JPH01255636A - 中間高温強度を有するｏｄｓ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】 〔発明の背景〕 本発明は、高温抵抗性ニッケル基合金に関し、より詳細
には、強化酸化物分散体を含有し且つ機械的合金化によ
って調製されるこのような合金に関する。

従来、出願人（または出願人の譲受人）は、イットリウ
ムを含有する酸化物の強化分散体を含有し且つ主要な長
所として約１０９３℃ （２０００丁）の超高温での有用な強度および他の機械
的特性を有する機械的合金化によって調製された成る合
金組成物を開示している。このような超高温においては
、γプライム（Ｎ　ｌ　３　Ａ　ｌ　）沈殿の形成に基
づく析出硬化と固溶体マトリックス強化との組み合わせ
によって強度を得る伝統的ニッケル基合金は、強度を失
う傾向がある。本質上γプライム沈殿は、固体マトリッ
クス金属に溶解してマトリックス固溶体のみの強度を有
する合金を残す。酸化物分散強化（ＯＤＳ）合金、例え
ば、インコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ　Ｒ）合金ＭＡ７５４
、インコネル合金ＲＭＡ６０００および合金５１として
既知のものは、約１０９３℃で有用程度の強度を保持す
るが、約８５０℃（１５６２丁）の中間高温（ｉｎｔｃ
ｒａ＋ｃｄｉａｔｅ　ｈｉｇｈ　ｔｅａ＋ｐｅｒａｔｕ
ｒｅｓ）で若干の伝統的ニッケル基合金、特に鋳造単結
晶形態の伝統的ニッケル基合金よりも強くない傾向があ
る。若干の既知のＯＤＳ合金の有効な少量のホウ素およ
び／またはジルコニウムを省略した公称組成（重量％）
を表Ｉに示す。

表Ｉ 合　　　金 Ｎｉ　　Ｂａ１．　　Ｂａ１．　　Ｂａｌ。

Ｃｒ　　２０　　１５　９．３ ＡＩ　　Ｏ，３４，５８，５ Ｔｉ　　Ｏ，５２，５− ＣＯ，０５０，０５０，０５ Ｗ　　　　　４．０　６．６ Ｍｏ　　　　２．０　３．４ Ｔａ　　　　２．Ｏ− ★アルミナとの複合酸化物形態で存在することができる
。

本発明によって解決される課題は、超高温で有用な強度
を保持し且つ約８５０℃の中間高温で伝統的ニッケル基
合金の強度に接近するか超えるＯＤＳ合金の提供である
。この種の合金の最終用途がしばしばガスタービンエン
ジンの高温部におけるブレードおよび他の部品であるの
で、強度特性のこの組み合わせは、ＯＤＳ合金において
重要である。このような部品は、１つの温度を経験せず
に、むしろ一般に部分的に部品の形状に応じて各種の応
力水準に付されながら通常広範囲の温度を経験する。例
えば、タービンブレードの根部分は、比較的冷たいであ
ろうが、高い回転誘導応力下にあるであろう。自己同一
（ｓｅｌｆ’　ｓａｍｅ）ブレードの前縁および後縁は
、一般に、ブレード上の所定の高さ水準で存在する最高
温度を経験し、回転誘導応力は高さに応じて減少するで
あろう。概して、ガスタービンブレードに好適な合金は
、ブレードの設計者に厳格な拘束をかけずに別の温度で
の改良のために１つの温度で強度、延性などをひどく犠
牲にすることはできない。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、重量％で大体クロム５〜９％、アルミ
ニウム５〜７％、タングステン５〜９％、モリブデン１
〜３％、タンタル１〜５％、チタン０〜１．５％、コバ
ルト０〜１０％、レニウム１〜４％、合金が多結晶形態
である時には酸化物形態のイツトリウム０．６〜２％お
よび合金が単結晶形態である時には酸化物形態のイツト
リウム約０、　１〜１％、ホウ素０．００５〜０．　１
％、ジルコニウム０．０３〜０．５％、鉄約２％まで、
窒素約０．３％まで、ニオブ約１％まで、ハフニウム約
２２６までを含有し、残部は実質上ニッケルである新規
の有用なＯＤＳニッケル基合金を提供することにある。

有利には、本発明の合金は、ジルコニウム約０．０３〜
０．３％およびホウ素約０．００５〜０．０３％を含有
し且つニオブおよび／またはハフニウムを実質土倉まな
い。単結晶形態の時には、最小量のみのホウ素、ジルコ
ニウム、炭素、ハフニウムなどの粒界偏析元素が、本発
明の合金に含有されるか、何も含有されない。

合金は、有利には、多結晶の方向性再結晶化金属塊の形
態であり（結晶のアスペクト比は平均少なくとも約７で
ある）、この金属塊は、再結晶後、約１２８０〜１３０
０℃で約０．　５〜３時間処理し、空冷し、次いで、約
９４０〜９７０℃で約１〜４時間保持し、空冷し、約８
２０〜８６０℃で約１２〜４８時間保持した後、方向性
再結晶化塊を最後に空冷する。本発明の最も有利な態様
は、アルミニウム＋チタンの含量が約７．５９６であり
且つ／またはレニウム含量が約３２６である合金組成物
である。これらの後者の基準が遵守される時には、従来
のニッケル基ＯＤＳ合金と比較して本発明のＯＤＳ合金
は、約８５０℃の中間温度で高められた強度を与えなが
ら１０００℃以上の温度で強度の減少を実質上こうむら
ない。アトライターまたはボールミルへのメークアップ
（ｍａｋｃｕｐ）装入に関する本発明のＯＤＳ合金組成
を表■に示す（重量％）。

表　　　　■ Ｃｒ　　８８９ Ａ１　６．５６．５７ Ｍｏ　　１．５１．５２ Ｒｅ　　３３３ Ｔａ　　３３１ Ｔｉ　　−−１−− Ｃｏ　　５５−− Ｂ　　　　　　　　Ｏ，旧　　０．０１　　０．旧Ｚｒ
　　Ｏ，１５０，１５０，１５ ★　　　１．＋　　　１．１　　１．１★合金中でイツ
トリウム／アルミニウムガーネットまたは他のイツトリ
ア／アルミナ生成物として存在できる。

一般に、本発明の合金は、実質的飽和硬さが互いに粉砕
金属の完全なインターワーキング（ｉｎＬｅｒｖｏｒｋ
ｊｎｇ）および均質性を与えるために粉砕合金粒子内で
イツトリウムを含有する酸化物の白゛効な配合と一緒に
得られるまで、粉末状元素および／またはマスターアロ
イ成分を酸化物状イツトリウムと一緒にアトライターま
たは横形ボールミル中で硬化鋼球の存在下で機械的に合
金化することによって調製する。摩砕装入物がオムニバ
スな（ｏｍｎｉｂｕｓ）マスターアロイ、即ち、ニッケ
ルまたはニッケルおよびコバルトが貧弱である以外はす
べての非酸化物状合金成分を適当な割合で含有する合金
の粉末を包含する時に、良好な結果が達成される。この
オムニバスなマスターアロイ粉末は、溶融および噴霧化
、例えば、ガス噴霧化または溶融紡糸によって調製でき
る。ミル装入物は、マスターアロイ＋酸化物状イツトリ
ウムおよび適量のニッケルまたはニッケルおよびコバル
トまたはニッケルーコバルト合金粉末からなる。本発明
の摩砕合金の鉄含量は、有利には最大１％に限定する。

この瓜は、通常の状況下で機械的合金化加工時にピック
アップしてもよい。

次いで、粉砕粉末は、篩分け、ブレンドし、軟鋼製押出
化に詰め、この缶は密封し、必要ならば脱気する。次い
で、密封缶は、約１０００℃〜１２００℃に加熱し、比
較的高い歪速度を使用して押出比少なくとも約５で熱間
押出す。押出または均等の熱間圧粉後、このようにして
加工された機械的合金化材料は、圧延などによって熱間
加工し、特に方向性熱間加工することができる。この熱
間加工は、初期押出または他の熱間圧粉によって誘導さ
れる歪エネルギーの有意部分を金属中に保存するために
迅速に実施すべきである。−旦このことを行ったら、本
発明の合金は、ボディー中に川な細長い粒構造を与える
ために〔前記の複数の拉（または単結晶の場合には１個
の粒）は平均粒アスペクト比（Ｇ　Ａ　Ｒ）少なくとも
７を有する〕、固体状態に応用できる好適な手段、例え
ば、ゾーン焼鈍によって加工する。本発明の合金のゾー
ン焼鈍は、有利には、約１２６５〜１３０８℃の温度で
鋭い前面焼鈍帯と本発明の合金のボディーとの間で差速
約５０〜１００　ｍ＋＋＋／　ｈｒで実施できる。

本明細書に報告の例の場合には、ゾーン焼鈍の差速を約
７６ｍｒｓ／ｈｒに一定に保った。方向性再結晶温度を
変えたところ、捧持性に対するかなりの影響を及ぼすこ
とが示された。大体の再結晶温度は、再結晶しない棒の
勾配焼鈍研究から概算できる。

経験は、二次再結晶温度がこれらのγ／γプライム相ス
ーパーアロイにおいてγプライムソルバスｌＨ度と関連
づけられることを示す。一般に、再結晶温度は、γプラ
イムソルバス温度よりも高いことが観察され、後者は多
分下限であり且つ初期融点は温度の上限である。方向性
１１結晶応答、それゆえ、合金の最終構造／性質は方向
性再結晶温度によって影響されることがある。例えば、
合金を約１２６５℃（表ｍ／ｍ−Ａ中の８２結果参照）
よりも約１２９０℃（表ｍ／ＩＩＩ−Ａ中の８１結果参
照）で方向性再結晶した時に、合金Ｂにおけるより良い
高温応力破断性が、得られた。機械的特性の差は、なか
んずく、この合金を約１２９０℃で方向性再結晶した時
に得られたものよりも好都合な粒アスペクト比および均
一な粒構造に起因する。

ゾーン焼鈍し、機械加工し、他の成形プロセスを施して
最終または半最終製品形状を達成した後、本発明の合金
は、例えば、直径２０ｍｍの棒を１２８８℃に１時間維
持した後空冷することにより、約１２７５〜１３００℃
で溶体化焼鈍することによって固体状態で熱処理する。

次いで、合金は、約９２５〜１０００℃の範囲内で約１
〜１２時間加熱し、空冷し、次いで、約８３０〜８６０
℃の温度に１２〜６０時間保持した後、空冷することに
よって硬化する。本明細書に報告の６例で使用した特に
有利な熱処理は、１２８８℃で１時間溶体化焼鈍した後
、９５４℃で２時間加熱し、空冷し、室温への最終冷却
前に合金を８４３℃に２４時間維持することからなる。

各種の温度および応力における合金ＡＳＢおよびＣの場
合の応力破断試験結果を表■および■−Ａに示す。

表　　　■ Ａ　５０８．７　１．２２．４　８．８　０．１３．２
Ｂｌ　１２０２．４　３．１５．１１１０７．５　０．
５０．１Ｂ２９５５．９　０．５３．２４０．０　１．
５０．８Ｃ７７１，８３，０６，３９ｏ４．ａ　　２．
４０．１表ＩＩＩ−Ａ 試　　験　　条　　件 ７［ｉ０℃−Ｇ５５ＭＰａ　　８５０℃−５００ＭＰａ
　　１０９３℃−１［ｉ５．５ＭＰａＡ　　５５．８２
．９４．０４５．３１．２４．３３．８１．３３．９Ｂ
ｌ　２３９．０１．２５．５１２４．４２．５６．３３
０．９１．４３．１Ｂ２２９７．１１．Ｌ　３．１０４
．１０．７０．８６．７２．００．８Ｃ４０３，０１，
８３，２１０９，４２，０４，３２５１，９３，９表■
およびｍ−Ａ中のデータは、本発明の合金が７６０℃お
よび１０９３℃での荷重下での破断に対して使用可能な
寿命（ｕｓａｂｌｃ；　１ｉｖｅｓ　ｔ。

ｒｕｐＬｕｒｅ）および従来の既知のＯＤＳ合金の８５
０℃での破断に対するこのような寿命よりも有意に良好
な８５０℃での破断に対する寿命を有することを示す。

例えば、同じ熱処理を仮定すると、合金５１およびイン
コネル合金ＭＡ６０００は、３７９ＭＰ　ａの荷重下で
８５０℃においてそれぞれ２３２．５時間および１００
時間持続した。表■は、本発明の合金のすべてがこれら
の試験条件下で合金５１の少なくとも２倍持続したこと
を示す。本発明の合金の最良のもの、即ち、合金Ｂおよ
びＣは、試験したすべての条件下で合金５１およびイン
コネル合金ＭＡ６０００の破断に対する寿命よりも有意
に優れている破断に対する寿命を示す。８５０℃の中間
高温においては、これらの合金は、応力下で合金５１よ
りも３〜６倍長く持続しｑつインコネル合金ＭＡ６００
０よりも７〜１２゛倍長く持続することができる。

法令の条項に従って、本発明の特定の聾様をここに例示
し且つ説明したが、当業者は、特許請求の範囲によって
カバーされる発明の形態で変更を施すことができること
、および他の特徴の対応の使用なしに本発明の成る特徴
を時々有利に使用できることを理解するであろう。

出願人代理人　　佐　　藤　　−雄

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量％でクロム５〜９％、アルミニウム５〜７％、
   タングステン５〜９％、モリブデン１〜３％、タンタル
   １〜５％、チタン０〜１．５％、コバルト０〜１０％、
   レニウム１〜４％、酸化物形態のイットリウム０．１〜
   ２％、ホウ素 ０．００５〜０．１％、ジルコニウム０．０３〜０．５
   ％、鉄０〜２％、窒素０〜０．３％、ニオブ０〜１％、
   ハフニウム０〜２％からなり、残部は実質上ニッケルで
   あり、多結晶形態の時には酸化物形態のイットリウム少
   なくとも約０．６％を含有し且つ単結晶形態の時にはも
   しあっても最小量付近の粒界偏析元素を含有することを
   特徴とする酸化物分散強化合金。 ２、細長い粒構造を有する多結晶塊の形態であり、その
   粒がアスペクト比少なくとも約７を有する、請求項１に
   記載の合金。 ３、結晶アスペクト比少なくとも７を有する単結晶塊の
   形態である、請求項１に記載の合金。 ４、レニウム約３％を含有する、請求項１に記載の合金
   。 ５、時効硬化状態において従来技術の酸化物分散硬化ニ
   ッケル基合金よりも有意に優れている７６０℃、８５０
   ℃および１０９３℃での破断に対する寿命によって特徴
   づけられるアルミニウムとチタンとの合計量約７．５％
   およびレニウム約３％を含有する、請求項２に記載の合
   金。