JP2000511236A - 超合金からなる基体とその上に設けられた層構造とを備えた構造部品並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、超合金からなる基体と、その上に形成されこの基体を侵食性高温ガスに対して保護する層構造とを備えた構造部品に関する。この層構造はそのガスに曝される外表面を備えたセラミック断熱層を持ち、さらに、基体の上に存在し、質量成分で次の化学元素の組成、即ち、レニウムを３５％乃至６０％、アルミニウムを１０％乃至２０％、ガリウムを０％乃至１０％、ケイ素、ハフニウム並びにイットリウムのような活性元素を０％乃至２％、製造に起因する不純物、並びにクロムを残りとする組成を持つ中間層を含む。この中間層はこの発明によればプラズマ溶射或いは蒸着により形成される。

Description

【発明の詳細な説明】 超合金からなる基体とその上に設けられた層構造とを備えた構造部品 並びにその製造方法 この発明は、超合金からなる基体と、その上に設けられ基体を侵食性高温ガス から保護するための層構造とを備え、この層構造がそのガスに曝される外表面を 持つセラミックの断熱層を有する構造部品に関する。 この発明は、特に、ガスタービンの構造部、特に動翼、静翼或いは耐熱遮蔽と して、一般的にはその定常運転中酸化並びに侵食作用する高温燃焼ガスに曝され ている構造部として形成されているようなかかる構造部品に関する。 特に、燃焼ガスが１４００℃までの平均温度に達し、上述の種類の構造部が場 合によって行われる冷却にもかかわらず１０００℃或いはそれ以上の温度に曝さ れることが予期される、最近の定置ガスタービンの構造部品に関係する。 冒頭に記載したような構造部品は、それぞれ、米国特許第４３２１３１０号、 第４３２１３１１号、第４０５５７０５号及び第５２６２２４５号明細書に明ら かにされている。これらの特許明細書に記載されている構造部品はこのような構 造部品の基本形状を互いに代替する構成として見做すことができる。何れにして もこの構造部品は超合金からなる基体並びにセラミック断熱層によって形成され ている外表面を持っている。セラミック断熱層と基体との間には多くの紹介され た構成例においては金属接着層が存在する。この接着層はＭＣｒＡｌＹ型の組成 を、即ち基材として鉄、コバルト及び／又はニッケル（これらを「Ｍ」で代表す る）と、他の主要な成分としてクロム、アルミニウム及びイットリウム或いはこ のイットリウムに等価の元素、即ちスカンジウム或いは希土類の１つの元素とを 備える合金組成を持っている。ＭＣｒＡｌＹの組成は当該関連専門分野において は一般に公知である。また、これらの組成はその他の元素を添加することによっ てさらに改良できることも一般に知られている。このような他の元素として、多 くを代表してケイ素、ハフニウム、タンタル、チタン、白金及びレニウムを挙げ ることができる。接着層に対する公知の代わりうる組成はニッケル及びアルミニ ウムからなる或いは白金及びアルミニウムからなる金属間化合物である。 国際出願公開第８９／０７１５９号パンフレット、欧州特許第０４８６４８９ 号明細書並びに欧州特許出願公開第０４１２３９７号から、それぞれ、超合金か らなる基体を侵食性高温ガスから保護するための層構造が明らかにされている。 この層構造は第一に純粋に金属性であり、ＭＣｒＡｌＹ型の合金からなる層を含 んでいる。また、ＭＣｒＡｌＹ型の合金の特に好ましい組成として、レニウムを 付加的に含有することを特徴とするものが記載されている。 スイス特許第６６０２００号明細書には、基体が超合金或いは高融点金属から なる構造部に、高温耐食保護層を形成するための方法が記載されている。この構 造部はタービン翼であり、この場合高温耐食保護層は金属合金、特に鉄コバルト 合金或いはニッケルを基材とする合金からなる。特にニッケルを基材とする超合 金からなる金属基体に、保護酸化物を形成する元素に対して拡散阻止の作用をす る白金金属或いはレニウム製中間層が形成される。この中間層に本来の金属高温 耐食保護層が形成される。この中間層は５μｍと１００ｐｍとの間の厚さを持っ ている。 層構造にレニウムを使用する点に関しては、Ｎ．チェッヒ、Ｆ．シュミッツ及 びＷ．シュタム氏の論文「最新のオーバレイ・コーティングの熱機械的疲労挙動 (Thermal Mechnical Fatigue Behaviour of Advanced Oberlay Coatings)」、「 材料と製造プロセス」、第１０巻５号（１９９５）１０２１頁も意義がある。こ の論文には特にこのような保護層におけるレニウムの作用に関して示唆がなされ ている。 上記に引用した文献に記載されている、それぞれレニウムを添加物としたＭＣ ｒＡｌＹ型の保護層は、セラミック断熱層のための接着層として使用することに ついても提案されている。この関連においては、レニウムが接着層の酸化を遅延 させることが特に重要である。これにより、接着層の構成成分、特にアルミニウ ムから接着層と本来のセラミック断熱層との間に形成される酸化物膜（その厚さ が増大するにつれ機械的に不安定となる傾向がある）の成長が比較的少なくなる 。その場合、特にセラミック断熱層が剥離し、最終的には層構造全体の機能が失 われることがある。 金属接着層とセラミック断熱層との間の酸化物膜の成長速度は寿命を決定する 要因であるから、接着層にとっては酸化率の低い合金が好適とされる。このこと から、既に言及したように、レニウムを含む合金の利点が明らかである。セラミ ック断熱層もまたその化学的組成並びにその接着層への結合の構造及び仕方に関 してさらなる開発の対象である。現在、とりわけ、酸化イットリウムで部分的に 或いは完全に安定化された酸化ジルコニウムからなる断熱層が使用されている。 このような断熱層は、断熱層の関連する性質が特定の多孔度及び層状乃至極小に 細分された構造を設定することにより並びに主としてこのように多孔性に作られ た接着層へ機械的に結合することにより調整される大気圧プラズマ溶射によって 作られる。これに代わって、断熱層は、断熱層が伸びに寛容な柱状結晶構造と適 切に平滑に作られた接着層への主として化学結合とを有する蒸着によっても作ら れる。断熱層の接着層に対する化学的結合はこれらの層の間に形成された薄い酸 化物膜を介して行われる。この酸化物膜は、場合によってはそれに応じて形成さ れた中間化合物を介して、断熱層にもまた接着層にも固く結合されている。 層構造は、通常、接着層の酸化の他に熱・機械的な交番応力が発生し、これに より亀裂が断熱層に広がることによってもその機能を失う。これは、溶射で形成 された断熱層の場合には、最終的に、セラミックスと金属との間の境界上の剥離 を、また蒸気相から蒸着された断熱層の場合には本来の断熱層と接着層との間に 形成された酸化物膜における剥離をもたらす。断熱層の剥離に続いて接着層の表 面に温度上昇が生じ、それ自体急激な酸化とこれに起因する接着層の急激な破壊 をもたらす。 ＭＣｒＡｌＹ型の接着層にレニウムを添加することが非常に利点であることは 既に説明された。しかしながら、このような接着層へのレニウムの添加は、レニ ウムの添加がある程度の脆弱化をもたらすので、限られた範囲においてのみ可能 である。これについては先に引用した論文にも明らかにされている。 従って、この発明の課題は、レニウムを使用することにより生ずる利点を従来 に代わる方法で充分に利用できる冒頭に挙げた種類の構造部品を提供することに ある。 この課題を解決するために、超合金からなる基体と、その上に形成されこの基 体を侵食性高温ガスに対して保護する層構造とを備え、この層構造がそのガスに 曝される外表面を有するセラミック断熱層を持ち、この断熱層はこの基体上に存 在する中間層の上に存在し、この中間層が質量成分で次の化学元素組成、即ち、 レニウム ３５％乃至６０％、 アルミニウム １０％乃至２０％、 ガリウム ０％乃至１０％、 ケイ素 ０％乃至 ２％、 ハフニウム ０％乃至 ２％、 イットリウム、スカンジウム及び希土類元素を含むグループの活性元素 ０％乃至 ２％、 製造に起因する不純物、並びに クロム 残り とする組成を持っている構造部品が提示される。 従って、この発明によれば、層構造に所望されるレニウム成分を少なくとも１ つの主要成分として含む特別の中間層が設けられる。この中間層を設けることに よりレニウムは、その機能により酸化を減少させる手段として特に有効であると ころに、即ちセラミック断熱層と基体或いはその上に存在する金属接着層との間 の境界に正確にもたらされる。この中間層は適当に薄く被着することができるの で、その機械的性質、特に、むしろ延性があるかどうか或いはむしろ脆性がある かどうかの問題は縁部においてしか生じない。中間層はまたアルミニウムが、場 合によってはガリウム及び／又はケイ素が比較的富んでおり、それ故、層構造の 金属部分とセラミック断熱層との間に酸化物膜を形成する出発要素を提供する。 接着層の材料は、特に活性元素、即ちハフニウム、イットリウム或いはこれに等 価の元素、例えばスカンジウム或いは希土類元素によって補足されるのがよい。 というのは、これらの元素は上述の酸化物膜を中間層に定着するのに好ましい貢 献をするからである。 製造に起因した普通の種類の不純物が普通の成分量で存在することが予想され ることは明らかである。中間層の合金を製造するために、その限りにおいて、あ らゆる関連する専門知識が注意されねばならない。 中間層のための好ましい組成は質量成分で次の組成を持っている。即ち、 レニウム ４７％、 アルミニウム １５％、 イットリウム ０．５％、 製造に起因する不純物、並びに クロム 残り。 構造部品の中間層は、特に、ＭＣｒＡｌＹ型の合金からなる金属接着層の上に 存在するのがよい。なお、この場合、Ｍは合金の基材として鉄、コバルト及びニ ッケルを含むグループからの少なくとも１つの金属を表す。この合金はさらに付 加的にレニウムを特に１％と１５％との間の質量成分で含むのがよい。 中間層は１０μｍ以下の厚さ、特に約５μｍの厚さを持つのがよい。このよう にして、中間層の機械的性質、特に起こり得る脆性が層構造全体に不利に作用し ないようになることが保証される。 構造部品において基体を形成する超合金はさらに特にニッケル或いはコバルト を基材とする超合金であるのがよく、その例としては一般に公知のニッケル系超 合金ＩＮ７３８ＬＣ並びにコバルト系超合金ＭＡＲ−Ｍ−５０９を挙げることが できる。 構造部品の中間層は、主としてレニウムとクロムとの金属間化合物からなる相 の金属マトリックスへの分散である。金属間化合物は、特にクロムとレニウムと がほぼ同一の重量成分で存在する、おおよその組成Ｃｒ₃Ｒｅを特に持っている 。アルミニウム並びに場合によっては存在する他の元素の大部分は主として金属 マトリックスに存在し、このマトリックスから中間層と断熱層との間に酸化物膜 を形成するために供給される。 構造部品の断熱層は、主として少なくとも部分的に安定化された、特に酸化イ ットリウムの添加によって安定化されている酸化ジルコニウムからなるのがよい 。酸化ジルコニウムは、その重要な機械的性質が使用される金属及び合金の対応 の性質に相対的に類似しているので優れている。酸化ジルコニウムの安定化は、 適当な熱負荷の下で純粋の酸化ジルコニウムに生じ得るような、酸化ジルコニウ ムの組織の相転移を阻止する或いは少なくとも遅延させるように役立つ。 この構造部品は特にガスタービンの構造部として、特に動翼、静翼或いは耐熱 遮蔽として形成されている。この関連においてこの構造部品はガスタービンでの 使用に適している。これは、特に、定置ガスタービンにおいて普通形成されるよ うな、酸化性及び侵食性燃焼ガスによる負荷に、即ち、１０００℃或いはそれ以 上の温度に耐えることができるが故にである。 方法に関する課題を解決するために、超合金からなる基体と、この上に形成さ れこの基体を侵食性高温ガスに対して保護する層構造とを備え、この層構造を形 成するために中間層が基体に被着され、この中間層にセラミック断熱層が被着さ れ、この中間層がその質量成分で次の化学元素の組成、即ち、 レニウム ３５％乃至６０％、 アルミニウム １０％乃至２０％、 ガリウム ０％乃至１０％、 ケイ素 ０％乃至 ２％、 ハフニウム ０％乃至 ２％、 イットリウム、スカンジウム及び希土類元素を含むグループの活性元素 ０％乃至 ２％、 製造に起因する不純物、並びに クロム 残り、 とする組成を持ち、中間層はプラズマ溶射、特に真空プラズマ溶射或いは蒸着に より形成される構造部品の製造方法が提示される。 何れにしても好ましくは先ず金属接着層が基体に形成され、次いで中間層がこ の接着層に形成される。 この発明の特に好ましいと思われる２つの実施例を以下に説明する。 １． 超合金ＩＮ７３８ＬＣからなる基体を備えたガスタービン構造部、特に動翼、 静翼或いは耐熱遮蔽要素に、先に引用したＮ．チェッヒ、Ｆ．シュミッツ及びＷ ．シュタム氏の論文から明らかなような、そしてニッケルを基材とする合金に特 に質量成分のレニウムを必要とする組成を持つ金属接着層が設けられる。この接 着層は真空プラズマ溶射により被着され、ガラス球等のブラストにより圧縮され る。 その他の表面処理、特に平滑化は行われない。 この接着層の上に質量成分で挙げる次の組成、即ち、 レニウム ４７％、 アルミニウム １５％、 イットリウム ０．５％、 製造に起因する不純物、並びに クロム 残り、 とする組成の中間層が被着される。 この中間層も同様に真空プラズマ溶射により約５μｍの厚さにまで被着される 。 この中間層の上に、次いで部分的に安定化された酸化ジルコニウムからなるセ ラミック断熱層が、大気圧プラズマ溶射により被着される。セラミック断熱層の 中間層及び接着層への固定は、一部は既に記載したような化学結合により、一部 は製造に起因して残っている中間層の表面構造への機械結合により行われる。 ２． コバルト系超合金ＭＡＲ−Ｍ−５０９からなる基体を備えたガスタービン構造 部の上に、接着層が前述の実施例の接着層と同様に被着され、その被着及びブラ ストの後研磨される。 このように準備された接着層の上に中間層が前述の例に記載されたのと同様に 被着され、この中間層の上に部分的に安定化された酸化ジルコニウムからなるセ ラミック断熱層が電子ビーム蒸発による物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）により被着さ れる。断熱層の被着前或いは被着中に、適当な条件を設定することによって、中 間層の上に酸化物膜が形成され、それに断熱層が化学結合により接着するように なされる。この断熱層は柱状結晶構造を持ち、従って熱膨張に対して非常に寛容 的である。というのは、断熱層の柱状結晶は基体とその上にある層構造の金属部 分とからなる金属構造が広がる際に相対的に自由に相互に動き得るからである。 その機能に関してはこのような層構造は第一の実施例の層構造に対して完全に優 先される。この場合、その製造に労力がかかることにより明らかに高価であるの で、実際の適用に対してはその都度の個々の事情を参照してそれぞれ使用される 層構造の負荷耐力と価格との妥協が見出される。 上述の実施例の各々において中間層は２相に構成されている。即ち、中間層は 主としてレニウムとクロムとの金属間化合物からなる相の分散の形で金属マトリ ックスに存在する。金属間化合物はおよその組成Ｃｒ₃Ｒｅを持ち、金属マトリ ックスはレニウム及びクロムの他に普通の化学元素の組成を含んでいる。金属マ トリックスからはアルミニウムが、場合によってはガリウム及びケイ素も、中間 層と断熱層との間の酸化物の形成に提供される。 中間層は、その重要な機械的性質に関係なく層構造全体の性質を著しくは低下 させない。中間層は非常に薄く、そしてそのレニウム含有量が高いので元素の拡 散を実質的な範囲では許容しないからである。従って中間層は問題なく金属接着 層とセラミック断熱層との間に挿入される。この中間層は、酸化及び腐食の関連 において重要な、化学元素のレニウムが役に立つ全ての性質を、その余のレニウ ムが接着層とで合金化されることなく、その性質をひょっとして損なうこともな く、提供する。 この発明は、それ故、基体、特にガスタービン構造部の基体を侵食性の高温ガ スに対して、１０００℃或いはそれ以上の温度において保護する性能の良い層構 造を提供する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．超合金からなる基体と、その上に形成されこの基体を侵食性高温ガスに対し て保護する層構造とを備え、この層構造はそのガスに曝される外表面を有するセ ラミック断熱層を持ち、この断熱層はこの基体の上に存在する中間層の上に存在 し、この中間層が質量成分で次の化学元素組成、即ち、 レニウム ３５％乃至６０％、 アルミニウム １０％乃至２０％、 ガリウム ０％乃至１０％、 ケイ素 ０％乃至 ２％、 ハフニウム ０％乃至 ２％、 イットリウム、スカンジウム及び希土類元素を含むグループの活性元素 ０％乃至 ２％、 製造に起因する不純物、並びに クロム 残り とする組成を持っている構造部品。 ２．中間層が質量成分で次の組成、即ち、 レニウム ４７％、 アルミニウム １５％、 イットリウム ０．５％、 製造に起因する不純物、並びに クロム 残り とする組成を持っている請求項１に記載の構造部品。 ３．中間層が金属接着層の上に存在し、この接着層が特にＭＣｒＡｌＹ型の合金 からなり、この場合Ｍは鉄、コバルト及びニッケルを含むグループからの少なく とも１つの金属を合金の基材として代表している請求項１又は２に記載の構造部 品。 ４．接着層の合金が付加的に特に１％と１５％との間の質量成分を備えたレニウ ムを含む請求項３に記載の構造部品。 ５．中間層が１０μｍ以下の、特に約５μｍの厚さを持っている請求項１乃至４ の１つに記載の構造部品。 ６．超合金がニッケル或いはコバルトを基材とする超合金である請求項１乃至５ の１つに記載の構造部品。 ７．中間層が主としてレニウムとクロムとの金属間化合物からなる相の、金属マ トリックスにおける分散である請求項１乃至６の１つに記載の構造部品。 ８．断熱層が主として少なくとも部分的に安定化された、特に酸化イットリウム の添加によって安定化された酸化ジルコニウムからなる請求項１乃至７の１つに 記載の構造部品。 ９．ダスタービンの構造部、特に動翼、静翼或いは耐熱遮蔽である請求項１乃至 ８の１つに記載の構造部品。 １０．超合金からなる基体と、その上に形成されこの基体を侵食性高温ガスに対 して保護する層構造とを備え、この層構造を形成するために中間層が基体に被着 され、この中間層にセラミック断熱層が被着され、この中間層が質量成分で次の 化学元素の組成、即ち、 レニウム ３５％乃至６０％、 アルミニウム １０％乃至２０％、 ガリウム ０％乃至１０％、 ケイ素 ０％乃至 ２％、 ハフニウム ０％乃至 ２％、 イットリウム、スカンジウム及び希土類元素を含むグループの活性元素 ０％乃至 ２％、 製造に起因する不純物、並びに クロム 残り とする組成を持ち、中間層がプラズマ溶射、特に真空プラズマ溶射或いは蒸着に より形成される構造部品の製造方法。 １１．先ず金属接着層が基体の上に形成され、次いで中間層がこの接着層の上に 形成される請求項１０に記載の方法。