JP2003500536A - タービン部品の接合被覆及び被覆形成方法 - Google Patents

タービン部品の接合被覆及び被覆形成方法

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Abstract

(57)【要約】 超合金タービン部品のような基材（１２）を、ホウ素を含むＭＣｒＡｌＹのような被覆基層（１４）で被覆する。被覆基層中のホウ素濃度は、上面（１６）の近くが底面（２０）近くよりも高い濃度勾配を有する。ホウ素の平均濃度は、複合材料（１０）の被覆基層の断面（１４）全体に亘って０．０５重量パーセントを超える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
【０００２】
【発明の分野】
本発明は、超合金の耐高温タービン基材に被着されるＭＣｒＡｌＹ型の被覆基
層に用いる一部が「過渡的な」ホウ素添加物に関する。ホウ素添加物は、被覆基
層の密度及び被覆品質を向上させる。
【０００３】
【背景情報】
例えば、元素Ｎｉ．Ｃｒ．Ａｌ．Ｃｏ．Ｔａ．Ｍｏ．Ｗより成るコバルトまた
はニッケル系超合金は、ガスタービンの動翼、静翼及び他の部品の製造に使用さ
れている。これらのタービン部品は通常、ＭＣｒＡｌＹの被覆基層で保護される
。Ｍは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びそれらの混合物より成る群から選択される。例え
ば、米国特許第５，１８０，２８５（Lau）；５，５６２，９９８（Strangman）
及び５，６８３，８２５号（Bruce, et al.）に記載されるように、これらの被
覆基層は通常、酸化上部層と、最後の断熱被覆とにより覆われている。
【０００４】 基材と、ＭＣｒＡｌＹ被覆基層との間の界面に、別個の基材接触層を用いる場
合がある。例えば、米国特許第４，３２１，３１１号（Strangman）には、被覆
基層に耐久性を与えるために、アルミニウム化合物または白金の層を別個の基材
接触層として用いることが記載されている。
【０００５】 これら全てのタービン構成要素は高温の環境で動作し、一般的に、材料の制約
内で、温度が高くなれば高くなるほど、高い効率が得られる。これらの材料の制
約の１つは、タービン部品相互間の接着性、そしてＭＣｒＡｌＹ層及び他の層と
、タービン動翼などの超合金基材との接着性である。
【０００６】 Ｂ、Ｓｉ、Ｍｎ及びＴａのうちの１つから選択された温度降下剤だけでなく、
Ａｌ及びＴｉのような析出強化元素、及びＭｏまたはＷのような溶解強化元素を
含む接合粉末は、米国特許第３，６９２，５０１号（Hoppin, et al.）に記載さ
れるように、オーバーラップ接合部及び突合せ接合部におけるタービンエアフォ
イルなどの基材部分へのろう付けを容易にするために、ニッケル系超合金組成物
の１重量パーセント乃至１５重量パーセント添加されている。ニッケル系超合金
へ吹付けにより被着させるために、ＦｅＣｒＡｌＹ型ニトロセルローススラリー
へ約０．５重量パーセント乃至１６重量パーセントのけい素が添加され、その後
、拡散熱処理が行なわれている。これらの組成物は、米国特許第３，７４１，７
９１（Maxwell, et al.）及び４，０３４，１４２号（Hecht）に記載されるよう
に、接着性と耐酸化性を有する被覆を与える。米国特許第５，３１６，８６６号
（Goldman, et al.）には、ニッケル系超合金の隣の標準ＭＣｒＡｌＹ組成物の
代わりに、０．１重量パーセント未満のＣ、Ｂ及びＺｒも含むＮｉ．Ｃｏ．Ｃｒ
．Ａｌ．Ｍｏ．Ｔａ．Ｗの被覆が使用されている。Ｃが約０．０７重量パーセン
トを超えるか、ＢまたはＺｒが約０．０３０重量パーセントを超えると、粒界脆
化が起きると説明されている。
【０００７】 しかしながら、別個の断熱層なしに使用できる、高密度、高品質且つ低コスト
のＭＣｒＡｌＹ型被覆基層が必要である。保護用ＭＣｒＡｌＹ被覆基層は、ター
ビン部品保護のために使用される。これらの被覆はタービン業界への有意な技術
的貢献であるが、それらには高コスト及び品質のばらつきと言う問題が依然とし
て存在する。隅肉領域のようなタービン部品の一部の領域では、標準のＭＣｒＡ
ｌＹ型被覆基層を被覆するのは特に困難である。ＭＣｒＡｌＹの被覆は、多孔度
が過大であるため、性能の低下を生じかねない。ＭＣｒＡｌＹの被覆に極めて優
れた接合性及び高い密度を与え、優れた性能と、大きいタービン部品保護を可能
にする別の被覆プロセスが必要とされている。
【０００８】
【発明の概要】
従って、本発明の主要目的の１つは、基材に対する優れた接着性、高密度、及
び過酷な温度環境における大きな保護性能を有し、製造コストが低い改良型被覆
基層を提供することにある。
【０００９】 本発明の別の主要目的は、改良型被覆基層を形成するため低コストの方法を提
供することにある。
【００１０】 本発明の上記及び他の目的は、基材と、ＭＣｒＡｌＹ型の被覆基層の組成を有
する少なくとも１つの層とより成り、ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びそれらの混合物
より成る群から選択され、少なくとも被覆基層には、平均量が０．５０重量パー
セントを超えるホウ素が断面全体に亘って含まれ、被覆基層の密度が理論密度の
９５％を超えるタービン部品を提供することにより達成される。上部断熱被覆（
ＴＢＣ）は、所望であれば、被覆基層の上に設けることが可能である。基材に適
用される被覆基層組成物、即ち、「生の」状態の被覆基層組成物は、約１重量パ
ーセント乃至約４重量パーセントのホウ素濃度を有する。「生の」被覆基層を熱
処理すると、最終的な被覆基層のホウ素濃度は、上面の近くの約０．５重量パー
セント乃至約３重量パーセントから基材と接触する被覆基層の界面近くの約０．
０５重量パーセント乃至約０．０７重量パーセントにわたる勾配を有するものと
なる。
【００１１】 本発明のさらに別の目的は、（１）金属基材を用意し、（２）ＭＣｒＡｌＹ型
の組成で、ＭがＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びそれらの混合物より成る群から選択され、
ホウ素の濃度が約１重量パーセント乃至約４重量パーセントである被覆基層組成
物を基材に適用して、基材に固着された被覆基層を提供し、（３）被覆された基
材を、被覆基層組成物が流動性を得て、濃縮され、理論密度の９５％を超える緻
密な被覆を形成するに十分な温度と時間で加熱することにより、ホウ素の一部が
被覆基層から消失して、被覆基層の断面全体に亘るホウ素の平均濃度が０．５０
重量パーセントを超えるようにするステップより成る基材に被覆基層を被覆する
方法により達成される。その後、被覆基層と、基材とを冷却させることができる
。その被覆基層の上には、所望により、断熱被覆を適用することができる。
【００１２】
【好ましい実施例の詳細な説明】
図１は、金属基材を被覆基層で被覆する方法を示す。図１のステップ（１）及
び図２の１２で示す基材は、タービン部品であり、タービンの運転中、１０００
℃乃至１１００℃の温度範囲で大きな熱応力を受ける。このタービン部品は、タ
ービンの動翼、静翼、バケット、ノズル、またはタービン内の種々の接合部また
は隅肉領域である。接合部または隅肉領域の被覆は、タービン部品の他の場所に
比べて多孔度が高く、かかる領域では特に、本発明の被覆基層の恩恵を受ける度
合いが大きい。金属基材それ自体は通常、例えば、Ｃｒ．Ａｌ．Ｃｏ．Ｔａ．Ｍ
ｏ．Ｗのコバルトまたはニッケル系超合金である。
【００１３】 被覆基層組成物は、プラズマ溶射、低圧溶射または高速オキシ燃料プロセスの
ような従来の熱溶射法により、図１のステップ（２）において金属基材に適用す
ることができる。本発明に使用する被覆基層組成物はまた、低コストのスラリー
スプレー、電気泳動被覆または静電粉末被覆プロセスにより、液体媒体中の粉末
スラリーとして適用することが可能である。図１のステップ（１）に示す被覆基
層は、図示のように全体を通して被覆基層組成物の成分が均一な分布を有するも
のが好ましい。最初の被覆組成物はＭＣｒＡｌＹ型であり、Ｍは通常、Ｆｅ、Ｃ
ｏ、Ｎｉ及びそれらの混合物より成る群から選択されるが、典型的な組成物は、
乾燥粉末で、約７重量パーセント乃至２０重量パーセントのＣｒ、約５重量パー
セント乃至１０重量パーセントのＡｌ、約０．２重量パーセント乃至約３重量パ
ーセントのＹ、約１．０重量パーセント乃至約４重量パーセントのＢと、最大各
約１重量パーセントのＴｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｈｆ、Ｃ及びＺｒと、残り
はＮｉ、ＣｏまたはＦｅとを含む。従って、この型の超合金被覆の分野でよく知
られているように、他の元素も含むことができる。よく知られているように、Ｙ
は、Ｙそれ自体と、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｈｆ、Ｃ、Ｚｒ及びそれらの
混合物のような元素を表わす。従って、ＭＣｒＡｌＹ型合金は、本質的に、Ｆｅ
、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｙ、Ｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｈｆ、Ｃ及びＺｒより成
ることができる。図において点で示すホウ素（Ｂ）は、乾燥した状態で、即ち、
粉末組成物として、約１重量パーセント乃至約４重量パーセントの範囲内で組成
物全体に亘って均一な混合物として存在する。この組成物はホウ素を含む単一の
混合物か、またはホウ素を含む粉末と、ホウ素を含まない粉末とを６０％−４０
％乃至３０％−７０％の割合で混合したもの、即ち、混合物内にホウ素を含む粉
末が３０％乃至６０％存在するものでよい。粉末を混合すると、ホウ素の拡散パ
スが短くなり、最終的な被覆の耐高温性を増加する。基材に適用される組成物の
ホウ素含有量は、少なくとも約１重量パーセントの範囲でなければならず、これ
により図１の（３）に示す溶融による液化及び濃縮による高密度化ステップが容
易となる。
【００１４】 ステップ（３）において、被覆された基材は、好ましくは真空または不活性雰
囲気中で加熱されるが、この加熱ステップは、適用された被覆基層組成物が、液
化及び溶融されるにつれて、流動性により、形が崩れ、濃縮されるに十分な温度
と時間、一般的には、約１０００℃乃至約約１３５０℃の温度と、約１時間乃至
３時間の時間行なわれる。ホウ素を用いると、融点が低下し、ステップ（３）に
おいて組成物が濃縮され、高密度の被覆が形成される。組成物は、ステップ（３
）で濃縮され、ステップ（４）で冷却されて、最終的な厚さ約０．００５ｃｍ乃
至０．０４ｃｍの薄膜となるため、ステップ（２）では、その被覆基層組成物を
、通常形成されるＭＣｒＡｌＹ型薄膜と比べると非常に厚く適用して、大きな体
積部にすることができる。ステップ（３）の後の被覆基層の好ましい厚さは、約
０．０１ｃｍ乃至０．０３ｃｍである。ステップ（２）における被覆は、最終的
な薄膜が上記の厚さ範囲になるように適当な厚さに適用する。このステップの間
、ホウ素の一部が被覆基層から消失する。残りのホウ素は接合被覆内で均一にな
り、「過渡的な」液相が固化される。
【００１５】 ステップ（３）における高密度化は、理論密度の９５％を超える値、即ち、５
％未満の多孔度にする。理想的な状態では、理論密度の９７％乃至９９％の薄膜
を形成できる。断熱被覆（ＴＢＣ）を適用する場合、ステップ（４）の空気中で
の付加的熱処理により、ＴＢＣの基層として酸化アルミニウム保護層を形成する
ことができる。ステップ（３）の後のホウ素の勾配は、図２から明らかであるよ
うに、点１６のような被覆基層の上面近くの断面体積部で約０．５重量パーセン
ト乃至約３重量パーセント、点１８のようなところではそれよりも低い。点２０
のようなところでは、そのレベルの断面体積部で約０．０５重量パーセント乃至
約０．０７重量パーセントの低い値を有する。即ち、そのレベルの断面体積部で
は、元素としてのホウ素またはホウ化物のホウ素含有量で、約０．０５重量パー
セント乃至約０．０７重量パーセントである。被覆基層の断面全体（１４）に亘
るホウ素の全体または平均濃度は、０．５０重量パーセントより高く、元素とし
てのホウ素またはホウ化物のホウ素含有量で、約０．５０重量パーセント乃至約
１重量パーセントであるのが好ましい。ステップ（２）の被覆は比較的厚いため
、図２に示すように、ホウ素の実質的な量が残留する。このため、被覆基層の融
点は特に影響を受けないが、その理由は、タービン部品が一般的に１１００℃ま
たはそれ以下の温度で運転されるからである。図示のように、一部のホウ素は界
面２２を通って基材１２の低い所２０に拡散しているが、これは、実際に接合を
助ける。しかしながら、界面２２にホウ素を含む別の層を設けるのは好ましくな
い。
【００１６】 被覆基材組成物にホウ素（Ｂ）を添加して、図１のステップ（２）及び（３）
で加熱すると、液相の形成が始まり、被覆基層は、厚さが減少するにつれて高密
度になる。この同じ加熱ステップは、実質的な量のホウ素を消失させる作用があ
り、このため、ステップ（３）及び（４）で冷却されると、タービン動作環境で
使用を開始する際の被覆基層の耐高温性が約１２００℃乃至１３００℃となり、
タービン環境内での使用によりさらにわずかに増加する。
【００１７】 本発明の被覆基層を調製する有用な例として、少なくとも元素Ｎｉ．Ｃｒ．Ａ
ｌ．Ｃｏ．Ｔａ．Ｍｏ．Ｗを含むニッケル系超合金のタービン動翼に、静電被覆
プロセスにより、単一層の基層被覆材料を被覆して、厚さ約０．０５ｃｍの接着
性被覆を形成する。この被覆は、少なくとも、Ｎｉ．Ｃｒ．Ａｌ．Ｙ及び約１重
量パーセント乃至４重量パーセントのホウ素を含む。
【００１８】 その後、被覆されたタービン動翼を、真空中で、１２００℃の温度で、約２時
間加熱することにより、被覆組成物を濃縮して厚さ約０．０３ｃｍとし、実質的
な量のホウ素を消失させ、冷却後のホウ素濃度が被覆の厚さ方向の勾配を有し、
平均ホウ素濃度が、元素としてのホウ素またはホウ化物のホウ素含有量で、０．
５０重量パーセント乃至約１重量パーセントとなるようにする。この被覆は約９
７％の密度を有し、約１０００℃乃至１１００℃もしくはそれより高い温度で超
合金を保護する。
【００１９】 本発明の特定の実施例を説明したが、当業者は、本願の記載から種々の変形例
及び設計変更が可能であることがわかるであろう。従って、図示説明した特定の
構成は、例示的なもので本発明の範囲を限定するものでなく、この範囲は頭書の
特許請求の範囲及びその全ての均等物の幅を与えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の１つの方法を示すブロック図である。
【図２】 図２は、熱処理した被覆基層と、基材との界面を示す断面図である。被覆基層
及び基材を通してホウ素（Ｂ）濃度には勾配があり、これは、図１のステップ（
３）の最初の熱処理の直後の「生の」被覆に相当する。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年１０月４日（２００１．１０．４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｃ２３Ｃ 28/00 Ｃ２３Ｃ 28/00 Ｂ 30/00 30/00 Ｂ Ｆ０１Ｄ 5/28 Ｆ０１Ｄ 5/28 Ｆ０２Ｃ 7/00 Ｆ０２Ｃ 7/00 Ｃ Ｄ (72)発明者 ゴージェン，ジョン，ジイ アメリカ合衆国 フロリダ州 32765 オ ビエド ウィラ・レイク・ロード 1018 Ｆターム(参考） 3G002 EA05 EA06 4K044 AA02 AB10 BA02 BA06 BA10 BA13 BA18 BB03 BB06 BB11 BC11 BC12 CA11 CA53 CA62

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基材と、ＭＣｒＡｌＹ型の被覆基層の組成を有する少なくと
    も１つの層とより成り、ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びそれらの混合物より成る群か
    ら選択され、少なくとも被覆基層には、平均量が０．５０重量パーセントを超え
    るホウ素が断面全体に亘って含まれ、被覆基層の密度が理論密度の９５％を超え
    る複合部材。
  2. 【請求項２】 タービン部品である請求項１の複合部材。
  3. 【請求項３】 断熱被覆が被覆基層の上に位置する請求項１の複合部材。
  4. 【請求項４】 被覆基層は、上面と、基材と接触する界面とを有し、被覆基
    層中のホウ素の濃度は、上面の近くの約０．５重量パーセント乃至約３重量パー
    セントから界面近くの約０．０５重量パーセント乃至約０．０７重量パーセント
    に亘る勾配を有する請求項１の複合部材。
  5. 【請求項５】 被覆基層は、断面全体に亘ってホウ素及びホウ化物を含み、
    元素としてのホウ素またはホウ化物中のホウ素の含有量が、平均で０．５０重量
    パーセント乃至約１重量パーセントである請求項１の複合部材。
  6. 【請求項６】 被覆基層の密度は、理論密度の９７％乃至９９％である請求
    項１の複合部材。
  7. 【請求項７】 タービン運転環境内のタービンに使用される請求項２のター
    ビン部品。
  8. 【請求項８】 基材に被覆基層を被覆する方法であって、 （１）金属基材を用意し、 （２）ＭＣｒＡｌＹ型の組成で、ＭがＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びそれらの混合物より
    成る群から選択され、ホウ素の濃度が約１重量パーセント乃至約４重量パーセン
    トである被覆基層組成物を基材に適用して、基材に固着された被覆基層を提供し
    、 （３）被覆された基材を、被覆基層組成物が流動性を得て、濃縮され、理論密度
    の９５％を超える緻密な被覆を形成するに十分な温度と時間で加熱することによ
    り、ホウ素の一部が被覆基層から消失して、被覆基層の断面全体に亘るホウ素の
    平均濃度が０．５０重量パーセントを超えるようにするステップより成る被覆方
    法。
  9. 【請求項９】 断熱被覆が被覆基層の上に適用される請求項８の方法。
  10. 【請求項１０】 ステップ（３）の後、被覆された基材を冷却するステップ
    を含む請求項８の方法。
  11. 【請求項１１】 基材は超合金のタービン部品であり、ステップ（３）の後
    で冷却された後の被覆の最終的な厚さが約０．００５ｃｍ乃至０．０４ｃｍとな
    るように、ステップ（２）において被覆が適当な厚さに適用される請求項８の方
    法。
  12. 【請求項１２】 ステップ（２）で適用される被覆基層組成物は、ホウ素を
    含む粉末とホウ素を含まない粉末との混合物である請求項８の方法。
  13. 【請求項１３】 ステップ（３）において、被覆された基材が、約１０００
    ℃乃至１３５０℃の温度で、約１乃至３時間、真空または不活性雰囲気中で加熱
    される請求項８の方法。
  14. 【請求項１４】 ホウ素の一部が界面を通って基材に拡散する請求項８の方
    法。
  15. 【請求項１５】 界面に別個のホウ素層が形成されない請求項１４の方法。
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