JPH0770683A

JPH0770683A - ガスタービン用耐熱鋳造Ｃｏ基合金

Info

Publication number: JPH0770683A
Application number: JP21662593A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Tsuda; 陽一津田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1993-08-31
Publication date: 1995-03-14

Abstract

(57)【要約】【目的】高温強度及び長時間安定性に優れる。【構成】重量％で、C:0.45〜0.8 ％、Ni:5〜15％、C
r: 15〜30％、W: 3〜10％、Re:1〜5 ％、Ti:0.01 〜1
％、Nb:0.01 〜1 ％、Si:1％以下、Mn:1％以下、Fe:1.5
％以下を含有し、残部はCo及び不可避的不純物からな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温強度及び長時間安
定性に優れたガスタービンの静翼材用耐熱鋳造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とを組み合
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て、熱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になる
と考えられている。このコンバインドサイクル発電プラ
ントのプラント効率を更に向上させるために、ガスター
ビンの入口ガス温度を上昇させる研究開発が、最近進め
られている。入口ガス温度の上昇に対しては使用部材の
冷却の強化、あるいはより高温強度の高い部材を使用す
るなどの対策があるが、冷却の強化は熱効率の低下をま
ねくため、より高温強度及び長時間安定性に優れた部材
が求められている。

【０００３】従来、高温雰囲気にさらされるガスタービ
ンの静翼等の静止部材には、例えばＦＳＸ４１４または
Ｍａｒ−Ｍ５０９という名称の各種耐熱鋳造Ｃｏ基合金
が使用されている。このようなＣｏ基合金は、高温強
度、成形性及び溶接性が他の耐熱合金類に比較して優れ
ており、従来のガスタービン静翼材として使用されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ガスタ
ービンが更に高温・高効率化に向かうと、従来のＣｏ基
合金では、高温強度が不足するため、ガスタービン静翼
のクリープ変形が生じるという問題がある。

【０００５】また、Ｃｏ基合金は高温環境下にさらされ
ると炭化物が析出して延性・じん性が低下するという特
性を有しているが、ガスタービンが高温化するに伴いこ
の特性劣化も著しくなり、飛来物に対する抵抗や熱疲労
に対する抵抗が低下するとの問題がある。

【０００６】本発明はこのような課題に対処するために
なされたもので、高温化されたガスタービンに好適な高
温強度及び長時間安定性に優れた静翼材用耐熱鋳造Ｃｏ
基合金を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明の第 1の
ガスタービン用耐熱鋳造Ｃｏ基合金は、重量％で、C:0.
45〜0.8 ％、Ni:5〜15％、Cr: 15〜30％、W: 3〜10％、
Re:1〜5 ％、Ti:0.01 〜1 ％、Nb:0.01 〜1 ％、Si:1％
以下、Mn:1％以下、Fe:1.5％以下を含有し、残部はCo及
び不可避的不純物からなることを特徴とする。

【０００８】本発明の第 2のガスタービン用耐熱鋳造Ｃ
ｏ基合金は、上述のＣｏ基合金であって、Ｃｏ基合金全
体に対する重量％で、Ta:1〜5 ％およびHf:0.5〜5 ％の
少なくとも 1種以上を更に含有し、残部はCo及び不可避
的不純物からなることを特徴とする。

【０００９】本発明の第 3のガスタービン用耐熱鋳造Ｃ
ｏ基合金は、上述の第 1または第 2のＣｏ基合金であっ
て、Ｃｏ基合金全体に対する重量％で、B:0.1 ％以下を
更に含有し、残部はCo及び不可避的不純物からなること
を特徴とする。

【００１０】本発明の第 4のガスタービン用耐熱鋳造Ｃ
ｏ基合金は、上述の第 1、第 2または第 3のＣｏ基合金
であって、Ｃｏ基合金全体に対する重量％で、Al:0.05
〜0.5 ％を更に含有し、残部はCo及び不可避的不純物か
らなることを特徴とする。

【００１１】本発明は、各成分を上述の組成範囲に限定
することにより、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すガスタービン用耐熱鋳造Ｃｏ基
合金を見出だしたことに基づくものである。また本発明
のＣｏ基合金をガスタービンの静翼材として使用する
と、より高温化された過酷なガスタービン環境下におい
ても著しく長期にわたって優れた性能を発揮することを
見出だしたことに基づくものである。

【００１２】以下、本発明のガスタービン用耐熱鋳造Ｃ
ｏ基合金を形成する各成分の組成範囲を限定する理由に
ついて説明する。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％とする。Cは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0.45％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0.45〜0.8 ％とした。

【００１３】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蝕・耐
酸化性を低下させるので、その含有量を 5〜 15 ％とし
た。

【００１４】Crは Cと結合して炭化物を形成し、主強化
層として高温強度を向上させ、更に優れた高温耐蝕・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。

【００１５】Wは Cと結合して炭化物を形成し、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。

【００１６】Reはオーステナイト素地に固溶してこれを
強化し、更に高温環境下で合金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。

【００１７】Ti及びNbはともに Cと結合してＭＣ型炭化
物を形成し、結晶粒内及び結晶粒界に均一に析出して、
高温強度向上及び疲労強度向上に寄与する。特に複合し
て添加した場合にこの効果が大きいが、Ti及びNb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。

【００１８】Siは一般に脱酸材として加えるが、その含
有量が 1.0％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 1.0％以下とした。

【００１９】MnはSiと同様に脱酸材として加えるが、そ
の含有量が 1.0％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 1.0％以下とした。

【００２０】Ta及びHfはともに Cと結合してＭＣ型炭化
物を形成し、主に結晶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。

【００２１】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、これらのより優れた特性を必
要とする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。

【００２２】Alは鋳造中に中子の表面にAl₂Ｏ₃の被膜
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加えることが好ましい。0.05
％未満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。

【００２３】上記成分ならびに主成分であるCoを添加す
る際に不可避的に含まれる不純物は極力低減することが
望ましい。

【００２４】本発明のガスタービン用耐熱鋳造Ｃｏ基合
金は、上述の各素材金属を真空又は大気圧下で溶解、精
練し、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。

【００２５】

【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。供試
材として用いた14種類のガスタービン用耐熱鋳造Ｃｏ基
合金の化学組成を表１に示す。このうち供試材No.1から
供試材No.12 は本発明のＣｏ基合金の化学組成範囲の鋼
であり、供試材No.13 及び供試材No.14 は本発明のＣｏ
基合金の化学組成範囲に当てはまらない比較材である。
すなわち、供試材No.13 はＦＳＸ４１４という名称で、
供試材No.14 は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耐熱鋳造Ｃｏ基合
金である。供試材No.1から供試材No.12 及び供試材No.1
4 は鋳造後そのまま試験に供した。一方、供試材No.13
は鋳造後に 1149 ℃× 4時間の溶体化処理後、 982℃×
4時間の時効処理（炉冷）の熱処理を行って試験に供し
た。

【００２６】

【表１】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２に示す。

【００２７】

【表２】まず比較合金である供試材No.13 と供試材No.14 とを比
較する。室温においては、両者の引張強さはほぼ同等で
あるが、0.2%耐力は供試材No.14 が高い。また850℃に
おいては、引張強さ及び0.2%耐力とも供試材No.14 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No.13 が高い。クリープ破断試験の破断時間
は供試材No.14 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No.13 は高温強度はさほどではな
いもの延性が優れる合金であり、一方、供試材No.14 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。

【００２８】次に本発明合金と比較合金とを比較する。
室温及び 850℃における引張試験においては本発明合金
である供試材No.1〜供試材No.12 は、引張強さ及び0.2%
耐力とも低強度の比較合金である供試材No.13 を上回
り、高強度の比較合金である供試材No.14 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No.14 を上回り、
高延性の比較合金である供試材No.13 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No.1〜供試材No.12 は、いずれも破断時間が高
強度の比較合金である供試材No.14 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N
o.13 とほぼ同等である。さらに、Ta及び／またはHfを
含有する供試材No.3〜供試材No.5、供試材No.7、供試材
No.8、供試材No.11 及び供試材No.12 は、Ta及び／また
はHfを含有しない本発明の供試材に比較して、クリープ
破断試験において特に優れた破断時間を示しており高温
強度が向上している。

【００２９】以上の結果から、本発明合金である供試材
No.1〜供試材No.12 は、高強度の比較合金である供試材
No.14 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No.13 と同等の延性を有すること
がわかる。

【００３０】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３に示す。

【００３１】

【表３】まず比較合金である供試材No.13 と供試材No.14 とを比
較する。供試材No.13は、加熱時効処理により引張強
さ、0.2%耐力及び吸収エネルギーが僅かに低下し、引張
破断伸びが僅かに向上するものの、その変化は小さい。
一方、供試材No.14 は、加熱時効処理により引張強さ及
び0.2%耐力が向上し、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No.13 は長時間安定
性に優れる合金であり、供試材No.14 は逆に長時間安定
性に乏しい合金である。

【００３２】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No.1〜供試材No.12 は、いずれ
も加熱時効処理により引張強さ及び0.2%耐力が向上す
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No.13 と同等の長時間安定
性を有している。さらに、 Bを含有する供試材No.6〜供
試材No.8および供試材No.12 は加熱時効処理後の伸びも
高く高温強度向上及び延性向上に寄与している。すなわ
ち、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、本発明合金は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。また、表２及び表３に示すようにAlを含有しない
本発明の他の供試材と比較して、Alを含有する供試材N
o.9〜供試材No.12 は特性の差はないものの、表面層に
微小なクラックなど生成していなく鋳造性に優れてい
た。

【００３３】

【発明の効果】本発明のガスタービン用耐熱鋳造Ｃｏ基
合金は、請求項１記載の化学組成範囲に適合するので、
従来のガスタービンの静翼材に使用されている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。

【００３４】また、請求項２記載のガスタービン用耐熱
鋳造Ｃｏ基合金は、請求項１記載のガスタービン用耐熱
鋳造Ｃｏ基合金にTa:1〜5 ％およびHf:0.5〜5 ％の少な
くとも 1種以上を更に含有するので、特に高温強度がよ
り向上している。

【００３５】また、請求項３記載のガスタービン用耐熱
鋳造Ｃｏ基合金は、上述のＣｏ基合金にB:0.1 ％以下を
更に含有するので、特に高温強度及び延性が向上してい
る。

【００３６】さらに、請求項４記載のガスタービン用耐
熱鋳造Ｃｏ基合金は、上述のＣｏ基合金にAl:0.05 〜0.
5 ％を更に含有するので、優れた高温強度及び延性特性
を損なうことなく鋳造性が大幅に向上している。

【００３７】以上の結果、本発明のガスタービン用耐熱
鋳造Ｃｏ基合金をガスタービンの静翼材として使用すれ
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。

【００３８】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、C:0.45〜0.8 ％、Ni:5〜15
％、Cr: 15〜30％、W:3〜10％、Re:1〜5 ％、Ti:0.01
〜1 ％、Nb:0.01 〜1 ％、Si:1％以下、Mn:1％以下、F
e:1.5％以下を含有し、残部はCo及び不可避的不純物か
らなることを特徴とするガスタービン用耐熱鋳造Ｃｏ基
合金。
【請求項２】請求項１記載のガスタービン用耐熱鋳造
Ｃｏ基合金であって、Ｃｏ基合金全体に対する重量％
で、Ta:1〜5 ％およびHf:0.5〜5 ％の少なくとも 1種以
上を更に含有するガスタービン用耐熱鋳造Ｃｏ基合金。
【請求項３】請求項１または請求項２記載のガスター
ビン用耐熱鋳造Ｃｏ基合金であって、Ｃｏ基合金全体に
対する重量％で、B:0.1 ％以下を更に含有するガスター
ビン用耐熱鋳造Ｃｏ基合金。
【請求項４】請求項１、請求項２または請求項３記載
のガスタービン用耐熱鋳造Ｃｏ基合金であって、Ｃｏ基
合金全体に対する重量％で、Al:0.05 〜0.5％を更に含
有するガスタービン用耐熱鋳造Ｃｏ基合金。