JPH07224337A - 耐熱鋳造Co基合金およびそれを用いたガスタービン静翼 - Google Patents

耐熱鋳造Co基合金およびそれを用いたガスタービン静翼

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JPH07224337A
JPH07224337A JP1713094A JP1713094A JPH07224337A JP H07224337 A JPH07224337 A JP H07224337A JP 1713094 A JP1713094 A JP 1713094A JP 1713094 A JP1713094 A JP 1713094A JP H07224337 A JPH07224337 A JP H07224337A
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JP
Japan
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heat
based alloy
gas turbine
resistant cast
less
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JP1713094A
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English (en)
Inventor
Yoichi Tsuda
陽一 津田
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高温強度及び疲労強度に優れた耐熱鋳造Co
基合金及びそれを用いたガスタービンの静翼材を得るこ
とである。 【構成】 本発明の耐熱鋳造Co基合金は、重量比で、
C:0.05〜0.45%,Ni:5〜15%,Cr:15〜30%,
W:3〜10%,Re:1〜5%,Ti:0.01〜1%,N
b:0.01〜1%,Zr:0.01〜1%,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。また、記載の耐
熱鋳造Co基合金を用いて、精密鋳造により製造する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高温強度及び疲労強度に
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基合金およ
びそれを用いたガスタービン静翼に関する。
【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
動停止が頻繁となるため、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になり、各
部材の構成材料に対しては非常に過酷な環境となる。
【0003】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。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、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。
【0005】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
温強度及び疲労強度に優れた耐熱鋳造Co基合金および
それを用いたガスタービン静翼を提供することを目的と
する。
【0006】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは上
述の目的に合致するような、高温強度はもちろんのこ
と、特に疲労強度に優れた材料を開発すべく研究を行っ
た結果、本発明に至ったものである。
【0007】すなわち本発明は、重量比で、C:0.05〜
0.45%,Ni:5〜15%,Cr:15〜30%,W:3〜10
%,Re:1〜5%,Ti:0.01〜1%,Nb:0.01〜
1%,Zr:0.01〜1%,Si:1%以下,Mn:1%
以下,Fe: 1.5%以下を含み、更に必要に応じてT
a:1〜5%,Hf: 0.5〜5%,B: 0.1%以下、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ことを特徴とす
る耐熱鋳造Co基合金を与えるものである。
【0008】
【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という知見を得たのである。
【0009】次に本発明の耐熱鋳造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)C Cは素地に固溶するほか、Cr,W,Ti,Nb,Z
r,Ta及びHf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0.45%を超えて含有させると疲労強度を低下さ
せるので、その含有量を0.05〜0.45%とした。 (b)Ni Niは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)Cr Cr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)W W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)Re Re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)Ti,Nb,Zr Ti,Nb,ZrはそれぞれCと結合してMC型炭化物
を形成し、粒界・粒内に均一に分散析出して、高温強度
向上及び疲労強度向上を寄与する。特に複合して添加し
た場合にこの効果が大きいが、Ti,Nb,Zrそれぞ
れの添加量が0.01%未満では所望の効果が得られず、一
方それぞれ1%を超えて含有させると、炭化物が過度に
粒界に析出して逆に疲労強度を低下させるので、それぞ
れの含有量を0.01〜1%とした。 (g)Si Si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。 (h)Mn Mn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。 (i)Ta,Hf Ta,Hf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。Taは1%未満、Hfは 0.5%未満で
は高温強度向上の効果が得られず、一方それぞれ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1〜5%、 0.5〜5%
とした。 (j)B B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。 (k)Al Alは鋳造中に中子の表面にAl23 の皮膜を形成
し、中子中に含まれる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。
【0010】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。
【0011】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。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
ストワー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FS
X414 及びMar−M509 という各称で、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。
【0012】
【表1】
【0013】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。
【0014】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は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。
【0015】
【表2】
【0016】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。
【0017】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。
【0018】
【発明の効果】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 (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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
    %,Ti:0.01〜1%,Nb:0.01〜1%,Zr:0.01
    〜1%,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。
  2. 【請求項2】 重量比で、Ta:1〜5%,Hf: 0.5
    〜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。
  3. 【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に記載の耐熱鋳造Co
    基合金。
  4. 【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乃至請求項3に記載の耐熱鋳造
    Co基合金。
  5. 【請求項5】 請求項1乃至請求項4に記載の耐熱鋳造
    Co基合金を用いて、精密鋳造により製造することを特
    徴とするガスタービン静翼。
JP1713094A 1994-02-14 1994-02-14 耐熱鋳造Co基合金およびそれを用いたガスタービン静翼 Pending JPH07224337A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6077615A (en) * 1997-10-20 2000-06-20 Hitachi, Ltd. Gas turbine nozzle, power generation gas turbine, co-base alloy and welding material
US20170241287A1 (en) * 2016-02-19 2017-08-24 Seiko Epson Corporation Metal powder for powder metallurgy, compound, granulated powder, sintered body, and heat resistant component
US11498123B2 (en) 2015-01-08 2022-11-15 Seiko Epson Corporation Metal powder for powder metallurgy, compound, granulated powder, sintered body, and ornament

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