JPH02138431A - 単結晶Ｎｉ基超耐熱合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は主としてガスタービンエンジンのブレードに用
いられる、クリープ破断強度および耐酸化性のすぐれた
単結晶Ｎｉ基超超耐熱合金関するものである。

〔従来の技術〕

一般に金属の高温での＠壊は結晶粒界で起こるため、タ
ービンブレードを結晶粒界の存在しない単結晶組織とし
、かつ適切な熱処理を行なうことによりその高温でのク
リープ破断強度は大幅に向上する。この概念に基づ＠　
Ｕｎｉｔｅｄ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＣｏｒｐｏｒ
ａｔｉｏｎより、Ａ１１ｏｙ４４４．（米国特許第４．
．１１６，７２３号に記載）、Ａ１．１ｏｙ４５４（米
国特許第４，２０９，３４８号に記載）、Ａ１１ｏｙ２
０３Ｅ（米国特許第４，２２２，７９４号に記載）、Ａ
ｉｒ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　Ｃｏｒｐｏｒａｔ、ｉｏｎよ
りＮＡＳＡＩＲｌｏｏ。

またＣａｎｏｎ　Ｍｕｓｋｅｇｏｎ　Ｃｏｒｐｏｒａｔ
ｉｏｎより、ＣＭＳＸ−２（特開昭５７−８９４５１号
に記載）、Ｃ万５Ｘ−３（特開昭５９−１．９０３４２
号に記載）等のＬｌｉ結晶専用Ｎ４基超耐熱合金が開発
された。

さらに、英国特許１，５５７，９００号、２，１５９，
１７４Ａ号、ヨーロッパ特許００６３５１］Ａ１号、米
国特許４，４０２，７７２号等においても単結晶Ｎｉ基
超超耐熱合金提案されている。

〔発明が解決しようとする課雇〕

上記の単結高合金は、従来の多結晶合金に比べるとはる
かに優れたクリープ破断強度を有するが、ガスタービン
エンジンの効率向上のためには、さらにクリープ破断強
度が高く、耐酸化性の優れた合金が望まれている。また
、Ｒｅ等のあまりに高価な元素を使用することは望まし
くない。

従来の単結晶合金は主としてＷ、Ｔａの増加により、ク
リープ破断強度の増加を図ってきたが、その添加量が過
度の場合、有害用析出等の間層があり、さらにクリープ
破断強度の高い合金の開発は容易ではない。例えば初期
に開発されたＡ１１ｏｙ４４４、Ａ１１ｏｙ４５４等の
合金のクリープ破断強度はまだ十分高くない。またＡ１
１ｏＹ２０３Ｅおよび英国特許１．５５７，９００号記
載の合金は高価なＲｅを使用するという問題点がある。

ＮＡＳＡＩＲｌｏｏはクリープ破断強度の増加を狙って
開発されたが、Ｗ量が高いため、α−Ｗ相やμ相などの
有害相が析出し、クリープ破断強度を低下させることが
見出されている。同様に英国特許２，１５９，１７４号
に記載の合金も、Ｗ。

Ｔａ１ｌが高いため、α−Ｗ相等が析出すると考えられ
る。α−Ｗ相等の有害相の析出を防ぐためにはＷ、Ｍｏ
、Ｔａ等の添加量を少なくすることが必要であるが、必
要以上に少なくするとクリープ破断強度を低下させる。

ＣＭＳＸ−２，ＣＭＳＸ−３ハ、ａ　−Ｗ　相ヤＩｔ　
相ナト（１）　析出ヲ防ぎ、組織的に安定であることを
狙って開発された合金であるが、クリープ破断強度は十
分に高くない。また、ヨーロッパ特許００６３５１１Ａ
１号、ならびに米国特許４，４０２，７７２号に記載の
合金もクリープ破断強度は十分に高くない。

さらに、タービンブレードは高温にさらされるため耐酸
化性も重要な要求特性の−っである。

般に耐酸化性はＣｒ、Ａ１等の元素の爪を増すことによ
り良くなるが、組織を安定化し、良好なりリープ破断強
度を得るためにはＣｒ、ＡＩ量も狭い範囲に限定される
ので良好な耐酸化性を得ることは容易ではない。

本発明者らは、Ｒｅ等の高価な合金元素を使用せず、組
織的に安定でかつクリープ破断強度が優れる合金を開発
するため、合金元素の個々の添加量ならびに合金元素相
互の成分バランスについて、詳細な検討を行なった結果
、特開昭６２−１１６７４８号に開示したように重量％
でＣｒ４〜１０％、Ａ１４〜６．５％、Ｗ　４〜１０％
、Ｔａ４〜９％、Ｍｏ　１．５〜６％、残部Ｎ１および
不純物からなり、かつｌ／２Ｗ＋１７２Ｔａ＋Ｍｏ−９
，５〜１３．５％であることを特徴とする単結晶Ｎｉ基
還耐熱合金を見出した。

本発明者らは、前記合金のクリープ破断延性をさらに改
善した合金として、前記合金に１２％以下のＣＯを添加
した合金を見出した（特開昭６２−２９０８３９号に記
載）。

これらの合金は、クリープ破断強度および組織安定性に
優れるが、耐酸化性をさらに改善すれば、ガスタービン
エンジンのタービンブレードの寿命が一段と向上するで
あろうということがわかってきた。

本発明の目的は、組織的に安定しかつクリープ破断強度
および耐酸化性のすぐれた単結晶Ｎｉ基超耐熱合金を提
供することである。

〔課題を解決するための手段〕

ここで本発明者らは、先に発明した合金をベースに、そ
の耐酸化性を向上させるための検討を行なった結果、本
発明を完成したものである。すなわち、本発明において
は、注意深く制御された量のＨｆならびにＣｏを添加す
ることにより、先に達成されたクリープ破断強度ならび
に組織安定性を損なわないまま、耐酸化性を大幅に向上
させることに成功した。

本発明のうち第１の発明は、重量％でＣｒ４〜９％、Ａ
Ｉ　４〜６．５％、Ｗ　５〜８．５％、Ｔａ　５〜８．
５％、Ｍｏ　３〜６％、Ｈｆ　０．０１−０，３０％、
Ｃｏ　０．０１−４％、残部Ｎｉおよび不純物からなり
、かつＷ　＋Ｔａが１６％末滴であることを特徴とする
単結晶Ｎｉ基超耐熱合金であり、第２の発明は、重量％
にてＣｒ　４．５〜８．５％、Ａ１４〜６％、Ｗ　５．
５〜８．２％、Ｔａ　５．５〜８．２％、Ｍｏ　３．５
〜５．５％、Ｈｆ０．０５〜０．２５％、Ｃｏ　０．５
〜３％、残部Ｎｉおよび不純物からなり、かつＷ　＋Ｔ
　ａが１６％未満であることを特徴とする単結晶Ｎｉ基
超耐熱合金である。

以下に本発明合金の成分限定理由について述べる。

Ｃｒは合金の耐酸化性、耐食性を向上させる作用を持つ
が、過度の添加はσ相などの有害析出相を生じクリープ
破断強度を低下させるため、４〜９％に限定する。望ま
しくは４．５〜８．５％である。

ＡｉはＮｉ基超超耐熱合金析出強化するγ′相と呼ばれ
る金属間化合物を形成する主要元素である。

γ′相は基本組成はＮｉ、ＡＩで表わされるが、ＡＩ以
外でもＴｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏなどを固溶することにより
更に強化される。これらの元素の作用は後で詳しく述べ
る。単結晶合金は通常体積率で５０％以上もの多量のγ
′相を含むが、凝固終了時には共晶γ′相と呼ばれる粗
大γ′相が存在するので、これを母相（γ相と呼ばれる
）中へ一旦固溶させるため高温で固溶化処理を行なう。

固溶化処理で固溶したγ′相は、冷却中およびその後の
時効処理により均一微細に析出することにより合金を強
化する。ＡＩは４％未満ではγ′相の生成基が十分でな
く、また６、５％を越えるとγ′相が多過ぎ、共晶γ′
相を固溶化処理で完全に固溶させることができないため
クリープ破断強度は低下する。従ってＡＩは４〜６．５
％に限定する。望ましくは４〜６％である。

Ｗはγ相およびγ′相に固溶して両相を強化する元素で
あり、最低５％は必要である。しかしながら、過度の泳
方Ｕはα−Ｗ相と呼ばれる相を析出し、却ってクリープ
破断強度を低下させる。従ってＷは５〜８．５％に限定
する。望ましくは５．５〜８，２％である。

Ｔａは主としてγ′相に固溶してγ′相を強化する。従
って最低５％は必要であるが、過度に添加すると共晶γ
′相を固溶させることが困難となり、またγ、γ′相の
格子定数のミスマツチを太き（することによりγ′相が
粗大化してクリープ破断強度が低Ｆするため、５〜８．
５％に限定する。９）ましくけ５．５〜８．２％である
。

なお、Ｗ、Ｔａはその合計が１６％以上であると。

α−Ｗ相が析出しやすく、クリープ破断強度を低下させ
、また耐酸化性も悪くなるので、Ｗ　十Ｔ　ａを１６％
未満に限定する。

Ｍａは一部γ′にも固溶するが、主としてγ相に固溶し
てγ相を強化するので最低３％は必要であるが、過度の
添加はα−Ｍｏ相を生じてクリープＩｌｌ断強度を低下
させるため、３〜６％に限定する。望ましくは３，５〜
５．５％である。

以上述べたＷ、Ｔａ、Ｍｏの３元素はそれぞれ異なった
強化作用をもつため、３元素を共に添加することが重要
である。前述のＮＡＳＡＩＲ１００合金は、Ｗが１０．
５％と高いためα−Ｗ相の析出が見られ、これを改良し
たＣＭＳＸ−２合金およびＣＭＳＸ−３合金はＷを低め
、代わりにＴａを増加することによりα−Ｗ相の析出を
抑えているが、ＭＯが低いため固溶強化はまだ十分でな
い。同様に、ヨーロッパ特許００６３５１１Ａ１号、米
国特許４，４０２，７７２号に記載の合金もＭｏ添加量
が本発明合金より低く、固溶強化は十分でない。また、
英国特許２，１５９，１７４Ａ号に記載の合金は、Ｗ　
十Ｔａが１６％以上であるため、α−Ｗ析出の危険性が
ある。

本発明合金はＷ、Ｔａ、Ｍｏの３元素のうち特にＭ。

の添加量を従来より高くし、各元素の添加量について詳
細に検討した結果、α−（Ｗ、Ｍｏ）等の有害相を生じ
ない範囲でγ、γ′相の固溶強化を最大としたものであ
る。

Ｈｆは、例えば米国特許第４，１１６，７２３号に開示
される単結晶合金においては、特に添加が必要でないと
されている。これに対して本発明において、Ｈｆは耐酸
化性を改善するための重要な元素であり、積極的に添加
されるべきである。適正な量のＨｆの添加によりクリー
プ融断特性を低下させることなく耐酸化性を大幅に改善
できることが見出された。Ｉ−ｔ　ｆはその効果を得る
ため最低０．０１％必要であるが、過度の添加は合金の
融点を下げるため固溶化処理温度を十分高くすることが
できず、共晶γ′相を固溶させることが困難であると共
に、組織を不安定にしクリープ破断強度を低下させるた
め０．０１〜０．３０％に限定する。望ましくは、０．
０５〜０．２５％である。

ＣＯは、米国特許第４．１．１６，７２３号（Ａｌ　１
ｏｙ４４４）に上れば、ＴＣＰ相と呼ばれる有害相を形
成し易いため、不純物レベル以下に抑えられている。し
かしながら、Ｇ　Ｏはその添加量を適正にし、かつＣｏ
以外の元素の添加量を注意深く限定すれば、、ＴＣＩ）
相の生成が防止できるだけでなく、Ｈｆと共に適正量添
加することにより、耐酸化性をさらに向上させる作用を
持つことが新たに見出された。よって、本発明合金では
ＣＯはＨｆとの共同添加が必要で、ＣＯを０．０１％以
上添加する。しかし、４％を越えて添加すると耐酸化性
はかえって悪くなるので、４％以下に限定する。望まし
くは、０．５〜３％である。

なお、前述のＣＭＳＸ−３合金はＣＭＳＸ−２合金に少
量のＨｆを添加した合金であるが、ＣＯが４％以上であ
るため耐酸化性はまだ十分ではない。同様に米国特許４
，４０２，７７２号に記載の合金にもＨｆが添加されて
いるが、ＣＯが４％以上であるため、耐酸化性は十分で
ないと思われる。

なお、従来の単結晶合金にはＴｉが添加されていること
が多い。Ｔｉはγ′相に固溶し、γ′相の形成ならびに
固溶強化に役立つが、共晶γ′相をつくりやすく、かつ
合金の融点を下げるため、固溶化処理温度を十分高くす
ることができず、共晶γ′相を固溶させることが困難で
ある。従って、本発明合金にはＴｉを無添加とした。

他の単結晶合金と同様、本発明合金においても、Ｃ，Ｂ
、Ｚｒ等は合金の初期溶融温度を低めるため、不純物レ
ベルに抑えることが必要である。

〔実施例〕

第１表に本発明合金、比較合金および従来合金の特性を
比較するために用いた試料の化学成分、各合金のクリー
プ破断時間（試験条件は表中に示す）および１１００℃
で１６時間加熱を１０回繰り返した後の酸化減量を測定
した結果を示す。

単結晶試料にはそれぞれの合金に適正な次の熱処理を施
した。すなわち本発明合金および比較台金はすべて１３
１Ｏ〜１３４５℃で４時間加熱後空冷、さらに１０８０
℃で５時間加熱後空冷、さらに８７０　’Ｃで２０時間
加熱後空冷の熱処理、従来合金ＮＡＳＡＩＲ１００は、
１３２０℃で４時間加熱後空冷、さらに９８０　℃で５
時間加熱後空冷、さらに８７０℃で２０時間加熱後空冷
の熱処理、従来合金ＣＭＳＸ−２は１３１６℃で４時間
加熱後空冷、さらに９８０℃で５時間加熱後空冷、さら
に８７０℃で２０時間加熱後空冷、従来合金ＣＭＳＸ−
３は１３０２℃で４時間加熱後空冷、さらに９８０℃で
５時間加熱後空冷、さらに８７０℃で２０時間加熱後空
冷の熱処理を行なった６ 比較合金のうちＮｏ、　１ｌ−Ｎｏ、１３合金はＣｏ、
Ｈｆ以外の成分は本発明合金と同一であり、クリープ破
断強度は高いが、Ｃ０１Ｈｆを添加していないため耐酸
化性は良くない。Ｎｏ、１４合金はＷ＋Ｔａが１６％以
上のためクリープ破断強度はあまり高くなく、耐酸化性
も悪い、　Ｎｏ、１５、Ｎｏ、１６合金はＣｏが４％以
上のため耐酸化性が悪い。Ｎｏ、１７〜Ｎｏ、２０合金
はＷ、Ｔａ、Ｍｏのうち１つ以上が本発明合金の成分範
囲をはずれており、クリープ破断強度は本発明合金より
大幅に低い。また従来合金（Ａｌｌｏｙ４４４のデータ
は、米国特許４．］１６，７２３号から引用したもの）
も本発明合金に比ベクリープ敏断強度、耐酸化性共大幅
に低い値を示す。

これに対し本発明台金はクリープ破断強度、耐酸化性共
にすぐれていることが明らかである。

〔発明の効果〕 以上のようシこ、本発明合金は既存合金に比べて優れた
クリープ破断強度および耐酸化性を有するため、ガスタ
ービンブレードに用いてその効率向上に大きく寄与する
ものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　重量％にてＣｒ４〜９％、Ａｌ４〜６．５％、Ｗ５
   〜８．５％、Ｔａ５〜８．５％、Ｍｏ３〜６％、Ｈｆ０
   ．０１〜０．３０％、Ｃｏ０．０１〜４％、残部Ｎｉお
   よび不純物からなり、かつＷ＋Ｔａが１６％未満である
   ことを特徴とする単結晶Ｎｉ基超耐熱合金。 ２　重量％にてＣｒ４．５〜８．５％、Ａｌ４〜６％、
   Ｗ５．５〜８．２％、Ｔａ５．５〜８．２％、Ｍｏ３．
   ５〜５．５％、Ｈｆ０．０５〜０．２５％、Ｃｏ０．５
   〜３％、残部Ｎｉおよび不純物からなり、かつＷ＋Ｔａ
   が１６％未満であることを特徴とする単結晶Ｎｉ基超耐
   熱合金。