Fig. 1 Concept of development for TMW alloys.

日本金属学会誌 第 74 巻 第 3 号(2010)221225

開発 NiCo 基鍛造超合金を用いた

模擬タービンディスクの機械的特性

横 川 忠 晴1 谷 　 月 峰1 崔 　 傳 勇1 小 泉 　 裕1

藤 岡 順 三1 原 田 広 史1 福 田 　 正2 三 橋 　 章2

1独立行政法人物質・材料研究機構超耐熱材料センター

2三菱マテリアル株式会社加工事業カンパニー高機能製品事業部非鉄材料技術研究所

J. Japan Inst. Metals, Vol. 74, No. 3 (2010), pp. 221225 2010 The Japan Institute of Metals

Mechanical Properties of Cast & Wrought Pancakes Using New NiCo Base Disk Superalloys

Tadaharu Yokokawa1, Yuefeng Gu1, Chuanyong Cui1, Yutaka Koizumi1,Junzo Fujioka1, Hiroshi Harada1, Tadashi Fukuda2 and Akira Mitsuhashi2

1High Temperature Materials Center, Institute for Materials Science (NIMS), Tsukuba 30500472NonFerrous Alloys Research & Technology Laboratories, High Performance Alloy Product Division, Mitsubishi Materials

Corporation, Kitamoto 3640023

New kinds of cast and wrought (C & W) NiCo base superalloys (TMW alloys) have been developed based on the innovativeconcept of combining two kinds of gg′twophase alloys, Nibase and Cobase alloys, for the applications of turbine disks andhighpressure compressor blades. The results based on testing 20 kg ingots indicate that TMW alloys show excellent hightemperature strength and formability, may provide 50°C temperature advantage in 630 MPa/100 h creep performance over C &W alloy U720Li.

In this paper, we report our new results on the fullscale pancakes manufactured through the C & W process for real compo-nents. The results indicate that TMW alloys had good processability in the ingot making and forging into disk pancakes.Pancake disks with fine grain size of about 10 mm were successfully obtained for TMW alloys. TMW alloys provide 58°C to 76°Ctemperature advantages in 0.2 creep strain life under the 630 MPa condition, over alloy U720Li.

(Received October 14, 2009; Accepted December 17, 2009)

Keywords: turbine disk, cast and wrought, nickelcobaltbase alloy, TMW alloy, TMW2, TMW24, TMW4M3, U720Li

1. 緒 言

航空機ジェットエンジや発電用ガスタービンの高効率化に

は，燃焼ガスをより高温・高圧にすることが有効である．こ

のため，タービン動静翼用 Ni 基超合金の耐熱性向上のため

の研究が行われている1)．また，高温タービンの高温化にと

もなってタービン動翼を支えるタービンディスク材料につい

ても耐熱性向上の要求が高まっている．ディスク合金は鋳

造/鍛造(C & W)材と粉末プロセス(P/M)材に大別され，C

& W 材としては In7182) が普及しているが高温化の観点か

ら Waspalloy3) や U720Li4) に移行する傾向にある．また，

PM 材は C & W 材よりも高温特性に優れた材料が得られる

という利点があり，最近では RR1000, ME3 など56)が開発

されている．しかし，品質管理が難しく製造コストが非常に

高いという問題がある．そこで，物質・材料研究機構(以下，

NIMS と略)新世紀耐熱材料プロジェクト7)では Fig. 1 に示

す開発指針に基づき，最新 P/M 材と同等の強度をもつ C &

W 材として NiCo 基ディスク超合金(TMW 合金)の開発を

行っている817)．たとえば，開発合金 TMW4 は，725°C

630 MPa 条件の 0.2クリープ変形時間で U720Li より

50°C の耐用温度向上を示すことが分かった．しかしなが

ら，開発 NiCo ディスク合金の実用化には商用の大型プロ

セスによる試作と特性の実証が不可欠である．そこで今回，

ton 級インゴット作製および C & W プロセスによる直径

222

Table 1 Chemical compositions of alloys used in this study (mass).

Alloy Cr Co Mo W Ti Al C B Zr

U720Li 16.0 15.0 3.0 1.25 5.0 2.5 0.025 0.018 0.03

TMW2 14.4 21.8 2.7 1.1 6.2 2.25 0.023 0.015 0.03

TMW24 13.8 25.0 2.6 1.1 5.6 2.2 0.015 0.015 0.03

TMW4M3 13.5 25.0 2.8 1.2 6.2 2.3 0.015 0.015 0.03

Fig. 2 Macroand microstructures in the cross section of the pancake (TMW2).

222 日 本 金 属 学 会 誌(2010) 第 74 巻

400 mm 規模の模擬ディスク試作を行い，模擬ディスクから

切り出した試験片を用いて開発合金の特性評価を行ったので

報告する．なお，本研究は平成 19～20 年度 NEDO エネル

ギー使用合理化技術戦略的開発「高温タービンディスク製造

技術に関する研究開発」プロジェクト18)において行った．

2. 試作合金の概要

Table 1 に本研究で用いた TMW2, TMW24 および

TMW4M3 合金の組成を示す．TMW 合金は，Ni 基合金と

Co 基合金の組成領域の間に NiCo 基といえる有望な組成域

が広く存在することに着目し，Ti 添加により g′相析出強化

を図るとともに Co 添加によって高温鋳造/鍛造性を確保す

るという設計指針で開発されている．TMW 合金の g′相体

積率はそれぞれ，U720Li の 45 volに対して TMW2 で

48 vol，TMW24 で 47 volおよび TMW4M3 で 49.5

volである．TMW2, TMW24 および TMW4M3 は

U720Li に比べて鍛造性と組織安定性を高めるために Co 量

が多く，g′相量の増加とそれにともなう強度・耐熱性を高め

るために Ti 量が多いのが特徴である．

3. 模擬ディスクの作製

模擬ディスクの作製は以下のように行った．まず，約

2000 kg の大型インゴットをトリプルメルト法(真空誘導溶

解＋エレクトロスラグ再溶解＋真空アーク再溶解)により作

製した．ついで，分塊鍛造により外径約 200 mm 程度のビ

レットとしたのち，高温鍛造を行ない外径約 440 mm のパ

ンケーキを作製した．さらに，作製したパンケーキに対し，

U720Li における一般的なサブソルバス熱処理(1100°C/4 h

の溶体化処理＋650°C/24 h の一次時効＋760°C/16 h の二次

時効)を施し，模擬ディスクとした．Fig. 2 に熱処理後の組

織を示す．図に示すように，模擬ディスク内部は健全で，結

晶粒径 10～20 mm の均一かつ微細な組織が得られた．

4. 模擬ディスクの特性評価

特性評価試験として，耐用温度向上を評価するための引張

試験およびクリープ試験を実施した．また，タービンディス

クの設計に必要な特性として，低サイクル疲労試験

(LCF)，疲労亀裂伝播試験(FCGR)を行った．Fig. 3 に試験

片採取要領を示す．模擬ディスクは q440 mm×65 mm の寸

法を有し，厚さ方向の中心から 2 個ずつ試験片を採取し

た．引張試験片，クリープ試験片および低サイクル疲労試験

片は軸方向が円周接線方向となるように採取した．また，亀

裂伝播試験片はノッチ底が厚さ方向で亀裂進展方向が半径方

向となるように採取した．

以下に試験結果を示す．

223

Fig. 3 Cutup plan for mechanical tests in this study.

Table 2 Specification and test conditions for tensile test.

SpecificationRT.ASTM E8HT.ASTM E21

Test temperature, T/°C RT., 400, 650, 700, 725, 750

Fig. 4 Tensile strength of U720Li and TMW alloys.

Table 3 Specification and test conditions for creep test.

Specification ASTM E139

Test condition 650°C840 MPa, 725°C630 MPa, 760°C480 MPa

Fig. 5 LarsonMiller plot of 0.2 creep life for U720Li andTMW alloys.

Fig. 6 LarsonMiller plot of creep rupture life for U720Li andTMW alloys.

223第 3 号 開発 NiCo 基鍛造超合金を用いた模擬タービンディスクの機械的特性

4.1 引張試験

Table 2 および Fig. 4 に引張試験方法と試験結果を示す．

Fig. 4 に示すように，TMW 合金の引張強さは常温から高

温域まで U720Li よりも高い．また，500°C までは TMW 合

金間に差異はないがそれ以上の温度では TMW4M3 の引張

強さが最も高い．

TMW 合金の 0.2耐力は U720Li に比べて，より高温ま

で強度を保持している．TMW2 および TMW4M3 につい

ては，650°C において U720Li が示す耐力値を 50°C 以上高

い温度でも保持しており，耐用温度が 50°C 向上したといえ

る．なお，TMW 合金の伸び，絞りは，U720Li よりも低い

が 700°C までは 10以上の値を有するので製造上の問題は

少ないと考える．

4.2 クリープ試験

クリープ試験は 650～760°C/480～840 MPa の条件で実施

した．Table 3 にクリープ試験条件を示す．

Fig. 5 に 0.2クリープ変形到達時間をラーソンミラー・

パラメータ(LMP と略)で整理した結果を示す．いずれの応

力条件でも TMW 合金は U720Li に比べて高いクリープ強

度を有する．図中の温度は U720Li と比較した TMW 合金

の耐用温度向上を示している．なお，耐用温度は 630 MPa

の応力で 100 時間後に 0.2クリープ歪に到達する温度とし

た．

Fig. 6 にクリープ破断時間を LMP 値で整理した結果を示

す．0.2クリープ変形到達時間の場合と同様に TMW 合金

224

Table 4 Specification and test conditions for low cycle fatigue test.

Specification ASTM E606

Test procedure

Strain controlled low cycle fatigueWavetriangleStrain ratio1.0 (＝eamp/emean)

Test speed0.5 Hz

Test condition400°C, 650°C, 725°CTotal strain range0.8, 1.0, 1.2

Fig. 7 Strain controlled low cycle fatigue life for U720Li andTMW alloys at (a) 400°C, (b) 650°C and (c) 725°C.

Table 5 Specification and test conditions for fatigue crackgrowth test.

Specification ASTM E647

Precrack at RT. at 20 Hz

ProcedureStressintensity (K) controlSymmetric triangular waveform with frequency of 2 HzMeasuring range10＜DK＜100 MPa･m1/2

Test conditionTemperature400°C, 650°C, 725°CLoad ratio（R＝Pmin/Pmax)＝0.05Load2404800 N

Crack lengthmeasurement

Unloading elastic compliance measured by a capacitancegage mounted across the notch mouth.

224 日 本 金 属 学 会 誌(2010) 第 74 巻

は，いずれの応力条件においても U720Li より高いクリープ

破断強度を有していた．U720Li に比べて TMW 合金の耐用

温度(応力 630 MPa)は 26～40°C 向上してることが分かった．

4.3 低サイクル疲労試験

Table 4 に試験方法を示す．また，Fig. 7(a), (b), (c)に

400°C, 650°C および 725°C における全ひずみ範囲と破断繰

り返し数との関係を示す．TMW 合金は U720Li と同等以上

の低サイクル特性を示すことがわかる．すなわち，TMW

合金の低サイクル疲労寿命は，400°C および 650°C では全て

のひずみ範囲において U720Li を上回り，725°C においては

高ひずみ領域では U720Li を下回るが低ひずみ領域において

は上回った．

4.4 疲労亀裂伝播試験

Table 5 に試験方法を示す．また，Fig. 8(a), (b), (c)に

応力比 R＝0.05 (＝Pmin /Pmax )での 400°C, 650°C および

725°C における亀裂伝播速度(da/dN)と応力拡大係数(DK)

の関係を示す．400°C では TMW 合金の亀裂伝播速度は

U720Li に比べて小さい，650°C では両者の亀裂伝播速度は

同等，725°C では U720Li の亀裂伝播速度の方が若干，小さ

い傾向を示した．しかながら，それらの差は少なく，

U720Li と TMW 合金との亀裂伝播特性の優劣はない．

5. 結 言

NIMS 開発の TMW 合金(TMW2, TMW24, TMW

4M3)と従来材料の中で最高耐用温度を有する U720Li につ

いて，模擬ディスク形状品から試験片を採取し，引張試験，

クリープ試験，低サイクル疲労試験，疲労亀裂伝播試験を行

った．以下に得られた結果をまとめる．

TMW 合金の 0.2クリープ変形時間に対応する耐用

温度は，U720Li に比べて TMW2 および TMW24 で

58°C, TMW4M3 で 76°C 向上した．

TMW 合金の引張強さは常温から高温まで全ての温

225

Fig. 8 Fatigue crack growth rate for U720Li and TMW alloysat (a) 400°C, (b) 650°C and (c) 725°C.

225第 3 号 開発 NiCo 基鍛造超合金を用いた模擬タービンディスクの機械的特性

度域において U720Li よりも高い値を示した．また，0.2

耐力では，TMW2 および TMW4M3 で 50°C 以上の耐用

温度向上を示した．

TMW 合金の 400°C, 650°C および 725°C における低

サイクル疲労特性については，U720Li と同等以上の寿命を

示した．

TMW 合金の亀裂伝播速度は 400°C および 650°C で

は U720Li と同等以下，また，725°C では U720Li より亀裂

伝播速度が大きかったが，これらの差は小さく，TMW 合

金の亀裂伝播特性は U720Li と同等であった．

以上の結果から，TMW 合金は大型商用プロセスによっ

ても 720Li 以上のクリープ強度をもち，低サイクル疲労特

性や疲労亀裂伝播特性も同等以上のものを作製可能であるこ

とが分かった．今後，さらに化学成分や熱処理条件の最適化

など，実用化に向けた研究を継続し，国産初の高温タービン

ディスクの実現，国内航空機産業のさらなる発展に貢献した

い．

文 献

1) H. Harada, T. Yokokawa, A. Sato, K. Kawagishi and Y. F. Gu:Journal of High Temperature Society 33(2007) 237243.

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