JPS629659B2

JPS629659B2 -

Info

Publication number: JPS629659B2
Application number: JP53157234A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fukui; Hiromi Kozobara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-12-15
Filing date: 1978-12-15
Publication date: 1987-03-02
Also published as: US4283234A; JPS5582737A

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係り、
特に耐高温腐食性及び高温延性に優れたNi基耐
熱合金を用いたガスタービン用ノズルに関する。ガスタービン用ノズルは精密鋳造で製造され、
それに用いられる材料としてCo基耐熱超合金あ
るいはNi基耐熱超合金がある。Co基耐熱合金は
1000℃以下での耐高温腐食性に優れている反面
1000℃以上での耐高温耐化性に劣る。また高温延
性が低く特に使用中に脆化し、熱応力等の外力の
作用で割れを生ずる。またAlの拡散コーテイン
グを施す場合Co・Alのσ相により脆化をきた
す。溶接性も悪い。一方、従来のNi₃（Al、Ti）
よりなるγ′相を析出させ強化したNi基合金は
1000℃以上での高温耐酸化性に優れている反面
TiとAlとを含み、γ′相で強化しているので高温
強度は大きいが延性はCo基よりさらに劣り、ガ
スタービン用ノズルのような急熱急冷の熱応力の
くり返しを受ける部分には不適当である。一方、
r′を含まないNi−Crで代表されるNi基合金もある
がこの場合逆に強度が低くそのままでは高温構造
部材としては不適当である。またγ′を析出させ
たNi基合金は真空溶解、真空鋳造の技術が必要
でありまた溶接性は悪く、補修溶接は困難であ
る。またγ′を含ませるためCr量が10〜15％と低
く、1000℃以下での耐高温腐食性が著しく乏し
い。本発明の目的は高温強度、高温延性及び耐高温
腐食性に優れ特に耐クラツク性が高く、かつ溶接
補修が容易でありしかも大気溶解大気鋳造で製造
が可能なNi基耐熱合金からなるガスタービン用
ノズルを提供するにある。本発明は、重量でC0.3〜0.6％、Cr20〜30％
と、W7〜13％及びMo5〜13％の１種以上、Ti0.1
〜0.5％、Nb0.1〜0.5％を含み、残部が実質的に
Niからなり、Cr共晶炭化物が粒界に分散した鋳
造組織を有する鋳物からなるガスタービン用ノズ
ルにある。更に、本発明は(A)：Ta、Hf及びZrの少なくと
も１つを0.2〜１％、(B)：Co5〜15％、(C)：Y0.05
〜１％及びAl 0.05〜１％の少なくとも一つ(D)：
B0.005〜0.1％を各々含むものである。ガスタービン用ノズルには一般にCo基鋳造超
合金が使用されているが、高温で長時間使用する
と脆化し熱疲労による割れを生ずる。また1000℃
以上で使用される場合は耐酸化性が悪い。一方、
まれにはNi基超合金が使用されるがガスタービ
ン用に使用されるNi基超合金はγ′を析出させた
強析出型強化合金である。Ni基超合金はほとん
どがブレードとして使用されているがノズルとし
て使用する場合もある。しかし、γ′を析出させ
ているため高温強度には優れているが高温延性に
乏しく溶接が困難であり又真空溶解、真空鋳造さ
れて使用される。本発明に係るガスタービン用ノ
ズルは、従来のNi基合金のように多量のγ′相を
含まず、逆にCr量を多量に含有させたもので大
気溶解でも製造可能で延性が大で溶接性にも優れ
ている。また高温強度はＣを高くしまた固溶強化
を主体としたMo、Ｗを多量に含む。以上の点から、本発明のガスタービン用ノズル
は、最も要求される熱疲労と耐高温腐食性に優れ
たものが得られる。次に成分を限定した理由について説明する。Ｃ：Ｃは高温強度を向上するのに必須の元素で
あり、本発明においても非常に重要な役割を示す
ものである。従来のガスタービン用Ni基超合金
はγ′相を析出させているためＣが低い。γ′相は
Ni₃（Al、Ti）であり、Al及びTiを多く含む。Ｃ
が多いとTiCが析出し、Ni₃Alを主体としたγ′相
となり、好ましくない。またCrが高いとCr炭化
物が過剰に析出したりまた高温長時間使用中に成
長、粗大化が進み、脆化、強度の低下をきたす。
従つてCrとの関係もありＣは0.6％を越える含有
量は好ましくなく、また0.3％未満では高Cr量と
の関係からσ相が出やすくまたCr炭化物の形成
による十分な高温強度も得られない。 Cr：γ′を析出させている従来のNi基超合金は
σ相の析出をきらうのでCrを多くできない。ま
た高温強度を主体に考慮された合金なのでγ′相
量が多くこのためAl＋Ti量が多くなつている。
一方、Ni基としての残量に限度があるので必然
的にCrが低く抑えられている。又、Coを含み、
Cr量を多くするとγ′相の固溶温度が下がりr′相
が析出しにくくなる。このため耐高温腐食性が低
下することを覚悟で強度上Crを低くしている。
これは応力的に厳しいブレードとしてNi基超合
金が発展してきたためである。ノズルはブレード
程の応力は要求されずむしろ熱疲労性向上のため
に高温延性が必要である。本発明はr′相を含まな
いのでCr量を十分高く選ぶことが可能である。
耐高温腐食性、耐酸化性の点から20％以上必要で
あり、また、炭化物の過剰析出、脆化の点で30％
以上は適当でないので20〜30％と限定する。この
内でも25〜30％が最も適している。Ｗ、Mo：Ｗ、MoはＣ、Crに次いで重要であ
る。本発明ではガスタービン用に使用されている
一般のNi基超合金と違い、γ′相を析出させない
ので低い温度での高温強度が小さい。しかし、本
発明の如く982℃というより高温ではＷ、Moは基
地の固溶強化による強化が重要であり、そのため
Mo、Ｗ又はＷとMoが添加されるものである。も
ちろん、強力な炭化物形成元素であるのでCr炭
化物のCrの一部が置き代つた（Cr、Mo、Ｗ）と
Ｃが結びついた型となつているがこれらはそれ程
重要でない。Ｗは７％より、Moは５％より少な
いと固溶強化の役は果さず逆に13％より多くなり
すぎるとσ相等の好ましくない相の析出により逆
に高温度を低下させる。特に、Ｗは高温における
強化にきわめて重要であるが、Moとの複合添加
の方がより高い効果が得られる。 Ti、Nb、Zr、Hf、Ta；これらの元素はＷ、
Moと違つて炭化物の析出に期待するため添加さ
れる。Ｗ、MoがCr炭化物のCrの一部と置き代つ
たのに対し、これらの元素はMC型炭化物を形成
する。このＭはCrを含まず、Ti単独の場合は
TiC、Nbと複合添加した場合は（Ti、Nb）Ｃの
如くMCのＭの中に各元素が含有されて行く。
MC型炭化物の析出により基地中のＣ量が低くな
り、Cr炭化物の析出が抑制される。Cr炭化物は
粒界近傍には微細にまた粒界には連続的に共晶炭
化物として晶出するので、Cr炭化物の晶出を抑
え、粒界への連続的な晶出を抑える事が高温強度
及び高温靭性の向上に重要で、これらは特にTi
及び、Nbの添加による効果が顕著であり、これ
に更にZr、Hf、Ta等のMC型炭化物を作る元素を
加えることにより一層顕著になる。これらの元素
が少ない場合は効果は小さくまた多くなると逆に
高温強度が低下する。原子比でＭ／Ｃ（ＭはMC
型炭化物を作る元素の和）が0.2〜0.3が最も好ま
しい。従つてTi、Nbはそれぞれ0.1〜0.5％、
Ta，Zr、Hfはそれぞれ単独又は複合で0.2〜１％
で効果が得られるがTiとNb、更に、これにTaと
Zr又はZrとHfとを組合せることによりより大き
な効果が得られる。 Co；Coは基地を強化させ、固溶強化を目的を
添加するものであるが多くても効果が小さいの
で、５〜15％とすべきである。Ｙ、Al：Ｙ、Alは耐酸化性、耐高温腐食性向
上の点で添加されるものであり強度向上を目的と
したものではない。特にAlは従来のNi基超合金
で見られるγ′相析出のためでないが結果的には
使用中に析出し、強化にも寄与する。少ないと効
果がなくなると溶接性が悪くなりまた脆化をきた
す好ましくない相が析出するので、Ｙを0.05〜１
％、Alを0.05〜１％に限定した。Ｂ：Ｂは高温強度と高温延性向上のために添加
される。少ないと効果はなく、多くなると溶接性
を悪くするので、0.005〜0.1％とする。溶解時には脱酸剤として少量のSi及びMnが添
加される。実施例表に供試材の化学成分（重量％）を示す。
No.1〜３は比較のもの、No.4〜７が本発明に係
る合金である。No.1〜７の供試材全ては精密鋳
造法により100mm×200mm×15mmｔの板状の素材と
した。No.2は10^-3Torr真空溶解、真空鋳造によ
つたが他の全ては大気溶解、大気鋳造によつた。
上述の板より各試験片を採取した。クリープ破断
試験片は平行部60mmφで30mmを用い、982℃、
3.0Kg／mm²で試験し、破断時間と破断絞りを比較
した。結果は第１図に示す。No.2のTi＋Alを含
んだものはγ′相で析出強化されているので最も
優れているが逆に破断絞りが０％で強くて脆い。
またNo.1及び３は強度も延性も低い。Ｃを0.4％
に上げＷ、Moで固溶強化させ、さらにTi、Nb、
Zr、Taで強化した本発明材No.4〜７は強度こそ
No.2に及ばないが総ての合金がNo.1及び３より
強く特に延性が大きい。ガスタービン用ノズルに
要求される高温特性は強度と同時に延性をもかね
そなえた合金である。その点No.4〜７はどの合
金もノズルとして適した合金である。特にNo.6
は強度及び延性に優れている。一方、耐熱衝撃性については10mmφ×10mmの
試験片を982℃と水との間を１サイクル６分で200
回繰り返した後たて断面のクラツクについて検討
した。クラツクの長さと数は第２図に示す。高温
強度と延性に乏しいNo.1および強度は大きいが
延性が著しく悪いNo.2は耐熱衝撃性が悪

【表】

【表】い。No.3は強度及び延性ともに若干低く、耐熱
衝撃性も低い。No.4〜No.7の本発明合金はほと
んど差はみられないが全体的にNo.1、２より優
れておりその中でもクリープ破断絞りの大きい
No.5が最もすぐれその他も破断絞りとの相関性
がみられる。高温腐食性については熱衝撃性試験に用いたと
同じ10mmφ×10mmの試片でもつて塗布法によつ
て検討した。塗布剤は75％Na₂SO₄＋25％NaClで
750℃、500h腐食後、腐食減量でもつて評価し
た。その結果を第３図に示す。No.2の合金はCr
が15％しか含まれておらずそのため高温腐食性は
著しく悪い。本発明合金No.4〜７はいずれも最
もすぐれている。 No.1は現在ノズル材として多く使用されてい
る合金で特に高温腐食で問題になる事は少ないこ
とから本発明合金は耐温腐食性の点からもノズル
として適しているものと考えられる。一方、溶接性試験は100mm×100mm×５mmｔの板
を試験片とし、溶加棒なしで２％ひずみを与える
バレストレン試験法によつて評価した。その結果
No.2が最も悪く次いでNo.1が悪く、本発明合金
はNo.1よりすぐれていた。従来のCo基超合金及びγ′析出型Ni基超合金に
代る本発明合金は次の効果を有する。高温強度
と延性の両方をかねそなえ耐熱衝撃性に優れてい
る。γ′相を含まないのでCrを20〜40％含ませ
ることができ、耐高温腐食性に優れている。溶
接性に優れている。大気溶解が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はクリープ破断試験結果を示す線図、第
２図は熱衝撃試験結果を示す線図および第３図は
高温腐食試験結果を示す線図である。

Claims

【特許請求の範囲】１重量で、C0.3〜0.6％、Cr20〜30％と、W7〜
13％及びMo5〜13％の１種以上、Ti0.1〜0.5％、
Nb0.1〜0.5％を含み、残部が実質的にNiからな
り、Cr共晶炭化物が粒界に分散した鋳造組織を
有する鋳物からなることを特徴とするガスタービ
ン用ノズル。２重量で、C0.3〜0.6％、Cr20〜30％と、W7〜
13％及びMo5〜13％の１種以上、Ti0.1〜0.5％、
Nb0.1〜0.5％、Ta、Hf及びZrの少なくとも１つ
を0.2〜１％を含み、残部が実質的にNiからな
り、Cr共晶炭化物が粒界に分散した鋳造組織を
有する鋳物からなることを特徴とするガスタービ
ン用ノズル。３重量で、C0.3〜0.6％、Cr20〜30％と、W7〜
13％及びMo5〜13％の１種以上、Ti0.1〜0.5％、
Nb0.1〜0.5％、Co5〜10％を含み、残部が実質的
にNiからなり、Cr共晶炭化物が粒界に分散した
鋳造組織を有する鋳物からなることを特徴とする
ガスタービン用ノズル。４重量で、C0.3〜0.6％、Cr20〜30％と、W7〜
13％及びMo5〜13％の１種以上と、Ti0.1〜0.5
％、Nb0.1〜0.5％と、Y0.05〜１％及びAl 0.05〜
１％の少なくとも一方とを含み、残部が実質的に
Niからなり、Cr共晶炭化物が粒界に分散した鋳
造組織を有する鋳物からなることを特徴とするガ
スタービン用ノズル。５重量で、C0.3〜0.6％、Cr20〜30％と、W7〜
13％及びMo5〜13％の１種以上と、Ti0.1〜0.5
％、Nb0.1〜0.5％、B0.005〜0.1％及び残部が実
質的にNiからなり、Cr共晶炭化物が粒界に分散
した鋳造組織を有する鋳物からなることを特徴と
するガスタービン用ノズル。