JP2005105299A

JP2005105299A - アルミニウムが拡散浸透されたイリジウムと白金とからなる合金が被覆されたニッケル基超合金

Info

Publication number: JP2005105299A
Application number: JP2003336569A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Go; 豊呉; Hideyuki Murakami; 秀之村上; Koji Harada; 広史原田
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: JP3837559B2

Abstract

【目的】高温、高応力下に晒されるジェットエンジン、ガスタービンブレード、タービンベーンなどに好適な高温における機械的強度や耐酸化性、耐腐食性が優れた被覆ニッケル基超合金を安価に提供する。
【構成】ニッケル基超合金表面にイリジウムと白金からなる合金を被覆し、この合金被膜にさらにアルミニウム拡散浸透処理する。
【選択図】図１

Description

この出願の発明は自動車、家電，通信等の機械的強度を必要とする部材や高温、高応力下における機械的強度や耐高温酸化性、耐腐食性が要求されるジェットエンジン、ガスタービンブレード、タービンベーンなどに有用な被覆ニッケル基超合金に関するものである。

ニッケル基超合金は高温における機械的強度や耐腐食性が良好であり、自動車、通信、家電、航空機などの成形材料として使用されていることはよく知られている。しかしながら、最新のガスタービンやジェットエンジン中の燃焼ガスの温度は約１５００℃に達しており、この温度は動静翼として用いられるニッケル基合金の融点（１４００℃）をはるかに超えている。そのため、ガスタービン動静翼として使用されているニッケル（Ｎｉ）基超合金では、白金を被覆した後にアルミニウム（Ａｌ）を拡散浸透処理して機械的強度や高温における耐酸化性、耐腐食性を改善することが行なわれている（特許文献１および２）。

また、一方、白金は値段が高く白金を使用すると製品がコスト高になるという問題がある。このコスト高を抑制する方法として、白金と同じ貴金属であり物理特性も化学特性も極めて近い性質を有し白金に比較して安価なイリジウムと白金に添加したイリジウム−白金合金を被覆して、防腐食材、電気接点等の材料として利用することも知られている（特許文献３および４）。

さらに、近年ではイリジウムと白金を２層被覆した後にアルミニウム拡散浸透処理して高温における機械的強度や耐腐食性を改善することも行なわれている（非特許文献１）。
ＵＳＰ３，１０７１７５号ＵＳＰ３，４９４７４８号特開平９−２５６１８９号公報特開平１０−２３７６８６号公報 G.Fisher et al.″An assessment of the oxidation resistance of an iridium and an iridium/platinum low-activity aluminide/MarM002 system at 1100℃″Surface and Coatings Technology 113(1999)259-267

前記のとおり、ニッケル基超合金の高温における機械的強度や耐腐食性を改善するための方法として、ニッケル基超合金の表面にイリジウムと白金を２層被覆して、この被覆膜にアルミニウム拡散浸透処理することが最近注目されているが、この方法はイリジウムと白金をそれぞれスパッタリング法で２層に成膜したものにアルミニウム拡散浸透処理する方法であるため工程が複雑になり、しかもイリジウムと白金は合金になっておらず２層に成膜されたままアルミニウム拡散浸透処理されているため、高温における耐酸化特性や耐腐食性が純白金にアルミニウムの拡散浸透処理を行ったものより劣っているという問題があった。

そこで、この出願の発明は、従来の問題点を解消し、簡便で、しかも高温における機械的強度や耐酸化性、耐腐食性が優れた被覆ニッケル基超合金を安価に提供することを課題としている。

この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、イリジウムと白金からなる合金が被覆されたニッケル基超合金のイリジウム−白金合金被膜にアルミニウムが拡散浸透されていることを特徴とするイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金を提供する。

第２には、イリジウム−白金合金被膜の厚みが５μｍ〜３０μｍである上記のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金を提供する。

第３には、イリジウム−白金合金被膜中のイリジウムの含有量が４０原子％以下である上記のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金を提供する。

第４には、最表面から５０μｍまでの表面部におけるアルミニウムの濃度が５０原子％〜７０原子％である上記のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金を提供する。

上記第１の発明のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金によれば、高温における機械的強度や耐酸化性、耐腐食性に優れたニッケル基超合金を安価に実現できる。

上記第２の発明のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金によれば、上記第１と同様な効果が得られ、またこの効果を得るための好適な被膜の膜厚が得られる。

上記第３の発明のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金によれば、上記第１および第２と同様な効果が得られ、また、好適なイリジウムの含有量の範囲が得られる。

上記第４の発明のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金によれば、第３同様の効果が得られ、さらに好適なイリジウムの含有量の範囲が得られる。

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

この出願の発明は、上記のとおり、イリジウムと白金からなる合金を被覆し、さらに被覆された合金層中にアルミニウムを拡散浸透処理することにより高温における機械的強度や耐腐食性が改善されたイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金を提供するものである。

基材としてのＮｉ基超合金については、その組成は、公知のＮｉ基超合金をはじめ各種のものであってよいが、この出願の発明者らが提案しているＴＭＳ−７５をはじめとするＮｉ基超合金を好適に使用することができる。

もちろん、この組成には不可避的不純物の混入が許容されることになる。

そして、この出願の発明においては、イリジウム−白金の合金をＮｉ基超合金の表面に被覆するが、そのための方法としては各種のメッキ方法が採用されてよいが、この出願の発明者らがすでに提案している方法が好適に採用される。すなわち、アミド硫酸（ＮＨ₂
ＳＯ₃Ｈ）またはその塩を添加したメッキ浴中で、メッキする方法である。さらには、硝
酸ナトリウムも添加したメッキ浴を用いて、ｐＨ１〜３の範囲で、６０℃〜９０℃の範囲でメッキする方法である。この方法によれば、イリジウムおよび白金は、金属として、あ
るいは化合物としてメッキ浴中に溶解しておくことができ、浴中のイリジウムの濃度（モル濃度）と被覆膜中のイリジウムの組成はほぼ比較するので、形成された被膜中のイリジウムの割合をコントロールすることが容易である。

この出願の発明におけるアルミニウムを拡散浸透処理したイリジウム−白金合金被膜は、前記の非特許文献１の公知技術、すなわち、イリジウム／白金の２層膜にアルミニウムの拡散浸透処理したものとは本質的に異なっている。また、非特許文献１では、イリジウム／白金の２層膜よりも純粋な白金膜のほうが耐酸化特性に優れていると結論づけているが、この出願の発明の上記被膜においては、４０原子％、さらには２５原子％までのイリジウム含有のイリジウム−白金合金の場合には純白金の場合とほぼ同等の耐酸化特性が得られる。そして、高価な白金の使用量を少くして高温での強度、耐酸化性、耐食性を良好とするとの観点からは、実用的には、イリジウム−白金合金被膜におけるイリジウムの含有量を４０原子％以上により増大させることができる。

形成されたイリジウム−白金合金被覆膜中へのアルミニウムの拡散浸透処理のためには各種の方法が採用されてよいが、たとえば後述の実施例にも例示したような拡散浸透法を用いることができる。耐酸化性を保つためには、被覆Ｎｉ基超合金の表面部のアルミニウムの濃度、より詳しくは、最表面から５０μｍ、さらには６０μｍまでのアルミニウムの濃度が５０〜７０原子％の範囲になるように処理することが望ましい。

５０原子％未満の場合には、充分な耐酸化性が得られにくくなり、また、７０原子％を超える場合には、高温における機械的強度に影響することになる。

そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。

メッキ容器に陽極棒として白金板を使用し、また陰極としてニッケル基単結晶超合金ＴＭＳ−７５〔Ｎｉ−１２．６Ｃｏ−３．５Ｃｒ−１．３Ｍｏ−２Ｗ−１３．７Ａｌ−２Ｔａ−０．０４Ｈｆ−１．６７Ｒｅ〕（原子％）を使用する。そして、このメッキ容器に三塩化イリジウム、六塩化白金（IV）酸、アミド硫酸、硝酸ナトリウムからなるメッキ液を作製してpHを１〜３に調整する。このメッキ液の温度を７５〜８０℃、陰極電流密度１〜３Ａ／ｄｍ²に保持して磁気攪拌棒で３０分程度攪拌してメッキを行ない、イリジウム含
有量が２３at%，３６at%，６９at%の３種類のイリジウム−白金合金が被覆されたニッケ
ル基単結晶超合金ＴＭＳ−７５を作製した。また、これとは別に通常の方法でニッケル基単結晶超合金ＴＭＳ−７５の表面に純イリジウム（Ｉｒ）および純白金（Ｐｔ）の被膜を作製した。

作製されたニッケル基単結晶超合金ＴＭＳ−７５の表面にイリジウム含有量が２３at%
，３６at%，６９at%のイリジウム−白金からなる合金と、純イリジウムおよび純白金を膜厚がそれぞれ約６μｍになるように被覆した後アセトンで洗浄した。次いで、アルミニウム（Ａｌ），アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃），鉄（Ｆｅ）およびアンモニウム（ＮＨ₄Ｃｌ）の混
合粉末中に入れ、アルゴン（Ａｒ）雰囲気中で、１０００℃、５時間のアルミニウム（Ａｌ）の拡散浸透処理を行ない５種類の試料を作成した。

この５種類の試料を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）繰り返し酸化試験を行い、ＳＥＭ，ＥＤＸ（ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて物性および表面の形態を比較した。

図１は繰り返し酸化試験の結果を示した図であるが、各試料は酸化に伴い重量が増加し
その後、揮発若しくは剥離により重量の減少が生じている。この図１から重量変化の小さい白金−アルミニウム被覆が最も耐酸化性に優れたものであり、イリジウム−アルミニウム被覆が最も耐酸化性が小さいことがわかる。この出願の発明のイリジウム−白金合金−アルミニウム被覆の耐酸化性については、白金に３６原子％、さらには２３原子％以下のイリジウムの量を添加した場合には、上記の白金−アルミニウム被覆の場合とほぼ同程度の重量変化量が確認される。この結果から、イリジウム−白金合金−アルミニウム被膜においてはイリジウム含有量が４０原子％以下、さらには２５原子％以下が好ましいことを示している。なお、被膜の膜厚については３μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍの6種類について検討したが、５μｍ〜３０μｍが最も実用的に好ましい範
囲であることが確認された。５μｍ未満では耐酸化性の確保が難しくなり、３０μｍを超える場合には経済性の観点から不利であるだけでなく、被膜と母材との間に内部応力がかかり、剥離しやすくなるという不都合が生じる。

図２は、白金−２３原子％イリジウム合金被膜にアルミニウム拡散浸透処理を施した後の表面部断面と合金元素分析の結果を例示したものである。

たとえばこの図２に例示したように、イリジウム含有の合金被膜が、耐酸化性を保つためには、被覆Ｎｉ基超合金の表面部のアルミニウムの濃度、より詳しくは、最表面から５０μｍ、さらには６０μｍまでのアルミニウムの濃度が５０〜７０原子％の範囲になるように処理することが望ましい。

もちろん、この出願の発明は以上の実施形態および実施例に限定されるものではなく、詳細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。

以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、従来のような高価な白金被膜に替えて安価で、しかも同程度の耐酸化特性を有するイリジウム−白金合金を被膜したニッケル基超合金を使用することがことができる。

繰り返し酸化試験の結果を示す図である。被膜の断面と合金元素の分析結果を例示した図である。

Claims

イリジウムと白金からなる合金が被覆されたニッケル基超合金のイリジウム−白金合金被膜にアルミニウムが拡散浸透されていることを特徴とするイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金。
イリジウム−白金合金被膜の厚みが５μｍ〜３０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金。
イリジウム−白金合金被膜中のイリジウムの含有量が４０原子％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金。
最表面から５０μｍまでの表面部におけるアルミニウムの濃度が５０原子％〜７０原子％であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金。