JP2002115081A - Method of forming aluminide containing active element as non-bonded and bonded coating and coated member - Google Patents

Method of forming aluminide containing active element as non-bonded and bonded coating and coated member

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JP2002115081A
JP2002115081A JP2000388097A JP2000388097A JP2002115081A JP 2002115081 A JP2002115081 A JP 2002115081A JP 2000388097 A JP2000388097 A JP 2000388097A JP 2000388097 A JP2000388097 A JP 2000388097A JP 2002115081 A JP2002115081 A JP 2002115081A
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イー.オルソン ウォルター
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a process of forming improved aluminum containing one or more kinds of oxygen activating elements. SOLUTION: A metallic base material is subjected to overlay coating (for example, MCrAL coating) containing >=1 kinds of the oxygen active elements (for example, yttrium, hafnium and silicon) by a general overlay process like low-pressure plasma thermal spraying. Metal (more preferably the transition metal of group VIII, as platinum) is applied by, for example, electroplating onto the base material. The base material is subjected to aluminization by, for example, chemical vapor deposition and is more preferably subjected to heat treatment in succession thereto. Further, thermally insulating ceramics is applied thereto. The aluminide coating containing the active elements having the stable composition and improved durability may be thereby obtained. Such coating may be utilized as the independent type coating and as the bonded coating for the thermally insulation coating to be applied in succession.

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、主に、耐酸化性お
よび耐腐食性を有するコーティングに関し、特に、1種
類あるいは複数の種類の活性元素を含有するとともに、
耐酸化性および耐腐食性が改善されたアルミナイドコー
ティングに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a coating having oxidation resistance and corrosion resistance, and more particularly to a coating containing one or more kinds of active elements.
The present invention relates to an aluminide coating having improved oxidation resistance and corrosion resistance.

【0002】[0002]

【従来の技術】オーバーレイコーティングは、下方にあ
る基板に高温での耐酸化性および耐腐食性を与えるため
に、単独形コーティングとして、もしくは、続いて施さ
れるセラミック断熱層のための付着性結合被覆として、
高温環境および腐食が起こる環境(例えばガスタービン
エンジン内部)において、広く利用されている。一般的
なオーバーレイコーティングは、MCr型、MCrAl
型もしくはMCrAlY型コーティングであり、このよ
うなコーティングは、ガプタ(Gupta)等に付与され、
本発明の出願人が所有している米国特許第4,585,
481号および再発行特許第32,121号に開示され
ている。Mは、ニッケル、コバルト、鉄およびこれらの
元素を組み合わせたものからなる群から選択されたもの
である。Yは、通常、イットリウムを意味するが、シリ
コンおよび/または他の活性元素(例えばハフニウム)
もこれに含まれる。オーバーレイコーティングは、必ず
しもそれに限られないが、一般的に、プラズマ溶射によ
って施される。例えば、米国特許第4,321,311
号、米国特許第4,585,481号および再発行特許
第32,121号を参照されたい。他の方法によって、
オーバーレイコーティングを施すことも可能である。こ
の方法として、電子ビーム物理蒸着、化学蒸着、陰極ア
ークおよび電気めっきが含まれるが、これらに制限され
るわけではない。結合被覆の厚さは、特定の組成および
用途によって変えることができるが、図示されている結
合コーティングの厚さは、通常、約5ミルより小さい。
しかし、コーティングの厚さをこれより大きく、もしく
は小さくする場合もある。
BACKGROUND OF THE INVENTION Overlay coatings are used to provide the underlying substrate with oxidation and corrosion resistance at elevated temperatures, either as a stand-alone coating or as an adhesive bond for a subsequently applied ceramic insulation layer. As a coating,
It is widely used in high temperature environments and environments where corrosion occurs (eg, inside gas turbine engines). Common overlay coatings are MCr type, MCrAl
Or MCrAlY type coatings, such coatings are applied to gupta or the like,
U.S. Pat. No. 4,585,585, owned by the assignee of the present invention.
481 and Reissue Patent No. 32,121. M is selected from the group consisting of nickel, cobalt, iron and combinations of these elements. Y usually means yttrium, but silicon and / or other active elements (eg hafnium)
This is also included in this. The overlay coating is generally, but not necessarily, applied by plasma spraying. For example, US Pat. No. 4,321,311
See U.S. Patent No. 4,585,481 and Reissue Patent No. 32,121. By other methods,
It is also possible to apply an overlay coating. This method includes, but is not limited to, electron beam physical vapor deposition, chemical vapor deposition, cathodic arc and electroplating. Although the thickness of the bond coat can vary depending on the particular composition and application, the bond coat thickness shown is typically less than about 5 mils.
However, the coating thickness may be larger or smaller.

【0003】アルミナイドコーティングもまた、下方に
ある基板に高温での耐酸化性および耐腐食性を与えるた
めに、単独形コーティングとして、もしくは、続いて施
されるセラミック断熱層のための付着性結合被覆とし
て、高温の環境および腐食し易い環境(例えばガスター
ビンエンジン内部)で利用されている。ある種のアルミ
ナイドコーティングは、さらに、1種類あるいは複数の
種類の貴金属を含んでおり、これによって、耐浸食性お
よび/または耐腐食性が向上されている。例えば、マー
フィー(Murphy)に付与された米国特許第5,856,
027号を参照されたい。このような貴金属を含むアル
ミナイドコーティングは、一般的に、容器プロセスもし
くは化学蒸着(CVD)によって施される。一般的な
「容器」プロセスでは、通常、コーティングされるべき
部材がまず貴金属により電気めっきされ、続いて、アル
ミニウム、活性剤(例えばハロゲン化物)および不活性
材料(例えばアルミナ)のソースを収容している容器の
内部に配置される。続いて、容器および部材が加熱され
ることによって、気体状のアルミニウムが発生し、これ
が部材内のニッケルもしくはコバルトと反応してアルミ
ナイドが形成される。コーティングにさらに熱処理を行
うことによって、所望の特性を有するコーティングを形
成することができる。一般的なCVDプロセスでは、個
々の発生装置によって気体状アルミニウムが発生され、
このアルミニウム気体がチャンバ内のコーティングされ
るべき加熱された部材へと送られる。アルミニウム気体
は、部材内のニッケルもしくはコバルトと反応してアル
ミナイドとなる。
[0003] Aluminide coatings have also been used to provide the underlying substrate with oxidation and corrosion resistance at elevated temperatures, either as a stand-alone coating or as an adhesive bond coating for a subsequently applied ceramic thermal barrier. Are used in high-temperature environments and in environments that are easily corroded (for example, inside gas turbine engines). Certain aluminide coatings further include one or more noble metals, which provide improved erosion and / or corrosion resistance. For example, U.S. Patent No. 5,856 to Murphy
See No. 027. Such noble metal-containing aluminide coatings are typically applied by a container process or chemical vapor deposition (CVD). In a typical "container" process, the component to be coated is usually first electroplated with a noble metal, followed by a source containing aluminum, an activator (eg, a halide) and an inert material (eg, alumina). Placed inside the container. Subsequently, the container and the member are heated to generate gaseous aluminum, which reacts with nickel or cobalt in the member to form an aluminide. By subjecting the coating to additional heat treatment, a coating having desired properties can be formed. In a typical CVD process, gaseous aluminum is generated by individual generators,
This aluminum gas is sent to the heated member in the chamber to be coated. The aluminum gas reacts with nickel or cobalt in the member to form an aluminide.

【0004】一般的に、活性元素を含有するアルミナイ
ドを一貫して高品質に形成することは困難であると考え
られている。さらに、一般的に、複数の種類の活性元素
を含有するアルミナイドコーティングを一定に形成する
ことは、いずれにせよ困難であると考えられている。
[0004] It is generally considered that it is difficult to consistently form high quality aluminides containing active elements. Moreover, it is generally considered that it is generally difficult to form a constant aluminide coating containing a plurality of types of active elements.

【0005】多数の特許に、様々なオーバーレイコーテ
ィングおよびアルミナイドコーティングの組成およびプ
ロセスが開示されている。これらの特許の例を、以下に
示す。
A number of patents disclose various overlay coatings and aluminide coating compositions and processes. Examples of these patents are shown below.

【0006】米国再発行特許32,121号には、プラ
ズマ溶射によるMCrAl型(Mには、ニッケル、コバ
ルトおよびこれらを組み合わせたものが含まれる)の結
合コーティングが開示されており、このMCrAlは、
約0.1〜0.7%のシリコンおよび0.1〜2%のハ
フニウムを含むものである。
US Pat. No. Re. 32,121 discloses a bond coating of the MCrAl type (M includes nickel, cobalt and combinations thereof) by plasma spraying, the MCrAl comprising:
About 0.1-0.7% silicon and 0.1-2% hafnium.

【0007】米国特許第4,897,315号には、プ
ラズマ溶射によるNiCoCrAlYオーバーレイが開
示されており、このオーバーレイが続いてアルミナ化さ
れることによって、基板状にアルミナイドコーティング
が形成されるようになっている。
US Pat. No. 4,897,315 discloses a NiCoCrAlY overlay by plasma spraying, which is subsequently aluminized so that an aluminide coating is formed on the substrate. ing.

【0008】米国特許第5,658,614号には、プ
ラチナを基板上に電気めっきし、続いてCVDによりア
ルミナ化することにより形成されるプラチナアルミナイ
ドコーティング(MCrAlが施されないもの)が開示
されている。
US Pat. No. 5,658,614 discloses a platinum aluminide coating (without MCrAl) formed by electroplating platinum on a substrate and then aluminizing by CVD. I have.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】本発明の主な目的は、
特性が改善されたコーティングを提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION The main object of the present invention is to:
It is to provide a coating with improved properties.

【0010】他の目的は、アルミナイドコーティング、
および耐性が改善されたアルミナイドを施すためのプロ
セスを提供することである。
Another object is aluminide coating,
And to provide a process for applying an aluminide with improved resistance.

【0011】さらに他の目的は、活性元素を含有し、か
つ一貫して高品質のアルミナイドコーティングを形成す
るためのプロセスを提供することである。
Yet another object is to provide a process for forming an aluminide coating containing active elements and consistently of high quality.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明の1つの形態によ
ると、基板の耐腐食性および耐酸化性を改善する方法が
開示されている。この方法では、超合金基板を形成し、
続いて、オーバーレイステップによって、少なくとも1
種類の酸素活性元素を含有しているオーバーレイコーテ
ィングをこの基板上に施す。プラチナや他のVIII族
の遷移金属をオーバーレイコーティングの上に施す。続
いて、例えば化学蒸着によって、オーバーレイコーティ
ングおよび金属を、アルミナ化する。セラミック断熱コ
ーティングをさらに施すことが可能である。コーティン
グされた部材もまた、開示されている。
According to one aspect of the present invention, a method for improving the corrosion and oxidation resistance of a substrate is disclosed. In this method, a superalloy substrate is formed,
Subsequently, at least one
An overlay coating containing various oxygen active elements is applied on the substrate. Platinum and other Group VIII transition metals are applied over the overlay coating. Subsequently, the overlay coating and the metal are aluminized, for example by chemical vapor deposition. A further ceramic thermal barrier coating can be applied. Coated members are also disclosed.

【0013】[0013]

【発明を実施するための最良の形態】ここで図1に戻る
と、本発明のアルミナイドコーティングを備えた基板
が、参照符号10によって示されている。このコーティ
ングは、例えば高温での耐酸化性を得るための単独形コ
ーティング、もしくは、セラミック材料(例えば安定化
ジルコニア)の層といった次に施される断熱層のための
付着性結合コーティングとして利用することができる。
図1に示された実施例では、セラミック層がアルミナイ
ドの上に施されて断熱層を構成している。このセラミッ
ク層として、ストラングマンに付与された米国特許第
4,321,311号、もしくはマロニーの米国特許出
願09/164,700号に開示されているような安定
化ジルコニアを用いることができる。これらの特許は、
本発明の出願人が所有しており、この点について明確に
開示している。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Turning now to FIG. 1, a substrate with an aluminide coating of the present invention is indicated by the reference numeral 10. The coating may be used as a stand-alone coating, for example, to provide oxidation resistance at elevated temperatures, or as an adhesive bond coating for a subsequent thermal barrier, such as a layer of ceramic material (eg, stabilized zirconia). Can be.
In the embodiment shown in FIG. 1, a ceramic layer is applied over the aluminide to form a thermal insulation layer. The ceramic layer can be a stabilized zirconia as disclosed in U.S. Pat. No. 4,321,311 to Strangman or U.S. Patent Application No. 09 / 164,700 to Maloney. These patents are:
It is owned by the assignee of the present invention and expressly discloses this point.

【0014】基板12は、通常、ニッケル、コバルトお
よび/または鉄をベースとした超合金材料である。図2
を参照しながら以下でより詳しく説明するように、MC
rAl型コーティングのようなオーバーレイコーティン
グ14を、好ましくは、低圧プラズマ溶射により、1種
類あるいは複数の種類の酸素活性元素(oxygen active
element)(例えば、ハフニウム、イットリウム、シリ
コンなど)とともに、最初に基板に施す。続いて、金属
(例えば、プラチナのようなVIII属の遷移金属)
を、好ましくは電気めっきにより施し、続いて、アルミ
ナ化して付着性アルミナ層16を形成する。さらに、こ
の部材に熱処理を行うことによって、このコーティング
が、所望の特性(例えば、改善された機械的特性)を有
するものとする。図3に示されているように、本発明に
よって、特性(例えば、耐腐食性、耐酸化性および耐
性)が従来のコーティングよりも改善されたコーティン
グが得られる。以下に示された発明には、ニッケルベー
ス、コバルトベースもしくは鉄ベースの超合金材料が利
用されているが、本発明は、これらの材料を使用したも
のに制限されない。
Substrate 12 is typically a nickel, cobalt and / or iron based superalloy material. FIG.
As described in more detail below with reference to
An overlay coating 14, such as an rAl-type coating, is coated with one or more oxygen active elements, preferably by low pressure plasma spraying.
element) (eg, hafnium, yttrium, silicon, etc.) first on the substrate. Subsequently, a metal (eg, a transition metal of Group VIII such as platinum)
, Preferably by electroplating, followed by aluminization to form an adherent alumina layer 16. In addition, heat treating the component results in the coating having desired properties (eg, improved mechanical properties). As shown in FIG. 3, the present invention results in coatings having improved properties (eg, corrosion resistance, oxidation resistance and resistance) over conventional coatings. Although the inventions described below utilize nickel-based, cobalt-based, or iron-based superalloy materials, the invention is not limited to the use of these materials.

【0015】このような合金の一般的な組成が表1に示
されている。円柱状結晶合金、単結晶合金および方向付
けられて固化された合金について開示している米国特許
の例として、第4,209,348号、第4,717,
432号、4,719,080号および第5,068,
084号が挙げられるが、これらは、それぞれ、この点
について明確に開示している。冷却孔は、タービンブレ
ードの1つあるいは複数の位置に配置することが可能で
あるが、従来技術において周知のように、このような冷
却孔を設けることによって、運転中に、エアロフォイル
の特定の部分に亘って冷却空気を流すことができる。
The general composition of such an alloy is shown in Table 1. Examples of U.S. Patents that disclose columnar crystal alloys, single crystal alloys and oriented solidified alloys include U.S. Pat. Nos. 4,209,348 and 4,717,
Nos. 432, 4,719,080 and 5,068,
No. 084, each of which explicitly discloses this point. The cooling holes may be located at one or more locations on the turbine blade, but as is well known in the art, providing such cooling holes allows for the specific formation of the airfoil during operation. Cooling air can flow over the part.

【0016】[0016]

【表1】 [Table 1]

【0017】他の合金として、例えば、従来技術に記載
されているレーンN4(Rane N4)およびCMSX−2が
挙げられる。
Other alloys include, for example, Rane N4 and CMSX-2 described in the prior art.

【0018】通常、活性元素を、例えばMCr型やMC
rAl型のオーバーレイコーティングの一部として、一
般的なオーバーレイプロセスによって施す。このとき、
他の元素を取り入れることも可能であり、もしくはこれ
を取り入れないことも可能である。本発明では、MCr
Alのようなオーバーレイコーティングを、低圧プラズ
マ溶射といった一般的なオーバーレイプロセスによって
基板表面に施す。他の方法によってオーバーレイを施す
ことも可能である。この方法として、例えば、電子ビー
ム物理蒸着、陰極アーク、電気めっき、スパッタおよび
物理蒸着が挙げられるが、これらに制限されるわけでは
ない。周知のように、Mは、ニッケル、コバルト、鉄お
よびこれらの混合物を意味する。結合コーティングに
は、少なくとも1種類の酸素活性元素(例えば、イット
リウム、ハフニウム、シリコンなど)が含まれることが
好ましい。本発明のオーバーレイコーティングは、施さ
れた状態で、厚さが約1〜5ミル(0.001〜0.0
05インチ)(0.0254〜0.127mm)である
ことが好ましいが、このコーティングの厚さを別の大き
さにすることも可能である。
Usually, the active element is, for example, MCr type or MC
As part of the rAl type overlay coating, it is applied by a common overlay process. At this time,
It is possible to incorporate other elements or not. In the present invention, MCr
An overlay coating such as Al is applied to the substrate surface by a common overlay process such as low pressure plasma spraying. The overlay can be applied by other methods. This method includes, but is not limited to, e.g., electron beam physical vapor deposition, cathodic arc, electroplating, sputtering and physical vapor deposition. As is well known, M means nickel, cobalt, iron and mixtures thereof. Preferably, the bond coating includes at least one oxygen active element (eg, yttrium, hafnium, silicon, etc.). The overlay coating of the present invention, when applied, has a thickness of about 1-5 mils (0.001-0.07 mil).
Preferably, the thickness of the coating can be different.

【0019】成功的に利用されているオーバーレイコー
ティング(以下で、さらに例に挙げられる)の例とし
て、Y、Hfおよび/またはSiが添加されたNiCo
CrAlコーティングが挙げられる。広義の形態では、
このようなコーティングは、約5〜40wt.%のC
r、約8〜35wt.%のAl、約2wt.%までの
Y、約0.1〜7wt.%のSi、約0.1〜5.5w
t.%のHfおよび残量分のNiおよび/またはCoか
らなる。
As an example of an overlay coating that has been successfully utilized (further exemplified below), NiCo doped with Y, Hf and / or Si
CrAl coating. In a broader form,
Such coatings may have about 5-40 wt. % C
r, about 8 to 35 wt. % Al, about 2 wt. % Y, about 0.1-7 wt. % Si, about 0.1 to 5.5 w
t. % Hf and the remaining amount of Ni and / or Co.

【0020】続いて、1種類もしくは複数の種類のVI
II族の遷移金属を、MCrAlコーティングの上に堆
積する。コーティングは、最終的に、このような金属
(例えば、Pt)を約1〜30wt.%、より好ましく
は約5〜20wt.%含有すべきであると考えられてお
り、以下で述べるように、約10〜11wt.%のPt
を含んでいる場合に、良好な結果が得られた。このよう
な金属は、周知の方法で電気めっきにより堆積すること
が好ましいが、遷移金属をオーバーレイコーティングと
同時に施すこともできることは、当業者であれば気づく
だろう。金属を約0.05〜0.15ミル(0.001
27〜0.00381mm)の厚さにめっきすることに
よって、コーティングの最終的な遷移金属の含有量が、
上述した所望の量となる。本発明にはプラチナを利用す
ることが好ましいが、他の金属(例えば、パラジウム、
イリジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミウム、およ
びこれらの元素を組み合わせたもの)を利用することも
可能である。めっきプロセスは、一般的に周知であるた
め、本願では詳細に説明しない。代わりの実施例とし
て、噴射蒸着(jet vapor deposition)(JDP)、陰
極アーク、もしくはCVDによって、このような金属を
施すことも可能である。噴射蒸着については、これにつ
いて開示している例えば米国特許第4,788,082
号やジェットプロセスコーポレイション社(Jet Proces
s Corporation)に譲渡された他の特許を参照された
い。
Subsequently, one or more types of VIs
A Group II transition metal is deposited over the MCrAl coating. The coating ultimately comprises about 1 to 30 wt. %, More preferably about 5-20 wt. %, And as described below, about 10-11 wt. % Pt
, Good results were obtained. Such metals are preferably deposited by electroplating in a well-known manner, but those skilled in the art will recognize that the transition metal can be applied simultaneously with the overlay coating. Metal is added to about 0.05-0.15 mil (0.001
27-0.00381 mm), the final transition metal content of the coating is
This is the desired amount described above. Although the present invention preferably utilizes platinum, other metals (eg, palladium,
It is also possible to use iridium, rhodium, ruthenium, osmium and combinations of these elements). The plating process is generally well known and will not be described in detail herein. As an alternative embodiment, such a metal can be applied by jet vapor deposition (JDP), cathodic arc or CVD. For example, US Pat. No. 4,788,082 discloses jet vapor deposition.
And Jet Process Corporation (Jet Proces
See, e.g., U.S. Pat.

【0021】続いて、アルミニウムがこの部分に施され
る。この部分をアルミナ化するのに化学蒸着を用いるこ
とが好ましいが、物理蒸着や他の適した堆積法を利用す
ることも可能である。CVDによるアルミナ化工程は一
般的に周知であるため、本願では詳細には説明しない
が、コーティングガスには、水素といったキャリアガス
が数vol.%、およびアルミニウムコーティングガス
が幾らか(Vol.%)含まれる。アルミニウムコーテ
ィングガスは、キャリアガスをアルミニウムソースに通
すことによって形成することができる。この部分の表面
上に所定量のアルミニウムが施されるように、上述した
工程を所望どおりに調節する。続いて、通常、約180
0〜2200°F(約982〜1204℃)、好ましく
は約1950〜2000°F(約1066〜1093
℃)にまで基板が加熱された状態で、アルミニウムコー
ティングガスを、所定の移送速度でこの加熱された基板
の上に衝突させる。
Subsequently, aluminum is applied to this part. Preferably, chemical vapor deposition is used to aluminize this portion, but it is also possible to use physical vapor deposition or other suitable deposition methods. The aluminization step by CVD is generally well known and will not be described in detail in the present application. % And some aluminum coating gas (Vol.%). The aluminum coating gas can be formed by passing a carrier gas through an aluminum source. The above process is adjusted as desired so that a predetermined amount of aluminum is applied to the surface of this portion. Subsequently, usually about 180
0-2200 ° F (about 982-1204 ° C), preferably about 1950-2000 ° F (about 1066-1093).
With the substrate heated to (.degree. C.), an aluminum coating gas impinges on the heated substrate at a predetermined transfer rate.

【0022】アルミナ化の後、被覆された部分に拡散熱
処理を行う。しかし、拡散熱処理が不要の場合もある。
上述した例を使用した場合、拡散熱処理では、好ましく
は、十分な時間(例えば3時間)、部材を通常約197
5°F(約1079℃)の温度に加熱し、続いて、例え
ば約1600°F(約871℃)で約16時間、析出熱
処理(precipitation heat treatment)を行う。温度お
よび時間は、組成および所望の性質によって変化させる
ことができ、概して、高温にするほど時間を短縮するこ
とができる。形成されたコーティングが図1に示されて
おり、このコーティングには、粒子が円柱状のセラミッ
ク断熱層が続いて施されている。
After aluminization, the coated portion is subjected to diffusion heat treatment. However, in some cases, diffusion heat treatment is unnecessary.
Using the example described above, the diffusion heat treatment is preferably carried out for a sufficient period of time (eg, 3 hours), and the member is typically about 197
Heat to a temperature of 5 ° F. (about 1079 ° C.), followed by a precipitation heat treatment, for example, at about 1600 ° F. (about 871 ° C.) for about 16 hours. Temperatures and times can vary depending on composition and desired properties, and generally higher temperatures can reduce times. The coating formed is shown in FIG. 1, which is followed by a ceramic insulation layer with cylindrical particles.

【0023】上述したように、本発明のコーティング
は、単独形コーティング、もしくは、続いて施されるセ
ラミック断熱コーティングのための接着被覆として利用
できる。一般的なセラミックは、ジルコニアをベースと
し、イットリアもしくは他の適した安定剤を添加するこ
とによって、部分的もしくは完全に安定化させることが
可能なものである。イットリア安定化ジルコニア(YS
Z)からなるセラミックコーティングの例は、例えば、
本発明の出願人が所有する米国特許第4,321,31
1号および第5,262,245号に開示されている。
このようなセラミックは、EB−PVD、プラズマ溶射
もしくは他の適した方法によって施すことができる。
As mentioned above, the coating of the present invention can be used as a stand-alone coating or as an adhesive coating for a subsequently applied ceramic thermal barrier coating. Typical ceramics are based on zirconia and can be partially or completely stabilized by adding yttria or other suitable stabilizers. Yttria stabilized zirconia (YS
Examples of ceramic coatings consisting of Z) are, for example,
U.S. Pat. No. 4,321,31 owned by the assignee of the present invention.
No. 1 and 5,262,245.
Such ceramics can be applied by EB-PVD, plasma spraying or other suitable methods.

【0024】本発明に従って超合金基板を用いてサンプ
ルを形成し、これらのうちの幾つかのサンプルには、標
準的なジルコニアベースの円柱状断熱コーティングをさ
らに施した。上述したようなオーバーレイコーティング
は、低圧プラズマ溶射によって施し、続いて周知の方法
でプラチナによりめっきした。これらのサンプルを、約
80Vol.%のキャリアガス(例えば水素)および約
20Vol.%のアルミニウムコーティングガス(この
場合はAlCl3)を含むコーティングガスを用いてア
ルミナ化した。コーティングガスは、HClを約600
℃のアルミニウムのソースに通すことによって形成し
た。基板が約1950〜2000°F(約1066〜1
093℃)の公称温度に加熱された状態で、このような
コーティングガスを、約224標準立方フィート/分の
移送速度で、この加熱された基板の上に衝突させた。続
いて、幾つかのサンプルには、例えば以上で参照され
た、ストラングマンの特許‘311号に記載されている
ようにイットリア安定化ジルコニアからなるセラミック
断熱コーティングを施し、残りのサンプルには、このよ
うなセラミックコーティングを施さずに、試験を行っ
た。
Samples were formed using a superalloy substrate according to the present invention, some of which were further provided with a standard zirconia-based cylindrical thermal barrier coating. The overlay coating as described above was applied by low pressure plasma spraying and subsequently plated with platinum in a known manner. These samples were prepared at approximately 80 Vol. % Carrier gas (eg hydrogen) and about 20 Vol. % Alumina coating gas (in this case, AlCl 3 ). The coating gas is HCl of about 600
Formed by passing through a source of aluminum at ℃. The substrate is about 1950-2000 ° F (about 1066-1
While heated to a nominal temperature of (093 ° C.), such a coating gas was impinged on the heated substrate at a transfer rate of about 224 standard cubic feet / minute. Subsequently, some samples were provided with a ceramic thermal barrier coating of yttria-stabilized zirconia, for example as described in the above-referenced Strangman '311, and the remaining samples were coated with this material. The test was performed without such a ceramic coating.

【0025】本発明に従って被覆された部材を、バーナ
ー式掘削装置(burner rig)によって試験した。断熱層
が続いて施されたサンプルについて行われた試験によっ
て、本発明のコーティングの耐性が、現在のTBCの2
〜3倍であることが分かった。本発明に従って被覆され
た部材を、単独形コーティング(例えば、オーバーレイ
コーティングが施されないセラミック層)としても試験
したが、同様に、保護能力(protection)および耐性が
改善されていることが分かった。
The parts coated according to the invention were tested on a burner rig. Tests performed on samples subsequently applied with a thermal barrier have shown that the resistance of the coatings according to the invention is 2% of the current TBC.
It was found to be ~ 3 times. Parts coated in accordance with the present invention were also tested as a single coating (eg, a ceramic layer without an overlay coating) and found to have improved protection and resistance as well.

【0026】これらのサンプルを、さらに、高温のバー
ナー式掘削装置によって試験した。この試験では、1サ
イクル毎に、標準的なプラチナアルミナイドとともに、
117分間2150°F(約1177℃)に露出させ、
続いて3分間冷却空気に露出させた。本発明に従って形
成されたサンプルは、標準的なアルミナイドが施された
サンプルよりも、寿命が約2.5倍も改善されていた。
The samples were further tested on a hot burner rig. In this test, every cycle, along with a standard platinum aluminide,
Exposure to 2150 ° F (117 ° C) for 117 minutes,
Subsequently, it was exposed to cooling air for 3 minutes. Samples formed in accordance with the present invention had approximately 2.5 times longer life than standard aluminide-treated samples.

【0027】試験の結果から、本発明により最終的に得
られるコーティングの組成は、Ptが約1〜30wt.
%、Siが約2〜4.5wt.%、Alが約13〜14
wt.%、Hfが1〜5.5wt.%、およびNi、C
oおよびCrが残量分であり、より好ましくは、Ptが
約10〜11wt.%、Siが約2.6〜4.2wt.
%、Alが約13.4〜13.6wt.%、Hfが3.
9〜5.3wt.%、およびNi、CoおよびCrが残
量分であると考えられる。他の組成によっても、存続期
間が、周知のアルミナイドコーティングよりもはるかに
改善されるはずである(断熱コーティングを施した場合
も施さない場合も)。
According to the test results, the composition of the coating finally obtained by the present invention has a Pt of about 1 to 30 wt.
%, About 2 to 4.5 wt. %, Al is about 13-14
wt. %, Hf is 1 to 5.5 wt. %, And Ni, C
o and Cr are the remaining amounts, and more preferably, Pt is about 10-11 wt. %, About 2.6 to 4.2 wt.
%, Al is about 13.4-13.6 wt. %, Hf is 3.
9 to 5.3 wt. % And Ni, Co and Cr are considered to be the remaining amount. Other compositions should have a much improved lifetime (with or without a thermal barrier coating) over known aluminide coatings.

【0028】本発明によって、従来のプロセスよりも大
きな利点が得られる。この改善されたプロセスによっ
て、活性元素を含有し、かつ組成が非常に安定したアル
ミナイドコーティングを形成することが可能となり、こ
れによって、特性を非常に安定させるとともに耐性を改
善することができる。得られるコーティングの耐性も、
同様に改善される。
The present invention provides significant advantages over conventional processes. This improved process makes it possible to form aluminide coatings containing active elements and having a very stable composition, whereby the properties can be made very stable and the resistance can be improved. The resistance of the resulting coating,
It will be improved as well.

【0029】本発明は、以上で詳細に説明されたが、本
発明の主旨および請求項の範囲から逸脱することなく、
大きな変更および置き換えも可能である。従って、本発
明は、実施例により説明され、これに制限されるもので
はないことは理解すべきである。
While the present invention has been described in detail, it has been described without departing from the spirit of the invention and the scope of the appended claims.
Major changes and replacements are also possible. Accordingly, it is to be understood that the present invention has been described by way of example and not limitation.

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

【図1】セラミックコーティングを有する本発明のコー
ティングの顕微鏡写真。
FIG. 1 is a micrograph of a coating of the present invention having a ceramic coating.

【図2】本発明のコーティングを形成するための好適な
プロセスの流れ図。
FIG. 2 is a flow chart of a preferred process for forming the coating of the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者 ウォルター イー.オルソン アメリカ合衆国,コネチカット,ヴァーノ ン,ウィンディング ブルック トレイル 46 (72)発明者 デイヴィッド エヌ.デゥール アメリカ合衆国,コネチカット,ニューイ ントン,ビーコン ストリート 31 Fターム(参考) 3G002 EA05 EA06 EA08 4K024 AA12 AA15 AB02 AB03 AB15 AB19 BA01 BB01 DA10 DB01 DB10 GA04 GA16 4K031 AA02 AB02 AB08 CB22 CB26 CB27 DA04 FA01 FA06 4K044 AA06 BA02 BA06 BA08 BA10 BA12 BB04 BC11 CA11 CA13 CA14 CA18 CA62 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) F01D 5/28 F01D 5/28 F02C 7/00 F02C 7/00 C (72) Inventor Walter E. Olson United States, Connecticut, Vernon, Winding Brook Trail 46 (72) Inventor David N. Dale United States, Connecticut, Newington, Beacon Street 31F Term (Reference) 3G002 EA05 EA06 EA08 4K024 AA12 AA15 AB02 AB03 AB15 AB19 BA01 BB01 DA10 DB01 DB10 GA04 GA16 4K031 AA02 AB02 AB08 CB22 CB26 CB27 DA04 FA01 BA06 BA06 BA06 BA04 BA12 BB04 BC11 CA11 CA13 CA14 CA18 CA62

Claims (33)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基材の耐腐食性および耐酸化性を改善す
る方法であって、 超合金基材を形成するステップと、 オーバーレイステップによって、少なくとも1種類の酸
素活性元素を含有するMCrAlオーバーレイコーティ
ングを前記基板上に施すステップと、 VIII族の遷移金属を前記オーバーレイコーティング
の上に施すステップと、 前記オーバーレイコーティングおよび前記金属をアルミ
ナ化するステップと、を含むことを特徴とする方法。
1. A method for improving the corrosion and oxidation resistance of a substrate, comprising: forming a superalloy substrate; and overlaying the MCrAl overlay coating containing at least one oxygen active element by an overlay step. Applying a Group VIII transition metal onto the overlay coating; and aluminizing the overlay coating and the metal.
【請求項2】 前記オーバーレイコーティングは、公称
的に、約5〜40wt.%のCr、約8〜35wt.%
のAl、約2%までのY、約0.1〜7wt.%のS
i、約0.1〜5.5wt.%のHfおよび残量分のN
iおよび/またはCoからなることを特徴とする請求項
1記載の方法。
2. The method of claim 1, wherein the overlay coating is nominally about 5-40 wt. % Cr, about 8 to 35 wt. %
Al, up to about 2% Y, about 0.1-7 wt. % S
i, about 0.1-5.5 wt. % Hf and remaining amount N
2. The method according to claim 1, comprising i and / or Co.
【請求項3】 前記の少なくとも1種類の酸素活性元素
を含有するオーバーレイコーティングを施すステップ
は、プラズマ溶射、低圧プラズマ溶射、スパッタ、陰極
アーク、電気めっきおよび物理蒸着からなる群から選択
したプロセスによって行うことを特徴とする請求項1記
載の方法。
3. The step of applying the overlay coating containing at least one oxygen active element is performed by a process selected from the group consisting of plasma spraying, low pressure plasma spraying, sputtering, cathodic arc, electroplating and physical vapor deposition. The method of claim 1, wherein:
【請求項4】 前記の遷移金属を施すステップは、電気
めっき、噴射蒸着(jet vapor deposition)、物理蒸
着、スパッタおよび陰極アークからなる群から選択した
プロセスによって、行うことを特徴とする請求項1記載
の方法。
4. The method of claim 1, wherein the step of applying the transition metal is performed by a process selected from the group consisting of electroplating, jet vapor deposition, physical vapor deposition, sputter, and cathodic arc. The described method.
【請求項5】 前記のアルミナ化するステップは、化学
蒸着、噴射蒸着(jetvapor deposition)、および物理
蒸着からなる群から選択したプロセスによって行うこと
を特徴とする請求項1記載の方法。
5. The method of claim 1, wherein said aluminizing step is performed by a process selected from the group consisting of chemical vapor deposition, jet vapor deposition, and physical vapor deposition.
【請求項6】 前記VIII族の遷移金属は、プラチ
ナ、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウムお
よびオスミウムからなる群から選択したものであること
を特徴とする請求項1記載の方法。
6. The method of claim 1, wherein said Group VIII transition metal is selected from the group consisting of platinum, palladium, iridium, rhodium, ruthenium and osmium.
【請求項7】 前記金属は、プラチナであることを特徴
とする請求項6記載の方法。
7. The method of claim 6, wherein said metal is platinum.
【請求項8】 前記部材に熱処理を行うステップを含む
ことを特徴とする請求項1記載の方法。
8. The method of claim 1, including the step of subjecting said member to a heat treatment.
【請求項9】 前記アルミナイドの上に、断熱セラミッ
クを堆積するステップを含むことを特徴とする請求項1
記載の方法。
9. The method according to claim 1, further comprising the step of depositing a thermal insulating ceramic on said aluminide.
The described method.
【請求項10】 前記セラミックは、安定化ジルコニア
からなることを特徴とする請求項1記載の方法。
10. The method of claim 1, wherein said ceramic comprises stabilized zirconia.
【請求項11】 基材の耐酸化性を改善する方法であっ
て、 ニッケルおよび/またはコバルトをベースとする超合金
材料からなる基材を形成するステップと、 低圧プラズマ溶射によって、少なくとも1種類の酸素活
性元素を含有するオーバーレイコーティングを前記基板
上に施すステップと、 電気めっきによって、VIII族の遷移金属を前記基板
の上に施すステップと、 前記の結合コーティング、前記の少なくとも1種類の酸
素活性元素および前記金属を化学蒸着によりアルミナ化
して、前記基板上にアルミナイドを形成するステップ
と、を含むことを特徴とする方法。
11. A method for improving the oxidation resistance of a substrate, comprising: forming a substrate comprising a nickel and / or cobalt based superalloy material; Applying an overlay coating containing an oxygen-active element on the substrate; applying a Group VIII transition metal on the substrate by electroplating; the bonding coating; the at least one oxygen-active element And aluminizing the metal by chemical vapor deposition to form an aluminide on the substrate.
【請求項12】 前記オーバーレイコーティングは、イ
ットリウム、ハフニウムおよび/またはシリコンを含む
ことを特徴とする請求項11記載の方法。
12. The method according to claim 11, wherein the overlay coating comprises yttrium, hafnium and / or silicon.
【請求項13】 前記オーバーレイコーティングは、公
称的に、約5〜40wt.%のCr、約8〜35wt.
%のAl、約2%までのY、約0.1〜7wt.%のS
i、約0.1〜5.5wt.%のHfおよび残量分のN
iおよび/またはCoからなることを特徴とする請求項
11記載の方法。
13. The overlay coating, wherein the overlay coating is nominally about 5-40 wt. % Cr, about 8 to 35 wt.
% Al, up to about 2% Y, about 0.1-7 wt. % S
i, about 0.1-5.5 wt. % Hf and remaining amount N
The method according to claim 11, comprising i and / or Co.
【請求項14】 前記金属は、プラチナ、パラジウム、
イリジウム、ロジウム、ルテニウムおよびオスミウムか
らなる群から選択したものであることを特徴とする請求
項11記載の方法。
14. The metal according to claim 11, wherein the metal is platinum, palladium,
The method of claim 11, wherein the method is selected from the group consisting of iridium, rhodium, ruthenium, and osmium.
【請求項15】 前記金属は、プラチナであることを特
徴とする請求項11記載の方法。
15. The method of claim 11, wherein said metal is platinum.
【請求項16】 前記部材に熱処理を行うステップを含
むことを特徴とする請求項11記載の方法。
16. The method of claim 11, including the step of subjecting the member to a heat treatment.
【請求項17】 前記アルミナイドの上に、断熱セラミ
ックを堆積するステップを含むことを特徴とする請求項
11記載の方法。
17. The method of claim 11, including depositing a thermal insulating ceramic over said aluminide.
【請求項18】 前記セラミックは、安定化ジルコニア
からなることを特徴とする請求項11記載の方法。
18. The method of claim 11, wherein said ceramic comprises stabilized zirconia.
【請求項19】 耐腐食性、耐酸化性および耐性が改善
されたコーティングを有する超合金部材であって、 超合金基材を形成するステップと、 オーバーレイプロセスによって、少なくとも1種類の酸
素活性元素を含有するオーバーレイコーティングを前記
基板上に施すステップと、 金属を前記オーバーレイコーティングの上に施すステッ
プと、 前記オーバーレイコーティングおよび前記金属をアルミ
ナ化するステップと、を含むことを特徴とする超合金部
材。
19. A superalloy member having a coating with improved corrosion resistance, oxidation resistance and resistance, comprising: forming a superalloy substrate; and overlaying at least one oxygen active element by an overlay process. A superalloy member comprising the steps of: applying an overlay coating containing the coating on the substrate; applying a metal over the overlay coating; and aluminizing the overlay coating and the metal.
【請求項20】 前記オーバーレイコーティングは、公
称的に、約5〜40wt.%のCr、約8〜35wt.
%のAl、約2%までのY、約0.1〜7wt.%のS
i、約0.1〜5.5wt.%のHfおよび残量分のN
iおよび/またはCoからなることを特徴とする請求項
19記載の超合金部材。
20. The overlay coating according to claim 1, wherein said overlay coating is nominally about 5-40 wt. % Cr, about 8 to 35 wt.
% Al, up to about 2% Y, about 0.1-7 wt. % S
i, about 0.1-5.5 wt. % Hf and remaining amount N
20. The superalloy member according to claim 19, comprising i and / or Co.
【請求項21】 前記の少なくとも1種類の酸素活性元
素を含有するオーバーレイコーティングを施すステップ
は、空気プラズマ溶射、低圧プラズマ溶射、スパッタ、
陰極アーク、物理蒸着および電気めっきからなる群から
選択したプロセスによって行うことを特徴とする請求項
19記載の超合金部材。
21. The step of applying an overlay coating containing at least one oxygen-active element, comprising: air plasma spraying, low pressure plasma spraying, sputtering,
The superalloy member according to claim 19, wherein the superalloy member is formed by a process selected from the group consisting of cathodic arc, physical vapor deposition, and electroplating.
【請求項22】 前記の金属を施すステップは、電気め
っき、噴射蒸着(jetvapor deposition)および物理蒸
着からなる群から選択したプロセスによって、行うこと
を特徴とする請求項19記載の超合金部材。
22. The superalloy member of claim 19, wherein said step of applying a metal is performed by a process selected from the group consisting of electroplating, jet vapor deposition, and physical vapor deposition.
【請求項23】 前記のアルミナ化するステップは、化
学蒸着、噴射蒸着(jet vapor deposition)、および物
理蒸着からなる群から選択したプロセスによって行うこ
とを特徴とする請求項19記載の超合金部材。
23. The superalloy member of claim 19, wherein said aluminizing step is performed by a process selected from the group consisting of chemical vapor deposition, jet vapor deposition, and physical vapor deposition.
【請求項24】 前記金属は、プラチナ、パラジウム、
イリジウム、ロジウム、ルテニウムおよびオスミウムか
らなる群から選択されたVIII族の遷移金属であるこ
とを特徴とする請求項19記載の超合金部材。
24. The metal is platinum, palladium,
The superalloy member according to claim 19, wherein the member is a Group VIII transition metal selected from the group consisting of iridium, rhodium, ruthenium, and osmium.
【請求項25】 前記金属は、プラチナであることを特
徴とする請求項19記載の超合金部材。
25. The superalloy member according to claim 19, wherein said metal is platinum.
【請求項26】 前記部材に熱処理を行うステップを含
むことを特徴とする請求項19記載の超合金部材。
26. The superalloy member according to claim 19, further comprising a step of performing a heat treatment on the member.
【請求項27】 前記アルミナイドの上に、断熱セラミ
ックを堆積するステップを含むことを特徴とする請求項
19記載の超合金部材。
27. The superalloy member of claim 19, including the step of depositing a thermal insulating ceramic over said aluminide.
【請求項28】 前記セラミックは、安定化ジルコニア
からなることを特徴とする請求項19記載の超合金部
材。
28. The superalloy member according to claim 19, wherein said ceramic is made of stabilized zirconia.
【請求項29】 前記ジルコニアは、イットリアもしく
はガドリニア(gadolinia)によって安定化されたもの
であることを特徴とする請求項28記載の超合金部材。
29. The superalloy member of claim 28, wherein the zirconia is stabilized by yttria or gadolinia.
【請求項30】 形成されるコーティングは、公称的
に、約5〜40wt.%のCr、約8〜35wt.%の
Al、約5〜20wt.%のVIII族の遷移金属、約
2wt.%までのY、約0.1〜7wt.%のSi、約
0.1〜5.5wt.%のHfおよび残量分のNi、C
oおよびCrからなることを特徴とする請求項1記載の
超合金部材。
30. The coating formed is nominally about 5-40 wt. % Cr, about 8 to 35 wt. % Al, about 5-20 wt. % Group VIII transition metal, about 2 wt. % Y, about 0.1-7 wt. % Si, about 0.1-5.5 wt. % Hf and the remaining amount of Ni and C
The superalloy member according to claim 1, comprising o and Cr.
【請求項31】 前記のコーティングは、公称的に、約
9〜12wt.%のPt、約13〜14wt.%のA
l、約3.9〜5.5wt.%のHf、約2.5〜4.
5wt.%のSi、および残量分のNiおよび/または
Coからなることを特徴とする請求項30記載の超合金
部材。
31. The coating of claim 1, wherein said coating is nominally about 9-12 wt. % Pt, about 13-14 wt. % A
l, about 3.9-5.5 wt. % Hf, about 2.5-4.
5 wt. 31. The superalloy member according to claim 30, wherein the superalloy member is composed of% Si and the balance of Ni and / or Co.
【請求項32】 形成されるコーティングは、公称的
に、約5〜40wt.%のCr、約8〜35wt.%の
Al、約5〜20wt.%のVIII族の遷移金属、約
2wt.%までのY、約0.1〜7wt.%のSi、約
0.1〜5.5wt.%のHfおよび残量分のNiおよ
び/またはCoからなることを特徴とする請求項1記載
の方法。
32. The coating formed is nominally about 5-40 wt. % Cr, about 8 to 35 wt. % Al, about 5-20 wt. % Group VIII transition metal, about 2 wt. % Y, about 0.1-7 wt. % Si, about 0.1-5.5 wt. 2. The method according to claim 1, comprising% Hf and the balance Ni and / or Co.
【請求項33】 前記のコーティングは、公称的に、約
9〜12wt.%のPt、約13〜14wt.%のA
l、約3.9〜5.5wt.%のHf、約2.5〜4.
5wt.%のSi、および残量分のNiおよび/または
Coからなることを特徴とする請求項32記載の方法。
33. The coating of claim 1, wherein the coating is nominally about 9-12 wt. % Pt, about 13-14 wt. % A
l, about 3.9-5.5 wt. % Hf, about 2.5-4.
5 wt. 33. The method according to claim 32, comprising% Si and the balance Ni and / or Co.
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