JP6767155B2 - 物品及び物品の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、ニッケル基超合金、ニッケル基超合金から形成される物品、及び物品の形成方法に関する。

ガスタービン及びエンジンの高温ガス経路部品、特にタービンブレード、ベーン、ノズル、シール及び固定シュラウドは、しばしば２０００°Ｆを上回る高温下で動作する。一般的に、超合金、例えばニッケル基超合金などは、高い温度に耐えるために高温ガス経路で利用される。しかし、現在利用される多くのニッケル基超合金は、溶接が困難であるという欠点を有する。例えば、ＧＴＤ−１１１、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）７３８及びＲｅｎｅ １０８などの合金は、溶接が困難な合金である。ＧＴＤ−１１１」はＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙの登録商標である。「ＩＮＣＯＮＥＬ」は、Ｈｕｎｔｉｎｇｔｏｎ Ａｌｌｏｙｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（米国ウエストバージニア州ハンチントン）製の合金の登録商標である。

それに加えて、溶接の簡単な公知の合金はアルミニウムの量が増加する。公知の組成のＡｌの量の増加の欠点は、望ましくないことに、超合金のひずみ時効割れに対する感受性が非常に高いことである。

高温ガス経路に利用されている市販合金の１つの部類は、Ｊｏｈｎ Ｈ．Ｗｏｏｄ他の２００２年７月９日発行の米国特許第６４１６５９６号に開示され特許請求されており、これは、Ｅａｒｌ Ｗ．Ｒｏｓｓの１９７１年１０月２６日発行の米国特許第３６１５３７６号に開示され特許請求されている合金を改良したものである。両特許は本願出願人に譲渡されており、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。この部類の合金に属する公知の超合金組成物は、ＧＴＤ−１１１である。ＧＴＤ−１１１は、合金の重量基準で、１４％のクロム、９．５％のコバルト、３．８％のタングステン、１．５％のモリブデン、４．９％のチタン、３．０％のアルミニウム、０．１％の炭素、０．０１％のホウ素、２．８％のタンタル、残部のニッケル及び不可避不純物の公称組成を有する。ＧＴＤ−１１１は、かなりの濃度のチタン（Ｔｉ）及びタンタル（Ｔａ）を含有する。特定の条件下では、η相が鋳型表面及び鋳造物の内部で形成されることがあり、それは、一部の例では亀裂の形成に至る。ＧＴＤ−１１１を含む、米国特許第６４１６５９６号に開示され特許請求される合金の性質は、金属間化合物Ｎｉ₃Ｔｉの六方稠密充填型である「η」相、並びに凝固合金中の偏析チタン金属の存在である。合金が凝固する間、チタンは固／液界面の液側から拒絶される強い傾向を有し、その結果、凝固フロントにおけるチタンの偏析（局所的濃縮）をもたらし、最後に凝固液体におけるηの形成を促進する。チタンの偏析はまた、固相線温度を低下させ、γ／γ’共晶相の割合を増加させ、その結果凝固合金中にミクロシュリンケージをもたらす。η相は、特に、それらの合金から鋳造された特定の物品を、最初の鋳造工程、並びに鋳造後処理、機械加工及び補修工程中に不合格にさせることがある。その上、η相が存在することにより、露出して使用する間に合金の機械的性質の低下をもたらすことがある。

ηの形成に加えて、米国特許第６４１６５９６号に特許請求される合金の種類は、有害なトポロジー的稠密充填（ＴＣＰ）相（例えば、μ及びσ相）を形成しやすい。ＴＣＰ相は、約１５００°Ｆを超える温度にさらされた後に生じる。ＴＣＰ相は脆弱なだけでなく、これらが形成されることによって所望の合金相から溶質元素が除去され、それらを脆弱相で濃縮することにより合金の固溶強化性能を低下させるため、意図する強度及び寿命目標を満たさない。少ない公称量を超えたＴＣＰ相の形成は、合金の組成物及び熱履歴から生じる。

プロセス及び／又は形成される部品の性質の改善された物品及び方法が当技術分野において望ましいであろう。

米国特許第６４７８８９７号明細書

一実施形態では、物品は、重量基準で、約２０．０％〜約２２．０％のクロム（Ｃｒ）、約１８．０％〜約２０．０％のコバルト（Ｃｏ）、約１．０％〜約２．０％のタングステン（Ｗ）、約３．０％〜約６．０％のニオブ（Ｎｂ）、約０．５％〜約１．５％のチタン（Ｔｉ）、約２．０％〜約３．０％のアルミニウム（Ａｌ）、約０．５％〜約１．５％のモリブデン（Ｍｏ）、約０．０３％〜約０．１８％の炭素（Ｃ）、約０．１５％以下のタンタル（Ｔａ）、約０．２０％以下のハフニウム（Ｈｆ）、約０．２０％以下の鉄（Ｆｅ）、残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物を含む組成を有する。Ａｌの量は、式Ａｌ≦−（０．５×Ｔｉ）＋３．７５に従って存在する。

本組成物は溶接可能であり、約３５体積％〜４５体積％のγ’を含むミクロ組織を有し、ηを実質的に含まず、高い作動温度でＴＣＰ相の含有量を低下させる。

別の実施形態では、物品を形成する方法であって、本方法は、組成物を物品として形成することを含み、該組成物は、重量基準で、約２０．０％〜約２２．０％のクロム（Ｃｒ）、約１８．０％〜約２０．０％のコバルト（Ｃｏ）、約１．０％〜約２．０％のタングステン（Ｗ）、約３．０％〜約６．０％のニオブ（Ｎｂ）、約０．５％〜約１．５％のチタン（Ｔｉ）、約２．０％〜約３．０％のアルミニウム（Ａｌ）、約０．５％〜約１．５％のモリブデン（Ｍｏ）、約０．０３％〜約０．１８％の炭素（Ｃ）、約０．１５％以下のタンタル（Ｔａ）、約０．２０％以下のハフニウム（Ｈｆ）、約０．２０％以下の鉄（Ｆｅ）、残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物を含む。Ａｌの量は、式Ａｌ≦−（０．５×Ｔｉ）＋３．７５に従って存在する。

物品は熱処理されて、熱処理ミクロ組織を形成する。熱処理ミクロ組織は溶接可能であり、約３５体積％〜４５体積％のγ’を有し、ηを実質的に含まず、高作動温度で低減したＴＣＰ相含有量を有する。

別の実施形態では、ガスタービンの作動方法であって、該方法は、重量基準で、約２０．０％〜約２２．０％のクロム（Ｃｒ）、約１８．０％〜約２０．０％のコバルト（Ｃｏ）、約１．０％〜約２．０％のタングステン（Ｗ）、約３．０％〜約６．０％のニオブ（Ｎｂ）、約０．５％〜約１．５％のチタン（Ｔｉ）、約２．０％〜約３．０％のアルミニウム（Ａｌ）、約０．５％〜約１．５％のモリブデン（Ｍｏ）、約０．０３％〜約０．１８％の炭素（Ｃ）、約０．１５％以下のタンタル（Ｔａ）、約０．２０％以下のハフニウム（Ｈｆ）、約０．２０％以下の鉄（Ｆｅ）、残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物を含む組成物を含む物品を用意する工程を含む。Ａｌの量は、式Ａｌ≦−（０．５×Ｔｉ）＋３．７５に従って存在する。

本組成物は溶接可能であり、約３５体積％〜４５体積％のγ’を含むミクロ組織を有し、ηを実質的に含まず、高作動温度で低減したＴＣＰ相含有量を有する。物品は、約１５００°Ｆ以上の温度で高温ガス経路流にさらされる。物品は、露出の間、２０００時間を超えても低いクリープ速度を有する。

本発明のその他の特徴及び利点は、本発明の原理を例として説明する添付の図面と併せて、以下のより詳細な説明から明らかとなるであろう。

物品及びその形成方法が提供される。本開示の実施形態は、本明細書において開示される特徴の１以上を使用しない方法及び物品と比較して、溶接性が増加し、ひずみ時効割れに対する耐性が増加し、クリープ寿命が増加し、低サイクル疲労寿命が延び、酸化耐性が増加する。本開示の実施形態は、高温下で公知の超合金と少なくとも同程度の性質を有し、η相を含まず、高作動温度で低減したＴＣＰ相含有量を有する超合金組成物である、ガスタービン及びガスタービンエンジンの高温ガス経路部品の製作を可能にする。

本発明の様々な実施形態の要素を紹介する場合、「１つの（ａ、ａｎ）」、「この（ｔｈｅ）」、及び「前記（ｓａｉｄ）」は、１以上の要素が存在することを意味することが意図される。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は包括的であることが意図され、列挙した要素以外の追加の要素が存在しうることを意味する。

一実施形態では、物品は、重量基準で、約２０．０％〜約２２．０％のクロム（Ｃｒ）、約１８．０％〜約２０．０％のコバルト（Ｃｏ）、約１．０％〜約２．０％のタングステン（Ｗ）、約３．０％〜約６．０％のニオブ（Ｎｂ）、約０．５％〜約１．５％のチタン（Ｔｉ）、約２．０％〜約３．０％のアルミニウム（Ａｌ）、約０．５％〜約１．５％のモリブデン（Ｍｏ）、約０．０３％〜約０．１８％の炭素（Ｃ）、約０．１５％以下のタンタル（Ｔａ）、約０．２０％以下のハフニウム（Ｈｆ）、約０．２０％以下の鉄（Ｆｅ）、残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物からなる組成物を含む。

さらなる実施形態では、組成物には、重量で、約２１．０％のクロム（Ｃｒ）、約１９．０％のコバルト（Ｃｏ）、約１．５％のタングステン（Ｗ）、約４．７％のニオブ（Ｎｂ）、約１．０％のチタン（Ｔｉ）、約２．６％のアルミニウム（Ａｌ）、約１．０％のモリブデン（Ｍｏ）、約０．１４％の炭素（Ｃ）、残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物が含まれる。

本発明の一実施形態では、組成物中に存在するアルミニウム（Ａｌ）の量は、式Ａｌ≦−（０．５×Ｔｉ）＋３．７５に従って存在する。式中、「Ａｌ」は、全組成物の重量基準で表されるアルミニウムの量であり、「Ｔｉ」は、全組成物の重量基準で表されるチタンの量である。

本組成物は溶接可能であり、約３５体積％〜４５体積％の間又は約３７体積％〜４０体積％の間又は約３８体積％のγ’を含むミクロ組織を有し、ηを実質的に含まず、高作動温度で低減したＴＣＰ相含有量を有する。

本開示による組成物から形成される物品は、従来の超合金、例えばＧＴＤ−１１１などの機械的性質に等しいか又はそれを凌ぐ超合金の機械的性質を実現する一方、η相、及びＧＴＤ−１１１と比較して高い作動温度でのＴＣＰ相の含有量の低下などのミクロ組織の不安定要素の形成を最小限にするか、又は理想的には完全に回避する。

例えば、本発明によって形成したニッケル基超合金物品は、全てＧＴＤ−１１１に対して、良好な溶接性、酸化耐性、低サイクル疲労寿命の延長、増加したクリープ寿命の延長の改良された組合せを有し、η相の有害な形成及び高温下での超合金ミクロ組織におけるトポロジー最密充填相の有害な形成を最小化又は解消する。ニッケル基超合金物品は、クリープ寿命と、η相及びトポロジー最密充填相の有害な形成が最小化されるか又は超合金ミクロ組織において高温下で解消される、ミクロ組織の安定性との改良された組合せを特徴とする。一実施形態では、本開示による組成物から形成されたミクロ組織は、η相を含まない。本明細書において使用される「溶接可能である」又は「良好な溶接性」又は従って文法的変化は、溶接部の上面図から観察して亀裂又は割れ目がほとんど又は全くなく、亀裂が存在する場合には、亀裂には長さが約０．００３インチ未満の亀裂が含まれる、溶接した場合の組成物の性質を意味する。

一実施形態では、物品を形成する方法には、組成物を任意の適した形態、例えばインゴット、溶融体、粉末又はその他の公知の金属形態に提供すること、及びその組成物から物品を形成することが含まれる。さらなる実施形態では、組成物から物品を形成することには、限定されるものではないが、鋳造、粉末冶金固結、付加製造及び溶射などの材料加工をはじめとする任意の適した技法が含まれる。適した鋳造方法としては、インゴット鋳造、インベストメント鋳造又はニアネットシェイプ鋳造が挙げられる。適した付加製造方法としては、限定されるものではないが、直接金属レーザー溶融（ＤＭＬＭ）、直接金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）、レーザー加工ネットシェイピング、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、熱溶解積層法（ＦＤＭ）として当業者に公知の方法、又はその組合せが挙げられる。上述のように、任意の適した鋳造、粉末冶金、付加製造又は溶射方法を、物品を形成するために利用することができる。より複雑な部品が作製されることが望ましい実施形態では、溶融金属は、望ましくは、普通の製造技術によって作製することが不可能な部品、例えば複雑な形状を有するタービンバケット、又は高温に耐えなくてはならないタービン部品などの製造に一般により適しているインベストメント鋳造法又は付加製造による方法によって鋳造することができる。一実施形態では、組成物は、溶接フィラー組成物であってもよいし、又は溶接フィラーロッドに形成されてもよい。別の実施形態では、溶融金属は、溶融され、インゴット鋳造法によって固められてタービン部品とされてよい。形成は、重力、圧力、不活性ガス又は真空条件を用いて行われてよい。一部の実施形態では、形成は真空で行われる。

一実施形態では、型の中の溶融体は、一方向凝固される。一方向凝固は、通常、単結晶又は柱状構造、すなわち成長方向に伸びた結晶粒をもたらし、従って、等軸鋳造物よりも高いクリープ強度を翼形にもたらすため、一部の実施形態での使用に適している。一方向凝固において、樹枝状結晶は一方向熱流に沿って配向され、いずれかの柱状晶ミクロ組織（すなわち、加工物の全長に及び、本明細書において慣用される用語によれば一方向凝固（ＤＳ）と称される結晶粒）を形成する。このプロセスにおいて、球状（多結晶）凝固への意向は回避されねばならない。それは無方向性の成長が横方向及び縦方向の結晶粒界を必然的に形成し、そのことが一方向凝固（ＤＳ）の好ましい性質を打ち消すためである。本開示による組成物と組合せたそのような加工の結果、η相及びＴＣＰ相などのミクロ組織の不安定要素の形成を低減又は解消するミクロ組織が得られる。

ニッケル基合金からなる鋳造品は、一般に、強度を最適化すると同時に耐クリープ性を向上させるために異なる熱処理に供される。一部の実施形態では、鋳物は、望ましくは、固相線温度とγ’ソルバス温度との温度で固溶化熱処理される。固相線は、合金が加熱中に溶融を開始するか、又は液相からの冷却中に凝固を終える温度である。γ’ソルバスは、γ’相が加熱中にγマトリックス相中に完全に溶解するか、又は冷却中にγマトリックス相中に析出を開始する温度である。そのような熱処理は通常、偏析の存在を低下させる。固溶化熱処理後、合金をγ’ソルバス温度よりも低い温度で熱処理してγ’析出物を形成させる。熱処理した物品のミクロ組織には、約３５体積％〜４５体積％の間又は約３７体積％〜４０体積％の間又は約３８体積％のγ’を含む面心立方構造を含むミクロ組織が含まれる。γ’析出物の平均サイズは、約０．１６μｍ〜約０．２６μｍ又は約０．１８μｍ〜約０．２４μｍ又は約０．２２μｍである。

本開示による組成物から形成される物品は、従来の超合金組成物、例えばＧＴＤ−１１１などと比較して微細な共晶域を有する。形成された物品は、本開示の組成物から生じる亀裂発生が少ないことに起因して、より長い低サイクル疲労（ＬＣＦ）寿命を含む。その上、微細化された共晶域は、凝固プロセスで形成されたより多くのγ’が熱処理によって固溶化する結果にもなる。その上、本開示による物品は、公知の合金よりもクリープに対する耐性が大きい。例えば、本開示による物品は、従来のニッケル基超合金物品よりも、ガスタービン作動条件で２００時間、４００時間、６００時間又は８００時間で５％未満、１０％未満、１５％未満、２０％未満の、又は２０％未満よりも高い、低いクリープ速度を有する。

一実施形態では、記載されるニッケル基合金は、ガスタービン又は航空機エンジンの高温ガス部品に加工され、該高温ガス経路部品は、約１５００°Ｆ以上の温度に付される。さらなる実施形態では、高温ガス経路部品は、バケット又はブレード、ベーン、ノズル、シール、燃焼器、及び固定シュラウド、ダイヤフラム又は燃料ノズルからなる群から選択される。一実施形態では、ニッケル基合金は、大型ガスタービン機械用のタービンバケット（タービンブレードとも呼ばれる）に加工される。一実施形態では、記載されるニッケル基合金は、例えば、溶接法、例えばレーザー溶接、ガスタングステンアーク溶接（ＴＩＧ）、ガス金属アーク溶接（ＭＩＧ）、又はその組合せなどの溶接フィラーロッドに加工される。

本発明は１以上の実施形態に関して説明されてきたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更が行われてよく、等価物がその要素に代用されてよいことが理解されるであろう。その上、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために多くの修正が行われてよい。そのため、本発明が、本発明を実行するために検討された最良の様式として開示される特定の実施形態に制限されるものではなく、添付される特許請求の範囲の範囲内にある全ての実施形態が本発明に含まれることが意図される。

Claims (15)

1. 重量基準で、
   ２０．０％〜２２．０％のクロム（Ｃｒ）、
   １８．０％〜２０．０％のコバルト（Ｃｏ）、
   １．０％〜２．０％のタングステン（Ｗ）、
   ３．０％〜６．０％のニオブ（Ｎｂ）、
   ０．５％〜１．５％のチタン（Ｔｉ）、
   ２．０％〜３．０％のアルミニウム（Ａｌ）、
   ０．５％〜１．５％のモリブデン（Ｍｏ）、
   ０．０３％〜０．１８％の炭素（Ｃ）、
   ０．１５％以下のタンタル（Ｔａ）、
   ０．２０％以下のハフニウム（Ｈｆ）、
   ０．２０％以下の鉄（Ｆｅ）、
   残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物
   からなる組成物を含む物品であって、Ａｌの量が式Ａｌ≦−（０．５×Ｔｉ）＋３．７５に従って存在し、組成物が、溶接可能であり、３５体積％〜４５体積％のγ’を含むミクロ組織を有し、η相を含まず、高作動温度で低減したＴＣＰ相含有量を有する、物品。
2. ミクロ組織が、高作動温度で低減したＴＣＰ相含有量を有する、請求項１に記載の物品。
3. ミクロ組織がη相及びＴＣＰ相を含まない、請求項１に記載の物品。
4. 組成物が一方向凝固されている、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の物品。
5. 組成物が、重量基準で、２１．０％のクロム（Ｃｒ）、１９．０％のコバルト（Ｃｏ）、１．５％のタングステン（Ｗ）、４．７％のニオブ（Ｎｂ）、１．０％のチタン（Ｔｉ）、２．６％のアルミニウム（Ａｌ）、１．０％のモリブデン（Ｍｏ）、０．１４％の炭素（Ｃ）、残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物からなる、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の物品。
6. 物品が、ガスタービン又は航空機エンジンの高温ガス経路部品であり、高温ガス経路部品が、１５００°Ｆ以上の温度の高温ガス経路ガスにさらされることが可能である、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の物品。
7. 物品が、ベーン、ノズル、シール、固定シュラウド、ダイヤフラム及び燃料ノズルからなる群から選択される、請求項６に記載の物品。
8. 物品が、溶接フィラーロッドである、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の物品。
9. 物品を形成する方法であって、
   重量基準で、
   ２０．０％〜２２．０％のクロム（Ｃｒ）、
   １８．０％〜２０．０％のコバルト（Ｃｏ）、
   １．０％〜２．０％のタングステン（Ｗ）、
   ３．０％〜６．０％のニオブ（Ｎｂ）、
   ０．５％〜１．５％のチタン（Ｔｉ）、
   ２．０％〜３．０％のアルミニウム（Ａｌ）、
   ０．５％〜１．５％のモリブデン（Ｍｏ）、
   ０．０３％〜０．１８％の炭素（Ｃ）、
   ０．１５％以下のタンタル（Ｔａ）、
   ０．２０％以下のハフニウム（Ｈｆ）、
   ０．２０％以下の鉄（Ｆｅ）、
   残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避不純物
   からなる組成物であって、Ａｌの量が式Ａｌ≦−（０．５×Ｔｉ）＋３．７５に従って存在する組成物を物品として形成する工程と
   物品を熱処理して熱処理ミクロ組織を形成する工程と
   を含んでおり、熱処理ミクロ組織が、溶接可能であり、３５体積％〜４５体積％のγ’を有し、η相を含まず、高作動温度で低減したＴＣＰ相含有量を有する、方法。
10. 組成物を物品として形成する工程が、インゴット鋳造、インベストメント鋳造及びニアネットシェイプ鋳造のうちの１つを含む組成物を鋳造することを含む、請求項９に記載の方法。
11. 鋳造が、組成物を一方向凝固させることを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 組成物を物品として形成する工程が、粉末冶金固結、付加製造及び溶射からなる群から選択される材料加工を含む、請求項９に記載の方法。
13. 材料加工が、付加製造であり、直接金属レーザー溶融（ＤＭＬＭ）、直接金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）、レーザー加工ネットシェイピング、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、熱溶解積層法（ＦＤＭ）、及びそれらの組合せから選択される、請求項１２に記載の方法。
14. ガスタービンの作動方法であって、
    請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の物品を用意する工程と、
    物品を１５００°Ｆ以上の温度で高温ガス経路流に露出させる工程であって、物品が露出の間、２０００時間を超えても低いクリープ速度を有する工程と
    を含む、方法。
15. 物品が、４００時間を超えても低いクリープ速度を有する、請求項１４に記載の方法。