(57)【要約】  本発明は、ニッケル基超合金、質量％で特にＣｏ＋Ｆｅ＋Ｍｎ  ０〜２０、Ａｌ  ４〜６、Ｃｒ＞１２〜２０、Ｔａ＞７．５〜１５、Ｔｉ  ０〜＜０．４５、Ｖ  ０〜１、Ｎｂ  ０〜＜０．２８、Ｍｏ  ０〜２．５、Ｍｏ＋Ｗ＋Ｒｅ＋Ｒｈ  ２〜８、Ｒｕ＋Ｏｓ＋Ｉｒ＋Ｐｔ＋Ｐｄ  ０〜４、Ｈｆ  ０〜１．５、Ｃ＋Ｂ＋Ｚｒ  ０〜０．５、Ｃａ＋Ｍｇ＋Ｃｕ  ０〜０．５、Ｙ＋Ｌａ＋Ｓｃ＋Ｃｅ＋アクチノイド＋ランタノイド  ０〜０．５、Ｓｉ  ０〜０．５、Ｎｉ  残り、および不可避の不純物からなるものを含む超合金に関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で
【表１】
2010507016.tif 000006
を含む、特にそれらからなるニッケル基超合金。
【請求項２】
チタン（Ｔｉ）が
０〜０．４０、
好ましくは０〜０．３５、
より好ましくは０〜０．３０および
最も好ましくは０〜０．２０
（質量％）の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載のニッケル基超合金。
【請求項３】
ニオブ（Ｎｂ）が、
０〜０．２５、
好ましくは０〜０．２０、
より好ましくは０〜０．１５および
最も好ましくは０〜０．１０
（質量％）の範囲であることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載のニッケル基超合金。
【請求項４】
炭素（Ｃ）が、
０〜０．１５、
好ましくは０〜０．０８、
より好ましくは０．０１〜０．０６および
最も好ましくは０．０２〜０．０４
（質量％）の範囲であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金。
【請求項５】
ホウ素（Ｂ）が、
０〜０．０２、
好ましくは０〜０．０１、
より好ましくは０．００１〜０．００８および
最も好ましくは０．００３〜０．００７
（質量％）の範囲であることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項に記載の超合金を含む、通常の鋳造部品。
【請求項７】
請求項１から５までのいずれか１項に記載の超合金を含む、一方向凝固部品。
【請求項８】
請求項１から５までのいずれか１項に記載の超合金を含む、単結晶部品。
【請求項９】
質量％で、
【表２】
2010507016.tif 000007
を含む、特にそれらからなる超合金からなる通常の鋳造部品あるいは単結晶部品。
【請求項１０】
部品がガスタービンの一部であることを特徴とする、請求項６から９までのいずれか１項に記載の部品。
【請求項１１】
バナジウム（Ｖ）元素が超合金中に存在することを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項１２】
ニオブ（Ｎｂ）が合金中に存在することを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項１３】
モリブデン（Ｍｏ）が合金中に、好ましくは１．０質量％〜２．４質量％で、より好ましくは１．７質量％のＭｏで存在することを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項１４】
ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）あるいはパラジウム（Ｐｄ）の少なくとも１つの元素が合金中に存在することを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項１５】
ハフニウム（Ｈｆ）元素が合金中に好ましくは０．１質量％よりも多く存在し、より好ましくはＨｆの量は０．１質量％であることを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項１６】
炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）あるいはジルコニウム（Ｚｒ）の少なくとも１つの元素が合金中に存在することを特徴とする、請求項１から１５までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項１７】
カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）あるいは銅（Ｃｕ）の少なくとも１つの元素が合金中に存在することを特徴とする、請求項１から１６までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項１８】
イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、セリウム（Ｃｅ）、アクチノイドあるいはランタノイドの少なくとも１つの元素が合金中に存在することを特徴とする、請求項１から１７までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項１９】
ケイ素（Ｓｉ）元素が合金中に存在することを特徴とする、請求項１から１８までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項２０】
コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）あるいはマンガン（Ｍｎ）の少なくとも１つの元素が合金中に存在することを特徴とする、請求項１から１９までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項２１】
Ｃｏが合金中に好ましくは２質量％〜４質量％のコバルト（Ｃｏ）で、より好ましくは３質量％で存在することを特徴とする、請求項１から２０までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項２２】
マンガン（Ｍｎ）が合金中に存在することを特徴とする、請求項１から２１までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項２３】
鉄（Ｆｅ）が合金中に存在することを特徴とする、請求項１から２２までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項２４】
チタン（Ｔｉ）が合金中に存在することを特徴とする、請求項１から２３までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項２５】
コバルト（Ｃｏ）および鉄（Ｆｅ）が合金中に存在することを特徴とし、且つＦｅの量がＣｏの量より少ないことを特徴とする、請求項１から２４までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項２６】
コバルト（Ｃｏ）およびマンガン（Ｍｎ）が合金中に存在することを特徴とし、且つＭｎの量がＣｏの量より少ないことを特徴とする、請求項１から２５までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項２７】
コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）および鉄（Ｆｅ）が合金中に存在することを特徴とし、且つＦｅおよびＭｎの量がＣｏの量より少ないことを特徴とする、請求項１から２６までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項２８】
クロム（Ｃｒ）の量が、
１４質量％〜１８質量％のＣｒであり、
好ましくは１６質量％
であることを特徴とする、請求項１から２７までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項２９】
タングステン（Ｗ）の量が、
１．７質量％〜２．８質量％であり、
特に２．３質量％
であることを特徴とする、請求項１から２８までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項３０】
アルミニウム（Ａｌ）の量が４．５質量％に等しい、あるいはそれより多いことを特徴とする、請求項１から２９までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項３１】
タンタル（Ｔａ）の量が、９質量％〜１１質量％であり、好ましくはＴａの量が１０質量％であることを特徴とする、請求項１から３０までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項３２】
ジルコニウム（Ｚｒ）およびホウ素（Ｂ）が合金中に存在することを特徴とする、請求項１から３１までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項３３】
ジルコニウム（Ｚｒ）の量が、
０．０２のＺｒより多い、あるいはそれに等しく、
特に０．０２質量％
であることを特徴とする、請求項１から３２までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項３４】
炭素（Ｃ）の量が、
０．０６質量％より多い、あるいはそれに等しく、
特に０．０６質量％
であることを特徴とする、請求項１から３３までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項３５】
ホウ素（Ｂ）の量が、
０．０１質量％より多い、あるいはそれに等しく、
特に０．０１質量％
であることを特徴とする、請求項１から３４までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項３６】
Ｈｆの最大量が０．５質量％であることを特徴とする、請求項１から３５までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項３７】
合金中にチタン（Ｔｉ）が存在しないことを特徴とする、請求項１から３６までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項３８】
合金中に鉄（Ｆｅ）が存在しないことを特徴とする、請求項１から３７までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項３９】
合金中にマンガン（Ｍｎ）が存在しないことを特徴とする、請求項１から３８までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項４０】
超合金がＮｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、ＣおよびＢを含む、好ましくはそれらからなることを特徴とする、請求項１から３９までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項４１】
アルミニウム（Ａｌ）の量が４．０質量％〜４．３質量％であることを特徴とする、請求項１から４０までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項４２】
合金中にチタン（Ｔｉ）が存在しないことを特徴とする、請求項１から４１までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項４３】
合金中にバナジウム（Ｖ）が存在しないことを特徴とする、請求項１から４２までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項４４】
合金中にニオブ（Ｎｂ）が存在しないことを特徴とする、請求項１から４３までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項４５】
合金中にケイ素（Ｓｉ）が存在しないことを特徴とする、請求項１から４４までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項４６】
クロム（Ｃｒ）含有率が１４質量％より高く、特に１４質量％であることを特徴とする、請求項１から４５までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項４７】
クロム（Ｃｒ）含有率が１６質量％より高く、特に１６質量％であることを特徴とする、請求項１から４６までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【請求項４８】
タンタル（Ｔａ）の量が１０質量％より高く、特に１０質量％であることを特徴とする、請求項１から４７までのいずれか１項に記載のニッケル基超合金あるいは部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はニッケル基超合金、およびそれらの合金を含有する部品に関する。
【０００２】
ニッケル基合金は、高強度および高温での化学的な腐食に対する強い耐性の兼備が必要とされる用途において使用されている。それらはガスタービンの部品、例えばブレードおよびベーンの製造に用いられる。それらのパーツはタービンの熱い部分に配置され、従って高温および浸食性の雰囲気に耐えなければならない。
【０００３】
ニッケル基超合金および上述の種類の部品は、例えばＵＳ６８１８０７７号、ＵＳ６４１９７６３号、ＵＳ６１７７０４６号、ＥＰ０７８９０８７号およびＥＰ０６３７４７４号内に開示される。
【０００４】
高強度、高酸化耐性、高腐食耐性、微細構造の安定性、および大きな熱処理ウィンドウを兼備したニッケル基超合金を提供することが本発明の課題である。前記の超合金を含む部品を提供することが本発明のさらなる課題である。
【０００５】
それらの課題は、請求項１に記載の超合金および請求項６、７、８および９に記載の部品によって解決される。
【０００６】
本発明のニッケル基超合金は、質量％で
【表１】
2010507016.tif 000002
を含む。
【０００７】
特に、該超合金はこれらの元素からなる。特に、随意に１つ、複数、あるいは全ての表示された元素が該合金中に存在する。"存在する"は、この元素の量が、ニッケル基超合金中でこの元素の既知の不純物レベルより高く、測定可能であることを意味する。それはこの元素の量がニッケル粉末ベースの合金中でこの元素の不純物レベルの少なくとも２倍であることを意味する。
【０００８】
該合金は有意なレベルのＡｌ、ＣｒおよびＴａを含有し、高強度、高酸化耐性、および高腐食耐性の兼備を提供する。
【０００９】
Ｔａに加えて、ガンマプライム粒子の他の強化材、例えばＴｉ、ＮｂおよびＶを超合金に添加できるが、しかし、それらが酸化耐性に有害であることから、それらを制限された量以下で添加しなければならない。
【００１０】
Ｔｉの量は０．４５質量％を超えるべきではなく、Ｎｂの量は０．２８質量％を超えるべきではなく、且つ、Ｖの量は１質量％をそれぞれ超えるべきではない。
【００１１】
マトリックス強化元素、Ｍｏ、Ｗ、ＲｅおよびＲｈの量は２〜８質量％である。
【００１２】
他の元素、例えばＨｆ、Ｃ、Ｂ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｙ、Ｌａ、Ｓｃ、Ｃｅ、アクチノイドおよびランタノイド、およびＳｉが超合金中に存在し、その特性を特定のニーズ、例えば粒界の強化、酸化物スケール防御および特定の被膜系との相容性に適合し得る。
【００１３】
Ｔｉの含有率は０〜０．４０（質量％）の範囲であってよい。好ましくは、それは０〜０．３５、より好ましくは０〜０．３０および最も好ましくは０〜０．２０であってよい。
【００１４】
Ｎｂの含有率（質量％）が０〜０．２５、好ましくは０〜０．２０、より好ましくは０〜０．１５および最も好ましくは０〜０．１０の範囲であってよいことも判明した。
【００１５】
本発明の他の実施態様によれば、Ｃの含有率（質量％）は０〜０．１５、好ましくは０〜０．０８、より好ましくは０．０１〜０．０６および最も好ましくは０．０２〜０．０４の範囲であってよい。
【００１６】
本発明の超合金は、０〜０．０２、好ましくは０〜０．０１、より好ましくは０．００１〜０．００８および最も好ましくは０．００３〜０．００７の範囲（質量％）でＢも含有してよい。
【００１７】
本発明の１つの態様によれば、該超合金を含む通常の鋳造部品、一方向凝固部品、および単結晶部品が提供される。
【００１８】
本発明の他の態様によれば、通常の鋳造部品あるいは単結晶部品が超合金からなり、該超合金は質量％で
【表２】
2010507016.tif 000003
を含む。
【００１９】
特に、該超合金はそれらの元素からなる。
【００２０】
本発明の部品は、特にガスタービンの一部、例えばタービンブレードあるいはベーン、あるいは充填材として、例えばガスタービン部品のレーザー溶接用であってよい。
【００２１】
以下に、本発明の１つの好ましい実施態様を説明する。表１に示される組成を有する超合金が鋳造された。
【００２２】
【表３】
2010507016.tif 000004
【００２３】
特に、該超合金はＮｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｔａ、Ｈｆ、ＣおよびＢの元素を含み、且つ非常に特別にはそれらの元素のみからなる。
【００２４】
表１の鋳造超合金の特性を特徴付けるために、種々の実験を実施した。
【００２５】
４時間の溶解実験を４時間、１２２０、１２５０、１２６０、１２７０および１３００℃で行い、その後、水焼き入れを行った。１２２０℃で残留粒子が見られ、且つ１２５０、１２６０、１２７０および１３００℃で融解の前兆なく完全な溶解が観察された。
【００２６】
さらなる熱処理を１２５０℃で８時間、１１００℃で４時間、および８５０℃で２４時間適用した。ＳＥＭおよびＴＥＭ分析は、側長〜０．３５μｍの一次粒子を有する非常に規則的な微細構造および有意な量の二次粒子を示した（図１および２を参照）。
【００２７】
わずかなＴＣＰ相も見られなかった。粒子含有率は〜６０容積％であると測定された。
【００２８】
この比較的高い粒子含有率では、通常、前記の大きい熱処理ウィンドウを得ること、あるいは脆性相の析出なしで１４％ものＣｒを含むことは困難である。
【００２９】
従って、Ｃｒ、ＴａおよびＡｌを中心に多くて中程度のレベルの他の合金元素とで、大きな熱処理ウィンドウおよび良好な微細構造の安定性が提供されることが示された。酸化耐性に対して、Ａｌが非常に有益、ＣｒおよびＴａが有益、ＭｏおよびＷが少し有害（且つＴｉ、ＮｂおよびＶが有害）であるとみなされるため、表１の組成物は高い酸化耐性を有するであろう。１４％のＣｒおよび低レベルの有害元素Ｍｏでは、それは高い腐食耐性も有するであろう。
【００３０】
中程度のレベルのＭｏおよびＷで担持された１０％ものＴａを有する場合もまた高い強度を有する。なぜならＴａが非常に効力のある強化元素だからである。その結果、それは高強度、高酸化耐性、高腐食耐性、微細構造の安定性、および大きな熱処理ウィンドウにおける我々の要求を満たす。
【００３１】
表２は本発明のさらに好ましい実施態様を示す。
【００３２】
【表４】
2010507016.tif 000005
【００３３】
特に、該合金はＮｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、ＣおよびＢの元素を含み、且つ非常に特別にはそれらの元素のみからなる。
【００３４】
最も高い酸化耐性合金、例えばＣＭＳＸ−４は＞５％のＡｌを含有し、且つ製造工程で鋳造されて＜５ｐｐｍのＳ、および最近では＜０．５ｐｐｍもの低いＳのレベルで得られる。
【００３５】
表２の組成物は、〜３０ｐｐｍであると見積もられる硫黄（Ｓ）の平均含有率を有し、その際、それは極めて有害であり、且つＡｌ含有率は比較的、中程度の４．５％である。
【００３６】
それにもかかわらず、表２の該合金における周期的な酸化試験は、１時間のサイクル時間および１１００℃の試験温度の厳しい試験条件の下で３００時間の安定した反応を示し、それは安定なアルミナを形成する能力、即ち高い酸化耐性を示す。従って、Ｃｒ、ＴａおよびＡｌを中心に多くて中程度のレベルの他の合金元素とで、高い酸化耐性が提供されることが示された。
【００３７】
表２の組成物は表１の組成物よりも低い粒子含有率を有し、約６０容積％ではなく約４５容積％であり、従って、より大きい熱処理ウィンドウを有し、且つ、少なくとも安定なはずである。１６％のＣｒおよび低レベルの有害元素Ｍｏによって、それは高い腐食耐性も有する。
【００３８】
中程度のレベルのＭｏおよびＷで担持された１０％ものＴａによって、それは高い強度も有する。なぜならＴａが非常に効力のある強化元素だからである。
【００３９】
その結果、それは高強度、高酸化耐性、高腐食耐性、微細構造の安定性、および大きな熱処理ウィンドウにおける我々の要求を満たす。
【国際調査報告】
2010507016.tif 000008
2010507016.tif 000009
2010507016.tif 000010