(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量で、０．０６％〜０．０９％のＣ、３５％〜３７％のＦｅ、１２．０％〜１６．５％のＣｒ、１．０％〜２．０％のＡｌ、１．０％〜３．０％のＴｉ、１．５％〜３．０％のＷ、５．０％以下のＭｏ、０．７５％以下のＮｂ、０．２％以下のＭｎ、０．１％以下のＳｉ、０．００６％以下のＢを含み、残部がＮｉからなるニッケル−鉄基合金。
【請求項２】
０．０７％〜０．０９％のＣ、２．０％〜３．０％のＴｉ、２．０％〜３．０％のＷ、３．０％〜５．０％のＭｏ及び０．１％以下のＮｂを含む、請求項１記載の合金。
【請求項３】
０．０７％〜０．０９％のＣ、２．０％〜３．０％のＴｉ、１．５％〜２．５％のＷ、３．０％〜５．０％のＭｏ及び０．１％以下のＮｂを含む、請求項１記載の合金。
【請求項４】
０．０７％〜０．０９％のＣ、２．０％〜３．０％のＴｉ、１．５％〜２．５％のＷ、０．５〜１．５％のＭｏ及び０．１％以下のＮｂを含む、請求項１記載の合金。
【請求項５】
０．０６％〜０．０８％のＣ、１．０％〜２．５％のＴｉ、１．５％〜２．５％のＷ、０．２５％以下のＭｏ及び０．２５％〜０．７５％のＮｂを含む、請求項１記載の合金。
【請求項６】
０．０７％〜０．０９％のＣ、１２．０％〜１３．０％のＣｒ、１．３５％〜１．６５％のＡｌ、２．２５％〜２．７５％のＴｉ、２．３％〜２．７％のＷ、３．４％〜３．６％のＭｏ、０．１％以下のＮｂを含む、請求項１記載の合金。
【請求項７】
０．０７％〜０．０９％のＣ、１３．５％〜１４．５％のＣｒ、１．３５％〜１．６５％のＡｌ、２．２５％〜２．７５％のＴｉ、１．８％〜２．２％のＷ、３．９％〜４．１％のＭｏ、０．１％以下のＮｂを含む、請求項１記載の合金。
【請求項８】
０．０７％〜０．０９％のＣ、１５．５％〜１６．５％のＣｒ、１．３５％〜１．６５％のＡｌ、２．２５％〜２．７５％のＴｉ、１．８％〜２．２％のＷ、０．９％〜１．１％のＭｏ、０．１％以下のＮｂを含む、請求項１記載の合金。
【請求項９】
０．０６％〜０．０８％のＣ、１５．５％〜１６．５％のＣｒ、１．３５％〜１．６５％のＡｌ、１．５％〜１．８％のＴｉ、１．８％〜２．２％のＷ、０．１２％以下のＭｏ、０．４％〜０．６％のＮｂを含む、請求項１記載の合金。
【請求項１０】
合金が、１１０°Ｆ（４３．３℃）未満の凝固範囲、１７００°Ｆ（９２７℃）を超えるγ′ソルバス、５％未満のラーベス相及び５％未満のσ相を有しており、η相を含んでいない、請求項１記載の合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合金、合金を含む物品、及び合金の製造方法に関する。具体的には、本発明は、ニッケル−鉄基合金、及びニッケル−鉄基合金の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジン内の作動温度は熱的にも化学的にも過酷である。鉄基、ニッケル基及びコバルト基超合金の開発並びに超合金を酸化、熱腐食等から保護することができる環境コーティングの使用によって高温性能の大きな進歩が達成されているが、これらの材料の性能を改良するためにコーティング系の開発が続けられている。
【０００３】
ガスタービンエンジンの圧縮機部分で、大気は大気圧の１０〜２５倍に圧縮され、この過程で８００°〜１２５０°Ｆ（４２７℃〜６７７℃）に断熱加熱される。この加熱圧縮された空気は燃焼器に送られ、そこで燃料と混合される。燃料を点火し、その燃焼過程でガスは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及び排気系を通る。タービンでは、回転タービンディスクに固定された翼形部がエンジンのファン及び圧縮機を駆動するエネルギーを引き出し、排気系ではガスが航空機を推進するのに充分な推進力を与える。エンジンの作動効率を向上させるため、燃焼温度の高温化が図られている。もちろん、燃焼温度の上昇に伴って、これらの高温燃焼ガスの流路を形成する材料の熱分解を防ぐための措置を講じなければならない。
【０００４】
性能向上に対する要求は増し続けている。この性能向上に対する要求のため、新しいエンジン及び実績のある設計の改変が求められている。かかる性能要求として、特に、推力の向上及び燃料経済の改善が挙げられる。エンジンの性能を向上させるため、燃焼温度は極めて高い温度まで高められている。その結果、高い推進力及び／又は優れた燃料経済が得られる。
【０００５】
ステータ部品（ノズル及びシュラウド）はガスタービンの高温ガス通路部品である。ステータ部品は耐酸化性、熱的−機械的疲労性能及び高温クリープ強度を有するのが望ましい。伝統的に、ステータ部品はＮｉ基又はＣｏ基鋳造超合金で作られている。これらの超合金には、コストが極めて高くなりかねないという短所がある。
【０００６】
様々な材料を用いる公知の試みは不成功に終わっている。例えば、最新型ステンレス鋼（例えば、Ｏａｋ  Ｒｉｄｇｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙによって開発されたアルミナ形成オーステナイト（ＡＦＡ；Alumina-Forming Austenitic）合金）はナノ析出物及び酸化物形成元素を含んでおり、顕著な耐熱性を示す。しかし、これら最新型ステンレス鋼はノズルには不都合なほどクリープ強度が低い。特に、これら最新型ステンレス鋼のクリープ強度はガスタービンノズルとしての設計要件の約半分でしかない。
【０００７】
別の一群の低価格材料であるニッケル−鉄基超合金、例えばＡ２８６、ＩＮＣＯＬＯＹ（登録商標）９０１、ＩＮＣＯＬＯＹ（登録商標）９０３及びＩＮ７０６は幾つかの短所を有すると考えられている。「ＩＮＣＯＬＯＹ」はＩｎｃｏ  Ａｌｌｏｙｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社（米国ウェストバージニア州ハンティントン）で製造されている合金の米国での登録商標である。例えば、ＩＮＣＯＬＯＹ（登録商標）９０１は、γ′相を欠き（その結果、低いクリープ強度をもたらす）、かなりの量のη相、σ相及びラーベス相を含んでおり（その結果、低い延性及び／又は不十分な長期機械的性質をもたらす）、凝固範囲が広く、鋳造性に乏しいと考えられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７７３０６１６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の欠点をもたないニッケル−鉄基合金及びニッケル−鉄基合金の形成方法が当技術分野では望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の代表的な実施形態に係るニッケル−鉄基合金は、重量で、約０．０６％〜約０．０９％のＣ、約３５％〜約３７％のＦｅ、約１２．０％〜約１６．５％のＣｒ、約１．０％〜約２．０％のＡｌ、約１．０％〜約３．０％のＴｉ、約１．５％〜約３．０％のＷ、約５．０％以下のＭｏ、約０．７５％以下のＮｂ、約０．２％以下のＭｎ、約０．１％以下のＳｉ、約０．００６％以下のＢを有し、残部は実質的にＮｉである。
【００１１】
本開示の別の代表的な実施形態では、ニッケル−鉄基合金は、約１１０°Ｆ未満の凝固範囲、約１７００°Ｆを超えるγ′ソルバス、実質的にゼロのη相、約５％未満のラーベス相、約５％未満のσ相を有し、Ｃｏを欠いている。
【００１２】
本開示のさらに別の代表的な実施形態では、改変合金を形成する方法は、ベース合金組成物を準備し、複数の所定の特性を確認し、ベース合金組成物を改変して、前記複数の所定の特性を有する改変合金組成物を形成することを含んでいる。この複数の所定の特性には、約１１０°Ｆ未満の凝固範囲を有すること、約１７００°Ｆを超えるγ′ソルバスを有すること、実質的にη相を有さないこと、約５％未満のラーベス相を有すること、そして約５％未満のσ相を有することが含まれる。ベース合金組成物は、約０．０５％のＣ、約３６％のＦｅ、約１２．５０％のＣｒ、約０．２０％のＡｌ、約２．８０％のＴｉ、約０．１２％以下のＷ、約５．７０％のＭｏ、約０．１％以下のＮｂ、約０．２％以下のＭｎ、約０．１％以下のＳｉ、約０．００６％以下のＢを含み、残部が実質的にＮｉからなる第１の組成物、及び約０．０２％のＣ、約３７％のＦｅ、１６．００％のＣｒ、約０．２０％のＡｌ、約１．７５％のＴｉ、約０．１２％以下のＷ、約０．１２％以下のＭｏ、約２．９０％のＮｂ、約０．２％以下のＭｎ、約０．１％以下のＳｉ、約０．００６％以下のＢを含み、残部が実質的にＮｉからなる第２の組成物の１種以上を含む。
【００１３】
本開示の実施形態の１つの利点として、充分な量のγ′相の形成及びη相の低減又は排除によって望ましいクリープ強度を有する改変合金がある。
【００１４】
本開示の実施形態の別の利点として、望ましい延性及び／又は長期の機械的性質を有する改変合金がある。
【００１５】
本開示の実施形態のさらに別の利点として、望ましい鋳造性を有する改変合金がある。
【００１６】
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添付の図面を参照した以下の好ましい実施形態に関するより詳細な説明から明らかとなろう。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
複数の所定の特性を有するニッケル−鉄基合金、及び複数の所定の特性を有するニッケル−鉄基合金を形成する方法が提供される。
【００１８】
本開示の実施形態は、エンジンタービンステータのような高温ガス通路部品として適さないと従前考えられていた１種以上の低価格合金から形成されるニッケル−鉄基合金を含む。このニッケル−鉄基合金はη相を含有しない結果として望ましいクリープ強度を有する。本ニッケル−鉄基合金は望ましい延性及び／又は長期の機械的性質を有する。また、このニッケル−鉄基合金は望ましい鋳造性を有する。
【００１９】
本ニッケル−鉄基合金はいかなる適切な方法でも形成することができる。一実施形態では、ニッケル−鉄基合金は約１４００°Ｆにおいて約２５ｋｓｉ〜約３０ｋｓｉの負荷で約１０００時間のクリープ破断寿命を有する。一実施形態では、ニッケル−鉄基合金は４８０００時間の間酸化に対して耐性である。一実施形態では、改変合金の低サイクル疲労はＦＳＸ４１４合金と実質的に同じである。
【００２０】
一実施形態では、本方法はベース合金を準備することを含んでいる。このベース合金は、高温ガス通路部品として望ましくないと従前考えられていた１種以上の合金である。例えば、一実施形態では、ベース合金はベース合金１である。本明細書で使用する場合、「ベース合金１」とは、約０．０５％のＣ、約０．２０％のＡｌ、約２．８０％のＴｉ、約１２．５０％のＣｒ、約５．７０％のＭｏ、約３６％のＦｅ、及びその他の適切な元素の組成を有する合金をいう（本開示を通して、百分率は、別途記載しない限り、すべて重量基準である。）。一実施形態では、ベース合金１はさらに約０．１２％以下のＷ、約０．１％以下のＮｂ、約０．２％以下のＭｎ、約０．１％以下のＳｉ、約０．００６以下のＢを含み、残部は実質的にＮｉである。追加の実施形態では、ベース合金１はＣｏを含まない。
【００２１】
別の実施形態では、ベース合金はベース合金２である。本明細書で使用する場合、「ベース合金２」とは、約１６．００％のＣｒ、約３７％のＦｅ、約２．９０％のＮｂ、約１．７５％のＴｉ、約０．２０％のＡｌ、約０．０２％のＣ、及びその他の適切な元素の組成を有する合金をいう。一実施形態では、ベース合金２はさらに約０．１２％以下のＷ、約０．２％以下のＭｎ、約０．１％以下のＳｉ、約０．００６以下のＢを含み、残部は実質的にＮｉである。追加の実施形態では、ベース合金２はＣｏを含まない。
【００２２】
本方法では続いて、改変合金に望まれる複数の所定の特性を確認する。複数の所定の特性に対応するデータは、コンピューターによる熱力学的モデリングプログラムのようなコンピューターにより実行されるプログラムによって解析することができる。このコンピューターにより実行されるプログラムは、ベース合金に関するデータを関連付け、改変合金に対応する特性の出力を生成する。この生成した出力は改変合金を形成するベース合金の組成に対する改変に基づいている。この生成した出力の解析によって、さらに解析すべき１以上の組成物の同定が可能になる。
【００２３】
この特性としては、あらゆる適切な定量化可能な特性が含まれる。この特性には、凝固範囲、γ′ソルバス、η相の欠乏、ラーベス相のパーセント、σ相のパーセント、ラーベス相形成温度、その他の適切な特性、又はこれらの任意の組合せがある。一実施形態では、凝固範囲は良好な鋳造性をもたらす約１１０°Ｆ未満である。一実施形態では、γ′ソルバスは約１７００°Ｆを超える。一実施形態では、η相の欠乏には、η相を欠いていることが含まれる。一実施形態では、ラーベスσパーセントは約５％未満である。一実施形態では、形成温度は約１２００°Ｆ未満である。
【００２４】
ベース合金に関するデータとニッケル−鉄基合金に対応する特性の出力との関連は、ベース合金の組成の改変と影響を受ける特性との間のあらゆる適切な関係を含むことができる。例えば、Ａｌはη相を低減する。約１％より大きい濃度のＡｌを含ませるとη相が排除される。従って、データの関連は、約１％を超える濃度のＡｌに対して、η相の不在を示す出力を生成することができる。関連付けることができる他の関係は、Ｍｏの濃度の増大がη相を増大させること、Ｗの濃度の増大がη相を低減すること、Ａｌの濃度の増大が凝固範囲を低減すること及びこれらの組合せである。組み合わせた関連も利用することができる。例えば、Ａｌが約０．８％のとき、Ｗの濃度の増大は凝固を増大させる。しかし、Ａｌが約１．５％のとき、Ｗの濃度の増大は凝固を低減する。従って、Ａｌの濃度とＷの濃度はこの関連において関連付けることができる。
【００２５】
この関連付けは、さらに、ニッケル−鉄基合金で形成された部品の分析に基づく追加の実験データ及びいろいろな組成のニッケル−鉄基合金の所定の特性の比較を含むことができる。例えば、これらのデータとしては、特定の化学的性質、スケールアップした加熱、長期の微細組織安定性の検討、長期の酸化試験、クリープ試験（例えば５０００時間のクリープ試験）及びその他の機械的性質の試験の任意の組合せを挙げることができる。
【００２６】
この関連付けに基づいて、利用するベース合金及び部品に形成されるべき改変ニッケル−鉄基合金の選択をする（手作業又は自動的）。部品は任意の適切な技術（例えば、鋳造、鍛造、加熱処理、補修溶接、又はこれらの任意の適切な組合せ）によって形成することができる。
【００２７】
一実施形態では、ニッケル−鉄基合金は、約０．０７％〜約０．０９％のＣ、約３５％〜約３７％のＦｅ、約１２．０％〜約１６．５％のＣｒ、約１．０％〜約２．０％のＡｌ、約２．０％〜約３．０％のＴｉ、約２．０％〜約３．０％のＷ、約３．０％〜約５．０％のＭｏ、約０．１％以下のＮｂ、約０．２％以下のＭｎ、約０．１％以下のＳｉ、約０．００６％でのＢ、及び残部が実質的にＮｉの組成範囲を含む。追加の実施形態では、ニッケル−鉄基合金は、約０．０７％〜約０．０９％のＣ、約３５％〜約３７％のＦｅ、約１２．０％〜約１３．０％のＣｒ、約１．３５％〜約１．６５％のＡｌ、約２．２５％〜約２．７５％のＴｉ、約２．３％〜約２．７％のＷ、約３．４％〜約３．６％のＭｏ、約０．１％以下のＮｂ、約０．２％以下のＭｎ、約０．１％以下のＳｉ、約０．００６％以下のＢ、及び残部が実質的にＮｉの組成範囲を含む。追加の実施形態では、ニッケル−鉄基合金はＣｏを欠いている。
【００２８】
別の実施形態では、ニッケル−鉄基合金は、約０．０７％〜約０．０９％のＣ、約３５％〜約３７％のＦｅ、約１２．０％〜約１６．５％のＣｒ、約１．０％〜約２．０％のＡｌ、約２．０％〜約３．０％のＴｉ、約１．５％〜約２．５％のＷ、約３．０％〜約５．０％のＭｏ、約０．１％以下のＮｂ、約０．２％以下のＭｎ、約０．１％以下のＳｉ、約０．００６％以下のＢ、及び残部が実質的にＮｉの組成範囲を含む。追加の実施形態では、ニッケル−鉄基合金は、約０．０７％〜約０．０９％のＣ、約３５％〜約３７％のＦｅ、約１３．５％〜約１４．５％のＣｒ、約１．３５％〜約１．６５％のＡｌ、約２．２５％〜約２．７５％のＴｉ、約１．８％〜約２．２％のＷ、約３．９％〜約４．１％のＭｏ、約０．１％以下のＮｂ、約０．２％以下のＭｎ、約０．１％以下のＳｉ、約０．００６％以下のＢ、及び残部が実質的にＮｉの組成範囲を含む。追加の実施形態では、ニッケル−鉄基合金はＣｏを欠いている。
【００２９】
一実施形態では、ニッケル−鉄基合金は、約０．０７％〜約０．０９％のＣ、約３５％〜約３７％のＦｅ、約１２．０％〜約１６．５％のＣｒ、約１．０％〜約２．０％のＡｌ、約２．０％〜約３．０％のＴｉ、約１．５％〜約２．５％のＷ、約０．５％〜約１．５％のＭｏ、約０．１％以下のＮｂ、約０．２％以下のＭｎ、約０．１％以下のＳｉ、約０．００６％以下のＢ、及び残部が実質的にＮｉの組成範囲を含む。追加の実施形態では、ニッケル−鉄基合金は、約０．０７％〜約０．０９％のＣ、約３５％〜約３７％のＦｅ、約１５．５％〜約１６．５％のＣｒ、約１．３５％〜約１．６５％のＡｌ、約２．２５％〜約２．７５％のＴｉ、約１．８％〜約２．２％のＷ、約０．９％〜約１．１％のＭｏ、約０．１％以下のＮｂ、約０．２％以下のＭｎ、約０．１％以下のＳｉ、約０．００６％以下のＢ、及び残部が実質的にＮｉの組成範囲を含む。追加の実施形態では、ニッケル−鉄基合金はＣｏを欠いている。
【００３０】
一実施形態では、ニッケル−鉄基合金は、約０．０６％〜約０．０８％のＣ、約３５％〜約３７％のＦｅ、約１２．０％〜約１６．５％のＣｒ、約１．０％〜約２．０％のＡｌ、約１．０％〜約２．５％のＴｉ、約１．５％〜約２．５％のＷ、約０．２５％以下のＭｏ、約０．２５％〜約０．７５％のＮｂ、約０．２％以下のＭｎ、約０．１％以下のＳｉ、約０．００６％以下のＢ、及び残部が実質的にＮｉの組成範囲を含む。追加の実施形態では、ニッケル−鉄基合金は、約０．０６％〜約０．０８％のＣ、約３５％〜約３７％のＦｅ、約１５．５％〜約１６．５％のＣｒ、約１．３５％〜約１．６５％のＡｌ、約１．５％〜約１．８％のＴｉ、約１．８％〜約２．２％のＷ、約０．１２％以下のＭｏ、約０．４％〜約０．６％のＮｂ、約０．２％以下のＭｎ、約０．１％以下のＳｉ、約０．００６％以下のＢ、及び残部が実質的にＮｉの組成範囲を含む。追加の実施形態では、ニッケル−鉄基合金はＣｏを欠いている。
【００３１】
一実施形態では、ニッケル−鉄基合金は、元来ベース合金１の組成に基づく組成を有することができる。一実施形態では、ニッケル−鉄基合金は、約０．０８％のＣ、約３６％のＦｅ、約１２．５％のＣｒ、約１．５０％のＡｌ、約２．５０％のＴｉ、約２．５０％のＷ、約３．５０％のＭｏ、約０．１％以下のＮｂ、約０．２％以下のＭｎ、約０．１％以下のＳｉ、約０．００６％以下のＢ、及び残部が実質的にＮｉの組成を含む。さらに別の実施形態では、ニッケル−鉄基合金は、約０．０８％のＣ、約３６％のＦｅ、約１４．０％のＣｒ、約１．５０％のＡｌ、約２．５０％のＴｉ、約２．５０％のＷ、約４．００％のＭｏ、約０．１％以下のＮｂ、約０．２％以下のＭｎ、約０．１％以下のＳｉ、約０．００６％以下のＢ、及び残部が実質的にＮｉの組成を含む。さらに別の実施形態では、ニッケル−鉄基合金は、約０．０８％のＣ、約３６％のＦｅ、約１６．０％のＣｒ、約１．５０％のＡｌ、約２．５０％のＴｉ、約２．５０％のＷ、約１．００％のＭｏ、約０．１％以下のＮｂ、約０．２％以下のＭｎ、約０．１％以下のＳｉ、約０．００６％以下のＢ、及び残部が実質的にＮｉの組成を含む。
【００３２】
一実施形態では、ニッケル−鉄基合金は、元来ベース合金２の組成に基づく組成を有することができる。一実施形態では、ニッケル−鉄基合金は、約０．０７％のＣ、約３７％のＦｅ、約１６．０％のＣｒ、約１．５０％のＡｌ、約１．７５％のＴｉ、約２．００％のＷ、約０．１２％以下のＭｏ、約０．５０％のＮｂ、約０．２％以下のＭｎ、約０．１％以下のＳｉ、約０．００６％以下のＢ、及び残部が実質的にＮｉの組成を含む。
【００３３】
一実施形態では、本合金の組成物は高温ガスタービン部品に使用される。例えば、この合金は、限定されることはないがノズル、シュラウド、その他適切な部分、又はこれらの組合せを始めとするステータ部品に使用することができる。
【００３４】
好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、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、またその要素を等価物で置き換えることができる。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、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、多くの改変をなすことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲内に入るあらゆる実施形態を包含する。