JPS60184657A - 高強度及び耐食性を有するニッケル基単結晶超合金物品及びその製造方法 - 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、高温に於°

【良い１幾械的性質を有し、且高
温腐食に対する耐性を右する、ニッケルをベースとした
超合金の分野に係る。 ガスタービンエンジンの効率にヌ・ｊリ−る要求が増し
たことから、にり苛酷な操作条イ′１に耐えられるよう
な物品がめＩうれるよ−）に１．「つた。特に、一部の
用途に於Ｃは、これ：ｊ、ｒ以１の強磨とＩＩ′Ｘｌ温
Ｉｔバ食にλ・ｊす“る耐性とがめられＣいる。 米Ｉ工１特ム′Ｆ第第３．４９／１．７０９弓【よ、向
上しｌζ特性を右Ｊる単結晶形のガスタービン物品の１
ｊｌ迄についＣｊホベている。米国特許第３．５６７゜
５２６号は、単結晶超合金物品より炭素を実？′！１的
に除去りることにより、特定の機械的性質がり１０Ｉｉ
ｊに改善されるかについで述べＣいる。米国特許第４．
１１６．７２３号は、その特性を向」−さＵるために単
結晶超合金物品に対して適用することの可能な熱処即に
つい−Ｃ述べているδ米１１４特ｉ’ｌ第３゜６１９．
１８２＠は秀れた耐腐食性をｈ？ｌる、１Ｎ７９２イＶ
る商品名Ｃ知られ（いる、適を良な強電の超合金につい
（述べ（いる。１９８１年１２月３（０１出願の米国特
ｊｌｌ出願第３２３６，００２号は中結晶形の、炭素を
含Ｊ、ないＩ　Ｎ　７９２　ｔ“！組成物を作ること（
ごリーリ、その機械的性ｙ（１が予想もしなか−）たＲ
１バ１くぺさ向１を示りことを明らかにしでいる。米国
特、ｌ’ｌ第、’３．６　’Ｉ　９．　’１８２２ｊ及
び共イ］米用１：Ｉｌ＋’ｌ　！１．ｉ　ｌｊ！Ｉｆ第
、”５３６　、００’２弓の内容は、木明＃ｌｌｌ　’
；Ｑ中に組込まれるしのとりる。 本発明（よ、炭砕２．１ｌＩＩＩ素１、シル：Ｉニウム
及σハノーパノム雪の微ト１１元素か甲結晶体としく商
品化されＣいる合金のＩ１１？ＴにとのＪ、−）ｔ１影
響を及はりかをｒｉｌｌ究することににり成された。（
これらの微ωに累の主Ｉこる作１１目′、１１、結晶粒
９．ｔの強化に関つＣいるように思われる。）米国特且
１出願第３３６，００２月に述べＪうれ（゛いるＪ、う
に、ｌＮ７９２としく知Ｃうれ（°いる合金の単結晶（
１目シ結晶粒界の強化され−（いないしの）としての製
造（米国特Ｗ１第３．６１９，１０２号に述べられ（い
る）により、；；■械的ｉＩ＋　ｖｉが予想ししなかっ
たほど大幅に自重Ｊることが、既に分っている。この場
合の１１１結晶１Ｎ７９２物品は、炭素も硼素らジルコ
ニウムもハフニウムも意図的な添加物ではなかった。Ｉ
Ｎ’７９２に於（プる微量元素の影響を研究している−
うらに、単結晶Ｉ　Ｎ　７９２に微量の、即ら０．１０
車吊％の炭素を加えることにより、この物品の耐高温腐
食性は大幅に向上りるものの、同時に機械的性質は大幅
に低下してしまうことがルｚめられた。 耐高温腐食性の向上は全く予Ｊ！ＩＩ　シ＜’Ｋかった
ことであり、その理由も理解できない。（ｉｌ＋究の次
の段階どしで、県木となるＩ　Ｎ　７９２．ＩＮ、ｌ酸
物に対し、添加された炭素と関連付けつつタンタルを添
加することが成され、タンタルと炭素の添加量が炭化タ
ンタルを形成するよう炭素と関連付（］られて釣合って
いるときに、機械的性質も耐高温腐食１！Ｉも共に向上
することが発見された。 本出願中のパーセント値は、特に断らない限り、全て重
量％の俯である。 木ブを明は、９．５〜１４％クロ１８．７へパ１１％コ
バル］−１１〜２．５％モリブデン、３〜６％タンゲス
ラーン、１・−・１％タンタル、３〜４％アルミニウ１
１、：３・〜Ｊ　’１０ブタニウム、６．５・〜・８％
シフルミーウム１ブターウ１１、残部実質的にニツ々ル
の組成をイｊし、０．０５〜０．１５％の炭素と、更に
その伏索ｍの７〜１７倍の追加のタンタルとを添加され
た中結晶体の形にＪ、る機械的性質と耐高ＷＩＭ腐食性
どが改ｉ！ｔされｌζ合金に係る。タンタルど炭素トの
相合ｔ！（よ、体積割合にして約０．４乃至約’ｌ　、
　５　′）ｆ、稈のｐＪ化タンタルに丼く層の目に見え
イｌ　ｆＡ：　Ｉｉ′ｆをＩｊえる。タンタルと炭”素
とを！フの吊を関連付りつつ添加Ｊることにより、炭素
す追加タンタルし添１１１１　Ｌ、ない単結晶ｌＮ７９
２と比較し−４，１％クリーノ゛メＩ命を２．６・〜３
．１１８（即ら少なくとｂ２イＩｓ）、耐高渦部ｆ’、
Ｈ’ｌ　ｔ　２　、４１８　（［１１も少なくとも２倍
）向上りることかて゛きる。。 本発明の組成【：１１、本明細ｆｌｆ中に引用され（−
いる米国特、メ１第３，７００，０２３弓、第３，７６
３゜９２６ｊ’３及び第１１．１９０．０９／Ｉシコを
含め、幾つらの従来技術の教える所゛にもｒ　−、＞　
’（、甲結晶体＜＝鋳ｊ告りることが（さる□ａ）ｃ−
ある。！Ｉ１遍型的な例どしＣは、鋳造方向はこの物品
の主応力軸に平行なく１００＞軸とされる。本組成はｑ
連結晶形に鋳造された後、本川ｔＪｌｌ書中に組込まれ
るーｂのどする米国特ｎ第４．１１６．７２３ｇの教え
るところにより、ガンマ・プライム粒子の大きさを調整
゛りることにより機械的性質を改善すべく、熱処理され
、合金の機械的性質が改善されるべきものである。 その他の特徴や利貞は、本発明の一つの実施例についで
述べる訂−ＩＩＩな説明と特許請求の範囲の記載により
明らかＣ゛あろう。本発明を十分に理解するために、添
イリした図面を参照されたい。 本発明は、ｌＮ７９２なる商品名で知られている合金（
これはそもそも結晶粒界強化元素を有しないものである
）に、炭素と追加のタンタルとを！ｌの川を関連付【ノ
つつ添加し、この修正された組成物を単結晶体に作るこ
とである。ここで炭素のｔ■ｉは０．０５〜０．１５％
とし、追加のタンタル１よごれを１度ＴａＣ１を形成す
るようなｍとされる。 ＩＮ７℃）２の４１本組成は１、米国特訂第３，６１９
゜１８２号に）ｄ（べられている。この特ｎにＪ：る組
成が、通常は単結晶物品には加えられない、あまりΦ要
でない元素を除くという点に関しＣだｔノ修１−される
ａ　（米国性８′「第４．１．１６，７２３号及び第３
，５６７、、’５２６号を参照されたい３．）その結果
と１ノ（−１絹或は９．５〜Ｉ／１％り［１ム、７へ・
１１　′）（、７１バルト、１〜２．！□５％しリブア
ン、ご３・〜６９６タングスラーン、１へ’／Ｉ９’Ｏ
タンタル、３〜４％）′ルミニラ１１、ご３・−・５９
（、：ｆ−タニウム、ここ（アルミニウムとヂターウム
の合８１は約６．５ノリ〒約８９６とし、１％以トの二
Ａ〕、残部実ｖ′１的にニラゲル、どイにる。 この組成に対し、約０．０５乃〒約（）、１芝）９６の
疾崇、望Ｊ１、シフ（よ約ｆ１）　、　０７ノリ２１′
：約（１、’Ｉ　２０）ｊφＪ索が加えｒうれる。Ｉｕ
４県添加と関連さ１１つつタンタル添加もＪ、１．、：
行われイ「（）れはイｉらく１い。添加炭水と釣合っ（
炭化タンタルを構成りるようなタンタルの＜ｒＨｒ）１
は、１φｊ　’；’ｌ’：添加行１のＱ１ｈ１バーはン
１〜値のＩ’Ｊ　１　り　Ｉ＋’ｔにあＩこる、１しか
しながら、炭素Ｒ目こ対りるタンタルｆｉｌの比：ｆ′
（１）　Ｒ囲（３１これより広り、炭素含イｌｊ　ｆｆ
ｉ＋１の約７乃１ゝ１７１１°τ、その−）り）望まし
くけ約１２乃至約１６倍Ｃある。結果としＵ　１ｔ７ら
れる絹或は、米国性ｒ［第３，６１６，１８２号に於（
ｌＮ７９２の構成として提示されたものと同じく但しＣ
，Ｂ、Ｚｒ、又（よト１ｆを含まない）であり、これは
約０．４乃至約１．５体積パーレン１〜の−１−ａＣ型
粒子を含んでいる。これらの粒子（、）１、Ｉｊ向１ｇ
をもって固化した組織４１４造内にあっ−Ｃランタムな
ＩＪ向を向いている。 ｌＮ７９２に対し本発明の変更を加えることによつ（と
のよう（２利点が１！１られるかは表に示され”（いる
。表中に示されでいるデータは、晋通にｔ］１ｊヒｉさ
れ商品化され−ＣいるＩ　Ｎ　７９２　、　ＩＡ索を添
加されない！１結晶のｌＮ７９２　（米国特訂出願第３
３６．００２号に提示されでいるもの）　’ｔ　’０　
、１９６の炭素を含む合金Ｉ　Ｎ　７９２の単結晶物品
、及び本発明による物品、即ら合金ｌＮ７９２を基礎と
しながら０．０７％の炭素と４．０５％の通常のタンタ
ルと炭素添加と釣合わせるための約１゜０５％に等しい
川の追加のタンタルとが添加されている単結晶物品、に
対して成された測定ににつ（得られたしの（ある１、試
験され〕（本発明物品の構成は、１１．８％Ｏｒ、４．
０％Ｗ、５．１％下ａ、３，７％△１．１１．２％−ｒ
＋　、９．ｏ％ＣＤ　、　１　、９　Ｃ５％Ｍｏ　、０
．０７％Ｃ１残部Ｎｉ１（ある。この物品はｔｌ、を結
晶体にＭ造され、′１２４６℃（２２７５丁）に於（’
　４１１５間の溶１木化処理が行イｆわれ、１１２１”
Ｃ（２０５０下〉に於て４時間かりＵ　Ｉｌ’ｊ効処理
された。通常の１Ｎ７９２についＣは初期１５１；解を
生じることイ１く溶体化処理するごどがｌさ４１か・）
たか、令（の４Ａわ１が同様の熱処理にｆ；Ｉされた。 表Ｉ　ＩＪ　、　８７　”ｌ　”（、：　（１６００下
）にメｉ”（、”３７９．２２１ｖｌｌ’ｒ＋　（５５
Ｋｓｉ）の圧力を加えたどさ、及び９　Ｂ　２　”Ｃ（
’Ｉε３００下）に於て１７２、３７ｆｖｌＰａ　（２
５１＜Ｓｉ）　（１）圧力を加えたどきに、１％のクリ
ーノ゛を生り゛るまでの時間を示している９、１波１０
１ノｉ命に対しＵ　６同様のデータが冑１）れ、また８
９９°゛Ｃ（１（’ｒ　ｂ　Ｏ下）に於（）る耐高＞Ｎ
Ａ　１ｌｊ８食１１１のデータｂ示され又いる１、腐食
試験は、８９９’０（１６５０下）に於て、ジ■ツｌ−
へ燃別に２０旧）■の△ＳＩＭ食塩と、燃料中に１．３
％に相当−りる硫黄含有、吊を生り゛るのに十分な吊の
一酸化硫黄を含むものを空燃比３０　：　１に−Ｃ燃焼
ざＵて生じた腐蝕性ガスの中で行われた。表示されでい
る数値は、２５．　／４μｒｎ（１ｍｉｌ＞の腐食痕を
生ずるために必要な露呈時間数を示しＣいる。 機械的性質に関して言えば、通常の多結晶鋳造から単結
晶鋳造へと鋳造技術を変更することにＪ、る特性の変化
は大幅なものであって、それは６〜１６（ｒｉ程度にま
Ｃなるということが解る。ｔｈ造方式の変更ににつ゛（
耐腐食性が低１；するということｂｌまた認められる。 単結晶ｌＮ７９２から単結晶ｌＮ７９２＋炭素に移るこ
とにより、耐１１ハ食竹はかなり向上するが、機械的性
質は大幅に低下し、炭素添加単結晶ｌＮ７９２の機械的
特性は通常方式で鋳造されたｌＮ７９．２のそれと同程
度になつｒ　Ｌまうということが認められる。炭素添加
単結晶ｌＮ７９２物品の微小構造を調べることにより、
固化した構造の中に、炭素がランダムにｌｊ向イ」番］
られた炭化タンタルの形で存在しでいることが解った。 他の合金成分は、Ｔａ、Ｃの相に少しばかり影彎しくい
るかししれない。タンタル（よ固容体強化元素どしく知
られ（いるのｃ−′、炭化タンタルの形成（，１，タン
タルの強化剤としくの効果を弱められるのではないかと
いうことが仮説としく立°（られＩζ。このｌ１ｍ　＋
ｒ夕２を験８１［す゛るＩこめに、通常のｌＮ７９２物
品と＋ｉｉｌ稈ｊｍにまで同容体中のタンタル含有量が
回復り゛るよう、余分のタンタルが添加された。 その結果は表に示されており、炭素どの釣合い以上のタ
ンタルを加えることによって機械的性質が大幅に向］ニ
ジ、耐腐食（１１か通常のｌＮ７９２と同稈１１１まて
゛には低下しイｒいことが認められる。耐鴎良１４１は
低トし【、１りるｂのの、本発明のη１１成による変更
されＩどＩ　Ｎ　７９２物品の耐腐１１？目、工、イれ
（゛ｂ尚通常のｌ　Ｎ　７９２物品の耐＋ｔ＋Ｓ食１１
１と同程度のむ）の（ある。 表１のデータは、表１１を作成りるりとなっている。表
ＩＩは、異くτる紺成り異なる環境条ｆ′１につい−Ｃ
表■に掲ＧＪられくいるデータに基いｃｌそれぞれの間
の比率を示すものぐある。ここｒＡ行は、炭素を含まる
「い単結晶ｌＮ７９２と炭素を含む通常方式′Ｃ鋳造さ
れたｌ　Ｎ　７９２との間の、特性１１１“１の比率ぐ
ある。Ａ行を見れば、米国特許出願第３３６．００２号
によっ−Ｃ提案された発明（即ら、炭素、硼素、ジルコ
ニウム又はハフニウムを含まないｌＮ７９２単結晶の製
造・）は１幾械的性ｖ１を若しく改良しはり−るものの
、−プｊでは耐高）品腐食性を低下さＵてしまうという
ことが解る。Ｂ行は、炭素を含むが追加タンタルを含ま
ない単結晶ｌＮ７９２と炭素を含む通常方式で鋳造され
たｌＮ７９２との間の、特性値の比率を示している。こ
れｒうの比率を見れば、炭素を含む単結晶ｌＮ７９２は
、通常Ｈ造方式のｌＮ７９２と同等の耐高温腐食性をイ
ｊし、機械的性質は改善されＣいることが解る。この点
番よ０行に於て更に明らかにされ（°おり、ここでは炭
素を含むが追加タンタルを含まない単結晶ｌＮ７９２と
炭素を含まない単結晶ｌＮ７９２との間の、特性値の比
率が示されている。 単結晶ｌＮ７９２に炭素のみを添加すると、耐高温腐食
性は大幅に向上づるが、機械的性質は大きく低下してし
まうことが解る。Ｄ行は、本発明物品（単結晶Ｉ　Ｎ　
７９２＋ｌ−ａ　＋Ｃ）と通常鋳造り式にＪ、る炭素を
含む１Ｎ７９２との比較を示してい“Ｃ１単結晶＃Ｉ造
と共にタンタルと炭素とを関連（＝Ｊりつつ添加するこ
とにＪ：っ（、従来の物品に比較して機械的性−質が著
しく向上η−ることは明らかぐある３１機械的特性値は
１７．１乃至２４．７（８の範囲（増大するが、〜ノ）
耐腐食性は実質的に同等Ｃある。Ｅ行は、本発明による
タンタルも炭素ち其に含む単結晶ｌＮ７９２と炭素のみ
をａむ単結晶ｌＮ７９２との間の比率を示しくいる１１
本発明に従っ（１ｙ１連（＝Ｊりられた￥のタンタルを
添加づることにＪ：る効果は、１Ｆｌｔ械的特性を４．
１乃金１１１８の範囲（゛大幅に向トさけ、耐１１パ食
性はほんの咋かに低下さｌるのみＣあることか解るｏ　
ｈｕ後の行、１行は、本発明物品（タンタルと／ｊ２累
とを共に含む単結晶Ｉ　Ｎ　７９２　）ど、米国特ム′
）出願第３３６．００２号の主題どなっている、意図的
には１匁索を含】１、せく−いない単結晶ｌＮ７９２と
の間の比達′を示しくいる。１行の比率によって、炭素
とタンタルとをｆ１的に関連（＝Ｊりっつ添７１１しす
ることにより、１％クリープスＩ命が平均２．８５倍（
即ち少なくとも２倍）増大すると共に、耐腐食性を２゜
４倍（即ち、少なくとも２倍〉の比率Ｃ増大さｌること
が解る。本発明によって冑られ、表Ｈに示されている有
益な結果は、当分野に於（〕るどのにつな従来技術５か
らも予測できなかったものであり、結果とし−Ｃ４！？
られる合金は、極め−（有用な特性を有している。 第１図及び第２図は、本発明に基く変更を加えたｌＮ７
９２物品と、そのような変更を加えないＩ　Ｎ　７９２
物品の、顕微鏡写真である。 両図面に於Ｃ黒い円形に写っているのは、実験乍に於（
〕る、あまり理想的とは占えない加圧にＪ、り牛じた空
隙Ｃある。第１図は、炭素を含まないＩ　Ｎ　７９２　
ｘ＋を結晶物品の微細４．Ｍ　造である。炭化タンタル
相は殆ど見えない程の帛ぐある。第２図１．、−Ｌ、本
発明に従って変更されたＩ　Ｎ　７９２物品、即ら０．
０７％の炭素と、これと組合わされた約１゜０５％の追
加タンタルを含む物品、の微細４Ｍ　１＜”ｊを示−Ｊ
−ｏ炭素とタンタルのこの組合せによって、ばば０．５
体積％の炭化タンタル化が生じ、これは１２力里に見つ
Ｇ′Ｊることができる。 本発明は、木、明ａｌｌ　ｆｆｉ中に、脱明された特定
の丈茄例に限定されるｂの（”　ｌ。Ｌ　＜ｔ　＜　、
　４’ｌ　ｉ＋’ｌ請求の範囲にＪ、−）（定義される
。この新規なＩＩＩ（念の範囲を超えることなく、種々
の変化や変更がｉＪ　０１：ぐあることを理解されたい
。 ４、図面のｖ；）甲４４．ｉヅ２明 第１図（Ｊ炭素を含；１、本いｉｌ！　Ｉｌ’、ｌ晶Ｉ
　Ｎ　７　’）　２物品の顕微鏡７−ｔ：貞（ある。 第２図ｉ；ｔ　、炭素及び）ｃ１加クンタルを含む単１
ｉ−晶Ｉ　Ｎ　７　’）　２物品の顕微鏡写Ｌ“ｉ　Ｃ
ｄする。 字、’＋　１ｌｆｆ出願人　−ノノイーノッ１−・ｉク
ツ１−１シーズ・］］Ｉ−ポ１２ノイショ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （′１）組成が実に′（的に ｇ、！′）・〜１４９６り１１ム ７〜パ１１％：１バルト ′１・〜２．５％しりｆデン ３へ・６％タングスデン ′１・〜４％タンタル ３〜４％）ノルミニラム ３−・５％チタニウム ６．５・−８％アルミニウム」−チタニウムＯ〜１％二
   Ａプ 外部実費的にニツウル （ある７１−リックスを含み、該７トリンクスは約０、
   −１乃ｒ１．５（Ａ積％の法化タンタルに基く相を含み
   、同一のマリ１〜ツクスを有りるが炭化タンタル成分を
   怠図的には含まない同様の物品と仕軸して、８９９℃（
   １６５０下）で測定しで少なくとも２倍の耐高温病食性
   を右し、８７１℃／３７９、’２２ＭＰａ　（１６００
   °Ｆ１５５Ｋｓｉ＞でＩＩ！Ｉ定しで少なくとも２　（
   ６の１％クリープ寿命を有りることを特徴する高強度及
   び耐腐食性をイ１づるニッケル基単結晶超合金物品。 く２）前記マトリックスの組成が実質的に１０〜１４％
   Ｃｒ ８〜１０％Ｑ。 １−２．５％Ｍ。 ３へ一５％Ｗ ３〜５％Ｔ： 残７４１１ニッケル ぐあることを特徴とする特ムリ請求の範囲第１項に記載
   された物品。 （３）炭化タンタル成分の含有率が約０．４乃至約１，
   ５体積％であることを特徴とする特泊請求の範囲第１項
   に記載された物品。 （４）約０．０５乃至約０．１５％の炭素とこれど共に
   炭素添加量の１乃至１７倍の■のタンタルを添加し、こ
   れにより”（゛結果として得られる物品の強庭及び耐高
   温１１’Ｊ　良性が大幅に改善されることを特徴とりる
   −１その組成が、 ９．５〜１４％りＬ１ム ７−１１％］パル１〜 １−２．５％しリブデン ；３・−６％タングステン １−４％タンタル ３・〜・４％アルミニウ１１ ３−５％チタニウム ６．５”−８％ツノルミニウム１−チタニウム０〜１９
   ６ニオプ 残部実質的にニッケル の範囲に含Ｊ、れる物品を単結晶形に鋳造し′ＣＩ！′
   ！ｉ強１１′１耐高ｆｆｆ　ＩＩＢ食性物品を製造する
   方法。 （５）その初１ｉ１Ｊ絹成が １０〜１４％Ｃ１ ８・〜・１０％Ｃ。 ′１〜２．５％ＭＯ ３〜５％Ｗ ３〜５％′１−１ 残部実質的にニッケル の範囲に含まれることを特徴とする特１１請求の範囲第
   ４項に記載された方法。 （６）炭素添加バ１が約０．０７乃至約０．１２％であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１＋３兵に記載さ
   れた方法。 （７）タンタル添加■が炭素添加量の約１２乃至約１６
   倍であることを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載
   された方法。 （８）組成が実質的に ９．５・〜１４％クロム ７〜１１％コバルト ト〜２．５％モリブデン ３〜６％タングスデン １〜４％タンタル ３〜４％アルミニウム ３・−５％チタニウム ６．５〜８％アルミニウムー１−チタニウム０へ・１％
   ニオブ ０．０５〜０．１５％炭素 １〜ｂ 残部実７１的にニツリル である、高強麿耐高瀧腐食性甲結晶物品の製造に適した
   組成物。 （９）炭素成分が約０．０７乃芋約０．１２％ぐあるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第８項に記載され！、：
   組成物。 （１０）タンタル成分か（２へ・４％）Ｉ（１２−１６
   ）Ｘ（伏崇％）（（ｂることを１！１徴どりる、１１Ｅ
   みＴ　請求の９・む間第８ＪＩ″ｉに１．［；載された
   組成物。 （１１〉組成か １０−１　’Ｉ　％　Ｃｒ Ｆｉへ・１０９６　Ｃ（１ １・・・２．１）％ｌｙｌ　（＋ ３・・・Ｆ５％Ｗ ３・〜・５５％１１ （２・〜・４％）　＋　（’１２・〜１５）ｘ（炭素％
   ）残部実°Ｃ１］的にニッケル （４９イ）ことを特徴とする特ｉ’ｒ　請求の範囲第８
   １ｒｒに記載された組成物。