JP2003277860A

JP2003277860A - イリジウム−タンタル被覆ニッケル基超合金

Info

Publication number: JP2003277860A
Application number: JP2002079102A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Murakami; 秀之村上; Yutaka Go; 豊呉; Aya Suzuki; 彩鈴木; Hiroaki Yoshioka; 洋明吉岡; Kazuhide Matsumoto; 一秀松本; Takehisa Hino; 武久日野; Kunihiko Wada; 国彦和田
Original assignee: Toshiba Corp; National Institute for Materials Science
Current assignee: Toshiba Corp; National Institute for Materials Science
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2003-10-02

Abstract

(57)【要約】【課題】ニッケル基超合金により形成される部材の耐
高温酸化性、耐高温腐食性及び母材の相安定性の向上、
そして、母材の長寿命化を図る。【解決手段】ニッケル基超合金の表面にイリジウム−
タンタル合金被膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、イリジウ
ム−タンタル被覆ニッケル基超合金に関するものであ
る。さらに詳しくは、この出願の発明は、ニッケル基超
合金により形成される部材の耐高温酸化性、耐高温腐食
性及び母材の相安定性の向上、そして、母材の長寿命化
が期待されるイリジウム−タンタル被覆ニッケル基超合
金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】ニッケル基超合金（Ｎｉ基超
合金）は、高温、高応力下に曝されるジェットエンジン
やガスタービンのタービンブレード、タービンベーンな
ど用の材料に用いられている。炭酸ガス削減のための有
力な手段の一つに上記内燃機関の高効率化が考えられて
おり、運転温度の上昇にともない、母材に要求される耐
高温酸化性及び耐高温腐食性は厳しくなっている。

【０００３】これまで耐酸化性の向上には、母材表面
に、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）に富んだ合
金を被覆し、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、クロミア（Ｃｒ₂
Ｏ₃）といった酸化物不動態を形成する、若しくはＡ
ｌ、Ｃｒを母材表面中に拡散浸透させるのが一般的であ
った。

【０００４】しかしながら、上記の表面改質方法で対処
することが難しくなってきているのが現状である。

【０００５】それというのも、温度が上昇するにつれ
て、被膜中のＡｌ、Ｃｒが母材表面に拡散し、被膜の耐
酸化性が弱まるとともに、母材中に有害相が析出し、こ
れにより母材が劣化するからである。

【０００６】この出願の発明は、このような事情に鑑み
てなされたものであり、ニッケル基超合金により形成さ
れる部材の耐高温酸化性、耐高温腐食性及び母材の相安
定性の向上、そして、母材の長寿命化が期待されるイリ
ジウム−タンタル被覆ニッケル基超合金を提供すること
を解決すべき課題としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この出願の発明は、以上
の課題を解決するものとして、ニッケル基超合金の表面
にイリジウム−タンタル合金被膜が形成されていること
を特徴とするイリジウム−タンタル被覆ニッケル基超合
（請求項１）を提供する。

【０００８】またこの出願の発明は、イリジウム−タン
タル合金被膜の厚みが５μｍ〜100μｍであること（請
求項２）、イリジウム−タンタル合金被膜中のイリジウ
ムの含有量が３０原子％〜８０原子％であること（請求
項３）、そして、イリジウム−タンタル合金被膜が表面
に形成されたイリジウム−タンタル被覆ニッケル基超合
金に、アルミニウムが拡散浸透されたイリジウム−タン
タル被覆ニッケル基超合金（請求項４）をそれぞれ一態
様として提供する。

【０００９】以下、実施例を示しつつ、この出願の発明
のイリジウム−タンタル被覆ニッケル基超合金について
さらに詳しく説明する。

【００１０】

【発明の実施の形態】この出願の発明のイリジウム−タ
ンタル被覆ニッケル基超合金は、前記の通り、ニッケル
基超合金の表面にイリジウム−タンタル合金被膜が形成
されている。

【００１１】タンタル（Ｔａ）は、ニッケル基超合金
（Ｎｉ基超合金）中への拡散が起こりにくく、Ｎｉ基超
合金を構成する各元素のほとんどはＴａに拡散しにく
い。このことから、Ｔａ濃度の高い被膜をＮｉ基超合金
表面に形成することにより、アルミニウム（Ａｌ）、ク
ロム（Ｃｒ）で問題となる拡散を抑制することができ、
被膜は、いわゆる拡散バリア層として機能することが期
待される。

【００１２】だが、Ｔａ単体は、酸化して揮発しやす
く、耐酸化性に難がある。

【００１３】そこで、この出願の発明のイリジウム−タ
ンタル被覆ニッケル基超合金では、Ｔａの耐酸化性を補
完するために、耐酸化性に優れ、ＮｉやＣｒよりＮｉ基
超合金中での拡散の遅いイリジウム（Ｉｒ）を選択し、
ＴａとＩｒを合金化し、２元合金であるイリジウム−タ
ンタル合金（Ｉｒ−Ｔａ合金）としてＮｉ基超合金表面
を被覆する。Ｎｉ基超合金表面に形成されたＩｒ−Ｔａ
合金被膜は、耐酸化性に優れ、拡散バリア層として機能
する。

【００１４】なお、Ｉｒ−Ｔａ合金被膜は、厚みが５μ
ｍ未満では、拡散バリア層としてその性能を十分に発揮
しにくく、100μｍを超えると、Ｉｒ−Ｔａ合金被膜の
熱膨張率はＮｉ基超合金のそれよりも小さいため、熱膨
張率の差に起因して生ずる熱疲労により母材の寿命が劣
化しやすくなる。したがって、Ｉｒ−Ｔａ合金被膜の厚
みは、５μｍ〜100μｍが好ましい。

【００１５】また、前述の通り、Ｔａは酸化しやすいと
いう問題を抱えているため、耐酸化性を失わないために
は、Ｉｒ−Ｔａ合金被膜中のＩｒの含有量は３０原子％
以上とすることが好ましい。一方、Ｉｒ単体は、Ｎｉと
全率固溶するという性質を有するため、拡散バリア層と
して機能させるには、Ｉｒの含有量の上限は８０原子％
とするのが好ましい。したがって、Ｉｒ−Ｔａ合金被膜
中のＩｒの含有量は３０原子％以上８０原子％とするの
が好ましい。

【００１６】この出願の発明のイリジウム−タンタル被
覆ニッケル基超合金は、Ｉｒ−Ｔａ合金被膜形成後に、
Ａｌの拡散浸透処理、セラミックスコーティングなどの
各種処理を適用することにより、耐高温酸化性、耐高温
腐食性及び母材の相安定性の向上、そして、母材の長寿
命化が可能となる。

【００１７】

【実施例】Ｎｉ基超合金としてＴＭＳ−７５（Ｎｉ−1
2.6Ｃｏ−3.5Ｃｒ−1.3Ｍｏ−２Ｗ−13.7Ａｌ−２Ｔａ
−0.04Ｈｆ−1.67Ｒｅ、数字は原子％を示す）を選択
し、母材を形成し、この母材表面に、アーク溶解法によ
り作製したＩｒ３０原子％−Ｔａ７０原子％合金（原料
の純度は、Ｉｒ、Ｔａともに99.99％）の厚さ約１０μ
ｍの被膜を電子ビーム物理蒸着法により形成した。この
時、神港精機製ＡＭＦ−1050ＳＢ型蒸着装置を用い、成
膜条件は、真空度1.2〜3.5×１０^-3Ｐａ、電子ビーム電
圧１０ｋＶ、成膜速度１０μｍ／時間とした。成膜手順
は、上記装置内部にアルゴン（Ａｒ）を導入し、プラズ
マを発生させ、母材表面をボンバード処理した後、Ｉｒ
３０原子％−Ｔａ７０原子％合金を入れたるつぼに電子
ビームを照射し、Ｉｒ３０原子％−Ｔａ７０原子％合金
を蒸発させ、母材表面に蒸着させた。蒸着後は、装置内
部を酸化防止のために真空状態で冷却し、50℃以下にな
った時点で試料を取り出した。

【００１８】この後、試料をアセトンで洗浄し、次い
で、Ａｌ、Ａｌ₂Ｏ₃、鉄（Ｆｅ）及び塩化アンモニウム
（ＮＨ₄Ｃｌ）の混合粉末中に入れ、Ａｒ雰囲気中で110
0℃、５時間のＡｌの拡散浸透処理を行った。

【００１９】そして、作製した試料の耐酸化性、耐腐食
性について評価した。具体的には、試料を1100℃で２０
時間大気中に保持した後、室温まで冷却するプロセスを
１サイクルとし、これを１０回（計200時間）繰り返す
繰り返し酸化試験、及び試料に溶融した硫酸ナトリウム
（Ｎａ₂ＳＯ₄）を塗布し、900℃で２０時間大気中に保
持した後、室温まで冷却するプロセスを１サイクルと
し、これを１０回（計200時間）繰り返す溶融塩腐食試
験を行った。具体的には、繰り返し酸化試験では、試験
開始前に試料及びるつぼの重さを測定し、1100℃に保っ
た大気雰囲気のマッフル炉に入れ、２０時間経過後、マ
ッフル炉から取り出し、るつぼを含めた試料全体の重さ
を測定し、試料の重さを算出した。測定後の試料は、る
つぼとともに再びマッフル炉に入れ直した。溶融塩腐食
試験では、繰り返し酸化試験と同様に、試験開始前に試
料及びるつぼの重さを測定し、900℃に保った大気雰囲
気のシリコニット炉に入れ、２０時間経過後、シリコニ
ット炉から取り出し、熱湯で溶融塩を洗い流し、るつぼ
を含めた試料全体の重さを測定し、試料の重さを算出し
た。測定後の試料は、Ｎａ₂ＳＯ₄を再塗布して再びシリ
コニット炉に入れ直した。

【００２０】得られた結果を、Ｔａ単体を母材表面に被
覆した後、Ａｌの拡散浸透処理を行ったもの、Ｉｒ−Ｔ
ａ合金被膜を形成せず、直接母材にＡｌの拡散浸透処理
を行ったものについて同様の試験を行った結果と比較し
た。

【００２１】図１は、繰り返し酸化試験の結果を示した
グラフである。

【００２２】酸化試験中、試料は、酸化にともない重量
が増加し、その後、揮発若しくは剥離により重量の減少
が起こる。したがって、重量変化量の小さいものが最も
耐酸化性に優れていると結論される。図１に示した結果
から、Ｉｒ−Ｔａ合金を母材に被覆した後にＡｌの拡散
浸透処理を行ったものが最も耐酸化性に優れていること
が確認される。

【００２３】図２は、溶融塩腐食試験の結果を示したグ
ラフである。

【００２４】溶融塩腐食試験においても、前述の酸化試
験と同様に、重量変化の最も小さいものが耐腐食性に最
も優れていると結論される。したがって、図２に示した
結果から、Ｉｒ−Ｔａ合金を母材に被覆した後にＡｌの
拡散浸透処理を行ったものが最も耐酸化性に優れている
ことが確認される。

【００２５】図３（ａ）（ｂ）は、それぞれ、以上の酸
化試験及び溶融塩腐食試験において良好な結果を示した
Ｉｒ−Ｔａ合金を被覆せずにＡｌ拡散浸透させた試料
と、Ｉｒ−Ｔａ合金被覆材をＡｌ拡散浸透処理した試料
の微細組織を示したＳＥＭ（走査電子顕微鏡）写真像で
ある。

【００２６】試料（ａ）では、白く観察される析出物、
これはＮｉ基超合金の特性を劣化させる有害相であり、
材料内の元素の拡散が原因と考えられているものである
が、その白い析出物が試料全体に観察される。これに対
し、Ｉｒ−Ｔａ被膜を形成した試料（ｂ）では、白い析
出物が形成されているものの、形成位置は、表面から20
0μｍ程度の深さにとどまっており、母材表面に形成し
たＩｒ−Ｔａ被膜により有害相の析出が抑えられている
と理解される。

【００２７】もちろん、この出願の発明は、以上の実施
形態によって限定されるものではない。母材を形成する
Ｎｉ基超合金の種類、組成、Ｉｒ−Ｔａ合金被膜の組
成、形成方法、膜厚などの細部については様々な態様が
可能であることはいうまでもない。

【００２８】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この出願の発
明によって、ニッケル基超合金により形成される部材の
耐高温酸化性、耐高温腐食性及び母材の相安定性の向
上、そして、母材の長寿命化が期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】繰り返し酸化試験の結果を示したグラフであ
る。

【図２】溶融塩腐食試験の結果を示したグラフである。

【図３】（ａ）（ｂ）は、それぞれ、酸化試験及び溶融
塩腐食試験において良好な結果を示したＩｒ−Ｔａ合金
を被覆せずにＡｌ拡散浸透させた試料と、Ｉｒ−Ｔａ合
金被覆材をＡｌ拡散浸透処理した試料の微細組織を示し
たＳＥＭ（走査電子顕微鏡）写真像である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者呉豊茨城県つくば市千現１丁目２番１号独立行政法人物質・材料研究機構内 (72)発明者鈴木彩茨城県つくば市千現１丁目２番１号独立行政法人物質・材料研究機構内 (72)発明者吉岡洋明神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者松本一秀神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者日野武久神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者和田国彦神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内Ｆターム(参考） 3G002 EA05 EA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ニッケル基超合金の表面にイリジウム−
タンタル合金被膜が形成されていることを特徴とするイ
リジウム−タンタル被覆ニッケル基超合金。
【請求項２】イリジウム−タンタル合金被膜の厚みが
５μｍ〜100μｍである請求項１記載のイリジウム−タ
ンタル被覆ニッケル基超合金。
【請求項３】イリジウム−タンタル合金被膜中のイリ
ジウムの含有量が３０原子％〜８０原子％である請求項
１又は２記載のイリジウム−タンタル被覆ニッケル基超
合金。
【請求項４】イリジウム−タンタル合金被膜が表面に
形成されたイリジウム−タンタル被覆ニッケル基超合金
に、アルミニウムが拡散浸透された請求項１、２又は３
いずれかに記載のイリジウム−タンタル被覆ニッケル基
超合金リジウム−タンタル被覆ニッケル基超合金。