(57)【要約】【課題】  Ｒｅｎｅ  Ｎ５ニッケル基超合金と同様の性質をもつ鋳造品のフレッケルの発生率を低減できる合金組成及び方法を提供する。【解決手段】  鋳造品は一方向結晶構造を有し、重量基準で、６％〜８％のクロム、６％〜９％のコバルト、０％〜２％のモリブデン、４％〜６％のタングステン、６．４％〜６．９％のタンタル、０％〜２％のチタン、５％〜７％のアルミニウム、２．７％〜３．０％のレニウム、０．３％〜０．７％のハフニウム、０．０４％〜０．０８％の炭素、０．００２％〜０．００６％のホウ素、０％〜０．００７５％のイットリウム、０．００２％〜０．００４％のジルコニウム、残部のニッケル及び不可避不純物からなる組成を有する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量基準で、
６％〜８％のクロム、
６％〜９％のコバルト、
０％〜２％のモリブデン、
４％〜６％のタングステン、
６．４％〜６．９％のタンタル、
０％〜２％のチタン、
５％〜７％のアルミニウム、
２．７％〜３．０％のレニウム、
０．３％〜０．７％のハフニウム、
０．０４％〜０．０８％の炭素、
０．００２％〜０．００６％のホウ素、
０％〜０．００７５％のイットリウム、
０．００２％〜０．００４％のジルコニウム、
残部のニッケル及び不可避不純物
からなる組成を有するニッケル基超合金。
【請求項２】
前記ニッケル基超合金が鋳造品の形態である、請求項１記載のニッケル基超合金。
【請求項３】
前記鋳造品がフレッケル欠陥を実質的に含まない、請求項２記載のニッケル基超合金。
【請求項４】
前記鋳造品が一方向結晶構造を有する、請求項２記載のニッケル基超合金。
【請求項５】
前記一方向結晶構造が単結晶である、請求項４記載のニッケル基超合金。
【請求項６】
前記鋳造品がガスタービン用の部品である、請求項４記載のニッケル基超合金。
【請求項７】
前記組成が６．５〜６．８重量％のタンタルを含む、請求項１記載のニッケル基超合金。
【請求項８】
前記組成が約６．７重量％のタンタルを含む、請求項１記載のニッケル基超合金。
【請求項９】
前記組成が６．０〜６．２重量％のアルミニウムを含む、請求項１記載のニッケル基超合金。
【請求項１０】
前記組成が約６．１重量％のアルミニウムを含む、請求項１記載のニッケル基超合金。
【請求項１１】
前記組成が２．７５〜２．９重量％のレニウムを含む、請求項１記載のニッケル基超合金。
【請求項１２】
前記組成が約２．８重量％のレニウムを含む、請求項１記載のニッケル基超合金。
【請求項１３】
前記組成が０．４〜０．６重量％のハフニウムを含む、請求項１記載のニッケル基超合金。
【請求項１４】
前記組成が約０．５重量％のハフニウムを含む、請求項１記載のニッケル基超合金。
【請求項１５】
前記組成が０．００２〜０．００３重量％のジルコニウムを含む、請求項１記載のニッケル基超合金。
【請求項１６】
前記組成が約０．００２５重量％のジルコニウムを含む、請求項１記載のニッケル基超合金。
【請求項１７】
前記組成が、重量基準で、４．９０％未満のタングステン、６．４４％超のタンタル、６．２０％未満のアルミニウム及び２．９１％未満のレニウムを含む、請求項１記載のニッケル基超合金。
【請求項１８】
請求項１記載のニッケル基超合金の製造方法であって、
主キャビティを有する予熱した鋳型の加熱ゾーンに溶融量の組成物を鋳込み、
鋳型を加熱ゾーンから冷却ゾーンに引き出して、溶融金属を方向性凝固させ、次いで、
鋳型を冷却して、フレッケル欠陥を実質的に含まない一方向結晶構造を有する鋳造品を生じさせる
ことを含む方法。
【請求項１９】
フレッケル欠陥を実質的に含まない一方向結晶構造を有する鋳造品の形態でのニッケル基超合金であって、重量基準で、
６．７５％〜７．２５％のクロム、
７％〜８％のコバルト、
１．３％〜１．７％のモリブデン、
４．５％〜５．０％のタングステン、
６．５％〜６．８％のタンタル、
０％〜０．０５％のチタン、
６．０％〜６．２％のアルミニウム、
２．７５％〜２．９０％のレニウム、
０．４％〜０．６％のハフニウム、
０．０４％〜０．０８％の炭素、
０．００３％〜０．００５％のホウ素、
０％〜０．０７５％のイットリウム、
０．００２％〜０．００３％のジルコニウム、
残部のニッケル及び不可避不純物
からなる組成を有する超合金。
【請求項２０】
前記組成が、重量基準で、
約７％のクロム、
約７．５％のコバルト、
約１．５％のモリブデン、
約４．７５％のタングステン、
約６．７％のタンタル、
約０％〜０．０２％のチタン、
約６．１％のアルミニウム、
約２．８％のレニウム、
約０．５％のハフニウム、
約０．０６％の炭素、
約０．００４％のホウ素、
０％〜０．０３％のイットリウム、
約０．００２５％のジルコニウム、
残部のニッケル及び不可避不純物
からなる、請求項１９記載のニッケル基超合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概してニッケル基超合金組成物及び該合金組成物から方向性凝固鋳造品を製造する方法に関する。具体的には、本発明は、ガスタービンその他の高温用途の部品での使用に適した単結晶製品として鋳造できるニッケル基超合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
動翼（バケット）、静翼（ノズル）及び燃焼器部品のようなガスタービン部品は、典型的には、タービン作動温度での所望の機械的性質によって特徴付けられるニッケル基、コバルト基又は鉄基超合金から形成される。ガスタービンの効率はその作動温度に依存するので、さらに高い温度に耐えることのできる部品（特にタービンバケット、ノズル及び燃焼器部品）の開発が行われている。ガスタービン部品に対する材料要件が増すにつれて、超合金からなる部品の機械的、物理的及び環境的性質を向上させるための様々な処理法及び合金成分が用いられてきた。例えば、要求の厳しい用途で用いられるバケット、ノズルその他の部品は、柱状多結晶又は単結晶製品を生じるように所定の方向の結晶方位又は成長方向で特徴付けられる方向性凝固（ＤＳ）又は単結晶（ＳＸ）ミクロ組織をもつように一方向鋳造法で鋳造されることが多い。
【０００３】
ＤＳ及びＳＸ製品の機械的性質は、高角粒界、等軸結晶粒及び方向性凝固プロセスの際のデンドライト樹間偏析に起因する欠陥の回避にある程度依存する。一例として、超合金の特定の化学組成によっては、デンドライト樹間偏析で表面フレッケルが生じることがある。これは凝固中に非常に小さな等軸結晶粒の鎖として生じ、その典型的な鎖の長さは長さ約０．２５インチ（約６ｍｍ）から数インチ（約５０ｍｍ超）程度である。かかる欠陥は疲労寿命を縮め、凝固プロセス中に許容できない軸ずれ結晶粒を起こす結晶粒開始源として作用するおそれがある。引き出し速度、冷却速度及び固液界面位置などの鋳造プロセスパラメータはフレッケル形成に影響をもつと思われる。そのため、フレッケル形成をなくすための従来の取り組みはプロセス関連技術を含んでおり、例えば、本願出願人に譲渡されたＨｕａｎｇ他の米国特許第６２１７２８６号に開示されているように高グラジエント鋳造技術はフレッケル低減に強い効果をもつことが示されている。フレッケル形成傾向は組成にも依存し、その一例は、超合金のタンタル量である。従って、本願出願人の米国特許第５１５１２４９号、同第６０９１１４１号及び同第６９０９９８８号に記載されているように、フレッケルは、超合金組成の慎重な制御又は変更によっても対処されている。
【０００４】
本願出願人の米国特許第６０７４６０２号に開示された商業上Ｒｅｎｅ  Ｎ５として知られるニッケル基超合金は、約５〜１０重量％のクロム、約５〜１０重量％のコバルト、約０〜２重量％のモリブデン、約３〜１０重量％のタングステン、約３〜８重量％のタンタル、約０〜２重量％のチタン、約５〜７重量％のアルミニウム、約０〜６重量％のレニウム、約０〜０．５０重量％のハフニウム、約０〜０．０７重量％の炭素、約０〜０．０１５重量％のホウ素及び約０〜０．０７５重量％のイットリウム、残部のニッケル及び不可避不純物からなる組成を有する。他の超合金の処方と同様に、Ｎ５の組成は、望ましい性質の組合せを達成するため幾つかの重要な合金元素の濃度が制御されていることを特徴とする。高圧タービンバケット及びノズルを始めとするガスタービン用途に用いるための単結晶部品として鋳造する場合、かかる性質としては、高温クリープ強度、酸化及び腐食耐性、低サイクル疲労及び高サイクル疲労（ＬＣＦ及びＨＣＦ）に対する耐性並びに単結晶鋳造性が挙げられる。Ｎ５はガスタービン内部の用途では極めて良好に挙動するが、Ｎ５から鋳造したバケット及びノズルは、外部及び内部フレッケル鎖を呈することがある。過度のフレッケル形成は鋳造品を廃棄せざるを得なくなるおそれがあるので、Ｎ５合金の呈するフレッケルの発生率及び程度を低減するのが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６２１７２８６号明細書
【特許文献２】米国特許第５１５１２４９号明細書
【特許文献３】米国特許第６０９１１４１号明細書
【特許文献４】米国特許第６９０９９８８号明細書
【特許文献５】米国特許第６０７４６０２号明細書
【特許文献６】米国特許第５１００４８４号明細書
【特許文献７】米国特許第５８８８４５１号明細書
【特許文献８】米国特許第５９２５１９８号明細書
【特許文献９】米国特許第６０９６１４１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、Ｎ５ニッケル基超合金から製造した一方向凝固鋳造品と同様の性質を有する一方向凝固鋳造品におけるフレッケルの発生率を低減できる合金組成並びに方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様では、一方向結晶構造をもつ鋳造品の製造に特に適したニッケル基超合金を提供する。本超合金は、重量基準で、６％〜８％のクロム、６％〜９％のコバルト、０％〜２％のモリブデン、４％〜６％のタングステン、６．４％〜６．９％のタンタル、０％〜２％のチタン、５％〜７％のアルミニウム、２．７％〜３．０％のレニウム、０．３％〜０．７％のハフニウム、０．０４％〜０．０８％の炭素、０．００２％〜０．００６％のホウ素、０％〜０．０７５％のイットリウム、０．００２％〜０．００４％のジルコニウム、残部のニッケル及び不可避不純物からなる組成を有する。
【０００８】
本発明の第２の態様では、ニッケル基超合金を一方向凝固鋳造品として製造する方法を提供する。本方法は、概して、鋳造製品の形状をもつ主キャビティを有する予熱した鋳型の加熱ゾーンに溶融量の組成物を鋳込み、鋳型を加熱ゾーンから冷却槽に引き出して、溶融金属を方向性凝固させ、次いで、鋳型を冷却して鋳造品及び一方向結晶構造を生じさせることを含む。
【０００９】
本発明の好ましい態様では、鋳造品の一方向結晶構造は、フレッケル欠陥を実質的に含まない。本明細書では、鋳造品がフレッケルを実質的に含まないという特徴は、すべてのフレッケルの合計長さが０．５インチ（約１２ｍｍ）以下であることを意味する。本発明の顕著な利点は、鋳造品の組成が、Ｎ５と同じ合金成分を含んでいて、それらの成分の合金レベルがＮ５について開示された最も広い範囲内にあるか又は該範囲と重複しているものの、それらの成分を特定のレベル及び相対的比率で用いると同一条件下で処理したＮ５合金と比較して予想外の優れた結果を生じることができることが判明したことである。特に、フレッケルの発生率の減少は、組成変更だけから予測されるものよりも大きく、その結果、同じ処理条件下のＮ５で予測されるはずの性質であるフレッケルが存在しない。
【００１０】
本発明の別の好ましい態様では、鋳造品の一方向結晶構造は、＜００１＞の好ましい単結晶方向をもつ単結晶である。ただし、＜００１＞以外の方位を有する結晶構造も本発明の技術的範囲に属する。最後に、本発明で製造できる合金組成物及び鋳造品は、ガスタービンのバケット、ノズルその他の部品のようなガスタービンの部品に良く適している。
【００１１】
本発明のその他の目的及び利点については、以下の詳細な説明から理解を深めることができよう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のニッケル基超合金から形成できるタービンバケットを示す図。
【図２】本発明の一実施形態に係る大きな単結晶部品を鋳造するための鋳型の断面図。
【図３】Ｒｅｎｅ  Ｎ５の製造規格に従う組成を有する合金からなるバケットの表面の外部フレッケル鎖を示す走査画像。
【図４】本発明の一実施形態に係る変更組成を有する合金からなるバケットの表面の外部フレッケル鎖を示す走査画像。
【図５】Ｒｅｎｅ  Ｎ５の製造規格に従う組成を有する合金から鋳造したバケット及び本発明の実施形態に従って変更した２種類の合金から鋳造したバケットで得られたフレッケル長の測定データを示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、商業上Ｒｅｎｅ  Ｎ５として知られるニッケル基合金と同様の性質を有し、ガスタービンの高温ガス流路のような用途で使用するための高温強度（耐クリープ性を含む）、耐酸化性、耐疲労性、鋳造性及びミクロ組織安定性のような合金の機械的性質を保持しながら、フレッケル形成の傾向を減少させる化学組成をもつニッケル基合金を開発しようとする取り組みの結果完成したものである。例として、発電産業で使用され、本願出願人が製造しているＨ及びＦＢクラスのガスタービンのような陸上ガスタービン用の第１段バケット１０を図１に示す。バケット１０は翼形部１２とシャンク部１４とを有しており、バケット１０をタービンディスク（図示せず）に固定するためシャンク部１４にダブテール１６が形成される。タービンバケットで一般的な通り、バケット１０は、好ましくは柱状単結晶（ＳＸ）又は柱状多結晶（ＤＳ）ミクロ組織をもつように一方向鋳造される。本発明の利点を、図１に示すバケット１０のようなガスタービン部品を参照して説明するが、本発明の教示内容は、Ｎ５のような高温材料から鋳造される他の部品にも一般に適用できる。
【００１４】
当技術分野で公知の通り、フレッケルは、一方向凝固プロセスを乱す鋳型内での溶融金属の対流にある程度起因し、ＳＸ及びＤＳ鋳造品表面で等軸結晶の小さな鎖として観察されるむら（irregularities）を生じる。フレッケルは、凝固プロセス中に許容できない軸ずれ結晶粒を起こす結晶粒開始源として作用するおそれがあり、鋳造品の疲労寿命を縮めかねない。本発明の好ましい予想外の態様では、成分レベルが米国特許第６０７４６０２号（そのＮ５合金の組成に関する開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。）にＮ５について開示された範囲内にある合金で外部及び内部フレッケル形成を防止し、解消することができる。さらに、この合金は、全長約１５〜４０インチ（約４０〜約１００ｃｍ）であることが多い図１に示すような陸上ガスタービンの大型タービンバケットを始めとする、概してフレッケルを生じ易い大型鋳造品の製造に使用できる。
【００１５】
フレッケルの低減を達成するニッケル基Ｎ５超合金の組成変更は、まずモデリング技術から得られたデータに基づいおり、それから、フレッケル形成に対するＮ５合金の各元素の全体的影響に関して相関関係を同定し、分析した。米国特許第６０７４６０２号にＮ５について開示された広範な範囲を以下の表Ｉにまとめた。
【００１６】
【表１】
2010037658.tif 000003
このモデリングから、何種類かの合金成分及び成分の組合せが、フレッケル形成に強い影響をもつが、他の成分はほとんど又は実質的に全く影響をもたないと予測された。具体的には、以下の式で定義され、本明細書でフレッケル感受性指数Ｒeと呼ぶものを用いて、フレッケル形成に対する各合金成分の影響を定量化するためにモデリング技術を使用した。
【００１７】
Ｒe＝Ａ（ＶＧ）-1Σ（ＰiＣ0,i）
式中、Ａは定数であり、Ｖ及びＧは鋳造プロセス因子（それぞれ引き出し速度及び温度勾配）であり、Ｐi及びＣ0,iは化学因子（それぞれ、各元素ｉの対流性因子及び各元素ｉの初期濃度）である。対流性因子は、このモデリング技術で用いるために開発した因子であり、状態図での液相線の傾き、偏析係数、溶質体積膨張係数及び熱体積膨張係数を始めとする幾つかの変数を考慮に入れる。式から分かる通り、負の対流性因子（Ｐi）をもつ元素はフレッケル感受性指数Ｒeの値を下げて、フレッケルのおそれを低減させると予想されるが、正のＰi値を有する元素はＲeを増させて、フレッケルのおそれを高めると予想される。Ｎ５の様々な元素のＰi値を以下の表ＩＩに示す。
【００１８】
【表２】
2010037658.tif 000004
表ＩＩのＰi値を用いたＲe値の計算式に基づくと、ハフニウムがフレッケル形成に最も強い影響をもち、十分高レベルで存在していればフレッケルの防止に最も有益な影響をもつはずであることが分かる。タンタル及び炭素も、ハフニウムほど顕著ではないが、有益な影響をもつ。一方、アルミニウム、タングステン及びレニウムは、それらの中程度のＰi値とＮ５合金中でのそれらの高い合金レベルとの組合せから、中程度の悪影響をもつと予想される。コバルト、クロム、チタン、ニオブ及びモリブデンを始めとする他の元素は、それらの低いＰi値（コバルト、クロム及びモリブデン）又はＮ５中での量がごく低い（チタン及びニオブ）ことから、無視できる影響しか有さないはずである。Ｎ５の不純物ではあるが、ジルコニウムの非常に高いＰi値は、Ｎ５合金中での０．０１重量％以下という典型的許容範囲内でジルコニウムもフレッケルに悪影響をもつおそれがあることを示唆している。
【００１９】
プロセスパラメータとは独立に、任意の元素がフレッケル感受性指数Ｒeに対してもつ影響は、その対流性因子ＰiとＮ５合金の製造規格におけるその濃度公差（ΔＣi）との積に基づいて予測できる。例えばハフニウムでは、この積は−１２７６８×０．０６＝−７６６であり、非常に強い良い影響を表す。同様の計算から、タンタル（−３）及び炭素（−５）が中程度の良い影響を有するはずであり、レニウム（８）、タングステン（６）及びアルミニウム（２）が中程度の悪影響を有するはずであり、コバルト、クロム及びモリブデンが無視できる影響（約０）しか有さないはずであり、不純物として存在していればチタン、コロンビウム及びジルコニウムも同様に無視できる影響（約０）しか有さないはずである。一方、ジルコニウムは、０．０１重量％以下という典型的許容範囲内で、フレッケルを大幅に促進しかねない（４５２２×０．００５＝２３）。
【００２０】
ある成分がフレッケルを促進又は阻害した程度は合金中でのその成分の目標レベルに影響し、その結果、本発明のニッケル基超合金は、その公称組成において、公称Ｎ５組成よりもハフニウム、タンタル及び炭素含有量が多く、レニウム、タングステン、アルミニウム、ジルコニウム含有量が少ない。タンタル及びアルミニウムはいずれもガンマプライム（Ｎｉ3Ｘ）形成元素であるので、アルミニウム含有量の低下をタンタル含有量の増加で補償し、Ｎ５で望まれるガンマプライム含有量を保つことができる。しかし、レニウム及びタングステンはいずれも固溶強化元素であり、これらの元素の低減を補償する試みは、Ｎ５の望ましい性質を維持するため別の固溶強化元素を増することによって行わなければならない。以下に述べるように、モデリング技術の予測を検証するための実験は、ハフニウムの影響は、ハフニウムレベルがＮ５のハフニウム上限（０．５０重量％）を超えると、フレッケルをなくすのに十分に強くなりうることを示唆している。
【００２１】
本発明では、ニッケル基合金は、重量基準で、以下の広範な組成、好ましい組成及び公称組成を有する。
【００２２】
【表３】
2010037658.tif 000005
合金の残部はニッケル及び不可避不純物である。フレッケル低減の他に、本発明の合金は、好ましくはＮ５合金と本質的に同じ、潜在的にはＮ５合金よりも優れた性質を有し、Ｎ５の優れた代替物を提供する。
【００２３】
上述の通り、上記のモデリング技術とその後の鋳造実験に基づいて、表ＩＩＩの成分の上限及び下限は、表ＩのＮ５合金の製造規格範囲よりも高い又は低い。これらの合金成分の合金範囲は、について開示された最も広い範囲内にあるか又は該範囲と重複しているが、それらの範囲は、従前制御されていなかったフレッケルの発生率及び程度を回避するため非常に狭く調整される。Ｎ５合金の複雑さ及びその成分同士の相互作用の点から、本発明の教示以前には、フレッケルの低減は予測できないと考えられていた。さらに、Ｎ５合金について教示された広範な範囲内で特定の成分レベルを有する合金が、同一条件下で処理したＮ５組成範囲内の他の合金の化学組成に比して実質的に低減したフレッケルを呈し得るとは予測できないことであった。特に、フレッケルを阻止すると従前記載されていた幾つかの元素（例えば炭素）は、幾つかの機械的性質の達成を担保するため、Ｎ５中で低くかつ狭い範囲に制限しなければならない。
【００２４】
ＳＸ又はＤＳミクロ組織を有する合金の組成物は、一般に、従来の一方向鋳造技術によって製造できる。例えば、単結晶鋳造品は、例えば公知の真空誘導溶融技術で調製した合金の溶湯から作られる。当技術分野で公知の通り、鋳造品の凝固の際の熱伝達条件は、一次柱状単結晶と競合する溶湯からの二次結晶粒の核生成及び形成を避けるため、鋳造製品のある部分が鋳造品の残りの部分よりも速く冷却されないように制御される。二次及び多結晶は、鋳型を冷却浴又は放射冷却域へ引き出す際の熱伝達条件を鋳造品のすべての部分がほぼ同じ速度で冷却するように調節することによって、さらに制御される。
【００２５】
図２は、本発明の合金の単結晶鋳造品の製造に適したタイプのシェル鋳型２０を示す。当技術分野で公知の通り、鋳型２０は、好ましくはアルミナ又はシリカのような材料から形成され、図１と同様のタービンバケットで例示される鋳造品３２の所望の形状に対応した内部キャビティ２２を有する。キャビティ２２は、翼形部３４とシャンク部３６とダブテール３８を有する鋳造品３２が形成されるように構成される。鋳型２０は、チルプレート２４に固定され、鋳型２０を合金の溶融温度以上、特に合金の液相線温度（約１３９７℃）よりも高い温度に加熱するための加熱域２６内に配置される。鋳造プロセスは、好ましくは真空又は不活性雰囲気中で実施される。溶融合金を予熱した鋳型２０に鋳込み、しかる後、鋳型２０の底及びチルプレート２４を一定速度で冷却ゾーン（図示せず）まで下方に引き出すことによって一方向凝固を開始するが、冷却ゾーンは液体金属冷却浴或いは放射冷却のための真空又は周囲もしくは冷却空気を含んでいてもよい。鋳造品３２は、鋳型２０の底の単結晶種材料２８の小ブロックの結晶構造及び方位に基づいてエピタキシャル成長し（例えば＜１００＞方位で）、結晶セレクタ３０から単結晶が形成される。キャビティ２２の拡がった部分で、柱状単結晶は大きくなる。実質的に鋳造品３２全体で一方向柱状単結晶が形成されるように、ブリッジ４０で鋳造品３２の突出部分を鋳造品３２の下側部分と接続する。鋳造品３２は、鋳造品の５０％超が単結晶であれば、実質的に柱状単結晶であるとみなされる。当業者には自明であろうが、ＤＳ鋳造品も、チルプレート２４に対して開いた鋳型２０の底に成長ゾーンを設け、結晶セレクタ３０をなくすように鋳型２０を変更することによって、同様に製造できる。
【００２６】
モデリング技術の予測の検証に用いた実験では、本願出願人によって製造される９ＦＢ型ガスタービン用の９枚の第１段バケットを用意した。バケットの組成は、上述のモデリング技術で得られたデータに基づいて処方し、モデリング技術からフレッケル形成に対するＮ５の各元素の全体的影響を予測した。次いで、フレッケル形成に強い影響をもつと考えられる元素と影響の小さい元素とを考慮して、目標の化学組成を提案した。合金Ａと合金Ｂとの２種類の実験組成物を、Ｎ５の基準化学組成をもつように処方した合金（「基準合金」）と併せて評価した。以下の表ＩＶから明らかな通り、合金Ａ及びＢは、それらのタングステン量（基準合金との差はわずか０．１５％）、タンタル量（基準合金との差はわずか０．２４％又は０．２５％）、アルミニウム量（基準合金との差はわずか０．１５％）、レニウム量（基準合金との差はわずか０．１１％及び０．１３％）、ハフニウム量（基準合金との差はわずか０．０６％又は０．３６％）及びジルコニウム量（基準合金との差はわずか０．００４％）を除いて、基準合金と実質的に同一であった。しかるに、化学組成のこうしたわずかな変化が、各合金でのフレッケルの発生率に多大な影響をもつことが分かる。
【００２７】
【表４】
2010037658.tif 000006
各合金組成物の３つの単結晶鋳造品を、Ｎ５の工業生産の慣例、上記で概説した鋳造プロセス並びに本願出願人の米国特許第５１００４８４号（そのＮ５合金の処理に関する開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。）に開示された熱処理プロセスに従って用意した。鋳造用の鋳型は長さ約４００ｍｍ、幅約１５０ｍｍであり、約１５ｋｇの溶融合金を充填した。実験の変数は化学因子のみに基づき、フレッケル感受性指数Ｒeについて述べたプロセス因子には基づかなかった。炉内温度、引き出し速度及び冷却時の鋳造品の温度勾配を始めとする鋳造パラメータは実験を通して一定に維持した。従って、実験結果は化学的影響のみを反映しており、合金Ａ及びＢで得られた結果と基準合金で得られた結果との対比に当たってはプロセスパラメータは意義をもたない。
【００２８】
鋳造後、内部及び外部フレッケルについて、単結晶バケットを外観検査及び蛍光浸透探傷検査で検査した。図３及び図４は、それぞれ、基準合金及び合金Ｂから形成したバケットでの外部フレッケル鎖を示す走査画像である。図３では、基準合金鋳造品のバケット根元部に、２０以上ものフレッケル鎖が認められる。対照的に、図４では、合金Ｂ鋳造品のバケット根元部の左上隅に２つの短いフレッケル鎖しか認められない。図５は、これら３種類の合金から鋳造したバケットで得られたフレッケル長さの測定データを示すグラフである。データは、基準合金に比べて、合金Ａでは全フレッケル鎖長が約３０％減少し、合金Ｂ鋳造品では約１０分の１に減少したことを示している。合金Ａと合金Ｂは、それらのハフニウムレベル（０．２０％対０．５０％）以外は実質的に同一であるので、ハフニウムがフレッケル低減の唯一最大の化学因子であり、約０．２０％超、さらに好ましくは０．３０％以上のハフニウムレベルで優れた結果が得られると結論付けられる。
【００２９】
合金Ａ鋳造品で観察されるフレッケルの顕著な減少は、アルミニウム、タンタル、タングステン、レニウム及びジルコニウムレベルの小さな変化がフレッケルに影響をもつことも示している。特に、実験結果は、６．２０％未満のアルミニウムレベル、６．４４％超のタンタルレベル、４．９０％未満のタングステンレベル、２．９１％未満のレニウムレベル、０．００７％未満のジルコニウムレベルを有するＮ５鋳造品が、他のあらゆる面では同一のＮ５鋳造品よりも大幅に向上したフレッケル耐性を示すことを示している。さらに、フレッケル耐性がこれらの元素量に非常に鋭敏であることも明らかである。
【００３０】
最後に、鋳造実験の結果は、フレッケル感受性指数Ｒeに関する式に基づく予測を裏付けるものと思料される。
【００３１】
特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者が他の形態を採用し得ることは明らかである。例えば、鋳造品の物理的構成は例示したものと異なっていてもよく、鋳造品の製造に上記以外のプロセスを使用することもできる。従って、本発明の技術的範囲は専ら特許請求の範囲によって限定される。
【符号の説明】
【００３２】
１０  バケット
１２  翼形部
１４  シャンク部
１６  ダブテール
２０  鋳型
２２  キャビティ
２４  チルプレート
２６  加熱ゾーン
２８  材料
３０  セレクタ
３２  鋳造品
３４  部分
３６  シャンク部
３８  ダブテール
４０  ブリッジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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