KR20130054904A - 터빈 블레이드 및 베인 용도를 위한 레늄 없는 단일 결정체 초합금 - Google Patents

터빈 블레이드 및 베인 용도를 위한 레늄 없는 단일 결정체 초합금 Download PDF

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KR20130054904A
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케네쓰 해리스
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캐논-머스케곤 코포레이션
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Abstract

우수한 고온 크리프 저항성을 나타내고, 또한 그러한 합금의 바람직한 특성을 나타내는 레늄 없는 단일 결정체 주조용 니켈계 초합금은 5.60% 내지 5.85% 알루미늄, 9.4% 내지 9.9% 코발트, 5.0% 내지 6.0% 크롬, 0.08% 0.35% 하프늄, 0.50% 내지 0.70% 몰리브덴, 8.0% 내지 9.0% 탄탈륨, 0.60% 내지 0.90% 티타늄, 8.5% 내지 9.8% 텅스텐, 니켈 및 미량의 부수적인 원소를 포함하는 잔부를 포함한다.

Description

터빈 블레이드 및 베인 용도를 위한 레늄 없는 단일 결정체 초합금{RENIUM-FREE SINGLE CRYSTAL SUPERALLOY FOR TURBINE BLADES AND VANE APPLICATION}
실질적으로 레늄이 없으면서 유해하게 다른 관련된 특성에 영향을 미침 없이 우수한 고온 크리프 저항성을 나타내는 단일 결정체 니켈계 초합금이 개시된다.
상대적으로 희소한 금속 원소를 관습상 상당한 양으로 요구하는 제품에 대한 전 세계적인 증가 때문에, 희소 금속 원소의 수요 및 가격이 둘다 급격히 증가하였다. 그 결과, 제조사들은 이들 금속 원소에 대한 필요성을 줄이거나 없앨 수 있는 새로운 기술을 찾고 있다.
레늄은 다양한 산업에서 중요한, 매우 희소한 금속의 일례이다. 레늄은 구리-몰리브덴 및 구리 생산의 부산물로서 매우 소량으로 회수된다. 레늄의 사용은 그의 높은 비용 이외에도 경제적 및 전략적 결과 둘다에 있어서 공급 사슬 위험을 제공한다.
레늄은 항공기 및 발전기용 단일 결정체 가스 터빈 부품을 주조하는데 사용되는 니켈계 초합금의 생산에 널리 사용되어 왔다. 더욱 구체적으로, 레늄은 특히 고온에서 (예를 들면, 1,000 ℃의 초과에서) 지속된 기간 동안, 확산을 늦추고 따라서 크리프 변형을 늦추는 이의 강력한 효과 때문에, 터빈 블레이드(blade), 베인(vane) 및 씰 세그먼트(seal segment)용 고급 단일 결정체 초합금에서 합금 첨가물로서 사용된다. 고온 크리프 저항성은 가스 터빈 부품의 유효 내용 수명 및 전력 출력, 연료 연소 및 이산화탄소 방출과 같은 엔진 성능과 직접적으로 관련된다.
단일 결정체 주조에 사용되는 전형적인 니켈계 초합금은 중량으로 약 3% 레늄 내지 약 7% 레늄을 함유한다. 비록 레늄이 상대적으로 소량인 첨가물로만 사용되어 왔으나, 레늄은 확산을 저해하고 고온 크리프 저항성을 향상시키기 위하여 단일 결정체 니켈계 초합금에 대단히 중요한 것으로 여겨져 왔고, 레늄은 이들 합금의 전체 비용을 상당히 증가시킨다.
상기한 논의로부터, 레늄 부가의 필요성을 줄이거나 없애면서, 양호한 주조성 및 상 안정성과 같은 다른 바람직한 특성을 유지하면서 우수한 고온 크리프 저항성을 나타내는 단일 결정체 니켈계 초합금을 개발하는 것이 매우 바람직함을 알 수 있다.
본 명세서에 개시된 레늄 없는 단일 결정체 니켈계 초합금은 특히, 상기 합금으로부터 레늄을 실질적으로 제거하면서 텅스텐, 몰리브덴 및 크롬이 농축되는 과도한, 유해한 위상적 밀집 (toplogical close-packed, TCP) 상이 없도록 보장하는, 허용가능한 합금 상 안정성과 함께 양호한 크리프-파단 기계적 특성을 달성하기 위하여, 내화 금속 원소 (탄탈륨, 텅스텐 및 몰리브덴)를 전체 약 17% 내지 20%의 양으로 맞추는 것에 특히 의존한다.
우수한 고온 크리프 저항성 및 가스 터빈 부품을 주조하는데 사용되기에 아주 적합한 다른 특성을 나타내는 레늄 없는 단일 결정체 니켈계 초합금은 중량으로 5.60% 내지 5.85% 알루미늄, 중량으로 9.4% 내지 9.9% 코발트; 중량으로 5.0% 내지 6.0% 크롬, 중량으로 0.08% 내지 0.35% 하프늄, 중량으로 0.50% 내지 0.70% 몰리브덴, 중량으로 8.0% 내지 9.0% 탄탈륨, 중량으로 0.60% 내지 0.90% 티타늄, 중량으로 8.5% 내지 9.8% 텅스텐, 및 니켈 및 미량의 부수적인 원소를 포함하는 잔부를 포함하고, 상기 부수적인 원소의 전체량은 실질적으로 중량으로 1% 미만인 합금 조성에서 얻어질 수 있음을 발견하였다.
특정 구체예에 따르면, 상기 합금의 부수적인 원소는 최대 100 ppm 탄소, 0.04% 규소, 0.01% 망간, 3 ppm 황, 30 ppm 인, 30 ppm 보론, 0.1% 니오븀, 150 ppm 지르코늄, 0.15% 레늄, 0.01% 구리, 0.15% 철, 0.1% 바나듐, 0.1% 루테늄, 0.15% 백금, 0.15% 팔라듐, 200 ppm 마그네슘, 5 ppm 질소, 및 5 ppm 산소로 제어되고, 각각의 임의의 다른 부수적인 원소는 미량 원소로서 최대 약 25 ppm로 존재한다.
특정 구체예에 따르면, 상기 개시된 니켈계 초합금의 부수적인 불순물 내 미량 원소는 최대 2 ppm 은, 0.2 ppm 비스무스, 10 ppm 갈륨, 25 ppm 칼슘, 1 ppm 납, 0.5 ppm 셀레늄, 0.2 ppm 텔루륨, 0.2 ppm 탈륨, 10 ppm 주석, 2 ppm 안티몬, 2 ppm 비소, 5 ppm 아연, 2 ppm 수은, 2 ppm 카드뮴, 2 ppm 게르마늄, 2 ppm 금, 2 ppm 인듐, 20 ppm 나트륨, 10 ppm 칼륨, 10 ppm 바륨, 30 ppm 인, 2 ppm 우라늄, 및 2 ppm 토륨으로 제어된다.
향상된 산화 저항성 및/또는 코팅 및 단열 코팅 (thermal barrier coating, TBC) 수명이 요구되는 특정 구체예에 따르면, 황은 최대 0.5 ppm의 양으로 존재하고, 란타늄 및 이트륨은 상기 합금으로 주조된 단일 결정체 부품 내에서 란타늄 및 이트륨의 전체량이 약 5 ppm 내지 약 80 ppm이 되도록 부가된다.
낮은 각 경계 (low angle boundary, LAB)를 최대 12 도로 강화하는 것을 요구하는 대형 공업 가스 터빈 (industrial gas turbine, IGT) 단일 결정체 부품 용도에 사용되는 특정 구체예에 따르면, 탄소는 중량으로 약 0.02% 내지 약 0.05%으로 부가되고, 보론은 약 40 ppm 내지 약 100 ppm의 양으로 부가된다.
실질적으로 레늄 없는 조성에서 우수한 고온 크리프 저항성을 달성하는 것 외에도, 개시된 단일 결정체 니켈계 초합금의 특정 구체예는 바람직하게 약 8.8 gms/cc 이하, 가령 8.79 gms/cc (kg/dm3)인 밀도를 초과하지 않는다.
도 1A, 1B 및 1C는 개시된 구체예의 완전히 열처리된 주형의 미세구조를 나타내는 광학 현미경 사진이다(LA-11753, CMSX-7, 시험 바 #C912, 완전히 열처리됨, 1차 에이징 2050℉/4 시간).
도 2A, 2B 및 2C는 본 명세서에 개시된 구체예로부터 완전히 열처리된 주형의 미세구조의 주사 전자 현미경 사진이다(LA-11753, CMSX-7, 시험 바 #C912, 완전히 열처리된, 1차 에이징 2050℉/4 시간).
도 3, 4 및 5는 상기 개시된 합금으로 제조된 단일 결정체 시험 바 및 터빈 블레이드 주형의 매우 양호한 크리프 강도 및/또는 응력-파단 수명 특성을 나타내는 Larson-Miller 파단응력 그래프이다.
도 6A, 6B 및 6C는 우수한 상 안정성을 나타내고 TCP 상이 없는, 상기 개시된 합금의 시험후(post-test) 상 안정성을 나타내는 광학 현미경 사진이다(LA-11772, CMSX-7, 시험 바 #D912, 2050℉/15 ksi/141.6 시간, 게이지 영역).
도 7A, 7B 및 7C는 우수한 상 안정성을 나타내고 TCP 상이 없는, 상기 개시된 합금의 시험후 상 안정성을 나타내는 주사 전자 현미경 사진이다(LA-11772, CMSX-7, 시험 바 #D912, 2050℉/15 ksi/141.6 시간, 게이지 영역).
도 8A, 8B 및 8C는 우수한 상 안정성을 나타내고 TCP 상이 없는, 상기 개시된 합금의 시험후 상 안정성을 나타내는 광학 현미경 사진이다(LA-11807, CMSX-7, 미니-플랫(mini-flat) #53701Y-F, 2000℉/12 ksi/880.0 시간, 게이지 영역).
도 9A, 9B 및 9C는 우수한 상 안정성을 나타내고 TCP 상이 없는, 상기 개시된 합금의 시험후 상 안정성을 나타내는 주사 전자 현미경 사진이다 (LA-11807, CMSX-7, 미니-플랫 #53701Y-F, 2000℉/12 ksi/880.0 시간, 게이지 영역).
도 10A, 10B 및 10C는 우수한 상 안정성을 나타내고 TCP 상이 없는, 상기 개시된 합금의 시험후 상 안정성을 나타내는 광학 현미경 사진이다(LA-11772, CMSX-7, 시험 바 #B913, 1800℉/36 ksi/151.1 시간, 게이지 영역).
도 11A, 11B 및 11C는 우수한 상 안정성을 나타내고 TCP 상이 없는, 상기 개시된 합금의 시험후 상 안정성을 나타내는 주사 전자 현미경 사진이다(LA-11772, CMSX-7, 시험 바 #B913, 1800℉/36 ksi/151.1 시간, 게이지 영역).
도 12A, 12B 및 12C는 우수한 상 안정성을 나타내고 TCP 상이 없는, 상기 개시된 합금의 시험후 상 안정성을 나타내는 광학 현미경 사진이다(LA-11772, CMSX-7, 시험 바 #A912, 1562℉/94.4 ksi/100.9 시간, 게이지 영역).
도 13A, 13B 및 13C는 우수한 상 안정성을 나타내고 TCP 상이 없는, 상기 개시된 합금의 시험후 상 안정성을 나타내는 주사 전자 현미경 사진이다(LA-11772, CMSX-7, 시험 바 #A912, 1562℉/94.4 ksi/100.9 시간, 게이지 영역).
도 14A, 14B 및 14C는 CMSX-7 MOD B 단일 결정체 시험 바의 완전히 열처리된 미세구조를 나타내는 광학 현미경 사진이다.
도 15A, 15B 및 15C는 CMSX-7 MOD B 단일 결정체 시험 바의 완전히 열처리된 미세구조를 나타내는 주사 전자 현미경 사진이다.
도 16은 기계가공후 블레이드 (machined-from-blade, MFB) 응력-파단 시험용 미니-바 및 미니-플랫 시편을 가공하기 위한 시설을 갖는, 본 명세서에 개시된 바와 같은 합금으로부터 주조된 단일 결정체 고체 터빈 블레이드의 횡단면도이다.
도 17 및 18은 상기 합금의 인장 특성 대 시험 온도를 나타낸다.
도 19A, 19B 및 19C는 본 명세서에 개시된 바와 같은 합금의 장기간, 고온 응력-파단 시험으로부터 시험후 미세구조를 나타내는 광학 현미경 사진이다(LA-11891, CMSX-7 MOD. B, 시험 바 #M923, 2000℉/12 ksi/1176.5 시간).
도 20A, 20B 및 20C는 본 명세서에 개시된 바와 같은 합금의 장기간, 고온 응력-파단 시험으로부터 시험후 미세구조를 나타내는 주사 전자 현미경 사진이다(LA-11891, CMSX-7 MOD. B, 시험 바 #M923, 2000℉/12 ksi/1176.5 시간).
본 명세서에 개시된 합금은 "CMSX®-7" 합금으로서 언급될 것이다. 이 합금은 시판되는 것이 사용될 것을 가리키고, 표현 "CMSX"은 니켈계 단일 결정체 (SX) 초합금의 군 또는 계열의 상품과 관련하여 사용되는 캐논-머스케곤 코포레이션(Cannon-Muskegon Corporation)사의 등록 상표이다.
본 명세서에 개시된 합금은 대안적으로 레늄 없음, 또는 실질적으로 레늄 없음으로 기재된다. 본 명세서에서 사용된, 이들 용어는 상기 합금이 임의의 부가된 레늄을 함유하지 않고 및/또는 상기 합금 내에 존재하는 레늄의 양이 중량으로 최대 0.15%임을 의미한다.
달리 지시되지 않는 한, 모든 백분율은 중량 백분율이고, 모든 백만분율(ppm)의 양은 상기 합금 조성물의 전체 중량을 기준으로 중량으로 백만분율을 가리킨다.
단일 결정체 초합금 및 주형은 특히, 바람직한 주조 특성 및 낮은 불량율(rejection rate), 및 상 안정성과 함께, 고온 크리프 저항성, 장기 피로 수명, 산화 및 부식 저항성, 고용체(solid solution) 강화를 포함하는 다수의 우수한 특성을 나타내도록 개발되어 왔다. 특정한 특성을 위하여는 단일 첨가제 합금 원소를 최적화하는 것이 가능하나, 다른 특성에 대한 영향이 종종 극히 예측불가능하다. 일반적으로, 다양한 특성 및 다양한 원소 성분 간의 관계는 극히 복잡하고 예측불가능하므로, 적어도 특정한 필수적인 특성에 유해하게 영향을 미치지 않고 상기 조성에 상당한 변화가 만들어질 수 있는 것이 놀라울 정도이다.
본 명세서에 개시된 구체예에 있어서, 허용가능한 합금 상 안정성 (과량의 유해한 위상적인 밀집 (TCP) 상 - 보통 이런 유형의 합금 내 농축된 텅스텐, 몰리브덴 및 크롬 없이)과 함께 양호한 크리프-파단 기계적 특성을 달성하기 위하여 내화 금속 원소 (탄탈륨, 텅스텐 및 몰리브덴)의 양을 균형을 맞추면서 중량으로 약 17% 내지 약 20%의 전체 양을 유지하였다. 크롬 및 코발트는 또한 요구되는 상 안정성을 보장하기 위하여 조정되었다. 가령 "반점(freckling)" 결함이 없는 우수한 단일 결정체 주조성을 제공하기 위하여 높은 양의 탄탈륨 (대략 8%)이 선택되었다. 티타늄 (대략 0.8%) 및 탄탈륨 (대략 0.8%)의 양은 고온 크리프 강도 및 허용가능한 실온 밀도 (예를 들면, 약 8.8 gms/cc, 가령 8.79 gms/cc)에 대하여 낮은 음성 γ/γ' 미스매치를 제공하기 위해 조정되었다. 알루미늄, 티타늄 및 탄탈륨은 적절한 γ' 체적분율 (Vf)을 달성하기 위해 조정된 반면, 알루미늄, 몰리브덴, 탄탈륨 및 티타늄의 조합은 양호한 고온 산화 저항성 특성을 제공하기 위해 선택되었다. 하프늄 부가량은 고온에서 코팅 수명 달성을 위해 선택되었다.
본 명세서에 개시되고 청구된 상기 합금을 위한 전형적인 화학조성은 표 1에 목록화된다. 그러나, 특정한 소규모 변형이 있다. 먼저, 향상된 산화 저항성 및/또는 향상된 단열 코팅 수명을 달성하기 위하여, 란타늄 및/또는 이트륨은 란타늄 및 이트륨의 합계가 상기 합금으로 제조된 단일 결정체 주형 내에 약 5 내지 80 ppm을 제공하도록 목표하는 양으로 부가되는 것이 바람직하다. 또다른 변형에서, 낮은 각 경계 (LAB) 강화가 최대 12 도로 요구되는 대형 공업 가스 터빈 (IGT) 단일 결정체 용도의 경우에서, 탄소 및 보론 부가는 각각 약 0.02% 내지 0.05% 및 40-100 ppm의 범위로 표적화된다.
본 발명은 더 나은 이해를 돕게 할 특정한 예시적인, 비제한적인 구체예에 대하여 기술될 것이다.
CM KH 01/03/11 (CM CRMP #81-1700 Issue 1)에 대한 목표 화학조성을 이용하여 400 lb 100% 순수 초기 열의 CMSX®-7 합금을 2011년 1월에 CM V-5 Consarc VIM 용광로에서 용융시켰다. 상기 열 (5V0424) 화학조성을 표 2에 나타낸다.
SX NNS DL-10 시험 바의 2개의 몰드 (번호 912 및 913)를 롤스-로이스 코포레이션(Rolls-Royce Corporation)사에 의한 CMSX-4® 주형 파라미터(SCFO)에 대하여 주조하였다. 전체 24개 주형 중 23개의 완전히 허용가능한 산출물에서 수득된 DL-10 시험 바는 우수했다. 고체 HP2 터빈 블레이드의 몰드(#53701)은 또한 이러한 생산 부품에 대한 전형적인 주조 수율을 갖는 CMSX-4® 주조 파라미터를 사용한 SCFO에 의해 주조된 SX였다.
이러한 DL-10 시험 바 및 터빈 블레이드는 다음과 같이 CMSX®-7 시험 바 상에서의 용해/균질화 연구를 기초로 하여 - 용해되었고/균질화되었고 + CM에서 이중 에이징 열처리되었다.
용해 + 균질화
● 2 시간 / 2340℉ (1282℃) + 2 시간 / 2360℉ (1293℃)
+ 4 시간 / 2380℉ (1304℃) + 4 시간 / 2390℉ (1310℃)
+ 12 시간 / 2400℉ (1316℃) AC - 단계 간에 1℉ / 분의 기울기로 승온(ramping up)
● 이중 에이징
4 시간 / 2050℉ (1121℃) AC + 20 시간 / 1600℉ (871℃) AC
허용가능한 미세구조 달성은 도 1-2에서 입증된다 - 4 시간 / 2050℉ (1121℃) 고온 에이징 이후에 완벽한 γ' 용해, 일부 나머지 γ/γ' 공융(eutectic), 초기 용융 없음 및 대략 0.5 ㎛ 평균 입방체, 나란한 γ', 적절한 γ/γ' 미스매치 및 γ/γ' 계면 화학을 나타냄.
크리프 - 및 응력-파단 시편을 낮은 응력으로 갈아서 졸리에트 금속공학 ㅇ연구소(Joliet Metallurgical Labs)에서 시험되었고, 지금까지의 결과를 표 3 및 표 4에 나타내었다. Larson-Miller 응력-파단 그래프 (도 3, 4 및 5)는 CMSX®-7가 최대 대략 1900℉ (1038℃)까지는 CMSX-2/3® 합금 (제로 Re)과 비교할 때 기계가공후 블레이드 (MFB) 0.070"Ø 미니-바 결과를 포함하는, 우수한 및 매우 양호한 크리프 강도 / 응력-파단 수명 특성을 가지나, 2050℉ (1121℃)에서 유사한 특성을 가짐을 나타낸다. 모든 이들 특성은 Rene's N-5 (3% Re) 및 Rene's N-515 (1.5% Re) 합금 (공개된 GE 데이터)과 매우 유사하다 [JOM 62 No 1, pgs 55-57 Jan 2010]. MFB 응력-파단 시험이 미니-바(15) 및 미니-플랫 시편(20)(도 16)을 가공하기 위한 시설을 갖는 본 명세서에 개시된 바와 같은 합금으로부터 주조된 단일 결정체 고체 터빈 블레이드(10)에서 수행되었다.
상 안정성은 이제까지 검사된 시험후 크리프/응력 파단 바 내에 명백하게 완전히 TCP 상이 없이 매우 양호하다(도 6-13 포함).
버너 리그 동력학(Burner rig dynamic), 순환적 산화 및 열간 부식 (황화) 시험은 주요 터빈 엔진 회사에서 현재 시행된다. 12 ksi/2000℉에서 MFB 0.020" 두께 게이지 미니-플랫의 결과는 이 합금에 대하여 양호한 노출(bare) 고온 산화 저항성을 나타낸다 (표 4, 도 5).
CMSX-7 인장 특성
상기 합금은 매우 높은 인장 강도 (1400℉ (760℃)에서 최대 200 ksi (1379 MPa) UTS) 및 0.2% 내력(proof stress) (동일 온도에서 최대 191 ksi (1318 MPa) 및 양호한 연성을 나타낸다 (표 5, 도 17 및 18). 1400℉ (760℃)에서 특별히 높은 UTS 및 0.2% PS는 이 온도에서 변형 경화를 나타내는데, 이는 아마도 이 온도에서 전위 이동을 방해하는, γ 채널 내에서 추가적인 2차 또는 3차 γ' 석출 때문이며 - 이 최대 강도 수준에서 연성은 13% 신장 (4D) 및 17% 면적 감소 (reduction in area, RA)의 범위 내에 있다.
[표 1]
화학조성 (중량% / ppm ) 사양 CMSX ®-7 합금
● 항공 엔진 용도
Figure pat00001

● 향상된 산화 저항성/코팅 및 단열 코팅 ( TBC ) 수명
S 0.5 ppm 최대
La + Y 5 - 80 ppm (SX 주형 내).
● 공업 가스 터빈 ( IGT ) SX 용도
최대 12°로 강화된 낮은 각 경계 (LAB)
C 0.02 - 0.05% 최대
B 40 - 100 ppm 최대
미량 원소 제어 - 모든 용도
Figure pat00002

[표 2]
열 #5 V0424 CMSX ®-7 - 100% 순수 화학조성 ( WT ppm / %)
Figure pat00003

[표 3]
CMSX -7 열 5 V0424
몰드 912/913 (DL-10s) - RR SCFO [Indy] - LA11753 (졸리에트(Joliet) 8935/CM-354)
K912/L912 - LA 11773 (Joliet 8979/CM-356)
완전히 열처리된 - 용해 + 이중 에이징 - 2050℉ 1차 에이징
크리프-파단
Figure pat00004

응력-파단
Figure pat00005
매칭 및 시험 원료: 졸리에트 금속공학 연구소
[표 4]
CMSX ®-7 열 5 V0424
몰드 53701 - HP2 고체 터빈 블레이드 RR SCFO [Indy] - LA11773 (졸리에트(Joliet) 8980/CM-357)
완전히 열처리된 - 용해 + 이중 에이징 - 2050℉ 1차 에이징
MFB ( LLE )
응력-파단
미니 바 [0.070" Ø 게이지, 도 16에 나타냄]
Figure pat00006

MFB ( LTE )
미니 플랫 [0.020" 두께 게이지, 도 16에 나타냄]
Figure pat00007
매칭 및 시험 원료: 졸리에트 금속공학 연구소
[표 5]
CMSX -7 - 열 5 V0424
몰드 063/064 - RR SCFO [Indy] - LA11753 (Joliet 8935/CM-354)
완전히 열처리된 - 용해 + 이중 에이징 - 2050℉ 1차 에이징
인장 시험 결과
Figure pat00008
매칭 및 시험 원료: 졸리에트 금속공학 연구소
[표 6]
열 #5 V0459 CMSX ®-7 Mod B - 100% 순수 화학조성 ( WT ppm /%)
Figure pat00009

[표 7]
CMSX -7 MOD B - 열 5 V0459
몰드 923/924 - (DL-10s) - RR SCFO [Indy] - LA11834 (졸리에트(Joliet) 9156/CM-368) [DL-10s]
완전히 열처리된 - 용해 + 이중 에이징
크리프-파단
Figure pat00010

응력-파단
Figure pat00011
매칭 및 시험 원료: 졸리에트 금속공학 연구소
CM KH 04/13/11 (CM CRMP #81-1703 Issue 1)에 대한 목표 화학조성을 이용하여 CM V-5 Consarc VIM 용광로에서 2011년 5월에 CMSX®-7 Mod B로 지정된 100% 순수한 (470 lbs) 추가적인 열로 용융하였다. 상기 열 (5V0459) 화학조성을 표 6에 나타낸다.
SX NNS DL-10 시험 바의 2개의 몰드 (번호 923 및 924)를 롤스-로이스 코포레이션사에 의한 CMSX-4® 주조 파라미터(SCFO)에 대하여 주조하였다. 전체 24개 주형 중 22개의 완전히 허용가능한 산출물에서 수득된 DL-10 시험 바는 우수했다. 이러한 DL-10 시험 바는 다음과 같이 CMSX®-7 Mod B 시험 바 상에서의 용해/균질화 연구를 기초로 하여 - 용해되었고/균질화되었고 + 캐논-머스케곤 코포레이션사에서 이중 에이징 열처리되었다.
용해 + 균질화
● 2 시간 / 2360℉ (1293℃) + 2 시간 / 2370℉ (1299℃)
+ 2 시간 / 2380℉ (1304℃) + 12 시간 / 2390℉ (1310℃) AC - 단계 간에 1℉ / 분의 기울기로 승온
● 이중 에이징 열처리
4 시간 / 2050℉ (1121℃) AC + 20 시간 / 1600℉ (871℃) AC
허용가능한 미세구조 달성은 도 14 및 15에서 입증되고, 4 시간 / 2050℉ (1121℃) 고온 에이징 이후 거의 완벽한 γ' 용해, 일부 나머지 γ/γ' 공융, 초기 용융 없음 및 대략 0.45 ㎛ 평균 입방체의 나란한 γ', 적절한 γ/γ' 미스매치 및 γ/γ' 계면 화학조성을 나타낸다.
CMSX®-7 Mod B의 크리프 - 파단 특성은 CMSX®-7의 특성과 매우 유사하지만, 명백한 이점은 없다(표 7).
장기간, 고온 응력-파단 시험 [2000℉/12 ksi (1093℃/83 MPa)/1176.5 시간]으로부터 시험 후 미세구조는 양호한 응력-파단 수명 및 파단 연성 (34% 신장 (4D)) 및 42% RA (도 19A-20C)와 조합된, 명백한 무시할 수 있는 TCP 상 ("바늘")과 함께, 양호한 상 안정성을 나타내는 것으로 나타난다(도 19A-19C).
본 명세서에 개시된 상기 구체예는 더 나은 이해를 나타내고 돕기 위해 제공되는 비제한적인 예이며, 본 발명의 범위는 균등론(doctrine of eqvalents)을 포함하는 특허법 하에서 적절히 이해되는 바와 같이 첨부한 청구항에 의해 정의된다.

Claims (9)

  1. 다음을 포함하는 단일 결정체 주조용 니켈계 초합금:
    중량으로 5.60% 내지 5.85% 알루미늄;
    중량으로 9.4% 내지 9.9% 코발트;
    중량으로 5.0% 내지 6.0% 크롬;
    중량으로 0.08% 내지 0.35% 하프늄;
    중량으로 0.50% 내지 0.70% 몰리브덴;
    중량으로 8.0% 내지 9.0% 탄탈륨;
    중량으로 0.60% 내지 0.90% 티타늄;
    중량으로 8.5% 내지 9.8% 텅스텐; 및
    니켈 및 미량의 부수적인 원소를 포함하고, 부수적인 원소의 전체 량은 중량으로 약 1% 이하인 잔부.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부수적인 원소는 최대 100 ppm 탄소, 0.04% 규소, 0.01% 망간, 3 ppm 황, 30 ppm 인, 30 ppm 보론, 0.1% 니오븀, 150 ppm 지르코늄, 0.15% 레늄, 0.01% 구리, 0.15% 철, 0.1% 바나듐, 0.1% 루테늄, 0.15% 백금, 0.15 % 팔라듐, 200 ppm 마그네슘, 5 ppm 질소, 및 5 ppm 산소까지 제어되고, 각각의 임의의 다른 부수적인 원소는 최대 약 25 ppm의 미량 원소로서 존재하는 단일 결정체 주조용 니켈계 초합금.
  3. 제2항에 있어서, 상기 미량 원소는 최대 2 ppm 은, 0.2 ppm 비스무스, 10 ppm 갈륨, 25 ppm 칼슘, 1 ppm 납, 0.5 ppm 셀레늄, 0.2 ppm 텔루륨, 0.2 ppm 탈륨, 10 ppm 주석, 2 ppm 안티몬, 2 ppm 비소, 5 ppm 아연, 2 ppm 수은, 2 ppm 카드뮴, 2 ppm 게르마늄, 2 ppm 금, 2 ppm 인듐, 20 ppm 나트륨, 10 ppm 칼륨, 10 ppm 바륨, 30 ppm 인, 2 ppm 우라늄, 및 2 ppm 토륨까지 제어되는 니켈계 초합금.
  4. 제1항에 있어서, 0.5 ppm의 황의 최대량을 함유하고, 단일 결정체 주형 내 약 5 ppm 내지 80 ppm인 전체 란타늄 및 이트륨 함량을 달성하도록 하는 란타늄 및 이트륨의 양을 더 포함하는, 단일 결정체 주조용 니켈계 초합금.
  5. 제1항에 있어서, 중량으로 0.02% 내지 0.05% 탄소, 및 40 ppm 내지 100 ppm 보론을 함유하는, 단일 결정체 주조용 니켈계 초합금.
  6. 제1항에 있어서, 약 8.8 gms/cc (kg/dm3)인 밀도를 가지는 단일 결정체 주조용 니켈계 초합금.
  7. 제1항에 따른 합금으로 주조된 단일 결정체 부품.
  8. 제7항에 있어서, 상기 부품은 가스 터빈 부품인 단일 결정체 부품.
  9. 제7항에 있어서, 상기 부품은 가스 터빈용 블레이드(blade), 베인(vane), 또는 씰 세그먼트(seal segment)인 단일 결정체 부품.
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