JPS6353232A - 酸化物分散強化超耐熱合金 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は酸化物分散強化超耐熱合金の改良に係り、さ
らに詳しく言えば広い温度範囲でクリープ破断強度と密
度との比が優れた値を示す超耐熱合金に係る。

（従来技術） ジェットエンジンや陸舶用ガスタービンなどの熱効率を
上げるためにはタービン入口のガス温度を高めるのが最
も効果的であるが、その為には従来よりもクリープ破断
強度の優れた耐熱合金を使用することが必要になる。

このような用途に対しては金属組織中に酸化物を分散さ
せて強化した所謂酸化物分散強化耐熱合金が開発されて
いる。

この種の合金としてはＭＡ６０００Ｅ（米国特許３９２
６５６８号）或いはその改良合金（米国特許４３８６９
７６号）が知られており、Ｎｉ。

Ｃｒ、Ｗ、Ｔａ等の金属粉末、Ｎｉ−Ａｌ、Ｎ１−Ａ　
ｌ　−Ｔ　ｉ等の合金粉末及びＹ２Ｏ３超微粉末を高エ
ネルギボールミル中で機械的に混合した複合粉末を熱間
押出成形し、帯域焼鈍などの熱処理を施すことによって
粗大な結晶粒が一方向に長く伸びたＭｉ織として使用さ
れている。

上記の酸化物分散強化合金は９５０°Ｃ以上の高温度域
では単結晶鋳造超合金に比してクリープ強度は高いが、
それ以下の温度では劣っている。

この中温度域ではγ゛相と称する金属間化合物による析
出強化が圧倒的に有効であるが、これらの酸化物分散強
化合金ではこの強化作用が小さいため上記の如き結果と
なっているのである。

このことは例えばタービン翼で６５０〜１０５０℃の如
き広い温度範囲で優れたクリープ破断強度が要求される
ような用途において、酸化物分散強化合金の大きな欠点
となっている。

前記ＭＡ６０００Ｅはこのような見地からγ゛相を体積
率で約５２％析出させた合金であるが、それでもなお充
分に満足できる強度が得られていない。これに対し前記
改良合金では中温度域でやや改善された強度を示すが、
高温度域では逆にＭＡ６０００Ｅよりも強度が低下して
いる。これは中温度域の強度改善のためＴ゛相の析出量
を増したが、組成が不適当なため高温度域で必要な粗大
結晶粒が充分に得られなくなった為である。

（発明が解決しようとする問題点） 上記の事情に鑑みこの発明はＴ°相による強化が従来合
金よりも効果的であって、特に中温度域のクリープ強度
が高く、而も一方向に伸びた粗大結晶粒Ｍｉ織を有する
ことにより高温度域においてもクリープ強度の高い超耐
熱合金を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） この発明は、重量％で Ｃｒ　　　６．５〜１０％、 ００　１０％以下、 Ｗ　　　８〜１０％、 Ｔａ　　　３〜６％、 Ａ１　　５〜６．５％、 Ｂ　　　　　０．０２％以下、 ７、ｒ　　　　０．１５％以下、 ｙ、ｏ３０．５〜１．５％、 残部Ｎｉおよび付随元素よりなり、機械的合金化法で製
造され、結晶粒が一方向に長く伸びた粗大結晶粒組織に
再結晶させた酸化物分散強化岨耐熱合金に係り、在来合
金に比べてＷ、ＴａおよびＡｌの量を多（してＴ゛相に
よる強化を一層高めることにより、特に中温度域でのク
リープ強度を高めることについては化学組成を適当な範
囲に限定することにより高温度域のクリープ強度を低下
させることのないように考慮して広い温度域で飛躍的に
強度を高めたものである。

次に本願発明の超耐熱合金の成分組成について説明する
。

Ｃｒは耐高温腐食性の向上に有効であり、多量に含まれ
るほど効果は大きい。従って含有量の下限値が大きいほ
どそのシリーズの合金の耐高温腐食性が優れるが、本発
明合金ではその用途からみて効果的な値として下限は６
．５％とする。一方、量が多すぎると有害な析出物であ
るシグマ相が形成されること及び再結晶組織に悪い影響
を及ぼすことから上限は１０％とする。

ＷはＴ゛相の析出量を高めると共にクリープ強度の増大
に有効であるが、比重が大きいのでその添加は合金の密
度を高めることになるので、この点からは少ない方が望
ましい。後述する実施例に見られるようにクリープ強度
を改善するためにその量は８％以上とするが、上限は密
度を考慮して１０％とする。

ＴａはＷと同様な役割をする元素であるが、その添加に
よって密度を高めるようになるので上限は６％とし、ク
リープ強度改善のため下限は３％とする。

ＡＩはＴ°相の主構成元素であり、添加量が多いほど析
出量が多くなるが、一方向再結晶のし易さ及び大きな結
晶粒アスペクト比を得る点から上限は６．５％とするの
が望ましく、これよりも多くなると高温度域で必要な粗
大結晶粒が充分に得られなくなる。一方、従来合金より
もクリープ破断強度を高めるのにはＷまたはＴａＯ量を
多くするのが有効であるが、密度が高くなるので好まし
くなく、代わりにＡＩを添加するのが適当であり、従っ
てその下限は５％とする。

ＢとＺｒは粒界強化元素として必要であるが、多すぎる
と融点の低下を招（のでＢは０．０２％以下、Ｚｒは０
．１５％以下とするのが良い。

Ｙ２０．は合金基地の分散強化に有効である。機械的合
金化処理方法即ち酸化物粒子の分散の均一さによって適
性値はばらつくが、　０．５〜１．５％の範囲が効果的
であり、多すぎると延性低下を招き、少なすぎると分散
強化の効果が僅かになる。

Ｎｉは本合金の基礎元素であるが、１０％以下をＣｏで
置換することもでき、耐高温腐食性を向上させるとの報
告がある。ＣＯＯ量が１０％を超えると有害なシグマ相
の析出により強度の低下を招くので好ましくない。また
不純物或いは付随元素としてＣ，Ｍｏ、Ｔｉの一つまた
は一つ以上を含有することがある。

本発明の合金においては結晶粒は一方向に長く伸びた粗
大結晶粒組織とする。結晶粒アスペクト比即ち結晶粒の
長さと径との比はクリープ破断強度に大きく影響するこ
とが知られており、実験によれば例えばアスペクト比が
１の再結晶組織（等軸晶）の材料ではアスペクト比が１
５以上の組織の材料に比べてクリープ破断時間が１００
分の１或いはそれ以下になってしまう。従ってアスペク
ト比は１５以上であることが望ましい。

結晶粒を一方向に揃えて長く成長させるのには例えば熱
間押出した材料またはその後熱間圧延あるいは鍛造した
材料を帯域焼鈍炉で押出し方向に一定速度で移動させな
がら熱処理を施す公知の方法によればよい。

また機械的合金化法で金属酸化物を一様に分散させた金
属組織の合金とするのには公知の方法、例えば数種類の
金属や合金の粉末と酸化物粉との計算量を高エネルギボ
ールミルで機械的に粉砕混合した混合粉末を金属製の罐
の中に真空充填したものを加熱押出して固化焼結させる
方法によって行うことができる。

（実施例） 第１表に示す化学組成の本発明に係る合金ＡＭ９８、Ａ
Ｍ２３．ＡＭ６６の実験合金棒を次のようにして製作し
た。

なお第１表に示した対比材のＭＡ６０００Ｅ。

ＡＬＬＯＹＩ　　（前記改良合金）については米国特許
第４３８６９７６号明細書記載の値を、現用単結晶合金
４５４についてはＭｅｔａｌ　　Ｐｏｗ−ｄｅｒ　　Ｒ
ｅｐｏｒｔ、３６巻、９号、１９８１年所載のＧ、Ａ、
Ｊ、Ｈａ　ｃｋの論文の値を引用しである。

第１表 ＊　Ｂ：０．０１〜０．０１５．　　残部Ｎ　ｉ　、　
　合金４５４：　Ｔｉ　１．５゜ＡＬＬＯＹ　　１：Ｎ
ｂ　　１．６　　、Ｍへ６０００Ｅ：Ｔｉ　　２．５即
ち約１　ｋｇバッチのアトリッタ（高エネルギボールミ
ルの一種）を用い、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｗ。

Ｔａ、Ｎｉ−５０％Ａｔ、Ｎｉ−３０％Ｔ　ｉ　−２０
％ＡＩ、Ｎｉ−１８％Ｂ、Ｎｉ−２０％Ｚｒ。

Ｙ２Ｏ３などを原料粉として機械的に混合粉砕してイア
トリアＹ２Ｏ３が均一に分散した複合粉末を作った。

この粉末を外径６７ｍｍ＋の鋼製の押出ケースに真空封
入し、１０８０°Ｃに加熱して押出成形（ラム速度５０
ｆｌ／ｓ）、直径約１８■ｌの丸棒とした。

丸棒の表面はケース材料で厚さ約２．５　ｍｍ被覆され
ていた。

この丸棒を直径１１．５　龍の試験片に機械加工し、帯
域焼鈍炉（炉内最高温度１２９０°Ｃ）を用いて１００
ｍｍ／ｈの速度で試験片を引張りながら加熱して、一方
向に伸びた結晶組織に再結晶させた。

一部の合金（実験合金ＡＭ２３）では直径１８ｍｍの丸
棒を厚さ１１ｍ１まで１０３０℃で熱間圧延してから帯
域焼鈍した。

次に１２９０℃、３０分加熱後、空冷、更に８５０〜８
７０℃、２０分加熱後、空冷の熱処理を施したのちクリ
ープ破断試験に供した。

試験片のミクロ組織はすべて粗大な結晶粒が一方向に長
く伸びた再結晶組織で、結晶粒アスペクト比即ち押出軸
方向の長さとそれに直角方向の結晶粒径の比は１５以上
であり、高温クリープ破断強度が高いことが予想された
。その代表的な顕微鏡組織を第２図に示す（倍率２５倍
、実験合金ＡＭ９８）。

クリープ破断試験結果を第２表及び第１図に示す。図に
おいて横軸にはＴ（絶対温度）とｔ　（破断時間）との
積をパラメータに、縦軸には破断応力と密度の比をパラ
メータにして示しである。

第２表 ところで遠心力による応力が発生する部品では密度が小
さいことが大きな利点になり、特にタービン翼では強度
と密度との比く即ち比強度）で評価されるのが普通であ
る。しかしながら本発明合金ではＷ　＋　Ｔ　ａ含有量
が従来合金よりも多いことから察せられるように密度が
従来合金よりも・大きい。ＭＡ６０００の密度は８．１
１　ｇ／ｃ［Ｉｌ、改良合金のそれは８．０１であるの
に対し、例えばＡＭ９８では８．６０である。このよう
に本発明合金は密度が大きいにもかかわらず比強度が従
来合金に比して一層大きいが、これによって如何に本合
金のクリープ破断強度が大きいかが理解されよう。

第１図によれば改良合金ＡＬＬＯＹ　　１で見られるよ
うに強度が高温側でＭＡ６０００Ｅより低下するような
ことがなく、広い温度範囲で従来合金のＭＡ６０００Ｅ
よりも優れたクリープ破断強度を示している。

また従来合金で問題であった９５０℃以下の中温度側（
例えば図の横軸で２７．５以下）で１１結晶鋳造合金４
５４より劣る点が第１図の温度範囲でほぼ解決されてい
ることが判る。

（効果） 以上説明したように本願発明に係る合金はγ゛相による
強化を高め、中温度域でのクリープ強度を増大させるこ
とにおいて、高温度域のクリープ強度が犠牲にならない
ように、また密度がむやみに大きくならないように、Ｗ
、Ｔａ、Ａ１等の組成を適当な範囲に限定したものであ
るから、高温度域のみならず、中温度域でも優れたクリ
ープ破断強度が要求され、かつ運転中に遠心力のような
材料密度に比例する応力が作用する部品の材料として好
適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来合金と対比して示したクリープ破断応力／
密度と温度との関係を示すグラフ、第２図は本発明の合
金の金属組織を示す顕微鏡写真（２５倍）である。 ＡＭ９８・・・本発明合金

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 重量％で Ｃｒ　６．５〜１０％、 Ｃｏ　１０％以下、 Ｗ　８〜１０％、 Ｔａ　３〜６％、 Ａｌ　５〜６．５％、 Ｂ　０．０２％以下、 Ｚｒ　０．１５％以下、 Ｙ＿２Ｏ＿３　０．５〜１．５％、 残部Ｎｉおよび付随元素よりなり、機械的合金化法で製
   造され、結晶粒が一方向に長く伸びた粗大結晶粒組織に
   再結晶させた酸化物分散強化超耐熱合金。