JP3679973B2 - 単結晶Ｎｉ基耐熱合金およびタービン翼およびガスタービン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金およびタービン翼およびガスタービンに関し、特にガスタービンのタービン動翼もしくは静翼、または高温ブロアーの動翼として使用される大型タービン翼に適用して有用な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンのタービン動翼や静翼、および高温ブロアーの動翼はＮｉ基耐熱合金で構成されている場合が多い。近年、ガスタービンの効率を向上させるため、ガスタービンのタービン入口温度がより高温になってきている。そのため、高温強度と耐酸化性に優れた耐熱合金ならびにそれを用いたタービン翼が必要とされている。
【０００３】
高温強度に優れたＮｉ基耐熱合金鋳物として、重量％（以下、％は、重量％を示す）で、Ｃｒ：８．１％、Ｃｏ：５．２％、Ｍｏ：１．８％、Ｗ：８．０％、Ａｌ：４．９％、Ｔｉ：１．６％およびＴａ：５．９％を含有する単結晶よりなる鋳物が知られている。また、Ｃｒ：６．６％、Ｃｏ：１０．２％、Ｍｏ：０．６％、Ｗ：６．２％、Ａｌ：５．７％、Ｔｉ：１．０％、Ｔａ：６．２％、Ｈｆ：０．２％およびＲｅ：３．１％を含有する単結晶鋳物が知られている。これらの単結晶鋳物はジェットエンジンなどの比較的小型のタービン翼に用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ガスタービンの大型化に伴って、そこに装着されるタービン翼も大型化している。しかしながら、上述した従来の単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、鋳造性、結晶性欠陥等の点から製品歩留低下に起因し、コストが高くなり、ガスタービンのタービン動翼などのように大型鋳物を製造するのには適さない。したがって、単結晶Ｎｉ基耐熱合金を用いた大型のタービン翼を製造するためには、まず、鋳造性を良くし製造歩留まりを高くし、コスト低減を図る必要がある。
【０００５】
ガスタービンのタービン動翼などのような大型鋳物の場合、厳密に鋳物全体が単結晶にはならない。つまり、鋳物中に結晶性欠陥である結晶粒界が存在する。大型鋳物の歩留まりを改善させるためには、鋳物中の結晶粒界に対し、低傾角粒界の許容角度を大きくする必要がある。そのためには、低傾角粒界の強度と粒界割れを防ぐ必要がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、鋳造性に優れるとともに、高温強度に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、鋳造性に優れるとともに、高温強度に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金で構成されるタービン翼およびこのタービン翼を有するガスタービンを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは、単結晶Ｎｉ基耐熱合金よりなる大型タービン翼の鋳造性を改善させるため、鋭意研究をおこなった結果、Ｃｒ：７．５〜１０％、Ｃｏ：４．５〜６％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｗ：７〜９％、Ａｌ：４．５〜６．５％およびＴａ：５．５〜７．０％を含有し、さらに、Ｃ：０．００５〜０．０７％およびＢ：０．００１〜０．００６％の内の一方または両方を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成の単結晶Ｎｉ基耐熱合金の鋳造性が従来よりも優れることを知見し、本発明の完成に至った。
【０００８】
すなわち、本発明にかかる単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、Ｃｒ：７．５〜１０％、Ｃｏ：４．５〜６％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｗ：７〜９％、Ａｌ：４．５〜６．５％およびＴａ：５．５〜７．０％を含有し、さらに、Ｃ：０．００５〜０．０７％およびＢ：０．００１〜０．００６％の内の一方または両方を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする。
【０００９】
この発明において、単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、さらに、Ｈｆ：０．０１〜０．２％を含有していてもよいし、または、Ｒｅ：０．０１〜２％およびＰｔ：０．０１〜０．０３％の内の一方または両方を含有していてもよいし、または、Ｃａ：１〜１００ｐｐｍおよびＭｇ：１〜１００ｐｐｍの内の一方または両方を含有していてもよい。
【００１０】
あるいは、単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、さらに、Ｈｆ：０．０１〜０．２％を含有し、さらに、Ｒｅ：０．０１〜２％およびＰｔ：０．０１〜０．０３％の内の一方または両方を含有し、さらに、Ｃａ：１〜１００ｐｐｍおよびＭｇ：１〜１００ｐｐｍの内の一方または両方を含有していてもよい。
あるいは、上述した各組成の単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、さらに、Ｔｉ：０．５〜２％を含有していてもよい。
【００１１】
また、本発明にかかるタービン翼は、Ｃｒ：７．５〜１０％、Ｃｏ：４．５〜６％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｗ：７〜９％、Ａｌ：４．５〜６．５％およびＴａ：５．５〜７．０％を含有し、さらに、Ｃ：０．００５〜０．０７％およびＢ：０．００１〜０．００６％の内の一方または両方を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有する単結晶Ｎｉ基耐熱合金でできていることを特徴とする。
ここで、タービン翼とは、ガスタービンのタービン動翼や静翼、あるいは高温ブロアーの動翼などである。
【００１２】
この発明において、タービン翼を構成する単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、さらに、Ｈｆ：０．０１〜０．２％を含有していてもよいし、または、Ｒｅ：０．０１〜２％およびＰｔ：０．０１〜０．０３％の内の一方または両方を含有していてもよいし、または、Ｃａ：１〜１００ｐｐｍおよびＭｇ：１〜１００ｐｐｍの内の一方または両方を含有していてもよい。
【００１３】
あるいは、タービン翼を構成する単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、さらに、Ｈｆ：０．０１〜０．２％を含有し、さらに、Ｒｅ：０．０１〜２％およびＰｔ：０．０１〜０．０３％の内の一方または両方を含有し、さらに、Ｃａ：１〜１００ｐｐｍおよびＭｇ：１〜１００ｐｐｍの内の一方または両方を含有していてもよい。あるいは、上述した各組成の単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、さらに、Ｔｉ：０．５〜２％を含有していてもよい。
【００１４】
つぎに、本発明にかかる単結晶Ｎｉ基耐熱合金およびその合金でできたタービン翼の合金組成の限定理由について説明する。
【００１５】
Ｃｒについて説明する。
産業用ガスタービンでは、燃焼によって生じた酸化性および腐食性物質を含有する燃焼ガスと接触するため、高温における強度と耐酸化耐食性が要求される。Ｃｒは合金に耐酸化性、耐食性を付与する元素であり、合金中におけるＣｒ量を多くする程、その効果は顕著である。しかし、Ｃｒ量が７．５％未満ではその効果は少なく、一方、この発明の高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金大型鋳物では、他にＣｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ａｌ等も添加されるため、これらとのバランスをとるため１０％を超えて含有することはσ（シグマ）相などの脆化相が析出するため、好ましくない。よって、Ｃｒ含有量は７．５〜１０％に定めた。上述のように、この発明の高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金製大型タービン翼を作製するＮｉ基耐熱合金に含まれるＣｒ含有量は、好ましくは７．５〜９％、より好ましくは８〜８．５％であるとよい。
【００１６】
Ｃｏについて説明する。
Ｃｏは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔａ等を高温で素地に固溶させる限度（固溶限）を大きくさせ、熱処理によってγ´相（Ｎｉ3 （Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ））を微細分散析出させて高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金製大型タービン翼の強度を向上させる作用があるところからＣｏ量は４．５％以上であることが必要であり、一方、Ｃｏ含有量が６％を超えると、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ａｌ、Ｔｉ等の他の元素とのバランスが崩れ、有害相の析出による延性低下をもたらすことからＣｏ含有量は４．５〜６％に定めた。この発明の高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金製大型タービン翼を作製するＮｉ基耐熱合金に含まれるＣｏ含有量は５〜５．５％であることが一層好ましい。
【００１７】
Ｍｏについて説明する。
Ｍｏは、素地中に固溶して、高温強度を上昇させる作用があると同時に、析出硬化によって高温強度に寄与する効果があるが、その含有量は、同様の作用を示すＷの含有量を考慮する必要があり、本発明合金でのＭｏ含有量は、０．５％未満では不十分であり、一方、３％を超えて添加し過ぎると有害相の析出による延性を阻害するのでＭｏ：０．５〜３％に定めた。この発明の高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金製大型タービン翼を作製するＮｉ基耐熱合金に含まれるＭｏ含有量は、好ましくは１．５〜３％、より好ましくは２〜２．５％であるとよい。
【００１８】
Ｗについて説明する。
ＷはＭｏと同様に固溶強化と析出硬化の作用があり、高温強度の付与に寄与する効果があるが、その量は７％以上必要であり、また、あまり多くし過ぎると、有害相を析出するとともにＷ自身比重が大きい元素であるため合金全体の比重が大きくなり、遠心力の働くタービン動翼では不利であり、高温強度と鋳造性に優れた単結晶大型鋳物を鋳造するときにフレックル欠陥が発生するようになり、さらにコスト的にも高くなるところから、その含有量は、７〜９％とした。この発明の高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金製大型タービン翼を作製するＮｉ基耐熱合金に含まれるＷ含有量は、好ましくは７〜８．５％、より好ましくは７．５〜８％であるとよい。
【００１９】
Ｔｉについて説明する。
Ｔｉはγ´析出硬化型Ｎｉ基合金の高温強度を上げるためのγ´相の析出に有効な元素であり、Ｔｉを添加する場合にはＡｌ、Ｔａといったγ´相生成元素の含有量との相関のもと添加する必要がある。Ｔｉを添加する場合、本発明合金では、γ´相の析出強化が十分であって要求強度を満足するためには０．５％以上の含有量であるのが適当であり、一方、２％よりも多量に添加し過ぎると析出量が多くなり過ぎて延性を阻害するとともに、高温強度と鋳造性に優れた単結晶大型鋳物を鋳造するときに鋳型との反応が激しくなり、鋳肌を悪くするので好ましくない。従って、添加する場合のＴｉ含有量は０．５〜２％に定めた。上述のように、Ｔｉを添加する場合、この発明の高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金製大型タービン翼を作製するＮｉ基耐熱合金に含まれるＴｉ含有量は１〜１．５％であることが一層好ましい。
【００２０】
Ａｌについて説明する。
ＡｌはＴｉと同様の効果を発揮する元素で、γ´相を生成し、高温強度を上げるとともに、高温での耐酸化性、耐食性の付与に寄与する作用を有するが、その量は４．５％以上であることが必要であり、一方、６．５％を超えてあまり多量に添加し過ぎると延性を阻害するためにＡｌ含有量は４．５〜６．５％に定めた。この発明の高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金製大型タービン翼を作製するＮｉ基耐熱合金に含まれるＡｌ含有量は５〜６％であることが一層好ましい。
【００２１】
Ｔａについて説明する。
Ｔａは固溶強化及びγ´相析出硬化により高温強度の向上に寄与し、５．５％以上で効果がある。一方、添加し過ぎると延性が低下するので７％以下とした。従って、この発明の高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金製大型タービン翼を作製するＮｉ基耐熱合金に含まれるＴａ含有量は５．５〜７％に定めたが、５．８〜６．２％であることが一層好ましい。
【００２２】
Ｃについて説明する。
単結晶合金では本来は粒界がないため、Ｃは含有しないが、上述したように単結晶大型タービン翼ではコストの点から低傾角粒界を許容せざるを得ず、さらにこの角度の許容角度を大きくするためには低傾角粒界に炭化物を形成し、低傾角粒界を強化する必要がある。このためにＣは０．００５％以上必要であるが、一方、０．０７％を超えて添加し過ぎると延性を阻害するのでその含有量を０．００５〜０．０７％とした。Ｃの含有量の一層好ましい範囲は０．０２〜０．０５％である。
【００２３】
Ｂについて説明する。
ＢもＣ同様、粒界強化元素である。単結晶合金では本来は粒界がないためＢは含有しないが、Ｃ同様単結晶大型タービン翼では粒界強化の観点より必要であり、その含有量が０．００１％未満では所望の効果が得られず、一方、あまり多く添加すると延性を阻害する恐れがあるため０．００６％以下とした。Ｂの含有量の一層好ましい範囲は０．００２〜０．００４％である。
【００２４】
Ｈｆについて説明する。
Ｈｆは耐酸化性向上と結晶粒界を強化する作用がある。Ｈｆを添加する場合、所望の効果を得るためにはその含有量が０．０１％以上であるのが適当であり、一方、その含有量が０．２％を超えると、高温強度に悪影響を与えるので好ましくない。したがってＨｆは０．０１〜０．２％に定めたが、その含有量の一層好ましい範囲は０．０５〜０．１５％である。
【００２５】
Ｒｅについて説明する。
Ｒｅは耐食性向上作用があるとともに、原子径が大きいため高温強度改善に効果がある。Ｒｅを添加する場合、所望の効果を得るためにはその含有量が０．０１％以上であるのが適当であり、一方、その含有量が２％を超えると、一層の効果が望めないほか、貴金属であるため価格が高くなるので好ましくない。したがってＲｅは０．０１〜２％に定めたが、その含有量の一層好ましい範囲は０．０５〜１．５％である。
【００２６】
Ｐｔについて説明する。
Ｐｔは耐食性向上作用があるが、Ｐｔを添加する場合、所望の効果を得るためにはその含有量が０．０１％以上であるのが適当であり、一方、その含有量が０．０３％を超えると、なお一層の効果が望めないほか、貴金属であるために価格が高くなるので好ましくない。したがって、Ｐｔは０．０１〜０．０３％に定めた。
【００２７】
Ｃａについて説明する。
Ｃａは酸素、硫黄等の不純物との結合力が強く、さらに酸素、硫黄等の不純物による延性低下を防止する作用がある。Ｃａを添加する場合、十分な延性低下防止作用を得るためにはその含有量が１ｐｐｍ以上であるのが適当であり、一方、１００ｐｐｍを超えて含有するとかえって結晶粒界の結合を弱めて割れの原因になることからＣａは１〜１００ｐｐｍと定めた。Ｃａの含有量の一層好ましい範囲は２５〜４２ｐｐｍである。
【００２８】
Ｍｇについて説明する。
ＭｇはＣａ同様、延性低下を防止する作用がある。Ｍｇを添加する場合、Ｃａと同様の理由により、適当な含有量は１〜１００ｐｐｍであるが、一層好ましい範囲は３０〜５８ｐｐｍである。
【００２９】
この発明によれば、タービン翼を構成する単結晶Ｎｉ基耐熱合金がＣ：０．００５〜０．０７％およびＢ：０．００１〜０．００６％の内の一方または両方を含有するため、鋳物中に存在する粒界に炭化物等が形成される。それによって、粒界の強度が向上するため、低傾角粒界の許容角度を大きくすることができる。また、Ｃ、Ｂ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉの含有量がいずれも延性の低下を招かない程度に抑えられているため、単結晶Ｎｉ基耐熱合金の延性の低下を防ぐことができる。さらに、単結晶Ｎｉ基耐熱合金がＣａ：１〜１００ｐｐｍおよびＭｇ：１〜１００ｐｐｍの内の一方または両方を含有するため、延性の低下を防ぐことができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態にかかる単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、Ｃｒ：７．５〜１０％、Ｃｏ：４．５〜６％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｗ：７〜９％、Ａｌ：４．５〜６．５％およびＴａ：５．５〜７．０％を含有する。また、単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、Ｃ：０．００５〜０．０７％およびＢ：０．００１〜０．００６％の内の一方または両方を含有する。残部はＮｉおよび不可避不純物である。
【００３１】
上述した基本組成に加えて、単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、Ｈｆ：０．０１〜０．２％、Ｒｅ：０．０１〜２％、Ｐｔ：０．０１〜０．０３％、Ｃａ：１〜１００ｐｐｍ、Ｍｇ：１〜１００ｐｐｍおよびＴｉ０．５〜２％の内の１種または２種以上を含有していてもよい。
【００３２】
つぎに、上述した組成の単結晶Ｎｉ基耐熱合金でできたタービン翼の一例について説明する。
図１は、本発明にかかるタービン翼を備えたガスタービンの全体を示す概略図である。このガスタービンは、圧縮機部１、燃焼器部２およびタービン部３を備え、タービン部３に本発明にかかるタービン翼を有する。
【００３３】
図２は、本発明を適用したタービン動翼を示す概略図である。
このタービン動翼３０は、プラットホーム３１および翼部３２からなり、上述した組成の単結晶Ｎｉ基耐熱合金でできている。
【００３４】
上述した単結晶Ｎｉ基耐熱合金製鋳物（またはタービン翼）を製造する方法は以下のとおりである。
まず、一方向凝固装置により鋳型加熱温度：１５００〜１６５０℃でチル板を引き下げ速度：５０〜４００ｍｍ／ｈで引き下げることにより単結晶Ｎｉ基耐熱合金大型鋳物を作製する。
【００３５】
そして、この鋳物にＡｒ雰囲気中で１１００〜１２５０℃で１０００〜２０００気圧、１〜５時間保持のＨＩＰを施す。
その後、真空雰囲気中、温度：１２００〜１２５０℃で１〜４時間、つづいて温度：１２５０〜１３５０℃に１〜４時間保持時した後Ａｒガスファンで冷却の条件の溶体化処理を施す。
【００３６】
その後、真空雰囲気中、温度：１０００〜１１００℃に１〜８時間保持時した後Ａｒガスファンで冷却し、引き続いて真空雰囲気中、温度：８００〜９００℃に１６〜２４時間保持時した後Ａｒガスファンで冷却の条件の第２段時効処理を施す。以上の工程により、高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金製大型タービン翼が得られる。
【００３７】
上述した実施の形態によれば、単結晶Ｎｉ基耐熱合金がＣ：０．００５〜０．０７％およびＢ：０．００１〜０．００６％の内の一方または両方を含有するため、低傾角粒界の許容角度を大きくすることができる。また、Ｃ、Ｂ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉの含有量がいずれも延性の低下を招かない程度に抑えられているため、単結晶Ｎｉ基耐熱合金の延性の低下を防ぐことができる。さらに、単結晶Ｎｉ基耐熱合金がＣａ：１〜１００ｐｐｍおよびＭｇ：１〜１００ｐｐｍの内の一方または両方を含有する場合には、より有効に延性の低下を防ぐことができる。したがって、高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金が得られ、その合金でタービン翼を作製することにより高温強度に優れたタービン翼を低コストで作製することができる。
【００３８】
以上において、本発明は、ガスタービンのタービン動翼に限らず、ガスタービンのタービン静翼や、高温ブロアーの動翼、あるいはジェットエンジンなどの翼にも適用可能である。
【００３９】
【実施例】
以下に、実施例および従来例を挙げて本発明の特徴とするところを明らかとする。
表１に示される成分組成を有するＮｉ基耐熱合金を用意し、このＮｉ基耐熱合金をそれぞれ真空溶解した。
【００４０】
【表１】
【００４１】
つづいて、図３に示すように、第１の種結晶４１に対し第２の種結晶４２を１５°傾けて配置した状態で鋳型を作製し、Ｎｉ基耐熱合金の溶湯を一方向凝固装置の鋳型に鋳込みながら、鋳型加熱温度：１６００℃、チル板を引き下げ速度：１００ｍｍ／ｈの条件で、高さ方向に双結晶である厚さ：１８ｍｍ、幅：１１０ｍｍ、高さ：１４０ｍｍの寸法を有する本発明合金による双結晶鋳物板（実施例Ｎｏ．１〜１３）および従来合金による双結晶鋳物板（従来例Ｎｏ．１４〜１５）を作製した。
【００４２】
図３に、作製した双結晶鋳物板の形状および寸法を示す。
図３において、第１の種結晶４１から成長した第１の結晶５１と、第２の種結晶４２から成長した第２の結晶５２とは、互いに結晶方位が１５°ずれていることになる。
【００４３】
得られた各双結晶鋳物板（Ｎｏ．１〜１５）をＡｒ雰囲気中、温度：１１８０℃、１５００気圧に２時間保持の条件のＨＩＰを施し、ついで真空雰囲気中、温度：１２４０℃で２時間保持した後、温度：１３００℃に５時間保持した後Ａｒガスファンで冷却の条件の溶体化処理を施し、その後、真空雰囲気中、温度：１０８０℃に５時間保持した後Ａｒガスファンで冷却し、引き続いて真空雰囲気中、温度：８７０℃に２４時間保持した後Ａｒガスファンで冷却の条件の第２段時効処理を施した。
【００４４】
以上のようにして得られた各双結晶鋳物板（Ｎｏ．１〜１５）について、Ｘ線回折法により第１の結晶５１と第２の結晶５２の結晶方位を測定し、両結晶５１，５２の結晶方位のずれ角度がほぼ１５±１°であることを確認した。その後、各双結晶鋳物板（Ｎｏ．１〜１５）を鋳造性の検査およびクリープ破断試験に供した。
【００４５】
鋳造性の検査．
各双結晶鋳物板（Ｎｏ．１〜１５）について、浸透探傷試験方法（ＪＩＳ Ｚ２３４３）の内、蛍光浸透液を使用する方法により、割れの有無を試験した。図３に示す双結晶鋳物板において、符号５３は双結晶粒界であり、符号５４で指し示す箇所において割れが発生する。試験の結果、表２に示すように、合金Ｎｏ．１〜１３の本発明合金による双結晶鋳物板には割れの指示は認められなかった。それに対して、合金Ｎｏ．１４〜１５の従来合金による双結晶鋳物板の双結晶粒界５３に割れの指示が認められた。
【００４６】
【表２】
【００４７】
クリープ破断試験．
各双結晶鋳物板（Ｎｏ．１〜１５）について、図４に示す要領で試験片６１，６２を加工した。一方の試験片６１は単結晶の成長方向が００１方向のもの（０°方向とする）であり、他方の試験片６２は双結晶粒界５３を含んでお互いの単結晶の成長方向が１５°だけ異なった方向のもの（１５°方向とする）である。各双結晶鋳物板（Ｎｏ．１〜１５）の各試験片６１，６２について、金属材料の引張クリープ破断試験方法（ＪＩＳ Ｚ２２７２）にしたがって、試験片直径６ｍｍを用い、温度１０００℃、応力２０ｋｇｆ／ｍｍ2 でクリープ破断試験をおこなった。なお、Ｎｏ．１４，Ｎｏ．１５では、双結晶粒界の割れの無い部分よりクリープ破断試験片を加工した。
【００４８】
そして、合金Ｎｏ．１４の従来合金による試験片の破断寿命を１として、合金Ｎｏ．１〜１３の本発明合金による試験片の破断寿命の比を求めることにより、高温強度を評価した。その結果を表２に示す。表２からわかるように、合金Ｎｏ．１および合金Ｎｏ．７のそれぞれ０°方向をのぞいて、０°および１５°のいずれの方向においても、本発明合金による試験片の破断寿命はいずれも合金Ｎｏ．１４の従来合金による試験片よりも優れていた。なお、合金Ｎｏ．１および合金Ｎｏ．７のそれぞれ０°方向のクリープ破断強度比の値は０．８であるが、実用上全く問題にはならない。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、ガスタービンのタービン翼を構成する単結晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物中に存在する低傾角粒界の許容角度を大きくすることができ、また、延性の低下を防ぐことができるので、高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金およびその合金でできたタービン翼が低コストで得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるタービン翼を備えたガスタービンの全体を示す概略図である。
【図２】本発明にかかるタービン動翼を示す概略図である。
【図３】実施例において作製した双結晶鋳物板の形状および寸法を示す模式図である。
【図４】実施例においておこなったクリープ破断試験の試験片採取位置を示す模式図である。
【符号の説明】
３０ タービン動翼
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金およびタービン翼およびガスタービンに関し、特にガスタービンのタービン動翼もしくは静翼、または高温ブロアーの動翼として使用される大型タービン翼に適用して有用な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンのタービン動翼や静翼、および高温ブロアーの動翼はＮｉ基耐熱合金で構成されている場合が多い。近年、ガスタービンの効率を向上させるため、ガスタービンのタービン入口温度がより高温になってきている。そのため、高温強度と耐酸化性に優れた耐熱合金ならびにそれを用いたタービン翼が必要とされている。
【０００３】
高温強度に優れたＮｉ基耐熱合金鋳物として、重量％（以下、％は、重量％を示す）で、Ｃｒ：８．１％、Ｃｏ：５．２％、Ｍｏ：１．８％、Ｗ：８．０％、Ａｌ：４．９％、Ｔｉ：１．６％およびＴａ：５．９％を含有する単結晶よりなる鋳物が知られている。また、Ｃｒ：６．６％、Ｃｏ：１０．２％、Ｍｏ：０．６％、Ｗ：６．２％、Ａｌ：５．７％、Ｔｉ：１．０％、Ｔａ：６．２％、Ｈｆ：０．２％およびＲｅ：３．１％を含有する単結晶鋳物が知られている。これらの単結晶鋳物はジェットエンジンなどの比較的小型のタービン翼に用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ガスタービンの大型化に伴って、そこに装着されるタービン翼も大型化している。しかしながら、上述した従来の単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、鋳造性、結晶性欠陥等の点から製品歩留低下に起因し、コストが高くなり、ガスタービンのタービン動翼などのように大型鋳物を製造するのには適さない。したがって、単結晶Ｎｉ基耐熱合金を用いた大型のタービン翼を製造するためには、まず、鋳造性を良くし製造歩留まりを高くし、コスト低減を図る必要がある。
【０００５】
ガスタービンのタービン動翼などのような大型鋳物の場合、厳密に鋳物全体が単結晶にはならない。つまり、鋳物中に結晶性欠陥である結晶粒界が存在する。大型鋳物の歩留まりを改善させるためには、鋳物中の結晶粒界に対し、低傾角粒界の許容角度を大きくする必要がある。そのためには、低傾角粒界の強度と粒界割れを防ぐ必要がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、鋳造性に優れるとともに、高温強度に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、鋳造性に優れるとともに、高温強度に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金で構成されるタービン翼およびこのタービン翼を有するガスタービンを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは、単結晶Ｎｉ基耐熱合金よりなる大型タービン翼の鋳造性を改善させるため、鋭意研究をおこなった結果、Ｃｒ：７．５〜１０％、Ｃｏ：４．５〜６％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｗ：７〜９％、Ａｌ：４．５〜６．５％およびＴａ：５．５〜７．０％を含有し、さらに、Ｃ：０．００５〜０．０７％およびＢ：０．００１〜０．００６％の内の一方または両方を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成の単結晶Ｎｉ基耐熱合金の鋳造性が従来よりも優れることを知見し、本発明の完成に至った。
【０００８】
すなわち、本発明にかかる単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、Ｃｒ：７．５〜１０％、Ｃｏ：４．５〜６％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｗ：７〜９％、Ａｌ：４．５〜６．５％およびＴａ：５．５〜７．０％を含有し、さらに、Ｃ：０．００５〜０．０７％およびＢ：０．００１〜０．００６％の内の一方または両方を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする。
【０００９】
この発明において、単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、さらに、Ｈｆ：０．０１〜０．２％を含有していてもよいし、または、Ｒｅ：０．０１〜２％およびＰｔ：０．０１〜０．０３％の内の一方または両方を含有していてもよいし、または、Ｃａ：１〜１００ｐｐｍおよびＭｇ：１〜１００ｐｐｍの内の一方または両方を含有していてもよい。
【００１０】
あるいは、単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、さらに、Ｈｆ：０．０１〜０．２％を含有し、さらに、Ｒｅ：０．０１〜２％およびＰｔ：０．０１〜０．０３％の内の一方または両方を含有し、さらに、Ｃａ：１〜１００ｐｐｍおよびＭｇ：１〜１００ｐｐｍの内の一方または両方を含有していてもよい。
あるいは、上述した各組成の単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、さらに、Ｔｉ：０．５〜２％を含有していてもよい。
【００１１】
また、本発明にかかるタービン翼は、Ｃｒ：７．５〜１０％、Ｃｏ：４．５〜６％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｗ：７〜９％、Ａｌ：４．５〜６．５％およびＴａ：５．５〜７．０％を含有し、さらに、Ｃ：０．００５〜０．０７％およびＢ：０．００１〜０．００６％の内の一方または両方を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有する単結晶Ｎｉ基耐熱合金でできていることを特徴とする。
ここで、タービン翼とは、ガスタービンのタービン動翼や静翼、あるいは高温ブロアーの動翼などである。
【００１２】
この発明において、タービン翼を構成する単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、さらに、Ｈｆ：０．０１〜０．２％を含有していてもよいし、または、Ｒｅ：０．０１〜２％およびＰｔ：０．０１〜０．０３％の内の一方または両方を含有していてもよいし、または、Ｃａ：１〜１００ｐｐｍおよびＭｇ：１〜１００ｐｐｍの内の一方または両方を含有していてもよい。
【００１３】
あるいは、タービン翼を構成する単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、さらに、Ｈｆ：０．０１〜０．２％を含有し、さらに、Ｒｅ：０．０１〜２％およびＰｔ：０．０１〜０．０３％の内の一方または両方を含有し、さらに、Ｃａ：１〜１００ｐｐｍおよびＭｇ：１〜１００ｐｐｍの内の一方または両方を含有していてもよい。あるいは、上述した各組成の単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、さらに、Ｔｉ：０．５〜２％を含有していてもよい。
【００１４】
つぎに、本発明にかかる単結晶Ｎｉ基耐熱合金およびその合金でできたタービン翼の合金組成の限定理由について説明する。
【００１５】
Ｃｒについて説明する。
産業用ガスタービンでは、燃焼によって生じた酸化性および腐食性物質を含有する燃焼ガスと接触するため、高温における強度と耐酸化耐食性が要求される。Ｃｒは合金に耐酸化性、耐食性を付与する元素であり、合金中におけるＣｒ量を多くする程、その効果は顕著である。しかし、Ｃｒ量が７．５％未満ではその効果は少なく、一方、この発明の高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金大型鋳物では、他にＣｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ａｌ等も添加されるため、これらとのバランスをとるため１０％を超えて含有することはσ（シグマ）相などの脆化相が析出するため、好ましくない。よって、Ｃｒ含有量は７．５〜１０％に定めた。上述のように、この発明の高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金製大型タービン翼を作製するＮｉ基耐熱合金に含まれるＣｒ含有量は、好ましくは７．５〜９％、より好ましくは８〜８．５％であるとよい。
【００１６】
Ｃｏについて説明する。
Ｃｏは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔａ等を高温で素地に固溶させる限度（固溶限）を大きくさせ、熱処理によってγ´相（Ｎｉ3 （Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ））を微細分散析出させて高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金製大型タービン翼の強度を向上させる作用があるところからＣｏ量は４．５％以上であることが必要であり、一方、Ｃｏ含有量が６％を超えると、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ａｌ、Ｔｉ等の他の元素とのバランスが崩れ、有害相の析出による延性低下をもたらすことからＣｏ含有量は４．５〜６％に定めた。この発明の高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金製大型タービン翼を作製するＮｉ基耐熱合金に含まれるＣｏ含有量は５〜５．５％であることが一層好ましい。
【００１７】
Ｍｏについて説明する。
Ｍｏは、素地中に固溶して、高温強度を上昇させる作用があると同時に、析出硬化によって高温強度に寄与する効果があるが、その含有量は、同様の作用を示すＷの含有量を考慮する必要があり、本発明合金でのＭｏ含有量は、０．５％未満では不十分であり、一方、３％を超えて添加し過ぎると有害相の析出による延性を阻害するのでＭｏ：０．５〜３％に定めた。この発明の高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金製大型タービン翼を作製するＮｉ基耐熱合金に含まれるＭｏ含有量は、好ましくは１．５〜３％、より好ましくは２〜２．５％であるとよい。
【００１８】
Ｗについて説明する。
ＷはＭｏと同様に固溶強化と析出硬化の作用があり、高温強度の付与に寄与する効果があるが、その量は７％以上必要であり、また、あまり多くし過ぎると、有害相を析出するとともにＷ自身比重が大きい元素であるため合金全体の比重が大きくなり、遠心力の働くタービン動翼では不利であり、高温強度と鋳造性に優れた単結晶大型鋳物を鋳造するときにフレックル欠陥が発生するようになり、さらにコスト的にも高くなるところから、その含有量は、７〜９％とした。この発明の高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金製大型タービン翼を作製するＮｉ基耐熱合金に含まれるＷ含有量は、好ましくは７〜８．５％、より好ましくは７．５〜８％であるとよい。
【００１９】
Ｔｉについて説明する。
Ｔｉはγ´析出硬化型Ｎｉ基合金の高温強度を上げるためのγ´相の析出に有効な元素であり、Ｔｉを添加する場合にはＡｌ、Ｔａといったγ´相生成元素の含有量との相関のもと添加する必要がある。Ｔｉを添加する場合、本発明合金では、γ´相の析出強化が十分であって要求強度を満足するためには０．５％以上の含有量であるのが適当であり、一方、２％よりも多量に添加し過ぎると析出量が多くなり過ぎて延性を阻害するとともに、高温強度と鋳造性に優れた単結晶大型鋳物を鋳造するときに鋳型との反応が激しくなり、鋳肌を悪くするので好ましくない。従って、添加する場合のＴｉ含有量は０．５〜２％に定めた。上述のように、Ｔｉを添加する場合、この発明の高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金製大型タービン翼を作製するＮｉ基耐熱合金に含まれるＴｉ含有量は１〜１．５％であることが一層好ましい。
【００２０】
Ａｌについて説明する。
ＡｌはＴｉと同様の効果を発揮する元素で、γ´相を生成し、高温強度を上げるとともに、高温での耐酸化性、耐食性の付与に寄与する作用を有するが、その量は４．５％以上であることが必要であり、一方、６．５％を超えてあまり多量に添加し過ぎると延性を阻害するためにＡｌ含有量は４．５〜６．５％に定めた。この発明の高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金製大型タービン翼を作製するＮｉ基耐熱合金に含まれるＡｌ含有量は５〜６％であることが一層好ましい。
【００２１】
Ｔａについて説明する。
Ｔａは固溶強化及びγ´相析出硬化により高温強度の向上に寄与し、５．５％以上で効果がある。一方、添加し過ぎると延性が低下するので７％以下とした。従って、この発明の高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金製大型タービン翼を作製するＮｉ基耐熱合金に含まれるＴａ含有量は５．５〜７％に定めたが、５．８〜６．２％であることが一層好ましい。
【００２２】
Ｃについて説明する。
単結晶合金では本来は粒界がないため、Ｃは含有しないが、上述したように単結晶大型タービン翼ではコストの点から低傾角粒界を許容せざるを得ず、さらにこの角度の許容角度を大きくするためには低傾角粒界に炭化物を形成し、低傾角粒界を強化する必要がある。このためにＣは０．００５％以上必要であるが、一方、０．０７％を超えて添加し過ぎると延性を阻害するのでその含有量を０．００５〜０．０７％とした。Ｃの含有量の一層好ましい範囲は０．０２〜０．０５％である。
【００２３】
Ｂについて説明する。
ＢもＣ同様、粒界強化元素である。単結晶合金では本来は粒界がないためＢは含有しないが、Ｃ同様単結晶大型タービン翼では粒界強化の観点より必要であり、その含有量が０．００１％未満では所望の効果が得られず、一方、あまり多く添加すると延性を阻害する恐れがあるため０．００６％以下とした。Ｂの含有量の一層好ましい範囲は０．００２〜０．００４％である。
【００２４】
Ｈｆについて説明する。
Ｈｆは耐酸化性向上と結晶粒界を強化する作用がある。Ｈｆを添加する場合、所望の効果を得るためにはその含有量が０．０１％以上であるのが適当であり、一方、その含有量が０．２％を超えると、高温強度に悪影響を与えるので好ましくない。したがってＨｆは０．０１〜０．２％に定めたが、その含有量の一層好ましい範囲は０．０５〜０．１５％である。
【００２５】
Ｒｅについて説明する。
Ｒｅは耐食性向上作用があるとともに、原子径が大きいため高温強度改善に効果がある。Ｒｅを添加する場合、所望の効果を得るためにはその含有量が０．０１％以上であるのが適当であり、一方、その含有量が２％を超えると、一層の効果が望めないほか、貴金属であるため価格が高くなるので好ましくない。したがってＲｅは０．０１〜２％に定めたが、その含有量の一層好ましい範囲は０．０５〜１．５％である。
【００２６】
Ｐｔについて説明する。
Ｐｔは耐食性向上作用があるが、Ｐｔを添加する場合、所望の効果を得るためにはその含有量が０．０１％以上であるのが適当であり、一方、その含有量が０．０３％を超えると、なお一層の効果が望めないほか、貴金属であるために価格が高くなるので好ましくない。したがって、Ｐｔは０．０１〜０．０３％に定めた。
【００２７】
Ｃａについて説明する。
Ｃａは酸素、硫黄等の不純物との結合力が強く、さらに酸素、硫黄等の不純物による延性低下を防止する作用がある。Ｃａを添加する場合、十分な延性低下防止作用を得るためにはその含有量が１ｐｐｍ以上であるのが適当であり、一方、１００ｐｐｍを超えて含有するとかえって結晶粒界の結合を弱めて割れの原因になることからＣａは１〜１００ｐｐｍと定めた。Ｃａの含有量の一層好ましい範囲は２５〜４２ｐｐｍである。
【００２８】
Ｍｇについて説明する。
ＭｇはＣａ同様、延性低下を防止する作用がある。Ｍｇを添加する場合、Ｃａと同様の理由により、適当な含有量は１〜１００ｐｐｍであるが、一層好ましい範囲は３０〜５８ｐｐｍである。
【００２９】
この発明によれば、タービン翼を構成する単結晶Ｎｉ基耐熱合金がＣ：０．００５〜０．０７％およびＢ：０．００１〜０．００６％の内の一方または両方を含有するため、鋳物中に存在する粒界に炭化物等が形成される。それによって、粒界の強度が向上するため、低傾角粒界の許容角度を大きくすることができる。また、Ｃ、Ｂ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉの含有量がいずれも延性の低下を招かない程度に抑えられているため、単結晶Ｎｉ基耐熱合金の延性の低下を防ぐことができる。さらに、単結晶Ｎｉ基耐熱合金がＣａ：１〜１００ｐｐｍおよびＭｇ：１〜１００ｐｐｍの内の一方または両方を含有するため、延性の低下を防ぐことができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態にかかる単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、Ｃｒ：７．５〜１０％、Ｃｏ：４．５〜６％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｗ：７〜９％、Ａｌ：４．５〜６．５％およびＴａ：５．５〜７．０％を含有する。また、単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、Ｃ：０．００５〜０．０７％およびＢ：０．００１〜０．００６％の内の一方または両方を含有する。残部はＮｉおよび不可避不純物である。
【００３１】
上述した基本組成に加えて、単結晶Ｎｉ基耐熱合金は、Ｈｆ：０．０１〜０．２％、Ｒｅ：０．０１〜２％、Ｐｔ：０．０１〜０．０３％、Ｃａ：１〜１００ｐｐｍ、Ｍｇ：１〜１００ｐｐｍおよびＴｉ０．５〜２％の内の１種または２種以上を含有していてもよい。
【００３２】
つぎに、上述した組成の単結晶Ｎｉ基耐熱合金でできたタービン翼の一例について説明する。
図１は、本発明にかかるタービン翼を備えたガスタービンの全体を示す概略図である。このガスタービンは、圧縮機部１、燃焼器部２およびタービン部３を備え、タービン部３に本発明にかかるタービン翼を有する。
【００３３】
図２は、本発明を適用したタービン動翼を示す概略図である。
このタービン動翼３０は、プラットホーム３１および翼部３２からなり、上述した組成の単結晶Ｎｉ基耐熱合金でできている。
【００３４】
上述した単結晶Ｎｉ基耐熱合金製鋳物（またはタービン翼）を製造する方法は以下のとおりである。
まず、一方向凝固装置により鋳型加熱温度：１５００〜１６５０℃でチル板を引き下げ速度：５０〜４００ｍｍ／ｈで引き下げることにより単結晶Ｎｉ基耐熱合金大型鋳物を作製する。
【００３５】
そして、この鋳物にＡｒ雰囲気中で１１００〜１２５０℃で１０００〜２０００気圧、１〜５時間保持のＨＩＰを施す。
その後、真空雰囲気中、温度：１２００〜１２５０℃で１〜４時間、つづいて温度：１２５０〜１３５０℃に１〜４時間保持時した後Ａｒガスファンで冷却の条件の溶体化処理を施す。
【００３６】
その後、真空雰囲気中、温度：１０００〜１１００℃に１〜８時間保持時した後Ａｒガスファンで冷却し、引き続いて真空雰囲気中、温度：８００〜９００℃に１６〜２４時間保持時した後Ａｒガスファンで冷却の条件の第２段時効処理を施す。以上の工程により、高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金製大型タービン翼が得られる。
【００３７】
上述した実施の形態によれば、単結晶Ｎｉ基耐熱合金がＣ：０．００５〜０．０７％およびＢ：０．００１〜０．００６％の内の一方または両方を含有するため、低傾角粒界の許容角度を大きくすることができる。また、Ｃ、Ｂ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉの含有量がいずれも延性の低下を招かない程度に抑えられているため、単結晶Ｎｉ基耐熱合金の延性の低下を防ぐことができる。さらに、単結晶Ｎｉ基耐熱合金がＣａ：１〜１００ｐｐｍおよびＭｇ：１〜１００ｐｐｍの内の一方または両方を含有する場合には、より有効に延性の低下を防ぐことができる。したがって、高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金が得られ、その合金でタービン翼を作製することにより高温強度に優れたタービン翼を低コストで作製することができる。
【００３８】
以上において、本発明は、ガスタービンのタービン動翼に限らず、ガスタービンのタービン静翼や、高温ブロアーの動翼、あるいはジェットエンジンなどの翼にも適用可能である。
【００３９】
【実施例】
以下に、実施例および従来例を挙げて本発明の特徴とするところを明らかとする。
表１に示される成分組成を有するＮｉ基耐熱合金を用意し、このＮｉ基耐熱合金をそれぞれ真空溶解した。
【００４０】
【表１】
つづいて、図３に示すように、第１の種結晶４１に対し第２の種結晶４２を１５°傾けて配置した状態で鋳型を作製し、Ｎｉ基耐熱合金の溶湯を一方向凝固装置の鋳型に鋳込みながら、鋳型加熱温度：１６００℃、チル板を引き下げ速度：１００ｍｍ／ｈの条件で、高さ方向に双結晶である厚さ：１８ｍｍ、幅：１１０ｍｍ、高さ：１４０ｍｍの寸法を有する本発明合金による双結晶鋳物板（実施例Ｎｏ．１〜１３）および従来合金による双結晶鋳物板（従来例Ｎｏ．１４〜１５）を作製した。
【００４２】
図３に、作製した双結晶鋳物板の形状および寸法を示す。
図３において、第１の種結晶４１から成長した第１の結晶５１と、第２の種結晶４２から成長した第２の結晶５２とは、互いに結晶方位が１５°ずれていることになる。
【００４３】
得られた各双結晶鋳物板（Ｎｏ．１〜１５）をＡｒ雰囲気中、温度：１１８０℃、１５００気圧に２時間保持の条件のＨＩＰを施し、ついで真空雰囲気中、温度：１２４０℃で２時間保持した後、温度：１３００℃に５時間保持した後Ａｒガスファンで冷却の条件の溶体化処理を施し、その後、真空雰囲気中、温度：１０８０℃に５時間保持した後Ａｒガスファンで冷却し、引き続いて真空雰囲気中、温度：８７０℃に２４時間保持した後Ａｒガスファンで冷却の条件の第２段時効処理を施した。
【００４４】
以上のようにして得られた各双結晶鋳物板（Ｎｏ．１〜１５）について、Ｘ線回折法により第１の結晶５１と第２の結晶５２の結晶方位を測定し、両結晶５１，５２の結晶方位のずれ角度がほぼ１５±１°であることを確認した。その後、各双結晶鋳物板（Ｎｏ．１〜１５）を鋳造性の検査およびクリープ破断試験に供した。
【００４５】
鋳造性の検査．
各双結晶鋳物板（Ｎｏ．１〜１５）について、浸透探傷試験方法（ＪＩＳ Ｚ２３４３）の内、蛍光浸透液を使用する方法により、割れの有無を試験した。図３に示す双結晶鋳物板において、符号５３は双結晶粒界であり、符号５４で指し示す箇所において割れが発生する。試験の結果、表２に示すように、合金Ｎｏ．１〜１３の本発明合金による双結晶鋳物板には割れの指示は認められなかった。それに対して、合金Ｎｏ．１４〜１５の従来合金による双結晶鋳物板の双結晶粒界５３に割れの指示が認められた。
【００４６】
【表２】
クリープ破断試験．
各双結晶鋳物板（Ｎｏ．１〜１５）について、図４に示す要領で試験片６１，６２を加工した。一方の試験片６１は単結晶の成長方向が００１方向のもの（０°方向とする）であり、他方の試験片６２は双結晶粒界５３を含んでお互いの単結晶の成長方向が１５°だけ異なった方向のもの（１５°方向とする）である。各双結晶鋳物板（Ｎｏ．１〜１５）の各試験片６１，６２について、金属材料の引張クリープ破断試験方法（ＪＩＳ Ｚ２２７２）にしたがって、試験片直径６ｍｍを用い、温度１０００℃、応力２０ｋｇｆ／ｍｍ2 でクリープ破断試験をおこなった。なお、Ｎｏ．１４，Ｎｏ．１５では、双結晶粒界の割れの無い部分よりクリープ破断試験片を加工した。
【００４８】
そして、合金Ｎｏ．１４の従来合金による試験片の破断寿命を１として、合金Ｎｏ．１〜１３の本発明合金による試験片の破断寿命の比を求めることにより、高温強度を評価した。その結果を表２に示す。表２からわかるように、合金Ｎｏ．１および合金Ｎｏ．７のそれぞれ０°方向をのぞいて、０°および１５°のいずれの方向においても、本発明合金による試験片の破断寿命はいずれも合金Ｎｏ．１４の従来合金による試験片よりも優れていた。なお、合金Ｎｏ．１および合金Ｎｏ．７のそれぞれ０°方向のクリープ破断強度比の値は０．８であるが、実用上全く問題にはならない。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、ガスタービンのタービン翼を構成する単結晶Ｎｉ基耐熱合金鋳物中に存在する低傾角粒界の許容角度を大きくすることができ、また、延性の低下を防ぐことができるので、高温強度と鋳造性に優れた単結晶Ｎｉ基耐熱合金およびその合金でできたタービン翼が低コストで得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるタービン翼を備えたガスタービンの全体を示す概略図である。
【図２】本発明にかかるタービン動翼を示す概略図である。
【図３】実施例において作製した双結晶鋳物板の形状および寸法を示す模式図である。
【図４】実施例においておこなったクリープ破断試験の試験片採取位置を示す模式図である。
【符号の説明】
３０ タービン動翼
Claims (5)
- 重量％で、Ｃｒ：７．５〜１０％、Ｃｏ：４．５〜６％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｗ：７〜９％、Ａｌ：４．５〜６．５％およびＴａ：５．５〜７．０％、Ｔｉ：０．５〜２％を含有し、さらに、Ｃ：０．００５〜０．０７％およびＢ：０．００１〜０．００６％の内の一方または両方を含有し、さらに、Ｃａ：１〜１００ｐｐｍおよびＭｇ：１〜１００ｐｐｍの内の一方または両方を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする単結晶Ｎｉ基耐熱合金。
- さらに、重量％で、Ｈｆ：０．０１〜０．２％を含有することを特徴とする請求項１に記載の単結晶Ｎｉ基耐熱合金。
- さらに、重量％で、Ｒｅ：０．０１〜２％およびＰｔ：０．０１〜０．０３％の内の一方または両方を含有することを特徴とする請求項１に記載の単結晶Ｎｉ基耐熱合金。
- 請求項１〜３のいずれか一つに記載の単結晶Ｎｉ基耐熱合金で構成されたことを特徴とするタービン翼。
- 請求項４のタービン翼を有することを特徴とするガスタービン。
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