JP2013227663A - 基材のコーティング方法及びこれを用いたタービンエンジン部品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基材を設けるステップと、PtIr中のIr含有量が3〜50質量%であるPtとIrの合金層を、前記基材の表面の上に堆積するPtIr合金層の堆積ステップと、前記PtIr合金層の上に、Pt、Ni、Al、Cr、Coのうち1種以上から選ばれる金属、またはこれらの合金によって形成されると共に、前記PtIr合金層の拡散係数よりも大きな拡散係数を有する上部被覆合金層の堆積ステップと、前記PtIr合金層と前記上部被覆合金層の積層ボンドコートを形成するように、前記の堆積された層とともに前記基材を熱処理する熱処理ステップと、を備える。
【選択図】図2
Description
このように構成された本発明の基材のコーティング方法によれば、例えば図2に示す様なPtIr合金層と2層コーティングが形成されて、基材とコーティング材の相互拡散による基材のボイドの発生を抑制することができる。すなわち、PtIr合金層は基材のNi基超合金よりも拡散係数が小さく、上部被覆合金層はPtIr合金層の拡散係数よりも大きな拡散係数を有するため、基材でのボイドの発生を抑制できる。
本発明の基材のコーティング方法において、好ましくは、前記PtIr合金層の堆積ステップが、6から12μmの範囲の厚さにPtIr合金層を堆積するとよい。
本発明の基材のコーティング方法において、好ましくは、前記上部被覆合金層の堆積ステップが、5〜25質量%のAlと、残部がNiからなる上部被覆合金材料を堆積することを含むとよい。
本発明の基材のコーティング方法において、好ましくは、前記上部被覆合金層の堆積ステップが、前記PtIr合金層の厚さの1/8から1/2で、前記上部被覆合金層の厚さで前記上部被覆合金材料を堆積することを含むとよい。
本発明の基材のコーティング方法において、好ましくは、前記積層ボンドコートの上に、25〜1500μmの範囲の厚さのセラミックトップコートを付加するステップをさらに含むとよい。
本発明の基材のコーティング方法において、好ましくは、前記セラミックトップコートを付加するステップが、75〜400μmの範囲の厚さにセラミックトップコートを付加することを含むとよい。
本発明のタービンエンジン部品によれば、上記発明の基材のコーティング方法を適用しているので、Ni基合金基材に生じるボイドの抑制とともに、コーティング材の耐酸化特性も向上させることができ、タービンエンジン部品の信頼性向上と長寿命化ができる。
セラミックトップコートは、当分野で公知の適宜な堆積技術を用いて適用される。好ましい堆積技術は、大気プラズマ溶射法や電子ビーム蒸着法(EB−PVD)である。
Ni基単結晶超合金上に、電気めっき法で膜2としてPt−25質量%Irを約8μm被覆した試料(a)を作製した。また、試料(a)の上部を被覆するように電気めっき法でNiを約2μm被覆した試料(b)と、試料(a)の上部を被覆するように電気めっき法でPtを約2μm被覆した試料(c)を作製した。さらに、Ni基単結晶超合金上にPt単体を約8μm被覆した試料(d)を作製した。
単層コーティングであるPtIr(図3(a))とPt(図3(d))では、基材内部にカーケンダルボイドが生成している。他方で、2層コーティングを行ったPtIr/Ni(図3(b))とPtIr/Pt(図3(c))では、そのようなボイドは存在していない。以上により、本発明の2層コーティングによるボイドの抑制が実験的に立証された。
図4の写真中、基地よりも明度が暗い領域は、耐酸化特性が良好でないNiAl2O4系酸化物の生成を示している。よって耐酸化特性に関しては、単層PtIr(図4(a))と複層PtIr/Pt(図4(c))の試料が良好であると予測できる。
図5に示す様に、金属表面のfcc相(Pt,Ir)Niに加え、Al2O3、NiAl2O4が同定されたが、耐酸化特性を保つために必要なAl2O3の存在量は2層コーティングPtIr/Ptが最も多い。図6には、図5におけるAl2O3(104)のピーク強度とNiAl2O4(311)のピーク強度の比を示しているが、2層コーティングのPtIr/Pt(図5(c))が最も強度が高い。これは耐酸化特性が最も高いことを示唆している。
図7は試験片のコーティングの条件を説明する図である。PtとPtIrは、従来公知の電気めっきにより基材を被覆している。Ni−11原子%Al(Ni−5質量%Al)は、Niの電解液中にAlの微粒子を懸濁させる態様である複合めっきによって、基材を被覆している。
図9は、等温酸化試験100時間後の断面組織を表す断面写真図である。単層材では、表面の起伏が激しくなっていることから、等温酸化試験による表面層の離脱が確認できると共に、基材中のボイドの生成も顕著である。他方、複層材では表面が平滑であり、基材中のボイドの生成も少ないことが判る。
図10は、熱サイクル試験における試験片のコーティングの条件を説明する図である。PtとPt−20原子%Irは、従来公知の電気めっきにより基材を被覆している。Ni−16原子%Al(Ni−8質量%Al)は、Niの電解液中にAlの微粒子を懸濁させる態様である複合めっきによって、基材を被覆している。単層材では、Pt−20原子%Irの単層コーティングとしている。また、複層コーティングでは、Pt−22原子%IrとNi−16原子%Alの積層構造と、PtとNi−16原子%Alの積層構造の2類型を示している。
図12は、熱サイクルが100回経過後の断面組織を表す断面写真図である。PtIr単層材は、基材にボイドが生成している他、表面下部に酸化物が生成しており、酸化が進行していることを示唆している。他方、Pt−22原子%Ir/Ni−16原子%Al複層材は、表面酸化物も少なく、基材のボイドも抑制されている。Pt/Ni−16原子%Al複層材においても基材中のボイドは抑制されているが、基材コーティング材界面における連続的なボイドの生成が顕著であり、これが剥離につながっている。PtにIrを添加することによって組織安定性が増している。
2 PtIr合金層
3 上部被覆合金層
Claims (10)
- 基材を設けるステップと、
PtIr中のIr含有量が3〜50質量%であるPtとIrの合金層を、前記基材の表面の上に堆積するPtIr合金層の堆積ステップと、
前記PtIr合金層の上に、Pt、Ni、Al、Cr、Coのうち1種以上から選ばれる金属、またはこれらの合金によって形成されると共に、前記PtIr合金層の拡散係数よりも大きな拡散係数を有する上部被覆合金層の堆積ステップと、
前記PtIr合金層と前記上部被覆合金層の積層ボンドコートを形成するように、前記の堆積された層とともに前記基材を熱処理する熱処理ステップと、
を備えることを特徴とする基材のコーティング方法。 - 前記基材を設けるステップがNi基合金からなる基材を含み、かつ
前記PtIr合金層の堆積ステップが、前記基材の表面上にPtIr合金層を電気めっきすることを含むことを特徴とする請求項1に記載の基材のコーティング方法。 - 前記PtIr合金層の堆積ステップが、6から12μmの範囲の厚さにPtIr合金層を堆積することを含むことを特徴とする請求項1に記載の基材のコーティング方法。
- 前記上部被覆合金層の堆積ステップが、電気めっきを用いて前記上部被覆合金層を堆積することを含むことを特徴とする請求項1に記載の基材のコーティング方法。
- 前記上部被覆合金層の堆積ステップが、5〜25質量%のAlと、残部がNiからなる上部被覆合金材料を堆積することを含むことを特徴とする請求項1に記載の基材のコーティング方法。
- 前記上部被覆合金層の堆積ステップが、前記PtIr合金層の厚さの1/8から1/2で、前記上部被覆合金層の厚さで前記上部被覆合金材料を堆積することを含むことを特徴とする請求項1に記載の基材のコーティング方法。
- 前記熱処理ステップが、前記積層ボンドコートを形成するように、温度を650〜1150°Cの範囲で、時間を0.5〜15時間の範囲で、前記の堆積層とともに前記基材を熱処理することを含むことを特徴とする請求項1に記載の基材のコーティング方法。
- 前記積層ボンドコートの上に、25〜1500μmの範囲の厚さのセラミックトップコートを付加するステップをさらに含む請求項1に記載の基材のコーティング方法。
- 前記セラミックトップコートを付加するステップが、75〜400μmの範囲の厚さにセラミックトップコートを付加することを含むことを特徴とする請求項8に記載の基材のコーティング方法。
- Ni基合金からなる基材と、
前記基材の表面に適用されたPtIr合金層と、前記PtIr合金層の上に、Pt、Ni、Al、Cr、Coのうち1種以上から選ばれる金属、またはこれらの合金によって形成されると共に、前記PtIr合金層の拡散係数よりも大きな拡散係数を有する上部被覆合金層よりなる積層ボンドコートと、
を備え、
前記積層ボンドコートが、6から12μmの範囲の厚さのPtIr合金層と、前記上部被覆合金層が5〜25質量%のNiと、残部がAlからなる組成を有する共に、前記上部被覆合金層の厚さが前記PtIr合金層の厚さの1/8から1/2であることを特徴とするタービンエンジン部品。
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