JP4250363B2 - 単結晶として固化した、構造部材を鋳造法によって製造するためのニッケルをベースにした合金 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は請求項１の前提部分に記載の、単結晶として固化した、構造部材を鋳造法によって製造するためのニッケルをベースにした合金に関する。
【０００２】
この種の合金は、高温且つ高い機械的な張力下で使用でき、従って特にガスタービンのタービン羽根の材料として使用できる、いわゆる超合金の種類に属している。
【０００３】
【従来の技術】
高いバイパス比(Nebenstromverhaeltnis)および高速運転を行なう低圧タービンを有する、次世代の航空機用エンジンは、特殊な動力用燃料の使用および排出ガスに関して著しい改良がなされると期待されている。エンジンの重量、その大きさおよび維持費も現在の付加価値パラメータとなっている。
【０００４】
高いバイパス比を有するエンジンは、一方の側のファン、および他方の側の低圧圧縮機および低圧タービンの間に接続される減速ギアを備えている。この減速ギアは、緩やかな回転速度の際にはファンを最適領域で駆動させ、そして高い回転速度、従って、通常のタービンの場合よりも高い圧力比の場合には、圧縮機およびタービンを駆動させるための力を与える。しかしながら、周速度が大きいため、低圧タービンの羽根および翼車にかかる機械的な負荷も増加する。
【０００５】
単結晶部材用の第二世代および第三世代のニッケルをベースにした合金は、難熔性元素であるレニウムを、それぞれ約３質量％又は６質量％含有し、レニウムを含まない第一世代に属する対応する合金に比べ良好なクリープ特性を有している。難熔性元素であるレニウムは超合金の特性に対し異なる作用を有する。レニウムは大きな原子半径を有し、そのためにマトリックス中で非常にゆっくりと拡散し、分離（seigert）する。マトリックスの固溶強化の影響に加え、レニウム原子は転位運動を妨げるクラスタを形成する傾向がある。
【０００６】
タングステンは固溶強化に著しい寄与を示す。タングステンの含量はマトリックスおよびγ’析出相(Ausscheidungsphase)でのレニウムの分布に影響を及ぼす。
【０００７】
レニウムおよびタングステンは両者とも融点が高く拡散係数が低いので、超合金の固相線温度を上昇させる。さらに負荷がかかった場合、析出相γ’の多形変化が遅くなる。
【０００８】
合金元素のタンタル（Ｔａ）は固溶強化に寄与し、周期的な酸化挙動を改善するが、先ず第一に、指向性凝固の間の、いわゆる、しみ（freckle）の生成を防ぐためにタングステンおよびレニウムを含むニッケルをベースにした合金に添加される。
【０００９】
タンタルの不利な性質、即ち密度を著しく増加させる性質によって、望ましくないＴＣＰ相の生成が助長され、γ’溶体化焼鈍温度が上昇する。
【００１０】
クリープ破断強度の上昇は、同時に密度の上昇に関係し、６質量％のレニウムを含む或る種の合金では、密度は９ｇ／ｃｍ3まで増加する。レニウムを含まない合金の場合には、密度は８ｇ／ｃｍ3まで低下しうる。しかしながら、高い密度を有するニッケルをベースにした合金は、近代的な高速回転する航空機用タービンにおける用途にのみ適している。
【００１１】
レニウムを含まない低密度の超合金は、例えば、米国特許第４，７２１，５４０号明細書から公知であり、この材料の商品名は「ＣＭＳＸ−６」である。密度が比較的低い７．９８ｇ／ｃｍ3であるという機械的な利点を除けば、この合金は、例えば、熱処理ウィンドウが狭く、再結晶化の傾向が強いなどの欠点を有する。
【００１２】
０〜８質量％のレニウム、３〜１０質量％のタングステンを含み、また特に酸化耐性を高めるためにマグネシウムまたはカルシウムを含む単結晶からなる鋳造部材の合金は、国際特許公開第ＷＯ９３／２４６８３号公報から公知である。或る特定の合金組成では、レニウム含量は２．８〜３．２質量％、タングステン含量は５．６〜６．２質量％でなければならない。レニウムおよびタングステンは重金属であるから、この場合構造部材の密度は比較的高くなり、特に上限値である８質量％のレニウム及び１０質量％のタングステンという値が使われた場合には密度は高くなる。さらに、レニウムは非常に高価な元素であり、確実に部材の価格に顕著な影響を及ぼす。この文献において、レニウムの下限値は０質量％と与えられている。レニウム含量が少なければ、確実に重さおよび価格は低下するが、材料の重要な特性は著しく低下する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
これらの欠点を考慮して、本発明の目的は、レニウムおよびタングステンの割合を最適化することにより、例えば密度が低く、クリープの傾向が少ないことを含む高い機械的強度、高い熱安定性などの特に有利な材料特性を得ることができ、従って構造部材としても有利な特性が得られる、単結晶として固化した、構造部材を鋳造法によって製造するためのニッケルをベースにした合金を提供することである。さらに、これによって合金の鋳造を容易にし、有利な熱処理特性を得ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のこの目的は、特許請求の範囲の請求項１の前提部分に記載された一般的特徴と、特徴部分に記載の特徴との組み合わせによって解決される。
【００１５】
すなわち、請求項１に記載の発明は、単結晶として固化した、構造部材、特にガスタービンの高速回転タービン・ステージの羽根を、鋳造法によって製造するための、レニウム（Ｒｅ）元素およびタングステン（Ｗ）元素、並びに他の元素、例えばアルミニウム、クロムおよびコバルトを含むニッケルをベースにした合金において、レニウム（Ｒｅ）含量が２．３質量％以上であり、レニウム（Ｒｅ）含量に対するタングステン（Ｗ）含量の質量比が１．１以上１．６以下であることを特徴とするものである。従って当該合金は、定義された質量比の範囲内で、常にタングステンをレニウムよりも多く含む。
【００１６】
即ち、単結晶として固化した、構造部材を、鋳造法によって製造するためのニッケルをベースにした合金において、
レニウム（Ｒｅ）含量が２．３質量％以上２．６質量％以下、
レニウム（Ｒｅ）含量に対するタングステン（Ｗ）含量の質量比が１．１以上１．６以下、
アルミニウム（Ａｌ）が６．２質量％以上６．８質量％以下、
コバルト（Ｃｏ）が７．２質量％以上７．８質量％以下、
クロム（Ｃｒ）が５．８質量％以上６．４質量％以下、
ハフニウム（Ｈｆ）が０．０５質量％以上０．１５質量％以下、
モリブデン（Ｍｏ）が１．７質量％以上２．３質量％以下、
タンタル（Ｔａ）が２．０質量％以上２．６質量％以下、
チタン（Ｔｉ）が０．９質量％以上１．１質量％以下、
残余がニッケルおよび不可避不純物であることを特徴とする。
非常に良好な材料特性との組み合わせにおける質量およびコストに対する制限の観点から、レニウム含量の上限値が特定されている。すなわち、レニウム（Ｒｅ）含量が２．３質量％以上２．６質量％以下である。
【００１７】
請求項２においては、タングステン（Ｗ）含量が３．０質量％以上３．７質量％以下であることを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
特に「Ｌｅｉｃｈｔｅｒ Ｅｉｎｋｒｉｓｔａｌｌ ９４」（「軽い単結晶９４」）（ＬＥＫ９４）と称するこれらの材料は、従って、質量％単位で下記の組成を有している。
Ａｌ ６．２〜６．８
Ｃｏ ７．２〜７．８
Ｃｒ ５．８〜６．４
Ｈｆ ０．０５〜０．１５
Ｍｏ １．７〜２．３
Ｒｅ ２．３〜２．６
Ｔａ ２．０〜２．６
Ｔｉ ０．９〜１．１
Ｗ ３．０〜３．７
Ｎｉ 残り、即ち６６．５５〜７０．８５
【００１９】
ここでは他の元素又は化合物の形で存在する可能性がある不純物は考慮されていないため、個々の数値、例えばＮｉ含量の数値は僅かに変動する可能性がある。同様に、上記の元素の含量は小数点２位の所（１／１００％）で変動する可能性がある。このことは当業者には自明のことであり、このような変動は材料の特性には殆ど関連した影響を与えない。
【００２０】
この特定の材料「ＬＥＫ９４」は、低密度の、高度に合金化された単結晶合金であり、高速回転タービン用に開発されたものである。レニウム元素およびタングステン元素の合金含量を変化させて、高温における強度および低密度という不利な要求が最適化させている。
【００２１】
「ＬＥＫ９４」の開発は次のような目的を設定して行なった（出発点は米国特許第４，７２１，５４０号によるＣＭＳＸ−６）。
１．再結晶化挙動の改良
２．密度ρ≒８ｇ／ｃｍ3の低密度合金
３．被覆加工を行なう際の低温で熔融する拡散区域の生成の回避
４．クリープ特性の改善
５．一般的な鋳造規準の充足および十分な溶体化焼鈍ウィンドウの達成
６．ＴＣＰ相（脆化相、ＮV 基準）を形成する傾向の低減
【００２２】
アプローチ：
タングステンおよびレニウムの添加。
但し、既知の第二世代のニッケルをベースにした合金よりも含量を少なくする。
タングステンおよびレニウムの含量の最適化（即ち、最低水準を決定するのではなく最少化する）。
【００２３】
先行技術に対する改善点：
「ＬＥＫ９４」は、密度が８．１〜８．３ｇ／ｃｍ3の範囲と低く、且つ、高い熱安定性を有するレニウム含有単結晶合金である。この材料は良好な鋳造性および著しく大きな熱処理ウインドウによって、従来のものと区別される。
なお、従来例としては、例えばＵＳＰ４，３８８，１２４の 技術がある。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、レニウムおよびタングステンの割合を最適化することにより、密度が低く、クリープの傾向が少ないことを含む高い機械的強度、高い熱安定性などの特に有利な材料特性を得ることができ、従って構造部材としても有利な特性が得られる、単結晶として固化した、構造部材を鋳造法によって製造するためのニッケルをベースにした合金を提供することができる。
さらに、合金の鋳造を容易にし、有利な熱処理特性を得ることができる。
【発明の属する技術分野】
本発明は請求項１の前提部分に記載の、単結晶として固化した、構造部材を鋳造法によって製造するためのニッケルをベースにした合金に関する。
【０００２】
この種の合金は、高温且つ高い機械的な張力下で使用でき、従って特にガスタービンのタービン羽根の材料として使用できる、いわゆる超合金の種類に属している。
【０００３】
【従来の技術】
高いバイパス比(Nebenstromverhaeltnis)および高速運転を行なう低圧タービンを有する、次世代の航空機用エンジンは、特殊な動力用燃料の使用および排出ガスに関して著しい改良がなされると期待されている。エンジンの重量、その大きさおよび維持費も現在の付加価値パラメータとなっている。
【０００４】
高いバイパス比を有するエンジンは、一方の側のファン、および他方の側の低圧圧縮機および低圧タービンの間に接続される減速ギアを備えている。この減速ギアは、緩やかな回転速度の際にはファンを最適領域で駆動させ、そして高い回転速度、従って、通常のタービンの場合よりも高い圧力比の場合には、圧縮機およびタービンを駆動させるための力を与える。しかしながら、周速度が大きいため、低圧タービンの羽根および翼車にかかる機械的な負荷も増加する。
【０００５】
単結晶部材用の第二世代および第三世代のニッケルをベースにした合金は、難熔性元素であるレニウムを、それぞれ約３質量％又は６質量％含有し、レニウムを含まない第一世代に属する対応する合金に比べ良好なクリープ特性を有している。難熔性元素であるレニウムは超合金の特性に対し異なる作用を有する。レニウムは大きな原子半径を有し、そのためにマトリックス中で非常にゆっくりと拡散し、分離（seigert）する。マトリックスの固溶強化の影響に加え、レニウム原子は転位運動を妨げるクラスタを形成する傾向がある。
【０００６】
タングステンは固溶強化に著しい寄与を示す。タングステンの含量はマトリックスおよびγ’析出相(Ausscheidungsphase)でのレニウムの分布に影響を及ぼす。
【０００７】
レニウムおよびタングステンは両者とも融点が高く拡散係数が低いので、超合金の固相線温度を上昇させる。さらに負荷がかかった場合、析出相γ’の多形変化が遅くなる。
【０００８】
合金元素のタンタル（Ｔａ）は固溶強化に寄与し、周期的な酸化挙動を改善するが、先ず第一に、指向性凝固の間の、いわゆる、しみ（freckle）の生成を防ぐためにタングステンおよびレニウムを含むニッケルをベースにした合金に添加される。
【０００９】
タンタルの不利な性質、即ち密度を著しく増加させる性質によって、望ましくないＴＣＰ相の生成が助長され、γ’溶体化焼鈍温度が上昇する。
【００１０】
クリープ破断強度の上昇は、同時に密度の上昇に関係し、６質量％のレニウムを含む或る種の合金では、密度は９ｇ／ｃｍ3まで増加する。レニウムを含まない合金の場合には、密度は８ｇ／ｃｍ3まで低下しうる。しかしながら、高い密度を有するニッケルをベースにした合金は、近代的な高速回転する航空機用タービンにおける用途にのみ適している。
【００１１】
レニウムを含まない低密度の超合金は、例えば、米国特許第４，７２１，５４０号明細書から公知であり、この材料の商品名は「ＣＭＳＸ−６」である。密度が比較的低い７．９８ｇ／ｃｍ3であるという機械的な利点を除けば、この合金は、例えば、熱処理ウィンドウが狭く、再結晶化の傾向が強いなどの欠点を有する。
【００１２】
０〜８質量％のレニウム、３〜１０質量％のタングステンを含み、また特に酸化耐性を高めるためにマグネシウムまたはカルシウムを含む単結晶からなる鋳造部材の合金は、国際特許公開第ＷＯ９３／２４６８３号公報から公知である。或る特定の合金組成では、レニウム含量は２．８〜３．２質量％、タングステン含量は５．６〜６．２質量％でなければならない。レニウムおよびタングステンは重金属であるから、この場合構造部材の密度は比較的高くなり、特に上限値である８質量％のレニウム及び１０質量％のタングステンという値が使われた場合には密度は高くなる。さらに、レニウムは非常に高価な元素であり、確実に部材の価格に顕著な影響を及ぼす。この文献において、レニウムの下限値は０質量％と与えられている。レニウム含量が少なければ、確実に重さおよび価格は低下するが、材料の重要な特性は著しく低下する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
これらの欠点を考慮して、本発明の目的は、レニウムおよびタングステンの割合を最適化することにより、例えば密度が低く、クリープの傾向が少ないことを含む高い機械的強度、高い熱安定性などの特に有利な材料特性を得ることができ、従って構造部材としても有利な特性が得られる、単結晶として固化した、構造部材を鋳造法によって製造するためのニッケルをベースにした合金を提供することである。さらに、これによって合金の鋳造を容易にし、有利な熱処理特性を得ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のこの目的は、特許請求の範囲の請求項１の前提部分に記載された一般的特徴と、特徴部分に記載の特徴との組み合わせによって解決される。
【００１５】
すなわち、請求項１に記載の発明は、単結晶として固化した、構造部材、特にガスタービンの高速回転タービン・ステージの羽根を、鋳造法によって製造するための、レニウム（Ｒｅ）元素およびタングステン（Ｗ）元素、並びに他の元素、例えばアルミニウム、クロムおよびコバルトを含むニッケルをベースにした合金において、レニウム（Ｒｅ）含量が２．３質量％以上であり、レニウム（Ｒｅ）含量に対するタングステン（Ｗ）含量の質量比が１．１以上１．６以下であることを特徴とするものである。従って当該合金は、定義された質量比の範囲内で、常にタングステンをレニウムよりも多く含む。
【００１６】
即ち、単結晶として固化した、構造部材を、鋳造法によって製造するためのニッケルをベースにした合金において、
レニウム（Ｒｅ）含量が２．３質量％以上２．６質量％以下、
レニウム（Ｒｅ）含量に対するタングステン（Ｗ）含量の質量比が１．１以上１．６以下、
アルミニウム（Ａｌ）が６．２質量％以上６．８質量％以下、
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タンタル（Ｔａ）が２．０質量％以上２．６質量％以下、
チタン（Ｔｉ）が０．９質量％以上１．１質量％以下、
残余がニッケルおよび不可避不純物であることを特徴とする。
非常に良好な材料特性との組み合わせにおける質量およびコストに対する制限の観点から、レニウム含量の上限値が特定されている。すなわち、レニウム（Ｒｅ）含量が２．３質量％以上２．６質量％以下である。
【００１７】
請求項２においては、タングステン（Ｗ）含量が３．０質量％以上３．７質量％以下であることを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
特に「Ｌｅｉｃｈｔｅｒ Ｅｉｎｋｒｉｓｔａｌｌ ９４」（「軽い単結晶９４」）（ＬＥＫ９４）と称するこれらの材料は、従って、質量％単位で下記の組成を有している。
Ａｌ ６．２〜６．８
Ｃｏ ７．２〜７．８
Ｃｒ ５．８〜６．４
Ｈｆ ０．０５〜０．１５
Ｍｏ １．７〜２．３
Ｒｅ ２．３〜２．６
Ｔａ ２．０〜２．６
Ｔｉ ０．９〜１．１
Ｗ ３．０〜３．７
Ｎｉ 残り、即ち６６．５５〜７０．８５
【００１９】
ここでは他の元素又は化合物の形で存在する可能性がある不純物は考慮されていないため、個々の数値、例えばＮｉ含量の数値は僅かに変動する可能性がある。同様に、上記の元素の含量は小数点２位の所（１／１００％）で変動する可能性がある。このことは当業者には自明のことであり、このような変動は材料の特性には殆ど関連した影響を与えない。
【００２０】
この特定の材料「ＬＥＫ９４」は、低密度の、高度に合金化された単結晶合金であり、高速回転タービン用に開発されたものである。レニウム元素およびタングステン元素の合金含量を変化させて、高温における強度および低密度という不利な要求が最適化させている。
【００２１】
「ＬＥＫ９４」の開発は次のような目的を設定して行なった（出発点は米国特許第４，７２１，５４０号によるＣＭＳＸ−６）。
１．再結晶化挙動の改良
２．密度ρ≒８ｇ／ｃｍ3の低密度合金
３．被覆加工を行なう際の低温で熔融する拡散区域の生成の回避
４．クリープ特性の改善
５．一般的な鋳造規準の充足および十分な溶体化焼鈍ウィンドウの達成
６．ＴＣＰ相（脆化相、ＮV 基準）を形成する傾向の低減
【００２２】
アプローチ：
タングステンおよびレニウムの添加。
但し、既知の第二世代のニッケルをベースにした合金よりも含量を少なくする。
タングステンおよびレニウムの含量の最適化（即ち、最低水準を決定するのではなく最少化する）。
【００２３】
先行技術に対する改善点：
「ＬＥＫ９４」は、密度が８．１〜８．３ｇ／ｃｍ3の範囲と低く、且つ、高い熱安定性を有するレニウム含有単結晶合金である。この材料は良好な鋳造性および著しく大きな熱処理ウインドウによって、従来のものと区別される。
なお、従来例としては、例えばＵＳＰ４，３８８，１２４の 技術がある。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、レニウムおよびタングステンの割合を最適化することにより、密度が低く、クリープの傾向が少ないことを含む高い機械的強度、高い熱安定性などの特に有利な材料特性を得ることができ、従って構造部材としても有利な特性が得られる、単結晶として固化した、構造部材を鋳造法によって製造するためのニッケルをベースにした合金を提供することができる。
さらに、合金の鋳造を容易にし、有利な熱処理特性を得ることができる。
Claims (2)
- 単結晶として固化した、構造部材を、鋳造法によって製造するためのニッケルをベースにした合金において、
レニウム（Ｒｅ）含量が２．３質量％以上２．６質量％以下、
レニウム（Ｒｅ）含量に対するタングステン（Ｗ）含量の質量比が１．１以上１．６以下、
アルミニウム（Ａｌ）が６．２質量％以上６．８質量％以下、
コバルト（Ｃｏ）が７．２質量％以上７．８質量％以下、
クロム（Ｃｒ）が５．８質量％以上６．４質量％以下、
ハフニウム（Ｈｆ）が０．０５質量％以上０．１５質量％以下、
モリブデン（Ｍｏ）が１．７質量％以上２．３質量％以下、
タンタル（Ｔａ）が２．０質量％以上２．６質量％以下、
チタン（Ｔｉ）が０．９質量％以上１．１質量％以下、
残余がニッケルおよび不可避不純物であることを特徴とするニッケルをベースにした合金。 - タングステン（Ｗ）含量が３．０質量％以上３．７質量％以下であることを特徴とする請求項１記載のニッケルをベースにした合金。
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