(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超合金組成物であって、
重量％で、６．５のアルミニウム（Ａｌ）、６．６のタンタル（Ｔａ）、６．０〜７．０のクロム（Ｃｒ）、６．２５のタングステン（Ｗ）、１．５のモリブデン（Ｍｏ）、０．６０のハフニウム（Ｈｆ）、１．０のレニウム（Ｒｅ）、７．５のコバルト（Ｃｏ）、任意選択的に０．０３〜０．０６の炭素（Ｃ）、任意選択的に最大０．００４までのボロン（Ｂ）、任意選択的に全体で最大０．０３までのイットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）又はセリウム（Ｃｅ）から選択された１つ又はそれ以上の希土類元素、及び残部のニッケル（Ｎｉ）、並びに随伴不純物からなり、
該超合金組成物が、名目上重量％で６．５のＡｌ、６．６のＴａ、６．０のＣｒ、６．２５のＷ、１．５のＭｏ、０．１５のＨｆ、０．０のＲｅ、７．５のＣｏ、残部のニッケルを含む基本組成物の基準応力破断特性を少なくとも１５％超える応力破断特性の向上を示すようになる、
超合金組成物。
【請求項２】
超合金組成物であって、
重量％で、６．５のアルミニウム（Ａｌ）、６．６のタンタル（Ｔａ）、６．０のクロム（Ｃｒ）、６．２５のタングステン（Ｗ）、１．５のモリブデン（Ｍｏ）、０．６のハフニウム（Ｈｆ）、１．０のレニウム（Ｒｅ）、７．５のコバルト（Ｃｏ）、任意選択的に０．０３〜０．０６の炭素（Ｃ）、任意選択的に最大０．００４までのボロン（Ｂ）、任意選択的に全体で最大０．０３までのイットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）又はセリウム（Ｃｅ）から選択された１つ又はそれ以上の希土類元素、及び残部のニッケル（Ｎｉ）、並びに随伴不純物からなる、
超合金組成物。
【請求項３】
請求項１記載の超合金組成物で形成された物品。
【請求項４】
ガスタービンエンジン構成要素を含む、請求項３記載の物品。
【請求項５】
高圧タービンノズル又はノズルセグメントを含む、請求項４記載の物品。
【請求項６】
請求項２記載の超合金組成物で形成された物品。
【請求項７】
ガスタービンエンジン構成要素を含む、請求項６記載の物品。
【請求項８】
高圧タービンノズル又はノズルセグメントを含む、請求項７記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、総括的にはニッケル基超合金組成物及び超合金物品に関し、より具体的には、高圧タービン（ＨＰＴ）ノズル用途で使用するそのような合金に関する。
【０００２】
現在公知の無レニウム超合金は、不適切な応力破壊特性を示す可能性がある。所望の応力破壊特性を備えた他の公知の超合金は、比較的高い量のレニウムを含む可能性がある。低いレニウムレベルで十分な応力破壊特性を備えることができる合金を得ることが望ましい。
【発明の概要】
【０００３】
上述の必要性は、高温用途で使用するニッケル基超合金組成物を提供する例示的な実施形態によって満たすことができる。例示的な実施形態は、比較的低い又は無レニウムレベルにおいて十分な応力破壊特性を示す。
【０００４】
例示的な実施形態では、本超合金組成物は、重量％で、約６．２〜６．６のアルミニウム（Ａｌ）、約６．５〜７．０のタンタル（Ｔａ）、約６．０〜７．０のクロム（Ｃｒ）、約６．２５〜７．０のタングステン（Ｗ）、約１．５〜２．５のモリブデン（Ｍｏ）、約０．１５〜０．６０のハフニウム（Ｈｆ）、０．０〜１．０のレニウム（Ｒｅ）、６．５〜９．０のコバルト（Ｃｏ）、任意選択的に０．０３〜０．０６の炭素（Ｃ）、任意選択的に最大約０．００４までのボロン（Ｂ）、任意選択的に全体で最大約０．０３までのイットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）又はセリウム（Ｃｅ）から選択された１つ又はそれ以上の希土類元素、及び残部のニッケル（Ｎｉ）を含み、該超合金組成物は、名目上重量％で６．５のＡｌ、６．６のＴａ、６．０のＣｒ、６．２５のＷ、１．５のＭｏ、０．１５のＨｆ、０．０のＲｅ、７．５のＣｏ、残部のニッケルを含む基本組成物の基準応力破断特性を少なくとも約１５％超える応力破断特性の向上を示すようになる。
【０００５】
例示的な実施形態では、本超合金組成物は、重量％で、約６．２〜６．６のアルミニウム（Ａｌ）、約６．５〜７．０のタンタル（Ｔａ）、約６．０のクロム（Ｃｒ）、約６．２５〜７．０のタングステン（Ｗ）、約２．０のモリブデン（Ｍｏ）、約０．６のハフニウム（Ｈｆ）、０．０〜０．５のレニウム（Ｒｅ）、約７．５のコバルト（Ｃｏ）、任意選択的に０．０３〜０．０６の炭素（Ｃ）、任意選択的に最大約０．００４までのボロン（Ｂ）、任意選択的に全体で最大約０．０３までのイットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）又はセリウム（Ｃｅ）から選択された１つ又はそれ以上の希土類元素、及び残部のニッケル（Ｎｉ）、並びに随伴不純物からなる。
【０００６】
例示的な実施形態では、例示的な超合金組成物で形成された物品を提供する。本物品は、高圧タービンノズル、ノズルセグメント、又はその他のガスタービンエンジン構成要素とすることができる。
【０００７】
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。しかしながら、本発明は、添付図面の図と関連させてなした以下の説明を参照することによって最も良く理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ガスタービンエンジン高圧タービン（ＨＰＴ）ノズルセグメントのような構成要素物品の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に図面を参照すると、図１は、少なくとも１つのベーン１２を含むＨＰＴノズルセグメント１０を示している。例示的な実施形態では、ノズルセグメント１０は、本明細書に開示するように単結晶ニッケル基超合金組成物を含む。開示した超合金組成物を組入れた物品は、ＨＰＴノズル又はノズルセグメントを含み、またその他のガスタービンエンジン構成要素を含むことができる。
【００１０】
例示的なニッケル基超合金組成物は、本明細書では０〜最大約０．５重量％であると定義される低いレベルのレニウム（Ｒｅ）を含む。タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）及びモリブデン（Ｍｏ）のような多量のその他の強化合金元素を利用してより低レベルのＲｅを補うことができる。例えば、タンタルは、約６．５〜約７．０重量％の量で存在させることができ、モリブデンは、約１．５〜約２．５重量％の量で存在させることができ、またタングステンは、約６．２５〜約７．０重量％の量で存在させることができる。他の例示的な実施形態では、タンタルは、約６．５〜約６．６重量％のレベルで存在させることができる。本明細書に示す全てのパーセント（％）は、そうでないことを注記しない限り重量によるパーセント（％）である。
【００１１】
表１は、一連の例示的な組成物を示している。それら組成物についてのコンピュータモデリングによって作成した理論応力破断予測は、基本無レニウム超合金組成物の予測応力破断（数時間内における）と比較した。表１で明らかなように、列挙した組成物の各々は、％向上として表した予測応力破断の向上を示した。
【００１２】
表１に示した例示的な組成物の一部は、強調表示している。これらの例示的な組成物は、基本組成物に比較して予測応力破断における優れた向上を示している。これらの例示的な組成物では、低いレニウムレベル（０．０〜０．５重量％）で所望の結果を得ることができる。他の例示的な組成物は、最大約１．０重量％までのレベルでレニウムを含む。
【００１３】
表１に記載した合金２５及び２７は、比較実施例として示しておりかつ約１．５重量％のレニウムを含む。本明細書に開示した例示的な実施形態は、超合金組成物の熱機械的特性及び耐酸化性に対する様々な合金元素の貢献を考慮している。
【００１４】
本明細書に開示した一部の例示的な実施形態は、約６．２〜約６．６重量％のアルミニウムを含む。他の例示的な実施形態では、アルミニウムは、約６．３〜約６．５％の量で存在させることができる。
【００１５】
本明細書に開示した一部の実施形態は、高温耐食性を得るのに十分であるが、ＴＣＰ相不安定性を悪化させかつ耐繰返し酸化性を低下させるほどは高くない少なくとも約６〜約７重量％のクロム（Ｃｒ）を含む。
【００１６】
本明細書に開示した一部の実施形態は、約６．５％〜約９％、またより好ましくは約７％〜約８％のコバルト（Ｃｏ）を含む。より低い量のコバルトは、合金安定性を低下させるおそれがある。より大きい量は、ガンマプライムソルバス温度を低下させ、従って高温強度及び耐酸化性に影響を与えるおそれがある。
【００１７】
本明細書に開示した一部の実施形態は、約１．５〜２．５重量％の量でモリブデン（Ｍｏ）を含む。最小値は、固溶体強化を与えるのに十分である。最大値を超える量は、表面不安定性を生じるおそれがある。より大きい量のＭｏはまた、高温耐食性及び耐酸化性の両方に悪影響を与えるおそれがある。
【００１８】
本明細書に開示した一部の実施形態は、約６．２５〜約７．０重量％の量でタングステン（Ｗ）を含む。より低い量のＷは、強度を低下させるおそれがある。より高い量は、ＴＣＰ相形成に関して不安定性を引き起こすおそれがある。より高い量はまた、酸化特性を低下させるおそれがある。
【００１９】
本明細書に開示した一部の実施形態は、低いレベルの、好ましくは０．０〜約１．０重量％の、またより好ましくは約０．５重量％よりも大きくないレニウムを備える。レニウムの幾らか又は全ては、スクラップ材料からの戻り元素として加えられる可能性があると考えられる。組成物２５及び２７は、１．５重量％のレニウムの追加（添加）による予測応力破断特性の大きな向上を示している。低いレニウムレベルにおける性能の向上を得ることが望ましい。
【００２０】
約０．１５重量％から最大約０．６重量％のより高いレベルまでの比較的低いレベルで、ハフニウム（Ｈｆ）を含むことができる。ハフニウムは、皮膜を使用した場合における耐酸化性及び断熱被膜の付着性を向上させることができる。しかしながら、ハフニウムは、非被覆合金の耐食性を低下させる可能性がある。約０．７％のハフニウム追加により、満足なものとすることができるが、約１％よりも多い追加は、応力破断特性及び初期溶融温度に悪影響を与える。
【００２１】
任意選択的な追加には、約０．０３〜０．０６重量％の炭素（Ｃ）、最大約０．００４重量％までのボロン（Ｂ）、或いは最大約０．０３重量％までのイットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）又はセリウム（Ｃｅ）のような１つ又はそれ以上の希土類元素を含むことができる。
【００２２】
ボロンは、小傾角粒界に対して強度を与えかつ小傾角粒界を有する構成要素に対して許容限界を高める。炭素のより低い限界は、十分な炭素を提供して、炭素は脱酸作用をもたらすので合金清浄度を向上させる。上方に向けて０．０６％の量を超えると、炭化物体積分率が増大して、疲労寿命を低下させる。希土類の追加、つまりイットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）又はセリウム（Ｃｅ）は、一部の実施形態では最大約０．０３重量％までの量で行うことができる。これらの追加は、保護アルミナスケールの保持を強化することによって耐酸化性を向上させることができる。より大きい量は、鋳物表面（鋳肌）における型具／金属相互作用を促進して、成分介在含有量を増加させることができる。
【００２３】
本明細書に開示した例示的な実施形態は、基本組成物並びに比較合金２５及び２７を除いて、表１における列挙した組成物の各々を含む。さらに本明細書に開示した例示的な実施形態は、開示した範囲の端点及び全ての中間値を採用した組成物を含む。例えば、約６．２〜約６．６重量％のアルミニウムの範囲は、６．２重量％、６．６重量％、並びに６．２及び６．６重量％間のあらゆる中間％を含むものとして定義される。
【００２４】
本明細書に開示した例示的な実施形態は、表１において「基本（Ｂａｓｅ）」として特定した名目上重量％で６．５のＡｌ、６．６のＴａ、６．０のＣｒ、６．２５のＷ、１．５のＭｏ、０．１５のＨｆ、０．０のＲｅ、７．５のＣｏ、残部のニッケルを含む基本組成物の基準応力破断特性に比較して少なくとも１５％の応力破断特性の向上をもたらす。
【００２５】
実施例
【００２６】
【表１】
0005763062.tif 000002
Alloy：合金
% Improved：％向上
base：基本
All :Balance Ni：全て残部のＮｉ
Alloy 25 and 27 include 1.5 weight % Rhenium as comparative：合金２５及び２７は、比較として１．５重量％のレニウムを含む
本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が本発明を製作しかつ使用することを可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。
【符号の説明】
【００２７】
１０  ＨＰＴノズルセグメント
１２  ベーン
【図１】
0005763062.tif 000003