JPS5976839A - 耐熱性複合部材の製法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は新規な耐熱性複合合金部材に係シ、特にガスタ
ービン用ブレード及びノズルに好適な部材に関する。

〔従来技術〕

従来、ガスタービン用耐熱部品である動翼、静翼、燃焼
器は全体が同一組成で、普通溶解にょシ製造された多結
晶の耐′熱合金の一体品からなる。

動翼は、第１図に示すように翼部１、シャンク部２、ダ
ブテイル部３全体が、真空溶解で精密鋳造されたｒ′相
析出強化型のＮｔ基耐熱合金によって構成されている。

〔従来技術の問題点〕

近年ガスタービンの品効率化にともない動翼の使用温度
の上昇が不可欠になづたが、従来の真空溶解−精密鋳造
による多結晶のＮｉ基合金では高温強度が不足し、ガス
タービンを高温化することができない。この問題ｔ」、
静諷や、燃焼器でも同じである。これ全解決する方法と
して、ガスタービン部品を空気またｔま水冷却して部品
のメタル温度を下げ、ガスタービン全高温化することが
行われている。この冷却法はある程度の効果はあるが、
冷却媒体量が余り多くなるとガス温度を下げることにな
シ、かえって熱効率を低下させる。、！、た、燃焼器で
は表面に遮熱コーティング合流しメタル温度を下げるこ
とによっである程度の高温化が達成されている。しかし
、冷却法及び遮熱コーティングのいずれも高温化できる
温度はせいぜい数十Ｃ程度であり、ガス温度１３００〜
１５００ｃとする高温ガスタービンを達成するにはこれ
だけでは不十分である。

壕だ、合金によって解決することが行なわれている。−
例として、酸化物分散強化合金は、８５０Ｃ以上での強
度低下が耐熱合金に較べて著しく小さい上に、耐熱疲労
性、耐酸化性及び耐硫化腐食性も優れており、高温ガス
タービン部品に非常に有望で、近年特に注目されている
。既にジェットエンジンの一部に採用されている。この
酸化物分散強化合金は、製造工程が複雑多岐なため、特
に大型構造物となる発電用ガスタービン部品では、その
製造がきわめて困難である。

〔発明の概費〕

（発明の目的） 本発明の目的は、接合部の強度低下が少なく、よシ高温
で使用可能な、耐熱性複合合金部材とその製法を提供す
るにある。

（発明の要点） 本発明は、酸化物分散強化合金部、材、繊維強化合金部
材、一方向凝固合金部材及び単結晶金属部材の１種から
なる超合金部材と該超合金部材以外の１．１熱合金部材
とが、これらの合金部材と合金化して該合金部材の融点
より低い融点を形成する金属を介在させた拡散接合させ
て複合部材であって、前記超合金部材の接合部は接合前
の組織が維持されていることを％徴とする。

発明者らは、ガスタービン用ブレードの使用状態での温
度ｆｃ調べた結果、最高温度と最低温度との間に数百Ｃ
の温度勾配を有することを見い出した。例えば、ガス温
度がｌ１００Ｃの場合、動板の翼部先端で９２０１？、
ダプテイル部で約４００Ｃであシ、更に翼部先端におい
てリーデングエツヂ部はトレーリングエッヂ部ｘシ約１
５０ｔ？＾いことを見い出した。このことから、発明者
らは、メタル温度が前述の超合金部材以外の使用温度を
越えるのは動翼において翼部先端の一部であり、それ以
外は超合金部材以外の従来使用耐熱合金が十分に使用で
きる点に着目した。そのために、高温部を前述の超合金
部材とし、それより低い温度での部分を従来使用の耐熱
合金部材とし、これらを拡散接合することによって部材
全体としてよシ高温化が達成できる。

酸化物分散強化合金、繊維強化合金、一方向凝固合金、
却結晶金属部材の超合金部拐はいずれも合金の特殊な規
ＩＪυ的な配列によって強化したものであるので、それ
らの規則性が破れれば極端に強度が低下するのは言うま
でもない。従って、これらの超合金以外の耐熱合金と接
合する際にその接合部でこの規則性をこわさないように
しなければ高い強ＩＷが得られないことを見い出した。

これらの規則性の破壊は接合後の熱処理等どんな他の手
段によっても元にもどすことはきわめて困難である！一
般の耐熱合金では熱処理によって組織を改善できる。

従来、拡散接合は合金化して母材の融点よシ低い融点と
なる金部例えば、８．８ｉ等の箔、粉末を介して行われ
ていたので、接合界面の両者の耶部材は合金化して必ら
ず溶融させ、その後拡散処理する方法がとられていた。

しかしこの方法では前述の如く問題があり、その接合部
め強度が低いものであった。

本発明では、超合金部材の接合部での元の組織がこわれ
ないように他の耐熱合金（１１！Ｉに予め低融点を形成
する金属を形成させることによって解決したものである
。従って、超合金部材では１１とんと溶融する部分がな
く、Ｂ等の金属の固体拡散によってのみ接合されるので
、強朋の高い複合合金部材が得られる。

酸化物分散強化合金、繊維強化合金、一方向凝固合金、
却結晶金属部イ・イがその特徴を示ずのは８５０Ｃ以−
ヒであるので、これらの超合金部材と耐熱合金の接合位
置全部品温度が８５０Ｃを下廻るところにするのが良い
、３８５０Ｃ以下ではこれらの超合金部材より耐熱合金
の方が強度、延性が優れているので、よりバランスのと
れた部材が得られる。

（製造法） 本発明の拡散接合には特に、ホロンを予め浸透させて、
その後拡散させる接合法を行うのがよい。

特に、最初耐熱合金の接合面のみにホロンヶ浸透させ、
次いで超合金部材を耐熱合金の接合面にセツトし、拡散
接合することが大切である。両者の接合面に、るるいは
超合金部拐の接合面のみにボ１７ンを浸透さヒーてその
後拡散接合しても接合面には未融着部が生じて好ましく
ない。、 このように未−＋１１着部が多い原因は例えば、酸化物
分散強化合金にＢを浸透させた場合の表面に酸化膜が多
く不清浄であるためである。また、拡散接合面に硼化物
が生成することがあるが、硼化物が多いと高温延性を低
下させる原因になるので硼化物の析出する幅が２０μｍ
以内にすることが好ましい。硼化物の量は、ボロンを浸
透させた時のボロン１１と拡散接合時の拡散温度と保持
時間によって異るが、最も大切なのはボロン浸透層のボ
ロンの量である。

ボロン量が１５％以上だとその後の高温における拡散接
合処理によってボロンの拡散が不十分となシ硼化物が２
０μｍ以上に析出するようになる。また、ボロン量が１
５％以上になると基地中のＣｒと結合してＣｒ硼化物と
なυ、拡散処理によっても消滅しないので好ましくない
。拡散接合においてボロン量が低すぎる場合荷Ｍを負荷
すると接合率が向上するが、ポロン量會適尚に選べばイ
ｉ′ｊＭ金かけなくてもできる。

拡散処理後の接合部のＢ量が０．２％を越えるとクリー
プ破断強度が低下するのでＢ　量’ＣＯ，２”１０以　
′下とするのがよい。

（耐熱複合部品の組合ｂ） 燃焼器ライナ相にはｐｅ基オースアナイト系合金が用い
られる。

その合金のＣは高温強度の点から０．０５以上するが０
．２％を越えると加工性が低下するので、０．０５〜０
．２％が好ましい。Ｃｒは高温耐食性の点から２０〜４
０％、Ｎｉは安定した耐熱性と、オーステナイト組織を
得るために１５〜５０％必要である。一方この合金に対
して、酸化物分散強化合金の組成は、高温強度の点から
Ｙ２Ｏ３は０．３〜８％、加工性の点から０．２〜０．
８％Ｔｉ１耐酸化性の点から３〜６％パノ５、耐食性の
点から１５〜２５％Ｃｒｆｆ１含み、残部がＮｉからな
る合金が最適である。

ガスタービン用静殿における耐熱合金には炭化物析出強
化型のＣＯ基とＮｉ基合金　ｒ／相析出強化型Ｎｉ基合
金がｉｒ）る。炭化物析出強化型１合金ｒ、ｔ、高侃強
度及び延性の点から、Ｃ０９１〜０．６　”／。

Ｗ５〜１−０電惰、Ｃｏ１５〜３５％、耐食性の点から
Ｃｒ２０＝４０％のＬＵＦｌｉｉを基本成分としたもの
７−／相析出強化型Ｎｔ基合金の場合はｒ′相影形成元
素あるＡ１１〜３′！４、Ｔ１２〜５％とし、さＣ）に
高温強度の点からｃ　Ｏ，０５〜０．２％、００１７〜
２２％、高温耐食性の点からＣｒ１５〜２５％を含むも
のが好ましい。この静翼の場合の酸化物分散強化合金は
高１品強度耐熱疲労性の点からＹ２０３０，３〜１．５
％ＣＯ，０２−，０，１５％耐酸化性の点からＡ　ｌ　
０．２〜５％、耐食性の点からＣｒ１５〜２５％、加工
性の点からＴｉ０１３〜０．７％残部Ｎｔからなるのが
好ましい。

動呉における耐熱合金にはｒ′相析出強化型Ｎｉ基合金
を用いられるが、その成分はγ′形成元素であるＡ１３
〜６％、’ｔ’ｔｉ〜４％、高温耐食性のためＣｒ６へ
、１７．９、高温強度と鋳造性全考慮１、てＣ０，０５
〜０．１５％とするのが好ましい。一方、酸化物分散強
化合金目１、燃焼器ライナ及び静翼材に用いたものより
高温強度が高いものが必要でＹ＊　Ｏｓは０．７１〜１
．５％と多く、さらに基地を強化するためｒ′相影形成
元素おるＡｔ３〜６％、Ｔ１１〜４％Ｃ０，０２〜０．
１５％、Ｔａ１〜３％、Ｗ２〜６％、粒界強元累である
Ｚ　ｒ　０．１〜０．３％、８０．０２〜０，２％、高
温耐食性のためＣｒ１２〜１８′沌残部Ｎｉとするもの
が好捷しい。

前述した酸化物分散強化合金に代えてＡ　／、　０．５
〜６％、　　Ｔ　ｉｏ、　　５〜６％、Ｃ０，０２〜０
．２　゛ン０゜００５〜２０％、Ｃｒ５〜２０％、残部
Ｎｔからなる一方向凝固超合金、Ａ　ｔ　０．５〜６％
、ＴｉＯ，５〜６％、０１０３〜２０％、Ｃｒ５〜２０
％、残部Ｎｉからなる単結晶金属部拐、前述したガスか
らなる繊維を分散させた繊維強化超合金全同様に用いる
ことができる。

一方向凝固超合金及び繊維強化超合金は、いずれも引張
力を受ける方向を前者では凝固方向及び後者では繊維の
長さ方向と一致させるのが必要である。

〔発明の実施例〕

実施例１ 第１図は本発明の合金１＆：適用したガスタービン用静
汎の斜視図である。翼部２で２７　、２　ｇ、　２／／
／は８５０Ｃ以上にさらされる部分で最高で１１００Ｃ
に達する場合がある。Ｍ泉で、０．２５％Ｃ１３０％Ｃ
ｒ、７．７％Ｗ％０．０１２％Ｂ、１０．５％Ｎ１、残
部ｃｏからなるＣｏ基耐熱合金を真空溶解し、ロストワ
ックス法によって、精度鋳造し、接合面を最終仕上げで
エメリー紙＋ＳＯＯまで研磨した。次いで重量で、２ｏ
％Ｃｒ　０．６　％Ｙｚ　Ｏｓ、０、３　％Ａ　ｔ、０
．５’１０Ｔ　ｊ　、　０．０５　％Ｃ％残部ＮＭから
なる酸化物分散強化超合金によって第１図の部品２／、
２１／、２“′を成形した。次に翼部２の接合面以外ｆ
　７　スフし、１％Ｂ　−２，５％ＮＨ＊Ｃ１−残部Ａ
ｌ２Ｏ５粉からなる混合粉末剤の中に埋め込み、Ａｒ中
で８５０Ｃｘａｈの加熱する処理を施した。次いで接合
面のＢ浸透面ｔ′軽くホーニングし、さらに水洗いした
。互いに接合面全入念に合せて治具により動かないよう
に固定し、加圧して、Ａｒ中、１，２００？、”Ｘ３ｈ
の拡散処理を行った。次いで、ＣＯ基耐熱合金の熱処理
１．１５０ＣＸ２ｈ→を冷、９８２ＵＸ４ｂ→空冷の熱
処理を行い、図に示すガスタービン用靜ｓｌｔ得た。接
合は翼部２のみとし、サイドウオール１゜１”には行わ
れていない。これにより静翼の使用温度が約１５０Ｃ高
くできることが分った。接合部断面の顕微鏡観察の結果
、ポライドのない均一な組織であ・りた。

実施例２ 第２図Ｃよ本発明の合金を適用したガスタービン用ルυ
翼の斜視図である。翼部３−Ｃ３’の先端部分が８５０
Ｃ以上の温度にさらされる。３′は翼部３の１７′４位
である。この部分金本量で、１５％Ｃｒ、１．１％￥２
０３．４．５％Ａｔ、２．５％Ｔｉ１２％Ｔ’ａ、２　
％Ｍｏ、　　　４　％Ｗ、０．１　％Ｚ　ｒ、　０．０
１％ＢＩＢａｌＮｉの酸化物分散合金で作製した。次ぎ
に３′を除き翼部３”、シャンク４．ダブテイル５の部
分を、重量で、０．１％ｃ、ｉ％Ｃｏ、１６．２％Ｃｒ
。

２．７％Ｗ、２％Ｍ　Ｏ、（１，Ｑ６’乞）Ｚ　ｒ　、
Ｊ２’′／ｉ＋　Ａｌ＊３、　Ｃ３４“シθＩｌｌ　ｉ
、残部Ｎｉから在るＮＮ基耐熱台金のれ受溶解、荀密釣
造によって製造した。この耐熱合金かＣ）なる−浅化、
接曾ｍｊ以外をマスクして実Ｊｊ１４例１と同様の方法
によシ［（を拡散浸透させた。

拡散接合は加圧して、前述と同様に行った。次いで、Ｎ
！基ｉｊ熱台金の熱処理と同様の１，１２１Ｃｘ２ｈ→
窒冷、８４３ｔｌ、’Ｘ２４ｈ→視冷を行った。第３図
は接合部のミクロ組織を観察した結果、良好な接合部が
得られた。これによシ酸化物分故強化合金一体の動翼よ
シ優れよシバランスのとれた性能が得られた。

実施例３ 実施例１の酸化物分散強化型超合金の代りに、直径０．
４　ｍＩのＷａの束に２０　ｘｔｔ’ｐｏ　Ｃｒ　ｋ含
むＮｌ基合金の溶湯を含υさせて製造した繊維強化超合
金の試料を実施例１と同様の方法によシ拡散接合させた
。拡散接合の加熱は真空中で行い、接合後、実施例１と
同様の熱処理全行った。Ｗ線の面積率ｅよ７５％であシ
、繊維強化型合金の接合は繊維の端面で行った。この複
合合金によればガスタービン用静翼の使用温匿を約１０
０Ｃ畠めることができる。

実施例４ 実施例２の酸化物分散強化型合金の代りに、直径０．４
闘のＷ線の束にｉＬ輩で、Ｗ２．５％、Ｃｒ１５％。

Ａｔ２“＞６＋　Ｔ　Ｉ　２’釉、残部Ｎｉからなる合
金の溶湯を含浸させ、Ｗの面積率９０％の繊維強化型合
金金、実施例２と同様の方法によυ拡散接合させた。接
面は繊維の肩面で行い、接合後実施例２と「Ｃ１」様の
λ、へ処理を行った。

この複８台金によればガスタービン用動翼の使用温ｆ’
ｋ１５０ｔ？晶めることかできる。なお、この動翼全体
に厚さ１０μｍの白金を被ｆ屡することが好ましい。

実施例５ 実施例１の酸化物分散強化合金の代シに、班はで、ｈｔ
ｓ？ｏ、　′ｒｉｚ、ｓ％、Ｃ０，１５％、　Ｗ　１２
”ｉｏ　。

Ｃｏ　１０’３’ｏ、　Ｃｒ９’３’ｏ、　１Ｎ　１．
８％、　８０．０２％、Ｚｒ０．０８％、残部Ｎｉから
なる一方向凝固合金を実施例１と同株の方法により拡散
接合させた。接合は真壁中で１．２３Ｉ’で２１１加熱
することにより行い、凝固方間の／１間面ケ接合面とし
た。接合後、９８２ＣＸ４ｈ加熱による時効処理及び８
７１ｔ；Ｘ２０ｈ加熱による時効処理ケ行った。この複
合合金によれは、ガスタービン用訃典の使用温度を約１
００Ｃ高貌にすることができる。

実施例６ 実施例２の酸化物分数強化合金の代りに、ｉｊｈ量で、
ＣｒｌＯ％、Ａｔ５％、１’１１．５％、　Ｔａ　１２
”１０　、　Ｗ４％、残部ｔｑ　ｒからなる単結晶部材
を実施例１と同１〉メの方法によシ拡散接合させた。接
合後、１０７９ＣＸ４ｈの使用温度を約１００Ｃ高める
ことができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、接合強度の昂い複合合金部材が得られ
、！侍にガスタービン用１１Ｊ翼及び静翼の便用温度を
顕著に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の合金を−５１通用したガスタービン用
靜楓の一例ケ示す余１視図及び第２図は本発明の合金を
適用したガスタービン用ｉｓ　ｆ４のｆｉ視図である。 １．１′・・・サイドウオール、２，３・・・轟部、４
・・・シャンク、５・・・ダブテイル、２／、　２　Ｌ
／　、　２ｒ１／　、　３’／日立市幸町３丁目１番１
号株式 会社日立製作所日立研究所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酸化物分散強化合金部材、繊維強化合金部材、一方
   向凝固合金部材及び単結晶金属部材の１程からなる超合
   金部材と該超合金部材以外の耐熱合金部材とが、これら
   の合金部杓と合金化して該合金部材の融点を低下さる金
   属を介在させて拡散接合された部材であって、前記超合
   金の接合部は接合前の組織が維持されていること全特徴
   とする耐熱性複合合金部材。 ２、前記金属はポロンであシ、接合部のボロン量が０，
   ２重量％以下である特許請求の範囲第１項に記載の耐熱
   複合合金部材。 ３、前記複合部材はガスタービン用ブレードであシ、そ
   の翼部の少なくとも先端部分の１／４を前記超合金部相
   によって構成した特許請求の範囲第１項又は第２項に記
   載の耐熱複合合金部材。 ４゜前記ブレードは、少なくともその残部の先端部分ノ
   １　／　４−＋除イ’＋、ｉｔで、ＣＯ，０５〜０．２
   ’１０　。 ８４１％以下、Ｍｎ１％以下、Ｃｒ１０〜２５％。 Ｍｏ及びＷの１１ｆｔ以上２〜ｌＯ％、ＡｔＯ，５〜７
   ％、Ｔｉ０．５〜７％、８０．００５〜Ｏ，ｏ５’３．
   、及び残部Ｎｉからなシ、Ａｚ−ｔ−’ｒｉ量が３〜１
   ０％でおシ、ｒ′相の析出によって強化されたＮｉ基鈎
   造合金からなる特許請求の範囲第３項に記載の耐熱複合
   合金部材。 ５、前記複合部材はガスタービン用ノズルであシ、その
   翼部の少なくともトレーリングエッヂ部を前記超合金部
   材によって構成した特許請求の範囲第１項又は第２項に
   記載の耐熱合金部拐。 ６、前記ノズルは、少なくともその翼部のトレーリング
   エッヂ部を除いて重量で、Ｃ０，１〜０．６％。 Ｓｉ２％以下、Ｍｎ２％以下、Ｃｒ２Ｏ〜４０％。 Ｃ０１０〜３５％、ＭＯ及びＷの１種以上５〜１０％、
   Ｂｏ、００５〜０．０５％、残部Ｎｉからなシ、共晶炭
   化物及び二次辰化物の析出によって強化されたＣｏ基鋳
   造合金からなる特許ＭｒＪ求の範囲第５項に記載の耐熱
   合金部杓。 ７、前記ノズルは、少なくともその翼部のトレーリング
   エッチ部金除いて亀竜で、Ｃ０，２〜０．６％。 Ｃｒ　２０〜４０’佑、Ｎｉ５〜１５％、Ｍｏ及びＷの
   １種以上５〜１０％、Ｂｏ、００５〜０．０５％残部Ｃ
   ｏからなシ、共晶炭化物及び二次炭化物の析出によって
   強化されたＮｉ基鋳造合金からなる特許請求の範囲第５
   項に記載の耐熱複合合金部材。 ８、前記酸化物分散強化合金部材は、重量で、Ｃ０，０
   ２〜０．２％、ｙ、ｏｓｏ、ａ〜１．５％、Ｔｉ００２
   〜５％、ＡｔＯ，２〜６％、Ｃｒ１２〜２５％を含み、
   Ｆｅ、　Ｎｉ及びＣＯの少なくとも１種以上を４０％以
   上有するＦｅ基、Ｎｉ基又はＣｏ基超超合金ある特＃／
   ［請求の範囲第１項〜第７項のいずれかに記載の耐熱複
   合合金部材。 ９、前記一方向凝固合金部材は、重量でＣ０，０２〜０
   ．２％、８１１％以下、Ｍｎ１％以下、Ｃｒ５〜２０％
   、Ａ１０．５〜６％、ｌｏ、ｓ〜６％ＩＭＯ及びＷの１
   種以上２〜１０％、Ｃ０５〜２０％。 残部Ｎｉからなシ、一方向に凝固させた鋳造組織を有す
   るものであり、前記鋳造組織の成長方向に垂直な面を前
   記耐熱合金部材に接合されている特許請求の範囲第１項
   〜第７項のいずれかに記載の耐熱性複合合金部材。 １０、前記単結晶金属部材は、重量で、Ａ１２〜７％、
   Ｔｉ３〜６％、Ｃｒ６〜２０％、Ｔａ５〜１５％及び６
   ０１５〜３５％を含み、Ｎｉ４０％以上のＮｉ基合金か
   らなる特許請求の範囲第１項〜第７項のいずれかに記載
   の耐熱性複合合金部材。 １１、酸化物分散強化合金部材、繊維強化合金部材、一
   方向凝固合金部材及び単結晶金属部材の１種からなる超
   合金部材と該超合金部材以外の面１熱合金部材とを、こ
   れらの合金部材と合金化して該合金部材の融点全低下さ
   せる金属を介在させて拡散接合する′方法において、前
   記耐熱合金部材の接合面に前記金ｒｔ−予め拡散浸透さ
   せ、その面に前記超合金部材を接触させて、非酸化性雰
   囲気中で加熱することｔ％徴とする耐熱性複合合金部材
   の製法。 １２、前記加熱する間中、前記合金部材に対し、接合面
   間に圧力を加える特許請求の範囲第１１項に記載の耐熱
   性複合合金部材の製法。 １３、前記金属からなる粉末及−び前記金属と反応して
   拡散浸透する温度でガス化する拡散促進剤を含む粉末中
   に前記耐熱合金を埋め込み、所定の温度で非酸化性雰囲
   気中で加熱し、接合面に前記金員の拡散浸透層を形成さ
   せる特許請求の範囲第１１項又は第１２項に記載の耐熱
   性複合合金部材の製法。 １４、前記拡散浸透層は、最外表面で５〜１５重量％の
   Ｂ金倉み、５〜２０μｍの厚さを有する特許請求の範囲
   第１１項〜第１３項のいずれかに記載の耐熱性複合合金
   部材の製法。