JP3671213B2

JP3671213B2 - Platinum iridium alloy

Info

Publication number: JP3671213B2
Application number: JP2001288186A
Authority: JP
Inventors: 芳一呂; 容子御手洗; 広史原田; 静夫中澤; 英典坂内
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2001-09-21
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2021-09-21
Also published as: JP2003096525A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、白金イリジウム合金に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、1200℃における圧縮強度がNi基単結晶耐熱合金を超え、しかも室温靱性が十分高い白金イリジウム合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
航空機、複合発電などに多用されているガスタービンの熱効率の改善には、その動静翼の耐用温度を上げることが必要不可欠である。既存のNi基耐熱合金の最高耐用温度は1100℃程度であり、したがって、1200℃以上の高温での使用は困難である。
【０００３】
耐用温度が1200〜1300℃で、無冷却、さらにコーティングなしのガスタービン用動静翼が実現されれば、CO₂ガスの排出量の大幅な削減とともに、ガスタービン単体の熱効率が40%以上向上することが期待される。
【０００４】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、1200℃における圧縮強度がNi基単結晶耐熱合金を超え、しかも室温靱性が十分高い白金イリジウム合金を提供することを解決すべき課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明者らは、鋭意検討した結果、Pt-Ir2元合金におけるIrの含有量ならびにPt-Ir-Ni3元合金におけるIr及びNi含有量を所定量に特定することにより、前述の課題が解決されることを見出し、この出願の発明を完成した。
【０００６】
すなわち、この出願の発明は、Pt-Ir2元合金において、Ir含有量が、0重量%を超え、 50重量%未満であり、かつ 5 〜 40 重量 % を除くことを特徴とする白金イリジウム合金（請求項１）を提供する。
【０００７】
この出願の発明は、第２には、上記Pt-Ir2元合金において、Irの一部が、Ru、Pd、Os、Mo、Nb、Ta、Hf、W、Ti、Zr、Y、La、Cr、又はVから選択される一種若しくは二種以上の元素で置換された１２００℃以上の高温で使用する白金イリジウム合金を提供する。
【０００８】
またこの出願の発明は、第３には、Pt-Ir-Ni3元合金において、Irの含有量が50重量％で、Niの含有量が25重量%であることを特徴とする１２００℃以上の高温で使用する白金イリジウム合金を提供する。
【０００９】
この出願の発明は、第４には、上記Pt-Ir-Ni3元合金において、Ir又はNiの一部が、Ru、Rh、Pd、Os、Mo、Nb、Ta、Hf、W、Ti、Zr、Y、La、Cr、又はVから選択される一種若しくは二種以上の元素で置換された１２００℃以上の高温で使用する白金イリジウム合金を提供する。
【００１０】
以下、実施例を示しつつ、この出願の発明の白金イリジウム合金についてさらに詳しく説明する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
白金(Pt)は、融点が比較的低温の1769℃であり、強度も決して高くないが、耐食性、加工性、ならびに高温での組織安定性などに優れた金属である。イリジウム(Ir)は、融点が2447℃の高融点金属であり、強度は、白金族元素の中では高いものの、延性、加工性などに難がある。
【００１２】
この出願の発明の白金イリジウム合金は、Ir又はIr及びNiの含有量を前述の通り特定することにより、それぞれの前記欠点を互いに補い、また、長所を高め、既存のNi基耐熱合金と比較すると、低温側での強度は若干劣るものの、1200℃以上の高温において十分な強度を示す合金である。
【００１３】
また、この出願の発明の白金イリジウム合金は、高温耐食性及び耐酸化性が良好でもあり、したがって、既存のNi基耐熱合金と比較してより優れた構造用耐熱合金としての使用が期待される。一例として、前述のガスタービンの動静翼材料への適用が考えられ、この出願の発明の白金イリジウム合金からガスタービンの動静翼を作製した場合、動静翼は、これを構成する白金イリジウム合金の耐久性に基づき、コーティングや冷却などを省略することが見込まれる。CO₂ガスの排出量の大幅な削減及びガスタービン単体の熱効率の40%以上の向上が限りなく現実的なものになると予想される。
【００１４】
耐熱構造用合金では、合金の融点(Tm)での強度をゼロとみなしている。温度をケルビン(K)表示し、使用温度(T)を融点(Tm)で除した相似温度(T/Tm)が0.8以上の高温ではコーティング、冷却などの措置を行わないと構造部材への適用が不可能である。既存のNi基耐熱合金の融点(Tm)は1350℃前後であり、1200℃では上記相似温度(T/Tm)が0.91となるため、構造部材へ適用する場合、コーティング、冷却などの措置が必要となる。一方、この出願の発明の白金イリジウム合金は、融点(Tm)が1770〜2000℃と推定され、したがって、1200℃を超える温度においてもコーティング、冷却などの措置を必要としないと考えられる。
【００１５】
なお、動翼とは、ガスタービンの回転体に固定された羽根であり、燃焼ガス、空気などの流体は、ガスタービンのケーシングと回転体の間の流路を流れ、回転している動翼からエネルギーを連続的に受け取ることができる。白金、イリジウムの密度はいずれも20g/cm³程度であり、この出願の発明の白金イリジウム合金の密度もその前後となる。このような出願の発明の白金イリジウム合金を動翼材料に適用すると、既存のNi基耐熱合金の密度が8.5〜9g/cm³であるため、同一回転数を得るのに要するエネルギーを同一とするために同一重量の動翼を作製する場合、動翼は、その体積が、既存のNi基耐熱合金から作製されたものと比べ小さくなり、しかも非コーティングで無冷却の動翼とすることができる。
【００１６】
一方、静翼は、ガスタービンのケーシングに固定された羽根であり、ケーシング内の流体の流れ方向、圧力、速度などを変化させるものである。このような静翼については、その翼部分にこの出願の発明の白金イリジウム合金を、シュラウド部（翼幹先端に取り付けられる帯状のつづり金）に既存合金を用いてそれぞれ作製することができる。
【００１７】
さらに、この出願の発明の白金イリジウム合金は、年間生産量の少ないIrの含有量が少ない合金であり、この点においても実用性の高さが指摘される。
【００１８】
また、この出願の発明の白金イリジウム合金では、特性を損なわない限り、前述した通り、Pt-Ir2元合金においてはIrの一部を、また、Pt-Ir-Ni3元合金においてはIr又はNiの一部を、Ru、Rh、Pd、Os、Mo、Nb、Ta、Hf、W、Ti、Zr、Y、La、Cr、又はVから選択される一種若しくは二種以上の元素で置換することができる。 Ru、Rh、Pd、Os、Mo、Nb、Ta、Hf、W、Ti、Zr、Y、La、Cr、又はVの添加は、この出願の発明の白金イリジウム合金に固溶強化効果をもたらす。この効果は、中でもW、Ta、Mo、Nbが大きい。また、白金族元素であるRu、Rh、Pd、及びOsは耐食及び耐酸化性を、Ti、Cr、La、Y、及びHfは耐酸化性をより向上させる。
【００１９】
【実施例】
PtにIrを25、50、及び75重量%添加した2元合金（以下、25Ir合金、50Ir合金、75Ir合金と称する）、PtにIrを50重量%及びNiを25重量%添加した3元合金（以下、50Ir-25Ni合金と称する）、ならびにPt、Irそれぞれの単体を、アーク溶解により100g程度のインゴットに作製した。
【００２０】
以上の試料を大気中で試験温度24℃及び1200℃（50Ir-25Ni合金は1200℃での試験は行わず）における0.2%圧縮強度を初期歪速度〜10^-4/sのオーダーとして測定した。その結果を示したのが図１のグラフである。
【００２１】
なお、図１図中に記載しているように、前記圧縮試験に際し、Pt、Irそれぞれの単体は鋳放しとし、合金については、24℃での圧縮試験を行ったものには、840℃72hと1700℃72hの２通りの熱処理を圧縮試験前にそれぞれ行い、1200℃での圧縮試験を行ったものには、1700℃72hの熱処理を圧縮試験前に行った。
【００２２】
図１に示したように、1200℃での圧縮試験では、0.2%圧縮強度は75Ir合金でピークとなったが、50重量%未満のIrの含有でもPt-Ir2元合金は150MPa以上を示すものと予想される。
【００２３】
また、以上の試料について、切欠三点曲げ試験を大気中24℃において曲げ速度0.1mm/minで実施し、そのとき測定した切欠曲げ強度から公称破壊靱性値を求めた。その結果を示したのが図２のグラフである。
【００２４】
セラミックスや一部の合金などでは試験片に疲労予亀裂を導入することが困難であるため、切欠で疲労予亀裂の代用とする破壊靱性試験方法が知られている（JIS R1607-1990）。
【００２５】
実施例で得られた試料についても、その寸法上の制約のため、上記JISに準じて破壊靱性値を求めた。これが公称破壊靱性値であり、公称破壊靱性値K_Qは、次式により算出される。
【００２６】
K_Q= (PS/BW^3/2)[3(a/W)^1/2×Y (a/ W)/2]
Y(a/W)=[1.99-a(1-a/W)/W[2.15-3.93a/W+2.7(a/W)²]]/(1+2a/W)(1-a/W)^3/2ここで、P:破壊荷重、B:試験片幅、W:試験片高さ、S:支点長さ、a:切欠深さを示す。
【００２７】
実施例で得られた試料について切欠三点曲げ試験に供した試験片は、全長が20mm、B=3、W≒4、S=16、a≒1.7であった。切欠は、全長の中央部片側に切欠先端半径を0.2mmとした貫通切欠であり、前記JISにおける形状と必ずしも一致してはいない。また、曲げ速度も前記の通り0.1mm/minとしたが、これらの相違は、前記JISにおいて許容することのできるものであると考えられる。
【００２８】
25Ir合金及び50Ir-25Ni合金は、ガスタービンの動静翼材料として最低基準靱性値をクリアしている。
【００２９】
以上の結果から、この出願の発明の白金イリジウム合金は、1200℃における圧縮強度がNi基単結晶耐熱合金を超え、しかも室温靱性が十分高いことが確認される。また、この出願の発明の白金イリジウム合金は、年間生産量の少ないIrの含有量が少なく、したがって、実用化に有利であると理解される。
【００３０】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施形態及び実施例によって限定されるものではない。白金イリジウム合金の作製方法、試験方法などの細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、1200℃における圧縮強度がNi基単結晶耐熱合金を超え、しかも室温靱性が十分高く、年間生産量の少ないIrの含有量の少ない、実用化に有利な白金イリジウム合金が提供される。この出願の発明の白金イリジウム合金は、上記特性を有するため、ガスタービンの動静翼材料として適用が期待され、動静翼のコーティングや冷却などを省略することが見込まれる。また、CO₂ガスの排出量の大幅な削減及びガスタービン単体の熱効率の40%以上の向上が限りなく現実的なものとなると予想される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で作製した試料の0.2%圧縮強度とIr及びNi量との関係を示したグラフである。
【図２】実施例で作製した試料の公称破壊靱性値とIr及びNi量との関係を示したグラフである。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The invention of this application relates to a platinum iridium alloy. More specifically, the invention of this application relates to a platinum iridium alloy having a compressive strength at 1200 ° C. exceeding that of a Ni-based single crystal heat-resistant alloy and sufficiently high room temperature toughness.
[0002]
[Prior art and its problems]
In order to improve the thermal efficiency of gas turbines that are frequently used in aircraft, combined power generation, etc., it is indispensable to raise the service temperature of the rotor blades. The maximum service temperature of existing Ni-base heat-resistant alloys is about 1100 ° C, and therefore it is difficult to use at a high temperature of 1200 ° C or higher.
[0003]
If an operating temperature of 1200 to 1300 ° C, uncooled and uncoated gas turbine blades and stator blades are realized, CO ₂ gas emissions will be greatly reduced and the thermal efficiency of the gas turbine alone will be improved by 40% or more. It is expected.
[0004]
The invention of this application has been made in view of such circumstances, and solves the problem of providing a platinum iridium alloy having a compressive strength at 1200 ° C. exceeding that of a Ni-based single crystal heat-resistant alloy and having sufficiently high room temperature toughness. It should be a challenge.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies, the inventors of this application have identified the above-mentioned problems by specifying the Ir content in the Pt-Ir binary alloy and the Ir and Ni contents in the Pt-Ir-Ni ternary alloy to predetermined amounts. As a result, the invention of this application was completed.
[0006]
That is, the invention of this application, in the Pt-Ir2 binary alloy, Ir content is 0 exceed wt%, platinum iridium, characterized in that except for 5 0 wt% less der is, and 5-40 wt% An alloy (Claim 1) is provided.
[0007]
Secondly, the invention of this application is that, in the above Pt—Ir binary alloy, a part of Ir is Ru, Pd, Os, Mo, Nb, Ta, Hf, W, Ti, Zr, Y, La, Cr. Or a platinum iridium alloy used at a high temperature of 1200 ° C. or higher substituted with one or two or more elements selected from V.
[0008]
In addition, the invention of this application is thirdly, in a Pt—Ir—Ni ternary alloy, the Ir content is 50 wt% and the Ni content is 25 wt% . A platinum iridium alloy for use at high temperatures is provided.
[0009]
The invention of this application is fourthly, in the above Pt—Ir—Ni ternary alloy, a part of Ir or Ni is Ru, Rh, Pd, Os, Mo, Nb, Ta, Hf, W, Ti, Zr. Provided is a platinum iridium alloy used at a high temperature of 1200 ° C. or higher, which is substituted with one or more elements selected from Y, La, Cr, or V.
[0010]
Hereinafter, the platinum iridium alloy of the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Platinum (Pt) has a relatively low melting point of 1769 ° C. and is not high in strength, but is excellent in corrosion resistance, workability, and structure stability at high temperatures. Iridium (Ir) is a refractory metal having a melting point of 2447 ° C., and its strength is high among platinum group elements, but it has difficulty in ductility and workability.
[0012]
The platinum iridium alloy of the invention of this application specifies the contents of Ir or Ir and Ni as described above, and compensates for each of the above-mentioned drawbacks, improves the advantages, and compares with the existing Ni-base heat-resistant alloy. Although the strength on the low temperature side is slightly inferior, it is an alloy that exhibits sufficient strength at a high temperature of 1200 ° C. or higher.
[0013]
In addition, the platinum iridium alloy of the invention of this application has good high-temperature corrosion resistance and oxidation resistance, and therefore is expected to be used as a structural heat-resistant alloy that is superior to existing Ni-based heat-resistant alloys. As an example, the application to the above-described gas turbine moving and stationary blade material is conceivable. When the moving and stationary blades of the gas turbine are produced from the platinum iridium alloy of the invention of this application, the moving and stationary blades are durable against the platinum iridium alloy constituting the same. It is expected that coating and cooling will be omitted based on the characteristics. A significant reduction in CO ₂ gas emissions and a 40% improvement in the thermal efficiency of the gas turbine itself are expected to be infinitely realistic.
[0014]
In heat-resistant structural alloys, the strength at the melting point (Tm) of the alloy is considered to be zero. When the temperature is displayed in Kelvin (K) and the operating temperature (T) is divided by the melting point (Tm), the similarity temperature (T / Tm) is 0.8 or higher, and it is applied to structural members unless measures such as coating and cooling are performed. Is impossible. The melting point (Tm) of existing Ni-base heat-resistant alloys is around 1350 ° C. At 1200 ° C, the above similar temperature (T / Tm) is 0.91, so measures such as coating and cooling are required when applied to structural members. It becomes. On the other hand, the platinum iridium alloy of the invention of this application is estimated to have a melting point (Tm) of 1770-2000 ° C. Therefore, it is considered that measures such as coating and cooling are not required even at temperatures exceeding 1200 ° C.
[0015]
The moving blade is a blade fixed to the rotating body of the gas turbine, and fluid such as combustion gas and air flows through the flow path between the casing and the rotating body of the gas turbine and is rotating. Can receive energy continuously from. The densities of platinum and iridium are both about 20 g / cm ³ , and the density of the platinum iridium alloy of the invention of this application is about that. When the platinum iridium alloy of the invention of such an application is applied to a moving blade material, the density of the existing Ni-based heat-resistant alloy is 8.5 to 9 g / cm ³ , so the energy required to obtain the same rotational speed is the same. Therefore, when producing a moving blade of the same weight, the volume of the moving blade is smaller than that produced from an existing Ni-based heat-resistant alloy, and it can be an uncoated and uncooled moving blade. .
[0016]
On the other hand, the stationary blade is a blade fixed to the casing of the gas turbine, and changes the flow direction, pressure, speed, etc. of the fluid in the casing. About such a stationary blade, the platinum iridium alloy of the invention of the present application can be produced for the blade portion, and the existing alloy can be used for the shroud portion (a belt-like spelling attached to the tip of the blade stem).
[0017]
Further, the platinum iridium alloy of the invention of this application is an alloy with a small amount of Ir produced in a small amount per year, and in this respect also, high practicality is pointed out.
[0018]
Further, in the platinum iridium alloy of the invention of this application, as described above, a part of Ir in the Pt—Ir binary alloy, or Ir or Ni in the Pt—Ir—Ni ternary alloy, as described above, unless the characteristics are impaired. A part may be replaced with one or more elements selected from Ru, Rh, Pd, Os, Mo, Nb, Ta, Hf, W, Ti, Zr, Y, La, Cr, or V. I can . Addition of Ru , Rh, Pd, Os, Mo, Nb, Ta, Hf, W, Ti, Zr, Y, La, Cr, or V brings a solid solution strengthening effect to the platinum iridium alloy of the invention of this application. . This effect is particularly significant for W, Ta, Mo, and Nb. Further, the platinum group elements Ru, Rh, Pd and Os further improve the corrosion resistance and oxidation resistance, and Ti, Cr, La, Y and Hf further improve the oxidation resistance.
[0019]
【Example】
Binary alloy with 25, 50, and 75 wt% Ir added to Pt (hereinafter referred to as 25Ir alloy, 50Ir alloy, 75Ir alloy), ternary alloy with 50 wt% Ir and 25 wt% Ni added to Pt (Hereinafter referred to as a 50Ir-25Ni alloy), and Pt and Ir, respectively, were made into ingots of about 100 g by arc melting.
[0020]
The above samples were measured in the air at a test temperature of 24 ° C. and 1200 ° C. (50Ir-25Ni alloy was not tested at 1200 ° C.) with a 0.2% compressive strength on the order of an initial strain rate of 10 ⁻⁴ / s. The graph of FIG. 1 shows the result.
[0021]
As shown in FIG. 1, during the compression test, each of Pt and Ir was as-cast, and the alloy subjected to the compression test at 24 ° C. was 840 ° C. for 72 hours. And 1700 ° C. for 72 h before the compression test, and those subjected to the compression test at 1200 ° C. were subjected to 1700 ° C. for 72 h before the compression test.
[0022]
As shown in Fig. 1, in the compression test at 1200 ° C, the 0.2% compressive strength peaked in the 75Ir alloy, but the Pt-Ir binary alloy shows 150MPa or more even when containing less than 50% by weight of Ir. It is expected to be.
[0023]
Further, for the above samples, a notch three-point bending test was performed at 24 ° C. in the atmosphere at a bending speed of 0.1 mm / min, and the nominal fracture toughness value was obtained from the notch bending strength measured at that time. The graph of FIG. 2 shows the result.
[0024]
Since it is difficult to introduce fatigue precracking into a test piece with ceramics and some alloys, a fracture toughness test method that substitutes fatigue precracking with a notch is known (JIS R1607-1990).
[0025]
For the samples obtained in the examples, fracture toughness values were determined in accordance with the above JIS due to dimensional constraints. This is the nominal fracture toughness value, and the nominal fracture toughness value _KQ is calculated by the following equation.
[0026]
K _Q = (PS / BW ^3/2 ) [3 (a / W) ^1/2 × Y (a / W) / 2]
Y (a / W) = [1.99-a (1-a / W) / W [2.15-3.93a / W + 2.7 (a / W) ² ]] / (1 + 2a / W) (1-a / W) ^3/2 where P: fracture load, B: specimen width, W: specimen height, S: fulcrum length, a: notch depth.
[0027]
The test pieces subjected to the notched three-point bending test on the samples obtained in the examples had a total length of 20 mm, B = 3, W≈4, S = 16, and a≈1.7. The notch is a through notch having a notch tip radius of 0.2 mm on one side of the central portion of the entire length, and does not necessarily match the shape in the JIS. The bending speed was also set to 0.1 mm / min as described above, but these differences are considered to be acceptable in the JIS.
[0028]
25Ir alloy and 50Ir-25Ni alloy have cleared the minimum standard toughness value as a moving and stationary blade material of a gas turbine.
[0029]
From the above results, it is confirmed that the platinum iridium alloy of the invention of this application has a compressive strength at 1200 ° C. exceeding that of the Ni-based single crystal heat-resistant alloy and sufficiently high room temperature toughness. In addition, it is understood that the platinum iridium alloy of the invention of this application has a small content of Ir with a small annual production, and is therefore advantageous for practical use.
[0030]
Of course, the invention of this application is not limited by the above embodiments and examples. It goes without saying that various aspects are possible with respect to details such as the production method and test method of the platinum iridium alloy.
[0031]
【The invention's effect】
As explained in detail above, the invention of this application has a compressive strength at 1200 ° C that exceeds that of a Ni-based single crystal heat-resistant alloy, and has a sufficiently high room temperature toughness, which has a small annual production and a low Ir content, which is advantageous for practical use. A platinum iridium alloy is provided. Since the platinum iridium alloy of the invention of this application has the above characteristics, it is expected to be applied as a moving and stationary blade material of a gas turbine, and it is expected that coating and cooling of the moving and stationary blade will be omitted. In addition, a significant reduction in CO ₂ gas emissions and a 40% or more improvement in the thermal efficiency of the gas turbine itself are expected to be as realistic as possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing the relationship between 0.2% compressive strength and amounts of Ir and Ni of samples prepared in Examples.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the nominal fracture toughness value of samples prepared in Examples and the amounts of Ir and Ni.

Claims

A platinum iridium alloy used at a high temperature of 1200 ° C. or higher, characterized in that, in a Pt—Ir binary alloy, the Ir content is more than 0% by weight and less than 50% by weight and excluding 5 to 40% by weight.

Part of Ir is substituted with one or more elements selected from Ru, Pd, Os, Mo, Nb, Ta, Hf, W, Ti, Zr, Y, La, Cr, or V The platinum iridium alloy used at a high temperature of 1200 ° C. or higher according to claim 1.

A platinum iridium alloy used at a high temperature of 1200 ° C. or higher, wherein the Ir content is 50% by weight and the Ni content is 25% by weight in a Pt—Ir—Ni ternary alloy.

Part of Ir or Ni is one or more elements selected from Ru, Rh, Pd, Os, Mo, Nb, Ta, Hf, W, Ti, Zr, Y, La, Cr, or V 4. The platinum iridium alloy used at a high temperature of 1200 ° C. or higher according to claim 3 , wherein the platinum iridium alloy is substituted.