(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶鋳造用のニッケル基超合金において、該ニッケル基超合金が、質量％で、
５．６０％〜５．８０％のアルミニウム、
９．４％〜９．９％のコバルト、
４．９％〜５．５％のクロム、
０．０８％〜０．３５％のハフニウム、
０．５０％〜０．７０％のモリブデン、
１．４％〜１．６％のレニウム、
８．１％〜８．５％のタンタル、
０．６０％〜０．８０％のチタン、
７．６％〜８．０％のタングステン
を含み、残部がニッケル及び少量の不可避元素からなり、前記不可避元素の総量が１％以下であるニッケル基超合金。
【請求項２】
前記不可避元素が、最大１００ｐｐｍの炭素、最大０．０４％のケイ素、最大０．０１％のマンガン、最大３ｐｐｍの硫黄、最大３０ｐｐｍのリン、最大３０ｐｐｍのホウ素、最大０．１０％のニオブ、最大１５０ｐｐｍのジルコニウム、最大０．０１％の銅、最大０．１５％の鉄、最大０．１０％のバナジウム、最大０．１０％のルテニウム、最大０．１５％の白金、最大０．１５％のパラジウム、最大２００ｐｐｍのマグネシウム、最大５ｐｐｍの窒素、最大５ｐｐｍの酸素、及び２５ｐｐｍ以下の量で存在するその他の微量元素として存在する請求項１に記載されたニッケル基超合金。
【請求項３】
前記微量元素が、最大２ｐｐｍの銀、最大０．２ｐｐｍのビスマス、最大１０ｐｐｍのガリウム、最大２５ｐｐｍのカルシウム、最大１ｐｐｍの鉛、最大０．５ｐｐｍのセレン、最大０．２ｐｐｍのテルル、最大０．２ｐｐｍのタリウム、最大１０ｐｐｍのスズ、最大２ｐｐｍのアンチモン、最大２ｐｐｍのヒ素、最大５ｐｐｍの亜鉛、最大２ｐｐｍの水銀、最大２ｐｐｍのカドミウム、最大２ｐｐｍのゲルマニウム、最大２ｐｐｍの金、最大２ｐｐｍのインジウム、最大２０ｐｐｍのナトリウム、最大１０ｐｐｍのカリウム、最大２０ｐｐｍのバリウム、最大３０ｐｐｍのリン、最大２ｐｐｍのウラン、及び最大２ｐｐｍのトリウムとして存在する請求項２に記載されたニッケル基超合金。
【請求項４】
硫黄が最大０．５ｐｐｍで存在する請求項１に記載されたニッケル基超合金。
【請求項５】
８．９０グラム／ｃｃ（ｋｇ／ｄｍ３）以下の密度を有する請求項１に記載されたニッケル基超合金。
【請求項６】
８．８５グラム／ｃｃ（ｋｇ／ｄｍ３）の密度を有する請求項１に記載されたニッケル基超合金。
【請求項７】
請求項１に記載されたニッケル基超合金から作られた単結晶鋳造物。
【請求項８】
ガスタービン構成部品である請求項７に記載された単結晶鋳造物。
【請求項９】
タービンブレード、ベーン、又はガスタービンのシール部材である請求項７に記載された単結晶鋳造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
レニウム含有量が低減されているか又は低いけれども、高温耐クリープ特性に優れ、多くのタービンエンジンの翼用のその他の関連する特性に悪影響を及ぼすことのない単結晶ニッケル基超合金が開示されている。
【背景技術】
【０００２】
相対的に希少な金属元素を習慣的にかなりの量を必要としてきた製品に対して、世界中で需要が増大している。そのために、レアメタル元素の需要および価格は共に激しく増大している。その結果、製造業者らは、これらの金属元素の必要性を減少又はなくすための新たな技術を探求している。
【０００３】
レニウムは、真にさまざまな産業にとって重要なレアメタルの例である。レニウムは、銅−モリブデン及び銅の生産の副産物として極少量が回収される。その高コストに加えて、レニウムの使用は、経済的及び戦略的成り行きの両方の供給連鎖（サプライチェーン）リスクがある。
【０００４】
レニウムは、ジェット機及び発電装置用の単結晶ガスタービン部品の鋳造に使用されるニッケル基超合金の生産において幅広く使用されている。より具体的には、レニウムは、特に高温（例えば１，０００℃超）で長時間にわたり拡散を遅らせそれによってクリープ変形を遅らせるうえで強力な効果があるので、タービンブレード、ベーン及びシール部分用の先端的な単結晶超合金への添加物として使用される。高温耐クリープ特性は、ガスタービン部品の実用的な耐用年数及びタービンエンジン性能、例えば、出力、燃料燃焼及び二酸化炭素排出などに直接関係する。
【０００５】
単結晶鋳造物に使用される典型的なニッケル基超合金は、質量で約３％〜約７％のレニウムを含む。レニウムは相対的にほんの微量の添加物として使用されてきたが、そのことは単結晶ニッケル基超合金にとっては拡散を阻止し高温クリープ耐性を改善するためにきわめて重要であるとみなされてきており、そのためにこれらの合金の総コストがかなり増大している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ＪＯＭ、第６２巻、第１号、第５５〜５７頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これまで述べてきたことから、合金化添加物としてのレニウムの必要性を著しく減少させながら、且つ、クリープ−破断低サイクル疲労（ＬＣＦ）強度及び酸化被膜性能等のその他の望ましい特性を保持しながら、優れた高温耐クリープ特性を示す単結晶ニッケル基超合金を開発することが極めて望ましいことが明らかである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書に開示される低レニウム単結晶ニッケル基超合金は、とりわけ、実質的にレニウム含有量を減少させると同時に、タングステン、レニウム及びクロムが豊富である過度に有害な位相的最密相（ＴＣＰ）のない容認できる合金相安定性と共に良好なクリープ−破断の力学的性質を達成するために、耐熱金属元素（タンタル、タングステン、レニウム及びモリブデン）を、総量で質量％で約１８％〜１９％でバランスさせることに依存している。
【０００９】
優れた高温耐クリープ性及びガスタービン構成部品の鋳造で使用するために好適なその他の特性を示す低レニウムの単結晶ニッケル基超合金は、質量％で５．６０％〜５．８０％のアルミニウム、９．４％〜９．９％のコバルト、４．９％〜５．５％のクロム、０．０８％〜０．３５％のハフニウム、０．５０％〜０．７０％のモリブデン、１．４％〜１．６％のレニウム、８．１％〜８．５％のタンタル、０．６０％〜０．８０％のチタン、７．６％〜８．０％のタングステンを含み、残部がニッケルおよび少量の不可避元素を含み、これら不可避元素の総量が質量で１％未満である合金組成物により達成され得ることが見いだされた。
【００１０】
本発明の特定の具体例によれば、このニッケル基超合金の不可避元素は、最大で１００ｐｐｍの炭素、最大で０．０４％のケイ素、最大で０．０１％のマンガン、最大で３ｐｐｍの硫黄、最大で３０ｐｐｍのリン、最大で３０ｐｐｍのホウ素、最大で０．１０％のニオブ、最大で１５０ｐｐｍのジルコニウム、最大で０．０１％の銅、最大で０．１５％の鉄、最大で０．１０％のバナジウム、最大で０．１０％のルテニウム、最大で０．１５％の白金、最大で０．１５％のパラジウム、最大で２００ｐｐｍのマグネシウム、最大で５ｐｐｍの（広く金属窒化物又は炭窒化物の形で）窒素、最大で５ｐｐｍの（広く安定な金属酸化物の形で）酸素が存在し、その他の微量元素が約２５ｐｐｍ以下の量で存在する。
【００１１】
本発明の特定の具体例によれば、ニッケル基超合金中の不可避元素の微量元素は、最大で２ｐｐｍの銀、最大で０．２ｐｐｍのビスマス、最大で１０ｐｐｍのガリウム、最大で２５ｐｐｍのカルシウム、最大で１ｐｐｍの鉛、最大で０．５ｐｐｍのセレン、最大で０．２ｐｐｍのテルル、最大で０．２ｐｐｍのタリウム、最大で１０ｐｐｍのスズ、最大で２ｐｐｍのアンチモン、最大で２ｐｐｍのヒ素、最大で５ｐｐｍの亜鉛、最大で２ｐｐｍの水銀、最大で２ｐｐｍのカドミウム、最大で２ｐｐｍのゲルマニウム、最大で２ｐｐｍの金、最大で２ｐｐｍのインジウム、最大で２０ｐｐｍのナトリウム、最大で１０ｐｐｍのカリウム、最大で２０ｐｐｍのバリウム、最大で３０ｐｐｍのリン、最大で２ｐｐｍのウラン、及び最大で２ｐｐｍのトリウムが存在する。
【００１２】
高い耐酸化性及び／又は高い断熱被膜寿命が要求される特定の具体例においては、硫黄が最大量０．５ｐｐｍで存在し、ランタン及びイットリウムが、この合金から鋳造された単結晶部品中に約５ｐｐｍ〜約８０ｐｐｍの合計のランタン及びイットリウムを達成することを目標とする量で加えられる。
【００１３】
最大１２度までの小角粒界（ＬＡＢ）の強化が要求される大型の工業用ガスタービン（ＩＧＴ）単結晶の用途に対する特定の具体例によれば、炭素が約０．０２％〜約０．０５％の量で加えられ、ホウ素が約４０ｐｐｍ〜約１００ｐｐｍの量で加えられる。
【００１４】
特定の具体例によれば、この合金が有する密度は、室温で約８．９０グラム／ｃｃ以下、例えば約８．８５グラム／ｃｃ（ｋｇ／ｄｍ３）である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】開示された合金から作製された鋳造物の光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８２５、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｎ９２６、溶体化＋１１２１℃（２０５０°Ｆ）、ゲージ領域）。
【図１Ｂ】開示された合金から作製された鋳造物の光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８２５、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｎ９２６、溶体化＋１１２１℃（２０５０°Ｆ）、ゲージ領域）。
【図１Ｃ】開示された合金から作製された鋳造物の光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８２５、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｎ９２６、溶体化＋１１２１℃（２０５０°Ｆ）、ゲージ領域）。
【図２Ａ】開示された合金を用いて作製された鋳造物の走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８２５、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｎ９２６、溶体化＋１１２１℃（２０５０°Ｆ）、ゲージ領域）。
【図２Ｂ】開示された合金を用いて作製された鋳造物の走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８２５、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｎ９２６、溶体化＋１１２１℃（２０５０°Ｆ）、ゲージ領域）。
【図２Ｃ】開示された合金を用いて作製された鋳造物の走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８２５、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｎ９２６、溶体化＋１１２１℃（２０５０°Ｆ）、ゲージ領域）。
【図３】本明細書に開示されている合金が、実質的により高いレニウム含有量を有する先端的なＣＭＳＫ−４（登録商標）単結晶ニッケル基超合金と最高１０４０℃（１９００°Ｆ）まで同様の特性を有することを示しているラーソンミラーの応力−破断及び応力−１．０％クリープ線図。
【図４】本明細書に開示されている合金が、実質的により高いレニウム含有量を有する先端的なＣＭＳＫ−４（登録商標）単結晶ニッケル基超合金と最高１０４０℃（１９００°Ｆ）まで同様の特性を有することを示しているラーソンミラーの応力−破断及び応力−１．０％クリープ線図。
【図５Ａ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２５、８５０℃／６５１ＭＰａ（１５６２°Ｆ／９４．４ｋｓｉ）／２１１．９時間、破壊領域）。
【図５Ｂ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２５、８５０℃／６５１ＭＰａ（１５６２°Ｆ／９４．４ｋｓｉ）／２１１．９時間、破壊領域）。
【図５Ｃ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２５、８５０℃／６５１ＭＰａ（１５６２°Ｆ／９４．４ｋｓｉ）／２１１．９時間、破壊領域）。
【図６Ａ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２５、８５０℃／６５１ＭＰａ（１５６２°Ｆ／９４．４ｋｓｉ）／２１１．９時間、破壊領域）。
【図６Ｂ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２５、８５０℃／６５１ＭＰａ（１５６２°Ｆ／９４．４ｋｓｉ）／２１１．９時間、破壊領域）。
【図６Ｃ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２５、８５０℃／６５１ＭＰａ（１５６２°Ｆ／９４．４ｋｓｉ）／２１１．９時間、破壊領域）。
【図７Ａ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２５、８５０℃／６５１ＭＰａ（１５６２°Ｆ／９４．４ｋｓｉ）／２１１．９時間、ゲージ領域）。
【図７Ｂ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２５、８５０℃／６５１ＭＰａ（１５６２°Ｆ／９４．４ｋｓｉ）／２１１．９時間、ゲージ領域）。
【図７Ｃ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２５、８５０℃／６５１ＭＰａ（１５６２°Ｆ／９４．４ｋｓｉ）／２１１．９時間、ゲージ領域）。
【図８Ａ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２５、８５０℃／６５１ＭＰａ（１５６２°Ｆ／９４．４ｋｓｉ）／２１１．９時間、ゲージ領域）。
【図８Ｂ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２５、８５０℃／６５１ＭＰａ（１５６２°Ｆ／９４．４ｋｓｉ）／２１１．９時間、ゲージ領域）。
【図８Ｃ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２５、８５０℃／６５１ＭＰａ（１５６２°Ｆ／９４．４ｋｓｉ）／２１１．９時間、ゲージ領域）。
【図９Ａ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｅ９２６、９８２℃／２４８ＭＰａ（１８００°Ｆ／３６ｋｓｉ）／２４６．７時間、破壊領域）。
【図９Ｂ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｅ９２６、９８２℃／２４８ＭＰａ（１８００°Ｆ／３６ｋｓｉ）／２４６．７時間、破壊領域）。
【図９Ｃ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｅ９２６、９８２℃／２４８ＭＰａ（１８００°Ｆ／３６ｋｓｉ）／２４６．７時間、破壊領域）。
【図１０Ａ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｅ９２６、９８２℃／２４８ＭＰａ（１８００°Ｆ／３６ｋｓｉ）／２４６．７時間、破壊領域）。
【図１０Ｂ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｅ９２６、９８２℃／２４８ＭＰａ（１８００°Ｆ／３６ｋｓｉ）／２４６．７時間、破壊領域）。
【図１０Ｃ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｅ９２６、９８２℃／２４８ＭＰａ（１８００°Ｆ／３６ｋｓｉ）／２４６．７時間、破壊領域）。
【図１１Ａ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｅ９２６、９８２℃／２４８ＭＰａ（１８００°Ｆ／３６ｋｓｉ）／２４６．７時間、ゲージ領域）。
【図１１Ｂ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｅ９２６、９８２℃／２４８ＭＰａ（１８００°Ｆ／３６ｋｓｉ）／２４６．７時間、ゲージ領域）。
【図１１Ｃ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｅ９２６、９８２℃／２４８ＭＰａ（１８００°Ｆ／３６ｋｓｉ）／２４６．７時間、ゲージ領域）。
【図１２Ａ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｅ９２６、９８２℃／２４８ＭＰａ（１８００°Ｆ／３６ｋｓｉ）／２４６．７時間、ゲージ領域）。
【図１２Ｂ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｅ９２６、９８２℃／２４８ＭＰａ（１８００°Ｆ／３６ｋｓｉ）／２４６．７時間、ゲージ領域）。
【図１２Ｃ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｅ９２６、９８２℃／２４８ＭＰａ（１８００°Ｆ／３６ｋｓｉ）／２４６．７時間、ゲージ領域）。
【図１３Ａ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｌ９２６、１１２１℃／１０３ＭＰａ（２０５０°Ｆ／１５ｋｓｉ）／２８５．４時間、破壊領域）。
【図１３Ｂ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｌ９２６、１１２１℃／１０３ＭＰａ（２０５０°Ｆ／１５ｋｓｉ）／２８５．４時間、破壊領域）。
【図１３Ｃ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｌ９２６、１１２１℃／１０３ＭＰａ（２０５０°Ｆ／１５ｋｓｉ）／２８５．４時間、破壊領域）。
【図１４Ａ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｌ９２６、１１２１℃／１０３ＭＰａ（２０５０°Ｆ／１５ｋｓｉ）／２８５．４時間、破壊領域）。
【図１４Ｂ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｌ９２６、１１２１℃／１０３ＭＰａ（２０５０°Ｆ／１５ｋｓｉ）／２８５．４時間、破壊領域）。
【図１４Ｃ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｌ９２６、１１２１℃／１０３ＭＰａ（２０５０°Ｆ／１５ｋｓｉ）／２８５．４時間、破壊領域）。
【図１５Ａ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｌ９２６、１１２１℃／１０３ＭＰａ（２０５０°Ｆ／１５ｋｓｉ）／２８５．４時間、ゲージ領域）。
【図１５Ｂ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｌ９２６、１１２１℃／１０３ＭＰａ（２０５０°Ｆ／１５ｋｓｉ）／２８５．４時間、ゲージ領域）。
【図１５Ｃ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｌ９２６、１１２１℃／１０３ＭＰａ（２０５０°Ｆ／１５ｋｓｉ）／２８５．４時間、ゲージ領域）。
【図１６Ａ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｌ９２６、１１２１℃／１０３ＭＰａ（２０５０°Ｆ／１５ｋｓｉ）／２８５．４時間、ゲージ領域）。
【図１６Ｂ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｌ９２６、１１２１℃／１０３ＭＰａ（２０５０°Ｆ／１５ｋｓｉ）／２８５．４時間、ゲージ領域）。
【図１６Ｃ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８４８、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｌ９２６、１１２１℃／１０３ＭＰａ（２０５０°Ｆ／１５ｋｓｉ）／２８５．４時間、ゲージ領域）。
【図１７Ａ】短縮した熱処理サイクルを用いた合金鋳造物の適切な溶体化及び／又は均質化を示す光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８６２、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２６、１３２０℃（２４０８°Ｆ）まで溶体化／８時間、縦方向）。
【図１７Ｂ】短縮した熱処理サイクルを用いた合金鋳造物の適切な溶体化及び／又は均質化を示す光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８６２、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２６、１３２０℃（２４０８°Ｆ）まで溶体化／８時間、縦方向）。
【図１７Ｃ】短縮した熱処理サイクルを用いた合金鋳造物の適切な溶体化及び／又は均質化を示す光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８６２、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２６、１３２０℃（２４０８°Ｆ）まで溶体化／８時間、縦方向）。
【図１８】開示された合金から製造された単結晶試験棒及びタービンブレード鋳造物の驚くほど良好な応力−破断寿命を示すラーソンミラーの応力−破断グラフ。
【図１９Ａ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８９０、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２６、１１２１℃／１０３ＭＰａ（２０５０°Ｆ／１５ｋｓｉ）／２７１．８時間、ゲージ領域）。
【図１９Ｂ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８９０、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２６、１１２１℃／１０３ＭＰａ（２０５０°Ｆ／１５ｋｓｉ）／２７１．８時間、ゲージ領域）。
【図１９Ｃ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８９０、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２６、１１２１℃／１０３ＭＰａ（２０５０°Ｆ／１５ｋｓｉ）／２７１．８時間、ゲージ領域）。
【図２０Ａ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８９０、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２６、１１２１℃／１０３ＭＰａ（２０５０°Ｆ／１５ｋｓｉ）／２７１．８時間、ゲージ領域）。
【図２０Ｂ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８９０、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２６、１１２１℃／１０３ＭＰａ（２０５０°Ｆ／１５ｋｓｉ）／２７１．８時間、ゲージ領域）。
【図２０Ｃ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相がないことを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８９０、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ａ９２６、１１２１℃／１０３ＭＰａ（２０５０°Ｆ／１５ｋｓｉ）／２７１．８時間、ゲージ領域）。
【図２１】本明細書に開示されている合金による単結晶固体タービンブレード鋳造物の断面図である。このブレードから加工（ＭＦＢ）した応力−破断試験をするためのミニバー及びミニフラット試験片の両方を加工するために便利である。
【図２２Ａ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり検出できるＴＣＰ相（針状晶）が無視できるほどであることを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８９５、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｒ９２６、１０９３℃／８３ＭＰａ（２０００°Ｆ／１２ｋｓｉ）／１９７９．９時間、ゲージ領域）。
【図２２Ｂ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相（針状晶）が無視できるほどであることを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８９５、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｒ９２６、１０９３℃／８３ＭＰａ（２０００°Ｆ／１２ｋｓｉ）／１９７９．９時間、ゲージ領域）。
【図２２Ｃ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相（針状晶）が無視できるほどであることを立証している光学顕微鏡写真（ＬＡ−１１８９５、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｒ９２６、１０９３℃／８３ＭＰａ（２０００°Ｆ／１２ｋｓｉ）／１９７９．９時間、ゲージ領域）。
【図２３Ａ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相（針状晶）が無視できるほどであることを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８９５、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｒ９２６、１０９３℃／８３ＭＰａ（２０００°Ｆ／１２ｋｓｉ）／１９７９．９時間、ゲージ領域）。
【図２３Ｂ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相（針状晶）が無視できるほどであることを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８９５、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｒ９２６、１０９３℃／８３ＭＰａ（２０００°Ｆ／１２ｋｓｉ）／１９７９．９時間、ゲージ領域）。
【図２３Ｃ】開示された合金を用いて製造された単結晶試験棒鋳造物の事後テストの相安定性が驚くほど良好であり、検出できるＴＣＰ相（針状晶）が無視できるほどであることを立証している走査型電子顕微鏡写真（ＬＡ−１１８９５、ＣＭＳＸ−８、試験棒＃Ｒ９２６、１０９３℃／８３ＭＰａ（２０００°Ｆ／１２ｋｓｉ）／１９７９．９時間、ゲージ領域）。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本明細書に開示されている単結晶鋳造用の低レニウムニッケル基超合金は、「ＣＭＳＸ（登録商標）−８」合金と称され、本明細書ではそのように呼ばれる。用語「ＣＭＳＸ」は、一群の単結晶（ＳＸ）ニッケル基超合金の販売に関連して使用するためのＣａｎｎｏｎ−Ｍｕｓｋｅｇｏｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの登録商標である。
【００１７】
本明細書で他に示されていない限り、すべての元素の量は、合金組成物の全体質量に対する質量百分率又は百万分の質量部（ｐｐｍ）により表示される。
【００１８】
単結晶超合金及び鋳造物は、とりわけ、低い不良品発生率及び相安定性を有する望ましい鋳造特性と共に、高温クリープ耐性、長い疲労寿命、耐酸化及び腐食性、並びに固溶体強化を含めた数々の卓越した特性を示すように開発されてきた。特定の性質に対する単一の添加物を最適にすることは可能であるものの、他の性質に対する影響は多くの場合著しく予測困難である。一般に、さまざまな性質とさまざまな元素成分との間の関係は極めて複雑で予測不可能であり、そのため、少なくとも一定の絶対必要な性質に悪影響を及ぼすことなく大きな変化を組成物に対して果たすことができることは驚くべきである。
【００１９】
本明細書に開示されている実施例にあっては、耐熱金属元素（タンタル、タングステン、レニウム及びモリブデン）（表１）は、容認できる合金相安定性（過度の有害な位相的最密相（ＴＣＰ）がない（このタイプの合金には通常タングステン、レニウム及びクロムが豊富である））と共に良好なクリープ−破断の力学的性質を達成する耐熱性元素の量をバランスさせながら、質量で約１８％〜１９％の全体量を維持した。したがって、クロム及びコバルトの量が、この要求される相安定性を確保するために標的とされる。約８％の高タンタルが、良好な単結晶鋳造性及び「フレッケル偏析」欠陥をなくすために設計され、それと共に、５．７％のアルミニウム及び０．７％のチタン（約７０％での適切なγ’の体積分率及び低いマイナスのγ／γ’のミスマッチ）が、高温クリープ強度及び約８．８５グラム／ｃｃ（ｋｇ／ｄｍ３）の容認できる室温密度のために設計される。密度は、ＣＭＳＸ−４（登録商標）が８．７０グラム／ｃｃ（ｋｇ／ｄｍ３）であり、ＰＷＡ１４８４が８．９５グラム／ｃｃ（ｋｇ／ｄｍ３）である。アルミニウム、タンタル及びチタンは、良好な高温酸化特性のための低いモリブデンと共に、γ’の体積分率（Ｖｆ）獲得を目標とする。少量のハフニウム添加は、高温での被覆寿命のために必要である。
【００２０】
本明細書に開示され、特許請求されている合金についての典型的な化学成分が表１に記載されている。しかしながら、いくらかの軽微な変動がある。第一に、高い耐酸化性及び／又は高い遮熱被覆寿命を獲得するため、ランタン及び／又はイットリウムは、ランタン及びイットリウムの合計が、この合金から製造される単結晶鋳造物中に約５〜８０ｐｐｍとなることを目標とするような量で添加することが望ましい。別の変形形態として、小角粒界（ＬＡＢ）の強化が最大１２度まで提供される大型の工業用ガスタービン（ＩＧＴ）単結晶用途の場合、炭素及びホウ素の添加は、それぞれ、約０．０２％〜約０．０５％及び４０〜１００ｐｐｍの範囲が目標とされる。
【００２１】
【表１】
0005746998.tif 000002
【００２２】
本発明は、より良い理解を手助けするいくつかの説明のためであって非限定の実施例について以下に記載される。
【００２３】
２１３．４ｋｇ（４７０ポンド）の１００％未使用のＣＭＳＸ（登録商標）−８合金の熱溶融物を、２０１１年５月にＣＭ  Ｖ−５  Ｃｏｎｓａｒｃ  ＶＩＭ炉中、目標化学組成を用いて融解し、ＣＭ  ＫＨ  ０４／２０／１１（ＣＭ  ＣＲＭＰ＃８１−１７０８第１号）にした。その熱溶融物（５Ｖ０４６０）の化学組成は表２に示されている。
【００２４】
ＳＸ  ＮＮＳ  ＤＬ−１０試験棒の２つの鋳型（＃９２５及び＃９２６）がＲｏｌｌｓ−Ｒｏｙｃｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＳＣＦＯ）によってＣＭＳＸ−４（登録商標）鋳造パラメーターにより鋳造された。合計２４の鋳造からの２３の完全に受け入れ可能なＤＬ−１０試験棒の収率は優秀であった。
【００２５】
これらのＤＬ−１０試験棒は、Ｃａｎｎｏｎ−Ｍｕｓｋｅｇｏｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにおいて、ＣＭＳＸ（登録商標）−７と称される先行する類似の同系の合金での従前の作業に基づいて、以下のように溶体化／均質化され、二重に時効する熱処理がなされた。
【００２６】
溶体化及び均質化
２時間／１２８２℃（２３４０°Ｆ）＋２時間／１２９３℃（２３６０°Ｆ）
＋４時間／１３０４℃（２３８０°Ｆ）＋４時間／１３１０℃（２３９０°Ｆ）
＋１２時間／１３１６℃（２４００°Ｆ）ＡＣ−ステップの間に０．５６℃（１°Ｆ）／分で上昇
＋
二重に時効される熱処理
４時間／１１２１℃（２０５０°Ｆ）ＡＣ＋２０時間／８７１℃（１６００°Ｆ）ＡＣ
【００２７】
良好な微細構造が実現されることが図１〜図２から明らかである。すなわち、完全なγ’溶体化、わずかな残留γ／γ’共晶混合物、初期溶融がなく約０．４５μｍの平均立方晶、整列したγ’、４時間／１１２１℃（２０５０°Ｆ）の高温時効後に妥当なγ／γ’のミスマッチ及びγ／γ’界面を示している。
【００２８】
クリープ−及び応力−破断試験片が、低応力研削されてＪｏｌｉｅｔ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ  Ｌａｂｓにより試験され、今までの結果が表３に示されている。ラーソンミラーの応力−破断及び応力１．０％クリープ（図３及び図４）は、ＣＭＳＸ（登録商標）−８が、１１２１℃（２０５０°Ｆ）ではコスト削減のための低Ｒｅ含有量（１．５％）により落ち込むものの、最高約１０１０〜１０３８℃（１８５８°Ｆ〜１９００°Ｆ）まではＣＭＳＸ−４（登録商標）合金（３％Ｒｅ）と似ていて驚くほど良好なクリープ強度／応力−破断寿命特性を有することを示している。これらの特性はすべて、Ｒｅｎｅ’  Ｎ−５（３％Ｒｅ）及びＲｅｎｅ’Ｎ−５１５（低Ｒｅ）合金よりも著しく高い（ＪＯＭ、Ｖｏｌｕｍｅ  ６２、第１号、５５〜５７頁）。
【００２９】
【表２】
0005746998.tif 000003
【００３０】
【表３】
0005746998.tif 000004
【００３１】
相安定性は、驚くほど良好であり、今までに試験された事後テストのクリープ／応力−破断の試験棒では明らかなＴＣＰ相が完全に無視できる（図５〜図１６及びを図２２〜図２３を含む）。
【００３２】
最近の研究によれば、短縮された熱処理サイクル−２時間／１２９６°Ｃ（２３６５°Ｆ）＋２時間／１３０７℃（２３８５°Ｆ）＋２時間／１３１３℃（２３９５°Ｆ）＋２時間／１３１７℃（２４０３°Ｆ）＋８時間／１３２０℃（２４０８°Ｆ）ＡＣ（８時間短縮）を用いてこの合金の単結晶試験棒を適切に溶体化／均質化の熱処理にかけることが可能であることを示している。このより短い溶体化／均質化熱処理を用いる臨界条件での限定されたクリープ／応力−破断特性は、元の溶体化熱処理条件（表３及び図４）に非常に類似した結果及び良好な相安定性（ＴＣＰ相なし）を示している（図１９及び図２０）。
【００３３】
バーナーリグの動的試験、循環酸化試験及び高温腐食（硫化）試験が、目下主要なタービンエンジン会社で計画されている。
【００３４】
開示された合金を十分に熱処理して溶体化／均質化し、二重時効した（ＤＬ−１０）試験片のクリープ／応力−破断データを表４に示す。
【００３５】
【表４】
0005746998.tif 000005
【００３６】
ミニフラットバーの応力−破断試験を、ミニバー試験片１５及びミニフラット試験片２０を加工するための便利さを有する本明細書に開示されている合金から鋳造した単結晶固体タービンブレード１０（図２１）について実施した。
【００３７】
ラーソンミラーの応力−破断グラフ（図１８）は、ＣＭＳＸ（登録商標）−８合金が、ブレードから加工（ＭＦＢ）したミニフラット（０．５０８ｍｍ（０．０２０”）ゲージ厚さ）試験片から驚くほど良好な応力−破断寿命特性を有することを示しており、それはＣＭＳＸ−４（登録商標）のものに近い。
【００３８】
本明細書に開示されている実例は、説明のため及びより良い理解を手助けするために提供されている非限定の例であり、本発明の範囲は、均等論を含めて、特許法の下で適切に解釈される特許請求の範囲によって決められる。
【図１Ａ】
0005746998.tif 000006
【図１Ｂ】
0005746998.tif 000007
【図１Ｃ】
0005746998.tif 000008
【図２Ａ】
0005746998.tif 000009
【図２Ｂ】
0005746998.tif 000010
【図２Ｃ】
0005746998.tif 000011
【図３】
0005746998.tif 000012
【図４】
0005746998.tif 000013
【図５Ａ】
0005746998.tif 000014
【図５Ｂ】
0005746998.tif 000015
【図５Ｃ】
0005746998.tif 000016
【図６Ａ】
0005746998.tif 000017
【図６Ｂ】
0005746998.tif 000018
【図６Ｃ】
0005746998.tif 000019
【図７Ａ】
0005746998.tif 000020
【図７Ｂ】
0005746998.tif 000021
【図７Ｃ】
0005746998.tif 000022
【図８Ａ】
0005746998.tif 000023
【図８Ｂ】
0005746998.tif 000024
【図８Ｃ】
0005746998.tif 000025
【図９Ａ】
0005746998.tif 000026
【図９Ｂ】
0005746998.tif 000027
【図９Ｃ】
0005746998.tif 000028
【図１０Ａ】
0005746998.tif 000029
【図１０Ｂ】
0005746998.tif 000030
【図１０Ｃ】
0005746998.tif 000031
【図１１Ａ】
0005746998.tif 000032
【図１１Ｂ】
0005746998.tif 000033
【図１１Ｃ】
0005746998.tif 000034
【図１２Ａ】
0005746998.tif 000035
【図１２Ｂ】
0005746998.tif 000036
【図１２Ｃ】
0005746998.tif 000037
【図１３Ａ】
0005746998.tif 000038
【図１３Ｂ】
0005746998.tif 000039
【図１３Ｃ】
0005746998.tif 000040
【図１４Ａ】
0005746998.tif 000041
【図１４Ｂ】
0005746998.tif 000042
【図１４Ｃ】
0005746998.tif 000043
【図１５Ａ】
0005746998.tif 000044
【図１５Ｂ】
0005746998.tif 000045
【図１５Ｃ】
0005746998.tif 000046
【図１６Ａ】
0005746998.tif 000047
【図１６Ｂ】
0005746998.tif 000048
【図１６Ｃ】
0005746998.tif 000049
【図１７Ａ】
0005746998.tif 000050
【図１７Ｂ】
0005746998.tif 000051
【図１７Ｃ】
0005746998.tif 000052
【図１８】
0005746998.tif 000053
【図１９Ａ】
0005746998.tif 000054
【図１９Ｂ】
0005746998.tif 000055
【図１９Ｃ】
0005746998.tif 000056
【図２０Ａ】
0005746998.tif 000057
【図２０Ｂ】
0005746998.tif 000058
【図２０Ｃ】
0005746998.tif 000059
【図２１】
0005746998.tif 000060
【図２２Ａ】
0005746998.tif 000061
【図２２Ｂ】
0005746998.tif 000062
【図２２Ｃ】
0005746998.tif 000063
【図２３Ａ】
0005746998.tif 000064
【図２３Ｂ】
0005746998.tif 000065
【図２３Ｃ】
0005746998.tif 000066