JPS6140024B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、長い連続的運転の条件下の高応
力、高温度使用のための単結晶合金に関するもの
である。 この種類の合金は、高疲労および高クリープ強
度と組合わせられた酸化および高温腐食に対する
抵抗が重要であるところのタービン ブレード技
術において特に重要である。これらの合金は普通
「超合金（superalloy）」と呼ばれる。 単結晶部品を鋳造するための合金の概念は数年
前に発展させられ、その発展の一部は米国特許第
3494709号、第4116723号、第4209348号に開示さ
れている。これらの合金に加えて、１つ以外のす
べて結晶構造の成長を防止する単結晶合金部品の
鋳造に関するプロセス技術が開発されてきた。そ
のような技術に含まれる技法はこの発明の一部を
なすものではなく、この発明はそのような技法と
共に使用されうる合金の開発である。 単結晶合金部品の製造においては、部品は最初
に単結晶技術に適した合金から鋳造される。鋳物
凝固中鋳型空隙内で１つの結晶のみが形成するの
を保証するためのプロセス技法が使用され、これ
は実際にはタービン ブレードのような鋳造部品
を形成するものである。しかしながら、得られる
単結晶鋳物はその元素の一部の実質的な「コアリ
ング（coring）」（樹枝状偏析）のために均質では
ない。この状態を除去するために、鋳物は次に熱
処理される。熱処理において、鋳物は十分に高い
温度に加熱され、一次ガンマ ブライム（γ′）
強化析出物の全部および共晶の一部が溶解するよ
うしなければならない。 しかしながら、この温度は鋳物が溶融し始める
温度すなわち初融点より低いものでなければなら
ない。これが達成されうる温度範囲は「熱処理窓
（heet treatment window）」と呼ぶことができ
る。この「窓」が広いほど、初溶融を起こすこと
なく一次ガンマ プライムの全部および共晶の一
部を溶解するために熱処理が成功する可能性が大
きい。最終鋳物中の一次ガンマ ブライムの全部
の溶解に失敗する程度に応じて高温強度の低減が
あことになる。初融点に達した場合には、空隙形
成に起因する延性の損失および早期クリープおよ
び疲労故障の可能性がある。 従来開発された単結晶合金はすべて望ましくな
い特性を有するものであつた。それらが良好な酸
化および腐食抵抗と結合された高温疲労およびク
リープに対する所望抵抗を有するものであつた場
合には、それらは非常に狭い熱処理「窓」を有
し、したがつてそれらは生産規模における熱処理
を実施することは実質的に不可能でありかつ信頼
すべき反復性を欠くものであつた。熱処理「窓」
を広げる試みがなされたときには、合金の１つは
高温相不安定性を発達させ、その結果としてアル
フアタングステンの板状／針状相。アルフアクロ
ムおよびミユー（μ）相を形成した。これらの状
態の形成がいつたん開始されると、これは進行性
状態であり、その結果として長時間クリープおよ
び疲労特性を低下することが見出された。 本発明は、クリープ強度および熱疲労、腐食お
よび酸化に対する抵抗を含む最高性能に不可欠の
作用特性をぎせいにすることなく、従来得られた
ものの少なくとも４〜５倍の広い範囲の、比較的
に広い「窓」を発展させることが試験によつて実
証されたところの新合金を創造するものである。
顕微鏡検査は、アルフアタングステン、アルフア
クロムおよびミユーのような有害相析出物の高温
度形成に対する抵抗と結合された、従来得られた
ものよりも高い程度の均質化を示す。これらの特
性は一部は「窓」の広がりに由来し、一部は高温
度、高応力有害相析出に対して鋳物を安定化する
合金組成に由来する。 この発明の合金の調製において、いわゆる結晶
粒界強化元素を除去する概念は従来既知の単結晶
合金から保留された。すなわち、可能な程度ま
で、カーボン、ジルコニウム、ハフニウムおよび
ボロンは除去された。しかしながら、残りの元素
は再均衡がとられ、その結果として過度に狭い熱
処理「窓」の問題と高温相不安定性の問題を同時
に解消した組成が得られた。 下記の単結晶合金が最切の原理から開発され、
組成は重量％で表わされている。

【表】 この合金はクリープ強度、腐食抵抗、および熱
疲労および酸化に対する抵抗の必要特性を有する
ものであることが判明した。しかしながら、この
合金は、報告によると５―15〓（2.5〜8.3℃）の
範囲に制限された「熱処理窓」を有するため、利
用が非常に難しいことが判明した。かくして、一
次ガンマ ブライムを溶解するためのこの合金の
熱処理においては、推奨される溶解温度は2345〓
±５〓（1285℃±2.7℃）であり、これは非常に
精巧な装置を使用しても生産上維持することが実
質的に不可能な範囲である。したがつて、初溶融
に起因する熱処理鋳物の不合格率が過大になつ
た。 上記初単結晶合金の過度に狭い「熱処理窓」に
よつて課せられた制限を克服するために、MAR
M247合金がAiResearch Manufacturing Co.によ
つて改質された。

【表】 上記の重量％組成を有するMAR M247として
市場で知らている。等方性かつ方向性鋳造
（DS）合金から出発して、AiResearchは実用的
範囲の「熱処理窓」を有する単結晶合金を製造し
た。この合金は、Nas Air 100として知られ、下
記の重量％で表わされた組成を有するものであつ
た。

【表】 得られた合金は所望の「熱処理窓」範囲を有し
たが、高熱および応力条件にさらされると不安定
になることが判明した。これらの条件下ではアル
フアタングステンおよびミユーの有害な板状およ
び針状相ならびにこれより少ない程度のアルフア
クロムが出現し始めた。これは急速に増加して熱
疲労抵抗および長期間クリープ強度が実質的に悪
影響を受ける点にまで達した。この合金の熱相不
安定性は超合金としてのその有用性を解消するこ
とになる。 これらの合金組成の結果は、事実上、熱／応力
作用の外パラメータに接近する状態における使用
に意図された単結晶合金を、熱処理工程を首尾よ
く生き残つた最初の単結晶合金に限定した。 先行単結晶合金組成の起因および関連効果の多
月にわたる分析・研究後、かつMAR M247を基
本組成として使用して、この技術分野で従来容認
されたある治金学的概念は完全には妥当でないこ
とが確認されるようになつた。 広い「窓」の特性を維持するために少なくとも
１％のモリブデンが必要であると認められていた
が、このレベルのこの元素の存在はこの種の結晶
粒界なし鋳物において相不安定性（ミユーはMo
とＷを含有する）を生ずる有意な要因の１つであ
ことが認められた。0.5％のモリブデンは不安定
問題を起こすことなく広い熱処理「窓」を維持す
るために添加されうることが発見された。さら
に、比較的に高いタングステン含量は強度を与え
るために重要でありかつ高いクロム含量は腐食抵
抗を与えるために重要であると認められた。合金
の作用範囲の上限において所望の強度および酸
化／腐食抵抗特性を減損することなく、これら両
元素の量を低減しかつタングテンで置換しうるこ
とが実験で決定された。このＷおよびCrに対す
るタンタルの置換はまた合金の安定性をさらに向
上するために、すなわち、アルフアタングステン
およびアルフアクロムおよびミユー相形成を防止
するために希望された。その後の試験はこの置換
の成功を確定した。コバルトもまた合金の固溶解
度を増大するために添加された。アルミニウムと
チタンの含量はMAR Ｍ 247合金と同一レベル
に保たれた。この研究の結果は重量％で表わされ
た下記の組成の合金であつた。

【表】 この合金の後の金属組成試験により、この合金
は合金の初融点よりも十分に低いガンマ ブライ
ム ソルバス（solvus）を有し、40〜50〓（22〜
28℃）の実用的な「熱処理窓」を与えることが判
明した。同時に他の試験は高温度における長期間
露出中合金の相安定性および有害な板状／針状析
出物の形成に対する抵抗を確定した。 この合金から単結晶鋳造技術を使用してタービ
ン ブレード鋳物が作られた。これらの鋳物は、
最終ガス フアン（fan）急冷を伴なう。2400〓
（1316℃）における溶体化処理にかけられ、この
温度において一次ガンマ プライムの全部が多量
の共晶と共に溶解した。合金の顕微鏡組織の変化
は第１，１Ａ図を第２，２Ａ図と比較すれば明瞭
である。熱処理前400倍でとられた第１Ａ図から
明白であるように、一次ガンマ ブライムは分布
と形状が不均一でありかつ比較的大きいサイズを
有する。熱処理後一次ガンマ プライムは小さく
なりかつサイズと形状が本質的に均一である。ガ
ス フアン急冷は0.2〜３ミクロンの非常に微細
なガンマ ブライム サイズを生ずる。その結果
として、高熱／応力環境の下で強度および耐久性
の最高ポテンシヤルを発展かつ維持する能力のあ
る。非常に微細な均一ガンマ ブラム組織の鋳物
が得られる。 今までになされた実験の結果、この合金が作ら
れうる組成範囲は下記の通りである。

【表】 第１表からわかるように、この発明の合金は組
成範囲が非常に狭く、この狭い範囲からの変動は
機能特性の実質的な減損に通じうる。Ｃ，Zr，
Hf，ＢおよびＳ元素を完全に除去することは望
ましいが、それらは主元素と共に不純物としてま
たは合金の製造および取扱いに必然的に使用され
なければならない溶融炉および類似容器のライニ
ングのような合金の処理に使用される設備から微
量導入されるから、それは実行不可能である。 実施例 0.125インチ（3.2mm）の断面を持つ単結晶、ソ
リツド ジエツト エンジン タービン ブレー
ドが第表に示された範囲内の溶解番号HF―267
からの合金からジエツトシエイプス
（Jetshmpes）発熱法を使用して鋳造された。こ
の合金は40〜50〓（22〜28℃）の実用的な「熱処
理窓」および2425〜2430〓（1329〜1332℃”の初
融点を持つものであつた。これらのブレードはカ
リフオルニア州ロスアンゼルスのVac Hyde
Process Corp.において熱処理された。 それらは2400〓（1316℃）で３時間溶体化処理
され、ついで、ガス フアン急冷され、ついで
1800〓（982℃）で５時間処理され、ついで1600
〓（871℃）で20時間処理された。 Joliet Metallurgical Labs.において、ブレー
ドの縦方向〔（001）結晶配向〕から直径0.070イ
ンチ（1.8mm）の試験片が機械加工された。これ
らはついで高温度応力一破壊について試験され、
下記の結果が得られた。

【表】 同一溶解番号から鋳造されたブレードからとら
れた試験片の顕微鏡検査は第２，２Ａ図に示され
たものと同一の均一な微細なガンマ プライム組
織を示した。 実施例 実施例と同一の溶解番号（VF―267）から、
ヨーロツパ式引出法（withdrawal processを使
用して3/8インチ（9.5mm）直径の、単結晶バーが
鋳造された。2400〓（1316℃）で３時間溶体化処
理し、ついで空冷して1800〓4982℃）で５時間処
理し、さらに1600〓（871℃）で24時間エージン
グした後、縦断面〔001）結晶配向〕から0.089イ
ンチ（2.3mm）直径の試験片が機械加工された。
これらの試験片はついで高温度応力一破壊につい
て試験され、下記の結果が得られた。

【表】 上記２つの実施例で報告された試験結果は、
NasAir100合金について行なわれた同様に試験結
果と第３図にグラフで比較されている。これらの
試験結果から明白であるように、この発明の合金
は応力一破壊強度においてNasAir100よりも少し
向上している。しかしながら、この発明の合金は
合金安定性を減損することなく広い「熱処理窓」
を保持している。 鋳放し状態の合金の単結晶試験片が1560〓
（849℃）、1740〓（949℃）および1920〓（1049
℃）で1000時間エージングされた。エージングし
た全試験の顕微鏡検査は相不安性を示さなかつ
た。 ２つの追加溶解番号（VF―312およびVF―
332）について同様な試験が行なわれて同様な結
果が得られ、この合金を使用する結果の反復性を
確認した。 これは高真空条件下で製造および鋳造されなけ
ればならない合金であることが認められるであろ
う。これは酸素や窒素のようなガス汚染物を回避
するために重要である。合金にその容器から入る
Ｃ，Ｂ，Si，Zrその他のような物質からの汚染を
防止するために特殊化容器を使用することも重要
である。 本発明は、過度の不合格率なしに良好な鋳物を
得ることを可能にするところの熱処理「窓」特性
を有する最初の顕微鏡組織的に安定な、単結晶合
金を提供するものである。それだけで、本発明
は、非常に高性能の、単結晶（単結晶粒）鋳物
を、ほとんどの新型適用にとつて高価すぎる製品
ではなく、実用的なかつ生産できる製品にするも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の合金から鋳造された単結晶
タービン ブレードからとられた鋳放し状態の断
面の100Xでとられた顕微鏡写真である。第１Ａ
図は400倍でとられた同一断面の顕微鏡写真であ
る。第２図は溶体化処理後の同一タービン プレ
ドの断面の100倍でとられた顕微鏡写真である。
第２Ａ図は400倍でとられた第２図と同一断面の
顕微鏡写真である。第３図はNasAir100合金と本
発明の合金とを高温度応力特性に関して比較した
グラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Co 4.3〜4.9％ Cr 7.5〜8.2 Mo 0.3〜0.7 Ｗ 7.6〜8.4 Ta 5.8〜6.2 Al 5.45〜5.75 Ti 0.8〜1.2 Ni 残 部 重量％で表わされた上記割合範囲の上記元素から
   なり、かつ酸化性環境において高応力、高温度条
   件下で使用される製品を、単結晶として鋳造する
   ための改良ニツケル基合金。 ２ Co 4.6 Cr 7.8 Mo 0.5 Ｗ 8.0 Ta 6.0 Al 5.6 Ti 1.0 Ni 残 部 重量％で表わされた上記割合の上記元素からな
   る、特許請求の範囲第１項記載の単結晶として鋳
   造するための改良ニツケル基合金。 ３ 次の元素の一つまたは二つ以上が最高で Ｃ 60ppm Zr 50ppm Hf 50ppm Ｂ 30ppm Ｓ 20ppm Si 400ppm の割合で存在することのある、特許請求の範囲第
   １又は第２項記載の単結晶として鋳造するための
   改良ニツケル基合金。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の元素組成を持
   ち、かつ酸化性環境において高応力、高温度条件
   下で使用される製品としてのタービンエンジンブ
   レードを単結晶として鋳造するための、特許請求
   の範囲第１項記載の改良ニツケル基合金。 ５ 22〜28℃の熱処理「窓」、1329〜1332℃の初
   融点、及び1307℃のガンマブライムソルバス温度
   を持つこと特徴とする、特許請求の範囲第１又は
   ２項記載の単結晶として鋳造するための改良ニツ
   ケル基合金。 ６ 熱処理３時間で全含有ガンマブライムが溶体
   化する能力を持つことを更に特徴とする、特許請
   求の範囲第５項記載の単結晶として鋳造するため
   の改良ニツケル基合金。 ７ 高温度に長時間連続的に曝される間の成分元
   素の析出及び有害な板状及び又は針状析出物の形
   成に対する抵抗を持つことを更に特徴とする、特
   許請求の範囲第５項記載の単結晶として鋳造する
   ための改良ニツケル基合金。