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技術 Ni基超合金

出願人 国立研究開発法人物質・材料研究機構
発明者 原田広史横川忠晴小泉裕小林敏治
出願日 2003年9月22日 (13年7ヶ月経過) 出願番号 2003-330252
公開日 2005年4月14日 (12年0ヶ月経過) 公開番号 2005-097649
状態 特許登録済
技術分野 タービンロータ・ノズル・シール タービンの細部・装置 ガスタービン、高圧・高速燃焼室 タービンロータ・ノズル・シール
主要キーワード 実施例組成 クリープひずみ 多段階処理 比較例合金 ガンマ相 結晶粒界強度 最適組成 クリープ寿命

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以下の情報は公開日時点(2005年4月14日)のものです。

課題

高温でのクリープ特性に優れ、メタル温度にて1150℃のような高温での使用に耐え、ジェットエンジンガスタービンなどのタービンブレードタービンベーンタービンディスク等の高温、高応力下で使用される部材として好適な、新しいNi基超合金を提供する

解決手段

Mo:20wt%以下、Al:2-10wt%、Ta+Nb+Ti:16wt%以下、Re:16wt%以下、Ru:16wt%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するNi基超合金とする。

この項目の情報は公開日時点(2005年4月14日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

背景

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従来、Ni基超合金としては、CMSX-10(Co:3.3wt%、Cr:2.4wt%、Mo:0.4wt%、W:5.3wt%
、Al:5.7wt%、Ti:0.2wt%、Nb:0.1wt%、Ta:8.2wt%、Hf:0.03wt%、Re:6.3wt%で残部がNiか
らなる合金)(特許文献1)、TMS-138(Co:5.8wt%、Cr:2.8wt%、Mo:2.9wt%、W:6.1wt%
、Al:5.8wt%、Ta:5.6wt%、Hf:0.05wt%、Re:5.1wt%、Ru:1.9wt%で残部がNiからなる合金)(特許文献2)などが高温強度に最も優れたものとして知られている。

これら従来のNi基超合金は、単結晶合金部材として1100℃までのクリープ強度の点で優れている。しかしながら、さらに1150℃のような高温ではクリープ強度が低下するという問題点を有している。ジェットエンジンやガスタービンの効率を高めるためには燃焼温度を高めることが最も効率的であるので、このような観点から、従来のNi基超合金の限界を克服した、高温強度性により優れたNi基超合金の出現が望まれていた。
米国特許第5,366,695号公報
欧州特開 1262569号公報

概要

高温でのクリープ特性に優れ、メタル温度にて1150℃のような高温での使用に耐え、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、タービンディスク等の高温、高応力下で使用される部材として好適な、新しいNi基超合金を提供する Mo:20wt%以下、Al:2-10wt%、Ta+Nb+Ti:16wt%以下、Re:16wt%以下、Ru:16wt%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するNi基超合金とする。

目的

この出願の発明は以上のとおりの背景踏まえてなされたものであって、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などの高温部材として、メタル温度にて1150℃のような高温での使用に耐えることのできる、新しいNi基超合金を提供することを課題としている。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
2件

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請求項

以下の情報は公開日時点(2005年4月14日)のものです。

請求項1

Mo:20wt%以下、Al:2-10wt%、Ta+Nb+Ti:16wt%以下、Re:16wt%以下、Ru:16wt%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするNi基超合金。

請求項2

Mo:4.5-16wt%、Al:4-8wt%、Ta+Nb+Ti:3-12wt%、Re:0.1-12wt%、Ru:1-14wt%を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする請求項1記載のNi基超合金。

請求項3

請求項1または2記載の合金において、さらに、Co:20wt%以下、Cr:20wt%以下、W:15wt%以下、Hf:10wt%以下、Pt:10wt%以下、Rh:10wt%以下、V:3wt%以下、Zr:3wt%以下、Si:3wt%以下、Fe:10wt%以下の元素のうちのいずれか1つを含有することを特徴とするNi基超合金。

請求項4

請求項1または2記載の合金において、さらに、Co:20wt%以下、Cr:16wt%以下、W:12wt%以下、Hf:8wt%以下、Pt:10wt%以下、Rh:10wt%以下、V:2wt%以下、Zr:2wt%以下、Si:2wt%以下、Fe:10wt%以下の元素のうちのいずれか2つを含有することを特徴とするNi基超合金。

請求項5

請求項2記載の合金において、さらに、Co:20wt%以下、Cr:16wt%以下、W:12wt%以下、Hf:8wt%以下、Pt:10wt%以下、Rh:10wt%以下、V:2wt%以下、Zr:2wt%以下、Si:2wt%以下、Fe:10wt%以下の元素のうちのいずれか3つあるいはそれ以上を含有することを特徴とするNi基超合金。

請求項6

請求項1ないし5のいずれか記載の合金においてさらに、C:0.3wt%以下、B:0.2wt%以下、Y:0.2wt%以下、La:0.2wt%以下、Ce:0.2wt%以下の元素のうちのいずれか1つあるいは2つ以上含有することを特徴とするNi基超合金。

請求項7

請求項1ないし6のいずれか記載の合金を用いて、普通鋳造法、一方向凝固法、あるいは単結晶凝固法により作成したことを特徴とするタービンブレードあるいはタービンベーン部品

請求項8

請求項1ないし6のいずれか記載の合金を用いて、粉末冶金法あるいは鍛造法により作成したことを特徴とするタービンディスク部品。

詳細

以下の情報は 公開日時点 (2005年4月14日)のものです。

技術分野

0001

この出願の発明は、Ni基超合金に関するものであり、さらに詳しくは、1150℃のような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、タービンディスク等の高温、高応力下で使用される部材として好適な、新しいNi基超合金に関するものである。


背景技術

0002

従来、Ni基超合金としては、CMSX-10(Co:3.3wt%、Cr:2.4wt%、Mo:0.4wt%、W:5.3wt%
、Al:5.7wt%、Ti:0.2wt%、Nb:0.1wt%、Ta:8.2wt%、Hf:0.03wt%、Re:6.3wt%で残部がNiか
らなる合金)(特許文献1)、TMS-138(Co:5.8wt%、Cr:2.8wt%、Mo:2.9wt%、W:6.1wt%
、Al:5.8wt%、Ta:5.6wt%、Hf:0.05wt%、Re:5.1wt%、Ru:1.9wt%で残部がNiからなる合金)(特許文献2)などが高温強度に最も優れたものとして知られている。

0003

これら従来のNi基超合金は、単結晶合金部材として1100℃までのクリープ強度の点で優れている。しかしながら、さらに1150℃のような高温ではクリープ強度が低下するという問題点を有している。ジェットエンジンやガスタービンの効率を高めるためには燃焼温度を高めることが最も効率的であるので、このような観点から、従来のNi基超合金の限界を克服した、高温強度性により優れたNi基超合金の出現が望まれていた。
米国特許第5,366,695号公報
欧州特開 1262569号公報


発明が解決しようとする課題

0004

この出願の発明は以上のとおりの背景を踏まえてなされたものであって、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などの高温部材として、メタル温度にて1150℃のような高温での使用に耐えることのできる、新しいNi基超合金を提供することを課題としている。


課題を解決するための手段

0005

この出願の発明は、上記の課題を解決するためのものとして、第1には、Mo:20wt%以下、Al:2-10wt%、Ta+Nb+Ti:16wt%以下、Re:16wt%以下、Ru:16wt%以下を含有し、残部がNi
と不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするNi基超合金を提供する。

0006

第2には、Mo:4.5-16wt%、Al:4-8wt%、Ta+Nb+Ti:3-12wt%、Re:0.1-12wt%、Ru:1-14wt%を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするNi基超
合金の最適組成を提供する。

0007

第3には、上記いずれかの合金において、さらに、Co:20wt%以下、Cr:20wt%以下、W:15wt%以下、Hf:10wt%以下、Pt:10wt%以下、Rh:10wt%以下、V:3wt%以下、Zr:3wt%以下、Si:3wt%以下、Fe:10wt%以下の元素のうちのいずれか1つを含有させて高温特性をさらに向上させることを特徴とするNi基超合金を提供する。

0008

第4には、上記第1または第2の発明の合金において、さらに、Co:20wt%以下、Cr:16wt%以下、W:12wt%以下、Hf:8wt%以下、Pt:10wt%以下、Rh:10wt%以下、V:2wt%以下、Zr:2wt%以下、Si:2wt%以下、Fe:10wt%以下の元素のうちのいずれか2つを含有させて高温特性をさらに向上させることを特徴とするNi基超合を提供する。

0009

第5には、上記第2の発明の合金において、さらに、Co:20wt%以下、Cr:16wt%以下、W:12wt%以下、Hf:8wt%以下、Pt:10wt%以下、Rh:10wt%以下、V:2wt%以下、Zr:2wt%以下、Si:2wt%以下、Fe:10wt%以下の元素のうちのいずれか3つあるいはそれ以上を含有させて高温特性をさらに向上させることを特徴とするNi基超合金を提供する。

0010

第6には、上記いずれかの合金において、さらに、C:0.3wt%以下、B:0.2wt%以下、Y:0.2wt%以下、La:0.2wt%以下、Ce:0.2wt%以下の元素のうちのいずれか1つあるいは2つ
以上を含有することにより高温特性をさらに向上させることを特徴とするNi基超合金を提供する。

0011

第7には、以上いずれかの合金を用いて、普通鋳造法、一方向凝固法、あるいは単結晶凝固法により作成したことを特徴とするタービンブレードあるいはタービンベーン部品を提供する。

0012

第8には、粉末冶金法あるいは鍛造法により作成したことを特徴とするタービンディスク部品を提供する。


発明の効果

0013

この出願の第1の発明の合金によれば、メタル温度にて1150℃のような高温でのクリープ強度に優れたNi基超合金を得ることができる。

0014

上記第2の発明の合金は上記のNi基超合金の最適組成の合金を提供し、請求項1の合金に関して1150℃にて最も優れたクリープ強度を発揮する。

0015

第3の発明の合金によれば、以上の合金においてCo、Cr、W、Hf、Pt、Rh、V、Zr、Si、Feの元素のいずれかを単独に含有させて中低温側でのクリープ強度や、耐酸化性組織定性などのひとつをさらに向上させる効果を有する。

0016

第4の発明の合金によれば、第2の発明の合金においてCo、Cr、W、Hf、Pt、Rh、V、Zr、Si、Feの元素のいずれか3つあるいはそれ以上を含有させて中低温側でのクリープ強度や、耐酸化性、組織安定性などの2つの特性をさらに向上させる効果を有する。

0017

第5の合金によれば、第2の発明の合金においてCo、Cr、W、Hf、Pt、Rh、V、Zr、Si、Feの元素のいずれか3つあるいはそれ以上を含有させて中低温側でのクリープ強度や、耐酸化性、組織安定性などの3つあるいはそれ以上の特性をさらに向上させる効果を有する。

0018

第6の合金によれば、上記いずれかの合金においてさらに、C、B、Y、La、Ceの微量元素を単独あるいは複合的に含有することによって、結晶粒界強度向上、耐酸化性向上の効果を発揮する。

0019

第7の発明によれば、以上の合金を用いて作成したタービンブレード、タービンベーンをジェットエンジンやガスタービンに用いることによって、それらの高温化が可能となり熱効率出力信頼性などが向上する。

0020

第8の発明によれば、以上の合金を用いて作成したタービンディスクをジェットエンジンやガスタービンに用いることによって、それらの高温化が可能となり熱効率、出力、信頼性などが向上する。


発明を実施するための最良の形態

0021

この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

0022

なによりも強調されることは、この出願の発明においては、後述実施例に述べるように、従来Ni基超合金が対応困難と考えられてきた1150℃/137MPaレベルで100時間を超えるクリープ寿命を実現したことである。その実施の形態は以下のとおりである。

0023

本出願のNi基超合金において、Moは格子定数ミスフィットを負(ガンマ相の格子定数>ガンマ'相の格子定数)に移行させて、ガンマ相とガンマ’相の界面に緻密な転位網を形
成させ、高温のクリープ強度を向上させるのに有効な元素として必要である。しかし添加量が20wt%を超えるとTCP相とよばれる有害結晶を生成して、クリープ強度が低下する。そして、所要作用効果を実現するためには、3.5wt%以上添加することが好ましい。また
、このMoの添加量については、より好ましくは4.5-16wt%である。

0024

Alは高温強度向上に不可欠なガンマ’相を形成させるために2wt%以上必要である。し
かし10wt%を超えると共晶ガンマ’と呼ばれる粗大な結晶が生成しクリープ強度が低下す
る。よって2-10wt%とすることが必要である。より好ましくは4-8wt%である。

0025

Ta、Nb、Tiは、いずれもガンマ’相を強化してクリープ強度を向上させる有効な元素である。したがってこれらのいずれか1つ、2つあるいは3つの添加が必要である。いずれの場合も総和が16wt%以上になると有害相の生成が助長されるので、16wt%以下である必要がある。好ましくは3-12wt%である。

0026

Reはガンマ相を強化する有効な元素であり、添加が必要である。しかし添加量が16wt%
をこえると長時間使用にあたって有害相の生成が助長されるので、16wt%以下でなくては
ならない。好ましくは0.1-12wt%である。

0027

Ruは低温側のクリープ強度を向上させるために必須の元素である。しかし添加量が16wt%を超えると有害相の生成が助長されるので、16wt%以下でなくてはならない。好ましくは1-14wt%である。より好ましくは3〜10wt%である。

0028

Coは中低温のクリープ強度を向上させる効果を有するので、本発明合金に添加することが有効である。添加量が20wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必
要がある。

0029

Crは耐酸化性、耐高温腐食性を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が20wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下と
する必要がある。好ましくは12wt%以下である。

0030

Wは高温から低温までのクリープ強度を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が15wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこ
れとする必要がある。好ましくは12wt%以下である。

0031

Hfは耐酸化性を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が10wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある
。好ましくは8wt%以下である。

0032

Ptは組織安定性を向上させ有害相生成を防ぐ効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が10wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下
とする必要がある。

0033

Rhも組織安定性を向上させ有害相生成を防ぐ効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が10wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下
とする必要がある。

0034

Vは低温側のクリープ強度を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が3wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とす
る必要がある。好ましくは2wt%以下である。

0035

Zrは結晶粒界強度を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が3wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要が
ある。好ましくは2wt%以下である。

0036

Siは耐酸化性を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が3wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とする必要がある
。好ましくは2wt%以下である。

0037

Feは低温側のクリープ強度を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が10wt%を超えると有害相の生成を助長するのでこれ以下とす
る必要がある。

0038

Cは炭化物を結晶粒界に生成させクリープ強度を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が0.3wt%を超えると炭化物量過多となり合金が脆化するのでこれ以下とする必要がある。

0039

Bは結晶粒界に偏析して強度を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が0.2wt%を超えると融点の低下を招くのでこれ以下とする必要がある。

0040

Yは耐酸化性を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が0.2wt%を超えるとかえって耐酸化性を低下させるのでこれ以下とする必要がある。

0041

Laは耐酸化性を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が0.2wt%を超えるとかえって耐酸化性を低下させるのでこれ以下とする必要がある。

0042

Ceは耐酸化性を向上させる効果があるので、本発明合金に添加することが有効である。しかし添加量が0.2wt%を超えるとかえって耐酸化性を低下させるのでこれ以下とする必要がある。

0043

以上のような組成の特徴を有するこの出願の発明のNi基超合金については、たとえば単結晶として鋳造し、溶体化処理時効処理を行うことによって製造することができる。一方向凝固合金としてもよい。

0044

たとえば溶体化処理については、1300℃〜1380℃の範囲において、時効処理については、1000℃以上での1次時効と、950℃以下での2次時効との多段階処理が好適なものとし
て考慮される。

0045

以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって発明が限定さ
れることはない。

0046

本発明のNi基超合金(実施例組成:10wt%Mo、6wt%Al、6wt%Ta、6wt%Re、8wt%Ru、
残Ni)を単結晶に鋳造し、溶体化処理及び時効処理を行った。溶体化処理は、1310℃で1時間保持した後、1330℃まで昇温し、10時間保持した。また時効処理は1100℃で4時間保持する1次時効と、870℃で20時間保持する2次時効処理を行った。

0047

次に、溶体化処理及び時効処理を施した本実施例の試料に対してクリープ強度を測定した。クリープ試験温度1150℃、応力137MPaの条件で試料がクリープ破断するまでの時間を寿命とした。

0048

本実施例のクリープ試験結果と従来技術とを比較検討し図1図2に示した。図1から明らかなように、本発明合金は第3世代Ni基単結晶合金といわれる比較例CMSX-10及び第
4世代Ni基単結晶合金TMS-138に比べ高いクリープ強度を有していることがわかる。

0049

また、このクリープ試験での1%クリープひずみ時間は機器設計で重要な値とされており、その結果についても比較例CMSX-10及びTMS-138と本発明合金を比べ図2に示した。図2から明らかなように、本発明合金は比較例合金に比べ高い強度を有していることがわかる。

0050

この出願の発明によって、高温でのクリープ特性に優れ、メタル温度にて1150℃のような高温での使用に耐え、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、タービンディスク等の高温、高応力下で使用される部材として好適な、新しいNi基超合金が提供されることになる。


図面の簡単な説明

0051

本発明合金と既存の最強合金のクリープ破断寿命を比較して示した図である。
本発明合金と既存の最強合金の1%クリープひずみ到達時間を比較して示した図である。


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