JPH0841566A

JPH0841566A - 耐酸化ニッケル基単結晶合金及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0841566A
Application number: JP17794894A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Ota; 芳雄太田; Kazuo Murakami; 和夫村上
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1994-07-29
Filing date: 1994-07-29
Publication date: 1996-02-13

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的はインクルージョンを発生させ
ることなく耐酸化性を大巾に向上させた新規な耐酸化ニ
ッケル基単結晶合金及びその製造方法を提供することに
ある。【構成】本発明は６．０〜８．０ｗｔ％のＣｒ、６．
０〜７．０ｗｔ％のＡｌ、７．０〜９．０ｗｔ％のＣ
ｏ、１．０〜３．０ｗｔ％のＭｏ、７．０〜９．０ｗｔ
％のＴａ、４．０〜６．０ｗｔ％のＷ、２．０〜４．０
ｗｔ％のＲｅ、及び０．１〜０．６ｗｔ％のＹ＋Ｌａ成
分を有し、残りの成分がＮｉ及び不可避的不純物である
ことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は航空機、ガスタービンな
どの高温部品として開発されている耐酸化ニッケル基単
結晶合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、航空用ガスタービンなどの高温
部品（動翼、静翼等）の材料としては、耐蝕、耐酸化
性、鋳造性、高温強度等に優れたニッケルをベースとす
るニッケル基単結晶合金が最適である。このニッケル基
単結晶合金はニッケルをベースとして、クロム、コバル
ト、モリブデン、タングステン、アルミニウム等の金属
を添加して合金させた溶湯を方向性凝固法やチョーク処
理法によって単結晶化させたものであり、代表的なもの
としてはＡｌｌｏｙ４５４（ユナイテッド・テクノロジ
ー：米国特許明細書４２０９４８号）やＣＭＳＸ−２
（キャノン・マスケコン：特開昭５７−８９４５１）等
がある。

【０００３】一方、航空エンジン等の高性能化に伴い、
タービンのガス温度は益々上昇する傾向があり、このよ
うな苛酷な条件に耐え得るために、最近ではＧＥ社の特
開平５−５９４７４号公報（単結晶生成品を製造するた
め改良された特性の均衡したニッケルをベースとする超
合金）や、Howmet社：「The effect of Yttrium and Sul
fur on the Oxidetion resistance of an advanced sin
gle crystal nickel based Superalloy」Superalloy1992
に示されているように、この合金にさらにＹ等の希土類
元素を単独添加することで、高温強度を犠牲せずに耐酸
化性の向上を図っているものも提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
母合金にＹを単独添加することは耐酸化性の向上は達成
できるものの、インクルージョン（浮遊酸化物）を発生
させやすく、これが原因で単結晶化率を低下させて製品
の歩留まりの悪化を招くおそれがあった。すなわち、Ｙ
は他の金属に比較して比重が軽い（ρ：４．５）ため、
長時間の溶融過程で溶湯上面に浮上してインクルージョ
ンを形成し、このインクルージョンが結晶核生成の原因
となって単結晶化率を低下させたり、機械的特性を悪化
させる原因となっていた。このため、インクルージョン
を除去すべく溶湯をセラミックフィルタで濾過すること
も考えられるが、これを用いると製造コストの上昇を招
くことになる。

【０００５】そこで、本発明は上記の問題点を有効に解
決するために案出されたものであり、その目的はインク
ルージョンを発生させることなく耐酸化性を大巾に向上
させた新規な耐酸化ニッケル基単結晶合金及びその製造
方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は６．０〜８．０ｗｔ％のＣｒ、６．０〜７．
０ｗｔ％のＡｌ、７．０〜９．０ｗｔ％のＣｏ、１．０
〜３．０ｗｔ％のＭｏ、７．０〜９．０ｗｔ％のＴａ、
４．０〜６．０ｗｔ％のＷ、２．０〜４．０ｗｔ％のＲ
ｅ、及び０．１〜０．６ｗｔ％のＹ＋Ｌａ成分を有し、
残りの成分がＮｉ及び不可避的不純物からなる耐酸化ニ
ッケル基単結晶合金であり、その製造方法としては、先
ず、ＹとＬａをそれぞれＮｉで合金化してＹ−Ｎｉ、Ｌ
ａ−Ｎｉのインゴットを形成した後、これらインゴット
をそれぞれブロック状に粉砕し、その後、これらブロッ
ク体を１５００〜１５５０℃の低めの母合金溶湯中に混
入して溶解し、鋳型に注湯するものである。

【０００７】Ｙ、Ｌａなどの希土類元素の添加は合金中
のＡｌやＣｒなどの拡散を促進させ、短時間に内部酸化
を生じさせ、同時に表面酸化物の性質にも影響を与えて
合金自身の耐酸化効果と表面酸化物の密着性を改善す
る。しかし、それらの効果を十分に発揮するためには添
加方法に工夫が必要である。Ｙ、Ｌａの単独元素を融
点、比重の観点でみると、各々４．５及び６．０、１５
１１℃及び９１８℃であり、Ｎｉ−Ｙ、Ｎｉ−Ｌａの合
金化を行うと、比重、融点ともコントロールが可能で、
比重を７程度、融点を１２００℃程度にすることが可能
である。従って溶解に長時間をかけずに可能な範囲の低
温下で溶解すること、希土類元素を溶解時に酸化させな
いようにする等を主眼としてＹ，Ｌａを予めＮｉと合金
化させて添加することが有効となる。

【０００８】本発明において、Ｙ＋Ｌａの合計添加量を
０．１〜０．６ｗｔ％と限定したのは０．１ｗｔ％以下
では耐酸化性の向上が現れず、反対に０．６ｗｔ％を越
えると、これが共晶まわりに集積し、高温溶体時に部分
溶融を発生させたり、それを防ぐために溶体温度を下げ
るとγ´（ガンマプライム）の溶体化が十分にできない
ため、本来の機械特性を犠牲にしてしまうからである。
また、この範囲では、ニッケル基合金全体の基本組成へ
の影響が小さく、この添加によって母合金の機械的特性
のみを向上させることができる。

【０００９】また、このＹとＬａの配合比は２：１〜
１：１の範囲であることが望ましい。その理由として
は、耐酸化性を損うことなく、ＹとＬａの複合的な効果
を保持させるためである。

【００１０】尚、成分中Ｃｒ耐蝕性を向上させる作用を
持ち、６．０ｗｔ％を下回るとその作用が不十分とな
り、８．０ｗｔ％を越えると強度の向上が期待できない
ため、６．０〜８．０ｗｔ％の範囲とする。また、Ｍｏ
はＮｉに固溶し、固溶強化の作用に有効な元素で、３．
０ｗｔ％を越えると有害層が析出し、１．０ｗｔ％を下
回ると強度の向上に有効でないため、１．０〜３．０ｗ
ｔ％の範囲とする。また、ＷはＭｏと同様な効果があ
り、６．０ｗｔ％を大きく越えると有害層が析出しやす
く、４．０ｗｔ％以下では強度の向上が期待できないた
め４．０〜６．０ｗｔ％の範囲とする。ＣｏはＭｏやＷ
の固溶度を高める作用があり、７．０〜９．０ｗｔ％の
範囲が最もその効果が高い。また、Ｔａはγ´相に固溶
してγ´相を増大させると共に強化させる働きがあり、
７．０〜９．０ｗｔ％の範囲が最もその効果が高い。ま
たＡｌはＴａと同様の効果があり、６．０〜７．０ｗｔ
％の範囲が最もその効果が高い。ＲｅはＷ、Ｍｏと同様
に固溶強化の作用を持つが、２．０を下回ると固溶強化
の作用がなく、４．０ｗｔ％を越えると鋳造後にデンド
ライトの消失と共晶γ´相の消失が望ましいが、そのた
めの固溶化処理が数段階になり、熱処理が難しくなるの
で２．０〜４．０ｗｔ％の範囲が良い。

【００１１】

【作用】本発明は上述したように、ＹとＬａをそれぞれ
Ｎｉと合金化させた後、ブロック状で低めの温度の母溶
湯中に添加するようにしたため、溶湯への添加に際し、
酸化物化が低減され、インクルージョンの発生を防止で
きる。特に、溶湯上の浮遊酸化物を軽減することは単結
晶化部品の歩留まりを向上させること及び強度特性上に
も不可欠で、この方法によって高品質でしかも耐酸化、
機械的特性に優れた単結晶化部品が得られる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳述する。

【００１３】先ず、６．０〜８．０ｗｔ％のＣｒ、６．
０〜７．０ｗｔ％のＡｌ、７．０〜９．０ｗｔ％のＣ
ｏ、１．０〜３．０ｗｔ％のＭｏ、７．０〜９．０ｗｔ
％のＴａ、４．０〜６．０ｗｔ％のＷ、２．０〜４．０
ｗｔ％のＲｅの成分を有し、残りの成分がＮｉ及び不可
避的不純物である母合金溶湯を形成した。次に、この母
合金溶湯中に、０．３ｗｔ％の成分割合となるよう
に、Ｙのみを添加または、０．３ｗｔ％の成分割合と
なるように、Ｌａのみを添加、ＹとＬａをそれぞれＮ
ｉと合金化させて、Ｎｉ−ＹとＮｉ−Ｌａのインゴット
を作製した後、これらをそれぞれブロック状に粉砕し、
これらを２：１の範囲で、かつ、この母合金溶湯に対し
て上記と同様、０．３ｗｔ％の成分割合となるように添
加した。そしてこれらをそれぞれ混合溶融した後、１３
００℃×２ｈで溶体化処理した後、１０８０℃×５ｈ，
８７０×２０ｈで時効処理して３種類の試料合金を形成
し、これらＹ及びＬａあるいはＹ＋Ｌａの収率、酸化試
験による特性、酸化試験後の成分変化、クリープ強度等
を測定した。

【００１４】次に示す表１は複合及び単独添加による収
率を比較したものである。

【００１５】

【表１】

【００１６】この結果、表１からも明らかなように、本
発明のような複合添加ではＹ及びＬａの収率はいずれも
０．０３２ｗｔ％、０．０３５ｗｔ％であり、優れた収
率を示した。これに対し、Ｙの単独添加の場合では本発
明を下回り、収率が低かった。このことは上述したよう
に、Ｙの大量添加を必要とし、これによってインクルー
ジョンの発生や、機械的特性の悪化を招くことを示して
いる。

【００１７】次に示す表２は酸化試験（１１００℃×２
００ｈ）後の重量変化及び酸化変質層の深さを比較した
ものであり、表３はＳＥＭ−ＥＤＸにより、酸化変質層
部における主要変動元素を母合金と共に比較したもので
ある。

【００１８】

【表２】

【００１９】

【表３】

【００２０】この結果、表３からも明らかなように、Ａ
ｌの外方拡散及びＣｒの内部酸化の傾向がみられる。ま
た、母合金への耐酸化性はＹ、Ｌａの複合添加により著
しく向上することがわかる。また、図１（ａ）は母合金
の酸化試験後の断面組成、（ｂ）はＹ＋Ｌａ添加合金の
酸化試験後の断面組成を示す顕微鏡写真図であり、この
顕微鏡写真図の断面組織からも変質層の大きな差異が観
察された。

【００２１】また、表４は添加金属のクリープ強度比較
（１０００℃×２５ＭＰａ）を示したものであり、Ｙ、
Ｌａの単独添加に比較して、特に破断寿命（ｈ）に優れ
ていることがわかる。

【００２２】

【表４】

【００２３】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、酸化物化
が低減されてインクルージョンの発生を防止できるた
め、高品質でしかも耐酸化、機械的特性に優れた単結晶
化部品が安価に得られる等といった優れた効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は母合金の酸化試験後の断面組成を示す
顕微鏡写真図である。（ｂ）はＹ＋Ｌａ添加合金の酸化
試験後の断面組成を示す顕微鏡写真図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】６．０〜８．０ｗｔ％のＣｒ、６．０〜
７．０ｗｔ％のＡｌ、７．０〜９．０ｗｔ％のＣｏ、
１．０〜３．０ｗｔ％のＭｏ、７．０〜９．０ｗｔ％の
Ｔａ、４．０〜６．０ｗｔ％のＷ、２．０〜４．０ｗｔ
％のＲｅ、及び０．１〜０．６ｗｔ％のＹ＋Ｌａ成分を
有し、残りの成分がＮｉ及び不可避的不純物であること
を特徴とする耐酸化ニッケル基単結晶合金。
【請求項２】上記ＹとＬａの配合比が２：１〜１：１
であることを特徴とする請求項１記載の耐酸化ニッケル
基単結晶合金。
【請求項３】ＹとＬａをそれぞれＮｉで合金化してイ
ンゴットを形成した後、これらインゴットをそれぞれブ
ロック状に粉砕し、その後、これらブロック体を、６．
０〜８．０ｗｔ％のＣｒ、６．０〜７．０ｗｔ％のＡ
ｌ、７．０〜９．０ｗｔ％のＣｏ、１．０〜３．０ｗｔ
％のＭｏ、７．０〜９．０ｗｔ％のＴａ、４．０〜６．
０ｗｔ％のＷ、２．０〜４．０ｗｔ％のＲｅを含むＮｉ
母合金溶湯中に、Ｙ＋Ｌａが０．１〜０．６ｗｔ％の成
分割合となるように添加して溶体化処理した後、時効処
理することを特徴とする耐酸化ニッケル基単結晶合金の
製造方法。