專利名稱：Ni基單晶超合金和渦輪葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及Ni基單晶超合金和渦輪葉片。本申請(qǐng)基于2009年8月10日在日本提出的日本特愿2009-185757號(hào)要求優(yōu)先權(quán)， 在此援引其內(nèi)容。
背景技術(shù)：
航空器發(fā)動(dòng)機(jī)或產(chǎn)業(yè)用燃?xì)鉁u輪等中使用的渦輪葉片(靜■動(dòng)葉片)由于長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫下，因此使用Ni基單晶超合金作為耐熱性優(yōu)異的材料。該Ni基單晶超合金是向作為基質(zhì)的M中添加Al，使M3Al型的析出物析出并強(qiáng)化，再添加Cr、W、Ta等高熔點(diǎn)金屬進(jìn)行合金化、使其單晶化而得的超合金。作為這樣的Ni基單晶超合金，例如已知有不含Re的第1代合金(例如，W廠乂 m j >社制的CMSX-2、或二 "Γ A r -y F 于夕7 口夕一文 ^—t U 3 >社制
的PWA1480)和通過(guò)含有3質(zhì)量％的Re來(lái)提高以蠕變強(qiáng)度為中心的高溫強(qiáng)度(還包括高溫疲勞強(qiáng)度)的第2代合金(例如，”廠乂 m 5 >社制的CMSX-4、或二 t r F 于夕7 口夕一文 ^ - l· ν a >社制的PWA1484)等。CMSX、PWA為合金的商標(biāo)。專利文獻(xiàn)1 美國(guó)專利第4582548號(hào)說(shuō)明書(shū)專利文獻(xiàn)2 美國(guó)專利第4643782號(hào)說(shuō)明書(shū)
專利文獻(xiàn)3 日本特開(kāi)昭53-146223號(hào)公報(bào)。

發(fā)明內(nèi)容
第2代的Ni基單晶超合金是通過(guò)含有Re而相對(duì)于第1代提高了以蠕變強(qiáng)度為中心的高溫強(qiáng)度的Ni基單晶超合金。也就是說(shuō)，已知，通過(guò)含有Re，可以提高Ni基單晶超合金的以蠕變強(qiáng)度為中心的高溫強(qiáng)度。但是，由于Re是稀有金屬，難以穩(wěn)定地確保大量Re的供應(yīng)。另外，近年來(lái)，Re的價(jià)格高昂，Re的大量使用導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格提高。因此，期望開(kāi)發(fā)出Re的含量比第2代的Ni基單晶超合金少，同時(shí)至少比第1代的 Ni基單晶超合金的以蠕變強(qiáng)度為中心的高溫強(qiáng)度高，期望與第2代同等水平或比之更高的以蠕變強(qiáng)度為中心的高溫強(qiáng)度的Ni基單晶超合金。本發(fā)明是鑒于上述問(wèn)題點(diǎn)而作出的，其目的在于提供Re的含量少且以蠕變強(qiáng)度為中心的高溫強(qiáng)度優(yōu)異的M基單晶超合金。作為用于解決上述課題的手段，本發(fā)明采用以下的構(gòu)成。第1項(xiàng)發(fā)明是Ni基單晶超合金，其具有以下組成按質(zhì)量比計(jì)，Co 0. 1質(zhì)量％以上且9.9質(zhì)量％以下、Cr 5. 1質(zhì)量％以上且10. 0質(zhì)量％以下、Mo 1. 0質(zhì)量％以上且4. 0質(zhì)量％以下、W 8. 1質(zhì)量％以上且11. 0質(zhì)量％以下、Ta 4. 0質(zhì)量％以上且9. 0質(zhì)量％以下、 Al 5. 2質(zhì)量％以上且7. 0質(zhì)量％以下、Ti 0. 1質(zhì)量％以上且2. 0質(zhì)量％以下、Hf :0. 05質(zhì)量％以上且0. 3質(zhì)量％以下、Nb 1. 0質(zhì)量％以下、Re 小于3. 0質(zhì)量％、其余包括Ni及不可
4避免的雜質(zhì)。第2項(xiàng)發(fā)明為，在上述第1項(xiàng)發(fā)明的Ni基單晶超合金中，按質(zhì)量比計(jì)，Re :2. 0質(zhì)
量％以下。第3項(xiàng)發(fā)明為，在上述第1項(xiàng)發(fā)明的Ni基單晶超合金中，按質(zhì)量比計(jì)，Re :1. 4質(zhì)
量％以下。第4項(xiàng)發(fā)明為，在上述第1項(xiàng)發(fā)明的Ni基單晶超合金中，按質(zhì)量比計(jì)，Re :0. 8質(zhì)
量％以下。第5項(xiàng)發(fā)明為，在上述第1項(xiàng) 第4項(xiàng)的任一項(xiàng)發(fā)明的Ni基單晶超合金中，含有 按質(zhì)量比計(jì)，Co 6. 0質(zhì)量％、Cr 7. 0質(zhì)量％、Mo :1. 5質(zhì)量％、W :10. 0質(zhì)量％、Ta :5. 5質(zhì)量％、 Al 6. 0質(zhì)量％、Ti 0. 1質(zhì)量％、Hf 0. 10質(zhì)量％，并且不含有或者以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有Nb和Re。第6項(xiàng)發(fā)明為，在上述第1項(xiàng) 第4項(xiàng)的任一項(xiàng)發(fā)明的Ni基單晶超合金中，含有 按質(zhì)量比計(jì)，Co 8. 0質(zhì)量％、Cr 7. 0質(zhì)量%、Mo :1. 8質(zhì)量％、W :8. 2質(zhì)量％、Ta :6. 0質(zhì)量％、 Al :5. 2質(zhì)量％、Ti :1.6質(zhì)量％、Hf 0. 10質(zhì)量％、Re :0. 8質(zhì)量％，并且不含有或者以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有Nb。第7項(xiàng)發(fā)明為，在上述第1項(xiàng) 第3項(xiàng)的任一項(xiàng)發(fā)明的Ni基單晶超合金中，含有 按質(zhì)量比計(jì)，Co 8. 0質(zhì)量％、Cr 6. 5質(zhì)量%、Mo :1. 4質(zhì)量％、W :8. 1質(zhì)量％、Ta :6. 0質(zhì)量％、 Al :5. 8質(zhì)量％、Ti :1.0質(zhì)量％、Hf 0. 10質(zhì)量％、Re :1. 4質(zhì)量％，并且不含有或者以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有Nb。第8項(xiàng)發(fā)明為渦輪葉片，其使用第1項(xiàng) 第7項(xiàng)的任一項(xiàng)發(fā)明的M基單晶超合金來(lái)形成。根據(jù)本發(fā)明，Ni基單晶超合金中含有的Re小于3. 0質(zhì)量％。因此，本發(fā)明的Ni基單晶超合金與第2代的M基單晶超合金相比，Re的含量少。另外，如后面詳細(xì)說(shuō)明的，本發(fā)明的M基單晶超合金與第1代的M基單晶超合金相比，以蠕變強(qiáng)度為中心的高溫強(qiáng)度高。因此，本發(fā)明的Ni基單晶超合金與第2代的Ni基單晶超合金相比，Re的含量少， 且與第1代的M基單晶超合金相比，以蠕變強(qiáng)度為中心的高溫強(qiáng)度優(yōu)異。


圖1是用于比較由實(shí)驗(yàn)得到的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的Ni基單晶超合金與第1 代和第2代的Ni基單晶超合金的蠕變壽命的圖。圖2是用于比較由模擬得到的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的Ni基單晶超合金與第1 代、第2代的M基單晶超合金的蠕變壽命的圖。圖3是表示模擬的驗(yàn)證結(jié)果的圖。圖4是表示用于模擬的Ni基單晶超合金的組成的表。圖5是用于比較由實(shí)驗(yàn)得到的本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金與第1代和第2代的M基單晶超合金的蠕變壽命的圖。圖6是用于比較由實(shí)驗(yàn)得到的本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金與第2代的Ni基單晶超合金的疲勞強(qiáng)度的圖。
圖7是使用本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的M基單晶超合金來(lái)形成的渦輪葉片的立體圖。符號(hào)說(shuō)明
1……渦輪葉片，A C、a r……Ni基單晶超合金。
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖，說(shuō)明本發(fā)明的Ni基單晶超合金和渦輪葉片的一個(gè)實(shí)施方式。予以說(shuō)明，在以下的附圖中，為了使各構(gòu)件為可辨識(shí)的大小，適當(dāng)變更各構(gòu)件的縮尺。本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金具有以下組成按質(zhì)量比計(jì)，Co 0. 1質(zhì)量％以上且9. 9質(zhì)量％以下、Cr 5. 1質(zhì)量％以上且10. 0質(zhì)量％以下、Mo :1. 0質(zhì)量％以上且4. 0質(zhì)量％以下、W 8. 1質(zhì)量％以上且11. 0質(zhì)量％以下、Ta 4. 0質(zhì)量％以上且9. 0質(zhì)量％以下、 Al :5. 2質(zhì)量％以上且7.0質(zhì)量％以下、Ti 0. 1質(zhì)量％以上且2.0質(zhì)量％以下、Hf :0. 05質(zhì)量％以上且0. 3質(zhì)量％以下、Nb 1. 0質(zhì)量％以下、Re 小于3. 0質(zhì)量％、其余包括Ni及不可避免的雜質(zhì)。另外，本實(shí)施方式的M基單晶超合金中的Re的含量按質(zhì)量比計(jì)更優(yōu)選為2. 0質(zhì)量％以下、1.4質(zhì)量％以下、或者0.8質(zhì)量％以下。予以說(shuō)明，“不可避免的雜質(zhì)”是指在得到本實(shí)施方式的M基單晶超合金之前的制造過(guò)程中，不是故意引入而含有的、微量(例如0. 1重量％以下)的、而且未必對(duì)Ni基單晶合金的特性有影響的雜質(zhì)。作為該不可避免的雜質(zhì)，例如可舉出B、C、Si、Y、La、Ce、V、&、Nb、Ru、Re等。以下，說(shuō)明對(duì)構(gòu)成上述Ni基單晶超合金的各成分的組成范圍進(jìn)行限定的理由。Co是這樣的元素其增大對(duì)于含有Al、Ta等的母相的高溫下的固溶極限，通過(guò)熱處理使細(xì)微的Y’相分散析出，提高高溫強(qiáng)度。但是，若Co超過(guò)9.9質(zhì)量％，則破壞與Al、 Ta、Mo、W、Hf、Cr等其他添加元素的平衡，導(dǎo)致有害相析出、高溫強(qiáng)度下降。另外，從提高高溫強(qiáng)度的必要性的角度考慮，優(yōu)選含有0. 1質(zhì)量％以上的Co。因此，Co優(yōu)選為0. 1質(zhì)量％ 以上且9.9質(zhì)量％以下。Cr是耐氧化性優(yōu)異的元素，是與Hf和Al —起提高Ni基單晶超合金的高溫耐腐蝕性的元素。但是，若Cr小于5.1質(zhì)量％，則難以確保所期望的高溫耐腐蝕性。另一方面，若 Cr超過(guò)10.0質(zhì)量％，則抑制Y’相的析出，同時(shí)σ相、μ相等有害相析出，高溫強(qiáng)度下降。 因此，Cr優(yōu)選為5. 1質(zhì)量％以上且10. 0質(zhì)量％以下。Mo是在與W或Ta的共存下固溶在將成為母相的、相中、增加高溫強(qiáng)度，同時(shí)通過(guò)析出硬化而有助于高溫強(qiáng)度的元素。但是，若Mo小于1.0質(zhì)量％，則難以確保所期望的高溫強(qiáng)度。另一方面，若Mo超過(guò)4.0質(zhì)量％，則高溫強(qiáng)度下降，進(jìn)而高溫耐腐蝕性也下降。因此，Mo優(yōu)選為1. 0質(zhì)量％以上且4. 0質(zhì)量％以下。W是在與Mo或Ta的共存下通過(guò)固溶強(qiáng)化和析出硬化的作用來(lái)提高高溫強(qiáng)度的元素。為了提高高溫強(qiáng)度，優(yōu)選含有8.1質(zhì)量％以上的該W。但是，若W超過(guò)11.0質(zhì)量％，則高溫耐腐蝕性下降。因此，W優(yōu)選為8. 1質(zhì)量％以上且11. 0質(zhì)量％以下。Ta是在與Mo或W的共存下通過(guò)固溶強(qiáng)化和析出硬化的作用來(lái)提高高溫強(qiáng)度，另外通過(guò)其中一部分相對(duì)于Y’相析出硬化，提高高溫強(qiáng)度的元素。但是，若Ta小于4.0質(zhì)量％，則難以確保所期望的高溫強(qiáng)度。另一方面，若Ta超過(guò)9.0質(zhì)量％，則ο相、μ相等有害相析出，高溫強(qiáng)度下降。因此，Ta優(yōu)選為4. 0質(zhì)量％以上且9. 0質(zhì)量％以下。Al與Ni化合，同時(shí)作為細(xì)微均勻地分散析出于母相中的Y ’相，以6(Γ70%(體積百分比)的比例形成由Ni3Al表示的金屬間化合物。即，Al是與Ni —起提高高溫強(qiáng)度的元素。另外，Al是耐氧化性優(yōu)異的元素，是與Cr和Hf —起提高M(jìn)基單晶超合金的高溫耐腐蝕性的元素。但是，若Al小于5.2質(zhì)量％，則Y’相的析出量變得不充分，難以確保所期望的高溫強(qiáng)度和高溫耐腐蝕性。另一方面，若Al超過(guò)7.0質(zhì)量％，則大量形成被稱為共晶Y’ 相的粗大的Y相，無(wú)法進(jìn)行固溶化處理，難以確保所期望的高溫強(qiáng)度。因此，Al優(yōu)選為5. 2 質(zhì)量％以上且7. 0質(zhì)量％以下。Ti是在與Mo或W的共存下通過(guò)固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的作用提高高溫強(qiáng)度，另外其中一部分相對(duì)于Y’相析出硬化而提高高溫強(qiáng)度的元素。但是，若Ti超過(guò)2.0質(zhì)量％，則有害相析出，高溫強(qiáng)度下降。為了提高高溫強(qiáng)度，優(yōu)選含有0.1質(zhì)量％以上的該Ti。因此，Ti 優(yōu)選為0. 1質(zhì)量％以上且2. 0質(zhì)量％以下。Hf為晶界偏析元素，其是局部分布于晶界而強(qiáng)化晶界，由此提高高溫強(qiáng)度的元素。 另外，Hf是耐氧化性優(yōu)異的元素，是與Cr和Al —起提高M(jìn)基單晶超合金的高溫耐腐蝕性的元素。為了提高高溫強(qiáng)度，優(yōu)選含有0.05質(zhì)量％以上的該Hf。但是，若Hf超過(guò)0.3質(zhì)量％，則有時(shí)引起局部熔融而降低高溫強(qiáng)度。因此，Hf優(yōu)選為0. 05質(zhì)量％以上且0. 3質(zhì)量％ 以下。Nb是使高溫強(qiáng)度提高的元素。但是，若Nb超過(guò)1. 0質(zhì)量％，則有害相析出，高溫強(qiáng)度下降。因此，Nb優(yōu)選為1. 0質(zhì)量％以下。Re是固溶于作為母相的Y相中、通過(guò)固溶強(qiáng)化而提高高溫強(qiáng)度的元素。另外，也具有提高耐腐蝕性的效果。但是，若Re在3. 0質(zhì)量％以上，則必須使用與以往的第2代的 Ni基單晶超合金相同的量的Re。但是，Re難以穩(wěn)定地確保供給，并且價(jià)格昂貴，因此若Re 的含量多，則M基單晶超合金的價(jià)格會(huì)變得非常高。在本實(shí)施方式中，即使在抑制Re的含量或者不含Re的情況下，通過(guò)將其他構(gòu)成元素的組成比設(shè)定為最佳范圍，也可以在高溫下維持以蠕變強(qiáng)度為中心的高的高溫強(qiáng)度。S卩，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金中，Re的含量小于3質(zhì)量％。進(jìn)而，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金中，Re的含量?jī)?yōu)選為2. 0質(zhì)量％以下，更優(yōu)選為1. 4質(zhì)量％以下，進(jìn)一步優(yōu)選為0.8質(zhì)量％以下。接著，參照?qǐng)D1，對(duì)于用于比較本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金與第1代和第2代的 Ni基單晶超合金的蠕變壽命而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。圖1是用于比較由實(shí)驗(yàn)得到的本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金與第1代和第2代的M基單晶超合金的蠕變壽命的圖。在圖1中，橫軸為Re的含量(質(zhì)量％)，縱軸為蠕變壽命。予以說(shuō)明，圖1所示的黑點(diǎn)f C表示，作為本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金，使用Ni 基單晶超合金々、8』2和(在11001的溫度環(huán)境下、在137Mpa的拉伸負(fù)荷下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量蠕變壽命得到的結(jié)果。在此，Ni基單晶超合金A含有按質(zhì)量比計(jì)，Co 6. 0質(zhì)量％、Cr :7. 0 質(zhì)量 ％、Mo 1. 5 質(zhì)量 ％、W 10. 0 質(zhì)量 ％、Ta :5. 5 質(zhì)量 ％、Al :6. 0 質(zhì)量 ％、Ti :0. 1 質(zhì)量 ％、Hf 0. 10質(zhì)量％，并且不含有或者以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有Nb和Re。另外，Ni基單晶超合金B(yǎng)含有按質(zhì)量比計(jì)，Co 8. 0質(zhì)量％、Cr 7. 0質(zhì)量%、Mo :1.8質(zhì)量％、W :8. 2質(zhì)量%、Ta 6. 0質(zhì)量％、Al 5. 2質(zhì)量％、Ti 1. 6質(zhì)量％、Hf :0. 10質(zhì)量％、Re :0. 8質(zhì)量％，并且不含有或者以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有Nb。另外，Ni基單晶超合金B(yǎng)2含有按質(zhì)量比計(jì)，Co 8. 0 質(zhì)量 ％、Cr 7. 0 質(zhì)量 ％、Mo 1. 8 質(zhì)量 ％、W :8. 2 質(zhì)量 ％、Ta :6. 2 質(zhì)量 ％、Al :5. 4 質(zhì)量 ％、 Ti :1.2質(zhì)量％、肚0.1質(zhì)量％、徹0. 8質(zhì)量％，并且不含有或以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有Nb。另外，Ni基單晶超合金C含有按質(zhì)量比計(jì)，Co :8.0質(zhì)量％、Cr :6. 5質(zhì)量％、Mo :1.4 質(zhì)量 ％、W 8. 1 質(zhì)量 ％、Ta 6. 0 質(zhì)量 ％、Al :5. 8 質(zhì)量 ％、Ti :1. 0 質(zhì)量 ％、Hf :0. 10 質(zhì)量 ％、Re 1. 4質(zhì)量％，并且不含有或以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有Nb。另外，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金的制造方法如下所述。首先，使用真空熔化爐制備M基單晶超合金的熔融液，使用該合金熔融液鑄造合金Iio進(jìn)而，對(duì)合金錠進(jìn)行固溶化處理和時(shí)效處理，得到Ni基單晶超合金。予以說(shuō)明，作為固溶化處理，從1503 156;3Κ(123(Γ1290 °C )通過(guò)多個(gè)步驟升溫至1573 16 ;3Κ(130(Γ 340 V )后，保持廣10小時(shí)以上。另外，作為時(shí)效處理， 在1273 1421 (1000 V 1150 °C )下保持3 5小時(shí)進(jìn)行1次時(shí)效處理。然后，在 1073^1223K(800°C 950°C )下保持15 25小時(shí)進(jìn)行2次時(shí)效處理。另夕卜，圖1 中的白點(diǎn)所示的 CMSX-2、CMSX-4、ReneN4、ReneN5、PffA 1480 和 PWA1484 表示對(duì)各M基單晶超合金在與本實(shí)施方式的M基單晶超合金相同的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。CMSX、Rene、PWA為合金的商標(biāo)。由圖1可知，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金A與同樣不含Re作為有用成分的 CMSX-2、ReneM、PWA 1480(第1代的Ni基單晶超合金)相比，明顯地蠕變壽命延長(zhǎng)、蠕變強(qiáng)
度提高。予以說(shuō)明，此處所說(shuō)的“不含…作為有用成分”是指，除了完全不含有的情況以外， 還包括以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有的情況。另外，從CMSX-2、PWA1480、ReneM、ReneN5、CMSX-4 和 PWA1484 的蠕變壽命的角度考慮，設(shè)想在將這些以往的Ni基單晶超合金中所含的Re變更為3.0質(zhì)量％以下的范圍的情況下，該Ni基單晶超合金的壽命包括在圖1所示的區(qū)域Rl中。并且，由圖1可知，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金B(yǎng)和B2與以往的Ni基單晶超合金含有0. 8質(zhì)量％的Re的情況所設(shè)想的蠕變壽命相比，明顯地蠕變壽命延長(zhǎng)、蠕變強(qiáng)度提高。另外，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金C與以往的Ni基單晶超合金含有1.4質(zhì)量％ 的Re的情況所設(shè)想的蠕變壽命相比，可確認(rèn)，明顯地蠕變壽命延長(zhǎng)、蠕變強(qiáng)度提高。另外，由圖1可知，本實(shí)施方式的這些Ni基單晶超合金B(yǎng)、B2和C與第1代的Ni 基單晶超合金相比，蠕變壽命延長(zhǎng)、蠕變強(qiáng)度提高。另外，由圖1可知，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金A具有與含有3. 0質(zhì)量％的Re 的CMSX-4(第2代的M基單晶超合金)同等程度的蠕變壽命、即蠕變強(qiáng)度。另外，由圖1可知，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金B(yǎng)具有與含有3. 0質(zhì)量％的Re 的PWA1484 (第2代的Ni基單晶超合金)同等程度的蠕變壽命、即蠕變強(qiáng)度，與CMSX-4和 ReneN5(第2代的Ni基單晶超合金)相比，具有長(zhǎng)蠕變壽命、即高蠕變強(qiáng)度。另外，由圖1可知，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金C與含有3. 0質(zhì)量％的Re的CMSX-4、ReneN5和PWA1484相比，具有長(zhǎng)蠕變壽命、即高蠕變強(qiáng)度。予以說(shuō)明，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中的蠕變壽命的實(shí)測(cè)值，本實(shí)施方式的M基單晶超合金 A (不含Re作為有用成分)為72小時(shí)和87小時(shí)，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金B(yǎng) (Re :0. 8 質(zhì)量％)為149小時(shí)，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金B(yǎng)2 (Re :0. 8質(zhì)量％)為101小時(shí)，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金C (Re 1. 4質(zhì)量％)為170小時(shí)，PWA1480為18小時(shí)，ReneM為 31小時(shí)，CMSX-2為45小時(shí)，PWA1484為141小時(shí)，ReneN5為89小時(shí)、CMSX-4為74小時(shí)。接著，參照?qǐng)D2，對(duì)用于比較本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金與第1代和第2代的 Ni基單晶超合金的蠕變壽命而進(jìn)行的模擬的結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。予以說(shuō)明，本模擬使用由英國(guó)knte Software公司開(kāi)發(fā)的“ JMatPro V. 5.0”來(lái)進(jìn)行。由于本軟件是由其化學(xué)成分來(lái)計(jì)算金屬合金的物理的、熱力學(xué)的物性值和機(jī)械物性值，證實(shí)對(duì)于本發(fā)明技術(shù)領(lǐng)域的Ni基單晶超合金的蠕變壽命，也可以如下述文獻(xiàn)的圖 16所示的那樣精確地進(jìn)行預(yù)測(cè)(文獻(xiàn)N. Saunders, Ζ. Guo, Χ. Li，Α. P. Miodownik and J-Ph. Schille MODELLING THE MATERIAL PROPERTIES AND BEHAVIOUR OF Ni-BASED SUPERALLOYS, Superalloys2004, (TMS, 2004)，pp. 849-858)。另外，本發(fā)明的發(fā)明人制作了若干單晶超合金，與上述實(shí)驗(yàn)同樣地在1100°C、 137MPa的條件下進(jìn)行蠕變斷裂試驗(yàn)，與使用“ JMatPro V. 5. O”獲得的斷裂壽命計(jì)算值進(jìn)行比較。圖3表示比較的結(jié)果。并且，如該圖所示，“ JMatPro V. 5. O”的計(jì)算值與通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)測(cè)值之間具有良好的相關(guān)性，其多重相關(guān)系數(shù)R2=O. 96，確認(rèn)本模擬的結(jié)果可與通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)測(cè)值同樣地進(jìn)行處理。另外，如圖3所示，“JMatPro V. 5. O”的計(jì)算值特別是在高壽命側(cè)(大約100小時(shí)以上)與通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)測(cè)值一致。即，“JMatPro V. 5. O”特別是在高壽命側(cè)可以進(jìn)行精確地計(jì)算。圖2是用于比較由模擬得到的本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金與第1代和第2代的M基單晶超合金的蠕變壽命的圖。在圖2中，橫軸為Re的含量(質(zhì)量％)，縱軸為蠕變壽命。在此，圖2所示的黑點(diǎn)表示使用具有圖4所示組成的本實(shí)施方式的M基單晶超合金a、，在1100°C的溫度環(huán)境下在137Mpa的拉伸負(fù)荷的條件下對(duì)蠕變壽命進(jìn)行模擬而得到的結(jié)果。予以說(shuō)明，M基單晶超合金a、具有與上述實(shí)驗(yàn)中使用的M基單晶超合金A C相同的組成。另外，圖2 中的白點(diǎn)所示的 CMSX-2、CMSX-4、ReneN4、ReneN5、PWA1480 *PWA1484 表示對(duì)具有圖4所示組成的以往的Ni基單晶超合金在與本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金同樣的條件下進(jìn)行模擬得到的結(jié)果。予以說(shuō)明，本模擬中使用的CMSX-2、CMSX-4、ReneM、 ReneN5, PffA 1480和PWA1484的組成與上述實(shí)驗(yàn)中使用的以往的Ni基單晶超合金相同。由圖4可知，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金a，q與同樣不含Re作為有用成分的 CMSX-2、ReneM、PWA 1480(第1代的Ni基單晶超合金)相比，明顯地蠕變壽命延長(zhǎng)、蠕變強(qiáng)度提高。另外，由CMSX-2、PWA1480、ReneM、ReneN5、CMSX-4 和 PWA1484 的螺變壽命的角度考慮，設(shè)想在將這些以往的Ni基單晶超合金中所含的Re變更為3.0質(zhì)量％以下的范圍的情況下，該Ni基單晶超合金的壽命包括在圖2所示的區(qū)域R2中。并且，由圖4可知，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金b、l32和(To與以往的Ni基單晶超合金含有0. 8質(zhì)量％的Re的情況所設(shè)想的蠕變壽命(區(qū)域似)相比，明顯地蠕變壽命延長(zhǎng)、蠕變強(qiáng)度提高。并且，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金c和ρ與以往的Ni基單晶超合金含有1. 4 質(zhì)量％的Re的情況所設(shè)想的蠕變壽命(區(qū)域似)相比，可確認(rèn)明顯地蠕變壽命延長(zhǎng)、蠕變強(qiáng)度提高。另外，由圖4可知，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金b、b2和(To與第1代的Ni 基單晶超合金相比，蠕變壽命延長(zhǎng)、蠕變強(qiáng)度提高。進(jìn)而，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金r是用于比較的，與以往的第2代的Ni基單晶超合金同樣地含有3.0質(zhì)量％的徹，但可以確認(rèn)其蠕變強(qiáng)度比以往的Ni基單晶超合金更
尚ο并且，由圖2可知，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金a、具有與以往的Ni基單晶超合金同等程度或更好的蠕變強(qiáng)度。具體地，可確認(rèn)，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金與相同Re含量的以往的Ni基單晶超合金相比，實(shí)現(xiàn)了 30%以上的特性改善。以上所述的本實(shí)施方式的M基單晶超合金(除了模擬中所用的比較用的M基單晶超合金r以外)中含有的Re小于3.0質(zhì)量％。因此，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金與第 2代的Ni基單晶超合金相比，Re的含量少。另外，本實(shí)施方式的M基單晶超合金比第1代的M基單晶超合金的蠕變強(qiáng)度高。因此，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金比第2代的Ni基單晶超合金的Re的含量少， 且比第1代的M基單晶超合金的蠕變強(qiáng)度優(yōu)異。另外，在以往的Ni基單晶超合金中，為了抑制由添加Re導(dǎo)致的變質(zhì)層的產(chǎn)生，必須添加稀有金屬Ru。但是，對(duì)于本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金來(lái)說(shuō)，可以不必含有Ru，實(shí)現(xiàn)更低成本化。接著，參照?qǐng)D5和圖6，對(duì)用于比較本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金(Ni基單晶超合金A和B2 (上述))與第1代和第2代的Ni基單晶超合金的疲勞強(qiáng)度和蠕變壽命而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。圖5是用于比較由實(shí)驗(yàn)得到的本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金A和B2與第1代和第2代的Ni基單晶超合金的蠕變壽命的圖。橫軸為L(zhǎng)arson-Miller參數(shù)，縱軸為負(fù)荷(由合金產(chǎn)生的應(yīng)力)。Larson-Miller參數(shù)是表示負(fù)荷與斷裂時(shí)間的關(guān)系的數(shù)值，由 P=T(LogTIME+C) X IO3表示(其中，T為絕對(duì)溫度、TIME為蠕變斷裂壽命、C為材料常數(shù)(在該情況下，C=20))。由圖5可知，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金A和B2與同樣地不含Re作為有用成分的ReneM相比，明顯地蠕變壽命延長(zhǎng)，具有與含有3. 0質(zhì)量％的Re的ReneN5同等程度的蠕變壽命。圖6是用于比較由實(shí)驗(yàn)得到的本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金A和B2與第2代的 M基單晶超合金的高溫疲勞強(qiáng)度的圖。橫軸為直至斷裂為止的次數(shù)(對(duì)數(shù))，縱軸為應(yīng)力振幅。予以說(shuō)明，疲勞試驗(yàn)時(shí)的溫度條件為1093°C、應(yīng)力比R=O(A=I)。由圖6可知，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金A顯示與含有3. 0質(zhì)量％的Re的 ReneN5同等程度的高溫下的疲勞壽命，含有0. 8質(zhì)量％的Re的本實(shí)施方式的M基單晶超合金B(yǎng)2與含有3. 0質(zhì)量％的Re的ReneN5相比，顯示優(yōu)良的高溫下的疲勞壽命。
予以說(shuō)明，本實(shí)施方式的Ni基單晶超合金可以作為圖7所示的渦輪葉片1的形成材料使用。使用本實(shí)施方式的M基單晶超合金形成的渦輪葉片1的Re的含量少，以蠕變強(qiáng)度為中心的高溫強(qiáng)度優(yōu)良。因此，可以得到廉價(jià)且強(qiáng)度高的渦輪葉片1。以上，參照

本發(fā)明的適宜的實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限定于上述實(shí)施方式。在上述實(shí)施方式中所示的各構(gòu)成構(gòu)件的諸形狀或組合等是其中一個(gè)例子，在不脫離本發(fā)明主旨的范圍內(nèi)可基于設(shè)計(jì)要求等進(jìn)行各種變更。產(chǎn)業(yè)實(shí)用性
根據(jù)本發(fā)明，可以得到與以往的Ni基單晶超合金相比Re的含量少、且以蠕變強(qiáng)度為中心的高溫強(qiáng)度優(yōu)異的Ni基單晶超合金。
權(quán)利要求
1.Ni基單晶超合金，其具有以下組成按質(zhì)量比計(jì)，Co 0. 1質(zhì)量％以上且9. 9質(zhì)量％以下、Cr 5. 1質(zhì)量％以上且10. 0質(zhì)量％以下、Mo :1.0質(zhì)量％以上且4.0質(zhì)量％以下、W :8. 1 質(zhì)量％以上且11. 0質(zhì)量％以下、Ta 4. 0質(zhì)量％以上且9. 0質(zhì)量％以下、Al :5. 2質(zhì)量％以上且7. 0質(zhì)量％以下、Ti 0. 1質(zhì)量％以上且2. 0質(zhì)量％以下、Hf 0. 05質(zhì)量％以上且0. 3 質(zhì)量％以下、Nb :1. 0質(zhì)量％以下、Re 小于3. 0質(zhì)量％，其余包括Ni及不可避免的雜質(zhì)。
2.權(quán)利要求1所述的Ni基單晶超合金，其中，按質(zhì)量比計(jì)，Re為2.0質(zhì)量％以下。
3.權(quán)利要求1所述的Ni基單晶超合金，其中，按質(zhì)量比計(jì)，Re為1.4質(zhì)量％以下。
4.權(quán)利要求1所述的Ni基單晶超合金，其中，按質(zhì)量比計(jì)，Re為0.8質(zhì)量％以下。
5.權(quán)利要求1所述的Ni基單晶超合金，其含有按質(zhì)量比計(jì)，Co6. 0質(zhì)量％、Cr :7. 0 質(zhì)量 ％、Mo 1. 5 質(zhì)量 ％、W 10. 0 質(zhì)量 ％、Ta :5. 5 質(zhì)量 ％、Al :6. 0 質(zhì)量 ％、Ti :0. 1 質(zhì)量 ％、Hf 0. 10質(zhì)量％，并且不含有或者以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有Nb和Re。
6.權(quán)利要求2所述的Ni基單晶超合金，其含有按質(zhì)量比計(jì)，Co6. 0質(zhì)量％、Cr :7. 0 質(zhì)量 ％、Mo 1. 5 質(zhì)量 ％、W 10. 0 質(zhì)量 ％、Ta :5. 5 質(zhì)量 ％、Al :6. 0 質(zhì)量 ％、Ti :0. 1 質(zhì)量 ％、Hf 0. 10質(zhì)量％，并且不含有或者以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有Nb和Re。
7.權(quán)利要求3所述的Ni基單晶超合金，其含有按質(zhì)量比計(jì)，Co6. 0質(zhì)量％、Cr :7. 0 質(zhì)量 ％、Mo 1. 5 質(zhì)量 ％、W 10. 0 質(zhì)量 ％、Ta :5. 5 質(zhì)量 ％、Al :6. 0 質(zhì)量 ％、Ti :0. 1 質(zhì)量 ％、Hf 0. 10質(zhì)量％，并且不含有或者以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有Nb和Re。
8.權(quán)利要求4所述的Ni基單晶超合金，其含有按質(zhì)量比計(jì)，Co6. 0質(zhì)量％、Cr :7. 0 質(zhì)量 ％、Mo 1. 5 質(zhì)量 ％、W 10. 0 質(zhì)量 ％、Ta :5. 5 質(zhì)量 ％、Al :6. 0 質(zhì)量 ％、Ti :0. 1 質(zhì)量 ％、Hf 0. 10質(zhì)量％，并且不含有或者以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有Nb和Re。
9.權(quán)利要求1所述的Ni基單晶超合金，其含有按質(zhì)量比計(jì)，Co8. 0質(zhì)量％、Cr :7. 0 質(zhì)量 ％、Mo 1. 8 質(zhì)量 ％、W 8. 2 質(zhì)量 ％、Ta :6. 0 質(zhì)量 ％、Al :5. 2 質(zhì)量 ％、Ti :1. 6 質(zhì)量 ％、Hf 0. 10質(zhì)量％、Re 0. 8質(zhì)量％，并且不含有或以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有Nb。
10.權(quán)利要求2所述的Ni基單晶超合金，其含有按質(zhì)量比計(jì)，Co8. 0質(zhì)量％、Cr :7. 0 質(zhì)量 ％、Mo 1. 8 質(zhì)量 ％、W 8. 2 質(zhì)量 ％、Ta :6. 0 質(zhì)量 ％、Al :5. 2 質(zhì)量 ％、Ti :1. 6 質(zhì)量 ％、Hf 0. 10質(zhì)量％、Re 0. 8質(zhì)量％，并且不含有或以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有Nb。
11.權(quán)利要求3所述的Ni基單晶超合金，其含有按質(zhì)量比計(jì)，Co8. 0質(zhì)量％、Cr :7. 0 質(zhì)量 ％、Mo 1. 8 質(zhì)量 ％、W 8. 2 質(zhì)量 ％、Ta :6. 0 質(zhì)量 ％、Al :5. 2 質(zhì)量 ％、Ti :1. 6 質(zhì)量 ％、Hf 0. 10質(zhì)量％、Re 0. 8質(zhì)量％，并且不含有或以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有Nb。
12.權(quán)利要求4所述的Ni基單晶超合金，其含有按質(zhì)量比計(jì)，Co8. 0質(zhì)量％、Cr :7. 0 質(zhì)量 ％、Mo 1. 8 質(zhì)量 ％、W 8. 2 質(zhì)量 ％、Ta :6. 0 質(zhì)量 ％、Al :5. 2 質(zhì)量 ％、Ti :1. 6 質(zhì)量 ％、Hf 0. 10質(zhì)量％、Re 0. 8質(zhì)量％，并且不含有或以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有Nb。
13.權(quán)利要求1所述的Ni基單晶超合金，其含有按質(zhì)量比計(jì)，Co8. 0質(zhì)量％、Cr :6. 5 質(zhì)量 ％、Mo 1. 4 質(zhì)量 ％、W 8. 1 質(zhì)量 ％、Ta :6. 0 質(zhì)量 ％、Al :5. 8 質(zhì)量 ％、Ti :1. 0 質(zhì)量 ％、Hf 0. 10質(zhì)量％、Re :1. 4質(zhì)量％，并且不含有或以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有Nb。
14.權(quán)利要求2所述的Ni基單晶超合金，其含有按質(zhì)量比計(jì)，Co8. 0質(zhì)量％、Cr :6. 5 質(zhì)量 ％、Mo 1. 4 質(zhì)量 ％、W 8. 1 質(zhì)量 ％、Ta :6. 0 質(zhì)量 ％、Al :5. 8 質(zhì)量 ％、Ti :1. 0 質(zhì)量 ％、Hf 0. 10質(zhì)量％、Re :1. 4質(zhì)量％，并且不含有或以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有Nb。
15.權(quán)利要求3所述的Ni基單晶超合金，其含有按質(zhì)量比計(jì)，Co8. 0質(zhì)量％、Cr :6. 5質(zhì)量 ％、Mo 1. 4 質(zhì)量 ％、W 8. 1 質(zhì)量 ％、Ta :6. 0 質(zhì)量 ％、Al :5. 8 質(zhì)量 ％、Ti :1. 0 質(zhì)量 ％、Hf ·0. 10質(zhì)量％、Re 1.4質(zhì)量％，并且不含有或以不可避免的雜質(zhì)的形式而含有Nb。
16.渦輪葉片，其使用權(quán)利要求廣15中任一項(xiàng)所述的M基單晶超合金來(lái)形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種Ni基單晶超合金，其具有以下組成按質(zhì)量比計(jì)，Co0.1質(zhì)量%以上且9.9質(zhì)量%以下、Cr5.1質(zhì)量%以上且10.0質(zhì)量%以下、Mo1.0質(zhì)量%以上且4.0質(zhì)量%以下、W8.1質(zhì)量%以上且11.0質(zhì)量%以下、Ta4.0質(zhì)量%以上且9.0質(zhì)量%以下、Al5.2質(zhì)量%以上且7.0質(zhì)量%以下、Ti0.1質(zhì)量%以上且2.0質(zhì)量%以下、Hf0.05質(zhì)量%以上且0.3質(zhì)量%以下、Nb1.0質(zhì)量%以下、Re小于3.0質(zhì)量%，其余包括Ni及不可避免的雜質(zhì)。該Ni基單晶超合金的Re的含量少且以蠕變強(qiáng)度為中心的高溫強(qiáng)度優(yōu)異。
文檔編號(hào)F02C7/00GK102471833SQ20108002875
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月10日
發(fā)明者佐藤彰洋, 青木祥宏 申請(qǐng)人:株式會(huì)社 Ihi