KR101802099B1

KR101802099B1 - 규화 니오븀기 복합재와 그것을 사용한 고온 부품 및 고온 열기관

Info

Publication number: KR101802099B1
Application number: KR1020167001161A
Authority: KR
Inventors: 유팅 왕
Original assignee: 미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
Priority date: 2015-05-25
Filing date: 2015-05-25
Publication date: 2017-11-27
Also published as: EP3339458B1; JP6030250B1; WO2016189612A1; CN106488993A; EP3339458A4; KR20160148502A; JPWO2016189612A1; US20170159155A1; CN106488993B; EP3339458A1

Abstract

초고온 영역(1200℃ 이상)에 있어서의 기계 특성 및 인성을 높은 레벨에서 양립하는 규화 니오븀기 복합재와, 그것을 사용한 고온 부품 및 고온 열기관을 제공한다. 본 발명에 관한 규화 니오븀기 복합재는, Si:13∼23at％, Cr:2.0∼10at％, Ti:5.0∼23at％, Al:0.0∼6.0at％, Zr:0.10∼8.0at％, Hf:1.0∼8.0at％, W:0.0∼2.0at％, Sn:0.10∼6.0at％, Mo:3.1∼8.0at％ 및 B:0.20∼5.0at％를 포함하고, 잔부가 Nb와 불가피 불순물인 것을 특징으로 한다.

Description

규화 니오븀기 복합재와 그것을 사용한 고온 부품 및 고온 열기관 {NIOBIUM SILICIDE-BASED COMPOSITE MATERIAL, AND HIGH-TEMPERATURE COMPONENT AND HIGH-TEMPERATURE HEAT ENGINE USING THEREOF}

본 발명은 규화 니오븀기 복합재(규화 니오븀기 금속/금속간 화합물 복합재)와 그것을 사용한 고온 부품 및 고온 열기관에 관한 것이다.

가스 터빈 등의 열기관의 열효율의 개선에는, 고온화 기술이 크게 기여하고 있고, 고온 내열 재료의 개발이 중요한 역할을 담당하고 있다. 현재, 가스 터빈 부재에는, 주로 니켈(Ni) 기초 합금이 사용되고 있지만, 내용 온도의 향상은 한계에 근접하고 있어, 가일층의 향상은 곤란한 상황에 있다.

열효율을 향상시키기 위해, 새로운 고온 내열 재료는, 종래재의 Ni 기초 합금(융점 약 1300℃)보다 높은 내용 온도가 요구되고 있다. 종래재의 Ni 기초 합금의 발전을 되돌아보면, 생산 기술의 혁신·발전(일 방향 응고, 단결정 등)에 의해 재료 특성이 개선되어 왔다.

그러나, 차세대의 고온 내열 재료로서 가장 중요하고 또한 본질적인 특성은, 융점이 높은 것이다. 따라서, 내용 온도를 본질적으로 향상시키기 위해서는, 고융점 금속을 베이스재로 한 재료의 개발이 가장 현실적인 선택이다.

이것을 만족시키는 것으로서, 융점이 2000℃를 초과하는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb) 및 탄탈륨(Ta) 등의, 소위 고융점 금속이 생각되어진다. 그 중에서도, 특히 Nb는, Ni보다 융점이 1000℃ 이상이나 높고, 세라믹스에 비해 실온에서의 인성이 우수하고, 또한 저밀도(8.57g/㎤)이다. 그러나, Nb 단체를 내열 재료로서 실용화하는 것은, 고온 강도 및 상온 인성의 면에서 과제가 남아 있다. 따라서, 이 2개의 특성을 강화하는 합금을 개발할 필요가 있다.

따라서, Nb-Al계 등의 금속간 화합물, 고용 강화형의 Nb기 합금, 석출 강화형 혹은 분산 강화형의 Nb기 복합재 등에 관해, 다양한 검토가 행해지고 있다.

Nb-Al계 금속간 화합물로서는, A15형 결정 구조를 갖는 Nb₃Al이 주목받고 있다. Nb₃Al은, 실온 부근에서 극히 취약하므로, 제3 원소로서 W, Ta를 첨가함으로써 상온 인성이나 고온 강도를 개선하는 제안도 있었다(특허문헌 1). 그러나, 단단하고 취약하다고 하는 금속간 화합물의 기본적 성질을 대폭으로 개선하는 것은 극히 곤란하며, 구조 재료로서 실용화하는 것은 용이하지는 않다.

고용 강화형의 Nb기 합금의 예로서는, Mo를 5∼30원자％와 W를 5∼15원자％ 포함하는 합금이 알려져 있다(특허문헌 2). 그러나, 고용 강화 원소 Mo 및 W를 첨가하였다고 해도, 고온 영역에 있어서 충분한 강도를 갖는다고는 하기 어렵다.

또한, 규화 니오븀기 복합재의 예로서는, Nb에 Si를 5∼20원자％, Mo를 5∼30원자％ 및 W를 5∼15원자％ 첨가하고, 니오븀 실리사이드를 석출시켜 강화하는 Nb-Si계 복합 재료가 알려져 있다(특허문헌 3). 이 재료는, 분산상인 니오븀 실리사이드가 주로 Nb₅Si₃이며, 또한 이 니오븀 실리사이드가 서로 연결된 네트워크 구조를 갖는 니오븀기 복합 재료이다. 니오븀 실리사이드의 양을 많게 하고 있으므로, 고온 강도가 높다. 그러나, 니오븀 실리사이드는, 본질적으로 취약하고, 네트워크 구조로 되면, 균열의 진전은 멈추지 않고, 실온 취성은 더욱 부족해진다.

또한, 티타늄(Ti)은, 금속상의 고유 인성을 개선한다. 그로 인해, 특허문헌 4에서는, Ti의 레벨은, 전체 원자 퍼센트에 기초하여, 약 24∼27원자％의 범위 내에서 첨가한다. 그러나, 복합재의 인성을 향상시킬 수 있지만, 1000∼1400℃의 온도 범위 중에서, Ti₅Si₃가 생성되고, 조직 안정성의 저하와 기계적 특성(크리프 강도 및 피로 등)의 열화에 연결된다. 이로 인해, Ti의 고레벨 첨가는, 인성(연성)에 더하여, 그 복합재의 고온 강도의 양립이 곤란하다. 또한, 고농도의 티타늄의 존재로, 주조 시에 있어서의 바람직하지 않은 티타늄의 편석, 즉, 응고 시에 있어서의 용융액 내에서의 편석을 발생시키기 쉬운 경우도 있다.

일본 특허 출원 공개 평6-122935호 공보 일본 특허 출원 공개 제2001-226732호 공보 일본 특허 출원 공개 제2001-226734호 공보 미국 특허 제5833773호 명세서

본 발명은, 초고온 영역(1200℃ 이상)에 있어서의 기계 특성 및 인성을 높은 레벨에서 양립하는 규화 니오븀기 복합재와, 그것을 사용한 고온 부품 및 고온 열기관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위해, Si:13∼23at％, Cr:2.0∼10at％, Ti:5.0∼23at％, Al:0.0∼6.0at％, Zr:0.10∼8.0at％, Hf:1.0∼8.0at％, W:0.0∼2.0at％, Sn:0.10∼6.0at％, Mo:3.1∼8.0at％ 및 B:0.20∼5.0at％를 포함하고, 잔부가 Nb와 불가피 불순물인 것을 특징으로 하는 규화 니오븀기 복합재를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 규화 니오븀기 복합재를 사용한 고온 부품 및 고온 열기관을 제공한다.

본 발명에 따르면, 초고온 영역(1200℃ 이상)에 있어서의 기계 특성 및 인성을 높은 레벨에서 양립하는 규화 니오븀기 복합재와, 그것을 사용한 고온 부품 및 고온 열기관을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 규화 니오븀기 복합재를 사용한 가스 터빈의 일례를 모식적으로 나타내는 단면도이다.

[본 발명의 기본 사상]

본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위해, 합금의 각 첨가 원소의 균형을 잡고, 고융점을 유지하고, 또한 실온 인성을 향상시킬 수 있는 규화 니오븀기 복합재에 대해 검토하였다. 그리고, 조직 제어에 기초하여, 적절한 원소의 첨가로 Nb상의 인성을 개선하고, 적절한 열처리 공정을 조합함으로써, 강도와 인성이 양립할 가능성을 발견하였다. 보다 구체적으로는, 연성이 풍부한 니오븀 베이스 결정립(입자상의 니오븀 결정)과, 고온 강도를 갖는 미세한 조직(예를 들어, 라멜라 조직)을 조합하고, 또한 적절한 열처리를 조합함으로써, 고온 강도와 상온 인성을 양립하는 것을 발견하였다. 본 발명은 상기 지견에 기초하는 것이다.

Ti는, 금속 니오븀상의 고유 인성을 개선하는 효과가 있다. 본 발명자들은, 열역학 계산의 결과에 의해, 고온(1000℃∼1400℃)에서 합금의 상 안정성을 중시하고, Ti₅Si₃, Ti₃Si상 등이 석출되지 않고, 강화상은 주로 Nb₅Si₃ 1상으로 하기 위해, 첨가 원소(Hf, Zr, Al, W 및 Mo 등)의 함유량이 상기인 규화 니오븀기 복합재를 제안한다.

이하, 본 발명에 대해 상세하게 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위에서 적절히 개량 및 변경이 가능하다.

[규화 니오븀기 복합재]

이하에 상술한 조직을 갖는 본 발명에 관한 규화 니오븀기 복합재에 포함되는 각 첨가 원소의 작용 및 바람직한 조성 범위에 대해 설명한다. 또한, 본 발명에 있어서 「니오븀 결정」은, 니오븀 단체(Nb)의 결정 및 니오븀 고용체의 결정을 포함한다. 또한, 「니오븀 실리사이드」는, 니오븀 및 실리콘을 포함하는 화합물이면 되고, 그 밖의 조성 등에 대해서는 특별히 한정되는 것은 아니다.

Si(실리콘):13∼23at(원자)％

Nb-Si계의 2원계 합금은, 그 상태도에 의해, Si:18.7at％ 부근에 공정점이 있다. 공정점의 부근에서는, 실온에서 인성이 큰 니오븀상이 연속상으로 되기 쉽다. Si의 함유량이 13at％ 미만에서는, 실리사이드상(강화상)이 적으므로, 고온 강도가 부족하다. 한편, Si의 함유량이 23at％보다 크면, 실리사이드상이 많으므로, 단단하고 취약한 재료로 되고, 인성의 확보가 어렵다. 또한, 다른 원소의 첨가에 의해, 공정점이 전후로 어긋나는 경우가 있으므로, 상기한 범위가 바람직하다. 보다 바람직하게는 14∼20at％(14at％ 이상 20at％ 이하)의 범위이며, 더욱 바람직하게는 15∼19at％의 범위이다.

Cr(크롬):2.0∼10at％

종래의 연구에 의해, 고용 강화에 의해, 고온 강도를 향상시킬 수 있다. 또한 Cr은, 고온 내산화성에 유효한 원소이다. 또한, Cr의 첨가로, Nb 입자를 조대화하여 저온 인성을 향상시키는 것이 가능하다. 그리고, 그들의 효과가 보다 현저하게 나타나는 것은 2.0at％ 이상의 경우이다. 그러나, Cr량이 지나치게 많아지면, 취약한 Laves상이 많이 석출되어 인성이 저하된다. 그로 인해, 다른 합금 원소와의 균형을 취해, 그 상한을 10at％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 5.0∼10at％이며, 더욱 바람직하게는 6.0∼9.0at％의 범위이다.

Ti(티타늄):5.0∼23at％

Ti는, 5.0at％ 이상인 경우, Nb상에 고용됨으로써 규화 니오븀기 복합재의 인성을 향상시킨다. 그러나, Ti의 첨가량이 23at％보다 많아지면, Ti는 Si와 실리사이드(TiSi₃ 또는 Ti₅Si₃)를 형성하고, 그것들의 실리사이드는 취약하므로, 복합재의 실온 인성이 저하된다. 또한, Ti는 저융점이며, 규화 니오븀 복합재의 융점을 저하시킴으로써 규화 니오븀 복합재의 고온 강도를 저하시킨다. 보다 바람직하게는 7.0∼20at％이며, 더욱 바람직하게는 9.0∼19at％이다.

Hf(하프늄):1.0∼8.0at％

Hf는 Nb₅Si₃에의 고용에 의해, Ti의 니오븀상에의 고용량을 증가시키는 효과가 있다. 그 효과가 현저하게 나타나는 것은 1.0at％ 이상부터이다. 그러나, Hf량이 지나치게 많아지면, HfSi₂가 나타남으로써 인성 및 고온 강도가 저하된다. 그로 인해, Hf의 상한을 8.0at％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 2.0∼6.0at％이며, 더욱 바람직하게는 2.5∼5.0at％의 범위이다.

Al(알루미늄):0.0∼6.0at％

Al의 첨가는 Hf와 마찬가지로, 니오븀상에의 Ti의 고용량을 증가시키는 효과가 있다. 그 효과가 현저하게 나타나는 것은 0.5at％ 이상이다. 그러나, 저융점 원소인 Al량이 지나치게 많아지면, 복합재의 융점이 저하되고, 고온 강도가 열화될 가능성이 있다. 그로 인해, Al의 상한을 6.0at％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 2.0∼4.0at％의 범위이다.

Zr(지르코늄):0.10∼8.0at％

Zr을 첨가함으로써, 열처리 공정 중에 있어서 Nb₃Si의 공석 분해 속도를 가속시켜, 니오븀상 입자의 조대화에 효과가 있다. 그 효과가 현저하게 나타나는 것은 0.1at％ 이상이다. 그러나, Zr량이 지나치게 많아지면, 실리사이드(ZrSi₂)가 나타남으로써 인성 및 고온 강도가 저하된다. 그로 인해, 0.1∼8.0at％의 범위로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 1.5at％∼5.0at％이며, 더욱 바람직하게는 2.0∼4.0at％이다.

Sn(주석):0.10∼6.0at％

Sn을 첨가함으로써, Nb-Si 금속간 화합물의 페스트 산화를 억제하는 것이 가능하다. 그 효과가 현저하게 나타나는 것은 0.10at％ 이상이다. 그러나, Sn이 지나치게 많아지면, 규화 니오븀기 복합재의 융점이 저하되고, 고온 강도가 저하된다. 그로 인해, Sn의 상한을 6.0at％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 범위는 0.50∼5.0at％이며, 더욱 바람직하게는 1.0∼4.0at％이다.

W(텅스텐):0.50∼2.0at％, Mo:3.1∼8.0at％

Nb에 고용되는 강화 원소로서, Mo와 W를 복합 첨가하는 이유는, 어느 한쪽만의 경우보다, 고온 강도와 인성의 균형을 얻기 쉽기 때문이다. W＋Mo의 첨가량이 6.0∼8.0at％로 하는 것이 보다 바람직하다. W＋Mo 합계 6at％ 미만에서는, 고용 효과가 불충분하다. 고융점 금속 W의 첨가는, 니오븀상을 고용 강화할 수 있다. W와 Mo의 상한을 8.0at％로 하는 이유는, 이것보다 높으면, 인성이 현저하게 저하되기 때문이다. W의 보다 바람직한 범위는 0.60∼2.0at％이며, 더욱 바람직한 범위는 0.80∼1.6at％의 범위이다. Mo의 보다 바람직한 범위는 3.5∼7.0at％이며, 더욱 바람직한 범위는 3.8∼6.6at％이다.

B(붕소):0.20∼5.0at％

B를 첨가함으로써, 실온 인성이 향상된다. 이유는 아직 명백하지는 않지만, B의 첨가로 Nb 결정/Nb 실리사이드 조직의 상 계면 강도가 개선되었을 가능성이 생각되어진다. 또한, B의 첨가로, 내산화성의 개선도 가능하다. 그 효과가 현저하게 나타나는 것은 0.20at％ 이상부터이다. 그러나, B량이 지나치게 많아지면, 편석 등에 의해, NbB₂가 나타남으로써 인성 및 고온 강도가 저하될 우려가 있다. 그로 인해, B의 상한을 5.0at％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.50∼4.5at％의 범위이며, 더욱 바람직하게는 0.50∼4.0원자％의 범위이다.

상기한 규화 니오븀 복합재에는, 상기 원소 이외에, 탄소(C), 게르마늄(Ge), 바나듐(V), 질소(N), 철(Fe) 및 인듐(In)을 첨가해도 된다. 상기 원소를 첨가함으로써, 규화 니오븀기 복합재의 강도를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 탄소를 첨가한 경우에는 탄화물(TiC 등)이 형성되고, 이 탄화물에 의해 니오븀기 복합체를 강화할 수 있다.

본 발명에 관한 규화 니오븀기 복합재는, 니오븀 결정립과, 니오븀 실리사이드를 포함하는 화합물상을 갖고, 높은 인성을 갖는 조대화 금속 니오븀 결정 입자 조직과, 우수한 고온 강도를 갖는 미세한 Nb 결정/니오븀 실리사이드 조직(화합물상)이 공존하는 복합 조직 형태를 갖는 것이 바람직하다.

규화 니오븀기 복합재에 포함되는 니오븀 결정립(조대화 니오븀 결정립, 니오븀 베이스 결정 입자)의 함유량은, 35∼65체적％인 것이 바람직하다. 또한, 규화 니오븀기 복합재에 포함되는 화합물상은, 35∼65체적％인 것이 바람직하다. 여기서, 「실리사이드」는, Si와 상기 첨가 원소의 화합물이며, MSi₃로 나타내어진다(M은, 상기 Si 이외의 첨가 원소).

[규화 니오븀기 복합재의 제조 방법]

본 발명에 관한 규화 니오븀기 복합재의 제조 방법은, 다음의 공정을 포함한다. 즉, Nb를 포함하는 재료와, Si를 포함하는 재료와, 상기 Nb 및 Si 이외의 적절한 첨가 원소를 혼합하고, 용융하는 용융 공정과, 용융 공정에 의해 얻어진 용융물을 응고하는 응고 공정과, 응고 공정에 의해 얻어진 응고물을 고체 상태에서 열처리하는 열처리 공정이다. 적어도, 상기 용융 공정에 의해 얻어진 용융물을 응고시키는 응고 공정과, 상기 응고 공정에 의해 얻어진 응고물을 고체 상태에서 열처리하는 열처리 공정을 포함하고 있으면 된다. Nb 또는 Si를 포함하는 재료, 첨가물의 종류, 열처리 온도 및 제조 설비·기구 등의 여러 조건에 대해서는, 특별히 한정되는 것은 아니다.

열처리 공정은, 응고 공정을 거친 규화 니오븀기 복합재를 고체 상태 그대로 열처리하는 공정이다. 또한, 열처리 공정은, 진공 중 또는 불활성 분위기 중, 1200∼1700℃에서 행하는 것이 바람직하다.

열처리 공정 후에 얻어지는 규화 니오븀기 복합재는, 조대화 니오븀 결정립과, 미세한 니오븀 결정/니오븀 실리사이드 라멜라 조직(니오븀 실리사이드를 포함하는 화합물상과, 상기 화합물상 중에 분산된 미소한 니오븀 결정립으로 구성되는 조직이며, 양자를 합쳐서 「화합물상」이라고도 칭함)을 갖는다. 니오븀 실리사이드의 대부분은 Nb₅Si₃이다. 또한, 이 니오븀기 복합재의 조직 구조에서는, 미세한 니오븀 결정/니오븀 실리사이드 라멜라 조직을 형성하는 화합물상은, 조대화 니오븀 결정립의 네트워크 중에 형성된 상태로 되어 있다. 그로 인해, 니오븀 실리사이드에서 발생한 균열은 진전되기 어렵다. 또한, 니오븀 실리사이드의 주위의 Nb 결정은, 비교적 연성이 있고, 그 인성도 실리사이드와 비교하여 높다. 그 결과, 가장 우려되는 실리사이드 중의 균열 진전은 억제된다.

또한, 니오븀 결정립(조대화된 니오븀 결정립)의 체적률은, 바람직하게는 35∼65체적％의 범위이며, 더욱 바람직하게는 45∼60체적％의 범위이다. 여기서, 니오븀 결정립의 체적률은, 규화 니오븀기 복합재의 전체 단면적 중 조대화된 니오븀 결정립이 차지하는 면적의 백분율이며, 당해 전체 단면적과, 니오븀 결정립 이외인 니오븀 실리사이드상 및 라멜라 조직 등이 차지하는 면적의 차를 당해 전체 단면적으로 나눈 값의 백분율로서 정의한다. 각 상의 면적률은, SEM(Scanning Electron Microscope)의 단면 관찰 사진을 사용하여 평가하는 것이 가능하다.

한편, 미세한 니오븀 결정/니오븀 실리사이드 라멜라 조직은, 고온 강도를 향상시키는 것이 생각되어진다. 라멜라 조직의 크기는, 특별히 한정되지 않지만, 미세한 구조를 갖는 것일수록 바람직하다. 라멜라 조직(화합물상)의 체적률은, 바람직하게는 35∼65체적％의 범위이며, 더욱 바람직하게는 45∼55체적％의 범위이다. 여기서, 라멜라 조직의 체적률은, 규화 니오븀기 복합재의 전체 단면적 중 라멜라 조직이 차지하는 면적의 백분율이다. 평가 방법은, 상술한 니오븀 결정립의 경우와 마찬가지이다. 또한, 여기서 말하는 「라멜라 조직」은, 니오븀 결정립 이외의 부분의 총칭이며, 라멜라 조직뿐만 아니라, 다른 미세한 조직도 포함하는 것으로 한다.

열처리 후의 주요상(니오븀 결정립 및 라멜라 조직) 이외에는, 석출량이 적은 비주요상[라베스(Laves)상 및 Hf₂Si상 등]이 포함되어 있어도 되지만, 비주요상의 함유량은, 5체적％ 이하인 것이 바람직하다. 비주요상이 5체적％보다 많으면, 주요상의 함유량이 적어지고, 충분한 고온 강도 및 인성이 얻어지지 않는다.

[고온 부품 및 고온 열기관]

도 1은 본 발명에 관한 규화 니오븀기 복합재를 사용한 가스 터빈의 일례를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 1의 각 부품에 부여한 부호에 있어서, 10은 터빈 스터브 샤프트, 3은 터빈 블레이드, 13은 터빈 스택킹 볼트, 18은 터빈 스페이서, 19는 디스턴트 피스, 20은 초단 노즐, 6은 컴프레서 디스크, 7은 컴프레서 블레이드, 16은 컴프레서 노즐, 8은 컴프레서 스택킹 볼트, 9는 컴프레서 스터브 샤프트, 4는 터빈 디스크, 11은 구멍, 15는 연소기를 나타낸다. 본 발명에 관한 규화 니오븀기 복합재는, 상술한 어느 부품에 적용되어도 되지만, 특히 고온에 노출되는 터빈 블레이드(3)(터빈 동익 및 정익)에 적용되는 것이 바람직하다.

상술한 본 발명에 관한 규화 니오븀기 복합재는, 우수한 내열성, 강도, 인성 및 연성을 나타내므로, 상술한 고온 열기관을 구성하는 내열 재료(고온 부품)로서 적절하게 사용할 수 있고, 특히 폭넓은 온도 환경에 있어서 사용 가능한 내열 재료로서 매우 유용하다.

고온 열기관으로서는, 상술한 발전용 가스 터빈에 한정되지 않고, 터빈 엔진 및 제트 엔진 등도 들 수 있다.

[실시예]

이하, 실시예를 사용하여 본 발명의 실시 형태에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시예에 있어서의 규화 니오븀기 복합재의 제조 방법은, 제조 방법의 일례이다. 따라서, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것이 아니라, 세부에 대해서는 다양한 형태가 가능한 것은 물론이다. 또한, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 다양한 변경이 가능하고, 각각 개시된 기술적 수단을 적절히 조합하여 얻어지는 실시 형태에 대해서도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

본 발명에 관한 규화 니오븀기 복합재로 이루어지는 시험편(TP1 및 TP2)을 제작하고, 시험에 제공하였다. 이 시험편의 조성은, 원자수 기준, 즉, 원자％로, TP1:Nb-16Si-7.5Cr-5Mo-5Hf-10Ti-1W-1B-2.5Zr-2.0Sn, TP2:Nb-16Si-7.5Cr-5Mo-5Hf-15Ti-1W-1B-2.5Zr-2.0Sn이다.

구체적인 제조 방법은, 다음과 같다. 시험재는, 콜드 크루시블 용해법으로 제작하였다(용융 공정 및 응고 공정). 그 후의 열처리는, 아르곤(Ar) 분위기에 있어서 1200℃∼1700℃에서 10∼50시간 유지를 행하였다.

여기서, 콜드 크루시블 용해법으로서는, 콜드 크루시블 유도 용해법(Cold Crucible Induction Melting:CCIM)을 채용하였다. 콜드 크루시블 용해법에는, 이 외에, 전자 빔 용해법(Electron Beam Melting:EBM), 플라즈마 아크 용해법(Plasma Arc Melting:PAM) 등이 있지만, 어느 용해법을 채용해도 된다.

1200℃-137㎫의 고온 압축 크리프 시험 및 실온에서의 4점 굽힘 시험을 실시하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 관한 규화 니오븀기 복합재는, 우수한 강도와 인성을 양립한다. 이러한 특성을 갖는 규화 니오븀기 복합재는, 내열 재료로서 매우 유용하다. 이 합금 제품은, 실온에서의 인성이 우수하므로, 다양한 방법에 의해 원하는 물품으로 가공 및 성형할 수 있다. 예를 들어, 용융시킨 합금 제품은, 적당한 장치 내에서 주조할 수 있다. 주조를 위한 몰드 조립체는, 당 기술 분야에 있어서 잘 알려져 있다. 그 일례가, 미국 특허 제6,676,381호(Subramanian 외)에 기재되어 있다. 그러나, 다른 대부분의 주조법도 사용할 수 있다. 용융 금속은, 방향성 응고(DS)법에 의해 응고된다. DS법은, 당 기술 분야에 있어서 잘 알려져 있고, 또한 예를 들어 미국 특허 제6,059,015호 및 제4,213,497호(Sawyer)에 기재되어 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 초고온 영역(1200℃ 이상)에 있어서의 기계 특성 및 인성을 높은 레벨에서 양립하는 규화 니오븀기 복합재와, 그것을 사용한 고온 부품 및 고온 열기관을 제공할 수 있는 것이 나타났다.

3 : 터빈 블레이드
4 : 터빈 디스크
6 : 컴프레서 디스크
7 : 컴프레서 블레이드
8 : 컴프레서 스택킹 볼트
9 : 컴프레서 스터브 샤프트
10 : 터빈 스터브 샤프트
11 : 구멍
13 : 터빈 스택킹 볼트
15 : 연소기
16 : 컴프레서 노즐
18 : 터빈 스페이서
19 : 디스턴트 피스
20 : 초단 노즐

Claims

Si:13∼23at％, Cr:2.0∼10at％, Ti:5.0∼23at％, Al:0.5∼6.0at％, Zr:0.10∼8.0at％, Hf:1.0∼8.0at％, W:0.50∼2.0at％, Sn:0.10∼6.0at％, Mo:3.1∼8.0at％ 및 B:0.20∼5.0at％를 포함하고, 잔부가 Nb와 불가피 불순물인 것을 특징으로 하는, 규화 니오븀기 복합재.
제1항에 있어서, W와 Mo의 합계 함유량이, 6.0∼8.0at％인 것을 특징으로 하는, 규화 니오븀기 복합재.
삭제
제1항에 있어서, 니오븀 결정립과, 니오븀 실리사이드를 포함하는 화합물상과, 상기 화합물상에 분산된 니오븀 결정립을 포함하고, 상기 니오븀 실리사이드와 상기 화합물상에 분산된 니오븀 결정립으로 구성된 라멜라 조직을 포함하는 것을 특징으로 하는, 규화 니오븀기 복합재.
제4항에 있어서, 상기 니오븀 결정립의 함유량이 35∼65체적％이며, 상기 화합물상의 함유량이 35∼65체적％인 것을 특징으로 하는, 규화 니오븀기 복합재.
제4항에 있어서, 석출상을 더 포함하고, 상기 석출상의 함유량이, 5체적％ 이하인 것을 특징으로 하는, 규화 니오븀기 복합재.
제6항에 있어서, 상기 석출상이, 라베스상 또는 Hf₂Si상인 것을 특징으로 하는, 규화 니오븀기 복합재.
제4항에 있어서, 조대한 상기 니오븀 결정립의 네트워크 중에 상기 화합물상이 분산되어 있는 것을 특징으로 하는, 규화 니오븀기 복합재.
제1항, 제2항 및 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 규화 니오븀기 복합재를 사용한 것을 특징으로 하는, 고온 부품.
제9항에 있어서, 상기 고온 부품이, 가스 터빈용 터빈 동익인 것을 특징으로 하는, 고온 부품.
제9항에 있어서, 상기 고온 부품이, 가스 터빈용 터빈 정익인 것을 특징으로 하는, 고온 부품.
제9항에 기재된 고온 부품을 사용한 것을 특징으로 하는, 고온 열기관.
제12항에 있어서, 상기 고온 열기관이 가스 터빈인 것을 특징으로 하는, 고온 열기관.
제12항에 있어서, 상기 고온 열기관이 제트 엔진인 것을 특징으로 하는, 고온 열기관.