JPS623221B2

JPS623221B2 -

Info

Publication number: JPS623221B2
Application number: JP55112917A
Authority: JP
Inventors: Ii Darudei Ruisu; Shankaa Surinibasan
Original assignee: HAUMETSUTO TAABIN KONHOONENTSU CORP
Current assignee: HAUMETSUTO TAABIN KONHOONENTSU CORP
Priority date: 1979-08-16
Filing date: 1980-08-16
Publication date: 1987-01-23
Also published as: JPS56108851A; US4764225A; DE3030962A1; GB2058835A; GB2058835B; CA1170862A; FR2463192A1; FR2463192B1

Description

【発明の詳細な説明】本発明はガスタービン構成材料用耐熱合金に関
するものである。例えば、ガスタービンエンジン等に適用される
金属物品が極端な高温にさらされることは周知で
ある。このような適用に使用されるときは、物品
は高温において良好な強度と延性とをもたなけれ
ばならない。また、これらは遭遇する腐食性の条
件にかんがみて適当な表面安定性を示さなければ
ならない。望まれる特性は治金学的な安定性及び
鋳造の容易性をも含む。このような適用に用いられていた従来の典型的
な合金組成物は、表面安定性に対して有益である
元素の添加が比較的困難であつた。このような元
素は粒界を弱める傾向をもつのかも知れず、この
ために表面安定性の改良は高温において強度を失
う結果となる。一方、粒界を修正するために、ほ
う素、炭素又はハフニウムを導入した場合には、
表面安定性に対して有害である可能性がある。そ
して、この為、一方における改良を成し遂げるた
めに、他方においていくらかの特性の損失をもた
らすことがこれらの場合に理解される。さらに、
前述の合金においては、粒界の無秩序な配向が認
められ、これは、高温において粒界すべり或いは
クリープの原因となる。ある温度限界においては適当な性能を示すであ
ろう従来の鋳造合金の１つにＢ―1900＋Hfと呼
ばれる合金がある。この合金は、クロム８重量％
（以下、単に％と示す）、コバルト10％、アルミニ
ウム６％、チタン１％、タンタル4.3％、コロン
ビウム＜0.1％、ハフニウム1.1％、炭素0.1％、ジ
ルコニウム＜0.13％、ほう素0.015％、鉄＜0.35
％、マンガン＜0.2％、シリコン＜0.2％及びモリ
ブデン６％を夫々含有し、残部がニツケルから成
つている。粒界すべりは、普通は横方向の粒界（応力の方
向を横切る方向の粒界）におこり、これは合金か
らこれらの粒界を除くことによつて防止すること
ができる。このような鋳造処理法は方向性をもつ
た凝固（D.S.）と呼ばれ、そこでは結晶粒は熱の
流れの方向に平行に好ましく配向されて成長させ
られる。これらの合金は通常の鋳造合金よりも良
好なクリープ強度と急熱及び急冷に対する抵抗力
とをもつけれども、これらはなお、合金の有効寿
命を増進させるために添加される合金化元素の種
類を制限するような粒界をもつている。ニツケル
ベースD.S.合金の１例として、Mar―M200＋Hf
がある。この合金は、クロム９％、コバルト10
％、アルミニウム５％、チタン２％、コロンビウ
ム１％、タングステン12％、ハフニウム２％、炭
素0.14％、ジルコニウム0.05％及びほう素0.02％
を夫々含有し、残部がニツケルである。大抵の粒
界調節剤がなおこの合金には必要である。上述のような粒界調節剤の使用は、結晶粒界が
存在しないような単結晶鋳造処理法を用いること
により避けることができる。この処理方法に供さ
れた合金は、通常の鋳造または方向性をもつた凝
固による合金に比較して、優れたクリープ抵抗性
と高温での強度とを有している。この有益な属性
は、これらの合金を極めて高温（1093℃）で使用
することを可能ならしめている。しかしながら、
高温においては、上述した表面安定性の問題がな
お存在している。表面腐食の主な形態は酸化およ
び熱疲労であり、また、少ない程度には硫化もあ
る。一般に用いられている単結晶合金の一例とし
て、モノロイ454がある。この合金は、クロム10
％、コバルト５％、アルミニウム５％、チタン
1.5％、タンタル12％及びタングステン４％を
夫々具備し、残部がニツケルである。本発明の主要な目的は、優れた耐酸化性及び耐
硫化性を有し、かつこの為に他の特性が損なわれ
ないような単結晶組織からなる耐熱合金を提供す
ることである。本発明は、表面安定性を改良する
ために合金化元素の添加を意図するものであり、
これは単結晶構造合金の場合、結晶粒界のないこ
とによつて容易になる。本発明による合金の組成
は、米国特許願第43146号及び第67097号に記載さ
れた被覆組成物に実質的に対応している。これら
の米国出願に係る被覆組成物はすぐれた環境安定
性（耐酸化性及び耐硫化性）を示し、その上、高
い延性と繰返し応力に対する良好な抵抗力とを示
す。このすぐれた特性は、この組成物が比較的高
いアルミニウム含有量（構造用合金標準に従つ
て）であるにもかかわらず、又、多結晶質被覆組
成物中に粒界調節剤がないにもかかわらず成し遂
げられる。これらの結果は、この被覆組成物が改
良された部類の耐熱構造用合金の基礎を形成させ
るのに使用できることを暗示している。しかしな
がら、この場合、構造用材料としての使用に一層
適合する特性のバランスを得るためにその組成を
変更することが考えられる。本発明の合金においては、前述の被覆物のアル
ミニウム含有量は幾分低減される。この場合、材
料中に形成される主なニツケル―アルミニウム複
合物は、より耐酸化性をもつた複合物であつて強
化剤としては効果的でないNiAl（β）よりもむ
しろ、ニツケルベース合金に対して凝集性の強化
相であるNi₃Al（γ―プライム）である。タング
ステン、モリブデン、タンタル、コロンビウム、
レニウム、バナジウム或いはそれらの組み合わせ
等の固溶体強化元素の適度の添加は高温変形に対
する抵抗を改良するのに望ましい。鉄ベース合金
は、可能性としては被覆組成物として有益であろ
うが、それらがNiベース合金よりもかなり強度
的に弱いことが判つているため、耐熱構造材料と
してはそれ程期待できない。本発明による合金は、極めて良好な高温クリー
プおよび破壊特性、耐酸化性及び耐硫化性、熱疲
労強度、および微組織安定性をもつており、単結
晶鋳造技術に良く適合する。即ち、本発明による
合金は、５〜12重量％のクロムと１重量％以下の
鉄と、３〜７重量％のアルミニウムと、１〜2.5
重量％のチタンと0.1〜12重量％のマンガンと、
0.1〜10重量％のコバルトとを夫々含有し、アル
ミニウムとチタンとを合計量で少なくとも５重量
％含有するとともに、必要に応じてタンタル、タ
ングステン、モリブデン、コロンビウム、レニウ
ム及びバナジウムからなる群より選ばれた少なく
とも１種を約30重量％以下、シリコンを約２重量
％以下、ハフニウムを約５重量％以下、更に必要
な場合には、ランタン、イツトリウム及び他の希
土類金属から選ばれた反応性金属類を約５重量％
以下夫々含有し、残部がニツケルからなり、単結
晶組織からなるニツケルベースの耐熱合金であ
る。本発明による合金は単結晶の技術に特に適合す
る。このようにして得られた合金は、高温における
良好な強度及び延性、耐酸化性及び耐熱腐食性、
更に微組織の安定性が要求されるガスタービンの
ロータブレード及びステータベーン用の構造用合
金として有利に用いられる。この合金は又すぐれ
た熱的および機械的疲労特性をもつと期待され
る。本発明による合金において、ニツケルベース合
金への添加は、微組織安定性の要求を満足させる
ように、又、有害なσ相や他のTCP相の形成を
防ぐように調節されて行なわれる。一般的なニツ
ケルベース合金は、コバルトを10重量％以下、好
ましくは約５〜10重量％、及び鉄を約１重量％以
下夫々含有している。単結晶組織のニツケルベース合金としての用途
に用いる合金を形成する場合、その好ましい組成
は、コバルトを５〜10重量％、クロムを８〜12重
量％、アルミニウムを３〜７重量％、チタンを１
〜2.5重量％、アルミニウムとチタンとを合計量
で５〜８重量％、タングステン、モリブデン、タ
ンタル、コロンビウム、レニウム及びバナジウム
から成る群より選ばれた少なくとも１種を３〜10
重量％、マンガンを0.1〜３重量％、シリコンを
１重量％以下、ハフニウムを３重量％以下、及び
必要に応じて、ランタン、イツトリウム及び他の
希土類金属から選ばれた反応性金属類を約５重量
％以下含有する。これらの合金類においては、アルミニウムおよ
びチタンは、凝集的にγ（Ni）オーステナイト
基質と共に析出する面心立方γ′の大きい容積分
率が析出されるような量及び相互比率で含有され
る。このγ′相はこの合金における高温での強度
の原因となる。この相は、ニツケル、コバルト又
は鉄等の比較的電気的に陰性な元素から成るＡと
アルミニウム、チタン又はコロンビウムのような
比較的電気的に陽性である元素から成るＢとに依
つて形成されるA₃B型の相である。更に、アルミ
ニウムは、若し十分な量が添加されるならば、こ
れらの合金上に付着性のあるAl₂O₃の薄膜を形成
することができる。この膜は高温の環境において
耐酸化性を提供する。クロム、モリブデン、タン
タル、タングステン及びバナジウムに加えて、コ
バルト、鉄、アルミニウム及びチタンも又、γ
（Ni）基質中に溶かすことができる。このような
配合は固溶体の強化をもたらす。鉄、チタン、コバルト及びバナジウムが弱い固
溶体強化剤として役立つだけであるのに対し、ア
ルミニウム、タングステン、モリブデン及びクロ
ムは強い固溶体強化剤として役立つことは当業者
にとつて周知である。クロムの添加が合金の耐熱
腐食（耐硫化）性を改良することも又周知であ
る。既述した米国特許願第43146号及び第67097号
はタンタルとマンガンとの組合わせの添加が耐酸
化性を改良することを教え、又、これらの一部継
続出願である米国特許第145460号はマンガンの添
加が耐硫化性を付与することを教えている。前述の元素に加えて、本発明による合金はマン
ガンを含有しており、又、ハフニウム、シリコン
及び、必要に応じて、ランタン、イツトリウムそ
の他の希土類金属から選ばれた反応性金属類を含
有している。即ち、本発明においては、ニツケル
ベース合金類の耐熱腐食（耐硫化）性を改良する
ためにマンガンの強い能力を利用している。又、
本発明では、ニツケルベース合金類の耐環境性を
更に改良するために、ハフニウム、シリコン及
び、必要に応じて、ランタン、イツトリウム又は
その他の希土類金属から選ばれた反応性金属の効
果を利用している。次の表に、本発明による合金の例を示す。【表】

Claims

【特許請求の範囲】１５〜12重量％のクロムと、１重量％以下の鉄
と、３〜７重量％のアルミニウムと、１〜2.5重
量％のチタンと、0.1〜12重量％のマンガンと、
0.1〜10重量％のコバルトとを夫々含有し、アル
ミニウムとチタンとを合計量で少なくとも５重量
％含有するとともに、ニツケルを残部とする単結
晶組織のガスタービンエンジン構成材料用耐熱合
金。２マンガンを0.5〜４重量％含有する特許請求
の範囲第１項に記載の耐熱合金。３ (A) タンタル、タングステン、モリブデン、
コロンビウム、レニウム及びバナジウムからな
る群より選ばれた少なくとも１種を30重量％以
下、 (B) シリコンを２重量％以下、 (C) ハフニウムを５重量％以下、 (D) ランタン、イツトリウム及び他の希土類金属
から選ばれた反応性金属類を５重量％以下、からなる群より選ばれた少なくとも１種と、５
〜12重量％のクロムと、１重量％以下の鉄と、
３〜７重量％のアルミニウムと、１〜2.5重量
％のチタンと、0.1〜12重量％のマンガンと、
0.1〜10重量％のコバルトとを夫々含有し、ア
ルミニウムとチタンとを合計量で少なくとも５
重量％含有するとともに、ニツケルを残部とす
る単結晶組織のガスタービンエンジン構成材料
用耐熱合金。４マンガンを0.5〜４重量％含有する特許請求
の範囲第３項に記載の耐熱合金。５５〜10重量％のコバルトと、８〜12重量％の
クロムと、タンタル、タングステン、モリブデ
ン、コロンビウム、レニウム及びバナジウムから
なる群より選ばれた少なくとも１種を３〜10重量
％と、0.1〜３重量％のマンガンと、１重量％以
下のシリコンと、３重量％以下のハフニウムと、
５重量％以下の反応性金属類とを夫々含有し、ア
ルミニウムとチタンとを合計量で５〜８重量％含
有する特許請求の範囲第３項に記載の耐熱合金。