耐熱材料の開発の現状と展望：単結晶Ni基超合金の結晶塑性異方性と機械的特性

摘要

Ni基超耐熱合金（以後超合金と呼ぶ）は，Ni固溶体γ相中にNi{sub}3Alを主体とする約60～70％の金属間化合物γ'相が整合析出する析出強化型合金である（図1）．この合金は高温で長時間加熱しても整合析出組織が安定に保たれ，優れた高温強度を持続することができる．これに加えて耐酸化性や耐高温腐食性にも優れているなど，この合金は，基本的にはタービン翼用材料としてバランスのとれた性能を有している．高温での材料の破壊は一般に結晶粒界で生じることが多い．そこで，作用する応力に直交する結晶粒界の除去を意図した一方向凝固合金とほぼ平行して，結晶粒界を除去することを意図して単結晶合金が開発された．単結晶合金翼は，結晶の成長方向である<001>方位のヤング率が小さいことから低サイクル疲労強度あるいは熱疲労強度にも優れた性質を有している．そのため，1980年代に，旅客機用エンジンに単結晶動翼が実用化して以来，発電用ガスタービンにも単結晶合金が取り入れられつつある．一方向凝固材では普通鋳造材に比べ約30℃，単結晶化によりさらに30℃のクリープ強度改善が得られ，より高温域での設計が可能となり，翼の長寿命化が図れる．また，単結晶超合金の場合，疲労き裂の起点となる粒界や炭化物を含まないので疲労特性が向上する．それと共に，一方向凝固材では困難な横方向の靭性·疲労強度の改善が単結晶合金では得ることができる．さらに，粒界およびB，Zr（ジルコニウム），Hf（ハフニウム）といった粒界強化元素を含まないことなどから合金設計の自由度も増す．