(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イリジウムが０．１原子％以上５原子％以下の範囲で添加され、γ相及びγ′相が整然と整列した合金組織を有し、γ相及びγ′相中にイリジウムが固溶していることを特徴とする高温強度及び耐高温腐食性が改善されたイリジウム添加Ｎｉ基超耐熱合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イリジウム添加Ｎｉ基超耐熱合金に関するものである。さらに詳しくは、この発明は、発電用ガスタービンをはじめ、ジェットエンジン、ロケットエンジンなどの高温機器の出力及び効率の向上に有効なイリジウム添加Ｎｉ基超耐熱合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
Ｎｉ基超耐熱合金は、Ｎｉを基本構成元素とし、Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｒｅ，Ｈｆ等を主要構成元素として含有する合金である。
このＮｉ基超耐熱合金は、優れた高温強度を有することから、発電用ガスタービンやジェットエンジン、ロケットエンジンのタービンブレード、タービンベーン等の、高温機器において高温・高応力下で使用される部材に利用されている。これら高温機器の出力及び効率を高めるには、燃焼ガス温度を上昇させるのが最も効果的であるが、そのためには、Ｎｉ基超耐熱合金の特性改善が急務となる。
【０００３】
特性改善は、２つの見地から検討されなければならない。一つは、高温強度であり、もう一つは耐高温腐食性である。
Ｎｉ基超耐熱合金の高温強度の改善については、たとえば、Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｒｅなどの添加が試みられている。しかしながら、これらの元素の添加は、添加量が多量となると、合金組織が不安定となり、有害相が析出してＮｉ基超耐熱合金の強度が逆に低下することが確認されている。
【０００４】
耐高温腐食性の改善は、高温機器において高温・高応力下で使用される部材が腐食性の高い雰囲気で使用されることから重要な課題である。たとえば、ガスタービンのタービンブレードなどには、燃焼ガスの激しい酸化性の雰囲気中で使用される上に、燃料中にイオウが含まれ、しかも、火力発電所は一般に海岸近くに立地するため、燃焼空気中に多量の塩が混入してもいるという条件が加わる。このように過酷な腐食性雰囲気中で使用される部材の耐高温腐食性の改善を耐食性の良好なコーティングにのみ依存することは、コーティング層が破れないことが保証されない限り危険である。Ｎｉ基超耐熱合金自体の耐高温腐食性を改善することがより確実である。
【０００５】
この発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、優れた高温強度及び耐高温腐食性を有するＮｉ基超耐熱合金を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を解決するものとして、イリジウムが０．１原子％以上５原子％以下の範囲で添加され、γ相及びγ′相が整然と整列した合金組織を有し、γ相及びγ′相中にイリジウムが固溶していることを特徴とする高温強度及び耐高温腐食性が改善されたことを特徴とするイリジウム添加Ｎｉ基超耐熱合金を提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この発明は、高い融点を有するイリジウムをＮｉ基超耐熱合金に添加し、優れた高温強度及び耐高温腐食性を実現する。
イリジウム（Ｉｒ）を添加すると、合金組織はγ相及びγ′相が整列し、組織安定性が良好に保たれ、また、析出強化が進む。同時に、イリジウムは、γ相及びγ′相中に固溶し、固溶強化も進む。たとえば後述の図２のように、イリジウム添加前のＮｉ基超耐熱合金の組織（ａ）は、イリジウムの添加によってγ相及びγ′相が整然と整列した合金組織（ｂ）を有し、イリジウムは、素地のγ相と黒い結晶に写し出されているγ′相に固溶している。このようなイリジウム添加による析出強化と固溶強化によって高温強度が大きく改善されることになる。イリジウムは、Ｎｉと同じ面心立方構造を有しており、このため、Ｎｉと容易に置換する。一方、従来、添加元素としていたＷ，Ｍｏ，Ｔａなどは体心立法構造であり、また、Ｒｅなどは稠密六方構造であり、これが組織安定性を低下させる一つの原因であったと考えられる。
【０００８】
このように、イリジウム添加Ｎｉ基超耐熱合金は、優れた高温強度を有し、高温・高応力下での使用に耐え得る。
さらに、イリジウムは、高融点であり、高温でも拡散係数が小さい。このため、Ｎｉ基超耐熱合金の特性劣化が抑制され、耐高温腐食性が改善される。
このようなイリジウムの添加量は、高温強度及び耐高温腐食性の改善が十分に認められるには少なくとも０．１原子％必要である。一方、上限については特に厳密でなく、Ｎｉ基超耐熱合金の用途に応じて適宜調整可能である。一般には、５原子％より添加量が多くなると、比重が大きくなり、また、価格に反映する。このため、イリジウムの添加量については、好ましくは、０．１原子％以上５原子％以下が例示される。
【０００９】
Ｎｉ基超耐熱合金自体には、各種のものが採用可能である。たとえば、Ｎｉ基単結晶合金の一つであるＴＭＳ−６３（６．９Ｃｒ−７．５Ｍｏ−５．８Ａｌ−８．４Ｔａ−残Ｎｉ（重量％））やＮｉ基多結晶合金の一つであるＭａｒＭ−２４７（１０Ｃｏ−１０Ｗ−８．５Ｃｒ−０．７Ｍｏ−５．５Ａｌ−３Ｔａ−１．４Ｈｆ−０．１６Ｃ−０．０２Ｂ−０．１Ｚｒ−残Ｎｉ（重量％））などが例示される。
【００１０】
【実施例】
以下実施例を示し、この発明のイリジウム添加Ｎｉ基超耐熱合金について説明する。
実施例１
Ｎｉ基超耐熱合金ＴＭＳ−６３（６．９Ｃｒ−７．５Ｍｏ−５．８Ａｌ−８．４Ｔａ−残Ｎｉ（重量％））に１原子％及び２原子％のイリジウムをアーク溶解法により添加した。
【００１１】
これらイリジウム添加Ｎｉ基超耐熱合金とイリジウム未添加のＴＭＳ−６３そのものについて、１１００℃、大気中で圧縮試験を行った。
０．２％圧縮強度試験では、図１に示したように、イリジウム添加Ｎｉ基超耐熱合金は、３１６ＭＰａ（１原子％添加）及び３１７ＭＰａ（２原子％添加）といずれも３１５ＭＰａ以上の強度を示した。一方、ＴＭＳ−６３は、２９５ＭＰａにとどまった。イリジウム添加Ｎｉ基超耐熱合金は、従来型のＴＭＳ−６３に比べ、高い高温強度を有することが確認される。
【００１２】
また、図２（ａ）（ｂ）に示したように、イリジウム添加Ｎｉ基超耐熱合金では、合金組織はγ相とγ′相がより整然と整列していることが確認される。この整列した合金組織により析出強化が進むのである。図２（ａ）（ｂ）の顕微鏡写真では、素地がγ相であり、γ′相は、黒い立方体状の結晶に写し出されている。
添加したイリジウムは、γ相及びγ′相中に固溶し、固溶強化する。２原子％の添加では、γ相及びγ′相中にイリジウムは、８７０℃において濃度比２：１で固溶する。
【００１３】
このようなイリジウムの添加において、合金組織中に有害相は析出しなかった。
Ｎｉ基超耐熱合金の耐用温度は約１１００℃であるが、イリジウム添加Ｎｉ基超耐熱合金では、イリジウムの添加によりこの温度付近での強度特性が改善され、組織安定性に優れている。
実施例２
上記Ｎｉ基超耐熱合金ＴＭＳ−６３に１．５原子％のイリジウムを真空溶解法により添加し、単結晶合金を作製した。このイリジウム添加Ｎｉ基超耐熱合金の組成は、重量％表記で、６．５Ｃｒ−７．１Ｍｏ−５．５Ａｌ−７．９Ｔａ−５．７Ｉｒ−残Ｎｉと示される。
【００１４】
高温強度をクリープ試験によって評価した。試験条件は、大気中で９００℃、応力４０ｋｇｆ／ｍｍ2とした。その結果を示したのが図３のグラフである。
この図３から明らかなように、ＴＭＳ−６３では寿命が１５０時間であるのに対し、ＴＭＳ−６３に１．５原子％のイリジウムを添加したＮｉ基超耐熱合金は２５０時間であり、クリープ寿命の改善が確認された。
【００１５】
また、耐高温腐食性について評価した。
坩堝中に２５％ＮａＣｌ＋７５％Ｎａ2ＳＯ4の混合塩を１２ｇ入れ、これに直径６ｍｍ、長さ４．５ｍｍの試料を浸漬した。試験温度は９００℃とし、試験時間は５〜２０時間とした。図４に、ＴＭＳ−６３とイリジウム添加のＴＭＳ−６３の浸漬時間と表面からの腐食深さの相関関係を示した。
【００１６】
イリジウムを添加したＮｉ基超耐熱合金では、２０時間の浸漬でも表面に薄い酸化膜がわずかに形成される程度の酸化しか認められなかった。これに対し、ＴＭＳ−６３では、わずか５時間の浸漬から中心部への腐食が進行した。このような腐食はＭａｒＭ−２４７にも認められ、ＴＭＳ−６３と同様の腐食形態となった。
【００１７】
イリジウム添加Ｎｉ基超耐熱合金は、イリジウムの添加により耐高温腐食性も改善されている。イリジウム添加Ｎｉ基超耐熱合金が実用上極めて有益な耐熱合金であることが確認される。
【００１８】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この発明によって、安定した合金組織を有し、高温強度及び耐高温腐食性の改善された、実用上極めて有益なイリジウム添加Ｎｉ基超耐熱合金が提供される。このイリジウム添加Ｎｉ基超耐熱合金を発電用ガスタービンをはじめ、ジェットエンジンやロケットエンジンなどのタービンブレード、タービンベーン等の、高温機器において高温・高応力下で使用される部材に適用することにより、高温機器の出力や効率の向上が望める。
【図面の簡単な説明】
【図１】  Ｎｉ基超耐熱合金の０．２％圧縮強度をイリジウムの添加量との関係において示した図である。
【図２】  （ａ）（ｂ）は、各々、ＴＭＳ−６３と、ＴＭＳ−６３に２原子％のイリジウムを添加したＮｉ基超耐熱合金の合金組織を示した顕微鏡写真である。
【図３】  ＴＭＳ−６３と、ＴＭＳ−６３に１．５原子％のイリジウムを添加したＮｉ基超耐熱合金のクリープ試験結果を示した寿命（時間）−歪み（％）曲線図である。
【図４】  ＴＭＳ−６３とイリジウム添加のＴＭＳ−６３の浸漬時間と表面からの腐食深さの相関関係を示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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