(57)【要約】  耐高温酸化性と共に、優れたクリープ強度を備えるニッケル合金を提供する。本発明のニッケル合金は、１１．５〜１１．９質量％のＣｒと、２５〜２９質量％のＣｏと、３．４〜３．７質量％のＭｏと、１．９〜２．１質量％のＷと、３．９〜４．４質量％のＴｉと、２．９〜３．２質量％のＡｌと、０．０２〜０．０３質量％のＣと、０．０１〜０．０３質量％のＢと、０．０４〜０．０６質量％のＺｒと、２．１〜２．２質量％のＴａと、０．３〜０．４質量％のＨｆと、０．５〜０．８質量％のＮｂと、残部Ｎｉ及び不可避的不純物とからなり、結晶粒内及び粒界に析出した炭化物及び硼化物を含む。
2012063879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全量に対し、１１．５〜１１．９質量％の範囲のＣｒと、２５〜２９質量％の範囲のＣｏと、３．４〜３．７質量％の範囲のＭｏと、１．９〜２．１質量％の範囲のＷと、３．９〜４．４質量％の範囲のＴｉと、２．９〜３．２質量％の範囲のＡｌと、０．０２〜０．０３質量％の範囲のＣと、０．０１〜０．０３質量％の範囲のＢと、０．０４〜０．０６質量％の範囲のＺｒと、２．１〜２．２質量％の範囲のＴａと、０．３〜０．４質量％の範囲のＨｆと、０．５〜０．８質量％の範囲のＮｂと、残部Ｎｉ及び不可避的不純物とからなり、結晶粒内及び粒界に析出した炭化物及び硼化物を含むことを特徴とするニッケル合金。
【請求項２】
請求項１記載のニッケル合金において、粉末冶金法により製造されることを特徴とするニッケル合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ニッケル合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、航空機用エンジン、発電用ガスタービン等の耐熱部材、特にタービンディスクには、ニッケル合金が用いられている。前記タービンディスク等の耐熱部材は、耐高温酸化性と共に、クリープ強度、疲労強度等の強度に優れていることが必要とされる。【０００３】
そこで、クロムを添加することにより、耐高温酸化性を付与したニッケル合金が提案されている。前記ニッケル合金として、例えば、全量に対し、２〜２５質量％の範囲のＣｒと、１９．５〜５５質量％の範囲のＣｏと、１０質量％までの範囲のＭｏと、１０質量％までの範囲のＷと、３〜１５質量％の範囲のＴｉと、０．２〜７質量％の範囲のＡｌと、０．０５質量％までの範囲のＣと、０．０５質量％までの範囲のＢと、０．５質量％までの範囲のＺｒと、１０質量％までの範囲のＴａと、２質量％までの範囲のＨｆと、５質量％までの範囲のＮｂとを含むものが知られている（特許文献１参照）。【０００４】
また、前記ニッケル合金として、全量に対し、２０〜４０質量％の範囲のＣｏと、１０〜１５質量％の範囲のＣｒと、３〜６質量％の範囲のＭｏと、０〜５質量％の範囲のＷと、３．４〜５質量％の範囲のＴｉと、２．５〜４質量％の範囲のＡｌと、０．０１〜０．０５質量％の範囲のＣと、０．０１〜０．０５質量％の範囲のＢと、０〜０．１質量％の範囲のＺｒと、１．３５〜２．５質量％の範囲のＴａと、０．５〜１質量％の範囲のＨｆと、０〜２質量％の範囲のＮｂとを含むものが知られている（特許文献２参照）。【０００５】
さらに、前記ニッケル合金として、全量に対し、１１〜１５質量％の範囲のＣｒと、１４〜２３質量％の範囲のＣｏと、２．７〜５質量％の範囲のＭｏと、０．５〜３質量％の範囲のＷと、３〜６質量％の範囲のＴｉと、２〜５質量％の範囲のＡｌと、０．０１５〜０．１質量％の範囲のＣと、０．０１５〜０．０４５質量％の範囲のＢと、０．０１５〜０．１５質量％の範囲のＺｒと、０．５〜４質量％の範囲のＴａと、０〜２質量％の範囲のＨｆと、０．２５〜３質量％の範囲のＮｂとを含むものも知られている（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００６／０５９８０５号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／００８７３３８号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第１１９５４４６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来のニッケル合金には、Ｍｏ、Ｃｒ、ＷからなるＴＣＰ（Topologically close packed）相が形成され、十分なクリープ強度が得られなかったり、クリープ変形により該ＴＣＰ相を基点として破壊が始まることがあるという不都合がある。【０００８】
本発明は、かかる不都合を解消して、耐高温酸化性と共に、優れたクリープ強度を備えるニッケル合金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、従来のニッケル合金の組成について鋭意検討した結果、さらに限定された特定の組成とすることにより前記ＴＣＰ相の形成を抑制することができ、耐高温酸化性と共に、優れたクリープ強度を備えるニッケル合金を得ることができることを見出した。【００１０】
本発明のニッケル合金は、前記知見に基づいてなされたものであり、前記目的を達成するために、全量に対し、１１．５〜１１．９質量％の範囲のＣｒと、２５〜２９質量％の範囲のＣｏと、３．４〜３．７質量％の範囲のＭｏと、１．９〜２．１質量％の範囲のＷと、３．９〜４．４質量％の範囲のＴｉと、２．９〜３．２質量％の範囲のＡｌと、０．０２〜０．０３質量％の範囲のＣと、０．０１〜０．０３質量％の範囲のＢと、０．０４〜０．０６質量％の範囲のＺｒと、２．１〜２．２質量％の範囲のＴａと、０．３〜０．４質量％の範囲のＨｆと、０．５〜０．８質量％の範囲のＮｂと、残部Ｎｉ及び不可避的不純物とからなり、結晶粒内及び粒界に析出した炭化物及び硼化物を含むことを特徴とする。【００１１】
本発明のニッケル合金は、前記組成を備えることにより、優れた耐高温酸化性を得ることができる。また、本発明のニッケル合金は、前記組成を備えると共に、結晶粒内及び粒界に、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔａの炭化物及び、硼化物が析出する。本発明のニッケル合金によれば、前記炭化物及び前記硼化物が析出することにより、前記ＴＣＰ相の形成を抑制して、優れたクリープ強度を得ることができる。【００１２】
本発明のニッケル合金は、例えば、粉末冶金法により製造されるものを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のニッケル合金のミクロ組織の一例を示す電子顕微鏡写真。
【図２】本発明のニッケル合金の高温酸化性を示すグラフ。
【図３】本発明のニッケル合金のクリープ強度を示すグラフ。
【図４】本発明のニッケル合金のミクロ組織の他の例を示す電子顕微鏡写真。
【図５】本発明のニッケル合金のミクロ組織のさらに他の例を示す電子顕微鏡写真。
【図６】従来のニッケル合金のミクロ組織の一例を示す電子顕微鏡写真。
【図７】従来のニッケル合金のミクロ組織の他の例を示す電子顕微鏡写真。
【図８】従来のニッケル合金のミクロ組織のさらに他の例を示す電子顕微鏡写真。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００１５】
本実施形態のニッケル合金は、粉末冶金法により製造されたものであり、全量に対し、１１．５〜１１．９質量％の範囲のＣｒと、２５〜２９質量％の範囲のＣｏと、３．４〜３．７質量％の範囲のＭｏと、１．９〜２．１質量％の範囲のＷと、３．９〜４．４質量％の範囲のＴｉと、２．９〜３．２質量％の範囲のＡｌと、０．０２〜０．０３質量％の範囲のＣと、０．０１〜０．０３質量％の範囲のＢと、０．０４〜０．０６質量％の範囲のＺｒと、２．１〜２．２質量％の範囲のＴａと、０．３〜０．４質量％の範囲のＨｆと、０．５〜０．８質量％の範囲のＮｂと、残部Ｎｉ及び不可避的不純物とからなる。また、本実施形態のニッケル合金は、結晶粒内及び粒界に、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔａの炭化物及び、硼化物が析出している。
【００１６】
本実施形態のニッケル合金は、合金組成に前記範囲の量のＣｒと共にＣｏを添加することにより、優れた耐高温酸化性を得ることができる。また、本実施形態のニッケル合金は、合金組成に前記範囲の量のＣｏを添加することにより、Ｃｒの添加量を低減することができるので、ＴＣＰ相の生成が抑えられ組織の安定性が向上する。
【００１７】
また、本実施形態のニッケル合金は、合金組成に前記範囲の量のＣｏ及びＴｉを添加すると共に、前記範囲の量のＭｏ、Ｗを添加することにより、前記炭化物が母相中に多量に析出する。このとき、前記炭化物は、微細化されて前記母相中に分散されるので、高温強度をさらに向上させることができる。
【００１８】
また、本実施形態のニッケル合金は、合金組成に前記範囲の量のＣｏ及びＴｉを添加することにより、Ｍｏ、Ｗのγ’（ガンマプライム）相への固溶割合が増加する。この結果、本実施形態のニッケル合金によれば、高温強度をさらに向上させることができる。
【００１９】
本実施形態のニッケル合金は、前述のように粉末冶金法により製造されたものであるが、本発明のニッケル合金は、粉末冶金法により製造されたものに限定されることなく他の方法により製造されたものであってもよい。本発明のニッケル合金の他の製造方法として、例えば、鋳造、精錬加工法、鍛造等を挙げることができる。
【００２０】
次に、本発明の実施例及び比較例を示す。
【実施例】
【００２１】
〔実施例１〕
本実施形態では、粉末冶金法により、全量に対し、１１．７質量％のＣｒと、２５．０質量％のＣｏと、３．４質量％のＭｏと、１．９質量％のＷと、４．２質量％のＴｉと、３．２質量％のＡｌと、０．０２５質量％のＣと、０．０２質量％のＢと、０．０５質量％のＺｒと、２．２質量％のＴａと、０．３５質量％のＨｆと、０．８質量％のＮｂと、残部Ｎｉ及び不可避的不純物とからなるニッケル合金を製造した。本実施例で得られたニッケル合金の結晶構造の走査型電子顕微鏡写真（２０００倍）を図１に示す。【００２２】
図１に示すように、本実施例で得られたニッケル合金は、結晶粒内に白色の微細な炭化物及び硼化物が均一に分散して析出している。また、本実施例で得られたニッケル合金は、結晶粒界に白色の炭化物及び硼化物が析出している。しかし、本実施例で得られたニッケル合金では、ＴＣＰ相は全く形成されていない。【００２３】
次に、本実施例で得られたニッケル合金の耐高温酸化性を、８５０℃における等温酸化試験により測定した。結果を、時間の平方根に対する単位面積当たりの質量増（ｍｇ／ｃｍ２）として図２に示す。尚、前記質量増は、８５０℃の温度下における酸化物の形成によるものであり、質量増が少ないほど耐高温酸化性に優れていることを示す。【００２４】
次に、本実施例で得られたニッケル合金のクリープ強度を、ラーソン・ミラー・パラメータに対する応力負荷（ＭＰａ）の変化として測定した。結果を図３に示す。【００２５】
ラーソン・ミラー・パラメータ（ＬＭＰ）は、次式によって示される値である。【００２６】
ＬＭＰ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇｔ）／１０００
前記式中、Ｔは絶対温度（Ｋ）、ｔは時間（時間）、Ｃは金属により定まる定数である。本実施例では、Ｃ＝２０とした。【００２７】
〔実施例２〕
本実施例では、全量に対するＣｏの量を２７．０質量％、Ｔｉの量を４．４質量％、Ｎｂの量を０．５質量％とした以外は、実施例１と全く同一にしてニッケル合金を製造した。本実施例で得られたニッケル合金のミクロ組織の走査型電子顕微鏡写真（２０００倍）を図４に示す。【００２８】
図４に示すように、本実施例で得られたニッケル合金は、結晶粒内に白色の微細な炭化物及び硼化物が均一に分散して析出している。また、本実施例で得られたニッケル合金は、結晶粒界に白色の炭化物及び硼化物が析出している。しかし、本実施例で得られたニッケル合金では、ＴＣＰ相は全く形成されていない。【００２９】
次に、実施例１と全く同一にして、本実施例で得られたニッケル合金の耐高温酸化性を測定した。結果を図２に示す。【００３０】
次に、実施例１と全く同一にして、本実施例で得られたニッケル合金のクリープ強度を測定した。結果を図３に示す。【００３１】
〔実施例３〕
本実施例では、全量に対するＣｏの量を２９．０質量％、Ｍｏの量を３．７質量％、Ｗの量を２．１質量％、Ｔｉの量を３．９質量％、Ａｌの量を２．９質量％、Ｔａの量を２．１質量％、Ｎｂの量を０．５質量％とした以外は、実施例１と全く同一にしてニッケル合金を製造した。本実施例で得られたニッケル合金のミクロ組織の走査型電子顕微鏡写真（２０００倍）を図５に示す。【００３２】
図５に示すように、本実施例で得られたニッケル合金は、結晶粒内に白色の微細な炭化物及び硼化物が均一に分散して析出している。また、本実施例で得られたニッケル合金は、結晶粒界に白色の炭化物及び硼化物が析出している。しかし、本実施例で得られたニッケル合金では、ＴＣＰ相は全く形成されていない。【００３３】
次に、実施例１と全く同一にして、本実施例で得られたニッケル合金の耐高温酸化性を測定した。結果を図２に示す。【００３４】
次に、実施例１と全く同一にして、本実施例で得られたニッケル合金のクリープ強度を測定した。結果を図３に示す。【００３５】
〔比較例１〕
本比較例では、粉末冶金法により、全量に対し、１６．０質量％のＣｒと、１５．０質量％のＣｏと、３．０質量％のＭｏと、１．２５質量％のＷと、５．０質量％のＴｉと、２．５質量％のＡｌと、０．０２５質量％のＣと、０．０２質量％のＢと、０．０３質量％のＺｒと、残部Ｎｉ及び不可避的不純物とからなるニッケル合金を製造した。本比較例で得られたニッケル合金のミクロ組織の走査型電子顕微鏡写真（２０００倍）を図６に示す。【００３６】
図６に示すように、本比較例で得られたニッケル合金は、結晶粒内に白色の微細な炭化物及び硼化物が均一に分散して析出している。また、本比較例で得られたニッケル合金は、結晶粒界に白色の炭化物及び硼化物が析出している。さらにまた、本比較例で得られたニッケル合金では、結晶粒内に板状又は針状のＴＣＰ相が析出し、結晶粒界に灰色のＴＣＰ相が析出している。【００３７】
次に、実施例１と全く同一にして、本比較例で得られたニッケル合金の耐高温酸化性を測定した。結果を図２に示す。【００３８】
次に、実施例１と全く同一にして、本比較例で得られたニッケル合金のクリープ強度を測定した。結果を図３に示す。【００３９】
〔比較例２〕
本比較例では、粉末冶金法により、全量に対し、１２．５質量％のＣｒと、２７．０質量％のＣｏと、３．４質量％のＭｏと、１．９質量％のＷと、４．４質量％のＴｉと、３．２質量％のＡｌと、０．０２５質量％のＣと、０．０２質量％のＢと、０．０５質量％のＺｒと、２．５質量％のＴａと、０．３５質量％のＨｆと、０．５質量％のＮｂと、残部Ｎｉ及び不可避的不純物とからなるニッケル合金を製造した。本比較例で得られたニッケル合金のミクロ組織の走査型電子顕微鏡写真（２０００倍）を図７に示す。【００４０】
図７に示すように、本比較例で得られたニッケル合金は、結晶粒内に白色の微細な炭化物及び硼化物が均一に分散して析出している。また、本比較例で得られたニッケル合金は、結晶粒界に白色の炭化物及び硼化物が析出している。さらにまた、本比較例で得られたニッケル合金では、結晶粒内に板状又は針状のＴＣＰ相が析出し、結晶粒界に灰色のＴＣＰ相が析出している。【００４１】
次に、実施例１と全く同一にして、本比較例で得られたニッケル合金の耐高温酸化性を測定した。結果を図２に示す。【００４２】
次に、実施例１と全く同一にして、本比較例で得られたニッケル合金のクリープ強度を測定した。結果を図３に示す。【００４３】
〔比較例３〕
本比較例では、全量に対するＣｏの量を２５．０質量％、Ｍｏの量を４．５質量％、Ｗの量を２．１質量％とした以外は、比較例２と全く同一にしてニッケル合金を製造した。本比較例で得られたニッケル合金のミクロ組織の走査型電子顕微鏡写真（２０００倍）を図８に示す。【００４４】
図８に示すように、本比較例で得られたニッケル合金は、結晶粒内に白色の微細な炭化物及び硼化物が均一に分散して析出している。また、本比較例で得られたニッケル合金は、結晶粒界に白色の炭化物及び硼化物が析出している。さらにまた、本比較例で得られたニッケル合金では、結晶粒内に板状又は針状のＴＣＰ相が析出し、結晶粒界に灰色のＴＣＰ相が析出している。【００４５】
次に、実施例１と全く同一にして、本比較例で得られたニッケル合金の耐高温酸化性を測定した。結果を図２に示す。【００４６】
次に、実施例１と全く同一にして、本比較例で得られたニッケル合金のクリープ強度を測定した。結果を図３に示す。【００４７】
実施例１〜３で得られたニッケル合金は、図２に示すように、８５０℃の温度下、酸化物の形成による単位面積当たりの質量増が、長時間に亘って少なく、優れた耐高温酸化性を備えることが明らかである。また、実施例１〜３で得られたニッケル合金は、図３に示すように、優れたクリープ強度を備えることが明らかである。【００４８】
比較例１で得られたニッケル合金は、図２に示すように、前記単位面積当たりの質量増が大きく、実施例１〜３で得られたニッケル合金に対し、耐高温酸化性に劣ることが明らかである。一方、比較例２，３で得られたニッケル合金は、図２に示すように、前記単位面積当たりの質量増は実施例１〜３で得られたニッケル合金と同等であるが、図３に示すように、実施例１〜３で得られたニッケル合金に対し、クリープ強度に劣ることが明らかである。
【図２】
2012063879.tif 000003
【図３】
2012063879.tif 000004
【図１】
2012063879.tif 000005
【図４】
2012063879.tif 000006
【図５】
2012063879.tif 000007
【図６】
2012063879.tif 000008
【図７】
2012063879.tif 000009
【図８】
2012063879.tif 000010
【国際調査報告】
2012063879.tif 000011
2012063879.tif 000012
2012063879.tif 000013
2012063879.tif 000014