(57)【要約】  例えば、タービンディスク、圧縮器ディスク、ブリスク、シール、シャフト、リテイナ又は他のターボ機械構成要素等の構造的構成要素（１０）を製作するのに適したガンマプライムニッケル基超合金。超合金は、最大２．０％の意図的な量の鉄を備え、好ましくは、鉄を有しないニッケル基超合金に匹敵する構造的特性を呈することができる。超合金は、鉄含有合金の屑材および廃材の有利な利用に適応させる処理を用いて作られ得る。超合金は、観察可能な量のシグマ相を有しない。【選択図】図１
2015529743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量で、約１５．０〜１７．０％のクロム、約１２．０〜１４．０％のコバルト、約３．５〜４．５％のモリブデン、約３．５〜４．５％のタングステン、約１．５〜２．５％のアルミニウム、約３．２〜４．２％のチタン、約０．５〜１．０％のニオブ、約０．０１０〜０．０６０％の炭素、約０．０１０〜０．０６０％のジルコニウム、約０．０１０〜０．０４０％のホウ素、約０．０〜０．３％のハフニウム、約０．０〜０．０１％のバナジウム、および約０．０〜０．０１％のイットリウム、残部のニッケルおよび随伴不純物によって定義される組成空間に属する組成を備え、不純物レベルを超える最大２．０％の量の鉄をさらに含有し、観察可能な量のシグマ相を有しない、ガンマプライムニッケル基超合金。
【請求項２】
請求項１に記載のガンマプライムニッケル基超合金で形成された構成要素（１０）。
【請求項３】
タービンディスク、圧縮器ディスク、ブリスク、シール、シャフトまたはリテイナである、請求項２に記載の構成要素（１０）。
【請求項４】
請求項２に記載の構成要素（１０）を製作する方法であって、
少なくとも１つの鉄含有合金を原材料に添加し、前記鉄含有合金および前記原材料を溶融して前記超合金を生成するステップ、
少なくとも１つの鉄含有屑材合金を原材料に添加し、前記鉄含有屑材合金および前記原材料を溶融して前記超合金を生成するステップ、および、
鉄含有合金を溶融するために直前に使用された溶融装置を用いて、前記鉄含有合金の残留物を除去するために前記溶融装置を清掃することなく、前記超合金を溶融するステップ、
から成る群から選択された少なくとも１つのステップ
を備える、方法。
【請求項５】
請求項１に記載のガンマプライムニッケル基超合金を生成する方法であって、
少なくとも１つの鉄含有合金を原材料に添加し、前記鉄含有合金および前記原材料を溶融して前記超合金を生成するステップ、
少なくとも１つの鉄含有屑材合金を原材料に添加し、前記鉄含有屑材合金および前記原材料を溶融して前記超合金を生成するステップ、および、
鉄含有合金を溶融するために直前に使用された溶融装置を用いて、前記鉄含有合金の残留物を除去するために前記溶融装置を清掃することなく、前記超合金を溶融するステップ、
から成る群から選択された少なくとも１つのステップ
を備える、方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つの鉄含有合金が、重量で、５０〜５５％のニッケル、１７〜２１％のクロム、２．８〜３．３３％のモリブデン、４．７５〜５．５％のニオブ、０〜１．０％のコバルト、０．６５〜１．１５％のチタン、０．２〜０．８％のアルミニウム、０〜０．３５％のマンガン、０〜０．３％の銅、０〜０．０８％の炭素、０〜０．００６％のホウ素、残部の鉄および随伴不純物を備える、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
重量で、
１５．８〜１６．２％のクロム、
１２．９〜１３．３％のコバルト、
３．９５〜４．１％のモリブデン、
３．９〜４．１％のタングステン、
２．０１〜２．２４％のアルミニウム、
３．６〜３．９％のチタン、
０．６７〜０．７４％のニオブ、
０．０１２〜０．０２％のホウ素、
０．００５〜０．０１１％の炭素、
０．０２〜０．０６％のジルコニウム、
０．０〜０．３％のハフニウム、
０．０〜０．０１％のバナジウム、
０．０〜０．０１％のイットリウム、
０〜０．００３５％の窒素、および、
不純物レベルを超える最大１．３４％の量の鉄、
残部の本質的にニッケルおよび随伴不純物、
から成る組成の、請求項１に記載のガンマプライムニッケル基超合金。
【請求項８】
請求項７に記載のガンマプライムニッケル基超合金で形成された構成要素（１０）。
【請求項９】
請求項８に記載の構成要素（１０）を製作する方法であって、
少なくとも１つの鉄含有合金を原材料に添加し、前記鉄含有合金および前記原材料を溶融して前記超合金を生成するステップ、
少なくとも１つの鉄含有屑材合金を原材料に添加し、前記鉄含有屑材合金および前記原材料を溶融して前記超合金を生成するステップ、および、
鉄含有合金を溶融するために直前に使用された溶融装置を用いて、前記鉄含有合金の残留物を除去するために前記溶融装置を清掃することなく、前記超合金を溶融するステップ、
から成る群から選択された少なくとも１つのステップ
を備える、方法。
【請求項１０】
タービンディスク（１０）、圧縮器ディスク、ブリスク、シール、シャフトまたはリテイナである、請求項８に記載の構成要素（１０）。
【請求項１１】
請求項１０に記載の構成要素（１０）を製作する方法であって、
少なくとも１つの鉄含有合金を原材料に添加し、前記鉄含有合金および前記原材料を溶融して前記超合金を生成するステップ、
少なくとも１つの鉄含有屑材合金を原材料に添加し、前記鉄含有屑材合金および前記原材料を溶融して前記超合金を生成するステップ、および、
鉄含有合金を溶融するために直前に使用された溶融装置を用いて、前記鉄含有合金の残留物を除去するために前記溶融装置を清掃することなく、前記超合金を溶融するステップ、
から成る群から選択された少なくとも１つのステップ
を備える、方法。
【請求項１２】
重量で、約０．６〜約１．３４％の鉄を含有する、請求項１に記載のガンマプライムニッケル基超合金。
【請求項１３】
重量で、
１２．９〜１３．３％のコバルト、
１５．８〜１６．２％のクロム、
３．９５〜４．１％のモリブデン、
３．９〜４．１％のタングステン、
２．０１〜２．２４％のアルミニウム、
３．６〜３．９％のチタン、
０．６〜０．８％のニオブ、
０．０１２〜０．０２％のホウ素、
０．００５〜０．０１１％の炭素、
０．０２〜０．０６％のジルコニウム、
０．０〜０．３％のハフニウム、
０．０〜０．０１％のバナジウム、
０．０〜０．０１％のイットリウム、
０〜０．００３５％の窒素、および、
不純物レベルを超える最大１．３４％の量の鉄、
残部の本質的にニッケルおよび不純物、
から成るガンマプライムニッケル基超合金を生成する方法であって、
少なくとも１つの鉄含有合金を原材料に添加し、前記鉄含有合金および前記原材料を溶融して前記超合金を生成するステップ、
少なくとも１つの鉄含有屑材合金を原材料に添加し、前記鉄含有屑材合金および前記原材料を溶融して前記超合金を生成するステップ、および、
鉄含有合金を溶融するために直前に使用された溶融装置を用いて、前記鉄含有合金の残留物を除去するために前記溶融装置を清掃することなく、前記超合金を溶融するステップ、
から成る群から選択された少なくとも１つのステップ
を備える、方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの鉄含有合金が、複数の鉄含有合金を備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの鉄含有合金が、重量で、５０〜５５％のニッケル、１７〜２１％のクロム、２．８〜３．３３％のモリブデン、４．７５〜５．５％のニオブ、０〜１．０％のコバルト、０．６５〜１．１５％のチタン、０．２〜０．８％のアルミニウム、０〜０．３５％のマンガン、０〜０．３％の銅、０〜０．０８％の炭素、０〜０．００６％のホウ素、残部の鉄および随伴不純物を備える、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して合金組成に関し、特に、多結晶性微細構造ならびに高温の滞留特性および／またはクリープ特性の両方を必要とする、例えばガスタービンエンジンのタービンディスク等の構成要素に適した超合金に関する。そのような合金は、マルチグレイン方向性凝固形態または単結晶形態において有用でもあり得る。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンのタービンセクションは、燃焼器セクションの下流に位置し、ロータシャフトと、シャフトに装着され、そうでなければシャフトによって支持されたタービンディスク（ロータ）をそれぞれに有する１つ以上のタービン段と、ディスクの周縁に装着されまたはディスクの周縁から径方向に延びるタービンブレードとを収容する。燃焼器内およびタービンセクション内の構成要素は、高温燃焼ガスから生じる高温の中で容認可能な機械的特性を実現するために、しばしば超合金材料で形成される。最新の高圧力比ガスタービンエンジンにおける高い圧縮器出口温度も、圧縮器ディスク、ブリスクおよび他の構成要素のための高性能超合金の使用を必要ならしめ得る。所与の構成要素に適した合金組成および微細構造は、構成要素が晒される個別の温度、応力および他の条件に依存する。例えば、ブレードおよびベーン等の翼構成要素は、しばしば等軸方向性凝固（ＤＳ）または単結晶（ＳＸ）の超合金で形成されるが、タービンディスクは、典型的に、制御された結晶粒構造および所望の機械的特性を有する多結晶性微細構造を生成するために、注意深く制御された鋳造、熱処理および表面処理を受けなければならない、超合金で形成される。
【０００３】
タービンディスクは、ニッケルと組み合わされてガンマ（γ）マトリクスを形成する、クロム、タングステン、モリブデン、レニウムおよび／またはコバルトを主成分として含有するとともに、ニッケルと組み合わされて、主としてＮｉ3（Ａｌ，Ｔｉ）である所望のガンマプライム析出強化型相を形成する、アルミニウム、チタン、タンタル、ニオブおよび／またはバナジウムを主成分として含有する、ガンマプライム（γＮ）析出強化型ニッケル基超合金（以下、ガンマプライムニッケル基超合金）でしばしば形成される。具体的に代表的なガンマプライムニッケル基超合金は、Ｒｅｎｅ８８ＤＴ（Ｒ８８ＤＴ、米国特許第４，９５７，５６７号）およびＲｅｎｅ１０４（Ｒ１０４、米国特許第６，５２１，１７５号）、ならびにＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｎｉｍｏｎｉｃ（登録商標）およびＵｄｉｍｅｔ（登録商標）の商標の下で市販されている幾つかのニッケル基超合金を含む。Ｒ８８ＤＴは、重量で、約１５．０〜１７．０％のクロム、約１２．０〜１４．０％のコバルト、約３．５〜４．５％のモリブデン、約３．５〜４．５％のタングステン、約１．５〜２．５％のアルミニウム、約３．２〜４．２％のチタン、約０．５〜１．０％のニオブ、約０．０１０〜０．０６０％の炭素、約０．０１０〜０．０６０％のジルコニウム、約０．０１０〜０．０４０％のホウ素、約０．０〜０．３％のハフニウム、約０．０〜０．０１％のバナジウム、および約０．０〜０．０１％のイットリウム、残部のニッケルおよび随伴不純物の組成を有する。
【０００４】
ディスクおよび他の重要なガスタービンエンジン構成要素は、粉末治金（Ｐ／Ｍ）、従来の鋳鍛造加工、および溶射鋳造もしくは核形成鋳造の成形技術によって生成されたビレットからしばしば鋳造される。粉末治金によって形成されたガンマプライムニッケル基超合金は、特に、タービンディスクおよび幾つかの他のガスタービンエンジン構成要素の性能要求を満たす、クリープ、引張および疲労クラック成長の特性の良好な均衡をもたらすことができる。典型的な粉末治金処理において、所望の超合金の粉末は、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）および／または押出し圧密等の圧密を受ける。得られたビレットは、次いで、著しい治金歪みの蓄積なしに高い幾何歪みの蓄積によって金型キャビティの充填を可能にする超塑性成形条件に近付くように、合金のガンマプライムソルバス温度よりも僅かに低い温度で等温鋳造される。これらの加工ステップは、ビレットの元の微細結晶粒径（例えば、ＡＳＴＭ１０〜１３またはさらに微細な）を保持し、ニアネットシェイプの鋳造金型を充填するための高塑性を実現し、鋳造中の破損を回避し、比較的低い鋳造および金型の応力を維持するように設計される。そのような合金は、ガンマプライムソルバスの上または下の温度で熱処理され得る。やや高い温度での降伏強度および延性を向上するために、これらの合金は、均一な微細結晶粒を維持するために、それらのガンマプライムソルバス温度未満で熱処理（一般にサブソルバス熱処理と称される。）され得る。さらに高い温度での疲労クラック成長抵抗性および機械的特性を向上するために、これらの合金は、著しい均一な粗粒化を引き起こすために、それらのガンマプライムソルバス温度超で熱処理（一般にスーパソルバス熱処理と称される。）される。
【０００５】
Ｒ８８ＤＴを含む現在の合金は、ロータ性能特性の著しい向上をもたらしている。しかし、これら合金の生成の経済性および実施可能性の向上が引き続き求められる。上質な合金の生成を維持しながら低コストの加工を実現するための主要因は、合金の生成にしばしば使用される溶融処理および粉末治金処理への投入として、屑材および廃材を高度に利用することを含む。廃材材料は、しばしば、材料の公称組成の固体またはチップの形態であるが、屑材材料の公称組成は、異なる組成であり得、生成される所望の合金の組成において意図されない元素を含有し得る。様々な組成の合金は、他の基本的な投入材料とともに、廃材材料または屑材材料のいずれかとして溶融バッチ用の投入材料として使用され得る。要求は、投入材料の集合体の化学的性質が、生成が望まれる合金の許容可能な組成範囲を満たすことである。投入材料のそのような組合せは、複合則によって誘導され、標準的な溶融過程において確立され、最新技術として現在利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０５６３５４号明細書
【発明の概要】
【０００７】
ロータ品質の超合金は、粉末加工および溶融加工を含む様々な処理によって生成され得る。Ｒ８８ＤＴは、典型的に、粉末金属加工を用いて製造される。ニッケル基超合金ＩＮ７１８等の幾つかの他のディスク合金は、典型的に、従来の溶融処理を用いて生成される。コスト効率を向上するために、Ｒ８８ＤＴおよび同様の合金は、ＩＮ７１８を生成するために使用されるのと同じ溶融およびビレット製造装置によって、屑材および廃材を利用する従来の溶融処理を用いて生成されることが望ましい。ＩＮ７１８について報告されている公称の元素組成範囲は、重量で、５０〜５５％のニッケル、１７〜２１％のクロム、２．８〜３．３３％のモリブデン、４．７５〜５．５％のニオブ、０〜１．０％のコバルト、０．６５〜１．１５％のチタン、０．２〜０．８％のアルミニウム、０〜０．３５％のマンガン、０〜０．３％の銅、０〜０．０８％の炭素、０〜０．００６％のホウ素、残部の鉄（公称で１８．５％）および随伴不純物である。超合金の中でもＩＮ７１８は、鍛造ニッケル基超合金の工業的な全生成量のほぼ４５％であると報告される、その全面的な使用によって際立っている。この使用レベルによって、多くのＲ８８ＤＴの廃材形態、特にチップおよび他の超合金屑材にＩＮ７１８を混ぜ合わせる実際的な可能性も存在する。しかし、ＩＮ７１８の著しい鉄含有量を容認する可能性は、Ｒ８８ＤＴのためのコスト効率的な廃材および屑材の利用を制限する要因であり、これは、上述したように、Ｒ８８ＤＴが鉄を成分として含有しないためである。Ｒ８８ＤＴは、鉄によって汚染されると、一般に（Ｆｅ，Ｍｏ）x（Ｎｉ，Ｃｏ）y、（ここで、ｘおよびｙ＝１〜７）である、観察可能な量のシグマ相の形成をＲ８８ＤＴ中に招くことがあると、一般に信じられている。シグマ相は、ガンマプライムニッケル基合金の機械的能力に悪影響を及ぼし得る良く知られたトポロジー的最密充填（ＴＣＰ）相である。この議論の文脈において、観察可能な量は、エッチングされた適当な金属標本において５００Ｘの光学倍率で見られ得る量であると考えられる。よって、Ｒ８８ＤＴの生成に用いられる屑材または廃材の利用は、Ｒ８８ＤＴにおいて望ましくない鉄汚染およびシグマ相の形成を高い確率で伴うであろう。
【０００８】
鉄の交叉汚染を防止しながらＩＮ７１８の屑材または廃材を高度に利用する、従来の試みは、様々な合金のチップの物理的な分離による合金偏析を含む。残念なことに、そのような方法は、追加の人材育成および分離したチップまたは容器の維持に関して著しい制限を有する。加えて、鉄含有合金の生成のために従前に使用されたであろう、溶融装置または溶融操作もしくは加工装置からの汚染も存在し得、この場合、様々な合金の生成のための切替えの間に装置の大規模な清掃が必要である。
【０００９】
鉄汚染を防止する上述の方法は、貴重な材料および／または生成効率の喪失を生じさせる。よって、そのことは、ガンマプライムニッケル基超合金が、屑材および廃材の鉄含有合金の使用または偶発性の鉄汚染を含む廃材の使用が許されるように鉄の存在を容認し得ながら、Ｒ８８ＤＴと同様の特性を有することができるように開発され得る場合に望ましい。そのことは、Ｒ８８ＤＴの組成空間内に属する超合金組成が、シグマ相の形成を招かず、よって超合金の機械的特性に悪影響を及ぼさない計測可能な量の鉄添加物に適応することが特定される場合にさらに望ましい。
【００１０】
本発明は、タービンディスク、圧縮器ディスク、ブリスク、シール、シャフトまたはリテイナ等の構成要素を形成するための使用に適するとともに、そのような超合金を生成するための、屑材および廃材の使用を許容する処理に適する、ガンマプライムニッケル基超合金を提供する。超合金は、それらの組成中に限定量の鉄を受け入れ、特に、粉末治金処理された種類のＲ８８ＤＴを含むＲ８８ＤＴにおいては過剰かつ許容不能であると従前に考えられた鉄含有量を許容しながら、Ｒ８８ＤＴの物理化学的特性と同様の特性を実現するのに良く適している。
【００１１】
本発明の第１の態様によれば、ガンマプライムニッケル基超合金は、重量で、以下の範囲：１５．８〜１６．２％のクロム、約１２．９〜１３．３％のコバルト、約３．９５〜４．１％のモリブデン、約３．９〜４．１％のタングステン、約２．０１〜２．２４％のアルミニウム、約３．６〜３．９％のチタン、約０．５〜１．０％のニオブ、約０．０１０〜０．０６０％の炭素、約０．０２〜０．０６％のジルコニウム、約０．０１０〜０．０４０％のホウ素、約０．０〜０．３％のハフニウム、約０．０〜０．０１％のバナジウム、および約０．０〜０．０１％のイットリウム、残部のニッケルおよび随伴不純物によって定義される組成空間に属する組成を備え、不純物レベルを超える最大２．０％の量の鉄をさらに含有し、観察可能な量のシグマ相を有しない。
【００１２】
本発明の第２の態様によれば、ガスタービンエンジンの、タービンディスク、圧縮器のディスクおよびブリスク、シール、シャフトおよびリテイナを具体例として含む構造的構成要素が、上述した超合金から形成され得る。
【００１３】
本発明の第３の態様は、上述した超合金を生成する方法であり、方法は、意図的または非意図的のいずれかにより鉄を含有する合金の屑材および廃材の使用、および／または、鉄含有合金を生成した後の大規模な清掃を伴わずに溶融および溶融操作装置を使用することを含む。
【００１４】
本発明の技術的効果は、上述した超合金が、Ｒ８８ＤＴまたは高温特性に関して一定の微細構造に設計および加工された同様の合金とほぼ同じ特性ならびに構造的および化学的特性を提供できることであり、著しい鉄含有量を許容するが所望の微細構造を実現するための適当な加工によって入手し得ることである。このようにして、超合金は、少ない材料廃棄、屑材および廃材の高度な利用、加工装置、屑材およびチップ操作装置、溶融および溶融操作装置の少ない清掃、ならびに人材および時間の少ない必要性を伴って、経済的かつ効率的に生成することができる。
【００１５】
この発明の他の態様および利点は、以下の詳細な説明から良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ガスタービンエンジンに使用される形式のタービンディスクの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、ニッケル基合金を対象とし、特に、熱間加工（鋳造等）操作によって生成される構成要素に適したガンマプライムニッケル基合金を対象とする。図１に表された具体的であるが非限定的な例は、ガスタービンエンジン用の高圧タービンディスク１０である。本発明は、ガスタービンエンジン用の高圧タービンディスクに適した合金を参照して議論されるが、当業者は、この発明の教示および利益が、ガスタービンエンジンの圧縮器ディスク、ブレードおよびブリスク、ならびに高温で応力を受け、したがって高温特性によって利益を被る多くの他の構成要素にも適用可能であることを理解するであろう。
【００１８】
図１に示す形式のディスクは、典型的に、粉末治金（Ｐ／Ｍ）、鋳鍛造加工、または溶射鋳造もしくは核形成鋳造形式の技術によって形成された微細結晶粒ビレットを等温鋳造することによって生成される。粉末治金処理を利用する具体的な実施形態において、ビレットは、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）、押出し圧密、またはこれらの組合せ等によって、所望のニッケル基合金の粉末を圧密することにより形成され得る。他の形態において、ビレットは、鋳塊を鋳造し、後続の鋳造操作に適したビレット形態に材料を加工することによって形成される。ビレットは、典型的に、合金の再結晶温度または再結晶温度付近であるが合金のガンマプライムソルバス温度未満で鋳造され、ビレットが粉末治金処理によって形成される場合には超塑性成形条件下で形成される。鋳造の後、サブソルバスまたはスーパソルバス（溶液）熱処理が行われ、その最中には、当該分野で良く知られている、熱処理温度からガンマプライムソルバス温度の近くと調和した結晶粒成長が生じる。加工された結晶粒構造を再結晶化するとともに超合金中のガンマプライム析出物を溶解（溶液）して、著しい結晶粒成長が生じることを可能にするために、スーパソルバス溶液熱処理は、超合金のガンマプライムソルバス温度を超える（しかし、初期溶融温度未満の）温度で行われる。代わりに、サブソルバス溶液熱処理は、微細結晶粒径が幾つかの応用のために維持され得るように、超合金中のガンマプライム析出物を部分的に溶解（溶液）するために、超合金のガンマプライムソルバス温度未満（および析出溶解温度未満）の温度で行われる。溶液熱処理に続いて、所望の具体的な機械的特性を実現するために、構成要素は、ガンママトリクス内または結晶粒境界のガンマプライムを再析出するために適当な速度で冷却される。構成要素は、既知の技術を用いる、エイジングまたは応力解放を受け得る。
【００１９】
本発明は、Ｒｅｎｅ８８ＤＴ（Ｒ８８ＤＴ、米国特許第４，９５７，５６７号）を含む、他のニッケル基超合金と幾つかの類似点を共有する一組の組成を開示する。本発明は、特に、特に鋳鍛造形態で生成されるときの、サブソルバス微細結晶粒条件で最も有利となるＲ８８ＤＴの構造的および機械的な属性を維持することを目的とする。しかし、商業的配合において許容される現在の組成範囲の幾つかにおいて、Ｒ８８ＤＴは、所望の機械的特性を維持するとともに観察可能な量のシグマ相を回避しながら著しい鉄汚染を受け入れることができないと考えられる。特に、従来の知見は、Ｒ８８ＤＴへの鉄の導入が、Ｒ８８ＤＴの機械的特性に有害と成り得るシグマ相の形成を促進するというものである。これにより、従来の実務は、観察可能な量のシグマ相の不在を確実にするとともに、Ｒ８８ＤＴの機械的特性が妥協されないために、Ｒ８８ＤＴの鉄汚染を回避するというものである。よって、Ｒ８８ＤＴは、鉄汚染の著しいリスクが存在する場合には、その最も広範な組成範囲において、前述した屑材および廃材の利用法によって効率的に処理されることが保証され得ない。対照的に本発明の超合金は、構造的および化学的に有利な特徴、特に、Ｒ８８ＤＴのサブソルバス微細結晶粒条件の特徴とともに、特に鋳鍛造形態で生成されるときの特徴を犠牲にせずに、鉄汚染の著しい量を受け入れることができる。結果として、この発明の超合金は、意図的または非意図的のいずれかで鉄を含有する合金の屑材および廃材の利用を可能にすることができ、鉄含有合金を生成した後の大規模な清掃を伴わずに、加工装置、屑材および廃材操作装置、ならびに溶融および溶融操作装置の利用を有利に可能にすることができる。鉄含有合金の代表例は、ＩＮ７１８である。
【００２０】
鉄を含有するがＲ８８ＤＴと同様の特性を有するガンマプライムニッケル基超合金の組成を特定するために、合金相の安定性をモデリングすることによって、許容可能な目標鉄含有量が最初に特定された。相安定性モデリングは、鉄含有量の増加の最大の影響がシグマソルバス温度の増加であることを示した。合金の相安定性モデリングは、シグマ相の形成が鉄含有量０で熱力学的に可能であることを示唆した。しかし、経験は、鉄含有量０の低ソルバス温度が形成の動態を主要な制御要因にすること、および観察可能なシグマ形成が生じないことを示している。重量で２．０％の鉄をＲ８８ＤＴに添加すると、シグマソルバス温度は、望ましい熱処理エイジング温度と一致するほぼ１４００°Ｆ（７６０℃）となり、シグマ相の形成が熱力学的に可能であることを示している。しかし、十分に低い温度では、相形成の動態が、熱力学的に予測される全ての相の形成にとって、しばしば望ましくないことが知られている。この現象は、潜在的な最大鉄含有量であり、それ未満の量では、動態が、シグマ相の形成を制御するとともにシグマ相の形成の観察可能な量にとって望ましくない、最大鉄含有量が存在することを示唆した。
【００２１】
ここでは、Ｒ８８ＤＴについて上述した範囲に属するが、例えば、約０．６、１．３または１．３４重量％の鉄含有量である、意図的な量の鉄をさらに含有するように生成された超合金組成であると定義される、Ｒ８８ＤＴの組成空間における組成を利用して幾らかの熱が生成された。合金は、見掛けの熱処理条件で評価され、観察可能な量のシグマ相を有しないことが確認された。このデータの分析に基づいて、これらの鉄含有合金の元素組成が、観察可能な量のシグマ相を有しない容認可能な範囲を提示するために＋／−３の標準偏差が取られた。実験的に、最大１４００°Ｆ（７６０℃）で最大１０，０００時間の長期暴露試験は、この鉄制限量の容認可能性を確認する、観察可能な量のシグマ相の欠如を確認した。シグマ相の形成は、適当にエッチングされた金属試料を利用して最小５００Ｘの光学検査によって評価された。シグマ相であると疑われる任意の微細構造の特徴は、シグマ相の不在を最終的に判断するために、追加の化学組成分析および結晶分析を受けた。この分析に基づいて、適当な組成は、重量で、１５．８〜１６．２％のクロム、１２．９〜１３．３％のコバルト、３．９５〜４．１％のモリブデン、３．９〜４．１％のタングステン、２．０１〜２．２４％のアルミニウム、３．６〜３．９％のチタン、０．６７〜０．７４％のニオブ、０．０１２〜０．０２％のホウ素、約０．０〜０．３％のハフニウム、約０．０〜０．０１％のバナジウム、および約０．０〜０．０１％のイットリウム、０．００５〜０．０１１％の炭素、０．０２〜０．０６％のジルコニウム、および、約０．６〜約１．３％の量の鉄、残部のニッケルおよび随伴不純物を備え、より好ましくは、これらから成る。より広範には、調査に基づいて、この発明のガンマプライムニッケル基超合金は、重量で、約１５．０〜１７．０％のクロム、約１２．０〜１４．０％のコバルト、約３．５〜４．５％のモリブデン、約３．５〜４．５％のタングステン、約１．５〜２．５％のアルミニウム、約３．２〜４．２％のチタン、約０．５〜１．０％のニオブ、約０．０１０〜０．０６０％の炭素、約０．０１０〜０．０６０％のジルコニウム、約０．０１０〜０．０４０％のホウ素、約０．０〜０．３％のハフニウム、約０．０〜０．０１％のバナジウム、および約０．０〜０．０１％のイットリウム、残部のニッケルおよび随伴不純物の組成空間に属する組成を有し得、不純物レベルを超える最大２．０％の量の鉄をさらに含有し、観察可能な量のシグマ相を有しないことが結論付けられた。
【００２２】
Ｒ８８ＤＴにおける鉄の典型的な不純物レベルは、最大約０．１％であり得ることに留意すべきである。加えて、合金は、最大０．００３５％の窒素を含有し得る。また、炭素および窒素のレベルは共に、炭素窒素含有物の程度に影響を及ぼすことが一般に認識されている。炭素および窒素の高いレベルおよび屑材の多量の投入は、炭素窒素含有物の高いレベルが特定用途において容認される場合に容認され得る。合金の具体的な実施形態は、重量で、約１３％のコバルト、１６％のクロム、４％のモリブデン、４％のタングステン、２．１％のアルミニウム、３．７％のチタン、０．７％のニオブ、０．００８％のホウ素、約０．０〜０．３％のハフニウム、約０．０〜０．０１％のバナジウム、約０．０〜０．０１％のイットリウム、０．００５〜０．０１１％の炭素、０．０３〜０．０６％のジルコニウム、最大０．００３５％の窒素、および、より好ましくは最大０．００１８％の窒素、残部のニッケル、随伴不純物、および、不純物レベルよりも多く最大約１．３％の量の鉄を含有する。合金のこの具体的な実施形態、および上記組成範囲によって示した、本発明の他の合金は、意図的または非意図的に鉄を含有する合金の屑材および廃材の使用によって生成され得る。さらに、これらの合金は、鉄含有合金の生成のために従前に使用された溶融装置において、著しい汚染除去または高価な合金偏析手順を必要とせずに有利に生成され得る。
【００２３】
この発明の超合金を生成できる方法の非限定的な例は、少なくとも１つの鉄含有合金を、意図的な鉄添加物を含有しない原材料と組み合わせることを含み、鉄含有合金（複数も可）および原材料は、適当な量で組み合わされ、次いで、超合金および意図的であるが制限された鉄添加物の所望の組成を生成するように溶融される。少なくとも１つの鉄含有屑材合金は、鉄含有合金（複数も可）に代えてまたは加えて使用され得る。代わりにまたは加えて、意図的な鉄添加物は、鉄含有合金を溶融するために直前に使用されていた溶融装置を、鉄含有合金の残留物を除去するために洗浄せずに用いて、原材料および／または鉄含有合金（複数も可）および／または鉄含有屑材合金（複数も可）の溶融の結果として、この発明の超合金中に存在するように成り得る。鉄の存在は、効率性を向上し得、および／または材料および加工のコストを低減し得る方法で、上記技術の任意の組合せによって生じ得ることが明らかである。
【００２４】
本発明の合金が、鉄含有量を考慮しなければＲ８８ＤＴの組成空間に属する一方で、Ｒ８８ＤＴの組成空間における幾つかの合金が、それらの機械的特性を妥協しなければ著しい鉄の導入に適応できないことは強調されるべきである。この現象は、多元系（例えば超合金）に形成された相が、系の元素組成の複雑な関数であるためである。上述した本発明の合金に加えて、Ｒ８８ＤＴの一般的な組成空間内の幾つかの他の組成（ここに報告したその組成によって定義される）は、Ｒ８８ＤＴと比べて特性の著しい妥協を伴わずに鉄添加物にも適応し得る。これは、ｎ次元空間（ｎは、合金の組成中の著しい元素の数である。）における多元系の元素にゆきわたる複雑な熱力学的相互作用による。これらの相互作用の効果は、温度および圧力が一定であるときでも他の構成元素の含有率が変化するので、同じ割合の元素含有量も様々な相が生じ得る状況を作り出す。多元系のこの複雑な性質によって、Ｒ８８ＤＴ内のどのような組成範囲が鉄添加物に適応するかと同時に合金にとって必要な相安定性および特性に適応するかは、容易に明らかとはならない。しかし、本発明に至る調査において、合金の相安定性モデリングは、上述した組成を有する鉄含有超合金における観察可能な量のシグマ相の潜在的な不在を示した。これらの合金組成が既知の溶融処理によって生成され、観察可能な量のシグマ相の不在が確認され、観察された相は、同様に生成されたＲ８８ＤＴにおいて観察されたのと同じ化学的性質であった。本発明の鉄含有合金の微細構造の特徴ならびに構造的および化学的な特性も評価され、Ｒ８８ＤＴのそれらと同様であることが見出された。適当な温度範囲に亘って熱膨張係数（ＣＴＥ）が測定され、鉄含有合金と本質的に同じであり、調製された合金の本質的に鉄を有しない形態が示された。また、適当な温度範囲に亘ってヤング係数が測定され、鉄含有合金と本質的に同じであり、調製された合金の本質的に鉄を有しない形態が見出された。試験試料は、サブソルバス熱処理条件でも処理され、適当な温度範囲に亘って引張が試験され、公称で０．２％の降伏強度および引張強度と公称的に等価な値を生じており、同様の微細構造を生じるように処理されたときには、本質的に鉄を有しない合金の形態と比べて鉄含有合金の強度が喪失しないことが実証された。これらの結果は、本発明の超合金が構造的構成要素および特に、非限定的な例として、ガスタービンエンジンの、タービンディスク、圧縮機ディスクおよびブリスク、シールおよびシャフトリテイナを製作するために利用され得ることの証拠となった。
【００２５】
上記を考慮すると、この発明の超合金は、有利な特性の無視できる喪失を伴ってまたは喪失なしに著しい鉄含有量を受け入れながら、Ｒ８８ＤＴを含む同様の高温度超合金に匹敵する特性を呈することができる。著しいレベルの鉄汚染を受け入れできるこの可能性は、意図的または非意図的のいずれかにより鉄を含有する合金の屑材および廃材の使用によって超合金が生成されることを可能にし、例えばＩＮ７１８等の鉄含有合金が溶融および溶融操作装置によって生成された後の大規模な洗浄を伴わずに、装置の有利な使用を可能にすることもできる。この柔軟性は、超合金の生成コストの著しい低減を招き得る。
【００２６】
追加の潜在的な利益は、人材の特別な育成の必要性、および、鉄含有合金の組成とこの発明の超合金との間で装置が切り替えられるときの溶融処理装置の大規模な洗浄の必要性を低減または排除する可能性を含む。例として、本発明は、鉄含有材料を隔離できる専用装置によって再循環流から鉄を析出する必要性を低減または排除し得るとともに、そのような隔離を厳密に維持するためのオペレータ訓練の必要性を低減または排除し得る。加えて、本発明は、加工チップ、または、複数合金構成をしばしば有する圧縮器スプールが代表例である、鉄含有合金を含む複数合金構成を有する物品からの再循環材料を使用した超合金の生成を可能にすることによって、循環型経済を促進し得る。
【００２７】
本発明が、超合金の具体的な組成および特性を含めて、特定の実施形態に関して説明されているが、他の形態が当業者によって採用され得ることは明らかであろう。これにより、開示する特定の実施形態に本発明が限定されず、本発明の範囲が以下の請求項によってのみ限定されることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【００２８】
１０  高圧タービンディスク
【図１】
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【国際調査報告】
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