(57)【要約】      （修正有）【課題】高レベルのコバルトとチタンとを添加することにより、温度性能と流動性能に優れたニッケル基超合金および該合金を用いたガスタービンエンジン部品を提供する。【解決手段】コバルト20〜40重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ニオブ０〜２重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜２重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、ニッケル基超合金。このガンマプライム相は、（Ni/Co）3(Al/Ti/Ta)を含む。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
コバルト23〜40重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ニオブ０〜２重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜２重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、ニッケル基超合金。
【請求項２】
コバルト23.5〜30重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ニオブ０〜２重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜１重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、請求項１に記載のニッケル基超合金。
【請求項３】
コバルト23.5〜28重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜0.2重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、請求項１または２に記載のニッケル基超合金。
【請求項４】
コバルト24〜27重量％、クロム14.5重量％、モリブデン５重量％、アルミニウム３重量％、チタン4.5重量％、タンタル２重量％、ハフニウム0.55重量％、ジルコニウム0.06重量％、炭素0.027〜0.03重量％、ホウ素0.015〜0.02重量％、ケイ素０〜0.2重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、請求項３に記載のニッケル基超合金。
【請求項５】
ニッケル46.34重量％、コバルト24重量％、クロム14.5重量％、モリブデン５重量％、アルミニウム３重量％、チタン4.5重量％、タンタル２重量％、ハフニウム0.55重量％、ジルコニウム0.06重量％、炭素0.03重量％、ホウ素0.02重量％からなる、請求項４に記載のニッケル基超合金。
【請求項６】
ニッケル43.35重量％、コバルト27重量％、クロム14.5重量％、モリブデン５重量％、アルミニウム３重量％、チタン4.5重量％、タンタル２重量％、ハフニウム0.55重量％、ジルコニウム0.06重量％、炭素0.027重量％、ホウ素0.015重量％からなる、請求項４に記載のニッケル基超合金。
【請求項７】
コバルト24〜27重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン２〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜0.2重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、請求項３に記載のニッケル基超合金。
【請求項８】
前記析出ガンマプライム相が（Ni/Co）3(Al/Ti/Ta)を含む、請求項１〜７のいずれかに記載のニッケル基超合金。
【請求項９】
前記析出ガンマプライム相が（Ni/Co）3(Al/Ti/Ta/Nb）を含む、請求項１〜７のいずれかに記載のニッケル基超合金。
【請求項１０】
前記析出ガンマプライム相がCo3Ta及び／またはCo3Tiを含む、請求項１〜７のいずれかに記載のニッケル基超合金。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載のニッケル基超合金を含むガスタービンエンジン部品。
【請求項１２】
前記部品がタービンディスクまたはコンプレッサディスクである、請求項１１に記載のガスタービンエンジン部品。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ニッケル基超合金に関する。
Udimet  720Liにコバルトとチタンとを添加することは、“Microstructure  and  Yield  Strength  of  Udimet  720Li  Alloyed  with  Co-16.9wt％  Ti”，C  Cui、Y  Gu、H  Harada及びA  Sato、Metallurgical  and  Materials  Transactions  A、第36A巻、2005年11月、2921〜2927頁及び“New  Ni-Co-Base  Disk  Superalloys  with  Higher  Strength  and  Creep  Resistance”、Y  Gu、H  Harada、C  Cui、D  Ping、A  Sato及びJ  Fujioka、Scripta  Materialia、第55巻、９号、2006年11月、815〜818頁に開示のように提案されている。
【０００２】
コバルトとチタンとをUdimet  720Liに添加すると、温度性能(temperature  capability)と流動性能（flow  stress  capability）とを高める。コバルトは、ガンマ相におけるガンマプライム相の溶解性を変え、固相線（solidus）温度を高め、ガンマプライム・ソルバス(solvus)温度を下げ、且つ積層欠陥エネルギーを下げることは公知である。チタンを添加すると、Ni3Alと同じ結晶構造を持ったCo3Tiが形成することによって、ガンマプライム相の体積分率が上昇する。
【０００３】
高レベルのコバルトとチタンとをUdimet  720Liに添加すると、超合金を鋳造工程の間にマクロ材料分離させる傾向があり、このことは、粉末冶金プロセスが大きな製品を製造すること、及び材料分離をナノスケールに限定することにより適していることを示唆している。大量のチタンをニッケル基超合金に添加すると、高レベルのコバルトと結合するとき、超合金がトポロジー的稠密充填(Topologically  Close  Packed：TCP)相、特にエータ相を鋳造及び精錬加工のため悪化した(excarbated)現象を形成し易くさせる。このTCP相は、超合金製品の機械的特性に有害である。TCP相は最初の処理、老化熱処理(ageing  heat  treatment)の間及び／または使用中に長期間、熱に暴露される間に形成する。上記論文は、鋳造及び精錬加工を使用する超合金の製造を検討しているだけである。
【０００４】
モリブデン、ニオブ、タンタル、タングステンなどの高レベルの高融点元素を含むニッケル基超合金は、慣用の鋳造及び精錬加工ルートによっては加工が難しい。これは、アルミニウム及びチタンを含む原子種の間で発生するマクロの材料分離によるもので、ミクロ構造及び機械的特性が変わりやすくなる。Udimet  720Liは鋳造及び精錬加工ルートによって製造されるが、粉末冶金形で製造することができる。粉末冶金ルートによって処理をすると、ずっと費用がかかると考えられるが、合金添加をより高めることができ、マクロの材料分離を解消して材料分離をミクロ/ナノスケールに限定する。
【０００５】
従って、本発明は新規ニッケル基超合金を提供する。
従って、本発明は、コバルト23〜40重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ニオブ０〜２重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜２重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、ニッケル基超合金を提供する。
【０００６】
好ましくは、本発明は、コバルト23.5〜30重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ニオブ０〜２重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜１重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、ニッケル基超合金を提供する。
【０００７】
好ましくは、本発明は、コバルト23.5〜28重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜0.2重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、ニッケル基超合金を提供する。
【０００８】
好ましくは、本発明は、コバルト24〜27重量％、クロム14.5重量％、モリブデン５重量％、アルミニウム３重量％、チタン4.5重量％、タンタル２重量％、ハフニウム0.55重量％、ジルコニウム0.06重量％、炭素0.027〜0.03重量％、ホウ素0.015〜0.02重量％、ケイ素０〜0.2重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、ニッケル基超合金を提供する。
【０００９】
本発明は、ニッケル46.34重量％、コバルト24重量％、クロム14.5重量％、モリブデン５重量％、アルミニウム３重量％、チタン4.5重量％、タンタル２重量％、ハフニウム0.55重量％、ジルコニウム0.06重量％、炭素0.03重量％、ホウ素0.02重量％からなる、ニッケル基超合金を提供する。
【００１０】
本発明は、ニッケル43.35重量％、コバルト27重量％、クロム14.5重量％、モリブデン５重量％、アルミニウム３重量％、チタン4.5重量％、タンタル２重量％、ハフニウム0.55重量％、ジルコニウム0.06重量％、炭素0.027重量％、ホウ素0.015重量％からなる、ニッケル基超合金を提供する。
【００１１】
また本発明は、コバルト24〜27重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜0.2重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である、ニッケル基超合金を提供する。
【００１２】
好ましくは、前記析出ガンマプライム相は（Ni/Co）3(Al/Ti/Ta)を含む。
あるいは前記析出ガンマプライム相は（Ni/Co）3(Al/Ti/Ta/Nb）を含む。
好ましくは、前記析出ガンマプライム相はCo3Ta及び／またはCo3Tiを含む。
【００１３】
付記図面を参照して、例示によって本発明を詳細に記載する。
図１は、本発明に従ったニッケル基超合金を含むタービンディスクを有するターボファン・ガスタービンエンジンを示す図である。
【００１４】
図２は、本発明に従ったニッケル基超合金を含むタービンディスクの拡大図を示す図である。
図１に示されているように、ターボファン・ガスタービンエンジン１０は、軸流で直列に入口１２、ファン区分１４、コンプレッサ区分１６、燃焼区分１８、タービン区分２０と排気２２とを含む。このターボファン・ガスタービンエンジン１０は慣用のものであるので、詳細は記載しない。
【００１５】
タービン区分２０は、本発明に従ったニッケル基超合金を含む、図２にもっとはっきりと示されている一つ以上のタービンディスク２４を含む。本発明は、750℃以上での用途が可能な高強度合金であり、且つ安定であるニッケル基超合金を提供しようとするものである。
【００１６】
本発明のニッケル基超合金は、コバルト23〜40重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ニオブ０〜２重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜２重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である。
【００１７】
好ましくはニッケル基超合金は、コバルト23.5〜30重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ニオブ０〜２重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜１重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である。
【００１８】
より好ましくは、ニッケル基超合金は、コバルト23.5〜28重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜0.2重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である。
【００１９】
より好ましくは、ニッケル基超合金は、コバルト24〜27重量％、クロム14.5重量％、モリブデン５重量％、アルミニウム３重量％、チタン4.5重量％、タンタル２重量％、ハフニウム0.55重量％、ジルコニウム0.06重量％、炭素0.027〜0.03重量％、ホウ素0.015〜0.02重量％、ケイ素０〜0.2重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である。
【００２０】
好ましい一ニッケル基超合金は、ニッケル46.34重量％、コバルト24重量％、クロム14.5重量％、モリブデン５重量％、アルミニウム３重量％、チタン4.5重量％、タンタル２重量％、ハフニウム0.55重量％、ジルコニウム0.06重量％、炭素0.03重量％、ホウ素0.02重量％からなる。
【００２１】
別の好ましいニッケル基超合金は、ニッケル43.35重量％、コバルト27重量％、クロム14.5重量％、モリブデン５重量％、アルミニウム３重量％、チタン4.5重量％、タンタル２重量％、ハフニウム0.55重量％、ジルコニウム0.06重量％、炭素0.027重量％、ホウ素0.015重量％からなる。
【００２２】
また本発明は、コバルト24〜27重量％、クロム10〜15重量％、モリブデン３〜６重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウム2.5〜４重量％、チタン3.4〜５重量％、タンタル1.35〜2.5重量％、ハフニウム0.5〜１重量％、ジルコニウム０〜0.1重量％、炭素0.01〜0.05重量％、ホウ素0.01〜0.05重量％、ケイ素０〜0.2重量％からなり、且つ残余がニッケルと偶発的な不純物である。
【００２３】
本発明に従ったニッケル基超合金の出発化学物質(starting  chemistry)は、RR1000ニッケル基超合金である。このRR1000ニッケル基超合金は、ガンマ/ガンマプライム強化超合金であり、Ni3(Al/Ti/Ta/Hf)のガンマプライム組成を有し、且つUdimet  720Liよりもガンマプライムの体積分率が高い。コバルトとチタンとをRR1000ニッケル基超合金に添加すると、ガンマプライム体積分率をさらに高め、且つガンマプライム化学組成を（Ni/Co）3(Al/Ti/Ta)に変える。さらに、Co3Ta相及び／またはCo3Ti相が析出する。あるいは、コバルトとチタンを他の改良型(advanced)ニッケル基合金、たとえばRene95、ME3、Alloy10またはLSHRに添加して、同様のニッケル基超合金を提供することができる。ニオブを含むニッケル基超合金の場合、ガンマプライム化学組成は（Ni/Co）3(Al/Ti/Ta/Nb)に変化する。
【００２４】
本発明のニッケル基超合金は高融点元素の含有量が高いので、粉末冶金ルートによってのみ加工することができる。これによって、様々な元素を最終ニッケル基超合金組成に組み込むことが可能である。
【００２５】
【表１】
2009097094.tif 000002
【００２６】
表１は、Udimet  720Liと数種の改良型粉末冶金ニッケル基超合金の組成を示し、いかに改良型粉末冶金ニッケル基超合金がガンマプライム体積分率を最適化しようとしてきたかを示す。ガンマプライム形成性元素(gamma  prime  forming  elements)のレベルをａｔ％でタンタルとニオブのレベルと同様に増加させると、析出したガンマプライム相の化学組成は（Ni/Co）3(Al/Ti/Ta/Nb)に変化することは明らかである。
【００２７】
表２は、本発明に従った合金と従来法の合金RR1000の組成を示す。
【００２８】
【表２】
2009097094.tif 000003
【００２９】
長期にわたって高温に暴露する間にTCP相形成の傾向を低下させるためには、TCP相形成性元素、特にクロムのレベルを低下させることが必要である。ガンマプライム形成性元素のレベルを12ａｔ％を超えて増加させることが必要であるが、ガンマプライム形成性元素を13ａｔ％を超えて増加させると、鍛造性、急冷割れ(quench  cracking)などの加工問題の傾向が増加するようである。ニッケル基超合金に多量のチタンを添加すると、ニッケル基超合金の機械的特性に有害な、TCP相、特にエータ（eta）相が形成するようになる。
【００３０】
本発明の利点は、本ニッケル基超合金はガンマプライム相の体積分率が増加し、Co3(Ta/Nb)化学組成をもつガンマプライム相が析出する、粉末冶金加工ルートによりマクロの材料分離を解消し、もっと合金添加（alloying addition）が可能になるという点である。本ニッケル基超合金は、コバルトが高レベルであるため、慣用のニッケル基超合金よりも密度が低い。ガンマプライム形成性元素のレベルは高すぎではない。クロム、チタン及びアルミニウム対チタン比を制御することによって、TCP相が形成する傾向が低下する。
【００３１】
コバルトのレベルは、コバルトが少なくとも15重量％のときに、最小積層欠陥エネルギー促進性平面変形(minimum  stacking  fault  energy  promoting  planar  deformation)を発生させることが公知であるということを利用して決定する。コバルトは、スリップ・リバーサル(slip  reversal)を起こし易いため、平面スリップにダメージがあまり蓄積しないので、疲労割れ成長速度を低下させるものとも考えられる。20重量％を超えるコバルトを添加すると、ガンマプライム析出物の体積分率を上昇させ、ニッケルと置き換わる。より高レベルのコバルトは、ガンマプライムソルバス温度を低下させる。
【００３２】
クロムのレベルは、低い疲労割れ伝搬速度の必要条件、たとえば高レベルのクロムと、TCP相形成の高い傾向、たとえば低レベルのクロムとのバランスを取るように制御される。
【００３３】
モリブデンとタングステンはいずれもクリープ特性に有益である。固溶体強化によって高温における引っ張り強度と延性における有益な効果は、TCP相を形成する傾向と比較検討される。
【００３４】
タンタルは、亀裂成長を低下させ、且つMCカーバイドを安定化させるレベルに調整される。タンタルは、アルミニウムとチタンを含むガンマプライム相の体積分率を調整する。
チタンは、ガンマプライム相の体積分率を提供するためにタンタルレベルで調整される。追加の量のチタンによって、ガンマプライムソルバス温度を下げる。最大量のチタンは、TCP相を過剰形成しないように調整される。
【００３５】
アルミニウムは、強度を最適化するために一定レベルのタンタルとチタンで調整される。
他の添加用元素としては、ニオブ、ホウ素、炭素、ジルコニウム、ハフニウム、レニウム、イットリウム及びケイ素がある。
【００３６】
ニッケル基超合金中にニオブが全くない及び／またはニッケル基超合金中にタングステンが全くないのが好ましい。
本発明に従ったニッケル基超合金の特徴は、ガンマプライムソルバス温度より上か、または下の温度で加工し得るという事である。従って、通常５〜10マイクロメートルの細粒径または、通常30マイクロメートルを超える粗い粒径で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、本発明に従ったニッケル基超合金を含むタービンディスクをもつターボファン・ガスタービンエンジンを示す図である。
【図２】図２は、本発明に従ったニッケル基超合金を含むタービンディスクの拡大図を示す図である。
【図１】
2009097094.tif 000004
【図２】
2009097094.tif 000005
【外国語明細書】
2009097094000001.pdf