JPH092900A - Nickel base single crystal alloy and gas turbine using the same - Google Patents

Nickel base single crystal alloy and gas turbine using the same

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JPH092900A
JPH092900A JP15131195A JP15131195A JPH092900A JP H092900 A JPH092900 A JP H092900A JP 15131195 A JP15131195 A JP 15131195A JP 15131195 A JP15131195 A JP 15131195A JP H092900 A JPH092900 A JP H092900A
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JP
Japan
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single crystal
crystal alloy
based single
surface layer
alloy
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JP15131195A
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Japanese (ja)
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Osamu Ito
修 伊藤
Tetsuya Ohashi
鉄也 大橋
Hiroshi Miyata
寛 宮田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

PURPOSE: To obtain a nickel base single crystal alloy which has high strength and excellent resistance to oxidation and corrosion suitable for moving blades in gas turbine for power generation by forming the surface layer of a boride, cabide or nitride on a Ni-base single crystal alloy. CONSTITUTION: A surface layer of a boride, carbide or nitride is formed on a nickel base single crystal alloy. The intrusion of sulfur can be inhibited by the surface layer of a high melting point compound rich in covalent bonds and the surface layer is formed by the reaction diffusion in a thickness of <=150μm and the concentration of B, C or N becomes low inward in the ingredient distribution of the concentration. Additionally, active boron is reaction- diffused on the surface of the Ni base single crystal alloy to convert the surface to boride. Or nitrogen gas or a hydrocarbon gas is converted to plasma and the surface is treated with the plasma.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンブレード
及びノズル材料で使用されることに適する高温強度なら
びに耐酸化性,耐食性に優れる耐熱構造材用Ni基単結
晶合金に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a Ni-base single crystal alloy for a heat resistant structural material which is suitable for use in gas turbine blade and nozzle materials and which is excellent in high temperature strength, oxidation resistance and corrosion resistance.

【0002】[0002]

【従来の技術】高効率コンバインドサイクル発電システ
ム用超高温ガスタービンの実現には、第一段動翼に耐用
温度に優れるNi基単結晶合金を使用する必要がある。
航空機用ジェットエンジン材料として高温強度に優れる
Ni基合金の開発はすすんでいるが、発電用ガスタービ
ン材料として、高温強度,耐酸化性,耐食性を高い次元
でバランスさせたNi基単結晶合金は存在しない。そこ
で、従来、高温強度を向上させるために、固溶強化の期
待される第三元素の添加が行われてきた。
2. Description of the Related Art In order to realize an ultra-high temperature gas turbine for a high-efficiency combined cycle power generation system, it is necessary to use a Ni-base single crystal alloy having an excellent service temperature for the first stage rotor blade.
Ni-based alloys with excellent high temperature strength are being developed as jet engine materials for aircraft, but there are Ni-based single crystal alloys that balance high temperature strength, oxidation resistance and corrosion resistance in a high dimension as gas turbine materials for power generation. do not do. Therefore, conventionally, in order to improve the high temperature strength, the addition of the third element, which is expected to be solid solution strengthened, has been performed.

【0003】また、耐酸化性の向上のためには、安定な
酸化皮膜を形成する第三元素が選択され、耐食性の向上
のためには、合金表面Niの硫化を防ぐのに有効な第三
元素が選択されてきた。しかしこれら第三元素の添加に
よっても、完全に表面から合金内部への硫化,酸化を防
ぐことは困難であり、また第三元素の過度の添加は高温
強度にとって有害な、例えば異相σ相の析出を引き起こ
し、高温強度,耐酸化性,耐食性を高い次元でバランス
させることは困難であった。
A third element that forms a stable oxide film is selected for improving the oxidation resistance, and a third element effective for preventing sulfuration of the alloy surface Ni is selected for improving the corrosion resistance. Elements have been selected. However, even with the addition of these third elements, it is difficult to completely prevent sulfidation and oxidation from the surface to the inside of the alloy, and excessive addition of the third element is detrimental to high temperature strength. It was difficult to balance high temperature strength, oxidation resistance and corrosion resistance at a high level.

【0004】また、特開平5−195193 号公報にはNi基
合金の表面に深い窒化層を加熱保持により作り、表面強
度を向上する方法が記載されている。
Further, Japanese Unexamined Patent Publication No. 5-195193 discloses a method of improving the surface strength by forming a deep nitrided layer on the surface of a Ni-based alloy by heating and holding it.

【0005】以上のように、発電用ガスタービン材料と
して高温強度,耐酸化性,耐食性すべてに優れている合
金の開発が望まれている。
As described above, it has been desired to develop an alloy having excellent high temperature strength, oxidation resistance and corrosion resistance as a gas turbine material for power generation.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】Ni基単結晶合金に
は、高温強度ならびに耐酸化性,耐食性に優れる合金が
望まれ、これらの特性改善に有効な各種第三元素の添加
が検討されてきた。しかし、発電用ガスタービン材料と
して、高温強度,耐酸化性と燃焼ガス中の腐食成分に耐
えうる高い次元でバランスさせた第三元素の選択は困難
であった。
As the Ni-based single crystal alloy, an alloy excellent in high temperature strength, oxidation resistance and corrosion resistance is desired, and addition of various third elements effective for improving these characteristics has been studied. . However, it has been difficult to select a third element as a gas turbine material for power generation, which has a high level of balance with high-temperature strength, oxidation resistance, and corrosion components in combustion gas.

【0007】Ni基単結晶合金が燃焼ガスにさらされる
ことにより劣化するプロセスは、以下の通りである。
The process by which a Ni-based single crystal alloy is deteriorated by exposure to combustion gas is as follows.

【0008】1)Ni基単結晶合金表面にAl23保護
皮膜が形成され、硫黄の侵入を阻止する。この皮膜が壊
れないうちは硫化は進行しない。
1) An Al 2 O 3 protective film is formed on the surface of the Ni-based single crystal alloy to prevent the invasion of sulfur. Sulfidation does not proceed until this film is broken.

【0009】2)熱サイクル等によりAl23保護皮膜
の一部が壊れ、硫黄が侵入する。このため内部にCrの
硫化物が形成される。Al23保護皮膜の再生は困難な
ので、壊れた部分から硫黄が大量に侵入する。
2) A part of the Al 2 O 3 protective film is broken by heat cycle and the like, and sulfur penetrates. Therefore, Cr sulfide is formed inside. Since it is difficult to regenerate the Al 2 O 3 protective film, a large amount of sulfur invades from the broken part.

【0010】3)Crの含有量は、侵入する硫黄を全て
Cr化合物化するほど通常は含まれていないので、硫黄
の侵入をCrだけでは捕獲しきれなくなり、Niの硫化
物を形成する。Niの硫化物の融点は低いので、表面は
一部溶融状態になる。このため硫化腐食が加速度的に進
行していく。
3) Since the content of Cr is not usually so high as to convert all invading sulfur into a Cr compound, the infiltration of sulfur cannot be completely captured by Cr alone, and Ni sulfide is formed. Since the melting point of Ni sulfide is low, the surface is partially melted. Therefore, sulfide corrosion proceeds at an accelerated rate.

【0011】つまり、最初に形成されるAl23の被膜
がこわれないうちは、耐酸化,耐食性に有効であるが、
一旦その被膜が剥離すると硫化腐食は避けられない。
That is, as long as the Al 2 O 3 film formed first is not broken, it is effective for oxidation resistance and corrosion resistance.
Once the coating peels off, sulfidation corrosion is unavoidable.

【0012】また、特開平5−195193 号公報の方法では
加熱保持するため、単結晶化されたNi基合金には適用
出来ず、さらに数10μmの層しか形成出来ず、高温で
の強度,耐食性に問題があった。
Further, since the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-195193 is held by heating, it cannot be applied to a single crystal Ni-based alloy, and only a layer of several tens of μm can be formed, and the strength and corrosion resistance at high temperature are high. I had a problem with.

【0013】そこで本発明の目的は、発電用ガスタービ
ン動翼材料に適する高温強度ならびに耐酸化性,耐食性
に優れるNi基単結晶合金を表面改質の手法を用いて提
供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a Ni-base single crystal alloy suitable for a gas turbine blade material for power generation, which is excellent in high temperature strength, oxidation resistance and corrosion resistance, by using a surface modification method.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、ホウ化物,炭化物もしくは窒化物表面
層をNi基単結晶合金に形成する。共有結合性に富む高
融点化合物表面層により硫黄の侵入を防ぎ、また、反応
拡散による表面層を150μm以下の厚さで形成し、表
面から内部へいくに従いボロン,炭素,窒素の組成が傾
斜的な濃度分布で漸減していくことが好ましい。
In order to achieve the above object, in the present invention, a boride, carbide or nitride surface layer is formed on a Ni-based single crystal alloy. A high melting point compound surface layer with a high degree of covalent bond prevents the invasion of sulfur, and a surface layer by reaction diffusion is formed with a thickness of 150 μm or less, and the composition of boron, carbon, and nitrogen gradually increases from the surface to the inside. It is preferable to gradually reduce the concentration distribution.

【0015】また、活性ボロンのNi基単結晶合金表面
での反応拡散により、合金表面をホウ化処理する。
The alloy surface is borated by reactive diffusion of active boron on the surface of the Ni-based single crystal alloy.

【0016】又は、窒素ガスもしくは炭化水素ガスのプ
ラズマ化により、製造することが出来る。この様な合金
を高温強度,耐酸化性,耐食性を必要とする発電用ガス
タービンブレード,ノズルに適用できる。
Alternatively, it can be manufactured by converting nitrogen gas or hydrocarbon gas into plasma. Such alloys can be applied to power generation gas turbine blades and nozzles that require high-temperature strength, oxidation resistance, and corrosion resistance.

【0017】[0017]

【作用】本発明によるNi基単結晶合金の高温強度の向
上は、原子サイズの相違によるサイズ効果による固溶硬
化メカニズムにより転位の運動を抑制することの期待さ
れるW,Ta,MoをNi基単結晶合金の内部に分散さ
せることにより達成されるものである。
The improvement of the high temperature strength of the Ni-based single crystal alloy according to the present invention is expected to suppress the movement of dislocations by the solid solution hardening mechanism due to the size effect due to the difference in atomic size. It is achieved by dispersing it inside the single crystal alloy.

【0018】次にNi基単結晶合金の成分範囲について
説明する。
Next, the composition range of the Ni-based single crystal alloy will be described.

【0019】Crは、耐食性を改善するものであるが、
過剰に添加すると有害相析出,炭化物粗大化を起し、高
温強度を低下させる。また、合金内部に侵入して来る酸
素,硫黄と反応し、酸素,硫黄の内部侵入を防ぐ。添加
量としては、Cr:6.0〜9.0重量%が適正である。
Although Cr improves corrosion resistance,
If added excessively, harmful phase precipitation and carbide coarsening occur, and the high temperature strength decreases. In addition, it reacts with oxygen and sulfur that have entered the interior of the alloy, and prevents the invasion of oxygen and sulfur. The proper addition amount is Cr: 6.0 to 9.0% by weight.

【0020】Alは、Ni基単結晶合金の強化因子であ
るγ′相すなわちNi3Al を析出させて、高温強度に
寄与するが、過剰に添加すると溶接性が低下する。添加
量としては、4.5〜6.0重量%が適正である。
Al precipitates the γ'phase, which is a strengthening factor of the Ni-based single crystal alloy, that is, Ni 3 Al, and contributes to the high temperature strength, but if added in excess, the weldability deteriorates. The proper amount of addition is 4.5 to 6.0% by weight.

【0021】W,Moは、マトリックスに固溶して強化
し、特に長時間強度の改善に効果が大きいが、過剰に添
加すると有害相析出を助長し、強度を低下させる。添加
量としては、W:2.0〜12.0重量%,Mo:6.0
重量% 以下が適正である。
[0021] W and Mo are solid-dissolved in the matrix and strengthened, and are particularly effective for improving the strength for a long time, but if added in excess, they promote precipitation of a harmful phase and reduce the strength. The addition amount is W: 2.0 to 12.0% by weight, Mo: 6.0
Weight% or less is appropriate.

【0022】Taは、強化因子であるγ′相に固溶さ
れ、高温強度を向上するが、過剰に添加すると粒界に粗
大炭化物を形成し、強度を低下させる。添加量として
は、Ta:2.5〜9.0重量%が適正である。
Ta dissolves in the γ'phase, which is a strengthening factor, to improve the high temperature strength, but if added in excess, it forms coarse carbides at the grain boundaries and lowers the strength. The proper addition amount is Ta: 2.5 to 9.0% by weight.

【0023】Reは、耐高温腐食性を向上させるが、過
剰に添加すると効果が飽和し、かえって延性,靭性の低
下を招く。また、合金内部に侵入して来る酸素,硫黄と
反応し、酸素,硫黄の内部侵入を防ぐ。添加量として
は、Re:0.1〜4.0重量%が適正である。
[0023] Re improves the high temperature corrosion resistance, but if it is added excessively, the effect is saturated and the ductility and toughness are rather deteriorated. In addition, it reacts with oxygen and sulfur that have entered the interior of the alloy, and prevents the invasion of oxygen and sulfur. Re: 0.1 to 4.0% by weight is suitable as the addition amount.

【0024】Hf,Co,Nbは、合金内部に侵入して
来る酸素,硫黄と反応し、酸素,硫黄の内部侵入を防
ぐ。添加量としては、Hf:3.0重量%以下,Co:
0.1〜3.0重量%,Nb:0.2〜0.3重量%が適正
である。
Hf, Co, and Nb react with oxygen and sulfur that enter the inside of the alloy to prevent the invasion of oxygen and sulfur. The addition amount is Hf: 3.0 wt% or less, Co:
Appropriate values are 0.1 to 3.0% by weight and Nb: 0.2 to 0.3% by weight.

【0025】Cr,Co,Nb,Re,Hfの第三元素
のNi基単結晶合金への添加の目的は、このように合金
の機械的性質,耐酸化性,耐食性などを向上させること
だが、この際、第三元素は、ある特性の向上へは寄与す
るが別の特性へは悪い影響を及ぼす(例えばCr添加は
耐酸化性向上へ寄与するが、機械的性質には悪い影響を
及ぼす)ということがしばしばある。従ってNi基単結
晶合金組成を設計するには、添加元素間の微妙なバラン
スを考慮して成分比を決定する必要があり、各添加元素
の効果が十分に実現できる組成を上記に示すように決定
した。
The purpose of adding the third element of Cr, Co, Nb, Re and Hf to the Ni-based single crystal alloy is to improve the mechanical properties, oxidation resistance and corrosion resistance of the alloy as described above. At this time, the third element contributes to the improvement of one property but adversely affects another property (for example, addition of Cr contributes to the improvement of oxidation resistance but adversely affects the mechanical properties). Is often the case. Therefore, in order to design the Ni-based single crystal alloy composition, it is necessary to determine the component ratio in consideration of the delicate balance between the additional elements, and as shown above, the composition in which the effect of each additional element can be sufficiently realized. Decided.

【0026】また、通常の合金表面では、Al23保護
皮膜により耐酸化性,耐食性を付与できるが、この被膜
の剥離は避けられない。そこで、共有結合性に富む高融
点化合物表面層により酸素,硫黄の侵入を防ぎ、また、
反応拡散による表面層を150μm以下形成し、表面から
内部へいくに従いボロン,炭素,窒素の組成を漸減させ
被膜が剥離することを防ぐ。これらの作用は、1)Ni
基単結晶合金よりも高融点であるので高温ガス中でも安
定であること、2)これら化合物が金属結合に比較し
て、共有結合性に富む結合なので異なる種類の原子が侵
入してもその拡散が遅いこと、3)これら化合物表面層
は反応拡散により変化した表面層であるので基本的に合
金となじみ、剥離しにくい構造となっていることにより
達成される。
Further, on the surface of a normal alloy, oxidation resistance and corrosion resistance can be imparted by the Al 2 O 3 protective film, but peeling of this film is inevitable. Therefore, the high melting point compound surface layer rich in covalent bond prevents the invasion of oxygen and sulfur, and
A surface layer of 150 μm or less is formed by reaction diffusion, and the composition of boron, carbon, and nitrogen is gradually reduced from the surface to the inside to prevent the film from peeling. These actions are 1) Ni
Since it has a higher melting point than the base single crystal alloy, it is stable even in high-temperature gas. 2) Compared with metal bonds, these compounds are bonds that are rich in covalent bond, so even if atoms of different types enter, their diffusion It is slow, and 3) the surface layer of these compounds is a surface layer which is changed by reaction diffusion, so that it is basically achieved by having a structure that is compatible with the alloy and is hard to peel off.

【0027】表面層は、Ni基単結晶合金の耐酸化性,
耐食性,高温強度、及び層自体の強度をバランスよく引
き出すために150μm以下の層厚とすることが望まし
い。150μm以上の膜の場合、Ni基単結晶合金の母
相と表面形成層の熱膨張率の違いから熱応力が発生し表
面層の剥離を生じてしまう。また150μm以下におい
てもこの問題は生じるが、組成を傾斜的にすることによ
り熱応力の緩和を図ることができ、表面層の剥離を防
ぎ、Ni基単結晶合金との密着性を維持できる。これに
より、高温強度,耐酸化性および耐食性をすべて高い次
元でバランスさせた。
The surface layer is composed of the oxidation resistance of the Ni-based single crystal alloy,
A layer thickness of 150 μm or less is desirable in order to draw out the corrosion resistance, high temperature strength, and strength of the layer itself in a well-balanced manner. In the case of a film having a thickness of 150 μm or more, thermal stress occurs due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the parent phase of the Ni-based single crystal alloy and the surface forming layer, and the surface layer is peeled off. Although this problem also occurs when the thickness is 150 μm or less, the thermal stress can be relaxed by making the composition gradient, the peeling of the surface layer can be prevented, and the adhesion with the Ni-based single crystal alloy can be maintained. As a result, high temperature strength, oxidation resistance and corrosion resistance were all balanced at a high level.

【0028】[0028]

【実施例】【Example】

(実施例1)本発明によるNi基単結晶合金を作製した
実施例を示す。表1に示す組成の試料について高周波溶
解炉によりマスターインゴットを作製し、一方向凝固炉
にて単結晶化した。
(Example 1) An example in which a Ni-based single crystal alloy according to the present invention was produced will be described. A master ingot was prepared from the samples having the compositions shown in Table 1 by a high frequency melting furnace, and single crystallized by a unidirectional solidification furnace.

【0029】[0029]

【表1】 [Table 1]

【0030】単結晶試料を、HCl:H22=9:1の
腐食液でマクロエッチング処理し、単結晶化されている
こと目視確認後、さらに高純度アルゴン雰囲気中で熱処
理した。表1中No.1,2,3の組成の試料について
は、ホウ化、窒化もしくは炭化処理による表面改質層形
成のための供試材とした。試料No.4については表面処
理せず、No.1,2,3と比較する基準とした。試料N
o.1については、活性ボロンのNi基単結晶合金表面で
の反応拡散により、合金表面をホウ化処理することによ
り表面改質を行った。ここでは、B26+H2 の混合ガ
スを使用して700℃において活性ボロンを生成し、合金
表面から拡散させた。試料No.2については、窒素ガス
のプラズマ化によるイオン窒化処理により合金表面の表
面改質を行った。ここでは、真空炉の中でN2 をグロー
放電(500V)することにより窒素をプラズマ化し
た。この際に窒素は、電子の衝突により著しく高いエネ
ルギ状態になり、反応性の高いプラズマ種に変化し、こ
れが合金表面から内部へ拡散していく。試料No.3につ
いては、炭化水素ガスのプラズマ化によるイオン浸炭処
理により合金表面の表面改質を行った。炭化処理のため
の炭素ガスを直接得ることは困難なので、炭化水素ガス
のプラズマを用いた。これを試料No.2の場合と同様
に、真空炉の中で炭化水素をグロー放電(500V)す
ることによりプラズマ化した。これらプラズマを用いる
表面改質法は、処理速度が速い、処理層の制御が容易、
歪の発生が少ないなどの特徴がある。また、Ni基単結
晶合金の単結晶を維持できる。
The single crystal sample was macroetched with a corrosive solution of HCl: H 2 O 2 = 9: 1, and after visually confirming that it was single crystallized, it was further heat-treated in a high-purity argon atmosphere. Samples having compositions No. 1, 2, and 3 in Table 1 were used as test materials for forming a surface-modified layer by boriding, nitriding, or carbonizing. Sample No. 4 was not surface-treated and was used as a reference for comparison with Nos. 1, 2, and 3. Sample N
Regarding o.1, surface modification was carried out by subjecting the alloy surface to boride treatment by reactive diffusion of the active boron on the surface of the Ni-based single crystal alloy. Here, active boron was generated at 700 ° C. using a mixed gas of B 2 H 6 + H 2 and diffused from the alloy surface. Regarding sample No. 2, the surface of the alloy surface was modified by ion nitriding treatment by converting nitrogen gas into plasma. Here, nitrogen was made into plasma by glow discharge (500 V) of N 2 in a vacuum furnace. At this time, nitrogen becomes extremely high energy state due to collision of electrons, and changes into highly reactive plasma species, which diffuses from the alloy surface to the inside. With respect to Sample No. 3, the surface of the alloy surface was modified by ion carburizing treatment by converting hydrocarbon gas into plasma. Since it is difficult to directly obtain the carbon gas for the carbonization treatment, a hydrocarbon gas plasma was used. As in the case of Sample No. 2, this was turned into plasma by glow discharge (500 V) of hydrocarbon in a vacuum furnace. The surface modification method using these plasmas has a high processing speed, easy control of the processing layer,
It is characterized by less distortion. Further, the single crystal of the Ni-based single crystal alloy can be maintained.

【0031】No.1,2,3の試料については、ボロ
ン,炭素,窒素がどれだけ合金内部に侵入したかを確か
めるために、EPMAによる試料の深さ方向の組成分析
を行った。図1にこのプロファイルを示す。横軸は表面
から深さ方向への距離を示す。これより、合金表面にホ
ウ化物,窒化物もしくは炭化物からなる表面層が約150
μm程度形成され、また、合金表面から内部に進行する
ごとにボロン,炭素,窒素の量が減少している様子がわ
かる。
The samples Nos. 1, 2, and 3 were subjected to compositional analysis in the depth direction by EPMA in order to confirm how much boron, carbon, and nitrogen penetrated into the alloy. This profile is shown in FIG. The horizontal axis indicates the distance from the surface in the depth direction. As a result, a surface layer of boride, nitride or carbide is formed on the surface of the alloy in about 150
It can be seen that the amount of boron, carbon, and nitrogen is reduced each time the alloy is formed on the order of μm and progresses inward from the alloy surface.

【0032】この様に約150μmの厚さの表面層で、
表面層の表面からNi基単結晶合金との境界までの深さ
方向でボロン,炭素,窒素の含有組成が減少すること
で、表面層の剥離を防止し、Ni基単結晶合金との密着
性が向上した。
Thus, with a surface layer having a thickness of about 150 μm,
By reducing the composition of boron, carbon, and nitrogen in the depth direction from the surface of the surface layer to the boundary with the Ni-based single crystal alloy, exfoliation of the surface layer is prevented and adhesion with the Ni-based single crystal alloy is prevented. Has improved.

【0033】次にここで作製した試料について、実機環
境に近い耐食性試験方法と考えられるバーナーリグ法に
よる耐食性試験を行った。試験片は9mmの丸棒を用い、
軽油焚きの燃焼ガス中で900℃,7h保持後、空冷す
るサイクルを7回繰り返し、試験後の重量変化すなわち
腐食減量、及び最大浸食深さから耐食性を評価した。な
お燃焼に用いた軽油の量は、毎分140gで、腐食を加
速させる目的でこれに0.3%NaCl 水を毎分30〜
40cc噴霧した。燃焼ガスの風量は毎分1.3Nm3
した。図2にバーナーリグ試験後の全ての試料の単位面
積あたりの腐食減量、及び最大浸食深さを示す。左横軸
は腐食減量を示し、右横軸は最大浸食深さを示してい
る。
Next, the samples produced here were subjected to a corrosion resistance test by a burner rig method which is considered to be a corrosion resistance test method close to the actual environment. The test piece uses a 9 mm round bar,
After maintaining at 900 ° C. for 7 hours in a light oil-fired combustion gas, an air cooling cycle was repeated 7 times, and corrosion resistance was evaluated from the weight change after the test, that is, the corrosion weight loss and the maximum erosion depth. The amount of light oil used for combustion was 140 g / min, and 0.3% NaCl water was added to this for 30-min to accelerate corrosion.
40cc was sprayed. The air volume of the combustion gas was set to 1.3 Nm 3 per minute. FIG. 2 shows the corrosion weight loss per unit area and the maximum erosion depth of all the samples after the burner rig test. The left horizontal axis shows the corrosion weight loss, and the right horizontal axis shows the maximum erosion depth.

【0034】No.4の表面改質層のない試料について
は、腐食減量,最大浸食深さとも大きく耐食性において
実用上問題を残している。一方、ホウ化物,炭化物,窒
化物の化合物表面層を有するNo.1,2,3の試料につ
いては、ほとんど重量減少が起こらず、また、最大浸食
深さも0.4mm 以下と耐食性に優れていることがわか
る。
For the sample of No. 4 without the surface modification layer, both the corrosion weight loss and the maximum erosion depth are large, and practical problems remain in the corrosion resistance. On the other hand, the samples Nos. 1, 2, and 3 having the surface layer of the compound of boride, carbide, and nitride showed excellent weight resistance with almost no weight loss and a maximum erosion depth of 0.4 mm or less. I understand.

【0035】さらに、これらの試料について、高温酸化
試験を行った。高温酸化試験の条件としては、大気中の
電気炉加熱で1100℃×16hを10回繰り返した。
各回ごとに脱スケールを行わずに、重量を測定しそのと
きの単位面積あたりの重量減少で耐酸化性を評価した。
図3に全ての試料の高温酸化試験の結果を示す。No.4
の試料については、酸化が進行し顕著な重量減少がみら
れるのに対して、表面改質層を有するNo.1,2,3の
試料については、ほとんど重量減少が起こらず、耐酸化
性に優れていることがわかる。
Further, a high temperature oxidation test was conducted on these samples. As conditions for the high temperature oxidation test, 1100 ° C. × 16 h was repeated 10 times by heating in an electric furnace in the atmosphere.
The weight was measured without descaling each time, and the oxidation resistance was evaluated by the weight reduction per unit area at that time.
FIG. 3 shows the results of the high temperature oxidation test of all the samples. No.4
The samples of No. 1, 2, and 3 having the surface-modified layer showed almost no weight loss, while the samples of No. 1, No. 2, and No. 3 having the surface-modified layer showed no significant reduction in weight. It turns out to be excellent.

【0036】さらに、高温強度を調べるために、クリー
プラプチャー試験を行った。試験は、所定温度に昇温後
約2時間保持し、荷重を負荷して試験を行った。試験条
件は、870℃−539.0MPa,940℃−343.
0MPa,1040℃−205.8MPa,1040℃
−166.6MPa,1040℃−137.2MPaとし
た。結果をラーソンミラー曲線に変換して、図4に示
す。ラーソンミラー曲線は、試験温度とで、曲線が右側
に位置するほど高温強度が高いことを示している。
Further, a creep rupture test was conducted to examine the high temperature strength. The test was conducted by raising the temperature to a predetermined temperature, holding the temperature for about 2 hours, and applying a load. The test conditions are 870 ° C.-539.0 MPa, 940 ° C.-343.
0 MPa, 1040 ° C-205.8 MPa, 1040 ° C
-166.6 MPa and 1040 ° C.-137.2 MPa. The results are converted into Larson-Miller curves and shown in FIG. The Larson-Miller curve shows that at the test temperature, the higher the curve is on the right side, the higher the high temperature strength is.

【0037】これより、ホウ化物,炭化物もしくは窒化
物の化合物表面層を150μm以下傾斜的に形成し、表
面から内部へいくに従いボロン,炭素,窒素の組成が漸
減していくような化合物表面層を有するNo.1,2,3
の試料については、耐酸化性,耐食性に優れてガスター
ビン動翼材料に好適であることがわかる。
From this, a compound surface layer of a boride, carbide or nitride compound surface layer is formed with an inclination of 150 μm or less, and the composition of boron, carbon and nitrogen is gradually reduced from the surface to the inside. I have No. 1, 2, 3
It can be seen that the sample No. 1 is excellent in oxidation resistance and corrosion resistance and is suitable for a gas turbine blade material.

【0038】(実施例2)図5は、本発明の実施例であ
る発電用ガスタービンブレードの傾斜図である。タービ
ンブレード3は、翼動12と該翼部12に連なる平坦部
を有するプラットフォーム13と該プラットフォーム1
3に連なるシャンク15と該シャンク15の両側に設け
られた突起からなるフィン14と前記シャンク15に連
なるダブティル16とを有する。また、図6は、本発明
の実施例である発電用ガスタービンノズルの傾斜図であ
る。タービンノズル10は、1個の翼部と該翼部両端に
形成されたサイドウォールとを有する。
(Embodiment 2) FIG. 5 is an inclined view of a gas turbine blade for power generation according to an embodiment of the present invention. The turbine blade 3 includes a blade 13 and a platform 13 having a flat portion connected to the blade 12 and the platform 1.
The shank 15 is connected to the shank 15, the fins 14 are formed on both sides of the shank 15, and the dovetail 16 is connected to the shank 15. FIG. 6 is an inclined view of a gas turbine nozzle for power generation that is an embodiment of the present invention. The turbine nozzle 10 has one blade portion and sidewalls formed at both ends of the blade portion.

【0039】図7は、本発明のNi基単結晶合金を用い
たタービンブレード3及びタービンノズル10を有する
ガスタービン装置の回転部分の断面図である。
FIG. 7 is a sectional view of a rotating portion of a gas turbine device having a turbine blade 3 and a turbine nozzle 10 using the Ni-based single crystal alloy of the present invention.

【0040】1はタービンスタブシャフト、2はディス
タントピース、4はタービンディスク、5はタービンス
タッキングボルト、6はコンプレッサディスク、7はコ
ンプレッサブレード、8はタービンスペーサ、9はコン
プレッサスタブシャフト、11はコンプレッサタッキン
グボルトである。
1 is a turbine stub shaft, 2 is a distant piece, 4 is a turbine disk, 5 is a turbine stacking bolt, 6 is a compressor disk, 7 is a compressor blade, 8 is a turbine spacer, 9 is a compressor stub shaft, and 11 is a compressor. It is a tacking bolt.

【0041】本発明のガスタービンは、コンプレッサデ
ィスク6が17段あり、タービンブレード3が3段のも
のである。タービンブレード3は、4段のものもあり、
いずれにも本発明の表面層を有するNi基単結晶合金を
適用できる。
In the gas turbine of the present invention, the compressor disk 6 has 17 stages and the turbine blade 3 has 3 stages. Turbine blades 3 are also available in four stages,
The Ni-based single crystal alloy having the surface layer of the present invention can be applied to any of them.

【0042】本実施例におけるガスタービンは、主な形
式がヘビーデューディー形,一軸形,水平分割ケーシン
グ,スタッキング式ロータからなり、圧縮機は、17段
軸流形,タービンは、3段インパルス形,ブレード及び
ノズルの第一段及び第二段は、空気冷却式,燃焼器はバ
ースフロー形,16缶,スロットクール方式である。本
実施例では、タービンブレード3及びタービンノズル1
0の初段に実施例1における表1中試料No.1,No.
2,No.3の組成をもち、それぞれ、ホウ化物,炭化
物,窒化物の化合物表面層を有するNi基単結晶合金を
用いた。その結果、クリープ破断強度の高い高温強度に
優れたNi基単結晶合金をガスタービンブレード及びガ
スタービンノズルに適用することにより、タービン入口
の燃焼ガス温度を従来のものに比べて高くでき、熱効率
が高い超高温発電用ガスタービンを提供することができ
る。
The gas turbine in this embodiment is mainly composed of a heavy duty type, a single axis type, a horizontal split casing, a stacking type rotor, a compressor is a 17-stage axial flow type, and a turbine is a 3-stage impulse type. The first and second stages of blades and nozzles are of air cooling type, the combustor is of verse flow type, 16 cans, and slot cool type. In this embodiment, the turbine blade 3 and the turbine nozzle 1
No. 1, No. 1 and No. 1 in Table 1 in Example 1 in the first stage.
Ni-based single crystal alloys having compositions of No. 2 and No. 3 and having compound surface layers of boride, carbide and nitride, respectively, were used. As a result, by applying the Ni-based single crystal alloy having high creep rupture strength and high temperature strength to the gas turbine blade and the gas turbine nozzle, the combustion gas temperature at the turbine inlet can be made higher than that of the conventional one, and the thermal efficiency can be improved. It is possible to provide a high gas turbine for ultra-high temperature power generation.

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明によれば、Ni基単結晶合金の表
面にホウ化物,炭化物もしくは窒化物の化合物表面層を
形成する表面改質方法を提供でき、高温強度ならびに耐
酸化性,耐食性に優れるNi基単結晶合金をガスタービ
ン動翼に提供できるという効果がある。
According to the present invention, it is possible to provide a surface modification method for forming a compound surface layer of a boride, carbide or nitride on the surface of a Ni-based single crystal alloy, and to improve high temperature strength, oxidation resistance and corrosion resistance. There is an effect that an excellent Ni-based single crystal alloy can be provided to the gas turbine blade.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】EPMAによる試料の組成分析結果。FIG. 1 is a result of composition analysis of a sample by EPMA.

【図2】バーナーリグ耐食性試験の結果。FIG. 2 is a result of a burner rig corrosion resistance test.

【図3】高温酸化試験の結果。FIG. 3 shows the results of a high temperature oxidation test.

【図4】ラーソンミラー曲線に基づく高温強度試験の結
果。
FIG. 4 is a result of a high temperature strength test based on a Larson Miller curve.

【図5】本発明の実施例であるガスタービンブレード。FIG. 5 is a gas turbine blade that is an embodiment of the present invention.

【図6】本発明の実施例であるガスタービンノズル。FIG. 6 is a gas turbine nozzle according to an embodiment of the present invention.

【図7】本発明の実施例であるガスタービン装置の断面
を示す図。
FIG. 7 is a diagram showing a cross section of a gas turbine device according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…タービンスタブシャフト、2…ディスタントピー
ス、3…タービンブレード、4…タービンディスク、5
…タービンスタッキングボルト、6…コンプレッサディ
スク、7…コンプレッサブレード、8…タービンスペー
サ、9…コンプレッサスタブシャフト、10…ノズル、
11…コンプレッサタッキングボルト。
1 ... Turbine stub shaft, 2 ... Distant piece, 3 ... Turbine blade, 4 ... Turbine disk, 5
... Turbine stacking bolts, 6 ... Compressor disk, 7 ... Compressor blade, 8 ... Turbine spacer, 9 ... Compressor stub shaft, 10 ... Nozzle,
11 ... Compressor tacking bolt.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ホウ化物,炭化物もしくは窒化物の化合物
表面層を有するNi基単結晶合金。
1. A Ni-based single crystal alloy having a compound surface layer of boride, carbide or nitride.
【請求項2】ホウ化物,炭化物もしくは窒化物の化合物
表面層を有し、重量%で、Cr6.0〜9.0%,Al4.
5〜6.0%,W2.0〜12.0%,Mo6.0%以下,
Co0.1〜3.0%,Nb0.2〜3.0%,Ta2.5
〜9.0%,Re0.1〜4.0%,Hf3.0% 以下及
び残部不可避の不純物とNiからなる表面層を有するN
i基単結晶合金。
2. A boride, carbide or nitride compound surface layer is provided, and in weight%, Cr 6.0 to 9.0%, Al 4.
5 to 6.0%, W 2.0 to 12.0%, Mo 6.0% or less,
Co 0.1-3.0%, Nb 0.2-3.0%, Ta 2.5
.About.9.0%, Re 0.1 to 4.0%, Hf 3.0% or less, and N having a surface layer composed of Ni and the balance unavoidable impurities.
i-based single crystal alloy.
【請求項3】重量%で、Cr6.0〜9.0%,Al4.
5〜6.0%,W2.0〜12.0%,Mo6.0%以下,
Co0.1〜3.0%,Nb0.2〜3.0%,Ta2.5
〜9.0%,Re0.1〜4.0%,Hf3.0% 以下及び
残部不可避の不純物とNiからなるNi基単結晶合金表
面に、ホウ化物,炭化物もしくは窒化物の化合物表面層
を150μm以下形成し、前記化合物表面層の表面から
前記Ni基単結晶合金表面になるに従い、ボロン,炭素
もしくは、窒素の組成が傾斜的に漸減していくことを特
徴とする表面層を有するNi基単結晶合金。
3. By weight%, Cr 6.0-9.0%, Al 4.
5 to 6.0%, W 2.0 to 12.0%, Mo 6.0% or less,
Co 0.1-3.0%, Nb 0.2-3.0%, Ta 2.5
~ 9.0%, Re 0.1-4.0%, Hf 3.0% or less, and the balance of unavoidable impurities and the Ni-based single crystal alloy surface consisting of Ni with a boride, carbide or nitride compound surface layer of 150 μm or less. Then, the composition of boron, carbon, or nitrogen gradually decreases gradually from the surface of the compound surface layer to the surface of the Ni-based single crystal alloy, and the Ni-based single crystal alloy having a surface layer. .
【請求項4】窒素ガスのプラズマ化により、Ni基単結
晶合金表面をイオン窒化処理し、前記Ni基単結晶合金
の母相との密着性の良い窒化物の化合物表面層を形成す
ることを特徴とするNi基単結晶合金の表面改質方法。
4. A surface of a Ni-based single crystal alloy is ion-nitrided by plasmaizing nitrogen gas to form a nitride compound surface layer having good adhesion to the parent phase of the Ni-based single crystal alloy. A method for modifying the surface of a Ni-based single crystal alloy, which is characterized.
【請求項5】炭化水素ガスのプラズマ化により、Ni基
単結晶合金表面をイオン浸炭処理し、前記Ni基単結晶
合金の母相との密着性の良い炭化物の化合物表面層を形
成することを特徴とするNi基単結晶合金の表面改質方
法。
5. A method of ion carburizing the surface of a Ni-based single crystal alloy by plasmaizing a hydrocarbon gas to form a compound surface layer of a carbide having good adhesion to the parent phase of the Ni-based single crystal alloy. A method for modifying the surface of a Ni-based single crystal alloy, which is characterized.
【請求項6】活性ボロンのNi基単結晶合金表面での反
応拡散により、前記Ni基単結晶合金表面をホウ化処理
するNi基単結晶合金の表面改質方法。
6. A method for modifying the surface of a Ni-based single crystal alloy, wherein the surface of the Ni-based single crystal alloy is borated by reactive diffusion of active boron on the surface of the Ni-based single crystal alloy.
【請求項7】請求項1〜3のいずれかに記載の表面層を
有するNi基単結晶合金からなる発電用ガスタービンブ
レード。
7. A gas turbine blade for power generation, which is made of a Ni-based single crystal alloy having the surface layer according to claim 1.
【請求項8】請求項1〜3のいずれかに記載の表面層を
有するNi基単結晶合金からなる発電用ガスタービンノ
ズル。
8. A gas turbine nozzle for power generation, which is made of a Ni-based single crystal alloy having the surface layer according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009197254A (en) * 2008-02-19 2009-09-03 Osaka Industrial Promotion Organization SURFACE TREATMENT METHOD FOR DUAL MULTI-PHASE Ni BASED INTERMETALLIC COMPOUND ALLOY, AND SURFACE-TREATED DUAL MULTI-PHASE Ni BASED INTERMETALLIC COMPOUND ALLOY

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JP2009197254A (en) * 2008-02-19 2009-09-03 Osaka Industrial Promotion Organization SURFACE TREATMENT METHOD FOR DUAL MULTI-PHASE Ni BASED INTERMETALLIC COMPOUND ALLOY, AND SURFACE-TREATED DUAL MULTI-PHASE Ni BASED INTERMETALLIC COMPOUND ALLOY

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