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技術 Ni基超合金

出願人 国立研究開発法人物質・材料研究機構株式会社フルヤ金属
発明者 小林敏治小泉裕横川忠晴原田広史丸子智弘
出願日 2003年9月22日 (14年3ヶ月経過) 出願番号 2003-330302
公開日 2005年4月14日 (12年8ヶ月経過) 公開番号 2005-097650
状態 特許登録済
技術分野
  • -
主要キーワード クリープひずみ 多段階処理 ガンマ相 結晶粒界強度 高温部材 次時効 TCP相 耐高温腐食性

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図面 (2)

課題

Reを含有せずに、ジェットエンジンガスタービンの長時間の信頼性を高めるための合金組織の安定性を高め、従来と同等あるいはそれ以上のクリープ強度を有するNi基超合金を提供する。

解決手段

Reを含まず、Cr:20wt%以下、Mo:10wt%以下、W:15wt%以下、Al:2-10wt%、Ta+Nb+Ti:16wt%以下、Ru:10wt%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、組織安定な高強度Ni基超合金とする。

背景

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、多量のReを含有するため長時間のクリープに際して、TCP相と呼ばれる有害結晶生成しやすいという欠点があった。ジェットエンジンガスタービンの長時間の信頼性を高めるためには合金の組織の安定性を高めることが重要であるので、このような観点から、Reを含まずに、従来のNi基超合金と同等あるいはそれ以上のクリープ強度を有するNi基超合金の実現が望まれていた。
米国特許第5,366,695号公報
欧州特開1262569号公報

概要

Reを含有せずに、ジェットエンジンやガスタービンの長時間の信頼性を高めるための合金の組織の安定性を高め、従来と同等あるいはそれ以上のクリープ強度を有するNi基超合金を提供する。 Reを含まず、Cr:20wt%以下、Mo:10wt%以下、W:15wt%以下、Al:2-10wt%、Ta+Nb+Ti:16wt%以下、Ru:10wt%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、組織安定な高強度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、Reを含有せずに、ジェットエンジンやガスタービンのタービンブレードタービンベーンなどの高温部材として長時間にわたり組織安定な、新しい高強度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
1件
牽制数
4件

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請求項1

Cr:20wt%以下、Mo:10wt%以下、W:15wt%以下、Al:2-10wt%、Ta+Nb+Ti:16wt%以下、Ru:10wt%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

請求項1記載の合金においてさらにCo:20wt%以下を含有することを特徴とする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、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、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1または2記載の合金においてさらに、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のいずれかに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のいずれかに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のいずれかに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。

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、高温での組織定性クリープ特性に優れ、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、多量のReを含有するため長時間のクリープに際して、TCP相と呼ばれる有害結晶生成しやすいという欠点があった。ジェットエンジンやガスタービンの長時間の信頼性を高めるためには合金の組織の安定性を高めることが重要であるので、このような観点から、Reを含まずに、従来のNi基超合金と同等あるいはそれ以上のクリープ強度を有するNi基超合金の実現が望まれていた。
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踏まえてなされたものであって、Reを含有せずに、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長時間にわたり組織安定な、新しい高強度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、Cr:20wt%以下、Mo:10wt%以下、W:15wt%以下、Al:2-10wt%、Ta+Nb+Ti:16wt%以下、Ru:10wt%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、上記の合金においてさらに、Co:20wt%以下を含有することを特徴とするNi基超合金を提供する。

0007

第3には、上記第1ないし第2の発明の合金において、さらに、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基超合金を提供する。

0008

第4には、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基超合金を提供する。

0009

第5には、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基超合金を提供する。

0010

また、この出願の発明は、第6には、以上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1つあるいは2つ以上を含有することを特徴とするNi基超合金を提供する。

0011

第7には、これらの合金を用いて、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の発明によれば、長時間にわたり組織安定でクリープ強度の優れたNi基超合金を得ることができる。

0014

また、上記第2の発明は、さらにCoを含有させて中低温側でのクリープ強度を向上させる効果を有する。

0015

第3の発明によれば、Hf、Pt、Rh、V、Zr、Si、Feの元素のいずれか1つ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1つの特性をさらに向上させる効果を有する。

0016

第4の発明によれば、Hf、Pt、Rh、V、Zr、Si、Feの元素のいずれか2つ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の発明によれば、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

そして、上記第6の発明によれば、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、結晶粒界の強度向上、耐酸化性向上の効果を発揮する。

0019

第7の発明では、新しいNi基超合金によるタービンブレード、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、それらの長時間使用が可能となり信頼性などが向上する。

0020

第8の発明では、新しいNi基超合金による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、それらの長時間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

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、高強度Ni基超合金に必須と考えられてきたReを添加することなく高いクリープ強度を実現したことを特徴としている。その組成について説明すると以下のとおりである。

0023

この出願の発明のNi基超合金においては、Coは中低温のクリープ強度を向上させる有効な元素である。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。また、0.1wt%以上とすることが好ましい。

0024

Crは耐酸化性と耐高温腐食性を向上させる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。また、0.1wt%以上とすることが好ましい。

0025

Moは格子定数ミスフィットを負に移行させて、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有効な元素として必要である。しかし添加量が10wt%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。また、0.1wt%以上とすることが好ましい。

0026

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、合金に添加することが必要である。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以下とする必要がある。また、0.1wt%以上とすることが好ましい。

0027

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。

0028

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、Ta+Nb+Tiは、16wt%以下である必要がある。また、0.1wt%以上とすることが好ましい。

0029

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10wt%を超えると有害相の生成が助長されるので、10wt%以下でなくてはならない。また、このRuの添加については、0.1wt%以上とすることが好ましい。

0030

Hfは耐酸化性を向上させる効果があるので、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。

0031

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、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。

0032

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、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

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、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。

0034

Zrは結晶粒界強度を向上させる効果があるので、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

Siは耐酸化性を向上させる効果があるので、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

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、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。

0037

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、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。

0038

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、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。

0039

Yは耐酸化性を向上させる効果があるので、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。

0040

Laは耐酸化性を向上させる効果があるので、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

Ceは耐酸化性を向上させる効果があるので、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

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。

0043

たとえば溶体化処理については、1200℃〜1350℃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。

0044

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。

0045

Ni基超合金(実施例A組成:5.7wt%Cr、1.0wt%Mo、12.5wt%W、4.7wt%Al、7.4wt%Ta、2.0wt%Ru、残Ni、実施例B組成:7.9wt%Co、5.0wt%Cr、2.8wt%Mo、11.1wt%W、4.9wt%Al、7.8wt%Ta、2.5wt%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、1270℃で1時間保持した後、1300℃まで昇温し、5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。

0046

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1100℃、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。

0047

実施例A合金とB合金のクリープ試験結果と従来技術の合金とを比較し、その結果を図1に示した。なお、図1では機器設計で重要な値である1%クリープひずみ到達時間を示している。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。

0048

この出願の発明によって、高温での組織安定性と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基超合金が提供されることになる。

図面の簡単な説明

0049

この出願の発明の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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