(57)【要約】【課題】ガスタービンエンジンでの使用に望ましい特性、例えば、耐食性、耐酸化性及びクリープ耐性、の大半又は実質的にすべて、並びに高温強度ニッケル基合金を提供すること。【解決手段】約７．０重量％〜約１２．０重量％のクロム、約０．１重量％〜約５重量％のモリブデン、約０．２重量％〜約４．５重量％のチタン、約４重量％〜約６重量％のアルミニウム、約３重量％〜約４．９重量％のコバルト、約６．０重量％〜約９．０重量％のタングステン、約４．０重量％〜約６．５重量％のタンタル、約０．０５重量％〜約０．６重量％のハフニウム、約１．０重量％以下のニオブ、約０．０２重量％以下のホウ素及び約０．１重量％以下の炭素、残部のニッケル及び不可避不純物を含むニッケル基合金を準備する。合金は、鋳造し、方向性凝固し、熱処理することによって、約５０％超のγ′分率を有する物品を得ることができる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
７．０重量％〜１２．０重量％のクロム、０．１重量％〜５重量％のモリブデン、０．２重量％〜４．５重量％のチタン、４重量％〜６重量％のアルミニウム、３重量％〜４．９重量％のコバルト、６．０重量％〜９．０重量％のタングステン、４．０重量％〜６．５重量％のタンタル、０．０５重量％〜０．６重量％のハフニウム、１．０重量％以下のニオブ、０．０２重量％以下のホウ素及び０．１重量％以下の炭素、残部のニッケル及び不可避不純物を含むニッケル基合金。
【請求項２】
レニウムを実質的に含まない、請求項１記載のニッケル基合金。
【請求項３】
アルミニウム／チタン比が１を超える、請求項１記載のニッケル基合金。
【請求項４】
５０％超のγ′分率を有する、請求項１記載の合金の鋳造品。
【請求項５】
９．０重量％〜１１．０重量％のクロム、０．５重量％〜３．０重量％のモリブデン、０．５重量％〜３．５重量％のチタン、４重量％〜６重量％のアルミニウム、３．５重量％〜４．２５重量％のコバルト、６．０重量％〜９．０重量％のタングステン、４．０重量％〜６．５重量％のタンタル、０．０５重量％〜０．５重量％のハフニウム、１．０重量％以下のニオブ、０．０１重量％以下のホウ素及び０．０７重量％以下の炭素、残部のニッケル及び不可避不純物を含むニッケル基合金。
【請求項６】
レニウムを実質的に含まない、請求項５記載のニッケル基合金。
【請求項７】
アルミニウム／チタン比が１を超える、請求項５記載のニッケル基合金。
【請求項８】
５０％超のγ′分率を有する、請求項５記載の合金の鋳造品。
【請求項９】
ガスタービンエンジンの部品をなす、請求項８記載の鋳造品。
【請求項１０】
鋳造熱処理品の製造方法であって、
請求項１記載のニッケル基合金を準備し、
上記合金を融解及び方向性凝固して物品を製造し、
物品のγ′分率が５０％超となるように物品を熱処理する
ことを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ニッケル基合金及びその物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは極端な環境で作動し、エンジン部品、特にタービンセクションの部品は高い作動温度及び応力に暴露される。特に発電用タービンのバケット（又はブレード）は、長さ約３６インチもしくはそれ以上及び重量約４０ポンドもしくはそれ以上にもなることがあり、特に限定されないが、鋳造割れ耐性、引張強度、延性、耐クリープ性、耐酸化性、耐高温腐食性、低フレックル感受性、十分に低い密度、妥当なコスト及び適度に大きな熱処理ウィンドーを始めとする特性バランスが必要とされる。
【０００３】
超合金は、それらの優れた環境耐性に加えて、その融解温度の最大約７５％まで適度に高い強度を維持できることから、上述のような要求の厳しい用途で使用されている。ニッケル基超合金は、特に、ガスタービンエンジンの至る所に広範に、例えば、タービンブレード、ノズル及びシュラウド用途で使用されている。しかし、後段バケット用途に使用される従来のニッケル基超合金は、鋳造が難しく、歩留まりが低くなることがある。歴史的にみて、ガスタービン燃焼温度条件の着実な上昇は、こうした用途での機械的性能及び環境材料性能の向上に依拠している。
【０００４】
ニッケル基超合金バケット用途でのクリープ及び破壊挙動を最適化するため、方向性凝固が成功裡に用いられている。主応力軸の方向（概して長手方向に一致する）に結晶粒を選択的に配向させて、柱状結晶粒組織をもたらし、成長方向を横断する粒界をなくす。かかる配向は好ましい長手方向の弾性率ももたらし、部材の疲労性能に有利である。
【０００５】
従来の合金鋳造品と比較すると、方向性凝固法を用いると、強度、延性及び熱疲労耐性が大幅に改善された物品が得られる。しかし、かかる物品では、柱状結晶粒境界の存在のため、横方向に低い強度及び延性特性が依然としてみられることがある。かかる物品の横方向結晶粒境界強度を改善するための試みとして、追加の合金元素、例えば、ハフニウム、炭素、ホウ素及びジルコニウムが用いられている。しかし、上記その他の元素の添加は、他の望ましい特性（例えば融点）を劣化させることがあり、そのため特性バランスを擬制にすることが従前必要とされていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６９０８５１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、ガスタービンエンジンでの使用に望ましい特性（耐食性、耐酸化性及びクリープ耐性）の大半又は実質的にすべて、並びに高温強度を呈するニッケル基合金が依然として必要とされている。また、かかる合金は、所望の特性に実質的に有害でない元素を含んでいるか、或いは所望の特性を全く又は最小限にしか損なわないように処理できるものであれば望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一つの態様では、約７．０重量％〜約１２．０重量％のクロム、約０．１重量％〜約５重量％のモリブデン、約０．２重量％〜約４．５重量％のチタン、約４重量％〜約６重量％のアルミニウム、約３重量％〜約４．９重量％のコバルト、約６．０重量％〜約９．０重量％のタングステン、約４．０重量％〜約６．５重量％のタンタル、約０．０５重量％〜約０．６重量％のハフニウム、約１．０重量％以下のニオブ、約０．０２重量％以下のホウ素及び約０．１重量％以下の炭素、残部のニッケル及び不可避不純物を含むニッケル基合金を提供する。
【０００９】
本発明の別の態様では、約９．０重量％〜約１１．０重量％のクロム、約０．５重量％〜約３．０重量％のモリブデン、約０．５重量％〜約３．５重量％のチタン、約４重量％〜約６重量％のアルミニウム、約３．５重量％〜約４．２５重量％のコバルト、約６．０重量％〜約９．０重量％のタングステン、約４．０重量％〜約６．５重量％のタンタル、約０．０５重量％〜約０．５重量％のハフニウム、約１．０重量％以下のニオブ、約０．０１重量％以下のホウ素及び約０．０７重量％以下の炭素、残部のニッケル及び不可避不純物を含むニッケル基合金も提供する。
【００１０】
本発明の別の態様では、鋳造品も提供するが、鋳造品は、一実施形態では、約７．０重量％〜約１２．０重量％のクロム、約０．１重量％〜約５重量％のモリブデン、約０．２重量％〜約４．５重量％のチタン、約４重量％〜約６重量％のアルミニウム、約３重量％〜約４．９重量％のコバルト、約６．０重量％〜約９．０重量％のタングステン、約４．０重量％〜約６．５重量％のタンタル、約０．０５重量％〜約０．６重量％のハフニウム、約１．０重量％以下のニオブ、約０．０２重量％以下のホウ素及び約０．１重量％以下の炭素、残部のニッケル及び不可避不純物を含むニッケル基合金から形成される。鋳造品は約５０％超のγ′分率を有する。
【００１１】
本発明の別の態様では、約９．０重量％〜約１１．０重量％のクロム、約０．５重量％〜約３．０重量％のモリブデン、約０．５重量％〜約３．５重量％のチタン、約４重量％〜約６重量％のアルミニウム、約３．５重量％〜約４．２５重量％のコバルト、約６．０重量％〜約９．０重量％のタングステン、約４．０重量％〜約６．５重量％のタンタル、約０．０５重量％〜約０．５重量％のハフニウム、約１．０重量％以下のニオブ、約０．０１重量％以下のホウ素及び約０．０７重量％以下の炭素、残部のニッケル及び不可避不純物を含むニッケル基合金から形成される鋳造品も提供する。鋳造品は約５０％超のγ′分率を有する。
【００１２】
別の実施形態では、鋳造熱処理品を製造するための方法を提供する。この方法は、約７．０重量％〜約１２．０重量％のクロム、約０．１重量％〜約５重量％のモリブデン、約０．２重量％〜約４．５重量％のチタン、約４重量％〜約６重量％のアルミニウム、約３重量％〜約４．９重量％のコバルト、約６．０重量％〜約９．０重量％のタングステン、約４．０重量％〜約６．５重量％のタンタル、約０．０５重量％〜約０．６重量％のハフニウム、約１．０重量％以下のニオブ、約０．０２重量％以下のホウ素及び約０．１重量％以下の炭素、残部のニッケル及び不可避不純物を含むニッケル基合金を準備することを含む。合金を溶融及び方向性凝固させて物品を製造し、物品のγ′分率が約５０％超となるように物品を熱処理する。
【００１３】
追加の実施形態では、鋳造熱処理品を製造するための方法を提供する。この方法は、約９．０重量％〜約１１．０重量％のクロム、約０．５重量％〜約３．０重量％のモリブデン、約０．５重量％〜約３．５重量％のチタン、約４重量％〜約６重量％のアルミニウム、約３．５重量％〜約４．２５重量％のコバルト、約６．０重量％〜約９．０重量％のタングステン、約４．０重量％〜約６．５重量％のタンタル、約０．０５重量％〜約０．５重量％のハフニウム、約１．０重量％以下のニオブ、約０．０１重量％以下のホウ素及び約０．０７重量％以下の炭素、残部のニッケル及び不可避不純物を含むニッケル基合金を準備することを含む。合金を溶融及び方向性凝固させて物品を製造し、物品のγ′分率が約５０％超となるように物品を熱処理する。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書で用いる技術用語及び科学用語は、別途定義しない限り、本発明の属する技術分野の技術者が通常理解する意味をもつ。本明細書において「第１」、「第２」などの用語は、いかなる順序、量又は重要性も意味するものではなく、ある構成要素を他の構成要素から区別するために用いる。単数形で記載したものであっても、数を限定するものではなく、そのものが少なくとも１つ存在することを意味するものであり、「前」、「後」、「底部」及び／又は「上部」の用語は、特記しない限り、記載上の便宜のために用いるものにすぎず、位置又は空間的配向を限定するものではない。本明細書において、同じ部品又は特性に関する範囲はすべてその上下限を含み、独立に結合可能である（例えば、「約２５重量％以下、具体的には約５〜約２０重量％」という範囲は、「約５〜２５重量％」の上下限とその範囲内のすべての中間値を含む）。数量に用いられる「約」という修飾語は、記載の数値を含み、文脈毎に決まる意味をもつ（例えば、特定の数量の測定に付随する誤差範囲を含む）。
【００１５】
本発明の一実施形態では、向上した耐酸化性及び耐高温腐食性だけでなく、向上した機械的特性の組合せを有する物品（例えばガスタービンバケット）を供給するための鋳造及び方向性凝固に特に適した合金をもたらす合金元素のユニークな組合せを含むニッケル基超合金を提供する。具体的には、本明細書で開示する超合金から形成される物品は、従来のニッケル基超合金に比べて、改善された鋳造割れ耐性及び大きな熱処理ウィンドーを示し、製造コストが低減し、鋳造部品の収率が増大する。さらに、本超合金を用いて製造した物品は、従来のＮｉ基超合金に比べて、強度、延性及び耐クリープ性が増大し、物品が用いられる環境の作動温度を高めることができ、有用寿命を延ばし、タービンバケットについては効率の向上のため長尺化することができる。
【００１６】
合金元素は、バルク化学に関連して合金の相間で分配が通例起こることが周知である。合金の相は、合金の残りの部分から明瞭な接合面で隔てられた均質で物理的及び化学的に明確な成分であると考えられる。ニッケル基超合金の典型的な合金組織はγとして知られる主要相を含んでいるが、これは合金のマトリックスであり、一般にγマトリックスと呼ばれる。合金組織は、γマトリックス中の主要な析出相（γ′析出相と呼ばれる）と、微量の炭化物、酸化物及びホウ化物も含んでいる。ニッケル基超合金の高温強度は、γマトリックスの固溶強化に加えて、γ′析出相の存在量に関係すると考えられている。
【００１７】
合金元素は相間で分配するが、γマトリックスとγ′析出物の間での分配が最も重要である。合金設計において相間での元素分配がどの程度必要か理解できれば、γ、γ′、炭化物、酸化物及びホウ化物の化学組成、γ′粒子及びγ−γ′共晶として存在するγ′の量、γ相の安定性、並びにγとγ′との原子格子ミスマッチを始めとする合金の重要な特性を計算することができる。
【００１８】
多数の超合金の分析から、ニッケル基超合金の開発に広く用いられている合金元素のうち、γマトリックスに分配してγ固溶強化元素として作用する元素がクロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）及び鉄（Ｆｅ）であることが判明している。一般に、レニウム、タングステン及びモリブデンのような重い（大きい原子）高融点元素は高温で最も有効な強化剤である。固溶強化は、望ましくは、マトリックス組織の不安定性を生じさせずに達成される。不安定性は、合金特性に悪影響をもつおそれがあり、高温での不要な相又は析出物の生成に起因する。そこで、かかる相又は析出物を避けるのが望ましい。
【００１９】
ニッケル基超合金で認められる２番目の主要な強化機構は析出硬化である。析出物はγマトリックス中で形成され、γ′として知られる。γ′は規則的面心立方化合物Ｎｉ3Ａｌであり、ニッケルマトリックスと整合（coherent）である。γ′相に優先的に偏析する元素には、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）及びバナジウム（Ｖ）がある。
【００２０】
本発明のニッケル基超合金は、幾つかの実施形態では、従来のニッケル基超合金と比較して、優れた鋳造性、高温強度及びクリープ挙動、サイクル酸化耐性及び耐高温腐食性を示す。本明細書で開示する超合金は、鋳造、方向性凝固及び熱処理にも適しており、超合金の基本的性質を保持したまま、ガスタービンバケットのような製品をもたらす。
【００２１】
本明細書の開示に従って設計されたニッケル基合金は、クロム、モリブデン、チタン、アルミニウム、コバルト、タングステン、タンタル、ハフニウム、ニオブ、ホウ素及び炭素を含む。本ニッケル基合金は、レニウムを含んでおらず、コスト削減をもたらす。一実施形態では、ニッケル基超合金は、約７．０重量％〜約１２．０重量％のクロム、約０．１重量％〜約５重量％のモリブデン、約０．２重量％〜約４．５重量％のチタン、約４重量％〜約６重量％のアルミニウム、約３重量％〜約４．９重量％のコバルト、約６．０重量％〜約９．０重量％のタングステン、約４．０重量％〜約６．５重量％のタンタル、約０．０５重量％〜約０．６重量％のハフニウム、約１．０重量％以下のニオブ、約０．０２重量％以下のホウ素及び約０．１重量％以下の炭素、残部のニッケル及び不可避不純物を含む。
【００２２】
別の実施形態では、ニッケル基合金は、約８．５重量％〜約１１．０重量％のクロム、約０．５重量％〜約３．０重量％のモリブデン、約０．５重量％〜約３．５重量％のチタン、約４重量％〜約６重量％のアルミニウム、約３．５重量％〜約４．２５重量％のコバルト、約６．０重量％〜約９．０重量％のタングステン、約４．０重量％〜約６．５重量％のタンタル、約０．０５重量％〜約０．５重量％のハフニウム、約１．０重量％以下のニオブ、約０．０１重量％以下のホウ素及び約０．０７重量％以下の炭素、残部のニッケル及び不可避不純物を含む。
【００２３】
幾つかの実施形態では、ニッケル基合金のクロム含量は、望ましくは約７重量％〜約１２重量％又は約８．５重量％〜約１１重量％である。幾つかの実施形態では、合金が良好な耐酸化性と耐高温腐食性とを示すことができるようにクロムとアルミニウムのバランスを維持するのが望ましい。本明細書で開示する幾つかの合金を評価する際に得られたデータから、約１．５〜約２．５の狭いＣｒ：Ａｌ比が必要な特性バランスをもたらすことが判明した。従って、本明細書で開示する合金におけるアルミニウムの好適な範囲は約４重量％〜約６重量％である。
【００２４】
本明細書で開示する合金のチタン含量は望ましくは約０．２重量％〜約４．５重量％又は約０．５重量％〜約３．５重量％である。チタンは望ましくは上記の量で存在して、Ａｌ：Ｔｉ比が約１超、２超、３超又は約４超となるようにすることができる。
【００２５】
タングステンは高温強度に有用な合金元素であり、γ相又はγ′相に分配する。タングステンは、本明細書で開示する合金に約６．０重量％〜約９．０重量％の量で配合し得る。
【００２６】
モリブデンは、本明細書で開示する合金においてタングステンのように作用するが、タングステンよりも低い密度を有する。モリブデンは、環境耐性を損ないかねないが、かかる弊害は、クロムの量とバランスをとることによって最低限に抑制することができる。クロムが約７重量％〜約１２重量％又は約８．５重量％〜約１１重量％で存在する幾つかの実施形態では、モリブデンは、望ましくは、環境耐性を実質的に損なわずに、強度の点で追加の利益が得られるように、約０．１重量％〜約５重量％、又は約０．５重量％〜約３．０重量％の量で配合し得る。
【００２７】
タンタルは、ニッケル基合金でチタンと同様に分配し、ほぼ完全にγ′相に分配する。タンタルは、幾つかの実施形態では、チタンよりも好ましいが、これは、タンタルはチタンよりも融点が高く、同量のチタンほどは合金の融点を下げないからである。ただし、タンタルはチタンよりも格段に密度の高い重元素であり、タンタルよりもチタンの使用量を増やすと物品を軽量化することができる。以上の点を考慮するとて、本明細書で開示する超合金の幾つかの実施形態では、タンタルの有用な量は、合金の総重量を基準にして約４．０重量％〜約６．５重量％である。
【００２８】
コバルトは、γ′の固溶温度を高めることができ、コバルトが配合された合金の温度性能も向上する。コバルトは、σ相析出を阻害して、合金の構造的安定性にも寄与し得る。このような理由から、幾つかの実施形態では、本明細書で開示する合金は、合金の総重量を基準にして、約３．０重量％〜約４．９重量％又は約３．４重量％〜約４．２５重量％のコバルトを含むことができる。
【００２９】
ハフニウムは、粒界強化元素として有用であり、向上した耐酸化性をもたらすことができる。そこで、幾つかの実施形態では、本明細書で開示する合金は、約１．０重量％以下又は約０．０５重量％〜約０．５重量％のハフニウムを含む。幾つかの実施形態では、合金はさらに約１重量％以下の量のニオブを含む。
【００３０】
ニッケル基合金は、特に限定されないが、粉末冶金法（例えば、焼結、熱間プレス、熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）、熱間真空圧縮など）、インゴット鋳造とその後の方向性凝固、インベストメント鋳造、インゴット鋳造とその後の加工熱処理、ニアネットシェイプ鋳造、化学気相堆積、物理気相堆積、これらの組合せなどを始めとする、既存の方法で処理して、ガスタービンエンジン用部品を形成することができる。
【００３１】
本明細書で開示するニッケル基合金からガスタービン翼を製造する方法の一例では、所望の成分を粉体粒子の形態で別々に又は混合物として準備し、金属成分を融解するのに十分な温度（一般に約１３５０℃〜約１７５０℃）に加熱する。次いで、金属溶湯を鋳造法で鋳型に注湯して所望の形状を生じさせる。
【００３２】
上述の通り、任意の鋳造方法、例えば、インゴット鋳造、インベストメント鋳造、高勾配鋳造（high gradient casting）、又はニアネットシェイプ鋳造を利用することができる。複雑な部品の製造が望まれる実施形態では、金属溶湯を望ましくはインベストメント鋳造法で鋳造してもよく、複雑な形状を有するタービンバケットや高温に耐えなければならないタービン部品のように通常の製造技術では作ることのできない部品の製造に適している。別の実施形態では、金属溶湯を、インゴット鋳造法でタービン部品へと鋳造してもよい。鋳造は、重力、圧力、不活性ガス又は真空条件を用いて実施し得る。幾つかの実施形態では、鋳造は真空で実施される。
【００３３】
注湯後、鋳型内の溶湯を好適には方向性凝固させてもよい。方向性凝固は一般に凝固方向に延在する結晶粒を生じ、等軸鋳造よりも高いクリープ強度を翼形部にもたらし、幾つかの実施形態での使用に適している。特に、本合金は従来の単結晶ニッケル基超合金よりも格段に高い歩留まりで、部品の断面に多くの結晶粒をもつように設計された多結晶粒方向性凝固部品として形成することができる。すなわち、小型部品は通例単結晶として製造できるが、ガスタービンエンジンの大型部品の多くは、真の単結晶（ＳＣ）として形成するのが難しいことがある。そのため、こうしたＳＣ形態の部品の歩留まりは、商業的価値をもたないことがある。対照的に、本発明の実施形態を用いた同様の寸法の多結晶粒方向性凝固ガスタービン部品の歩留まりは約８０％以上、さらには約８０％〜約１００％とすることができる。
【００３４】
方向性凝固の後、鋳造品を（例えば従来の冷却法で）冷却する。ニッケル基合金からなる鋳造品を、次いで、適宜、強度を最適化するとともに耐クリープ性を増大させるための様々な熱処理に付してもよい。望ましくは、熱処理で、γ′分率が約５０％超、さらには約６０％超の鋳造品を生じさせる。熱処理は、一般に、鋳造品を真空中約２２６０°Ｆ〜約２４００°Ｆの温度に２〜４時間加熱することを含む。次いで、鋳造品を真空、アルゴン又はヘリウム中約１５°Ｆ／分〜約４５°Ｆ／分の冷却速度で２０５０°Ｆまで炉冷し、その後、真空、アルゴン又はヘリウム中約１００°Ｆ／分〜約１５０°Ｆ／分で１２００°Ｆ以下にガスファン冷却すればよい。１２００°Ｆ未満に下がれば、物品は任意の冷却速度で室温に冷却できる。
【００３５】
幾つかの実施形態では、鋳造品を時効処理に付してもよい。例えば、鋳造品は、真空下１９７５°Ｆで４時間加熱し、１２００°Ｆ未満に炉冷し、約１６００°Ｆ〜約１６５０°Ｆに４〜１６時間加熱した後、室温に炉冷することによって、時効処理することができる。
【００３６】
本明細書で開示するニッケル基合金は、大型ガスタービンエンジン用の様々な翼形部へと加工できる。上述の通り、本明細書で開示するＮｉ基合金は、Ｒｅｎｅ’Ｎ４のような従来のニッケル基超合金よりも、改善された鋳造割れ耐性及び大きい熱処理ウィンドーを示し、製造コストを低減し、鋳造部品の収率を上げることができる。本明細書で開示する合金から形成された物品は、さらに、耐酸化性及び耐高温腐食性だけでなく、強度、延性及び耐クリープ性の増大を示すこともある。その結果、かかる物品は、従来のニッケル基合金から形成される物品よりも、高い作動温度で使用できるか及び／又は長い有用寿命を示す。
【００３７】
本明細書で開示する合金から好適に形成される部品又は物品の例として、特に限定されないが、バケット（又はブレード）、非回転ノズル（又はベーン）、シュラウド、燃焼器などが挙げられる。本明細書で開示する合金から形成すると特に有益であると考えられる部品／物品として、ノズル及びバケットがある。超合金は各種の遮熱コーティングと共に使用できる。
【００３８】
本明細書で開示するニッケル基超合金の大型発電用タービンバケットのような鋳造・熱処理品のある例示的な製造方法は一般に以下のように進めることができる。タービンバケットのような所望の部品を超合金で方向性鋳造する。鋳造品を次いで熱処理に付すが、この処理は一般に真空中約２２６０°Ｆ〜約２４００°Ｆの温度に２〜４時間バケットを加熱することを含んでいて、バケットは約５０％超、さらには６０％超のγ′分率を有するようになる。バケットを次いで、真空、アルゴン又はヘリウム中約１５°Ｆ〜約４５°Ｆ／分の冷却速度で約２０５０°Ｆまで炉冷し、しかる後、真空、アルゴン又はヘリウム中約１００°Ｆ／分〜約１５０°Ｆ／分で１２００°Ｆ以下にガスファン冷却すればよい。１２００°Ｆ未満に下がれば、バケットは任意の冷却速度で室温に冷却できる。バケットを、次いで、真空下約１９７５°Ｆで４時間加熱し、約１２００°Ｆ未満に炉冷し、約１６００°Ｆ〜約１６５０°Ｆに４〜１６時間加熱した後室温に炉冷することによって、時効処理に付してもよい。
【００３９】
本明細書で開示する超合金は理想的には方向性凝固鋳造に適しているが、慣用鋳造法又は単結晶鋳造法でも容易に製造できる。超合金は、ガスタービンエンジンのブレード、バケット、ベーンなどの高温タービン部品によく適している。
【実施例】
【００４０】
以下の実施例で、ニッケル基合金の様々な実施形態の組成物及び製造方法を例示するが、これらは例示にすぎず、限定的なものではない。以下の実施例では、試験片は方向性凝固炉で鋳造した。鋳型引き抜き速度（凝固速度に対応する）は毎時１２インチであった。材料特性は、熱処理の効果とは独立して化学組成を最適化するため、方向性凝固したままの条件で測定した。
【００４１】
実施例１
本例では、４０枚の特有のニッケル基超合金を方向性鋳造し、評価した。最適なガスタービンバケット性能に必要とされる重要な材料属性を特定してかあ、機械的試験を行った。各属性には、その相対的重要性に基づいて重み係数を割り当てた。計算した特性と測定した特性を共通の無次元スケールに結合し、重み付けした。重み付けした無次元属性の合算によって、総合的特性バランスに基づいて合金を順位付けるための手段が得られる。表１は、３種類の例示的な合金（合金１、合金２及び合金３）の化学組成（重量％基準）を示すが、残部はＮｉ及び不純物である。これらのニッケル基超合金は各々５０％超の予測γ′モル分率を有していた。表には、高温タービン部品の製造に現在用いられている標準的な高温ニッケル基超合金Ｒｅｎｅ’Ｎ４も示してある。
【００４２】
【表１】
2011052323.tif 000002
表２は、超合金組成物の様々な計算特性を示す。各合金は、対照合金Ｒｅｎｅ’Ｎ４と同等以上の熱処理ウィンドーを示し、加工性とそれに伴って歩留まりが向上すると予測される。各合金の計算密度は対照合金とほぼ一致していた。予想されるγ′モル分率はいずれの場合もＲｅｎｅ’Ｎ４よりも高く、これは高温強度の点から概して望ましい。
【００４３】
【表２】
2011052323.tif 000003
表３は、方向性凝固したまま（ａｓ−ＤＳ）の条件下で測定した様々な材料特性をまとめたものである。「ＵＴＳ」は極限引張強さを表し、「ＹＳ」は降伏強さを表す。
【００４４】
鋳造性は、米国特許第４１６９７４２号明細書の記載に従って鋳造割れ試験によって分析したが、合計亀裂長は方向性凝固薄肉鋳造品（肉厚約６０ミル）の外径で測定した。最低限の割れしか示さない合金が好ましい。表３の各合金は、対照合金と比べて、このスクリーニング実験の条件下では、優れた鋳造割れ耐性を示す。
【００４５】
各合金のクリープ挙動は１４００°Ｆ及び１８００°Ｆの空気中で評価した。死荷重を用いて１４００°Ｆで１０７ｋｓｉ及び１８００°Ｆで３１ｋｓｉの応力を加えた。試験期間中ずっと塑性歪みをモニターした。表３は、２％クリープまでの時間が、ａｓ−ＤＳ  Ｒｅｎｅ’Ｎ４と比べて、１４００°Ｆで２．０〜３．５倍向上したことを示している。さらに、１８００°Ｆでの２％クリープまでの時間は、ａｓ−ＤＳ  Ｒｅｎｅ’Ｎ４と比べて２．７５〜４．７５倍向上している。各温度での破断までの時間も、ａｓ−ＤＳ  Ｒｅｎｅ’Ｎ４と比べて、同程度の大きさで改善される。
【００４６】
各材料の引張挙動を１４００°Ｆの空気中で評価した。試験片を、０．０２インチ／分の一定変位速度で破断するまで引っ張った。表３に、様々な挙動を対照合金と対比して示す。合金１及び合金２は、降伏強さにかなりの改善がみられ、極限引張強さは同等である。合金３の測定値は、ａｓ−ＤＳ  Ｒｅｎｅ’Ｎ４と比べて、降伏及び引張強さがわずかに低い。しかし、その優れた鋳造性とクリープ挙動で十分に埋め合わされている。
【００４７】
【表３】
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本明細書では、本発明の幾つかの特徴について例示し、説明してきたが、数多くの改変及び変更が当業者には明らかであろう。特許請求の範囲は、本発明の技術的思想に属するかかる改変及び変更をすべて包含することを意図したものである。
【外国語明細書】
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