(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量比で、Ｃｏ：５．３質量％以上５．５質量％以下、Ｃｒ：５．２質量％以上６．３質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上３．４質量％以下、Ａｌ：５．４質量％以上５．８質量％以下、Ｎｂ：０．５質量％、Ｔａ：４．８質量％以上５．０質量％以下、Ｈｆ：０．１０質量％、Ｒｅ：９．１質量％以上９．５質量％以下、Ｒｕ：５．５質量％を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基単結晶超合金。
【請求項２】
質量比で、Ｃｏ：５．５質量％、Ｃｒ：５．２質量％、Ｍｏ：３．０質量％、Ａｌ：５．４質量％、Ｎｂ：０．５質量％、Ｔａ：５．０質量％、Ｈｆ：０．１０質量％、Ｒｅ：９．２質量％、Ｒｕ：５．５質量％を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基単結晶超合金。
【請求項３】
質量比で、Ｃｏ：５．５質量％、Ｃｒ：６．３質量％、Ｍｏ：２．２質量％、Ａｌ：５．６質量％、Ｎｂ：０．５質量％、Ｔａ：５．０質量％、Ｈｆ：０．１０質量％、Ｒｅ：９．５質量％、Ｒｕ：５．５質量％を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基単結晶超合金。
【請求項４】
質量比で、Ｃｏ：５．３質量％、Ｃｒ：５．２質量％、Ｍｏ：２．９質量％、Ａｌ：５．８質量％、Ｎｂ：０．５質量％、Ｔａ：４．８質量％、Ｈｆ：０．１０質量％、Ｒｅ：９．１質量％、Ｒｕ：５．５質量％を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基単結晶超合金。
【請求項５】
質量比で、Ｃｏ：５．３質量％以上５．５質量％以下、Ｃｒ：５．２質量％以上６．３質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上３．４質量％以下、Ｗ：０．０質量％より多く２．９質量％以下、Ａｌ：５．４質量％以上５．８質量％以下、Ｎｂ：０．５質量％、Ｔａ：４．８質量％以上５．０質量％以下、Ｈｆ：０．１０質量％、Ｒｅ：９．１質量％以上９．５質量％以下、Ｒｕ：５．５質量％を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基単結晶超合金。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載のＮｉ基単結晶超合金を用いたタービン翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｉ基単結晶超合金及びこれを用いたタービン翼に関する。
本願は、２００９年４月１７日に日本に出願された特願２００９−１００９０３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
航空機エンジンや産業用ガスタービンなどに使用されるタービン翼（静・動翼）は、高温下に長時間晒されることから、耐熱性に優れた材料としてＮｉ基単結晶超合金が用いられている。このＮｉ基単結晶超合金は、ベースであるＮｉにＡｌを添加してＮｉ３Ａｌ型の析出物を析出させて強化し、更にＣｒ、Ｗ、Ｔａなどの高融点金属を添加して合金化し、単結晶化させた超合金である。また、Ｎｉ基単結晶超合金は、所定の温度で溶体化処理を行った後、時効処理を行って強度向上のために適切な金属組織を得ている。この超合金は、いわゆる析出硬化型合金と呼ばれており、母相（γ相）中に析出相（γ´相）が分散析出した結晶構造を有している。【０００３】
このようなＮｉ基単結晶超合金には、Ｒｅを含まない第１世代、Ｒｅを３質量％程度含む第２世代、Ｒｅを５〜６質量％含む第３世代が既に開発されており、世代が進むに従ってクリープ強度が向上している。例えば、第１世代のＮｉ基単結晶超合金としてはＣＭＳＸ−２（キャノン・マスケゴン社製、特許文献１を参照。）、第２世代のＮｉ基単結晶超合金としてはＣＭＳＸ−４（キャノン・マスケゴン社製、特許文献２を参照。）、第３世代のＮｉ基単結晶超合金としてはＣＭＳＸ−１０（キャノン・マスケゴン社製、特許文献３を参照。）などが知られている。【０００４】
第３世代のＮｉ基単結晶超合金であるＣＭＳＸ−１０は、第２世代のＮｉ基単結晶超合金よりも高温下でのクリープ強度の向上を目的としている。しかしながら、このＮｉ基単結晶超合金は、Ｒｅの組成比が５質量％以上と高く、Ｒｅの母相（γ相）への固溶量が限界を越えてしまうために、高温下で余剰となったＲｅが他の元素と化合して、いわゆるＴＣＰ(Topo1ogically Close Packed)相を析出させることがある。このため、第３世代のＮｉ基単結晶超合金を用いたタービン翼では、高温下で長時間の使用によりＴＣＰ相の量が増加して、クリープ強度が低下するという問題がある。【０００５】
このような問題を解決するために、ＴＣＰ相を抑制するＲｕを添加し、且つ他の構成元素の組成比を最適な範囲に設定することにより、母相（γ相）の格子定数と析出物（γ´相）の格子定数とを最適な値とし、高温下での更なる強度向上を可能としたＮｉ基単結晶超合金が開発されている。【０００６】
具体的には、Ｒｕを３質量％程度まで含む第４世代のＮｉ基単結晶超合金と、Ｒｕを４質量％以上含む第５世代のＮｉ基単結晶超合金とが開発されており、世代が進むに従って更にクリープ強度が向上している。例えば、第４世代のＮｉ基単結晶超合金としてはＴＭＳ−１３８（ＮＩＭＳ−ＩＨＩ社製、特許文献４を参照。）、第５世代のＮｉ基単結晶超合金としてはＴＭＳ−１６２（ＮＩＭＳ−ＩＨＩ社製、特許文献５を参照。）等が知られている。【０００７】
ところで、第４，５世代のＮｉ基単結晶超合金は、高温下で高いクリープ強度を得るために、ＷやＲｅなどの重金属を多く添加しており、第２世代以前のＮｉ基単結晶超合金に比べて比重が大きい。その結果、第４，５世代のＮｉ基単結晶超合金を用いたタービン翼は、高温下で高いクリープ強度を有するものの、翼重量の増加により周速の低下を招いたり、上述した航空機エンジンや産業用ガスタービンなどの重量増加を招いたりする問題がある。【０００８】
このような問題を解決するために、比重の大きいＷの添加量を抑えつつ、高温下で高いクリープ強度を維持することができる最適な組成範囲を特定し、組織安定性を示す最適な組成範囲を特定することによって、高温下でのクリープ強度の向上を図りながら、第４，５世代のＮｉ基単結晶超合金に対して比重の小さいＮｉ基単結晶超合金が開発されている（特許文献６を参照。）。【０００９】
また、近年では、上述した従来のＮｉ基単結晶超合金よりもＲｅの組成比の値が大きい（具体的にはＲｅの組成比が８質量％より大きい）Ｎｉ基単結晶超合金が開発されている（非特許文献１を参照。）。このＮｉ基単結晶超合金は、非特許文献１において高レニウムＮｉ基単結晶超合金と称されており、同文献の表１に示されるようにＲｅを組成比で９質量％含んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４５８２５４８号明細書
【特許文献２】米国特許第４６４３７８２号明細書
【特許文献３】米国特許第５３６６６９５号明細書
【特許文献４】米国特許第６９６６９５６号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００６／００１１２７１号明細書
【特許文献６】国際公開第２００８／１１１５８５号パンフレット
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】E.N.Kablov, N.V.Petrushin, ”DESIGNING OF HIGH-RHENIUM SINGLE CRYSTAL NI-BASE SUPERALLOY FOR GAS TURBINE BLADES”, in Superalloys 2008 (Russia), Publ. of TMS(The Minerals, Metals & Materials Society), 2008, pp.901-908
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
高温下で従来よりも高いクリープ強度が得られるＮｉ基単結晶超合金を開発するためには、上記非特許文献１に示されるようにＲｅの組成比を大きくしていくことが、今後必要となっていくと予想される。このため、タービン翼の高温下におけるクリープ強度の向上を図るために、Ｒｅの組成比が従来の８質量％より大きいＮｉ基単結晶超合金の開発が望まれている。
加えて、このＮｉ基単結晶超合金は、重金属のＲｅを従来よりも多く添加するため、タービン翼の軽量化と耐用温度の向上を図るべく、比重当たりのクリープ強度が高い、いわゆる比クリープ強度が高いＮｉ基単結晶超合金の開発も併せて望まれている。【００１３】
本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、Ｒｅを多く含み、且つ比クリープ強度に優れたＮｉ基単結晶超合金及びこれを用いたタービン翼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】
【００１４】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく研究を重ねた結果、比重の大きいＷの添加量を抑えつつ、（１）Ｒｅを組成比率で８質量％より増大させるとともに組織安定性やＴＣＰ相の抑制を考慮して組成比率の改良し、（２）ＴＣＰ相を抑制するＲｕを含め、高温下で高いクリープ強度を維持することができるよう最適な組成範囲を特定することによって、Ｒｅを従来よりも多く含みつつも、高温下でのクリープ強度の向上を図り、且つ第４，５世代のＮｉ基単結晶超合金に対して比重が小さいＮｉ基単結晶超合金が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。【００１５】
すなわち、本発明は、以下の手段を提供する。
（１）  質量比で、Ｃｏ：０．０質量％以上１５．０質量％以下、Ｃｒ：４．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上４．５質量％以下、Ｗ：０．０質量％以上３．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、Ｔｉ：０．０質量％以上１．０質量％以下、Ｈｆ：０．００質量％以上０．５質量％以下、Ｎｂ：０．０質量％以上３．０質量％以下、Ｒｅ：８．１質量％以上９．９質量％以下、Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基単結晶超合金。
（２）  質量比で、Ｃｏ：０．０質量％以上１５．０質量％以下、Ｃｒ：５．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上４．５質量％以下、Ｗ：０．０質量％以上３．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、Ｔｉ：０．０質量％以上１．０質量％以下、Ｈｆ：０．００質量％以上０．５質量％以下、Ｎｂ：０．０質量％以上３．０質量％以下、Ｒｅ：８．１質量％以上９．９質量％以下、Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基単結晶超合金。
（３）  質量比で、Ｃｏ：４．０質量％以上９．５質量％以下、Ｃｒ：４．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上４．５質量％以下、Ｗ：０．０質量％以上３．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、Ｔｉ：０．０質量％以上１．０質量％以下、Ｈｆ：０．００質量％以上０．５質量％以下、Ｎｂ：０．０質量％以上３．０質量％以下、Ｒｅ：８．１質量％以上９．９質量％以下、Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基単結晶超合金。
（４）  質量比で、Ｃｏ：４．０質量％以上９．５質量％以下、Ｃｒ：５．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上４．５質量％以下、Ｗ：０．０質量％以上３．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、Ｔｉ：０．０質量％以上１．０質量％以下、Ｈｆ：０．００質量％以上０．５質量％以下、Ｎｂ：０．０質量％以上３．０質量％以下、Ｒｅ：８．１質量％以上９．９質量％以下、Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基単結晶超合金。
（５）  質量比で、Ｃｏ：０．０質量％以上１５．０質量％以下、Ｃｒ：４．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上４．５質量％以下、Ｗ：０．０質量％以上２．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、Ｔｉ：０．０質量％以上１．０質量％以下、Ｈｆ：０．００質量％以上０．５質量％以下、Ｎｂ：０．０質量％以上３．０質量％以下、Ｒｅ：８．１質量％以上９．９質量％以下、Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基単結晶超合金。
（６）  質量比で、Ｃｏ：０．０質量％以上１５．０質量％以下、Ｃｒ：４．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上４．５質量％以下、Ｗ：０．０質量％以上１．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、Ｔｉ：０．０質量％以上１．０質量％以下、Ｈｆ：０．００質量％以上０．５質量％以下、Ｎｂ：０．０質量％以上３．０質量％以下、Ｒｅ：８．１質量％以上９．９質量％以下、Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基単結晶超合金。
（７）  質量比で、Ｃｏ：４．０質量％以上９．５質量％以下、Ｃｒ：５．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上４．５質量％以下、Ｗ：０．０質量％以上１．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上６．５質量％以下、Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、Ｔｉ：０．０質量％以上０．５質量％以下、Ｈｆ：０．００質量％以上０．５質量％以下、Ｎｂ：０．０質量％以上１．０質量％以下、Ｒｅ：８．１質量％以上９．９質量％以下、Ｒｕ：４．０質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基単結晶超合金。
（８）  質量比で、Ｃｏ：４．０質量％以上９．５質量％以下、Ｃｒ：５．１質量％以上６．５質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上４．０質量％以下、Ｗ：０．０質量％以上１．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上６．０質量％以下、Ａｌ：５．０質量％以上６．０質量％以下、Ｔｉ：０．０質量％以上０．５質量％以下、Ｈｆ：０．００質量％以上０．５質量％以下、Ｎｂ：０．０質量％以上１．０質量％以下、Ｒｅ：８．１質量％以上９．０質量％以下、Ｒｕ：４．０質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基単結晶超合金。
（９）  更に、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｖ、Ｚｒの群から選ばれる少なくとも１種又は２種以上の元素を含有する前項（１）〜（８）の何れかのＮｉ基単結晶超合金。
（１０）  前記群から選ばれた組成のうち、Ｂ：０．０５質量％以下、Ｃ：０．１５質量％以下、Ｓｉ：０．１質量％以下、Ｙ：０．１質量％以下、Ｌａ：０．１質量％以下、Ｃｅ：０．１質量％以下、Ｖ：１質量％以下、Ｚｒ：０．１質量％以下を各々満足する前項（９）のＮｉ基単結晶超合金。
（１１）  前項（１）〜（１０）の何れかのＮｉ基単結晶超合金を用いたタービン翼。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明によれば、Ｒｅを組成比率で８質量％より多く含むＮｉ基単結晶超合金として、比重の増加を抑えつつ、高温下で高いクリープ強度を維持することが可能である。したがって、このＮｉ基単結晶超合金を用いたタービン翼では、軽量化と耐用温度の向上との両立を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明のＮｉ基単結晶超合金を用いたタービン翼の一例を示す斜視図である。
【図２】図２は、表１に示す各実施例及び参考例のＲｅ含有量と比重との関係を示す特性図である。
【図３】図３は、表１に示す各実施例及び非特許文献１の比較例のクリープラプチャー破断時間を示す図である。
【図４】図４は、シミュレーションによって得られた、本発明の実施形態の平均成分を有するＮｉ基単結晶超合金の Ｍｏ含有量とクリープ速度との関係を示す図である。
【図５】図５は、シミュレーションによって得られた、本発明の実施形態の平均成分を有するＮｉ基単結晶超合金のＭｏ含有量とＴＣＰ相の析出開始時間との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を適用したＮｉ基単結晶超合金及びこれを用いたタービン翼について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
本発明を適用したＮｉ基単結晶超合金は、質量比で、Ｃｏ：０．０質量％以上１５．０質量％以下、Ｃｒ：４．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上４．５質量％以下、Ｗ：０．０質量％以上３．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、Ｔｉ：０．０質量％以上１．０質量％以下、Ｈｆ：０．００質量％以上０．５質量％以下、Ｎｂ：０．０質量％以上３．０質量％以下、Ｒｅ：８．１質量％以上９．９質量％以下、Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有する。
【００２０】
また、本発明を適用したＮｉ基単結晶合超金は、質量比で、Ｃｏ：０．０質量％以上１５．０質量％以下、Ｃｒ：５．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上４．５質量％以下、Ｗ：０．０質量％以上３．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、Ｔｉ：０．０質量％以上１．０質量％以下、Ｈｆ：０．００質量％以上０．５質量％以下、Ｎｂ：０．０質量％以上３．０質量％以下、Ｒｅ：８．１質量％以上９．９質量％以下、Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有する。
【００２１】
また、本発明を適用したＮｉ基単結晶合超金は、質量比で、Ｃｏ：４．０質量％以上９．５質量％以下、Ｃｒ：４．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上４．５質量％以下、Ｗ：０．０質量％以上３．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、Ｔｉ：０．０質量％以上１．０質量％以下、Ｈｆ：０．００質量％以上０．５質量％以下、Ｎｂ：０．０質量％以上３．０質量％以下、Ｒｅ：８．１質量％以上９．９質量％以下、Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有する。
【００２２】
また、本発明を適用したＮｉ基単結晶合超金は、質量比で、Ｃｏ：４．０質量％以上９．５質量％以下、Ｃｒ：５．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上４．５質量％以下、Ｗ：０．０質量％以上３．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、Ｔｉ：０．０質量％以上１．０質量％以下、Ｈｆ：０．００質量％以上０．５質量％以下、Ｎｂ：０．０質量％以上３．０質量％以下、Ｒｅ：８．１質量％以上９．９質量％以下、Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有する。
【００２３】
また、本発明を適用したＮｉ基単結晶合超金は、質量比で、Ｃｏ：０．０質量％以上１５．０質量％以下、Ｃｒ：４．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上４．５質量％以下、Ｗ：０．０質量％以上２．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、Ｔｉ：０．０質量％以上１．０質量％以下、Ｈｆ：０．００質量％以上０．５質量％以下、Ｎｂ：０．０質量％以上３．０質量％以下、Ｒｅ：８．１質量％以上９．９質量％以下、Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有する。
【００２４】
また、本発明を適用したＮｉ基単結晶合超金は、質量比で、Ｃｏ：０．０質量％以上１５．０質量％以下、Ｃｒ：４．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上４．５質量％以下、Ｗ：０．０質量％以上１．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上１０．０質量％以下、Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、Ｔｉ：０．０質量％以上１．０質量％以下、Ｈｆ：０．００質量％以上０．５質量％以下、Ｎｂ：０．０質量％以上３．０質量％以下、Ｒｅ：８．１質量％以上９．９質量％以下、Ｒｕ：０．５質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有する。
【００２５】
また、本発明を適用したＮｉ基単結晶合超金は、質量比で、Ｃｏ：４．０質量％以上９．５質量％以下、Ｃｒ：５．１質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上４．５質量％以下、Ｗ：０．０質量％以上１．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上６．５質量％以下、Ａｌ：４．５質量％以上６．５質量％以下、Ｔｉ：０．０質量％以上０．５質量％以下、Ｈｆ：０．００質量％以上０．５質量％以下、Ｎｂ：０．０質量％以上１．０質量％以下、Ｒｅ：８．１質量％以上９．９質量％以下、Ｒｕ：４．０質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有する。
【００２６】
また、本発明を適用したＮｉ基単結晶合超金は、質量比で、Ｃｏ：４．０質量％以上９．５質量％以下、Ｃｒ：５．１質量％以上６．５質量％以下、Ｍｏ：２．１質量％以上４．０質量％以下、Ｗ：０．０質量％以上１．９質量％以下、Ｔａ：４．０質量％以上６．０質量％以下、Ａｌ：５．０質量％以上６．０質量％以下、Ｔｉ：０．０質量％以上０．５質量％以下、Ｈｆ：０．００質量％以上０．５質量％以下、Ｎｂ：０．０質量％以上１．０質量％以下、Ｒｅ：８．１質量％以上９．０質量％以下、Ｒｕ：４．０質量％以上６．５質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有する。
【００２７】
本発明では、比重の小さいＮｉ基単結晶超合金を得るために、上記Ｎｉ基単結晶超合金の組成のうち、Ｗを０．０質量％以上２．９質量％以下とすることができ、更にＷを０．０質量％以上１．９質量％以下とすることができる。
【００２８】
上記Ｎｉ基単結晶超合金の金属組織は、何れも母相（γ相）中に析出相（γ´相）が分散析出した結晶構造を有している。このうち、γ相はオーステナイト相からなり、γ´相は主としてＮｉ３Ａｌといった規則構造を持つ金属間化合物からなる。本発明のＮｉ基単結晶超合金では、γ相と、このγ相中に分散されたγ´相との組成を最適化することによって、高温下で優れた強度特性を得ることができる。
【００２９】
以下、上記Ｎｉ基単結晶超合金を構成する各成分の組成範囲を限定した理由について説明する。
Ｃｏは、Ａｌ、Ｔａ等を含む母相に対する高温下での固溶限度を大きくし、熱処理によって微細なγ´’相を分散析出させ、高温強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｃｏが１５．０質量％を超えると、Ａｌ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｃｒなどの他の添加元素とのバランスが崩れ、有害相が析出して高温強度が低下する。したがって、Ｃｏは、０．０質量％以上１５．０質量％以下であることが好ましく、より好ましくは４．０質量％以上９．５質量％以下である。
【００３０】
Ｃｒは、耐酸化性に優れた元素であり、Ｈｆ及びＡｌと共にＮｉ基単結晶超合金の高温耐食性を向上させる元素である。しかしながら、Ｃｒが４．１質量％未満になると、所望の高温耐食性を確保することが困難となる。一方、Ｃｒが８．０質量％を超えると、γ´相の析出が抑制されると共に、σ相やμ相などの有害相が析出し、高温強度が低下する。したがって、Ｃｒは、４．１質量％以上８．０質量％以下であることが好ましく、より好ましくは５．１質量％以上８．０質量％以下であり、更に好ましくは５．１質量％以上６．５質量％以下である。
【００３１】
Ｍｏは、Ｗ又はＴａとの共存下において母相となるγ相に固溶して高温強度を増加させると共に、析出硬化により高温強度に寄与する元素である。しかしながら、Ｍｏが２．１質量％未満になると、所望の高温強度を確保することが困難となる。一方、Ｍｏが４．５質量％を超えると、高温強度が低下し、更には高温耐食性も低下する。したがって、Ｍｏは、２．１質量％以上４．５質量％以下であることが好ましく、より好ましくは２．１質量％以上３．４質量％以下、更に好ましくは２．１質量％以上３．０質量％以下である。
【００３２】
Ｗは、Ｍｏ又はＴａとの共存下において固溶強化と析出硬化の作用により高温強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｗが３．９質量％を超えると、高温耐食性が低下する。したがって、Ｗは、０．０質量％以上３．９質量％以下であることが好ましい。また、Ｗは、比重の小さいＮｉ基単結晶超合金を得るために、０．０質量％以上２．９質量％以下とすることが好ましく、より好ましくは０．０質量％以上１．９質量％以下である。本発明では、このようにＷの添加量を抑制する又はＷを添加しない場合であっても、他の構成元素の組成比を最適な範囲に設定することによって、高温下で高いクリープ強度を維持することが可能である。
【００３３】
Ｔａは、Ｍｏ又はＷとの共存下において固溶強化と析出硬化の作用により高温強度を向上させ、また一部がγ´相に対して析出硬化することで、高温強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｔａが４．０質量％未満になると、所望の高温強度を確保することが困難となる。一方、Ｔａが１０．０質量％を超えると、σ相やμ相などの有害相が析出し、高温強度が低下する。したがって、Ｔａは、４．０質量％以上１０．０質量％以下であることが好ましく、より好ましくは４．０質量％以上６．５質量％以下であり、更に好ましくは４．０質量％以上６．０質量％以下である。
【００３４】
Ａｌは、Ｎｉと化合しながら、母相中に微細均一に分散析出するγ´相として、Ｎｉ３Ａｌで表される金属間化合物を６０〜７０％（体積百分率）の割合で形成する。すなわち、Ａｌは、Ｎｉと共に高温強度を向上させる元素である。また、Ａｌは、耐酸化性に優れた元素であり、Ｃｒ及びＨｆと共にＮｉ基単結晶超合金の高温耐食性を向上させる元素である。しかしながら、Ａｌが４．５質量％未満になると、γ´相の析出量が不充分となり、所望の高温強度及び高温耐食性を確保することが困難となる。一方、Ａｌが６．５質量％を超えると、共晶γ´相と呼ばれる粗大なγ相が多く形成され、溶体化処理が不可能となり、所望の高温強度を確保することが困難となる。したがって、Ａｌは、４．５質量％以上６．５質量％以下であることが好ましく、より好ましくは５．０質量％以上６．０質量％以下である。
【００３５】
Ｔｉは、Ｍｏ又はＷとの共存下において固溶強化と析出強化の作用により高温強度を向上させ、また、一部がγ´相に対して析出硬化し、高温強度を向上させるための元素である。しかしながら、Ｔｉが１．０質量％を超えると、有害相が析出して高温強度が低下する。したがって、Ｔｉは、０．０質量％以上１．０質量％以下であることが好ましく、より好ましくは０．０質量％以上０．５質量％以下である。本発明では、このようにＴｉの添加量を抑制する又はＴｉを添加しない場合であっても、他の構成元素の組成比を最適な範囲に設定することによって、高温下で高いクリープ強度を維持することが可能である。
【００３６】
Ｈｆは、粒界偏析元素であり、粒界に偏在して粒界を強化し、これにより高温強度を向上させる元素である。また、Ｈｆは、耐酸化性に優れた元素であり、Ｃｒ及びＡ１と共にＮｉ基単結晶超合金の高温耐食性を向上させる元素である。しかしながら、Ｈｆが０．５質量％を超えると、局部溶融を引き起こして高温強度を低下させることがある。したがって、Ｈｆは、０．００質量％以上０．５質量％以下であることが好ましい。
【００３７】
Ｎｂは、高温強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｎｂが３．０質量％を超えると、有害相が析出して高温強度が低下する。したがって、Ｎｂは、０．０質量％以上３．０質量％以下であることが好ましく、より好ましくは．０．０質量％以上１．０質量％以下である。本発明では、このようにＮｂの添加量を抑制する又はＮｂを添加しない場合であっても、他の構成元素の組成比を最適な範囲に設定することによって、高温下で高いクリープ強度を維持することが可能である。
【００３８】
Ｒｅは、母相であるγ相に固溶し、固溶強化により高温強度を向上させる元素である。また、耐蝕性を向上させる効果もある。しかしながら、Ｒｅが３．０質量％未満になると、γ相の固溶強化が不充分となって所望の高温強度を確保することが困難となる。ここで、本発明ではＲｅを従来より多く含むＮｉ基単結晶超合金を対象としているため、Ｒｅの組成比の下限を８．１質量％と特定する。一方、Ｒｅが９．９質量％を超えると、高温時に有害相であるＴＣＰ相が析出し、所望の高温強度を確保することが困難となる。したがって、Ｒｅは、８．１質量％以上９．９質量％以下であることが好ましく、より好ましくは８．１質量％以上９．０質量％以下である。
【００３９】
Ｒｕは、ＴＣＰ相の析出を抑え、高温強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｒｕが０．５質量％未満になると、高温時にＴＣＰ相が析出し、所望の高温強度を確保することが困難となる。一方、Ｒｕが６．５質量％を超えると、有害相が析出して高温強度が低下する。したがって、Ｒｕは、０．５質量％以上６．５質量％以下であることが好ましく、より好ましくは４．０質量％以上６．５質量％以下である。
【００４０】
また、本発明を適用したＮｉ基単結晶超合金は、更に、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｖ、Ｚｒの中から選ばれる少なくとも１種又は２種以上の元素を含有してもよい。具体的に、これらの添加元素を含む場合には、有害相が析出して高温強度が低下することがないように、個々の組成範囲については、Ｂ：０．０５質量％以下、Ｃ：０．１５質量％以下、Ｓｉ：０．１質量％以下、Ｙ：０．１質量％以下、Ｌａ：０．１質量％以下、Ｃｅ：０．１質量％以下、Ｖ：１質量％以下、Ｚｒ：０．１質量％以下とすることが好ましい。
一方、Ｓｉには、合金の融点を下げる作用があり、溶体化処理のような高温での熱処理時に、材料を局部的に溶融させるような悪影響を及ぼす場合がある。したがって、本発明を適用したＮｉ基単結晶超合金において、Ｓｉのような元素を含有することは好ましくなく、極力低減する方が望ましい。
【００４１】
以上のように、本発明を適用したＮｉ基単結晶超合金では、Ｒｅを多く含みつつ、比重の増加を抑え、高温下で高いクリープ強度を維持することが可能である。具体的には、比重の小さいＮｉ基単結晶超合金を得るために、Ｗの添加量を２．９質量％以下に抑えた場合であっても、高温下で高いクリープ強度を維持することができ、更にＷの添加量を１．９質量％以下に抑えた場合であっても、高温下で高いクリープ強度を維持することができる。したがって、本発明によれば、比重当たりのクリープ強度が高い（比クリープ強度が高い）Ｎｉ基単結晶超合金を得ることが可能である。
【００４２】
また、本発明のＮｉ基単結晶超合金は、例えば図１に示すようなタービン翼１に好適に用いることができる。すなわち、本発明のＮｉ基単結晶超合金を用いたタービン翼１では、高温下で高いクリープ強度を有し、高温下での長時間の使用にも耐え得ると共に、第４，５世代のＮｉ基単結晶超合金に対して比重が小さいことから、軽量化と耐用温度の向上との両立を図ることが可能である。
【００４３】
したがって、本発明のＮｉ基単結晶超合金は、上述した航空機エンジンや産業用ガスタービンなどに使用されるタービン翼（静・動翼）などに幅広く適用することが可能である。さらに、本発明のＮｉ基単結晶超合金は、上述した航空機エンジンや産業用ガスタービンなどに使用されるタービン翼に限らず、高温下で長時間使用される部品又は製品に対して幅広く利用することが可能である。
【００４４】
なお、本発明によれば、γ相と、このγ相中に分散させたγ´相との組成を最適化することができるため、上述したＮｉ基単結晶超合金のみならず、一方向凝固材や普通鋳造材などにも同様に本発明を適用することができる。その場合、本発明と同様の効果を得ることが可能である。
【００４５】
［実施例］
以下、実施例により本発明の効果をより明らかにする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
【００４６】
先ず、真空溶解炉を用いて各種のＮｉ基単結晶超合金の溶湯を調整し、この合金溶湯を用いて組成の異なる実施例１〜３の合金インゴットを鋳造した。これら実施例１〜３の各合金インゴットの組成比を表１に示す。また、表１には、参考例１〜２８として、公知のＮｉ基単結晶超合金の組成比を示す。
【００４７】
【表１】
0005418589.tif 000002
【００４８】
次に、表１に示す各合金インゴットに対して溶体化処理及び時効処理を行い、実施例１〜３のＮｉ基単結晶超合金を得た。なお、溶体化処理については、１５０３〜１５６３Ｋ（１２３０〜１２９０℃）から多段のステップにより１５７３〜１６１３Ｋ（１３００〜１３４０℃）まで昇温した後、１〜１０時間以上保持した。また、時効処理については、１２７３〜１４２３Ｋ（１０００℃〜１１５０℃）で３〜５時間保持する１次時効処理を行った。
【００４９】
そして、これら実施例１〜３のＮｉ基単結晶超合金について、合金組織の状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、何れも組織中にＴＣＰ相は確認されなかった。
【００５０】
次に、図２を参照して、Ｒｅ含有量と比重に対する本技術（実施例１〜３）と既存技術（参考例１〜２８）の特性の違いについて説明する。なお、図２において、正方形のプロットは実施例１〜３を示し、菱形のプロットは参考例１〜２８を示す。
図２に示すように、本技術と既存技術の特性の違いは、Ｒｅ含有量と比重との関係により明確に表される。既存技術のＮｉ基単結晶超合金においては、Ｒｅ含有量が増えるに従い比重が増加する傾向にある。しかしながら、本技術の比重の増加傾向（傾き）は、既存技術の比重の増加傾向（傾き）よりも小さくなる。
すなわち、重金属であるＲｅを組成比率で８質量％より多く含むＮｉ基単結晶超合金では、比重が必然的に大きくなる。これに対し、図２から本技術では、比重の大きいＷの添加量を抑えつつ、ＴＣＰ相を抑制するＲｕを含めて高温下で高いクリープ強度を維持することができる最適な組成範囲を特定した結果、Ｒｅを組成比率で８質量％より多く含みつつも、既存技術よりも比重の増加傾向が小さいＮｉ基単結晶超合金が得られたことがわかる。
【００５１】
次に、実施例１〜３の各Ｎｉ基単結晶超合金に対してクリープ試験を行った。クリープ試験は、温度１０００〜１０５０℃及び応力２４５ＭＰａの条件下で、各試料がクリープ破断するまでの時間を寿命として測定した。
【００５２】
図３に示すように、実施例１〜３のＮｉ基単結晶超合金は、図３で比較例１として示す上記非特許文献１に記載の高レニウムＮｉ基単結晶超合金よりもクリープラプチャー破断時間が高い値を示していることがわかる。具体的に、上記クリープ試験の条件下で比較すると、高レニウムＮｉ基単結晶超合金はクリープラプチャー破断時間が５９３（Ｈｒ）であるのに対し、実施例１〜３ではクリープラプチャー破断時間が２００７．７（Ｈｒ）、８８８．４（Ｈｒ）、８２８．６（Ｈｒ）と高い値を示していることがわかる。特に、実施例１においては、クリープラプチャー破断時間が比較例１に対して約３倍より高い値を示しており、顕著にクリープ強度が優れていることがわかる。
以上のことから、本発明によれば、Ｒｅを組成比率で８質量％より多く含みつつも、比クリープ強度に優れたＮｉ基単結晶超合金を得ることが可能となる。
【００５３】
続いて、図４を参照して、本実施形態のＮｉ基単結晶超合金におけるＭｏ含有量とクリープ寿命とを比較するために行ったシミュレーションの結果について説明する。
なお、本シミュレーションは、英国  Sente Software 社により開発された「JMatPro V.5.0」を用いて行った。本ソフトは、金属合金の物理的、熱力学的物性値及び機械的物性値をその化学成分より計算するもので、本発明の技術分野であるＮｉ基単結晶超合金のクリープ寿命についても、下記文献のFig.16 に示されるように精度良く予測できることが実証されている。（文献: N. Saunders, Z. Guo, X. Li, A. P. Miodownik and J-Ph. Schille：MODELLING THE MATERIAL PROPERTIES AND BEHAVIOUR OF Ni-BASED SUPERALLOYS, Superalloys2004, (TMS, 2004), pp.849-858.）
【００５４】
図４は、シミュレーションによって得られた、Ｎｉ基単結晶超合金におけるＭｏ含有量と定常クリープ速度との関係を示すグラフであり、横軸がＭｏの含有量（質量％）であり、縦軸が定常クリープ速度である。
解析に使用した合金の成分は、実施例１から３の平均の成分とし、Ｍｏ含有量のみ ０．０〜４．５質量％まで変化させた。Ｍｏ含有量が変化した分は、Ｎｉの含有量を調節した。なお、解析条件は、運転中における一般的なタービン翼の状態を想定し、９５０℃、２４５ＭＰａに設定した。
図４より、Ｍｏの含有量が増加するに従い、クリープ速度が減少することが分かるが、とりわけ、Ｍｏの含有量が２．０質量％を超えた辺りから、優れた耐クリープ特性（Ｍｏを含有しない場合の１／３以下のクリープ速度）を示すようになる。一方、Ｍｏを過剰に添加すると、先述したＴＣＰ相の析出が容易化される。図５に、シミュレーションによって得られた、Ｍｏ含有量とＴＣＰ相の析出開始時間の関係を示す。解析に用いた合金の成分は、図４の解析で使用したものと同一であり、評価した温度は９５０℃である。
図５より、Ｍｏの含有量が増加するに従い、ＴＣＰ相の析出開始時間が短くなることが分かるが、Ｍｏの含有量が３．０質量％を超えると１００時間を下回るようになり、更に３．５質量％を越えると７０時間を下回るようになる。
従って、優れたクリープ強度を有しながら、ＴＣＰ相の析出による悪影響を軽減するためには、Ｍｏの含有量を ２．１質量％以上３．４質量％以下（望ましくは３．０質量％以下）に抑えることが望ましい。
【００５５】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明によれば、Ｒｅを組成比率で８質量％より多く含み、且つ比クリープ強度に優れたＮｉ基単結晶超合金を提供することが可能である。したがって、このようなＲｅを多く含み、且つ比クリープ強度に優れたＮｉ基単結晶超合金を用いたタービン翼では、軽量化と耐用温度の向上との両立を図ることが可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１…タービン翼
【図１】
0005418589.tif 000003
【図２】
0005418589.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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