JP2008045176A - 高温耐久性に優れた耐熱部材 - Google Patents
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Abstract
【課題】１１００℃あるいはこれを超えるような高温でも基材／合金相界面を通して起こる元素の相互拡散を抑制できるコーティングを施した高温部材の提供。
【解決手段】タービン動翼やタービン静翼の耐熱部材に用いられるＲｈ含有のＮｉ基超合金として、その成分が重量比で、Ａｌ：１．０重量％以上１０．０重量％以下、Ｒｈ：０．１重量％以上１０．０重量％以下、その他必要に応じてＴａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｅ，Ｃｒ，Ｎｂ等を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するものを使用する。このような基材合金と熱力学的に平衡する組成を有するγ相、γ’相、β相のうち，少なくとも一種の合金相をコーティングした耐熱部材であり、耐酸化性、耐高温腐食性、機械的特性などに優れた耐熱部材を得ることができる。
【選択図】 なし
【解決手段】タービン動翼やタービン静翼の耐熱部材に用いられるＲｈ含有のＮｉ基超合金として、その成分が重量比で、Ａｌ：１．０重量％以上１０．０重量％以下、Ｒｈ：０．１重量％以上１０．０重量％以下、その他必要に応じてＴａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｅ，Ｃｒ，Ｎｂ等を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するものを使用する。このような基材合金と熱力学的に平衡する組成を有するγ相、γ’相、β相のうち，少なくとも一種の合金相をコーティングした耐熱部材であり、耐酸化性、耐高温腐食性、機械的特性などに優れた耐熱部材を得ることができる。
【選択図】 なし
Description
本願発明は、Ｎｉ基超合金の基材に合金層をコーティングした耐熱部材に関し、より詳しくは、ジェットエンジン、産業用ガスタービンなど高温機器に用いる耐熱部材の分野に関するものである。
従来、ジェットエンジンや産業用ガスターンビンなどのタービン動翼やタービン静翼の基材として耐用温度を改善したＮｉ基超合金が開発されてきている。また、これらのタービン動翼やタービン静翼の耐熱部材の耐久性をさらに高めるために、従来からＡｌ、 Ｃｒ、Ｎｉ−Ａｌ、Ｐｔ−Ａｌ、ＭＣｒＡｌＹなどがコーティング材料としてよく知られ、使用されてきた実績も多い。しかし、これらをＮｉ基超合金タービン翼に適用し、高温で長時間使用した場合、Ｎｉ基超合金とこれらコーティング材料との界面をとおして元素の相互拡散が進み、これによってＮｉ基超合金の材質劣化による強度低下や、コーティング材の耐環境性低下など、タービン翼自体の耐久性低下につながる材料技術的な問題が生じる。
特に、近年、ジェットエンジンやガスタービンのガス温度は向上し、必然的にタービン翼の温度も上昇し、このような拡散現象がより加速されている。さらには、高圧タービン翼では冷却のために中空構造を有しているが、その薄肉化が進んでいるため、拡散領域の影響はますます大きな問題となっている。
元素の基材／合金層界面をとおしての拡散を抑えるために、拡散障壁コーティング（ディフュージョンバリアコーティング）（例えば特許文献１−３など）が検討されているが、多層構造でありコーティングプロセスを複雑にするうえ、基材と合金層は熱力学的に平衡状態ではないため、その効果にも限度がある。
一方、最近公開されたＵＳ２００４／０２２９０７５（特許文献４）による発明では、最も早く拡散し、拡散により有害相を生成させる元素であるＡｌ元素の濃度を下げたＰｔ系元素を含むγ＋γ’相のコーティングにより、Ａｌの拡散を少なくしようと意図している。しかしながら、高温・長時間での使用ではやはり合金層からのＰｔやＡｌの内方拡散と基材からの強化元素の外方拡散により部材としての劣化が進み、その効果は限定的である。
ＵＳ特許第ＵＳ６３０６５２４号公報
ＵＳ特許第ＵＳ６０８０２４６号公報
ＵＳ特許第ＵＳ６８３０８２７号公報
ＵＳ公開第ＵＳ２００４／０２２９０７５号公報
本発明は、１１００℃あるいはこれを超えるような高温でも基材／合金層界面をとおして起こる元素の相互拡散を抑制できるコーティングを施した新しい高温部材を提供することを課題としている。
この発明は、基材と合金層とが熱力学的に平衡状態とすることにより、基材と合金層の相互拡散を無くすことが出来るとの知見に基づくものである。
すなわち、発明１の耐熱部材は、基材と熱力学的に平衡状態にある合金層をコーティング
材として用いて一層あるいは多層コーティングすることによるものである。
すなわち、発明１の耐熱部材は、基材と熱力学的に平衡状態にある合金層をコーティング
材として用いて一層あるいは多層コーティングすることによるものである。
また、発明２は、発明１において、Ｒｈを含有するＮｉ基超合金に対し、と熱力学的に平衡する組成を有するγ相、γ’相およびβ相のうち、少なくとも一種を有する合金層をコーティングすることによる。
本願発明の第３は、発明２において、Ａｌ：１．０重量％以上１０．０重量％以下、Ｔａ：０重量％以上１４．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上１０．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上１０．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上３．０重量％以下、Ｃｒ：０重量％以上２０．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上２０重量％以下、Ｒｕ：０重量％以上１４．０重量％以下、Ｒｈ：０．１重量％以上１０．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上４．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基超合金に、このＮｉ基超合金の基材と熱力学的に平衡する組成を有するγ相、γ’相、β相のうち一種もしくは複数を合金層をコーティングしてあることを特徴とするものである。
本願発明の第４は、発明２において、Ａｌ：１．５重量％以上７．０重量％以下、Ｔａ：２重量％以上１０．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上４．５重量％以下、Ｗ： ０重量％以上１０．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上８．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上０．５０重量％以下、Ｃｒ：２．０重量％以上１５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｕ：０重量％以上１４．０重量％以下、Ｒｈ：０．３重量％以上８．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上２．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基超合金に、このＮｉ基超合金の基材と熱力学的平衡する組成を有するγ相、γ’相、β相のうち一種もしくは複数をコーティングしてあることを特徴とするものである。
本願発明の第５は、発明２において、Ａｌ：１．０重量％以上１０．０重量％以下、Ｔａ：０重量％以上１４．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上１０．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上１０．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上３．０重量％以下、Ｃｒ：０重量％以上２０．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上２０重量％以下、Ｒｕ：０重量％以上１４．０重量％以下、Ｒｈ：０．１重量％以上１０．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上４．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基超合金を基材とし、コーティング材成分が重量比で、Ａｌ： １０．０重量％以上２５．０重量％以下、Ｔａ：０重量％以上５．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｃｒ：０重量％以上５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上４重量％以下、Ｒｕ：１０．０重量％以上３５．０重量％以下、Ｎｉ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上２．０重量％以下を含有し、残部がＲｈと不可避的不純物からなる組成を有するβ相およびコーティング材成分が重量比で、Ａｌ： ０．５重量％以上１５．０重量％以下、Ｔａ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上５．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上２０．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｃｒ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上１５重量％以下、Ｒｕ：０．０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｈ：０．１重量％以上１０．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上５．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するγ相又はγ’相の内、少なくとも一種の相を含む合金をコーティング材としてコーティングしてあることを特徴とするものである。
本願発明の第６は、発明２において、Ａｌ：１．５重量％以上７．０重量％以下、Ｔａ：２重量％以上１０．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上４．５重量％以下、Ｗ： ０重
量％以上１０．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上８．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上０．５０重量％以下、Ｃｒ：２．０重量％以上１５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｕ：０重量％以上１４．０重量％以下、Ｒｈ：０．３重量％以上８．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上２．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基超合金を基材とし、コーティング材成分が重量比で、Ａｌ： １０．０重量％以上２５．０重量％以下、Ｔａ：０重量％以上５．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｃｒ：０重量％以上５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上４重量％以下、Ｒｕ：１０．０重量％以上３５．０重量％以下、Ｎｉ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上２．０重量％以下を含有し、残部がＲｈと不可避的不純物からなる組成を有するβ相およびコーティング材成分が重量比で、Ａｌ： ０．５重量％以上１５．０重量％以下、Ｔａ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上５．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上２０．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｃｒ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上１５重量％以下、Ｒｕ：０．０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｈ：０．１重量％以上１０．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上５．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するγ相又はγ’相の内、少なくとも一種の相を含む合金をコーティング材としてコーティングしてあることを特徴とするものである。
量％以上１０．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上８．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上０．５０重量％以下、Ｃｒ：２．０重量％以上１５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｕ：０重量％以上１４．０重量％以下、Ｒｈ：０．３重量％以上８．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上２．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基超合金を基材とし、コーティング材成分が重量比で、Ａｌ： １０．０重量％以上２５．０重量％以下、Ｔａ：０重量％以上５．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｃｒ：０重量％以上５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上４重量％以下、Ｒｕ：１０．０重量％以上３５．０重量％以下、Ｎｉ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上２．０重量％以下を含有し、残部がＲｈと不可避的不純物からなる組成を有するβ相およびコーティング材成分が重量比で、Ａｌ： ０．５重量％以上１５．０重量％以下、Ｔａ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上５．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上２０．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｃｒ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上１５重量％以下、Ｒｕ：０．０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｈ：０．１重量％以上１０．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上５．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するγ相又はγ’相の内、少なくとも一種の相を含む合金をコーティング材としてコーティングしてあることを特徴とするものである。
本願発明の第７は、発明２において、Ａｌ：１．５重量％以上７．０重量％以下、Ｔａ：２重量％以上１０．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上４．５重量％以下、Ｗ： ０重量％以上１０．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上８．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上０．５０重量％以下、Ｃｒ：２．０重量％以上１５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｕ：０重量％以上１４．０重量％以下、Ｒｈ：０．３重量％以上８．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上２．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基超合金に、コーティング材成分が重量比で、Ａｌ：１２．０重量％以上２０．０重量％以下、Ｔａ：０．３重量％以上２．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｗ： ０重量％以上２．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上０．５０重量％以下、Ｃｒ：０．０重量％以上３．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｒｕ：１５重量％以上３０．０重量％以下、Ｎｉ：０．１重量％以上１０．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上１．０重量％以下を含有し、残部がＲｈと不可避的不純物からなる組成を有するβ相の合金をコーティング材としてコーティングしてあることを特徴とするものである。
本願発明の第１は、本発明の根幹を表したものである。すなわち、上記構成により、従来技術では解決し得なかった高温での長時間の耐久性を飛躍的に向上させたところにその最大の特徴を有する。具体的には、ジェットエンジンや産業用ガスターンビンなどのタービン動翼やタービン静翼として高温、高応力下での使用を目的としたもので、部材の耐酸化性、耐高温腐食性などの耐環境特性を向上させることはもちろん、従来技術では解決し得なかった高温での長時間の耐久性を飛躍的に向上させたところにその最大の特徴を有する耐熱部材を提供するものである。
このことにより、１１００℃あるいはこれを超えるような高温でも元素の基材／コーティング界面をとおしての相互拡散を抑制することができる。Ｎｉ基超合金は耐熱材料として優れた特性を示し、これにより高温耐久性に優れた耐熱部材を得ることができる。
このことにより、１１００℃あるいはこれを超えるような高温でも元素の基材／コーティング界面をとおしての相互拡散を抑制することができる。Ｎｉ基超合金は耐熱材料として優れた特性を示し、これにより高温耐久性に優れた耐熱部材を得ることができる。
本願発明の第２は、上記構成を特徴とするものである。
白金族元素を含有するＮｉ基超合金としてＩｒ合金を含む耐熱性に優れた新規な合金系の提案（例えば特許第３６４６１５５号）も知られているが、Ｒｈの密度（１２．４ｇ／
ｃｍ３）は Ｉｒの密度（２２．６ｇ／ｃｍ３）に比べてかなり小さく、タービン動翼の材料として好ましいものである。また、一般にＲｈを含む合金系は耐酸化性も優れていることが知られており、この点もＲｈを含むＮｉ基超合金の好ましい特徴の一つである。これら特徴を有する基材に対し、本発明の合金層を設けることにより、γ相、γ’相、β相はいずれも耐酸化性、耐高温腐食性、機械的特性の向上ができる相であり、これにより優れた耐熱部材を得ることができる。
白金族元素を含有するＮｉ基超合金としてＩｒ合金を含む耐熱性に優れた新規な合金系の提案（例えば特許第３６４６１５５号）も知られているが、Ｒｈの密度（１２．４ｇ／
ｃｍ３）は Ｉｒの密度（２２．６ｇ／ｃｍ３）に比べてかなり小さく、タービン動翼の材料として好ましいものである。また、一般にＲｈを含む合金系は耐酸化性も優れていることが知られており、この点もＲｈを含むＮｉ基超合金の好ましい特徴の一つである。これら特徴を有する基材に対し、本発明の合金層を設けることにより、γ相、γ’相、β相はいずれも耐酸化性、耐高温腐食性、機械的特性の向上ができる相であり、これにより優れた耐熱部材を得ることができる。
本願発明の第３は、上記構成を特徴とするものであり、本組成範囲のＮｉ基超合金に対して、高温耐久性に優れた耐熱部材を得ることができる。
本願発明の第４は、上記構成を特徴とするものであり、本組成範囲のＮｉ基超合金に対して、より高温耐久性に優れた耐熱部材を得ることができる。
本願発明の第５は、上記構成を特徴とするものであり、より高温耐久性に優れた耐熱部材を得ることができる。
本願発明の第６は、上記構成を特徴とするものであり、より高温耐久性に優れた耐熱部材を得ることができる。
本願発明の第７は、上記構成を特徴とするものであり、より高温耐久性に優れた耐熱部材を得ることができる。
本願発明において、タービン動翼やタービン静翼の耐熱部材に用いられるコーティング材として、Ａｌ：１．０重量％以上１０．０重量％以下、Ｔａ：０重量％以上１４．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上１０．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上１０．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上３．０重量％以下、Ｃｒ：０重量％以上２０．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上２０重量％以下、Ｒｕ：０重量％以上１４．０重量％以下、Ｒｈ：０．１重量％以上１０．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｓｉ：０重量％以上２．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するものを使用することができる。より好ましくは、その成分が重量比で、Ａｌ：１．５重量％以上７．０重量％以下、Ｔａ：２重量％以上１０．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上４．５重量％以下、Ｗ： ０重量％以上１０．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上８．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上０．５０重量％以下、Ｃｒ：２．０重量％以上１５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｕ：０重量％以上１４．０重量％以下、Ｒｈ：０．３重量％以上８．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上２．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するものを使用することができる。
本願発明は、Ｒｈを含むＮｉ基超合金の基材に、基材と熱力学的に平衡状態にあることによって基材との間に相互拡散を生じ難い一種もしくは複数の物質による合金層のコーティングを施すことを特徴とした耐熱部材に関するものである。すなわち、本願発明によるコーティングにより、１１００℃あるいはこれを超えるような高温でも元素の基材／コーティング界面をとおしての相互拡散を抑制することができ、従来技術では解決し得なかった高温での長時間の耐久性を飛躍的に向上させることが可能となる。
本願発明におけるＮｉ基超合金へのコーティングは、従来多く行われている多層の拡散障壁コーティングのような複雑なコーティングプロセスを必ずしも必要としない点も大きな利点であり、工業的にも魅力的な技術となっている。一方、ＵＳ２００４／０２２９０７５（特許文献４）で示されたＰｔ系元素を含むγ＋γ’相のコーティングにおいては、
界面をとおしての元素の相互拡散を充分に抑制できないために、必ずしも有効な技術とはなっていない。
界面をとおしての元素の相互拡散を充分に抑制できないために、必ずしも有効な技術とはなっていない。
本願発明においては、γ， γ’およびβの単層合金をコーティング材として使用することで目的とするコーティングが可能である。また、コーティング材としてγ相、γ’相およびβ相の中から選ばれた複数の相、例えばγ’＋ β相およびγ＋γ’相などをコーティング材として使用することもできる。γ相、γ’相およびβ相あるいはそれらの複合相はいずれも耐酸化性、耐高温腐食性、機械的特性の向上が期待できる相であり、これにより優れた耐熱部材を得ることができる。Ｒｈを高濃度で含むβ相をコーティング材として用いる場合には、Ｒｈ元素の有する高耐酸化性により耐熱高温部材の耐酸化性がさらに向上することも期待される。なお、ここでいうβ相とは、Ｎｉ基合金で確認されるＢ２構造をもつ相である。
本願発明において、タービン動翼やタービン静翼の耐熱部材に用いられるコーティング材として、その成分が重量比で、Ａｌ： １０．０重量％以上２５．０重量％以下、Ｔａ：０重量％以上５．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｃｒ：０重量％以上５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上４重量％以下、Ｒｕ：１０．０重量％以上３５．０重量％以下、Ｎｉ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上２．０重量％以下を含有し、残部がＲｈと不可避的不純物からなる組成を有するβ相の合金およびその成分が重量比で、Ａｌ： ０．５重量％以上１５．０重量％以下、Ｔａ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上５．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上２０．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｃｒ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上１５重量％以下、Ｒｕ：０．０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｈ：０．１重量％以上１０．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上５．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するγ相又はγ’相の合金の内、少なくとも一種を含む合金層を用いることができる。
より好ましくは、コーティング材の成分が重量比で、Ａｌ：１２．０重量％以上２０．０重量％以下、Ｔａ：０．３重量％以上２．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｗ： ０重量％以上２．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上０．５０重量％以下、Ｃｒ：０．０重量％以上３．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｒｕ：１５重量％以上３０．０重量％以下、Ｎｉ：０．１重量％以上１０．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上１．０重量％以下を含有し、残部がＲｈと不可避的不純物からなる組成を有するβ相の合金およびその成分が重量比で、Ａｌ： １重量％以上１０．０重量％以下、Ｔａ：０．５重量％以上１２．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上３．０重量％以下、Ｒｅ：０．５重量％以上１５．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上０．５重量％以下、Ｃｒ：０．５重量％以上１２．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上１２重量％以下、Ｒｕ：０．５重量％以上１２．０重量％以下、Ｒｈ：０．１重量％以上８．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上３．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するγ相又はγ’相の合金の内、少なくとも一種を含む合金層を用いることができる。
より具体的な例として、Ａｌ：３．６重量％、Ｔａ：６．４重量％、Ｍｏ：１．８重量％、Ｗ：１．６重量％、Ｒｅ：５．８重量％、Ｃｒ：４．８重量％、Ｃｏ：５．７重量、Ｒｕ：５．２重量％、Ｒｈ：３．２重量％、Ｎｂ：１．４重量％、Ｈｆ：０．１重量％を含有して残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基超合金を基材とする場合には、コーティング材として用いられるγ単相合金の組成として、Ａｌ：２．２重量％、Ｔａ：３．０重量％、Ｍｏ：２．６重量％、Ｗ：１．９重量％、Ｒｅ：９．８重量％、
Ｃｒ：７．３重量％、Ｃｏ：７．３重量、Ｒｕ：６．４重量％、Ｒｈ：２．３３重量％、Ｎｂ：１．０重量％、を含有して残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するもの、γ’単相合金の組成として、Ａｌ：５．１重量％、Ｔａ：１０．１重量％、Ｍｏ：０．９重量％、Ｗ：１．２重量％、Ｒｅ：１．５重量％、Ｃｒ：２．２重量％、Ｃｏ：４．１重量、Ｒｕ：３．９重量％、Ｒｈ：４．１重量％、Ｈｆ：０．１重量％、Ｎｂ：１．９重量％を含有して残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するもの、およびβ単相合金の組成として、Ａｌ：１６．５重量％、Ｔａ：０．６重量％、Ｍｏ：０．１重量％、Ｗ：０．１重量％、Ｒｅ：０．４重量％、Ｃｒ：０．７重量％、Ｃｏ：０．５重量、Ｒｕ：１８．１重量％、Ｎｉ：５．８重量％、Ｈｆ：０．１重量％、Ｎｂ：０．１重量％を含有して残部がＲｈと不可避的不純物からなる組成を有するものを好ましいコーティング材として例示することができる。なお、基材となるＮｉ基超合金の組成が変われば、おのずとＮｉ基超合金の基材と熱力学的に平衡状態にあるγ相、γ’相およびβ相の組成も変わるので、コーティング材の組成範囲は上記の例示に述べたγ、γ’およびβの単相合金組成に固定されるものではない。
Ｃｒ：７．３重量％、Ｃｏ：７．３重量、Ｒｕ：６．４重量％、Ｒｈ：２．３３重量％、Ｎｂ：１．０重量％、を含有して残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するもの、γ’単相合金の組成として、Ａｌ：５．１重量％、Ｔａ：１０．１重量％、Ｍｏ：０．９重量％、Ｗ：１．２重量％、Ｒｅ：１．５重量％、Ｃｒ：２．２重量％、Ｃｏ：４．１重量、Ｒｕ：３．９重量％、Ｒｈ：４．１重量％、Ｈｆ：０．１重量％、Ｎｂ：１．９重量％を含有して残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するもの、およびβ単相合金の組成として、Ａｌ：１６．５重量％、Ｔａ：０．６重量％、Ｍｏ：０．１重量％、Ｗ：０．１重量％、Ｒｅ：０．４重量％、Ｃｒ：０．７重量％、Ｃｏ：０．５重量、Ｒｕ：１８．１重量％、Ｎｉ：５．８重量％、Ｈｆ：０．１重量％、Ｎｂ：０．１重量％を含有して残部がＲｈと不可避的不純物からなる組成を有するものを好ましいコーティング材として例示することができる。なお、基材となるＮｉ基超合金の組成が変われば、おのずとＮｉ基超合金の基材と熱力学的に平衡状態にあるγ相、γ’相およびβ相の組成も変わるので、コーティング材の組成範囲は上記の例示に述べたγ、γ’およびβの単相合金組成に固定されるものではない。
上述してきたように、Ｒｈを含有するＮｉ基超合金においては、γ相、γ’相およびβ相の中から選ばれた少なくとも一つの相をコーティング材として使用することによって、耐酸化性、耐高温腐食性、機械的特性の向上が期待できる。それらの中でも、特に、Ｒｈを多く含むβ相合金をコーティング材として用いることによって、耐酸化性にも顕著な効果が認められる。
本願発明におけるコーティング方法として、通常実施可能なプラズマ溶射法、高速フレーム溶射法、イオンプレーティング法、ＥＢ−ＰＶＤ法、熱ＣＶＤ法、レーザＣＶＤ法、アルミナイジング法、クロマイジング法、コールドスプレイ法、ウォームスプレイ法などを用いることができる。コーティング材として、基材と熱力学的に平衡状態にあるγ， γ’およびβ相の合金組成の溶射用粉末またはインゴットなどを作製してコーティングすることもできるし、適切な化学試薬を使用して気相から合金層を成長させることもできる。
本願発明のコーティングによって、Ｎｉ基超合金耐熱部材の高温下における耐久性を顕著に改善できるが、高温での長時間の耐久性を飛躍的に向上させるためには、合金層の厚さを５μｍから８００μｍの範囲、より好ましくは３０μｍから４００μｍの範囲に制御して用いるのが一般的である。また、基材と熱力学的に平衡状態にあるγ， γ’およびβ相の合金を、基材に対して単層コーティングするのが通常であるが、これらの相を複層でコーティングする方法によっても実施可能である。
以下に、実施例を示しつつ、本願発明の耐熱部材について説明する。
以下に、実施例を示しつつ、本願発明の耐熱部材について説明する。
Ａｒ雰囲気中でアークメルト溶解することにより、表１に示す組成のＮｉ基超合金Ｉを溶製した。作製したこの合金をアルゴンガスで封入した石英管に入れた状態で１１００℃×１６８Ｈ加熱保持することによって、表２に示す合金相ａ、ｂ、ｃの組成を持つ各３相（β相、γ’相、γ相）の存在が、合金の組織写真（図１）およびＸ線回折の結果（図２）により確認された。これより、これらの３つの相ａ、ｂ、ｃは熱力学的に平衡状態にあることがわかり、これらの３つの相の組成の間で相互拡散が起こらないことが示された。また、Ｎｉ基超合金IIについても同様の処理を行うことにより、表２に示す合金相ｄ、ｅ、ｆの組成を持つ各３相（β相、γ’相、γ相）の存在が、合金の組織写真（図３）およびＸ線回折の結果（図４）により確認された。これより、これらの３つの相ｄ、ｅ、ｆは熱力学的に平衡状態にあることがわり、これらの３つの相の組成の間で相互拡散が起こらないことが示された。
Ａｒ雰囲気中で表２の合金相ｂとｃ、合金相ｅとｆをそれぞれモル比１対１で混ぜ合わせた２種類の合金をアークメルト溶解することにより作製し、溶体化熱処理を行った後、直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍの試験片を切り出すことによって、表３に記載の２種類の基材ＡおよびＢを作製した。この基材Ａは、合金相ｂとｃを組み合わせて作製しているため、合金相ａ、ｂ、ｃの全てと平衡である。また、基材Ｂについても、合金相ｅとｆを組み合わせて作製しているため、基材Ｂは合金相ｄ、ｅ、ｆの全てと平衡である。表４には、βの単相合金を溶製したコーティング材１及び２の化学組成を示した。
このようにして切り出した表３の基材Ａを表面研磨した後に、表４のコーティング材１をコーティング処理して実施例１の耐熱部材を作成した。同様に、表３の基材Ｂに対して表４のコーティング材２をコーティング処理して実施例２の耐熱部材を作成した。これらの耐熱部材について、大気中１１００℃で１時間繰り返し酸化試験を３０サイクルまで行い、耐酸化性の試験結果を図５に示す。本願発明のコーティング処理の効果を明らかにするための比較試験として、図５には、コーティング処理をしていない基材Ａおよび基材Ｂの耐酸化性試験結果を、それぞれ参考例１および参考例２として示した。
これらの結果から、本願発明のコーティング材は、基材単体に比べて顕著に優れた耐酸化性を有することがわかる。また、前述したように、基材とコーティング材層の間で相互拡散がおこらないことから、基材と熱力学的に平衡状態である物質をコーティングすることにより、この耐熱部材が耐酸化性と高温安定性を兼ね備えた優れた耐熱部材であることが示された。
Claims (7)
- Ｎｉ基超合金の基材に合金相をコーティングした耐熱部材であって、前記合金相は基材と熱力学的に平衡状態にあることを特徴とする耐熱部材。
- 請求項１記載の耐熱部材において、Ｒｈを含有するＮｉ基超合金と熱力学的に平衡する組成を有するγ相、γ’相およびβ相のうち、少なくとも一種を含む合金相をコーティングした耐熱部材。
- 請求項２記載の耐熱部材において、成分が重量比で、Ａｌ：１．０重量％以上１０．０重量％以下、Ｔａ：０重量％以上１４．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上１０．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上１０．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上３．０重量％以下、Ｃｒ：０重量％以上２０．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上２０重量％以下、Ｒｕ：０重量％以上１４．０重量％以下、Ｒｈ：０．１重量％以上１０．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上４．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基超合金と熱力学的に平衡する組成を有するγ相、γ’相、β相のうち、少なくとも一種を含む合金相をコーティングした耐熱部材。
- 請求項２記載の耐熱部材において、Ａｌ：１．５重量％以上７．０重量％以下、Ｔａ：２重量％以上１０．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上４．５重量％以下、Ｗ： ０重量％以上１０．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上８．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上０．５０重量％以下、Ｃｒ：２．０重量％以上１５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｕ：０重量％以上１４．０重量％以下、Ｒｈ：０．３重量％以上８．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上２．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基超合金に、このＮｉ基超合金の基材と熱力学的平衡する組成を有するγ相、γ’相、β相のうち、少なくとも一種を含む合金相をコーティングした耐熱部材。
- 請求項２記載の耐熱部材において、Ａｌ：１．０重量％以上１０．０重量％以下、Ｔａ：０重量％以上１４．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上１０．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上１０．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上３．０重量％以下、Ｃｒ：０重量％以上２０．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上２０重量％以下、Ｒｕ：０重量％以上１４．０重量％以下、Ｒｈ：０．１重量％以上１０．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上４．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基超合金を基材とし、コーティング材成分が重量比で、Ａｌ： １０．０重量％以上２５．０重量％以下、Ｔａ：０重量％以上５．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｃｒ：０重量％以上５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上４重量％以下、Ｒｕ：１０．０重量％以上３５．０重量％以下、Ｎｉ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上２．０重量％以下を含有し、残部がＲｈと不可避的不純物からなる組成を有するβ相およびコーティング材成分が重量比で、Ａｌ： ０．５重量％以上１５．０重量％以下、Ｔａ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上５．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上２０．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｃｒ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上１５重量％以下、Ｒｕ：０．０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｈ：０．１重量％以上１０．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上５．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するγ相又はγ’相のうち、少なくとも一種を含む合金相をコーティングした耐熱部材。
- 請求項２記載の耐熱部材において、Ａｌ：１．５重量％以上７．０重量％以下、Ｔａ：２重量％以上１０．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上４．５重量％以下、Ｗ： ０重量％以上１０．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上８．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上０．５０重量％以下、Ｃｒ：２．０重量％以上１５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｕ：０重量％以上１４．０重量％以下、Ｒｈ：０．３重量％以上８．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上２．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基超合金を基材とし、コーティング材成分が重量比で、Ａｌ： １０．０重量％以上２５．０重量％以下、Ｔａ：０重量％以上５．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｃｒ：０重量％以上５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上４重量％以下、Ｒｕ：１０．０重量％以上３５．０重量％以下、Ｎｉ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上２．０重量％以下を含有し、残部がＲｈと不可避的不純物からなる組成を有するβ相およびコーティング材成分が重量比で、Ａｌ： ０．５重量％以上１５．０重量％以下、Ｔａ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上５．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上４．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上２０．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｃｒ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上１５重量％以下、Ｒｕ：０．０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｈ：０．１重量％以上１０．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上５．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するγ相又はγ’相のうち、少なくとも一種を含む合金相をコーティングした耐熱部材。
- 請求項２記載の耐熱部材において、Ａｌ：１．５重量％以上７．０重量％以下、Ｔａ：２重量％以上１０．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上４．５重量％以下、Ｗ： ０重量％以上１０．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上８．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上０．５０重量％以下、Ｃｒ：２．０重量％以上１５．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上１５．０重量％以下、Ｒｕ：０重量％以上１４．０重量％以下、Ｒｈ：０．３重量％以上８．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上２．０重量％以下を含有し、残部がＮｉと不可避的不純物からなる組成を有するＮｉ基超合金に、コーティング材成分が重量比で、Ａｌ：１２．０重量％以上２０．０重量％以下、Ｔａ：０．３重量％以上２．０重量％以下、Ｍｏ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｗ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｒｅ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｈｆ：０重量％以上０．５０重量％以下、Ｃｒ：０．０重量％以上３．０重量％以下、Ｃｏ：０重量％以上２．０重量％以下、Ｒｕ：１５重量％以上３０．０重量％以下、Ｎｉ：０．１重量％以上１０．０重量％以下、Ｎｂ：０重量％以上１．０重量％以下を含有し、残部がＲｈと不可避的不純物からなる組成を有するβ相の合金をコーティング材としてコーティングした耐熱部材。
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