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ニッケル基単結晶超合金、その製造方法およびガスタービン高温部品

国内特許コード P03A002069
掲載日 2003年10月1日
出願番号 特願2001-256449
公開番号 特開2002-146460
登録番号 特許第4222540号
出願日 平成13年8月27日(2001.8.27)
公開日 平成14年5月22日(2002.5.22)
登録日 平成20年11月28日(2008.11.28)
優先権データ
  • 特願2000-261137 (2000.8.30) JP
発明者
  • 日野 武久
  • 小泉 裕
  • 小林 敏治
  • 中澤 静夫
  • 原田 広史
  • 石渡 裕
  • 吉岡 洋明
出願人
  • 物質・材料研究機構
  • (株)東芝
発明の名称 ニッケル基単結晶超合金、その製造方法およびガスタービン高温部品
発明の概要 高温環境下でのクリープ強度および組織安定性を向上させたニッケル基単結晶超合金、その製造方法およびガスタービン高温部品を得る。重量%で、4.0%以上11.0%以下のコバルト、3.5%以上5.0%未満のクロム、0.5%以上3.0%以下のモリブデン、7.0%以上10.0%以下のタングステン、4.5%以上6.0%以下のアルミニウム、0.1%以上2.0%以下のチタン、5.0%以上8.0%以下のタンタル、1.0%以上3.0%以下のレニウム、0.01%以上0.5%以下のハフニウム、0.01%以上0.1%以下のシリコンを含有し、残部がニッケルおよび不可避的不純物からなり、レニウムおよびクロムの含有量の総和が4.0%以上であり、かつ、レニウム,モリブデン,タングステンおよびクロムの含有量の総和が18.0%以下であることを特徴とする。
従来技術、競合技術の概要 ガスタービンの高効率化にともなう燃焼温度の上昇によりタービン動静翼材料は、普通鋳造合金から応力軸方向の結晶粒界を無くし、高温でのクリープ強度を向上させた一方向凝固合金、さらには、結晶粒界そのものをなくし熱処理特性低下の原因であった粒界強化元素を除去して最適な熱処理によりガンマプライム相の析出率を高めて、高温でのクリープ強度を更に向上させた単結晶合金へと変化してきた。さらに、単結晶合金は、より一層のクリープ強度の向上を目指し、第1世代単結晶合金から第2世代および第3世代の単結晶合金へと開発が進められてきた。第1世代単結晶合金は、レニウム未添加の合金であり、特開昭59-19032号公報に掲載されているCMSX-2、米国特許第5,399,313号に掲載されているRene′N4および特開昭53-146223号公報に掲載されているPWA-1480などがある。また、第2世代単結晶合金は、レニウムを3%程度添加することで、第1世代単結晶合金より約30℃クリープ耐用温度を向上させた合金であり、米国特許第4,643,782号に掲載されているCMSX-4、米国特許第4,719,080号に掲載されているPWA-1484および特開平5-59474公報に掲載されているRene′N5などがある。第3世代単結晶合金は、レニウムを5~6%添加することでクリープ耐用温度の向上を図った合金であり、特開平7-138683号公報に掲載されているCMSX-10などがある。上記単結晶合金は、主として航空機用ジェットエンジン、小型ガスタービンの分野で目覚しく進歩してきた技術であるが、産業用の大型ガスタービンにおいても燃焼効率の向上を目的とした高温化により、技術の転用が図られてきている。
産業上の利用分野 産業用ガスタービンのタービンの動翼および静翼などの高温部品を構成するニッケル基単結晶超合金、その製造方法およびガスタービン高温部品
特許請求の範囲 【請求項1】重量%で、4.0%以上11.0%以下のコバルト、3.5%以上5.0%未満のクロム、0.5%以上3.0%以下のモリブデン、7.0%以上10.0%以下のタングステン、4.5%以上6.0%以下のアルミニウム、0.1%以上2.0%以下のチタン、5.0%以上8.0%以下のタンタル、1.0%以上3.0%以下のレニウム、0.01%以上0.5%以下のハフニウム、0.01%以上0.1%以下のシリコンを含有し、残部がニッケルおよび不可避的不純物からなり、レニウムおよびクロムの含有量の総和が4.0%以上であり、かつ、レニウム,モリブデン,タングステンおよびクロムの含有量の総和が18.0%以下であることを特徴とするニッケル基単結晶超合金。
【請求項2】重量%で、5.0%以上10.0%以下のコバルト、4.0%以上5.0%未満のクロム、1.0%以上2.5%以下のモリブデン、8.0%以上9.0%以下のタングステン、5.0%以上5.5%以下のアルミニウム、0.1%以上1.0%以下のチタン、6.0%以上7.0%以下のタンタル、2.0%以上3.0%以下のレニウム、0.01%以上0.5%以下のハフニウム、0.01%以上0.1%以下のシリコンを含有し、残部がニッケルおよび不可避的不純物からなり、レニウムおよびクロムの含有量の総和が4.0%以上であり、かつ、レニウム,モリブデン,タングステンおよびクロムの含有量の総和が18.0%以下であることを特徴とするニッケル基単結晶超合金。
【請求項3】重量%で、5.0%以上10.0%以下のコバルト、4.0%以上5.0%未満のクロム、1.0%以上2.5%以下のモリブデン、8.0%以上9.0%以下のタングステン、5.0%以上5.5%以下のアルミニウム、0.8%以上1.5%以下のチタン、5.0%以上6.0%未満のタンタル、2.0%以上3.0%以下のレニウム、0.01%以上0.5%以下のハフニウム、0.01%以上0.1%以下のシリコンを含有し、残部がニッケルおよび不可避的不純物からなり、レニウムおよびクロムの含有量の総和が4.0%以上であり、かつ、レニウム,モリブデン,タングステンおよびクロムの含有量の総和が18.0%以下であることを特徴とするニッケル基単結晶超合金。
【請求項4】下記(A)に示した元素の全てと、下記(B)に示した元素の中から選ばれる少なくとも1の元素とを含有し、残部がニッケルおよび不可避的不純物からなることを特徴とするニッケル基単結晶超合金。(A)重量%で、4.0%以上11.0%以下のコバルト、3.5%以上5.0%未満のクロム、0.5%以上3.0%以下のモリブデン、7.0%以上10.0%以下のタングステン、4.5%以上6.0%以下のアルミニウム、0.1%以上2.0%以下のチタン、5.0%以上8.0%以下のタンタル、1.0%以上3.0%以下のレニウム、0.01%以上0.2%以下のハフニウムおよび0.01%以上0.1%以下のシリコン(B)重量%で、2.0%以下のニオブ、1%以下のバナジウム、2%以下のルテニウム、0.1%以下の炭素、0.05%以下のホウ素、0.1%以下のジルコニウム、0.1%以下のイットリウム、0.1%以下のランタンおよび0.1%以下のセリウム
【請求項5】下記(C)に示した元素の全てと、下記(D)に示した元素の中から選ばれる少なくとも1の元素とを含有し、残部がニッケルおよび不可避的不純物からなることを特徴とするニッケル基単結晶超合金。(C)重量%で、5.0%以上10.0%以下のコバルト、4.0%以上5.0%未満のクロム、1.0%以上2.5%以下のモリブデン、8.0%以上9.0%以下のタングステン、5.0%以上5.5%以下のアルミニウム、0.1%以上1.0%以下のチタン、6.0%以上7.0%以下のタンタル、2.0%以上3.0%以下のレニウム、0.01%以上0.2%以下のハフニウムおよび0.01%以上0.1%以下のシリコン(D)重量%で、2.0%以下のニオブ、1%以下のバナジウム、2%以下のルテニウム0.1%以下の炭素、0.05%以下のホウ素、0.1%以下のジルコニウム、0.1%以下のイットリウム、0.1%以下のランタンおよび0.1%以下のセリウム
【請求項6】ニッケル,コバルト,クロム,モリブデン,タングステン,アルミニウム,チタン,タンタル,レニウム,ハフニウムおよびシリコンを含む原材料から請求項1ないし3までのいずれかに記載の成分組成を有するニッケル基単結晶超合金の素体を準備して、真空または不活性ガス中1280℃から1350℃までの温度範囲で溶体化熱処理を行った後、急冷し、1100から1200℃までの温度範囲で1段時効熱処理を行った後、前記1段時効熱処理よりも低温で2段時効熱処理を施すことを特徴とするニッケル基単結晶超合金の製造方法。
【請求項7】請求項6に記載のニッケル基単結晶超合金の製造方法において、溶体化熱処理前に、溶体化熱処理を行う際の温度に対して20℃から40℃の低温で、多段階のステップを有する熱処理を行うことを特徴とするニッケル基単結晶超合金の製造方法。
【請求項8】請求項6に記載のニッケル基単結晶超合金の製造方法において、溶体化熱処理前に、溶体化熱処理を行う際の温度に対して20℃から40℃の低温で、一段のステップを有する熱処理を行うことを特徴とするニッケル基単結晶超合金の製造方法。
【請求項9】請求項6ないし請求項8までのいずれかに記載のニッケル基単結晶超合金の製造方法において、溶体化熱処理時間を10時間以内とすることを特徴とするニッケル基単結晶超合金の製造方法。
【請求項10】請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のニッケル基単結晶超合金により構成されたガスタービン高温部品。
【請求項11】請求項6ないし9のいずれかに記載の製造方法で作成されたニッケル基単結晶超合金により構成されたガスタービン高温部品。
産業区分
  • 合金
  • 冶金、熱処理
  • 蒸気原動機
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 権利存続中
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