JPH06287667A

JPH06287667A - 耐熱鋳造Ｃｏ基合金

Info

Publication number: JPH06287667A
Application number: JP7669193A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Tsuda; 陽一津田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-04-02
Filing date: 1993-04-02
Publication date: 1994-10-11

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】本発明の目的は、ガスタービンの静翼材とし
て使用されて好適な高温強度、高温強度および長時間安
定性、また高温強度および疲労強度に優れた耐熱鋳造Ｃ
ｏ基合金を提供することである。【構成】本発明の耐熱鋳造Ｃｏ基合金は、重量比で、
Ｃ：0.05〜 0.8％，Ｎｉ：５〜15％，Ｃｒ：15〜30％，
Ｗ：３〜10％，Ｒｅ：１〜５％，Ｓｉ：１％以下，Ｍ
ｎ：１％以下，Ｆｅ： 1.5％以下を含み、残部が実質的
にＣｏ及び不可避的不純物よりなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高温強度に優れ、特にこ
れらの特性が要求されるガスタービンの静翼材として使
用するのに適した耐熱鋳造Ｃｏ基合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンと蒸気タービンを組み合わ
せたコンバインサイクル発電プラントは蒸気タービン発
電プラントに比較し、効率が高く、また起動特性に優れ
ることから、今後の発電プラントの主力となると考えら
れており、最近ではさらにプラント効率を上昇させるた
めにガスタービンの入口ガス温度を上昇させる方向で開
発が進められている。しかし、入口ガス温度を上昇させ
れば、ガスタービン各種部材の温度も上昇するため、各
部材の構造材料に対してはより過酷な環境となる。この
ような温度上昇に対しては、部材の冷却の強化、あるい
はより高温強度の高い材料の適用などの対策を採用する
必要があるが、冷却の強化は効率の低下をまねくため、
高温強度の高い材料の適用がより有効な手段となる。

【０００３】また、コンバインドサイクル発電プラント
は蒸気タービン発電プラントに比較し、特に起動特性に
優れることから主にピークロード用電力として使用され
ている。しかし、ピークロード用として使用した場合、
プラントの起動停止が頻繁になるため、起動停止により
ガスタービン各種部材に発生する熱応力の繰り返しも頻
繁となり、各部材の構成材料に対しては非常に過酷な環
境となる。

【０００４】一般に高温雰囲気にさらされるガスタービ
ンのタービンの静翼等の静止部材には高温強度、成形性
及び溶接性に優れた各種耐熱鋳造Ｃｏ基合金が使用され
ている。これらの耐熱鋳造Ｃｏ基合金は、従来、高温強
度特にクリープ破断強度向上を主目的に開発が進められ
てきた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ガスタービン
が更に高温・高効率に向かうと、現在使用されているＣ
ｏ基合金では、高温強度不足による静翼のクリープ変形
が問題となってくる。また、Ｃｏ基合金は高温環境中に
さらされると炭化物が析出して延性・じん性が低下する
という特性を持っている。ガスタービンが高温化する
と、この特性劣化も現在より著しくなり、飛来物に対す
る抵抗や熱疲労に対する抵抗の低下が問題となるので、
現在よりも優れた長時間安定性が必要となってくる。

【０００６】また、発電用ガスタービンが主にピークロ
ード用として使用されている現状では、頻繁な起動停止
により発生する熱応力を原因とする疲労クラック発生に
対する抵抗も重要な特性となってきている。特に、一般
に拘束が大きい形状をしているガスタービンの静翼に
は、応力集中部位に疲労クラックが発生しやすいため、
静翼材には従来必要とされてきた高温強度だけでなく、
十分な疲労強度も併せて要求される。

【０００７】本発明は、上述の観点からなされたもの
で、ガスタービンの静翼材として使用されて好適な高温
強度、高温強度及び長時間安定性、また高温強度及び疲
労強度に優れた耐熱鋳造Ｃｏ基合金を提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の耐熱鋳造Ｃｏ基
合金は、高温強度を得るために、重量比で、Ｃ：0.05〜
0.8％，Ｎｉ：５〜15％，Ｃｒ：15〜30％，Ｗ：３〜10
％，Ｒｅ：１〜５％，Ｓｉ：１％以下，Ｍｎ：１％以
下，Ｆｅ： 1.5％以下を含み、残部が実質的にＣｏ及び
不可避的不純物よりなることを特徴とする。

【０００９】また、高温強度および長時間安定性を兼ね
備えた耐熱鋳造Ｃｏ基合金を得るために、重量比で、
Ｃ：0.45％を超え 0.8％以下、Ｎｉ：５〜15％，Ｃｒ：
15〜30％，Ｗ：３〜10％，Ｒｅ：１〜５％，Ｓｉ：１％
以下，Ｍｎ：１％以下，Ｆｅ：1.5％以下を含み、更に
必要に応じてＴｉ：0.01〜１％，Ｔａ：１〜５％、Ｂ：
0.1％以下、Ａｌ：0.05〜 0.5％のいずれか１種以上を
含み、残部が実質的にＣｏ及び不可避的不純物よりなる
ように構成する。

【００１０】一方、高温強度および疲労強度に優れた耐
熱鋳造Ｃｏ基合金を得るために、重量比で、Ｃ：0.05〜
0.45 ％，Ｎｉ：５〜15％，Ｃｒ：15〜30％，Ｗ：３〜
10％，Ｒｅ：１〜５％，Ｓｉ：１％以下，Ｍｎ：１％以
下，Ｆｅ： 1.5％を以下を含み、更に必要に応じてＴ
ｉ：0.01〜１％，Ｔａ：１〜５％，Ｂ： 0.1％以上，Ａ
ｌ：0.05〜 0.5％のいずれか１種以上を含み、残部が実
質的にＣｏ及び不可避的不純物よりなるように構成す
る。

【００１１】

【作用】本発明の耐熱鋳造Ｃｏ基合金は、優れた高温強
度を示すばかりでなく、優れた長時間安定性を示し、こ
の耐熱鋳造Ｃｏ基合金をこれらの特性が要求されるガス
タービンの静翼材として用いると、高温化された過酷な
ガスタービン環境中でも、著しく長期にわたって優れた
性能を発揮する。

【００１２】一方、本発明の耐熱鋳造Ｃｏ基合金は、優
れた高温強度を示すばかりでなく、優れた疲労強度を示
し、この耐熱鋳造Ｃｏ基合金をこれらの特性が要求され
るガスタービンの静翼材として用いると、頻繁な起動停
止を行う過酷なガスタービン環境中でも、著しく長期に
わたって優れた性能を発揮する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を説明する。それに
先立ち、本発明の耐熱鋳造Ｃｏ基合金において組成範囲
を上記の通りに限定した理由を説明する。なお、以下の
説明において組成を表す「％」は特に断らない限り重量
比とする。（ａ）ＣＣは素地に固溶するほか、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ及びＴａと結
合して炭化物を形成し、結晶粒内及び結晶粒界を強化し
て高温強度を向上させる作用があるが、その含有量が0.
05％未満では所望の効果が得られず、一方 0.8％を超え
て含有させると溶接性を低下させるので、その含有量を
0.05〜0.8 ％以下とした。

【００１４】ここで、Ｃの含有量が0.05〜0.45％以下で
は長時間安定性の効果がやや劣り、一方、0.45％を超え
て含有させると疲労強度をやや低下させるので、高温強
度および長時間安定性に優れた耐熱鋳造Ｃｏ合金を得る
場合は、Ｃの含有量を0.45％を超え、 0.8％以下とし、
高温強度および疲労強度に優れた耐熱鋳造Ｃｏ合金を得
る場合は、Ｃの含有量を0.05〜0.45％とする。（ｂ）ＮｉＮｉとＣｒとの共存において高温強度を向上させ、更に
オーステナイト素地を安定化させる作用があるが、その
含有量が５％未満では所望の効果が得られず、一方、15
％を超えて含有させると高温強度及び耐食・耐酸化性を
低下させるので、その含有量を５〜15％とした。（ｃ）ＣｒＣｒはＣと結合して炭化物を形成し、主強化相として高
温強度を向上させ、更に優れた高温耐食・耐酸化性を確
保する上で不可欠な成分であるが、その含有量が15％未
満では所望の効果が得られず、一方30％を超えて含有さ
せるとＣｏとσ相を形成して合金を脆弱化させることか
ら、その含有量を15〜30％とした。（ｄ）ＷＷはＣと結合してＭＣ型炭化物を形成し、高温強度を向
上させるとともに、オーステナイト素地に固溶してこれ
を強化する作用があるが、その含有量が３％未満では所
望の効果が得られず、一方10％を超えて含有させるとσ
相などの金属間化合物を形成して合金を脆弱化させるこ
とから、その含有量を３〜10％とした。（ｅ）ＲｅＲｅはオーステナイト素地に固溶してこれを強化し、更
に高温環境中で合金中の含有元素の拡散を遅らせて、供
用中の合金の安定性を向上させる作用があるが、その含
有量が１％未満では所望の効果が得られず、一方５％を
超えて含有させると疲労特性を低下させるので、その含
有量を１〜５％とした。（ｆ）ＳｉＳｉは一般に脱酸剤として加えるが、その含有量が１％
を超えると鋳造時の介在物形成の原因となる。また、真
空溶解、真空鋳造を行う場合は特に加える必要はないの
で、その含有量を１％以下とした。（ｇ）ＭｎＭｎはＳｉと同様に脱酸剤として加えるが、その含有量
が１％を超えると高温耐酸化性を低下させる。また、真
空溶解、真空鋳造を行う場合は特に加える必要はないの
で、その含有量を１％以下とした。（ｈ）Ｔｉ，ＴａＴｉ，ＴａはともにＣと結合してＭＣ型炭化物を形成
し、主に粒内を強化して高温強度向上に寄与するため、
より優れた高温強度が必要な場合には必要に応じて加え
ることができる。Ｔｉは 0.1未満、Ｔａは１％未満では
高温強度向上の効果が得られず、一方それぞれ１％、５
％を超えて含有させると溶接性及び疲労強度を極端に低
下させるので、その含有量をそれぞれ0.01〜１％、１〜
５％とした。（ｉ）ＢＢは結晶粒界を強化して高温強度向上及び延性向上に寄
与するため、より優れたこれらの特性が必要な場合には
必要に応じて加えることができる。しかし、 0.1％を超
えて含有させると溶接性を低下させるので、その含有量
を 0.1％以下とした。（ｊ）ＡｌＡｌは鋳造中に中子の表面にＡｌ₂ Ｏ₃ の皮膜を形成
し、中子中に含れるＳｉＯ₂ と溶湯との反応を抑制し
て、表面状態を改善するため、特に複雑な中子を使用し
て精密鋳造する場合には含有させる方が望ましい。0.05
％以下では所望の効果が得られず、一方 0.5％を超えて
含有させると鋳造性を劣化させるとともに合金を脆弱化
させるので、その含有量を0.05〜 0.5％とした。

【００１５】上記成分並びに主成分であるＣｏを加える
際に付随的に含まれる不純物はなるべく少ない方が望ま
しい。本発明の耐熱鋳造Ｃｏ基合金は、各素材金属を真
空又は大気圧下で溶解、精錬し、それを鋳造して鋳塊と
して得られる。ガスタービンの静翼に適用する場合に
は、得られた鋳塊を再溶解し、それを静翼の形状に精密
鋳造する。次に表１は、高温強度および疲労強度に優れ
た耐熱鋳造Ｃｏ合金を得る場合の実施例を示すものであ
る。

【００１６】

【表１】

【００１７】表１に示す組成で 150kgの真空誘導炉であ
らかじめ精錬されたマスター合金を用い、真空高周波溶
解炉にて再溶解し、ロストワックス法で作られた鋳型に
鋳造してφ14× 150ｌの供試材を得た。供試材１〜12は
本発明の耐熱鋳造Ｃｏ基合金であり、供試材13，14は比
較材で、それぞれＦＳＸ414 及びＭａｒ−Ｍ509 という
名称で、現在のガスタービンの静翼に使用されているＣ
ｏ基合金である。供試材13以外は鋳造後そのまま試験に
供した。一方、供試材13は鋳造後、1149℃×４時間の溶
体化処理後、 982℃×４時間の時効処理（炉冷）の熱処
理を行った。

【００１８】次にこれらの供試材よりクリープ破断試験
片（平行部直径ｄ＝６mmφ）及び疲労試験片（平行部直
径ｄ＝８mmφ）を加工し、 816℃におけるクリープ破断
試験と 700℃及び 900℃における軸ひずみ制御疲労試験
を行った。その結果を表２に示す。

【００１９】

【表２】

【００２０】まず比較合金である供試材13と14を比較す
る。クリープ破断試験の破断時間は供試材14の方がはる
かに長く、高温強度は供試材14の方が大幅に優れている
ことがわかる。一方、疲労試験においては 900℃では同
程度の破断繰返し数となるものの、 700℃では供試材13
の方が破断繰返し数が大きく、供試材13の方が、特に低
温側の疲労強度に優れることがわかる。すなわち供試材
13は高温強度はさほどでもないものの疲労強度が優れる
合金であり、一方、供試材14は高温強度は優れるもの
の、疲労強度は決して高くない合金である。

【００２１】次に本発明合金と比較合金とを比較する。
クリープ破断試験においては本発明合金である供試材１
〜12は破断時間が供試材13に比較して長く、中には高強
度の比較合金である供試材14を上回るものもあり、本発
明合金である供試材１〜12は、比較合金である供試材1
3，14に比較して同等もしくはそれ以上の十分なクリー
プ破断強度を有することがわかる。一方、疲労試験にお
いては、本発明合金である供試材１〜12はいずれも破断
繰返し数が比較合金である供試材13，14に比較してはる
かに大きく、疲労強度が、比較合金である供試材13，14
に比較して大幅に改善されていることがわかる。

【００２２】すなわち、本発明合金は、従来のガスター
ビンの静翼に使用されているＣｏ基合金に比較して、同
等もしくはそれ以上のクリープ破断強度を有しながら、
しかも疲労強度が大幅に改善されている合金である。

【００２３】次に表３は、高温強度および長時間安定性
に優れた耐熱鋳造Ｃｏ合金を得る場合の実施例を示すも
のである。表３に示す組成で、表１に示す組成の場合と
同様に、 150kgの真空誘導炉であらかじめ精錬されたマ
スター合金を用い、真空高周波溶解炉にて再溶解し、ロ
ストワックス法で作られた鋳型に鋳造してφ14× 150ｌ
の供試材を得た。供試材21〜32は本発明の耐熱鋳造Ｃｏ
基合金であり、供試材33，34は比較材で、それぞれＦＳ
Ｘ414 及びＭａｒ−Ｍ509 という名称で、現在のガスタ
ービンの静翼に使用されているＣｏ基合金である。供試
材33以外は鋳造後そのまま試験に供した。一方、供試材
33は鋳造後、1149℃×４時間の溶体化処理後、 982℃×
４時間の時効処理（炉冷）の熱処理を行った。

【００２４】次にこれらの供試材より引張試験片及びク
リープ破断試験片（平行部直径ｄ＝６mmφ）を加工し、
室温及び 850℃における引張試験と 980℃におけるクリ
ープ破断試験を行った。その結果を表４に示す。

【００２５】

【表３】

【００２６】

【表４】まず比較合金である供試材33と34とを比較する。室温に
おいては両者の引張強さにあまり差はないが、 0.2％耐
力は供試材34の方が高い。また、 850℃においては引張
強さ、 0.2％耐力とも供試材34の方が高い。一方、引張
破断伸びについてはどちらの温度においても供試材33の
方が高い。クリープ破断試験の破断時間は供試材34の方
がはるかに長いが、クリープ破断伸びは小さい。すなわ
ち供試材33は高温強度はさほどではないものの延性が優
れる合金であり、一方、供試材34は高温強度は優れるも
のの、延性は決して高くない合金である。

【００２７】次に本発明合金と比較合金とを比較する。
室温及び 850℃の引張試験においては本発明合金である
供試材21〜32は、引張強さ、 0.2％耐力とも低強度の比
較合金である供試材33を上回り、高強度の比較合金であ
る供試材34と同等もしくはそれ以上の値を示している。
また、引張破断伸びについては低延性の比較合金である
供試材34を上回り、高延性の比較合金である供試材33と
ほぼ同等である。一方、クリープ破断試験においては本
発明合金である供試材21〜32はいずれも破断時間が、高
強度の比較合金である供試材34を上回っている。また、
クリープ破断伸びは高延性の比較合金である供試材33と
ほぼ同等である。これらの結果から、本発明合金である
供試材21〜32は、高強度の比較合金である供試材34に比
較して優れた高温強度を有し、また、高延性の比較合金
である供試材33と同等の延性を有することがわかる。

【００２８】上述の引張試験及びクリープ破断試験に加
えて、供試材の加熱時効試験を実施した。供試材を 850
℃で1000時間加熱時効し、引張試験片及び衝撃試験片
（２mmＶノッチシャルピー試験片）を加工し、室温にて
引張試験及び衝撃試験を実施した。その結果を初期状態
の供試材の特性とともに表５に示す。

【００２９】

【表５】

【００３０】まず比較合金である供試材33と34を比較す
る。供試材33においては時効により引張強さ、 0.2％耐
力及び吸収エネルギーに低下、引張破断伸びに上昇は見
られるものの、その変化は小さい。一方、供試材34は時
効により引張強さ及び 0.2％耐力が上昇し、引張破断伸
び及び吸収エネルギーが大きく低下する。すなわち、供
試材33は長時間安定性に優れる合金であり、供試材は逆
に長時間安定性に乏しい合金である。

【００３１】次に本発明合金と比較合金とを比較する。
本発明合金である供試材21〜32は、いずれも時効により
引張強さ及び 0.2％耐力は上昇する。一方、引張破断伸
び及び吸収エネルギーには低下傾向が見られるものの、
その変化は小さく、長時間安定性に優れる比較合金であ
る供試材33と同等の長時間安定性を有している。

【００３２】すなわち、本発明合金は、従来のガスター
ビンの静翼に使用されているＣｏ基合金に比較して、大
幅に改善されたクリープ破断強度を有しながら、しかも
長時間安定性に優れている合金である。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、従来
のガスタービンの静翼に使用されているＣｏ基合金に比
較して、同等もしくはそれ以上の高温強度を有しなが
ら、しかも疲労強度が大幅に改善されている合金が与え
られる。このため、ガスタービンの静翼材として用いれ
ば、頻繁な起動停止を行う過酷なガスタービン中でも、
著しく長期にわたって優れた性能を発揮し、コンバイン
ドサイクル発電プラントの信頼性が向上するなど、産業
上有益な効果がもたらされる。

【００３４】また、従来のガスタービンの静翼に使用さ
れているＣｏ基合金に比較して、より大幅に改善された
高温強度を有しながら、しかも長時間安定性に優れてい
る合金が与えられる。このため、ガスタービンの静翼材
として用いれば、高温・高効率化された過酷なガスター
ビン中でも著しく長期にわたって優れた性能を発揮し、
コンバインドサイクル発電プラントの信頼性が向上する
など、産業上有益な効果がもたらされる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比で、Ｃ：0.05〜0.45％，Ｎｉ：５
〜15％，Ｃｒ：15〜30％，Ｗ：３〜10％，Ｒｅ：１〜５
％，Ｓｉ：１％以下，Ｍｎ：１％以下，Ｆｅ：1.5％を
以下を含み、残部が実質的にＣｏ及び不可解避的不純物
よりなることを特徴とする耐熱鋳造Ｃｏ基合金。
【請求項２】重量比で、Ｔｉ：0.01〜１％，Ｔａ：１
〜５％の少なくとも１種以上を含むことを特徴とする請
求項１に記載の耐熱鋳造Ｃｏ基合金。
【請求項３】重量比で、Ｂ： 0.1％以下を含むことを
特徴とする請求項１又は請求項２記載の耐熱鋳造Ｃｏ基
合金。
【請求項４】重量比で、Ａｌ：0.05〜 0.5％を含むこ
とを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載
の耐熱鋳造Ｃｏ基合金。
【請求項５】重量比で、Ｃ：0.45％を超え 0.8％以
下、Ｎｉ：５〜15％，Ｃｒ：15〜30％，Ｗ：３〜10％，
Ｒｅ：１〜５％，Ｓｉ：１％以下，Ｍｎ：１％以下，Ｆ
ｅ： 1.5％以下を含み、残部が実質的にＣｏ及び不可避
的不純物よりなることを特徴とする耐熱鋳造Ｃｏ基合
金。
【請求項６】重量比で、Ｔｉ：0.01〜１％，Ｔａ：１
〜５％の少なくとも１種以上を含むことを特徴とする請
求項５に記載の耐熱鋳造Ｃｏ基合金。
【請求項７】重量比で、Ｂ： 0.1％以下を含むことを
特徴とする請求項５又は請求項６に記載の耐熱鋳造Ｃｏ
基合金。
【請求項８】重量比で、Ａｌ：0.05〜 0.5％を含むこ
とを特徴とする請求項５、請求項６又は請求項７に記載
の耐熱鋳造Ｃｏ基合金。
【請求項９】重量比で、Ｃ：0.05〜 0.8％，Ｎｉ：５
〜15％，Ｃｒ：15〜30％，Ｗ：３〜10％，Ｒｅ：１〜５
％，Ｓｉ：１％以下，Ｍｎ：１％以下，Ｆｅ：1.5％以
下を含み、残部が実質的にＣｏ及び不可避的不純物より
なることを特徴とする耐熱鋳造Ｃｏ基合金。