(57)【要約】【課題】    本発明は、航空機エンジン及び発電設備のガスタービン・エンジン構成要素などの高温用途の耐熱合金に関する。本発明は更に、高温用途の物品の修理方法に関する。【解決手段】  高温用途で使用するための合金が示される。この合金は、原子百分率で、少なくとも約５０％のロジウム（Ｒｈ）と、少なくとも約５％の、プラチナ（Ｐｔ）とパラジウム（Ｐｄ）とこれらの組合せとから成るグループから選択された金属と、約５％〜約２４％のルテニウム（Ｒｕ）と、約１％〜約４０％のクロム（Ｃｒ）とを含み、この合金は、Ａ３構造相を体積で約５０％未満含み、式（［Ｃｒ］＋２［Ｒｕ］）（式中、［Ｒｕ］及び［Ｃｒ］は、それぞれこの合金におけるルテニウム及びクロムの原子百分率である）によって定義された量が約２５％〜約５０％の範囲にある。この合金を含む物品と、物品の修理のためこの合金を使用する方法も同様に示される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子百分率で、少なくとも約５０％のロジウム（Ｒｈ）と、
少なくとも約５％の、プラチナ（Ｐｔ）とパラジウム（Ｐｄ）とこれらの組合せとから成るグループから選択された金属と、
約５％〜約２４％のルテニウム（Ｒｕ）と、
約１％〜約４０％のクロム（Ｃｒ）と、
を含む合金であって、
前記合金は、Ａ３構造相を体積で約５０％未満含み、式（［Ｃｒ］＋２［Ｒｕ］）（式中、［Ｒｕ］及び［Ｃｒ］は、それぞれ前記合金におけるルテニウム及びクロムの原子百分率である）によって定義される量が約２５％〜約５０％の範囲であることを特徴とする合金。
【請求項２】
原子百分率で、約７％〜約２０％のルテニウムと約１％〜約２５％のクロムとを含む請求項１に記載の合金。
【請求項３】
原子百分率で、約８％〜約２０％のルテニウムと約１％〜約１０％のクロムとを含む請求項１に記載の合金。
【請求項４】
高温、酸化環境で使用するための物品であって、原子百分率で、
少なくとも約５０％のロジウム（Ｒｈ）と、
少なくとも約５％の、プラチナ（Ｐｔ）とパラジウム（Ｐｄ）とこれらの組合せとから成るグループから選択された金属と、
約５％〜約２４％のルテニウム（Ｒｕ）と、
約１％〜約４０％のクロム（Ｃｒ）と、
を含む合金を含み、
前記合金は、Ａ３構造相を体積で約５０％未満含み、式（［Ｃｒ］＋２［Ｒｕ］）（式中、［Ｒｕ］及び［Ｃｒ］は、それぞれ前記合金におけるルテニウム及びクロムの当該原子百分率である）によって定義された量が約２５％〜約５０％の範囲であることを特徴とする物品。
【請求項５】
前記物品は基体上に配置された被覆を含み、前記被覆は前記合金を含むことを特徴とする請求項４に記載の物品。
【請求項６】
前記物品はガスタービン組立体の構成要素を含むことを特徴とする請求項４に記載の物品。
【請求項７】
前記構成要素は、タービンブレードと、タービンベーンと、燃焼器構成要素の中の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項６に記載の物品。
【請求項８】
前記合金は、前縁（１２）と後縁（１３）とブレード先端（１１）とから成るグループから選択された少なくとも１つの構成要素区分に配置されることを特徴とする請求項７に記載の物品。
【請求項９】
前記合金は、約７％〜約２０％のルテニウムと約１％〜約２５％のクロムとを含むことを特徴とする請求項４に記載の物品。
【請求項１０】
前記合金は、約８％〜約２０％のルテニウムと約１％〜約１０％のクロムとを含むことを特徴とする請求項４に記載の物品。
【請求項１１】
前記物品は、修理された物品を含むことを特徴とする請求項４に記載の物品。
【請求項１２】
原子百分率で、
少なくとも約５０％のロジウム（Ｒｈ）と、
少なくとも約５％の、プラチナ（Ｐｔ）とパラジウム（Ｐｄ）とこれらの組合せとから成るグループから選択された金属と、
約７％〜約２０％のルテニウム（Ｒｕ）と、
約１％〜約２５％のクロム（Ｃｒ）と、
を含む合金を含むガスタービン・エンジン構成部品であって、
前記合金は、Ａ３構造相を体積で約５０％未満含み、式（［Ｃｒ］＋２［Ｒｕ］）（式中、［Ｒｕ］及び［Ｃｒ］は、それぞれ前記合金におけるルテニウム及びクロムの原子百分率である）によって定義される量が約２５％〜約５０％の範囲にあり、前記タービン・エンジン構成部品は、ブレード及びベーンの中の１つを含み、前記合金は、前縁（１２）と後縁（１３）とブレード先端（１１）とから成るグループから選択される前記構成要素の中の少なくとも１つの区分に配置されることを特徴とするガスタービン・エンジン構成要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温に耐えるように設計された材料に関する。より詳細には、本発明は、例えば、航空機エンジン及び発電設備のガスタービン・エンジン構成要素などの高温用途の耐熱合金に関する。本発明は更に、高温用途の物品の修理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの産業、とりわけ効率が運転温度に直接的に関係する航空機エンジン及び発電産業では、より高温での十分なレベルの強度及び耐酸化性を示す合金が引き続き求められている。ベーン及びブレードのような構成要素に関するガスタービン・エーロフォイルは、通常、「超合金」などの当該技術分野で公知の材料で作られている。用語「超合金」は、通常、鉄基、コバルト基、或いはニッケル基合金を含むことを意図し、これらは、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン及び鉄のような非限定的な実施例を含む、高温性能を向上させるよう添加された１つ又はそれ以上の元素を含む。例えば、「ニッケル基超合金」中で使用される用語「基」は、合金の「ベースとしている」元素が合金組成中で原子分数の最大の単一の元素成分であることを意味するものとして当該技術分野で広く受け入れられている。一般に、使用能力が約１２００℃の温度に制限されていると認識されているが、ガスタービン・エーロフォイルで使用される従来の超合金は、多くの場合これらの実際の使用温度範囲の上限で動作する。一般のジェット・エンジンにおいては、例えば、体積平均エーロフォイル温度は、約９００℃〜約１０００℃に及ぶと共に、エーロフォイル前縁及び後縁並びに先端温度は、約１１５０℃以上に達し得る。このような高温では、酸化過程が従来の超合金部品を破壊し、部品から外れて小片になり易く又は剥離し易い、弱く脆い金属酸化物を形成する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
エーロフォイルの縁部で材料が腐食及び酸化すると、タービン効率の低下につながる。エーロフォイルが摩滅すると、構成要素間の空隙が過度に広くなり、ガス流が機械的エネルギに変換されることなく、ガスがタービン段を介して漏洩することになる。特定レベル以下に効率が低下すると、タービンは、オーバーホール及び修理調製のために供用から取り外す必要がある。この修理調製工程のかなりの部分は、エーロフォイルの前縁及び後縁並びに先端の修理に向けられる。例えば、損傷を受けた材料が除去され、次いで、例えば、充填材による接合、既存ブレード上への新規区部の溶接、又は蝋付けなどの幾つかの方法の何れかによって、或いはブレード上へ金属粉体のプラズマ溶射又はレーザ蒸着によって、新しい材料をブレード上に構築する。修理用に通常使用される合金の性能は、修理される材料の微細構造、処理に起因する欠陥密度、及び化学的性質に応じて、元の構成要素の材料性能と同等であるか或いは劣っている。更に、現在の方法においては、元の縁部材料は、元のブレードの残りの部分と同一の材料、多くの場合、ニッケル基又はコバルト基の超合金で作られている。この材料は、ブレード全体の設計要件の均衡をとるように選択されたので、一般に、エーロフォイルの前縁及び後縁における条件によって要求される特定の局所的要件に適合するように最適化されてはいない。しかしながら、エーロフォイルの先端及び縁部において示されるような最大温度は、今後の用途においては、従来の多くの超合金の融解開始点である約１３００℃を上回ることが予想される。修理された構成要素の性能を改善するため、及びより高いタービン運転温度で運転するように設計された新規構成要素に対して得られる効率向上を生かすために、修理及び製造用の新規材料を開発する必要があることは明らかである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
これら及び他の必要性は、本発明の実施形態によって対処される。１つの実施形態は、原子百分率で、少なくとも約５０％のロジウム（Ｒｈ）と、少なくとも約５％の、プラチナ（Ｐｔ）とパラジウム（Ｐｄ）とこれらの組合せとから成るグループから選択された金属と、約５％〜約２４％のルテニウム（Ｒｕ）と、
約１％〜約４０％のクロム（Ｃｒ）と、を含む合金であり、該合金は、Ａ３構造相を体積で約５０％未満含み、式（［Ｃｒ］＋２［Ｒｕ］）（式中、［Ｒｕ］及び［Ｃｒ］は、それぞれこの合金におけるルテニウム及びクロムの原子百分率である）によって定義された量が約２５％〜約５０％の範囲にある。
【０００５】
別の実施形態は、高温、酸化環境で使用するための物品であり、本発明の合金を含む。
【０００６】
第３の実施形態は、物品を修理するための方法である。この方法は、物品を準備する段階と、本発明の合金を含む修理材料を準備する段階と、修理材料を物品に接合する段階とを含む。
【０００７】
本発明のこれら及び他の特徴、態様並びに利点は、添付図面を参照して以下の詳細説明を読めば更によく理解されるであろう。図面においては、同じ符号は図面全体を通して同じ構成要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本明細書では、ガスタービン産業、特に航空機エンジン及び発電用タービンの設計・製造・運転・修理に関するガスタービン産業の一部から選んだ実施例を説明する。しかしながら、本発明の実施形態は、高温環境及び過酷な環境に耐性のある材料を必要とする多くの様々な用途に適用可能であることから、本発明の範囲は、これら特定の業界に限定されるものではない。特に言及の無い限り、材料特性に関して記載及び比較されている関心のある温度範囲は、約１０００℃〜約１３００℃である。本明細書に使用される用語「高温」は、約１０００℃を超える温度を意味する。
【０００９】
本発明の合金は、例えば、コスト、強度、延性、及び耐酸化性を含む競合する関係にある幾つかの材料要件の均衡を保つ。本発明の一実施形態によれば、この合金は、原子百分率で、少なくとも約５０％のロジウム（Ｒｈ）と、少なくとも約５％の、プラチナ（Ｐｔ）とパラジウム（Ｐｄ）とこれらの組合せとから成るグループから選択された金属と、約５％〜約２４％のルテニウム（Ｒｕ）と、約１％〜約４０％のクロム（Ｃｒ）とを含む。この合金は、Ａ３構造相を体積で約５０％未満含み、該相は、元素の中でも特にＲｕ及びＣｒを含む固溶体であり、当該技術分野で通常「イプシロン相」、或いはεと呼ばれる。この相が存在すると、延性を幾分か犠牲にした上で合金を強化する。この合金の残部は、比較的延性のあるＡ１構造相、又は面心立方（ＦＣＣ）相を含む。所望の特性均衡を達成するために、合金の組成は、式（［Ｃｒ］＋２［Ｒｕ］）によって定められる量が約２５％〜約５０％の範囲（式中、［Ｒｕ］及び［Ｃｒ］は、それぞれこの合金中のルテニウム及びクロムの原子百分率）にあるように維持される。Ｒｈに対する上記比率でＰｄ、Ｃｒ及びＲｕを添加することによって、本発明者らは、有用な形状へと形成されるのに十分な延性（Ａ１構造相の実質的比率に起因する）を備えた、好適な高温強度（合金化元素から得られた溶体強化に起因する、また、ある場合には、Ａ３構造相が存在することに起因して更に強化する）を有する材料を見出した。更に、この合金のコストは、これらの合金化元素をＲｈに対して添加することによって、材料の耐酸化性を要求水準以下に低下させることなく削減される。当業者にとは明らかなことであるが、ＰｄはＰｔよりも安価で低密度である。従って、重量及びコストが重要な考慮事項である多くの用途においては、最適組成は多くの場合、Ｐｄを優先してＰｔの使用を最小にする。しかしながら、極めて高い耐環境性が他の特性の何よりも必要とされる場合には、一部又は全てをこのＰｄ添加に代えてＰｔを使用することができる。
【００１０】
上記特性と弾性率などの他の特性との構成は、構成元素の相対的比率を変えることによって制御することができる。例えば、Ｃｒを添加すると、熱膨張係数が大きくなると共に合金密度は小さくなり、Ｒｕを添加すると、強度及び係数が大きくなる傾向にある。更に、上術の式に従ってＣｒとＲｕを維持することにより、合金中のＡ３構造相の量を制御し、材料の強度及び延性を更に制御できるようにする。ある実施形態においては、この合金は、原子百分率で、約７％〜約２０％のルテニウムと、約１％〜約２５％のクロムとを含む。特定の実施形態においては、この合金は、原子百分率で、約８％〜約２０％のルテニウムと、約１％〜約１０％のクロムとを含む。合金の組成をこれらの範囲内に維持すると、Ａ３構造相の量が最小となる傾向にあり、これにより該合金の延性、従って成形性が最大となる。
【００１１】
本発明の実施形態として本明細書に示された合金は、金属の製造及び成形の様々な既知の方法の何れかを使用する製造に適している。従来の鋳造、粉末冶金処理、方向性凝固処理、及び単結晶凝固処理は、これら合金の鋳塊を成形するのに好適な方法の非限定の実施例である。例えば、鍛造及び熱処理を含む、他の合金を形成するための当該技術分野で一般的な熱及び熱機械処理技術は、本発明の合金の製造及び強化での使用に好適である。
【００１２】
別の実施形態は、高温、酸化環境で使用するための物品である。この物品は、上述の合金を含む。この物品は、修理された物品であっても良く、或いは、新規に製造された物品であっても良い。幾つかの実施形態においては、この物品は、例えばタービンブレード、ベーン、又は燃焼器構成要素などのガスタービン・エンジンの構成要素を含む。図１を参照すると、ベーン又はブレードは、エーロフォイル１０を含み、エーロフォイルは、ブレード先端１１（この構成要素がブレードである場合）、前縁１２、及び後縁１３を含む多くの構成要素区分を含む。本発明の合金は、ある実施形態においては、１つ又はそれ以上の上述の構成要素区分を含み、構成要素の何処にでも好適に配置することができる。ある実施形態においては、この物品は、基体上に配置された被覆を含み、該被覆は合金を含む。本発明の合金を含むエーロフォイルの特定区分（すなわち、最も過酷な応力及び温度組合せを受けることが知られた区分）のみを有することによって、従来のエーロフォイル材料と比較した場合に高コスト及び高密度であることを含み、かなりの量の、例えばレニウム、ロジウム及びパラジウムなどのプラチナ基金属を含む合金の幾つかの欠点を最小限にする。（従来の超合金に対して）比較的高価で密度の高い合金は、構成要素の表面領域全体の一部分のみを構成することから、これらの欠点が有する影響は、構成要素全体に関して低減される。従って、構成要素の特性は、期待された局所環境に対して「調整」され、設計過程で妥協する必要が少なくなり、新規及び修理された構成要素に対する期待される動作寿命が増大する。
【００１３】
本発明の別の実施形態は、物品を修理する方法である。この方法において、物品を準備する。この物品は、ある実施形態においては、例えば、ブレード、ベーン、又は燃焼器構成要素を含む、ガスタービン・エンジンの構成要素を備える。修理材料を準備し、この修理材料は、本発明のこれまでの実施形態に関して上に説明された合金を含む。この修理材料は、物品に接合される。幾つかの実施形態においては、接合段階は、修理材料を含む被覆を修理されている物品上に配置することによって少なくとも部分的に達成される。被覆を配置するための方法は、例えば、溶射、プラズマ溶射、ＨＶＯＦ溶射、及びレーザ蒸着を含む。他の実施形態においては、この修理材料は、１つ又はそれ以上の、例えば溶接、蝋付け、又は拡散接合を含む従来の接合工程によって基体に接合される。この修理材料が被覆の様態であるか、又は固体区分の様態であるかに関係なく、修理材料の性能特性が要求されるとみなされる、物品の何れの区分にも配置することができる。これらの区分は、例えば、エーロフォイルの前縁及び後縁並びにブレード先端を含む。
【００１４】
様々な実施形態が本明細書で説明されているが、当業者であれば様々な元素の組合せ、変更、均等物、或いは改善を行うことができ、且つ、添付の請求の範囲において定められる本発明の範囲内にあることは本明細書から明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ガスタービン・エンジン構成要素に関して通常見られるエーロフォイルの等角投影図。
【符号の説明】
【００１６】
１０  エーロフォイル
１１  ブレード先端
１２  前縁
１３  後縁
【図１】
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