(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成が、２質量％以上２５質量％以下のクロム、０．２質量％以上７質量％以下のアルミニウム、２０．０質量％を超え５５質量％以下のコバルト、０．１７×（コバルトの含有質量％−２３）＋３］質量％以上［０．１７×（コバルトの含有質量％−２０）＋７］質量％以下でかつ５．１質量％以上のチタン、１．５質量％以上１０質量％以下のモリブデン、０．６質量％以上１０質量％以下のタングステン、０．０１質量％以上０．０５質量％以下のジルコニウム、０．０１質量％以上０．０５質量％以下の炭素、０．０１質量％以上０．０５質量％以下のホウ素、残余のニッケルおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐熱超合金。
【請求項２】
上記第１の耐熱超合金において、コバルトの含有量が２３．１質量％以上５５質量％以下であることを特徴とする耐熱超合金。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の耐熱超合金において、チタンの含有量が６．１質量％以上１２．９５質量％以下であることを特徴とする耐熱超合金。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の耐熱超合金において、モリブデンは、３質量％未満であることを特徴とする耐熱超合金。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の耐熱超合金において、タングステンは、３質量％未満であることを特徴とする耐熱超合金。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載の耐熱超合金において、５質量％以下のニオブと１０質量％以下のタンタルの少なくとも一つが含まれていることを特徴とする耐熱超合金。
【請求項７】
組成が、１２質量％以上１４．９質量％以下のクロム、２．０質量％以上３．０質量％以下のアルミニウム、２１．８質量％以上２６．２質量％以下のコバルト、５．５質量％以上６．５質量％以下のチタン、０．８質量％以上１．５質量％以下のタングステン、２．５質量％以上３．０質量％以下のモリブデン、０．０１質量％以上０．１０質量％以下のジルコニウム、０．０１質量％以上０．０５質量％以下の炭素、０．０１質量％以上０．０５質量％以下のホウ素、残余のニッケルおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐熱超合金。
【請求項８】
請求項７に記載の耐熱超合金において、ジルコニウムが０．０１質量％以上０．０５質量％であることを特徴とする耐熱超合金。
【請求項９】
請求項７に記載の耐熱超合金において、Ｃｏ＋Ｃｏ３Ｔｉ合金を添加して得られたことを特徴とする耐熱超合金。
【請求項１０】
請求項７に記載の耐熱超合金において、Ｃｏ＋２０ａｔ％Ｔｉ合金を添加して得られたことを特徴とする耐熱超合金。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか１項に記載の耐熱超合金を用いて、鋳造、鍛造、粉末冶金の一つまたは複数の方法により製造されたことを特徴とする耐熱超合金材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空エンジン、発電用ガスタービン等の耐熱部材、特にタービンディスクやタービン翼に用いられる耐熱超合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空エンジン、発電ガスタービン等の耐熱部材、たとえばタービンディスクは、動翼を保持し、高速回転する部品で、非常に大きな遠心応力に耐え、かつ疲労強度、クリープ強度、破壊靱性に優れる材料が必要とされる。一方、燃費や性能向上に伴い、エンジンガス温度の向上とタービンディスクの軽量化が求められ、材料にはより高い耐熱性と強度が必要とされる。
【０００３】
一般に、タービンディスクにはＮｉ基鍛造合金が用いられている。たとえば、γ”（ガンマダブルプライム）相を強化相として利用したＩｎｃｏｎｅ１７１８やγ”相よりも安定なγ’（ガンマプライム）相を２５ｖｏｌ％程度析出させ、強化相として利用したＷａｓｐａｌｏｙが多用されている。
【０００４】
高温化の観点から，１９８６年からはスペシャル・メタルズが開発したＵｄｉｍｅｔ７２０が導入されている。Ｕｄｉｍｅｔ７２０は、γ’相を４５ｖｏｌ％程度析出させ、かつγ相の固溶強化のためにタングステンが添加された、特に耐熱特性に優れる合金である。しかしながら、Ｕｄｉｍｅｔ７２０は、組織安定性が悪く、有害なＴＣＰ（Ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｌｙ ｃｌｏｓｅ ｐａｃｋｅｄ）相が使用中に形成されるため、クロム量を減少させる等の改良を施したＵｄｉｍｉｔ７２０Ｌｉ（Ｕ７２０Ｌｉ／Ｕ７２０ＬＩ）が開発された。だが、Ｕｄｉｍｉｔ７２０Ｌｉにおいても、依然、ＴＣＰ相は発生し、長時間や高温での使用が制限されている。また、Ｕｄｉｍｉｔ７２０および７２０Ｌｉは、γ’固相線温度（ｓｏｌｖｕｓ）と初期溶融温度の差が小さいため、熱間加工や熱処理等のプロセスウィンドウが狭いことが指摘される。このことから、鋳造鍛造プロセスにより均質なタービンディスクを製造することが難しく、実用上の問題となっている。
【０００５】
高強度が求められる高圧タービンディスクにはＡＦ１１５、Ｎ１８、Ｒｅｎｅ８８ＤＴ等に代表される粉末冶金合金が使用される場合もある。粉末冶金合金は、強化元素を多く含むにも関わらず、偏析のない均質なディスクが得られるメリットがある。一方、介在物の混入を防止するために、清浄度の高い真空溶解、粉末分級時のメッシュサイズの適正化等の高度な製造工程管理が要求され、コストアップという問題がある。
【０００６】
ところで、従来のＮｉ基耐熱超合金についての化学組成については数多くの改良提案がなされているが、これらはいずれも主要構成元素としてコバルト、クロム、モリブデンあるいはモリブデンとタングステン、アルミニウム、そしてチタンを含有するとともに、その代表的なものは、ニオブ、タンタルもしくはニオブとタンタルとを必須の成分としている。この組成構成においては、ニオブ、タンタルの含有は、上記の粉末治金には適しているものの、鋳造鍛造を難しくする要因となる。また、コバルトは、比較的その含有割合が高いが、たとえば、ロールス・ロイス社の特開平１０−４６２７８号公報では、特に意義ある効果をもたらさないとされており、また、一般には、γ’固相温度を低下させ、プロセスウィンドウを広げるプラスの効果があるとされているものの、ジェネラル・エレクトリック社のＥＰ１１９５４４６Ａ１には、それ以外の効果は見出されておらず、コスト等との兼ね合いから含有量は２３重量％以下に限定されている。
【０００７】
一方、チタンは、γ’相を強化させる働きがあるため、引張強度や亀裂伝播抵抗を向上させる働きをすることから添加されている。しかし、チタンの過分な添加は、γ’固相線を高めるとともに、有害相を生成させ、健全なγ’組織を得ることができないとの観点から、５重量％程度までに制限されている。
このため、既存技術では、長時間、高温での使用に耐え、かつ鋳造鍛造が可能であって、製造性に優れる耐熱超合金を提供することは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−４６２７８号公報
【特許文献２】ＥＰ１１９５４４６Ａ１
【発明の開示】
【０００９】
本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、タービンディスクやタービン翼用等として有用な、長時間、高温での耐熱耐久特性に優れ、しかも鋳造鍛造が可能で製造性にも優れた、新たな耐熱超合金を提供することを課題としている。
【００１０】
そして、本発明は、以上の安定な組織を有し、高い高温強度を達成する耐熱超合金を提供する。
すなわち、本発明の発明者は、タービンディスクやタービン翼用の耐熱超合金において、コバルトを、１９．５質量％から５５質量％までの範囲に積極的に添加することにより、有害なＴＣＰ相を抑えて高い高温強度が達成されることを見出した。
【００１１】
また、コバルトと同時にチタンを所定の比率で増加させることにより、γ／γ’の２相組織を高い合金濃度でも安定化させることができ、より高い高温強度が達成されることを見出した。そして発明者は、コバルト、チタン等の主構成元素の組成を適切に制御することで、製造性にも優れた耐熱超合金を実現している。
さらにまた、発明者は、Ｃｏ３Ｔｉ合金は、耐熱超合金の強化相であるγ’相と同様な結晶構造を持ち、したがって、Ｃｏ＋Ｃｏ３Ｔｉ合金は、耐熱超合金と同様なγ＋γ’２相組織を有することから、γ＋γ’２相組織を有するＣｏ−Ｔｉ合金、すなわち、Ｃｏ＋Ｃｏ３Ｔｉ合金の耐熱超合金への添加は、高合金濃度まで安定な合金組織を形成させることも見出している。
【００１２】
本発明は、このような知見に基づいて完成されたものであって、以下のことを特徴としている。
１．  組成が、２質量％以上２５質量％以下のクロム、０．２質量％以上７質量％以下のアルミニウム、２０．０質量％を超え５５質量％以下のコバルト、０．１７×（コバルトの含有質量％−２３）＋３」質量％以上［０．１７×（コバルトの含有質量％−２０）＋７］質量％以下でかつ５．１質量％以上のチタン、１．５質量％以上１０質量％以下のモリブデン、０．６質量％以上１０質量％以下のタングステン、０．０１質量％以上０．０５質量％以下のジルコニウム、０．０１質量％以上０．０５質量％以下の炭素、０．０１質量％以上０．０５質量％以下のホウ素、残余のニッケルおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐熱超合金。
２．  上記第１の耐熱超合金において、コバルトの含有量が２３．１質量％以上５５質量％以下であることを特徴とする耐熱超合金。
３．  上記の耐熱超合金において、チタンの含有量が６．１質量％以上１２．９５質量％以下であることを特徴とする耐熱超合金。
４．  上記の耐熱超合金において、モリブデンは、３質量％未満であることを特徴とする耐熱超合金。
５．  上記の耐熱超合金において、タングステンは、３質量％未満であることを特徴とする耐熱超合金。
６．  上記の耐熱超合金において、５質量％以下のニオブと１０質量％以下のタンタルの少なくとも一つが含まれていることを特徴とする耐熱超合金。
【００１３】
７．  組成が、１２質量％以上１４．９質量％以下のクロム、２．０質量％以上３．０質量％以下のアルミニウム、２１．８質量％以上２６．２質量％以下のコバルト、５．５質量％以上６．５質量％以下のチタン、０．８質量％以上１．５質量％以下のタングステン、２．５質量％以上３．０質量％以下のモリブデン、０．０１質量％以上０．１０質量％以下のジルコニウム、０．０１質量％以上０．０５質量％以下の炭素、０．０１質量％以上０．０５質量％以下のホウ素、残余のニッケルおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐熱超合金。
８．  上記第７耐熱超合金において、ジルコニウムが０．０１質量％以上０．０５質量％以下であることを特徴とする耐熱超合金。
９．  上記第７耐熱超合金において、Ｃｏ＋Ｃｏ３Ｔｉ合金を添加して得られたことを特徴とする耐熱超合金。
１０．  上記第７耐熱超合金において、Ｃｏ＋２０ａｔ％Ｔｉ合金を添加して得られたことを特徴とする耐熱超合金。
１１．  上記第１から１０のいずれかの耐熱超合金を用いて、鋳造、鍛造、粉末冶金の一つまたは複数の方法により製造されたことを特徴とする耐熱超合金材。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明と従来の耐熱超合金についてミクロ組織を比較した顕微鏡写真である。
【図２】図２は、本発明と従来の耐熱超合金および本発明に含まれない合金の圧縮試験を行った結果を示したグラフである。
【図３】図３は、本発明と従来の耐熱超合金および本発明に含まれない合金の高温強度について示したグラフである。
【図４】図４は、圧延材の外観写真である。
【図５】図５は、圧延材の引張試験の結果を例示した図である。
【図６】図６は、圧延材のクリープ試験結果を例示した図である。
【図７】図７は、実施例合金１の圧延材のミクロ組織を示した写真である。
【図８】図８は、実施例合金３の圧延材のミクロ組織を示した写真である。
【図９】図９は、アークインゴット材のミクロ組織を示した写真である。
【図１０】図１０は、アークインゴット材の引張試験結果を例示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明では、コバルトは、ＴＣＰ相を抑制し、高温強度を向上させるために、１９．５質量％以上の量が積極的に添加される。これによって、チタンの量が５．１質量％〜１５質量％の範囲でも高い高温強度が実現される。また、チタンと複合添加する場合、たとえば、Ｃｏ−Ｔｉ合金として添加する場合、コバルトが１９．５質量％以上、チタンが６．１質量％以上で高い高温強度が実現される。コバルトを２５質量％以上、また、２８質量％以上、さらに、５５質量％まで含む合金においても同様の効果が得られる。コバルトが多くなることにより、γ’固相温度が下がり、プロセスウィンドウが広くなって、鍛造性が向上する効果も生まれる。ただし、高温圧縮試験結果に基づくと、コバルトを５６質量％以上を含む合金は、７５０℃までの強度が従来合金より低下するため、５６質量％以上のコバルトの添加は避けねばならない。
【００１６】
チタンは、γ’を強化し、強度の向上を導くため、５．１質量％以上の添加が必要である。上記のとおり、コバルトともに複合添加する場合には、さらに相安定に優れ、高強度が実現される。含有量は、６．１質量％以上、また、６．７質量％以上、さらに、７質量％％以上でも同様に優れた効果が得られる。基本的には、γ＋γ’２相組織を有する耐熱超合金を選択し、Ｃｏ＋Ｃｏ３Ｔｉ合金、たとえば、Ｃｏ−２０ａｔ％Ｔｉを添加することで、高合金濃度まで組織が安定で、強度が高い合金を実現することができる。ただし、チタンの含有量が１５質量％を超えると、有害相であるη相の生成等が顕著になるため、含有量は１５質量％を上限とする。
【００１７】
モリブデンおよびタングステンは、γ相を強化させ、高温強度を向上させるために添加される。上記の所定範囲での含有が望ましい。所定含有量の範囲を超えると、密度が大きくなる。モリブデンは３質量％未満、たとえば２．６質量％以下、タングステンは３質量％未満、たとえば１．５質量％以下でも有効である。
【００１８】
クロムは、耐環境性や疲労亀裂伝播特性改善のために添加される。上記の所定範囲の含有量未満では望ましい特性が得られず、所定含有量の範囲を超えると、有害なＴＣＰ相が生成する。クロムの含有量は、好ましくは、１６．５質量％以下である。
アルミニウムはγ’相を形成する元素であり、γ’相を好ましい量にするように含有量を上記所定範囲に調整する。
ジルコニウム、炭素およびホウ素は、延性と靭性を得るために、上記の所定範囲の含有量が添加される。所定範囲の含有量を超えると、クリープ強度を低減させたり、プロセスウィンドウを狭めたりする。
その他の元素である、ニオブ、タンタル、レニウム、バナジウム、ハフニウム、鉄、マグネシウムは、従来技術と同様な理由により、上記所定範囲の含有量とする。
【００１９】
また、本発明においては、チタンの質量％が次式で表わされる範囲内にあるものとすることも好適に考慮される。
０．１７×（コバルトの質量％−２３）＋３以上
０．１７×（コバルトの質量％−２０）＋７以下。
そこで、以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。
【実施例１】
【００２０】
次の表１に示される組成を有する合金Ａ〜Ｌを溶製により作製した。これらの合金の内、本発明に含まれる合金はＡ〜Ｉ、Ｋであり、合金Ｊ、Ｌは、比較例であって、コバルトの含有量が本発明の範囲を超えるものである。
【表１】
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【００２１】
本発明の合金Ｃと従来のＵ７２０Ｌｉ合金とによりミクロ組織を比較した。図１に示したように、７５０℃で２４０時間熱処理を行ったものでは、Ｕ７２０Ｌｉ合金に有害相であるＴＣＰ相が観察される。一方、本発明の合金Ｃには、ＴＣＰ相は観察されず、優れた組織安定性を有するものであることが確認される。
【００２２】
本発明の合金Ａ、Ｃ、ＥおよびＩと従来のＵ７２０Ｌｉ合金、そして、本発明には含まれない合金Ｌを用いて、圧縮試験を行い、その結果を比較した。結果は、図２および図３に示したとおりである。
【００２３】
図２に示したように、本発明の合金Ａ、Ｃ、ＥおよびＩは、７００℃〜９００℃における高温強度がＵ７２０Ｌｉ合金および合金Ｌより優れる。特に、Ｕ７２０Ｌｉ合金に対して大きく優れている。本発明の合金Ａ、Ｃ、ＥおよびＩは、タービンディスクの使用領域付近の高温強度が高い。
【００２４】
一方、１０００℃以上における高温強度は、本発明の合金Ａ、Ｃ、ＥおよびＩは従来のＵ７２０Ｌｉ合金と変わらない。このことは、本発明の合金Ａ、Ｃ、ＥおよびＩは、鍛造加工温度における変形抵抗等は従来と同様であり、従来のＵ７２０Ｌｉ合金と同程度の製造性を有していることを意味する。
【００２５】
図３に示した高温強度の結果から、コバルトの含有量は５５質量％までが適当であり、特に好ましいコバルトとチタンの含有量は、コバルトが２３質量％以上３５質量％以下、チタンが６．３質量％以上８．６質量％以下と見積もれる。
【実施例２】
【００２６】
実施例１と同様にして、次の表２の組成を有する合金（Ａｌｌｏｙ）１〜２５を作製した。このうち、合金２５の組成は本発明の範囲外の比較例合金である。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
図４には、本発明の実施例である合金２を圧延した結果の外観写真を、従来技術によるＵ７２０ＬＩとあわせて示している。Ｕ７２０ＬＩと同様に圧延時に割れなど生じておらず、きれいに圧延できる様子が観察できる。ここでは合金２のみ示すが、他の実施例合金においても、従来と同等以上の圧延性を示すことを確認している。本発明は従来以上の高強度を有しつつ、圧延性は損なわれていないことがわかる。
また、表３には、圧延材から採取した試験片の７５０℃における引張試験結果を示す。いずれの実施例合金も従来Ｕ７２０ＬＩよりも優れる引張強度を示し、合金１〜３、５では約１０％の耐力向上が確認される。
【００２９】
【表３】
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【００３０】
図５には、圧延材から採取した試験片の６５０℃／６２８ＭＰａにおける約１０００時間までのクリープ曲線を示す。Ｕ７２０ＬＩに比べ優れたクリープ特性を示すことがわかる。特に合金１、合金５では極めて優れた特性を示すことがわかる。
【００３１】
図７および図８は、各々、実施例合金１および３において、長時間相安定性を確認するために行った７５０℃、１０００時間保持試験後のミクロ組織を示す。ＴＣＰ相とよばれる有害相は確認されず、本発明合金は極めて安定性のよい金属組織を有することがわかる。
図９には、実施例合金７および８のアークインゴット材のミクロ組織を、比較材組成２５の組織とあわせて示す。組成２５においてＴＣＰ相が多量に観察されるのに対し、合金７、８ではＴＣＰ相は観察されない。本発明合金はＣｏ添加により、優れた相安定性が実現していることがわかる。
図１０には、アークインゴットから採取した試験片の各温度における圧縮試験結果を示す。いずれの温度でも実施例合金は従来Ｕ７２０ＬＩを大きく上回る強度を有することがわかる。
【００３２】
そして、表４には、ＭｏやＷを含まない実施例合金やＮｂやＴａを添加した実施例合金について、アークインゴットから採取した試験片の７５０℃における圧縮試験結果を示す。いずれの実施例も優れた特性を有することが分かる。
【表４】
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【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上詳しく説明したとおり、本発明によって、ジェットエンジン、ガスタービンのクリティカルパーツであるタービンディスクやタービン翼用の新たな耐熱超合金が提供される。従来、鋳造鍛造法による耐熱超合金では、Ｕ７２０が最高の高温強度を示し、それが限界と考えられてきたが、それを超える耐熱超合金が提供される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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