JPH09157811A - ニッケルをベースとする合金 - Google Patents
ニッケルをベースとする合金Info
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- JPH09157811A JPH09157811A JP8161546A JP16154696A JPH09157811A JP H09157811 A JPH09157811 A JP H09157811A JP 8161546 A JP8161546 A JP 8161546A JP 16154696 A JP16154696 A JP 16154696A JP H09157811 A JPH09157811 A JP H09157811A
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- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
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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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Abstract
(57)【要約】
【課題】 水素脆化に対する改善された抵抗力を有す
る、ニッケルをベースとする合金を提供する。 【解決手段】 水素脆化に対する改善された抵抗力を有
する、γ´´強固されたニッケルをベースとする合金、
およびこれを形成するためのプロセスに関するものであ
る。ニッケルをベースとする合金は、約０．０２から
０．０６ｗｔ％の炭素、約１１から１３ｗｔ％のクロ
ム、約１７から１９ｗｔ％の鉄、約２．８０から３．３
ｗｔ％のモリブデン、約５．７５から６．２５ｗｔ％の
コロンビウムとタンタル、約１．７５から２．２５ｗｔ
％のチタン、約０．４から０．８ｗｔ％のアルミニウ
ム、および残部の主要なニッケルから必須的になり、単
結晶形態である。本発明のニッケルをベースとする合金
は、ロケットエンジン部品のような高圧水素環境におい
て特に有用である。
る、ニッケルをベースとする合金を提供する。 【解決手段】 水素脆化に対する改善された抵抗力を有
する、γ´´強固されたニッケルをベースとする合金、
およびこれを形成するためのプロセスに関するものであ
る。ニッケルをベースとする合金は、約０．０２から
０．０６ｗｔ％の炭素、約１１から１３ｗｔ％のクロ
ム、約１７から１９ｗｔ％の鉄、約２．８０から３．３
ｗｔ％のモリブデン、約５．７５から６．２５ｗｔ％の
コロンビウムとタンタル、約１．７５から２．２５ｗｔ
％のチタン、約０．４から０．８ｗｔ％のアルミニウ
ム、および残部の主要なニッケルから必須的になり、単
結晶形態である。本発明のニッケルをベースとする合金
は、ロケットエンジン部品のような高圧水素環境におい
て特に有用である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水素脆化に対する
改善された抵抗力を有するγ´´強固された（γ´´ｓ
ｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ）ニッケルをベースとする合金
ならびにこのような合金を形成するためのプロセスに関
するものである。
改善された抵抗力を有するγ´´強固された（γ´´ｓ
ｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ）ニッケルをベースとする合金
ならびにこのような合金を形成するためのプロセスに関
するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】（γ´および／または
γ´´により）沈殿強固されたニッケルをベースとする
合金は、高ストレス、高温度のガスタービン用途のよう
な多くの気圏用途において選定される材料である。ター
ビンのブレードおよびバーンなどの用途においては、γ
´合金は単結晶形態でキャストされる。Ｇｅｌｌなどに
付与された米国特許第４、１１６、７２３号、Ｄｕｈｌ
などに付与された米国特許第４、２０９、３４８号、Ｈ
ａｒｒｉｓなどに付与された米国特許第４、６４３、７
８２号、Ｆｉｅｄｌｅｒなどに付与された米国特許第
４、６７７、０３５号、Ｏｈｎｏなどに付与された米国
特許第４、８０２、９３４号、Ｎａｉｋに付与された米
国特許第４、８８５、２１６号、Ｄｕｈｌなどに付与さ
れた米国特許第４、８８８、０６９号、Ｃｈｉｎなどに
付与された米国特許第４、９０８、１８３号、Ｎａｉｋ
などに付与された米国特許第５、０７７、１４１号、Ｗ
ｕｋｕｓｉｃｋなどに付与された米国特許第５、１０
０、４８４号、およびＷｕｋｕｓｉｃｋなどに付与され
た米国特許第５、１５４、８８４号、ならびにＳｃｈｗ
ｅｉｚｅｒに付与された公開された欧州特許出願第１５
０、９１７号には、各ガスタービンエンジン構成要素お
よびそれらの処理のために使用される単結晶のニッケル
をベースとした合金のいくつかが例示されている。
γ´´により）沈殿強固されたニッケルをベースとする
合金は、高ストレス、高温度のガスタービン用途のよう
な多くの気圏用途において選定される材料である。ター
ビンのブレードおよびバーンなどの用途においては、γ
´合金は単結晶形態でキャストされる。Ｇｅｌｌなどに
付与された米国特許第４、１１６、７２３号、Ｄｕｈｌ
などに付与された米国特許第４、２０９、３４８号、Ｈ
ａｒｒｉｓなどに付与された米国特許第４、６４３、７
８２号、Ｆｉｅｄｌｅｒなどに付与された米国特許第
４、６７７、０３５号、Ｏｈｎｏなどに付与された米国
特許第４、８０２、９３４号、Ｎａｉｋに付与された米
国特許第４、８８５、２１６号、Ｄｕｈｌなどに付与さ
れた米国特許第４、８８８、０６９号、Ｃｈｉｎなどに
付与された米国特許第４、９０８、１８３号、Ｎａｉｋ
などに付与された米国特許第５、０７７、１４１号、Ｗ
ｕｋｕｓｉｃｋなどに付与された米国特許第５、１０
０、４８４号、およびＷｕｋｕｓｉｃｋなどに付与され
た米国特許第５、１５４、８８４号、ならびにＳｃｈｗ
ｅｉｚｅｒに付与された公開された欧州特許出願第１５
０、９１７号には、各ガスタービンエンジン構成要素お
よびそれらの処理のために使用される単結晶のニッケル
をベースとした合金のいくつかが例示されている。
【０００３】ニッケルをベースとする超合金はまた、液
体水素燃料のロケットエンジンのターボポンプのために
選択される材料である。これらは、ＮＡＳＡのスペース
シャトルのメインエンジンの現在のバージョンでは広範
囲に使用されている。この条件下で使用されたときに
は、ニッケルをベースとする合金は水素脆化が起こって
しまう。
体水素燃料のロケットエンジンのターボポンプのために
選択される材料である。これらは、ＮＡＳＡのスペース
シャトルのメインエンジンの現在のバージョンでは広範
囲に使用されている。この条件下で使用されたときに
は、ニッケルをベースとする合金は水素脆化が起こって
しまう。
【０００４】水素脆化のメカニズムを考察したときに
は、合金構造の基本的な点が重要な役割を果たす。単結
晶のＰＷＡ １４８０および等軸されたＭＡＲ−Ｍ−２
４７のようなキャストされγ´強固された合金は、温度
が９００℃にも達するターボポンプの熱セクションの用
途において使用される。方向性凝固（ＤＳ）されたカラ
ム粒（ｃｏｌｕｍｎａｒ ｇｒａｉｎ）のキャスティン
グないし単結晶形態は、タービンのブレードに好適であ
り、また独占的にγ´タイプのものである。γ´タイプ
の再度等軸された（ＥＱ）キャスティングは、ベーン用
途にも使用される。これらの合金におけるγ´強固する
沈殿は、Ｌ１2 配列で合金化されたＮｉ3Ａｌから構成
される。これは、γマトリックスで幾何学的に配列され
た立方形構造と推定される。立方体の端は＜００１＞方
向に整列されている。
は、合金構造の基本的な点が重要な役割を果たす。単結
晶のＰＷＡ １４８０および等軸されたＭＡＲ−Ｍ−２
４７のようなキャストされγ´強固された合金は、温度
が９００℃にも達するターボポンプの熱セクションの用
途において使用される。方向性凝固（ＤＳ）されたカラ
ム粒（ｃｏｌｕｍｎａｒ ｇｒａｉｎ）のキャスティン
グないし単結晶形態は、タービンのブレードに好適であ
り、また独占的にγ´タイプのものである。γ´タイプ
の再度等軸された（ＥＱ）キャスティングは、ベーン用
途にも使用される。これらの合金におけるγ´強固する
沈殿は、Ｌ１2 配列で合金化されたＮｉ3Ａｌから構成
される。これは、γマトリックスで幾何学的に配列され
た立方形構造と推定される。立方体の端は＜００１＞方
向に整列されている。
【０００５】ＩＮＣＯ ７１８のようなγ´´沈殿強固
された合金は、ポンプのハウジングおよびフランジのよ
うな多くの構造的な用途においての使用が見出だされて
いる。これらの提供温度は６５０℃までに通常は制限さ
れている。これらは独占的に等軸された形態において、
鍛造されまたはキャストされて使用されている。これら
の合金における主要な強固する沈殿はγ´´（配列され
たＮｉ3 Ｃｂ）であり、またレンズ形構造であると推定
される。γ´´沈殿は、＜００１＞方向で凝集した、原
子的（ＤＯ22）および幾何学的な配列を表す。これら
は、キャストされたγ´強固された合金よりもずっと微
細であり、またより小さい体積分別である。
された合金は、ポンプのハウジングおよびフランジのよ
うな多くの構造的な用途においての使用が見出だされて
いる。これらの提供温度は６５０℃までに通常は制限さ
れている。これらは独占的に等軸された形態において、
鍛造されまたはキャストされて使用されている。これら
の合金における主要な強固する沈殿はγ´´（配列され
たＮｉ3 Ｃｂ）であり、またレンズ形構造であると推定
される。γ´´沈殿は、＜００１＞方向で凝集した、原
子的（ＤＯ22）および幾何学的な配列を表す。これら
は、キャストされたγ´強固された合金よりもずっと微
細であり、またより小さい体積分別である。
【０００６】多くのターボポンプ構成要素は動作中にお
いて高温ガス状の水素に晒され、また採用された材料の
ほとんど全ての機械的な特性はこの暴露により実質的に
劣化される。ニッケルをベースとする超合金の疲労およ
び破断特性に関する水素の影響は多くの研究の対象とな
っている。水素劣化の機構は、合金のクラス（γ´また
はγ´´）、キャスティング形態（等軸、カラム粒ある
いは単結晶）および問題となっている特定の機械的な特
性に依存している。水素誘起された転位移動度における
変化の結果としての顕微鏡的な破断モードの転移の結
果、劣化がしばしば起きる。
いて高温ガス状の水素に晒され、また採用された材料の
ほとんど全ての機械的な特性はこの暴露により実質的に
劣化される。ニッケルをベースとする超合金の疲労およ
び破断特性に関する水素の影響は多くの研究の対象とな
っている。水素劣化の機構は、合金のクラス（γ´また
はγ´´）、キャスティング形態（等軸、カラム粒ある
いは単結晶）および問題となっている特定の機械的な特
性に依存している。水素誘起された転位移動度における
変化の結果としての顕微鏡的な破断モードの転移の結
果、劣化がしばしば起きる。
【０００７】いくつかのキャストされたγ´およびγ´
´強固された合金における水素機構についての検証がな
されている。これらの研究の１つは２つの等軸された合
金、ＰＷＡ １４８９（γ´合金）およびＰＷＡ １４
９０（γ´´合金）に対してなされている。高圧水素環
境において試験された低サイクルの疲労および疲労クラ
ック成長の各試験片が、空気での試験片の破断と比較さ
れた。水素中では、Ｍａｒ−Ｍ−２４７のＨＩＤ´ｄ
マイクロキャストのバージョンであるγ´強固された等
軸の合金ＰＷＡ１４８９は、粒界割れを起こすことに加
えて疲労源においてγ−γ´非凝集の領域が隔離され
た。このような破断（割れ）モードは、水素中において
試験した際における単結晶およびカラム粒タービン用ブ
レード合金内の疲労割れ成長の増大に関連している。
´強固された合金における水素機構についての検証がな
されている。これらの研究の１つは２つの等軸された合
金、ＰＷＡ １４８９（γ´合金）およびＰＷＡ １４
９０（γ´´合金）に対してなされている。高圧水素環
境において試験された低サイクルの疲労および疲労クラ
ック成長の各試験片が、空気での試験片の破断と比較さ
れた。水素中では、Ｍａｒ−Ｍ−２４７のＨＩＤ´ｄ
マイクロキャストのバージョンであるγ´強固された等
軸の合金ＰＷＡ１４８９は、粒界割れを起こすことに加
えて疲労源においてγ−γ´非凝集の領域が隔離され
た。このような破断（割れ）モードは、水素中において
試験した際における単結晶およびカラム粒タービン用ブ
レード合金内の疲労割れ成長の増大に関連している。
【０００８】非凝集は、γマトリックス相に限定された
顕微鏡下の（１１１）破断である。この結果、γ−γ´
界面における分離が生じる。通常の破断モードはγ´沈
殿物を（１１１）面上で剪断することにより空気中で観
察される。研究室において使用される、γ´´合金であ
る、ＰＷＡ１４９０は、水素の存在下において粒界割れ
への転移が確認されたが、マトリックス／沈殿の非凝集
による失敗の傾向は見られなかった。研究の結果、γ´
´強固された合金は、水素誘起されたマトリックス沈殿
非凝集（ｍａｔｒｉｘ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅ ｄｅ
ｃｏｈｅｓｉｏｎ）に対する固有の免性を有することが
実証された。
顕微鏡下の（１１１）破断である。この結果、γ−γ´
界面における分離が生じる。通常の破断モードはγ´沈
殿物を（１１１）面上で剪断することにより空気中で観
察される。研究室において使用される、γ´´合金であ
る、ＰＷＡ１４９０は、水素の存在下において粒界割れ
への転移が確認されたが、マトリックス／沈殿の非凝集
による失敗の傾向は見られなかった。研究の結果、γ´
´強固された合金は、水素誘起されたマトリックス沈殿
非凝集（ｍａｔｒｉｘ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅ ｄｅ
ｃｏｈｅｓｉｏｎ）に対する固有の免性を有することが
実証された。
【０００９】したがって、本発明の目的は、水素脆化に
対する改善された抵抗力を有する、ニッケルをベースと
する合金を提供することにある。
対する改善された抵抗力を有する、ニッケルをベースと
する合金を提供することにある。
【００１０】本発明の別の目的は、ロケットエンジンの
ターボポンプ用途に有用な上記したニッケルをベースと
する合金を提供することにある。
ターボポンプ用途に有用な上記したニッケルをベースと
する合金を提供することにある。
【００１１】本発明の別の目的は、水素脆化に対する改
善された抵抗力を有する、ニッケルをベースとする合金
を形成するためのプロセスを提供することにある。
善された抵抗力を有する、ニッケルをベースとする合金
を形成するためのプロセスを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記の各目的は、本発明
による新規なニッケルをベースとする合金およびこれを
形成するためのプロセスにより達成される。
による新規なニッケルをベースとする合金およびこれを
形成するためのプロセスにより達成される。
【００１３】本発明者は、上記のような水素脆化に対す
る改善された抵抗力を備えた、ニッケルをベースとする
合金の組成などについて、種々検討・研究した結果、次
の構成とした場合に所望の効果が得られることを知得
し、本発明を完成した。すなわち、本発明に係る水素脆
化に対する改善された抵抗力を有するニッケルをベース
とする合金は、約１１から１３ｗｔ％のクロム、約１７
から１９ｗｔ％の鉄、約２．８から３．３ｗｔ％のモリ
ブデン、約１．７５から２．２５ｗｔ％のチタン、約
５．７５から６．２５ｗｔ％のコロンビウムとタンタル
（コロンビウム＋タンタル）、約０．４から０．８ｗｔ
％のアルミニウム、約０．０２から０．０６ｗｔ％の炭
素、および残部の主要なニッケルを含む、γ´´強固さ
れた単結晶のニッケルをベースとする合金である。
る改善された抵抗力を備えた、ニッケルをベースとする
合金の組成などについて、種々検討・研究した結果、次
の構成とした場合に所望の効果が得られることを知得
し、本発明を完成した。すなわち、本発明に係る水素脆
化に対する改善された抵抗力を有するニッケルをベース
とする合金は、約１１から１３ｗｔ％のクロム、約１７
から１９ｗｔ％の鉄、約２．８から３．３ｗｔ％のモリ
ブデン、約１．７５から２．２５ｗｔ％のチタン、約
５．７５から６．２５ｗｔ％のコロンビウムとタンタル
（コロンビウム＋タンタル）、約０．４から０．８ｗｔ
％のアルミニウム、約０．０２から０．０６ｗｔ％の炭
素、および残部の主要なニッケルを含む、γ´´強固さ
れた単結晶のニッケルをベースとする合金である。
【００１４】好ましい実施の形態では、γ´´強固され
たニッケルをベースとする合金は、約０．０２から０．
０６ｗｔ％の炭素、約０．３５ｗｔ％までのマンガン、
約０．１５ｗｔ％までのケイ素、約０．０１５ｗｔ％ま
での燐、約０．００５ｗｔ％までの硫黄、約１１から１
３ｗｔ％のクロム、約１７から１９ｗｔ％の鉄、約１．
０ｗｔ％までのコバルト、約２．８０から３．３０ｗｔ
％までのモリブデン、約５．７５から６．２５ｗｔ％の
コロンビウムとタンタル、約１．７５から２．２５ｗｔ
％のチタン、約０．４から０．８ｗｔ％のアルミニウ
ム、約０．００５ｗｔ％までのホウ素、約０．１０ｗｔ
％までの銅、約０．０３ｗｔ％までのジルコニウム、約
５ｐｐｍまでの鉛、約０．３ｐｐｍまでのビスマス、約
３ｐｐｍまでのセレン、約３０ｐｐｍまでの酸素、約１
００ｐｐｍまでの窒素、および残部の主要なニッケルか
ら必須的に構成される。
たニッケルをベースとする合金は、約０．０２から０．
０６ｗｔ％の炭素、約０．３５ｗｔ％までのマンガン、
約０．１５ｗｔ％までのケイ素、約０．０１５ｗｔ％ま
での燐、約０．００５ｗｔ％までの硫黄、約１１から１
３ｗｔ％のクロム、約１７から１９ｗｔ％の鉄、約１．
０ｗｔ％までのコバルト、約２．８０から３．３０ｗｔ
％までのモリブデン、約５．７５から６．２５ｗｔ％の
コロンビウムとタンタル、約１．７５から２．２５ｗｔ
％のチタン、約０．４から０．８ｗｔ％のアルミニウ
ム、約０．００５ｗｔ％までのホウ素、約０．１０ｗｔ
％までの銅、約０．０３ｗｔ％までのジルコニウム、約
５ｐｐｍまでの鉛、約０．３ｐｐｍまでのビスマス、約
３ｐｐｍまでのセレン、約３０ｐｐｍまでの酸素、約１
００ｐｐｍまでの窒素、および残部の主要なニッケルか
ら必須的に構成される。
【００１５】本発明のγ´´強固されたニッケルをベー
スとする合金は、上記したニッケルをベースとする合金
を溶融形態で供給し、このニッケルをベースとする合金
を単結晶形態にキャスティングし、その後にこれを２段
階の熱処理することにより形成される。熱処理の第１段
階の間、キャストされた合金は、約１２００℃から約１
２５０℃、好ましくは約１２１５℃から約１２３５℃の
範囲の温度において、３．７５から４．２５時間の範囲
の時間期間で、均質化される。その後、この均質化され
キャストされた合金は室温で冷却され、また第２の沈殿
硬化（ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｈａｒｄｅｎ）用
の熱処理を受ける。沈殿硬化用の熱処理は、約７５０℃
から約８００℃、好ましくは約７５０℃から約７７０℃
の範囲の温度において、約７．７５から約８．２５時間
の範囲の時間だけ実施される。
スとする合金は、上記したニッケルをベースとする合金
を溶融形態で供給し、このニッケルをベースとする合金
を単結晶形態にキャスティングし、その後にこれを２段
階の熱処理することにより形成される。熱処理の第１段
階の間、キャストされた合金は、約１２００℃から約１
２５０℃、好ましくは約１２１５℃から約１２３５℃の
範囲の温度において、３．７５から４．２５時間の範囲
の時間期間で、均質化される。その後、この均質化され
キャストされた合金は室温で冷却され、また第２の沈殿
硬化（ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｈａｒｄｅｎ）用
の熱処理を受ける。沈殿硬化用の熱処理は、約７５０℃
から約８００℃、好ましくは約７５０℃から約７７０℃
の範囲の温度において、約７．７５から約８．２５時間
の範囲の時間だけ実施される。
【００１６】本発明のγ´´強固されたニッケルをベー
スとする合金およびその形成プロセスのその他の詳細、
目的および長所は以下の詳細な説明から明らかである。
スとする合金およびその形成プロセスのその他の詳細、
目的および長所は以下の詳細な説明から明らかである。
【００１７】
【発明の実施の形態】上記の通り、本発明は、水素脆化
に対する改善された抵抗力を有する、γ´´強固された
ニッケルをベースとする合金に関するものである。本発
明による改善されたニッケルをベースとする合金は、約
１１から１３ｗｔ％のクロム、約１７から１９ｗｔ％の
鉄、約２．８から３．３ｗｔ％のモリブデン、約１．７
５から２．２５ｗｔ％のチタン、約５．７５から６．２
５ｗｔ％のコロンビウムとタンタル（コロンビウム＋タ
ンタル）、約０．０２から０．０６ｗｔ％の炭素、約
０．４０から０．８０ｗｔ％のアルミニウム、および残
部の主要なニッケルを含んでいる。好ましい実施の形態
では、本発明のニッケルをベースとする合金は、約０．
０２から０．０６ｗｔ％の炭素、約０．３５ｗｔ％まで
のマンガン、約０．１５ｗｔ％までのケイ素、約０．０
１５ｗｔ％までの燐、約０．００５ｗｔ％までの硫黄、
約１１から１３ｗｔ％のクロム、約１７から１９ｗｔ％
の鉄、約１．０ｗｔ％までのコバルト、約２．８０から
３．３ｗｔ％までのモリブデン、約５．７５から６．２
５ｗｔ％のコロンビウムとタンタル（コロンビウム＋タ
ンタル）、約１．７５から２．２５ｗｔ％のチタン、約
０．４から０．８ｗｔ％のアルミニウム、約０．００５
ｗｔ％までのホウ素、約０．１０ｗｔ％までの銅、約
０．０３ｗｔ％までのジルコニウム、約５ｐｐｍまでの
鉛、約０．３ｐｐｍまでのビスマス、約３ｐｐｍまでの
セレン、約３０ｐｐｍまでの酸素、約１００ｐｐｍまで
の窒素および残部の主要なニッケルから必須的に構成さ
れる。
に対する改善された抵抗力を有する、γ´´強固された
ニッケルをベースとする合金に関するものである。本発
明による改善されたニッケルをベースとする合金は、約
１１から１３ｗｔ％のクロム、約１７から１９ｗｔ％の
鉄、約２．８から３．３ｗｔ％のモリブデン、約１．７
５から２．２５ｗｔ％のチタン、約５．７５から６．２
５ｗｔ％のコロンビウムとタンタル（コロンビウム＋タ
ンタル）、約０．０２から０．０６ｗｔ％の炭素、約
０．４０から０．８０ｗｔ％のアルミニウム、および残
部の主要なニッケルを含んでいる。好ましい実施の形態
では、本発明のニッケルをベースとする合金は、約０．
０２から０．０６ｗｔ％の炭素、約０．３５ｗｔ％まで
のマンガン、約０．１５ｗｔ％までのケイ素、約０．０
１５ｗｔ％までの燐、約０．００５ｗｔ％までの硫黄、
約１１から１３ｗｔ％のクロム、約１７から１９ｗｔ％
の鉄、約１．０ｗｔ％までのコバルト、約２．８０から
３．３ｗｔ％までのモリブデン、約５．７５から６．２
５ｗｔ％のコロンビウムとタンタル（コロンビウム＋タ
ンタル）、約１．７５から２．２５ｗｔ％のチタン、約
０．４から０．８ｗｔ％のアルミニウム、約０．００５
ｗｔ％までのホウ素、約０．１０ｗｔ％までの銅、約
０．０３ｗｔ％までのジルコニウム、約５ｐｐｍまでの
鉛、約０．３ｐｐｍまでのビスマス、約３ｐｐｍまでの
セレン、約３０ｐｐｍまでの酸素、約１００ｐｐｍまで
の窒素および残部の主要なニッケルから必須的に構成さ
れる。
【００１８】本発明のニッケルをベースとする合金は、
所望の水素脆化に対する抵抗性を与えるために、単結晶
としてキャストされなければならない。合金の単結晶形
態への形成は、本発明において重要な点であるが、単結
晶形成の方法は重要ではない。使用可能な１つの方法と
しては、米国特許第３、４９４、７０９号に開示されて
おり、この記載を本明細書中に参考として組み入れる。
他の使用可能な方法は、高真空下において過熱させた金
属をセラミックモールド（ｃｅｒａｍｉｃ ｍｏｌｄ）
に注ぎ、また水冷された銅の冷硬鋳型上に着座させたモ
ールドの下側部分から熱を抜くことから構成される。粒
が冷硬鋳型面上で核を作り、またカラム態様で一方向の
温度勾配に平行に成長した。水冷された銅の冷硬鋳型で
は、多くの粒が必須的にランダムな方向性で核を作っ
た。しかしながら、＜００１＞成長速度は他よりも高か
った。固化が進行するとともに、粒はらせん単結晶セレ
クタ（ｈｅｌｉｃａｌ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ
ｓｅｌｅｃｔｏｒ）に入った。らせんの１または２回
転後、１つだけの結晶が残り、またこの粒がモールドキ
ャビティの全体を満たした。
所望の水素脆化に対する抵抗性を与えるために、単結晶
としてキャストされなければならない。合金の単結晶形
態への形成は、本発明において重要な点であるが、単結
晶形成の方法は重要ではない。使用可能な１つの方法と
しては、米国特許第３、４９４、７０９号に開示されて
おり、この記載を本明細書中に参考として組み入れる。
他の使用可能な方法は、高真空下において過熱させた金
属をセラミックモールド（ｃｅｒａｍｉｃ ｍｏｌｄ）
に注ぎ、また水冷された銅の冷硬鋳型上に着座させたモ
ールドの下側部分から熱を抜くことから構成される。粒
が冷硬鋳型面上で核を作り、またカラム態様で一方向の
温度勾配に平行に成長した。水冷された銅の冷硬鋳型で
は、多くの粒が必須的にランダムな方向性で核を作っ
た。しかしながら、＜００１＞成長速度は他よりも高か
った。固化が進行するとともに、粒はらせん単結晶セレ
クタ（ｈｅｌｉｃａｌ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ
ｓｅｌｅｃｔｏｒ）に入った。らせんの１または２回
転後、１つだけの結晶が残り、またこの粒がモールドキ
ャビティの全体を満たした。
【００１９】キャスティング後、材料を均質化処理し
た。均質化処理は約１２００℃から１２５０℃の範囲、
好ましくは約１２１５℃から約１２３５℃の温度で、約
３．７５から約４．２５時間の範囲の温度において行わ
れた。均質化処理は、いずれかの好適な保護雰囲気（ｐ
ｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ）を使用し
て、業界において公知であるいずれかの好適な熱処理装
置を使用した行うことができる。この均質化処理の間、
固化の間に沈殿された全ての相は溶解した。
た。均質化処理は約１２００℃から１２５０℃の範囲、
好ましくは約１２１５℃から約１２３５℃の温度で、約
３．７５から約４．２５時間の範囲の温度において行わ
れた。均質化処理は、いずれかの好適な保護雰囲気（ｐ
ｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ）を使用し
て、業界において公知であるいずれかの好適な熱処理装
置を使用した行うことができる。この均質化処理の間、
固化の間に沈殿された全ての相は溶解した。
【００２０】均質化の後、材料は室温まで冷却された。
これは送風機による冷却により行うことができる。その
後、材料は沈殿硬化処理を受けた。沈殿硬化処理は、約
７５０℃から約８００℃、好ましくは約７５０℃から約
７７０℃において、約７．７５から約８．２５時間の範
囲の時間だけ行われた。沈殿硬化処理は、当業分野にお
いて適当な熱処理装置を使用し、またいずれかの適当な
保護雰囲気を使用して行うことができる。この処理は微
細なγ´´沈殿物の高体積分別を沈殿することを意図し
たものである。
これは送風機による冷却により行うことができる。その
後、材料は沈殿硬化処理を受けた。沈殿硬化処理は、約
７５０℃から約８００℃、好ましくは約７５０℃から約
７７０℃において、約７．７５から約８．２５時間の範
囲の時間だけ行われた。沈殿硬化処理は、当業分野にお
いて適当な熱処理装置を使用し、またいずれかの適当な
保護雰囲気を使用して行うことができる。この処理は微
細なγ´´沈殿物の高体積分別を沈殿することを意図し
たものである。
【００２１】他の材料に対する特定の材料の水素劣化の
受け易さを表現する１つの方法は、水素への暴露により
劣化されるいくつかの機械的な特性における各材料の空
気に対する水素の貸方を決定することである。本発明に
よるニッケルをベースとする合金により得られる改善点
を実証するために、以下の例を行った。
受け易さを表現する１つの方法は、水素への暴露により
劣化されるいくつかの機械的な特性における各材料の空
気に対する水素の貸方を決定することである。本発明に
よるニッケルをベースとする合金により得られる改善点
を実証するために、以下の例を行った。
【００２２】１２ｗｔ％のクロム、１８ｗｔ％の鉄、
２．０ｗｔ％のチタン、０．６０ｗｔ％のアルミニウ
ム、３．０５ｗｔ％のモリブデン、６．０ｗｔ％のコロ
ンビウムとタンタル、０．０４ｗｔ％の炭素および残部
のニッケルからなる公称組成を有する、ニッケルをベー
スとする合金のキャストした試験バーのモールドを、単
結晶形態で製造した。このバーは、直径０．５ｃｍで約
１０ｃｍの長さであった。この材料は１２２５℃で４時
間の間だけ均質化され、次いで送風機により室温まで冷
却した。その後、７６０℃で８時間の沈殿処理が行われ
た。
２．０ｗｔ％のチタン、０．６０ｗｔ％のアルミニウ
ム、３．０５ｗｔ％のモリブデン、６．０ｗｔ％のコロ
ンビウムとタンタル、０．０４ｗｔ％の炭素および残部
のニッケルからなる公称組成を有する、ニッケルをベー
スとする合金のキャストした試験バーのモールドを、単
結晶形態で製造した。このバーは、直径０．５ｃｍで約
１０ｃｍの長さであった。この材料は１２２５℃で４時
間の間だけ均質化され、次いで送風機により室温まで冷
却した。その後、７６０℃で８時間の沈殿処理が行われ
た。
【００２３】上記のキャストされたバーからノッチ付き
の低サイクル疲労試験片が機械出しされた。低サイクル
疲労試験を、２６℃で０．１７Ｈｚにおいて０．０５の
ストレス比で行われた。円筒状のゲージのノッチ付けさ
れた低サイクル試験片が、空気中で６２０．５ＭＰａお
よびガス状の水素内で３４．５ＭＰａのネットセクショ
ンストレス（ｎｅｔ ｓｅｃｔｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ）
で試験された。疲労寿命（故障までのサイクル）が空気
中および水素中で決定され、また水素に対する空気の比
疲労寿命が決定された。
の低サイクル疲労試験片が機械出しされた。低サイクル
疲労試験を、２６℃で０．１７Ｈｚにおいて０．０５の
ストレス比で行われた。円筒状のゲージのノッチ付けさ
れた低サイクル試験片が、空気中で６２０．５ＭＰａお
よびガス状の水素内で３４．５ＭＰａのネットセクショ
ンストレス（ｎｅｔ ｓｅｃｔｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ）
で試験された。疲労寿命（故障までのサイクル）が空気
中および水素中で決定され、また水素に対する空気の比
疲労寿命が決定された。
【００２４】これらの試験の結果は、本発明により作ら
れた単結晶のニッケルをベースとしる合金は、水素誘起
された破断モード転移を示さなかった。空気および水素
におけるいずれの顕微鏡的な破断モードは（１１１）８
面体面に沿った結晶学的なものであった。
れた単結晶のニッケルをベースとしる合金は、水素誘起
された破断モード転移を示さなかった。空気および水素
におけるいずれの顕微鏡的な破断モードは（１１１）８
面体面に沿った結晶学的なものであった。
【００２５】さらに、本発明にしたがって作られた単結
晶のニッケルをベースとする合金の水素中のノッチ付き
の低サイクル疲労寿命は、改良されたＮＡＳＡスペース
シャトルのメインエンジンのターボポンプの設計におい
て使用されるγ´強固されたタービンのブレードの合金
である、ＰＷＡ １４８０よりも長く、水素に対する水
素および空気中での寿命の比率は５Ｘであり、ＰＷＡ
１４８０に対して観察される１００Ｘの比率よりも著し
く低かった。
晶のニッケルをベースとする合金の水素中のノッチ付き
の低サイクル疲労寿命は、改良されたＮＡＳＡスペース
シャトルのメインエンジンのターボポンプの設計におい
て使用されるγ´強固されたタービンのブレードの合金
である、ＰＷＡ １４８０よりも長く、水素に対する水
素および空気中での寿命の比率は５Ｘであり、ＰＷＡ
１４８０に対して観察される１００Ｘの比率よりも著し
く低かった。
【００２６】これらの試験より、本発明にしたがって形
成された、γ´´強固された単結晶のニッケルをベース
とする合金は、水素を燃料とするロケットエンジンのタ
ーボポンプのような構成要素のための部品を製造するた
めに好適に使用できるものである。
成された、γ´´強固された単結晶のニッケルをベース
とする合金は、水素を燃料とするロケットエンジンのタ
ーボポンプのような構成要素のための部品を製造するた
めに好適に使用できるものである。
【００２７】以上の通り、本発明によれば、水素燃料推
進システム用途などに好適であり、γ´´強固された単
結晶のタービンブレードなどに使用される合金を提供で
きることは明らかであり、上記した目的、手段および長
所を完全に満足するものである。
進システム用途などに好適であり、γ´´強固された単
結晶のタービンブレードなどに使用される合金を提供で
きることは明らかであり、上記した目的、手段および長
所を完全に満足するものである。
【００２８】以上、本発明を特定の実施の形態に基づい
て説明したが、上記の記述に基づいて当業者が多くの置
換、変更、および変形を行うことができることは明らか
である。したがって、本発明は、請求の範囲の技術思想
および範疇に属するこれらのすべての置換、変更、およ
び変形を含むものである。
て説明したが、上記の記述に基づいて当業者が多くの置
換、変更、および変形を行うことができることは明らか
である。したがって、本発明は、請求の範囲の技術思想
および範疇に属するこれらのすべての置換、変更、およ
び変形を含むものである。
Claims (13)
- 【請求項１】 約１１から１３ｗｔ％のクロム、約１７
から１９ｗｔ％の鉄、約２．８から３．３ｗｔ％のモリ
ブデン、約１．７５から２．２５ｗｔ％のチタン、約
５．７５から６．２５ｗｔ％のコロンビウムとタンタ
ル、約０．４から０．８ｗｔ％のアルミニウム、約０．
０２から０．０６ｗｔ％の炭素、および残部の主要なニ
ッケルを含み、単結晶形態でキャストされた、水素脆化
に対する改善された抵抗力を有することを特徴とするニ
ッケルをベースとする合金。 - 【請求項２】 前記合金がγ´´強固されていることを
特徴とする請求項１記載のニッケルをベースとする合
金。 - 【請求項３】 約０．３５ｗｔ％までのマンガン、約
０．１５ｗｔ％までの珪素、約０．０１５ｗｔ％までの
燐、約０．００５ｗｔ％までの硫黄、約１．０ｗｔ％ま
でのコバルト、約０．００５ｗｔ％までのホウ素、約
０．１０ｗｔ％までの銅、約０．０３ｗｔ％までのジル
コニウム、約５ｐｐｍまでの鉛、約０．３ｐｐｍまでの
ビスマス、約３ｐｐｍまでのセレン、約３０ｐｐｍまで
の酸素、約１００ｐｐｍまでの窒素を、さらに含むこと
を特徴とする請求項１記載のニッケルをベースとする合
金。 - 【請求項４】 前記合金が均質化され、また沈殿硬化さ
れることを特徴とする請求項１記載の合金。 - 【請求項５】 ロケットのターボポンプ用に適した物品
であり、約０．０２から０．０６ｗｔ％の炭素、約１１
から１３ｗｔ％のクロム、約１７から１９ｗｔ％の鉄、
約２．８０から３．３０ｗｔ％のモリブデン、約５．７
５から約６．２５ｗｔ％のコロンビウムとタンタル、約
１．７５から２．２５ｗｔ％のチタン、約０．４から
０．８ｗｔ％のアルミニウムおよび残部の主要なニッケ
ルから必須的になる組成を有する、単結晶形態のγ´´
強固されたニッケルをベースとする合金を含むことを特
徴とする物品。 - 【請求項６】 水素脆化に対する改善された抵抗力を有
するニッケルをベースとする合金の製造プロセスにおい
て、 約０．０２から０．０６ｗｔ％の炭素、約１１から１３
ｗｔ％のクロム、約１７から１９ｗｔ％の鉄、約２．８
０から３．３０ｗｔ％のモリブデン、約５．７５から約
６．２５ｗｔ％のコロンビウムとタンタル、約１．７５
から２．２５ｗｔ％のチタン、約０．４から０．８ｗｔ
％のアルミニウムおよび残部の主要なニッケルから必須
的になる組成を有するγ´´強固されたニッケルをベー
スとする合金を準備し、 前記ニッケルをベースとする合金を単結晶形態にキャス
ティングし、前記ニッケルをベースとする合金を熱処理
することを特徴とする製造プロセス。 - 【請求項７】 前記熱処理の工程が前記ニッケルをベー
スとする合金を約１２００℃から約１２５０℃の範囲の
温度で、約３．７５から約４．２５時間の範囲の時間で
均質化することを含み、 その後に前記均質化されたニッケルをベースとする合金
を室温で冷却することを特徴とする請求項６記載のプロ
セス。 - 【請求項８】 前記均質化する工程が、約１２１５℃か
ら約１２３５℃の範囲の温度で行われることを特徴とす
る請求項７記載のプロセス。 - 【請求項９】 前記加熱工程が、前記合金を沈殿硬化す
るために、前記均質化されたニッケルをベースとする合
金を、約７５０℃から約８００℃の範囲の温度で、約
７．７５から８．２５時間の範囲の時間期間において加
熱することを、さらに含むことを特徴とする請求項７記
載のプロセス。 - 【請求項１０】 前記均質化されたニッケルをベースと
する合金の加熱工程が、約７５０℃から約７７０℃の範
囲の温度で行われることを特徴とする請求項９記載のプ
ロセス。 - 【請求項１１】 水素脆化に対する改善された抵抗力を
有する熱処理された物品において、約０．０２から０．
０６ｗｔ％の炭素、約１１から１３ｗｔ％のクロム、約
１７から１９ｗｔ％の鉄、約２．８０から３．３０ｗｔ
％のモリブデン、約５．７５から約６．２５ｗｔ％のコ
ロンビウムとタンタル、約１．７５から２．２５ｗｔ％
のチタン、約０．４から０．８ｗｔ％のアルミニウムお
よび残部の主要なニッケルから必須的になる、単結晶形
態の、ニッケルをベースとする合金からなる物品。 - 【請求項１２】 前記ニッケルをベースとする合金が均
質化され、またγ´´沈殿硬化されたものであることを
特徴とする請求項１１記載の熱処理された物品。 - 【請求項１３】 γ´´強固された単結晶形態のニッケ
ルをベースとする合金からなる、水素脆化に対する改善
された抵抗力を有することを特徴とするニッケルをベー
スとする合金。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US493,610 | 1995-06-22 | ||
| US08/493,610 US5679180A (en) | 1995-06-22 | 1995-06-22 | γ strengthened single crystal turbine blade alloy for hydrogen fueled propulsion systems |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09157811A true JPH09157811A (ja) | 1997-06-17 |
| JP3525402B2 JP3525402B2 (ja) | 2004-05-10 |
Family
ID=23960964
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16154696A Expired - Fee Related JP3525402B2 (ja) | 1995-06-22 | 1996-06-21 | ニッケルをベースとする合金の製造方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5679180A (ja) |
| JP (1) | JP3525402B2 (ja) |
| DE (1) | DE19623943C2 (ja) |
| FR (1) | FR2735792B1 (ja) |
| GB (1) | GB2302550B (ja) |
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1996
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