(57)【要約】ニッケル及びクロムに富む高耐熱性、オーステナイト系鉄ベース合金。合金は、改善された微細な樹枝状炭化物構造を示し、タービンハウジングのように排気ガス流れに曝される排気ガスターボチャージャー構成部品に特に重要な繰り返しの熱伸び及び歪みに耐えることができる。この合金は、非常に良好な熱機械的疲労（ＴＭＦ）負荷性能も保証する。構成部品の熱亀裂の問題が大幅に減少する。合金は、ニッケル元素と、ニオブ元素と、セリウム元素と、バナジウム元素との間の関係に影響される。本発明はさらに、ターボチャージャータービンハウジングにおける亀裂形成を防止し、酸化を最小化する方法に関する。【選択図】図３
2020509237.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の元素からなる炭化物構造を含むオーステナイト系構造を有する鉄ベース合金：
Ｃ：０．３〜０．６重量％、
Ｃｒ：２４〜２７重量％、
Ｍｎ：２．０重量％以下、
Ｓｉ：１．５〜２．４重量％、
Ｎｂ：０．７〜１．０重量％、
Ｎｉ：２７．５〜３０重量％、
Ｖ：０．４〜０．６重量％、
Ｎ：０．０５〜０．２５重量％、
Ｃｅ：最大０．４まで
Ｍｎ：最大２．０まで
Ａｌ：最大０．７まで
Ｂ：最大０．０５まで
Ｆｅ：１００重量％を作るための残量。
【請求項２】
窒素含有量が０．０８〜０．１２重量％である、請求項１に記載の鉄ベース合金。
【請求項３】
窒素含有量が０．１〜０．２重量％である、請求項１に記載の鉄ベース合金。
【請求項４】
以下の元素からなる炭化物構造を含むオーステナイト系構造を有する鉄ベース合金：
Ｃ：０．３〜０．６重量％、
Ｃｒ：２４〜２７重量％、
Ｍｎ：２．０重量％以下、
Ｓｉ：１．５〜２．４重量％、
Ｎｂ：０．７〜１．０重量％、
Ｎｉ：２７．５〜３０重量％、
Ｖ：０．４〜０．６重量％、
Ｎ：０．０８〜２．０重量％、
Ｃｅ：最大０．４まで
Ｍｎ：最大２．０まで
Ａｌ：最大０．７まで
Ｂ：最大０．０５まで
Ｆｅ：１００重量％を作るための残量。
【請求項５】
鉄ベース合金が実質的にシグマ相を含まない、請求項１に記載の鉄ベース合金。
【請求項６】
ハウジングが請求項１に記載の鉄ベース合金からなる排気ガスタービンを有する、排気ガスターボチャージャー。
【請求項７】
以下のステップを含む、ターボチャージャータービンハウジングにおける耐酸化性を増加させ、亀裂形成を減少させる方法：
請求項１の合金を含むタービンハウジングを鋳造するステップ、及び
前記鋳造されたタービンハウジングをターボチャージャーに組み立てるステップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ニッケル及びクロムに富む高耐熱性、オーステナイト系鉄ベース合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
合金は、改善された微細な樹枝状炭化物構造を示し、タービンハウジングのように排気ガス流れに曝される排気ガスターボチャージャー構成部品に特に重要な繰り返しの熱伸び及び歪みに耐えることができる。この合金は、非常に良好な熱機械的疲労（ＴＭＦ）負荷性能も保証する。構成部品の熱亀裂の問題が決定的に影響を受ける。本発明の合金は、ニッケル元素と、ニオブ元素と、セリウム元素と、バナジウム元素と間の関係に影響される。本発明はさらに、ターボチャージャータービンハウジングにおける亀裂形成を防止し、酸化を最小化する方法に関する。
【０００３】
関連技術の説明
排気ガスターボチャージャーは、エンジン排気ガスからエネルギーを抽出して圧縮機を駆動し、作業行程当たりの可燃性混合物の処理量を増加させることによって、小型エンジンで大排気量エンジンの性能を達成する。非常に高い要求がターボチャージャーの材料に課されている。これらの材料は、耐食性、耐酸化性、耐亀裂性を示さなければならず、寸法安全性を維持しなければならず、特に最大約１１００℃までの非常に高い温度でも良好な熱機械的疲労（ＴＭＦ）負荷性能を示さなければならない。
【０００４】
不均一な温度分布により、強力な熱機械的力がタービンハウジングに作用する。タービンハウジング内の熱場（ｈｅａｔ  ｆｉｅｌｄ）は、角度方向及び半径方向に不均一である。角度方向の意味では、タービンハウジングの最も熱い部分は排気ガスがタービンハウジングに進入するタービンフット（ｔｕｒｂｉｎｅ  ｆｏｏｔ）にあり、ボリュートが舌部（ｔｏｎｇｕｅ）に向かって減少するにつれて温度が下がる。半径方向の意味では、排気ガスがボリュートのルーフ（ｒｏｏｆ）からホイールに向かって流れるにつれて温度が上昇する。図で示すと、タービンハウジングはスネイルシェルのように巻かれている。構造的に、タービンハウジングの幾何形状と壁厚は、かなり異なる。これらの設計及び熱的格差の結果として、熱的な力（ｔｈｅｒｍａｌ  ｆｏｒｃｅ）は、スネイルシェルを解けるようにする傾向があり、ボリュートが何らかの方式でも抑制されていると、ねじれる傾向がある。分割型ボリュートタービンハウジングの場合、分割壁（ｄｉｖｉｄｅｒ  ｗａｌｌ）は、側壁とともに、ボリュートが解けることを抑制する。分割壁は、ボリュート壁に結合されるという点で最大直径に拘束されるが、分割壁の内径に拘束されず、これはまたテーパー状になる。このテーパー状領域は、特に、熱応力から引張荷重を受けやすく、これはその自体で一般に半径方向の亀裂として現れる。さらに、分割壁はほぼ平行な他の壁よりも低い熱質量を有するので、分割壁の加熱と冷却の両方がより急速に進行し；これは、分割壁でより低いサイクル疲労（ｌｏｗ  ｃｙｃｌｅ  ｆａｔｉｇｕｅ）を生成し、これにより、亀裂性向を増加させる。さらに、図１から分かるように、タービンボリュートがパルス分離を維持するために少なくとも１つの分割壁によって分割される場合、排気ガス流れに曝された内部表面積が急激に増加する。パルス分離は、タービンハウジングを通る流れの不安定性も増加させる。圧力パルスがボリュートを通過するにつれて、振動応力は、任意の表面の酸化層を遊離させ得、これはタービンホイールが損傷させ得る。このような理由によって、より高いレベルの耐酸化性が有利であろう。
【０００５】
この問題に対する１つの解決策は、本譲受人に譲渡された米国特許出願第２０１５／００２３７８８号に開示されており、タービンハウジング内のターボチャージャータービン分割壁に亀裂が生じる傾向は、分割壁の質量を上記分割壁とそれを通過して流れる排気ガスとの間の一時的な熱伝達に、より密接に一致させることによって最小化される。これは、実質的にＬｏｇ２曲線によって定義される断面形状を有する上記分割壁を提供することによって達成される。しかしながら、この解決策は、分割壁の内径の領域にのみ適用することができる。亀裂は、タービンハウジング内のどこでも発生し得る。タービンハウジング全体のＴＭＦ負荷性能を改善する必要がある。
【０００６】
米国特許第９，３５９，９３８号（Ｓｃｈａｌｌ）は、摩擦摩耗に対する非常に良好な耐性によって区別される炭化物構造を有するオーステナイト系鉄ベース材料を教示している。合金は、０．１〜０．５重量％の炭素（Ｃ）元素、２０〜２８重量％のクロム（Ｃｒ）元素、最大１．３重量％のマンガン（Ｍｎ）元素、０．５〜１．８重量％のシリコン（Ｓｉ）元素、０．５〜２．０重量％のニオブ（Ｎｂ）元素、０．８〜４．０重量％のタングステン（Ｗ）元素、０〜１．８重量％のバナジウム（Ｖ）元素、２０〜２８重量％のニッケル（Ｎｉ）元素、及び残部として鉄（Ｆｅ）元素を含む。しかしながら、熱機械的疲労（ＴＭＦ）負荷性能をさらに改善する必要がある。
【０００７】
さらに、タービンハウジングの耐食性及び耐酸化性を改善し、寸法安全性及び高温強度だけでなく、クリープ強度及び破壊強度を改善する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本目的は、改善された微細な樹枝状炭化物構造を含むオーステナイト系構造を有する、最大１１００℃までの温度適用に使用した場合、高温耐酸化性及び長寿命を示す高耐熱性鉄ベースの合金によって達成される。同時に、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ）及びニオブ（Ｎｂ）などの元素は、良好な熱的性能を保証する。微細な炭化物析出物ＮｂＣにより、微細構造は粒状腐食によって粒子内で安定化される。所望の耐酸化性は、クロム元素（粒界で＞２５％の遊離クロム）、シリコン元素、アルミニウム元素及びセリウム元素によって付与される。高温における動的に許容可能な伸びの特性は、タービンハウジングに特に適用可能であるが、本発明がこれに制限されない。本合金では、この特性は、ニッケル元素、ニオブ元素、セリウム元素及びバナジウム元素によって付与される。同時に、これらの元素（Ｎｉ、Ｃｅｒ、Ｎｂ、Ｖ）も非常に良好なＴＭＦ性能を保証する。したがって、構成部品の熱亀裂の問題が決定的に減少する。材料組成には、最大１０８０℃までのシグマ相（脆化相）が含まれていない。同時に、この合金は、結晶粒界（ｉｎｔｅｒｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）腐食に対する耐性を提供する。
【０００９】
窒素は室温でガスであり、合金技術では一般的に合金元素として使用されていない。従来の知識によれば、窒素が合金元素として含まれる場合には、少量しか含まれない。要因として窒素を完全に無視する文献［Ｂａｂａｋｒ  ｅｔ  ａｌ、「Ｓｉｇｍａ  Ｐｈａｓｅ  Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｃａｓｔ  Ｉｒｏｎ−Ｃｈｒｏｍｉｕｍ−Ｎｉｃｋｅｌ  （Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ）  Ａｌｌｏｙｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ＋Ｍｉｎｅｒａｌｓ  ＆  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ＆  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．２，ｐｐ１２７−１４５，２００８］を参照する。
【００１０】
高温材料のクリープ挙動及びクリープ特性の劣化は、実用上重要な現象であり、高温の応力下で長期間作動するように設計された構成部品及び構造体の寿命をしばしば制限する。米国特許第９，１８１，５９７号（Ｈａｗｋら）は、（重量％で）９．７５〜１０．２５のクロム、１．０〜１．５のモリブデン、０．１３〜０．１７の炭素、０．２５〜０．５０のマンガン、０．０８〜０．１５のシリコン、０．１５〜０．３０のニッケル、０．１５〜０．２５のバナジウム、０．０５〜０．０８のニオブ、０．０１５〜０．０３５の窒素、０．２５〜０．７５のタングステン、１．３５〜１．６５のコバルト、０．２０〜０．３０のタンタル、７０ｐｐｍ〜１１０ｐｐｍのホウ素、残り鉄及び潜在的に追加元素の全体組成を有する６５０℃耐クリープ性合金を教示している。Ｈａｗｋらは、炭素の存在下で窒素がバナジウム及びニオブと結合して炭窒化物を形成し、これは、クリープ破断強度を向上させるのに効果的であり、熱的に極めて安定であると教示している。バナジウムは炭素及び窒素と結合して、Ｖ（Ｃ、Ｎ）のような微細に分散した析出物を形成し、これは高温で長期間安定であり、長期クリープ破断強度を改善するのに効果的である。ニオブは、バナジウムと同様に、炭素及び窒素と結合して、クリープ破断強度を向上させるのに効果的なＮｂ（Ｃ、Ｎ）などの微細な析出物を形成する。鋼鉄に添加された窒素は、クリープ破断強度を最大０．０７重量％まで増加させ、その後効果が減少する。さらに、窒素はオーステナイトを安定化させ、シグマ−フェライトの形成を大幅に緩和させる。０．０１重量％を超えるレベルの窒素は、これらの効果を促進させる。しかしながら、窒素含有量を、０．０８重量％を超えるレベルまで増加させることは、粗い窒化物粒子の形成を通して、そして、インゴットの凝固中にガスポケット及び空隙から成形性及び熔接性を低下させることができ、これは、以後に熱間加工（ｈｏｔ  ｗｏｒｋｉｎｇ）中にガスポケット及び空隙が開放されて追加の欠陷をもたらす。延性及び靭性と同様に、クリープ破断強度もそれに応じて低下する。したがって、窒素含有量を０．０１５〜０．０３５重量％の範囲内に制限する必要がある。
【００１１】
米国特許第６，７６１，８５４号（Ｓｍｉｔｈら）は、高温耐食性ニッケルベース合金を教示している。合金は、少なくとも０．０１重量％の量で窒素を含有することができ、それぞれは酸化物スケールを安定化させ、耐酸化性に寄与するが、窒素レベルが０．１重量％を超えると、合金の機械的特性を低下させる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
粗い窒化物粒子の形成により合金の機械的性質が低下する従来の知識とは異なり、窒素含有量が０．１重量％を超える場合、本発明による合金でクリープ破断強度、延性及び靭性を低下させ、驚くべきことに、本発明者は特定の量で、以下に特定された元素を含む合金に０．１〜０．２重量％の範囲の窒素を添加することは、高温耐酸化性を改善し、鉄ベース合金の微細樹枝状炭化物構造を改善し、これにより、非常に良好なＴＭＦ性能を保証することを発見した。これにより、高温環境で使用されるターボチャージャーハウジングのような構成部品の熱亀裂の問題が大幅に低減する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本発明は、類似の参照番号が類似の部分を示す添付図面に、非限定的に例として示されている：
【図１】図１は、ターボチャージャーアセンブリの、従来技術の分離型ボリュートタービンハウジングの断面を示し；
【図２】図２は、切断線２−２に沿ったタービンハウジングの断面図を示し；
【図３】図３は、模擬排気に曝された、本発明の合金上に形成された酸化層の顕微鏡写真であり；
【図４】図４は、模擬排気に曝された比較合金上に形成された酸化層の顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
耐酸化性
半径方向流れターボチャージャータービンにおいて、排気ガスストリームは、回転軸に対して垂直に円周方向のボリュート内に流れ、これは、タービンホイールに向かって、そして回転軸の周りに、排気ガスを内側方向に回転させるように構成された、狭い螺旋を形成する。時々「スネイルシェル」として視覚化されるボリュートは、開放型（単一ボリュート）または分割型（複数ボリュート）に分類され得る。
【００１５】
開放型ボリュートは、エンジンの排気マニホールドからのパルスが混合され、ピークとバレーが平均になる定圧ターボチャージングに有用であり、タービンホイールは、ガス質量流量及び温度降下によって駆動され、比較的安定した状態の排気ガスをタービンホイールに提供する。しかしながら、定圧ターボチャージングは、各圧力パルスのピークで利用可能な瞬間運動エネルギーを利用しない。
【００１６】
各圧力パルスのピークで利用可能な瞬間運動エネルギーを利用するために、排気流中の干渉シリンダーとパルスとの間の分離をシリンダー出口からタービンホイールまでずっと維持する必要がある。特に、エンジンのシリンダーが複数のサブグループに分割され、シリンダーの各サブグループからのパルスが各サブグループに対して独立した排気通路を設けることにより、他のサブグループのパルスから実質的に分離される「パルス分離」と知られているものを使用することが知られている。パルス分離型タービンでは、圧力脈動からエネルギーを抽出する際に、より短い時間でより高いタービン圧力比に到逹する。圧力比が増加することにより、効率が向上し、より高効率的な質量流れがタービンを通過する場合、非常に重要な時間間隔が改善される。この改善された排気ガスエネルギー利用の結果として、エンジンのブースト圧力特性が改善され、したがって、特に低いエンジン速度でトルク挙動が改善される。
【００１７】
タービンフットからタービンホイールへのパルス分離を維持するために、タービンボリュートを少なくとも１つの分割壁を使用して、２つ以上の流れチャンネルに分割されなければならない。タービンは、ツイン−フロー（ｔｗｉｎ−ｆｌｏｗ）として知られている子午線方向に分割され得、ここで、２つのチャンネルは、互いに隣接するように、そして、少なくとも円弧状のセグメントに沿って配置され、それぞれは等しい（少なくとも重なる）半径でタービンホイールを螺旋状に囲んでいる。代案的に、分割型タービンは二重流であり得、それぞれの場合に２つのチャンネルは異なる円弧状セグメントに供給するように配置され、このため、上記二重流タービンは、しばしばセグメント化タービンとも呼ばれる。タービンハウジングは、軸方向流れ設計または任意の設計であり得る。本明細書で使用される用語「ツイン−フロー」、「二重流」は、互換的に使用される。
【００１８】
図１から分かるように、ボリュートが少なくとも１つの分割壁によって２つ以上のボリュートに分割されるにつれて、ボリュート内部の総表面積が急激に増加する。表面積が増加するにつれて、煤を堆積する領域がより大きくなる。さらに、腐食性排気によって刺激された表面積が増加するにつれて、酸化イベントに対する暴露も増加する。パルス分離は、利用可能なエネルギーを増加させる一方、タービンハウジングを通る流れの不安定性も増加させる。パルスがボリュートを通過するにつれて、振動応力は、ボリュート壁上の煤またはスケールまたは任意の酸化層を遊離させ得る。これらの遊離酸化物は、タービンホイールのブレードを損傷させることができる。したがって、ボリュートの内壁の酸化を防止することが重要である。本発明は、排気ガスターボチャージャータービンハウジング用の高耐酸化性酸化物を提供する。
【００１９】
亀裂防止
図１から分かるように、分割壁２を使用することにより、タービンハウジングのボリュート１で流れの分離が維持され得る。分割壁２は、先端３とルーフ５を有し、流れを第１の流路８と第２の流路９に分割する。ボリュート１は、ルーフ５、第１の側壁６及び第２の側壁７を有する
【００２０】
図２に示したように、角度方向の意味では、タービンハウジング１１の最も最も熱い部分は、排気ガスがタービンハウジングに進入するタービンフット１０にある。流路９が舌部１２に向かって減少するにつれて、排気ガスの温度が下がる。半径方向の意味で、温度は、ボリュートのルーフ５からタービンホイール１３に向かって上昇する。図で示すと、タービンハウジング１１は、スネイルシェルのように巻かれている。構造的に、タービンハウジングの幾何形状と壁厚は、かなり異なる。これらの形状、質量及び熱的格差の結果として、熱的な力はスネイルシェルを解けるようにする傾向があり、ボリュートが何らかの方式でも抑制されていると、ねじれる傾向がある。分割型ボリュートタービンハウジングの場合、分割壁２は、側壁６、７とともに、ボルュートが解けることを抑制する。分割壁２は、ボリュートルーフ５に結合されるという点で最大直径に拘束されるが、分割壁の内径に拘束されず、また先端３はテーパー状になる。このテーパー状領域は、特に、熱応力から引張荷重を受けやすく、これは時間の経過とともに、その自体で一般に半径方向亀裂２０として現れる。さらに、分割壁２は、ほぼ平行な他の壁６、７よりも低い熱質量を有するので、分割壁の加熱と冷却の両方がより急速に進行し；これは、分割壁でより低いサイクル疲労を生成し、これにより、亀裂性向を増加させる。
【００２１】
本発明の合金は、非常に高い温度、不均一な温度分布、腐食性雰囲気、及び繰り返される熱サイクリングに曝された構成部品に特に適した、一連の特性を特徴とする。特定の用途の１つは、上述のターボチャージャーハウジングである。この合金は、ディーゼルまたはオット（Ｏｔｔｏ）−エンジンによって生成された排気ガスに耐性があり、マニホールドの有無にかかわらずタービンハウジングで使用することができる。合金は、鋳造可能であり、最大１１００℃までの寸法安全性だけでなく、高温耐酸化性及びＴＭＦ耐性を示す。
【００２２】
材料組成の微細構造は、炭化物形成の微細なネットワークを有するオーステナイト系基本構造を示す。耐摩耗性は、炭化物構造によって提供される。粒子構造内の希土類の相排除により、マトリックス内に原子結合鎖が生成される。また、粒子構造内の希土類の相排除により、マトリックス内に原子結合鎖が生成される。これにより、格子摺動が大幅に減少し、したがってＬＣＦ及びＴＭＦの性能が向上される。すなわち、純粋な金属において、金属の結晶格子は、電子の海に囲まれたイオン（原子ではない）で構成される。元の金属原子からの外部電子（−）は、形成された正の金属イオン（＋）の間で自由に動く。金属原子の外殻からのこれらの「自由」または「非局在化」電子は、粒子を１つにまとめる「電子接着剤」である。これらの自由電子（移動電子または非局在化電子の「海」）（−）と巨大格子を形成する「固定」正の金属イオン（＋）の間には、強力な電気引力が存在し、これが金属結合である。応力に曝される場合、格子層は互いに摺動し得、移動電子が格子のイオンと接触し続けるため、結合が維持され、展性と延性を提供する。合金は、一般に、（すべての原子が化学的に一緒に結合しているという事実にもかかわらず）化合物として見なされないが、金属（例えば、クロム、ニッケル）または非金属（炭素、窒素）であり得る少なくとも１つの他の材料と金属との物理的混合として説明される。（赤い丸で表示）。（小さいかより大きい）他の原子の存在は、層の対称を崩壊させ、この歪みによって、ある層が金属原子の別の層の隣に摺動する「摺動能力」が低下し、その結果、より強く、硬く、展性の少ない金属が生成されるが、ほとんどの目的により適している。鋼鉄中の炭素は炭化物、特にＦｅ−セメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）の炭化物を形成する。炭化物自体は硬いが、鋼鉄に分散されており、これらは分散強化によって合金を強化し、上述のように、転位の摺動を防止し、かつ格子内での原子の摺動／スリッピングを防止する。粒界強化において、粒界はピニングポイント（ｐｉｎｎｉｎｇ  ｐｏｉｎｔ）として作用し、さらなる転位の伝播を妨げる。隣接した粒子の格子構造は配向が異なるので、転位が方向を変えて隣接した粒子に移動するには、より多くのエネルギーが必要である。粒界も粒子内部よりもはるかに無秩序であり、これは、転位が連続スリップ平面内で移動するのを防止する。この転位移動を妨げる。粒界強化の別の形態は、粒界での炭化物の析出を促進して粒界摺動を減少させる、炭素、及びＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、またはＨｆなどの炭化物形成剤を添加することによって達成される。印加された応力下で、既存の転位は、粒界に遭遇するまで結晶格子を通って移動し、異なる粒子間の大きな原子の不整合は、反発応力場を生成して連続的な転位移動に対抗するであろう。より多くの転位がこの境界に伝播されるにつれて、転位のクラスターが境界を越えて移動し得ないので、転位の「堆積（ｐｉｌｅ  ｕｐ）」が発生する。転位が反発応力場を生成するにつれて、連続する各転位は、粒界に付随的な転位に反発力を印加するであろう。これらの反発力は、境界にわたって拡散に対するエネルギー障壁を減少させる駆動力として作用し、したがって、追加の堆積に��り、粒界を越えて転位の拡散が引き起こされ、材料のさらなる変形が可能になる。粒子サイズを小さくすると、境界に堆積することができる量が減少し、粒界を越えて転位を移動するのに必要な印加応力の量を増加させる。転位を移動させるのに必要な印加応力が高いほど、降伏強度が高くなる。したがって、粒子サイズと降伏強度は反比例の関係にある。明らかに、無限に強力な材料は存在しないので、この強化モードには限界がある。粒子サイズは、約１００μｍ（大きな粒子）〜１μｍ（小さな粒子）の範囲であり得る。これよりも低くなると、転位のサイズが粒子のサイズに近づき始める。約１０ｎｍの粒子サイズでは、１つまたは２つの転位のみが粒子内に嵌入（ｆｉｔ）し得る。このスキームは、転位の堆積を阻害し、代わりに粒界拡散をもたらす。格子は、粒界摺動によって印加応力を解消し、その結果、材料の降伏強度を減少させる。
【００２３】
窒素含有量を、０．０８重量％を超えるレベルまで増加させると、粗い窒化物粒子の形成により成形性が低下し得る。延性及び靭性と同様に、クリープ破断強度もそれに応じて低下する。
【００２４】
本発明による合金は、１１００℃までの温度適用を意図する、化学的に改質された、耐熱性の高いオーステナイト系合金である。合金は、高温酸化に対する高い耐性を有し、改善された微細な樹枝状炭化物構造を示す。クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ）及びニオブ（Ｎｂ）などの元素は、良好な熱的特性を保証する。ＮｂＣなどの微細な炭化物析出物により、粒子の微細構造はＩＫ腐食に対して安定化される。所望の耐酸化性は、クロム元素（粒界で＞２５％の遊離クロム）、シリコン元素、アルミニウム元素ム及びセリウム元素によって付与される。上記言及された構成部品温度における動的に許容可能な伸びの特性は、合金がタービンハウジングを形成するために使用される場合に特に重要である。この特性は、ニッケル元素、ニオブ元素、セリウム元素及びバナジウム元素によって保証される。同時に、これらの元素（Ｎｉ、Ｃｅｒ、Ｎｂ、Ｖ）も非常に良好なＴＭＦ性能を保証する。したがって、構成部品の熱亀裂の問題が決定的に減少する。
【００２５】
この合金には、以下の化学元素が含まれる：
【００２６】
炭素（Ｃ）は、炭化物形成により高い強度を付与し、また、より高い耐熱性を生成するためにも使用される。
【００２７】
クロム（Ｃｒ）は、高温引張強度及び耐スケール性の増加を提供する。同時に、クロムは強力な炭化物形成剤であるタイプＭ２３Ｃ６であり、これは摩耗挙動における利点を反映する。さらに、非常に高い排気ガス温度に曝されるとき、貴重なＣｒ２０３トップコートが形成され、このトップコートは摺動摩耗に対する非常に良好な耐性をもたらす。
【００２８】
マンガン（Ｍｎ）は、材料のガンマ範囲をさらに広げる。マンガンの添加により、降伏強度及び引張強度が増加する。同時に、高温での耐摩耗性が増加する。
【００２９】
ニオブ（Ｎｂ）及びバナジウム（Ｖ）は、ここで、炭化物形成剤であるタイプＭＣとして使用される。元素は、フェライト形成剤であるので、ガンマ範囲を減少させる。さらに、熱強度及びクリープ強度が増加する。
【００３０】
シリコン（Ｓｉ）は、鋳造中に溶融物の粘度を減少させる。また、元素は、脱酸素化を起こし、これは合金化による高温ガス腐食に対する耐性を大幅に向上させる。
【００３１】
ニッケル（Ｎｉ）は、延性及び耐熱性を向上させる。温度変化による亀裂に対する耐性を付与するためには、より高いニッケル含有量が必要である。
【００３２】
ホウ素（Ｂ）は、流動性に良い影響を及ぼし、微細キャビティ領域における鋳造欠陷も減少させる。次に、このような不連続性は、ねじれ及び振動破壊及び亀裂が内側（タービンハウジング螺旋状チャンネル）から外側のスキンに進行するという事実の原因となる。
【００３３】
Ｃｅｒ（Ｃｅ）は、溶融物で強力な酸素還元効果を示し、耐熱鋼の耐スケール性を向上させる。さらに、この元素は、作動中に熱亀裂傾向が大幅に減少することを保証する。
【００３４】
窒素（Ｎ）は、窒化物を形成し、この合金のオーステナイト範囲を広げながら酸素−起因腐食及び酸化率を減少させる。これは、なかんずく高温の腐食性攻撃を減少させる。炭素の存在下での窒素は、バナジウム及びニオブと結合して炭窒化物を形成し、これは、クリープ破断強度を向上させるのに効果的であり、熱的に非常に安定する。さらに、窒素はオーステナイトを安定化させ、シグマ−フェライトの形成を大幅に緩和させる。本発明の合金中の窒素含有量を、０．２５重量％を超えるレベルまで増加させると、粗い窒化物粒子の形成により成形性が低下し得る。延性及び靭性と同様に、クリープ破断強度もそれに応じて低下することができる。したがって、０．０５〜０．２５重量％、好ましくは０．１〜０．２重量％の範囲の窒素を添加することは、高温耐酸化性を改善し、鉄ベース合金の微細な樹枝状炭化物構造を改善した。炭素と窒素は、バナジウム、ニオブ及びタンタルとともに、ＭＸ炭化物を生成して転位の移動を遅くする。
【００３５】
アルミニウム（Ａｌ）は、耐酸化性をさらに増加させ、したがって、酸化層の厚さ（＜４０μｍ）を最小化するのに重要な要素である。これにより、亀裂に対する感受性が大幅に減少し、これは、異なる熱膨張係数（酸化物層−基材）に基づいた損傷効果を示す。
【００３６】
材料組成には、最大１０８０℃までのシグマ相（脆化相）が含まれない。同時に、この合金は、結晶粒界腐食に対する耐性を提供する。
【００３７】
試験により、本発明の合金は、ガス入口温度が１１００℃であり、以下の影響に対する耐性が増加したタービンハウジングなどの用途に使用される高温合金として適していることが立証された：
【００３８】
耐熱衝撃性：排気ガス入口チャンネルに温度起因亀裂なし＞プリングカナル（ｐｕｌｌｉｎｇ  ｃａｎａｌ）での壁厚の６０％。
耐酸化性：＜６０μｍ
タービンハウジングに連続的な亀裂なし：最大１０８０℃
冷却水の浸透時：熱分解及び高温腐食に対する許容可能な影響
試験媒体：オットモーター排気（エタノールＥ１００を含み）
動的に許容可能な膨張挙動：＞１０％＜２５％
深さ＜４０μｍの粒界に沿って樹枝状酸化の減少：最大１１００℃
ＴＭＦ性能の検証（ＡＴＬ燃焼チャンバでの熱衝撃試験後、完全な熱力学的解除性能が３００時間以後でも保証される、負荷仕様ＯＥＭ）：最大１０８０℃
低いサイクル疲労性能：
１０００℃での高温引張強度＞１０５ＭＰａ
１０００℃での熱延伸限界＞７０Ｍｐａ
【００３９】
これは、オーステナイト系材料であるため、高温酸化に特に注意を払う必要があり、したがって、１０５０℃の構成部品温度で最大６０μｍの酸化率を達成することが望ましい。
【００４０】
この材料組成に対する検証試験シリーズには、以下のシリーズが含まれる：
−  模擬オット−排気での耐酸化性試験（１０１０℃）
−  モーターでの熱衝撃：連続的な（貫通）亀裂なしで３００時間、または亀裂最大深さ１．５ｍｍ。舌部領域は除外する。
−  炉（ｆｕｒｎａｃｅ）での高温ガス腐食試験：３５０時間−１０５０℃−酸化率：＜６０μｍ
−  ＤＩＮ  ＥＮ  ＩＳＯ  ３６５１−２（以前のＤＩＮ  ５０９１７）によるストラウス試験
−  １０００℃までのクリープ及び破断試験。
【００４１】
材料の化学分析：Ｃ：０．３〜０．６％；Ｎｉ：２７．５〜３０％；Ｃｒ：２４〜２７％；Ｍｎ：最大２％；Ｓｉ：１．５〜２．４％；Ｎｂ：０．７〜１％；Ｃｅｒ：最大０．４０％；Ｖ：０．４〜０．６％；Ａｌ：最大０．７％；Ｎ：０．１〜０．２％；Ｂ：最大０．０５％；残り鉄。
【００４２】
材料の機械的特性：
−Ｒｍ：＞４２０ＭＰａ
−Ｒｐ０．２：＞２２０ＭＰａ
−伸び：＞６％
−硬度：１８０〜２６５ＨＢ
−伸び係数：１６．５〜１８．５  −１／Ｋ（２０〜９００℃）
−７００℃での耐熱性：
−Ｒｍ＞３４５ＭＰａ
−Ｒｐ０．２＞１８０ＭＰａ  ８００℃での熱間強度（ｗａｒｍ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ）：
−Ｒｍ＞２７０ＭＰａ
−Ｒｐ０．２＞１４０ＭＰａ  ９００℃でのウォーム強度：
−Ｒｎｎ＞１８０ＭＰａ
Ｒｐ０．２＞１２５ＭＰａ
１０００℃での耐熱性：
−Ｒｍ＞１０５ＭＰａ
−Ｒｐ０．２＞７０ＭＰａ  １０５０℃での高温強度：−Ｒｎｎ＞７８ＭＰａ
−Ｒｐ０．２＞４５ＭＰａ熱処理：
−１０５０℃／４〜６時間でエージング−空冷（二次析出物が発生する）
【００４３】
任意の特定の理論に拘束されないが、材料は巨視的に分離されることに抵抗するので、Ｒｍ＞１０５Ｍｐａの亀裂及び脆化が発生する可能性は低いと考えられる。
【００４４】
熔接プロセス：
材料は、ＴＩＧ−プラズマ及びＥＢ−方法を使用して熔接される。生産方法：
−砂型鋳造（ｓａｎｄ  ｃａｓｔｉｎｇ）
−精密鋳造。
【００４５】
発明の任意の特定の理論に拘束されないが、本発明の効果は以下に起因すし得ると考えられる：
１．）構成部品の繰り返し耐酸化性は、高温腐食を防止する（粒子構造を通る結晶粒内（ｔｒａｎｓｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）亀裂を伴う）。これは、新しい材料の化学的組成、特に元素Ｃｒ＋Ｓｉ＋Ｂ＋Ｎの組み合わせの作用モードによって回避される。
２．）この高温合金のクリープ挙動は、炭化物発生剤Ｃｒ−Ｖ−Ｎｂと、窒化物形成剤Ｎと、微細な樹枝状構造及びＡＳＴＭによって調整された２〜４μｍの粒子サイズとの相互作用によって生成される。
３．）温度変化耐性、すなわち熱機械的疲労（ＴＭＦ）負荷性能は、主に元素Ｃｒ＋Ｖ＋Ｎｂの強度とニッケルとの割合によって決定され、ニッケルの割合は、総化学量で、０．９〜１の重量％比で調整される。この安全性に対するさらなる決定要因として、マトリックスで微細に定義された窒化物形成、及び非常に小さな分散−析出相（ホウ素による）は、粒界に位置し、これは強い原子結合を形成するので、初期の格子グライディング（ｇｌｉｄｉｎｇ）に対して作用する。
【００４６】
実施例及び比較例
材料の化学的分析（重量％）：
【００４７】
【表１】
2020509237.tif 000003
【００４８】
実施例の機械的試験により、以下の結果が得られた：
【００４９】
【表２】
2020509237.tif 000004
【００５０】
試験された本発明の実施例の合金組成は上記に記載されている。密接な市販合金を分析し、結果を上記に記載した。実施例は、キャストディスクの形態であった。比較例は、キャストロッドの形態で、そして別にＭＩＭディスクの形態で製造された。サンプルは切断区分され（ｃｕｔ  ｓｅｃｔｉｏｎｅｄ）、切断面は１２００グリットで研磨され、超音波浴でエタノールを利用して洗浄される。乾燥後、サンプルの重量を測定し、オーブンに入れた。サンプルは、模擬オット排気下で３５０時間、１０１０℃の等温条件に曝された。加熱及び冷却は、アルゴン中で行われた。暴露後、サンプルの重量を再び測定し、重量が４．８６グラムであり、酸化前に５ｃｍ２の曝された表面積を有する実施例の合金は重量が０．１６２６７６６２８％減少した一方、重量が１．８８グラムであり、２．２ｃｍ２の曝された表面積を有するキャストロッドの形態の比較例の合金は重量が０．２１８５５７７３２％増加したと判定された。重量が２．１６グラムであり、０．０８８９４０３５９重量％増加した３．２ｃｍ２の曝された表面積を有するＭＩＭディスクの形態の別途の比較例が試験された。酸化はサンプルの表面層でのみ起こるので、重量のわずかな差は実際には非常に重要である。ディスクの研磨されていない平坦な表面の酸化層の顕微鏡写真を図３に示す。比較例の合金を有するキャストロッドの研磨されていない円周面の酸化層の顕微鏡写真を図３に示す。
【００５１】
合金は、ターボチャージャータービンハウジングを形成するために鋳造され得る。鋳造後、ハウジングの外側部分をさらに硬化させるために、ハウジングに「ケース硬化」−浸炭、窒化、浸炭窒化及び／またはホウ素化を施すことができ、金属はより硬い相を形成することによって硬化され得る。
【００５２】
本発明を説明したので、本発明者は以下のように特許請求する：
【図１】
2020509237.tif 000005
【図２】
2020509237.tif 000006
【図３】
2020509237.tif 000007
【図４】
2020509237.tif 000008
【国際調査報告】
2020509237.tif 000009
2020509237.tif 000010