JPS5845345A

JPS5845345A - 耐熱疲労性の優れたガスタ−ビン用ノズル

Info

Publication number: JPS5845345A
Application number: JP56142225A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Kozobara; 楮原　広美; Nobuyuki Iizuka; 飯塚　信之; Hiroshi Fukui; 寛福井; Masahiko Sakamoto; 坂本　征彦
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-09-11
Filing date: 1981-09-11
Publication date: 1983-03-16
Also published as: JPS6128007B2; EP0074603B1; EP0074603A1; US4465530A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は新規なガスタービン用ノズルに関する。

第１図に、示すタロ〈ガスタービンノズルは精密鋳造で
製造され、それに用いる材料としてＣｏ基耐熱超合金あ
るいはＮｉ−基耐熱超合金がある。Ｃ０基耐熱合金はｔ
ｏｏｏＣ以下での耐高温腐食性に優れている反面１００
０Ｃ以上でのｌ！Ｉｌｔ萬温耐化性に劣る。また高温延
性が低く特に匣用中に脆化し、熱応力等の外力の作用で
割れを生ずる。またＡｔの拡散コーテングを施す場合Ｃ
ｏ−Ａｔのσ相により脆化をきたす。溶接性も悪い。Ｎ
ｉ基超超合金ｒ相強化型と炭化物強化型があるが　Ｎ相
強化型Ｎｉ基合金は１ｏｏｏｃ以上での耐高温酸化性に
優れている反面、Ｃｒ量が低いため耐高温腐食性が劣る
他、固溶量以上の多量のＴｉとＡｔとを含み、ｒ′相で
強化しているので高温強度は大きいがノズル材として重
要な熱疲労性がＣＯ基より劣り、ノズルのような熱応力
のくり返しを受ける部品には不適当である。また、多量
のＴ′ｉとＡｔを含むため真空溶解となるので、大型品
の製造が困禰である。

一方、炭化物強化型Ｎｉ基耐熱合金は９８２Ｃ付近での
高温強度及び延性、クリープジブチャ強度、熱疲労性（
熱衝撃性）、高温腐食性に浸れている。大気溶解が出来
るので製造容易である。しかし汎用ガスタービン用ノズ
ルのメタル温度８００Ｃ付近での延性が小さく、ノズル
に重要な熱疲労性（熱衝撃性）が劣る欠点がある。これ
は粒界にセル状に連続した共晶炭化物があるためである
。

炭化物強化Ｂ１Ｎｉ基合金には粒界に晶出しだ共晶炭化
物と主に校内に析出する二次炭化物が存在する。ある程
度の共晶炭化物は粒界すべりを抑制してクリープラブチ
ャー強度を向上させるのに有効である。しかし前述の合
金のように共晶炭化物が粒界に粗大に、運、ペシて存在
すると、ノズルのように扁識にさらされ、加熱急冷のヒ
ートサイクルの者しい場曾、熱疲労（熱衝撃）により脆
い共晶炭化物に応力が集中し、−気に割ｆが伝播し進行
することが分った。この共晶炭化物は熱的に安定で通常
の熱処理ではほとんど変化しないことも判明した。

本発明の目的は耐熱疲労（熱１！１１１撃）性に優れた
ガスタービン用ノズルを提供するにある。

本発明は、重量でＣＯ−１〜１　％　＋　Ｃｒ２０〜３
５％、Ｃ０１６〜３５％、ＷおよびＭＯの少なくとも一
方ｆｃ５〜１５％を含有ｊ７、残部Ｎｉからなシ、主に
オーステナイト基に共晶炭化物及び二次炭化物含有する
鋳物によって１．４成されていることを特徴とするガス
タービン用ノズルにある。

本発明のガスタービン用ノズルは共晶炭化物が不連続で
、微細であるため、耐熱疲労（熱衝１ｋ）性が優れてい
る。すなわち共晶炭化物が不連続なため、脆い炭化物を
伝播してきた割れは基地で一旦止まり、変形により応力
緩和が生じるので、応力集中も小さい。従って延性が向
上し、熱疲労性が改善されるのである。熱疲労性の改善
はガスタービン用ノズルにとって非常に大切なことであ
る。

解析によると実際のノズルに発生する熱応力は非常に大
きく、それは耐熱合金の降伏強さを上根るものである。

従ってノズルへの熱疲労（熱衝撃）による割れは早期に
発生する。それ故に割れの伝播速度がノズルの寿命と左
右することが分った。

そしてこの耐熱疲労性は嶋温強度よりも延性に比例する
ことも分った。

本発明は、重量で、Ｃ０，１〜１％、Ｃｒ２Ｏ〜３５％
、Ｃ０１６〜３５％、Ｗ及びＭＯの少なくとも一方を５
〜１５％含有し、−更にＴｉ及びＮｂ０００５〜１％、
’ｐａ、Ｈｆ及びＺｒＯ，０５〜２％。

８０．００５〜０．１％、Ｙ及びＡ　ｔ　０．０５〜１
％の少なくとも１種の元素を含有し、残部はＮｉからな
り、オーステナイトｄ地に共晶炭化物及び二次炭化物を
有するａ　ｊ／１）によって構成されているガスタービ
ン用ノズルにある。

共晶炭化物は凝固時に生成するが、その量、形態は特に
ｃ、ｃｏ、ｗ及びＭＯの量に大きく左右されることが判
明した。以下に成分を限定した理由について説明する。

Ｃは炭化物生成元系で、關温強度、延性及び耐熱疲労（
熱衝撃）性を向上する上で非常に重要な役割含有す。Ｃ
が０．１％未満では二次炭化物の析出量が不足し旨症強
度が低く、また析出する二次炭化物が針状で、ａｒＣｒ
量との関係からσ相が出やすく、耐熱疲労性が低い。１
％以上では共晶炭化物が過剰となり、しかも連続して晶
出するため延性が低下する。Ｃは０．１〜１重量％の範
囲としなければならない。特に、０．１〜０．６重量％
が好ましく、その中でも０．２〜０．３５重量％が最も
好ましい。

Ｃｒは共晶炭化物、二次炭化物形成の主成分であり、高
温強度を向上させる。まだ、酸化物保護被膜を形成して
高温耐食、耐酸化性を向上させる。

ノズルは耐熱疲労性が最も重要であるが、Ｃｒが低下す
ると高温腐食によって粒界浸食が生じ、これがくさび作
用となって耐熱疲労性を悪化させる。

耐食及び耐熱疲労性の点からＣｒは２０重重量以上必要
である。逆にＣｒが３５％より多くなると共晶炭化物が
連続晶出しｍ１ＯｔＡ疲労性が低下する他、クリープラ
ブチャー強度も低下する。従ってＣｒの範囲は２０〜３
５重量％である。この内でも２５〜２８重ｔ％が最も適
している。

Ｗ及びＭＯは基地の固溶強化を目的として５正量％以上
添加する必要がある。これらの元素は強力な炭化物形成
元素であるので、Ｃｒ炭化物のＣｒの一部が置き代った
（Ｃｒ９ＭＯ９Ｗ）とＣが結びついた形となっている。

Ｗ及びＭＯΩ少なくとも一方が５重量％未満では固溶強
化が非常に少なく、クリープラブチャー強度が小さい。

１５重量％を越えると粒界の共晶炭化物は晶出量が多く
、連続するようになり熱疲労性が低下する。従って５〜
１５重殖％とする必要がある。％Ｖこ、５〜１０重ｔ％
が好ましく、その内でも６〜８重量％が最も好ましい。

ＣＯｖ′ｉ耐熱疲労性の向上に非常に重要な元素である
。Ｃｏは通常固溶強化を目的として添加される。しかし
、本発明のＮｉ基鋳造合金において。

第１図に示す如＜、Ｃｏ添加量が１６重量％以上でも共
晶炭化物が減少し、不連続になシ、顕著に耐熱疲労（熱
衝撃）江及びクリープラブチャー強度を向上することを
見い出した。しかし、３５重量％以上添添加てもそれ以
上の効果は期待できないばかりか、逆に耐粒界腐泉１生
を低める頑向かあればならない。より好ましくは２０〜
３０重量％である。

第２図は、約０．２５重量％Ｃ１約１重量％Ｓｉ。

約０．５重量％Ｍｎ、約２７重量％Ｃｒ、約７．５重量
％Ｗ、約０．０１重量％Ｂ、約０．１重量％Ｔｉ。

約０．２重量％Ｎｂと、Ｃｏを０〜５０重量％と色色変
えて、後述する実施例で示すと同様に試料を製造し、そ
れを同様に熱衝撃試験を行って１割れ長さとＣｏ量との
関係を示した線図である。

Ｔｉ及びＮｂはＭＣ型炭化物を形成して高温強度を高め
る他、二次炭化物の成長を抑制するため加熱脆化を軽減
し、耐熱疲労性及び長時間りＩＪ−プラプチャー強度を
向上きせる。また１ＭＣ型炭化物は粒内外に均一析出す
るが、二次炭化物がこのＭＣ炭化物付近にも析出するた
め１粒界への過剰析出が軽減さ扛、延性が向上する。し
かしＴｉは多すぎると鋳肌を悪くし、Ｎｂは高温耐腐食
性を悪化する。従ってこれらの成分範囲は、Ｔｉ及びＮ
ｂともに０．０２〜１重肇％としなければなら−ない。

特に、Ｔｉ及びＮｂともに０．１〜０．５％が好ましぐ
、その内ＴｉはＯ１１〜０．２電量％、Ｎｂは０．２〜
０．３重量％が特によい。原子比でＭ／Ｃ（Ｍ　ｌｄ　
Ｍ　Ｃ型炭化物を作る元素の和）が０．１〜０．１５が
好ましい。

Ｙ及びＡｔは耐１λ化曲、耐高温腐食性同上の目的で添
加さ扛るので、ｒ′相が析出しないか、又は析出しても
ほんのわずかになるように極ａｔで固溶する量添加する
。特にｋｔの添加は従来のｒ′強化型Ｎｉ基超合金で見
られるｒ′相析出のためでない。０．０１重ｉ％より少
ないと効果がなく、１重量％より多くなると溶接性が悪
くなる他、脆化をきたす好ましくない相が析出するので
いずれも０．０１〜１重避％に限定した。特に、０．０
５〜０．３ｉ量％が好ましい。

Ｂは粒界に析出して粒界を強比し、高温延性の向上を期
待して添加される。少ないと効果はなく。

多くなると溶接１生を悪くするので０．００５〜０．１
重量％とする。特に０．０１〜０．０５重量％がよい。

３ｉ及びＭ　ｎは脱酸剤として８口えるもので、その含
有量を零にすることは困難であるが１両者とも２重量％
以下が好ましい。特に３ｉ及びＭｎは０．３重量％以下
がよい。

’ｒａ、［及びＺｒは炭化物の微細な析出と共晶炭化物
の核としての作用により不達°続な晶出によって強化及
び靭性を向上させるが、０．０５重量％未満では効果は
小さく、また２重量％よシ多くなるとこれらの炭化物９
析出によυ基地中のＣ量が低くなり、二次Ｃｒ炭化物の
析出が抑制され、クリープラブチャー強度が減少するの
で、それぞれ０．０５〜２重量％とする必要がある。特
に、０、１〜０．５重量％が好ましい。

本発明のガスタービン用ノズルは、（１）Ｔ　ｉ及びＮ
ｂを少なくとも一方を含有させたもの、（２）Ｔａ。

ｆ（ｆ及びＺｒを少なくとも１種を含有させたもの又は
これらの少なくとも１種を前述（１）に含有させたもの
、（３）Ｂを単独含有させたもの又はＢを前述（１）又
は（２）に含有させたもの、（４）Ｙ及びＡｔの少なく
とも一方を含有させたもの又は前述の（１）、（２）及
び（３）にＹ及びＡｔの少なくとも一方を含有させたＡ
、ｆＩＪからなる。

Ｔ１とＮｂの合計量は０．０２〜１％が好ましく２特に
０．１〜０．５％が好ましい。Ｔａ、ＩＩｆ及びＺＺｒ
の２種以上の合計量は０．０５〜２％が好ましく、４に
０．１〜１％が好ましい。ＴｉとＮｂの少なくとも一方
とＴ　ａ　、　Ｉ−（ｆ及びｚｒの少なくとも一方を添
加する場合、それぞれ学独の場合には、前述した範囲及
び複合の場合には上述の範囲が好ましい。Ｙ、ｌ！：Ａ
ｔとの合計量は０．０１〜１％が好ましく、特に０．０
５〜０．３％が好ましい。

二次炭化物は、予め適正な温度で時効処理して析出させ
ておくことによって高温強度及び耐熱疲労性を向上させ
る。

実施例表に供試材の化学成分（重量％）を示す。Ａ１は従来材
、煮２〜４は比較材及びＡ５〜９は本発明合金である。

Ａ１〜９の供試材総てを大気溶解により直径１２１１１
１１１．長さ１００　ｔｔｍの引張試、験片形状に請書
鋳造した。屋１には１１５０Ｃで４時１間加熱による溶
体化処理及び９８２Ｃで４時間加熱の時効処理を施しだ
。扁２〜Ａ９には１１７５Ｃで２時間加熱の溶体化処理
後、９８２ｃで４時間加熱の時効処理を施した。熱疲労
性は直径１０　ｒ＋ｕｎ　、長さ１０間の試験片を用い
、８５０ｐでの加熱（６分保持）とその温度から水中に
投入して急冷するサイクルを３００回行った後、縦方向
に半分に切断し、断面に発生した割れの長さの合計を測
定した。結果を第３図に示す。従来材の−ＡＩのＣｏ基
合金は、その未使用材の耐熱疲労性が特に優れている。

本発明材の扁５〜＆９ばほぼ同等、あるいはそれよシ優
れていることが分る。Ａ２／ｄＣＯを含まないＮｉ基合
金であるが本発明合金の方が著しく優れている。Ａ３．
Ａ４はＷをほぼ１５％含む合金であるが、耐熱疲労性が
十分でない。

第４図は悌来材＆２と本発明材＆５の、顕微鏡組織写真
（１００倍）を比較し示したものである。

屋２には細長く成長した共晶炭化物が多数、連続してみ
られるが、本発明のＡ５は共晶炭化物が少なく、小さく
、シかも不連続であることが分る。

また、いずれにも共晶炭化物近傍に二次炭化物が見られ
る。

第５図は、９００ｔｒのクリープラブチャー試験結果を
示す線図である。試験片は平行部直径６罷。

乎行部長さ３ｏ細である。図中（）内故字は破断絞り率
（％）である。高応カ、短時間側では本発明合金は従来
材のＡ１より若干強度が劣るが、本発明合金は加、４脆
化が小さく低応力長時間側では本発明合金のクリープラ
ブチャー強度が優れていることが分る。そしてクリープ
破断絞りが本発明材の方がＡ１より著しく大きい。これ
は延性が扁いことであシ、長時間加熱しても耐熱疲労性
が大きいことになる。

なお、本発明合金は複数枚の翼部の各々が両端で固定さ
れた一体で鋳造されたノズルの耐熱疲労性に対し優れた
効果を発揮する。

以上の如く、本発明のガスタービンノズルは耐熱疲労性
に優れ、長寿命である。

【図面の簡単な説明】

第１図はガスタービン用ノズルの一例を示すその斜視図
、第２図は熱衝撃試験による割れ長さと合金中のＣＯ量
との関係を示す緋図１ｇ３図は各種ノズル材の熱疲労に
よる割れ長さを示す棒グラフ、第４図は各種ノズル材の
顕微鏡組織写真（１００倍）、第５図は各種ノズル材の
クリープラブチャー曲線である。ｖＪＩ閏第２のｃｏ（を量％） θ

Claims

【特許請求の範囲】１０重量で、Ｃ００１〜１％、Ｃｒ２Ｏ〜３５％。Ｃ０１６〜３５％、Ｗ及びＭＯの少なくとも一方を５〜
１５％含有し、残部はＮｉからなシ、オーステナイト基
地に共晶炭比切と二次炭化物とを・汀する鋳物Ｖこよっ
て１４成されていることを４ｄｉとする耐熱疲労性に浸
れたガスタービン用ノズル。２、重量で、ＣＯ，１〜１％、Ｃｒ２Ｏ〜３５％。Ｃ０１６〜３５％、Ｗ及びＭＯの少なくとも一方を５〜
１５％含有し、〈にＴｉ及びＮ　ｂ　Ｏ，０２〜１％、
Ｔａ、Ｈｆ及びＺｒ０．０５〜２％、　Ｂｏ、００５〜
０．１％、Ｙ及びＡ／１．０．０１〜１％の少々くとも
１葎の元素をざ有し、残部はＮｉからなり、オーステナ
イト基地に共晶炭化物及び二次炭化物を有する鋳物によ
ってＩＡ成されていることを特徴とする耐熱疲労性の浸
れたガスタービン用ノズル。