JPWO2017154809A1 - Ｎｉ基一方向凝固合金 - Google Patents
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Abstract
本発明は、ＣｏとＲｅを含まない第１世代のＮｉ基一方向凝固合金で、ＴＭＦ特性、クリープ特性および耐環境特性に優れ、実用面においてコストパフォーマンスに優れたＮｉ基一方向凝固合金を提供する。本発明の一実施形態に係るＮｉ基一方向凝固合金は、Ｃｒ：６質量％以上１２質量％以下、Ｍｏ：０．４質量％以上３．０質量％以下、Ｗ：６質量％以上１０質量％以下、Ａｌ：４．０質量％以上６．５質量％以下、Ｎｂ：０質量％以上１質量％以下、Ｔａ：８質量％以上１２質量％以下、Ｈｆ：０質量％以上０．１５質量％以下、Ｓｉ：０．０１質量％以上０．２質量％以下、Ｚｒ：０質量％以上０．０４質量％以下、Ｂ：０．０１質量％以上０．０３質量％以下、およびＣ：０．０１質量％以上０．３質量％以下、を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる。
Description
本発明は、ジェットエンジンやガスタービンのタービンブレードやタービンベーンの高温かつ高応力下で使用される部材に好適に用いられるＮｉ基一方向凝固合金に関し、特に主要元素にＣｏ、Ｒｅを含まないＮｉ基一方向凝固合金に関する。
Ｎｉ基合金は鍛造合金、鋳造合金、一方向凝固合金、単結晶合金と開発が進み、それにつれて耐用温度が向上した。Ｎｉ基単結晶合金はＮｉ基一方向凝固合金に比べて高温強度で優れるものの、鋳造時に起こる縦割れや異結晶の発生が問題となっている。特に大型部材になるほど影響を受けやすく製造歩留まりが落ちる傾向にあり、製造に関してはＮｉ基一方向凝固合金がコストパフォーマンスの点で勝っている。
また、超合金に共通する問題として、クリープ特性・熱疲れ特性・耐環境特性がある。タービンブレード等の回転部材では高温の燃焼ガスに晒される中で高速回転し、部材に対して遠心力が加わるため、高応力のクリープに耐えなければならない。ジェットエンジンやガスタービンのタービンブレードやタービンベーンとして使用される高温部材は起動・停止が頻繁に行われることから熱疲労（Thermo-mechanical fatigue: ＴＭＦ）による材料劣化も問題となる。さらに、高温の燃焼ガスに晒されることから耐環境特性にも優れた材料の出現も期待される。
Ｎｉ基一方向凝固合金として、ＩＮ７９２（商標）、Ｒｅｎe８０（商標）が知られているがＩＮ７９２およびＲｅｎe８０ともに合金中にＣｏを含有する。また下記特許文献１、２、３、４、５、６および７に記載されたＮｉ基合金が知られているが、これら特許文献の合金も成分中にＣｏあるいはＲｅのどちらか一元素、あるいはＣｏとＲｅの両方を含有する。Ｃｏは銅またはニッケル生産の共産物として生産されるため、銅またはニッケルの価格状況により生産量が左右されることもあり、供給が不安定である。Ｒｅは地球上できわめて少なく、レアメタルのなかでも最も希少で高価な金属である。
またＲｅを添加したＮｉ基一方向凝固合金は鋳造後の熱処理が難しいこと、さらに高温部材として使用中にＴＣＰ相が析出し易く高温強度に影響を及ぼすことがある。こうしたことから特に大型部材での高温特性やコストパフォーマンスを考えるとＣｏおよびＲｅの使用は望ましくない。特許文献８はＣｏおよびＲｅを含有しないがＮｉ基単結晶合金であるのでコストパフォーマンスの点で望ましくない。
本発明は、ＣｏとＲｅを含まない第１世代のＮｉ基一方向凝固合金であって、ＴＭＦ特性、クリープ特性および耐環境特性に優れ、実用面においてコストパフォーマンスに優れたＮｉ基一方向凝固合金を提供することを課題としている。
上記のとおりの課題を解決するために、本発明は、以下のとおりの特徴を有している。
すなわち、本発明のＮｉ基一方向凝固合金は、
Ｃｒ：６質量％以上１２質量％以下、
Ｍｏ：０．４質量％以上３．０質量％以下、
Ｗ：６質量％以上１０質量％以下、
Ａｌ：４．０質量％以上６．５質量％以下、
Ｎｂ：０質量％以上１質量％以下、
Ｔａ：８質量％以上１２質量％以下、
Ｈｆ：０質量％以上０．１５質量％以下、
Ｓｉ：０．０１質量％以上０．２質量％以下、
Ｚｒ：０質量％以上０．０４質量％以下、
Ｂ：０．０１質量％以上０．０３質量％以下、および
Ｃ：０．０１質量％以上０．３質量％以下、
を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴としている。
Ｃｒ：６質量％以上１２質量％以下、
Ｍｏ：０．４質量％以上３．０質量％以下、
Ｗ：６質量％以上１０質量％以下、
Ａｌ：４．０質量％以上６．５質量％以下、
Ｎｂ：０質量％以上１質量％以下、
Ｔａ：８質量％以上１２質量％以下、
Ｈｆ：０質量％以上０．１５質量％以下、
Ｓｉ：０．０１質量％以上０．２質量％以下、
Ｚｒ：０質量％以上０．０４質量％以下、
Ｂ：０．０１質量％以上０．０３質量％以下、および
Ｃ：０．０１質量％以上０．３質量％以下、
を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴としている。
また、本発明のＮｉ基一方向凝固合金は、
Ｃｒ：７質量％以上１２質量％以下、
Ｍｏ：０．４質量％以上２．５質量％以下、
Ｗ：７質量％以上１０質量％以下、
Ａｌ：４．０質量％以上６．５質量％以下、
Ｎｂ：０質量％以上１質量％以下、
Ｔａ：９質量％以上１１質量％以下、
Ｈｆ：０質量％以上０．１５質量％以下、
Ｓｉ：０．０１質量％以上０．２質量％以下、および
Ｚｒ：０質量％以上０．０４質量％以下、
Ｂ：０．０１質量％以上０．０３質量％以下、および
Ｃ：０．０１質量％以上０．３質量％以下、
を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴としている。
Ｃｒ：７質量％以上１２質量％以下、
Ｍｏ：０．４質量％以上２．５質量％以下、
Ｗ：７質量％以上１０質量％以下、
Ａｌ：４．０質量％以上６．５質量％以下、
Ｎｂ：０質量％以上１質量％以下、
Ｔａ：９質量％以上１１質量％以下、
Ｈｆ：０質量％以上０．１５質量％以下、
Ｓｉ：０．０１質量％以上０．２質量％以下、および
Ｚｒ：０質量％以上０．０４質量％以下、
Ｂ：０．０１質量％以上０．０３質量％以下、および
Ｃ：０．０１質量％以上０．３質量％以下、
を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴としている。
また、本発明のＮｉ基一方向凝固合金は、
Ｃｒ：８質量％以上１０質量％以下、
Ｍｏ：０．４質量％以上２．０質量％以下、
Ｗ：７質量％以上９質量％以下、
Ａｌ：４．０質量％以上６．５質量％以下、
Ｎｂ：０質量％以上１質量％以下、
Ｔａ：１０質量％以上１１質量％以下、
Ｈｆ：０質量％以上０．１５質量％以下、
Ｓｉ：０．０１質量％以上０．２質量％以下、および
Ｚｒ：０質量％以上０．０４質量％以下、
Ｂ：０．０１質量％以上０．０３質量％以下、および
Ｃ：０．０１質量％以上０．３質量％以下、
を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴としている。
Ｃｒ：８質量％以上１０質量％以下、
Ｍｏ：０．４質量％以上２．０質量％以下、
Ｗ：７質量％以上９質量％以下、
Ａｌ：４．０質量％以上６．５質量％以下、
Ｎｂ：０質量％以上１質量％以下、
Ｔａ：１０質量％以上１１質量％以下、
Ｈｆ：０質量％以上０．１５質量％以下、
Ｓｉ：０．０１質量％以上０．２質量％以下、および
Ｚｒ：０質量％以上０．０４質量％以下、
Ｂ：０．０１質量％以上０．０３質量％以下、および
Ｃ：０．０１質量％以上０．３質量％以下、
を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴としている。
本発明のＮｉ基一方向凝固合金において、好ましくは、温度９００℃で応力３９２ＭＰａにおけるクリープ寿命が６５時間以上であり、所定条件の熱疲労（ＴＭＦ）特性試験での繰返し回数が１５５サイクル以上であるとよい。ここで、熱疲労（ＴＭＦ）特性試験は、ガスタービンの運用条件を模擬した試験で行われるもので、タービン翼の表面温度が、定常時に９００℃、停止時に４００℃であると仮定し、所定形状の試験片が破断するまでの繰返数で評価される。熱疲労（ＴＭＦ）特性試験の詳細は、明細書で詳細に規定される。
さらに好ましくは、温度９００℃で応力３９２ＭＰａにおけるクリープ寿命が６５時間以上１１５時間以下であり、ＴＭＦ特性試験での繰返し回数が１５５サイクル以上２１５サイクル以下であるとよく、最も好ましくは、温度９００℃で応力３９２ＭＰａにおけるクリープ寿命が７５時間以上１０５時間以下であり、ＴＭＦ特性試験での繰返し回数が１７０サイクル以上１９５サイクル以下であるとよい。
クリープ寿命が６５時間未満では、従来例と比較してクリープ寿命が改善されない。クリープ寿命が１１５時間超えは、クリープ寿命試験の試験結果のバラツキを考慮しても、本発明のＮｉ基一方向凝固合金におけるクリープ寿命の上限値を超える。
熱疲労（ＴＭＦ）特性試験での繰返し回数が１５５サイクル未満では、従来例と比較してＴＭＦ特性が改善されない。熱疲労（ＴＭＦ）特性試験での繰返し回数が２１５サイクル超えは、熱疲労（ＴＭＦ）特性試験の試験結果のバラツキを考慮しても、本発明のＮｉ基一方向凝固合金におけるＴＭＦ特性の上限値を超える。
さらに好ましくは、温度９００℃で応力３９２ＭＰａにおけるクリープ寿命が６５時間以上１１５時間以下であり、ＴＭＦ特性試験での繰返し回数が１５５サイクル以上２１５サイクル以下であるとよく、最も好ましくは、温度９００℃で応力３９２ＭＰａにおけるクリープ寿命が７５時間以上１０５時間以下であり、ＴＭＦ特性試験での繰返し回数が１７０サイクル以上１９５サイクル以下であるとよい。
クリープ寿命が６５時間未満では、従来例と比較してクリープ寿命が改善されない。クリープ寿命が１１５時間超えは、クリープ寿命試験の試験結果のバラツキを考慮しても、本発明のＮｉ基一方向凝固合金におけるクリープ寿命の上限値を超える。
熱疲労（ＴＭＦ）特性試験での繰返し回数が１５５サイクル未満では、従来例と比較してＴＭＦ特性が改善されない。熱疲労（ＴＭＦ）特性試験での繰返し回数が２１５サイクル超えは、熱疲労（ＴＭＦ）特性試験の試験結果のバラツキを考慮しても、本発明のＮｉ基一方向凝固合金におけるＴＭＦ特性の上限値を超える。
本発明のＮｉ基一方向凝固合金において、好ましくは、温度９００℃で応力３９２ＭＰａにおけるラーソン・ミラーパラメータの値が２５．６以上２５．９以下であり、温度１１００℃で応力１３７ＭＰａにおけるラーソン・ミラーパラメータの値が２８．８以上２９．３以下であるとよい。
温度９００℃で応力３９２ＭＰａにおけるラーソン・ミラーパラメータの値が２５．６未満では、従来例と比較してクリープ寿命が改善されない。同ラーソン・ミラーパラメータの値が２５．９超えは、ラーソン・ミラーパラメータを求めるクリープ寿命試験の試験結果のバラツキを考慮しても、本発明のＮｉ基一方向凝固合金におけるラーソン・ミラーパラメータの上限値を超える。
温度１１００℃で応力１３７ＭＰａにおけるラーソン・ミラーパラメータの値が２８．８未満では、従来例と比較してクリープ寿命が改善されない。同ラーソン・ミラーパラメータの値が２９．３超えは、ラーソン・ミラーパラメータを求めるクリープ寿命試験の試験結果のバラツキを考慮しても、本発明のＮｉ基一方向凝固合金におけるラーソン・ミラーパラメータの上限値を超える。
温度９００℃で応力３９２ＭＰａにおけるラーソン・ミラーパラメータの値が２５．６未満では、従来例と比較してクリープ寿命が改善されない。同ラーソン・ミラーパラメータの値が２５．９超えは、ラーソン・ミラーパラメータを求めるクリープ寿命試験の試験結果のバラツキを考慮しても、本発明のＮｉ基一方向凝固合金におけるラーソン・ミラーパラメータの上限値を超える。
温度１１００℃で応力１３７ＭＰａにおけるラーソン・ミラーパラメータの値が２８．８未満では、従来例と比較してクリープ寿命が改善されない。同ラーソン・ミラーパラメータの値が２９．３超えは、ラーソン・ミラーパラメータを求めるクリープ寿命試験の試験結果のバラツキを考慮しても、本発明のＮｉ基一方向凝固合金におけるラーソン・ミラーパラメータの上限値を超える。
本発明のＮｉ基一方向凝固合金において、好ましくは、応力１３７ＭＰａにおけるラーソン・ミラーパラメータの値から求めたクリープ寿命であって、その１０００時間寿命が耐用温度９６０℃以上１０１０℃以下であるとよい。さらに好ましくは、１０００時間寿命が耐用温度９７０℃以上１０００℃以下であるとよく、最も好ましくは１０００時間寿命が耐用温度９８０℃以上９９０℃以下であるとよい。
クリープ寿命の１０００時間寿命に対する耐用温度９６０℃未満では、従来例と比較してクリープ寿命が改善されない。同耐用温度の１０１０℃超えは、クリープ寿命試験の試験誤差を考慮しても、本発明のＮｉ基一方向凝固合金におけるクリープ寿命の上限値を超える。
クリープ寿命の１０００時間寿命に対する耐用温度９６０℃未満では、従来例と比較してクリープ寿命が改善されない。同耐用温度の１０１０℃超えは、クリープ寿命試験の試験誤差を考慮しても、本発明のＮｉ基一方向凝固合金におけるクリープ寿命の上限値を超える。
本発明のＮｉ基一方向凝固合金において、好ましくは、当該Ｎｉ基一方向凝固合金からなる試料であって、前記試料を鏡面仕上げしてから電気炉で１１００℃に大気中加熱し、１２時間保持した後の高温酸化試験での重量変化と、前記試料の表面を観察して特性を判定する高温酸化試験において、前記試料の重量変化が−０．１［ｍｇ／ｃｍ２］以上０．３［ｍｇ／ｃｍ２］以下であり、前記試料の表面が金属光沢を備えてなるとよい。さらに好ましくは、高温酸化試験での重量変化が０．０［ｍｇ／ｃｍ２］以上０．２［ｍｇ／ｃｍ２］以下であるとよい。
高温酸化試験での重量変化が−０．１［ｍｇ／ｃｍ２］未満では、従来例と比較して耐酸化性が改善されない。高温酸化試験での重量変化の０．３［ｍｇ／ｃｍ２］超えは、高温酸化試験の試験誤差を考慮しても、本発明のＮｉ基一方向凝固合金における耐酸化性として、耐酸化性の改善が不充分である。
高温酸化試験での重量変化が−０．１［ｍｇ／ｃｍ２］未満では、従来例と比較して耐酸化性が改善されない。高温酸化試験での重量変化の０．３［ｍｇ／ｃｍ２］超えは、高温酸化試験の試験誤差を考慮しても、本発明のＮｉ基一方向凝固合金における耐酸化性として、耐酸化性の改善が不充分である。
本発明のＮｉ基一方向凝固合金は、ＴＭＦ特性、クリープ特性および耐高温酸化のような耐環境特性に優れ、実用面においてコストパフォーマンスに優れる。
上記のとおりの特徴を有するＮｉ基一方向凝固合金における組成成分およびその組成比は、以下の観点に基づいている。
Ｃｒ（クロム）は、Ｎｉ基一方向凝固合金の高温耐食性および高温耐酸化性を向上させる。Ｃｒの組成比は、６質量％以上１２質量％以下である。組成比が、６質量％未満であると、高温耐食性および高温耐酸化性を確保することが難しく、１２質量％を超えると、σ相やμ相の有害相が生成して高温強度が低下する。Ｃｒの組成比は、好ましくは７質量％以上１２質量％以下であり、より好ましくは８質量％以上１０質量％以下である。
Ｃｒ（クロム）は、Ｎｉ基一方向凝固合金の高温耐食性および高温耐酸化性を向上させる。Ｃｒの組成比は、６質量％以上１２質量％以下である。組成比が、６質量％未満であると、高温耐食性および高温耐酸化性を確保することが難しく、１２質量％を超えると、σ相やμ相の有害相が生成して高温強度が低下する。Ｃｒの組成比は、好ましくは７質量％以上１２質量％以下であり、より好ましくは８質量％以上１０質量％以下である。
Ｍｏ（モリブデン）は、素地中に固溶し、かつ析出硬化により高温強度の上昇に寄与する。Ｍｏの組成比は、０．４質量％以上３．０質量％以下である。組成比が、０．４質量％未満であると、高温強度が低下し、３．０質量％を超えると、有害相が生成して高温強度が低下する。Ｍｏの組成比は、好ましくは０．４質量％以上２．５質量％以下であり、より好ましくは０．４質量％以上２．０質量％以下である。
Ｗ（タングステン）は、Ｍｏと同様に、固溶強化および析出硬化の作用があり、Ｎｉ基一方向凝固合金の高温強度を向上させる。Ｗの組成比は、６質量％以上１０質量％以下である。組成比が、６質量％未満であると、ＴＭＦ特性およびクリープ特性が低下し、１０質量％を超えると、有害相が生成してＴＭＦ特性およびクリープ特性が低下する。Ｗの組成比は、好ましくは７質量％以上１０質量％以下であり、より好ましくは７質量％以上９質量％以下である。
Ａｌ（アルミニウム）は、Ｎｉと化合して、ガンマ母相中に析出するガンマプライム相を構成するＮｉ３Ａｌで示される金属間化合物を形成し、特に１０００℃以下の低温側のＴＭＦ特性およびクリープ特性を向上させる。Ａｌの組成比は、４．０質量％以上６．５質量％以下である。組成比が、４質量％未満であると、ガンマプライム相量が少なく、要求されるＴＭＦ特性およびクリープ特性が得られず、６．５質量％を超えると、要求されるＴＭＦ特性およびクリープ特性が得られない。
Ｎｂ（ニオブ）の組成比は、０質量％以上１質量％以下である。組成比が、１質量％を超えると、高温において有害相が生成し、ＴＭＦ特性およびクリープ特性が低下する。
Ｔａ（タンタル）は、ガンマプライム相を強化してクリープ特性を向上させる。Ｔａの組成比は、８質量％以上１２質量％以下である。組成比が、８質量％未満であると、要求されるＴＭＦ特性およびクリープ特性が得られず、１２質量％を超えると、共晶ガンマプライム相の生成を促し、溶体化熱処理が困難となる。Ｔａの組成比は、好ましくは９質量％以上１１質量％以下であり、より好ましくは１０質量％以上１１質量％以下である。
Ｈｆ（ハフニウム）は、一方向凝固による柱状結晶化の際、粒界強化に寄与するものであり、かつ耐酸化性を向上させ、そのうえＴＭＦ特性を改善する可能性がある。Ｈｆの組成比は、０質量％以上０．１５質量％以下である。組成比が、０．１５質量％を超えると、有害相の生成が助長され、ＴＭＦ特性およびクリープ特性が低下する。
Ｔａ（タンタル）は、ガンマプライム相を強化してクリープ特性を向上させる。Ｔａの組成比は、８質量％以上１２質量％以下である。組成比が、８質量％未満であると、要求されるＴＭＦ特性およびクリープ特性が得られず、１２質量％を超えると、共晶ガンマプライム相の生成を促し、溶体化熱処理が困難となる。Ｔａの組成比は、好ましくは９質量％以上１１質量％以下であり、より好ましくは１０質量％以上１１質量％以下である。
Ｈｆ（ハフニウム）は、一方向凝固による柱状結晶化の際、粒界強化に寄与するものであり、かつ耐酸化性を向上させ、そのうえＴＭＦ特性を改善する可能性がある。Ｈｆの組成比は、０質量％以上０．１５質量％以下である。組成比が、０．１５質量％を超えると、有害相の生成が助長され、ＴＭＦ特性およびクリープ特性が低下する。
Ｓｉ（ケイ素）は、合金表面にSiO2皮膜を生成させて保護被膜として耐酸化性を向上させ、かつ合金表面からの微少クラックの発生を抑制してＴＭＦ特性を改善する可能性がある。Ｓｉの組成比は、０．０１質量％以上０．２質量％以下である。組成比が０．０１質量％未満であると、耐酸化性の向上、ＴＭＦ特性の改善の効果が得られない。また、組成比が０．２質量％を超えると、他の元素の固溶限を低下させることになるため、要求されるＴＭＦ特性およびクリープ特性が得られない。
Ｚｒ（ジルコニウム）は、Ｎｉ基一方向凝固合金の結晶粒界を強化する目的で添加されるが、特にＴＭＦ特性を改善する可能性がある。Ｚｒの組成比は、０質量％以上０．０４質量％未満である。
Ｂ（ホウ素）は、Ｎｉ基一方向凝固合金の高温におけるクリープ特性、疲労特性などを改善することができる。Ｂの組成比は、０．０１質量％以上０．０３質量％以下である。
Ｃ（炭素）は、Ｎｉ基一方向凝固合金の高温における延性、クリープ特性などを改善することができる。Ｃの組成比は、０．０１質量％以上０．３質量％以下である。
Ｚｒ（ジルコニウム）は、Ｎｉ基一方向凝固合金の結晶粒界を強化する目的で添加されるが、特にＴＭＦ特性を改善する可能性がある。Ｚｒの組成比は、０質量％以上０．０４質量％未満である。
Ｂ（ホウ素）は、Ｎｉ基一方向凝固合金の高温におけるクリープ特性、疲労特性などを改善することができる。Ｂの組成比は、０．０１質量％以上０．０３質量％以下である。
Ｃ（炭素）は、Ｎｉ基一方向凝固合金の高温における延性、クリープ特性などを改善することができる。Ｃの組成比は、０．０１質量％以上０．３質量％以下である。
また、Ｎｉ基一方向凝固合金は、所定の組成を有する鋳造物に対して以下のような熱処理を施して製造することができる。すなわち、熱処理は、１２８０℃〜１３００℃で２時間〜４０時間保持後に２００℃/ｍｉｎ〜４００℃/ｍｉｎで空冷または不活性ガス雰囲気中で冷却する溶体化処理、１０００℃〜１１５０℃で２時間〜５時間保持後に空冷または不活性ガス雰囲気中で冷却する１次時効処理、そして８５０℃〜９５０℃で１０時間〜３０時間保持後に空冷または不活性ガス雰囲気中で冷却する２次時効処理という一連のものである。
このような一連の所定温度で所定時間の保持は、すべて真空中または不活性ガス雰囲気中で行うことが、高温酸化の影響を受けないという観点からも好ましい。
以下、実施例を示し、本発明のＮｉ一方向凝固合金についてさらに詳しく説明する。
表１に示した組成（質量％）を有するＮｉ基一方向凝固合金を、真空溶解炉を用いて溶解し、加熱保持されたロストワックス鋳型で鋳造し、鋳型を２００ｍｍ／ｈの凝固速度で引き下げて一方向凝固鋳造物を得た。次に、得られた一方向凝固鋳造物を真空中において１２８０℃で５時間保持してから約３００℃/ｍｉｎで空冷する溶体化処理を行った。その後、真空中において１１００℃で２時間保持してから空冷する１次時効処理と、真空中において８７０℃で２４時間保持してから空冷する２次時効処理とを行った。実施例１および実施例２のＮｉ基一方向凝固合金の溶体化処理の温度範囲は１２６０℃〜１３００℃であり、１次時効処理の温度範囲は１０００℃〜１１５０℃である。参考例１および参考例２は、１２８０℃で１時間保持してから１３００℃に昇温し5時間保持後に空冷した。次いで１１００℃に４時間保持してから空冷し、この後、８７０℃に２０時間保持して空冷する熱処理を施した。参考例３の熱処理は、１１３０℃で１時間保持してから１１８０℃に昇温し２時間保持後に空冷し、その後１０５０℃に４時間保持してから空冷し、この後、８７０℃に２０時間保持して空冷する熱処理を施した。参考例４は１１４７℃で１時間保持してから１１９７℃に昇温し２時間保持後に空冷し、その後１０５０℃に４時間保持してから空冷し、この後、８７０℃に２０時間保持して空冷する熱処理を施した。参考例５は鋳造のまま試験に供した。
熱処理後の一方向凝固合金鋳造物を平行部の直径が４ｍｍで、長さが２０ｍｍのクリープ試験片に加工し、９００℃で３９２ＭＰａおよび１１００℃で１３７ＭＰaの条件でクリープ試験を行った。また、ＴＭＦ試験は、平行部の直径５ｍｍで、長さが１５ｍｍの試験片に対して高周波により加熱して実施した。ＴＭＦ試験では、温度範囲を下限である４００℃から上限である９００℃まで変動させ、この温度の変動に連動させて±０．６４％のひずみを加えた。周波数は１サイクルで６６ｍｉｎ、波形は三角波とし、圧縮時に６０ｍｉｎの保持を行った。これらの試験条件は、ガスタービンの運用条件を模擬したものであり、タービン翼の表面温度が、定常時に９００℃、停止時に４００℃であると仮定した。また、昇降温速度は１６６．７℃/ｍｉｎとした。ＴＭＦ特性は、試験片が破断するまでの繰返数で評価されるものである。
実施例１、参考例１および参考例２のＮｉ基一方向凝固合金について９００℃で３９２ＭＰａのクリープ試験の結果とＴＭＦ試験の結果を図１に示す。図１から実施例１のＮｉ基一方向凝固合金が優れたクリープ特性とＴＭＦ特性を併せ持つことが確認される。
実施例１、参考例３および参考例４のＮｉ基一方向凝固合金について９００℃で３９２ＭＰａと１１００℃で１３７ＭＰａの条件でクリープ試験を実施した。その結果を図２に示した。図２の横軸に取ったＬＭＰは、ラーソン・ミラーパラメータ(Larson-Miller parameter)であり、異なる温度条件における破断時間を整理するためのパラメータとして知られているものである。図２において、ＬＭＰを定義付ける式中のＴは温度（Ｋ）を、ｔｒは破断時間（ｈ）を示している。ＬＭＰが大きいほど、より高温で、またはより長時間クリープに耐えられることを意味する。
実施例１のＮｉ基一方向凝固合金は、参考例１〜４に比べ、クリープ特性に優れていることが、図１および図２からも確認される。
図２のＬＭＰ線図から１３７ＭＰａのクリープ条件で１０００時間寿命の耐用温度（℃）を求めた結果を図３に示す。参考例３の耐用温度（９２２℃）、参考例４の耐用温度（８９５℃）に対し実施例１の耐用温度は９８３℃であることから、実施例１のＮｉ基一方向凝固合金は、より高温で、またはより長時間クリープに耐えられることが確認される。
また、耐環境特性を調べるために高温酸化試験を行った。酸化試験は、鏡面仕上げをした試料を電気炉で１１００℃に大気中加熱し、１２時間保持した後の重量変化と試料表面を観察して特性を判定した。酸化試験の結果は図４に示したとおり、実施例１および実施例２のＮｉ基一方向凝固合金は、１２時間後でも重量減少しておらず金属光沢を有しており耐酸化特性に優れたものであると評価される。なお、図中に示した参考例５は耐高温酸化特性の良好な合金として知られている。
本発明のＮｉ基一方向凝固合金は、ＴＭＦ特性、クリープ特性および耐高温酸化のような耐環境特性に優れ、実用面においてコストパフォーマンスに優れている。したがって、ジェットエンジンやガスタービンのタービンブレードやタービンベーンの高温かつ高応力下で使用される部材に有効である。
以下、実施例を示し、本発明のＮｉ基一方向凝固合金についてさらに詳しく説明する。
Claims (7)
- Ｃｒ：６質量％以上１２質量％以下、
Ｍｏ：０．４質量％以上３．０質量％以下、
Ｗ：６質量％以上１０質量％以下、
Ａｌ：４．０質量％以上６．５質量％以下、
Ｎｂ：０質量％以上１質量％以下、
Ｔａ：８質量％以上１２質量％以下、
Ｈｆ：０質量％以上０．１５質量％以下、
Ｓｉ：０．０１質量％以上０．２質量％以下、
Ｚｒ：０質量％以上０．０４質量％以下、
Ｂ：０．０１質量％以上０．０３質量％以下、および
Ｃ：０．０１質量％以上０．３質量％以下、
を含有し、
残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とするＮｉ基一方向凝固合金。 - Ｃｒ：７質量％以上１２質量％以下、
Ｍｏ：０．４質量％以上２．５質量％以下、
Ｗ：７質量％以上１０質量％以下、
Ａｌ：４．０質量％以上６．５質量％以下、
Ｎｂ：０質量％以上１質量％以下、
Ｔａ：９質量％以上１１質量％以下、
Ｈｆ：０質量％以上０．１５質量％以下、
Ｓｉ：０．０１質量％以上０．２質量％以下、および
Ｚｒ：０質量％以上０．０４質量％以下、
Ｂ：０．０１質量％以上０．０３質量％以下、および
Ｃ：０．０１質量％以上０．３質量％以下、
を含有し、
残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とするＮｉ基一方向凝固合金。 - Ｃｒ：８質量％以上１０質量％以下、
Ｍｏ：０．４質量％以上２．０質量％以下、
Ｗ：７質量％以上９質量％以下、
Ａｌ：４．０質量％以上６．５質量％以下、
Ｎｂ：０質量％以上１質量％以下、
Ｔａ：１０質量％以上１１質量％以下、
Ｈｆ：０質量％以上０．１５質量％以下、
Ｓｉ：０．０１質量％以上０．２質量％以下、および
Ｚｒ：０質量％以上０．０４質量％以下、
Ｂ：０．０１質量％以上０．０３質量％以下、および
Ｃ：０．０１質量％以上０．３質量％以下、
を含有し、
残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とするＮｉ基一方向凝固合金。 - 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＮｉ基一方向凝固合金であって、
温度９００℃で応力３９２ＭＰａにおけるクリープ寿命が６５時間以上であり、
所定条件の熱疲労（ＴＭＦ）特性試験での繰返し回数が１５５サイクル以上であるＮｉ基一方向凝固合金。 - 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＮｉ基一方向凝固合金であって、
温度９００℃で応力３９２ＭＰａにおけるラーソン・ミラーパラメータの値が２５．６以上２５．９以下であり、
温度１１００℃で応力１３７ＭＰａにおけるラーソン・ミラーパラメータの値が２８．８以上２９．３以下であるＮｉ基一方向凝固合金。 - 請求項５に記載のＮｉ基一方向凝固合金であって、
応力１３７ＭＰａにおけるラーソン・ミラーパラメータの値から求めたクリープ寿命であって、その１０００時間寿命が耐用温度９６０℃以上１０１０℃以下であるＮｉ基一方向凝固合金。 - 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＮｉ基一方向凝固合金からなる試料であって、
前記試料を鏡面仕上げしてから電気炉で１１００℃に大気中加熱し、１２時間保持した後の重量変化と、前記試料の表面を観察して特性を判定する高温酸化試験において、
前記試料の重量変化が−０．１［ｍｇ／ｃｍ２］以上０．３［ｍｇ／ｃｍ２］以下であり、
前記試料の表面が金属光沢を備えてなる請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＮｉ基一方向凝固合金。
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