(57)【要約】      （修正有）【課題】侵略的で高温のガスタービンの環境での使用に好適な物質の組成及びこれで作られる製品に関する。【解決手段】超合金製品２０は、約４ないし約１２重量パーセントのコバルト、約３．５ないし約７重量パーセントのタングステン、約２ないし約９重量パーセントのクロム、約０．５ないし約４．５重量パーセントのタンタル、約５．５ないし約７．５重量パーセントのアルミニウム、０ないし約３．５重量パーセントのレニウム、約０．１ないし約１．２重量パーセントのチタン、０ないし約３重量パーセントのモリブデン、約０．５ないし約２重量パーセントのコロンビウム、その他特定の成分を所定量含有し、残部のニッケルと不純物元素から基本的になる組成を有する。ガスタービンブレード２２のような形状において、製品２０は、好ましくは、実質的に単結晶或いは方向的に整列した多結晶である。【選択図】図１
2004162173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
約４ないし約１２重量パーセントのコバルト、約３．５ないし約７重量パーセントのタングステン、約２ないし約９重量パーセントのクロム、約０．５ないし約４．５重量パーセントのタンタル、約５．５ないし約７．５重量パーセントのアルミニウム、０ないし約３．５重量パーセントのレニウム、約０．１ないし約１．２重量パーセントのチタン、０ないし約３重量パーセントのモリブデン、０ないし約３重量パーセントのルテニウム、約０．５ないし約２重量パーセントのコロンビウム、最大約０．０１重量パーセントのホウ素、最大約０．０７重量パーセントの炭素、約０．３ないし約１重量パーセントのハフニウム、最大約０．０１重量パーセントのジルコニウム、最大約０．０３重量パーセントのイットリウム、０ないし約０．５重量パーセントのバナジウム、最大約０．０１重量パーセントのセリウム、及び最大約０．０１重量パーセントのランタン、及び残部のニッケルと不純物元素から基本的になる組成を含む製品（２０）。
【請求項２】
前記製品（２０）が、約３．０ないし約４．０重量パーセントのタンタルを含む請求項１に記載の製品（２０）。
【請求項３】
前記製品（２０）が、約３．０ないし約４．０重量パーセントのタンタル、約０．２ないし約０．４重量パーセントのチタン、約０．５ないし約０．７重量パーセントのハフニウム、及び約１ないし約２重量パーセントのコロンビウムを含む請求項１に記載の製品（２０）。
【請求項４】
前記製品（２０）が、約６ないし約１２重量パーセントのコバルト、約４．５ないし約６．５重量パーセントのタングステン、約５．５ないし約６．５重量パーセントのクロム、約３．０ないし約４重量パーセントのタンタル、約５．８ないし約６．３重量パーセントのアルミニウム、約２．８ないし約３．５重量パーセントのレニウム、約０．２ないし約０．４重量パーセントのチタン、約１．３ないし約１．７重量パーセントのモリブデン、約０．５ないし約０．７重量パーセントのハフニウム、及び約１ないし約２重量パーセントのコロンビウムを含む請求項１に記載の製品（２０）。
【請求項５】
前記製品（２０）が、約７ないし約１０重量パーセントのコバルト、約６ないし約６．３重量パーセントのタングステン、約６重量パーセントのクロム、約３．１ないし約３．５重量パーセントのタンタル、約５．９ないし約６．３重量パーセントのアルミニウム、約０．３重量パーセントのチタン、約０．６重量パーセントのハフニウム、約３重量パーセントのレニウム、約１．５重量パーセントのモリブデン、及び約１．５重量パーセントのコロンビウムを含む請求項１に記載の製品（２０）。
【請求項６】
前記製品（２０）が、実質的に単結晶である請求項１に記載の製品（２０）。
【請求項７】
前記製品（２０）が、方向的に整列した多結晶である請求項１に記載の製品（２０）。
【請求項８】
前記製品（２０）が、ガスタービンエンジンの構成部品として形づくられる請求項１の製品（２０）。
【請求項９】
前記製品（２０）が、ガスタービンブレード（２２）として形づくられる請求項１に記載の製品（２０）。
【請求項１０】
コストを低減したニッケル基超合金を選択する方法であって、
約５重量パーセントのタンタルを超える基準タンタル含量と、重量パーセントでのハフニウム含量とコロンビウム含量とチタン含量とタングステン含量との和である基準合計量とを含む、重量パーセントでの公称組成を有する基準ニッケル基超合金を識別する段階と、
前記基準タンタル含量よりも少なくとも１．５重量パーセント少ない修正タンタル含量と、前記基準合計量よりも少なくとも１．５重量パーセント多い、修正ハフニウム含量と修正コロンビウム含量と修正チタン含量と修正タングステン含量との和である修正基準合計量とを含む、重量パーセントでの公称組成を有する修正ニッケル基超合金を選択する段階と、
を含む方法。
【請求項１１】
前記選択する段階が、前記修正基準合計量から前記基準合計量を減算した値の絶対値を前記修正タンタル含量から前記基準タンタル含量を減算した値の絶対値と少なくとも同じ大きさであるように選択する段階を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１２】
前記選択する段階が、ゼロでない修正ハフニウム含量と、ゼロでない修正コロンビウム含量と、ゼロでない修正チタン含量と、ゼロでない修正タングステン含量とを有するように前記修正ニッケル基超合金を選択する段階を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記修正ニッケル基超合金における前記修正タングステン含量と修正モリブデン含量との合計量が、少なくとも約６．５重量パーセントである請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
コストを低減したニッケル基超合金を選択する方法であって、
約５重量パーセントのタンタルを超える基準タンタル含量と、重量パーセントでの基準ハフニウム含量と基準コロンビウム含量と基準チタン含量と基準タングステン含量との和である基準合計量とを含む重量パーセントでの公称組成を有する基準ニッケル基超合金を識別する段階と、
前記基準タンタル含量よりも少なくとも１．５重量パーセント少ない修正タンタル含量と、前記基準合計量よりも少なくとも１．５重量パーセント多い、修正ハフニウム含量と修正コロンビウム含量と修正チタン含量と修正タングステン含量との和である修正基準合計量とを含む重量パーセントでの公称組成を有する修正ニッケル基超合金を選択する段階と、
を含み、
前記修正基準合計量から前記基準合計量を減算した値の絶対値が、前記修正タンタル含量から前記基準タンタル含量を減算した値の絶対値と少なくとも同じ大きさであり、
前記修正ニッケル基超合金が、ゼロでない修正ハフニウム含量と、ゼロでない修正コロンビウム含量と、ゼロでない修正チタン含量と、ゼロでない修正タングステン含量とを有し、
前記修正ニッケル基超合金における前記修正タングステン含量と修正モリブデン含量との合計量が、少なくとも約６．５重量パーセントである、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、侵略的で高温のガスタービンの環境での使用に好適な物質の組成及びこれで作られる製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニッケル基超合金は、ニッケルを他の何れの元素よりも多く有する合金であり、ガンマプライム（γ’）析出物及び関連する析出物を適切な熱処理の間に形成する一群の元素を含有する。ニッケル基超合金は、最も高温に曝される航空用ガスタービンエンジンの構成部品の製造において、現在のところ好ましい合金として選択される。例としては、タービンブレード、タービンベーン、ある種のシャフト、ある種のロータ、段間シール、及び多くの高温固定ガス流路構成要部品が含まれる。
【０００３】
ニッケル基超合金は、良好な強度、良好な耐疲労性、低いクリープ速度、十分な延性、及び許容可能な密度のような、許容可能な機械的特性を低温及び高温の両方で示さなければならない。ニッケル基超合金はまた、苛酷な燃焼ガス環境における良好な耐食性及び耐酸化性を有する必要がある。更に、該超合金は、長期にわたる高温曝露と冷熱サイクルパターンの両方で良好な安定性を有さなければならない。これらの特性は、合金元素及び材料の処理の慎重な選択によって得られる。ガスタービン環境での種々の用途におけるこれらの特性の適切な組み合わせを提供するために、幾つかの超合金組成が開発されてきている。
【０００４】
加えて、超合金材料のコストは考慮すべき事項である。要求される特性を達成することは最大の関心事であるが、ガスタービンエンジンの製造及び販売は競合ビジネスである。ニッケル基超合金に用いられる元素の一部は自然界でやや希少で高価であり、従って、これらが存在すること及びその量は、ガスタービンエンジンのコストにおける重要因子である。更に、幾つかの元素は周期的に品不足になり易く、これにより価格が極めて高くなる。
【０００５】
本発明に至る研究において、発明者らは、最先端のニッケル基超合金に使用されるこのような１つの元素はタンタルであることが分かった。ガスタービンブレード及び他の用途で使用される重要なニッケル基超合金である、Ｒｅｎｅ（登録商標）Ｎ５は、公称６．２重量パーセントのタンタルを含有し、別のニッケル基超合金は５重量パーセント又はそれ以上のタンタルを含有する。過去数年において、ニッケル基超合金の使用において要求される品質のタンタル価格は、１ポンド当たりで約１００ドルから約４７５ドルまで上昇し、世界的な品不足により更に高値となることが幾分予測される。他の経済的な力により一時的に価格が低がったが、同様の価格上昇及び品不足の可能性が将来的にある。従って、この高価格及び潜在的な品不足は、このような材料で作られた製品の持続的な経済的存続性及び利用可能性を脅かすものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、Ｒｅｎｅ（登録商標）Ｎ５のような既存の高タンタル・ニッケル基超合金に匹敵する特性を持ちながらも、高い比率のタンタルの使用によらない、改善されたニッケル基超合金についての必要性がある。本発明はこの必要性を満たし、関連する利点を更に提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ニッケル基超合金及び該ニッケル基超合金から作られる製品、及びニッケル基超合金を選択し設計するための方法を提供する。該ニッケル基超合金は、高タンタルの合金と比較して低減された公称タンタル含量を含有し、他の合金元素の対応する修正により高タンタルの合金に匹敵する性能を提供するものである。
【０００８】
製品は、約４ないし約１２重量パーセントのコバルト、約３．５ないし約７重量パーセントのタングステン、約２ないし約９重量パーセントのクロム、約０．５ないし約４．５重量パーセントのタンタル、約５．５ないし約７．５重量パーセントのアルミニウム、０ないし約３．５重量パーセントのレニウム、約０．１ないし約１．２重量パーセントのチタン、０ないし約３重量パーセントのモリブデン、０ないし約３重量パーセントのルテニウム、約０．５ないし約２重量パーセントのコロンビウム、最大約０．０１重量パーセントのホウ素、最大約０．０７重量パーセントの炭素、約０．３ないし約１重量パーセントのハフニウム、最大約０．０１重量パーセントのジルコニウム、最大約０．０３重量パーセントのイットリウム、０ないし約０．５重量パーセントのバナジウム、最大約０．０１重量パーセントのセリウム、及び最大約０．０１重量パーセントのランタン、及び残部のニッケルと不純物元素から基本的になる組成を含む。最も好ましくは、該製品は約３．０ないし約４．０パーセントのタンタルを含む。
【０００９】
１つの好ましい形態において、製品は、約３．０ないし約４．０重量パーセントのタンタル、約０．２ないし約０．４重量パーセントのチタン、約０．５ないし約０．７重量パーセントのハフニウム、及び約１ないし約２重量パーセントのコロンビウムを含む。別の好ましい形態において、製品は、約６ないし約１２重量パーセントのコバルト、約４．５ないし約６．５重量パーセントのタングステン、約５．５ないし約６．５重量パーセントのクロム、約３．０ないし約４重量パーセントのタンタル、約５．８ないし約６．３重量パーセントのアルミニウム、約２．８ないし約３．５重量パーセントのレニウム、約０．２ないし約０．４重量パーセントのチタン、約１．３ないし約１．７重量パーセントのモリブデン、約０．５ないし約０．７重量パーセントのハフニウム、及び約１ないし約２重量パーセントのコロンビウムを含む。最も好ましい形態においては、製品は、約７ないし約１０重量パーセントのコバルト、約６ないし約６．３重量パーセントのタングステン、約６重量パーセントのクロム、約３．１ないし約３．５重量パーセントのタンタル、約５．９ないし約６．３重量パーセントのアルミニウム、約０．３重量パーセントのチタン、約０．６重量パーセントのハフニウム、約３重量パーセントのレニウム、約１．５重量パーセントのモリブデン、及び約１．５重量パーセントのコロンビウムを含む。
【００１０】
望ましくは、製品は実質的に単結晶、或いは一方向凝固によって形成される方向的に整列した多結晶である。該製品は、好ましくは、ガスタービンブレードのようなガスタービンエンジンの構成部品として形づくられる。
【００１１】
関連する物質の組成は、基本的に、約４ないし約１２重量パーセントのコバルト、約３．５ないし約７重量パーセントのタングステン、約２ないし約９重量パーセントのクロム、約０．５ないし約４．５重量パーセントのタンタル、約５．５ないし約７．５重量パーセントのアルミニウム、０ないし約３．５重量パーセントのレニウム、約０．１ないし約１．２重量パーセントのチタン、０ないし約３重量パーセントのモリブデン、０ないし約３重量パーセントのルテニウム、約０．５ないし約２重量パーセントのコロンビウム、最大約０．０１重量パーセントのホウ素、最大約０．０７重量パーセントの炭素、約０．３ないし約１重量パーセントのハフニウム、最大約０．０１重量パーセントのジルコニウム、最大約０．０３重量パーセントのイットリウム、０ないし約０．５重量パーセントのバナジウム、最大約０．０１重量パーセントのセリウム、及び最大約０．０１重量パーセントのランタン、及び残部のニッケルと不純物元素からなる。本明細書の他の部分で説明される、好ましい及び最も好ましい組成は、該物質の組成に適用可能である。
【００１２】
本発明はまた、上述の組成を開発するために用いられた原理を、他のニッケル基超合金のタンタル含量を低減する該合金の修正に拡張する方法を提供する。コストを低減したニッケル基超合金を選択する方法は、約５重量パーセントのタンタルを超える基準タンタル含量と、（重量パーセントでの基準ハフニウム含量と基準コロンビウム含量と基準チタン含量と基準タングステン含量との和である）基準合計量とを含む重量パーセントでの公称組成を有する基準ニッケル基超合金を識別する段階を含む。（計算される量は、本明細書では明快にするために括弧内に入れてある）該方法は、基準タンタル含量よりも少なくとも１．５重量パーセント少ない修正タンタル含量と、基準合計量よりも少なくとも１．５重量パーセント多い、修正ハフニウム含量と修正コロンビウム含量と修正チタン含量と修正タングステン含量との和である修正基準合計量とを含む重量パーセントでの公称組成を有する修正ニッケル基超合金を選択する段階を更に含む。
【００１３】
すなわち、コストのためのタンタル含量の低減は、ハフニウム、コロンビウム、チタン、及びタングステンの合計量の増加によって補償される。好ましくは、ハフニウム、コロンビウム、チタン、及びタングステンの合計量の増加は、少なくともタンタル含量の減少と同じ大きさである。すなわち、（前記修正基準合計量から前記基準合計量を減算した値）の絶対値は、好ましくは、（修正タンタル含量から基準タンタル含量を減算した値）の絶対値と少なくとも同じ大きさである。また、修正ニッケル基超合金は、ゼロでない修正ハフニウム含量、ゼロでないコロンビウム含量、ゼロでない修正チタン含量、及びゼロでない修正タングステン含量を有することが好ましい。望ましくは、大部分の修正ニッケル基超合金について、修正タングステン含量と修正モリブデン含量との合計量は、少なくとも６．５重量パーセントである。
【００１４】
例えば、ＰＷＡ１４８４、Ｒｅｎｅ（登録商標）１４２、及びＣＭＳＸ−４及びＣＭＳＸ−１０のようなＣＭＳＸ合金などの市販の基準ニッケル基超合金は、このような原理に従って許容可能な特性を維持しながら、これらのタンタル含量を低減するように修正することができる。
【００１５】
本発明の製品は、特に好ましい及び最も好ましい形態において、低減されたタンタル含量を有し、その結果低コストであるが、高タンタルの合金に匹敵する性能を示す。最近発生し、また将来再び発生する可能性のある、タンタル価格がポンド当たり数百ドルを超えるような場合に、このコスト削減は極めて意義がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を実施例として示した添付図面と関連して好ましい実施形態に関する以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、本発明の範囲は、この好ましい実施形態に限定されるものではない。
【００１７】
図１には、ガスタービンブレード２２として示されるガスタービンエンジンの構成製品２０が表されている。ガスタービンブレード２２は、翼形部２４、ガスタービンブレード２２をタービンディスク（図示せず）に取り付けるための、ダブテールの形態の取り付け部２６、及び翼形部２４と取り付け部２６との中間にある横方向に延びるプラットフォーム２８を含む。１つの好ましい実施形態において、構成製品２０は実質的に単結晶である。
【００１８】
すなわち、構成製品２０は、少なくとも約８０容量パーセント、より好ましくは少なくとも約９５容量パーセントの、単一結晶配向を有する単結晶粒である。別の結晶配向の僅かな容量割合があってもよく、また小傾角粒界によって分離された領域があってもよい。単結晶構造体は、通常、単結晶及び単結晶粒配向を誘導する種晶或いは他の構造体からの、ここで説明された合金組成の方向性凝固によって作製される。他の好ましい実施形態において、構成製品２０は方向的に整列した多結晶であり、そのなかには、全て共通に配向された優先的成長方向を有する少なくとも幾つかの結晶粒が存在する。方向的に整列した多結晶は、種晶を通常用いない方向性凝固によって形成される。
【００１９】
ここで説明される合金組成の使用は、ガスタービンブレードに限定されるものではなく、ガスタービンベーンのような別の製品、或いはガスタービンエンジンでは使用されるものではない製品において利用することができる。
【００２０】
図２は、本発明を実行するために好ましい方法のブロックフロー図である。ステップ４０で、ニッケル基合金を形成する合金元素を適切な割合で準備し、共に溶融して溶融合金を形成する。具体的な形態において、該合金は、約４ないし約１２重量パーセントのコバルト、約３．５ないし約７重量パーセントのタングステン、約２ないし約９重量パーセントのクロム、約０．５ないし約４．５重量パーセントのタンタル、約５．５ないし約７．５重量パーセントのアルミニウム、０ないし約３．５重量パーセントのレニウム、約０．１ないし約１．２重量パーセントのチタン、０ないし約３重量パーセントのモリブデン、０ないし約３重量パーセントのルテニウム、約０．５ないし約２重量パーセントのコロンビウム、最大約０．０１重量パーセントのホウ素、最大約０．０７重量パーセントの炭素、約０．３ないし約１重量パーセントのハフニウム、最大約０．０１重量パーセントのジルコニウム、最大約０．０３重量パーセントのイットリウム、０ないし約０．５重量パーセントのバナジウム、最大約０．０１重量パーセントのセリウム、及び最大約０．０１重量パーセントのランタン、及び残部のニッケルと不純物元素から基本的になる組成物を有する。（本明細書での全ての組成百分率は、特に示されない限り重量パーセントで記述される）
【００２１】
好ましくは、本合金は約３．０ないし約４．０重量パーセントのタンタルを含む。１つの好ましい形態において、製品は、約３．０ないし約４．０重量パーセントのタンタル、約０．２ないし約０．４重量パーセントのチタン、約０．５ないし約０．７重量パーセントのハフニウム、及び約１ないし約２重量パーセントのコロンビウムを含む。別の好ましい形態において、製品は、約６ないし約１２重量パーセントのコバルト、約４．５ないし約６．５重量パーセントのタングステン、約５．５ないし約６．５重量パーセントのクロム、約３．０ないし４重量パーセントのタンタル、約５．８ないし約６．３重量パーセントのアルミニウム、約２．８ないし約３．５重量パーセントのレニウム、約０．２ないし約０．４重量パーセントのチタン、約１．３ないし約１．７重量パーセントのモリブデン、約０．５ないし約０．７重量パーセントのハフニウム、及び約１ないし約２重量パーセントのコロンビウムを含む。最も好ましい形態においては、製品は約７ないし約１０重量パーセントのコバルト、約６ないし約６．３重量パーセントのタングステン、約６重量パーセントのクロム、約３．１ないし約３．５重量パーセントのタンタル、約５．９ないし約６．３重量パーセントのアルミニウム、約０．３重量パーセントのチタン、約０．６重量パーセントのハフニウム、約３重量パーセントのレニウム、約１．５重量パーセントのモリブデン、及び約１．５重量パーセントのコロンビウムを含む。
【００２２】
最も厳しい用途のための最も高性能の超合金は、少なくとも約５−６重量パーセントのタンタルを含有し、ある場合にはこれよりも相当多いタンタルを含有する。本発明は、望ましくは、本発明の合金のタンタル含量を基準ニッケル基超合金における当初の量の約半分以下に低減し、通常は、約４重量パーセント未満に低減する。得られた超合金は、他の合金成分比率の調節を伴って、許容可能な性能を有するとともに、比較可能な超合金のコストよりもかなり少ないコストも有し、これはタンタルのコストが高い時には重要な考慮事項である。
【００２３】
ガンマプライム（γ’）硬化型超合金において、タンタルは重要な成分であり、これは、タンタルがＮｉ3Ａｌ基γ’強化相の中のアルミニウムを置換することができる高度の耐熱性物質であることによる。タンタルは、凝固する最初と最後の液体の間（すなわち、樹枝状晶コアと樹枝状晶間領域との間）の密度差を相殺することによる、結晶粒欠陥に関して改善された鋳造性である二次的効果を有する。また、タンタルの存在は、モリブデン及びタングステンのような他の耐熱性金属と異なり、酸化及び高温腐食についての耐環境性に対するマイナスの効果を有さない。従って、強度及び耐環境特性を維持すると同時に、タンタル含量を約５重量パーセントより低く低減することは困難で挑戦的なことである。
【００２４】
本発明の方法において、タンタルは、γ’アルミニウム部位に関して、コロンビウム及び／又はハフニウム及び／又はチタン及び／又はタングステンと置換することができる。タングステンは、ガンマ（γ）相及びγ’相の両方に分配され、そのためタングステンはγ’相並びにγマトリックスの強度の増強に役立つ。しかしながら、タングステン含量の過度に大きい増加は、高温に長い間曝されたときの合金の相不安定をもたらす傾向があり、そのためタングステン含量は限定される。
【００２５】
本発明の合金は、約０．５ないし約４．５パーセント、より好ましくは約３ないし約４パーセント、更に最も好ましくは約３．１ないし約３．５パーセントのタンタルを含有する。タンタル含量が約０．５パーセント未満の場合には、該合金は強度不足である。タンタル含量が約２．５パーセント未満の場合には、多くの用途において強度が不十分であり、製品に鋳造欠陥が生じる傾向にある。タンタル含量が約４．５パーセントを超える場合には、タンタルのコストの増大と共に該合金のコストは非常に大きくなる。また、コロンビウム、チタン、及びハフニウムを本発明のレベルで有する状態で、約４パーセントより多いタンタルの含量は、ニッケル基超合金に過度のγ’相を生成させ、不安定性が生じることになる。
【００２６】
該合金は約０．１ないし約１．２パーセントのチタンを含有する。チタンは強力なγ’硬化材料であり、低減されたタンタル含量を補償するために、少なくとも約０．１パーセントが存在しなければならない。任意選択的なチタンの添加は、γ’相内のアルミニウム及びタンタルと置換されて、強度を改善する。しかしながら、より高いレベルのチタンは、耐酸化性に悪影響を及ぼす。
【００２７】
該合金は約０．３ないし約１パーセントのハフニウムを含有する。ハフニウムはコートされた合金の耐酸化性及び高温耐食性を改善するが、コートされていない合金の耐食性を低下させる可能性がある。また、ハフニウムは、熱障壁コーティングが使用されている場合にその寿命を改善する。他の合金での経験では、凡そ０．７５パーセント程度のハフニウム含量で十分であることが示されている。しかしながら、ハフニウム含量が約１パーセントを超える場合には、応力破断特性が低下し、初期溶融温度が低下する。
【００２８】
該合金は約０．５ないし約２パーセントのコロンビウム（ニオブとも呼ばれる）を含有し、これはγ’相内のタンタルと置換される。これより少ない量は、結果としてγ’相の不十分な量及び強度となる。これより多い量は、γ’ソルバス温度を過度に低下させ、耐酸化性を劣化させる。
【００２９】
該合金は約４ないし約１２パーセントのコバルトを含有する。これより少ない量は、合金安定性を低下させる。これより多い量は、γ’ソルバス温度を低下させ、従って高温強度を低下させ、耐酸化性を損なう。
【００３０】
該合金は約３．５ないし約７パーセントのタングステンを含有する。これより少ない量は、超合金の強度を許容できない程度に低下させ、これより多い量は、ＴＣＰ（位相的に密にパッキングした）相の形成に対して不安定性を生成する。
【００３１】
該合金は約２ないし約９パーセントのクロムを含有する。これより少ない量は、高温耐食性が低下し、一方、これより多い量は、相不安定性及び耐サイクル酸化性の劣化につながる。
【００３２】
該合金は、約５．５ないし約７．５パーセントのアルミニウムを含有する。これより少ない量は、γ’相の減少によって強度が低下する。これより多い量は、ＴＣＰ相の形成に関する不安定性、及び合金熱処理中の初期溶融問題を引き起こす。
【００３３】
該合金は、０ないし約５．５パーセントのレニウムを含有し、より好ましくは０ないし約３．５パーセントのレニウムを含有し、更により好ましくは２．８ないし３．５パーセントのレニウムを含有し、最も好ましくは約３パーセントのレニウムを含有する。これより多い量は、ＴＣＰ相の形成に関する不安定性を引き起こす。
【００３４】
該合金は、０ないし約３パーセントのルテニウムを含有する。これより多い量は、耐酸化性を低下させ、合金安定性が改善されない。
【００３５】
該合金は、最大約０．０１パーセントのホウ素、好ましくは最大約０．００６パーセントのホウ素を含有する。これより多い量は、合金熱処理中の初期溶融問題を引き起こす。
【００３６】
該合金は、最大約０．０７パーセントの炭素を含有する。炭素は、包含物を低減させるための脱酸素剤である。これより多い量は、硬化用元素の炭化物を形成する化学結合によって超合金の強度が弱まる。該炭化物は、疲労破壊の開始部位としても働く。
【００３７】
該合金は、最大約０．０１パーセントのジルコニウムを含有する。より多い量は合金熱処理中の初期溶融問題を引き起こす。該合金は、最大約０．０３パーセントのイットリウムを含有する。これより多い量は、鋳造表面での望ましくない鋳型−金属反応を促進させ、鋳造製品の包含物含量を増加させる。
【００３８】
該合金は、０ないし約０．５パーセントのバナジウムを含有する。これより多い量は、該合金の高温耐食性を低下させる。
【００３９】
該合金は、最大約０．０１パーセントのセリウムと最大約０．０１パーセントのランタンを含有する。該元素の何れかのこれより多い量は、鋳造表面での望ましくない鋳型−金属反応を促進させ、鋳造製品の包含物含量を増加させる。
【００４０】
該合金は、好ましくは、最大約０．１パーセントのケイ素を含有する。このような小量のケイ素は、耐酸化性を促進することができる。
【００４１】
該合金は、好ましくは脱酸素剤として、最大約０．０４パーセントのマグネシウム及び最大約０．０１パーセントのカルシウムを含有する。小量のこれらの元素もまた耐酸化性を改善することができる。
【００４２】
該合金の残部はニッケルと不純物元素である。ニッケル含量は、好ましくは、約６１ないし約６４重量パーセントの範囲である。
【００４３】
種々の元素についての限界を明らかにするために検討及び計算を行った。下記の表Iには、実際に溶融された合金の組成が示されている。合金Ｅ１−Ｅ１８は本発明の範囲内のものであり、合金ＲＮ５は、本発明の範囲外である市販のＲｅｎｅ（登録商標）Ｎ５合金である。
【００４４】
【表１】
2004162173.tif 000003
【００４５】
これらの合金に関し全ての場合において、Ｍｏ含量は１．５重量パーセント、Ｒｅ含量は３重量パーセント、Ｒｕ含量は０、及び炭素含量は０．０５重量パーセントであった。
【００４６】
該合金の組成及び特性の計算値を表IIに示す。ΔＴａの値は、ＲＮ５と比較して、示された合金についてのタンタル含量の変化である。Δ（Ｔｉ＋Ｈｆ＋Cb＋Ｗ）の値は、ＲＮ５と比較して、示された合金についての計算した合計の変化である。（Ｗ＋Ｍｏ）の値は、これら２つの元素の数の合計である。
【００４７】
【表２】
2004162173.tif 000004
【００４８】
これらの合金についてクリープ・ラプチャー試験を実施した。温度、試験回数、及び破壊までの時間数を表IIIに示す。
【００４９】
【表３】
2004162173.tif 000005
【００５０】
該合金の開発において取られた方法は、γ’アルミニウム部位上でタンタルをコロンビウム及び／又はハフニウム及び／又はチタン及び／又はタングステンに置換して、付加的なγ固溶体強化のためにタングステンを供給することであった。合金安定性を維持するため、タングステン増加を相殺するように僅かなクロム低減を行った。表Iに示された合金組成を評価した。組成Ｅ１−Ｅ１２は、タングステン、コロンビウム、ハフニウム、及びチタン修正の効果を明らかにするために計画された２つの実験を示している。合金Ｅ１−Ｅ８は、タングステン、コロンビウム、及びハフニウムにおける全要因計画であると同時に、合金Ｅ１、Ｅ４、Ｅ６−７、及びＥ９−Ｅ１２は、チタン修正の効果を経済的に理解するための２4+1IV実験である。合金Ｅ８及び合金Ｅ１２は同量のタングステン、コロンビウム及びハフニウムを有するが、Ｅ１２は０．３パーセントのチタンを有し、その結果、合金Ｅ１２の機械的性能は合金Ｅ８よりも実質的に改善されている。
【００５１】
各組成について小さな実験室スケールの非加熱材を真空溶融した。溶融物を実質的に方向性凝固させて円柱状結晶粒の試料にし、方向的に整列した多結晶を形成して縦方向で試験した。試験において、結晶粒界が応力方向と平行であることから、結晶粒界の影響は僅かである。合金ＲＮ５は、Ｒｅｎｅ（登録商標）Ｎ５合金の公称組成を有している。
【００５２】
試験に基づいて、好ましい合金組成として組成Ｅ１２を選択し、上述のような特定用途について許容可能な変動を定めた。関連する幾つかの特定の合金には表ＩＶのものが含まれる。
【００５３】
【表４】
2004162173.tif 000006
【００５４】
これらの合金の全ての場合において、Ｃｒ含量は６．０重量パーセント、Ｍｏ含量は１．５重量パーセント、Ｒｅ含量は３重量パーセント、コロンビウム含量は１．５重量パーセント、炭素含量は０．０３重量パーセント、及びホウ素含量は０．００４重量パーセントであった。表ＩＶのこれらの合金の各々の３００ポンドの非加熱材を評価のために調製した。
【００５５】
マッハ１．０のガス流の中で２２００゜Ｆまで１０３時間の間、１時間につき２０回サイクルでサイクル酸化試験を行い、重量損失を測定した。結果を図３に示す。
【００５６】
図２の説明に戻ると、ステップ４２で、溶融された合金を凝固して製品を形成する。凝固は、非配向多結晶の製品を生成する多方向熱流、方向的に整列した多結晶の製品を生成する実質的に一軸方向性凝固、或いは実質的に単結晶の製品を形成する、種晶、収縮、又は他の方法を用いる一軸方向性凝固のような、何らかの実行可能な形式とすることができる。
【００５７】
ステップ４４で、凝固した製品を、何らかの実行可能な方法によって任意選択的に後処理することができる。後処理には、洗浄、コーティング、研磨、機械加工などが含まれる。
【００５８】
これまで説明された方法は、基準Ｒｅｎｅ（登録商標）Ｎ５ニッケル基超合金の低タンタル修正を定めた。別の基準ニッケル基超合金の低タンタル修正は、同じ原理を用いて行うことができる。１つの方法において、コストが低減されるニッケル基超合金は、約５重量パーセントのタンタルを超える基準タンタル含量と、重量パーセントでの基準ハフニウム含量と基準コロンビウム含量と基準チタン含量と基準タングステン含量との和である基準合計量とを含む公称組成を有する基準ニッケル基超合金を最初に識別することによって選択される。幾つかの基準ニッケル基超合金が高タンタル含量であることから、これらは本発明の方法の用途における候補である。このような市販の基準ニッケル基超合金の例として、ＰＷＡ１４８４（公称８．７パーセント・タンタル）、Ｒｅｎｅ（登録商標）１４２（公称６．３５パーセント・タンタル）、及びＣＭＳＸ−４（公称６．５パーセント・タンタル）及びＣＭＳＸ−１０（公称７．５パーセント・タンタル）のようなＣＭＳＸ合金が含まれ、これらは、このような原理に従って修正して、許容可能な特性を維持しながら、これらのタンタル含量を低減することができる。
【００５９】
修正ニッケル基超合金は、基準タンタル含量よりも少なくとも１．５重量パーセント少ない修正タンタル含量と、基準合計量よりも少なくとも１．５重量パーセント多い、修正ハフニウム含量と修正コロンビウム含量と修正チタン含量と修正タングステン含量との和である修正基準合計量とを含む重量パーセントでの公称組成を有するように選択される。ハフニウム、コロンビウム、チタン、及びタングステンの合計量の増加が、少なくともタンタル含量の減少と同じ大きさであることが好ましい。また、修正ニッケル基超合金が、ゼロでない修正ハフニウム含量、ゼロでない修正コロンビウム含量、ゼロでない修正チタン含量、及びゼロでない修正タングステン含量を有することが好ましく、すなわち、これらの元素の全てがゼロでない量で存在しなければならない。またデータは、修正ニッケル基超合金における修正タングステン含量と修正モリブデン含量の合計量が、少なくとも約６．５重量パーセントでなければならないことを示している。
【００６０】
本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を実施例として示した添付図面と関連して好ましい実施形態に関する以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、本発明の範囲は、この好ましい実施形態に限定されるものではない。請求項に示された参照番号は、本発明の範囲を限定するものではなく、該請求項の理解を容易にすることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】ガスタービンブレードの透視図。
【図２】図１の製品を製作する方法のブロックフロー図。
【図３】試験された合金についてのサイクル酸化試験における酸化重量損失の棒グラフ。
【符号の説明】
【００６２】
２０  超合金製品
２２  ガスタービンブレード
２４  翼形部
２６  取り付け部
２８  プラットフォーム
【図１】
2004162173.tif 000007
【図２】
2004162173.tif 000008
【図３】
2004162173.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成15年10月24日(2003.10.24)
【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】請求項１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１１】
前記選択する段階が、前記修正基準合計量から前記基準合計量を減算した値の絶対値を前記修正タンタル含量から前記基準タンタル含量を減算した値の絶対値と少なくとも同じ大きさであるように選択する段階を含む請求項１０に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１２】
前記選択する段階が、ゼロでない修正ハフニウム含量と、ゼロでない修正コロンビウム含量と、ゼロでない修正チタン含量と、ゼロでない修正タングステン含量とを有するように前記修正ニッケル基超合金を選択する段階を含む請求項１０に記載の方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１３】
前記修正ニッケル基超合金における前記修正タングステン含量と修正モリブデン含量との合計量が、少なくとも約６．５重量パーセントである請求項１０に記載の方法。
【外国語明細書】
2004162173000001.pdf