JPH0255492B2

JPH0255492B2 -

Info

Publication number: JPH0255492B2
Application number: JP56068136A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Kagohara; Hiroshi Fukui
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-05-08
Filing date: 1981-05-08
Publication date: 1990-11-27
Also published as: JPS57185946A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は新規なガスタービン用ノズルに関す
る。従来、ガスタービン用ノズルは炭化物析出強化
型のCo基合金によつて製造されている。ガスタービン用ノズルは、ガスタービンの起動
及び停止によつて急速な加熱及び冷却の繰返しを
受けるので、そのノズルに使用される材料はサー
マルシヨツク及び熱疲労に優れていることが要求
される。前述のCo基合金は、その一例として、特公昭
43−1267号公報に知られている。その合金組成
は、重量でC0.1〜0.60％，W6.0〜8.0％，Ni9.3〜
11.5％，B0.050％以下、Fe6.0％以下、Cr27.0〜
35.0％，残部が本質的にCcからなるものである。
ガスタービン用ノズルはこの組成を有する合金を
用いて精密鋳造され、次いで溶体化処理及び時効
処理されている。このものの組織は、オーステナ
イト基地に、共晶炭化物とこの共晶炭化物及び粒
界付近に析出した二次炭化物とが分散したもので
ある。しかし、この合金は、二次炭化物が共晶炭
化物及び粒界付近に集中的に存在し、また使用中
の加熱を受けて二次炭化物がさらに過剰な析出と
なり、延性が急激に低下し、加熱脆化を受ける。ガスタービン用ノズルは上述の如く急速な加熱
と冷却の繰返によるサーマルシヨツク及び熱疲労
を受けるので、割れが発生する可能性が高い。そ
して合金の延性の低下は割れ発生の可能性をさら
に高める結果となる。加熱脆化したガスタービン用ノズルは万一割れ
が発生した部分を溶接補修しようとしても溶接熱
影響部に溶接割れが発生し易く、溶接が困難であ
る。未使用のガスタービン用ノズルでも二次炭化物
が粒界に集中して析出しているため鋳造欠陥を補
修する場合にも溶接割れが発生し易く、溶接が困
難である。このような二次炭化物の集中的な析出は強度が
低く、さらに加熱によつて凝集し粗大となり易い
ので、一層強度低下を招き、前述の割れ発生の可
能性が高い。本発明の目的は、割れ発生の可能性の低いガス
タービン用ノズルを提供するにある。本発明は、翼部及び該翼部両端に一対のサイド
ウオールが一体に構成されているガスタービン用
ノズルにおいて、該ノズルは重量で、C0.05〜１
％、Si2％以下、Mn2％以下、Cr20〜40％、
B0.0005〜0.1％、Ｗ及びMoの１種以上５〜15％
を含有し、残部がニツケル及びコバルトの１種以
上である合金からなり、該合金中に粒径が10μm
以下及び含有量が0.01〜５体積％であるシリコン
酸化物粒子が均一に分散していることを特徴とす
るガスタービン用ノズルにある。シリコン酸化物粒子は高温で晶出及び析出する
晶出物及び析出物の核として作用し、シリコン酸
化物粒子の囲りに分散形成させる働きがあり、粒
界への集中した形成を防止する。そのため、晶出
物及び析出物の均一な分散が得られ、サーマルシ
ヨツク及び熱疲労による割れ発生が防止される。
その含有量は、晶出物及び析出物の集中的な形成
を効果的に防止するのに0.01体積％以上とする。
多量なほどその分散強化による高温強度を向上さ
せるが、延性が低下し、サーマルシヨツク及び熱
疲労性を損う恐れがあるので、５体積％以下とす
る。シリコン酸化物粒子の粒径は小さい方がより好
ましく、10μm以下とする。10μmを越えると、そ
れ自身が欠陥になり、応力集中の場となつて割れ
発生の起点となる可能性が考えられる。特に、本
発明は重量で、C0.05〜１％，Cr20〜40％，
B0.0005〜0.1％，Ｗ及びMoの１種以上５〜15％
を含み、残部がニツケル及びコバルトの１種以上
である鋳物からなり、その基地が主にオーステナ
イト組織であり、共晶炭化物及び二次炭化物を有
することが好ましい。さらに、本発明は炭化物と
してMC型炭化物形成元素であるTi，Nb，Ta，
Ｖ，Hf及びZrの１種以上を0.05〜２重量％を含
むものである。ガスタービン用ノズルは、精密鋳造によつて製
造され、鋳物が高クリープ破断強度を有するので
好ましく、その製造後、非酸化性雰囲気中での溶
体化処理及び時効処理が施されるのがよい。シリコン酸化物粒子は、溶湯中への添加撹拌、
噴射添加法によつて分散させることができるが、
特に溶湯中に酸素等の酸化性ガスを吹き込んで行
う内部酸化法によつて行うことが微細な非金属粒
子を均一に分散させることができるうえで好まし
い。以下、本発明に係る合金組成の限定理由を説明
する。 C0.05〜１重量％Ｃは、共晶炭化物及び二次炭化物を形成し、ガ
スタービン用ノズルに高温における十分なクリー
プ破断強度を確保させるために0.05％以上含有さ
せ、逆に１％以上含有させることは必要以上の過
剰な共晶炭化物及び二次炭化物を形成し、高温強
度を低め、またサーマルシヨツクに対する耐割れ
性を低める可能性がある。共晶炭化物を形成させ
るには、0.2％以上含有させることが好ましい。
より好ましくは、0.2〜0.5％が好ましい。 Cr20〜40重量％ Crは、炭化物を形成させてガスタービン用ノ
ズルに高温における十分なクリープ破断強度と、
その高温における十分な耐酸化性及び耐食性を付
与させるために20％以上含有させることが好まし
い。逆に、40％を越えると高温で長時間加熱され
てσ相が形成され易く脆化し易くなるとともに高
温強度を低める可能性があるので、40％以下とす
る。特に、25〜30％が好ましい。 B0.0005〜0.1重量％Ｂは、高温強度及び延性を向上させる元素で
0.0005％以上含有させ、逆に多すぎると粗大な硼
化物が形成され強度及び延性を低め、溶接性を低
める傾向があるので、0.1％以下とする。特に、
0.005〜0.01％が好ましい。 Mo及びＷの１種以上５〜15重量％ Mo及びＷは合金の基地を強化し、高温強度を
高める元素で、５％以上含有させる。逆に15％以
上の添加は高温延性を低めサーマルシヨツクによ
る耐割れ性を低める傾向があるので、15％以下と
する。また、これらの複合添加の総量を５〜15％
とすることが好ましい。 MC型炭化物形成元素0.05〜２重量％ MC型炭化物形成元素には、Ti，Nb，Zr，
Hf，Ta，Ｖがあり、これらの元素はそれ自身が
炭化物を形成して強化する作用よりも、二次炭化
物Cr₂₃C₆）の成長を抑制することによつて高温強
度の向上に寄与するもので、0.05％以上含有させ
る。逆に、２％以上含有させることは粗大な初晶
炭化物として晶出する傾向があり、さらに強化に
寄与する二次炭化物の析出量が低下し強度を低め
る傾向があるので、２％以下とする。特に、各元
素を１種又は２種以上でその総量を0.1〜0.5％と
することが好ましい。 Si及びMn2重量％以下 Si及びMnは溶製に際し、脱酸剤として添加さ
れるもので、２重量％以下添加される。溶製にあたり、溶湯中に必要に応じAl，Ca，
Mg等の脱酸剤を加えることができる。脱酸に当
り、Al，Ca及びMg等の強力な脱酸剤は0.05％以
下が好ましい。第１図は、本発明に係わるガスタービン用ノズ
ルの一例を示す１セグメントの斜視図である。こ
のセグメントは翼部１を５ケ有し、サイドウオー
ル２に一体鋳造された状態で一体化されたもので
ある。翼部１はその冷却用のガス冷却送入孔３が
サイドウオール２を通して設けられ、さらに冷却
孔４が設けられている。このセグメントが複数個
リング状に連結されてガスタービン用ノズルが構
成される。この例では５ケの翼部が一体鋳造され
たものであるが、３ケ又は１ケのものもある。実施例表は試験に供した試料の化学組成（重量％）を
示すものである。No.１及びNo.２は酸化物を含有し
ない従来合金であり、No.３〜No.８はシリコン酸化
物を分散させた本発明の合金である。酸化物は体
積％で

【表】ある。これらの合金は、いずれも大気溶解し、直径15
mm×長さ70mmの棒に精密鋳造したものである。本
発明合金は大気溶解した溶湯中に、種々の圧力
と、15秒〜２分間の吹込み時間との酸素吹込み条
件を変えて実験を行つた結果から、最も好ましい
条件として0.5Kg／cm²の圧力で、約１分間数c.c.の
酸素を吹き込んだものである。得られた鋳物はいずれも1150℃で４時間加熱後
炉冷する溶体化処理し、次いで980℃で４時間加
熱後空冷する時効処理を行つた。第２図は、前述の熱処理したままで、研摩した
ままの400倍の各試料の断面の顕微鏡写真であり、
(a)が酸化物のないNo.１及び(b)が酸化物を分散させ
たNo.３である。図に示す如く、本発明の合金は粒
径約2.5μm以下のSiの酸化物がほゞ均一に分散し
ていた。第３図は、第２図のものをエツチングした顕微
鏡写真を示すものである。図に示す如く、本発明
のものはその二次炭化物が従来のものが粒界及び
共晶炭化物近傍に集中的に析出しているのにくら
べ粒内にも析出して全体的に析出していることが
わかる。第４図は、982℃でのクリープ破断試験結果を
示す線図である。図中（）内の数字はクリープ
破断試験後の絞り率（％）である。図に示す如
く、本発明のNo.３は、従来ノズルに使用されてい
るCo基合金No.１にくらべ格段に強度が優れてい
ることが認められる。従来ノズルのNo.１の1000時
間破断強度が2.6Kg／mm²であるのに対し、本発明
のNo.３のそれは3.7Kg／mm²と、従来のものより
1.42倍高い。また、従来ノズルのクリープ破断絞
り率が４〜５％であるのに対し、本発明のものは
13〜19％と、従来のものより約3.5倍高い。また、
本発明のもののクリープ破断線図の勾配が緩やか
であり、明らかに加熱脆化しにくいことが認めら
れる。第５図は、982℃での加熱と水中冷却との繰返
しによるサーマルシヨツク試験を行い、試料表面
に形成されたクラツク長さとその数との関係を示
す線図である。試料の大きさは直径10mm、長さ10
mmで、その表面を〓〓に仕上げたものである。１
サイクルを６分とし、その繰返しを300回行つた。
図に示す如く、従来ノズルに用いられているCo
基合金No.１より本発明のNo.３，No.５〜No.８及び従
来のNi基合金のNo.２より本発明のNo.４の方がい
ずれもクラツク数が少なくまた最大のクラツク長
さが短く、サーマルシヨツクに対する耐割れ性が
優れていることが認められる。溶接補修の観点から溶接性について982℃で
1000時間加熱後のTIG溶接により共金による多層
肉盛溶接を行つた結果、No.１の従来Co基合金に
はその熱影響部に割れが認められたが、本発明の
No.３には割れが認められなかつた。以上の如く、本発明によれば、二次炭化物等の
高温で形成される析出物が基地中に分散させたシ
リコン酸化物粒子を核としてその周辺に分散して
形成され、また晶出物（例えば共晶炭化物）も同
様にシリコン酸化物粒子の周辺に形成されるので
その周辺に分散して形成されることから、これら
の析出物及び晶出物の集中的な存在が防止され
る。従つて、高温における延性が向上し、クリー
プ破断強度及び耐熱衝撃性が顕著に改善され、長
寿命のガスタービン用ノズルが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わるガスタービン用ノズル
の一例を示す斜視図、第２図は合金の研摩したま
まの断面顕微鏡写真、第３図はエツチングしたも
のの合金の断面顕微鏡写真、第４図はクリープ破
断試験結果を示す線図、及び第５図はサーマルシ
ヨツク試験結果を示す線図である。１……翼部、２……サイドウオール、３……ガ
ス冷却送入孔、４……冷却孔。

Claims

【特許請求の範囲】１翼部及び該翼部両端に一対のサイドウオール
が一体に構成されているガスタービン用ノズルに
おいて、該ノズルは重量で、C0.05〜１％、Si2％
以下、Mn2％以下、Cr20〜40％、B0.0005〜0.1
％、Ｗ及びMoの１種以上５〜15％を含有し、残
部がニツケル及びコバルトの１種以上である合金
からなり、該合金中に粒径が10μm以下及び含有
量が0.01〜５体積％であるシリコン酸化物粒子が
均一に分散していることを特徴とするガスタービ
ン用ノズル。２翼部及び該翼部両端に一対のサイドウオール
が一体に構成されているガスタービン用ノズルに
おいて、該ノズルは重量で、C0.05〜１％、Si2％
以下、Mn2％以下、Cr20〜40％、B0.0005〜0.1
％、Ｗ及びMoの１種以上５〜15％及びTi，Nb，
Zr，Hf，Ta及びＶから選ばれるMC型炭化物形
成元素0.05〜２％を含有し、残部がニツケル及び
コバルトの１種以上である合金からなり、該合金
中に粒径が10μm以下及び含有量が0.01〜５体積
％であるシリコン酸化物粒子が均一に分散してい
ることを特徴とするガスタービン用ノズル。