JP2001064783A - セラミック超合金物品 - Google Patents

セラミック超合金物品

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超合金製基体とケイ素基セラミック材料の間
に設けられる拡散障壁層の改良。 【解決手段】 物品は、超合金製の基体と、ケイ素基セ
ラミック材料と熱安定ケイ素拡散障壁層とを含んでな
る。熱安定な拡散障壁層は、基体とセラミック材料の間
に介在してケイ素又は炭素の基体への拡散を妨げる。拡
散障壁皮膜は、熱安定で、しかもケイ素又は炭素がセラ
ミック材料：超合金境界面を通って拡散するのを妨げる
ような皮膜である。物品の製造方法において、超合金基
体を形成し、該基体上に熱安定な拡散障壁層を施工し、
さらにケイ素基セラミック材料を、上記障壁層で被覆さ
れた基体に担持させる。この拡散障壁層は、セラミック
材料から超合金基体中へのケイ素の拡散を実質的に防止
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はセラミックや超合金
を含む物品並びにガスタービンエンジン用の部品に組み
入れられる製造物品に関する。
【０００２】ガスタービンエンジンの出力と効率は主と
して上昇する動作温度とともに高まる。しかし、ますま
す上昇する高温でのタービンエンジン動作性能は、ター
ビン構成部品、特にシュラウド、羽根及びブレードの能
力すなわち衝突してくるガス熱流の熱、酸化及び腐食作
用に耐える能力により制限を受ける。
【０００３】
【従来の技術】改良タービン部品はこれまで酸化及び腐
食作用に耐える薄い保護皮膜で覆われた強靭で安定した
基体から組み立て製造されてきた。このような基体には
ニッケル基又はコバルト基超合金組成物が含まれる。断
熱性セラミック皮膜は，エーロフォイルのような構成部
品に伝わる熱を低減することによりタービン性能をさら
に高める。こうした皮膜は熱応力を低減するように熱伝
導を最小限度にすることにより構成部品の耐久性を増す
ことができる。
【０００４】セラミック材料は合金基体の上に熱障壁を
提供する皮膜組織の部分となりうる。一般的にこのよう
な皮膜組織は異なる組成と機能に属する二つの層を有す
る。はじめに施される薄い（１〜２ミル）ボンドコー
ト、例えばＮｉＣｒＡｌＹは、酸化物スケールや、その
後に施されより厚みのある（１０〜２０ミル）セラミッ
ク皮膜に対する強力な接着をもたらし、後者の皮膜は高
温酸化と熱衝撃から合金基体を保護する。
【０００５】内燃機関ライナー及びシュラウドのような
タービンの構成部品をなす構造材としてセラミック材料
を使うこともできる。これらの構成部品を超合金構造物
により機械的に支持する必要がある。こうした適用例に
おいてセラミック材料と超合金支持構造物の間の接触領
域は、長時間にわたり１１００℃の温度に耐えることが
できねばならない。また、境界面での密着は振動によっ
て誘起される応力のもとで持続されねばならないし、境
界面における材料は化学的に馴染まなければならない。
【０００６】ある種のセラミック材料は、ケイ素／炭化
ケイ素（Ｓｉ／ＳｉＣ）又はケイ素／炭化ケイ素／炭化
物（Ｓｉ／ＳｉＣ／Ｃ）材料を含み、炭素繊維プリプレ
グ（炭素繊維のトウで織られた）に溶融ケイ素を溶浸す
ることにより製造される。炭素繊維は完全にではないに
しろほとんど炭化ケイ素（ＳｉＣ）に変わる。目的材料
は炭化ケイ素（ＳｉＣ）、遊離ケイ素（Ｓｉ）及び遊離
炭素を含む。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ケイ素基セラミック材
料と超合金の直接接触領域は、上述の要件を満たさな
い。ケイ素及び炭素は、ケイ素基セラミック：超合金間
の接触面を越えて拡散することにより超合金の物理的な
性質の劣化を生じる。その他の複雑な反応が脆弱なケイ
化物や炭化物の相を超合金内部に析出させて、これらの
相が割れの開始と伝播の位置として作用する。アルミナ
又はイットリアの拡散障壁皮膜はこれらの問題を処理す
るために提案されてきた。しかし、このような皮膜は熱
的な不適合ゆえに失敗に終わる。例えば、超合金又はケ
イ素基セラミック上に溶射されたイットリア皮膜はたっ
た一回の熱処理サイクルの後に割れたり剥れたりする超
合金製基体とケイ素基セラミック材料との間の拡散障壁
層を満足のいくものにする必要性が依然として存在す
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、超合金構造物
中へのケイ素及び炭素の拡散を防ぐ障壁層を提供する。
本発明の物品は、超合金製基体とケイ素基セラミック材
料と熱安定なケイ素拡散障壁層とを含んでなる。熱安定
な拡散障壁層は、超合金基体とセラミックの間にあって
ケイ素と炭素の基体への拡散を防ぐ。拡散障壁皮膜は、
熱安定でしかもセラミック材料：超合金境界面を越えて
ケイ素及び炭素が拡散するのを妨げる皮膜である。
【０００９】別の態様では、本発明は、超合金基体を形
成し、この基体の上に熱安定な拡散障壁を設け、この基
体の拡散障壁の上にケイ素基セラミック材料を設けるこ
とを含んでなる方法であって、拡散障壁皮膜がセラミッ
ク材料から基体へのケイ素の拡散を実質的に妨げるもの
である、方法を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】ニッケル、コバルト及びクロムの
ような元素を含む合金が、ケイ素溶浸炭化ケイ素セラミ
ックのような遊離ケイ素及び遊離炭素を含むセラミック
材料と接触した状態で加熱されると、合金とセラミック
の間の境界面において数多くの反応が起こり得る。ケイ
素の合金への浸透の結果として、種々のケイ化ニッケル
（ＮｉＳｉ，Ｎｉ2Ｓｉ）やケイ化クロム（Ｃｒ3Ｓｉ）
のような安定なケイ化物を形成できる。こうしたケイ化
物は多数の共晶相を形成するが、かかる共晶相は高温で
溶融することがある。微小硬さが著しく増加しかねず、
その結果合金表層下での脆化を引き起こす。少量のケイ
素不純物は脆性ラベス相の析出を引き起こすことがあ
り、ラベス相は微晶質相である。また、セラミックから
の炭素の拡散の結果、炭化物が生成する可能性がある。
合金中に炭素が過剰なレベルで存在すると、脆性シグマ
相の析出の原因となる。超合金中での脆性シグマ相粒子
の形成促進におけるケイ素の役割は、Ｃ．Ｔ．Ｓｉｍｓ
他，Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ ＩＩ（１９８７年Ｊ．Ｗ
ｉｌｅｙ発行）第８章に記載されている。シグマ相粒子
は機械的性質に破壊的な影響を与えかねない。以上のす
べての理由から、ケイ素基及び炭素基セラミックと合金
支持構造物との高温での反応は重大な問題となる。
【００１１】本発明によれば、熱安定な拡散障壁層が、
超合金基体とケイ素基セラミック材料との結合に介在し
てなる物品が提供される。障壁層は、セラミック材料か
ら超合金基体へのケイ素と炭素の拡散を妨げる。
【００１２】超合金基体は、ニッケル、クロム又は鉄を
基とする超合金であってよい。このような基体の例とし
て、ハステロイＸ、ルネ８０、ＩＮ７３８、Ｎｉ−２０
Ｃｒ−１０Ｔｉ合金、ＧＴＤ−１１１、ＧＴＤ−２２
２、ルネ４１、ルネ１２５、ルネ７７、ルネ９５、イン
コネル７０６、インコネル７１８、インコネル６２５、
コバルト基ＨＳ１８８、コバルト基Ｌ−６０５及びステ
ンレス鋼がある。本発明の構成はタービンに使われる機
材用に特に向いている。タービン部品の例にはシュラウ
ドや燃焼器ライナーがある。
【００１３】ケイ素基材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又
は窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）のようなケイ素基セラミック
を含む。このセラミックは単一材料でもよいし複合材料
でもよい。複合材料は、ケイ素基強化繊維、粒状物又は
ウィスカーとケイ素基母材とからなりうる。母材は溶浸
（ＭＩ）、化学気相浸透（ＣＶＩ）又はその他の技術に
より処理できる。ケイ素を基とする代表的な材料には、
モノシリック炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化ケイ素（Ｓ
ｉ3Ｎ4）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維強化炭化ケイ素
（ＳｉＣ）母材複合体、炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｓｉ
Ｃ）母材複合体及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維強化窒化
ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）複合体が含まれる。好ましいケイ素
基材料には、ケイ素溶浸処理された炭化ケイ素（Ｓｉ
Ｃ）繊維強化ケイ素／炭化ケイ素（Ｓｉ／ＳｉＣ）母材
複合体がある。
【００１４】拡散障壁皮膜は熱安定で、しかもケイ素又
は炭素がセラミック材料：超合金境界面を超えて拡散す
るのを妨げる皮膜である。拡散障壁皮膜を代表するもの
として例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、
スカンジア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニ
ア、マグネシア安定化ジルコニア、イットリア、酸化ア
ルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化クロム（Ｃｒ2Ｏ3）又は
酸化チタン（ＴｉＯ2）がある。バリウムストロンチウ
ムアルミノケイ酸塩、カルシウムアルミノケイ酸塩及び
ムライトのようなアルミノケイ酸塩もまた満足できる障
壁皮膜材料である。イットリア安定化ジルコニア（ＹＳ
Ｚ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化クロム（Ｃ
ｒ2Ｏ3）及び酸化チタン（ＴｉＯ2）が好ましい障壁皮
膜である。代表的なイットリア安定化ジルコニア（ＹＳ
Ｚ）障壁皮膜は約８重量％イットリヤと９２重量％ジル
コニアを含む。
【００１５】幾つかの例では、本発明の構成は確実な接
着をもたらすボンドコートを含む。例えばイットリア及
び酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）をボンドコートととも
に利用して割れや剥離を防止する。ボンドコートは、ム
ライト、改変ムライト、ニッケル又はコバルトアルミナ
イドであってよいが、ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍはニッケル
（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）及びこれらの
混合のいずれか少なくとも一種である）が好ましい。ボ
ンドコートのアルミニウム含量は、本発明における用途
に合うように選択されるボンドコート合金の種類によ
る。例えば、適切なアルミニウム含量は、ＭＣｒＡｌＹ
合金ボンドコートについて約５重量％からアルミナイド
ボンドコートについて約４０重量％までの範囲にある。
【００１６】それぞれの皮膜を基体又は別の皮膜に対し
て設けることのできる適切な方法には、大気プラズマ溶
射（ＡＰＳ）、真空又は低圧プラズマ溶射（ＶＰＳ又は
ＬＰＰＳ）及び高速ガス炎溶射（ＨＶＯＦ）を始めとす
る熱溶射、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、
電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＵＤ）を始めとする蒸着、
ゾル−ゲル懸濁液塗布又はコロイダル懸濁液塗布を始め
とする溶液法がある。
【００１７】ボンドコート及び障壁皮膜の層の厚みは、
典型的には次の通りある。合金にボンドコートとしての
ＭＣｒＡｌＹを低圧プラズマ溶射した場合に約１〜２ミ
ル、合金にチタニア、クロミア又はアルミナ障壁皮膜を
低圧プラズマ溶射した場合に約４〜５ミル、セラミック
にムライト障壁皮膜を低圧プラズマ溶射した場合に約１
０ミル、合金にニッケルアルミナイド障壁皮膜をパック
セメンテーションした場合に約１０〜１００ミクロンと
なる。
【００１８】
【実施例】以下の実施例は本発明を例示するためのもの
である。
【００１９】多数の合金材料について検討し、様々な種
類の酸化物拡散障壁を合金又はケイ素基材料の表面に施
工した。実験は約９００〜１２００℃の範囲の温度にお
いて約５０〜１６００時間行った。
【００２０】例１ 最初の一連の実験において、研究対象の合金片（例えば
ハステロイＸ）を概ね１x１／２x１／８インチの寸法に
て６００グリットの炭化ケイ素（ＳｉＣ）ペーパーで研
磨し、さらに鏡面仕上げまで研磨した。似たような寸法
のケイ素浸透ケイ素／炭化ケイ素（Ｓｉ／ＳｉＣ）複合
材料を６ミクロンダイヤモンド粉で研磨した。これらの
合金及びセラミック片をともに押し当てて、白金−ロジ
ウムワイヤーできつくくるめた。こうしてワイヤー止め
にした集合試料片をアルミニウムボートに置いてから、
空気中にて時間を変えながら試験温度において加熱し
た。この集合試料片を切断して、境界反応領域を標準的
な金属組織学的技術により検査した。かかる金属組織学
的技術では、試料片をエポキシセメントの中に固定し
て、合金／セラミック境界面の断面となるように切り、
この切断表面を研磨し、切断表面を金属顕微鏡で調べ、
エネルギー分散性分光計（ＥＤＳ）により相や元素を調
べ、走査型ミクロプローブ分析試験を行う。幾つかの例
では、試料を試験温度にてヘリウムを流しながら加熱し
て、層同士の間にある接触領域に空気が拡散することに
起因する酸化の程度を緩和した。
【００２１】種々の時間と温度をかけて加熱した後の溶
浸処理ケイ素／炭化ケイ素（Ｓｉ／ＳｉＣ）複合材料と
ハステロイＸとの間の代表的な反応領域を図１〜図４に
例示してある。図２〜図３は両材料の接触領域を通る切
断面を示す。固定した試料片の研磨切断面の顕微鏡検査
により、空隙や析出物を容易に見分けることができる。
空隙とは、表面にあってその深さが移動式顕微鏡を使っ
て見積もることのできるような穴をいう。析出物とは、
境界が明瞭に示されていて、しかもしばしば規則正しい
結晶面をもつような粒子をいう。９００℃では、ハステ
ロイＸ中へのケイ素の浸透は５００時間経過後に約２０
ミクロンの深さまで達した（図１）が、１１５０℃では
深さ４０ミルを越える反応領域が丁度１２０時間で生じ
た（図４）。
【００２２】ルネ８０は、溶浸処理ケイ素／炭化ケイ素
（Ｓｉ／ＳｉＣ）複合材料と１０００℃において接触さ
せておくと、１０００時間後には細かなケイ化物粒子の
網状組織（図５）をもつようになる。しかし、１１５０
℃ではわずか１２０時間後に半球状の反応領域がセラミ
ックとの接触領域の下に形成する（図６）三元合金と溶
浸処理ケイ素／炭化ケイ素（Ｓｉ／ＳｉＣ）複合体との
間で１１７０℃において１４０時間経ったときの反応の
程度は、図７に例示されている。
【００２３】拡散制御プロセスについて、浸透深さ／
（時間）1/2を時間の逆数に対してプロットすると直線
が得られるはずである。図８はそのようなプロットを示
すもので、これを使いながら最近の研究にもとづいて、
中間温度における凡そのケイ素浸透深さを予測した。こ
うした値は報告されている値とよく一致しており、ケイ
素の拡散速度は合金組成と強く関連していないことを示
している。
【００２４】例２ 低圧プラズマ溶射法を採用して、イットリア安定化ジル
コニア（ＹＳＺ）、チタニア（ＴｉＯ2）、クロミア
（Ｃｒ2Ｏ3）又はアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の皮膜を、類似
の合金片に４〜５ミルの厚みになるようにプラズマ溶射
により設けた。これらの場合にまずＮｉＣｒＡｌＹのボ
ンドコートを１〜２ミルの厚みで金属表面に設けること
により、皮膜と合金基体との熱膨張不適合を最小にし
た。
【００２５】ニッケル基超合金ＩＮ７１８，ＩＮ７３
８，ルネ８０，Ｕ−５００及びＵ−７００について研磨
した長方形の金属片に、パックセメンテーション法によ
りアルミナイド皮膜を設けた。組成５．８％Ａｌ，０．
２％ＮＨ4Ｆ，９４％Ａｌ2Ｏ3（リンデＡ−１０）粉末
混合物の入った蓋付きレトルトの中に先の合金を埋め込
み、アルゴン雰囲気中にて２時間１０５０℃にて加熱し
た。この工程を通して、緻密なニッケルアルミナイド−
ＮｉＡｌの拡散皮膜が１０〜１００ミクロンの厚みで合
金片の表面すべてに形成された。被覆した金属片を粉末
混合物から取り出してから、軽く研磨して付着アルミナ
粒子を取り除き、Ｓｉ／ＳｉＣ片と接触させながら１１
５０℃にて１２０時間加熱した。
【００２６】ムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）の皮
膜も、空気中でのプラズマ溶射により１０ミルの厚みで
ケイ素溶浸処理ＳｉＣ片に設けた。
【００２７】酸化物皮膜を金属片に固定する前に研磨す
ることは無かったし、ムライト皮膜を合金片と接触状態
に置く前に研磨することは無かった。Ｓｉ／ＳｉＣ複合
材料から合金への遊離ケイ素の拡散を減らす点につい
て、これらの酸化物層の効果を測定するために、基体／
材料合金対について９００〜１２００℃の熱にさらした
後、これらの切断面の金属組織学的検査とＥＤＡＸ分析
を行った。
【００２８】図９は、１０００℃にて６００時間熱した
後のＳｉ／ＳｉＣ：ＹＳＺ／ＮｉＣｒＡｌＹ／ＩＮ７３
８複合体の断面を示す。図１０は、１０００℃にて５５
２時間接触させた後のＳｉ／ＳｉＣ：ＹＳＺ／ＮｉＣｒ
ＡｌＹ／ルネ８０対の断面を示す。図１１は、９００℃
において１００４時間経過したときのＳｉ／ＳｉＣ：Ｙ
ＳＺ／ＮｉＣｒＡｌＹ／ＩＮ７３８を示す。これらの対
のいずれにおいてもケイ素が当該材料を通って合金基体
の中に浸透した形跡はみられなかった。
【００２９】酸化物ＴｉＯ2 、Ｃｒ2Ｏ3及びＡｌ2Ｏ3
についても、ハステロイＸ片に対するＮｉＣｒＡｌＹボ
ンドコートの上に設けてから、Ｓｉ／ＳｉＣ複合体と接
触させながら長時間にわたり９００、１０００及び１１
００℃まで加熱した。図１２〜図１４は、これらのＳｉ
／ＳｉＣ複合体：酸化物／合金標本について、１０００
℃にて６７２時間加熱した後の断面を示す。三種類の皮
膜はすべて、合金基体へのケイ素の拡散を妨げる点で有
効であることが判明した。ＴｉＯ2 、Ｃｒ2Ｏ3 及びＡｌ
2Ｏ3 の対について１１００℃において５００時間加熱
した後の切断面を図１５〜図１７に示す。ＴｉＯ2 及び
Ｃｒ2Ｏ3層のいずれも切断により破砕したとしても、皮
膜下でのケイ化物の形成を示す証拠はこの場合も見出せ
なかった。
【００３０】図１８は、９００℃において１６２２時間
加熱した後のＳｉ／ＳｉＣ複合体：ＴｉＯ2 ／ＮｉＣｒ
ＡｌＹ／ハステロイＸ対の境界面をわたるＥＤＳ走査を
元素ごとに示す。図１９は、Ｓｉ／ＳｉＣ複合体：Ｃｒ
2Ｏ3／ＮｉＣｒＡｌＹ／ハステロイＸ対ついて同じ加熱
条件にさらした後の走査を示す。いずれの場合にも合金
上の酸化物皮膜にケイ素が浸透したことを示す形跡はみ
られなかった。
【００３１】例３ パック処理法により超合金表面に設けられたアルミナイ
ド皮膜は、Ｓｉ／ＳｉＣ複合体と接触状態で加熱した際
に合金片に脆性ケイ化物相が形成されるのを妨げる。図
２０は、アルミイド被覆ＩＮ７３８片についてその両側
面上にＳｉ／ＳｉＣ複合体片を接触させた状態にて１１
５０℃で１２０時間加熱した場合の切断面を示す。合金
のアルミナイド表面上のアルミナ層は、ケイ素が境界面
を通って移動するのを妨げた。
【００３２】例４ 次の例はセラミック相に対してムライト障壁層を設ける
ことによりＳｉ／ＳｉＣ複合体：合金境界面を通ってケ
イ素が拡散するのを妨げることを例証する。ムライト
（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）は、熱膨張の性質が炭化ケ
イ素と非常ににかよった相手となり、熱サイクルの間に
複合体への接着力の喪失を避けられる。図２１は、ハス
テロイＸ片についてムライト被覆ケイ素基セラミックと
１１００℃において１００時間接触させた後の断面を示
す。拡散係数の異なる二つの金属相が接触状態にて熱せ
られた場合に、カーケンドル空隙は発生する。クロムが
表面に拡散していくと発生するカーケンドル空隙領域は
ハステロイＸ片においてはっきり現れている。しかし、
エネルギー分散性分光分析（ＥＤＳ）によればケイ素が
合金中に浸透している証拠を示さない。Ｓｉ／ＳｉＣ複
合体片上のムライト皮膜は実験終了時点においてもその
ままの状態で残っていた。ムライト被覆Ｓｉ／ＳｉＣ複
合体：ハステロイＸ対を１２００℃にて１００時間加熱
した場合にもケイ素の移動を見出すことはなかった。図
２２は、ハステロイＸ片の表面下でのＥＤＳ波形を示
す。表面上に少量のケイ素があることは別にして、合金
内にケイ素を検出することはなかった。
【００３３】これらの例は、超合金及びＳｉ／ＳｉＣ複
合体構成部分を９００℃以上の温度にて一体にして加熱
すると、ケイ素がセラミックから金属へ拡散するととも
に、合金中に脆性ケイ化物が形成される（図１〜図
７）。こうした脆化は燃焼器やシュラウドの支持構造物
に使用される合金の性質を損なう。この問題を緩和する
ことができるように、合金表面に対してアルミナ、クロ
ミア、チタニア又はイットリア安定化ジルコニア拡散障
壁を（ＮｉＣｒＡｌＹボンドコートの上から）設けられ
る（図９〜図１７）。拡散障壁の脆さをより低減するこ
とは、ケイ素／炭化ケイ素（Ｓｉ／ＳｉＣ）複合体表面
に対して、合金相と接触させる前にムライトを施すこと
で得られる（図２１）。ニッケルアルミナイド（ＮｉＡ
ｌ）皮膜は酸化に際し接着性アルミナ薄膜を形成し（図
２２）、これはケイ素拡散に対する障壁の役目を果た
す。合金中にケイ素が移動するのを妨げるという点で、
セラミック／合金対が１２００℃まで加熱されるときで
さえも、本発明は有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ９００℃にて５００時間ケイ素基セラミック
と接触させた後のハステロイＸ片の表面をとおる断面の
顕微鏡写真である。
【図２】 １０００℃にて１００時間ケイ素基セラミッ
クと接触させた後のハステロイＸ片の表面をとおる断面
の顕微鏡写真である。
【図３】 １０００℃にて６７２時間ケイ素基セラミッ
クと接触させた後のハステロイＸ片の表面をとおる断面
の顕微鏡写真である。
【図４】 １１５０℃にて１２０時間ケイ素基セラミッ
クと接触させた後のハステロイＸ片の表面をとおる断面
の顕微鏡写真である。
【図５】 ９００℃にて１０００時間ケイ素基セラミッ
クと接触させた後のルネ８０片の表面をとおる断面の顕
微鏡写真である。
【図６】 １１５０℃にて１２０時間ケイ素基セラミッ
クと接触させた後のルネ８０片の表面をとおる断面の顕
微鏡写真である。
【図７】 １１７０℃にて１４０時間ケイ素基セラミッ
クと接触させた後のＮｉ−２０Ｃｒ−１０Ｔｉ片の表面
をとおる断面の顕微鏡写真である。
【図８】 ケイ素基セラミック対について求めた、ケイ
素浸透速度（ｃｍ・ｓｅｃ-1/2）対１／Ｔ（Ｋ）のアレ
ーニウスプロットである。
【図９】 １０００℃にて６００時間ケイ素基セラミッ
ク（下層）と接触させた後のＩＮ７３８に形成された８
％Ｙ2Ｏ3・ＺｒＯ2／ＮｉＣｒＡｌＹ皮膜の表面をとお
る断面の顕微鏡写真である。
【図１０】 １０００℃にて５５２時間ケイ素基セラミ
ック（上層）と接触させた後のルネ８０に形成された８
％Ｙ2Ｏ3・ＺｒＯ2／ＮｉＣｒＡｌＹ皮膜の表面をとお
る断面の顕微鏡写真である。
【図１１】 ９００℃にて１００４時間急速な熱サイク
ルを伴ってケイ素基セラミックと接触させた後のＩＮ７
３８に形成された８％Ｙ2Ｏ3・ＺｒＯ2／ＮｉＣｒＡｌ
Ｙ皮膜の表面をとおる断面の顕微鏡写真である。
【図１２】 １０００℃にて６７２時間ケイ素基セラミ
ック（上層）と接触させた後のハステロイＸに形成され
たＡｌ2Ｏ3／ＮｉＣｒＡｌＹ皮膜の表面をとおる断面の
顕微鏡写真である。
【図１３】 １０００℃にて６７２時間ケイ素基セラミ
ック（上層）と接触させた後のハステロイＸに形成され
たＣｒ2Ｏ3／ＮｉＣｒＡｌＹ皮膜の表面をとおる断面の
顕微鏡写真である。
【図１４】 １０００℃にて６７２時間ケイ素基セラミ
ック（下層）と接触させた後のハステロイＸに形成され
たＴｉＯ2／ＮｉＣｒＡｌＹ皮膜の表面をとおる断面の
顕微鏡写真である。
【図１５】 １１００℃にて５００時間ケイ素基セラミ
ック（上層）と接触させた後のハステロイＸに形成され
たＡｌ2Ｏ3／ＮｉＣｒＡｌＹ皮膜の表面をとおる断面の
顕微鏡写真である。
【図１６】 １１００℃にて５００時間ケイ素基セラミ
ック（下層）と接触させた後のハステロイＸに形成され
たＣｒ2Ｏ3／ＮｉＣｒＡｌＹ皮膜の表面をとおる断面の
顕微鏡写真である。
【図１７】 １１００℃にて５００時間ケイ素基セラミ
ック（下層）と接触させた後のハステロイＸに形成され
たＴｉＯ2／ＮｉＣｒＡｌＹ皮膜の表面をとおる断面の
顕微鏡写真である。
【図１８】 ９００℃にて１６２２時間接触状態にて加
熱が行われた後のハステロイＸ表面に沿うＴｉＯ2／Ｎ
ｉＣｒＡｌＹとケイ素基セラミックとの間の境界面をま
たぐように走査された元素ごとのＥＤＳ図である。
【図１９】 ９００℃にて１６２２時間接触状態にて加
熱が行われた後のハステロイＸ表面に沿うＣｒ2Ｏ3／Ｎ
ｉＣｒＡｌＹとケイ素基セラミックとの間の境界面をま
たぐように走査された元素ごとのＥＤＳ図である。
【図２０】 １１５０℃にて１２０時間ケイ素基セラミ
ックと接触させた後のパックアルミナイド処理ＩＮ７３
８片の表面をとおる断面の顕微鏡写真である。
【図２１】 １１００℃にて１００時間ムライト被覆ケ
イ素基セラミックと接触させた後のハステロイＸ片の表
面をとおる断面の顕微鏡写真である。
【図２２】 １２００℃にて１００時間ムライト被覆ケ
イ素基セラミックと接触させた後のハステロイＸ片の内
部に向かって走査された元素ごとのＥＤＳ図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０１Ｄ 5/28 Ｆ０１Ｄ 5/28 Ｆ０２Ｃ 7/00 Ｆ０２Ｃ 7/00 Ｃ Ｆ２３Ｒ 3/42 Ｆ２３Ｒ 3/42 Ｃ // Ｃ２２Ｃ 19/03 Ｃ２２Ｃ 19/03 Ｈ 19/07 19/07 Ｍ 38/00 ３０２ 38/00 ３０２Ｚ

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超合金基体と熱安定な拡散障壁層とケイ
    素基セラミック材料とを含んでなる物品。
  2. 【請求項２】 熱安定拡散障壁層が超合金基体へのケイ
    素拡散を妨げる機能を有する、請求項１記載の物品。
  3. 【請求項３】 ケイ素基セラミック材料が炭素を含有し
    ており、熱安定な拡散障壁層が超合金基体への炭素拡散
    を妨げる機能を有する、請求項１記載の物品。
  4. 【請求項４】 拡散障壁皮膜が、イットリア安定化ジル
    コニア、スカンジア安定化ジルコニア、カルシア安定化
    ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、イットリ
    ア、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化クロム（Ｃｒ
    2Ｏ3）及び酸化チタン（ＴｉＯ2）からなる群から選択
    される酸化物である、請求項１記載の物品。
  5. 【請求項５】 拡散障壁皮膜がアルミノケイ酸塩であ
    る、請求項１記載の物品。
  6. 【請求項６】 拡散障壁皮膜がバリウムストロンチウム
    アルミノケイ酸塩、カルシウムアルミノケイ酸塩又はム
    ライトである、請求項１記載の物品。
  7. 【請求項７】 基体がニッケル基、クロム基又は鉄基超
    合金である、請求項１記載の物品。
  8. 【請求項８】 基体がＧＴＤ−１１１、ＧＴＤ−２２
    ２、ルネ８０、ルネ４１、ルネ１２５、ルネ７７、ルネ
    ９５、インコネル７０６、インコネル７１８、インコネ
    ル６２５、コバルト基ＨＳ１８８、コバルト基Ｌ−６０
    ５又はステンレス鋼である、請求項１記載の物品。
  9. 【請求項９】 基体がハステロイＸ、ＩＮ７３８又はＮ
    ｉ−２０Ｃｒ−１０Ｔｉ合金である、請求項１記載の物
    品。
  10. 【請求項１０】 ケイ素基セラミック材料が炭化ケイ素
    （ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、炭化ケイ素（Ｓ
    ｉＣ）繊維強化炭化ケイ素（ＳｉＣ）母材複合体、炭素
    繊維強化炭化ケイ素（ＳｉＣ）母材複合体又は炭化ケイ
    素（ＳｉＣ）繊維強化窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）複合体か
    ら構成される、請求項１記載の物品。
  11. 【請求項１１】 ケイ素基セラミック材料が、ケイ素溶
    浸処理された炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維強化ケイ素／炭
    化ケイ素（Ｓｉ／ＳｉＣ）母材複合体からなる、請求項
    １記載の物品。
  12. 【請求項１２】 基体と拡散障壁皮膜との結合を高める
    ためのボンドコートを基体と拡散障壁皮膜の間にさらに
    含んでなる、請求項１記載の物品。
  13. 【請求項１３】 ボンドコートがニッケルアルミナイ
    ド、コバルトアルミナイド又はＭＣｒＡｌＹ合金（ただ
    し、Ｍはニッケル、コバルト、鉄又はこれらの混合物の
    いずれか少なくとも一種である）である、請求項１２記
    載の物品。
  14. 【請求項１４】 超合金基体がＩＮ７３８であり、ボン
    ドコートがＮｉＣｒＡｌＹであり、熱安定な拡散障壁層
    がイットリア安定化ジルコニアであり、ケイ素基セラミ
    ック材料がケイ素溶浸処理された炭化ケイ素（ＳｉＣ）
    繊維強化ケイ素／炭化ケイ素（Ｓｉ／ＳｉＣ）母材複合
    体からなる、請求項１２記載の物品。
  15. 【請求項１５】 超合金基体がルネ８０であり、ボンド
    コートがＮｉＣｒＡｌＹであり、熱安定な拡散障壁層が
    イットリア安定化ジルコニアであり、ケイ素基セラミッ
    ク材料がケイ素溶浸処理されたＳｉＣ繊維強化Ｓｉ／Ｓ
    ｉＣ母材複合体からなる、請求項１２記載の物品。
  16. 【請求項１６】 超合金基体がハステロイＸであり、ボ
    ンドコートがＮｉＣｒＡｌＹであり、熱安定な拡散障壁
    層がＡｌ2Ｏ3であり、ケイ素基セラミック材料がケイ素
    溶浸処理されたＳｉＣ繊維強化Ｓｉ／ＳｉＣ母材複合体
    からなる、請求項１２記載の物品。
  17. 【請求項１７】 超合金基体がハステロイＸであり、ボ
    ンドコートがＮｉＣｒＡｌＹであり、熱安定な拡散障壁
    層が酸化クロム（Ｃｒ2Ｏ3 ）であり、ケイ素基セラミ
    ック材料がケイ素溶浸処理された炭化ケイ素（ＳｉＣ）
    繊維強化ケイ素／炭化ケイ素（Ｓｉ／ＳｉＣ）母材複合
    体からなる、請求項１２記載の物品。
  18. 【請求項１８】 超合金基体がハステロイＸであり、ボ
    ンドコートがＮｉＣｒＡｌＹであり、熱安定な拡散障壁
    層がＴｉＯ2 であり、ケイ素基セラミック材料がケイ素
    溶浸処理された炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維強化ケイ素／
    炭化ケイ素（Ｓｉ／ＳｉＣ）母材複合体からなる、請求
    項１２記載の物品。
  19. 【請求項１９】 超合金基体及び熱安定な拡散障壁層が
    パックアルミナイド処理したＩＮ７３８であり、ケイ素
    基セラミック材料がケイ素溶浸処理された炭化ケイ素
    （ＳｉＣ）繊維強化ケイ素／炭化ケイ素（Ｓｉ／Ｓｉ
    Ｃ）母材複合体からなる、請求項１記載の物品。
  20. 【請求項２０】 超合金基体がハステロイＸであり、熱
    安定な拡散障壁層がムライトであり、ケイ素基セラミッ
    ク材料がケイ素溶浸処理された炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊
    維強化ケイ素／炭化ケイ素（Ｓｉ／ＳｉＣ）母材複合体
    からなる、請求項１記載の物品。
  21. 【請求項２１】 エンジン部品を構成する請求項１記載
    の物品。
  22. 【請求項２２】 エンジン部品が燃焼器又はシュラウド
    である、請求項２１記載の物品。
  23. 【請求項２３】 ケイ素劣化を受けやすい超合金；ケイ
    素溶浸処理された炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維強化ケイ素
    ／炭化ケイ素（Ｓｉ／ＳｉＣ）母材複合体；及び母材複
    合体から基体へのケイ素拡散を妨げるための、ムライト
    又はイットリア安定化ジルコニアを含んだ熱安定な拡散
    障壁層、を含んでなる被覆超合金構成部品。
  24. 【請求項２４】 物品の形成方法であって、当該方法
    が、超合金基体を形成し、この基体の上に熱安定な拡散
    障壁層を設け、さらに上記拡散障壁層及び基体の上にケ
    イ素基セラミック材料を担持することを含んでなり、上
    記拡散障壁層が上記セラミック材料から上記超合金基体
    へのケイ素拡散を実質的に妨げる、方法。
  25. 【請求項２５】 熱安定な拡散障壁層の基体への接着を
    高めるため、上記基体の上にＭＣｒＡｌＹ合金からなる
    ボンドコートを設けることをさらに含んでなる、請求項
    ２４記載の方法。
  26. 【請求項２６】 複合体の形成方法であって、当該方法
    が、超合金基体を形成し、この基体の上に熱安定な拡散
    障壁層を設け、さらに上記基体の上にケイ素基セラミッ
    ク材料を設けることを含んでなり、上記拡散障壁層が上
    記セラミック材料から上記基体へのケイ素拡散を実質的
    に妨げる、方法。
  27. 【請求項２７】 熱安定な拡散障壁層の基体への接着を
    高めるため、上記基体の上にＭＣｒＡｌＹ合金からなる
    ボンドコートを設けることをさらに含んでなる、請求項
    ２６記載の方法。
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