JPS5861245A - 熱処理されたニツケル基超合金単結晶物品 - Google Patents

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】 本発明は高温度に於て使用されるに適した熱処理された
ニッケル基超合金単結晶物品に係る。

ニッケル基超合金の技術分野は長年に亙り広く細穴され
ており、例えば米国特許第２，２６１゜１２２号、同第
２，７８１，２６４補、同第２゜９１．２．３２３号、
同第２．９９４．６’０５号、同第３，０４６，１０８
号、同第３．１６６．４１２号、同第３．１８８．２０
４号、同第３．２８７．１１０号、同第３．’３０４，
１７６号、同第３，３２２，５３４Ｎの如く、これまで
非常に多数の特許が発行されている。

一般に超合金は主に耐酸化性を改善すべく約５〜１５％
のレベルのクロムと、強化ガンマプライム相を形成させ
るべく合計で約３〜７％のレベルのアルミニウム及びチ
タニウムと、固溶体強化元素として約４〜１４％のレベ
ルのタングステン、モリブデン、タンダル、ニオブの如
き高融点金属元素とを含有している。またほぼ全てのニ
ッケル基超合金は約５〜１５％のレベルのコバルトと、
結晶粒界強化用として約０．１％のレベルの炭素とを含
有している。またボロン及びジルコニウムも結晶粒界強
化元素として少量添加されることが多い。

ガスタービンブレードは一般に鋳造により形成され、最
も一般的に使用されている鋳造法によれば特定の方向に
配向されていない等結晶を有する部材が製造される。金
属の高温特性は一般に結晶粒界特負に依存していること
は良く知られており、従って従来より例えば上述の如く
合金元素を添加することなどによって結晶粒界を強化し
たり、その部材の主応力軸線に垂直な結晶粒界を低減又
は排除する努力がなされている。かかる主応力軸線に垂
直な結晶粒界を排除する一つの方法は、米国特許第３．
２６０．５０５号に記載されている如き一方向凝固法で
ある。一方向凝固法によれば、一方向に配向された柱状
晶よりなる微細組織を有する部材であって、柱状晶の主
軸線がその部材の主応力軸線に平行であり、またその部
材の主応力軸線に垂直な結晶粒界を有しない部材が製造
される。ガスタービンブレードに単結晶物品を使用する
ことはかかる概念の延長である。かかる概念が米国特許
第３，４９４．７０９号に記載されている。単結晶ブレ
ードの明確な利点は結晶粒界が全く存在しないというこ
とである。従って単結晶物品に於ては、結晶粒界は潜在
的な弱点部として排除され、それ故中結品物品の機械的
性質はその材料に固有の機械的性質にのみ依存する。

従来の合金開発に於ては、炭素、ボロン、ジル、コニウ
ムの如き元素を添加することによって結晶粒界により発
生される種々の問題を解決することに対し多くの努力が
鵡われていた。従来の合金開発に於て解決の努力が払わ
れていた他の一つの問題は、高温度に長期開−された後
に有害な相が発生するという問題、即ち合金の不安定性
の問題であった。

米国特許第３，５６７．５２６号には、炭素は超合金単
結晶物品よ′り完全に除去されてよく、かくして炭素が
除去されることにより合金の疲労特性が改善されること
が記載されている。

炭素を含有しない単結晶物品に於ては、二つの重要な強
化機構が存在する。最も重要な強化機構は金属間ガンマ
プライム相、即ちＮｆｓ（ＡＩ。

Ｔｉ）によるものである。現代のニッケル基超合金に於
ては、ガンマプライム相は６０体積％程度の比較的多曇
に発生する。第二の強化機構は固溶体強化であり、固溶
体強化はニッケル固溶体マトリックス中にタングステン
及びモリブデンの如き高融点金属元素が存在することに
より発生される。

ガンマプライムの体積−が一定である場合には、その体
積のガンマプライムによる強化の効果はガンマプライム
析出粒子の大きさ及び形態を変化させることによって変
化する。ガンマプライム相はガンマプライムソルバス温
度を有し、温度がガンマプライムソルバス温度以上であ
る場合にはガンマプライム相がマトリックス中に固溶す
ることを特徴としている。しかし多くの鋳造合金に於て
は、ガンマプライムソルバス温度は実際には初期溶融温
度以上の温度であり、従ってガンマプライム相を効果的
に溶体化することはできない。ガンマプライムの溶体化
はガンマプライムの形態を修正する唯一の方法であり、
従って多くの市販のニッケル１ｆｆ１合金に於ては、ガ
ンマプライムの形態はその鋳造プロセスにより生じたガ
ンマプライムの形態に制限されている。他方の強化機構
、即ち固溶体強化は、固溶体強化元素がニッケル固溶体
マトリックス全体に亙り一様に分散されているときに最
も有効である。更にこの固溶体強化は鋳造プロセスの性
質によりその有効性が低減される。実際にはニッケル基
超合金は成る広い温度範囲に亙り凝固する。ニッケル基
超合金の凝固プロセスに於ては、まず高融点金属のデン
ドライトが生成し、しかる後低融点金属よりなるデンド
ライト間融液が凝固する。かかる凝固プロセスにより凝
固体の微細組織全体（亙り大きい組成上の不均一性が発
生される。理論的には高温度に加熱し元素の拡散を行な
わせることによってかかる組成上の不均一性を有する微
細組織の均一化を図ることが可能であるが、実際のニッ
ケル基超合金に於ては、初期溶融温度により４１１限さ
れる最大均一化ｗＡｒ！１が低すぎて充分な均一化を行
なうことができない。

米国特許第３．８８７．３６３号には、一方向凝固に適
したニッケル超合金組成が記載されており、この組成は
炭素が存在せず、レニウム及びバナジウムが存在己てい
ることを特徴としている。

米国特許第４．１１６．７２３号は、初期溶融温度とガ
ンマプライムのソルバス温度暑の間に充分な熱処理潤度
範囲が存在し、溶体化熱処理１１度が商業的に実施可能
な時間内にて実質的に完全な均一化を行ない得るほど高
いような組成を有する単結晶物品の熱処理に関するもの
である。上述の如き均一化熱処理に引き続いて、合金は
冷却され、次いで中間温度に加熱されて制御された状態
での再析出が行なわれる。

米国特許第４．２２２．７９４号には、５．２％クロム
、５．４％アルミニウム、１．１％チタニウム、２．０
％モリブデン、４．９％タングステン、６．４％タンタ
ル、３％レニウム、０．４％バナジウム、残部ニッケル
なる公称組成を有する単結晶物品が記載されている。ま
た米国特許第４．２０９．３４８号には、１２％タンタ
ル、１０％クロム、５％コバルト、１．５％チタニウム
、・１％タングステン、５％アルミニウム、残部はぼニ
ッケルなる公称組成を有する単結晶物品が記載されてい
る。

本発明は高温度に於て使用されるに適した超合金物品で
あって、特にガスタービンエンジンの構成要素として使
用されるに適した超合金物品に関するものである。本発
明の物品の組成は３．５〜７％タンタル、７．５〜１１
％クロム、４〜６％”コバルト、０．６〜１．８チタニ
ウム、０〜２゜５％モリブデン、６〜１２％タングステ
ン、４゜５〜６．０％アルミニウム、０．０５〜５％ハ
フニウム、残部ニッケルなる組成に制限される。

上述の如き組成を有する合金は、公知の鋳造法により単
結晶物品に製造され、次いで高温度にて均質化され、し
かる後低い温度にて時効処理することによって熱処理さ
れる。

上述の如き組成を有する本発明の単結晶物品は、本明細
−に記載されている如く処理されると、非常に優れた性
質の組合せを有するようになる。かかる特性の組み合せ
には、ｍｓ度に於ける機械的強度が含まれており、高Ｉ
！度に於ける耐酸化性及び耐蝕性は従来の他の公知の組
成によっては達成されなかったものである。本発明の単
結晶物品は従来の物品よりも低コストであり、従来の物
品と同程度の特性を有し、また幾分か密度の小さいもの
である。

以下に本発明を実施例について詳細に説明する。

本発明は、ガスタービンエンジンの構成要素として使用
されるに特に適した非常に好ましい性質の組合せを有す
る単結晶物品に係る。特に本発明に関連する組成物は従
来の最も優れた鋳造単結晶物品よりも幾分か優れたクリ
ープ特性及び従来の最も優れた鋳造単結晶物品の酸化特
性に匹敵する酸化特性を有している。本発明により得ら
れる一つの重要な利益は、タンタル含有量が従来の最も
優れた物品のタンタル含有量よりもかなり低減されると
いうことである。タンタルは重要な元。素であり、米国
、日本などの主要国に於て入手できないタンタルの含有
量を最少限に抑えることは重要（・ある。更にタンタル
は比較的稠密な元素であり、タンタルの含有量を低減す
ることにより物品の密曳が低減される。密度は回転機械
の用途に於て使用される物品に於て重要な性質であり、
如何なる程度にしろ密度を低減することは非常に好まし
いことである。本発明による単結晶物品は、大抵の従来
の単結晶物品の場合よりも初期溶融温度とガンマプライ
ムのソルバス温度との間の温度差が大きいという点に於
て、熱処理性に優れたものである。

本発明の単結晶物品の広範囲組成及び好適範囲組成が下
記の表１に示されている。本明細書に於ては、全ての％
の値は特に断わらない限り重量％である。鋳造性を最適
化するためには、タングステンの含有量は長さ約７６．
２１１１１１以下の小さいブレードについては約１０％
以下に、またこれよりも大きいブレードについては約７
．５％以下に維持されなければならない。また耐高温腐
蝕性を最適化するためには、モリプｆン含有量は約２％
以下でなければならず、クロム含有量は約７．５％以上
でなければならない。タンタルのコストが高くまたそれ
を入手し難いことに鑑みれば、タンタルは例えば６．５
％以下の如き低い値に維持されなければならない。微細
組織の安定性を確保するためには、電子空孔数ＮＶｓａ
は２．７４−０．０５７　（Ｗ＋２Ｍｏ　）以下に維持
されなければならない。また被覆された状態に於ける耐
酸化性を最適化するためには、タンタル含有量は約３．
５％以上でなければならず、ハフニウムは約０．０５〜
０．４％の範囲になければならず、アルミニウム含有−
は約５〜６％の範囲になければならない。

また表１は本発明の範囲に属する幾つかの特殊な合金組
成物（但し合金Ｈは優かに高いＮＶｓｅの値を有してい
る）′及び本発明の範囲に属さない二つの組成物（合金
４５４及びＰＷＡ１４２２）についての組成を示してい
る。ＰＷＡ１４２２を除く表１に示された全ての組成物
は単結晶の形態にて使用されるものであり、ＰＷＡ１４
２２は柱状晶の形態にて使用されるものである。合金４
５４は米国特許第４．２０９．３４８号に記載されてお
り、この合金４５４よりなる物品は本発明が開発される
まで鋳造された物品に於て得られる最も優れた公知の性
質の組合せを有しているものと認識されていた。

表２は上述の合金の幾つかについての機械的性質を示し
ている。この表２より、本発明の合金は機械的性質の点
に於て合金４５４標本に匹敵し又はそれよりも優れたも
のであることが解る。特に本発明の中結晶物品はガスタ
ービンエンジンの用途に於て一般に生じる応力レベルで
ある低い応力レベルに於て合金４５４よりも優れた性質
を有している。

表３は従来技術の合金どの対比に於て本発明の物品の酸
化挙動を示している。この表３より、被覆された状態及
び被覆されていない状態の両方に於て本発明の物品は従
来の合金４５４よりなる物品と同様又は場合によっては
イれよりも優れているものであることが解る。表３に於
けるＮｉＣ。

Ｃｒ　ＡＩ　ＹＥＮは２３％Ｃ０１１８％Ｃｒ、１２゜
５％ＡＩ　、０．３％Ｙ１残部Ｎｉなる公称組成を有す
るものである。この被覆は真空蒸着法により着装される
オーバーレイ被覆の代表的なものである。

表　　　３ 試験条件　　　　　合金　　合金　　合金　合金　合金
　ＰＷＡＨ７０５’Ｑ　　　Ｒ４５４１４２２ １１４９℃に於ける　　　０，６１　　０，７７　　０
，５９　０．７０　０．６２　　Ｇ、１９被榎されてい
ない 状態での耐鹸化性 （ｈ「／μ） 寿命の倍数　　　　　３，１　　　４　　３，１　３，
７　３．２　　１１１１１℃に於ける　　　５．７　　
５，５５　　２．８　４．２　５．３５　１，３７被積
された状態 での耐酸化性 （ｈ「／μ〕 寿命の倍数　　　　　　４　　　４　　２１３１３９　
　１Φ番書 注：寿命の倍数はＰＷＡ　１４２２の寿命に対する倍数
従来技術に勝る本発明の一つの主要な特徴は本発明によ
る単結晶物品の熱処理性が優れているということである
。超合金単結晶物品に可能な最大の強さを与えるために
は、鋳放し状態の物品中に存在する粗大ガンマプライム
粒子を溶解又は溶体化ら、制御し得る要領にてガンマプ
ライム相を微細に再析出させる必要がある。このプロセ
スはガンマプライムソルバス編喰カ初期溶融温度よりも
低い場合にのみ可能である。実際の商業的な熱処理につ
いてはガンマプライムソルバス温度と初期溶融温度との
間に実質的に温痩差がなければならない。表４は前述の
合金の幾つかについてのガンマプライムソルバス温度、
初期溶融温度、及び熱処理可能な温度ｉｆｆ囲を示して
いる。この表４より、本発明の単結晶物品にかかる組成
によれば従来のＰＷＡ　１４２２に比べはるかに広い熱
処理可能な温度範囲が得られることが解る。

表　　　４ 合金　　合金　　合金　　　合金　　　合金４５４　　
７０５　　　　ＨＱ　　　　　Ｒガンマプラ７ム　　　
１２８８　　１２７７　　１２６６　　１２６６以下　
　１２６６ソルバス瀾１１　（’Ｃ） 初期溶融温度（’Ｃ）　　１２９６　　１３１９　　１
２９９　　１３１６以上　１３１６以上熱処理可能　　
　　　　８　　　４２　　　３３　　　５０以上　　５
０以上範囲〔℃ 本発明に係る合金の鋳造性Ｇ、Ｌその合金のタングステ
ン含有量により大きく影響を受けることが解っている。

タングステン含有量が大型のニー０フオイル（７６，２
＋ａ＋ｅ以上）については７．５％以上、小型のエーロ
フオイル鋳造物品については１０％以上である場合には
、鋳造上の種々の問題が発生する。！方向凝固された合
金はフレツクル（Ｆ　ｒｅｃｋｌｅ）として知られるチ
ェーン状の等軸晶が形成され易い。フレツクルの存在は
合金の機械的性質に対し有害な影響を有するものである
ことが解っている。フレツクルは凝固中に発生する偏析
により惹起される密度の逆転により柔かい帯域に対流電
流が生成されることによるものである。

固相に析出するタングステンの如き重い元素はフレック
ルの生成を促進する。かかるフレツクルの生成を回避す
るためには、タングステンの含有量が大型のエーロフオ
イルについては７．５％、小型のエーロフオイルにめい
ては１０％の臨界的タングステン含有量以下に維持され
なければならず、クリープ強さを雑持するためには合金
に少［１（２゜０％ま７＞のモリブデンが添加されなけ
ればならない。モリブデンは凝固中に液相に偏析し、ま
た合金よりも密度が＾いので、モリブデンの存在により
フレックルの生成傾向が低減される。

本発明の単結晶物品はガスタービンエンジンのタービン
ブレードとして使用されるのＫ特に適したものである。

タービンブレードはインへストメント鋳造法により最も
良好に形成される複雑な外形を有している。インベスト
メント鋳造法は当技術分野に於て良く知られており、こ
の鋳造法の詳細な説明については省略する。

所要の単結晶構造、即ち内部に結晶粒界が存在しない構
造とするためには、鋳型内にて一つの結晶のみが成長す
ることを確保すべく１晶セレクタとの組合せで一方内凝
固法が採用されなければならない。かかる方法が米国特
許第３，４９４．７０９号に記載されている。

鋳造プロセスに引き続いて、鋳造された物品は熱処理さ
れ、保護被覆が着装され、更に熱処理される。最初に行
なわれる熱処理はガンマプライム相を溶解すべく、ガン
マプライムソルバス温度以、Ｅの温度であって且初期溶
融温度以下の温度にて行なわれる。本発明に係る合金に
ついては、この最初に行なわれる熱処理の温度は１２８
０〜１３０７℃であり４熱処理に要する時間は約１〜１
０時間（典型的には４時間）である。尤も熱処理に要す
るｖｒｍは採用される構造パラメータにより異なる。最
初の熱処理工程の後に急冷（即ち強制空冷）が行なわれ
、これによりガンマプライム相の成長が抑制される。次
いでかくして熱処理された物品は保護被覆材料にて被覆
れる。この場合三つの被覆法、即ちバックアルミナイジ
ング、ＭＣｒＡＩ　Ｙｉｇ［１［の如きオーバーレイ被
覆の蒸着、ＭＣｒＡＩＹＩＩ！覆の如きオーバーレイ被
覆のプラズマスプレー法の何れかが採用されてよい。被
覆の着装の後、かくして被覆された物品は１〜１０１１
ＷＪに亙り９８２〜１０９３℃の高ｍ度にて熱処理され
る。この場合１０８０℃にて４時間の熱処理が好ましい
。この熱処理により被覆の一体性が改善され、単結晶鋳
造物品内に於てガンマプライム相の成長が惹起こされる
。最後に６４９〜９２７℃にて１０−４０時間の如き低
欄度にて長Ｒ１１１ｋ：′Ｍる熱処理が行なわれ、これ
により安定なガンマプライム形態が生成される。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能であること
は当業者にとって明らかであろう。

特許出願人　　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポ
レイション

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 高温度に於て使用されるに適した熱処理されたニッケル
   基超合金単結晶物品にして、約３．５〜７％のタンタル
   と、約７．５〜１１％のクロムと、約４〜６％のコバル
   トと、約０．６〜１．８％のチタニウムと、約０〜２．
   ５％のモリブデンと、約６〜１２％のタングステンと、
   約４．５〜６゜０％のアルミニウムと、約０．０５〜０
   ．５％のハフニウムと、残部としてのニッケルとよりな
   る組成を有し、前記物品は炭素、ボロン、及びジルコニ
   ウムを故意には添加されておらず、前記物品は内部に結
   晶粒界を有しておらず、約−０，５μ以下の平均ガンマ
   プライム粒子寸法を有し、約１２８８℃以上の初期溶融
   温度を有していることを特徴とする熱処理されたニッケ
   ル基超合金単結晶物品。