(57)【要約】      （修正有）【課題】低密度で、ガスタービンエンジンの低圧タービンセクション作動条件下での使用に適した特性を併せもつ材料の提供。【解決手段】  約８〜１８重量％のコバルト、約１２〜１６重量％のクロム、約４〜８重量％のアルミニウム、約６重量％以下のタングステン、約０．５〜３．５重量％のチタン、約２〜６重量％のモリブデン、約０．０５〜０．２５重量％の炭素、約０．００５〜０．０２５重量％のホウ素、約０．０２〜０．１重量％のジルコニウム、約１．０重量％以下の鉄、約２．０重量％以下のレニウム、約２．０重量％以下のタンタル、約１．０重量％以下のハフニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含み、アルミニウムとチタンの合計重量百分率が約４．５〜１３重量％であるニッケル基合金組成物。さらに、アルミニウム／チタン重量％比は約１：１以上、好ましくは約２：１を超える。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に等軸の多結晶ミクロ組織を有するニッケル基合金組成物であって、
約８〜１８重量％のコバルト、約１２〜１６重量％のクロム、約４〜８重量％のアルミニウム、約６重量％以下のタングステン、約０．５〜３．５重量％のチタン、約２〜６重量％のモリブデン、約０．０５〜０．２５重量％の炭素、約０．００５〜０．０２５重量％のホウ素、約０．０２〜０．１重量％のジルコニウム、約１．０重量％以下の鉄、約２．０重量％以下のレニウム、約２．０重量％以下のタンタル、約１．０重量％以下のハフニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含み、
アルミニウムとチタンの合計重量百分率が約４．５〜１３重量％であり、アルミニウム／チタン比が約１：１を超える、合金組成物。
【請求項２】
アルミニウム／チタン比が約２：１以上である、請求項１記載の合金。
【請求項３】
約８〜１１重量％のコバルト、約１２〜１６重量％のクロム、約４〜８重量％のアルミニウム、約４〜６重量％のタングステン、約０．５〜３．５重量％のチタン、約２〜６重量％のモリブデン、約０．０５〜０．２５重量％の炭素、約０．００５〜０．０２５重量％のホウ素、約０．０２〜０．１重量％のジルコニウム、約２．０重量％以下のレニウム、約２．０重量％以下のタンタル、約１．０重量％以下のハフニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含む、請求項１記載の合金。
【請求項４】
約９〜１０重量％のコバルト、約１３〜１５重量％のクロム、約５〜７重量％のアルミニウム、約３〜５重量％のタングステン、約１〜３重量％のチタン、約３〜５重量％のモリブデン、約０．１〜０．２重量％の炭素、約０．０１０〜０．０２０重量％のホウ素、約０．０２〜０．０５重量％のジルコニウム、約１．０重量％以下のレニウム、約１．０重量％以下のタンタル、約１．０重量％以下のハフニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含む、請求項３記載の合金。
【請求項５】
約９．５重量％のコバルト、約１４重量％のクロム、約６重量％のアルミニウム、約４重量％のタングステン、約１重量％のチタン、約４重量％のモリブデン、約０．１７重量％の炭素、約０．０１５重量％のホウ素、約０．０５重量％のジルコニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含む、請求項４記載の合金。
【請求項６】
約１２〜１８重量％のコバルト、約１３〜１６重量％のクロム、約４〜８重量％のアルミニウム、約１〜３重量％のチタン、約２〜６重量％のモリブデン、約０．０５〜０．２５重量％の炭素、約０．００５〜０．０２５重量％のホウ素、約０．０１〜０．１重量％のジルコニウム、約１．０重量％以下の鉄、約２．０重量％以下のレニウム、約２．０重量％以下のタンタル、約１．０重量％以下のハフニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含む、請求項１記載の合金。
【請求項７】
約１３〜１６重量％のコバルト、約１４〜１５重量％のクロム、約５〜７重量％のアルミニウム、約２〜３重量％のチタン、約３〜５重量％のモリブデン、約０．１０〜０．２０重量％の炭素、約０．０１０〜０．０２０重量％のホウ素、約０．０２〜０．０５重量％のジルコニウム、約０．７５重量％以下の鉄、約１．０重量％以下のレニウム、約１．０重量％以下のタンタル、約１．０重量％以下のハフニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含む、請求項６記載の合金。
【請求項８】
約１５重量％のコバルト、約１４．３重量％のクロム、約６重量％のアルミニウム、約３重量％のチタン、約４．２重量％のモリブデン、約０．０７重量％の炭素、約０．０１５重量％のホウ素、約０．０５重量％のジルコニウム、約０．５重量％の鉄、残部のニッケル及び不可避不純物を含む、請求項７記載の合金。
【請求項９】
前記合金が約０．２８７ｌｂｓ／ｉｎ３未満の密度を有する、請求項１記載の合金。
【請求項１０】
前記合金が約０．２７９ｌｂｓ／ｉｎ３未満の密度を有する、請求項１記載の合金。
【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組成物に関する。具体的には、本発明は、ガスタービンエンジンに用いられる低圧タービン動翼及び静翼セグメントのようなガスタービンエンジン部品用のニッケル基超合金組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンでは、空気を圧縮機で加圧して燃焼器で燃料と混合・点火して高温燃焼ガスを発生する。高温燃焼ガスはエンジンのタービンセクションに流れ込む。エンジンのタービンセクションは通例、タービン動翼とタービン静翼の組合せを含む段を複数含んでいる。膨張した燃焼ガスが動翼と接触してタービン軸を回転させることによってタービンが駆動される。タービン軸の回転は圧縮機その他のエンジン部品又は付属部品の動力供給に利用される。静翼は通例翼形部を含んでおり、燃焼ガスをタービンの次段のタービン動翼に導く。これらの燃焼ガスはタービン動翼及び静翼を高温の腐食性雰囲気に暴露する。
【０００３】
ガスタービンエンジンのタービン動翼及び静翼はニッケル基超合金から製造できる。本明細書で用いる「ニッケル基」その他同様の用語は、その組成物が他の元素よりもニッケルを最も多く含むことを意味する。例えば、ＲＥＮＥ（登録商標）８０及びＲＥＮＥ（登録商標）７７のような合金をガスタービンエンジンの低圧タービンセクションのタービン動翼及び静翼に使用し得る。ＲＥＮＥ（登録商標）８０及びＲＥＮＥ（登録商標）７７の組成は公知であり、様々なガスタービンエンジン部品の製造に用いられている。ＲＥＮＥ（登録商標）は超合金についてのＴｅｌｅｄｙｎｅ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社（米国カリフォルニア州ロサンジェルスの）の商標である。ＲＥＮＥ（登録商標）７７及びＲＥＮＥ（登録商標）８０は通例以下の公称組成（重量％単位）を有する。
【０００４】
【表１】
2007191791.tif 000002
ＲＥＮＥ（登録商標）７７及びＲＥＮＥ（登録商標）８０のようなニッケル基超合金は、それらで得られる特性の組合せのゆえにガスタービンエンジン部品に用いられている。これらのニッケル基超合金の使用に伴う短所の一つは、それらの密度が比較的高いことである。密度が高いとガスタービンエンジンの総重量に影響する。例えば、公知のガスタービンエンジンでは、低圧タービンセクションは６〜７段の動翼と静翼を備えていることがある。あるタイプのエンジンでは、最初の２段の動翼と静翼はＲＥＮＥ（登録商標）８０製から製造され、次の４段はＲＥＮＥ（登録商標）７７から製造される。ＲＥＮＥ（登録商標）８０及びＲＥＮＥ（登録商標）７７を低圧タービンセクションに使用すると、タービンセクションが比較的重くなり、エンジンの総重量に影響する。
【０００５】
航空機及び航空機エンジン設計では、軽量化と効率向上が絶えず図られてきた。航空機は大型化しつつあり、エンジンの推力向上又は追加のエンジンが必要とされる。エンジンの大型化、エンジンの発生する推力の増大によって、維持及び製造コストの削減を達成できる。しかし、エンジンの大型化に伴い、エンジン内のすべてのエンジン部品も大型化する必要があるので、軽量化が最重要課題となる。さらに、十分な推力を与えるために追加のエンジンを航空機に設ける場合も、航空機の総重量が増す。こうした問題を補うため、ガスタービンエンジンの作動に必要とされる特性を保持しつつ重量が最小限となる材料を選択すべきである。低密度合金の使用によって個々の部品を軽量化できれば、エンジン効率、エンジン耐久性、ペイロード能力及び燃料コストの削減に顕著な利点が得られ、エンジン総重量の減少に関連する他の利点も得られる。従前の低密度合金の使用における短所は、低密度合金が、ガスタービンエンジンのタービンセクションで遭遇する過酷な高温条件での使用に必要とされる特性の組合せを有していないことであった。
【０００６】
エンジンの軽量化の別の試みとして、ガスタービンエンジン部品をエポキシ複合材料のような軽量非金属材料で置き換えることがある。これらの材料は軽量で、特にエンジンの低温部分では望ましい機械的特性をもたらす。しかし、これらの材料では、エンジンの低圧タービン部分のような高温腐食性雰囲気に暴露されるガスタービンエンジン部品に必要とされる特性の組合せは得られない。
【特許文献１】米国特許第６９２６７５４号明細書
【特許文献２】米国特許第６９０５５５９号明細書
【特許文献３】米国特許第６７３０２６４号明細書
【特許文献４】米国特許第５８２３２４３号明細書
【特許文献５】米国特許第５２７０１２２号明細書
【特許文献６】米国特許第５０１９３３４号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００５／０１７８４８０号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２００４／０２０２５６９号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００３／００５１７８０号明細書
【特許文献１０】欧州特許出願公開第１５６１８３０号明細書
【特許文献１１】特開昭５４−１０１００５号公報
【特許文献１２】特開平１０−０３０４０４号公報
【特許文献１３】国際公開第０３／０９７８８８号パンフレット
【特許文献１４】国際公開第０２／２６０１５号パンフレット
【特許文献１５】国際公開第０１／６４９６４号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、密度が低く、ガスタービンエンジンの低圧タービンセクションに存在する条件下での使用に適した特性を併せもつ、ガスタービンエンジンのタービンセクションでの使用に適した材料が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ニッケル基合金組成物であって、約８〜１８重量％のコバルト、約１２〜１６重量％のクロム、約４〜８重量％のアルミニウム、約６重量％以下のタングステン、約０．５〜３．５重量％のチタン、約２〜６重量％のモリブデン、約０．０５〜０．２５重量％の炭素、約０．００５〜０．０２５重量％のホウ素、約０．０２〜０．１重量％のジルコニウム、約１．０重量％以下の鉄、約２．０重量％以下のレニウム、約２．０重量％以下のタンタル、約１．０重量％以下のハフニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含み、アルミニウムとチタンの合計重量百分率が約４．５〜１３重量％である合金組成物を包含する。さらに、アルミニウム／チタン重量％比は約１：１を超え、好ましくは約２：１を超える。さらに、合金は、特に限定されないが、応力破断寿命、疲れ強さ、耐酸化性及び耐高温腐食性を始めとする特性を有する。これらの特性はＲＥＮＥ（登録商標）７７及びＲＥＮＥ（登録商標）８０のような従来の等軸多結晶ニッケル基超合金と同等又はそれらよりも優れている。
【０００９】
本発明は、特に限定されないが、圧縮機動翼、圧縮機静翼、タービン静翼及びタービン動翼を始めとするガスタービンエンジン部品も包含する。本発明のニッケル基超合金から製造したガスタービンエンジン部品は密度が低く、エンジンの総重量を低減するが、上述の用途での使用に十分な機械的特性及び耐酸化／耐食性を与える。
【００１０】
本発明は、表２に示す組成（重量％単位）を有する低密度ニッケル基超合金及びその製品を包含する。
【００１１】
【表２】
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本発明の別の実施形態は、表３に示す組成（重量％単位）を有する低密度ニッケル基超合金及びその製品を包含する。
【００１２】
【表３】
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本発明のニッケル基超合金には、慣用法で鋳造される等軸多結晶ミクロ組織含有合金が包含される。合金は、表２及び表３に示す合金組成物を真空溶解して溶湯を慣用法で鋳造することによって成形できる。次いで、γ相マトリックス中で望ましいγ′相を析出させるため熱処理を用いてもよい。本発明の合金を成形するための鋳造法としては、慣用のインベストメント鋳造法が挙げられ、ＲＥＮＥ（登録商標）７７及びＲＥＮＥ（登録商標）８０のような従来の等軸多結晶ニッケル基超合金と同等又はそれらよりも優れた応力破断寿命、疲れ強さ、耐酸化性及び耐高温腐食性を与えるのに十分なγ′相を有する実質的に等軸の多結晶合金が得られる。
【００１３】
本発明の利点の一つは、本発明のニッケル基超合金の密度が、ガスタービンエンジンのタービンセクションに従前使用されてきたニッケル基超合金の密度よりも低いことである。
【００１４】
本発明のもう一つの利点は、γ′相の形成もできる一方で、合金表面での酸化アルミニウム含有皮膜の形成に十分なアルミニウムを与えるアルミニウム／チタン比を本ニッケル基超合金組成物が保持していることであり、酸化及び高温腐食から合金を保護するとともに追加の皮膜に適した表面を形成する。
【００１５】
本発明のさらに別の利点は、本合金の特性が、ＲＥＮＥ（登録商標）７７及びＲＥＮＥ（登録商標）８０のような実質的に等軸の慣用鋳造合金と同等又はそれらよりも優れていることである。ＲＥＮＥ（登録商標）７７及びＲＥＮＥ（登録商標）８０の機械的特性及び耐酸化性／耐食性と同等又はそれらよりも優れているため、ガスタービンエンジンの作動パラメータを維持又は高めながら、タービンエンジン部品を低密度材料で置き換えることができる。
【００１６】
本発明のさらに別の利点は、本発明の合金を用いて製造したガスタービンエンジンが軽量化され、特にエンジン効率、エンジン耐久性、ペイロード能力及び燃料消費率の低減に顕著な利点がもたらされることである。
【００１７】
本発明のその他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示するために挙げた好ましい実施の形態についての詳細な説明から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、ガスタービンエンジン部品用の低密度ニッケル基超合金を包含する。特に、本発明は、低密度ニッケル基超合金から製造されるガスタービンエンジンのタービン動翼及び静翼を包含する。
【００１９】
本発明の一実施形態は、約８〜１１重量％のコバルト、約１２〜１６重量％のクロム、約４〜８重量％のアルミニウム、約４〜６重量％のタングステン、約０．５〜３．５重量％のチタン、約２〜６重量％のモリブデン、約０．０５〜０．２５重量％の炭素、約０．００５〜０．０２５重量％のホウ素、約０．０２〜０．１重量％のジルコニウム、約２．０重量％以下のレニウム、約２．０重量％以下のタンタル、約１．０重量％以下のハフニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含むニッケル基超合金を包含する。
【００２０】
本発明の他の実施形態は、約１２〜１８重量％のコバルト、約１３〜１６重量％のクロム、約４〜８重量％のアルミニウム、約１〜３重量％のチタン、約２〜６重量％のモリブデン、約０．０５〜０．２５重量％の炭素、約０．００５〜０．０２５重量％のホウ素、約０．０１〜０．１重量％のジルコニウム、約１．０重量％以下の鉄、約２．０重量％以下のレニウム、約２．０重量％以下のタンタル、約１．０重量％以下のハフニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含むニッケル基超合金を包含する。
【００２１】
本発明の一実施形態に係るニッケル基超合金は、好ましくは従来の等軸多結晶ミクロ組織の鋳造合金よりも密度の低い組成物である。本発明の合金には、慣用法で鋳造される実質的に等軸の多結晶ミクロ組織を有する合金が包含される。合金を成形するには、まず元素状組成物を溶解する。鋳造のための溶解は、真空誘導溶解又は真空アーク溶解を始めとする適当な溶解プロセスを用いて実施できる。溶湯から不純物を取り除くため、追加の真空アーク再溶解、エレクトロスラグ再溶解及びそれらの組合せを始めとする追加の再溶解ステップを設けてもよい。次いで、所望のミクロ組織を得るため熱処理を行ってもよい。本発明の一実施形態では、合金組成物のアルミニウム／チタンの重量比を約１：１よりも大きく保つことによって低い密度が得られる。この比は、好ましくは、低密度合金を与えるのに十分な大きさの下限を有し、所定の特性を有するニッケル基超合金を与えるのに十分な低さの上限を有する。
【００２２】
アルミニウムとチタンの比及び総量は、慣用鋳造合金に比べて合金マトリックス中でのγ′相析出量が増すように規定される。γ′相析出物は通例Ｎｉ３（Ａｌ、Ｔｉ）又はＣｏ３（Ａｌ、Ｔｉ）を含み、合金の破壊靭性をさほど低下させずに合金の主要な強化相をもたらす。チタン及びアルミニウムの量の増加に伴って、γ′相の形成に利用可能なチタン及びアルミニウムの量も増加する。さらに、アルミニウム／チタン比が高いほど、合金マトリックス中のγ′相の存在量も増す。γ′相の存在は、ガスタービンエンジン部品に用いられる合金に望ましい特性をもたらす。ニッケル基超合金は、好ましくは約５重量％を超えるアルミニウムとチタンの合計重量百分率を有する。アルミニウム／チタン比に加えてアルミニウムとチタンの総量を組み合わせることによって、合金の密度を、ＲＥＮＥ（登録商標）８０及びＲＥＮＥ（登録商標）７７のような従来の鋳造合金よりも低くすることができる。
【００２３】
γ′相の存在量の増加及び合金密度の低下だけでなく、アルミニウム量を増してアルミニウム／チタン比を好ましくは約１：１よりも大きくすると、過剰量のアルミニウムが合金外表面での酸化アルミニウム含有層の形成に利用できるようになる。これらの酸化物含有層は、雰囲気から保護をもたらし、耐酸化性及び耐高温腐食性を与えるだけでなく、遮熱コーティングのような追加の皮膜を設けるのに適した表面を形成する。また、過剰のアルミニウムは、損傷又はエロージョンを起こした表面部位で酸化アルミニウム含有皮膜が再生する自己修復皮膜特性をもたらす。
【００２４】
本発明の別の実施形態では、合金組成物に強化元素を添加してもよい。Ｗ及びＭｏのような高密度元素は、ニッケル基超合金からなる部品全体の重さを大幅に増やす。これらの高密度元素の濃度は、Ｒｅ、Ｔａ、Ｈｆ及びそれらの組合せを含む少量の強化元素の添加によって低減させることができる。Ｒｅ、Ｔａ、Ｈｆ及びそれらの組合せを添加すると、材料の強度が増す。合金に存在するＴａ及びＨｆは、γ′相の固溶体強化によって合金をさらに強化する。合金中に存在するＲｅは、γマトリックスの固溶体強化によって合金をさらに強化する。これらの強化元素を比較的少量添加すると、合金組成物のＷ及びＭｏ使用量を低減できる。Ｗ及びＭｏの低減並びにＲｅ、Ｔａ、Ｈｆのような少量の強化元素で合金組成物を強化できることは、全体として合金密度を下げる作用効果をもつ。合金のＷ濃度は、これらの代替強化元素の導入によって２％まで下げることができる。合金のＭｏ濃度は、これらの代替強化元素の導入によって低減又は完全になくすことができる。好ましい実施形態では、Ｗ及び／又はＭｏをこれらの代替強化元素で置換することによって、本発明のＡｌ：Ｔｉ比を有する合金よりも合金密度がさらに２％低下する。
【実施例】
【００２５】
実施例１
【００２６】
【表４】
2007191791.tif 000005
表４に、ＲＥＮＥ（登録商標）８０の公称組成を有する比較例１と、標記の量のＴｉ及びＡｌを有する実施例１を示す。アルミニウムとチタンはいずれもγ′形成元素であり、γ′相組織を形成して合金を強化する。比較例１は５重量％のＴｉと３重量％のＡｌを含み、密度は０．２９５ｌｂｓ／ｉｎ３である。実施例１のニッケル基超合金は約９．５重量％のコバルト、約１４重量％のクロム、約６重量％のアルミニウム、約４重量％のタングステン、約２重量％のチタン、約４重量％のモリブデン、約０．１７重量％の炭素、約０．０１５重量％のホウ素、約０．０３重量％のジルコニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含む。実施例１はＡｌ＋Ｔｉの合計８重量％、Ａｌ：Ｔｉ比約３：１である。表４に示すように、実施例１の密度は０．２８７ｌｂｓ／ｉｎ３である。実施例１の密度は、比較例１の密度よりも約３％低い。合金密度の３％の低下は、組立後のエンジンの総重量の約８１ｌｂｓ以上の低減に相当する。この密度低下によって、実施例１の合金から製造した部品の総重量は大幅に低減される。
【００２７】
実施例２
【００２８】
【表５】
2007191791.tif 000006
表５に、実施例２のチタンとアルミニウムの相対的存在量及び密度を、ＲＥＮＥ（商標）７７の公称組成をもつ比較例２の密度と対比して示す。比較例２は、３．３５重量％のＴｉと４．３重量％のＡｌを含み、密度は０．２８６ｌｂｓ／ｉｎ３である。実施例２のニッケル基超合金は、約１５重量％のコバルト、約１４．３重量％のクロム、約６重量％のアルミニウム、約３重量％のチタン、約４．２重量％のモリブデン、約０．０７重量％の炭素、約０．０１５重量％のホウ素、約０．０４重量％のジルコニウム及び０．５重量％の鉄を含む。実施例２はＡｌ＋Ｔｉの合計９重量％、Ａｌ：Ｔｉ比約２：１、密度０．２７９ｌｂｓ／ｉｎ３である。実施例２の密度は、比較例２の密度よりも約３％低い。合金密度の３％の低下は、組立後のエンジンの総重量の約８１ｌｂｓ以上の低減に相当する。この密度低下によって、実施例２の合金から製造した部品の総重量は大幅に低減される。
【００２９】
ＧＥ−９２Ｂのような６段の低圧タービンを有するガスタービンエンジンにおいて、比較例１、２の高密度ＲＥＮＥ（登録商標）７７及びＲＥＮＥ（登録商標）８０を実施例１、２の低密度合金に置き換えると、約８１ｌｂｓの軽量化につながり、ガスタービンエンジンが大幅に軽量化される。
【００３０】
本発明を好ましい実施形態を参照して説明してきたが、本発明の技術的範囲内で様々な変更を加えることができ、均等物で要素を置換できることは当業者には明らかあろう。さらに、本発明の技術的範囲内で、特定の状態又は材料を本発明の教示に適合させるため多くの修正を加えることができる。したがって、本発明は、その最良の実施の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
【外国語明細書】
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