JP2003055753A - 物品表面上にMCrAlY結合皮膜を付着させる方法 - Google Patents
物品表面上にMCrAlY結合皮膜を付着させる方法Info
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- C23C28/02—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material
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- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高められたTBC密着のための粗さを増大さ
せるために、物品の表面にMCrAlY結合皮膜を付着
させる方法。 【解決手段】 最初に、γ/γ′−MCrAlYからな
る物品の表面の上に内層を、5〜65μmの粒度範囲の
粉末を用いて付着させ、次に、β−NiAl又はγ/β
−MCrAlY又はγ/γ′−MCrAlYからなる内
層の上に外側の結合皮膜層を、30〜125μmの粒度
範囲の粉末を用いて付着させる。
せるために、物品の表面にMCrAlY結合皮膜を付着
させる方法。 【解決手段】 最初に、γ/γ′−MCrAlYからな
る物品の表面の上に内層を、5〜65μmの粒度範囲の
粉末を用いて付着させ、次に、β−NiAl又はγ/β
−MCrAlY又はγ/γ′−MCrAlYからなる内
層の上に外側の結合皮膜層を、30〜125μmの粒度
範囲の粉末を用いて付着させる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、請求項1の上位概
念による結合皮膜を付着させる方法に関する。
念による結合皮膜を付着させる方法に関する。
【0002】
【従来の技術】高温領域における使用のために設計され
た構成部品、例えばガスタービンのブレード又はベーン
は、普通、耐性のある皮膜で被覆される。皮膜は、熱い
環境の熱作用のための腐食及び酸化に対して基材を保護
し、かつ大抵、元素Al及びCrを用いる合金からな
る。大抵のタービン構成部品は、酸化及び/又は腐食か
らの保護のために、例えば、MCrAlY皮膜(ベース
コート)で被覆し、かつ一部はまた、断熱のための断熱
皮膜(TBC)で被覆される。MCrAlY保護性肉盛
溶射皮膜は、先行技術において幅広く公知である。これ
らは、高温皮膜のファミリーであり、ここでMは、鉄、
ニッケル及びコバルトの1つ又は組合せから選択され
る。一例としてUS-A-3,528,861又はUS-A-4,585,481に
は、そのような種類の耐酸化性皮膜が開示されている。
US-A-4,152,223には、また、そのような被覆方法及び皮
膜自体が開示されている。γ/β−MCrAlY皮膜に
加えて、他のクラスの、γ/γ′−ガンマ/ガンマプラ
イム−構造を基礎とする肉盛溶射MCrAlY皮膜があ
る。γ/γ′−皮膜の利点は、下にあるタービン物品の
合金との、無視できる熱膨張ミスマッチを有することで
ある。より高い耐熱疲労性のためにγ/γ′−皮膜は、
γ/β−型のMCrAlY皮膜と比べてより都合が良
い。皮膜におけるより高い耐熱疲労性は最も望ましい、
それというのも、典型的には熱疲労が、高められた温度
での大抵のタービンブレード及びベーンの破損に追い込
むからである。
た構成部品、例えばガスタービンのブレード又はベーン
は、普通、耐性のある皮膜で被覆される。皮膜は、熱い
環境の熱作用のための腐食及び酸化に対して基材を保護
し、かつ大抵、元素Al及びCrを用いる合金からな
る。大抵のタービン構成部品は、酸化及び/又は腐食か
らの保護のために、例えば、MCrAlY皮膜(ベース
コート)で被覆し、かつ一部はまた、断熱のための断熱
皮膜(TBC)で被覆される。MCrAlY保護性肉盛
溶射皮膜は、先行技術において幅広く公知である。これ
らは、高温皮膜のファミリーであり、ここでMは、鉄、
ニッケル及びコバルトの1つ又は組合せから選択され
る。一例としてUS-A-3,528,861又はUS-A-4,585,481に
は、そのような種類の耐酸化性皮膜が開示されている。
US-A-4,152,223には、また、そのような被覆方法及び皮
膜自体が開示されている。γ/β−MCrAlY皮膜に
加えて、他のクラスの、γ/γ′−ガンマ/ガンマプラ
イム−構造を基礎とする肉盛溶射MCrAlY皮膜があ
る。γ/γ′−皮膜の利点は、下にあるタービン物品の
合金との、無視できる熱膨張ミスマッチを有することで
ある。より高い耐熱疲労性のためにγ/γ′−皮膜は、
γ/β−型のMCrAlY皮膜と比べてより都合が良
い。皮膜におけるより高い耐熱疲労性は最も望ましい、
それというのも、典型的には熱疲労が、高められた温度
での大抵のタービンブレード及びベーンの破損に追い込
むからである。
【0003】γ/γ′−皮膜及びγ/β−皮膜の中で、
γ/β−皮膜の分野は、研究の活発な分野であり、かつ
一連の特許が発行されている。例えばNiCrAlY皮
膜は、US-A-3,754,903に記載されており、かつCoCr
AlY皮膜は、US-A-3,676,058に記載されている。US-A-
4,346,137には、改善された耐高温疲労性のNiCoC
rAlY皮膜が開示されている。US-A-4,419,416、US-A
-4,585,481、RE-32,121及びUS-A-4,743,514には、Si
及びHfを有するMCrAlY皮膜が記載されている。
US-A-4,313,760には、良好な耐酸化性、耐食性及び耐疲
労性を有する超合金皮膜組成物が開示されている。
γ/β−皮膜の分野は、研究の活発な分野であり、かつ
一連の特許が発行されている。例えばNiCrAlY皮
膜は、US-A-3,754,903に記載されており、かつCoCr
AlY皮膜は、US-A-3,676,058に記載されている。US-A-
4,346,137には、改善された耐高温疲労性のNiCoC
rAlY皮膜が開示されている。US-A-4,419,416、US-A
-4,585,481、RE-32,121及びUS-A-4,743,514には、Si
及びHfを有するMCrAlY皮膜が記載されている。
US-A-4,313,760には、良好な耐酸化性、耐食性及び耐疲
労性を有する超合金皮膜組成物が開示されている。
【0004】γ/β−皮膜に比して、例えばUS-A-4,97
3,445から公知の、γ/γ′−型のMCrAlY皮膜は
相対的に新しい。この種類のγ/γ′−皮膜の独特な特
徴は、その熱膨張ミスマッチが、高い延性との組合せで
ゼロに近いことであり、このことは、これらの皮膜を熱
疲労に対してより耐性にする。しかしながら、制約は、
低いアルミニウム含量ひいてはその低いアルミニウムリ
ザーバー(reservoir)である。
3,445から公知の、γ/γ′−型のMCrAlY皮膜は
相対的に新しい。この種類のγ/γ′−皮膜の独特な特
徴は、その熱膨張ミスマッチが、高い延性との組合せで
ゼロに近いことであり、このことは、これらの皮膜を熱
疲労に対してより耐性にする。しかしながら、制約は、
低いアルミニウム含量ひいてはその低いアルミニウムリ
ザーバー(reservoir)である。
【0005】更に、技術水準において断熱皮膜(Thermal
-Barrier-Coating;TBC)は、多様な特許から公知であ
る。US-A-4,055,705、US-A-4,248,940、US-A-4,321,311
又はUS-A-4,676,994には、タービンブレード及びベーン
における使用のためのTBC皮膜が開示されている。使
用されるセラミックは、イットリア安定化ジルコニアで
あり、かつプラズマ溶射(US-A-4,055,705、US-A-4,248,
940)によるか又は電子ビームプロセス(US-A4,321,311、
US-A-4,676,994)によりMCrAlYボンドコートの上
に施与される。
-Barrier-Coating;TBC)は、多様な特許から公知であ
る。US-A-4,055,705、US-A-4,248,940、US-A-4,321,311
又はUS-A-4,676,994には、タービンブレード及びベーン
における使用のためのTBC皮膜が開示されている。使
用されるセラミックは、イットリア安定化ジルコニアで
あり、かつプラズマ溶射(US-A-4,055,705、US-A-4,248,
940)によるか又は電子ビームプロセス(US-A4,321,311、
US-A-4,676,994)によりMCrAlYボンドコートの上
に施与される。
【0006】γ/γ′−型のMCrAlY皮膜の1つの
大きな欠点は、低いアルミニウム含量のためにこれらが
1000℃未満の温度で連続アルミナ膜を形成しないこ
とであり、このことは、TBCとの結合密着性に係わる
問題をまねく。従って、US-A-5,894,053では、セラミッ
ク断熱皮膜のための粒状金属密着層を金属構成部品に施
与するための方法が開発されていた。特許の実質的な内
容は、結合剤、主としてはんだ付け粉末を用いて、粒状
材料を表面上に施与することにより粗面化された表面を
形成する方法である。この方法の欠点は、はんだ付けに
よる皮膜の融点の低下であり、結合皮膜の潜在的な疲労
の欠点及びはんだ付け材料による熱成長酸化物(Thermal
ly Grown Oxide;TGO)のフラクシングである。その上、U
S-A-5,894,053の中にはγ/γ′−型のMCrAlY皮
膜のアルミナ形成能をどのように高めるかのヒントが全
くない。
大きな欠点は、低いアルミニウム含量のためにこれらが
1000℃未満の温度で連続アルミナ膜を形成しないこ
とであり、このことは、TBCとの結合密着性に係わる
問題をまねく。従って、US-A-5,894,053では、セラミッ
ク断熱皮膜のための粒状金属密着層を金属構成部品に施
与するための方法が開発されていた。特許の実質的な内
容は、結合剤、主としてはんだ付け粉末を用いて、粒状
材料を表面上に施与することにより粗面化された表面を
形成する方法である。この方法の欠点は、はんだ付けに
よる皮膜の融点の低下であり、結合皮膜の潜在的な疲労
の欠点及びはんだ付け材料による熱成長酸化物(Thermal
ly Grown Oxide;TGO)のフラクシングである。その上、U
S-A-5,894,053の中にはγ/γ′−型のMCrAlY皮
膜のアルミナ形成能をどのように高めるかのヒントが全
くない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の対象は、エン
ジンにおいて一般に行われる熱循環の間の亀裂に対して
耐性のγ/γ′−結合皮膜を付着させる方法を見出すこ
とである。本発明の他の対象は、増大されたTBC密着
のための高められた表面粗さを有する結合皮膜を提供す
ることである。本発明の更に他の対象は、アルミナTG
Oを簡単にエンジン中で又は予めの熱処理により形成す
る皮膜の上の層を提供することである。
ジンにおいて一般に行われる熱循環の間の亀裂に対して
耐性のγ/γ′−結合皮膜を付着させる方法を見出すこ
とである。本発明の他の対象は、増大されたTBC密着
のための高められた表面粗さを有する結合皮膜を提供す
ることである。本発明の更に他の対象は、アルミナTG
Oを簡単にエンジン中で又は予めの熱処理により形成す
る皮膜の上の層を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、請求項
1の前文によるMCrAlY結合皮膜を付着させる方法
が見出され、その際、TBCが施与される前に、物品の
表面の上にγ/γ′−MCrAlYからなる内層は、5
〜65μmの粒度範囲の粉末を用いて付着され、かつ外
層が内層よりも粗くかつβ−NiAl又はγ/β−MC
rAlY又はγ/γ′−MCrAlYからなる外側の結
合皮膜層は、内層の上に30〜125μmの粒度範囲の
粉末を用いて付着される。好ましくは物品の表面の上に
内層は、15〜50μm、最も好ましくは30μm未満
の粒度範囲の粉末を用いて付着され、かつ内層の上に外
層は、35〜90μmの粒度を有する粉末を用いて付着
される。
1の前文によるMCrAlY結合皮膜を付着させる方法
が見出され、その際、TBCが施与される前に、物品の
表面の上にγ/γ′−MCrAlYからなる内層は、5
〜65μmの粒度範囲の粉末を用いて付着され、かつ外
層が内層よりも粗くかつβ−NiAl又はγ/β−MC
rAlY又はγ/γ′−MCrAlYからなる外側の結
合皮膜層は、内層の上に30〜125μmの粒度範囲の
粉末を用いて付着される。好ましくは物品の表面の上に
内層は、15〜50μm、最も好ましくは30μm未満
の粒度範囲の粉末を用いて付着され、かつ内層の上に外
層は、35〜90μmの粒度を有する粉末を用いて付着
される。
【0009】外側の結合皮膜層が、下にある内層よりも
粗い粉末を用いて付着されるという事実のために、表面
粗さ及びTBC密着性は顕著に増大される。
粗い粉末を用いて付着されるという事実のために、表面
粗さ及びTBC密着性は顕著に増大される。
【0010】TBC付着の前のAl2O3の形成のため
に、付着した結合皮膜は、1140℃までの温度で熱処
理されることができ、これは、空気、アルゴン、真空又
はTBC密着性を更に増大させるアルミナスケールの形
成を導く環境中で可能である。それに加えて、熱処理が
皮膜を安定化させる。アルミナスケールを形成するため
に、外層は、また、パック気相拡散法又はパック外気相
拡散法(a pack or anout of gas phase diffusion proc
ess)を用いてアルミナ化されることができる。
に、付着した結合皮膜は、1140℃までの温度で熱処
理されることができ、これは、空気、アルゴン、真空又
はTBC密着性を更に増大させるアルミナスケールの形
成を導く環境中で可能である。それに加えて、熱処理が
皮膜を安定化させる。アルミナスケールを形成するため
に、外層は、また、パック気相拡散法又はパック外気相
拡散法(a pack or anout of gas phase diffusion proc
ess)を用いてアルミナ化されることができる。
【0011】皮膜は、ガルバーニ(galvanic)溶射又はプ
ラズマ溶射、又は肉盛溶射皮膜及び結合皮膜の付着のた
めに使用される任意の他の常用のプラズマ蒸着(Plasma
Vapor Deposition;PVD)法により施与されることができ
る。
ラズマ溶射、又は肉盛溶射皮膜及び結合皮膜の付着のた
めに使用される任意の他の常用のプラズマ蒸着(Plasma
Vapor Deposition;PVD)法により施与されることができ
る。
【0012】本発明には、タービンブレード及びベーン
のベース合金の保護のための高温環境内での使用のため
の物品のMCrAlY結合皮膜が開示されている。
のベース合金の保護のための高温環境内での使用のため
の物品のMCrAlY結合皮膜が開示されている。
【0013】本発明によれば、MCrAlY結合皮膜
は、2つの異なる層からなる。物品の表面上の内層は、
γ/γ′の構造を有するMCrAlYからなっている。
内層は、5〜65μmの粒度範囲の粉末で付着されてい
る。内層上の外層は、β−NiAl、γ/β−MCrA
lY又はγ/γ′−MCrAlYからなっている。しか
し、内層と正反対に、外層は、30〜125μmの粒度
範囲の粗い粉末で付着されている。セラミック皮膜、例
えばTBCは、外側の結合皮膜層の上に付着される。外
側の結合皮膜層が、下にある内層よりも粗い粉末を用い
て付着されるという事実のため、表面粗さ及びTBC密
着性は、顕著に増大される。
は、2つの異なる層からなる。物品の表面上の内層は、
γ/γ′の構造を有するMCrAlYからなっている。
内層は、5〜65μmの粒度範囲の粉末で付着されてい
る。内層上の外層は、β−NiAl、γ/β−MCrA
lY又はγ/γ′−MCrAlYからなっている。しか
し、内層と正反対に、外層は、30〜125μmの粒度
範囲の粗い粉末で付着されている。セラミック皮膜、例
えばTBCは、外側の結合皮膜層の上に付着される。外
側の結合皮膜層が、下にある内層よりも粗い粉末を用い
て付着されるという事実のため、表面粗さ及びTBC密
着性は、顕著に増大される。
【0014】好ましくは、物品の表面の上に内層は、1
5〜50μm、最も好ましくは30μm未満の粒度範囲
の粉末を用いて付着され、かつ内層の上に外層は、35
〜90μmの粒度を有する粉末を用いて付着される。
5〜50μm、最も好ましくは30μm未満の粒度範囲
の粉末を用いて付着され、かつ内層の上に外層は、35
〜90μmの粒度を有する粉末を用いて付着される。
【0015】本発明に開示された技術は直接に、外部の
層の高められた表面粗さのためにTBC密着性を増大さ
せることにより寿命の改善を行う。外層のミクロ構造組
成は、TBCの真下にアルミナスケールの形成を可能に
するために独立して調節されることもできる。一例は、
外層としてβ−NiAl又はγ/β−MCrAlY又は
γ/γ′−MCrAlYの使用である。更に、皮膜は、
W、Re、Ru及びTaを、個別に又はそれを組合せて
含んでいてよい。その上、γ/γ′−MCrAlYの内
層は、Y+Hf+Zr+Si 0.01〜5%(質量
%)を有するY、Hf、Zr及びSiの1つ又は組合せ
並びにTa、Fe、Ga、Mg及びCaの1つ又は組合
せを含む。
層の高められた表面粗さのためにTBC密着性を増大さ
せることにより寿命の改善を行う。外層のミクロ構造組
成は、TBCの真下にアルミナスケールの形成を可能に
するために独立して調節されることもできる。一例は、
外層としてβ−NiAl又はγ/β−MCrAlY又は
γ/γ′−MCrAlYの使用である。更に、皮膜は、
W、Re、Ru及びTaを、個別に又はそれを組合せて
含んでいてよい。その上、γ/γ′−MCrAlYの内
層は、Y+Hf+Zr+Si 0.01〜5%(質量
%)を有するY、Hf、Zr及びSiの1つ又は組合せ
並びにTa、Fe、Ga、Mg及びCaの1つ又は組合
せを含む。
【0016】外層は、β−NiAl外層からなっていて
よく、かつβ−NiAlは、NiAl状態図の単相範囲
内に生じる場合には、アルミニウム約20〜33質量%
を有していてよい。β−NiAlは、少量の元素添加に
より更に高められることができる高い耐酸化性を有す
る。これは、例えば、特許US-A-4,610,736、US-A-5,11
6,438、US-A-5,516,380、US-A-5,116,691、US-A-4,961,
905、US-A-4,478,791又はUS-A-5,215,831から公知であ
る。β−NiAlの内層の可能な含量(質量%)は、Y
0.001〜0.5%、Hf 0.001〜0.5%、
Zr 0.001〜0.5%、Si 0.1〜1.5%、
Ca 0〜1.0%、Mg 0〜1.0%、Ga 0〜4
%、Fe 0〜4%、Ta 0.1〜4.0%である。
よく、かつβ−NiAlは、NiAl状態図の単相範囲
内に生じる場合には、アルミニウム約20〜33質量%
を有していてよい。β−NiAlは、少量の元素添加に
より更に高められることができる高い耐酸化性を有す
る。これは、例えば、特許US-A-4,610,736、US-A-5,11
6,438、US-A-5,516,380、US-A-5,116,691、US-A-4,961,
905、US-A-4,478,791又はUS-A-5,215,831から公知であ
る。β−NiAlの内層の可能な含量(質量%)は、Y
0.001〜0.5%、Hf 0.001〜0.5%、
Zr 0.001〜0.5%、Si 0.1〜1.5%、
Ca 0〜1.0%、Mg 0〜1.0%、Ga 0〜4
%、Fe 0〜4%、Ta 0.1〜4.0%である。
【0017】場合により、TBC付着の前のAl2O3
の形成のために、付着された結合皮膜は、1140℃ま
での温度で熱処理されることができ、これらは空気、ア
ルゴン、真空又は更にTBC密着性を増大させるアルミ
ナスケールの形成を導く環境中でなされることができ
る。それに加えて、熱処理が、皮膜のミクロ構造を安定
化させる。それにより、1140℃の熱処理は、ミクロ
構造を完全に安定化させるのに最も有利であることが見
出された。1140℃の熱処理は、TBC付着の前にア
ルミナを予備形成させるのにも使用されることができ
る。アルミニウムスケールの形成のために、外層は、パ
ック気相拡散法又はパック外気相拡散法を用いてアルミ
ナ化されることができる。
の形成のために、付着された結合皮膜は、1140℃ま
での温度で熱処理されることができ、これらは空気、ア
ルゴン、真空又は更にTBC密着性を増大させるアルミ
ナスケールの形成を導く環境中でなされることができ
る。それに加えて、熱処理が、皮膜のミクロ構造を安定
化させる。それにより、1140℃の熱処理は、ミクロ
構造を完全に安定化させるのに最も有利であることが見
出された。1140℃の熱処理は、TBC付着の前にア
ルミナを予備形成させるのにも使用されることができ
る。アルミニウムスケールの形成のために、外層は、パ
ック気相拡散法又はパック外気相拡散法を用いてアルミ
ナ化されることができる。
【0018】皮膜は、ガルバーニ溶射又はプラズマ溶
射、又は肉盛溶射皮膜及び結合皮膜の付着に使用される
任意の他の常用のPVD法により施与されることができ
る。
射、又は肉盛溶射皮膜及び結合皮膜の付着に使用される
任意の他の常用のPVD法により施与されることができ
る。
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フロントページの続き
(72)発明者 アブダス エス カーン
スイス国 エネットバーデン リマタウヴ
ェーク 2
Fターム(参考) 3G002 BA06 BB04 BB05 CA11 CB07
EA05 EA06
4K031 AA04 AB03 AB08 CB12 CB16
CB32 CB37 CB38 DA01 DA04
FA02
Claims (7)
- 【請求項1】 断熱皮膜(TBC)の高められた密着の
ための粗さを増大させるために、物品の表面にMCrA
lY結合皮膜を付着させる方法において、TBCを施与
する前に、 ・物品の表面の上にγ/γ′−MCrAlYからなる内
層を、5〜65μmの粒度範囲の粉末を用いて付着さ
せ、かつ・内層の上に、外層が内層よりも粗く、かつβ
−NiAl又はγ/β−MCrAlY又はγ/γ′−M
CrAlYからなっている結合皮膜外層を、30〜12
5μmの粒度範囲の粉末を用いて付着させることを特徴
とする、物品の表面にMCrAlY結合皮膜を付着させ
る方法。 - 【請求項2】 内層を、物品の表面の上に15〜50μ
mの粒度範囲の粉末を用いて付着させ、かつ外層を、内
層の上に35〜90μmの粒度範囲の粉末を用いて付着
させる、請求項1記載のMCrAlY結合皮膜を付着さ
せる方法。 - 【請求項3】 内層を、物品の表面の上に30μm未満
の粒度範囲の粉末を用いて付着させる、請求項1記載の
MCrAlY結合皮膜を付着させる方法。 - 【請求項4】 付着した結合皮膜を、TBC付着の前
に、1140℃までの温度で熱処理する、請求項1から
3までのいずれか1項記載のMCrAlY結合皮膜を付
着させる方法。 - 【請求項5】 付着した結合皮膜を、空気、アルゴン、
真空又はTBC付着の前にアルミナスケールの形成を導
く環境中で熱処理する、請求項4記載のMCrAlY結
合皮膜を付着させる方法。 - 【請求項6】 外層を、パック気相拡散法又はパック外
気相拡散法を用いてアルミナ化させる、請求項1記載の
MCrAlY結合皮膜を付着させる方法。 - 【請求項7】 異なる層を、ガルバーニ溶射又はプラズ
マ溶射、又は結合皮膜の付着に使用される任意のPVD
法を用いて付着させる、請求項1記載のMCrAlY結
合皮膜を付着させる方法。
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