(57)【要約】      （修正有）【課題】ニッケル基合金及びニッケル基合金を含むタービン部品を提供する。【解決手段】このニッケル基合金は、重量で、約８％〜約１１％のコバルト、約３％以下のニオブ、約３％以下のチタン、約２．３％以下のアルミニウム、約３％以下のタングステン、約２５％以下のクロム、約０．１％以下の炭素、約０．０１％以下のホウ素を含み、残部がニッケルであるか又は、ニッケル基合金は、重量で、約１％〜約３％のニオブ、約１％〜約３％のチタン、約２．１％〜約２．５％のアルミニウム、約３％以下のタングステン、約１１％以下のコバルト、約２５％以下のクロム、約０．１％以下の炭素、約０．０１％以下のホウ素を含み、残部がニッケルである。タービン部品はこのニッケル基合金を含む。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量で、約８％〜約１１％のコバルト、約３％以下のニオブ、約３％以下のチタン、約２．３％以下のアルミニウム、約３％以下のタングステン、約２５％以下のクロム、約０．１％以下の炭素、約０．０１％以下のホウ素を含み、残部がニッケルであるニッケル基合金。
【請求項２】
ニッケル基合金がタービン部品の一部分である、請求項１記載のニッケル基合金。
【請求項３】
タービン部品がタービンノズルケーシングである、請求項２記載のニッケル基合金。
【請求項４】
コバルトが重量で約９．５％の濃度である、請求項１記載のニッケル基合金。
【請求項５】
クロムが重量で約２２．５％の濃度である、請求項１記載のニッケル基合金。
【請求項６】
タングステンが重量で約２％の濃度である、請求項１記載のニッケル基合金。
【請求項７】
ニオブが重量で約２％の濃度である、請求項１記載のニッケル基合金。
【請求項８】
チタンが重量で約２．３％の濃度である、請求項１記載のニッケル基合金。
【請求項９】
アルミニウムが重量で約２．３％の濃度である、請求項１記載のニッケル基合金。
【請求項１０】
炭素が重量で約０．０８％の濃度である、請求項１記載のニッケル基合金。
【請求項１１】
ホウ素が重量で約０．００８％の濃度である、請求項１記載のニッケル基合金。
【請求項１２】
ニッケル基合金が１２００°Ｆ、０．２％降伏強度で約９０ｋｓｉの引張強さを含む、請求項１記載のニッケル基合金。
【請求項１３】
ニッケル基合金が１２００°Ｆで約２７％の引張延性を含む、請求項１記載のニッケル基合金。
【請求項１４】
ニッケル基合金が１６００°Ｆにおいて０．７％歪み、２分間で亀裂発生前に約３６００サイクルの低サイクル疲労特性を含む、請求項１記載のニッケル基合金。
【請求項１５】
ニッケル基合金が１８ｋｓｉ、１６００°Ｆ、約１９８０時間で２％クリープのクリープ特性を含む、請求項１記載のニッケル基合金。
【請求項１６】
ニッケル基合金が約２０００時間後約１２７ミクロンの酸化を示す、請求項１記載のニッケル基合金。
【請求項１７】
ニッケル基合金が、０．４％イオウを含む５ｐｐｍ塩中１７００°Ｆの条件下、６００時間後に約４７ミクロン、１０００時間後に約１１６ミクロン、１４００時間後に１８９ミクロンの耐食性を含む、請求項１記載のニッケル基合金。
【請求項１８】
ニッケル基合金が、
重量で、約１５％〜約２０％のコバルト、約１０％〜１９％のクロム、約２．５％〜３．４％のアルミニウム、約０．５％未満のタンタル、約１．０％未満のモリブデン、約０．０６％未満のジルコニウム、約０．０４％未満のホウ素、約１．１％〜約１．５％のニオブ、約３．０％〜３．９％のチタン、約３％以下のタングステン、約０．０３％〜０．０７％の炭素を含み、残部がニッケルの組成を有する第１の比較合金、
重量で、約０．０８％〜０．１２％の炭素、約２２．２％〜２２．８％のクロム、約０．１０％のマンガン、約０．２５％のケイ素、約１８．５％〜１９．５％のコバルト、約１．８％〜２．２％のタングステン、約２．３％のチタン、約１．２％のアルミニウム、約１．０％のタンタル、約０．８％のニオブ、約０．０５％のジルコニウム、約０．００８％のホウ素を含み、残部がニッケルの組成を有する第２の比較合金、
重量で、約２２．５％のクロム、約１９％のコバルト、約２％のタングステン、約１．３５％のニオブ、約２．３％のチタン、約１．２％のアルミニウム、約０．１％の炭素、約０．０１％のジルコニウム、約０．０１％のホウ素を含み、残部がニッケルの組成を有する第３の比較合金、
重量で、約２２．５％のクロム、約１９％のコバルト、約２％のタングステン、約１．３５％のニオブ、約２．３％のチタン、約１．７％のアルミニウム、約０．１％の炭素、約０．０１％のジルコニウム、約０．０１％のホウ素を含み、残部がニッケルの組成を有する第４の比較合金、
の各々と比べて実質的に等価又は増大した溶接性、鋳造性、構造安定性、高温強度、高温耐食性、クリープ強さ、降伏強度、延性及び相安定性を含む、請求項１記載のニッケル基合金。
【請求項１９】
重量で、約１％〜約３％のニオブ、約１％〜約３％のチタン、約２．１％〜約２．５％のアルミニウム、約３％以下のタングステン、約１１％以下のコバルト、約２５％以下のクロム、約０．１％以下の炭素、約０．０１％以下のホウ素を含み、残部がニッケルであるニッケル基合金。
【請求項２０】
約８％〜約１１％のコバルト、約３％以下のニオブ、約３％以下のチタン、約２．３％以下のアルミニウム、約３％以下のタングステン、約２５％以下のクロム、約０．１％以下の炭素、約０．０１％以下のホウ素を含み、残部がニッケルである第１のニッケル基合金及び
約１％〜約３％のニオブ、約１％〜約３％のチタン、約２．１％〜約２．５％のアルミニウム、約３％以下のタングステン、約１１％以下のコバルト、約２５％以下のクロム、約０．１％以下の炭素、約０．０１％以下のホウ素を含み、残部がニッケルである第２のニッケル基合金
の一方又は両方を含むタービン部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合金及び合金を含有するタービン部品に関する。より具体的には、本発明はニッケル基合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン部品は、熱的、機械的、そして化学的に過酷な環境にさらされる。例えば、ガスタービンの圧縮機部分において、大気空気は、例えば大気圧の１０−２５倍に圧縮され、その過程で、例えば８００°−１２５０°Ｆ（４２７℃−６７７℃）に断熱的に加熱される。この加熱され圧縮された空気は燃焼器に導かれ、そこで燃料と混合される。この燃料が点火されると、燃焼過程でガスが、例えば３０００°Ｆ（１６５０℃）を超える非常に高い温度に加熱される。これらの高温ガスは、タービン（ここでは、回転タービンディスクに固定された翼がエネルギーを引き出してファン及びタービンの圧縮機を駆動する）及び排気系（ここでは、ガスが、発電機回転子を回転させて電気を産み出すのに充分なエネルギーを提供する）を通過する。タービンの作動の効率を改良するために、燃焼温度が上昇して来ている。かかる高めの温度に対処するためには、かかる部品内の材料の特性を改良するのが望ましい。
【０００３】
これらの環境で使われる多くの合金はコバルトを含む。ある比較的高濃度のコバルトを有する公知の合金は、重量で、約１５％〜約２０％のコバルト、約１０％〜１９％のクロム、約２．５％〜３．４％のアルミニウム、約０．５％未満のタンタル、約１．０％未満のモリブデン、約０．０６％未満のジルコニウム、約０．０４％未満のホウ素、約１．１％〜約１．５％のニオブ、約３．０％〜３．９％のチタン、約３％以下のタングステン、約０．０３％〜０．０７％の炭素を含み、残部がニッケルという組成を有している。比較的高濃度のコバルトを有する別の公知の合金は、重量で、約０．０８％〜０．１２％の炭素、約２２．２％〜２２．８％のクロム、約０．１０％のマンガン、約０．２５％のケイ素、約１８．５％〜１９．５％のコバルト、約１．８％〜２．２％のタングステン、約２．３％のチタン、約１．２％のアルミニウム、約１．０％のタンタル、約０．８％のニオブ、約０．０５％のジルコニウム、約０．００８％のホウ素を含み、残部がニッケルという組成を有する。さらに別の公知の合金は、重量で、約２２．５％のクロム、約１９％のコバルト、約２％のタングステン、約１．３５％のニオブ、約２．３％のチタン、約１．２％のアルミニウム、約０．１％の炭素、約０．０１％のジルコニウム、約０．０１％のホウ素を含み、残部がニッケルという組成を有する。さらに別の合金は、重量で、約２２．５％のクロム、約１９％のコバルト、約２％のタングステン、約１．３５％のニオブ、約２．３％のチタン、約１．７％のアルミニウム、約０．１％の炭素、約０．０１％のジルコニウム、約０．０１％のホウ素を含み、残部がニッケルという組成を有する。
【０００４】
一般に、上記合金は望ましい機械的性質、耐酸化性及び高温腐食特性を有する。しかし、コバルトはかなりの価格変動を受け、入手可能性が限られており、また地政学的不安定性を有する地域に由来することが多いので、上記のような高い濃度でコバルトを使用することは望ましくない可能性がある。コバルトを低減するための以前の試みはこれらの特性、殊にクリープ強さを維持する点で不成功に終わっている。
【０００５】
上記欠点の１以上をもたないニッケル基合金及びニッケル基合金を含有するタービン部品があれば、当技術分野で望ましいであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６７４０１７７号
【発明の概要】
【０００７】
代表的な実施形態では、ニッケル基合金は、重量で、約８％〜約１１％のコバルト、約３％以下のニオブ、約３％以下のチタン、約２．３％以下のアルミニウム、約３％以下のタングステン、約２５％以下のクロム、約０．１％以下の炭素、約０．０１％以下のホウ素を含み、残部がニッケルである。
【０００８】
別の代表的な実施形態では、ニッケル基合金は、重量で、約１％〜約３％のニオブ、約１％〜約３％のチタン、約２．１％〜約２．５％のアルミニウム、約３％以下のタングステン、約１１％以下のコバルト、約２５％以下のクロム、約０．１％以下の炭素、約０．０１％以下のホウ素を含み、残部がニッケルである。
【０００９】
さらに別の代表的な実施形態では、タービン部品は、約８％〜約１１％のコバルト、約３％以下のニオブ、約３％以下のチタン、約２．３％以下のアルミニウム、約３％以下のタングステン、約２５％以下のクロム、約０．１％以下の炭素、約０．０１％以下のホウ素を含み、残部がニッケルである第１のニッケル基合金及び約１％〜約３％のニオブ、約１％〜約３％のチタン、約２．１％〜約２．５％のアルミニウム、約３％以下のタングステン、約１１％以下のコバルト、約２５％以下のクロム、約０．１％以下の炭素、約０．０１％以下のホウ素を含み、残部がニッケルである第２のニッケル基合金の一方又は両方を含む。
【００１０】
本発明のその他の特徴及び利点は、一例として本発明の原理を示す好ましい実施形態に関する以下のより詳細な説明から明らかとなる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
代表的なニッケル基合金及びニッケル基合金を含有するタービン部品が提供される。本開示の実施形態は望ましい機械的性質、耐酸化性、高温腐食特性、クリープ強さを有し、コバルトの価格の変動及び／又はコバルトの限られた入手可能性又はこれらの組合せに対して許容性がある。幾つかの実施形態では、公知の高めのコバルト合金と比べて、代表的なニッケル基合金は、実質的に等価又は増大した溶接性、鋳造性、構造安定性、高温強度、高温耐食性、クリープ強さ、降伏強度、延性、相安定性、ガンマプライム（容積、分率、サイズ及び／又は分布）又はこれらの組合せを含む。
【００１２】
代表的なニッケル基合金は、コバルト、クロム、タングステン、ニオブ、チタン、アルミニウム、炭素、ホウ素及びニッケルを含む。一実施形態では、ニッケル基合金は、タービンノズル鋳造品、タービンブレード、タービンバケツ、タービンダブテール及び／又はその他の適切な部品のようなタービン部品の全部又は一部分である。
【００１３】
コバルトは重量で約８％〜約１１％の濃度である。別の実施形態では、コバルトは、重量で約８％〜約１０％、約８％〜約９．５％、約８％、約９％、約９．５％、約１０％又はこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の濃度である。
【００１４】
一実施形態では、クロムは、重量で約２５％以下、約２３％以下、約２２．５％以下、約２０％〜約２５％、約２１％〜約２３％、約２２％〜約２３％、約２０％、約２１％、約２２％、約２２．５％、約２３％、約２５％又はこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の濃度である。
【００１５】
一実施形態では、タングステンは、重量で約１％〜約３％、約１％、約２％、約２．５％、約３％又はこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の濃度である。
【００１６】
一実施形態では、ニオブは、重量で約１％〜約３％、約２％又はこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の濃度である。
【００１７】
一実施形態では、チタンは、重量で約２％〜約３％、約２％〜約２．３％、約２．３％〜約２．５％、約２％〜約２．５％、約２．３％、約２．５％又はこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の濃度である。
【００１８】
一実施形態では、アルミニウムは、重量で約２％〜約２．３％、約２．１％、約２．２％又はこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の濃度である。
【００１９】
一実施形態では、炭素は、重量で約０．１％以下、約０．０８％以下、約０．０５％〜約０．１５％、約０．０５％〜約０．１％、約０．０５％〜約０．０８％、約０．０８％〜約０．１％、約０．０５％、約０．０８％、約０．１％又はこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の濃度である。
【００２０】
一実施形態では、ホウ素は、重量で約０．０１％以下、約０．００８％以下、約０．００５％〜約０．０１５％、約０．００５％〜約０．０１％、約０．００５％、約０．００８％、約０．０１％又はこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の濃度である。
【００２１】
一実施形態では、ニッケル基合金は残部としてニッケルを含む。
【００２２】
一実施形態では、ニッケル基合金は、重量で、約２２．５％のクロム、約９．５％のコバルト、約２％のタングステン、約２％のニオブ、約２．３％のチタン、約２．３％のアルミニウム、約０．０８％の炭素、約０．００８％のホウ素、付随する不純物を含み、残部がニッケルである。
【００２３】
他の実施形態では、ニッケル基合金はタンタル、モリブデン、ジルコニウム又はこれらの組合せを欠く又は実質的に欠く。
【００２４】
一実施形態では、ニッケル基合金は、１２００°Ｆ、０．２％降伏強度で約９０ｋｓｉの引張強さを含む。
【００２５】
一実施形態では、ニッケル基合金は、１２００°Ｆで約２０％より大きい引張延性を含む。
【００２６】
一実施形態では、ニッケル基合金は、１６００°Ｆにおいて２分間の０．７％歪みで亀裂発生前に約３５００サイクルより大きい低サイクル疲労特性（クリープ強さ）を含む。
【００２７】
一実施形態では、ニッケル基合金は、約１９００時間後１８ｋｓｉ、１６００°Ｆで２％のクリープを示す。
【００２８】
一実施形態では、ニッケル基合金は、約２０００時間後、約１２７ミクロンで酸化を示す。
【００２９】
一実施形態では、ニッケル基合金は、０．４％イオウを含む５ｐｐｍ塩中１７００°Ｆの条件下で耐食性を含む。例えば、一実施形態では、約６００時間で、ニッケル基合金中への最大侵入は約１．８５ミルである。一実施形態では、約１０００時間で、ニッケル基合金中への最大侵入は約４．５６ミルである。一実施形態では、約１４００時間で、ニッケル基合金中への最大侵入は約７．４６ミルである。
【００３０】
好ましい実施形態を参照して本発明を説明して来たが、当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更をなすことができ、等価物をその要素に代えて使用することができる。さらに、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく多くの修正を施すことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えれる最良の態様として開示した特定の実施形態に限定されることはなく、後記特許請求の範囲に入る全ての実施形態を包含するものである。