JPH07278709A - 低イットリウムの高温用合金 - Google Patents
低イットリウムの高温用合金Info
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
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- C22C19/057—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being less 10%
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】２１００°Ｆ迄の運転温度で使用され初期の溶
融多孔性のない単結晶のタービンエンジンのブレード、
ヴェーン及び燃焼室構成要素を鋳込むための改良された
ニッケルベース合金。 【構成】重量％で、Ｃｏ：９．３〜１０．０、Ｃｒ：
６．４〜６．６、Ｍｏ：０．５〜０．７、Ｗ：６．２〜
６．６、Ｔａ：６．３〜６．７、Ａｌ：５．４５〜５．
７５、Ｔｉ：０．８〜１．２、Ｈｆ：０．０７〜０．１
２でＲｅ：２．８〜３．２を含有し、ppmで、Ｓ：最大
２、Ｐ：最大２で、Ｙ：５〜１５で、残量がＮｉの鋳物
である、改良されたニッケルベースの合金。
融多孔性のない単結晶のタービンエンジンのブレード、
ヴェーン及び燃焼室構成要素を鋳込むための改良された
ニッケルベース合金。 【構成】重量％で、Ｃｏ：９．３〜１０．０、Ｃｒ：
６．４〜６．６、Ｍｏ：０．５〜０．７、Ｗ：６．２〜
６．６、Ｔａ：６．３〜６．７、Ａｌ：５．４５〜５．
７５、Ｔｉ：０．８〜１．２、Ｈｆ：０．０７〜０．１
２でＲｅ：２．８〜３．２を含有し、ppmで、Ｓ：最大
２、Ｐ：最大２で、Ｙ：５〜１５で、残量がＮｉの鋳物
である、改良されたニッケルベースの合金。
Description
【０００１】本発明は単結晶ニッケルベースの超合金に
関し特に非常に硫黄含有量の低い、かくして合金の周期
的な高温酸化抵抗を改良するためイットリウム酸硫化物
及びイットリウム硫化物のような化学的に安定した化合
物を形成するためイットリウムのような硫黄に対する高
い親和力を有する元素の追加を本質的に減少することに
よって特徴付けられるような合金に関する。この問題に
対する今迄のアプローチ（ａｐｐｒｏａｃｈ）はいろい
ろな理由で有効でなく又実際的でもなかった。
関し特に非常に硫黄含有量の低い、かくして合金の周期
的な高温酸化抵抗を改良するためイットリウム酸硫化物
及びイットリウム硫化物のような化学的に安定した化合
物を形成するためイットリウムのような硫黄に対する高
い親和力を有する元素の追加を本質的に減少することに
よって特徴付けられるような合金に関する。この問題に
対する今迄のアプローチ（ａｐｐｒｏａｃｈ）はいろい
ろな理由で有効でなく又実際的でもなかった。
【０００２】１つの理由は合金中の利用できる活性硫黄
成分を重量（ｗ）で５−１５ｐｐｍから約１ｐｐｍに効
果的に減少させるために相当な量のイットリウムが用い
られなければならないと言う事実と結びついたイットリ
ウム追加のプロセスのコストの問題であった。更にイッ
トリウムそのものが化学的に非常に反応性の強い元素で
あって硫黄と積極的に化合するのみならず酸素とも化合
して酸化イットリウム及びイットリウム酸硫化物を形成
する。これらの酸化物（Ｙ２Ｏ３）及び酸硫化物（Ｙ２
Ｏ２Ｓ）は単結晶ニッケルベース合金鋳物の中に粒子の
欠陥を凝集して鋳物を使用できなくし斯くしてこれを廃
棄することを必要とさせ得るものである。更にニッケル
イットリウムの共相晶は低い融点をもち、製造中に単結
晶要素に適用されることのできる溶液熱処理温度を実質
的に減少させるものを形成することができる。これは特
に２１００°Ｆ迄と言う非常に高温の運転環境に曝され
る航空機のタービンエンジンのエヤーフオイルの場合に
特に重要である。限定された溶液熱処理温度は合金強度
と相の安定を減少させる結果となり、斯くしてタービン
ブレードの有効な寿命を実質的に減少させる。
成分を重量（ｗ）で５−１５ｐｐｍから約１ｐｐｍに効
果的に減少させるために相当な量のイットリウムが用い
られなければならないと言う事実と結びついたイットリ
ウム追加のプロセスのコストの問題であった。更にイッ
トリウムそのものが化学的に非常に反応性の強い元素で
あって硫黄と積極的に化合するのみならず酸素とも化合
して酸化イットリウム及びイットリウム酸硫化物を形成
する。これらの酸化物（Ｙ２Ｏ３）及び酸硫化物（Ｙ２
Ｏ２Ｓ）は単結晶ニッケルベース合金鋳物の中に粒子の
欠陥を凝集して鋳物を使用できなくし斯くしてこれを廃
棄することを必要とさせ得るものである。更にニッケル
イットリウムの共相晶は低い融点をもち、製造中に単結
晶要素に適用されることのできる溶液熱処理温度を実質
的に減少させるものを形成することができる。これは特
に２１００°Ｆ迄と言う非常に高温の運転環境に曝され
る航空機のタービンエンジンのエヤーフオイルの場合に
特に重要である。限定された溶液熱処理温度は合金強度
と相の安定を減少させる結果となり、斯くしてタービン
ブレードの有効な寿命を実質的に減少させる。
【０００３】本発明はタービンブレードチップ（ｔｉ
ｐ）における非常に高い運転温度の条件の下で単結晶合
金の周期的酸化抵抗と相の安定の問題に対して、実質的
に硫黄を除去し同時に実質的にタービンブレード要素に
要求されるイットリウムの量を減少することによって実
行できる解決方法を与えるものである。硫黄を完全に除
去することは不可能であり且つ同時にイットリウムを完
全に除去することも不可能であることが見出された。
ｐ）における非常に高い運転温度の条件の下で単結晶合
金の周期的酸化抵抗と相の安定の問題に対して、実質的
に硫黄を除去し同時に実質的にタービンブレード要素に
要求されるイットリウムの量を減少することによって実
行できる解決方法を与えるものである。硫黄を完全に除
去することは不可能であり且つ同時にイットリウムを完
全に除去することも不可能であることが見出された。
【０００４】高温において運転する効率のよいガスター
ビンエンジンに使用するための所望の特性を持つ合金を
開発する努力の中で、キヤノン−マスケゴンの商標ＣＭ
ＳＸ−４の下で販売されている合金は基本的な機能特性
を持つものと考えられた。この合金は１９８７年２月１
７日に発行された「単結晶技術」と題する米国特許４，
６４３，７８２号の中に開示されている。この合金は、
この開示に規定されている改良された合金の目的である
高温のタービンのエヤーフオイルに適用されるとき望ま
しい多くの特徴を有する。表Ｉから見られるように、特
許４，６４３，７８２号の合金は他の元素の中で重量２
０ｐｐｍ最大の硫黄を含む。又重量３０−１００ｐｐｍ
のイットリウムが単結晶タービンエヤーフオイル要素の
中に含まれて相当に露出した合金の周期的な酸化抵抗を
改良する即ち酸化アルミニウムの砕けを減少させるがこ
れは特に新しいシユラウド（ｓｈｒｏｕｄ）のないター
ビンブレードと発散冷却のタービンエヤーフオイルのチ
ップ（ｔｉｐ）領域に対して重要である。
ビンエンジンに使用するための所望の特性を持つ合金を
開発する努力の中で、キヤノン−マスケゴンの商標ＣＭ
ＳＸ−４の下で販売されている合金は基本的な機能特性
を持つものと考えられた。この合金は１９８７年２月１
７日に発行された「単結晶技術」と題する米国特許４，
６４３，７８２号の中に開示されている。この合金は、
この開示に規定されている改良された合金の目的である
高温のタービンのエヤーフオイルに適用されるとき望ま
しい多くの特徴を有する。表Ｉから見られるように、特
許４，６４３，７８２号の合金は他の元素の中で重量２
０ｐｐｍ最大の硫黄を含む。又重量３０−１００ｐｐｍ
のイットリウムが単結晶タービンエヤーフオイル要素の
中に含まれて相当に露出した合金の周期的な酸化抵抗を
改良する即ち酸化アルミニウムの砕けを減少させるがこ
れは特に新しいシユラウド（ｓｈｒｏｕｄ）のないター
ビンブレードと発散冷却のタービンエヤーフオイルのチ
ップ（ｔｉｐ）領域に対して重要である。
【０００５】硫黄はこの種の高温ニッケルベース合金に
おいては長い間厄介なものとして認められて来た。硫黄
はたとえ少量又は微量であっても、２７００゜Ｆ−２８
５０°Ｆの範囲の温度において合金が溶融又は再溶融さ
れる耐熱性ライニング又はるつぼから合金によって得ら
れることができる。これを防ぐために、合金が溶融され
る耐熱性ライニングは非常に高価な非常に純粋な材料か
ら作られる。この目的でライニングは好ましくは酸化マ
グネシウムと酸化アルミニウムのスピネル（ｓｐｉｎｅ
ｌ）形状の耐火材が利用される真空誘導炉の環境は極め
て清潔で本質的に硫黄のないものでなければならない。
おいては長い間厄介なものとして認められて来た。硫黄
はたとえ少量又は微量であっても、２７００゜Ｆ−２８
５０°Ｆの範囲の温度において合金が溶融又は再溶融さ
れる耐熱性ライニング又はるつぼから合金によって得ら
れることができる。これを防ぐために、合金が溶融され
る耐熱性ライニングは非常に高価な非常に純粋な材料か
ら作られる。この目的でライニングは好ましくは酸化マ
グネシウムと酸化アルミニウムのスピネル（ｓｐｉｎｅ
ｌ）形状の耐火材が利用される真空誘導炉の環境は極め
て清潔で本質的に硫黄のないものでなければならない。
【０００６】更に合金に用いられる原料を注意深く選択
することが、真空誘導炉とポンピングシステムを超清潔
に保つことと共にのぞましくない硫黄の追加を避けるた
めに実施される。蒸発のブースターオイルは硫黄を含む
ので蒸発ブースターオイルが多少なりとも真空ポンプか
ら炉の溶融室又は注入室に逆流することは許されない。
合金の製造においては硫黄を極めて低いレベルに保ち、
且つ酸素含有量を非常に低く維持するよう注意が払われ
る。広範囲な研究と溶融の試験の結果硫黄含有量１
（ｗ）ｐｐｍのＣＭＳＸ−４合金を一貫して生産するこ
とが可能であることが発見された。これは今や夫々８０
００ポンドの６回の熱処理（Ｖ８２５６，Ｖ８２７６，
Ｖ８２７７，Ｖ８２９１，Ｖ８３１１及びＶ８３１２）
によって実施され且つ繰返えされ硫黄を以前の４−６
（ｗ）ｐｐｍの範囲から０．８−１．７（ｗ）ｐｐｍの
範囲に一貫して減少させその平均を１．０（ｗ）ｐｐｍ
とした。硫黄の分析に用いられた分析技術は高度分解グ
ロー（ｇｌｏｗ）放電質量分光測定法（ＧＤＭＳ）であ
る。燐が硫黄と類似の有害な役割を演ずるものと仮定さ
れる。これらの熱処理品の燐の含有量はＧＤＭＳを用い
た分析で０．７−１．１（ｗ）ｐｐｍの範囲に減少され
た。
することが、真空誘導炉とポンピングシステムを超清潔
に保つことと共にのぞましくない硫黄の追加を避けるた
めに実施される。蒸発のブースターオイルは硫黄を含む
ので蒸発ブースターオイルが多少なりとも真空ポンプか
ら炉の溶融室又は注入室に逆流することは許されない。
合金の製造においては硫黄を極めて低いレベルに保ち、
且つ酸素含有量を非常に低く維持するよう注意が払われ
る。広範囲な研究と溶融の試験の結果硫黄含有量１
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とが可能であることが発見された。これは今や夫々８０
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Ｖ８２７７，Ｖ８２９１，Ｖ８３１１及びＶ８３１２）
によって実施され且つ繰返えされ硫黄を以前の４−６
（ｗ）ｐｐｍの範囲から０．８−１．７（ｗ）ｐｐｍの
範囲に一貫して減少させその平均を１．０（ｗ）ｐｐｍ
とした。硫黄の分析に用いられた分析技術は高度分解グ
ロー（ｇｌｏｗ）放電質量分光測定法（ＧＤＭＳ）であ
る。燐が硫黄と類似の有害な役割を演ずるものと仮定さ
れる。これらの熱処理品の燐の含有量はＧＤＭＳを用い
た分析で０．７−１．１（ｗ）ｐｐｍの範囲に減少され
た。
【０００７】実際上殆んど硫黄の問題を除去してしまっ
た後にはイットリウムの問題が残っている。イットリウ
ムを加えることは高温の運転条件の下での周期的な露出
合金の酸化を殆んど零にするという劇的な効果をもつ一
方で、イットリウムは合金の他の重大な特性に他ののぞ
ましくない効果を及ぼす。イットリウムはずっと低い溶
融点を有するニッケルイットリウムとして示される低融
点の共晶相を形成し、斯くして全体の合金に対する溶融
点を低下させる。斯くして合金の溶融温度は、合金が完
全に溶融ことができるのに必要で斯くしてその重要な特
性を発達させるのに必要な溶融温度であって、これらは
クリープ及び疲労強度と保たれた高温条件下の相の安定
性であるが、この溶融温度は付随する穴の形成と過度の
残留微少偏析をもった受け入れられない初期の溶融が起
るために、達成されることができないと言う点迄減少さ
れる。
た後にはイットリウムの問題が残っている。イットリウ
ムを加えることは高温の運転条件の下での周期的な露出
合金の酸化を殆んど零にするという劇的な効果をもつ一
方で、イットリウムは合金の他の重大な特性に他ののぞ
ましくない効果を及ぼす。イットリウムはずっと低い溶
融点を有するニッケルイットリウムとして示される低融
点の共晶相を形成し、斯くして全体の合金に対する溶融
点を低下させる。斯くして合金の溶融温度は、合金が完
全に溶融ことができるのに必要で斯くしてその重要な特
性を発達させるのに必要な溶融温度であって、これらは
クリープ及び疲労強度と保たれた高温条件下の相の安定
性であるが、この溶融温度は付随する穴の形成と過度の
残留微少偏析をもった受け入れられない初期の溶融が起
るために、達成されることができないと言う点迄減少さ
れる。
【０００８】イットリウムの高い反応性のために、従来
は最終の鋳物にのぞましいと考えられる結果を得るため
にこの元素の過度の量を加えることが必要であった。し
かしこれはのぞましいアプローチではない。何故ならば
イットリウムは非常に反応性に富み、この合金が単結晶
で鋳込まれる高い温度においてイットリウムは、受入れ
られない不良品のエヤーフオイル鋳物を生ずる結果とな
る、粒子の欠陥を凝集する、再熔融のセラミックるつ
ぼ、シエルモールド及びコアとの反応からのイットリウ
ム酸化物の含有物を容易に形成する。
は最終の鋳物にのぞましいと考えられる結果を得るため
にこの元素の過度の量を加えることが必要であった。し
かしこれはのぞましいアプローチではない。何故ならば
イットリウムは非常に反応性に富み、この合金が単結晶
で鋳込まれる高い温度においてイットリウムは、受入れ
られない不良品のエヤーフオイル鋳物を生ずる結果とな
る、粒子の欠陥を凝集する、再熔融のセラミックるつ
ぼ、シエルモールド及びコアとの反応からのイットリウ
ム酸化物の含有物を容易に形成する。
【０００９】上に記述した問題に対する解決策は合金の
硫黄含有量を２（ｗ）ｐｐｍ以下に制限し、又イットリ
ウムの合金への追加を単結晶鋳物を準備するための真空
再溶融の時迄遅らせ且つ大巾に減少させることであるこ
とが見出された。他の可能性は、イットリウムを、イオ
ン注入プロセスによって溶液熱処理后に完成された単結
晶鋳物に加えることである。イットリウムは、周期的な
過渡的なものを含めて効率のよい進んだタービンエンジ
ンの設計において非常な高温に曝される単結晶鋳物のエ
ヤーフオイル表面の中に１０００−１２００Ａの厚さの
イットリウムの薄い層を注入するイオン注入法によって
加えられることができるのでこのことは可能である。
硫黄含有量を２（ｗ）ｐｐｍ以下に制限し、又イットリ
ウムの合金への追加を単結晶鋳物を準備するための真空
再溶融の時迄遅らせ且つ大巾に減少させることであるこ
とが見出された。他の可能性は、イットリウムを、イオ
ン注入プロセスによって溶液熱処理后に完成された単結
晶鋳物に加えることである。イットリウムは、周期的な
過渡的なものを含めて効率のよい進んだタービンエンジ
ンの設計において非常な高温に曝される単結晶鋳物のエ
ヤーフオイル表面の中に１０００−１２００Ａの厚さの
イットリウムの薄い層を注入するイオン注入法によって
加えられることができるのでこのことは可能である。
【００１０】イットリウムイオン注入法は極めて薄い場
合に於ても高能率のタービンエンジンにおいてタービン
ブレードのチップの高温酸化破壊を防ぐのに有効である
ことがテストによって決定された。テストによってター
ビンブレードの高温領域においてこの非常に薄い保護層
が周期的なエンジンの状態の間にアルミナのスケールの
剥落を本質的に除去することによって有効にブレードを
守り、且つブレードは非常に高温の周期的運転の長い期
間に亙って安定した状態に留ることが信頼されることが
示された。研究の結果、合金中の硫黄の原子が高温に露
出された間にアルミナスケール層とベースの合金の間の
高エネルギーの界面に移動しその接着を弱めて周期的な
エンジンの状態の間にスケールの剥落に導くことが示さ
れた。イットリウムが存在すると、硫黄を安定した硫化
イットリウム（ＹＳ）又はイットリウム酸硫化物（Ｙ２
Ｏ２Ｓ）として結びつける。この研究においてやむにや
まれぬ要素はこれらのエンジン用の合金の温度公差にお
けるたとえ小さな増加であってもエンジン効率における
相当な増加を許すと言う認識である。このことは進歩し
た軍用機のタービンにおけるよりも明らかなものはどこ
にもない。殆んどの工業用エンジンにおいて、タービン
のブレードの寿命は２５０００から１００，０００時間
であることができる。進歩したエヤーラインのタービン
エンジンのブレード寿命の目標は５０００から２０，０
Ｏ０時間であり得る。軍用機の進歩した性能のエンジン
におけるブレード寿命は単に２０００から２５００時間
であることもある。
合に於ても高能率のタービンエンジンにおいてタービン
ブレードのチップの高温酸化破壊を防ぐのに有効である
ことがテストによって決定された。テストによってター
ビンブレードの高温領域においてこの非常に薄い保護層
が周期的なエンジンの状態の間にアルミナのスケールの
剥落を本質的に除去することによって有効にブレードを
守り、且つブレードは非常に高温の周期的運転の長い期
間に亙って安定した状態に留ることが信頼されることが
示された。研究の結果、合金中の硫黄の原子が高温に露
出された間にアルミナスケール層とベースの合金の間の
高エネルギーの界面に移動しその接着を弱めて周期的な
エンジンの状態の間にスケールの剥落に導くことが示さ
れた。イットリウムが存在すると、硫黄を安定した硫化
イットリウム（ＹＳ）又はイットリウム酸硫化物（Ｙ２
Ｏ２Ｓ）として結びつける。この研究においてやむにや
まれぬ要素はこれらのエンジン用の合金の温度公差にお
けるたとえ小さな増加であってもエンジン効率における
相当な増加を許すと言う認識である。このことは進歩し
た軍用機のタービンにおけるよりも明らかなものはどこ
にもない。殆んどの工業用エンジンにおいて、タービン
のブレードの寿命は２５０００から１００，０００時間
であることができる。進歩したエヤーラインのタービン
エンジンのブレード寿命の目標は５０００から２０，０
Ｏ０時間であり得る。軍用機の進歩した性能のエンジン
におけるブレード寿命は単に２０００から２５００時間
であることもある。
【００１１】本発明はイットリウムのレベルを３０−１
００（ｗ）ｐｐｍから約５から１５（ｗ）ｐｐｍに単結
晶エヤーフオイル構成部品の中で減少させることを許
す。このことはいくつかの理由で重要である。イットリ
ウムは非常に反応性のある元素である。従って化学的に
結合していないイットリウムは粒子の欠陥を凝集する酸
化イットリウム及びイットリウム酸硫化物の含有を形成
する結果となる重大な問題となり得るものである。粒子
境界強化元素であるボロンとカーボン（これらがないと
合金の最初の溶融温度を増加させる）を含まない単結晶
超合金は何等の大きな粒子境界強度を有しない。これは
又ニッケルと反応して低融点の共晶相を生み、これは合
金に斯くしてタービンエンジンの性能に高温強度と相の
安定の制限を押しつけるものである。しかし乍ら、３か
ら５ｐｐｍ（ｗ）又はそれ以上の範囲の硫黄の存在は合
金の中のイットリウムの減少を妨げる。何故ならば硫黄
の１成分を、イットリウム酸硫化物（Ｙ２Ｏ２Ｓ）の類
似の形成に基いて化学的に結合又は接着するために約６
成分のイットリウムを必要とするからであります。硫黄
は又航空機のタービンエンジンの燃料として用いられる
航空機用ケロシンの中にも存在する。燃料からの硫黄は
高温のエンジンの運転中にアルミナのスケールの層を通
して拡散し、斯くしてこの硫黄をＹｓとして結合するた
めに或程度の過剰のイットリウムレベルを必要とする。
このバランスに到達することを企図するとき、イットリ
ウムは非常に反応性があるので鋳物に加えられたイット
リウムの単に１部でも硫黄に化学的に接着することがで
きることは心に留めておかなければならない。しかし、
殆んど硫黄を除去することによって、５−１５ｐｐｍ以
上のイットリウム含有量は不必要とされる。斯くして過
剰のイットリウムの問題も又殆んど克服される。このこ
とはイットリウムの酸素を含むセラミック材料との高い
反応性のために重要である。高温のアルミナスケールの
剥落を起す要素である硫黄を減少させることと、イット
リウムの含有量を５−１５ｐｐｍ（ｗ）と非常に低くす
ることで、タービンブレードの周期的な酸化は本質的に
除去される。更にイットリウムはタービンブレードの表
面の完全さを保護する以外に何等機能をもたないので、
合金の特徴の多くはこの変更によって有利に影響され
る。
００（ｗ）ｐｐｍから約５から１５（ｗ）ｐｐｍに単結
晶エヤーフオイル構成部品の中で減少させることを許
す。このことはいくつかの理由で重要である。イットリ
ウムは非常に反応性のある元素である。従って化学的に
結合していないイットリウムは粒子の欠陥を凝集する酸
化イットリウム及びイットリウム酸硫化物の含有を形成
する結果となる重大な問題となり得るものである。粒子
境界強化元素であるボロンとカーボン（これらがないと
合金の最初の溶融温度を増加させる）を含まない単結晶
超合金は何等の大きな粒子境界強度を有しない。これは
又ニッケルと反応して低融点の共晶相を生み、これは合
金に斯くしてタービンエンジンの性能に高温強度と相の
安定の制限を押しつけるものである。しかし乍ら、３か
ら５ｐｐｍ（ｗ）又はそれ以上の範囲の硫黄の存在は合
金の中のイットリウムの減少を妨げる。何故ならば硫黄
の１成分を、イットリウム酸硫化物（Ｙ２Ｏ２Ｓ）の類
似の形成に基いて化学的に結合又は接着するために約６
成分のイットリウムを必要とするからであります。硫黄
は又航空機のタービンエンジンの燃料として用いられる
航空機用ケロシンの中にも存在する。燃料からの硫黄は
高温のエンジンの運転中にアルミナのスケールの層を通
して拡散し、斯くしてこの硫黄をＹｓとして結合するた
めに或程度の過剰のイットリウムレベルを必要とする。
このバランスに到達することを企図するとき、イットリ
ウムは非常に反応性があるので鋳物に加えられたイット
リウムの単に１部でも硫黄に化学的に接着することがで
きることは心に留めておかなければならない。しかし、
殆んど硫黄を除去することによって、５−１５ｐｐｍ以
上のイットリウム含有量は不必要とされる。斯くして過
剰のイットリウムの問題も又殆んど克服される。このこ
とはイットリウムの酸素を含むセラミック材料との高い
反応性のために重要である。高温のアルミナスケールの
剥落を起す要素である硫黄を減少させることと、イット
リウムの含有量を５−１５ｐｐｍ（ｗ）と非常に低くす
ることで、タービンブレードの周期的な酸化は本質的に
除去される。更にイットリウムはタービンブレードの表
面の完全さを保護する以外に何等機能をもたないので、
合金の特徴の多くはこの変更によって有利に影響され
る。
【００１２】本発明は前に示された米国特許４，６４
３，７８２のＣＭＳＸ−４に応用することによって最も
良く理解され、この組成は次の表の右側に述べられてい
る。
３，７８２のＣＭＳＸ−４に応用することによって最も
良く理解され、この組成は次の表の右側に述べられてい
る。
【００１３】左側に述べられた組成は当該４，６４３，
７８２号特許に開示された合金の組成である。この合金
は通常５−１０ｐｐｍの硫黄を含む。中の欄に述べられ
た合金は、合金中の硫黄が２（ｗ）ｐｐｍ以下、一般に
は殆んど１（ｗ）ｐｐｍの近くに制限された時の合金の
組成である。右側最後の欄に述べられた合金は、Ｂ欄の
合金が又単に５−１５ｐｐｍのイットリウムを含むとき
生ずる組成である。右側の欄の合金は２（ｗ）ｐｐｍ以
下の非常に低い硫黄の含有量を維持することに依存す
る。何故ならばこのときのみイットリウム成分を大巾に
減少させることができるからである。実質的に硫黄の含
有量を減らすことによって合金の中に残っている少しの
硫黄の量と燃料からの硫黄と反応して安定した硫化物
（ＹＳ）を形成するに必要なものにイットリウムを限定
することができる。
７８２号特許に開示された合金の組成である。この合金
は通常５−１０ｐｐｍの硫黄を含む。中の欄に述べられ
た合金は、合金中の硫黄が２（ｗ）ｐｐｍ以下、一般に
は殆んど１（ｗ）ｐｐｍの近くに制限された時の合金の
組成である。右側最後の欄に述べられた合金は、Ｂ欄の
合金が又単に５−１５ｐｐｍのイットリウムを含むとき
生ずる組成である。右側の欄の合金は２（ｗ）ｐｐｍ以
下の非常に低い硫黄の含有量を維持することに依存す
る。何故ならばこのときのみイットリウム成分を大巾に
減少させることができるからである。実質的に硫黄の含
有量を減らすことによって合金の中に残っている少しの
硫黄の量と燃料からの硫黄と反応して安定した硫化物
（ＹＳ）を形成するに必要なものにイットリウムを限定
することができる。
【００１４】図面第１図に例示されたように、裸のＣＭ
ＳＸ−４合金の１１００゜Ｃ（２０１２°Ｆ）における
バーナー装置の周期的酸化は、ＣＭＳＸ−４の試験用加
熱ＶＦ−９６０においてベースの合金の中で硫黄が５ｐ
ｐｍ（ｗ）から１．２（ｗ）ｐｐｍに減少された時改善
されないことが認められるであらう。これらの結果は、
１９９０年１月２３日にＤｅＣｒｅｓｃｅｎｔｅ其他に
発行され且つＵｎｉｔｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃ
ｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに譲渡された米国特許４，８９
５，２０１に開示されたものの中特に第６欄実例ＩＩＩ
に対比される。しかしこの特許の中に記述された作業は
ＣＭＳＸ−４合金をカバーしていないことが認められる
べきである。しかし硫黄を０．９−１．２ｐｐｍに減少
させ且つイットリウムを５−１５（ｗ）ｐｐｍの範囲に
減少させることによって、イットリウムが化学的に残っ
ている硫黄と結合していることが見出された。斯くして
この少量の硫黄であつてもＣＭＳＸ−４合金の上の酸化
アルミニウムのスケールと反応することから妨げられ、
斯くしてこの保護的な酸化スケールの剥離と高温の周期
的タービン運転の間のタービンブレードのチップ領域の
表面の完全さを害することを妨げる。図２は５（ｗ）ｐ
ｐｍの硫黄と３０−５０（ｗ）ｐｐｍのイットリウムと
を含むＣＭＳＸ−３単結晶合金の１１７７°Ｃ（２１５
０゜Ｆ）における動的周期的酸化抵抗の劇的な増加を示
している。この時には同様の酸化の改良が、５−１０
（ｗ）ｐｐｍの硫黄を有するベースのＣＭＳＸ−４合金
に比較して、２（ｗ）ｐｐｍ以下の硫黄と５−１５
（ｗ）ｐｐｍのイットリウムを含むＣＭＳＸ−４合金に
おいて明らかであることが前提となっている。
ＳＸ−４合金の１１００゜Ｃ（２０１２°Ｆ）における
バーナー装置の周期的酸化は、ＣＭＳＸ−４の試験用加
熱ＶＦ−９６０においてベースの合金の中で硫黄が５ｐ
ｐｍ（ｗ）から１．２（ｗ）ｐｐｍに減少された時改善
されないことが認められるであらう。これらの結果は、
１９９０年１月２３日にＤｅＣｒｅｓｃｅｎｔｅ其他に
発行され且つＵｎｉｔｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃ
ｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに譲渡された米国特許４，８９
５，２０１に開示されたものの中特に第６欄実例ＩＩＩ
に対比される。しかしこの特許の中に記述された作業は
ＣＭＳＸ−４合金をカバーしていないことが認められる
べきである。しかし硫黄を０．９−１．２ｐｐｍに減少
させ且つイットリウムを５−１５（ｗ）ｐｐｍの範囲に
減少させることによって、イットリウムが化学的に残っ
ている硫黄と結合していることが見出された。斯くして
この少量の硫黄であつてもＣＭＳＸ−４合金の上の酸化
アルミニウムのスケールと反応することから妨げられ、
斯くしてこの保護的な酸化スケールの剥離と高温の周期
的タービン運転の間のタービンブレードのチップ領域の
表面の完全さを害することを妨げる。図２は５（ｗ）ｐ
ｐｍの硫黄と３０−５０（ｗ）ｐｐｍのイットリウムと
を含むＣＭＳＸ−３単結晶合金の１１７７°Ｃ（２１５
０゜Ｆ）における動的周期的酸化抵抗の劇的な増加を示
している。この時には同様の酸化の改良が、５−１０
（ｗ）ｐｐｍの硫黄を有するベースのＣＭＳＸ−４合金
に比較して、２（ｗ）ｐｐｍ以下の硫黄と５−１５
（ｗ）ｐｐｍのイットリウムを含むＣＭＳＸ−４合金に
おいて明らかであることが前提となっている。
【００１５】前述の説明から単にＣＭＳＸ４の単結晶合
金のタービンエヤーフオイルの中の硫黄を２（ｗ）ｐｐ
ｍ以下に減少させるのみではタービンブレード鋳物のチ
ップ領域の高温の表面の完全さに対する硫黄の破壊的影
響の問題を解決しないことが理解されよう。これは限ら
れた量のイットリウムを与えて何等かの残っている硫黄
と結合させ、タービンブレードの上の酸化アルミニウム
のスケールの層との反応に利用できなくすることによっ
てこれを化学的に中和する追加のステップ（ｓｔｅｐ）
である。既に指摘されたように、このことは単結晶鋳物
の鋳込みの前の再熔融の間にベースの合金にイットリウ
ムを追加することによって行なわれるか又は燃焼ガス及
びベースの合金の両方の中に存在する硫黄と結合するの
に役立つ非常に薄いイットリウムの層を、高温の酸化す
る燃焼ガスに曝される完成された鋳物の表面にイオン移
植することによって行われることができる。この発明の
結果を得ることはランタン又はセリウムをイットリウム
の１部又は全部に単結晶鋳物の中で５−２０ｐｐｍ
（ｗ）の範囲で置換えることによっても得ることが可能
である。ランタンもセリウムも双方ともイットリウムの
ように硫黄と酸素と非常に高い親和力を有するので極め
て安定した硫化物と酸硫化物を形成する。イットリウム
に較べて分子量が高いのでこれらの元素は夫々やや多い
量が必要とされる。
金のタービンエヤーフオイルの中の硫黄を２（ｗ）ｐｐ
ｍ以下に減少させるのみではタービンブレード鋳物のチ
ップ領域の高温の表面の完全さに対する硫黄の破壊的影
響の問題を解決しないことが理解されよう。これは限ら
れた量のイットリウムを与えて何等かの残っている硫黄
と結合させ、タービンブレードの上の酸化アルミニウム
のスケールの層との反応に利用できなくすることによっ
てこれを化学的に中和する追加のステップ（ｓｔｅｐ）
である。既に指摘されたように、このことは単結晶鋳物
の鋳込みの前の再熔融の間にベースの合金にイットリウ
ムを追加することによって行なわれるか又は燃焼ガス及
びベースの合金の両方の中に存在する硫黄と結合するの
に役立つ非常に薄いイットリウムの層を、高温の酸化す
る燃焼ガスに曝される完成された鋳物の表面にイオン移
植することによって行われることができる。この発明の
結果を得ることはランタン又はセリウムをイットリウム
の１部又は全部に単結晶鋳物の中で５−２０ｐｐｍ
（ｗ）の範囲で置換えることによっても得ることが可能
である。ランタンもセリウムも双方ともイットリウムの
ように硫黄と酸素と非常に高い親和力を有するので極め
て安定した硫化物と酸硫化物を形成する。イットリウム
に較べて分子量が高いのでこれらの元素は夫々やや多い
量が必要とされる。
【００１６】重量比で２ｐｐｍより多くない硫黄成分で
重量比５−１５ｐｐｍのイットリウムをもつニッケルベ
ースの合金を使用するか又はイットリウムの代りにイッ
トリウムに較べてより高い分子量のために必要とされる
イットリウムよりも高い重量比のランタン又はセリウム
を使用するかに拘らず、これに曝されたタービンエンジ
ンのブレードヴェーン及び他のエンジン構成要素に対す
る硫黄の有害な影響の除去は同じである。
重量比５−１５ｐｐｍのイットリウムをもつニッケルベ
ースの合金を使用するか又はイットリウムの代りにイッ
トリウムに較べてより高い分子量のために必要とされる
イットリウムよりも高い重量比のランタン又はセリウム
を使用するかに拘らず、これに曝されたタービンエンジ
ンのブレードヴェーン及び他のエンジン構成要素に対す
る硫黄の有害な影響の除去は同じである。
【００１７】タービンブレードを保護するために何れの
技術が用いられるにせよ、本発明により進歩した高能率
のタービンエンジンにおけるタービンブレードの有効な
寿命の長さを実質的に延ばすことが理解されよう。
技術が用いられるにせよ、本発明により進歩した高能率
のタービンエンジンにおけるタービンブレードの有効な
寿命の長さを実質的に延ばすことが理解されよう。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成６年８月２３日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】追加
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】バーナーリブの中で１１００℃（２０１２゜
Ｆ）においてマッハ１の速度において、５（Ｗ）ｐｐｍ
の硫黄と１．２（Ｗ）ｐｐｍの硫黄を含むＣＭＳＸ−４
合金のダイナミックなサイクリックな酸化に基く金属の
損失のグラフを示す図である。
Ｆ）においてマッハ１の速度において、５（Ｗ）ｐｐｍ
の硫黄と１．２（Ｗ）ｐｐｍの硫黄を含むＣＭＳＸ−４
合金のダイナミックなサイクリックな酸化に基く金属の
損失のグラフを示す図である。
【図２】１１７７℃において、イットリウムのある場合
とない場合のＣＭＳＸ−３単一結晶合金のダイナミック
なサイクリックの酸化から生ずる金属損失に対する効果
のグラフを示す図である。
とない場合のＣＭＳＸ−３単一結晶合金のダイナミック
なサイクリックの酸化から生ずる金属損失に対する効果
のグラフを示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジヨン エム エリドン アメリカ合衆国 ミシガン州 49461 ホ ワイトホール キヤンターバリイ ロード 4503 (72)発明者 ステイーヴン エル シツケンガ アメリカ合衆国 ミシガン州 49445 ノ ースマスケゴン ベア レイク ロード 490
Claims (9)
- 【請求項１】 ２１００゜Ｆ迄の運転温度で使用され初
期の溶融多孔性のない単結晶のタービンエンジンのブレ
ード、ヴェーン及び燃焼室構成要素を鋳込むための改良
されたニッケルベースの合金において、当該合金は鋳物
の中において本質的に下記の元素を、重量比でｐｐｍと
記載された処を除いて重量パーセントで表示された下記
比率で含むことを特徴とする改良されたニッケルベース
の合金。 Ｃｏ ９．３−１０．０ Ｃｒ ６．４−６．６ Ｍｏ ０．５−０．７ Ｗ ６．２−６．６ Ｔａ ６．３−６．７ Ａｌ ５．４５−５．７５ Ｔｉ ０．８−１．２ Ｈｆ ０．０７−０．１２ Ｒｅ ２．８−３．２ Ｓ ２ｐｐｍ最大 Ｐ ２ｐｐｍ最大 Ｙ ５−１５ｐｐｍ Ｎｉ 残量 - 【請求項２】 請求項１に規定されたタービンエンジン
のブレード、ヴェーン又は合金の燃焼室構成要素のため
の単結晶鋳物において、凡ての当該イットリウムは鋳込
み前に合金が再熔融された時に合金の中に組込まれてい
ることを特徴とする単結晶鋳物。 - 【請求項３】 請求項１に規定されたタービンエンジン
のブレード、ヴェーン又は合金の燃焼室構成要素のため
の単結晶鋳物において、当該イットリウムはタービン構
成要素温度が２１００゜Ｆ迄の、燃焼ガスに曝される鋳
物のこれらの表面にイットリウムの金属イオン注入によ
って加えられることを特徴とする単結晶鋳物。 - 【請求項４】 ２１００゜Ｆ迄の運転温度で使用され、
初期の溶融のない、且つ保持される高温運転の間にその
表面に燃焼ガスからの有害な硫黄を獲得することのない
単結晶のタービンエンジンのブレード、ヴェーン及び燃
焼室構成要素を鋳込むための改良されたニッケルベース
の合金において、当該合金は鋳物の中において本質的に
下記の元素を、重量比でｐｐｍと記載された処を除いて
重量パーセントで表示された下記比率で含むことを特徴
とする改良されたニッケルベースの合金。 Ｃｏ ９．３−１０．０ Ｃｒ ６．４−６．６ Ｍｏ ０．５−０．７ Ｗ ６．２−６．６ Ｔａ ６．３−６．７ Ａｌ ５．４５−５．７５ Ｔｉ ０．８−１．２ Ｈｆ ０．０７−０．１２ Ｒｅ ２．８−３．２ Ｓ ２ｐｐｍ最大 Ｐ ２ｐｐｍ最大 Ｙ ５−１５ｐｐｍ Ｎｉ 残量 - 【請求項５】 ２１００°Ｆ迄の運転温度で使用され、
初期の溶融多孔性のない単結晶のタービンエンジンのブ
レード、ヴェーン及び燃焼室構成要素を鋳込むための改
良されたニッケルベースの超合金において、当該合金は
本質的に下記の元素を、重量比でｐｐｍと記載された処
を除いて重量パーセントで表示された下記比率で含むこ
とを特徴とする改良されたニッケルベースの超合金。 Ｃｏ ９．３−１０．０ Ｃｒ ６．４−６．６ Ｍｏ ０．５−０．７ Ｗ ６．２−６．６ Ｔａ ６．３−６．７ Ａｌ ５．４５−５．７５ Ｔｉ ０．８−１．２ Ｈｆ ０．０７−０．１２ Ｒｅ ２．８−３．２ Ｓ ２ｐｐｍ最大 Ｐ ２ｐｐｍ最大 Ｌａ ５−２０ｐｐｍＮｉ 残量 - 【請求項６】 ２１００°Ｆ迄の運転温度で使用され、
初期の溶融多孔性のない単結晶のタービンエンジンのブ
レード、ヴェーン及び燃焼室構成要素を鋳込むための改
良されたニッケルベースの超合金において、当該合金は
本質的に下記の元素を、重量比でｐｐｍと記載された処
を除いて重量パーセントで表示された下記比率で含むこ
とを特徴とする改良されたニッケルベースの超合金。 Ｃｏ ９．３−１０．０ Ｃｒ ６．４−６．６ Ｍｏ ０．５−０．７ Ｗ ６．２−６．６ Ｔａ ６．３−６．７ Ａｌ ５．４５−５．７５ Ｔｉ ０．８−１．２ Ｈｆ ０．０７−０．１２ Ｒｅ ２．８−３．２ Ｓ ２ｐｐｍ最大 Ｐ ２ｐｐｍ最大 Ｃｅ ５−２０ｐｐｍ Ｎｉ 残量 - 【請求項７】 ２１００゜Ｆ迄の運転温度で使用され、
初期の溶融多孔性のない単結晶のタービンエンジンのブ
レード、ヴェーン及び燃焼室構成要素を鋳込むための改
良されたニッケルベースの超合金において、当該合金は
本質的に下記の元素を、重量比でｐｐｍと記載された処
を除いて重量パーセントで表示された下記比率で含むこ
とを特徴とする改良されたニッケルベースの超合金。 Ｃｏ ９．３−１０．０ Ｃｒ ６．４−６．６ Ｍｏ ０．５−０．７ Ｗ ６．２−６．６ Ｔａ ６．３−６．７ Ａｌ ５．４５−５．７５ Ｔｉ ０．８−１．２ Ｈｆ ０．０７−０．１２ Ｒｅ ２．８−３．２ Ｓ ２ｐｐｍ最大 Ｐ ２ｐｐｍ最大 Ｙ＋Ｌａ Ｙ＋Ｌａの量はｐｐｍにおいて、イットリウ
ムとランタンの原子の数の合計が、若しもイットリウム
のみが合金に加えられた時５−１５ｐｐｍの量のイット
リウムの原子の数に等しいようにする。 Ｎｉ 残量 - 【請求項８】 ２１００゜Ｆ迄の運転温度で使用され初
期の溶融多孔性のない単結晶のタービンエンジンのブレ
ードヴェーン及び燃焼室構成要素を鋳込むための改良さ
れたニッケルベースの超合金において、当該合金は本質
的に下記の元素を、重量比でｐｐｍと記載された処を除
いて重量パーセントで表示された下記比率で含むことを
特徴とする改良されたニッケルベースの超合金。 Ｃｏ ９．３−１０．０ Ｃｒ ６．４−６．６ Ｍｏ ０．５−０．７ Ｗ ６．２−６．６ Ｔａ ６．３−６．７ Ａｌ ５．４５−５．７５ Ｔｉ ０．８−１．２ Ｈｆ ０．０７−０．１２ Ｒｅ ２．８−３．２ Ｓ ２ｐｐｍ最大 Ｐ ２ｐｐｍ最大 Ｙ＋Ｃｅ Ｙ＋Ｃｅの量はｐｐｍにおいて、イットリウ
ムとセリウムの原子の数の合計が、若しもイットリウム
のみが合金に加えられた時５−１５ｐｐｍの量のイット
リウムの原子の数に等しいようにする。 Ｎｉ 残量 - 【請求項９】 ２１００°Ｆ迄の運転温度で使用され、
初期の溶融多孔性のない単結晶のタービンエンジンのブ
レードヴェーン及び燃焼室構成要素を鋳込むための改良
されたニッケルベースの合金において、当該合金は鋳物
において本質的に下記の元素を重量比でｐｐｍと記載さ
れた処を除いて重量パーセントで表示された下記比率で
含むことを特徴とする改良されたニッケルベースの合
金。 Ｃｏ ９．３−１０．０ Ｃｒ ６．４−６．６ Ｍｏ ０．５−０．７ Ｗ ６．２−６．６ Ｔａ ６．３−６．７ Ａｌ ５．４５−５．７５ Ｔｉ ０．８−１．２ Ｈｆ ０．０７−０．１２ Ｒｅ ２．８−３．２ Ｓ ２ｐｐｍ最大 Ｙ ５−１５ｐｐｍ Ｎｉ 残量
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