KR19980063623A - 낮은 크롬 함량을 갖는 고강도 고도 내산화성 단결정 초합금 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초합금 조성물 및 상기 조성물의 단결정 제품에 관한 것이다. 넓은 조성 범위는, 3.0 내지 20.0중량%의 Co, 5.0 내지 10.0중량%의 W, 5.0 내지 7.0중량%의 Al, 0.4 내지 2.9중량%의 Cr, 4.0 내지 8.0중량%의 Ta, 0 내지 1.0중량%의 V, 0 내지 8.5중량%의 Re, 0 내지 1.5중량%의 Ti, 0 내지 3.0중량%의 Hf, 0 내지 4.0중량%의 Mo, 0 내지 2.0중량%의 Nb, 0 내지 10.0중량%의 Ru, Rh, Pd, Os, Ir 및 Pt로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소, 0 내지 1.0중량%의 Y, La, Sc, Ac, 란타니드계 또는 악티니드계 원소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소 및 필수적으로 나머지량의 Ni이다. 상기 범위내의 가장 유용한 특정 조성물을 선택하도록 식이 제공된다.

Description

낮은 크롬 함량을 갖는 고강도 고도 내산화성 단결정 초합금 조성물
본 발명은 주조 단결정 형태로 사용하기에 적합하게 된 니켈계 초합금 조성물 및 단결정 제품에 관한 것이다.
니켈계 초합금은 승온에서 고응력을 견뎌야 하는 용도에서 널리 사용된다. 이러한 용도중 하나는 가스 터빈 엔진 산업, 특히 터빈 블레이드(blade) 및 베인(vane)이다. 개선된 효능 및 성능이 요구됨으로써 승온에서의 가스 터빈 엔진의 작동 및 거기에 사용되는 초합금 제품에 대한 요구가 매우 높아졌다.
통상적으로 제조되는 금속 물질은 결정 입계(grain boundary)에 의해 분리되는 다수의 입자로 이루어진다. 결정 입계는 승온에서 약하고 입자내의 물질보다 훨씬 더 약하다. 이러한 결정 입계는 승온에서 균열이 개시되는 돌출 부위이다. 따라서, 고 각도 결정 입계를 제거함으로써 균열 형성의 경향을 감소시킬 수 있고 이로 인해 승온에서 성분의 수명을 증가시킬 수 있다.
성공적으로 사용되는 방법중 하나는 금속 물질을 단결정 형태로 제작하는 것이다. 특정 주조 방법을 통해 니켈계 초합금을 단결정 형태, 즉 내부 결정 입계를 갖지 않는 제품의 형태로 제조할 수 있다. 미국 특허 제 3,260,505 호는 니켈계 단결정 초합금 제품을 기술한다. 미국 특허 제 4,116,723 호는 니켈 단결정 제품의 군에 적용가능한 열처리 방법을 기술한다. 미국 특허 제 4,209,348 호는 보다 구체적인 단결정 제품의 군을 기술하며 이들의 승온 기계적 성질을 개선시키기 위해서 상기 제품을 열처리하는 방법을 기술한다. 미국 특허 제 4,209,348 호에 기술된 공칭 조성은 10중량%의 크롬, 5중량%의 알루미늄, 1.5중량%의 티탄, 4중량%의 텅스텐, 12중량%의 탄탈, 5중량%의 코발트 및 필수적으로 나머지량의 니켈이다. 또다른 단결정 초합금 조성물은 6중량%의 탄탈, 9중량%의 크롬, 5중량%의 코발트, 1중량%의 티탄, 1중량%의 몰리브덴, 7중량%의 텅스텐, 5.5중량%의 알루미늄, 0.15중량%의 하프늄, 필수적으로 나머지량의 니켈인 공칭 조성을 갖는, 미국 특허 제 4,402,772 호에 기술된 것이다. 또다른 조성물은 5.2중량%의 크롬, 5.4중량%의 알루미늄, 1.1중량%의 티탄, 2중량%의 몰리브덴, 4.9중량%의 텅스텐, 6.4중량%의 탄탈, 3중량%의 레늄, 0.4중량%의 바나듐, 필수적으로 나머지량의 니켈인 공칭 조성을 갖는, 미국 특허 제 4,222,794 호에 기술된 것이다. 또다른 조성물은 5중량%의 크롬, 2중량%의 몰리브덴, 6중량%의 텅스텐, 3중량%의 레늄, 9중량%의 탄탈, 5.6중량%의 알루미늄, 10중량%의 코발트, 0.1중량%의 하프늄, 필수적으로 나머지량의 니켈의 예시적이고 바람직한 조성을 갖는, 미국 특허 제 4,719,080 호에 기술된 것이다.
본 발명의 목적은 낮은 크롬 함량을 가지면서도 탁월한 내산화성 및 우수한 고온 내식성을 갖고, 높은 크리이프-파단 강도 및 우수한 미세구조 안정성을 가지며, 특히 블레이드 및 베인과 같은 가스 터빈 엔진 부품에 적합한 합금을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 합금 및 종래 기술의 합금에 대한, 300 시간내에 1%의 크리이프(creep)을 생성시키는데 필요한 응력을 온도의 함수로서 예시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 합금 및 종래 기술의 합금에 대한, 300 시간내에 파단(rupture)을 일으키는데 필요한 응력을 온도의 함수로서 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 합금 및 종래 기술의 합금에 대한, 100 시간내에 1% 크리이프를 일으키는데 필요한 응력을 온도의 함수로서 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 합금 및 종래 기술의 합금에 대한, 100 시간내에 파단을 일으키는데 필요한 응력을 온도의 함수로서 도시한 그래프이다.
도 5는 종래 기술의 합금에 비교된, 시간 대 1% 크리이프의 라슨-밀러(Larson-Miller) 도표이다.
도 6은 종래 기술의 합금에 비교된, 시간 대 파단의 라슨-밀러 도표이다.
도 7은 본 발명의 합금의 산화 거동과 종래 기술 합금의 산화 거동을 비교하는 도표이다.
도 8은 본 발명의 합금(피복되지 않음)의 1900℉에서의 열기계적 피로 거동을 종래 기술의 합금(피복됨)의 것과 대조시켜 예시하는 도표이다.
도 9는 본 발명의 합금(피복되지 않음)의 2000℉에서의 열기계적 피로 거동을 종래 기술의 합금(피복됨)의 것과 대조시켜 예시하는 도표이다.
도 10은 열기계적 피로 시험에서 본 발명의 합금(피복되지 않음)의 금속 온도 장점을 종래 기술의 합금(피복됨)의 것과 대조시켜 예시하는 도표이다.
도 11은 내산화성에 대한 크롬 함량의 효과를 예시하는 도표이다.
본 발명은 탁월한 성질의 조합을 갖는, 단결정 제품으로 제작될 수 있는 니켈계 초합금 조성물을 포함한다. 넓은 조성 범위는, 3.0 내지 20.0중량%의 코발트, 5.0 내지 10.0중량%의 텅스텐, 5.0 내지 7.0중량%의 알루미늄, 0.4 내지 2.0중량%의 크롬, 4.0 내지 8.0중량%의 탄탈, 0 내지 1.0중량%의 바나듐, 0 내지 8.5중량%의 레늄, 0 내지 1.5중량%의 티탄, 0 내지 3.0중량%의 하프늄, 0 내지 4.0중량%의 몰리브덴, 0 내지 2.0중량%의 니오브, 0 내지 10.0중량%의 3족, 2열 및 3열 금속(루테늄, 팔라듐, 백금, 로듐, 이리듐 및 오스뮴)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소, 0 내지 0.1중량%의 이트륨, 란탄, 스칸듐, 세륨, 란타니드계 또는 악티니드계 원소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소 및 필수적으로 나머지량의 니켈이다. 넓은 범위내의 최적 조성을 선택하도록 당해 분야의 숙련자들에게 지침이 될 수 있는 조성 관계가 기술되어 있다.
본원에서 기술된 합금의 독특한 특성은 낮은 크롬 함량을 가지면서도 탁월한 내산화성 및 우수한 고온 내식성을 갖는다는 것이다. 낮은 크롬 함량으로 인해서 합금이 또한 높은 크리이프-파단 강도 및 우수한 미세구조 안정성을 갖게 된다. 따라서, 본 발명은 특히 블레이드 및 베인과 같은 가스 터빈 엔진 부품에 적합하다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 가장 바람직한 실시태양 및 첨부된 도면을 보면 명확하게 알 수 있을 것이다.
표 1은 본 발명의 단결정 니켈계 초합금의 조성물의 경우에 조성 범위를 변화시킨 예를 열거한다. 본 발명의 초합금 조성물은 내산화성, 내식성 및 기계적 성질과 같은 특정 요건이 개선된 것으로써, 상기 조성물로 제조된 제품은 가스 터빈 엔진 작동시의 가혹한 환경을 견딜 수 있게 된다.
내산화성 및 내식성은 주로 합금의 표면상에서 형성되는 산화층의 성질에 의해 결정된다. 층은 승온에서의 엔진 작동시에 외부 알루미나 스케일(scale)을 형성하는 상당량의 알루미늄을 함유한다. 알루미나는 시험 조건에 따라 기타 산화물과 혼합될 수 있다. 알루미나 스케일의 일체성을 유지시켜 내산화성을 향상시키기 위해서 이트륨 또는 기타 반응성 원소가 본 발명의 합금내에 존재할 수 있다.
알루미늄은 내산화성 및 내식성을 제공하는 외에도, 합금 조성물내의 일차 감마 프라임(gamma prime) 형성 요소로서의 작용을 한다. 감마 프라임 상, 즉 Ni3Al은 니켈계 초합금의 강도에 상당히 기여하는 상이다.
감마 프라임 형성체로서의 알루미늄외에, 본 발명은 또다른 강한 감마 프라임 형성체인 탄탈을 포함한다. 이 감마 프라임 형성체는 주로 텅스텐 및 알루미늄이고, 부피 기준으로 약 60 내지 70%의 감마 프라임 보강 상을 형성하기에 충분한 양으로 존재한다.
티탄 및 바나듐과 같은 기타 원소가 감마 프라임 형성체이나 본 발명의 합금중 이들의 양은 매우 적다. 티탄 또는 바나듐을 사용하면 감마 프라임 형성체로서 사용될 수 있는 알루미늄의 양은 제한되며 따라서 물질의 내산화성이 실제로 감소된다. 바나듐과 티탄은 매우 적은 양으로 사용되는데, 왜냐하면 바나듐은 고온 내식성에 해롭고 티탄은 내산화성에 해롭기 때문이다.
백금, 팔라듐, 루테늄 및 오스뮴은, 존재하는 경우, 또한 물질의 크리이프-파단 강도 및 내산화성 및 내식성을 증가시키는데 효과적이다.
본 발명의 합금의 독특한 특성은 낮은 크롬 함량을 가지면서도 우수한 고온 내식성을 갖고, 상기 합금에 의해 나타내어지는 탁월한 내산화성을 갖는다는 것이다. 상기 특성을 갖고 크롬 함량이 0.4중량% 미만인 단결정 합금은 이전에 발명자들에게 공지된 바가 없었다. 크롬 함량은 약 0.4중량% 내지 2.9중량%이고, 가장 바람직하게는 약 1.0중량% 내지 1.75중량%일 수 있다. 상기 낮은 크롬 함량의 중요한 장점은 크롬 함량이 낮으면 텅스텐, 레늄 및 몰리브덴과 같은, 미세구조 안정성을 유지하면서도 고온 크리이프 강도를 갖는데 필요한 보다 내화성인 원소를 첨가할 수 있다는 것이다. 내화성 원소인 몰리브덴, 텅스텐 및 레늄은 고온 크리이프 강도를 개선시키는 것을 돕는, 감마 매트릭스내의 고체 용액 강화제로서 작용한다.
본 발명의 조성물은 통상적으로는 본원에서 참고로 인용된 미국 특허 제 3,700,023 호, 제 3,763,926 호 및 제 4,190,094 호를 포함한 다양한 종래 기술 특허의 교시에 따라 단결정 형태로서 주조된다. 본 발명의 조성물 및 단결정 제품은 본원에서 참고로 인용된 미국 특허 제 4,116,723 호의 교시에 따라 열처리될 수 있다. 바람직한 열처리 방법은 약 2375℉ 내지 약 2425℉의 온도에서 약 30분 내지 약 4시간동안 용액으로 처리한 후 상온으로 급속 공기 냉각시키고, 1975℉에서 4시간동안 열처리하는 것이다. 최종 단계는 약 1300℉에서 약 24시간동안 열처리하는 것이다.
표 1에 제시된 넓은 범위내에서, 최적의 성질을 획득하기 위해서는 특정 관계를 따라야 한다. 그 관계란 P = -200Cr + 80Mo - 20Mo2+ 200W - 14W2+ 30Ta - 1.5Ta2+ 2.5Co + 1200Al - 100Al2+ 100Re + 1000Hf - 2000Hf2+ 700Hf2(여기서 P는 4500 이상이다)이다.
상기식중 모든 원소 값은 중량% 기준이다. 상기 식에 의해 정해지는 P값은 조성물의 전체적인 장점, 특히 고온 크리이프-파단 강도를 나타내는 척도이다. 4500 이상의 P값을 갖고 하기 표 1에 나타낸 범위내에 들어가는 조성물은 안정성, 열처리능, 내산화성 및 내식성과 함께 높은 크리이프 강도라는 탁월한 성질을 갖는다. 중간 A 범위내에 들어가고 4700 이상의 P값을 갖는 합금이 특히 유리하다. 유사하게, 중간 B 범위내에 들어가고 4800 이상의 P값을 갖는 합금은 바람직한 범위에 들어가고 4900 이상의 P값을 갖는 합금과 같은 정도로 특히 유리하다(중량%).
넓은 범위 중간 A 범위 중간 B 범위 바람직한 범위
W 5.0 내지 10.00 6.0 내지 8.0 6.3 내지 7.3 6.3 내지 7.3
Co 3.0 내지 20.0 5.0 내지 15.0 7.0 내지 13.0 7.0 내지 13.0
Cr 0.4 내지 2.9 0.8 내지 2.5 1.0 내지 2.0 1.0 내지 1.75
Ta 4.0 내지 8.0 5.0 내지 7.0 5.5 내지 6.5 5.5 내지 6.5
Al 5.0 내지 7.0 5.3 내지 6.3 5.7 내지 6.3 5.7 내지 6.3
V 0 내지 1.0 0 내지 1.0 0 내지 0.5 0
Re 0 내지 8.5 5.0 내지 7.5 6.0 내지 7.0 6.0 내지 7.0
Ti 0 내지 1.5 0 내지 1.0 0 내지 1.0 0
Hf 0 내지 3.0 0.1 내지 1.5 0.3 내지 0.5 0.3 내지 0.5
Mo 0 내지 4.0 0.5 내지 3.0 1.5 내지 2.5 1.5 내지 2.5
Nb 0 내지 2.0 0 내지 1.0 0 내지 1.0 0
(Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Pt) 0 내지 10.0 0 내지 10.0 0 내지 10.0 0 내지 10.0
(Y,La,Sc,Ac,란타니드계 또는 악티니드계) 0 내지 1.0 0.001 내지 0.05 0.001 내지 0.05 0.001 내지 0.05(Y)
표 2는 단결정 형태로 평가된 본 발명의 넓은 조성 범위내의 일련의 조성물의 예를 나타낸다(중량%). 본원에 개시된 조성물의 예에 대해, 전술된 식으로부터 수득된 P값이 표 2에 나타나 있다.
합금 Cr Mo W Re Ta Al Hf Co Yppm Ni P값
B76 1.5 2.0 6.1 7.2 5.8 5.8 0.4 10.1 200 나머지량 5069
B77 1.6 2.0 7.0 6.1 5.8 5.8 0.4 10.1 50 나머지량 4954
B78 1.5 2.0 9.9 5.1 5.9 5.9 0.4 10.1 40 나머지량 4772
B94-2 1.4 2.4 6.7 6.4 5.8 5.8 0.4 10.1 80 나머지량 5018
B95-1 2.8 2.1 7.0 6.5 5.9 5.9 0.4 10.2 110 나머지량 4758
B66 1.6 2.0 8.9 4.9 5.8 5.8 0.1 10.0 - 나머지량 4746
B96-2 1.5 2.0 7.0 8.4 6.0 5.9 0.4 10.1 60 나머지량 5209
B113-5 1.0 2.0 6.4 6.5 5.9 5.8 0.4 10.2 230 나머지량 5108
** 5.0 1.9 5.9 3.0 8.7 5.65 0.10 10.0 - 나머지량 3913
** 미국 특허 제 4,719,080 호의 종래 기술 합금
표 3은 표 2에 기술된 몇몇 단결정 조성물의 더욱 중요한 몇몇 성질을 나타낸다.
합금 종래 기술*에 비교한 온도 장점(℉)
1650℉ 2100℉ 1900℉(36ksi) 1900℉(36ksi) 1900℉(36ksi) 1900℉(36ksi) 2100℉
고온 내식성* 비피복시 산화*수명 1% 크리이프 파단 수명 1% 크리이프 파단 수명 비피복시산화 수명
B66 필적할만함 - 38시간 92시간 56℉ 47℉ -
B76 0.7배 3.2배 34시간 84시간 51℉ 43℉ 125℉
B77 필적할만함 3.8배 35시간 86시간 51℉ 44℉ 140℉
B78 필적할만함 3.3배 49시간 110시간 68℉ 55℉ 130℉
B94-2 필적할만함 3.0배 41시간 102시간 59℉ 51℉ 120℉
B95-1 필적할만함 6.8배 38시간 93시간 56℉ 47℉ 200℉
B113-5 0.7배 4.1배 36시간 81시간 52℉ 40℉ 150℉
*미국 특허 제 4,719,080 호의 종래 기술 합금과 비교
표 1에 개시된 가장 바람직한 조성 범위내의 본 발명의 합금은 미국 특허 제 4,719,080 호에 기술된 종래 기술의 합금의 성질과 대조된다. 5.0중량%의 Cr, 10.0중량%의 Co, 1.9중량%의 Mo, 5.9중량%의 W, 3.0중량%의 Re, 8.7중량%의 Ta, 5.65중량%의 Al, 0.10중량%의 Hf, 나머지량의 Ni를 포함하는 상기 종래 기술의 합금은 전체적인 성질에 있어서 (종래 기술의) 단결정 합금중 가장 좋은 것으로서 생각된다.
도 1 및 2는 300시간이내에 1% 크리이프 및 파단을 생성시키는데 필요한 응력을 각각 온도의 함수로서 도시한 것이다. 도 1 및 도 2에서, 본 발명의 합금은 종래 기술의 조성물보다 약 35 내지 40℉의 온도 장점을 갖는다는 것을 알 수 있다. 이는 파단 수명 또는 크리이프 수명이 조절 인자인 용도에서, 종래 기술의 합금보다 본 발명의 합금을 약 35 내지 40℉ 더 높은 온도에서 사용하면서도 동일한 수명을 획득할 수 있다는 것을 뜻한다. 온도에 있어서의 개선점을 다양한 방법으로 활용할 수 있다. 예를 들면 보다 높은 온도에서 작동시킴으로써 증가된 추력 및 효능을 낼 수 있다. 또한, 일정 작동 온도에서는 종래 기술의 합금보다 수명이 현저하게 증가됨을 알 수 있다. 예를 들면 상기 표 3에 열거된 조건하에서(1900℉/36ksi), 종래 기술의 합금은 약 40시간의 파단 수명 및 약 14시간의 1% 크리이프 수명을 갖는다. 따라서, 표 3에 나타낸 본 발명의 합금은 1% 크리이프를 생성시키는데 걸리는 시간이 종래 기술의 합금에 비해 약 3배 개선되었으며 파단 수명도 2.5배 개선되었다. 이 결과는 전체적인 성질에 있어 가장 좋다고 생각되는 종래 기술의 합금보다 개선된 것을 나타내므로 특히 중요하다.
도 3 및 4는 각각 100 시간 이내에 1% 크리이프 및 파단을 생성시키는데 요구되는 응력을 온도의 함수로서 도시한다. 도 3에서는, 본 발명의 합금은 종래 기술의 합금보다 약 45℉ 이하의 온도 장점을 갖는다는 것을 알 수 있고, 도 4에서는, 본 발명의 합금의 파단 수명은 종래 기술의 합금보다 약 40℉의 온도 장점을 갖는다는 것을 알 수 있다. 이는 파단 수명 또는 크리이프 수명이 조절 인자인 용도에서, 종래 기술의 합금보다 본 발명의 합금을 약 40 내지 45℉ 더 높은 온도에서 사용하면서도 동일한 수명을 획득할 수 있다는 것을 뜻한다. 도면에서 도시된 바와 같이, 당해 분야의 숙련자들은 비교되는 온도 및 응력 조건에 따라 온도 장점이 변한다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 5는 크리이프 수명에 대한 시간 및 온도의 효과를 결합시킨 라슨-밀러 척도의 함수로서 1% 크리이프를 생성시키는데 필요한 응력을 도시한 것이다. 당해 분야의 숙련자들이라면 본 발명은 1750 내지 1900℉의 온도 범위에서 종래 기술에 비해 가장 큰 온도 장점을 가짐을 알 것이다. 1650 내지 2000℉의 온도 범위에서 온도 장점을 볼 수 있지만 온도 장점은 1750 내지 1900℉에서 가장 현저하다. 도 1 내지 4는 추가로 상기 온도 장점을 보여준다. 파단시키는데 필요한 응력을 전술한 라슨-밀러 척도의 함수로서 도시하는 도 6과 관련해서도 동일한 설명을 할 수 있다.
도 7은 종래 기술의 조성물 및 본 발명의 조성물의 비피복시 산화 거동을 예시하는 그래프이다. 그래표는 2100℉에서 시험 샘플을 3mil 두께로 산화 부식시키는데 요구되는 시간을 도시한다. 그래표상의 데이타는 제트 연료의 연소에 의해 발생된 고온 불꽃에 샘플을 노출시키고 냉각시키는 주기를 반복하는 주기적 버너 장치 시험으로부터 수득된 것이다. 이로써 가스 터빈 엔진에서 작동하는 터빈 블레이드의 경우에 대표적인 가혹한 환경이 생성된다. 도 7로부터, 동일한 금속 손실이 관찰되는 온도에 있어서 본 발명은 종래 기술에 비해 약 225℉ 이하의 장점을 갖는다는 것을 알 수 있다. 또다르게는, 일정 온도, 즉 2100℉에서, 종래 기술의 조성물은 약 70 내지 75시간 동안에 약 3mil의 금속을 손실하지만, 본 발명의 조성물은 상기량의 금속을 약 400 시간 동안에 손실한다. 한편, 산화 거동과 관련하여, 본 발명의 합금의 수명은 종래 기술의 합금과 비교해볼 때 약 5배로 증가한다. 이렇게 탁월한 내산화성을 가짐은 본 발명의 합금이 보호성 피복을 필요로 하지 않고 특정 용도에서 우수하게 작동할 수 있다는 것을 의미한다.
또다른 물질의 특성은 고온 내식성이다. 이와 관련해서 본 발명은 종래 기술의 조성물과 필적할만한 성능을 갖는다. 합성 해염(海鹽)을 혼입시킨 연소 불꽃을 사용하는 1650℉ 버너 장치 시험에서 수득된 몇몇 데이타가 표 3에 나타나 있다.
전술된 모든 영역에서 만족스러운 수준의 성질을 획득하기 위해서, 현재까지의(종래 기술의) 니켈계 초합금을 전형적으로 알루미나이드 피복 또는 MCrAlY 피복과 같은 물질로 피복시켜 초합금의 내산화성 및 고온 내식성을 개선시켰다. 그러나, 개선된 성질의 균형을 이루기는 하지만 성분의 피로 수명은 나빠지는데 왜냐하면 피복은 기본 단결정 합금보다 더 낮은 연성을 갖기 때문이다.
도 8 및 9는 승온에서 산화 방지용 피복을 필요로 하는 종래 기술의 합금보다 피복되지 않은 상태의 본 발명의 합금이 피로 수명에 있어서 우월함을 예시한다. 샘플을 최고 주기 온도에서 압축 상태에 놓고 800℉의 최저 주기 온도에서 인장 상태에 놓는, 위상을 달리하는 주기를 사용하여 시험을 수행하였다. 본원에서 참고로 인용된 미국 특허 제 4,132,816 호에 기술된 바와 같이 종래 합금의 외부 표면을 2.5mil의 알루미나이드 피복층(알루미늄 함량이 약 25중량%)으로 피복시켰다. 알루미나이드 피복은 대부분의 다른 적합한 금속성 피복보다 고유적으로 더 큰 피로 내성을 갖는다는 것을 알아야 한다.
도 8 및 9는 각 주기에서 시험 샘플에 의한 총 인장 범위를 실패(failure)를 일으키는데 요구되는 주기의 함수로서 나타낸 것을 보여준다. 도면으로부터, 800℉와 최고 온도사이에서 반복시에, 종래 기술의 피복된 조성물과 비교해볼 때 본 발명은 1900℉ 및 2000℉ 모두에서 약 40% 더 많은 주기를 필요로 한다는 것을 알 수 있다. 이는 도 10에 도시된 바와 같이 0.5%의 일정 인장 범위에서 실패까지의 주기를 최고 시험 온도에 대해 도시할 때, 종래 기술의 조성물보다 약 40 내지 45℉의 온도 장점에 해당한다. 따라서, 본 발명의 초합금은 우수한 고온 내식성과 함께 내산화성, 크리이프-파단 강도 및 피로 인장의 최적 조합을 가지므로, 이로부터 제조된 성분은 예를 들면 1800℉ 내지 약 2100℉와 같은 높은 엔진 작동 온도에서 산화방지용 금속 피복 없이도 사용될 수 있다.
본 발명의 또다른 장점은 낮은 크롬 함량을 가짐에도 불구하고 우수한 고온 내식성을 갖고, 피복되지 않은 상태에서 탁월한 내산화성을 갖는다는 것이다. 도 11에서 나타난 바와 같이, 크롬을 함유하지 않은 기본 합금에 2.8% 이하로 크롬을 첨가시키면(B94 및 B96), 상기 합금의 내산화성이 현저하게 향상된다. 내산화성을 현저하게 향상시키기 전에도 0.4%의 최소 크롬 함량이 필요하다는 것은 예상하지 못했던 것이다. 몇 개의 관련 데이타가 표 4에 나타나 있는데, 여기서는 2100℉에서 산화 부식이 개시되는 시간(시)을 기준으로 합금을 비교하였다(모든 원소 값은 달리 언급이 없는 한 중량%이다).
합금 Cr Mo W Re Ta Al Hf Co Yppm Ni 중량손실분이 25g이 될 때까지의 시간
B94 0.0 2.3 6.5 6.6 5.8 5.8 0.1 10.1 10 나머지량 86 미만
B94M1 0.1 2.3 6.5 6.6 5.8 5.8 0.1 10.1 110 나머지량 150
B94M2 0.4 2.3 6.5 6.6 5.8 5.8 0.1 10.1 200 나머지량 546
B94M3 1.4 2.3 6.5 6.6 5.8 5.8 0.1 10.1 50 나머지량 1200
B94M4 2.8 2.3 6.5 6.6 5.8 5.8 0.1 10.1 40 나머지량 1300
B96M1 0.2 2.0 6.7 8.3 5.1 5.1 0.1 10.1 40 나머지량 86 미만
B96M2 0.3 2.0 6.7 8.3 5.1 5.1 0.1 10.1 60 나머지량 86 미만
B96M3 1.5 2.0 6.7 8.3 5.1 5.1 0.1 10.1 70 나머지량 1100
** 5.0 1.9 5.9 3.0 8.7 5.65 0.1 10.0 - 나머지량 86 미만
** 미국 특허 제 4,719,080 호의 종래 기술 합금
또다른 장점은 본 발명의 초합금은 약 1900℉와 같은 높은 온도에서 장시간동안 노출된 후에도 우수한 미세구조 안정성을 나타낸다는 것이다.
본 발명은 명세서에서 도시되고 기술된 특정 실시태양에만 국한되는 것은 아니며, 하기 특허청구범위에 의해 정의된 본 발명의 개념 및 범주로부터 벗어나지 않는 한 다양한 변화 및 변경을 가할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본 발명에 의해, 낮은 크롬 함량을 가지면서도 탁월한 내산화성 및 우수한 고온 내식성을 갖고, 높은 크리이프-파단 강도 및 우수한 미세구조 안정성을 가지며, 특히 블레이드 및 베인과 같은 가스 터빈 엔진 부품에 적합한 합금이 제공된다.

Claims (20)

  1. 3.0 내지 20.0중량%의 코발트, 5.0 내지 10.0중량%의 텅스텐, 5.0 내지 7.0중량%의 알루미늄, 0.4 내지 2.9중량%의 크롬, 4.0 내지 8.0중량%의 탄탈, 0 내지 1.0중량%의 바나듐, 0 내지 8.5중량%의 레늄, 0 내지 1.5중량%의 티탄, 0 내지 3.0중량%의 하프늄, 0 내지 4.0중량%의 몰리브덴, 0 내지 2.0중량%의 니오브, 0 내지 10.0중량%의 3족, 2열 및 3열 금속(루테늄, 팔라듐, 백금, 로듐, 이리듐 및 오스뮴)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소, 0 내지 0.1중량%의 이트륨, 란탄, 스칸듐, 세륨, 란타니드계 또는 악티니드계 원소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소 및 필수적으로 나머지량의 니켈을 포함하는, 단결정 제품의 제작에 특히 적합한 니켈계 초합금 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    식 P = -200Cr + 80Mo - 20Mo2+ 200W - 14W2+ 30Ta - 1.5Ta2+ 2.5Co + 1200Al - 100Al2+ 100Re + 1000Hf - 2000Hf2+ 700Hf2(여기서 P는 4500 이상이고, 모든 원소 값은 중량%이다)을 또한 특징으로 하는 조성물.
  3. 5.0 내지 15.0중량%의 코발트, 6.0 내지 8.0중량%의 텅스텐, 5.3 내지 6.3중량%의 알루미늄, 0.8 내지 2.5중량%의 크롬, 5.0 내지 7.0중량%의 탄탈, 0 내지 1.0중량%의 바나듐, 5.0 내지 7.5중량%의 레늄, 0 내지 1.0중량%의 티탄, 0.1 내지 1.5중량%의 하프늄, 0.5 내지 3.0중량%의 몰리브덴, 0 내지 1.0중량%의 니오브, 0 내지 10.0중량%의 3족, 2열 및 3열 금속(루테늄, 팔라듐, 백금, 로듐, 이리듐 및 오스뮴)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소, 0 내지 0.1중량%의 이트륨, 란탄, 스칸듐, 세륨, 란타니드계 또는 악티니드계 원소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소 및 필수적으로 나머지량의 니켈을 포함하는, 단결정 제품의 제작에 특히 적합한 니켈계 초합금 조성물.
  4. 제 3 항에 있어서,
    식 P = -200Cr + 80Mo - 20Mo2+ 200W - 14W2+ 30Ta - 1.5Ta2+ 2.5Co + 1200Al - 100Al2+ 100Re + 1000Hf - 2000Hf2+ 700Hf2(여기서 P는 4500 이상이고, 모든 원소 값은 중량%이다)을 또한 특징으로 하는 조성물.
  5. 7.0 내지 13.0중량%의 코발트, 6.3 내지 7.3중량%의 텅스텐, 5.7 내지 6.3중량%의 알루미늄, 1.0 내지 2.0중량%의 크롬, 5.5 내지 6.5중량%의 탄탈, 0 내지 0.5중량%의 바나듐, 6.0 내지 7.0중량%의 레늄, 0 내지 1.0중량%의 티탄, 0.3 내지 0.5중량%의 하프늄, 1.5 내지 2.5중량%의 몰리브덴, 0 내지 1.0중량%의 니오브, 0 내지 10.0중량%의 3족, 2열 및 3열 금속(루테늄, 팔라듐, 백금, 로듐, 이리듐 및 오스뮴)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소, 0 내지 0.1중량%의 이트륨, 란탄, 스칸듐, 세륨, 란타니드계 또는 악티니드계 원소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소 및 필수적으로 나머지량의 니켈을 포함하는, 단결정 제품의 제작에 특히 적합한 니켈계 초합금 조성물.
  6. 제 5 항에 있어서,
    식 P = -200Cr + 80Mo - 20Mo2+ 200W - 14W2+ 30Ta - 1.5Ta2+ 2.5Co + 1200Al - 100Al2+ 100Re + 1000Hf - 2000Hf2+ 700Hf2(여기서 P는 4500 이상이고, 모든 원소 값은 중량%이다)을 또한 특징으로 하는 조성물.
  7. 7.0 내지 13.0중량%의 코발트, 6.3 내지 7.3중량%의 텅스텐, 5.7 내지 6.3중량%의 알루미늄, 1.0 내지 1.75중량%의 크롬, 5.5 내지 6.5중량%의 탄탈, 0중량%의 바나듐, 6.0 내지 7.0중량%의 레늄, 0중량%의 티탄, 0.3 내지 0.5중량%의 하프늄, 1.5 내지 2.5중량%의 몰리브덴, 0중량%의 니오브, 0 내지 10.0중량%의 3족, 2열 및 3열 금속(루테늄, 팔라듐, 백금, 로듐, 이리듐 및 오스뮴)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소, 0 내지 0.1중량%의 이트륨, 란탄, 스칸듐, 세륨, 란타니드계 또는 악티니드계 원소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소 및 필수적으로 나머지량의 니켈을 포함하는, 단결정 제품의 제작에 특히 적합한 니켈계 초합금 조성물.
  8. 제 7 항에 있어서,
    식 P = -200Cr + 80Mo - 20Mo2+ 200W - 14W2+ 30Ta - 1.5Ta2+ 2.5Co + 1200Al - 100Al2+ 100Re + 1000Hf - 2000Hf2+ 700Hf2(여기서 P는 4500 이상이고, 모든 원소 값은 중량%이다)을 또한 특징으로 하는 조성물.
  9. 3.0 내지 20.0중량%의 코발트, 5.0 내지 10.0중량%의 텅스텐, 5.0 내지 7.0중량%의 알루미늄, 0.4 내지 2.9중량%의 크롬, 4.0 내지 8.0중량%의 탄탈, 0 내지 1.0중량%의 바나듐, 0 내지 8.5중량%의 레늄, 0 내지 1.5중량%의 티탄, 0 내지 3.0중량%의 하프늄, 0 내지 4.0중량%의 몰리브덴, 0 내지 2.0중량%의 니오브, 0 내지 10.0중량%의 3족, 2열 및 3열 금속(루테늄, 팔라듐, 백금, 로듐, 이리듐 및 오스뮴)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소, 0 내지 0.1중량%의 이트륨, 란탄, 스칸듐, 세륨, 란타니드계 또는 악티니드계 원소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소 및 필수적으로 나머지량의 니켈을 포함하는, 니켈계 단결정 초합금 제품.
  10. 제 9 항에 있어서,
    가스 터빈 엔진 작동에 사용되는 가스 터빈 엔진 부품이고, 상기 부품이 산화방지용 금속성 피복을 갖지 않는 제품.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제품의 조성이 식 P = -200Cr + 80Mo - 20Mo2+ 200W - 14W2+ 30Ta - 1.5Ta2+ 2.5Co + 1200Al - 100Al2+ 100Re + 1000Hf - 2000Hf2+ 700Hf2(여기서 P는 4500 이상이고, 모든 원소 값은 중량%이다)을 특징으로 하는 제품.
  12. 5.0 내지 15.0중량%의 코발트, 6.0 내지 8.0중량%의 텅스텐, 5.3 내지 6.3중량%의 알루미늄, 0.8 내지 2.5중량%의 크롬, 5.0 내지 7.0중량%의 탄탈, 0 내지 1.0중량%의 바나듐, 5.0 내지 7.5중량%의 레늄, 0 내지 1.0중량%의 티탄, 0.1 내지 1.5중량%의 하프늄, 0.5 내지 3.0중량%의 몰리브덴, 0 내지 1.0중량%의 니오브, 0 내지 10.0중량%의 3족, 2열 및 3열 금속(루테늄, 팔라듐, 백금, 로듐, 이리듐 및 오스뮴)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소, 0 내지 0.1중량%의 이트륨, 란탄, 스칸듐, 세륨, 란타니드계 또는 악티니드계 원소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소 및 필수적으로 나머지량의 니켈을 포함하는, 니켈계 단결정 초합금 제품.
  13. 제 12 항에 있어서,
    가스 터빈 엔진 작동에 사용되는 가스 터빈 엔진 부품이고, 상기 부품이 산화방지용 금속성 피복을 갖지 않는 제품.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제품의 조성이 식 P = -200Cr + 80Mo - 20Mo2+ 200W - 14W2+ 30Ta - 1.5Ta2+ 2.5Co + 1200Al - 100Al2+ 100Re + 1000Hf - 2000Hf2+ 700Hf2(여기서 P는 4500 이상이고, 모든 원소 값은 중량%이다)을 특징으로 하는 제품.
  15. 7.0 내지 13.0중량%의 코발트, 6.3 내지 7.3중량%의 텅스텐, 5.7 내지 6.3중량%의 알루미늄, 1.0 내지 2.0중량%의 크롬, 5.5 내지 6.5중량%의 탄탈, 0 내지 0.5중량%의 바나듐, 6.0 내지 7.0중량%의 레늄, 0 내지 1.0중량%의 티탄, 0.3 내지 0.5중량%의 하프늄, 1.5 내지 2.5중량%의 몰리브덴, 0 내지 1.0중량%의 니오브, 0 내지 10.0중량%의 3족, 2열 및 3열 금속(루테늄, 팔라듐, 백금, 로듐, 이리듐 및 오스뮴)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소, 0 내지 0.1중량%의 이트륨, 란탄, 스칸듐, 세륨, 란타니드계 또는 악티니드계 원소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소 및 필수적으로 나머지량의 니켈을 포함하는, 니켈계 단결정 초합금 제품.
  16. 제 15 항에 있어서,
    가스 터빈 엔진 작동에 사용되는 가스 터빈 엔진 부품이고, 상기 부품이 산화방지용 금속성 피복을 갖지 않는 제품.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제품의 조성이 식 P = -200Cr + 80Mo - 20Mo2+ 200W - 14W2+ 30Ta - 1.5Ta2+ 2.5Co + 1200Al - 100Al2+ 100Re + 1000Hf - 2000Hf2+ 700Hf2(여기서 P는 4500 이상이고, 모든 원소 값은 중량%이다)을 특징으로 하는 제품.
  18. 7.0 내지 13.0중량%의 코발트, 6.3 내지 7.3중량%의 텅스텐, 5.7 내지 6.3중량%의 알루미늄, 1.0 내지 1.75중량%의 크롬, 5.5 내지 6.5중량%의 탄탈, 0중량%의 바나듐, 6.0 내지 7.0중량%의 레늄, 0중량%의 티탄, 0.3 내지 0.5중량%의 하프늄, 1.5 내지 2.5중량%의 몰리브덴, 0중량%의 니오브, 0 내지 10.0중량%의 3족, 2열 및 3열 금속(루테늄, 팔라듐, 백금, 로듐, 이리듐 및 오스뮴)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소, 0 내지 0.1중량%의 이트륨, 란탄, 스칸듐, 세륨, 란타니드계 또는 악티니드계 원소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나이상의 원소 및 필수적으로 나머지량의 니켈을 포함하는, 니켈계 단결정 초합금 제품.
  19. 제 18 항에 있어서,
    가스 터빈 엔진 작동에 사용되는 가스 터빈 엔진 부품이고, 상기 부품이 항산화를 위해 금속성 피복을 갖지 않는 제품.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제품의 조성이 식 P = -200Cr + 80Mo - 20Mo2+ 200W - 14W2+ 30Ta - 1.5Ta2+ 2.5Co + 1200Al - 100Al2+ 100Re + 1000Hf - 2000Hf2+ 700Hf2(여기서 P는 4500 이상이고, 모든 원소 값은 중량%이다)을 특징으로 하는 제품.
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