JP2013136837A - 基材適合性を有する耐酸化性被覆 - Google Patents

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Abstract

【課題】タービンエンジン部材における基材材料との適合性のある被覆が提供される。
【解決手段】タービンエンジン部材などの部品１０は、基材１１を有し、この基材１１には、部品１０に耐酸化性を付与する被覆１２が施され、被覆１２は、部品を形成する材料と適合性がある。所望ならば、被覆１２は、基材の表面１４に直接施されることができる。基材１１は、限定される訳ではないが、ニッケル基およびコバルト基超合金を含む広範囲の金属材料から形成可能である。例えば、基材１１は、単結晶ニッケル基超合金とすることができる。耐酸化性被覆１２は、１１〜１４ｗｔ％のクロム、１１〜１４ｗｔ％のコバルト、７．５〜９．５ｗｔ％のアルミニウム、０．２０〜０．６０ｗｔ％のイットリウム、０．１０〜０．５０ｗｔ％のハフニウム、０．１０〜０．３０ｗｔ％のケイ素、０．１０〜０．２０ｗｔ％のジルコニウム、および残部のニッケルから成る組成を有する。
【選択図】図１

Description

本開示は、高温で使用されるとともにガスタービンエンジン分野で特に有用である金属部品上に使用するための保護被覆の分野に関する。
高温セクションタービンエンジン部材上の現在の金属被覆は、酸化および腐食保護を提供し、ガスタービンエンジンに使用される部品または部材上のセラミック断熱被覆（ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｎｇ）のための結合被覆として機能する。ＭＣｒＡｌＹおよびアルミニド（ａｌｕｍｉｎｉｄｅ）被覆は両方とも、部品または部材基材に使用される当時の基合金（ｂａｓｅ ａｌｌｏｙ）に許容可能な性能を確保するために開発されたものである。最近の単結晶基材合金は、機械的性質は向上しているが、現在の結合被覆を用いると、酸化の欠点や有害な反応領域を示す。
タービンエンジン部材が、基材材料との適合性のある被覆を有することは重要である。
本開示によれば、ニッケルまたはコバルト基超合金と適合性のある被覆が提供される。
本開示によれば、１１〜１４ｗｔ％のクロム、１１〜１４ｗｔ％のコバルト、７．５〜９．５ｗｔ％のアルミニウム、０．２０〜０．６０ｗｔ％のイットリウム、０．１０〜０．５０ｗｔ％のハフニウム、０．１０〜０．３０ｗｔ％のケイ素、０．１０〜０．２０ｗｔ％のジルコニウム、および残部のニッケルから成る被覆が提供される。
さらに、本開示によれば、基材と、この基材に施された被覆とを有する、タービンエンジン部材などの部品が提供され、被覆は、１１〜１４ｗｔ％のクロム、１１〜１４ｗｔ％のコバルト、７．５〜９．５ｗｔ％のアルミニウム、０．２０〜０．６０ｗｔ％のイットリウム、０．１０〜０．５０ｗｔ％のハフニウム、０．１０〜０．３０ｗｔ％のケイ素、０．１０〜０．２０ｗｔ％のジルコニウム、および残部のニッケルから成る。
基材適合性を有する耐酸化性被覆の他の詳細は、同様の参照符号が同様の構成要素を示す以下の図面および詳細な説明に記載される。
施された被覆を有する部品を示す図である。
ここで図面を参照すると、タービンエンジン部材などの部品１０は、基材１１を有し、この基材１１には、部品に耐酸化性を付与する被覆１２が施され、被覆１２は、部品を形成する材料と適合性がある。所望ならば、被覆１２は、基材の表面１４に直接施されることができる。
基材１１は、限定される訳ではないが、ニッケル基およびコバルト基超合金を含む広範囲の金属材料から形成可能である。例えば、基材１１は、単結晶ニッケル基超合金とすることができる。
被覆１２は、１１〜１４ｗｔ％のクロム、１１〜１４ｗｔ％のコバルト、７．５〜９．５ｗｔ％のアルミニウム、０．２０〜０．６０ｗｔ％のイットリウム、０．１０〜０．５０ｗｔ％のハフニウム、０．１０〜０．３０ｗｔ％のケイ素、０．１０〜０．２０ｗｔ％のジルコニウム、および残部のニッケルから成る。上述の組成から理解されるように、アルミニウム含有量は少なく、ＳＲＺが生成しやすい合金におけるＳＲＺの生成が低減される。被覆１２中により多量のアルミニウムがあると、反応領域の問題が生じ得るが、一方、より少量のアルミニウムでは、良好な保護スケール（ｓｃａｌｅ）を維持するのに十分なアルミニウムが提供されなくなる。反応性のより低い元素（Ｙ、Ｈｆ、Ｓｉ、およびＺｒ）は、酸加速度を増加させ得るが、一方、反応性のより高い元素では、短絡酸化が生じ得る。より多量のクロムでは、主要な相のガンマプライムが低減し得るが、より少量のクロムでは、高温耐食性が損なわれる。被覆１２の非常に望ましい組成は、上述の範囲の中央の右側にある。
被覆１２は、プラズマ溶射または物理蒸着技術を用いて、基材１１に付与可能であり、基材１１から部品１０が形成される。例えば、被覆は、陰極アーク堆積法を用いて付与可能である。
被覆１２は、結合被覆として特に有用である。そのような場合、被覆１２は、基材１１の少なくとも１つの表面１４に直接施される。断熱被覆（図示せず）が被覆１２の上に付与可能である。
本願で説明された被覆は、特に、ミクロ組織の不安定性を受け得るより高い世代の単結晶合金に用いる場合、従来のＭＣｒＡｌＹやアルミニドまたは白金アルミニド被覆を用いるより、二次反応領域（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｚｏｎｅ）の形成がかなり少なくなる。これらの超合金を強固にかつクリープ耐性にする元素によってこれらの超合金は、特に被覆の近傍で不安定になりがちである。被覆からのアルミニウム拡散が、この問題を悪化させることが知られている。これは、被覆からのアルミニウムが、合金と結合可能であり、二次反応領域として知られる層を形成し得るからである。この層は、機械的性質が劣りかつ局所的最密充填（ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｌｙ ｃｌｏｓｅ−ｐａｃｋｅｄ）（ＴＣＰ）構造を伴い、局所的最密充填構造は、ガンマプライムマトリックス（合金の残りのガンママトリックスではなくて）への転移および割れを促進し得る。上述したように、本願で説明された被覆では、ＳＲＺの形成は少ない。
本願で説明された組成を有する被覆は、耐食性、高温耐酸化性、およびＭＣｒＡｌＹ被覆と同様の機械的性質を示す。この被覆のＥＢ−ＰＶＤ断熱被覆の耐剥離性は、ベースラインの被覆のものの８倍である。本開示による組成を有する耐酸化性被覆および断熱被覆を有する部品を、２０５０°Ｆ（約１１２１℃）におけるバーナリグ（ｂｕｒｎｅｒ ｒｉｇ）試験にかけた。この被覆は、コバルトおよびクロムの含有量の高い従来のＮｉＣｏＣｒＡｌＹ材料から形成された組成の被覆の８６４％である平均断熱被覆剥離を有することが見出された。バーナリグ試験では、本願で説明された被覆が、上記比較被覆の９２％である耐酸化性（２１５０°Ｆ（約１１７７℃）におけるバーナリグ）、上記比較被覆の１３０％である高温耐食性（１６００°Ｆ（約８７１℃）におけるバーナリグ）、および上記比較被覆と同等の高サイクル疲労および熱機械疲労を有することが示された。
本願では、基材適合性のある耐酸化性被覆が提供された。被覆は、その特定の実施例の文脈で説明したけれども、他の予想もしない代替例、修正例、および変形例も、上述の説明を読んだ当業者には明らかとなり得る。従って、添付の特許請求の範囲の広い範囲内に含まれるように、これらの代替例、修正例、および変形例を含むことが意図されている。
１０…部品
１１…基材
１２…被覆
１４…表面

Claims (8)

  1. １１〜１４ｗｔ％のクロム、１１〜１４ｗｔ％のコバルト、７．５〜９．５ｗｔ％のアルミニウム、０．２０〜０．６０ｗｔ％のイットリウム、０．１０〜０．５０ｗｔ％のハフニウム、０．１０〜０．３０ｗｔ％のケイ素、０．１０〜０．２０ｗｔ％のジルコニウム、および残部のニッケルから成ることを特徴とする、タービンエンジン部材上に使用するための耐酸化性被覆。
  2. 基材と、この基材の表面に堆積された被覆とを有する部品であって、被覆が、１１〜１４ｗｔ％のクロム、１１〜１４ｗｔ％のコバルト、７．５〜９．５ｗｔ％のアルミニウム、０．２０〜０．６０ｗｔ％のイットリウム、０．１０〜０．５０ｗｔ％のハフニウム、０．１０〜０．３０ｗｔ％のケイ素、０．１０〜０．２０ｗｔ％のジルコニウム、および残部のニッケルから成ることを特徴とする部品。
  3. 前記基材は、ニッケル基超合金から成ることを特徴とする請求項２記載の部品。
  4. 前記基材は、コバルト基超合金から成ることを特徴とする請求項２記載の部品。
  5. 前記被覆は、前記基材の表面に直接施されることを特徴とする請求項２記載の部品。
  6. 前記部品は、タービンエンジン部材であることを特徴とする請求項２記載の部品。
  7. 部品上に耐酸化性被覆を形成する方法であって、
    基材を有する部品を提供し、
    基材の表面に被覆を形成する
    各ステップを含み、被覆を形成するステップが、１１〜１４ｗｔ％のクロム、１１〜１４ｗｔ％のコバルト、７．５〜９．５ｗｔ％のアルミニウム、０．２０〜０．６０ｗｔ％のイットリウム、０．１０〜０．５０ｗｔ％のハフニウム、０．１０〜０．３０ｗｔ％のケイ素、０．１０〜０．２０ｗｔ％のジルコニウム、および残部のニッケルから成る被覆を形成することを含むことを特徴とする方法。
  8. 前記の部品を提供するステップは、ニッケル基超合金およびコバルト基超合金のうちの１つから形成された基材を有する部品を提供することを含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
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