JP2015014047A - 組成物及び部品 - Google Patents

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Abstract

【課題】クロム量を減らした、ボンドコートとして有用な組成物の提供。【解決手段】約３〜約７重量％のクロム、約１０〜約３０重量％のニッケル、約１２〜約１８重量％のアルミニウム、約０．０００５〜約０．１５重量％のイットリウム、約０．０〜約１６重量％の強化剤、残部のコバルト及び不可避不純物を含む組成物。また、組成物の１以上の層２１０が施工された基材２００を含む部品１００。【選択図】図２

Description

本発明は、組成物及びボンドコートを有する部品に関する。より具体的には、本発明は、低クロムボンドコートに関する。
ガスタービン内の作動環境は熱的にも化学的にも苛酷である。例えば、ガスタービン内の作動温度は約１２００°Ｆ〜２５００°Ｆ超（約６５０℃〜１３７０℃超）になることがある。かかる高温は高い耐酸化性を有する特殊合金の使用を必要とする。従って、ガスタービンの高温ガス流路部品は通例ニッケル基又はコバルト基超合金から作られている。
基材合金を酸化、高温腐食などによる劣化から保護することのできるコーティングを使用することによって、高温ガス流路部品の高温性能は大幅な進歩を遂げている。例えば、作動中の高温からタービン部品を保護するために、遮熱コーティング（ＴＢＣ）系が慣用されている。ＴＢＣ系は、耐酸化性金属ボンドコート上に設けられた遮熱セラミックトップコートからなるが、耐酸化性金属ボンドコートは部品を構成する金属基材に施工される。
ＭＣｒＡｌＹボンドコートは当技術分野で周知である。これらは高温皮膜であり、Ｍは鉄、ニッケル及びコバルトの１種又は組合せから選択される。従来のＭＣｒＡｌＹボンドコートは通例約１０〜約３５重量％のクロム（Ｃｒ）を含有する。クロムは優れた高温耐食と中程度の高温で良好な耐酸化性をもたらす。約１６００°Ｆ（８７１℃）以上で、クロムは、部分的には揮発性Ｃｒ酸化物の形成のため、次第にその効力を失い始める。また、ボンドコート中の高濃度のＣｒは金属皮膜と基材との間の相互拡散を招き、拡散対の化学平衡が成立するようになる。高濃度のＣｒは、先進高温ガス流路作動環境において必須ではない。
米国特許第８０５３０８９号
クロム量の低減したボンドコート並びにボンドコートを有するタービン部品があれば当技術分野で望ましいであろう。
例示的な実施形態では、ボンドコート用組成物が提供される。本組成物は、約３〜約７重量％のクロム、約１０〜約３０重量％のニッケル、約１２〜約１８重量％のアルミニウム、約０．０００５〜約０．１５重量％のイットリウム、約０．０〜約１６重量％の強化剤、残部のコバルト及び不可避不純物を含む。
別の例示的な実施形態では、部品が提供される。この部品は、基材と基材に施工されたボンドコートの１以上の層とを含む。ボンドコートは、約３〜約７重量％のクロム、約１０〜約３０重量％のニッケル、約１２〜約１８重量％のアルミニウム、約０．０００５〜約０．１５重量％のイットリウム、約０．０〜約１６重量％の強化剤、残部のコバルト及び不可避不純物を含む。
本発明のその他の特徴及び利点については、本発明の原理を例示する図面と併せて好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を参照することによって明らかとなろう。
図１は、本発明の部品を示す。 図２は、本発明によって基材に施工されたボンドコートの１以上の層を含むタービン部品を示す。
ボンドコートとして有用な組成物が提供され、基材とその上に施工されたボンドコートの１以上の層とを含む部品が提供される。本開示の実施形態では、ボンドコート中のクロム（Ｃｒ）は約３〜約７重量％に低減される。本開示の実施形態の１つの利点は、ボンドコート中のＣｒレベルを基材合金のＣｒレベル（例えばＮ５００、Ｒ１０８）まで低減することによって、ボンドコートと基材との間のクロムの相互拡散が完全に又は最小限に抑制されることである。本開示の実施形態の別の利点は、ボンドコート中の低レベルのＣｒ添加が、ゲッタリング効果によって外側アルミナ生成を高めることである。本開示の実施形態の別の利点は、ボンドコート中の過剰なＣｒを除くことによって、ボンドコートに添加できるアルミニウム量を増やすことができることである。ある実施形態の別の利点として、ボンドコート中のクロムの濃度を制御することによって、タービン効率を向上させるための系の性能を最適化する合金組成の調整の機会が生じることである。本開示の実施形態の別の利点は、低レベルのクロムによって、タングステン、モリブデン、タンタル、炭素、チタン、ハフニウム、ニオブ、ホウ素、ジルコニウム及びこれらの組合せのような強化用元素でボンドコートを補強することもできることである。本開示のある実施形態のさらに別の利点は、改良された強度と耐酸化性を有するボンドコートである。本開示のある実施形態の別の利点は、ボンドコートの亀裂を軽減するため向上した高温性能及び優れた熱機械的疲労耐性を有する低コストのボンドコートである。
以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。
本明細書で用いる「ボンドコート」という用語は、例えば遮熱コーティング（ＴＢＣ）のような皮膜を堆積する前に基材上に堆積される金属層である。
本明細書で用いる「遮熱コーティング」という用語（「ＴＢＣ」と略すこともある。）は、物品の金属基材への熱流を低減することのできる（つまり遮熱障壁を形成する）セラミック皮膜をいう。
基材その他の層の上に層を形成することを表現するために用いられる「堆積」、「施工」、「設ける」などの用語は、その層が基材その他の層の上にあってと基材その他の層と少なくとも部分的に接触していることを意味する。
例示的な組成物はコバルト、ニッケル、アルミニウム、クロム、イットリウム、強化剤及び不可避不純物を含む。
一実施形態では、ボンドコートとして有用な組成物はタービンノズル、タービンブレード、タービンバケット、タービンダブテール及び／又はその他の好適な部品のようなタービン部品の全体又は一部の上に堆積される。
一実施形態では、ニッケルは約１０〜約３０重量％の濃度である。別の実施形態では、ニッケルは約１５〜約２５重量％、或いは約１８〜約２３重量％、約１８重量％、約１９重量％、約２０重量％、約２１重量％、約２２重量％、約２３重量％、或いはこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の濃度である。
一実施形態では、アルミニウムは約１２〜約１６重量％の濃度である。別の実施形態では、アルミニウムは約１３〜約１５重量％、約１３重量％、約１４重量％、約１５重量％、或いはこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の濃度である。
一実施形態では、クロムは約３〜約７重量％の濃度である。別の実施形態では、クロムは約３．５〜約６．９重量％、或いは約３．９〜約６．５重量％、約４重量％、約５重量％、約６重量％、或いはこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の濃度である。
一実施形態では、イットリウムは約０．０００５〜約０．１５重量％の濃度である。別の実施形態では、イットリウムは約０．００１〜約０．１２重量％、或いはこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の濃度である。
一実施形態では、強化剤は約０．０〜約１６重量％の濃度である。別の実施形態では、強化剤は約１３重量％以下、約１０重量％以下、或いはこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の濃度である。一実施形態では、強化剤はタングステン、モリブデン、タンタル、炭素、チタン、ハフニウム、ニオブ、ホウ素、ジルコニウム及びこれらの組合せから選択される。
一実施形態では、ボンドコートは残部のコバルトを含む。別の実施形態では、コバルトは約４５〜約７０重量％、或いは任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の濃度である。一実施形態では、強化剤はタングステン、モリブデン、タンタル、炭素、チタン、ハフニウム、ニオブ、ホウ素、ジルコニウム及びこれらの組合せから選択される。
図１に示すように、部品１００が提供される。部品としては、限定されるものではないが、タービンケーシング、バケット又はブレード及びベーンのようなタービン部品が挙げられる。図２に示すように、タービン部品１００の基材２００は、基材２００に施工されたボンドコート２１０の１以上の層を含む。基材２００は鉄基超合金、ニッケル基超合金、コバルト基超合金又はこれらの組合せを含む。ボンドコート２１０は適宜その上に施工された１以上の遮熱コーティング２１２を含んでいてもよい。ボンドコート２１０は、約３〜約７重量％のクロム、約１０〜約３０重量％のニッケル、約１２〜約１８重量％のアルミニウム、約０．０００５〜約０．１５重量％のイットリウム、約０．０〜約１６重量％の強化剤、残部のコバルト及び不可避不純物を含む。
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、その要素を種々変更させることができ、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、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。

Claims (19)

  1. 約３〜約７重量％のクロム、
    約１０〜約３０重量％のニッケル、
    約１２〜約１８重量％のアルミニウム、
    約０．０００５〜約０．１５重量％のイットリウム、
    約０．０〜約１６重量％の強化剤、
    残部のコバルト及び不可避不純物
    を含む組成物。
  2. 強化剤がタングステン、モリブデン、タンタル、炭素、チタン、ハフニウム、ニオブ、ホウ素、ジルコニウム及びこれらの組合せから選択される、請求項１記載の組成物。
  3. クロムが約３．５〜約６．９重量％の濃度である、請求項１記載の組成物。
  4. クロムが約３．９〜約６．５重量％の濃度である、請求項１記載の組成物。
  5. ニッケルが約１５〜約２５重量％の濃度である、請求項１記載の組成物。
  6. ニッケルが約１８〜約２３重量％の濃度である、請求項１記載の組成物。
  7. アルミニウムが約１２〜約１６重量％の濃度である、請求項１記載の組成物。
  8. アルミニウムが約１３〜約１５重量％の濃度である、請求項１記載の組成物。
  9. イットリウムが約０．００１〜約０．１２重量％の濃度である、請求項１記載の組成物。
  10. 強化剤が１３重量％以下の濃度である、請求項１記載の組成物。
  11. 強化剤が１０重量％以下の濃度である、請求項１記載の組成物。
  12. コバルトが約４５〜約７０重量％の濃度である、請求項１記載の組成物。
  13. 組成物がボンドコートである、請求項１記載の組成物。
  14. 基材と、
    基材に施工されたボンドコートの１以上の層と
    を含む部品であって、ボンドコートが、
    約３〜約７重量％のクロム、
    約１０〜約３０重量％のニッケル、
    約１２〜約１８重量％のアルミニウム、
    約０．０００５〜約０．１５重量％のイットリウム、
    約０．０〜約１６重量％の強化剤、
    残部のコバルト及び不可避不純物
    を含む、部品。
  15. さらに、１以上の層のボンドコート上に設けられた遮熱コーティングを含む、請求項１４記載の部品。
  16. 基材が鉄基超合金、ニッケル基超合金、コバルト基超合金又はこれらの組合せを含む、請求項１４記載の部品。
  17. クロムが約３．５〜約６．９重量％の濃度である、請求項１４記載の部品。
  18. クロムが約３．９〜約６．５重量％の濃度である、請求項１４記載の部品。
  19. 部品がタービン部品である、請求項１４記載の部品。
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