(57)【要約】  （重量％で測定された）約６．８〜約７．５％のアルミニウム、約４〜約８％のタンタル、約４〜約１０％のクロム、約２〜約７％のタングステン、０〜約６％のレニウム、０〜約５％のコバルト、０〜約０．２％のケイ素、適宜約０．１５〜約０．７％のハフニウム、０〜約０．５％のチタニウム、０〜約４％のモリブデン、０〜約０．００５％のホウ素、０〜約０．０６％の炭素、イットリウム、ランタン、セシウム、およびそれらの組合せからなる群から選択された０〜約０．０３％の希土類添加材、残部ニッケル、ならびに不可避不純物を含むニッケル基超合金組成。ニッケル基超合金組成は、ガスタービンエンジン用の高圧タービンブレードなどの単結晶または一方向凝固超合金物品で使用することができる。【選択図】図２
2012521497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量パーセントで、約６．８〜約７．５％のアルミニウム、約４〜約８％のタンタル、約４〜約１０％のクロム、約２〜約７％のタングステン、０〜約６％のレニウム、０〜約５％のコバルト、０〜約０．２％のケイ素、適宜約０．１５〜約０．７％のハフニウム、０〜約０．５％のチタニウム、０〜約４％のモリブデン、０〜約０．００５％のホウ素、０〜約０．０６％の炭素、イットリウム、ランタン、セシウム、およびそれらの組合せからなる群から選択された０〜約０．０３％の希土類添加材、残部ニッケル、ならびに不可避不純物から本質的になる物質の組成。
【請求項２】
前記組成が約６．８〜約７．２重量％のアルミニウムを含む、請求項１記載の物質の組成。
【請求項３】
前記組成が約４〜約７．５重量％のクロムを含む、請求項１記載の物質の組成。
【請求項４】
前記組成が、重量パーセントで、約６．８〜約７．２％のアルミニウム、約４．５〜約６．４％のタンタル、約７．５％のクロム、約３．８５％のタングステン、約１．６〜約３．０％のレニウム、約３．１％のコバルト、および約０．０５％のケイ素を含む、請求項１記載の物質の組成。
【請求項５】
タングステン、レニウム、およびモリブデンの合計が約６〜約８重量％の範囲にある、請求項１記載の物質の組成。
【請求項６】
タングステン、レニウム、およびモリブデンの合計が約６〜約８重量％の範囲にある、請求項４記載の物質の組成。
【請求項７】
包括的に、約０．３〜約０．３１５ポンド／立方インチの範囲内の密度を有する、請求項１記載の物質の組成。
【請求項８】
重量パーセントで、約６．８〜約７．５％のアルミニウム、約４〜約８％のタンタル、約４〜約１０％のクロム、約２〜約７％のタングステン、約６％までのレニウム、約５％までのコバルト、約０．２％までのケイ素、約０．１５〜約０．７％のハフニウム、適宜約０．５％までのチタン、適宜約４％までのモリブデン、適宜約０．００５％までのホウ素、適宜約０．０６％までの炭素、適宜イットリウム、ランタン、セシウム、およびそれらの組合せからなる群から選択された約０．０３％までの希土類添加材、残部ニッケル、ならびに不可避不純物から本質的になる物質の組成。
【請求項９】
タングステン、レニウム、およびモリブデンの合計が約６〜約８重量％の範囲である、請求項８記載の物質の組成。
【請求項１０】
前記組成が約６〜約７重量％のクロムを含む、請求項８記載の物質の組成。
【請求項１１】
重量パーセントで、約６．８〜約７．５％のアルミニウム、約４〜約８％のタンタル、約４〜約１０％のクロム、約２〜約７％のタングステン、０〜約６％のレニウム、０〜約５％のコバルト、０〜約０．２％のケイ素、適宜約０．１５〜約０．７％のハフニウム、０〜約０．５％のチタニウム、０〜約４％のモリブデン、０〜約０．００５％のホウ素、０〜約０．０６％の炭素、イットリウム、ランタン、セシウム、およびそれらの組合せからなる群から選択された０〜約０．０３％の希土類添加材、残部ニッケル、ならびに不可避不純物から本質的になる組成を有する実質的な単結晶を含む物品。
【請求項１２】
単結晶構成要素を含む、請求項１１記載の物品。
【請求項１３】
前記単結晶構成要素がガスタービンブレードを含む、請求項１２記載の物品。
【請求項１４】
ノズル、シュラウド、分散板、および燃焼器構成要素から選択されたガスタービンエンジンの構成要素を含む、請求項１１記載の物品。
【請求項１５】
一方向凝固構成要素を含む、請求項１１記載の物品。
【請求項１６】
前記一方向凝固構成要素がガスタービンのブレードを含む、請求項１５記載の物品。
【請求項１７】
約６〜約７重量％のクロムを含む、請求項１１記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、攻撃的で高温のガスタービン環境で使用するのに好適な物質の組成、およびそれから製作された物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニッケル基単結晶超合金は、航空エンジン全体にわたって、タービンブレード、ノズル、およびシュラウド用に広く使用される。エンジン性能を改善するための航空エンジン設計では、主として改善されたクリープ強度（耐クリープ性）の形態で温度性能がますます高められた合金が要求される。耐クリープ性を改善するために固溶体強化元素（例えば、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、およびＭｏ）の量を増加させた合金は、一般に、相安定性の低下、密度の増大、および耐環境性の低下を示す。最近、熱機械疲労（ＴＭＦ）耐性がタービン構成要素の限界設計基準となっている。温度勾配は、クリープ、疲労、および酸化の複雑な組合せによって損傷を増進させる繰り返し熱誘起歪みを生成する。一方向凝固超合金は、従来、耐繰り返し損傷性を求めて開発されていない。しかし、エンジン効率の改善のために、耐繰り返し損傷性の向上が望まれている。
【０００３】
単結晶（ＳＸ）超合金は、合金組成および高温機械的性質の類似性に基づいて４世代に分類することができる。いわゆる第１世代単結晶超合金はレニウムを含まない。第２世代超合金は一般に約３重量パーセントのレニウムを含む。第３世代超合金は、高融点金属含有量を高め、かつクロムレベルを低下させることによって、温度性能および耐クリープ性を向上させるように設計されている。例示的な合金は、約５．５重量パーセントのレニウムレベルおよび２〜４重量パーセント範囲のクロムレベルを有する。市販の第４世代合金は、高いレベルのレニウムおよび他の高融点金属を含む。
【０００４】
第２世代合金は比較的安定した微細構造を有するが、特別に丈夫ではない。耐酸化性は、イットリウム添加または低硫黄含有量による第２世代合金で達成されている。第３および第４世代合金は、合金中の高レベルの高融点金属により耐クリープ性を改善した。特に、高レベルのタングステン、レニウム、およびルテニウムがこれらの合金を強化するために使用されている。これらの高融点金属はニッケル基よりも非常に高い密度を有する。
【０００５】
これらの高融点金属の添加は全体的な合金密度に影響を与え、その結果、第４世代合金は第２世代合金よりも約６％重くなることがある。これらの合金の重量増加のため、それらの使用は特殊な用途にのみ限定される。第３および第４世代合金は、さらに、長期的な機械的性質に影響を与えることがある微細構造不安定性によって制限される。
【０００６】
後続の世代の合金は各々前の世代のクリープ強度および温度性能を改善することを目指して開発された。例えば、第３世代超合金は、第２世代超合金と比べてクリープ性能において５０°Ｆ（約２８℃）の改善がなされている。第４および第５世代超合金は、高レベルの固溶化元素（ｓｏｌｉｄ  ｓｏｌｕｔｉｏｎｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔ）（例えば、レニウム、タングステン、タンタル、モリブデン）と、ルテニウムの添加とによって達成されるクリープ強度のさらなる改善を行っている。一方向凝固超合金のクリープ性能は世代とともに改善されているので、連続サイクル疲労耐性ならびに耐保持時間繰り返し損傷性も改善されている。破断および疲労強度におけるこれらの改善は合金密度の増加を伴ってきている。一方向凝固超合金において高融点元素の量を増加させ続ける場合には微細構造および環境上の不利益がある。例えば、第３世代超合金はトポロジー的稠密相（ＴＣＰ）に関してそれほど安定ではなく、二次反応帯（ＳＲＺ）を形成する傾向がある。十分な微細構造安定性を維持するのに必要とされるクロムのレベルを低減すると、後続の世代の超合金では耐環境性の低下がもたらされる。耐繰り返し損傷性はＳＰＬＣＦ（持続ピークまたは保持時間低サイクル疲労）試験によって定量化される。第３および第４目世代超合金の耐酸化性の低下（第２世代と比べて）にもかかわらず、ＳＰＬＣＦ耐性は、おそらくはより高いクリープ強度によって促進されて改善されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許第１５６８７９４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
繰り返し損傷が単結晶超合金に蓄積される正確な機構は十分には理解されていないが、酸化反応速度論が亀裂伝播に役割を果たしているように見える。したがって、耐繰り返し損傷性がより大きく、かつ微細構造安定性が改善された耐酸化性かつより低密度の超合金組成を提供することが望ましいことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の１つまたは複数の要求は、重量パーセントで、約６．８〜約７．５％のアルミニウム、約４〜約８％のタンタル、約４〜約１０％のクロム、約２〜約７％のタングステン、０〜約６％のレニウム、０〜約５％のコバルト、０〜約０．２％のケイ素、適宜約０．１５〜約０．７％のハフニウム、０〜約０．５％のチタニウム、０〜約４％のモリブデン、０〜約０．００５％のホウ素、０〜約０．０６％の炭素、イットリウム、ランタン、セシウム、およびそれらの組合せからなる群から選択された０〜約０．０３％の希土類添加材、残部ニッケル、ならびに不可避不純物から本質的になる物質の組成を提供する例示的な実施形態によって満たすことができる。
【００１０】
別の実施形態では、重量パーセントで、約６．８〜約７．５％のアルミニウム、約４〜約８％のタンタル、約４〜約１０％のクロム、約２〜約７％のタングステン、約６％までのレニウム、約５％までのコバルト、約０．２％までのケイ素、適宜約０．１５〜約０．７％のハフニウム、適宜約０．５％までのチタン、適宜約４％までのモリブデン、適宜約０．０００５％までのホウ素、適宜約０．０６％までの炭素、適宜イットリウム、ランタン、セシウム、およびそれらの組合せからなる群から選択された約０．０３％までの希土類添加材、残部ニッケル、ならびに不可避不純物から本質的になる物質の組成が提供される。
【００１１】
本明細書で開示される例示的な実施形態は、重量パーセントで、約６．８〜約７．５％のアルミニウム、約４〜約８％のタンタル、約４〜約１０％のクロム、約２〜約７％のタングステン、０〜約６％のレニウム、０〜約５％のコバルト、０〜約０．２％のケイ素、適宜約０．１５〜約０．７％のハフニウム、０〜約０．５％のチタニウム、０〜約４％のモリブデン、０〜約０．００５％のホウ素、０〜約０．０６％の炭素、イットリウム、ランタン、セシウム、およびそれらの組合せからなる群から選択された０〜約０．０３％の希土類添加材、残部ニッケル、ならびに不可避不純物から本質的になる組成を有する実質的な単結晶を含む物品を含む。
【００１２】
本発明と見なされる主題は、本明細書の末尾において特に指摘され、明確に特許請求される。しかし、本発明は、添付図面に関連してなされる以下の説明を参照して最もよく理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ガスタービンブレードなどの構成要素物品の斜視図である。
【図２】本明細書で開示する合金と市販の合金とを比較するＳＰＬＣＦ対クリープ破断寿命の概略図である。
【図３】本明細書で開示する合金の密度を市販の合金の密度と比較する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面を参照すると、図１は、ガスタービンブレード２２として示されるガスタービンエンジンの構成要素物品２０を示す。ガスタービンブレード２２は、エーロフォイル２４、ガスタービンブレード２２をタービンディスク（図示せず）に取り付けるためのダブテールの形態のアタッチメント２６、およびエーロフォイル２４とアタッチメント２６との中間にあって横方向に延びるプラットフォーム２８を含む。
【００１５】
例示の一実施形態では、構成要素物品２０は実質的に単結晶である。すなわち、構成要素物品２０は、少なくとも約８０体積パーセント、より好ましくは少なくとも約９５体積パーセントが、単一の結晶方位をもつ単一結晶粒である。他の結晶方位の小さい体積部分と、さらに小角粒界によって分離された領域とが存在する可能性がある。単結晶構造体は、通常、単結晶および単一結晶粒方位の成長を引き起こす種または他の構造体から、合金組成を一方向凝固させることによって準備される。
【００１６】
本明細書で説明される例示的な合金組成を使用するのはガスタービンブレード２２に限定されず、ガスタービンエンジン用のガスタービンノズル、ベーン、シュラウド、または他の構成要素などの他の物品で利用することができる。
【００１７】
本明細書で開示されるいくつかの実施形態は、持続ピーク低サイクル疲労（ＳＰＬＣＦ）耐性のために特に設計された超耐酸化性ニッケル基超合金組成である。図２は、当技術分野で既知の例示的な超合金についてＳＰＬＣＦ（故障までのサイクル）とクリープ破断寿命（時間）との間の関係を概略的に示す。図２を参照すると、例示的な第１世代超合金は参照番号５０によって示され、例示的な第２世代超合金は参照番号５２によって示され、例示的な第３世代超合金は参照番号５４によって示され、例示的な第４世代超合金は参照番号５６によって示される。開示される合金のいくつかは参照番号６０、６２、６４、６６、６８によって示される。図示のように、開示される合金は、クリープ強度から予測することができるものよりも繰り返し損傷蓄積に対する耐性が著しく改善されている。
【００１８】
しかし、密度に関して、本明細書で開示されるいくつかの合金は図３に示されるような第１世代合金により近い密度を有する。図３において、例示的な第１世代超合金、第２世代超合金、第３世代超合金、および第４世代超合金の密度が、開示されるいくつかの合金の密度と比較される。本明細書で開示される例示的な実施形態は、約０．３１５ポンド／立方インチ（約８．７１ｇ／ｃｍ3）未満の密度を示すことができる。本明細書で開示される例示的な実施形態は、約０．３〜約０．３１５ポンド／立方インチ（約８．３〜約８．７１ｇ／ｃｍ3）範囲の密度を示すことがある。密度はクリープ強度と同じように変化する（すなわち、クリープ破断強度の増加は密度の増加と関連づけられる）ことが観察された。
【００１９】
本明細書で開示される例示的な実施形態が顕著な耐酸化性を示すことが、２１５０°Ｆ（約１１７８℃）でのマッハ１バーナーリグ酸化試験によって求められた。開示される合金の超耐酸化性は、典型ではない良好なＳＰＬＣＦ耐性を提供する際の主要因であると考えられる。したがって、本明細書で開示される例示的な実施形態は、改善したＳＰＬＣＦ耐性合金を提供するために、独特の合金化手法、すなわち、特別優れた酸化性能のための合金化を提供すると考えられる。例示的な構成の系列が表１に提示される。
【００２０】
表ＩＩは、合金元素の例示的な重量パーセント範囲を提供する。本明細書で開示される例示的な実施形態は最小限の約６．８％のアルミニウムを含む。量を多くすると、耐酸化性およびＳＬＣＦ耐性の改善がもたらされる。本明細書で開示されるいくつかの例示的な実施形態では、約６．８〜約７．５％のアルミニウムが含まれる。本明細書で開示されるパーセントは、特に記載されていない限り重量パーセントを指す。元素ごとに範囲として与えられる量はすべて両端および部分範囲を含むと解釈されるべきである。例えば、約６．８〜約７．５％のアルミニウム範囲は、例示的な実施形態は、約６．８％のアルミニウム、約７．５％のアルミニウム、６．８％から７．５％までの間の任意の量のアルミニウム、および６．８％から７．５％までの間の任意の範囲のアルミニウムを包括的に含むことができることを意味する。他の例示的な実施形態は約６．８〜約７．２重量％アルミニウムを含む。
【００２１】
本明細書で開示される例示的な実施形態は、ガンマプライム強度を増進させるために約４〜８％のタンタルを含む。
【００２２】
本明細書で開示されるいくつかの例示的な実施形態では、約４〜約１０％のクロムが含まれ、耐高温腐食性が低減される。約１０％よりも多い量では、ＴＣＰ相不安定性および低い耐繰り返し酸化性がもたらされると考えられる。他の例示的な実施形態は約４〜約７．５重量％のクロムを含むことができる。本明細書で開示される例示的な実施形態は約６〜約７重量％のクロムを含むことができる。
【００２３】
開示される例示的な実施形態は、本明細書では約２〜約７％の量のタングステンを含むことができる。約２％未満のタングステンの量では強度が低下することがある。約７％よりも多い量では、ＴＣＰ相形成に関する合金不安定性および酸化能力の低下が生じることがある。タングステンはレニウムの代わりの強化材として使用することもできる。
【００２４】
本明細書で開示される例示的な実施形態は、耐高温クリープ性のために０〜約６％の範囲のレニウムを含むことができる。レニウムは、ガンマ相に分割する有力な固溶体強化材であり、ゆっくり拡散する元素でもあり、それにより、ガンマプライムの粗大化を制限する。
【００２５】
本明細書で開示される例示的な実施形態は約０〜約５重量％のコバルトを含むことができる。量を多くすると、ガンマプライムソルバス温度、したがって高温強度が低下するとともに、耐酸化性が損なわれる。この範囲のコバルトは、クリープ強度またはＳＰＬＣＦ性能に大きく影響しないと予想される。
【００２６】
本明細書で開示される例示的な実施形態は、耐酸化性を改善するために約０．２％までのケイ素添加材を適宜含むことができる。
【００２７】
本明細書で開示される例示的な実施形態は、適宜約０．１５％〜約０．７％のハフニウムを含むことができる。ハフニウムは、被覆された合金の耐酸化および高温腐食性を改善するが、被覆されない合金の耐腐食性を劣化させることがある。ハフニウムは、使用された場合、断熱被覆の寿命も改善する。経験の示すところによれば、約０．７％のハフニウム含有量は十分であった。しかし、ハフニウム含有量が約１％を超えると、応力破断特性は初期溶融温度と一緒に低下する。
【００２８】
本明細書で開示される例示的な実施形態は、適宜約０．５％までのチタニウムを有力なガンマプライム硬化剤として含むことができる。
【００２９】
本明細書で開示される例示的な実施形態は、適宜約０％から最大４％に制限された量のモリブデンを含む。モリブデンは固溶体強化を付与するために最小限に存在することができる。モリブデンがより高度に添加されると、耐高温腐食性の低下がもたらされる。
【００３０】
本明細書で開示される例示的な実施形態は、適宜約０．００５％までのホウ素添加材を含むことができる。ホウ素は小角粒界に許容度を与える。
【００３１】
本明細書で開示される例示的な実施形態は、適宜約０．０６％までの炭素添加材を含むことができる。炭素の好ましい範囲は約０．０２％〜約０．０６％である。より低いレベルが合金清浄度を改善するために設定されるが、それは、炭素が脱酸化を行うからである。０．０６％の炭素量を超えると、炭化物体積分率が増加し、炭化物が疲労核生成の部位として働くので疲労寿命が低減される。
【００３２】
本明細書で開示される例示的な実施形態は、固溶体強化のために合計で約６％のタングステン、レニウム、およびモリブデンを含むことができる。他の例示的な実施形態は、合金のクリープ強度を改善するためにこれらの合金元素のパーセント合計を増加させることができる。例えば、本明細書で開示されるような例示的な実施形態は、合計で約６〜約８重量％のタングステン、レニウム、およびモリブデンを含むことができる。
【００３３】
本明細書で開示される例示的な実施形態は、さらに適宜イットリウム、ランタン、およびセリウムの希土類添加材を別々にまたは組み合わせて約０．０３％まで含むことができる。これらの添加材は、保護アルミナスケールをより一層保持できるようにすることよって耐酸化性を改善することができる。量が多くなると、鋳肌での金型−金属反応が促進され、成分介在物含有量（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ  ｃｏｎｔｅｎｔ）が増加する。
【００３４】
本明細書で開示される例示的な実施形態は、重量パーセントで、約６．８〜約７．２％のアルミニウム、約４．５〜約６．４％のタンタル、約７．５％のクロム、約３．８５％のタングステン、約１．６〜約３．０％のレニウム、約３．１％のコバルト、および約０．０５％のケイ素、適宜約４％までのモリブデンを含むことができ、ここで、タングステン、レニウム、およびモリブデンの合計は約６重量％である。
【００３５】
【表１】
2012521497.tif 000003
【００３６】
【表２】
2012521497.tif 000004
ニッケル基超合金の熱機械疲労耐性は、強度に機能的に関連すると伝統的に考えられている。本明細書で開示された例示的な実施形態の示すところによれば、熱機械疲労耐性、具体的には持続ピーク低サイクル疲労耐性（ＳＰＬＣＦ）は、耐酸化性を増加させるように合金化することによって改善することができる。したがって、本明細書で開示された超耐酸化性合金は所望の熱機械疲労耐性を提供する。さらに、開示された実施形態では、超耐酸化性用の合金添加材によってニッケル基超合金の熱機械的特性を改善する方法が示されている。
【００３７】
本明細書では、実施例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、さらに当業者が本発明を製作および使用できるようにしている。本発明の特許の範囲は特許請求の範囲によって規定されており、当業者が思いつく他の実施例を含むことができる。他のそのような実施例は、それらが特許請求の範囲の文字どおりの意味と異ならない構造要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文字どおりの意味と実質的に差のない均等な構造要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあるように意図される。
【符号の説明】
【００３８】
２０  構成要素物品
２２  ガスタービンブレード
２４  エーロフォイル
２６  アタッチメント
２８  プラットフォーム
【図１】
2012521497.tif 000005
【図２】
2012521497.tif 000006
【図３】
2012521497.tif 000007
【国際調査報告】
2012521497.tif 000008
2012521497.tif 000009
2012521497.tif 000010