JPH02247347A

JPH02247347A - 工業用タービンブレード用ニッケルベース超合金

Info

Publication number: JPH02247347A
Application number: JP2028603A
Authority: JP
Inventors: Tasadduq Khan; タサデュク・カーン; Pierre Caron; ピエール・キャロン; Jean-Louis Raffestin; ジャン―ルイ・ラフスティン; Serge Naveos; セルジュ・ナヴェオ
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1989-02-10
Filing date: 1990-02-09
Publication date: 1990-10-03
Anticipated expiration: 2010-06-05
Also published as: FR2643085B1; FR2643085A1; DE69004115D1; DE69004115T2; EP0382585A1; EP0382585B1; JPH0751735B2

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、ガスタービンのためのニッケルベース超合金
に関する。

従来技術及びその課題ガスタービンから高効率を得るためには、これを高温で
運転する必要がある。そして、このことはこのような高
温においてきわめて高いクリープ抵抗を材料に具えさせ
ることを要求する。この観点において最も効果的な材料
は方向性凝固（ｄｉｒｅｃ−ｔｅｄ　５ｏｌｉｄｉｆｉ
ｃａｔｉｏｎ）により製造され、「単結晶（ｍｏｎｏｃ
ｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）　Ｊタイプ或いは「柱状粒（ｃ
ｏｌ−ｕｓｎ　ｇｒａｉｎ）」タイプのいずれかの構造
を有するニッケルベース超合金である。単結晶超合金か
らなる部品は、実際、了゛粒子（ｇａｍｍａ　ｐｒｉｍ
ｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）が分散した単結晶ガンマ組織
（ｇａｍｍａ　ｍａｔｒｉｘ）を有する。前記粒子は、
単一の結晶と同じ特性を実質的に有するように、組織に
凝集している。

柱状粒超合金は凝固方向に延びる並列の細長い粒によっ
て構成され、各々の粒の構造は単結晶超合金の構造と類
似している。

これらの従来の合金は、方向性凝固により製造され、航
空機の用途におけるタービンブレードを製造するために
使用される。しかしながら、これらは工業用（地上にお
ける用途）のタービンには不適である。何故なら、その
経時的な腐食抵抗は、このようなタービンのきわめて長
時間の、おおよそ５０．０００時間乃至１００，０００
時間の使用に対しては不充分であるからである。現在、
工業用タービンブレードを製造するために最も頻繁に使
用される合金は、ＩＮ　７３８と呼ばれる合金である。

これは、優れた腐食抵抗と良好なりリープ抵抗を具えて
いる。しかし、クリープの観点からは、この合金は、上
述の単結晶超合金や柱状粒超合金には程遠いものである
。　ＩＮ　７３８タイプの合金に方向性凝固法を用いる
試みは、現在成功を修めていない。

本発明の目的は、高温において、ＩＮ　７３８合金より
少なくとも良好な腐食抵抗を有するとともに、実質的に
改善されたクリープ抵抗を具えた、ニッケルベース超合
金を提供することである。このような超合金は、工業用
ガスタービンを製造するために、また、航空機用ガスタ
ービンの第２次（ｓｅｃ−ｏｎｄ　ｓｔａｇｅ）ブレー
ドを製造するために特に好適である。

課題を解決するための手段本発明によると、この目的は方向性凝固に適切で、以下
の重量３岨成を有する超合金によって達成される。

Ｃｏ（コバルト）　　　二　　〇〜　５　　％Ｃｒ（ク
ロム）：１３〜１６　　　％Ｗ　（タングステン）：　　０〜２　　％Ｍｏ（モリブ
デン）　　：　　２〜３．５％Ａｌ（アルミニウム）：
３．５〜４　　％Ｔｉ（チタン）　　　　・　　　　　
　３．５％Ｔａ（タンタル’）　　　　：３．５〜４　
　％Ｈｆ（ハフニウム）　　二　　〇〜　１　　％Ｃ（
炭素）　　　　　：　　　０〜６６０ｐｐｓＺｒ（ジル
コニウム）：　　　０〜１５０ｐｐｍＢ　（ホウ素）　
　　　：　　０〜ｌ　５０　ｐｐｍＮｉにニッケル）　
　　：残余　　　１００％迄上記組成において、単結晶
凝固に適切な合金は、Ｃｏ、Ｈｆ、Ｃ％Ｚｒ及びＢが事
実上０の時に得られる。

これと対照的に、合金は、その組成が下記のとき、柱状
粒の凝固に非常に好適である。

Ｃｏ（コバルト）　　　二　　〇〜　５　　％Ｃｒ（ク
ロム）　　　　：　　　　　１６　　％Ｍｏ（モリブデ
ン）　　：　　　　　３　　％Ａｌ（アルミニウム）＋
　　　　　　３．５％１”ｉ　（チタン）　　　　・　
　　　　　３．５％Ｔａ（タンタル）　　　・　　　　
　　３．５％１］ｆ（ハフニウム）　　：　　　　　１
　　％Ｃ（炭素）　　　　・　　　　６６０　ｐｐ＋＊
Ｚｒ（ジルコニウム）：　　　　　１５０ｐｐ腸Ｂ　（
ホウ素）　　　　　・１５０ｐｐｏ＋Ｎｉにニッケル）
　　　：残余　　　１００％迄また、本発明は、上記の
組成の超合金から製造されたガスタービンブレードを提
供する。

本発明の他の特徴及び効果は、以下の詳細な説明及び添
付図面から明らかになるであろう。

実　　　施　　　例本発明の５つの超合金は、添付の表１に示されたおおよ
その組成を有して製造された０重量濃度は、元素Ｃ，Ｚ
ｒ及びＢについてはｐｐｍ（ｐａｒｔｓｐｅｒ　ｍｉ　
Ｉ　ｌ　１ｏｎ）で、他の元素についてはパーセントで
表わされ、ニッケルが残余の１００％まで含まれる。

これらの合金は、フランス特許明ｍ書ＦＲ−Ａ−２５０
３１８８に開示されるように、了°相を溶融状態にして
再析出させるように熱処理を施された。温度及び処理時
間の長さは、当業者の知識の範（社）内で、合金の特性
が最適になるように、その時々に選択された。

上記のように、５Ｃ１６で示される合金が、　１２５０
’ｃで１時間加熱され、次いで、γ°相をｆａＵ＆状態
にするために空気中で冷却された。　５ＣＩＧ−２合金
は１２４５℃で１時間加熱され、次いで、空気中で冷却
された０合金５Ｃ１３−０は１２６０℃で２時間加熱さ
れ、次いで、その温度が１時間で１２７５℃に上げられ
、その温度が３時間維持された。その後、合金は空気中
で冷却された０合金Ｄ３１６−１及びＤＳ］、６−２は
、１１５０℃で３時間加熱され、次いで、その温度は１
時間かけて１２００℃に上げられ、その温度が２時間維
持された。その後、合金は空気中で２回目の冷却がおこ
なわれる前に、空気中で冷却され、次いで、１２００℃
で３時間再度加熱された。

これらの全ての合金において、γ°相は、１１００℃で
の４時間の加熱、及び８５０℃での２４時間の再加熱と
空気中での再冷却の前の空気中での冷却により再析出さ
せられた。この処理により、合金中に了°粒子の均一な
分散がもたらされた。そして、その粒子の大きさは０．
２ミクロン（μｍ）乃至０．８μ層の範囲であった。

また、表１は、各々の合金、その密度ｄ　（ｇ／ｃ＋ｍ
−タＮｖ（空孔の数）を詳細に示している。バラメハータＮｖは以下の式で定義され：Ｎｖ＝　０．６６Ｎｉ　＋１．７１ｃｏ　＋　２．６６
Ｆａ　＋　３．Ｇ６Ｍｎ十５．６６Ｖ　＋　６．６６Ｓ
ｉ　＋　９．６６（Ｍｏ＋Ｗ）ここに、元素記号は合金
組織中の対応する元素の原子濃度を表わしている。

従来周知のように、パラメータＮｖが２．４５より大き
い場合、合金は、長期間の使用においてその中に析出す
るシグマ相やミュー相のような寄生相（ｐａｒａｓｉｔ
ｉｃ　ｐｈａｓｅｓ）を有し、不安定であるという危険
がある０本発明の全ての合金は、２．４５より小さなＮ
ｖ値を有する。

表２は表１と類似のものであり、本発明の合金に近似す
る組成を有するが、それにもがかわらず本発明のものと
は異なるような合金に関するものである。

合金５Ｃ１３−２は、第２段階において温度が１２８０
℃に上げられたことを除いて、合金５Ｃ１３−０の場合
と同様に、γ゛相を溶融状態にするために熱処理を施さ
れた０合金ＳＣ］３−３は１２５０℃で２時間加熱され
、次いで、その温度が１時間以上かけて１２７０℃に上
げられ、その温度が３時間維持された。その後、合金は
空気中で冷却された。これらの双方の合金は、次いで、
表１の合金のものと同様に、析出処理を施された。

了°相の容積比率（ｖｏｌｕｍｅ　ｆｒａｃｔｉｏｎ）
は表１の合金のものより大きいことが表２かられかる。

このことは、組織中、すなわち、γ相中でＣｒ、ＭＯ及
びＷの濃度を増加させる。その結果、パラメータＮｖは
２．４５より大きく、これらの合金は不安定である。

第１図の曲線は、腐食抵抗試験に関し、合金ｌＮ７３８
の試料と合金５Ｃ１６の試料における各々の１ｉｎの変
化を双方に加えられた加熱サイクル（ｔｈｏｒ纏ａｌｃ
ｙｃ　Ｉｏｓ　）数を変数にして示したものである。各
々のサイクルは、８５０℃で１時間空気中に大気圧にお
ける維持と、大気圧における冷却とからなり、試料はＮ
ａ、、　３０４　　（０，５ａ＋ｇ　ｃｔａ−２で゛５
０時間毎に新しくされた。）を使用して汚された（ｃｏ
ｎｔａｍｉｎａｔｃ＋ｄ）。

最初の９００サイクルまでにおける双方の試料の挙動は
明らかな相違がなかった。双方とも重量が減少した。し
かし、その量は１平方センチメートル当り５ミリグラム
未満でしかない。このことは、腐食が僅かでしかないこ
とを示している。９００と１０００サイクルの間におい
て、この挙動は合金５Ｃ１６については変化しなかった
。ところが、合金ＩＮ　７３８はそのｆｆ１ｆｆｉが突
然増加を始めた。従って、合金５Ｃ１６は、従来公知の
単結晶合金と異なり、熱腐食特性に関してはＩＮ　７３
ｇより少なくとも同等であるようである。

表３乃至表６は、５Ｃ１６，５Ｃ１３−０，５Ｃ１３−
２及び５Ｃ１３−３における各々の熱グリープ試験の結
果を示している。第２図の曲線は、温度を変数として１
０００時間の破断応力シグマを、合金３Ｃ１６，５Ｃ１
３−０及びＤＳＩ６−２と、記号ＩＮ　７３８を有する
合金と、ＤＳ−ＭＡＲ−Ｍ２４７と呼ばれる他の従来の
合金とについて示すものである。ＤＳ−ＭＡＲ−Ｍ　２
４７は一般的に航空機用タービンに使用されるものであ
る。

合金ＤＳ−ＭＡＲ−Ｍ　２４７に関する曲線は合金ＩＮ
　７３８の曲線に対して約６０℃右にずれており、すな
わち、６０℃増加した温度に対応していることがわかる
。

しかし、ＤＳ　２４７は、その腐食抵抗が充分でないた
め、工業用タービンにおける用途には適切なものでない
。

本発明の合金３Ｃ１６はＳＤ　２４７に非常に似通った
クリープ特性を具えている０合金５Ｃ１６は合金ＩＮ　
７３８より、約３０℃（８００℃ではなく８３０℃）乃
至５０℃（９００℃ではなく９５０℃）にも及ぶ温度改
善性をもたらす、　ＤＳ１６−２によって得られる改善
性は、本発明によるものではなく、かなり小さい。

表３及び表５を比較すると、その不安定性のため、合金
５Ｃ１３−２の延性が小さくなっていること（８５０℃
３５０Ｍｒ’ａにおいて、１７．８％ではなく　１．６
％）がわかる。

１Ｂ＋６１７．８１１．０１７．９１９．５１１．５１７．２

【図面の簡単な説明】

第１図は、熱腐食試験において、本発明による合金の試
料と合金ＩＮ　７３８の試料とのｆｆ１ｆｆｉの変化を
示すグラフである。第２図は、温度を変数とした場合の、種々の合金のグリ
ープ抵抗の変化を示すグラフである。＞２０８８１５．９〉１．３１４．４１１．０１３．５１．６６．５１２．０重量変化（■、ｃｍ−２１

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量による組成が、Ｃｏ（コバルト）：０〜５％Ｃｒ（クロム）：１３〜１６％Ｗ（タングステン）：０〜２％Ｍｏ（モリブデン）：２〜３．５％Ａｌ（アルミニウム）：３．５〜４％Ｔｉ（チタン）：３．５％Ｔａ（タンタル）：３．５〜４％Ｈｆ（ハフニウム）：０〜１％Ｃ（炭素）：０〜６６０ｐｐｍＺｒ（ジルコニウム）：０〜１５０ｐｐｍＢ（ホウ素）：０〜１５０ｐｐｍＮｉ（ニッケル）：残余１００％迄であることを特徴とする、方向性凝固、特に、工業用ガ
スタービン部品に適した、ニッケルベース超合金。
（２）単結晶凝固に適し、Ｃｏ（コバルト）、Ｈｆ（ハ
フニウム）、Ｃ（炭素）、Ｚｒ（ジルコニウム）及びＢ
（ホウ素）を実質的に含まないことを特徴とする、請求
項１記載の超合金。
（３）重量による組成が、Ｃｏ（コバルト）：１６％Ｍｏ（モリブデン）：３％Ａｌ（アルミニウム）：３．５％Ｔｉ（チタン）：３．５％Ｔａ（タンタル）：３．５％Ｎｉ（ニッケル）：残余１００％迄であることを特徴とする、請求項２記載の超合金。
（４）重量による組成が、Ｃｒ（クロム）：１６％Ｗ（タングステン）：２％Ｍｏ（モリブデン）：２％Ａｌ（アルミニウム）：３．５％Ｔｉ（チタン）：３．５％Ｔａ（タンタル）：３．５％Ｎｉ（ニッケル）：残余１００％迄であることを特徴とする、請求項２記載の超合金。
（５）重量による組成が、Ｃｏ（コバルト）：１３％Ｍｏ（モリブデン）：３．５％Ａｌ（アルミニウム）：４％Ｔｉ（チタン）：３．５％Ｔａ（タンタル）：４％Ｎｉ（ニッケル）：残余１００％迄であることを特徴とする、請求項２記載の超合金。
（６）重量による組成が、Ｃｏ（コバルト）：０〜５％Ｃｒ（クロム）：１６％Ｍｏ（モリブデン）：３％Ａｌ（アルミニウム）：３．５％Ｔｉ（チタン）：３．５％Ｔａ（タンタル）：３．５％Ｈｆ（ハフニウム）：１％Ｃ（炭素）：６６０ｐｐｍＺｒ（ジルコニウム）：１５０ｐｐｍＢ（ホウ素）：１５０ｐｐｍＮｉ（ニッケル）：残余１００％迄であり、柱状粒の凝固に適していることを特徴とする、
請求項１記載の超合金。
（７）実質的にＣｏ（コバルト）を含まないことを特徴
とする、請求項６記載の超合金。
（８）約５％のＣｏ（コバルト）を含むことを特徴とす
る、請求項６記載の超合金。
（９）請求項１から８までのいずれかに記載された超合
金を使用して製造されたガスタービンブレード。