JP2013127117A

JP2013127117A - ニッケル−コバルト基合金及びボンドコート並びに該合金を含むボンドコート物品

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Publication number: JP2013127117A
Application number: JP2012269894A
Authority: JP
Inventors: Kivilcim Onal; キヴィルシム・オナル; Uslu Hardwicke Canan; キャナン・ウスル・ハードウィック; Jon Conrad Scaeffer; ジョン・コンラッド・シェーファー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2013-06-27
Also published as: EP2607510B1; US20130157078A1; CN103160711A; CN103160711B; EP2607510A1

Abstract

【課題】ボンドコート材料を用いた保護皮膜系（特にＴＢＣが用いられるもの）の剥離耐性を向上させるボンドコート材料を提供する。
【解決手段】高温酸化・熱間腐食耐性ＭＣｒＡｌＸ合金であって、合金の重量を基準にして、Ｍが約３０重量％以上の量のニッケルを含み、Ｘが約０．００５〜０．１９重量％のイットリウムを含む合金。および、コート物品１０であって、表面を有する基材と、該表面に設けられたボンドコートとを含み、上記ボンドコートが高温酸化・熱間腐食耐性ＭＣｒＡｌＸ合金を含んでいて、合金の重量を基準にして、Ｍが約３０重量％以上のニッケルを含み、Ｘが約０．００５〜０．１９重量％のイットリウムを含む、物品１０。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示される主題は、高温環境での使用に適した金属合金組成物に関し、特に、高温環境で酸化及び熱間腐食から保護するため物品又はボンドコート材料として使用するのに適した金属合金組成物に関する。

タービンエンジンのような過酷な環境で、金属オーバーレイ皮膜及び拡散皮膜は遮熱コーティング（ＴＢＣ）用のボンドコート（すなわちＭＣｒＡｌＹ及び／又はアルミナイド）として作用する。これらの皮膜はその下の合金基材を高温ガスの熱及び腐食性・酸化性環境から保護する。ＴＢＣは、高温燃焼ガスと合金基材との間に遮熱障壁をもたらし、熱、腐食及び／又は酸化に起因する基材の損傷を防止、軽減又は低減することができる。

ＭＣｒＡｌＹ合金は耐熱皮膜の一種であり、Ｍは鉄、ニッケル及びコバルトの１種又はこれらの組合せから選択され、Ｃｒはクロム、Ａｌはアルミニウム、Ｙはイットリウムである。Ｙに代えて、ランタン（Ｌａ）又はスカンジウム（Ｓｃ）のような他の希土類元素が使用されることもある。こうしたＭＣｒＡｌＹ皮膜は通常は合金ミクロ組織中にγ相とβ相を有している。酸化及び／又は熱間腐食耐性を改良するため、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｐｄ及びＰｔのような様々な合金元素がγ／βＭＣｒＡｌＹ合金に添加されているが、ボンドコート材料の歪み耐性の低下を招くおそれがあり、それらを用いた皮膜系（特にＴＢＣを含むもの）の剥離寿命が低下しかねない。

γ及びγ′相合金ミクロ組織に基づく別の種類のオーバーレイＭＣｒＡｌＹ皮膜もある。γ及びγ′相ＭＣｒＡｌＹ皮膜の長所は、タービン物品の素地をなす超合金との熱膨張率の不一致が小さく、γ′相が材料を強化して熱疲労に対する比較的高い耐性を生じることである。熱疲労は高温で作動するタービン動翼の劣化の主要な態様であるので、このようなボンドコートの高い熱疲労耐性は非常に望ましい。これらの皮膜は望ましいものの、一般に、保護酸化物を維持するのに必須なアルミニウム及びクロムのような元素を維持或いはそれらの消耗を回避する能力、及びＴＢＣ皮膜及び該皮膜が組み込まれた保護皮膜系の剥離を防止する能力によって決まる作動寿命を有する。

米国特許第７５４７４７８号

そこで、ボンドコート材料を用いた保護皮膜系（特にＴＢＣが用いられるもの）の剥離耐性を向上させるボンドコート材料を提供することが必要とされている。

例示的な実施形態では、高温酸化・熱間腐食耐性ＭＣｒＡｌＸ合金について開示する。本合金は、合金の重量を基準にして、約３０重量％以上の量のニッケルを含むＭと、約０．００５〜０．１９重量％のイットリウムを含むＸとを含む。

別の例示的な実施形態では、コート物品について開示する。本物品は表面を有する基材を含む。本物品は、上記表面に設けられたボンドコートも含んでおり、ボンドコートは高温酸化・熱間腐食耐性ＭＣｒＡｌＸ合金を含み、合金の重量を基準にして、Ｍは約３０重量％以上のニッケルを含み、Ｘは約０．００５〜０．１９重量％のイットリウムを含む。

本発明の上記その他の特徴及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。

図１は、本明細書で開示する物品の例示的な実施形態の概略断面図である。図２は、本明細書で開示するタービン動翼の形態の基材とボンドコートの例示的な実施形態の表面領域の断面図である。図３は、本明細書で開示するタービン動翼の形態の基材とボンドコートの第２の例示的な実施形態である。図４は、本明細書で開示するタービン動翼の形態の基材とボンドコートの第３の例示的な実施形態である。図５は、本明細書で開示するタービン動翼の形態の基材とボンドコートの第４の例示的な実施形態である。図６は、本明細書で開示するタービン動翼の形態の基材とボンドコートの第５の例示的な実施形態である。図７は、本明細書で開示するタービン動翼の形態の基材とボンドコートの第６の例示的な実施形態である。図８は、本明細書で開示するボンドコート合金の例示的な実施形態並びに２種類の対照ボンドコート合金に対して２０００°Ｆ／２０時間の滞留時間で剥離に至るまでのサイクル時間として測定した炉サイクル試験（ＦＣＴ）寿命のプロットである。図９は、本明細書で開示するボンドコート合金の例示的な実施形態並びに２種類の対照ボンドコート合金に対して２０００°Ｆ／４５分の滞留時間で剥離に至るまでのサイクル時間として測定したＦＣＴ寿命のプロットである。図１０は、本明細書で開示するボンドコート合金の例示的な実施形態並びに２種類の対照ボンドコート合金に対して亀裂発生の開始時の歪みの百分率として測定した歪み耐性のプロットである。

図を参照すると、ボンドコート１１０材料として使用するのに適したγ−γ′ＭＣｒＡｌＸ合金１００について開示するが、本合金は、本明細書に記載するように現存する比較用γ−βボンドコート材料よりも作動温度性能が５０°Ｆ以上向上している。具体的には、本ＭＣｒＡｌＸ合金１００はＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金１００からなる。材料は、その下の金属超合金基材を酸化及び熱間腐食による劣化から保護する金属オーバーレイボンドコートとして使用し得る。ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金１００ボンドコート１１０材料の組成は、ある種のＮｉ基超合金基材組成物と類似している。理論に束縛されるものではないが、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金１００ボンドコート１１０材料及び超合金基材組成物の組成の類似性は、皮膜又は基材合金成分の組成勾配を低減し、特に基材／皮膜界面での相互拡散を低減することによって、酸化及び熱間腐食保護に関連する表面酸化物をもたらすアルミニウム及びクロムのような必須成分が皮膜又は基材から消耗してしまうおそれがあり、また酸化又は熱間腐食保護を促進しない成分を富化させてしまうおそれもある拡散過程の可能性を低減する。化学的成分勾配の低下によって、ボンドコート／基材合金は長期にわたり当初の組成を持続することができ、ボンドコート１１０材料内のＡｌ、Ｃｒのような必須元素の消耗、並びに当初のボンドコートには存在していない元素の富化が低減される。例えば、ボンドコート１１０材料は高い作動温度で長期間薄くて連続的な保護アルミナスケールを維持することができ、本明細書に記載するようにボンドコート１１０材料に近接した遮熱コーティング（ＴＢＣ）の改良された剥離寿命を促進する。ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金１００は実質的にＳｉを含まないので、脆性Ｔｉ_xＳｉ_y金属間化合物相の形成を防止し、特に基材合金がＧＴＤ１１１又はＲｅｎｅＮ４のようにチタンを含むとき、ケイ素を含むボンドコート材料上に設けられたＴＢＣ皮膜の剥離寿命を低減することができる。なお、ＧＴＤ１１１は、１４重量％のクロム、９．５重量％のコバルト、３．８重量％のタングステン、１．５重量％のモリブデン、４．９重量％のチタン、３．０重量％のアルミニウム、０．１重量％の炭素、０．０１重量％のホウ素、２．８重量％のタンタル、残部のニッケル及び不可避不純物という公称組成を有し、ＲｅｎｅＮ４は、７．５重量％のコバルト、９．７５重量％のクロム、４．２０重量％のアルミニウム、３．５重量％のチタン、１．５重量％のモリブデン、４．８重量％のタンタル、６．０重量％のタングステン、０．５重量％のコロンビウム（ニオブ）、０．０５重量％の炭素、０．１５重量％のハフニウム、０．００４重量％のホウ素、残部のニッケル及び不可避不純物という公称組成を有する。幾つかの実施形態では、本明細書に記載するＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金１００は、特に高温延性のために、１．２５重量％以下のゲルマニウムを含み得る。本明細書に記載するＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金１００は、より高いエンジン作動温度、改良された作動効率及び／又はより長い検査間隔を可能にするように、様々なタービンエンジン用途に使用し得る。

図１〜図１０を参照すると、高温酸化・熱間腐食耐性ＭＣｒＡｌＸ合金１００が開示されている。ＭＣｒＡｌＸ合金１００はあらゆる所望の用途に使用し得るが、様々な高温物品、特にタービンエンジン１の様々な部品１０のためのボンドコート１１０材料として、さらに具体的には、高温ガス流路１８及びこの流路を通って流れる高温の燃焼ガスに曝露される表面３０を含む工業用ガスタービンの様々な部品１０のためのボンドコート１１０材料として使用するのに特に適している。これらのボンドコート１１０材料は様々なタービン動翼（又はタービンバケット）５０での使用に特に適しているが、静翼（又はタービンノズル）５２、シュラウド５４、燃焼器５８、燃料ノズル６０など、並びにこれらの部品のサブ部品及びサブアセンブリを始めとする他の部品での使用にも適している。ＭＣｒＡｌＸ合金１００は、上記用途のいずれかにおいて、オーバーレイボンドコート１１０又はボンドコートとして、あらゆる適切な基材１２０、特にＣｏ基、Ｎｉ基若しくはＦｅ基超合金基材又はそれらの組合せを始めとする様々な超合金基材１２０に適用し得る。例示的な実施形態では、本明細書で開示するＭＣｒＡｌＸ合金１００は、例えば、図１に示すように、ガスタービン動翼５０の翼形断面又は動翼先端の圧力又は吸引表面上のボンドコート１１０として使用し得る。

例示的な実施形態では、タービン動翼５０のような部品１０の表面３０は、タービン動翼５０のような部品１０の表面３０を通る断面を拡大して示す図２により詳細に示すように金属の保護皮膜層としてのボンドコート１１０材料によって保護される。この表面３０としては、酸化若しくは熱間腐食、又はこれらの両方から基材１２０を保護するためにボンドコート１１０材料を提供することが望ましい部品１０のあらゆる部分が挙げられ、例えば、高温ガス流路１８を含んでおり、この流路を通って流れる高温の燃焼ガスに直接曝露される表面３０、並びに高温の燃焼ガスに直接曝露されないが、これらのガスの結果として生じる高温に曝露され得る表面を始めとする他の表面がある。１つの例示的な実施形態では、表面３０として、タービン動翼５０の翼形断面又は動翼先端の表面を挙げることができる。ボンドコート１１０は、図８に示すように単独で表面３０を保護するために使用してもよいし、又は本明細書に記載する皮膜層の保護系１３０を提供するために他の高温皮膜材料を始めとする他の高温材料と併せて使用してもよく、この場合ボンドコート１１０は、例えば、かかる系内に下層若しくは内層若しくは外層又はそれらの組合せとして使用し得る。ボンドコート１１０は、上に記載したように様々な高温物品、特にタービンエンジン１の様々な部品１０に組み込んでもよいし、意図される用途にまだ利用されたことがない新たに形成される物品に組み込んでもよいし、また利用されている使用中の物品のための交換用ボンドコート若しくは補修用ボンドコート又はそれらの組合せとしてかかる物品に組み込んでもよい。

保護系１３０は、１以上の遮熱コーティング（ＴＢＣ）層１４０、又は１以上のアルミナイド皮膜層１５０、又は１以上の他のボンドコート層又はそれらの組合せも含む皮膜層の組合せの一部としての下層としてボンドコート１１０を含み得る。例示的な実施形態では、図２に示すように、保護系１３０は、少なくとも１つのＴＢＣ層１４０のための酸化・熱間腐食耐性下地層としてボンドコート１１０を含んでいてもよく、この場合ボンドコート１１０は超合金基材のような基材１２０の表面３０上に設けられ、少なくとも１つのＴＢＣ層１４０はボンドコート１１０上に設けられ、高温の燃焼ガスに曝露され得る。

別の例示的な実施形態では、図３に示すように、保護系１３０は、少なくとも１つのアルミナイド層１５０のための酸化・熱間腐食耐性下地層としてボンドコート１１０を含んでいてもよく、この場合ボンドコート１１０は超合金基材のような基材１２０の表面３０上に設けられ、少なくとも１つのアルミナイド層１５０はボンドコート１１０上に設けられ、高温の燃焼ガスに曝露され得る。

もう１つ別の例示的な実施形態にいて、図４に示すように、保護系１３０はアルミナイド層１５０及びＴＢＣ層１４０のための酸化・熱間腐食耐性下地層としてボンドコート１１０を含んでいてもよく、この場合ボンドコート１１０は超合金基材１２０の表面３０上に設けられ、少なくとも１つのアルミナイド層１５０はボンドコート１１０上に設けられ、少なくとも１つのＴＢＣ層１４０はアルミナイド層１５０上に設けられ、高温の燃焼ガスに曝露され得る。

さらに別の例示的な実施形態では、図５に示すように、保護系１３０はＴＢＣ層１４０及びアルミナイド層１５０のための酸化・熱間腐食耐性下地層としてボンドコート１１０を含んでいてもよく、この場合ボンドコート１１０は超合金基材１２０の表面３０上に設けられ、少なくとも１つのＴＢＣ層１４０はボンドコート１１０上に設けられ、少なくとも１つのアルミナイド層１５０はＴＢＣ層１４０上に設けられ、高温の燃焼ガスに曝露され得る。

保護系１３０はまた、１以上の遮熱コーティング（ＴＢＣ）層１４０、又は１以上のアルミナイド層１５０又はそれらの組合せも含む皮膜層の組合せの一部としての内層としてボンドコート１１０を含んでいてもよい。例えば、例示的な実施形態では、図２〜図５の保護系１３０は場合により、基材１２０上で基材とボンドコート１１０の間に設けられた少なくとも１つのアルミナイド層１５０又は別のボンドコート層１６０を含み得る。その他、ボンドコート１１０、アルミナイド層１５０及びＴＢＣ層１４０の配置は図２〜図５で上に記載した通りである。

さらに別の例示的な実施形態では、図６に示すように、保護系１３０は、１以上の遮熱コーティング（ＴＢＣ）層１４０、又は１以上のアルミナイド層１５０又はそれらの組合せも含む皮膜層の組合せの一部としての外層としてボンドコート１１０を含んでいてもよい。１以上のＴＢＣ層１４０又は１以上のアルミナイド層１５０、又は別のボンドコート層又はそれらの組合せと組み合わせた外層としての１以上のボンドコート１１０の他の組合せも可能である。

さらに別の例示的な実施形態では、図７に示すように、保護系１３０は、他の皮膜層と組み合わせてではなく、ボンドコート１１０だけを外層として含み得る。ボンドコート１１０を単独で含むものを含めて上記の保護系１３０は少なくとも１つのボンドコート１１０層を含む。このボンドコート１１０はニッケル基超合金ボンドコート材料、具体的にはニッケル−コバルト基超合金ボンドコート材料からなる。ニッケル−コバルト基超合金ボンドコート材料はＭＣｒＡｌＸ合金１００からなり、合金の重量を基準にして、Ｍは約３０．０重量％以上の量のニッケルからなり、Ｘは約０．００５〜０．１９重量％のイットリウムからなる。開示されているＭＣｒＡｌＸ合金１００は一般に、タービンエンジン用途に使用される現存のＭＣｒＡｌＹボンドコート合金、例えば、合金の重量を基準にして２２重量％のクロム、１０重量％のアルミニウム、１重量％のイットリウム、残部のニッケル及び不可避不純物という公称組成を有し、イオウは不可避不純物であり得、１００ｐｐｍ（百万部当たりの部）以下に制御される従来のγ−βＭＣｒＡｌＹ（ＮｉＣｒＡｌＹ）ボンドコート、又は１８重量％のクロム、６．５重量％のアルミニウム、１０重量％のコバルト、６重量％のタンタル、２重量％のレニウム、０．５重量％のハフニウム、０．３重量％のイットリウム、１．０重量％のケイ素、０．０１５重量％のジルコニウム、０．０６重量％の炭素、０．０１５のホウ素、残部のニッケル及び不可避不純物という公称組成を有するＢＣ５２といわれる従来のγ−γ′ＭＣｒＡｌＹ（ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ）ボンドコートと比較して低下した量のイットリウムを使用する。本明細書で開示するＭＣｒＡｌＸ合金１００中の低下した量のイットリウムは、有利なことに、ＴＢＣ層１４０も含む保護系１３０に使用したとき、これらの合金に対して改良された酸化耐性及び増大したＴＢＣ剥離耐性を提供する。γ−γ′ＢＣ５２ボンドコート材料と比較して、本明細書で開示するＭＣｒＡｌＸ合金１００は、ケイ素を含まないので、Ｔｉを含む合金と共に使用したときに脆性Ｔｉ_xＳｉ_y相の形成の可能性が防止されると共に歪み耐性が改良され、増大した量のＡｌを有するので酸化耐性が改良され、かつレニウムを含まないので亀裂発生の開始に関して高まった歪み耐性が提供される（図１０）と共に限定された供給及び関連するコストのために戦略上重要であるこの元素の使用が回避される。本明細書で開示するＭＣｒＡｌＸ合金１００はまた、上記のような現存するＭＣｒＡｌＹボンドコート合金中に存在しないゲルマニウムも使用し得る。

例示的な実施形態では、ＭＣｒＡｌＸ合金１００はγ及びγ′相を含むミクロ組織を有するニッケル基ＭＣｒＡｌＸ合金からなり、合金の重量を基準にして、Ｍは約３０重量％以上の量のニッケルからなり、Ｘは約０．００５〜０．１９重量％のイットリウムからなる。別の例示的な実施形態では、ＭＣｒＡｌＸ合金１００はγ及びγ′相を含むミクロ組織を有するニッケル−コバルト基ＭＣｒＡｌＸ（ＮｉＣｏＣｒＡｌＸ）合金１００からなり、合金の重量を基準にして、Ｍは約３０重量％以上の量のニッケル及び約５．０〜１５．０重量％の量のコバルトからなり、Ｘは約０．００５〜０．１９重量％の量のイットリウムからなる。ＭＣｒＡｌＸ合金１００はまた合金の重量を基準にして約１．２５重量％以下の量のゲルマニウムを含んでいてもよい。

１つの例示的な実施形態では、ＭＣｒＡｌＸ合金１００は、合金の重量を基準にして、約５．０〜１５．０重量％のコバルト、約１２．０〜２８．０重量％のクロム、約６．５〜１１．０重量％のアルミニウム、約１．２５重量％以下のゲルマニウム、約４．０〜８．０重量％のタンタル、約０．００５〜０．０５重量％のジルコニウム、約０．００５〜０．８重量％のハフニウム、約０．００５〜０．１９重量％のイットリウムを含み、残部のニッケル及び不可避不純物である。別の実施形態では、ＭＣｒＡｌＸ合金１００は、合金の重量を基準にして、約８．５〜１２．０重量％のコバルト、約１６．０〜２１．０重量％のクロム、約６．５〜８．５重量％のアルミニウム、約４．５〜７重量％のタンタル、約０．００１〜０．１重量％のジルコニウム、約０．１〜０．６５重量％のハフニウム、約０．００５〜０．１９重量％のイットリウム、約１．２５重量％以下のゲルマニウムを含み、残部のニッケル及び不可避不純物である。これらのＭＣｒＡｌＸ合金１００は本明細書に記載した現存するγ−γ′ボンドコート合金より多くのアルミニウムを有する。理論に束縛されるものではないが、これにより、酸化性環境内の高温曝露の間ボンドコート１１０材料中のアルミニウムの枯渇を回避し得る追加のアルミニウムが提供され得、従って改良された酸化、熱間腐食及び剥離耐性が促進され得る。本明細書に記載したＭＣｒＡｌＸ合金１００は実質的にケイ素を含まず、かつ実質的にレニウムを含まない（すなわち、不可避不純物として以外のケイ素もレニウムも実質的に含有しない）。本明細書で使用する場合、実質的にケイ素を含まないとは、不可避不純物としての混入のようにケイ素が存在し得る場合でも、合金の重量を基準にして約０．１重量％以下であることを意味している。ケイ素が存在しないと、特にＭＣｒＡｌＸ合金１００に近接した材料がチタンを含む場合、ボンドコート／基材界面内又は近隣における脆性Ｔｉ_xＳｉ_y金属間化合物相の形成の可能性が回避される。本明細書で使用する場合、実質的にレニウムを含まないとは、不可避不純物としての混入のようにＲｅが存在し得る場合でも、合金の重量を基準にして約０．１重量％以下であることを意味している。レニウムの使用の回避によって、歪み耐性が改良され（図１０）、この戦略上重要な元素の必要性が回避される。指示された量のイットリウム及び／又はゲルマニウムを混入することで、例えば、本明細書に記載したように約１重量％の公称量でイットリウムを含みゲルマニウムを含まない現存のボンドコート合金と比較して、ＭＣｒＡｌＸ合金１００の酸化及び熱間腐食に対する耐性が増大する。

これは、例えば、本明細書に記載したＭＣｒＡｌＸ合金１００が、ＴＢＣ層１４０に対する下層として超合金基材１２０に適用された当該合金のボンドコート１１０を含む保護系の剥離耐性を、本明細書に記載した現存するγ−βボンドコートを使用する同一の構成と比較して増大することを例証する図８〜図１０に図解されている。すなわち、所与の作動温度に対して、本明細書で開示するＭＣｒＡｌＸ合金１００をボンドコート１１０材料としてＴＢＣ層１４０の下に含む保護系１３０の剥離耐性は、本明細書に記載した比較のγ−β合金の組成を有するボンドコート合金を含む保護系の耐性より大きかった。各試験群のＴＢＣをコートした超合金試料片に炉サイクル試験（ＦＣＴ）を施して、１）本明細書で開示するγ−γ′ＭＣｒＡｌＸ合金１００皮膜系（群１、２）、レニウム及びケイ素の影響を試験するための合金の約２重量％のレニウム及び約１重量％のケイ素を含む本明細書で開示するγ−γ′ＭＣｒＡｌＸ合金１００皮膜系（群２）を有する試験片と、本明細書に記載した従来のγ−βボンドコートを有する比較の試験片（群３）との間の相対的ＴＢＣ剥離性能を評価した。これらの試験は、室温と約２０００°Ｆとの間の２４時間サイクル、及び低温（約２５０°Ｆ）と約２０００°Ｆとの間の１時間サイクルで実施した。最初の滞留時間はピーク温度で約２０時間（図８）、第２の滞留時間はピーク温度で約４５分（図９）であった。所与の試験片の試験は少なくとも１０％のＴＢＣが破砕したときに終了した。２０時間の滞留試験に対する結果を図８に示すが、群１の試験片の平均のＦＣＴ寿命はピーク温度で約１７４０時間、群２の試験片は約７８０時間、群３の試験片は約７４０時間であった。この試験において、本明細書で開示するＭＣｒＡｌＸ合金１００皮膜系は従来のγ−βボンドコートに対して約２．３５倍の改良を示し、レニウム及びケイ素を有する試験片は比較の合金試験片に匹敵する挙動を示した。４５分の滞留試験に対する結果は図９に示すが、群１の試験片の平均のＦＣＴ寿命はピーク温度で約８１０時間、群２の試験片は約３６７時間、群３の試験片は約３９７．５時間であった。この試験において、本明細書で開示するＭＣｒＡｌＸ合金１００皮膜系は従来のγ−βボンドコートに対して約２．０４倍の改良を示し、レニウム及びケイ素を有する試験片（群２）は比較の合金試験片に匹敵する挙動を示した。これらの試験片はまた、図１０に示すように、一定の歪み速度での室温単軸引張試験により試験して、亀裂発生開始前の歪み耐性も評価した。これらの結果は、群１の試験片が、図１０に示すように、約０．５４％の亀裂発生開始時の平均の歪みを有する群２の試験片に匹敵する約０．４５％の亀裂発生開始時の平均の歪みを有していたことを示している。群２の試験片は約３．３％という顕著に高い亀裂発生開始時の平均の歪みを有していた。

上記試験は、ＭＣｒＡｌＸ合金１００ボンドコートを使用する保護系１３０の亀裂発生の開始を防止するか又は少なくとも有意に遅らせる能力を立証した。別の見方をすると、本明細書で開示するＭＣｒＡｌＸ合金１００の使用により、記載した保護系１３０、すなわち、ボンドコート１１０／ＴＢＣ皮膜層１４０は、本明細書に記載した現存するボンドコート合金及びＴＢＣ層１４０を含む保護系より少なくとも約５０°Ｆ高い平均の作動温度でほぼ同じ剥離耐性を達成することもできた。従って、本明細書に記載したＭＣｒＡｌＸ合金１００は、低減された冷却速度、従って改良された効率において同じ作動温度又は同様な作動寿命でより長い作動寿命を可能にするのに充分なように剥離耐性を改良する。例えば、ＴＢＣ層１４０を使用する保護系１３０の所与の剥離寿命に対して、ボンドコート１１０材料を使用する本明細書で開示する保護系１３０は、例えば、本明細書に開示した比較のγ−βボンドコート合金を使用する同様な保護系より少なくとも約５０°Ｆ高いボンドコート／ＴＢＣ界面温度で使用し得、このような保護系を使用するタービンエンジンのより高い作動温度能力並びに改良された作動効率及び／又はより長い検査間隔が提供される。理論に束縛されるものではないが、本明細書に規定した量のイットリウムはアルミナ剥離を遅らせることによって酸化耐性を改良する。ＭＣｒＡｌＸ合金中の低めのＹ濃度は、皮膜内のＹに富む相の偏析（故障につながり得る）を低減する。また、記載された量のアルミニウムを使用することで、酸化性環境における高温曝露中のボンドコート１１０材料内のアルミニウムの枯渇を回避し得、従って改良された酸化、熱間腐食及び剥離耐性も促進し得る追加のアルミニウムが提供され得る。

別の例示的な実施形態では、本明細書で開示するＭＣｒＡｌＸ合金１００はまた、合金の重量を基準にして、約１．２５重量％以下、具体的には約０．００１〜１．２５重量％の量のゲルマニウムも含み得る。

不可避不純物には、本明細書に記載した個々の合金成分の加工処理に付随するもの、特に、これらの成分を含むニッケル基合金、具体的にはこれらの成分を含むニッケル−コバルト基超合金に付随することが知られているものが包含され得る。不可避不純物の一例はイオウである。イオウの量は好ましくは重量で８〜１００ｐｐｍのイオウに制御される。

ボンドコート１１０材料は基材１２０とは異なる組成を有していてもよいし、又は同一の組成を有し得る。ボンドコート１１０は任意の適切な厚さを有し得る。例示的な実施形態では、ボンドコート１１０材料は０．００３インチ〜０．０３インチの厚さを有し得る。他の実施形態では、厚さはそれより大きくてもよい。本明細書で開示するＭＣｒＡｌＸ合金１００はあらゆる適切形態で使用でき、例えば、本明細書で開示するタイプの物品全体を形成するのに用いられる合金として、又はボンドコート１１０材料として使用し得る。このＭＣｒＡｌＸ１００合金は、様々な真空溶融法、特に様々な超合金、特にニッケル−コバルト基超合金のために使用される溶融法を含めて、あらゆる適切な方法で形成し得る。ボンドコート１１０材料は、限定されることはないが高速酸素燃料溶射（ＨＶＯＦ）、高速空気燃料溶射（ＨＶＡＦ）、真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、及び冷間溶射法を始めとするあらゆる溶射プロセスによって適用し得る。さらに、ボンドコート１１０材料は、陰極アーク物理蒸着、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、及びイオンプラズマ蒸着（ＩＰＤ）を含む様々な物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスによって付着させることができる。

保護系１３０はまた、本明細書に記載したようなボンドコート１１０材料及びその他の皮膜に対して配置されたアルミナイド層１５０も含み得る。このアルミナイド層１５０としては、単純拡散アルミナイド又は白金アルミナイドのような複合拡散アルミナイドのような拡散アルミナイドを始めとするあらゆる適切なアルミナイドが挙げられる。アルミナイド層１５０は任意の適切な厚さを有し得、例示的な実施形態では、約０．０００５インチ〜０．００４５インチ厚の厚さを有し得る。

保護系１３０はまた、本明細書に記載したようなボンドコート１１０材料及びその他の皮膜に対して配置されたＴＢＣ層１４０も含み得る。例えば稠密な垂直微小亀裂（ＤＶＭ）セラミックＴＢＣ層１４０、多孔質ＴＢＣ層１４０又は複合構造を始めとするあらゆる適切なＴＢＣ層１４０を使用し得る。ＴＢＣ層１４０は任意の適切な厚さを有し得、例示的な実施形態では、約０．００５インチ〜０．１インチの厚さを有し得る。適切なＴＢＣ層１４０の例としては、例えば本明細書に記載したようなボンドコート１１０又はアルミナイド層１５０に化学的に結合されたＴＢＣ、当技術分野で公知の物理蒸着技術（例えば、ＥＢＰＶＤ）を用いてＴＢＣ層１４０を付着させるか又はプラズマ溶射技術を用いて非柱状ＴＢＣ層１４０を付着させることによって達成し得る歪み耐性の柱状粒構造がある。ＴＢＣ層１４０として適した材料としてイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）があり、好ましい組成は約６〜８重量％のイットリアを含み、場合により熱伝導率を低下するために約２０重量％以下のランタニド系列の元素の酸化物を含む。イットリア、非安定化ジルコニア、又は、マグネシア、ガドリニア、イッテルビア、カルシア、セリア、スカンジア、及び／又はその他の酸化物で安定化されたジルコニアのような他のセラミック材料も使用し得る。

本明細書で単数形で記載したものは、そのものが１以上存在することを意味する。数量に用いられる「約」という修飾語は、標記の数値を含み、文脈毎に決まる意味をもつ（例えば、特定の数量の測定に付随する誤差範囲を含む）。さらに、別途記載しない限り、本明細書に開示した範囲はすべてその上下限を含み、独立に結合可能である（例えば、「約２５重量％以下」、具体的には「約５〜２０重量％」という範囲は、これらの範囲の上下限とこれらの範囲内のすべての中間値を含む）。合金組成の成分に用いる「約」は、記載されたすべての成分及び記載された範囲の上下限に適用される。本明細書で用いる技術用語及び科学用語は、別途定義しない限り、本発明の属する技術分野の技術者によって通常理解されている意味をもつ。本明細書を通して、「一実施形態」又は「実施形態」という場合、その実施形態に関して記載された特定の構成要素（特徴、構造及び／又は特性など）が、本明細書に記載された少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味し、他の実施形態には存在していても、存在していなくてもよい。

具体的に本明細書に記載した合金組成物に関して「含む」を使用することは、その合金組成物が表示した成分から「実質的に構成される」（すなわち、表示した成分を含有し、開示されている基本的で新規な特徴に重大な悪影響を与える他の成分を含まない）実施形態と、その合金組成物が表示した成分「からなる」（すなわち、表示された成分の各々に天然かつ必然的に存在する汚染物質を除いて表示された成分のみを含有する）実施形態とを含めて開示しているものと了解されたい。

本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、その要素を様々に変化させることができ、均等物で置換することができることは当業者には明らかであろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。

１タービンエンジン
１０部品
１８ガス流路
３０表面
５０タービン動翼
５２ノズル
５４シュラウド
５８燃焼器
６０燃料ノズル
１００ＭＣｒＡｌＹ合金
１１０ボンドコート
１２０基材
１３０保護系
１４０ＴＢＣ層
１５０アルミナイド層
１６０ボンドコート層

Claims

高温酸化・熱間腐食耐性ＭＣｒＡｌＸ合金であって、合金の重量を基準にして、Ｍが約３０重量％以上の量のニッケルを含み、Ｘが約０．００５〜０．１９重量％のイットリウムを含む合金。
Ｘがさらに合金の重量を基準にして約１．２５重量％以下のゲルマニウムを含む、請求項１記載の合金。
当該合金が、合金の重量を基準にして、約５．０〜１５．０重量％のコバルト、約１２．０〜２８．０重量％のクロム、約６．５〜１１．０重量％のアルミニウム、約４．０〜８．０重量％のタンタル、約０．００５〜０．５重量％のジルコニウム、約０．００５〜０．８重量％のハフニウム、約０．００５〜０．１９重量％のイットリウム、約１．２５重量％以下のゲルマニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含む、請求項１記載の合金。
当該合金が、合金の重量を基準にして、約８．５〜１２．０重量％のコバルト、約１６．０〜２１．０重量％のクロム、約６．５〜８．５重量％のアルミニウム、約４．５〜７重量％のタンタル、約０．００１〜０．１重量％のジルコニウム、約０．１〜０．６５重量％のハフニウム、約０．００５〜０．１９重量％のイットリウム、約１．２５重量％以下のゲルマニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含む、請求項１記載の合金。
当該合金が実質的にケイ素又はレニウムを含まない、請求項１記載の合金。
前記不可避不純物がイオウを含み、イオウが合金の約１００ｐｐｍ未満である、請求項３記載の合金。
当該合金が、γ及びγ′相を含むニッケル基合金からなる、請求項１記載の合金。
コート物品であって、
表面を有する基材と、
該表面に設けられたボンドコートと
を含み、上記ボンドコートが高温酸化・熱間腐食耐性ＭＣｒＡｌＸ合金を含んでいて、合金の重量を基準にして、Ｍが約３０重量％以上のニッケルを含み、Ｘが約０．００５〜０．１９重量％のイットリウムを含む、物品。
前記合金が、合金の重量を基準にして、約５．０〜１５．０重量％のコバルト、約１２．０〜２８．０重量％のクロム、約６．５〜１１．０重量％のアルミニウム、約４．０〜８．０重量％のタンタル、約０．００５〜０．５重量％のジルコニウム、約０．０５〜０．８重量％のハフニウム、約０．００５〜０．１９重量％のイットリウム、約１．２５重量％以下のゲルマニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含む、請求項８記載のコート物品。
前記合金が、合金の重量を基準にして、約８．５〜１２．０重量％のコバルト、約１６．０〜２１．０重量％のクロム、約６．５〜８．５重量％のアルミニウム、約４．５〜７重量％のタンタル、約０．００１〜０．１重量％のジルコニウム、約０．１〜０．６５重量％のハフニウム、約０．００５〜０．１９重量％のイットリウム、約１．２５重量％以下のゲルマニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含む、請求項８記載のコート物品。
前記合金が実質的にケイ素又はレニウムを含まない、請求項８記載のコート物品。
前記不可避不純物がイオウを含み、イオウが合金の約１００ｐｐｍ未満である、請求項１０記載のコート物品。
ボンドコート上に設けられた遮熱コーティングをさらに含む、請求項８記載のコート物品。
さらに、基材から遠位側のボンドコート表面に設けられたアルミナイド皮膜及び／又は基材とボンドコートの間に設けられたアルミナイド皮膜を含む、請求項８記載のコート物品。
前記アルミナイド皮膜が基材から遠位側のボンドコート表面に設けられ、さらに、アルミナイド皮膜上に設けられた遮熱コーティングを含む、請求項１４記載のコート物品。
前記基材がＦｅ基、Ｎｉ基若しくはＣｏ基超合金又はそれらの組合せからなる、請求項８記載のコート物品。
前記基材がタービン動翼、静翼、シュラウド、ノズル、燃焼器若しくは燃料ノズル又はそれらの組合せをなす、請求項８記載のコート物品。
ボンドコートが交換用ボンドコート若しくは補修用ボンドコート又はそれらの組合せからなる、請求項８記載のコート物品。
ボンドコートが交換用ボンドコート若しくは補修用ボンドコート又はそれらの組合せからなる、請求項１７記載のコート物品。
Ｘがさらに、合金の重量を基準にして約０．００１〜１．２５重量％のゲルマニウムを含む、請求項８記載のコート物品。