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JP2011074493A - ニッケル基超合金及び物品 - Google Patents

ニッケル基超合金及び物品 Download PDF

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アカネ・スズキ
Jr Michael Francis Xavier Gigliotti
マイケル・フランシス・ゼイヴィアー・ギグリオッティ，ジュニア
Shyh-Chin Huang
シーチン・ホアン
Pazhayannur Ramanathan Subramanian
パジャヤンヌール・ラマナザン・スブラマニアン
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Abstract

【課題】レニウムを含まないニッケル基合金を提供する。より詳細には、合金は、レニウムを使用しないで、γマトリックス相及びγ′析出物の両方の良好な高温強度、並びに良好な耐環境性を獲得するように、元素の好ましいレベル及び割合を含む。
【解決手段】鋳造され、一方向に凝固し単結晶形状になるとき、合金は、レニウムを含有する単結晶合金より良好な又は同等の耐酸化性と、レニウムを含有する単結晶合金と同等のクリープ破断寿命を示す。さらに、合金は、一方向凝固により加工され、必要であれば、例えば４００μｍ未満の、狭いデンドライトアーム間隔を含む単結晶形状又は柱状組織の物品にし、これにより、物品の機械特性のさらなる改善を認めることができる。
【選択図】 なし

Description

本発明はニッケル基合金、その物品、並びに物品の製造方法に関する。
ガスタービンエンジンは過酷な環境で作動し、エンジン部品、特にタービンセクションのエンジン部品は高い作動温度及び圧力に暴露される。こうした条件に耐えられるように、タービン部品はかかる過酷な条件に耐えることのできる材料で製造しなければならない。超合金は、その融点の９０％に至るまで強度を維持し、優れた環境耐性を有するので、こうした要件の厳しい用途に使用されている。特に、ニッケル基超合金は、例えば、タービンブレード、ノズル及びシュラウド用途など、ガスタービンエンジン全体で広範に使用されている。しかし、向上したガスタービンエンジン性能のための設計には、高温性能のさらに高い合金が必要とされる。
単結晶（ＳＣ）ニッケル基超合金は合金組成及び性能の類似性に基づいて４世代に分類することができる。第１世代のＳＣ超合金を決定づける特徴は、合金元素レニウム（Ｒｅ）が存在しないことである。ＣＭＳＸ−４、ＰＷＡ−１４８４及びＲｅｎｅ Ｎ５のような第２世代のＳＣ超合金は、約３重量％のＲｅの添加によって破断クリープ性能が約５０°Ｆ（２８℃）が向上し、それに付随して疲労特性に利益があるとの知見に基づいて、すべて約３重量％のＲｅを含んでいる。一般に、第３世代の超合金は約６重量％のＲｅを含むことを特徴とし、第４世代の合金は約６重量％のＲｅと合金元素ルテニウム（Ｒｕ）を含むことを特徴とする。
現在、ガスタービンエンジンには、その特性バランスの面から第２世代の合金が主に用いられている。しかし、合金元素Ｒｅはこのクラスの超合金で知られている最も強力な固溶強化元素ではあるが、その価格と供給不足が、その使用をやめることができなければ、最小限に抑えることの強い動機となっている。従前、Ｒｅ含有量を低減した公知の超合金組成物では、Ｒｅ含有量が３重量％以上のもの（つまり第２世代の超合金）で得ることのできる特性は得られていない。また、ＲｅはＮｉ基超合金の強化に極めて有効であるので、Ｒｅを他の元素で単に置換するだけでは、通例、Ｒｅで得られる強度をもつ合金は得られず、或いは、耐酸化性及び耐腐食性のような環境耐性が損なわれかねない。
米国特許出願公開第２００４／０２２９０７２号明細書
そこで、ガスタービンエンジンでの使用に望ましい特性（例えば、クリープ及び疲労強度、高温での耐酸化性及び耐腐食性など）をすべて呈しながら、レニウムの使用を最小限に抑制又は完全になくしたニッケル基超合金が依然として求められている。望ましくは、超合金は方向性凝固単結晶物品での使用に適した良好な鋳造性を示す。１次デンドライトアーム間隔（ＰＤＡＳ）が狭いほど、一般に結晶粒欠陥が減り、多孔率（ポロシティ）が減り、熱処理応答に優れるので、ＰＤＡＳが狭いほうが優れた機械特性のために好ましい。
本発明では、レニウムを含まないニッケル基超合金を提供する。一実施形態では、レニウムを含まないニッケル基超合金は、約５．２重量％〜約１２重量％のコバルト（Ｃｏ）、約４．０重量％〜約１０重量％のクロム（Ｃｒ）、約０重量％〜約３．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）、約５．０重量％〜約１１重量％のタングステン（Ｗ）、約４．０重量％〜約６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）、約０重量％〜約１．５重量％のチタン（Ｔｉ）、約４．０重量％〜約８．０重量％のタンタル（Ｔａ）、約０．５重量％〜約１．７重量％のハフニウム（Ｈｆ）、約０．１重量％以下の炭素（Ｃ）、約０．０１重量％以下のホウ素（Ｂ）を含み、残部がニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物であり、Ａｌ＋０．１５Ｔａが約５．９重量％〜約８．５重量％であり、Ａｌ＋０．１５Ｈｆが約５．２重量％〜約７．０重量％であり、Ｍｏ＋０．５２Ｗが約４．２重量％〜約６．５重量％である、レニウムを含まないニッケル基合金を含む。
本明細書ではまた、超合金を含む物品も提供する。一実施形態では、本物品は、約５．２重量％〜約１２重量％コバルト（Ｃｏ）、約４．０重量％〜約１０重量％クロム（Ｃｒ）、約０重量％〜約３．０重量％モリブデン（Ｍｏ）、約５．０重量％〜約１１重量％タングステン（Ｗ）、約４．０重量％〜約６．５重量％アルミニウム（Ａｌ）、約０重量％〜約１．５重量％チタン（Ｔｉ）、約４．０重量％〜約８．０重量％タンタル（Ｔａ）、約０．５重量％〜約１．７重量％ハフニウム（Ｈｆ）、約０．１重量％以下の炭素（Ｃ）、約０．０１重量％以下のホウ素（Ｂ）を含み、残部がニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物であり、そこでＡｌ＋０．１５Ｔａが約５．９重量％〜約８．５重量％であり、Ａｌ＋０．１５Ｈｆが約５．２重量％〜約７．０重量％であり、Ｍｏ＋０．５２Ｗが約４．２重量％〜約６．５重量％である、レニウムを含まないニッケル基合金を含む。
本発明では、物品の製造方法も提供する。一実施形態では、本方法は、ニッケル基合金を鋳型に鋳込み、これを１次デンドライトアーム間隔が約４００μｍ未満の単結晶又は柱状組織に凝固させることを含む。そのニッケル基超合金は、約５．２重量％〜約１２重量％コバルト（Ｃｏ）、約４．０重量％〜約１０重量％のクロム（Ｃｒ）、約０重量％〜約３．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）、約５．０重量％〜約１１重量％のタングステン（Ｗ）、約４．０重量％〜約６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）、約０重量％〜約１．５重量％のチタン（Ｔｉ）、約４．０重量％〜約８．０重量％のタンタル（Ｔａ）、約０．５重量％〜約１．７重量％のハフニウム（Ｈｆ）、約０．１重量％以下の炭素（Ｃ）、約０．０１重量％以下のホウ素（Ｂ）を含み、残部がニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物であり、そこでＡｌ＋０．１５Ｔａは約５．９重量％〜約８．５重量％であり、Ａｌ＋０．１５Ｈｆは約５．２重量％〜約７．０重量％であり、Ｍｏ＋０．５２Ｗは約４．２重量％〜約６．５重量％である。
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。
従来のニッケル基合金ＲｅｎｅＮ５、並びにＢ、Ｃ及びＨｆを添加して、従来のレニウムを含まないニッケル基合金ＭＣ２（５重量％のＣｏ、８重量％のＣｒ、２重量％のＭｏ、８重量％、５重量％のＡｌ、１．５重量％のＴｉ、６重量％のＴａを含み、残部はＮｉ及び不可避不純物である）に基づいて修正された合金である合金ＭＣ２＋と比較して、本発明の実施形態に係る合金の２０００°Ｆ（約１０９３℃）／２０ｋｓｉでのクリープ破断寿命のグラフ表示である。 従来のニッケル基合金ＲｅｎｅＮ５及びレニウムを含まないニッケル基合金ＭＣ２＋と比較して、本発明の実施形態に係る合金の１８００°Ｆ（約９８２℃）／３０ｋｓｉでのクリープ破断寿命のグラフ表示である。 従来のニッケル基合金ＲｅｎｅＮ５及びレニウムを含まないニッケル基合金ＭＣ２＋と比較して、本発明の実施形態に係る合金の２０００°Ｆ（約１０９３℃）で５００サイクルの繰返し酸化試験後の重量変化のグラフ表示である。
本明細書で用いる技術用語及び科学用語は、別途定義しない限り、本発明の属する技術分野の技術者によって通常理解されている意味をもつ。本明細書において「第一」、「第二」などの用語は、いかなる順序、量又は重要性も意味するものではなく、ある構成要素を他の構成要素から区別するために用いる。単数形で記載したものであっても、数を限定するものではなく、そのものが少なくとも１つ存在することを意味するものであり、「前」、「後」、「底部」及び／又は「上部」の用語は、特記しない限り、記載上の便宜のために用いるものにすぎず、位置又は空間的配向を限定するものではない。本明細書に記載した範囲は、同一の要素又は性質に関するすべての範囲の上下限を含み、独立に結合可能である（例えば、「約２５重量％以下、具体的には約５〜約２０重量％」という範囲は、「約５〜２５重量％」の上下限とその範囲内のすべての中間値を含む）。数量に用いられる「約」という修飾語は、記載の数値を含み、文脈毎に定まる意味をもつ（例えば、特定の数量の測定に付随する誤差範囲を含む）。
レニウムを含まないニッケル基合金を提供する。より詳細には、本合金は、レニウムに代えて、様々なレベル及び組合せの元素を含んでおり、大幅なコスト削減をもたらす。また、本合金から形成される物品は、デンドライトアーム間の公称間隔が約４００μｍ未満の狭い１次デンドライトアーム間隔を含むデンドライト組織をもたらすような方法で加工される。その結果、本合金は、Ｒｅ含有合金の呈する特性と実質的に同じ又は向上した特性を呈し、同じ又は類似の元素の組合せを含む、レニウムを含まない他のニッケル基合金よりも向上した特性バランスを示すことができる。
より詳細には、開示されるニッケル基合金は、２０００°Ｆ（約１０９３℃）及び２０ｋｓｉ、又は１８００°Ｆ（約９８２℃）及び３０ｋｓｉの両方で、ＲｅｎｅＮ５（３重量％のＲｅ）のように、従来のＲｅ含有合金のクリープ破断寿命と同等のクリープ破断寿命を示すことができる。さらに、このニッケル基合金は、従来のＲｅ含有合金によって示される耐酸化性と実質的に同等であり、ＭＣ２＋のようなレニウムを含まない合金によって示される耐酸化性より著しく良好な耐酸化性を示すことができる。また、いくつかの実施形態では、提供されたニッケル基合金は、最小限のＴＣＰ（トポロジー最密充填topologically close packed）相の形成を伴い、又はその形成がゼロでさえある、改善した相安定性を示す。レニウムを含まない合金で、Ｒｅ含有合金によって提供されるのと実質的に類似した特性を提供する能力は、大幅なコスト節約をもたらす。
本明細書に記載のレニウムを含まないニッケル基合金は、本明細書に記載の合金に特有の元素モリブデン、タングステン、アルミニウム、チタン、タンタル、ハフニウム及びケイ素の様々な組合せ及び濃度を含む。これらの元素の量の好ましいレベル及び割合を選択することにより、レニウムを含有する合金によって示される特性に類似した、所望の特性を実現することができる。
より詳細には、元素の特定の組合せのレベル及び割合は、特定の所望の特性を提供するため、又は最適化するために、特定の実施形態で選択される。例えば、いくつかの実施形態では、Ａｌ＋０．１５Ｈｆ（重量％）の関係に従って、アルミニウム、ハフニウム及びケイ素の総合重量％は、約５．２重量％と約７重量％の間に存在するであろう。このＡｌとＨｆの関係は、合金に改善した耐酸化性を提供するだけでなく、望ましくない不溶性共晶γ′相の形成を回避する助けにもなり得る。
別の例として、いくつかの実施形態では、Ａｌ＋０．１５Ｔａ（重量％）の関係に従って、アルミニウムとタンタルの総合重量％は、望ましくは約５．９重量％〜約８．５重量％であってよい。ＡｌとＴａのこのような関係は、γ′相を強化する助けになり得る。
いくつかの実施形態では、Ｍｏ＋０．５２Ｗの関係に従ったモリブデンとタングステンの総合重量％は、約４．２と６．５の間にあることが望ましい。Ｍｏ＋０．５２Ｗのレベルをそのように選択することにより、合金のγ′相の固溶体強度が強化され得ることが、現在判明している。Ｍｏ＋０．５２Ｗのレベルをそのように選択することにより、例えば、６．５重量％未満がこの現在の合金に利用され、ＴＣＰ相の析出と不溶性共晶γ′相の形成は実質的に回避することができることも判明している。
上記の元素の好ましい関係の１つ以上が、記述の合金の異なる実施形態で利用することができ、どれをどれだけ利用するかは、合金で望ましく影響を及ぼす特性に応じて決めることができる。
一般的に言って、本明細書に記載の合金は、約５．２重量％〜約１２重量％のＣｏ、約４重量％〜約１０重量％のＣｒ、約０重量％〜約３．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）、約５．０重量％〜約１１重量％のタングステン（Ｗ）、約４．０重量％〜約６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）、約０重量％〜約１．５重量％のチタン（Ｔｉ）、約４．０重量％〜約８．０重量％のタンタル（Ｔａ）及び約０．５重量％〜約１．７重量％のハフニウム（Ｈｆ）、約０．１重量％以下の炭素（Ｃ）、約０．０１重量％以下のホウ素（Ｂ）を含み、残部がニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物である。
いくつかの実施形態では、ニッケル基合金のモリブデン含有量は、望ましくは、約０重量％〜約３．０重量％であってよく、また、いくつかの実施形態では約１．０重量％〜約２．７重量％であってよく、一方他の実施形態では、約１重量％〜２．５重量％、又は約１．５重量％〜約２．５重量％であってよい。
いくつかの実施形態では、ニッケル基合金のタングステン含有量は、望ましくは、約５．０重量％〜約１１．０重量％、又は約５．４重量％〜約１０．６重量％、又は約６重量％〜約７．５重量％となるであろう。いくつかの実施形態では、ニッケル基合金のタングステン含有量は、約７重量％〜約９重量％、又は約８重量％〜約９重量％となるであろう。
いくつかの実施形態では、ニッケル基合金のアルミニウム含有量は、約４．５重量％〜約６．０重量％、又は約４．７重量％〜約５．７重量％である。他の実施形態では、アルミニウム含有量は、約５．０重量％〜約６．５重量％、又は約５．５重量％〜約６．５重量％である。
本明細書のニッケル基合金のいくつかの実施形態は、約０重量％〜約１．５重量％、又は約０重量％〜約１．３重量％、又は約０重量％〜約１．０重量％の量のチタンを含んでよく、一方他の実施形態では、チタンの量は約０重量％〜約１．０重量％、又は約０重量％〜約０．５重量％である。
いくつかの実施形態では、タンタルが、約４．４重量％〜約７．０重量％、又は約５重量％〜約７重量％の量で存在してよい。他の実施形態では、タンタルは、約５重量％〜約７．０重量％、又は約５．０重量％〜約６．５重量％の量で存在してもよい。
特定の実施形態では、ハフニウムは、約０．７重量％〜約１．７重量％、又は約１．０重量％〜約１．６重量％の量で利用されてもよい。他の実施形態では、ハフニウムは、約０．７重量％〜約１重量％、又は約１重量％〜約１．５重量％の量で存在してよい。
上記の元素に加えて、ニッケル基合金はまた、コバルト及びクロムを含んでもよい。一般的に言って、コバルトは一般的に、約５．２重量％〜約１２重量％の量で添加されてよい。いくつかの実施形態では、コバルトは、約５．５重量％〜約１０重量％、又は約６重量％〜約９．５重量％の量で存在してよい。他の実施形態では、コバルトは、約８重量％〜約１１重量％、又は約９．０重量％〜約１０重量％の量で存在してよい。
一般的に言って、クロムは、約４重量％〜約１０重量％の量で含まれてよい。いくつかの実施形態では、クロムは、約６重量％〜約８．５重量％、又は約６．５重量％〜約８重量％の量で存在してよい。他の実施形態では、クロムは、約６重量％〜約８重量％、又は６．５重量％〜約７．５重量％の量で存在してよい。
炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、イットリウム（Ｙ）及びその他の希土類金属もまた、望むのであれば、本明細書のニッケル基合金に含まれてもよい。
炭素は、利用されるとき、一般的に約０．５重量％未満の量で本明細書に記載のニッケル基合金で利用されてよい。いくつかの実施形態では、約０．０１重量％〜約０．５重量％の炭素の量がニッケル基合金で使用されてよい。炭素の典型的な量は約０．０３重量％〜約０．４９重量％である。
ホウ素が、ニッケル基合金の約０．１重量％以下の量で、いくつかの実施形態のニッケル基合金に存在する場合がある。いくつかの実施形態では、約０．００１重量％〜約０．０９重量％のホウ素の量が、ニッケル基合金に含まれる場合がある。ニッケル基合金で有用なホウ素の１つの典型的な量は、約０．００４重量％〜約０．０７５重量％である。
望むのであれば、ケイ素が、ニッケル基合金の特定の実施形態に含まれてもよい。そのように含まれるのであれば、約０．０５重量％〜約１重量％のケイ素の量が適正であり、典型的な量は、約０．１重量％〜約０．５重量％である。使用するのであれば、イットリウムは、約０．０１重量％〜約０．１重量％の量で存在してよく、典型的な量は、約０．０３重量％〜約０．０５重量％である。ゲルマニウムの適正な量は、０重量％〜約１重量％であることができ、それの典型的な量は、約０．２重量％〜約０．５重量％である。
従って、例えば、ニッケル基合金の一実施形態は、約５．２重量％〜約１２重量％のコバルト（Ｃｏ）、約４．０重量％〜約１０重量％のクロム（Ｃｒ）、約０重量％〜約３．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）、約５．０重量％〜約１１重量％のタングステン（Ｗ）、約４．０重量％〜約６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）、約０重量％〜約１．５重量％のチタン（Ｔｉ）、約４．０重量％〜約８．０重量％のタンタル（Ｔａ）、約０．５重量％〜約１．７重量％のハフニウム（Ｈｆ）、約０．１重量％以下の炭素（Ｃ）、約０．０１重量％以下のホウ素（Ｂ）を含んでよく、残部がニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物である。望ましくは、当該合金は以下の関係も含むであろう。Ａｌ＋０．１５Ｔａが約５．９重量％〜約８．５重量％であり、Ａｌ＋０．１５Ｈｆが約５．２重量％〜約７．０重量％であり、Ｍｏ＋０．５２Ｗが約４．２重量％〜約６．５重量％である。
当該実施形態では、ニッケル基合金は望ましくは、約５．５重量％〜約１０重量％のコバルト（Ｃｏ）、約６．０重量％〜約８．５重量％のクロム（Ｃｒ）、約０重量％〜約３．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）、約５．４重量％〜約１０．６重量％のタングステン（Ｗ）、約４．５重量％〜約６．０重量％のアルミニウム（Ａｌ）、約０重量％〜約１．３重量％のチタン（Ｔｉ）、約４．４重量％〜約７．０重量％のタンタル（Ｔａ）及び約０．７重量％〜約１．７重量％のハフニウム（Ｈｆ）を含んでよい。又は、他の実施形態では、ニッケル基合金は、約６重量％〜約９．５重量％のコバルト（Ｃｏ）、約６重量％〜約８重量％のクロム（Ｃｒ）、約１．０重量％〜約２．７重量％のモリブデン（Ｍｏ）、約６重量％〜約７．５重量％のタングステン（Ｗ）、約４．７重量％〜約５．７重量％のアルミニウム（Ａｌ）、約０重量％〜約１．０重量％のチタン（Ｔｉ）、約５重量％〜約７．０重量％のタンタル（Ｔａ）及び約１．０重量％〜約１．６重量％のハフニウム（Ｈｆ）を含んでよい。
段落［００３３］に記載の実施形態による合金はまた、約８．０重量％〜約１１重量％のコバルト（Ｃｏ）、約６．０重量％〜約８．０重量％のクロム（Ｃｒ）、約１重量％〜約２．５重量％のモリブデン（Ｍｏ）、約７．０重量％〜約９．０重量％のタングステン（Ｗ）、約５．０重量％〜約６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）、約０重量％〜約１．０重量％のチタン（Ｔｉ）、約５．０重量％〜約７．０重量％のタンタル（Ｔａ）及び約０．７重量％〜約１．７重量％のハフニウム（Ｈｆ）を含んでもよい。又は、当該合金は、約９．０重量％〜約１０重量％のコバルト（Ｃｏ）、約６．５重量％〜約７．５重量％のクロム（Ｃｒ）、約１．５重量％〜約２．５重量％のモリブデン（Ｍｏ）、約８．０重量％〜約９．０重量％のタングステン（Ｗ）、約５．５重量％〜約６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）、約０重量％〜約０．５重量％のチタン（Ｔｉ）、約５．０重量％〜約６．５重量％のタンタル（Ｔａ）及び約１重量％〜約１．５重量％のハフニウム（Ｈｆ）を含んでよい。
ニッケル基合金は、限定されないが、粉末冶金工程（例えば、焼結、熱間プレス成形、熱間静水圧プレス成形、熱間真空圧縮など）、インゴット鋳造、その後に続く方向性凝固、インベストメント鋳造、インゴット鋳造とその後に続く加工熱処理、ニヤネットシェイプ鋳造、化学蒸着、物理蒸着、これらの組合せなどを含む、ガスタービンエンジン用の部品を形成するための任意の既存の方法に従って加工してよい。
記載のようにニッケル基合金からガスタービン翼形を製造する一方法において、所望の成分は、粉末、微粒子の形状で、別々に、又は混合体として提供され、金属成分を溶融させるのに十分な温度、一般的に約１３５０℃〜約１６００℃まで熱せられる。溶融金属は次に、鋳造工程で鋳型に流し込まれ、所望の形状を製造する。
上記のように、例えばインゴット鋳造、インベストメント鋳造、又はニヤネットシェイプ鋳造などの、任意の鋳造方法が利用されてよい。より複雑な部品が製造されることが望ましい実施形態では、溶融金属は、複雑な形状を有するタービンバケット、又は高温に持ちこたえなければならないタービン部品などの、通常の製造技術で生産することができない部品を生産するのに一般的により適する場合がある、インベストメント鋳造工程によって鋳造することが望ましい場合がある。別の実施形態では、溶融金属は、インゴット鋳造工程によってタービン部品に鋳造される場合がある。
鋳造は、重力、圧力、不活性ガス、又は真空条件を使用して行う場合がある。いくつかの実施形態では、鋳造は真空で行われる。
鋳造後、鋳型内の溶湯は一方向に凝固する。方向性凝固は一般的に、単結晶又は柱状組織、すなわち、成長の方向に伸長する結晶粒をもたらし、従って、等軸鋳造より翼形にとっては高いクリープ強度があり、いくつかの実施形態で使用するのに適している。
いくつかの実施形態では、溶湯は、液体金属、例えば、溶融錫によって提供される温度勾配で一方向に凝固する場合がある。液体金属の冷却方法は、放射冷却を使用する従来の方向性凝固方法より、大きい温度勾配を創造し、デンドライトアーム間隔を狭める。次には、より狭いデンドライトアーム間隔は、合金の機械特性に対しても、合金内の偏析の削減においても有利であり得る。
次に、ニッケル基合金を含む鋳造は、強度を最大化するためにも、耐クリープ性を増加するためにも、典型的には異なる熱処理を受けてよい。いくつかの実施形態では、鋳造は、固相線とγ′ソルバス温度の間の温度で溶体化熱処理されることが望ましい。固相線は、合金が加熱中に溶融し始める、又は液相から冷却中に凝固を終了する温度である。γ′ソルバスは、γ′相が加熱中に完全に溶けてγマトリックス相になる、又は冷却中にγマトリックス相に析出し始める温度である。このような熱処理は一般的に偏析の存在を削減する。溶体化熱処理の後、合金は、γ′析出物を形成するためにγ′ソルバス温度未満で熱処理される。
このようにして、本明細書に記載のニッケル基合金は、大型ガスタービンエンジンのための様々な翼形に加工することができる。元素の好ましいレベル及び割合が合金で選択されるので、合金、物品及びそれらから製造するガスタービンエンジン部品は、改善した高温強度、並びに改善した耐酸化性を示す。さらに、高勾配鋳造が、狭いデンドライトアーム間隔を提供するために、いくつかの実施形態で使用される場合があり、これにより機械特性のさらなる改善を認めることができる。本明細書に記載の合金で適切に形成される部品又は物品の例には、限定されるものではないが、バケット（又はブレード）、非回転ノズル（又はベーン）、シュラウド、燃焼器などが含まれる。本明細書に記載の合金で形成されることに特別の利益を見出すと考えられる部品／物品には、ノズル及びバケットが含まれる。
例示であって、非制限的であることを意図した、以下の実施例は、ニッケル基合金の様々な実施形態の内のいくつかの組成及び製造方法を示す。
実施例１
この実施例は、レニウムを含有する従来のニッケル基合金ＲｅｎｅＮ５、並びにＭＣ２（５重量％のＣｏ、８重量％のＣｒ、２重量％のＭｏ、８重量％、５重量％のＡｌ、１．５重量％のＴｉ、６重量％のＴａを含み、残部はＮｉ及び不可避不純物である）を基にし、炭素、ホウ素及びハフニウムが当初の組成に添加された、変更したニッケル基のレニウムを含まない合金ＭＣ２＋と比較して、本明細書に記載の実施形態による、レニウムを含まない、ニッケル基合金に認めることができる特性の改善を明示するために行われた。比較の組成を有するサンプル、並びに本明細に記載の本発明の実施形態によるサンプルが、次の第１表に示されている。
Figure 2011074493
 サンプルは、それらの様々な組成を採用することと、それらを１５００〜１５５０℃の温度まで加熱することで、準備された。溶融合金は、セラミックの鋳型に流し込まれ、液体金属冷却法を使用して高勾配鋳造を介し単結晶形成に一方向に凝固され、そこで合金は、溶融錫槽により提供される温度勾配で方向性凝固。液体金属冷却法は、放射冷却を使用する従来の一方向凝固よりも大きな温度勾配を生じさせ、デンドライトアーム間隔を狭める。
１次デンドライトアーム間隔は、約１７０μｍ〜２６０μｍであった。各合金で、２相γ＋γ′ミクロ組織は、固相線とソルバス温度の間の温度で溶体化処理により獲得され、その後に１１００℃で時効処理及び９００℃で安定化処理が続く。溶体化処理温度は１２５０℃〜１３１０℃であり、合金は６〜１０時間その温度に維持され、その後空冷される。時効処理は１１００℃で４時間実施され、その後空冷される。安定化処理は、９００℃で２４時間実施され、その後空冷される。
次に、サンプルはクリープ試験及び繰返し酸化試験を受ける。より詳細には、クリープ試験のために、サンプルは、全長１．３７インチ（約３．５ｃｍ）及び約０．１インチ（約０．３ｃｍ）規準径の円筒形をしたドッグボーン型クリープ見本にカットされた。試験は、２０００°Ｆ（約１０９３℃）の温度で、２０Ｋｇ／平方インチ（ｋｓｉ）の圧力下で、引っ張り試験機で実施され、再び、１８００°Ｆ（約９８２℃）の温度で、３０ｋｓｉの圧力下で実施された。破断に要した時間は、耐クリープ性を表示するサンプルの能力の関数として測定され、記録された。
クリープ試験の結果は、図１（２０００°Ｆ（約１０９３℃）／２０ｋｓｉ）及び図２（１８００°Ｆ（約９８２℃）／３０ｋｓｉ）に示してある。Ａｌｌｏｙ１３及びＡｌｌｏｙ１４のクリープ破断寿命は、レニウムを含有した単結晶超合金ＲｅｎｅＮ５と同程度である。
繰返し酸化試験のために、０．９インチ（約２．３ｃｍ）長さ及び０．１７インチ（約０．４ｃｍ）直径の円筒形の供試体が使用された。繰返し酸化試験は、サンプルを２０００°Ｆ（約１０９３℃）で５０分間保持し、サンプルを室温まで１０分間冷却することからなるサイクルで実施された。試験は５００サイクルで完了した。サンプルは様々な間隔で秤量し、酸化物形成による重量変化を観察した。
繰返し酸化試験の結果は図３に示してある。図に示す通りＡｌｌｏｙ１４（２．６重量％のモリブデン、６．０重量％のタングステン、５．２重量％のタンタル及び１．５重量％のハフニウムを含む）は、少なくともＲｅｎｅＮ５によって示された耐酸化性と類似した耐酸化性を示して、５００時間の暴露の後もいかなる重量損失も示さなかった。Ａｌｌｏｙ１３は、レニウムを含まない合金ＭＣ２＋の重量損失と比較して、著しく小さい重量損失を示した。
本明細書には本発明のいくつかの特徴のみが例示され、記述されているが、当業者には多くの変更及び改変が思いつくことであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神の範囲に含まれるすべての変更及び改変を対象とすることを意図するものであることを理解されたい。

Claims (10)

  1. 約５．２重量％〜約１２重量％のコバルト（Ｃｏ）、約４．０重量％〜約１０重量％のクロム（Ｃｒ）、約０重量％〜約３．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）、約５．０重量％〜約１１重量％のタングステン（Ｗ）、約４．０重量％〜約６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）、約０重量％〜約１．５重量％のチタン（Ｔｉ）、約４．０重量％〜約８．０重量％のタンタル（Ｔａ）、約０．５重量％〜約１．７重量％のハフニウム（Ｈｆ）、約０．１重量％以下の炭素（Ｃ）、約０．０１重量％以下のホウ素（Ｂ）を含み、残部がニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物である、レニウムを含まないニッケル基合金であって、
    Ａｌ＋０．１５Ｔａが約５．９重量％〜約８．５重量％であり、
    Ａｌ＋０．１５Ｈｆが約５．２重量％〜約７．０重量％であり、
    Ｍｏ＋０．５２Ｗが約４．２重量％〜約６．５重量％である、
    レニウムを含まないニッケル基合金。
  2. 約５．５重量％〜約１０重量％のコバルト（Ｃｏ）、約６．０重量％〜約８．５重量％のクロム（Ｃｒ）、約０重量％〜約３．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）、約５．４重量％〜約１０．６重量％のタングステン（Ｗ）、約４．５重量％〜約６．０重量％のアルミニウム（Ａｌ）、約０重量％〜約１．３重量％のチタン（Ｔｉ）、約４．４重量％〜約７．０重量％のタンタル（Ｔａ）及び約０．７重量％〜約１．７重量％のハフニウム（Ｈｆ）を含む、請求項１記載のニッケル基合金。
  3. 約８．０重量％〜約１１重量％のコバルト（Ｃｏ）、約６．０重量％〜約８．０重量％のクロム（Ｃｒ）、約１重量％〜約２．５重量％のモリブデン（Ｍｏ）、約７．０重量％〜約９．０重量％のタングステン（Ｗ）、約５．０重量％〜約６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）、約０重量％〜約１．０重量％のチタン（Ｔｉ）、約５．０重量％〜約７．０重量％のタンタル（Ｔａ）及び約０．７重量％〜約１．７重量％のハフニウム（Ｈｆ）を含む、請求項１記載のニッケル基合金。
  4. 約５．２重量％〜約１２重量％のコバルト（Ｃｏ）、約４．０重量％〜約１０重量％のクロム（Ｃｒ）、約０重量％〜約３．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）、約５．０重量％〜約１１重量％のタングステン（Ｗ）、約４．０重量％〜約６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）、約０重量％〜約１．５重量％のチタン（Ｔｉ）、約４．０重量％〜約８．０重量％のタンタル（Ｔａ）、約０．５重量％〜約１．７重量％のハフニウム（Ｈｆ）、約０．１重量％以下の炭素（Ｃ）、約０．０１重量％以下のホウ素（Ｂ）を含み、残部がニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物であり、
    Ａｌ＋０．１５Ｔａが約５．９重量％〜約８．５重量％であり、
    Ａｌ＋０．１５Ｈｆが約５．２重量％〜約７．０重量％であり、
    Ｍｏ＋０．５２Ｗが約４．２重量％〜約６．５重量％である、
    レニウムを含まないニッケル基合金を含む物品。
  5. 前記ニッケル基合金が、約５．５重量％〜約１０重量％のコバルト（Ｃｏ）、約６．０重量％〜約８．５重量％のクロム（Ｃｒ）、約０重量％〜約３．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）、約５．４重量％〜約１０．６重量％のタングステン（Ｗ）、約４．５重量％〜約６．０重量％のアルミニウム（Ａｌ）、約０重量％〜約１．３重量％のチタン（Ｔｉ）、約４．４重量％〜約７．０重量％のタンタル（Ｔａ）及び約０．７重量％〜約１．７重量％のハフニウム（Ｈｆ）を含む、請求項４記載の物品。
  6. 前記ニッケル基合金が、約８．０重量％〜約１１重量％のコバルト（Ｃｏ）、約６．０重量％〜約８．０重量％のクロム（Ｃｒ）、約１重量％〜約２．５重量％のモリブデン（Ｍｏ）、約７．０重量％〜約９．０重量％のタングステン（Ｗ）、約５．０重量％〜約６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）、約０重量％〜約１．０重量％のチタン（Ｔｉ）、約５．０重量％〜約７．０重量％のタンタル（Ｔａ）及び約０．７重量％〜約１．７重量％ハフニウム（Ｈｆ）を含む、請求項４記載の物品。
  7. 前記合金が、約４００μｍ未満の公称間隔を有する１次デンドライトアームを含むデンドライト組織を含む、請求項４記載の物品。
  8. 前記合金が、方向性凝固単結晶を含む、請求項４記載の物品。
  9. 前記物品が、ブレード、ベーン、シュラウド、又は燃焼器部品を含む、ガスタービンアセンブリの部品である、請求項６記載の物品。
  10. レニウムを含まないニッケル基合金を鋳型に鋳込むことを含む物品の製造方法であって、前記ニッケル基合金が、約５．２重量％〜約１２重量％のコバルト（Ｃｏ）、約４．０重量％〜約１０重量％のクロム（Ｃｒ）、約０重量％〜約３．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）、約５．０重量％〜約１１重量％のタングステン（Ｗ）、約４．０重量％〜約６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）、約０重量％〜約１．５重量％のチタン（Ｔｉ）、約４．０重量％〜約８．０重量％のタンタル（Ｔａ）、約０．５重量％〜約１．７重量％のハフニウム（Ｈｆ）、約０．１重量％以下の炭素（Ｃ）、約０．０１重量％以下のホウ素（Ｂ）を含み、残部がニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物であり、
    Ａｌ＋０．１５Ｔａが約５．９重量％〜約８．５重量％であり、
    Ａｌ＋０．１５Ｈｆが約５．２重量％〜約７．０重量％であり、
    Ｍｏ＋０．５２Ｗが約４．２重量％〜約６．５重量％であり、
    前記物品が、鋳造され、一方向に凝固し単結晶形状又は柱状組織になり、これにより前記物品内の１次デンドライトアーム間隔が約４００μｍ未満になる方法。
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