JP2000303162A - Production of aluminum-infiltrated nickel member - Google Patents

Production of aluminum-infiltrated nickel member

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JP2000303162A
JP2000303162A JP14539599A JP14539599A JP2000303162A JP 2000303162 A JP2000303162 A JP 2000303162A JP 14539599 A JP14539599 A JP 14539599A JP 14539599 A JP14539599 A JP 14539599A JP 2000303162 A JP2000303162 A JP 2000303162A
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aluminum
nickel
base material
source
heating
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Hisatomo Sasano
久興 笹野
Toshiyuki Suzuki
敏之 鈴木
Masahiko Kato
雅彦 加藤
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RichStone Ltd Japan
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RICCHISUTOON KK
RichStone Ltd Japan
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To densely control the concn. of Al in an Ni base material and to obtain an intermetallic compd. having excellent mechanical properties and corrosion and oxidation resistances at high temp. by storing an Ni base material and an Al source in a closed vessel, executing heating to the same or different temp. to generate an Al-contg. carrying medium from the Al source and executing the cementation of A1 into the Ni base material. SOLUTION: As an Al source, the use of an Al compd. is preferable, and Al chloride, or the like, can be selected. Preferably, based on the relation between the balanced alloy compsn. of an Al-Ni binary system and the temp., the heating temp. of the Al source to a desired Al concn. in the Ni base material and the heating temp. of the Ni base material are found, and the heating temp. of the Al source and the Ni base material is controlled to this temp. to attain the desired Al concn., or the temp. difference between the heating temp. of the Ni base material and the heating temp. of the Al source is controlled to attain the desired Al concn. In this way, both heating temps. are suitably controlled to form an NiAl phase, an Ni3Al phase and an α phase having optional compsns.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウムとニ
ッケルからなる金属間化合物を含む部材の製造方法に係
り、より詳細には、気体輸送法によりニッケル基材中に
アルミニウムを拡散浸透させ、アルミニウムとニッケル
からなる金属間化合物をニッケル基材の少なくとも表面
に形成させるアルミニウム浸透ニッケル部材の製造方法
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a member containing an intermetallic compound composed of aluminum and nickel, and more particularly, to a method of diffusing and infiltrating aluminum into a nickel base material by a gas transport method, and The present invention relates to a method for manufacturing an aluminum-penetrated nickel member in which an intermetallic compound made of nickel is formed on at least a surface of a nickel base material.

【0002】[0002]

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ニッケ
ル基スーパーアロイはガスタービンやジェットエンジン
などの熱機関の部品に不可欠な材料となっているが、N
Al金属間化合物は、降伏応力が逆温度依存性を示
すことから、このスーパーアロイにおける主成分として
重要な役割を果たしている。ガスタービンやジェットエ
ンジンなどの機関においてより大きい出力、より高い効
率を得るためには、運転温度を上げることが必要である
が、高温腐食や酸化などの点において、材料には更に厳
しい条件が課せられることになる。
2. Description of the Related Art Nickel-based superalloys are indispensable materials for heat engine components such as gas turbines and jet engines.
The i 3 Al intermetallic compound plays an important role as a main component in this superalloy because the yield stress exhibits inverse temperature dependence. Engines such as gas turbines and jet engines require higher operating temperatures in order to achieve higher power and higher efficiency, but materials are subject to more stringent conditions in terms of hot corrosion and oxidation. Will be done.

【0003】従って、この種のスーパーアロイ製部品の
表面に保護皮膜を形成し、酸化速度を低下させることが
試みられており、パック法とも呼ばれているアルミナイ
ジング法が実施されている。しかしながら、この従来の
方法では、表面のアルミニウム濃度の制御が難しく、再
現性の良好な表面組成の制御は不可能であった。
[0003] Therefore, attempts have been made to reduce the oxidation rate by forming a protective film on the surface of this type of superalloy component, and an aluminizing method, also called a pack method, has been implemented. However, in this conventional method, it is difficult to control the aluminum concentration on the surface, and it is impossible to control the surface composition with good reproducibility.

【0004】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、一般にニッケル基材中のアルミニウム濃度を緻密に
制御することができ、よって高温下での機械的性質に優
れるとともに耐食・耐酸化性を有する所望の組成のニッ
ケルとアルミニウムからなる金属間化合物を得ることが
できるアルミニウム浸透ニッケル部材の製造方法を提供
することを目的とする。
[0004] The present invention has been made in view of the above circumstances, and in general, it is possible to precisely control the aluminum concentration in a nickel base material, so that it has excellent mechanical properties at high temperatures and corrosion resistance and oxidation resistance. It is an object of the present invention to provide a method for producing an aluminum-infiltrated nickel member capable of obtaining an intermetallic compound composed of nickel and aluminum having a desired composition having the following.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】か
かる目的を達成するために、本発明に係るアルミニウム
浸透ニッケル部材の製造方法においては、純ニッケル又
はニッケル基合金からなるニッケル基材とアルミニウム
源とを密閉容器内に収容して同一又は異なった温度に加
熱し、アルミニウムを含む輸送媒体をアルミニウム源か
ら生じさせてアルミニウムをニッケル基材中に拡散浸透
させることを特徴とする。
Means for Solving the Problems and Embodiments of the Invention In order to achieve the above object, a method for manufacturing an aluminum-infiltrated nickel member according to the present invention comprises the steps of: The source is housed in a closed container and heated to the same or different temperature, and a transport medium containing aluminum is generated from the aluminum source to diffuse and infiltrate aluminum into the nickel substrate.

【0006】本発明に係る製造方法は、溶質原子の拡散
プロセスに基づく気体輸送法を用いているので、ニッケ
ル基材中のアルミニウムの濃度を例えば1%以下の精度
で制御することができ、高温下での機械的性質に優れる
とともに耐食・耐酸化性を有する所望の組成のニッケル
とアルミニウムからなる金属間化合物を容易に得ること
ができる。また、本発明に係る製造方法によれば、アル
ミニウムを気体の状態で基材の表面から基材中に均一に
拡散浸透させるため、複雑な形状の製品にも被覆層を形
成させることが容易であり、しかも気体−固体拡散プロ
セスによるため、形成された被覆層は欠陥がなく緻密で
厚さも均一である。
[0006] Since the production method according to the present invention uses a gas transport method based on a diffusion process of solute atoms, the concentration of aluminum in a nickel base material can be controlled with an accuracy of, for example, 1% or less, and a high temperature can be obtained. It is possible to easily obtain an intermetallic compound composed of nickel and aluminum having a desired composition having excellent mechanical properties and corrosion resistance and oxidation resistance. Further, according to the production method of the present invention, aluminum is uniformly diffused and penetrated from the surface of the base material into the base material in a gaseous state, so that it is easy to form a coating layer on a product having a complicated shape. In addition, because of the gas-solid diffusion process, the formed coating layer is defect-free, dense and uniform in thickness.

【0007】本発明に係る製造方法において使用される
ニッケル基材は、前述のニッケル基スーパーアロイ基材
のみならず、純粋なニッケル金属製の基材、更には他の
ニッケル基合金も含まれる。かかるニッケル基材は、最
終製品に近い形状に加工又は製作されたものが用いられ
る。
The nickel substrate used in the production method according to the present invention includes not only the above-mentioned nickel-based superalloy substrate, but also a substrate made of pure nickel metal, and other nickel-based alloys. As such a nickel base material, one processed or manufactured into a shape close to the final product is used.

【0008】本発明に係る製造方法においては、相成長
速度は溶質原子すなわちアルミニウムの拡散速度に大き
く依存する。このことは、棒状体や板材のような基材上
に厚い金属間化合物層を形成させるには、かなり長い時
間の処理が必要となることを意味する。しかしながら、
薄板や針金のような基材であれば、その中心部に至るま
でアルミニウム濃度を制御することは極めて容易であ
り、また厚い基材であっても正確に組成制御された表面
処理を施したい場合は非常に有効である。従って、本発
明に係る製造方法では、好ましくは、アルミニウムをニ
ッケル基材の深さ方向全体にわたって拡散浸透させたニ
ッケルとアルミニウムの金属間化合物からなる部材が提
供されるが、実用的には、アルミニウムをニッケル基材
の少なくとも表面部分に浸透させて、ニッケルとアルミ
ニウムの金属間化合物の被覆層をニッケル基材の表面に
形成した部材が製造される。
In the manufacturing method according to the present invention, the phase growth rate largely depends on the diffusion rate of solute atoms, ie, aluminum. This means that forming a thick intermetallic compound layer on a substrate such as a rod or a plate requires a considerably long time of treatment. However,
In the case of a substrate such as a thin plate or a wire, it is extremely easy to control the aluminum concentration up to the center of the substrate. Is very effective. Therefore, the production method according to the present invention preferably provides a member made of an intermetallic compound of nickel and aluminum in which aluminum is diffused and infiltrated throughout the depth direction of the nickel base material. Is infiltrated into at least the surface portion of the nickel substrate to produce a member having a coating layer of an intermetallic compound of nickel and aluminum formed on the surface of the nickel substrate.

【0009】本発明に係る製造方法において用いられる
アルミニウム源は、気体輸送法を実施できるものであれ
ば如何なるものでも構わないが、金属アルミニウムの蒸
気圧は比較的低いので、アルミニウムの化合物を用いる
のが一般に好ましく、例えば塩化アルミニウムのような
化合物を好適に選択することができる。
The aluminum source used in the production method according to the present invention may be any source as long as the gas transport method can be carried out. However, since the vapor pressure of metallic aluminum is relatively low, an aluminum compound is used. Is generally preferred, and a compound such as aluminum chloride can be suitably selected.

【0010】しかして、ニッケル基材とアルミニウム源
を密閉容器に収容するが、その際、ニッケル基材とアル
ミニウム源は好ましくは密閉容器内の離れた位置に収容
する。密閉容器は、単一の容器であっても、2基の密閉
容器をパイプ等で連結した構造のものであってもよい。
また、アルミニウム源として塩化アルミニウムを選択し
た場合、例えば純アルミニウムと塩化アンモニウムを上
記密閉容器内に収容する。
[0010] Thus, the nickel base and the aluminum source are housed in a closed container, and in this case, the nickel base and the aluminum source are preferably housed at separate positions in the closed container. The closed container may be a single container or a structure in which two closed containers are connected by a pipe or the like.
When aluminum chloride is selected as the aluminum source, for example, pure aluminum and ammonium chloride are housed in the closed container.

【0011】ついで、上記密閉容器内を真空に排気し、
内部のアルミニウム源とニッケル基材を同一又は異なっ
た温度に加熱するが、その際、アルミニウム源とニッケ
ル基材の加熱条件を制御することにより、ニッケル基材
中に拡散浸透するアルミニウムの濃度を調節することが
できる。すなわち、加熱温度はアルミニウム源にあって
はアルミニウム又はアルミニウムの化合物の上記を発生
する温度であることが必要で、ニッケル基材にあっては
アルミニウム源の加熱温度と同一でも異なる温度として
もよいが、双方の加熱温度を適切に制御することによ
り、任意の組成を有するNiAl相、NiAl相及び
α相を得ることができる。
Then, the inside of the closed container is evacuated to a vacuum,
The internal aluminum source and the nickel substrate are heated to the same or different temperatures. At this time, by controlling the heating conditions of the aluminum source and the nickel substrate, the concentration of aluminum that diffuses and penetrates into the nickel substrate is adjusted. can do. That is, in the case of an aluminum source, the heating temperature needs to be a temperature at which the above-mentioned aluminum or aluminum compound is generated, and in the case of a nickel base material, the heating temperature may be the same as or different from the heating temperature of the aluminum source. By appropriately controlling both heating temperatures, a NiAl phase, a Ni 3 Al phase and an α phase having arbitrary compositions can be obtained.

【0012】より詳細には、アルミニウム−ニッケルの
二元系において平衡する合金組成と温度の関係に基づい
て、ニッケル基材中の所望のアルミニウム濃度に対する
アルミニウム源の加熱温度とニッケル基材の加熱温度を
求める。そして、アルミニウム源とニッケル基材の加熱
温度をこの求めた加熱温度に設定して、加熱操作を行う
ことにより、所望のアルミニウム濃度を有するアルミニ
ウム浸透ニッケル部材を得ることができる。また、ニッ
ケル基材の加熱温度とアルミニウム源の加熱温度の温度
差を調節することにより、所望のアルミニウム濃度を達
成することができる。上記において、アルミニウム源と
ニッケル基材を別個の温度に加熱するためには、例えば
所定の温度勾配を有する電気抵抗炉等の加熱装置を用
い、アルミニウム源とニッケル基材の配置位置を調節す
る。
More specifically, the heating temperature of the aluminum source and the heating temperature of the nickel base for a desired aluminum concentration in the nickel base are determined based on the relationship between the alloy composition and the temperature which are balanced in the aluminum-nickel binary system. Ask for. Then, by setting the heating temperature of the aluminum source and the nickel base material to the determined heating temperature and performing a heating operation, an aluminum-penetrated nickel member having a desired aluminum concentration can be obtained. Also, by adjusting the temperature difference between the heating temperature of the nickel base material and the heating temperature of the aluminum source, a desired aluminum concentration can be achieved. In the above, in order to heat the aluminum source and the nickel substrate to different temperatures, for example, a heater such as an electric resistance furnace having a predetermined temperature gradient is used to adjust the arrangement position of the aluminum source and the nickel substrate.

【0013】ここで、本発明の内容の理解を容易にする
ために、アルミニウムの輸送媒体として塩化アルミニウ
ムガスを選定し、純ニッケルを基材とした場合の本発明
の原理を概略的に説明する。
Here, in order to facilitate understanding of the contents of the present invention, the principle of the present invention in the case where aluminum chloride gas is selected as a medium for transporting aluminum and pure nickel is used as a base material will be schematically described. .

【0014】先ず、塩化アルミニウムガスを生成するよ
うにするために、密閉容器内に純アルミニウムと塩化ア
ンモニウムを入れて温度Tに加熱すると、塩化アンモ
ニウムが分解する次の反応(1)が起こる。 NHCl(s)=NH(g)+HCl(g) (1) 発生した塩化水素ガスは純アルミニウムと次の式(2)
の反応を起こして、塩化アルミニウムガスを発生する。 HC(g)+[1/3]Al(s) =[1/3]AlCl(g)+[1/2]H(g) (2 ) ここで、反応(2)の平衡定数をk、塩化アンモニウ
ム、水素、塩化水素ガスの分圧をそれぞれ
AlCl3、PH2、PHClとすると、kは次の
(2)’式で表される。 k=PAlCl3 1/3・PH2 1/2/PHCl (2)’
[0014] First, in order to generate an aluminum chloride gas, when heated to temperatures T 1 put pure aluminum and ammonium chloride in a sealed container, the reaction ammonium chloride of the following degrades (1) occurs. NH 4 Cl (s) = NH 3 (g) + HCl (g) (1) The generated hydrogen chloride gas is pure aluminum and the following formula (2)
To generate aluminum chloride gas. HC (g) + [1/3] Al (s) = [1/3] AlCl 3 (g) + [1/2] H 2 (g) (2) where the equilibrium constant of the reaction (2) is Assuming that the partial pressures of k 2 , ammonium chloride, hydrogen, and hydrogen chloride gas are P AlCl3 , P H2 , and P HCl , respectively, k 2 is represented by the following equation (2) ′. k 2 = P AlCl3 1 / 3.P H2 1/2 / P HCl (2) ′

【0015】そして、密閉容器内はアルミニウム源の加
熱温度Tによって決まるそれぞれの分圧のガスで満た
される。一方、この容器内に素材のニッケルを置き、同
一温度Tに加熱すると、ニッケルの表面で次式(3)
の反応が起こり、アルミニウムがニッケルに吸収され
る。 [1/3]Ni(s)+[1/3]AlCl(g)+[1/2]H(g) =[1/3][Ni−Al](g)+HCl(g) (3) 反応(3)の結果生じた塩化水素ガスはアルミニウム源
に戻り、純アルミニウムと反応して塩化アルミニウムを
生成するため、容器内の各ガスの分圧は定常状態となる
と考えられる。
[0015] Then, the closed vessel is filled with gas of the respective partial pressures determined by the heating temperature T 1 of the aluminum source. On the other hand, place the material in nickel in the container, when heated to the same temperature T 1, the following equation in the surface of the nickel (3)
Reaction occurs, and aluminum is absorbed by nickel. [1/3] Ni (s) + [1/3] AlCl 3 (g) + [1/2] H 2 (g) = [1/3] [Ni-Al] (g) + HCl (g) ( 3) Since the hydrogen chloride gas generated as a result of the reaction (3) returns to the aluminum source and reacts with pure aluminum to produce aluminum chloride, the partial pressure of each gas in the container is considered to be in a steady state.

【0016】ニッケル表面のアルミニウム濃度cは、ア
ルミニウムの活量aAl(c%)に対応し、反応(3)
の平衡定数をkとすると、ニッケル表面のアルミニウ
ムの活量は式(3)’で表される。 aAl(c%)=k・PAlCl3 1/3・PH2 1/2/PHCl=k ・k (3)’
The aluminum concentration c on the nickel surface corresponds to the aluminum activity a Al (c%), and the reaction (3)
When the equilibrium constant is k 3, activity of aluminum in the nickel surface is expressed by Equation (3) '. a Al (c%) = k 3 · P AlCl 3 1/3 · P H2 1/2 / P HCl = k 3 · k 2 (3) ′

【0017】ここで、アルミニウム源とニッケルの両方
を少し高い同一温度に加熱した場合に、低い温度の場合
と同一の表面アルミニウム濃度になると仮定する。すな
わち活量aAl(c%)に変化がないと仮定する。これ
は反応(2)と反応(3)を合わせた自由エネルギー変
化が温度によらず一定であるということを意味する。式
(2)の反応は吸熱反応であるので、アルミニウム源の
温度が高くなるとkが大きくなる。すなわち、塩化ア
ンモニウムガスの分圧と塩化水素の分圧の比が高くな
る。
Here, it is assumed that when both the aluminum source and nickel are heated to the same slightly higher temperature, the surface aluminum concentration becomes the same as when the temperature is lower. That is, it is assumed that the activity a Al (c%) does not change. This means that the free energy change of the reaction (2) and the reaction (3) together is constant regardless of the temperature. Since the reaction of equation (2) is an endothermic reaction, k 2 increases as the temperature of the aluminum source increases. That is, the ratio between the partial pressure of ammonium chloride gas and the partial pressure of hydrogen chloride increases.

【0018】アルミニウム源の加熱温度Tよりも高い
温度Tにニッケルを加熱すると、ニッケルの表面はア
ルミニウム源の温度Tで平衡するそれぞれのガス分圧
となる。このガスはアルミニウム源の温度をTにした
場合よりもkが小さく、塩化アルミニウムガスと塩化
水素ガスの分圧の比が低い。従ってニッケルに吸収され
るアルミニウムの活量は小さくなる。すなわち、アルミ
ニウム濃度は低くなる。以上から、アルミニウムを蒸発
源に用い、輸送媒体を塩化アルミニウムとして、アルミ
ニウム源とニッケル基材のそれぞれの加熱温度を制御す
ることによってニッケル表面のアルミニウム濃度の制御
が可能であることが分かる。
[0018] Heating the nickel to a higher temperature T 2 than the heating temperature T 1 of the aluminum source, the surface of the nickel is the respective gas partial pressures in equilibrium at a temperature T 1 of the aluminum source. This gas has a small k 2 than when the temperature of the aluminum source to T 2, the ratio of the partial pressure of the aluminum gas and hydrogen chloride gas chloride is low. Therefore, the activity of aluminum absorbed by nickel decreases. That is, the aluminum concentration decreases. From the above, it can be seen that the aluminum concentration on the nickel surface can be controlled by using aluminum as the evaporation source and using aluminum chloride as the transport medium and controlling the respective heating temperatures of the aluminum source and the nickel substrate.

【0019】[0019]

【実施例】以下に、本発明を実施例によって更に詳細に
説明する。 実施例1 概略構成を図1に示す実験装置を用いて、本発明に係る
方法により、純ニッケル基材の表面にニッケル−アルミ
ニウム系合金を形成した。純ニッケル基材は市販の工業
用純ニッケル板から用意した。密閉容器を構成する反応
管1として、一方が閉止端の内径16mm、長さ100
0mmの高純度アルミナ管を用意した。そして、この反
応管1内の閉止端側に、厚さ1mmの基材を10mmx
10mmに切り出したニッケル基材2を数個置く一方、
アルミナ製ボート3に純アルミニウムと塩化アンモニウ
ムを入れたものをアルミニウム源4として上記基材2か
ら少し離して置いた。そして、高真空用ワックス5を使
用してガラスキャップ6で他方の端部を閉止し、10
−4Paの真空に排気した。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. Example 1 A nickel-aluminum alloy was formed on the surface of a pure nickel base material by a method according to the present invention using an experimental apparatus whose schematic configuration is shown in FIG. The pure nickel substrate was prepared from a commercially available industrial pure nickel plate. One of the reaction tubes 1 constituting a closed vessel has an inner diameter of a closed end of 16 mm and a length of 100 mm.
A 0 mm high-purity alumina tube was prepared. Then, a substrate having a thickness of 1 mm was placed on the closed end side of the reaction tube 1 in a 10 mm ×
While placing several nickel substrates 2 cut out to 10 mm,
An alumina boat 3 containing pure aluminum and ammonium chloride was placed slightly away from the substrate 2 as an aluminum source 4. Then, the other end is closed with a glass cap 6 using wax 5 for high vacuum.
It was evacuated to a vacuum of -4 Pa.

【0020】アルミナ製ボート3に入れた純アルミニウ
ムと塩化アルミニウムの量は、それぞれおよそ5gと1
20mgである。ついで、図1に温度勾配を示した電気
抵抗炉7内に上記反応管1を入れた。アルミニウム源の
加熱温度は1073Kと1573Kの間であり、純ニッ
ケル基材の加熱温度は1070Kと1600Kの間とし
た。また、加熱時間は、7.2ksから1430ksと
した。
The amounts of pure aluminum and aluminum chloride put in the alumina boat 3 are approximately 5 g and 1 g, respectively.
20 mg. Then, the reaction tube 1 was placed in an electric resistance furnace 7 having a temperature gradient shown in FIG. The heating temperature of the aluminum source was between 1073K and 1573K, and the heating temperature of the pure nickel substrate was between 1070K and 1600K. The heating time was from 7.2 ks to 1430 ks.

【0021】上記のようにして形成した純ニッケル基材
の表面上のニッケル−アルミニウム系合金層におけるア
ルミニウムの濃度分布を、電子プローブマイクロアナラ
イザを使用して測定した。
The concentration distribution of aluminum in the nickel-aluminum alloy layer on the surface of the pure nickel substrate formed as described above was measured using an electron probe microanalyzer.

【0022】図2は1170Kから1209Kの温度で
603ks間の拡散処理後の純ニッケル基材におけるア
ルミニウム濃度分布を示すものである。この実施例で
は、アルミニウム源を1174Kの一定温度で加熱し、
純ニッケル基材を1170K、1179K及び1192
Kのそれぞれの温度で加熱した。その結果、ニッケル−
アルミニウム二元系平衡状態図に存在する相のうち、全
ての加熱条件でNiAl相、NiAl相、α相が形成
されることが確認された。また、濃度分布における段部
は2相領域に相当する。この図から、ニッケル基材に対
するアルミニウム源の温度差が増加すると、ニッケル基
材表面のアルミニウム濃度が減少することが分かる。
FIG. 2 shows the aluminum concentration distribution in the pure nickel base material after the diffusion treatment at a temperature of 1170 K to 1209 K for 603 ksec. In this embodiment, the aluminum source is heated at a constant temperature of 1174K,
1170K, 1179K and 1192 pure nickel base
Heated at each K temperature. As a result, nickel
It was confirmed that among all the phases existing in the aluminum binary system equilibrium diagram, a NiAl phase, a Ni 3 Al phase, and an α phase were formed under all heating conditions. The step in the concentration distribution corresponds to a two-phase region. From this figure, it can be seen that as the temperature difference between the aluminum source and the nickel base increases, the aluminum concentration on the nickel base surface decreases.

【0023】また、ニッケル基材を1204Kに加熱す
るとNiAl相が形成され、1209Kに加熱すると
α相だけが形成された。図2に示す濃度分布から、約8
0μmのNiAlが形成される1192Kより低い温度
で加熱されたニッケル基材中のNiAl相の厚さは、
基材表面にNiAlが形成された1204Kの温度で
加熱されたものより著しく薄い。これは、NiAl相に
おけるよりもNiAl相においてアルミニウムの拡散
速度が遅いためで、その結果、ニッケル基材中のアルミ
ニウム拡散速度はNiAl相により支配された。
When the nickel substrate was heated to 1204K, a Ni 3 Al phase was formed, and when heated to 1209K, only the α phase was formed. From the concentration distribution shown in FIG.
The thickness of the Ni 3 Al phase in a nickel substrate heated at a temperature lower than 1192 K at which 0 μm NiAl is formed is:
It is significantly thinner than one heated at a temperature of 1204 K with Ni 3 Al formed on the substrate surface. This is because the diffusion rate of aluminum in the Ni 3 Al phase is lower than that in the NiAl phase, and as a result, the diffusion rate of aluminum in the nickel base material was dominated by the Ni 3 Al phase.

【0024】図3は、純ニッケル基材の表面におけるア
ルミニウム濃度に対するアルミニウム源とニッケル基材
の双方の加熱温度の影響を示すもので、異なった加熱条
件で得られるアルミニウム濃度をニッケル−アルミニウ
ム二元系平衡状態図上にプロットしたものである。この
図から、ニッケル−アルミニウム二元系平衡状態図中に
存在するNiAl相、NiAl相及びα相のような平
衡相が全て得られることは明らかである。しかし、二相
領域内のアルミニウム組成物は得られなかった。これ
は、二相領域内に共存する各相のアルミニウムの活量が
同じであるためである。このように、広範な組成範囲を
持つNiAl相、NiAl相及びα相の組成範囲内の
表面層を困難なく形成できたが、かかる結果は、予想さ
れる組成を有するどのような相でも形成することができ
ることを示している。
FIG. 3 shows the effect of the heating temperature of both the aluminum source and the nickel substrate on the aluminum concentration on the surface of the pure nickel substrate. The aluminum concentration obtained under different heating conditions was compared with the nickel-aluminum binary. This is plotted on a system equilibrium diagram. From this figure, it is clear that all equilibrium phases such as the NiAl phase, Ni 3 Al phase and α phase existing in the nickel-aluminum binary equilibrium diagram can be obtained. However, no aluminum composition in the two-phase region was obtained. This is because the aluminum activity of each phase coexisting in the two-phase region is the same. Thus, the surface layer within the composition range of the NiAl phase, the Ni 3 Al phase and the α phase having a wide composition range could be formed without difficulty, but such a result was obtained for any phase having the expected composition. It shows that it can be formed.

【0025】次に、純ニッケル基材の表面のアルミニウ
ム濃度に対するアルミニウム源と純ニッケル基材との間
の加熱温度差の影響を図4に示す。図中、温度差のマイ
ナス値は、純ニッケル基材の加熱温度がアルミニウム源
の加熱温度よりも低いことを示している。この図から、
アルミニウム源の温度を一定にしたとき、アルミニウム
源と純ニッケル基材の温度差が減少するにつれて、純ニ
ッケル基材の表面のアルミニウム濃度が増加することが
分かる。
Next, FIG. 4 shows the effect of the heating temperature difference between the aluminum source and the pure nickel substrate on the aluminum concentration on the surface of the pure nickel substrate. In the figure, a negative value of the temperature difference indicates that the heating temperature of the pure nickel base is lower than the heating temperature of the aluminum source. From this figure,
It can be seen that when the temperature of the aluminum source is kept constant, the aluminum concentration on the surface of the pure nickel substrate increases as the temperature difference between the aluminum source and the pure nickel substrate decreases.

【0026】なお、アルミニウム源を1174Kより低
い温度で加熱したとき、55at%AlのNiΛl相が
形成されるが、1274Kを超えると形成が困難であ
り、その加熱条件では50at%Alが最大であること
が分かる。何れの場合でも、アルミニウム源と純ニッケ
ル基材間の温度差が減少すると、純ニッケル基材の表面
のアルミニウム濃度がわずかに増加する。また、アルミ
ニウム源の温度を1174K以下にすると、純ニッケル
基材の温度に拘らず、44−52at%のAlの組成範
囲における表面アルミニウム濃度を持つニッケル基材を
形成することは不可能である。
When the aluminum source is heated at a temperature lower than 1174K, a Ni @ 1 phase of 55 at% Al is formed. However, when the temperature exceeds 1274K, the formation is difficult, and under the heating conditions, 50 at% Al is the maximum. You can see that. In either case, as the temperature difference between the aluminum source and the pure nickel substrate decreases, the aluminum concentration on the surface of the pure nickel substrate increases slightly. If the temperature of the aluminum source is 1174K or lower, it is impossible to form a nickel base material having a surface aluminum concentration in the Al composition range of 44 to 52 at% regardless of the temperature of the pure nickel base material.

【0027】実施例2 実施例1の装置と同様の装置を使用して、NiAl合
金(Ni−25at%Al合金)基材について、157
5Kの温度で7.2ksの拡散処理を行った。Ni
l合金はアルゴン雰囲気下でアーク炉中において溶融し
たボタンインゴットから作製されたものを用いた。ま
た、アルミニウム源は1571Kで加熱した。
Example 2 Using a device similar to the device of Example 1, a Ni 3 Al alloy (Ni-25 at% Al alloy) substrate
A diffusion process of 7.2 ks was performed at a temperature of 5K. Ni 3 A
The alloy used was made from a button ingot melted in an arc furnace under an argon atmosphere. The aluminum source was heated at 1571K.

【0028】上記の拡散処理後のNiAl基材の微細
構造(垂直断面)と、アルミニウムとニッケルの濃度分
布を図5(a)、(b)にそれぞれ示す。NiAl基
材の表面上に得られたアルミニウム濃度は約42at%
Alであり、これはアルミニウムが少ない非化学量論的
NiAl相である。この加熱条件では、約330μmの
アルミニウム拡散領域が得られた。この拡散領域には、
Al濃度分布中に25から31at%への段部が存在し
ている。これは、ニッケル−アルミニウム二元系平衡状
態図のNiAl相とNiAl相の間の2相領域に対応
する。また、160から330μmの拡散領域の内部に
は鋸刃状の濃度分布が観察された。これは、図5(a)
の微細構造のラメラ構造に対応するが、冷却工程の間に
析出した中間相によるものと思われる。図5(a)の微
細構造から判断すると、拡散領域は、100μmの外部
層と230μmの内部層からなるようである。
FIGS. 5A and 5B show the fine structure (vertical cross section) of the Ni 3 Al substrate after the above diffusion treatment and the concentration distributions of aluminum and nickel, respectively. The aluminum concentration obtained on the surface of the Ni 3 Al substrate is about 42 at%.
Al, which is a non-stoichiometric NiAl phase low in aluminum. Under this heating condition, an aluminum diffusion region of about 330 μm was obtained. In this diffusion area,
There is a step from 25 to 31 at% in the Al concentration distribution. This corresponds to the two-phase region between the Ni 3 Al phase and the NiAl phase in the nickel-aluminum binary equilibrium diagram. In addition, a sawtooth-shaped concentration distribution was observed inside the diffusion region of 160 to 330 μm. This is shown in FIG.
This corresponds to the lamellar structure of the microstructure, but is thought to be due to the intermediate phase precipitated during the cooling step. Judging from the microstructure in FIG. 5A, the diffusion region seems to be composed of an outer layer of 100 μm and an inner layer of 230 μm.

【0029】図6は、NiAl基材を1575Kの温
度で18ksまで加熱したときのNiAl相の成長速度
を示している。本実験では、アルミニウム源を1571
Kの一定温度に加熱した。図5(a)から、NiAl
基材上のNiAl層が外部層と内部層の2領域からなる
ことが明らかであるから、両層の厚さを測定した。電子
プローブマイクロアナライザ分析の結果、内部層と外部
層は双方ともNiAlからなり、同じアルミニウム濃度
を有していることが確認された。また、全体の成長速度
も図6に示す。これから、NiAlの厚さは(t)
1/2に比例することが分かる。この結果から、NiA
l層の厚みは72ksの加熱後に1000μmに達する
と推定される。
FIG. 6 shows the growth rate of the NiAl phase when the Ni 3 Al substrate was heated at a temperature of 1575 K to 18 ks. In this experiment, the aluminum source was set to 1571.
Heated to K constant temperature. FIG. 5A shows that Ni 3 Al
Since it is clear that the NiAl layer on the substrate consists of two regions, an outer layer and an inner layer, the thicknesses of both layers were measured. As a result of electron probe microanalyzer analysis, it was confirmed that both the inner layer and the outer layer were made of NiAl and had the same aluminum concentration. FIG. 6 also shows the overall growth rate. From this, the thickness of NiAl is (t)
It can be seen that it is proportional to 1/2 . From this result, NiA
The thickness of the 1 layer is estimated to reach 1000 μm after heating for 72 ks.

【0030】上記の実施例1及び2の結果から、特に、
アルミニウム源とニッケルの双方の加熱温度を制御すれ
ば、任意の組成を有するNiAl、NiAl及びαの
平衡相を得ることができ、双方の加熱温度の差を調節す
ることでアルミニウム濃度を変えることができることが
分かる。
From the results of Examples 1 and 2 above, in particular,
By controlling the heating temperature of both the aluminum source and nickel, it is possible to obtain an equilibrium phase of NiAl, Ni 3 Al and α having an arbitrary composition, and change the aluminum concentration by adjusting the difference between the two heating temperatures. We can see that we can do it.

【0031】[0031]

【発明の効果】本発明に係る製造方法によれば、ニッケ
ル基材中のアルミニウム濃度を精密に制御することがで
き、よって高温下での機械的性質に優れるとともに耐食
・耐酸化性を有する所望の組成のニッケルとアルミニウ
ムからなる金属間化合物を得ることができる。また、本
発明の方法によれば、アルミニウムを気体の状態で基材
の表面から基材中に拡散浸透させるため、複雑な形状の
製品にも被覆層を形成することが容易であり、しかも気
体−固体拡散プロセスによるため、形成された被覆層は
欠陥がなく緻密で厚さも均一である。なお、NiAlの
ように広い組成幅を持つ金属間化合物においては、組成
の僅かな変動に対して機械的性質などの特性が著しく変
化するが、被覆層の特性を制御しようとした場合、本発
明の方法は非常に有効である。
According to the production method of the present invention, it is possible to precisely control the aluminum concentration in the nickel base material, and thus to have excellent mechanical properties at high temperatures and corrosion resistance and oxidation resistance. An intermetallic compound composed of nickel and aluminum having the following composition can be obtained. In addition, according to the method of the present invention, aluminum is diffused and permeated from the surface of the base material into the base material in a gaseous state. The coating layer formed is defect-free, dense and uniform in thickness due to the solid diffusion process. In addition, in the case of an intermetallic compound having a wide composition width such as NiAl, the characteristics such as the mechanical properties change remarkably with a slight change in the composition. The method is very effective.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明に係る製造方法を実施するための実験
用装置の一例を示す概略図である。
FIG. 1 is a schematic view showing an example of an experimental apparatus for performing a manufacturing method according to the present invention.

【図2】 アルミニウム源を種々の温度で加熱して拡散
処理した純ニッケル基材中のアルミニウムの濃度分布を
示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a concentration distribution of aluminum in a pure nickel base material subjected to diffusion treatment by heating an aluminum source at various temperatures.

【図3】 純ニッケル基材中のアルミニウム濃度に対す
る純ニッケル基材とアルミニウム源の加熱温度の影響を
示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing the influence of the heating temperature of a pure nickel substrate and an aluminum source on the aluminum concentration in the pure nickel substrate.

【図4】 純ニッケル基材中のアルミニウム濃度に対す
る加熱温度差の影響を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing the influence of a heating temperature difference on the aluminum concentration in a pure nickel base material.

【図5】 NiAl基材中にアルミニウムを拡散処理
した場合の図で、(a)は電子顕微鏡写真、(b)はニ
ッケルとアルミニウムの濃度分布を示す。
FIGS. 5A and 5B are diagrams illustrating a case where aluminum is diffused into a Ni 3 Al substrate, wherein FIG. 5A is an electron micrograph, and FIG. 5B is a concentration distribution of nickel and aluminum.

【図6】 NiAl基材上のNiAl相の成長速度
を示す図である。
6 is a diagram showing the growth rate of the Ni 3 Al phase on Ni 3 Al substrate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 反応管(密閉容器) 2 ニッケル基材 4 アルミニウム源 7 電気抵抗炉(加熱装置) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reaction tube (closed vessel) 2 Nickel base material 4 Aluminum source 7 Electric resistance furnace (heating device)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 敏之 東京都三鷹市新川4丁目17番11号 (72)発明者 加藤 雅彦 東京都小平市美園町3丁目1番11号 Fターム(参考) 4K029 AA02 BA03 CA01 DA01 EA08 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Toshiyuki Suzuki 4-17-11 Shinkawa, Mitaka-shi, Tokyo (72) Inventor Masahiko Kato 3-1-1-11 Misono-cho, Kodaira-shi, Tokyo F-term (reference) 4K029 AA02 BA03 CA01 DA01 EA08

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 純ニッケル又はニッケル基合金からなる
ニッケル基材とアルミニウム源とを密閉容器内に収容し
て同一又は異なった温度に加熱し、アルミニウムを含む
輸送媒体をアルミニウム源から生じさせてアルミニウム
を上記ニッケル基材中に拡散浸透させることを特徴とす
るアルミニウム浸透ニッケル部材の製造方法。
1. A nickel base made of pure nickel or a nickel-based alloy and an aluminum source are housed in a closed container and heated to the same or different temperatures, and a transport medium containing aluminum is generated from the aluminum source to produce aluminum. Is produced by diffusing and penetrating into the nickel base material.
【請求項2】 アルミニウムの輸送媒体がアルミニウム
の化合物である請求項1に記載の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein the aluminum transport medium is a compound of aluminum.
【請求項3】 アルミニウム源とニッケル基材の加熱温
度を制御することにより、ニッケル基材中に拡散浸透す
るアルミニウムの濃度を調節することを特徴とする請求
項1又は2に記載の製造方法。
3. The method according to claim 1, wherein the concentration of aluminum that diffuses and penetrates into the nickel base is adjusted by controlling the heating temperature of the aluminum source and the nickel base.
【請求項4】 アルミニウム−ニッケルの二元系におい
て平衡する合金組成と温度の関係に基づいて、ニッケル
基材中の所望のアルミニウム濃度に対するアルミニウム
源の加熱温度とニッケル基材の加熱温度を求め、アルミ
ニウム源とニッケル基材の加熱温度をこの加熱温度にし
て、所望のアルミニウム濃度を達成することを特徴とす
る請求項3に記載の製造方法。
4. A heating temperature of an aluminum source and a heating temperature of a nickel base for a desired aluminum concentration in a nickel base are determined based on a relationship between an alloy composition and a temperature which are balanced in an aluminum-nickel binary system. The method according to claim 3, wherein the heating temperature of the aluminum source and the nickel substrate is set to the heating temperature to achieve a desired aluminum concentration.
【請求項5】 ニッケル基材の加熱温度とアルミニウム
源の加熱温度の温度差を調節することにより、所望のア
ルミニウム濃度を達成することを特徴とする請求項3又
は4に記載の製造方法。
5. The manufacturing method according to claim 3, wherein a desired aluminum concentration is achieved by adjusting a temperature difference between a heating temperature of the nickel base material and a heating temperature of the aluminum source.
【請求項6】 アルミニウムをニッケル基材の表面部分
に拡散浸透させ、アルミニウムとニッケルの金属間化合
物からなる被覆層をニッケル基材の表面に形成すること
を特徴とする請求項1ないし5の何れか1項に記載の製
造方法。
6. The method according to claim 1, wherein aluminum is diffused and penetrated into a surface portion of the nickel base material, and a coating layer made of an intermetallic compound of aluminum and nickel is formed on the surface of the nickel base material. Or the production method according to claim 1.
【請求項7】 アルミニウムをニッケル基材の深さ方向
全体にわたって拡散浸透させることを特徴とする請求項
1ないし5の何れか1項に記載の製造方法。
7. The method according to claim 1, wherein aluminum is diffused and infiltrated throughout the depth direction of the nickel base material.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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