JPH0240726B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、航空機用タービンの固定羽根や、可
動羽根の製造に好適な、ニツケルをベースとする
単結晶スーパーアロイに関する。 〔従来の技術とその問題点〕 数年来、円柱状結晶粒スーパーアロイ、あるい
は単結晶スーパーアロイのための特定の組成を開
発するべく、様々な研究がなされてきた。 円柱状結晶粒スーパーアロイは、制御された固
化により得られるものであるが、類似の成分を有
する等軸結晶粒スーパーアロイに比べて、結晶粒
の接合面方向に受ける応力に対しては優れた特性
を有しているものの、横向きの応力に対しては、
機械的に優れた特性を持つていない。 単結晶スーパーアロイ（とりわけ、MAR−
M200という名で知られている合金）の開発によ
り、固化時における横向きにかかる応力に対する
強度は非常に増大した。しかし、同様な結晶粒
は、円柱状結晶粒スーパーアロイにおいても、ハ
フニウムをその成分に導入することによつて作り
出すことができるため、単結晶固化によるスーパ
ーアロイの研究は、きわめて遅々たるものであつ
た。 最近になつて、再び、単結晶固化についての関
心が高まつてきたが、これは特に、炭素、硼素、
ジルコニウム等を含まない比較的単純な組成を有
する合金についてである。上記の各成分は、以前
から、単結晶合金や円柱状結晶粒合金について、
その粒界接合面を強化し、少なくとも円柱状結晶
粒合金については、それにより、クリープ破壊を
防止するために用いられてきた。 これらの成分を取り除くと、固化の途中で形成
される樹枝状結晶間の空間において、低い溶融点
の領域が形成されることとなり、また、合金の溶
融開始温度を、かなり高めることが可能となる。
従つて、特にニツケルをベースとする合金につい
て、Ni₃（Al、Ti……）タイプのγ′相を完全に溶
解するために、非常な高温で熱処理を行うことが
可能となつた。 このようにして、γ′相を完全に溶解させ、さら
にこのγ′相をコントロールしながら析出させるこ
とにより、十分に高い温度で加熱して、60％又は
それ以上の大きな割合の析出量が得られる合金が
実現化されたのである。 析出した粒子の大きさは、合金のクリープ抵抗
を決定する一つの重要な要素である。γ′相が、60
％あるいはそれ以上の割合で析出した、ニツケル
をベースとするスーパーアロイの場合、クリープ
抵抗を最大にするような析出γ′相の粒子の大きさ
は、通常3000Åである。しかし、その粒子の大き
さが、3000Åを超えないγ′相析出体を得るために
は、ある一定限度よりも低い析出温度を用いなけ
ればならない。 本発明の目的は、熱処理することにより、広範
な温度範囲において、クリープ抵抗を相当に高め
させることができるようなニツケルをベースとす
る単結晶スーパーアロイを提供することにある。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明によれば、タービンの羽根を製造するた
めのニツケルをベースとする単結晶スーパーアロ
イであつて、 5.4〜6.2％のアルミニウムと、 ４〜７％のコバルトと、 ６〜９％のクロムと、 2.5％以下のモリブテンと、 5.5〜８％のタンタルと、 ７〜９％のタングステンと、 残余量のニツケルとを、 それぞれ重量％をもつて含むことを特徴とする単
結晶スーパーアロイが提供される。 この種の合金の一定の組成を開発するのは簡単
ではない。というのは、例えば既存の成分の割合
を変えたり、それを完全に除去したり、或いは新
たな成分を加えたりすることによる効果を正確に
予見することは、一般には極めて困難であるから
である。 コバルトに関して言うなら、従来は、一般的
に、マトリツクスの格子欠陥のエネルギーを低
め、従つてクリープ抵抗を高めるために、コバル
トをスーパーアロイに添加することが勧められて
きた。 しかし、コバルトの含有量を減らすか、或いは
完全に除去することは、一つは経済的な理由か
ら、もう一つは、冶金学者に良く知られているよ
うに、コバルトが存在するために引き起される最
密格子（topologically close−packed）相（シ
グマ、ミユー、レイヴス（Laves））の形成を妨
げる目的から、好ましいとされている。 他方、コバルトを含有していない合金でも、こ
のような相が中程度の温度で現われてくる場合が
ある。それらの合金に、数パーセントのコバルト
を添加することにより、逆に、その有害な相の形
成を妨げることができることもある。 本発明に基づく重量比の成分を有する合金は、
コバルトを含有し、その固有の利点を生かしてお
り、長い間高温に維持しても、前記したような有
害な相が形成されない。 タングステンに関しては、少くとも７％含有さ
せることが非常に有益である。この成分は、一方
で、固溶体におけるマトリツクスを硬化し、他方
では、γ′相に十分な量をもつて入り込むことによ
り、普通のスーパーアロイのγ′相よりも、高い温
度において、より安定したγ′相を作り出してくれ
る。 タングステンは、かなり含有量を多くしても、
モリブデンが存在すれば、シグマあるいはミユー
タイプの相を形成することがない。 アルミニウムは、スーパーアロイ中で、式
Ni₃Alで示される硬化γ′相を形成するための必須
の成分である。アルミニウムの含有率が、5.4重
量％と6.2重量％の間である場合に、好適なクリ
ープ抵抗を得るに十分な硬化相を得ることが出来
る。これ以上の含有率になると、簡単な熱処理に
おいてさえ、瘉着が生じがちになる。この場合、
合金として使用した際に、クリープ抵抗は急速に
減少してしまう。γ′相が増加すると、モリブデン
及びタングステンのような他の元素とのマトリツ
クスを増やし、それにより、「最密格子相」とし
て知られる、好ましくない相の形成を妨害する。
最密格子相は合金をもろくし、機械的荷重を受け
た時に、亀裂を生じさせる。アルミニウムの含有
率が5.4％以下であると、硬化相は余りに小さく、
好適なクリープ抵抗が得られない。 タンタルは、γ′相（Ni₃Al）のAlの側に含まれ
る。タンタルは、硬化γ′相における境界を壊そう
とするエネルギーを減少させる役割を果たす。タ
ンタルはニツケル中への拡散率が低いので、γ′相
の瘉着率を減少させる。実験によれば、タンタル
の含有率は、他の成分との関係において、5.5％
と８％との間であると好適なことがわかつた。 モリブデンは、ニツケルをベースとするマトリ
ツクスに必須の、固溶体中の硬化成分である。実
験によれば、モリブデンの割合が2.5％以下であ
る場合、タングステンと結びついて1000℃以上の
温度の合金のクリープ抵抗を大幅に増大させる。
しかし、モリブデンの割合が2.5％以下であつて
も、相当に高い含有率のタングステンと結び付く
と、好ましくない最密格子相を形成してしまう。 クロムは、耐食性のための重要な成分である。
最小含有率が６％である場合、耐食性はすぐれて
いるが、９％以上になると、合金のクリープ抵抗
を減少させる。また、９％以上のクロムは、７％
から９％のタングステン又は２％のモリブデンと
結びついて、最密格子相の析出を増大させてしま
う。 本発明に基づく合金においては、炭素、硼素、
及びジルコニウムの含有量が、それぞれ、
80ppm、50ppm、100ppm以下である。即ち、合
金の溶融開始温度を低下し得る程度の含有量に比
べると、非常に小量である。ちなみに、これまで
の合金における通常の含有量は、炭素1000乃至
1500ppm、硼素100乃至200ppm、ジルコニウム
300乃至1000ppmであつた。 本発明の合金は熱処理を施すことが可能であ
り、その熱処理は、合金のクリープ抵抗を、予想
外に改善し得るものであり、しかも、700℃〜
1100℃という広い温度範囲に亘つて改善すること
ができる。従来の改良は、質的にずつと劣るもの
であり、しかも、1000℃以下の温度でしか改善が
見られなかつた。 本発明によれば、上述の成分からなるスーパー
アロイにより製造された部分の品質を、とりわ
け、高温におけるクリープ抵抗を、著しく高める
ことができる。 それには、Ni₃Alタイプのγ′相を、それがγ固
溶体に完全に溶解した後に析出させ、それを、
1000℃以上の高温、好ましくは1020℃乃至1120℃
程度の温度に熱した後、再び冷却する操作を行え
ばよい。γ′相の析出温度は、その選択された温度
に応じて、数時間乃至数十時間維持されるものと
する。 本発明による合金を含む部材を、γ′相の析出の
ために、1000℃以上の高温に加熱した後、γ′相の
析出の割合を増加させる役割を果す補助的な熱処
理を部材に加えることが出来る。 この補助的な熱処理は、出来得れば850℃前後
で行なうことが望ましい。 前述のスーパーアロイのクリープ特性を、最も
好適なものとするには、一般に、析出したγ′相の
粒子の大きさを3000Å程度とするべく、800℃か
ら980℃の温度をもつて、γ′相の析出処理を行う
方法がとられるため、析出粒子の大きさを増大さ
せるような、1000℃以上の温度をもつて析出処理
を行なうと、当該合金のクリープ抵抗を弱めるは
ずである。 しかしながら、本発明に基づくスーパーアロイ
のこのような処理方法は、析出した粒子の大きさ
を、3000Å以上、約5000Å以下の大きさにする
が、700℃乃至1000℃程度の温度におけるクリー
プ特性を、予想以上に改善するものであることが
わかつた。 これにより、合金の寿命を、２倍あるいは３倍
に延ばすことができる。 他方、高い温度でγ′相を溶解した後、1020℃か
ら1120℃という高温における析出熱処理におい
て、この析出熱処理温度のままで、より簡単に表
面を保護するための処理、例えば、このようなス
ーパーアロイに施すことが望ましいアルミニウム
メツキ等を、最終的に得られる合金の機械的性質
を損なうことなく、施こすことが可能となる。 本発明に基づく合金は、本出願人による特許第
971532号明細書、及び特願昭52−95625号明細書
（それぞれ米国特許第3871835号及び同第4175609
号に対応する。）に詳述されているように、例え
ば、金属炭化物の強化用繊維を用いる形式のスー
パーアロイの固化に使用されるような、温度勾配
の大きい（100乃至250℃／cm）固化装置におい
て、結晶の方向＜001＞にそつて、単結晶の形で
固化される。 単結晶合金は、単結晶の核から形成することも
できるし、あるいは、装置の下部に粒子の分離装
置を取り付けて、出口のところで、結晶＜001＞
の方向を向く結晶粒のみを取り出して作ることも
できる。 流動金属の周囲の温度は、約1650℃、固化は、
固化端面が10乃至40cm／ｈの速度をもつて、移動
するようにする。 本発明による単結晶合金は、また、エルシンク
（L.SINK）、ジー・エス・ホツピン（G.S.
HOPPIN）、エム・フジイ（M.FUJII）、
「NASA CR159 464」（1979年１月発行）に詳述
されている発熱過程を用いて、作り出すことも可
能である。 これらの単結晶合金は、次いでγ′相を完全に溶
融させるために、約30分間、正確な所定の組成を
もつて、1305℃乃至1325℃の温度で、熱処理を行
なう。その後、合金を大気中に露し、外気の温度
にまで冷却する。 さらに、γ′相の析出処理を行うため、本発明に
よれば、合金を、1020℃乃至1120℃の温度に、数
時間保つ。 1020℃の温度をもつて処理を行うと、析出粒子
の平均的大きさは、約3000Åであるが、1050℃、
又はそれ以上の温度で処理を行うと、粒子の大き
さは、約5000Åとなる。どちらの場合も、得られ
た析出粒子は、所定の結晶学的方向に沿つて直線
的に整列する。 以下に挙げる実施例においては、合金を比較す
る理由から、γ′相の析出処理をする際、850℃乃
至980℃の温度に数時間維持した。その結果析出
したγ′相の粒子は、平均的大きさが約3000Åであ
るが、所定の結晶学的方向に沿つて直線的には整
列しない。 〔実施例〕 次に、本発明に基づく実施例を、添付の図面に
基いて説明する。 実施例 以下の重量％比からなる組成を有する単結晶合
金（以下「合金Ａ」とする）を製造する。 Co ５％ Cr ８％ Mo 0.5％ Ｗ ８％ Al 6.1％ Ta ６％ Ni 全体を100％にするのに必要な割合 この合金は、固化領域の先端の進行速度が15
cm／ｈに制御した固化により製造する。 このようにして製造された合金の密度は、約
8.54ｇ／cm³であり、溶融し始める温度は、1320±
３℃である。 この合金からなる２つの試験片を用意し、以下
に記載するような、第１と第２の熱処理を、各々
の試験片に施した後、この熱処理を受けた試験片
をもつて、クリープ試験を行つた。 第１の熱処理 試験片を、1315℃の温度で30分間加熱した後、
大気中で冷却する。 第２段階として、５時間の間950℃に熱し、再
び大気中で冷却する。 第３段階では、850℃の温度に、48時間維持す
る。 このようにして得られたγ′相の析出粒子の平均
的大きさは、3000Åであつた。 第１ａ図は、このようにして得られた試験片
を、顕微鏡で7000倍に拡大した切断面を示す。 第２の熱処理 第１段階で、試験片を、1315℃の温度に加熱
し、30分間、その温度に保つ。その後、大気中で
冷却する。 第２段階では、16時間の間1050℃に加熱し、そ
の後、大気中で冷却する。 第３段階では、48時間の間、850℃の温度に保
つ。 このようにして処理された試験片においては、
γ′相の析出粒子の平均的大きさは、5000Åである
ことが確認された。 第１ｂ図は、この試験片の、同じく7000倍に顕
微鏡で拡大した切断面を示している。 析出粒子は、完全に、結晶の＜001＞の方向に
沿つて、直線的に整列していることが解る。 その、第１及び第２の熱処理を行つた各試験片
に対して、クリープ試験を実施した。また、同様
な実験を、「DS2000＋Hf」の名称で知られ円柱
状結晶粒スーパーアロイの試験片についても行つ
た。 それらの実験の結果は、表１にまとめられてい
る。

【表】 このような試験を行つた結果、第２の熱処理を
行つた合金Ａは、850℃において、DS2000＋Hf
円柱状結晶粒合金に比べて、約2.5倍の寿命を有
することがわかつた。また、1050℃の温度で、
140MPaの圧力をかけた場合、合金Ａの強度は、
「DS200＋Hf」合金の強度に比べて、約５倍優れ
ていることがわかつた。 これらの結果は、本発明に基づく合金Ａに、チ
タンが含有されていないにもかかわらず得られた
ものである。 従来は、一般に、タービンの羽根の製造に使わ
れる、非常に高いクリープ抵抗を有する、例えば
合金Ａのようなスーパーアロイには、重量比にし
て、１乃至４％程度のチタンを含有させないと、
要求される品質を得ることができないと信じられ
ていた。 と云うのは、チタンを添加すると、γ′相の析出
粒子の格子欠陥エネルギーは低下し、クリープ抵
抗を非常に高めることになるからである。 本発明に基づく合金は、チタンが存在すること
によつて引き起される後で述べるような、不都合
を回避でき、しかも、高温でのクリープ抵抗が非
常に高いという特徴を有する。 チタンが誘起する不都合とは、合金製造の過程
で、合金の製造のために使われるるつぼの構成原
料に対して、激しい反応をおこしてしまうこと、
また、合金を製造する過程で、合金の酸化抵抗、
腐蝕抵抗を弱めてしまうことである。 本発明に基づく合金からなる試験片について熱
処理を行つた後、760乃至1050℃の温度範囲にお
ける様々な温度で、クリープ試験を行ない、シグ
マ、ミユー、レイヴス（Laves）等の有害な最密
格子相の存在を試験したが、そのような相は、何
ら見出すことができなかつた。 このように、熱処理を行つた本発明による合金
は、様々な用途に使用する場合にも、熱に対し
て、大変安定した性質を示す。 第２図は、ラーソン−ミラーのパラメーターＰ
の変化を、応力δR（MPa）の関数として表わすグ
ラフである。但し、 Ｐ＝Ｔ(K)〔20＋log₁₀t(h)〕×10^-3 である。 曲線C₁は、DS200＋Hfと呼ばれる円柱状結晶
粒合金に関するものである。 本発明に基づく合金Ａからなり、かつ、第２の
熱処理を行つた後の試験片を用いて、種々の試験
を行つてみた。その結果得られた数値は、第２図
に十字の印をもつて示されている。 この合金は、チタンを含有していないにもかか
わらず、中程度の温度及び高温におけるクリープ
抵抗が、非常に優れている。 本発明に基づく合金は、航空機タービンの羽根
の製造に非常に適する性質を有する。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は、第１の試験片の切断面を、7000倍
に拡大して示す金属組織の顕微鏡写真である。第
１ｂ図は、第２の試験片の切断面を、7000倍に拡
大して示す金属組織の顕微鏡写真である。第２図
は、応力の関数として、ラーソン−ミラーのパラ
メータＰの変化を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ タービンの羽根を製造するためのニツケルを
   ベースとする単結晶スーパーアロイであつて、 5.4〜6.2％のアルミニウムと、 ４〜７％のコバルトと、 ６〜９％のクロムと、 2.5％以下のモリブテンと、 5.5〜８％のタンタルと、 ７〜９％のタングステンと、 残余量のニツケルとを、 それぞれ重量％をもつて含むことを特徴とする単
   結晶スーパーアロイ。