温度とともに幾分
変動するであろう。本発明のもっとも広い実施態様にお
いては、本発明の合金は原子％で表わして少なくとも約
４８％のニッケル、約０．０１％ないし約０．２５％の
イットリウム、随意に約０．０１％ないし約０．１５％
のガリウム及び約０．０５％ないし約４％のクロム及び
モリブデンからなる群から選んだ元素を含んでなるβ相
NiAl金属間化合物である。クロム及びモリブデンは合金
中に単独で又は組合わせて約４％までの量で存在し得
る。本発明に従うアルミニウム化ニッケル金属間化合物
は改善された室温延性及び塑性歪を示す。
【００１３】本発明のNiAl金属間化合物の組成をもつ物
品は改善された延性をもつのでタービンエンジン用の用
途に使用するに適当である。これらのNiAl金属間化合物
の他の望ましい性質をこの改善された延性と組合わせれ
ば、かゝる物品はタービンディスクとしての使用にも適
するものとなる。単結晶の形においては、これらの物品
はタービン翼としての使用に適当である。これらの合金
から製造されたかゝる物品は＜１１０＞方向において、
張力下に少なくとも約２％の室温塑性歪を示す。
品は改善された延性をもつのでタービンエンジン用の用
途に使用するに適当である。これらのNiAl金属間化合物
の他の望ましい性質をこの改善された延性と組合わせれ
ば、かゝる物品はタービンディスクとしての使用にも適
するものとなる。単結晶の形においては、これらの物品
はタービン翼としての使用に適当である。これらの合金
から製造されたかゝる物品は＜１１０＞方向において、
張力下に少なくとも約２％の室温塑性歪を示す。
【００１４】本発明の一利点はクロム又はモリブデン、
イットリウム及び随意にガリウムの元素の組合せを含ま
ない慣用のNiAl合金よりも著しく改善された室温延性が
得られることである。本発明の合金は本発明の合金化元
素の一種のみを有するか又は本発明において意図された
よりも大きい原子％で本発明の合金化元素を含むNiAl金
属間化合物よりも改善された室温塑性歪を示す。
イットリウム及び随意にガリウムの元素の組合せを含ま
ない慣用のNiAl合金よりも著しく改善された室温延性が
得られることである。本発明の合金は本発明の合金化元
素の一種のみを有するか又は本発明において意図された
よりも大きい原子％で本発明の合金化元素を含むNiAl金
属間化合物よりも改善された室温塑性歪を示す。
【００１５】本発明の合金の別の利点はそれが低い密
度、すなわち約０．２１０ポンド／立方インチの密度を
もち、したがって従来の合金よりも密度が著しく低減さ
れたので翼として又はタービンエンジンにおけるタービ
ンディスクとしての使用にきわめて適当である点であ
る。本発明の合金の他の利点は優れた耐酸化性及び単純
整列結晶構造を包含し、その結晶構造はCsCl型の体心立
方晶構造であり、他の金属間化合物と比較して潜在的に
より容易な塑性変形能をもつ。耐酸化性は少量、たとえ
ば０．１原子％のジルコニウムの添加によってさらに増
加し得る。
度、すなわち約０．２１０ポンド／立方インチの密度を
もち、したがって従来の合金よりも密度が著しく低減さ
れたので翼として又はタービンエンジンにおけるタービ
ンディスクとしての使用にきわめて適当である点であ
る。本発明の合金の他の利点は優れた耐酸化性及び単純
整列結晶構造を包含し、その結晶構造はCsCl型の体心立
方晶構造であり、他の金属間化合物と比較して潜在的に
より容易な塑性変形能をもつ。耐酸化性は少量、たとえ
ば０．１原子％のジルコニウムの添加によってさらに増
加し得る。
【００１６】本明細書において使用する場合、用語“残
部は本質的にアルミニウム”は合金の残部にアルミニウ
ムのほかに少量の不純物及び付随的な元素−ただしそれ
らは性質及び／又は量において合金の有利な性質に悪影
響を及ぼさないものである−を包含するものである。こ
れらの不純物は一般に各々１００ppm 未満の量で存在す
る。典型的な不純物は１５−６０ppm の炭素；４０−１
００ppm の酸素；約１−約２ppm のイオウ；約５−約６
ppm のホウ素；及び約１−約３ppm の窒素を包含する。
その他の不純物、たとえば珪素、銅及びコバルトを包含
し得る。
部は本質的にアルミニウム”は合金の残部にアルミニウ
ムのほかに少量の不純物及び付随的な元素−ただしそれ
らは性質及び／又は量において合金の有利な性質に悪影
響を及ぼさないものである−を包含するものである。こ
れらの不純物は一般に各々１００ppm 未満の量で存在す
る。典型的な不純物は１５−６０ppm の炭素；４０−１
００ppm の酸素；約１−約２ppm のイオウ；約５−約６
ppm のホウ素；及び約１−約３ppm の窒素を包含する。
その他の不純物、たとえば珪素、銅及びコバルトを包含
し得る。
【００１７】本明細書において使用する場合、降伏強さ
（yield strength, “Ｙ．Ｓ．”）は、ＡＳＴＭ規格Ｅ
８（“Standard Methods of Tension Testing of Metal
licMaterials ”，Annual Book of ASTM Standards,Vo
l.03.01,第１３０−１５０頁、１９８４年）又は同等の
方法に従って試験される引張試験片に０．２％の塑性歪
を生ずるに要する応力に対応する０．２％耐力である。
用語ksi は１，０００ポンド／平方インチに等しい応力
の単位を表わす。塑性歪はＡＳＴＭ規格Ｅ８に従って試
験した場合、室温で張力破壊を生起する前の非弾性歪と
して定義される。
（yield strength, “Ｙ．Ｓ．”）は、ＡＳＴＭ規格Ｅ
８（“Standard Methods of Tension Testing of Metal
licMaterials ”，Annual Book of ASTM Standards,Vo
l.03.01,第１３０−１５０頁、１９８４年）又は同等の
方法に従って試験される引張試験片に０．２％の塑性歪
を生ずるに要する応力に対応する０．２％耐力である。
用語ksi は１，０００ポンド／平方インチに等しい応力
の単位を表わす。塑性歪はＡＳＴＭ規格Ｅ８に従って試
験した場合、室温で張力破壊を生起する前の非弾性歪と
して定義される。
【００１８】本発明の金属間化合物はまた機械的性質に
影響を与えるような過度の不純物を生じないような任意
適当な単結晶生長法によっても処理し得る。本発明の金
属間化合物はガスタービンエンジンに使用するための翼
の製造に使用し得る。これらの翼はコンプレッサー回転
羽根及びタービンディスク上にとり付けられたタービン
羽根の両者ならびに静止羽根を包含する。
影響を与えるような過度の不純物を生じないような任意
適当な単結晶生長法によっても処理し得る。本発明の金
属間化合物はガスタービンエンジンに使用するための翼
の製造に使用し得る。これらの翼はコンプレッサー回転
羽根及びタービンディスク上にとり付けられたタービン
羽根の両者ならびに静止羽根を包含する。
【００１９】本発明のその他の特徴及び利点は本発明の
技術思想を説明する好ましい実施態様についての以下の
より詳細な記載から明らかになるであろう。
技術思想を説明する好ましい実施態様についての以下の
より詳細な記載から明らかになるであろう。
【００２０】
【発明の詳細な開示】本発明によれば、改善された室温
延性及び塑性歪をもつ、イットリウム、及びクロム又は
モリブデン及び随意にガリウムと合金化されたβ相NiAl
金属間化合物が提供される。好ましいNiAl金属間化合物
は原子％で表わして少なくとも約４８％のニッケル、約
０．０１％ないし約０．２５％のイットリウム、随意に
約０．１５％までのガリウム及び約０．０５％ないし約
４％のクロム、モリブデン及びクロムとモリブデンの組
合せからなる群から選んだ元素を含んでなる単結晶であ
る。しかしながら、NiAl金属間化合物中に存在するニッ
ケル及びアルミニウム以外の元素の合計量は約５原子％
を超えるべきではない。さらに、これらの金属間化合物
は張力下で少なくとも約２％の室温塑性歪をもつことを
特徴とする。これらの予想外に高い塑性歪値は本発明に
従う比較的少量の合金化元素に関連するものであり、室
温における塑性歪値はNiAlへの元素の添加量の増加につ
れて減少する。驚くべきことに、本発明の割合における
合金化元素の組合せはこれらの合金化元素が組合されて
存在するのではなく、三元合金添加物として存在する場
合よりも改善された塑性歪値を与える。
延性及び塑性歪をもつ、イットリウム、及びクロム又は
モリブデン及び随意にガリウムと合金化されたβ相NiAl
金属間化合物が提供される。好ましいNiAl金属間化合物
は原子％で表わして少なくとも約４８％のニッケル、約
０．０１％ないし約０．２５％のイットリウム、随意に
約０．１５％までのガリウム及び約０．０５％ないし約
４％のクロム、モリブデン及びクロムとモリブデンの組
合せからなる群から選んだ元素を含んでなる単結晶であ
る。しかしながら、NiAl金属間化合物中に存在するニッ
ケル及びアルミニウム以外の元素の合計量は約５原子％
を超えるべきではない。さらに、これらの金属間化合物
は張力下で少なくとも約２％の室温塑性歪をもつことを
特徴とする。これらの予想外に高い塑性歪値は本発明に
従う比較的少量の合金化元素に関連するものであり、室
温における塑性歪値はNiAlへの元素の添加量の増加につ
れて減少する。驚くべきことに、本発明の割合における
合金化元素の組合せはこれらの合金化元素が組合されて
存在するのではなく、三元合金添加物として存在する場
合よりも改善された塑性歪値を与える。
【００２１】本発明の金属間合金の可能性のある用途の
一つはガスタービンエンジン用タービンディスクとして
のものである。本発明の金属間合金の別の可能性ある用
途はガスタービンエンジン用の翼としての単結晶形での
使用である。NiAlの利点の一つは低密度である。本発明
のNiAl金属間化合物は０．２１０ポンド／立方インチの
密度をもつ。この密度は現在広く使用されているニッケ
ル基超合金の密度の約２／３である。この低密度の結果
より軽量の製品が得られる。たとえば、翼が回転タービ
ン羽根である場合には、NiAl金属間化合物の使用によっ
てタービン羽根の重量が減少するのみならず、タービン
ディスクの重量もディスクへの応力がより低くなるため
に同様に減少する。
一つはガスタービンエンジン用タービンディスクとして
のものである。本発明の金属間合金の別の可能性ある用
途はガスタービンエンジン用の翼としての単結晶形での
使用である。NiAlの利点の一つは低密度である。本発明
のNiAl金属間化合物は０．２１０ポンド／立方インチの
密度をもつ。この密度は現在広く使用されているニッケ
ル基超合金の密度の約２／３である。この低密度の結果
より軽量の製品が得られる。たとえば、翼が回転タービ
ン羽根である場合には、NiAl金属間化合物の使用によっ
てタービン羽根の重量が減少するのみならず、タービン
ディスクの重量もディスクへの応力がより低くなるため
に同様に減少する。
【００２２】本発明のNiAlの熱伝導性もまた現在広く使
用されている超合金の熱伝導性を超える改善を示す。こ
の性質は、製品を高温で、たとえば高圧タービン羽根と
して、使用する場合に重要である。この改善された熱伝
導性によって、より良好な熱分布の達成が可能となりか
つ潜在的寿命を制限するホットスポットを排除し得る。
用されている超合金の熱伝導性を超える改善を示す。こ
の性質は、製品を高温で、たとえば高圧タービン羽根と
して、使用する場合に重要である。この改善された熱伝
導性によって、より良好な熱分布の達成が可能となりか
つ潜在的寿命を制限するホットスポットを排除し得る。
【００２３】本発明のNiAlアルミニウム化ニッケル金属
間化合物は隅に位置するニッケルと中心に位置するアル
ミニウムを有する体心立方（ｂｃｃと略記）構造に基づ
く単純整列構造である。本発明の金属間化合物に関して
は、合金化元素は一般にアルミニウムに対して置き換え
られる。しかしながら、NiAl中のクロム又はモリブデン
がその溶解度の限界に達して場合には、α−クロム又は
α−モリブデンはβ−相全体にわたって沈殿されるであ
ろう。β−相中におけるクロムの室温溶解度限界は約１
原子％でありそしてβ−相中におけるモリブデンの室温
溶解度限界は約０．１原子％である。したがって、化学
量論的なNiAlに関しては、合金化元素の添加は該構造中
のAlの置換を生起すると考えられる。
間化合物は隅に位置するニッケルと中心に位置するアル
ミニウムを有する体心立方（ｂｃｃと略記）構造に基づ
く単純整列構造である。本発明の金属間化合物に関して
は、合金化元素は一般にアルミニウムに対して置き換え
られる。しかしながら、NiAl中のクロム又はモリブデン
がその溶解度の限界に達して場合には、α−クロム又は
α−モリブデンはβ−相全体にわたって沈殿されるであ
ろう。β−相中におけるクロムの室温溶解度限界は約１
原子％でありそしてβ−相中におけるモリブデンの室温
溶解度限界は約０．１原子％である。したがって、化学
量論的なNiAlに関しては、合金化元素の添加は該構造中
のAlの置換を生起すると考えられる。
【００２４】本発明の合金はつぎのごとく製造された。
すなわち高純度の元素物質を適切な量で組合せそしてア
ルゴン雰囲気下で誘導加熱し、ついでかく誘導加熱され
た裝入物をAlの蒸気化を阻止するためにアルゴン雰囲気
下の方向性凝固炉中で再溶融させそして周知のブリッジ
マン法を用いて単結晶として凝固させる。勿論、任意の
他の単結晶成長法も使用し得る。
すなわち高純度の元素物質を適切な量で組合せそしてア
ルゴン雰囲気下で誘導加熱し、ついでかく誘導加熱され
た裝入物をAlの蒸気化を阻止するためにアルゴン雰囲気
下の方向性凝固炉中で再溶融させそして周知のブリッジ
マン法を用いて単結晶として凝固させる。勿論、任意の
他の単結晶成長法も使用し得る。
【００２５】不純物は百万部当りの部（“ppm ”）で測
定して低水準に保持されており、したがって不純物の存
在は痕跡量と表示し得る。これらの痕跡量の元素は一般
に酸素、窒素、炭素、イオウ及びホウ素のような格子間
元素であり、各不純物について１００重量ppm 未満の量
で存在する。珪素は１０００ppm 程度までの量で存在す
る。
定して低水準に保持されており、したがって不純物の存
在は痕跡量と表示し得る。これらの痕跡量の元素は一般
に酸素、窒素、炭素、イオウ及びホウ素のような格子間
元素であり、各不純物について１００重量ppm 未満の量
で存在する。珪素は１０００ppm 程度までの量で存在す
る。
【００２６】
【実施例の記載】以下、本発明の範囲内の組成物の代表
的な例を実施例によって説明する。実施例１ 原子％で、少なくとも約５０％のニッケル、約１％のク
ロム、約０．１％のイットリウム及び残部は本質的にア
ルミニウムからなる公称組成をもつNiAl金属間化合物を
前記した方法によって製造した。この合金の組成は、各
元素についての溶融許容範囲を含めて、約０．５ないし
約１．５％のクロム、約０．０５ないし約０．１５％の
イットリウム、少なくとも約５０％のニッケル及び残部
本質的にアルミニウムであった。この公称組成の単結晶
合金は＜１１０＞方向に約２．９７％の室温塑性歪をも
つ。この塑性歪は同一の公称組成をもつがイットリウム
を含まないNiAl金属間化合物の塑性歪値０．２１％と比
較して顕著な改善を示すものである。
的な例を実施例によって説明する。実施例１ 原子％で、少なくとも約５０％のニッケル、約１％のク
ロム、約０．１％のイットリウム及び残部は本質的にア
ルミニウムからなる公称組成をもつNiAl金属間化合物を
前記した方法によって製造した。この合金の組成は、各
元素についての溶融許容範囲を含めて、約０．５ないし
約１．５％のクロム、約０．０５ないし約０．１５％の
イットリウム、少なくとも約５０％のニッケル及び残部
本質的にアルミニウムであった。この公称組成の単結晶
合金は＜１１０＞方向に約２．９７％の室温塑性歪をも
つ。この塑性歪は同一の公称組成をもつがイットリウム
を含まないNiAl金属間化合物の塑性歪値０．２１％と比
較して顕著な改善を示すものである。
【００２７】実施例２ 原子％で、少なくとも約５０％のニッケル、約０．１％
のモリブデン、約０．０５％のガリウム、約０．１％の
イットリウム及び残部本質的にアルミニウムの公称組成
をもつNiAl金属間化合物を前述した方法によって製造し
た。この合金の組成は、各元素についての溶融許容範囲
を含めて、約０．０５ないし約０．１５％のモリブデ
ン、約０．０５ないし約０．１５％のイットリウム、約
０．０１ないし約０．１５％のガリウム、少なくとも約
５０％のニッケル及び残部本質的にアルミニウムであっ
た。この公称組成の単結晶合金は＜１１０＞方向に約
３．５３％の室温塑性歪を有する。この塑性歪値は合金
元素の一種類のみを含むNiAl三元合金の塑性歪値と比較
して顕著な改善に相当する。
のモリブデン、約０．０５％のガリウム、約０．１％の
イットリウム及び残部本質的にアルミニウムの公称組成
をもつNiAl金属間化合物を前述した方法によって製造し
た。この合金の組成は、各元素についての溶融許容範囲
を含めて、約０．０５ないし約０．１５％のモリブデ
ン、約０．０５ないし約０．１５％のイットリウム、約
０．０１ないし約０．１５％のガリウム、少なくとも約
５０％のニッケル及び残部本質的にアルミニウムであっ
た。この公称組成の単結晶合金は＜１１０＞方向に約
３．５３％の室温塑性歪を有する。この塑性歪値は合金
元素の一種類のみを含むNiAl三元合金の塑性歪値と比較
して顕著な改善に相当する。
【００２８】実施例３ 原子％で、少なくとも約５０％のニッケル、約０．１％
のモリブデン、約０．１％のガリウム、約０．１％のイ
ットリウム及び残部本質的にアルミニウムの公称組成を
もつNiAl金属間化合物を前記した方法によって製造す
る。この合金の組成は、各元素についての溶融許容範囲
を含めて、約０．０５ないし約０．１５％のモリブデ
ン、約０．０５ないし約０．１５％のイットリウム、約
０．０５ないし約０．１５％のガリウム、少なくとも約
５０％のニッケル及び残部本質的にアルミニウムであ
る。この公称組成の単結晶合金は＜１１０＞方向に少な
くとも２％超、約３％ないし約３．５％の範囲の室温塑
性歪を有する。
のモリブデン、約０．１％のガリウム、約０．１％のイ
ットリウム及び残部本質的にアルミニウムの公称組成を
もつNiAl金属間化合物を前記した方法によって製造す
る。この合金の組成は、各元素についての溶融許容範囲
を含めて、約０．０５ないし約０．１５％のモリブデ
ン、約０．０５ないし約０．１５％のイットリウム、約
０．０５ないし約０．１５％のガリウム、少なくとも約
５０％のニッケル及び残部本質的にアルミニウムであ
る。この公称組成の単結晶合金は＜１１０＞方向に少な
くとも２％超、約３％ないし約３．５％の範囲の室温塑
性歪を有する。
【００２９】実施例４ 原子％で、各元素について溶融許容範囲を含めて、少な
くとも約５０％のニッケル、約０．０５ないし約４％の
クロム、約０．０１ないし約０．２５％のイットリウ
ム、随意に約０．１５％までのガリウム及び残部本質的
にアルミニウムの組成をもつNiAl金属間化合物を前述の
方法によって製造する。クロムは約０．５ないし約１．
５％の量で存在することが好ましい。ガリウムの存在は
随意であるが、これも約０．０５ないし約０．１５％の
量で存在することが好ましい。かゝる組成をもつ単結晶
合金は張力下で＜１１０＞方向に約２％を超える室温塑
性歪、好ましい組成範囲では約３％を超える室温塑性歪
をもつ。
くとも約５０％のニッケル、約０．０５ないし約４％の
クロム、約０．０１ないし約０．２５％のイットリウ
ム、随意に約０．１５％までのガリウム及び残部本質的
にアルミニウムの組成をもつNiAl金属間化合物を前述の
方法によって製造する。クロムは約０．５ないし約１．
５％の量で存在することが好ましい。ガリウムの存在は
随意であるが、これも約０．０５ないし約０．１５％の
量で存在することが好ましい。かゝる組成をもつ単結晶
合金は張力下で＜１１０＞方向に約２％を超える室温塑
性歪、好ましい組成範囲では約３％を超える室温塑性歪
をもつ。
【００３０】本発明に従って製造された特定の元素で合
金化された単結晶NiAl金属間化合物合金は驚くべきこと
に＜１１０＞方向に著しく高い室温塑性歪を示す。NiAl
と個々にマイクロアロイ化された他の元素が約１．５％
を超える塑性歪を生ずることは最近既に発見されている
が、本発明における合金化元素の組合せは合金化元素が
個々に存在する場合よりもより高い元素濃度で格別な塑
性歪挙動を保有する。本発明の合金化元素の組合せは個
々の元素をNiAlに三元合金添加物として添加する場合よ
りも広い組成範囲にわたって格別な塑性歪挙動を示す。
金化された単結晶NiAl金属間化合物合金は驚くべきこと
に＜１１０＞方向に著しく高い室温塑性歪を示す。NiAl
と個々にマイクロアロイ化された他の元素が約１．５％
を超える塑性歪を生ずることは最近既に発見されている
が、本発明における合金化元素の組合せは合金化元素が
個々に存在する場合よりもより高い元素濃度で格別な塑
性歪挙動を保有する。本発明の合金化元素の組合せは個
々の元素をNiAlに三元合金添加物として添加する場合よ
りも広い組成範囲にわたって格別な塑性歪挙動を示す。
【００３１】本発明の金属間化合物は改善された延性を
もつに加えて破壊靱性も改善される。破壊靱性もまた異
方性でありかつ生長する亀裂の先端における増大した可
塑性によって温度の増加とともに増大する。本発明に従
って合金化されたNiAl金属間化合物は改善された室温延
性を有するので、これらは、特に好ましい組成範囲にお
いては、ニッケル基超合金の魅力ある代替品となり得る
ものであり、多結晶質の形態においてはたとえばタービ
ンディスクのようなタービンエンジン用の製品として、
また単結晶の形態においてはたとえばタービン用の翼と
して有用である。
もつに加えて破壊靱性も改善される。破壊靱性もまた異
方性でありかつ生長する亀裂の先端における増大した可
塑性によって温度の増加とともに増大する。本発明に従
って合金化されたNiAl金属間化合物は改善された室温延
性を有するので、これらは、特に好ましい組成範囲にお
いては、ニッケル基超合金の魅力ある代替品となり得る
ものであり、多結晶質の形態においてはたとえばタービ
ンディスクのようなタービンエンジン用の製品として、
また単結晶の形態においてはたとえばタービン用の翼と
して有用である。
【００３２】本発明の合金は、金属間化合物合金がマト
リックスを形成する型の強化金属間化合物マトリックス
複合体物品に使用するのに適するものである。たとえ
ば、原子％で約０．０１ないし約０．２５％のイットリ
ウム、随意に約０．１５％までのガリウム、約０．０５
ないし約４％のモリブデン及びクロムから本質的になる
群から選んだ元素、少なくとも約５０％のニッケル及び
残部本質的にアルミニウムから本質的になる合金は繊維
含有複合体物品のマトリックスを構成する。
リックスを形成する型の強化金属間化合物マトリックス
複合体物品に使用するのに適するものである。たとえ
ば、原子％で約０．０１ないし約０．２５％のイットリ
ウム、随意に約０．１５％までのガリウム、約０．０５
ないし約４％のモリブデン及びクロムから本質的になる
群から選んだ元素、少なくとも約５０％のニッケル及び
残部本質的にアルミニウムから本質的になる合金は繊維
含有複合体物品のマトリックスを構成する。
【００３３】前述した説明に基づいて、本発明がこれら
の実施態様及び具体的に記載された組成物に限定されな
いことは当業者には明らかであろう。本発明で意図した
技術思想の範囲内に該当する多数の修正、変更、置換及
び均等物は当業者には明らかになるであろう。
の実施態様及び具体的に記載された組成物に限定されな
いことは当業者には明らかであろう。本発明で意図した
技術思想の範囲内に該当する多数の修正、変更、置換及
び均等物は当業者には明らかになるであろう。
Claims (10)
- 【請求項１】 原子百分率で少なくとも約５０％のニッ
ケル、約０．０１％ないし約０．２５％のイットリウ
ム、随意に約０．１５％までのガリウム及び約０．０５
％ないし約４％のクロム及びモリブデン及びそれらの組
合せからなる群から選んだ元素を含んでなるNiAl金属間
化合物合金。 - 【請求項２】 請求項１の組成をもつNiAl金属間化合物
物品。 - 【請求項３】 タービンエンジン用のタービンディスク
である請求項２記載の物品。 - 【請求項４】 単結晶物品である請求項２記載の物品。
- 【請求項５】 タービンエンジン用翼である請求項４記
載の物品。 - 【請求項６】 原子百分率で、約０．０１％ないし約
０．２５％のイットリウム、随意に約０．１５％までの
ガリウム、約０．５％ないし約１．５％のクロム、少な
くとも約５０％のニッケル及び残部は本質的にアルミニ
ウム、から本質的になるNiAl金属間化合物合金。 - 【請求項７】 原子百分率で、少なくとも約５０％のニ
ッケル、約１％のクロム、約０．１％のイットリウム及
び残部は本質的にアルミニウムである公称組成をもつNi
Al金属間化合物合金。 - 【請求項８】 原子百分率で、少なくとも約５０％のニ
ッケル、約０．１％のモリブデン、約０．０５％のガリ
ウム、約０．１％のイットリウム及び残部は本質的にア
ルミニウムである公称組成をもつNiAl金属間化合物合
金。 - 【請求項９】 原子百分率で、約０．０１％ないし約
０．２５％のイットリウム、随意に約０．１５％までの
ガリウム、約０．０５％ないし約４％のクロム、少なく
とも約５０％のニッケル及び残部は本質的にアルミニウ
ム、から本質的になるNiAl金属間化合物合金マトリック
ス中に繊維を含有してなる強化NiAl金属間化合物合金マ
トリックス複合物品。 - 【請求項１０】 原子百分率で、少なくとも約５０％の
ニッケル、約０．０１％ないし約０．２５％のイットリ
ウム、随意に約０．１５％までのガリウム及び約０．０
５％ないし約４％のクロム及びモリブデン及びそれらの
組合せからなる群から選んだ元素を含んでなり、ただし
これら追加の元素の合計量はNiAl金属間化合物の約５％
を超えないものとし、しかも張力下に少なくとも約２％
の室温塑性歪をもつことを特徴とする単結晶NiAl金属間
化合物合金。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US664236 | 1991-03-04 | ||
| US07/664,236 US5116691A (en) | 1991-03-04 | 1991-03-04 | Ductility microalloyed NiAl intermetallic compounds |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0593234A true JPH0593234A (ja) | 1993-04-16 |
| JPH0742533B2 JPH0742533B2 (ja) | 1995-05-10 |
Family
ID=24665172
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4041828A Expired - Lifetime JPH0742533B2 (ja) | 1991-03-04 | 1992-02-28 | 改善された延性をもつマイクロアロイ化ＮｉＡｌ金属間化合物 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5116691A (ja) |
| EP (1) | EP0502654B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0742533B2 (ja) |
| CA (1) | CA2062026C (ja) |
| DE (1) | DE69215404T2 (ja) |
Families Citing this family (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1993014044A1 (en) * | 1992-01-16 | 1993-07-22 | University Of Cincinnati | Electrical heating element, related composites, and composition and method for producing such products using dieless micropyretic synthesis |
| US5651874A (en) | 1993-05-28 | 1997-07-29 | Moltech Invent S.A. | Method for production of aluminum utilizing protected carbon-containing components |
| US6001236A (en) | 1992-04-01 | 1999-12-14 | Moltech Invent S.A. | Application of refractory borides to protect carbon-containing components of aluminium production cells |
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| DE69509540T2 (de) | 1994-09-08 | 1999-09-30 | Moltech Invent Sa | Aluminium-elektrogewinnungszelle mit verbesserten kohlenstoff-kathodeblöcken |
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