JPS6053100B2 - ニツケル基スーパーアロイ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えばガスタービンのような、腐食性雰囲気
中の昇温下において使用する鋳造部品の製造に特に適当
なニッケル基のスーパーアロイに関する。

改善された高温特性を有する合金について、ガスタービ
ン製品による継続的な要求が広範な開発を持らしてきて
いる。

ニッケル基スーパーアロイの広範囲の高温特性を改良す
る１つの提案としては、炭素含量が比較的低いレベルで
保持される一方、ホウ素含量が０．０５および０．３％
の間（この含量は通常用いられるよりもかなり高い価で
ある）、好ましくはホウ素含量が０．２５％を越えなく
、最適には０．０５〜０．１５％の範囲となるように、
炭素およびホウ素含量を制御することてあつた。本発明
者は、あるニッケル基合金にて合金成分を注意深く制御
し、相互に厳密に相関させると、０．３％より多く１．
２％までのホウ素含量にて改良が得られるという驚くべ
き知見を得た。本発明によれば、重量で、１４〜２２％
のクロム、−５〜２５％のコバルト、１〜５％のタング
ステン、０．５％〜３％のタンタル、２〜５％のチタン
、１〜４．５％のアルミニウム（ただしチタンおよびア
ルミニウムの合計は４．５〜９％）、２％以下のニオブ
、０．３より多く１．２％までのホウ素、３．５％以下
のモリブデン、０．５％以下のジルコニウムおよび０．
１％以下の炭素を含有し、残部が不純物を別にしてニッ
ケルからなる、腐食雰囲気中の昇温下において使用する
鋳造部品の製造に適当なニッケル基スーパーアロイが提
供される。

本合金は良好な耐食性のために少くとも１４％のクロム
を含有しなければならないが、広範な高温度に供する際
に有害なシグマ相が形成されるおそ）れを最少にするた
めに２２％以下としなければならない。

好ましくは、クロム含量は１５〜２１％であり、例えば
１５〜１７％または１９〜２１％である。５〜２５％の
コバルトの合金中への存在は強度向上効果を有するが、
２５％を越えるコバルトではシグマ相・の形成が持らさ
れる。

好ましくは、コバルト含量は５〜２２％、例えば７〜２
０％である。タンタル、チタン、アルミニウムおよびニ
オブの存在も合金の強度向上効果を有する。

タンタルは少くとも０．５％存在しなければならず、好
ましくは０．８〜２．５％、例えば１．０〜２．０％と
するが、３％より多くなると脆化を来たす。ニオブは２
％までの量で存在することができ、少くとも０．２％ま
たは０．５％の量で存在することが好ましい。しかしな
がら２％より多くなると脆化の原因となるため、ニオブ
含量は１．５％を越えないことが好ましい。チタンおよ
びアルミニウム含量は、それらの合計が４．５〜９％で
好ましくは８．５％以下とし、それぞれの含量が２〜５
％および１〜４．５％の範囲としなければならない。

これらの元素が別個にまたは合計量において上述の最大
値より多くなると脆化を来たす。そして好適なチタン含
量は２．５〜４．５ｓ例えば３〜４％、好適なアルミニ
ウム含量は１．５〜４％、例えば１．８〜３．８％であ
る。最適な応力破壊特性のため、チタン、アルミニウム
、ニオブ、タンタルおよびクロム含量は、％Ｔｉ＋％Ａ
１＋％Ｎｂ＋０．５（％Ｔａ）＋０．２（％Ｃｒ）＝１
１．２〜１２．４のように相関することが好ましい。ホ
ウ素含量は合金の優れた特性のために重要であり、０．
３％より多い量で存在しなければならないが、１．２％
を越えるべきでない。この範囲外では応力破壊寿命特性
が減少するようになる。好ましくは、ホウ素含量は０．
４〜１％、例えば０．５〜１％である。このホウ素含量
と相まつて、炭素はできるかぎり低く保つべきであり、
０．１％を越えてならず、好ましくは０．０５％以下、
より好ましくは０．０３％以下とする。というのはこの
炭素も応力破壊寿命特性を減少させるからである。タン
グステンおよびモリブデンは、存在すると強度に寄与す
る。

タングステンは１〜５％の量で存在しなければならず、
好ましくは１．５〜４％、例えば１．８〜３％とし、モ
リブデンは３．５より多くの量で存在してはならない。
モリブデン含量は少くとも０．２％であつて、２％以下
とすることが好ましい。ジルコニウムは合金の強度およ
び延性を改善し、所望により０．５％を越えない量で存
在させ得る。適当なジルコニウム範囲は０．０１〜０．
３％であり、好ましくは０．０２〜０．２％である。イ
ットリウムまたはランタンまたはその両者は延性改善の
ために合計で０．２％まで存在してもよい。しかしなが
ら、０．２％より多くては不適当な延性を持らす。全体
にわたり、最適の特性のためには、ホウ素含量は０．６
％より多いことが好ましく、好ましい合金は７〜１０％
のコバルトとともに１５〜１７％のクロム、または１３
〜１７％のコバルトとともに１９〜２１％のクロム、２
．１〜２．８％のタングステン、１．４〜２．０％のタ
ンタル、３．２〜４．０％のチタン、２．２〜３．８％
のアルミニウム、０．５〜１．５％のニオブ、０．６〜
１．０％のホウ素、０．２〜２．０％のモリブデン、０
．０３〜０．０８％のジルコニウム、および０．０３％
以下の炭素、残部ニッケルを含有するものである。

さらに、最も好ましい合金においては、前述したチタン
、アルミニウム、ニオブ、タンタルおよびクロムの相関
関係を適用すべきてある。不純物として存在する元素に
ついて、ケイ素は耐食性に有害な結果を有し、１％より
低くおさえるべきであり、好ましくは０．５％より低く
する。

他の不純物はこのタイプの合金と通常関係があり、その
特性に有害な影響を有さない付随的元素とともに、１％
までのマンガンおよび３％までの鉄を含有してもよい。
本発明合金の完全な応力破壊特性を発揮させるために、
合金を溶体化処理およびその後に時効することからなる
熱処理に供すべきである。

溶体化処理は１１００〜１１８（代）の温度範囲で１〜
１満間加熱することが望ましく、そして本合金はその後
８００〜９００′Ｃの温度範囲で８〜４満間加熱する時
効にかけるようにする。望ましくは、最終的な単段の時
効処理は、９００〜１００（代）の温度範囲で４〜２４
時間加熱し、続いて７００〜８００℃の温度範囲で８〜
４８時間加熱することからなる２段階時効処理するよう
にしてもよい。各熱処理段階後の冷却は適宜の速度で行
つてもよく、一般には空冷が適当である。熱処理した状
態において、本発明合金は、クロム含量の増加である程
度減少する最小の応力破壊寿命を有する。

このように１５〜１７％のクロム含量では本合金は５５
０Ｎ／Ｗｌｌｔおよび７６０℃で少くとも２６叫間の応
力破壊寿命を有し、１９〜２１％のクロム含量では５５
０Ｎ／Ｔｄおよび７６０℃で少くとも２００時間の応力
破壊寿命を有する。しかしながら、最も好ましい合金の
場合、高めのクロム含量で最良の結果が得られることが
本発明の驚くべき特徴であることに注意すべきである。
本発明合金が耐食性とともに応力破壊特性を含む特性の
優れた組合せを有する事実は特に以下の実施例により説
明する。第１表に示す組成の合金を真空溶解し、テーパ
ーのついた盲試験棒に真空鋳造し、それから試験片を機
械加工した。

試験片の機械加工に先だち、合金Ａおよび合金１〜４に
関する盲棒は１１２１℃で２時間溶体化処理し、空冷し
、そして８４３℃で２４時間時効し、空冷する熱処理を
、そして合金Ｂｌ５および６に関する盲棒は１１６０℃
で４時間溶体化処理し、空冷し、８５０℃で１峙間時効
し、そして空冷する熱処理を施した。熱処理した後の試
験片は、その後種々の応力破壊試験に供した。その結果
を第２表に示す。第１表および第２表中、合金１〜６は
本発明に係るもので、合金ＡおよびＢは本発明範囲外の
比較合金である。第２表の結果から、低めのクロム含量
の合金１〜４は適用した試験条件の全ての範囲にわたり
合金Ａよりも良好な応力破壊寿命および延び特性を有す
るものであつたことがわかる。

同様に高めのクロム含量の合金５および６も適用した試
験条件で合金Ｂよりも良好な応力破壊寿命および延び特
性を有するものであつた。公称１６％のクロムを含有す
る低めのクロム含量合金１〜４を考察すると、第２表の
結果から、応力破壊特性は、５５０Ｎ／ｄ、７６０゜Ｃ
でホウ素含量の増加とともに増加し、３３０Ｎ／Ｉｌ８
ｌ６℃て約０．６０％のホウ素のところでピークを有し
、２２８Ｎ／Ｉｌ９２ｒｃで全てのホウ素範囲にわたり
概して良好であることがわかる。

公称２０％のクロムを含有する高めのクロム含量合金５
および６は０．８０％までのホウ素含量の増加て改善さ
れた応力破壊特性を示した。このように最適の応力破壊
特性のためには、本発明合金は０．４、好ましくは０．
５から１．０％のホウ素を含有すべきである。さらに他
の試験を、合金７（本発明の好ましい合金）の特性を公
知の合金（合金Ｃ．．ＩＮ−７９２の名称て利用される
）と比較することて行つた。

両合金の組成は第３表に示す通りてある。試験片は真空
溶解し、それから試験片が機械加工されるテーパーのつ
いた盲試験棒に真空鋳造した。これらの新たな試験に使
用した熱処理は、機械加工に先だち、１１５０℃で４時
間溶体化処理し、空冷し、続いて８５０℃で托時間時効
し、空冷することからなる簡単な２段階熱処理を施した
。熱処理した試験片はその後種々の標準応力破壊試験に
供した。

その結果を第４表に示す。合金７の２つの異なる加熱が
これらの試験に使用されたことに注意すべきであり、そ
れは加熱を各個別の試験に適用した第４表において示さ
れている。

これらの後者の試験結果は、一般に本発明の合金７が特
に低めの温度、例えば７６００Ｃにおいて合金Ｃ（ＩＮ
−７９２）と少くとも同等てあり、多くの場合それより
も優れた強度、それは従来から常に極めて強度のある合
金と考えられていた強度を有することを立証するもので
ある。

さらに、合金７の延性（延びの数値の比較に基づいて）
は、合金７の強度がより優れている７６０℃の場合を除
き、概して合金Ｃのそれと同等である。合金７のこれら
応力破壊試験特性と、ＩＮ−１００の名称で市販されて
いる他の商業的合金の公表されているデータとの比較も
７６０℃における合金７の優秀さを、そして８１６℃、
９２７℃および９８０℃においても少くとも同等である
ことを示すものである。

本発明合金の高強度に加えて、本合金の高い耐食性によ
つても特徴づけられるものである。

この事実は合金７の標準サイズの円筒状試料を２５％塩
化ナトリウム、７５％硫酸ナトリウム溶液に浸漬するる
つぼ試験によつて立証される。塩浴中に９００℃で３０
叫間浸漬し、１５０時間後の最初の試験では、脱スケー
ル後の試料の重量損失は２Ｔｎ９／Ｃｌｌ程度の低い値
であつた。

同一温度で、塩が２柵間毎に満たされるより可酷な試験
でも、重量損失は１６ｍ９／ｄで極めて低い値であつた
。比較によると、比較合金Ｃ（ＩＮ−７９２）は８５０
℃における試験でわずか酩時間後に極めて望ましくない
程、すなわち重量損失が５６２ｍ９／Ｃｌｌとなる如く
浸食された。本発明合金は、ガスタービンエンジン部品
、例えばローターまたは静止ブレードおよびインテグラ
リイ ブレーデイド ディスク（Ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ
ｂｌａｄｅｄｄｉｓｃｓ）のような高温度使用に鋳造ま
たは加工形態において使用し得る。

本合金の諸特性を向上させるための上述の熱処理は、こ
のタイプの合金に適当であることが知られている他のよ
り複雑な処理により補い得る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量で、１４〜２２％のクロム、５〜２５％のコバ
   ルト、１〜５％のタングステン、０．５％〜３％のタン
   タル、２〜５％のチタン、１〜４．５％のアルミニウム
   （ただしチタンおよびアルミニウムの合計は４．５〜９
   ％）、２％以下のニオブ、０．３より多く１．２％まで
   のホウ素、３．５％以下のモリブデン、０．５％以下の
   ジルコニウム、および０．１％以下の炭素を含有し、残
   部が不純物を別にしてニッケルからなる、腐食雰囲気中
   の昇温下において使用する鋳造部品の製造に適当なニッ
   ケル基スーパーアロイ。 ２ ホウ素含量が少くとも０．４％である特許請求の範
   囲第１項記載の合金。 ３ ホウ素含量が１％を越えない特許請求の範囲第１項
   または第２項記載の合金。 ４ ホウ素含量が少くとも０．５％である特許請求の範
   囲第２項または第３項記載の合金。 ５ 炭素含量が０．０５％を越えない特許請求の範囲第
   １項乃至第４項のいずれかに記載の合金。 ６ クロム含量が１５〜２１％である特許請求の範囲第
   １項乃至第５項のいずれかに記載の合金。 ７ クロム含量が１７％を越えない特許請求の範囲第６
   項記載の合金。 ８ クロム含量が少くとも１９％である特許請求の範囲
   第６項記載の合金。 ９ コバルト含量が５〜２２％である特許請求の範囲第
   １項乃至第８項のいずれかに記載の合金。 １０ タンタル含量が０．８〜２．５％である特許請求
   の範囲第１項乃至第９項のいずれかに記載の合金。 １１ 合金が少くとも０．５％のニオブを含有する特許
   請求の範囲第１項乃至第１０項のいずれかに記載の合金
   。 １２ チタン含量が２．５〜４．５％である特許請求の
   範囲第１項乃至第１１項のいずれかに記載の合金。 １３ アルミニウム含量が１．５〜４％である特許請求
   の範囲第１項乃至第１２項のいずれかに記載の合金。 １４ チタン、アルミニウム、ニオブ、タンタルおよび
   クロム含量が、％Ｔｉ＋％Ａｌ＋％Ｎｂ＋０．５（％Ｔ
   ａ）＋０．２（％Ｃｒ）＝１１．２〜１２．４のように
   相関される特許請求の範囲第１項乃至第１３項のいずれ
   かに記載の合金。 １５ タングステン含量が１．５〜４％である特許請求
   の範囲第１項乃至第１４項のいずれかに記載の合金。 １６ モリブデンが０．２〜２％の量で存在する特許請
   求の範囲第１項乃至第１５項のいずれかに記載の合金。 １７ ジルコニウムが０．０１〜０．３％の量で存在す
   る特許請求の範囲第１項乃至第１６項のいずれかに記載
   の合金。１８ １５〜１７％のクロム、７〜１０％のコ
   バルト、２．１〜２．８％のタングステン、１．４〜２
   ．０％のタンタル、３．２〜４％のチタン、２．２〜３
   ．８％のアルミニウム、０．５〜１．５％のニオブ、０
   ．６〜１．０％のホウ素、０．２〜２．０％のモリブデ
   ン、０．０３〜０．０８％のジルコニウム、および０．
   ０３％以下の炭素を含有する特許請求の範囲第１項記載
   の合金。 １９ １９〜２１％のクロム、１３〜１７％のコバルト
   、２．１〜２．８％のタングステン、１．４〜２．０％
   のタンタル、３．２〜４．０％のチタン、２．２〜３．
   ８％のアルミニウム、０．５〜１．５％のニオブ、０．
   ６〜１．０％のホウ素、０．２〜２．０％のモリブデン
   、０．０３〜０．０８％のジルコニウム、および０．０
   ３％以下の炭素を含有する特許請求の範囲第１項記載の
   合金。