(57)【要約】本発明に係るガスタービンディスク材は、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｎｉ：０．２５〜１．５０％、Ｃｒ：９．０〜１２．０％、Ｍｏ：０．５０〜０．９０％、Ｗ：１．０〜２．０％、Ｖ：０．１０〜０．３０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｃｏ：０．０１〜４．０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１０％、Ｎ：０．０１〜０．０５％、Ｍｎ：０．４０％以下、Ｓｉ：０．１０％以下、Ａｌ：０．０２０％以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。また熱処理方法として、前記成分組成の鍛造材の焼入れ温度を１０５０〜１１５０℃とする。
2019059240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．１５％、
Ｎｉ：０．２５〜１．５０％、
Ｃｒ：９．０〜１２．０％、
Ｍｏ：０．５０〜０．９０％、
Ｗ：１．０〜２．０％、
Ｖ：０．１０〜０．３０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、
Ｃｏ：０．０１〜４．０％、
Ｂ：０．０００５〜０．０１０％、
Ｎ：０．０１〜０．０５％、
Ｍｎ：０．４０％以下、
Ｓｉ：０．１０％以下、
Ａｌ：０．０２０％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とするガスタービンディスク材。
【請求項２】
Ｎの含有量［Ｎ％］とＡｌの含有量［Ａｌ％］との比［Ｎ％］／［Ａｌ％］が２．４以上であることを特徴とする
請求項１に記載のガスタービンディスク材。
【請求項３】
Ｂの含有量［Ｂ％］とＮの含有量［Ｎ％］の０．５倍との和で表されるＢ当量（［Ｂ％］＋０．５［Ｎ％］）が０．００５５〜０．０３０％であることを特徴とする
請求項１、請求項２のいずれかの請求項に記載のガスタービンディスク材。
【請求項４】
室温シャルピー衝撃試験における吸収エネルギーが４０Ｊ以上であることを特徴とする
請求項１〜請求項３のいずれかの請求項に記載のガスタービンディスク材。
【請求項５】
５９６℃×３１０ＭＰａにおけるクリープ破断時間が７５０時間以上であることを特徴とする
請求項１〜請求項４のいずれかの請求項に記載のガスタービンディスク材。
【請求項６】
請求項１〜請求項３のいずれかの請求項に記載の成分組成を有する鍛造材を加熱して焼入れ、その後に焼戻す熱処理を施すにあたり、
焼入れ加熱温度を１０５０〜１１５０℃の範囲内とすることを特徴とするガスタービンディスク材の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンディスク材、及びその熱処理方法に関する。
本願は、２０１７年９月２１日に日本に出願された特願２０１７−１８１１９６号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスタービンディスク材としては、８〜１２％程度のＣｒを含有する、いわゆる１２Ｃｒ系耐熱鋼が広く使用されている。この種のガスタービンディスク材は、Ｎｉを含有させて靱性を確保し、かつＣｒのほか、ＭｏやＶなどを含有させて基地組織の固溶強化および炭化物や炭窒化物による分散強化を図って、クリープ強度を向上させている。【０００３】
その一例として、特許文献１には、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．４０％以下、Ｃｒ：９．０〜１２．０％、Ｎｉ：１．０〜３．５％、ＭＯ：０．５０〜０．９０％、Ｗ：１．０〜２．０％、Ｖ：０．１０〜０．３０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｎ：０．０１〜０．０５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、Ｎｉ,Ｍｏ,Ｗ の含有量が、−1.５％≦Ｍｏ＋Ｗ／２−Ｎｉ≦０.５％の関係を満たすガスタービンディスク材、また上記の各成分のほか、Ｃｏ：０．０１〜４．０％、Ｂ：０．０００１〜０．０１０％の一種または二種を含有させたガスタービンディスク材が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２０９８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで近年は、ガスタービンの性能向上に伴ってガスタービンディスクの温度は５００℃を超える使用温度となっており、更なるクリープ強度向上が必要である。クリープ強度の観点からはＮｉ基合金が優れているが、大幅なコスト増となるため、特許文献１の１２Ｃｒ系耐熱鋼の靭性を維持しつつ、クリープ強度を向上させることが望まれている。【０００６】
本発明は以上の事情を背景としてなされたもので、クリープ特性がより良好で、しかも充分な靭性を有するガスタービンディスク材、及びその製造のための熱処理方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者等が、上記課題を解決するため、鋭意実験・検討を重ねたところ、Ｎｉ量を、従来の１２Ｃ系耐熱鋼より低めの適切な範囲内とし、さらにはＮ、Ａｌ、Ｂの効果的な成分範囲を明らかにすることによって、ガスタービンディスク材として靭性を確保しつつ、クリープ特性を従来よりも格段に向上させ得ることを見出し、ガスタービンディスク材の発明をなすに至った。さらに、ガスタービンディスク材の製造時における熱処理として、鍛造材の焼入れ温度を適切化することによって、クリープ特性と靱性を確実に確保し得ることを見出し、ガスタービンディスク材の製造のための熱処理方法の発明をなすに至った。【０００８】
具体的には、本発明の基本的な態様（第１の態様）のガスタービンディスク材は、
質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．１５％、
Ｎｉ：０．２５〜１．５０％、
Ｃｒ：９．０〜１２．０％、
Ｍｏ：０．５０〜０．９０％、
Ｗ：１．０〜２．０％、
Ｖ：０．１０〜０．３０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、
Ｃｏ：０．０１〜４．０％、
Ｂ：０．０００５〜０．０１０％、
Ｎ：０．０１〜０．０５％、
Ｍｎ：０．４０％以下、
Ｓｉ：０．１０％以下、
Ａｌ：０．０２０％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。【０００９】
また本発明の第２の態様のガスタービンディスク材は、前記第１の態様のガスタービンディスク材において、Ｎの含有量［Ｎ％］とＡｌの含有量［Ａｌ％］との比［Ｎ％］／［Ａｌ％］が２．４以上であることを特徴とする。【００１０】
また本発明の第３の態様のガスタービンディスク材は、前記第１又は第２の態様のガスタービンディスク材において、Ｂの含有量［Ｂ％］とＮの含有量［Ｎ％］の０．５倍との和で表されるＢ当量（［Ｂ％］＋０．５［Ｎ％］）が０．００５５〜０．０３０％であることを特徴とする。【００１１】
また本発明の第４の態様のガスタービンディスク材は、前記第１〜第３のいずれかの態様のガスタービンディスク材において、室温シャルピー衝撃試験における吸収エネルギーが４０Ｊ以上であることを特徴とする。【００１２】
また本発明の第５の態様のガスタービンディスク材は、前記第１〜第４のいずれかの態様のガスタービンディスク材において、５９６℃×３１０ＭＰａにおけるクリープ破断時間が７５０時間以上であることを特徴とする。【００１３】
また本発明の第６の態様のガスタービンディスク材の熱処理方法は、第１〜第３のいずれかの態様の成分組成を有する鍛造材を加熱して焼入れ、その後に焼戻す熱処理を施すにあたり、焼入れ温度を１０５０〜１１５０℃の範囲内とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の第１態様のガスタービンディスク材によれば、高いクリープ強度と高い靭性を両立させたバランスの取れた材料特性を確保することができる。
また本発明の第２態様もしくは第３態様の微量成分規定や第６態様の熱処理方法によれば、さらにクリープ強度を向上させると同時に高い靭性を有するガスタービンディスク材を、確実かつ安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ガスタービンディスク材のＮｉ含有量と靭性の評価値（吸収エネルギー）および高温クリープ特性の評価値（クリープ破断時間）との関係を示すグラフである。
【図２】ガスタービンディスク材のＮｉ含有量［Ｎ％］とＡｌの含有量［Ａｌ％］との比［Ｎ％］／［Ａｌ％］と高温クリープ特性の評価値（クリープ破断時間）との関係を示すグラフである。
【図３】ガスタービンディスク材におけるＮの含有量［Ｎ％］とＡｌの含有量［Ａｌ％］との比［Ｎ％］／［Ａｌ％］、およびＢの含有量［Ｂ％］とＮの含有量［Ｎ％］の０．５倍との和で表されるＢ当量（［Ｂ％］＋０．５［Ｎ％］）の、好ましい範囲を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
先ず本発明の１態様のガスタービンディスク材の成分組成限定理由について説明する。
【００１７】
＜成分組成限定理由＞
［Ｃ：０．０５〜０．１５％］
Ｃは、焼入れ性を確保し、焼戻し過程でＣｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｎｂ等と結合して微細かつ高硬度の炭化物や炭窒化物を形成するとともに、高温強度に大きな影響を与える元素である。しかし、含有量が０．０５％未満では、充分な量の炭化物や炭窒化物を生成させることができず、また均一なマルテンサイト組織を得ることができない。すなわち、Ｃ量が０．０５％未満では、マルテンサイトとデルタフェライトなどの混在組織となり、高温強度や高温疲労強度が著しく低下する。一方、０．１５％を越える含有量では靱性が低下するだけでなく、高温での使用中に炭化物や炭窒化物の凝集粗大化が著しくなり、クリープ破断強度の低下が起こる。従って、Ｃ含有量は０．０５〜０．１５％とする。
【００１８】
［Ｎｉ：０．２５〜１．５０％］
Ｎｉは、焼入性および常温における靱性を向上させ得る元素であり、０．２５％以上で所望の靭性を満足することができる。一方、Ｎｉ量が１．５０％を超えて多くなれば、靭性は向上するものの、クリープ破断強度が著しく低下し、５００℃を越える高温で使用されるガスタービンディスク材として不適切となる。従って、Ｎｉ含有量は０．２５〜1．５０％とする。このようにＮｉ量は、靭性とクリープ特性に対して反対方向に影響を与える元素であり、そこで、高温クリープ特性と靭性とを両立させ得る適正Ｎｉ量範囲として、０．２５〜１．５０％の範囲内と規定した。このように、Ｎｉ量０．２５〜１．５０％が適切であることは、本発明者等の実験により新規に見出されたことであり、その実験については、後に改めて説明する。
なお、高温クリープ特性を考慮して、Ｎｉ含有量は０．２５％〜０．９９％としても良く、又は、０．２５％〜０．９０％としても良い。
【００１９】
［Ｃｒ：９．０〜１２．０％］
Ｃｒは、耐酸化性およびクリープ破断強度を向上させる。しかし、Ｃｒ含有量が９．０％未満では、充分な耐酸化性およびクリープ破断強度が得られない。一方、１２．０％を越えてＣｒが含有されれば、クリープ破断強度はさほど低下しないが、デルタフェライトが析出し、靱性および高温疲労特性が低下する。従ってＣｒ含有量は、９．０〜１２．０％とする。
【００２０】
［Ｍｏ：０．５０〜０．９０％］
Ｍｏは、固溶体強化および析出強化の両作用により高温強度およびクリープ破断強度を向上させる。しかし、Ｍｏの含有量が０．５０％未満では、その効果は小さく、またＭｏ含有量が０．９０％を越えれば、デルタフェライトを生成して、靱性やクリープ破断強度を劣化させるおそれがある。従って、Ｍｏ含有量は０．５０〜０．９０％とする。
【００２１】
［Ｗ：１．０〜２．０％］
Ｗは、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる元素である。しかし、Ｗの含有量が１．０％未満では、その効果が充分に得られない。またＷ含有量が２．０％を越えれば、高温特性に害を及ぼすデルタフェライトが析出するおそれがある。従って、Ｗ含有量は１．０〜２．０％とする。
【００２２】
［Ｖ：０．１０〜０．３０％］
Ｖは、炭化物（Ｖ４Ｃ３）および窒化物（ＶＮ）を形成し、またＮｂとの複合炭窒化物（Ｎｂ，Ｖ）（Ｃ，Ｎ）を形成し、高温強度およびクリープ破断強度を高める元素である。しかし、Ｖの含有量が０．１０％未満では、その効果が充分ではなく、また、０．３０％を越えるＶ含有量では、長時間使用中に炭化物や炭窒化物が凝集粗大化して、クリープ破断強度が低下する。従って、Ｖ含有量は０．１０〜０．３０％とする。
【００２３】
［Ｎｂ：０．０１〜０．１０％］
Ｎｂは、炭化物（ＮｂＣ）を形成し、またＶとの複合炭窒化物（Ｎｂ，Ｖ）（Ｃ，Ｎ）を形成し、高温強度およびクープ破断強度を高める元素である。しかし、Ｎｂの含有量が０．０１％未満では、その効果が少なく、また、０．１０％を越える含有量では、１１００℃以上の高い焼入温度でも炭化物や炭窒化物が充分固溶されず、かつ、析出した炭化物や炭窒化物がクリープ中に凝集粗大化してクリープ破断強度が低下する。従って、Ｎｂ含有量は０．０１〜０．１０％とする。
【００２４】
［Ｃｏ：０．０１〜４．０％］
Ｃｏは、マトリクスへの炭化物、炭窒化物の固溶量を増大させるとともに、Ｃｏ自身も固溶強化作用を示し、高温強度およびクリープ破断強度の改善に効果のある元素である。しかし、Ｃｏ含有量が０．０１％未満では、その効果は小さく、またＣｏが４．０％を越えてしまえば、靱性およびクリープ破断強度を低下させてしまう。従って、Ｃｏ含有量は０．０１〜４．０％とする。
【００２５】
［Ｂ：０．０００５〜０．０１０％］
Ｂは、高温強度およびクリープ破断強度を高める元素である。しかし、Ｂの含有量が０．０００５％未満では、その効果は小さく、また、０．０１０％を越えてＢが含有されれば、鍛造時に９００〜１２００℃に加熱した際に、共晶Ｆｅ２ＢおよびＢＮが生成し、熱間加工性および機械的性質に悪影響を及ぼす。従ってＢ含有量は、０．０００５〜０．０１０％とする。なお、後に改めて説明するように、Ｂ含有量は、Ｂの含有量［Ｂ％］とＮの含有量［Ｎ％］の０．５倍との和で表されるＢ当量（Ｂ＋０．５Ｎ）が０．０３０％以下となるように調整することが望ましい。
【００２６】
［Ｎ：０．０１〜０．０５％］
Ｎは、適切な熱処理によってＮｂやＶの炭窒化物を析出させることを通じて、高温強度やクリープ破断強度の向上に寄与し、またデルタフェライトの生成防止に効果を示す元素である。しかし、Ｎ含有量が０．０１％未満では、その効果は充分に現れず、また０．０５％を超えれば、靱性が低下する。そこでＮ含有量は０．０１〜０．０５％とする。なお、Ｎは鋼中にＡｌが含まれる場合、ＡｌＮとして固定されてしまって、ＮｂやＶの炭窒化物の生成のために寄与するＮ量（有効窒素量）が少なくなってしまう。そこで、後に改めて説明するように、鋼中のＮ含有量［Ｎ％］とＡｌ含有量［Ａｌ％」との比［Ｎ％］／［Ａｌ％」が２．４以上となるように、鋼中Ａｌ量に応じてＮ量を調整することが望ましい。
さらに、熱間加工性および機械的性質に有害なＢＮの生成を抑制するために、Ｂの含有量［Ｂ％］とＮの含有量［Ｎ％］の０．５倍との和で表されるＢ当量（Ｂ＋０．５Ｎ）が０．０３０％以下となるように、Ｂ含有量に応じてＮ量を調整することが望ましい。
【００２７】
［Ｍｎ：０．４０％以下］
Ｍｎは、鋼の溶製時に脱酸剤として使用されることが多く、また鋼中の不純物として含有されることが多い元素である。脱酸材としての効果は、０．４０％以下のＭｎ含有量で充分に達成される。また、Ｍｎは脆化を助長する元素であるため、含有量は少ないことが望ましい。従ってＭｎ含有量は、０．４０％以下に規制する。
【００２８】
［Ｓｉ：０．１０％以下］
Ｓｉは、Ｍｎと同様に鋼の溶製時に脱酸剤として使用されることが多く、また不純物として含有されることが多い元素である。０．１０％を越えるＳｉ含有量では、大型鋼塊中での偏析が激しくなり、また長時間使用後の靱性が低下する。従って、Ｓｉ含有量は０．１０％以下に規制する。
【００２９】
［Ａｌ：０．０２０％以下］
溶製時の脱酸材として使用したＡｌに由来して、微量のＡｌが不純物として含有される。Ａｌは、ＮをＡｌＮとして固定して有効窒素量を減少させ、ＮｂやＶ等の炭窒化物生成量を減少させることにより高温強度およびクリープ破断強度を低下させてしまうことから、Ａｌ量は極力少ないことが望ましく、０．０２０％以下に規制することとした。なお、炭窒化物生成量には、Ｎ量も関係するから、後述するように、［Ｎ％］／［Ａｌ％］比を２．４以上とすることが好ましい。
【００３０】
以上の各元素の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物とする。この不純物としては、Ｐ、Ｓなどが含まれるが、これらの元素は材質を脆くして衝撃特性に悪影響を及ぼすため、その含有量は極力少ない方が望ましい。好ましくは、０．０１５％以下とする。
【００３１】
さらに、上記の成分限定理由で記載したＮｉ量の適正範囲、［Ｎ％］／［Ａｌ％］比について、本発明者等の実験に基づいて次に説明する。
【００３２】
＜Ｎｉ量適正範囲について＞
特許文献１に示されるタービンディスク材の１２Ｃｒ系耐熱鋼では、Ｎｉを１．０〜３．５％の範囲内で含有させている。しかるにこのようなタービンディスク材では、５００℃を大きく越える使用温度ではクリープ破断強度が不足し、さらなるクリープ強度の向上が必要である。
そこで本発明者等が詳細に実験・検討を重ねた結果、Ｎｉ量を、特許文献１のタービンディスク材よりも低めの０．２５〜１．５０％の範囲内とすることが、ガスタービンディスク材として望まれる靭性を確保しながら、高温クリープ特性をより向上させて、５００℃を大きく越える使用温度でも使用可能となることを見出した。
なお、高温クリープ特性を考慮して、本発明に係るＮｉ含有量は特許文献１のタービンディスク材のＮｉ含有量よりも低い範囲の０．２５％〜０．９９％としても良く、又は、０．２５％〜０．９０％としても良い。
【００３３】
すなわち本発明者等が、Ｎｉ量を種々変化させた１２Ｃｒ系耐熱鋼の熱処理後の鍛造材について、靭性及び高応力下での高温クリープ特性を調べたところ、図１に示すような結果が得られている。ここで、実験に供した１２Ｃｒ系耐熱鋼における成分は、表１の実施例の供試材Ｊ１〜Ｊ３および比較例の供試材Ｃ１、Ｃ４、ＡＬ１５、ＡＬ２０である。その鍛造材を、１０５０℃または１０９０℃に加熱して、３．５時間保持し、油冷によって焼入れし、その後６７０℃の焼戻しを施して、材料試験に供した。
【００３４】
表２に、室温引張試験および室温シャルピー衝撃試験結果を示す。表３に、５９６℃×３１０ＭＰａの試験条件におけるクリープ破断時間を示す。表中の試験結果を、供試材のＮｉ量で整理した結果を図１に示している。
【００３５】
また表２および図１より、０．２％耐力および引張強さは、いずれも同程度であるが、吸収エネルギーが大きく変化している。Ｎｉ量が多いほど、吸収エネルギーは増大し、靭性が向上する。Ｎｉ量を０．２５％以上とすれば、ガスタービンディスク材として必要な４０Ｊ以上の吸収エネルギーを得ることができる。
【００３６】
表３および図１より、Ｎｉ量が少ないほど、クリープ破断時間が長くなり、高温クリープ特性が向上する。また、焼入れ温度が高い方がクリープ破断時間が長くなり、１０９０℃の焼入れでは、Ｎｉ量を最大１．５％としても、ガスタービンディスク材として必要な７５０時間以上のクリープ破断時間を得ることができる。一方、１０５０℃の焼入れでは、前述の靭性確保に必要なＮｉ量の最低値０．２５％とすれば、ガスタービンディスク材として必要な７５０時間以上のクリープ破断時間を得ることができる。
【００３７】
以上の試験結果より、ガスタービンディスク材として必要な靱性（室温シャルピー衝撃試験による吸収エネルギーが４０Ｊ以上）とクリープ強度（５９６℃×３１０ＭＰａにおけるクリープ破断時間が７５０時間以上）が両立する範囲として、焼入れ温度を１０５０℃以上としたうえで、Ｎｉ量０．２５〜１．５０％を適正範囲とした。
【００３８】
＜［Ｎ％］／［Ａｌ％］比について＞
高温・低応力側のクリープ破断強度の向上には、Ｎｂ、Ｖの炭窒化物を主体とした微細析出物の析出量増大が有効である。そのためには、鋼中に炭窒化物生成のために寄与する有効なＮを充分な量、焼入れ時にマトリクス中に固溶させておくことが必要である。
一方、この種の鋼の溶製時には、脱酸材としてＡｌを用いることが多く、そのため、鋼中にはＡｌが存在していることが多い。そしてＡｌはＮと結合してＡｌＮとしてＮを固定してしまう。そのためＡｌ量に対してＮ量が少なすぎれば、Ｎｂ、Ｖの炭窒化物を生成するために有効なＮ量（有効窒素量）が少なくなって、充分な量の炭窒化物が析出しなくなってしまう。
【００３９】
そして本発明者等が、鋼中のＮ含有量［Ｎ％］とＡｌ含有量［Ａｌ％］との比［Ｎ％］／［Ａｌ％］がクリープ強度に及ぼす影響を調べたところ、図２に示すように、１０９０℃焼入れ材において、［Ｎ％］／［Ａｌ％］が２．４未満で、急激にクリープ破断時間が低下することを見出した。そこで、ＡｌＮとして固定されない有効窒素量を充分に確保して、Ｎｂ，Ｖの炭窒化物を充分に析出させ、高いクリープ破断強度を確保するためには、［Ｎ％］／［Ａｌ％］を２．４以上とすることが好ましい。
【００４０】
［Ｎ％］／［Ａｌ％］を２．４以上とするためには、Ｎ量を増加させるか又はＡｌ量を少量に規制する方法とが考えられるが、Ｎ量が０．０５％を超えて過剰となれば、前述のように熱間加工性および機械的性質に有害なＢＮが生成されるおそれがあるから、Ａｌ量を規制する手段を適用することが望ましい。
【００４１】
＜Ｂ当量（［Ｂ％］＋０．５［Ｎ％］）について＞
ＢとＮを多量に添加すると、鍛造時に９００〜１２００℃に加熱した際に、共晶Ｆｅ２ＢおよびＢＮが生成し、熱間加工性および機械的性質に悪影響を及ぼす。そこで、特許第２９４８３２４号に示されているように、Ｂの含有量［Ｂ％］とＮの含有量［Ｎ％］の０．５倍との和で表されるＢ当量（Ｂ＋０．５Ｎ）が０．０３０％以下となるように、Ｂ含有量に応じてＮ量を調整することが望ましい。一方、ＢとＮは、高温強度向上に有効な元素であることから、Ｂは０．０００５％以上、Ｎは０．０１％以上含有する必要があるため、Ｂ当量（［Ｂ％］＋０．５［Ｎ％］）の下限値は０．００５５％とした。
図３に、本発明における［Ｎ％］／［Ａｌ％］とＢ当量（［Ｂ％］＋０．５［Ｎ％］）の好ましい範囲を示す。
【００４２】
＜製造方法（熱処理方法）＞
本発明の別の態様の熱処理方法を含めて、ガスタービンディスク材の製造方法について次に説明する。
【００４３】
前記の成分組成の合金を常法に従って溶製し、鋳造して鋳塊とする。得られた鋳塊に必要に応じて均質化処理した後、例えば９００〜１２００℃に加熱して熱間鍛造する。得られた鍛造材に対して、焼入れー焼戻しの調質熱処理を施す。この調質熱処理の工程が本発明の別態様としての熱処理方法である。
【００４４】
調質熱処理は、鋼組織をほぼ均一なマルテンサイト組織として、ガスタービンディスク材に望まれる高強度を得るとともに、炭化物や炭窒化物を析出させて、クリープ強度を向上させるために必要な工程である。すなわち、鍛造材を高温に加熱することによって、鋼組織のオーステナイト化を図るとともに、炭化物や炭窒化物形成に寄与する元素をいったんマトリクス中に固溶させ、その後に焼入れる（急冷する）ことによってマルテンサイト化を図るとともに炭化物や炭窒化物形成に寄与する元素が鋼中に過飽和に固溶した状態とし、焼戻しによって炭化物や炭窒化物を微細に析出させるために必要な工程である。
【００４５】
ここで、焼入れ温度（焼入れのための加熱温度）が高いほど、炭窒化物生成に寄与するＣ、Ｎ、ＮｂおよびＶの固溶量を多くすることができ、その結果、焼戻しによって析出するＮｂやＶの炭窒化物の析出量を多くし、クリープ強度を向上させることができる。その一方、焼入れ温度が高すぎれば、結晶粒の粗大化が生じて、靭性の低下を招いてしまう。したがって、クリープ強度の向上を図りながらも、靭性を損なわないようにするためには、焼入れ温度には適切な温度域がある。
【００４６】
本発明者等が１０５０℃または１０９０℃の焼入れ温度で焼入れを行い、６７０℃の焼戻しを施した供試材を用いて、焼入れ温度が靭性およびクリープ強度に及ぼす影響を調べたところ、表２、表３および図１に示す結果が得られた。
【００４７】
実験に供した１２Ｃｒ系耐熱鋼における成分は、表１の実施例の各供試材および比較例の各供試材である。その鍛造材を、１０５０または１０９０℃に加熱して、３．５時間保持し、油冷によって焼入れし、その後６７０℃の焼戻しを施して、材料試験に供した。
【００４８】
表２、表３および図１より、１０５０℃と１０９０℃の焼入れ温度の供試体の吸収エネルギーは同等であり、吸収エネルギーに及ぼす焼入れ温度の影響は認められない。一方、１０９０℃の焼入れの方が１０５０℃焼入れよりもクリープ破断時間は長く、焼入れ温度が高い方がクリープ破断強度が高くなる。
【００４９】
以上の結果より、焼入れ温度が高いほどクリープ破断時間が長くなって高温クリープ強度が高くなり、１０５０℃の焼入れでも、前述の靭性確保に必要なＮｉ量の最低値０．２５％とすれば、ガスタービンディスク材として必要な７５０時間以上のクリープ破断時間を得ることができることから、最低温度として１０５０℃とした。１１５０℃を超えると、デルタフェライトが析出する温度域に入り、かつ結晶粒径の大幅な粗大化を生じて靭性を低下させるため、焼入れ温度範囲は１０５０〜１１５０℃とした。好ましくは、１０９０℃前後である。
【実施例】
【００５０】
以下に本発明の実施例を、比較例とともに記す。なお以下の実施例は、本発明の効果を検証するための例であり、実施例の条件が本発明の範囲を限定するものでないことはもちろんである。【００５１】
表１の実施例の供試材Ｊ１〜Ｊ３および比較例の供試材Ｃ１、Ｃ４、ＡＬ１５、ＡＬ２０に示す化学成分となるよう、エレクトロスラグ再溶解法にて鋼塊を製造した。これを９００〜１２００℃に加熱して鍛造し、ディスク形状の鍛造材を製作した。その鍛造材を、１０５０℃または１０９０℃に加熱して、３．５時間保持し、油冷によって焼入れし、その後、６７０℃の焼戻しを施した。【００５２】
焼戻し後の各鍛造材から、引張試験片を作製してＪＩＳ  Ｚ  ２２４１の引張試験法に準拠して室温引張試験を行い、またシャルピーＶノッチ衝撃試験片を作製してＪＩＳ  Ｚ  ２２４２のシャルピー衝撃試験法に準拠して衝撃試験を行った。その結果を、表２中に示す。
また、同じ供試体から、クリープ破断試験用の丸棒状の平滑試験片を作製し、ＪＩＳ  Ｚ  ２２７２の高温クリープ試験法に準拠して５９６℃×３１０ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行った。その結果を、表３中に示す。【００５３】
【表１】
2019059240.tif 000003
【００５４】
【表２】
2019059240.tif 000004
【００５５】
【表３】
2019059240.tif 000005
【００５６】
実施例の供試材Ｊ１〜Ｊ３は、本発明で規定する成分組成範囲内の本発明例である。室温衝撃吸収エネルギーは、ガスタービンディスク材として必要な４０Ｊを満足した。また、１０９０℃焼入れ材では、ガスタービンディスク材として必要な５９６℃×３１０ＭＰａ×７５０時間以上のクリープ破断時間を満足した。【００５７】
これに対して、Ｎｉ量が高い比較例Ｃ１は、クリープ破断時間が著しく短く、高温強度が劣ることが判明した。この比較例Ｃ１は、特許文献１に記載の材料に相当する比較例であり、これに対して本発明例Ｊ１〜Ｊ３は、クリープ強度が大幅に向上していることが明らかである。また、Ｎｉ量が低い比較例Ｃ２は、室温吸収エネルギーが２０Ｊと低く、ガスタービンディスク材として必要な４０Ｊを満足しない。
さらに、比較例ＡＬ１５およびＡＬ２０は、図２に示すように実施例Ｊ１〜Ｊ３と比較して、低Ｎ/Ａｌ領域で急激にクリープ強度が低下することが分かる。安定してクリープ破断強度を確保するためには、Ｎ/Ａｌを２．４以上に高めておく必要があることが分かる。【００５８】
以上、本発明の好ましい実施形態、実施例について説明したが、これらの実施形態、実施例は、あくまで本発明の要旨の範囲内の一つの例に過ぎず、本発明の要旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明に係るガスタービンディスク材によれば、高いクリープ強度と高い靭性を両立させたバランスの取れた材料特性を確保することができる。
また本発明に係る微量成分規定や熱処理方法によれば、さらにクリープ強度を向上させると同時に高い靭性を有するガスタービンディスク材を、確実かつ安定して得ることができる。
【図１】
2019059240.tif 000006
【図２】
2019059240.tif 000007
【図３】
2019059240.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】令和2年1月23日(2020.1.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．１５％、
Ｎｉ：０．２５〜１．５０％、
Ｃｒ：９．０〜１２．０％、
Ｍｏ：０．５０〜０．９０％、
Ｗ：１．０〜２．０％、
Ｖ：０．１０〜０．３０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、
Ｃｏ：０．０１〜４．０％、
Ｂ：０．０００５〜０．０１０％、
Ｎ：０．０１〜０．０５％、
Ｍｎ：０．４０％以下、
Ｓｉ：０．１０％以下、
Ａｌ：０．０２０％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする
ガスタービンディスク材。
【請求項２】
Ｎｉの含有量は、質量％で、０．７９〜１．５０％であることを特徴とする
請求項１に記載のガスタービンディスク材。
【請求項３】
Ｃｒの含有量は、質量％で、１０．１７〜１２．０％であることを特徴とする
請求項１又は請求項２に記載のガスタービンディスク材。
【請求項４】
Ｎの含有量［Ｎ％］とＡｌの含有量［Ａｌ％］との比［Ｎ％］／［Ａｌ％］が２．４以上であることを特徴とする
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のガスタービンディスク材。
【請求項５】
Ｂの含有量［Ｂ％］とＮの含有量［Ｎ％］の０．５倍との和で表されるＢ当量（［Ｂ％］＋０．５［Ｎ％］）が０．００５５〜０．０３０％であることを特徴とする
請求項１〜請求項４のいずれかの請求項に記載のガスタービンディスク材。
【請求項６】
前記不可避的不純物の含有量は、質量％で、０．０１５％以下であることを特徴とする
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のガスタービンディスク材。
【請求項７】
室温シャルピー衝撃試験における吸収エネルギーが４０Ｊ以上であることを特徴とする
請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のガスタービンディスク材。
【請求項８】
５９６℃×３１０ＭＰａにおけるクリープ破断時間が７５０時間以上であることを特徴とする
請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載のガスタービンディスク材。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の成分組成を有する鍛造材を加熱して焼入れ、その後に焼戻す熱処理を施すにあたり、
焼入れ加熱温度を１０５０〜１１５０℃の範囲内とすることを特徴とする
ガスタービンディスク材の熱処理方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
また本発明の第２の態様のガスタービンディスク材は、前記第１の態様のガスタービンディスク材において、Ｎｉの含有量は、質量％で、０．７９〜１．５０％であることを特徴とする。
また本発明の第３の態様のガスタービンディスク材は、前記第１又は第２の態様のガスタービンディスク材において、Ｃｒの含有量は、質量％で、１０．１７〜１２．０％であることを特徴とする。
また本発明の第４の態様のガスタービンディスク材は、前記第１〜第３のいずれかの態様のガスタービンディスク材において、Ｎの含有量［Ｎ％］とＡｌの含有量［Ａｌ％］との比［Ｎ％］／［Ａｌ％］が２．４以上であることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
また本発明の第５の態様のガスタービンディスク材は、前記第１〜第４の態様のガスタービンディスク材において、Ｂの含有量［Ｂ％］とＮの含有量［Ｎ％］の０．５倍との和で表されるＢ当量（［Ｂ％］＋０．５［Ｎ％］）が０．００５５〜０．０３０％であることを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また本発明の第６の態様のガスタービンディスク材は、前記第１〜第５のいずれかの態様のガスタービンディスク材において、前記不可避的不純物の含有量は、質量％で、０．０１５％以下であることを特徴とする。
また本発明の第７の態様のガスタービンディスク材は、前記第１〜第６のいずれかの態様のガスタービンディスク材において、室温シャルピー衝撃試験における吸収エネルギーが４０Ｊ以上であることを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
また本発明の第８の態様のガスタービンディスク材は、前記第１〜第７のいずれかの態様のガスタービンディスク材において、５９６℃×３１０ＭＰａにおけるクリープ破断時間が７５０時間以上であることを特徴とする。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
また本発明の第９の態様のガスタービンディスク材の熱処理方法は、第１〜第８のいずれかの態様の成分組成を有する鍛造材を加熱して焼入れ、その後に焼戻す熱処理を施すにあたり、焼入れ温度を１０５０〜１１５０℃の範囲内とすることを特徴とする。
【国際調査報告】
2019059240.tif 000009
2019059240.tif 000010