JPS5896846A - ニツケル基超合金 - 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】 本発明は例外的な耐酸化性及び例外的な＾湿度機械的性
質を兼備するニッケル基超合金に係る。

従来、Ｎｌ　−ＡＩ−Ｍｏ系の合金に関する検討がなさ
れてきた。この検討は米国特許第２．５４２．９６２号
及び第３．９３３．４８３号により代表される。

米国特許第３．９０４．４０３号には、Ｎｉ　−ＡＩ−
ＭＯ系合金にＣｒ　Ｎ　Ｔａ及びＷを含む群からの一つ
またはそれ以上の元素を０．１〜３原子％（合計）だけ
添加することが示唆されている。

本発明によれば、Ｏｒ、Ｔａ、及びＹを協調のとれた鏝
で添加することによりニッケル基超合金の耐酸化性が実
質的に強化される。機械的性質に実質的な不利を生ずる
ことなしに酸化挙動が改善される。

広い組成は５．８〜７．８％ＡＩ、８〜１２％ＭＯ１４
〜８％Ｗ１２〜４％Ｃ「、１〜２％Ｔａ。

０〜０，３％Ｈｆ１０．０１〜０．１％Ｙ１残余実質的
にＮｉである。好ましい範囲は６．３〜７゜３％ＡＩ　
、８．５〜１１．５％Ｍ０１５〜７％Ｗ１２．５〜３．
５％Ｃ「、１〜２％Ｔａ　、０．０５〜０．２％Ｈｆ、
０．０１〜０，０７％Ｙである。

これらの範囲内の合金は粉末合金技術を用いて有用な物
品に製造され得るし、または所望の形状に鋳造され次い
で熱処理され得る。従って、本発明の目的は＾強度・耐
酸化性ニッケル基超合金を掟供することである。

本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は以下にその
好ましい実施例を図面により説明するなかで一一明らか
になろう。

本発明は、特定の狭い組成範囲を有し、例外的な耐酸化
性及び高温度の機械的性質を兼備するニッケル基超合金
に係る。

広い組成範囲及び好ましい組成範囲は第１表及び第２表
に示されている。これらの表は重量百分率で示されてお
り、本明細書に於ける全ての他の百分率値も特に指定さ
れていない限り重量百分率である。第１表には原子百分
率での等価的な値も示されている。Ｎｉ　−ＡＩ−Ｍｏ
組成の特別な組合せは幾つかの点で米国特許第２，５４
２．９６２号、第３．６５５．４６２号、第３．９０４
゜４０３号及び第３．９３３．４８３号に記載されてい
るものと類似している。ｆｌ　−ＡＩ−Ｍｏ合金は例外
的な機械的性質を有するものとして知られているが、こ
れまでそれらの表面安定性及び耐酸化性は長時間に厘る
使用に際して予測不能且限界的である。

本発明の核心は、耐酸化性を劇的に改善し、しかも同時
に機械的性質を緒持または改良するため、これらのＮｉ
　−ＡＩ　−Ｍｏ合金にＣｒ　、　Ｔａ　、　Ｙ及びオ
プションによりＨｆを注意深く協調のとれた曇で添加す
ることである。

ＣｒはＮｉＯに基く酸化物ではなくＡｌｔｏｓ酸化物の
生成を促進することにより耐酸化性を向上するために添
加される。この目的で、少くとも約２％のＣ「が必要で
あると考えられる。Ｃ「含有量を約４％以上に増しても
、Ｏｒ含有量が約３％の場合に比べて実質的な改善は得
られないと考えられる。

５− 第１表 広い組成 第２表 好ましい組成（重量％） Ａ　Ｉ　　　　　　　６．３　　　　　７．３ＹＯＢ、
３　　　　　１１，５ Ｗ５．０　　　　　７．Ｏ Ｏｒ　　　　　　　２，５　　　　　３．ＳＴａ　　　
　　　　１，０　　　　　２．ＯＨｆ　　　　　　　Ｏ
，００，２ ＹＯ，０１０，７ ６一 Ｃ「は同時に機械的性質を減するので、約４％を越える
Ｑｒの添加は望ましくない。Ｔａは微細構造を安定化す
るために添加され、上記の量のＴａはＱ、ｒの添加に起
因する機械的性質の低下の問題を克服する。従って、Ｃ
ｒ及びＴａの鏝は成る範囲で互いに関係付けられ、高い
Ｃｒ量に対しては高いＴａ量を用い、また低いＣｒ５ｌ
に対しては低いＴａ量を用いるようにＴａ及びＣｒの量
の協調をとることにより最適な合金性能が得られる。

Ｙ及びＨｆからなる群から選択された少くとも一つの材
料も添加されなければならない。このような元素は超合
金への酸化物１の付着を改善し、それにより破砕（スボ
レーション）を減じｎ−化により重量損失を減する。こ
れらの元素の０．１〜０．３（合計）重量が所要の作用
をし、好ましい範囲は０．０２〜０．２％（合計）であ
りまたＹは少くとも０．０１〜０．０７％の量で存在す
ることが好ましい。

１１図、第３図及び第４図は上記元素の効果を示すグラ
フである。これらの図面には試験された合金の組成が示
されまた酸化試験中の重量変化が示されている。合金が
酸化する時、合金は酸化物層の生成の結果として最初に
重量を増すことは理解されよう。続いて、もしこの酸化
物層が破砕すれば、重量損失が生じ、且酸化物−が再生
する。

酸化物破砕及びその結果としての重量損失は基体内の酸
化物生成元素の欠乏を招くので好ましくない。合金が所
望の保護酸化物層を再生し得ず、保護能力を有しない酸
化物層となってしまうような点まで酸化物破砕が進行し
得る。この点で、酸化はますます急速且制御不能となり
、場合によっては試料が破壊されることになる。大抵の
合金はその耐酸化性を保護酸化物層の生成から得ている
ので、望ましい重量変化挙動は最初に保護酸化物層の生
成を示す僅かな重量増加を生じ、続いて重−変化を生じ
なくなる（または非常に僅かな増加しか生じなくなる）
ことである。

イツトリウム添加の臨界的で意外な結果が第１図に示さ
れている。この図には２２００″Ｆ（１２０４℃）での
１時間サイクルを５０回繰返すサイクリック検査の後に
イツトリウム含有量が異なる幾つかの合金が生じた重量
損失が示されている。

試験された基礎合金（１０％ＭＯ，６，７％Ａ１．６％
Ｗ、　３％Ｃｒ、１．５％Ｔａ、１％Ｈｆ１残余Ｎｉ）
に対して約０．０１％から約０．０６％までのＹの添加
により酸化挙動が顕著に改善されることは明らかである
。Ｙが被覆（米国特許第３゜６７６．０８５号及び第３
．７５４．９０３号）及び合金（米国特許第３．７５４
．９０３号）の酸化性能を改善し得ることはこれまでに
観察されているが、約０．１％を越えるＹ含有−が有害
であるという本願発明人により得られた知識はこれまで
に示されていない。

第１図に示されている結果は、試料の酸化表面の走査電
子顕微鏡写真（３０００倍）である第２Ａ図、第２Ｂ図
及び第２Ｃ図を参照することにより説明され得る。第２
Ａ図は０．１％Ｈｆ及び０゜００２％以内のＹを含む試
料の写真である。第２Ｂ図は０．１％Ｈｆ、及び０．０
２９％のＹを含む試料の写真である。第２Ｃ図は０．１
％Ｈｆ及９− び０．０７３％Ｙを含む試料の写真である。

第２Ａ図及び第Ｃ図は何れも粗い不規則な酸化物モー７
オロジイを示しまた酸化物破砕の形跡を示しており、他
方第２Ｂ図は付着性の酸化物モー７オロジイの形跡を示
している。従って、第１図、第２Ｂ図、及び第２Ｃ図は
制限された臨界的なＹの量によって酸化挙動が実質的に
改善されることを明確に示している。第３図及び第４図
には、臨界的なりローム含有量が最適な耐酸化性のため
に必要であることが示されている。第３図には、１０％
ＭＯ１７，４％ＡＩ、６％Ｗ、１．５％Ｔａ１０．１８
％Ｙ、残余Ｎｉを含む基礎合金の酸化挙動へのＣ「含有
量変化の影響が示されている。試験条件（２０００下（
１０９３℃）での１時間炉内酸化を５００回繰返す）下
で所望の最小重量変化が約３％のＣｒ含有量で得られる
ことが認められ得る。

第４図には、２１００下（１１４９℃）で得られたサイ
クリック酸化データを用いて、酸化挙動へのＱｒ含有量
変化の影響が示されている。この１０− 図面には試験中の時間の関数としての重量の変化が示さ
れている。四つの曲線は１０％ＭＯ，６゜６％ＡＩ　、
１．５％Ｔａ、’０．１％Ｙ１残余Ｎ１（Ｏｒ含有量は
変更）を含む基礎合金に対してプロットされている。Ｃ
ｒ増加の効果として曲線は水平線（重量変化が零の線）
に向って回転している。

第３図及び第４図には（この種の合金の良好な酸化挙動
を得るためには約３％のＯｒ含有量が必要であることが
示されている。

ＡＩ　−ＭＯ合金の機械的性質は多くの点で従来の超合
金の機械的性質よりも優れていることが従来の研究によ
り示されている。本発明によれば、Ｃｒ　１Ｔａ　、Ｙ
及び（または）Ｈｆの協調のとれた添加により、ＡＩ　
−Ｍｏ−Ｎｉ基礎合金の性質と少くとも同等また場合に
よってはそれ以上の機械的性質と組合せて実質的に改良
された酸化挙動が得られる。このことは、一つの性質を
改善すれば他の性質が改悪されるという従来の合金に対
して対照的である。

第５図は通常のＭＡＲ−Ｍ２００超合金及び本発明の範
囲に属する合金を含む幾つかの合金に対する１９００下
／３’０ｋｓｌ　　（１０３８℃／２０６゜８５ＭＰａ
）での応力破壊のプロットである。第５図中のデータは
＜１１１＞方位配列内の単結晶形態で試験された種々の
組成の応力破壊性質に対するものである。図面から解る
ように、本発明によるＮｉ　−ＡＩ　−ＭＯ組成は試験
された他の合金と比べて応力破壊寿命が改善されている
。本発明による合金は従来の超合金と比べて約１９０下
（１０５℃）のｍ度改善を有することが解る。このこと
は、等価な応力条件下で、本発明による合金は１９’Ｏ
下（１０５℃）高い温度で作動可能であり、しかも同一
の部品寿命を得られることを意味する。このことは、エ
ンジンを一閣高い温度で作動させることまたはエンジン
温度が一定であれば冷却空気の流量を減じることにつな
がる。その何れも経済性を向上する。また温度を含む作
動条件を同一に保って、部品寿命を実質的に長くするこ
ともできる。更に、温度を同一に保って作動応力を増す
ことにより、同一の燃料消費ｌ及び部品寿命で性能を向
上することもできる。

以上に記載した組成は鋳造単結晶形態で用１．）られる
こともできるし、また粉末冶金技術とそれに続いて方向
の整った粒子構造（場合よっては単結晶であっても良い
）を得るための方向性再結晶化とを用いて部品に製造さ
れることもできる。

鋳造申結晶法による場合には、鋳造部品は米国特許出願
第１７７．０４７号に概要を記載されているように均質
化及び熱処理される必要がある。

粉末冶金法による場合には、幾つかの方法を用しするこ
とができるが、均質性を高めるために速（１固形化速度
を得られる方法を用いることが望まし％Ｘ。

このようなプロセスは米国特許第４．０２５，２４９号
、第４．０５３．２６４号及び第４．０５３．２６４号
及び第４，０７８，８７３号に記載されている。得られ
た粉末は、次いで、稠密化されまた所望の構造が得られ
るように方向性再結晶化される。方向性再結晶化は米国
特許第３，９７５．２１９号に記載されており、また最
終構造内１３− の種々の結晶アラインメントを得るための特別な方法は
本願と同時に出願された特願昭５７−号に記載されてい
る。

こうして得られる部品はガスタービンエンジン用として
特に有用である。鋳造法による場合には、所望のサイズ
が直接得られるように鋳造が行われ得る。しかし、粉末
冶金法による場合には、続いて、最大の冷却可能性を有
するブレードを得るために、米国特許第３．８７２．５
６３号に記載されているブレード製造法が用いられるの
が有利である。ここに説明した組成の合金は例外的に優
れた耐酸化性を有するが、これらの合金が被覆をほどこ
した形態で用いられ得ること、またこのような被覆がア
ルミナイド被覆またはＭＣｒ　ＡＩ　Ｙ形式の表面層被
覆であって良いことは勿論である。

本発明をその好ましい実施例により図示し説明してきた
が、本発明の範囲内でその形態及び細部に種々の変更が
行われ得ることは当業者により理解されよう。

【図面の簡単な説明】

１４− 第１図は酸化挙動へのイツトリウム含有量変化の影響を
示す図である。 第２Ａ図、第２Ｂ図及び第２Ｃ図は種々のイツトリウム
含有量の合金で得られた酸化物モーフオ０シイを示す走
査電子顕微鏡写真である。 第３図は２０００下（１０９３℃）での酸化挙動へのク
ローム含有量の変化の影響を示す図である。 第４図は２１００下（１１４０℃）での酸化挙動へのク
ローム含有■の変化の影響を示す図である。 第５図は幾つかの合金の応力破壊挙動を示す図である。 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 代　　理　　人　　　弁　　理　　士　　　明　　石　
　昌　　毅ｒｌに、ｚ）４　　　　　　　　　　　　ｎ
Ｇ、１ＢＦＩＧ、Ｊ ０　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　リ（）。叫　Ｊ。ＯＯご＋−＝ｒ舅 伸ひ　・ん （自　発） 手続補正型 昭和５（あ、２月２７日 特許庁長官　若　杉　和　夫　　殿 １、事件の表示　　昭和５７年特許願第２０７４８７号
２、発明の名称　　ニッケル基超合金 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所　　アメリカ合衆国コネチカット州、ハートフォ
ード、フィナンシャル・プラグ　１ 名　称　　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポレイ
ション４、代理人 居　所　　〒１０４東京都中央区新川１丁目５番１９号
茅場町長岡ビル３階　電話５５１−４１７１］をｒ特願
昭５７−２０７４８８＠Ｊと補正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）５．８　−　７．８％　ＡＩ ８　　−１２　　％　ＭＯ ４−８％　Ｗ ２　　−４　　％　Ｃｒ １　　−２　　％　Ｔａ ０−０．３％　Ｈｆ ０．０１−　０．１％　Ｙ 残余　　　　　　　　　Ｎ１ かうなり＾い強度及び耐酸化性を有するニッケル基超合
   金。 （２）実質的に ６．３　−　７．３％　Ａ１ ８．５　−１１．５％　ＭＯ ５−７％　Ｗ ２．５　−　３．５％　Ｃｒ １　　−２　　％　Ｔａ ０−０．２％　　Ｈｆ ｏ、ｏｌ−ｏ、’ｏ７％　　Ｙ 残余　　　　　　　　　Ｎｉ からなる高強度・耐酸化性ニッケル基超合金。