(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Pt-Ir2元合金において、Ir含有量が、0重量%を超え、50重量%未満であり、かつ5〜40重量％を除くことを特徴とする１２００℃以上の高温で使用する白金イリジウム合金。
【請求項２】
Irの一部が、Ru、Pd、Os、Mo、Nb、Ta、Hf、W、Ti、Zr、Y、La、Cr、又はVから選択される一種若しくは二種以上の元素で置換されたことを特徴とする請求項１記載の１２００℃以上の高温で使用する白金イリジウム合金。
【請求項３】
Pt-Ir-Ni3元合金において、Irの含有量が50重量％で、Niの含有量が25重量%であることを特徴とする１２００℃以上の高温で使用する白金イリジウム合金。
【請求項４】
Ir又はNiの一部が、Ru、Rh、Pd、Os、Mo、Nb、Ta、Hf、W、Ti、Zr、Y、La、Cr、又はVから選択される一種若しくは二種以上の元素で置換されたことを特徴とする請求項３記載の１２００℃以上の高温で使用する白金イリジウム合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、白金イリジウム合金に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、1200℃における圧縮強度がNi基単結晶耐熱合金を超え、しかも室温靱性が十分高い白金イリジウム合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
航空機、複合発電などに多用されているガスタービンの熱効率の改善には、その動静翼の耐用温度を上げることが必要不可欠である。既存のNi基耐熱合金の最高耐用温度は1100℃程度であり、したがって、1200℃以上の高温での使用は困難である。
【０００３】
耐用温度が1200〜1300℃で、無冷却、さらにコーティングなしのガスタービン用動静翼が実現されれば、CO2ガスの排出量の大幅な削減とともに、ガスタービン単体の熱効率が40%以上向上することが期待される。
【０００４】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、1200℃における圧縮強度がNi基単結晶耐熱合金を超え、しかも室温靱性が十分高い白金イリジウム合金を提供することを解決すべき課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明者らは、鋭意検討した結果、Pt-Ir2元合金におけるIrの含有量ならびにPt-Ir-Ni3元合金におけるIr及びNi含有量を所定量に特定することにより、前述の課題が解決されることを見出し、この出願の発明を完成した。
【０００６】
すなわち、この出願の発明は、Pt-Ir2元合金において、Ir含有量が、0重量%を超え、50重量%未満であり、かつ5〜40重量%を除くことを特徴とする白金イリジウム合金（請求項１）を提供する。
【０００７】
この出願の発明は、第２には、上記Pt-Ir2元合金において、Irの一部が、Ru、Pd、Os、Mo、Nb、Ta、Hf、W、Ti、Zr、Y、La、Cr、又はVから選択される一種若しくは二種以上の元素で置換された１２００℃以上の高温で使用する白金イリジウム合金を提供する。
【０００８】
またこの出願の発明は、第３には、Pt-Ir-Ni3元合金において、Irの含有量が50重量％で、Niの含有量が25重量%であることを特徴とする１２００℃以上の高温で使用する白金イリジウム合金を提供する。
【０００９】
この出願の発明は、第４には、上記Pt-Ir-Ni3元合金において、Ir又はNiの一部が、Ru、Rh、Pd、Os、Mo、Nb、Ta、Hf、W、Ti、Zr、Y、La、Cr、又はVから選択される一種若しくは二種以上の元素で置換された１２００℃以上の高温で使用する白金イリジウム合金を提供する。
【００１０】
以下、実施例を示しつつ、この出願の発明の白金イリジウム合金についてさらに詳しく説明する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
白金(Pt)は、融点が比較的低温の1769℃であり、強度も決して高くないが、耐食性、加工性、ならびに高温での組織安定性などに優れた金属である。イリジウム(Ir)は、融点が2447℃の高融点金属であり、強度は、白金族元素の中では高いものの、延性、加工性などに難がある。
【００１２】
この出願の発明の白金イリジウム合金は、Ir又はIr及びNiの含有量を前述の通り特定することにより、それぞれの前記欠点を互いに補い、また、長所を高め、既存のNi基耐熱合金と比較すると、低温側での強度は若干劣るものの、1200℃以上の高温において十分な強度を示す合金である。
【００１３】
また、この出願の発明の白金イリジウム合金は、高温耐食性及び耐酸化性が良好でもあり、したがって、既存のNi基耐熱合金と比較してより優れた構造用耐熱合金としての使用が期待される。一例として、前述のガスタービンの動静翼材料への適用が考えられ、この出願の発明の白金イリジウム合金からガスタービンの動静翼を作製した場合、動静翼は、これを構成する白金イリジウム合金の耐久性に基づき、コーティングや冷却などを省略することが見込まれる。CO2ガスの排出量の大幅な削減及びガスタービン単体の熱効率の40%以上の向上が限りなく現実的なものになると予想される。
【００１４】
耐熱構造用合金では、合金の融点(Tm)での強度をゼロとみなしている。温度をケルビン(K)表示し、使用温度(T)を融点(Tm)で除した相似温度(T/Tm)が0.8以上の高温ではコーティング、冷却などの措置を行わないと構造部材への適用が不可能である。既存のNi基耐熱合金の融点(Tm)は1350℃前後であり、1200℃では上記相似温度(T/Tm)が0.91となるため、構造部材へ適用する場合、コーティング、冷却などの措置が必要となる。一方、この出願の発明の白金イリジウム合金は、融点(Tm)が1770〜2000℃と推定され、したがって、1200℃を超える温度においてもコーティング、冷却などの措置を必要としないと考えられる。
【００１５】
なお、動翼とは、ガスタービンの回転体に固定された羽根であり、燃焼ガス、空気などの流体は、ガスタービンのケーシングと回転体の間の流路を流れ、回転している動翼からエネルギーを連続的に受け取ることができる。白金、イリジウムの密度はいずれも20g/cm3程度であり、この出願の発明の白金イリジウム合金の密度もその前後となる。このような出願の発明の白金イリジウム合金を動翼材料に適用すると、既存のNi基耐熱合金の密度が8.5〜9g/cm3であるため、同一回転数を得るのに要するエネルギーを同一とするために同一重量の動翼を作製する場合、動翼は、その体積が、既存のNi基耐熱合金から作製されたものと比べ小さくなり、しかも非コーティングで無冷却の動翼とすることができる。
【００１６】
一方、静翼は、ガスタービンのケーシングに固定された羽根であり、ケーシング内の流体の流れ方向、圧力、速度などを変化させるものである。このような静翼については、その翼部分にこの出願の発明の白金イリジウム合金を、シュラウド部（翼幹先端に取り付けられる帯状のつづり金）に既存合金を用いてそれぞれ作製することができる。
【００１７】
さらに、この出願の発明の白金イリジウム合金は、年間生産量の少ないIrの含有量が少ない合金であり、この点においても実用性の高さが指摘される。
【００１８】
また、この出願の発明の白金イリジウム合金では、特性を損なわない限り、前述した通り、Pt-Ir2元合金においてはIrの一部を、また、Pt-Ir-Ni3元合金においてはIr又はNiの一部を、Ru、Rh、Pd、Os、Mo、Nb、Ta、Hf、W、Ti、Zr、Y、La、Cr、又はVから選択される一種若しくは二種以上の元素で置換することができる。Ru、Rh、Pd、Os、Mo、Nb、Ta、Hf、W、Ti、Zr、Y、La、Cr、又はVの添加は、この出願の発明の白金イリジウム合金に固溶強化効果をもたらす。この効果は、中でもW、Ta、Mo、Nbが大きい。また、白金族元素であるRu、Rh、Pd、及びOsは耐食及び耐酸化性を、Ti、Cr、La、Y、及びHfは耐酸化性をより向上させる。
【００１９】
【実施例】
PtにIrを25、50、及び75重量%添加した2元合金（以下、25Ir合金、50Ir合金、75Ir合金と称する）、PtにIrを50重量%及びNiを25重量%添加した3元合金（以下、50Ir-25Ni合金と称する）、ならびにPt、Irそれぞれの単体を、アーク溶解により100g程度のインゴットに作製した。
【００２０】
以上の試料を大気中で試験温度24℃及び1200℃（50Ir-25Ni合金は1200℃での試験は行わず）における0.2%圧縮強度を初期歪速度〜10-4/sのオーダーとして測定した。その結果を示したのが図１のグラフである。
【００２１】
なお、図１図中に記載しているように、前記圧縮試験に際し、Pt、Irそれぞれの単体は鋳放しとし、合金については、24℃での圧縮試験を行ったものには、840℃72hと1700℃72hの２通りの熱処理を圧縮試験前にそれぞれ行い、1200℃での圧縮試験を行ったものには、1700℃72hの熱処理を圧縮試験前に行った。
【００２２】
図１に示したように、1200℃での圧縮試験では、0.2%圧縮強度は75Ir合金でピークとなったが、50重量%未満のIrの含有でもPt-Ir2元合金は150MPa以上を示すものと予想される。
【００２３】
また、以上の試料について、切欠三点曲げ試験を大気中24℃において曲げ速度0.1mm/minで実施し、そのとき測定した切欠曲げ強度から公称破壊靱性値を求めた。その結果を示したのが図２のグラフである。
【００２４】
セラミックスや一部の合金などでは試験片に疲労予亀裂を導入することが困難であるため、切欠で疲労予亀裂の代用とする破壊靱性試験方法が知られている（JIS R1607-1990）。
【００２５】
実施例で得られた試料についても、その寸法上の制約のため、上記JISに準じて破壊靱性値を求めた。これが公称破壊靱性値であり、公称破壊靱性値KQは、次式により算出される。
【００２６】
KQ= (PS/BW3/2)[3(a/W)1/2×Y (a/ W)/2]
Y(a/W)=[1.99-a(1-a/W)/W[2.15-3.93a/W+2.7(a/W)2]]/(1+2a/W)(1-a/W)3/2ここで、P:破壊荷重、B:試験片幅、W:試験片高さ、S:支点長さ、a:切欠深さを示す。
【００２７】
実施例で得られた試料について切欠三点曲げ試験に供した試験片は、全長が20mm、B=3、W≒4、S=16、a≒1.7であった。切欠は、全長の中央部片側に切欠先端半径を0.2mmとした貫通切欠であり、前記JISにおける形状と必ずしも一致してはいない。また、曲げ速度も前記の通り0.1mm/minとしたが、これらの相違は、前記JISにおいて許容することのできるものであると考えられる。
【００２８】
25Ir合金及び50Ir-25Ni合金は、ガスタービンの動静翼材料として最低基準靱性値をクリアしている。
【００２９】
以上の結果から、この出願の発明の白金イリジウム合金は、1200℃における圧縮強度がNi基単結晶耐熱合金を超え、しかも室温靱性が十分高いことが確認される。また、この出願の発明の白金イリジウム合金は、年間生産量の少ないIrの含有量が少なく、したがって、実用化に有利であると理解される。
【００３０】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施形態及び実施例によって限定されるものではない。白金イリジウム合金の作製方法、試験方法などの細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、1200℃における圧縮強度がNi基単結晶耐熱合金を超え、しかも室温靱性が十分高く、年間生産量の少ないIrの含有量の少ない、実用化に有利な白金イリジウム合金が提供される。この出願の発明の白金イリジウム合金は、上記特性を有するため、ガスタービンの動静翼材料として適用が期待され、動静翼のコーティングや冷却などを省略することが見込まれる。また、CO2ガスの排出量の大幅な削減及びガスタービン単体の熱効率の40%以上の向上が限りなく現実的なものとなると予想される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で作製した試料の0.2%圧縮強度とIr及びNi量との関係を示したグラフである。
【図２】実施例で作製した試料の公称破壊靱性値とIr及びNi量との関係を示したグラフである。
【図１】
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【図２】
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