JP2004218086A - 保護コーティング - Google Patents
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Abstract
【課題】良好な耐腐食性と機械的性質とを併せ持ち、例えば入口温度が１２００℃を超えるガスタービンにも適用可能な保護コーティング材料を提供する。
【解決手段】本発明の保護コーティングは、重量％で表して、２６〜３０％のニッケル、２０〜２８％のクロム、８〜１２％のアルミニウム、０．１〜３％の少なくとも１種の希土類の反応性元素および残部のコバルトからなる。この材料は、良好な機械的性質と共に良好な耐腐食性を持ち、酸化試験では従来のコーティングの２．５倍の寿命を示した。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明の保護コーティングは、重量％で表して、２６〜３０％のニッケル、２０〜２８％のクロム、８〜１２％のアルミニウム、０．１〜３％の少なくとも１種の希土類の反応性元素および残部のコバルトからなる。この材料は、良好な機械的性質と共に良好な耐腐食性を持ち、酸化試験では従来のコーティングの２．５倍の寿命を示した。
【選択図】 図１
Description
本発明は保護コーティングに関する。
ニッケル、クロム、コバルト、アルミニウムおよび希土類の反応性元素を主として含む合金の保護コーティングのために多くの組成物が開発され、試験されてきた。そのようなコーティングはこれ迄にも、例えば特許文献１又は特許文献２から公知になっている。
特許文献３から、追加の成分のケイ素によって、そのような保護コーティングの性質を更に改良することが可能であることも知られている。
それらの文献では実際のところ、比較的広い範囲の各種元素が、高温耐腐食性の保護コーティングを作るための方法となることを定性的に示唆してはいるが、開示されたそれらの組成物が、全ての目的に対して定量的に充分に特異的に効果がある訳ではない。
特許文献３から、追加の成分のケイ素によって、そのような保護コーティングの性質を更に改良することが可能であることも知られている。
それらの文献では実際のところ、比較的広い範囲の各種元素が、高温耐腐食性の保護コーティングを作るための方法となることを定性的に示唆してはいるが、開示されたそれらの組成物が、全ての目的に対して定量的に充分に特異的に効果がある訳ではない。
特許文献４は、保護コーティングのための更なる組成物を開示するが、それらも、高い入口温度を持つ定置ガスタービンで発生する種類の使用又は用途に好適とは言えない。
それらの保護コーティングは、かなりの程度の内部酸化、そしてそれによるクラックの発生があり、そのためにその上層のコーティングにアブレーションをもたらす。
本発明の目的は、成分の上に塗布する、保護コーティング用途を提供し、機械的性質および他の上層のコーティングへの接着性を低下させるクラックの発達を少なくとも減少させることにある。
前述およびその他の目的を考慮に入れて、本発明に従えば、ニッケル系又はコバルト系合金から形成される成分の上への、中温および高温における耐腐食性の保護コーティングが提供され、その成分は実質的には以下の元素からなる（重量％）。
２６〜３０％のニッケル、
２０〜２８％のクロム、
８〜１２％のアルミニウム、
０．１％〜３％のレニウム、
０．１〜３％の少なくとも１種の希土類の反応性元素、
残部のコバルトおよび不純物。
更にレニウム、白金、パラジウム、ジルコニウム、マンガン、タングステン、チタン、モリブデン、ニオブ、鉄およびハフニウムからなる群の少なくとも１種の元素を選択的に０〜１５％を含有してもよい。
２６〜３０％のニッケル、
２０〜２８％のクロム、
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０．１％〜３％のレニウム、
０．１〜３％の少なくとも１種の希土類の反応性元素、
残部のコバルトおよび不純物。
更にレニウム、白金、パラジウム、ジルコニウム、マンガン、タングステン、チタン、モリブデン、ニオブ、鉄およびハフニウムからなる群の少なくとも１種の元素を選択的に０〜１５％を含有してもよい。
好適な範囲は、重量％で述べて、モリブデンは１．５〜２％、タングステンは２．５〜４％、チタンは１％迄、ジルコニウムはO．１％迄、ハフニウムは１％迄、そしてホウ素は０．５％迄である。
更に０．０８重量％〜０．１重量％の炭素を加えることもできる。
この保護コーティングは、コーティング内およびベース金属とコーティングの界面に脆い相を形成することはない。更に耐酸化性が改善される。アルミニウムリッチな相の量と構造が良好なアンカー層を発達させるのに十分なので、ＭＣｒＡｌＹ上およびＭＣｒＡｌＹとセラミックスとの界面に、各々ＴＧＯ（熱により成長する酸化物層）が生成する。
この点に関して、最後に述べた元素群内の特定の元素を選択的に加えることで、その元素が保護コーティングの特性を劣化させることがなく、逆に、少なくともある種の環境においては実際に改良するという知見に基づいている。
以下の如き性質や意義を、保護コーティングの各種の構成成分に帰すことができる。
１つの成分としてのコバルトは、高温における良好な耐腐食性を与える。
ニッケルは、コーティングの延性を改良し、かつニッケル系ベース金属に関して相互拡散を抑制する。ニッケルの好適な範囲は２６〜３０、好ましくは約２８重量％である。
クロムは、約９００℃迄の中温での耐腐食性を改良すると共に、酸化アルミニウムの保護層の形成を促す。クロムの好適な範囲は２０〜２８重量％、特に約２４重量％である。
アルミニウムは、約１１５０℃迄の高温における耐腐食性を改良する。アルミニウムの量は、８〜１２重量％の範囲内、具体的には約１０重量％とすべきである。
反応性元素、特にイットリウムの効果はそれ自体公知である。その好適な範囲は０．１〜３重量％、具体的には約０．６重量％である。
上記の好ましい範囲において試験すると、入口温度が１２００℃を超えるガスタービンに応用するための保護コーティングで特に良好な耐腐食性を示すことが判った。
従来技術の文献から、保護コーティングを損なわない各種の元素が知られていたが、それどころか場合によっては、全部で１５％重量未満の範囲、具体的には僅か数重量％の量でそれらを混合すると保護コーティングを事実上改良する。ここで出願する本発明は、そのような添加物を加えた保護コーティングをも包含する。
保護コーティング用途では殆ど顧みられることのなかった元素、即ちレニウムを０．１〜３重量％、好ましくは０．１〜２重量％又は０．１〜１重量％の量で混合すると、著しく耐腐食性を向上させる。
レニウムは大抵の貴金属程に高価ではないが、保護コーティングの成分とすると、例えば白金と同程度に良好な性質を与えることができ、また、保護コーティング内にほんの少し加えるだけで効果を発揮させることが可能である。従って、レニウム含有量が１〜２重量％、好ましくは１．２〜１．７重量％で、良好な結果が得られる。
本発明によるコーティングは、プラズマ溶射や蒸着（ＰＶＤ）で塗布でき、ニッケル系又はコバルト系超合金で作ったガスタービンのブレードに特に適する。ガスタービン、特に、例えば入口温度が高く１２００℃を超えるようなガスタービンのその他の部分にも、同様にそのような保護コーティングを設けられる。本発明によるコーティングの特定の組成物は、高い入口温度を有する定置ガスタービンのために特に好適に選択できることが、試験的に証明された。そのような試験について、以下に説明する。
これ迄説明したコーティングを塗布する部品は、ニッケル系又はコバルト系超合金から製造したものであれば好都合である。部品は以下のものから形成してもよい。
１．重量％で表して実質的に以下の元素からなる鍛造合金
０．０３〜０．０５％の炭素、１８〜１９％のクロム、１２〜１５％のコバルト、３ 〜６％のモリブデン、１〜１．５％のタングステン、２〜２．５％のアルミニウム、３ 〜５％のチタン、任意の少量添加物（タンタル、ニオブ、ホウ素および／又はジルコニ ウム）および残部のニッケル。かかる合金としてユーディメット５２０およびユーディ メット７２０が公知である。
０．０３〜０．０５％の炭素、１８〜１９％のクロム、１２〜１５％のコバルト、３ 〜６％のモリブデン、１〜１．５％のタングステン、２〜２．５％のアルミニウム、３ 〜５％のチタン、任意の少量添加物（タンタル、ニオブ、ホウ素および／又はジルコニ ウム）および残部のニッケル。かかる合金としてユーディメット５２０およびユーディ メット７２０が公知である。
２．重量％で表して実質的に以下の元素からなる鋳造合金
０．１〜０．１５％の炭素、１８〜２２％のクロム、１８〜９％のコバルト、０〜２％のタングステン、０〜４％のモリブデン、０〜１．５％のタンタル、０〜１％のニオブ、１〜３％のアルミニウム、２〜４％のチタン、０〜０．７５％のハフニウム、任意の少量添加物のホウ素および／又はジルコニウム、残部のニッケル。この種合金として、ＧＴＤ２２２、ＩＮ９３９、ＩＮ６２０３およびユーディメット５００が公知である。
０．１〜０．１５％の炭素、１８〜２２％のクロム、１８〜９％のコバルト、０〜２％のタングステン、０〜４％のモリブデン、０〜１．５％のタンタル、０〜１％のニオブ、１〜３％のアルミニウム、２〜４％のチタン、０〜０．７５％のハフニウム、任意の少量添加物のホウ素および／又はジルコニウム、残部のニッケル。この種合金として、ＧＴＤ２２２、ＩＮ９３９、ＩＮ６２０３およびユーディメット５００が公知である。
３．重量％で表して実質的に以下の元素からなる鋳造合金
０．０７〜０．１％の炭素、１２〜１６％のクロム、８〜１０％のコバルト、１．５〜２％のモリブデン、２．５〜４％のタングステン、１．５〜５％のタンタル、０〜１％のニオブ、３〜４％のアルミニウム、３．５〜５％のチタン、０〜０．１％のジルコニウム、０〜１％のハフニウム、任意の少量添加物（ホウ素）および残部のニッケル。この種合金としてＰＷＡ１４８３ＳＸ、ＩＮ７３８ＬＣ、ＧＴＤ１１１、ＩＮ７９２ＣＣおよびＩＮ７９２ＤＳ等が公知である。本発明においてはＩＮ７３８ＬＣが特に有用である。
０．０７〜０．１％の炭素、１２〜１６％のクロム、８〜１０％のコバルト、１．５〜２％のモリブデン、２．５〜４％のタングステン、１．５〜５％のタンタル、０〜１％のニオブ、３〜４％のアルミニウム、３．５〜５％のチタン、０〜０．１％のジルコニウム、０〜１％のハフニウム、任意の少量添加物（ホウ素）および残部のニッケル。この種合金としてＰＷＡ１４８３ＳＸ、ＩＮ７３８ＬＣ、ＧＴＤ１１１、ＩＮ７９２ＣＣおよびＩＮ７９２ＤＳ等が公知である。本発明においてはＩＮ７３８ＬＣが特に有用である。
４．重量％で表して実質的に以下の元素からなる鋳造合金
約０．２５％の炭素、２４〜３０％のクロム、１０〜１１％のニッケル、７〜８％のタングステン、０〜４％のタンタル、０〜０．３％のアルミニウム、０〜０．３％のチタン、０〜０．６％のジルコニウム、任意の少量添加物のホウ素および残部のコバルト。
約０．２５％の炭素、２４〜３０％のクロム、１０〜１１％のニッケル、７〜８％のタングステン、０〜４％のタンタル、０〜０．３％のアルミニウム、０〜０．３％のチタン、０〜０．６％のジルコニウム、任意の少量添加物のホウ素および残部のコバルト。
２００〜３００μｍの範囲の厚みを持つコーティングを塗布すると特に有用である。
上記部品の繰り返し酸化試験を行った。試験サイクルは１０００℃で２時間、圧縮空気での冷却１５分とした。この試験で、本コーティング組成物は優れた繰り返し酸化挙動を示した。破壊迄の時間は、同じ条件で試験した他のコーティングの約２．５倍であった。
試験結果を図１に示す。試料１は広く使用されている従来技術のコーティングであり、それに対し試料２は本発明によるものである。
試料１も２も、前述の分類ではＰＷＡ１４８３ＳＸから製造したベース材料を用いた。
従来技術の試料１（１１〜１３重量％のＣｏ、２０〜２２重量％のＣｒ、１０．５〜１１．５重量％のＡｌ、０．３〜０．５重量％のＹ、１．５〜２．５重量％のＲｅおよび残部のＮｉからなり、米国特許第５１５４８８５号、同第５２７３７１２号および同第５２６８２３８号明細書で公知）と比較して、本発明による試料２（本発明品、２８重量％のＮｉ、２４重量％のＣｒ、０．６重量％のＹ、１０重量％のＡｌ、残部のＣｏ）は明らかに、その繰り返し酸化挙動において特に優れている。
この図から解る如く、従来技術の試料１は破損に至る迄の回数が約１２００回である。本発明により製造した試料では、破損に至る迄の回数は約３２００回である。
試料１のものが、特にその耐繰り返し酸化性の面では、最良のコーティングであると当業者に認められてきた。本発明によるコーティングにより、耐酸化性と延性（引き裂き抵抗および接着性において重要）との間で妥協を図る必要はなくなった。これら性質は、各々に関して最適化が可能であるだけではなく、従来技術よりも大幅に改良される。
試料１のものが、特にその耐繰り返し酸化性の面では、最良のコーティングであると当業者に認められてきた。本発明によるコーティングにより、耐酸化性と延性（引き裂き抵抗および接着性において重要）との間で妥協を図る必要はなくなった。これら性質は、各々に関して最適化が可能であるだけではなく、従来技術よりも大幅に改良される。
Claims (13)
- ニッケル系又はコバルト系超合金から形成される部品の上に塗布される耐酸化性の保護コーティングであって、重量％で表して以下の元素からなるコーティング。
２６％〜３０％のニッケル、
２０％〜２８％のクロム、
０．１％〜３％の希土類元素、
８％〜１２％のアルミニウム、
０．１％〜３％のレニウムおよび
残部のコバルト。 - ニッケル含有量が２８重量％、
クロム含有量が２４重量％、
アルミニウム含有量が１０重量％そして
希土類元素含有量が０．６重量％
である請求項１記載のコーティング。 - レニウム含有量が０．１〜２重量％である請求項１記載のコーティング。
- レニウム含有量が０．１〜１重量％である請求項１記載のコーティング。
- レニウム含有量が１〜２重量％である請求項１記載のコーティング。
- レニウム含有量が１．２〜１．７重量％である請求項１記載のコーティング。
- ０．０８〜０．１重量％の炭素を更に添加した請求項１記載のコーティング。
- l．５〜２重量％のモリブデンを更に添加した請求項１記載のコーティング。
- ２．５〜４重量％のタングステンを更に添加した請求項１記載のコーティング。
- 重量％で表して以下の元素を更に添加した請求項１記載の保護コーティング。
０〜１％のチタン、
０〜０．１％のジルコニウム、
０〜１％のハフニウムおよび
０〜０．５％のホウ素。 - レニウム、白金、パラジウム、ジルコニウム、マンガン、タングステン、チタン、モリブデン、ニオブ、鉄およびハフニウムからなる群より選択した元素を、全量で１５重量％未満となるように添加した請求項１記載のコーティング。
- 前記希土類元素がイットリウムである請求項１又は２記載のコーティング。
- 希土類元素の含有量が０．６重量％である請求項１又は１２記載のコーティング。
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