JPS6124460B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は単結晶鋳造物品の製造に適した高温酸
化耐性合金とに関する。 ニツケルベース合金を単結晶鋳造物品の形につ
くると強度と耐食性とが改良されるということは
数年前より理解されている。これは主として単結
晶構造中に粒界が少ないことに起因する。これに
反して通常の鋳造材料中に存在するこの種の粒界
は亀裂及び腐食し易い点を誘導し、生長させる通
路となる。 最近、ガスタービンエンジンにおける単結晶鋳
造物品の使用が幅広く研究されており、その主な
努力はかかる鋳造物品をエンジンの高圧タービン
回転翼羽根（ローターブレード）に使用すること
に向けられている。これら鋳造翼の材料特性を最
適化するために、該翼に通常使用されているニツ
ケルベース超合金を改良することが提案されてい
る。 単結晶鋳造技術を使用してガスタービンの他の
部品、特に熱ガスを燃焼系からタービン回転翼羽
根に向けるノズル案内羽根に高特性を付与できる
ことがわかつた。これらの羽根がつくられる金属
に要求される特性は回転翼羽根の場合に要求され
るものと異なる。例えば、ノズル案内羽根材料に
おいては高融点と良好な酸化耐性とがより重要で
あり、一方、材料強度はさほど重要でない。 単結晶鋳造技術をノズル案内羽根のような構造
物の製造に適用した時にできるだけ多くの利点を
得ることができるように、本発明者等は所要特性
を良く満たす単結晶の形の合金を発明した。 本発明により、単結晶鋳造物品の形で使用する
のに適当な高温酸化耐性合金は重量％で次の成分
からなる。 クロム 10〜16％ コバルト ４〜16％ モリブデン ２〜４％ タングステン ０〜２％ タンタル ２〜８％ アルミニウム ４〜６％ チタン １〜４％ 炭 素 0.015〜0.05％ ニツケル＋付随不純物 残部 但し、モリブデン（％）＋タングステン
（％）／２＋タンタル（％）／３の和は４〜６％
であり、 アルミニウム（％）＋チタン（％）／２の和は
５〜７％である。 好ましくは該合金は重量％で下記成分からな
る。 クロム 11〜12％ コバルト ８〜12％ モリブデン 2.0〜2.5％ タングステン 0.5〜１％ タンタル ５〜６％ アルミニウム ５〜5.5％ チタン 1.5〜２％ 炭 素 0.015〜0.05％ ニツケル＋付随不純物 残部 特定の態様として、 クロム 11.5％ コバルト 10％ モリブデン 2.25％ タングステン 0.75％ タンタル 5.5％ アルミニウム 5.25又は４％ チタン 1.75又は3.5％ 炭 素 0.02％ ニツケル＋付随不純物 残部からなるものを挙
げることができる。 本発明は又、該合金で作られた単結晶鋳造物
品、特に、単結晶鋳造物品の形で作られたガスタ
ービンエンジン用ノズル案内羽根にも関する。 該合金を単結晶鋳造に応用する場合の様々な成
分の意義を、特許請求の範囲における成分の記載
順序にそつて以下に述べる。 第一に、10〜16％というクロム含量はノズル案
内羽根鋳造用の他合金と比較すると相対的に少な
い。この低含量を、４〜６％という比較的高いア
ルミニウム含量との組合せにより、鋳造物品の表
面上の酸化物膜がクロム酸化物ではなくアルミニ
ウム酸化物でできている合金が提供される。これ
により、高温耐食性性をわずかに損なうのみで高
温酸化耐性が改良された合金が提供される。しか
し、これら２つの因子の間の平衡は本発明の合金
を目的とする用途において最適にするものであ
る。 本発明において、コバルトは、合金の特定の性
質の改良をもたらすために加えられるものではな
く、合金中の他の成分の性質を最善の状態にする
のに有用であるために添加される。すなわちコバ
ルトは、本発明の合金の性質の最適状態を達成す
るための調整作用を示すものであり、そのため、
他の成分金属の量と相関させつつ、４〜16％とい
う広い範囲の中で選択する。コバルトは高価であ
るから、合金の性質の所望の状態が達成さえでき
れば、上記の範囲内で低くすることが適切であ
る。 ３種の補強添加物であるモリブデン、タングス
テン、タンタルは合金に十分な強度を付与するた
め一定量は存在しなければならないが、この一定
量を超えると合金が不安定になることがある。 これら３種の補強添加物において、タンタルは
合金の酸化表面層を安定化する作用を有し、合金
に酸化耐性を与えるのに寄与する。このことは、
一般にはアルミニウム化被覆のような酸化耐性被
覆が与えられていないノズル案内羽根のような物
品の製造に利用する場合とくに有用である。この
結果、従来必要としていた保護被覆の必要性がな
くなるので、タンタルの添加がともすれば高コス
ト合金につながるという欠点を十分克服するもの
である。これらの目的のため、タンタルの量は２
〜８％とする。 合金中のクロムとタンタルの含量が高くなる
と、合金の冶金的安定性を減じ、又熱処理ウイン
ドウを減じさせる傾向を生ずる。熱処理ウインド
ウとはガンマプライム析出ソルバスと初期融点と
の間の温度範囲、すなわちその合金が熱処理され
なければならない範囲を意味する。この傾向を相
殺するため、合金のタングステン含量はかなり低
くしなければならない。したがつて、その量を２
％以下とする。本発明の合金においては、高密度
の元素を比較的多量に含んでいる。本発明の合金
は、主としてガスタービン用途に使用することを
意図するものであるため、重量は重要なフアクタ
ーである。合金中のタングステンのような高密度
元素量を減少させることができるということは、
合金の重量を減少させる上で望ましいことであ
る。 合金中のタンタル含量とタングステン含量との
バランスは、ガンママトリツクスの格子パラメー
ターを変化させる傾向がある。安定な微細構造を
得るためには、このバランスができるだけ不釣合
にならないようにしなければならない。このため
規定量のモリブデンを添加してこのバランスを達
成する。 しかして、これら３元の量の和が、各元素の量
が合金の安定性に寄与するものであるという条件
に従う限り比較的多量のタンタルを比較的少量の
モリブデン及タングステンと共に使うことが好ま
しい。 本発明の範囲内において様々な程度の安定性を
持つ合金が選択できる。そのうちの幾つかは他の
ものに比較するとき若干不安定であるかもしれな
い。このことは当業者に明らかである。しかし、
不安定な合金であつても有用であることは実証さ
れており、当業者ならば本発明の範囲内におい
て、その必要性に合わせた安定性を有する合金を
選択できる。 本合金のアルミニウム含量は比較的高く、前述
の合金表面皮膜としての酸化アルミニウムの形成
を促進する。これにより、高温酸化耐性が最大に
なる。特に、チタン含量が比較的低い時この傾向
が著しい。チタン含量を高くしてアルミニウム含
量を減らすと高温耐食性が改良されるが他の性質
はほヾ同じである。本発明の合金の成分含量範囲
は、その目的とする用途において最適のものであ
る。アルミニウムとチタンの量は各々の効果を考
慮してつり合いのとれる様にしなければならず、
下限値は合金の強度が悪影響を受ける量を表し、
上限値は安定性の観点から決定される。 少量成分である炭素、ホウ素、ジルコニウムは
通常の合金中に存在して粒界を補強する。しかし
単結晶鋳造物品の場合にはその内部に粒界はな
く、それゆえ、この目的からすればこれら成分は
存在する必要はない。さらに、ホウ素とジルコニ
ウムとは融点降下剤として作用する。本発明の合
金はできるだけ高い融点を持つことが望ましいの
で、これら添加物は可能な限り低レベルに下げる
ことが最良である。同様に、炭素含量も低くすべ
きであるが、この場合には極端な低レベルの達成
が絶対的に必要なわけではなく、0.015％という
最低レベルであればよく、これは高価な脱炭素技
術を必要とすることなく比較的容易に達成され
る。本発明の合金の残部は当然ニツケルである。
不純物が不可避的に存在するが、これらは劣化効
果を与えない限り許容される。 以上説明したところから、本発明により単結晶
鋳造技術に期待される利点のうち少なくとも幾つ
かは実現される様な最適組成範囲を有する合金を
提供することができ、又、別の成分選択を行うこ
とにより他の特性において従来合金に比し改良さ
れた合金を提供できることは明らかである。この
範囲の合金は、特にガスタービンエンジン用単結
晶ノズル案内羽根の材料として使用することを意
図するものであるが、該合金の特性はそれを他の
単結晶加工品材料としても使用することを可能に
するものであることは明白である。 本発明により作られた合金の特性を実証するた
めに、現在鋳造用超合金として使用されている対
照合金と本発明の範囲内の２種の合金についてテ
ストを行つた。これら合金は重量％で次の成分を
有するものである。（合金１，２の成分は目標数
字であり、実測値はわずかであるが違うこともあ
ることが留意されなければならない。）

【表】 合金１と合金２におけるモリブデン／タングス
テン／タンタル平衡係数が4.46であり、一方アル
ミニウム／チタン平衡係数は合金１で6.12であ
り、合金２で5.75である。全ての場合において対
照合金のテストは通常鋳造試験片についてなされ
たものであり、これに対し、合金１，合金２は単
結晶鋳造物品としてテストを行つた。 このテストにあたつて、ガンマプライムゾルバ
スより高く融点より低い温度での溶解処理を含め
て適当な熱処理を行つた。合金１及び合金２の場
合、溶解処理温度はそれぞれ1220℃、1270℃であ
り、この温度を１時間保持した。ついで通常のエ
ージング処理を870℃で16時間行つた。 この合金について、酸化耐性、極限引張強さ、
応力−破壊特性を様々な温度でテストした。 酸化耐テストの結果は次の通りであつた。テス
トは4ppmの塩を含む1050℃の空気中で実施し
た。

【表】 合金１及び合金２は共に対照合金より酸化耐性
が高いことは明らかであり、合金１及び合金２の
腐食が対照合金のものに比して均一であること
（明らかな利点である）は注目に価する。 極限引張強さの結果は次の通りであつた。

【表】 これら結果の差は統計的には重要ではないが、
合金１及び合金２が対照物より劣つてはいないこ
とを実証している。 最後に合金１と対照合金の応力−破壊寿命を
様々な温度で比較した。結果は次の通りである。

【表】 応力−破壊結果が著しい改良を示していること
は明白である。この寿命延長は該合金でできた物
質の作業温度の40〜50℃の上昇を表すと評価され
る。 それゆえ一般的にこれらテストの結果により、
本発明の合金は強度は従来合金と同様であるが耐
食性及び高温耐性が改良されているということを
十分に示している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量％で下記成分からなる、単結晶鋳造物品
   の製造に適した高温酸化耐性合金 クロム 10〜16％ コバルト ４〜16％ モリブデン ２〜４％ タングステン ２％以下 タンタル ２〜８％ アルミニウム ４〜６％ チタン １〜４％ 炭素 0.015〜0.05％ ニツケル＋付随不純物 残部 但し、モリブデン＋タングステン／２＋タンタ
   ル／３の和は４〜６％であり、 アルミニウム＋チタン／２の和は５〜７％であ
   る。 ２ 重量％で下記成分からなる、特許請求の範囲
   第１項記載の高温酸化耐性合金。 クロム 11〜12％ コバルト ４〜12％ モリブデン 2.0〜2.5％ タングステン 0.5〜1.0％ タンタル ５〜６％ アルミニウム ５〜5.5％ チタン 1.5〜２％ 炭 素 0.015〜0.05％ ニツケル＋不随不純物 残部 ３ 重量％で下記成分からなる特許請求の範囲第
   ２項記載の高温酸化耐性合金。 クロム 11.5％ コバルト 10％ モリブデン 2.25％ タングステン 0.75％ タンタル 5.5％ アルミニウム 5.25％ チタン 1.75％ 炭 素 0.02％ ニツケル＋付随不純物 残部 ４ 重量％で下記成分からなる特許請求の範囲第
   １項記載の高温酸化耐性合金。 クロム 11.5％ コバルト 10％ モリブデン 2.25％ タングステン 0.75％ タンタル 5.5％ アルミニウム ４％ チタン 3.5％ 炭 素 0.02％ ニツケル＋付随不純物 残部