WO2007122931A1

WO2007122931A1 - Ｎｉ基超合金とその製造方法

Info

Publication number: WO2007122931A1
Application number: PCT/JP2007/055451
Authority: WO
Inventors: Tadaharu Yokokawa; Yutaka Koizumi; Hiroshi Harada; Toshiharu Kobayashi
Original assignee: National Institute For Materials Science
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2007-11-01
Also published as: EP2006402A4; US8696979B2; JP5299899B2; EP2006402B1; EP2006402A2; JPWO2007122931A1; US20090317288A1; EP2006402A9

Abstract

　化学成分組成が、Ａｌ：４．５～７．０ｗｔ％、Ｔａ＋Ｎｂ＋Ｔｉ：０．１～４．０ｗｔ％で、Ｔａが４．０ｗｔ％未満、Ｍｏ：１．０～８．０ｗｔ％、Ｗ：０．０～１０．０ｗｔ％、Ｒｅ：２．０～８．０ｗｔ％、Ｈｆ：０．０～１．０ｗｔ％、Ｃｒ：２．０～１０．０ｗｔ％、Ｃｏ：０．０～１５．０ｗｔ％、Ｒｕ：０．０～５．０ｗｔ％を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる。

Description

明細書

Ni基超合金とその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、 Ni基超合金とその製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、高温でのクリープ特性に優れ、ジェットエンジンやガスタービンなどのタービンブレードやタービンベーンなどの高温、高応力下で使用される部材として好適な、新しい Ni基普通铸造合金、 Ni基一方向凝固超合金または Ni基単結晶超合金とその製造方法に関する。

背景技術

[0002] 従来、 Ni基超合金は、航空機エンジンやガスタービン機関などの高温部材である動静翼材料として用いられている。 Ni基超合金は、オーステナイト相である γ (ガンマ)母相と、この母相中に分散析出した規則相である γ ' (ガンマプライム)相とを有し、 y '相は主として Ni A1で表される金属間化合物力なり、この γ '相の存在により

3

超合金の高温強度が向上する。

[0003] ガスタービン機関の効率を高めるためには燃焼ガス温度を高めることが最も効果的であるため、さらに高温強度に優れた Ni基超合金が望まれている。合金の組成比および製造プロセスの改良により、 Ni基普通铸造合金、 Ni基一方向凝固超合金および Ni基単結晶超合金が実現されている。近年、 Re (レニウム）の組成比が 5wt%を超える第 3世代といわれる Ni基単結晶超合金および Ni基一方向凝固超合金が開発されているが（特許文献 1)、 Reの γ相への固溶量が限界を超えると、高温下でいわゆる TCP相 (Topologically Close Packed相)が析出し、高温特性を悪化するという問題があった。また、 Ru (ルテニウム）などの白金族元素を添加することにより、 TCP相の生成を抑制し、高温強度の向上を図った第 4、第 5世代の Ni基単結晶超合金および Ni 基一方向凝固超合金の開発も行われている（特許文献 2)。

特許文献 1： US特許 4643782公報

特許文献 2： US特許 6929868公報

発明の開示発明が解決しょうとする課題

[0004] Ni基超合金の強度改善に効果的な高融点合金元素の添加量の増大は、一方で合金の比重を大きくし、動翼材に用いると、自らの遠心力が増大し、クリープ寿命を低下させ、さらにはタービンディスクへの負荷を大きくし、ディスクの寿命低下を生じるなど、航空機エンジンやガスタービン機関への適用を困難にしている。

[0005] そこで、本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、 TCP相の生成を防止しつつ、優れた高温強度をもち、かつ比重の小さい Ni基超合金とその製造方法を提供することを課題として、る。

課題を解決するための手段

[0006] 本発明は、上記課題を解決するためのものとして、

第 1に ίま、 Al:4.5〜7. Owt%, Ta+Nb+Ti:0. 1〜4. Owt⁰/₀で、 Ta力4. Owt %未満、 Mo:l.0〜8. Owt%、 W:0.0〜： LO.0wt%、Re:2.0〜8. Owt%、 Hf: 0.0〜1. Owt%、 Cr:2.0〜： LO. Owt%、 Co:0.0〜15. Owt%、Ru:0.0〜5.0 wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有することを特徴としている。

[0007] 第 2【こ ίま、第 1の特徴【こおヽて、 Al:4.5〜7. Owt%, Ta+Nb+Ti:0.1〜4. Ow t%で、 Ta力 Owt%未満、 Mo:l.5〜7.5wt%、W:0.0〜9.0wt%、Re:2.0 〜8. Owt%、 Hf:0.0〜1. Owt%、 Cr:2.5〜8. Owt%、 Co:0.0〜12. Owt%、 Ru:0.0〜4.6wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有することを特徴として、る。

[0008] 第 3には、第 1または第 2の特徴において、 Al:4.5〜7. Owt%、 Ta+Nb+Ti:0.

1〜4. Owt%で、 Ta力 Owt%未満、 Mo:l.0〜5.0wt%、 W:4.0〜7. Owt%、 Re :3.5〜8. Owt%、 Hf:0.01〜： L Owt%、 Cr:2.0〜4.5wt%、 Co:4.0〜8. 0wt%、Ru:2.0〜5.

残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有することを特徴として、る。

[0009] 第 4に ίま、第 2の特徴にお!/、て、 Al:4.7〜6.5wt%, Ta+Nb+Ti:0.1〜4. Ow t%で、 Taが 4. Owt%未満、 Mo:l.8〜4.0wt%、 W:4.6〜6.6wt%、Re:5.4 〜8. Owt%、Hf:0.01〜： L 0wt%、Cr:2.2〜4.2wt%、Co:4.8〜6.8wt%、 Ru:2.6〜4.6wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物力もなる化学成分組成を有することを特徴として、る。

[0010] 第 5には、第 1ないし第 4いずれ力 1つの特徴において、 Al:5.7wt%、 Ta:l.6wt %、Nb:2.0wt%、Mo:2.8wt%、W:5.6wt%、Re:6.9wt%、Hf:0. lwt%、 Cr:3.2wt%, Co :5.8wt%、Ru:3.6wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有することを特徴としている。

[0011] 第 6には、第 1ないし第 4いずれ力 1つの特徴において、 Al:5.7wt%、 Ta:l.6wt %、 Nb:2. Owt%、 Mo :3. Owt%、 W:5.6wt%、 Re :6.4wt%、 Hf:0. lwt%、 Cr:3.2wt%, Co :5.8wt%、Ru:3.6wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有することを特徴としている。

[0012] 第 7には、第 1ないし第 4いずれ力 1つの特徴において、 Al:5.7wt%、 Ta:l.6wt %、Nb:l.5wt%、Ti:0.5wt%、Mo:2.8wt%、W:5.6wt%、Re:6.5wt%、 Hf :0. lwt%、 Cr:3.2wt%、 Co :5.8wt%、 Ru:3.6wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有することを特徴としている。

[0013] 第 8には、第 1または 2の特徴において、 Al:5.6wt%、 Nb:2.3wt%、 Ti:0.9wt %、 Mo :6.7wt%、 Re :3. Owt%、 Cr:7.6wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有することを特徴としている。

[0014] 第 9には、第 1または第 2の特徴において、 Al:5.6wt%、 Ta:3.4wt%、 Ti:0.5 wt%、 Mo :3.8wt%、 W:8.5wt%、 Re :2.4wt%、 Hf:0.09wt%、 Cr:4.7wt %、 Co :7.5wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物力もなる化学成分組成を有することを特徴としている。

[0015] 第 10には、第 1または 2の特徴において、 Al:5.4wt%、 Ta:3.5wt%、 Ti:0.5w t%、Mo:3.9wt%、W:8.7wt%, Re :2.4wt%、Hf:0. lwt%、 Cr:4.9wt%、 Co :7.8wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物力もなる化学成分組成を有することを特徴としている。

[0016] 第 11には、第 1または第 2の特徴において、 Al:6. Owt%、 Nb:3.2wt%、 Mo :2 . Owt%、 W:6. Owt%、 Re :5. Owt%、 Hf:0. lwt%、 Cr:3. Owt%、 Co: 12.0 wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有することを特徴としている。

[0017] 第 12には、第 1ないし 11いずれか 1つの特徴において、さらに、 C : 0. 05 ％以下、 Zr: 0. lwt%以下、 V: 0. 5wt%以下、 B : 0. 02wt%以下、 Si: 0. lwt%以下、 Y: 0. 2wt%以下、 La: 0. 2wt%以下、 Ce : 0. 2wt%以下を単独または複合して含有することを特徴としている。

[0018] 第 13には、第 1ないし第 12いずれか 1つの特徴を有する Ni基超合金を、普通铸造法、一方向凝固法または単結晶凝固法により铸造することを特徴としている。

[0019] 第 14には、铸造後に、 1200〜1300°Cで 20分〜 2時間の予備熱処理を施し、 12 80〜1360°〇での3〜10時間の溶体化処理、 1050〜1150°Cでの 2〜8時間の 1次時効処理および 800〜900°Cでの 10〜24時間の 2次時効処理を施すことを特徴としている。

発明の効果

[0020] 白金族元素である Ruを含むほど、 Ni基超合金の比重は大きくなる傾向にある。そこで、本発明では、 Ta+Nb+Tiの組成比を 0. 1〜4. Owt%の範囲とし、 Taを 4wt %未満とすることによって、高温強度を犠牲にせず、比重増大を抑えた、高比強度（単位比重あたりの強度）の Ni基単結晶超合金を実現する。ジェットエンジンやガスタ一ビンなどのタービンブレードやタービンベーン、タービンディスクなどに用いた場合、より高温の燃焼ガス中等での使用が可能になり、ジェットエンジンやガスタービンなどの効率向上および燃料削減に有効となる。

[0021] また、本発明では、 Ni基普通铸造合金および Ni基一方向凝固超合金も実現され、 Ni基単結晶超合金と同様に高温強度に優れるとともに、铸造特性が向上し、製品の歩留まりが良好となる。 Ni基普通铸造合金および Ni基一方向凝固超合金は、 Ni基単結晶超合金と同様の用途に有用である。

図面の簡単な説明

[0022] [図 1]図 1は、実施例 1〜3の Ni基単結晶超合金および従来の Ni基単結晶合金のタリープ寿命を試験条件ごとに比較した図である。

[図 2]図 2は、実施例 1〜7の Ni基単結晶超合金および従来の Ni基単結晶合金のタリープ寿命と比重を比較した図である。発明を実施するための最良の形態

[0023] 本発明が提供する Ni基単結晶超合金、 Ni基一方向凝固超合金および Ni基普通铸造合金は、従来の Ni基超合金と同様に、オーステナイト相である γ (ガンマ)相（母相）と、この母相中に分散析出した規則相である γ ' (ガンマプライム)相 (析出相）とを有する。 Ύ '相は主として Ni A1で表される金属間化合物力もなり、この γ '相の存在

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により高温強度が向上する。

[0024] その上で、本発明の Ni基超合金では、化学成分組成を以下の通り特定している。

[0025] すなわち、第 1の特徴を有する Ni基超合金において、 Cr (クロム)は、耐酸化性に優れた元素であり、高温耐食性を向上させる。 Crの含有量は、 2. 0〜： LO. Owt%である。 Crが 2. Owt%未満であると、所望の高温腐食性を確保できなくなり、 10. Owt% を超えると、 γ '相の析出物が抑制されるとともに σ (シグマ)相や（ミュー)相などの有害相が生成し、高温強度が低下する。

[0026] Mo (モリブデン）は、 W (タングステン）および Ta (タンタル）との共存下において、母相である γ相に固溶して高温強度を増カロさせるとともに析出硬化により高温強度に寄与する。 Moの含有量は 1. 0〜8. 0 ％である。 Moの含有量が 1. Owt%未満であると、所望の高温強度を確保できず、また、 8. 0^%を超えても高温強度が低下し、さらには高温耐食性も低下する。

[0027] W (タングステン）は、 Moおよび Taとの共存下において固溶強化と析出硬化の作用により、高温強度を向上させる。 Wの含有量は 0. 0〜： LO. 0 ％である。 Wの含有量が 10. Owt%を超えると、有害相の生成を助長するとともに高温耐食性が低下する。

[0028] Ta (タンタル）、 Nb (ニオブ）、 Ti (チタン）は、いずれも、 Moおよび Wとの共存下において固溶強化と析出硬化の作用により、高温強度を向上させ、また、一部が γ '相に対して析出硬化し、高温強度を向上させる。 Ta + Nb+Tiの含有量は、それぞれの含有量の調整によって 0. 1〜4. Owt%であり、 Taについては 4. Owt%未満である。 Ta + Nb+Tiの含有量が 0. lwt%未満であると、高温強度を向上させることが困難となり、 4. 0^％を超えると、所望の高温強度を確保しつつ、合金の比重を 9. Og Zcm3以下にすることが困難となる。 [0029] Al (アルミニウム）は、 Ni (ニッケル）と化合し、母相中に微細均一に分散析出する γ '相を構成する Ni A1で表される金属間化合物を、体積分率 60〜70%の割合で形

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成し、高温強度を向上させる。 A1の組成比は 4. 5〜7.

A1の含有量が 4. 5wt%未満であると、 γ '相の析出量が不十分となり、所望の高温強度を確保できなくなり、 7. 0 ％を超えると、共晶 γ '相と呼ばれる粗大な γ '相が多く形成され、溶体ィ匕処理が不可能となり、高い高温強度を確保できなくなる。

[0030] Hf (ハフニウム）は粒界偏析元素であり、 y相と γ '相の粒界に偏祈して粒界を強化し、特に Ni基普通铸造合金および Ni基一方向凝固超合金の高温強度を向上させる。 Hfの含有量は 0. 0〜1. 0 ％である。 Ni基単結晶超合金の場合には微量添カロか、または含まなくてもよいが、特に Ni基普通铸造合金および Ni基一方向凝固超合金の場合は Hfを含まないと、結晶粒界強化が不十分となり、所望の高温強度を確保できなくなる。 Hfの含有量が 1. Owt%を超えると、局部溶融を引き起こして高温強度を低下させるおそれがある。

[0031] Co (コバルト）は、 Al、 Taなどの母相に対する高温下での固溶限度を大きくし、熱処理によって微細な γ '相を分散析出させ、高温強度を向上させる。 Coの含有量は 0. 0〜15. Owt%である。有害相を析出させないような固溶限が十分広い場合には Coを含まなくても高温強度の確保が可能であり、 15.

Al、 Ta、 M o、 W、 Hf、 Crなどの他の元素とのバランスが崩れ、有害相が析出して高温強度が低下する。

[0032] Re (レニウム）は、母相である γ相に多く固溶し、固溶強化により高温強度を向上させる。また、耐食性を向上させる効果もある。一方、 Reを多量に添加すると、高温時に有害相である TCP相が析出し、高温強度が低下するおそれがある。 Reの含有量は 2. 0〜8. Owt%である。 2. Owt%未満であると、 γ相の固溶強化が不十分となつて所望の高温強度が確保できなくなり、 8. 0^％を超えると、高温時に TCP相が析出し、高い高温強度を確保できなくなる。

[0033] Ru (ルテニウム）は、 TCP相の析出を抑え、これにより高温強度を向上させる。 Ru の含有量は 0. 0〜5. Owt%である。 Ruの含有量は、 TCP相を形成する主要な元素、たとえば Re、 W、 Mo、 Crなどの含有量に対して最適な組成範囲があり、 TCP相の析出がない場合には Ruを添カ卩しなくともよい。 Ruは高価な金属であるため、 5. Owt %を超えるとコストが高くなる。

[0034] そして、上記第 2〜第 11の特徴を有する Ni基超合金では、好ま、組成範囲を規定している。

[0035] すなわち、第 2の特徴を有する Ni基超合金では、 Al:4.5〜7. Owt%、 Ta+Nb +

Ti:0.1〜4. Owt%で、 Ta力 Owt%未満、 Mo:l.5〜7.5wt%、W:0.0〜9.

Owt%、 Re :2.0〜8. Owt%、 Hf :0.0〜1. Owt%、 Cr:2.5〜8. Owt%、 Co:0.

0〜12. Owt%、Ru:0.0〜4.6wt%として!/ヽる。

[0036] 第 3の特徴を有する Ni基超合金では、 Al:4.5〜7. Owt%、 Ta+Nb+Ti:0.1〜

4. Owt%で、 Ta力 Owt%未満、 Mo:l.0〜5.0wt%、 W:4.0〜7. Owt%、 Re

:3.5〜8. Owt%、 Hf :0.01〜： L Owt%、 Cr:2.0〜4.5wt%、 Co:4.0〜8.0 wt%、Ru:2.0〜5. Owt%としている。

[0037] 第 4の特徴を有する Ni基超合金では、 Al: 4.7〜6.5wt%、 Ta+Nb+Ti:0.1〜

4. Owt%で、 Ta力 Owt%未満、 Mo:l.8〜4.0wt%、 W:4.6〜6.6wt%、 Re

:5.4〜8. Owt%、 Hf :0.01〜： L Owt%、 Cr:2.2〜4.2wt%、 Co:4.8〜6.8 wt%、Ru:2.6〜4.6wt%としている。

[0038] 第 5の特徴を有する Ni基超合金では、 A1： 5.7wt%、 Ta:l.6wt%、 Nb： 2. Owt

%、Mo:2.8wt%、W:5.6wt%、Re:6.9wt%、 Hf:0. lwt%、Cr:3.2wt%、

Co:5.8wt%、Ru:3.6wt%としている。

[0039] 第 6の特徴を有する Ni基超合金では、 A1： 5.7wt%、 Ta:l.6wt%、 Nb： 2. Owt

%、 Mo:3. Owt%、 W:5.6wt%、 Re :6.4wt%、 Hf:0. lwt%、 Cr:3.2wt%、

Co:5.8wt%、Ru:3.6wt%としている。

[0040] 第 7の特徴を有する Ni基超合金では、 A1： 5.7wt%、 Ta:l.6wt%、 Nb： 1.5wt

%、Ti:0.5wt%、Mo:2.8wt%、W:5.6wt%、Re:6.5wt%、Hf:0. lwt%、 C r:3.2wt%、Co:5.8wt%、Ru:3.6wt%としている。

[0041] 第 8の特徴を有する Ni基超合金では、 Al:5.6wt%、 Nb:2.3wt%、 Ti:0.9wt

%、 Mo:6.7wt%、Re:3. Owt%、 Cr:7.6wt%としている。

[0042] 第 9の特徴を有する Ni基超合金では、 A1： 5.6wt%、 Ta:3.4wt%、 Ti： 0.5wt %、 Mo:3.8wt%、 W:8.5wt%、 Re :2.4wt%、 Hf:0.09wt%、 Cr:4.7wt%、

Co :7.5wt%としている。

[0043] 第 10の特徴を有する Ni基超合金では、 A1: 5.4wt%、 Ta:3.5wt%、 Ti:0.5wt

%、 Mo:3.9wt%、 W:8.7wt%、 Re :2.4wt%、 Hf:0. lwt%、 Cr:4.9wt%、

Co :7.8wt%としている。

[0044] 第 11の特徴を有する Ni基超合金では、 Al:6. Owt%、 Nb:3.2wt%、 Mo :2.0 wt%、 W:6. Owt%、 Re :5. Owt%、 Hf:0. lwt%、 Cr:3. Owt%、 Co: 12. Owt

%としている。

[0045] なお、上記第 1ないし第 11のいずれか一つの特徴を有する本発明の Ni基超合金では、残部が Niおよび不可避的不純物からなる。また、上記第 1ないし第 11のいずれか一つの特徴を有する本発明の Ni基超合金は、さらに以下の元素を特定範囲で単独または複合して含有することができる。

[0046] C (炭素）は粒界強化に寄与し、 Cの含有量は 0.05wt%以下である。 Cを含まな、と粒界強化の効果が確保できなくなるので好ましくなぐ Cの含有量が 0.05wt%を超えると延性を害するので好ましくない。

[0047] Zr (ジルコニウム）は B (ホウ素）や Cと同様に粒界を強化する。一方、過度の添加はクリープ強度を下げるため、含有量は 0. lwt%以下とする。

[0048] V (バナジウム）は γ '相に固溶し、 y '相を強化する。一方、過度の添カ卩はクリープ強度を下げるため、 0.5wt%以下とする。

[0049] B (ホウ素）は Cと同様に粒界強化に寄与する。 Bの含有量は 0.02wt%以下とする。 0.02wt%を超えると延性を害するので好ましくない。

[0050] Si (シリコン）は、合金表面に Si02皮膜を生成させて保護皮膜として耐酸ィ匕性を向上させる。また、 Si02酸ィ匕被膜は他の保護酸ィ匕被膜と比較して割れが発生しにくぐクリープや疲労特性を向上させる効果もある。一方、 Siを大量に添加することは他の元素の固溶限を低下させることにもなるため、含有量の上限を 0.

[0051] Y (イットリウム）、 La (ランタン）、 Ce (セリウム）は、 Ni基超合金に高温での使用中に形成するアルミナ、クロミアなどの保護酸化被膜の密着性を向上させる。一方、過度の添カ卩は他の元素の固溶限を低下させることになるため、 Yの含有量は 0.2wt%以下、 Laの含有量は 0. 2wt%以下、 Ceの含有量は 0. 2wt%以下とする。

[0052] 以上の通りの化学成分組成を有する本発明の Ni基超合金は、従来公知の製造プ口セスゃ製造条件を勘案して、所定の化学成分組成を有するものとして溶解、铸造により製造することができる。铸造に際しては、たとえば一方向凝固法または単結晶凝固法によって、一方向凝固合金または単結晶合金として Ni基超合金を製造することができる。一方向凝固法は、所望の化学成分組成に調合されたインゴットを用いて铸造するが、铸型温度を凝固温度である約 1500°C以上に加熱しておき、铸型に铸込んだ後に、たとえば加熱炉力徐々に遠ざけて温度勾配を与え、多数の結晶を一方向に成長させる方法である。単結晶凝固法は、一方向凝固法とほぼ同様であるが、凝固する手前側にジグザグまたは螺旋型のセレクタ一部を設け、一方向で凝固してくる多数の結晶をセレクタ一部で一つの結晶にし、所望の製品を製造する方法である。

[0053] 本発明の Ni基超合金は、铸造後、熱処理を施すことにより、高クリープ強度を発現する。標準的な熱処理は以下の通りである。 1200〜1300°Cで 20分〜 2時間の予備熱処理を施した後、 1280〜1350°Cで 3〜10時間の溶体化処理を行う。次いで、 γ '相の析出を目的にした 1次時効処理を 1050〜1150°Cの温度範囲で 2〜8時間行い、空冷する。 1次時効処理は、耐熱'耐酸化を目的としたコーティング処理と兼ねることが可能である。空冷後、引き続き γ '相の安定ィ匕を目的とした 2次時効処理を 80 0〜900°Cで 10〜24時間行い、空冷する。 1次時効処理および 2次時効処理における空冷は、雰囲気を不活性ガスに置き換えて行うことができる。

[0054] このようにして製造される本発明の Ni基超合金により、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などの高温部品が実現可能となる。

[0055] 次に実施例を示す。以下の実施例によって本発明が限定されることはない。

実施例 1

[0056] Co： 5. 8wt%、 Cr： 3. 2wt%、 Mo： 2. 8wt%、 W： 5. 6wt%、 Al： 5. 7wt%、 Nb

: 2. Owt%、Ta : l. 6wt%、Hf : 0. lwt%、Re : 6. 9wt%、Ru: 3. 6wt%、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有する Ni基超合金を、真空中におヽて 200mmZhの凝固速度で溶解、铸造して単結晶铸造物を得た。次に、得られた単結晶铸造物を真空中において 1300°Cの温度で 1時間予熱した後、 1330°Cの温度に上昇して、この温度に 10時間保持してから空冷する溶体化処理を行い、その後、真空中において 1100°Cの温度で 4時間保持して力空冷する 1次時効処理と、真空中において 870°Cの温度で 20時間保持して力も空冷する 2次時効処理とを行った。そして、単結晶合金铸造物を平行部直径 4mm、長さ 20mmのテストピースに加工し、 800。C〜1100。C、 137MPa〜735MPaの条件でクリープ試験を行った。

実施例 2

[0057] Co： 5. 8wt%、 Cr： 3. 2wt%、 Mo： 3. Owt%、 W： 5. 6wt%、 Al： 5. 7wt%、 Nb

: 2. Owt%、Ta : l. 6wt%、Hf : 0. lwt%、Re : 6. 4wt%、Ru: 3. 6wt%、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有する Ni基超合金を、真空中におヽて 200mmZhの凝固速度で溶解、铸造して単結晶铸造物を得た。次に、得られた単結晶铸造物を真空中において 1300°Cの温度で 1時間予熱した後、 1330°Cの温度に上昇して、この温度に 10時間保持してから空冷する溶体化処理を行い、その後、真空中において 1100°Cの温度で 4時間保持して力空冷する 1次時効処理と、真空中において 870°Cの温度で 20時間保持して力も空冷する 2次時効処理とを行った。そして、単結晶合金铸造物を平行部直径 4mm、長さ 20mmのテストピースに加工し、 800。C〜1100。C、 137MPa〜735MPaの条件でクリープ試験を行った。

実施例 3

[0058] Co： 5. 8wt%、 Cr： 3. 2wt%、 Mo： 2. 8wt%、 W： 5. 6wt%、 Al： 5. 7wt%、 Ti： 0. 5wt%、Nb : l. 5wt%、Ta : l. 6wt%、Hf : 0. lwt%、Re : 6. 5wt%、Ru: 3. 6 wt%、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有する Ni基超合金を、真空中にお、て 200mmZhの凝固速度で溶解铸造して単結晶铸造物を得た。次に、得られた単結晶铸造物を真空中において 1300°Cの温度で 1時間予熱した後、 1 330°Cの温度に上昇して、この温度に 10時間保持して力も空冷する溶体ィ匕処理を行い、その後、真空中において 1100°Cの温度で 4時間保持して力空冷する 1次時効処理と、真空中において 870°Cの温度で 20時間保持して力も空冷する 2次時効処理とを行った。そして、単結晶合金铸造物を平行部直径 4mm、長さ 20mmのテストピースに加工し、 800°C〜1100°C、 137MPa〜735MPaの条件でクリープ試験を行った。

実施例 4

[0059] Cr: 7. 6wt%、 Mo： 6. 7wt%、 Al : 5. 6wt%、 Ti : 0. 9wt%、 Nb : 2. 3wt%、 Re

: 3. Owt%、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有する Ni基超合金を、真空中において 200mmZhの凝固速度で溶解、铸造して単結晶铸造物を得た。次に、得られた単結晶铸造物を真空中において 1260°Cの温度で 1時間予熱した後、 1280°Cの温度に上昇して、この温度に 4時間保持してから空冷する溶体化処理を行い、その後、真空中において 982°Cの温度で 5時間保持して力空冷する 1 次時効処理と、真空中において 870°Cの温度で 20時間保持して力も空冷する 2次時効処理とを行った。そして、単結晶合金铸造物を平行部直径 4mm、長さ 20mmのテストピースに加工し、 900°C〜1100°C、 137MPa〜392MPaの条件でクリープ試験を行った。

実施例 5

[0060] Co : 7. 5wt%、 Cr： 4. 7wt%、 Mo： 3. 8wt%、 W： 8. 5wt%、 Al： 5. 6wt%、 Ti： 0. 5wt%、 Ta : 3. 4wt%、 Hf : 0. 09wt%、 Re : 2. 4wt%、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有する Ni基超合金を、真空中におヽて 200mmZhの凝固速度で溶解、铸造して単結晶铸造物を得た。次に、得られた単結晶铸造物を真空中において 1300°Cの温度で 1時間予熱した後、 1320°Cの温度に上昇して、この温度に 5時間保持してから空冷する溶体化処理を行い、その後、真空中において 11 00°Cの温度で 4時間保持して力空冷する 1次時効処理と、真空中において 870°C の温度で 20時間保持して力も空冷する 2次時効処理とを行った。そして、単結晶合金铸造物を平行部直径 4mm、長さ 20mmのテストピースに加工し、 900°C〜1100 °C、 137MPa〜392MPaの条件でクリープ試験を行つた。

実施例 6

[0061] Co : 7. 8wt%、 Cr： 4. 9wt%、 Mo： 3. 9wt%、 W： 8. 7wt%、 Al： 5. 4wt%、 Ti： 0. 5wt%、Ta : 3. 5wt%、Hf : 0. lwt%、Re : 2. 4wt%、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有する Ni基超合金を、真空中におヽて 200mmZhの凝固速度で溶解、铸造して単結晶铸造物を得た。次に、得られた単結晶铸造物を真空中において 1320°Cの温度で 1時間予熱した後、 1340°Cの温度に上昇して、この温度に 5時間保持してから空冷する溶体化処理を行い、その後、真空中において 11 00°Cの温度で 4時間保持して力空冷する 1次時効処理と、真空中において 870°C の温度で 20時間保持して力も空冷する 2次時効処理とを行った。そして、単結晶合金铸造物を平行部直径 4mm、長さ 20mmのテストピースに加工し、 900°C〜1100 °C、 137MPa〜392MPaの条件でクリープ試験を行つた。

実施例 7

[0062] Co： 12. Owt%、 Cr： 3. Owt%、 Mo： 2. Owt%、 W： 6. Owt%、 Al： 6. Owt%、 N b : 3. 2wt%、Hf : 0. lwt%、Re : 5. Owt%、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有する Ni基超合金を、真空中にお 1ヽて 200mmZhの凝固速度で溶解铸造して単結晶铸造物を得た。次に、得られた単結晶铸造物を真空中において 1300°Cの温度で 1時間予熱した後、 1320°Cの温度に上昇して、この温度に 5時間保持してから空冷する溶体化処理を行い、その後、真空中において 1100°Cの温度で 4時間保持して力空冷する 1次時効処理と、真空中において 870°Cの温度で 2 0時間保持してから空冷する 2次時効処理とを行った。そして、単結晶合金铸造物を平行部直径 4mm、長さ 20mmのテストピースに加工し、 900°C〜1100°C、 137MP a〜392MPaの条件でクリープ試験を行った。

[0063] 以上の実施例 1〜7で作製した Ni基単結晶超合金および従来の Ni基単結晶超合金の化学成分組成を表 1に示した。

[0064] [表 1]

[0065] 比較対象とした CMSX—4合金は、最も多く使われている既存の合金であり、たとえば、 US特許 4643782公報に開示されている。また、 MX4(PWA1497)合金は、 US特許 6929868公報に開示されてレ、る Ru (ルテニウム）を 3wt%含有する第 4世代合金である。

[0066] 実施例 1〜3の Ni基単結晶超合金および従来の Ni基単結晶超合金のクリープ破断寿命、伸びおよび絞りは、表 2に示す結果となった。

[0067] [表 2]

ラ一ゾンミ - —バラメ --タを用 ί· t拊^鐘 [0068] 実施例 1〜3の Ni基単結晶超合金の比重は 9. 0より小さぐまた、優れたクリープ破断寿命をもっている。

[0069] また、実施例 1〜3の Ni基単結晶超合金および従来の Ni基単結晶超合金のタリープ試験条件ごとのクリープ破断寿命は、図 1に示す結果となった。

[0070] さらに、実施例 1〜7の Ni基単結晶超合金および従来の Ni基単結晶超合金のタリープ試験結果（1000°C、 245MPa)とそれぞれの比重を比較して図 2に示した。図 2 に示したように、実施例 1〜7の Ni基単結晶超合金は比重が小さぐクリープ寿命が長い。

産業上の利用可能性

[0071] 高温強度を犠牲にせず、比重増大を抑えた、高比強度 (単位比重あたりの強度)の Ni基単結晶超合金が実現される。ジェットエンジンやガスタービンなどのタービンブレードゃタービンベーン、タービンディスクなどに用いた場合、より高温の燃焼ガス中等での使用が可能になり、ジェットエンジンやガスタービンなどの効率向上および燃料削減に有効となる。

[0072] また、 Ni基普通铸造合金および Ni基一方向凝固超合金も実現され、 Ni基単結晶超合金と同様に高温強度に優れるとともに、铸造特性が向上し、製品の歩留まりが良好となる。 Ni基普通铸造合金および Ni基一方向凝固超合金は、 Ni基単結晶超合金と同様の用途に有用である。

Claims

請求の範囲

[1] Al:4.5〜7. Owt%、 Ta+Nb+Ti:0.1〜4. Owt%で、 Ta力 Owt%未満、 M o:l.0〜8. Owt%、W:0.0〜： LO.0wt%、Re:2.0〜8. Owt%、Hf:0.0〜1.0 wt%、 Cr:2.0〜： LO. Owt%、 Co:0.0〜15. Owt%、Ru:0.0〜5. Owt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物力もなる化学成分組成を有することを特徴とする Ni 基超合金。

[2] 請求項 1に記載の Ni基超合金において、 Al:4.5〜7. Owt%、 Ta+Nb+Ti:0.

1〜4. Owt%で、 Ta力 Owt%未満、 Mo:l.5〜7.5wt%、W:0.0〜9. Owt% 、 Re :2.0〜8. Owt%、 Hf:0.0〜1. Owt%、 Cr:2.5〜8. Owt%、 Co:0.0〜12 . Owt%、Ru:0.0〜4.6wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物力なる化学成分組成を有することを特徴とする Ni基超合金。

[3] 請求項 1または 2に記載の Ni基超合金において、 Al:4.5〜7. Owt%、 Ta+Nb

+Ti:0.1〜4. Owt%で、 Ta力 Owt%未満、 Mo:l.0〜5.0wt%、 W:4.0〜7 . Owt%、 Re :3.5〜8. Owt%、 Hf :0.01〜： L 0wt%、 Cr:2.0〜4.5wt%、 Co: 4.0〜8.0wt%、Ru:2.0〜5.0wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有することを特徴とする Ni基超合金。

[4] 請求項 2に記載の Ni基超合金において、 Al:4.7〜6.5wt%、 Ta+Nb+Ti:0.

1〜4.0wt%で、 Ta力 0wt%未満、 Mo:l.8〜4.0wt%、 W:4.6〜6.6wt%、 Re :5.4〜8.0wt%、 Hf:0.01〜： L 0wt%、 Cr:2.2〜4.2wt%、 Co:4.8〜6. 8wt%、Ru:2.6〜4.6wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有することを特徴とする Ni基超合金。

[5] 請求項 1ないし 4いずれか 1項に記載の Ni基超合金において、 A1: 5.7wt%、 Ta:

1.6wt%、Nb:2.0wt%、Mo:2.8wt%、W:5.6wt%、Re:6.9wt%、Hf:0.1 wt%、Cr:3.2wt%、Co:5.8wt%、Ru:3.6wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有することを特徴とする Ni基超合金。

[6] 請求項 1ないし 4いずれか 1項に記載の Ni基超合金において、 A1: 5.7wt%、 Ta:

1.6wt%、 Nb:2.0wt%、 Mo :3.0wt%、 W:5.6wt%、 Re :6.4wt%、 Hf :0.1 wt%、Cr:3.2wt%、Co:5.8wt%、Ru:3.6wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有することを特徴とする Ni基超合金。

[7] 請求項 1ないし 4いずれか 1項に記載の Ni基超合金において、 A1: 5.7wt%、 Ta:

1.6wt%、Nb:l.5wt%、Ti:0.5wt%、Mo:2.8wt%、W:5.6wt%、Re:6.5 wt%、Hf:0. lwt%、Cr:3.2wt%、Co:5.8wt%、Ru:3.6wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有することを特徴とする Ni基超合金

[8] 請求項 1または 2に記載の Ni基超合金において、 Al:5.6wt%、 Nb:2.3wt%、 T i:0.9wt%、Mo:6.7wt%、Re:3.0wt%、Cr:7.6wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物からなる化学成分組成を有することを特徴とする Ni基超合金。

[9] 請求項 1または 2に記載の Ni基超合金において、 A1: 5.6wt%、 Ta: 3.4wt%、 T i:0.5wt%、 Mo:3.8wt%、 W:8.5wt%、 Re :2.4wt%、 Hf:0.09wt%、 Cr:4 .7wt%、Co:7.5wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物力もなる化学成分組成を有することを特徴とする Ni基超合金。

[10] 請求項 1または 2に記載の Ni基超合金において、 A1: 5.4wt%、 Ta: 3.5wt%、 T i:0.5wt%、Mo:3.9wt%、W:8.7wt%, Re :2.4wt%、Hf:0. lwt%、 Cr:4. 9wt%、 Co :7.8wt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物力もなる化学成分組成を有することを特徴とする Ni基超合金。

[11] 請求項 1または 2に記載の Ni基超合金において、 Al:6. Owt%、 Nb:3.2wt%、 Mo :2. Owt%、 W:6. Owt%、 Re :5. Owt%、 Hf :0. lwt%、 Cr:3. Owt%、 Co: 12. Owt%を含有し、残部が Niと不可避的不純物力なる化学成分組成を有することを特徴とする Ni基超合金。

[12] 請求項 1ないし 11いずれ力 1項に記載の Ni基超合金において、さらに、 C:0.05w t%以下、 Zr:0. lwt%以下、 V:0.5wt%以下、 B:0.02wt%以下、 Si:0. lwt% 以下、 Y:0.2wt%以下、 La:0.2wt%以下、 Ce:0.2wt%以下を単独または複合して含有することを特徴とする Ni基超合金。

[13] 請求項 1ないし 12いずれか 1項に記載の Ni基超合金を、普通铸造法、一方向凝固法または単結晶凝固法により铸造することを特徴とする Ni基超合金の製造方法。

[14] 铸造後に、 1200〜1300。Cで 20分〜 2時間の予備熱処理を施し、 1280~1360 °Cでの 3〜10時間の溶体化処理、 1050〜1150°Cでの 2〜8時間の 1次時効処理および 800〜900°Cでの 10〜24時間の 2次時効処理を施すことを特徴とする請求項 13に記載の Ni基超合金の製造方法。