JP2019523825A - ハフニウムを含有するニッケル系超合金でできた部品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、ハフニウムを含有するニッケル系単結晶超合金でできた部品の製造方法に関する。この方法は、ハフニウムでドープされていないニッケル系単結晶超合金を製造すること、この超合金から部品を製造すること、５０ｎｍ〜８００ｎｍの間の厚さを有するハフニウムの層を前記部品上に直接堆積させること、ハフニウムの拡散処理を行って前記部品の表面に相互拡散層を形成し、それによりハフニウムを含有するニッケル系単結晶超合金でできた部品を得ることからなる連続工程を含むことに注目すべきである。
Description
本発明は、ハフニウム含有ニッケル系超合金の製造方法に関する。
ニッケル系超合金は、従来技術において既に知られている。
用語「超合金」は、高温及び高圧で、酸化、腐食、クリープ及び周期的応力（特に機械的又は熱的）に対する非常に良好な耐性を示す複合合金を指す。これらの超合金の特定の用途は、タービンブレード等の航空機に使用される部品の製造にある。
超合金は、いわゆる「固溶」処理によって硬化させることができる。そのような処理は、合金を共晶温度未満の適切な高温に加熱し、その構成成分の元素濃度を均質化して金属間析出物の大きさを制御するのに十分長くこの温度を維持することからなる。これは、材料の微細構造特性を最適化する。
ニッケル系超合金の耐酸化性をさらに向上させるために、意図的にハフニウムが添加される。しかしながら、超合金中にハフニウムが存在すると、共晶物の完全又はほぼ完全な固溶がより困難となり、燃焼欠陥を引き起こす。
したがって、本発明の目的は、従来技術の上述の欠点を克服し、耐酸化性及び耐腐食性を改善するハフニウムの有益な役割を保持するが、困難な固溶の欠点を有さない、ハフニウム含有ニッケル系超合金の製造方法を提案することである。
そのために、本発明は、ハフニウム含有ニッケル系単結晶超合金部品の製造方法に関する。
本発明によれば、この方法は、
非ハフニウムドープニッケル系単結晶超合金を製造すること、
この超合金から部品を製造すること、
５０ｎｍ〜８００ｎｍの間に含まれる厚さを有するハフニウムの層を前記部品上に直接堆積させること、
ハフニウムの拡散処理を行って前記部品の表面上に相互拡散層を形成し、それによりハフニウム含有ニッケル系単結晶超合金部品を得ること
からなる連続工程を含む。
非ハフニウムドープニッケル系単結晶超合金を製造すること、
この超合金から部品を製造すること、
５０ｎｍ〜８００ｎｍの間に含まれる厚さを有するハフニウムの層を前記部品上に直接堆積させること、
ハフニウムの拡散処理を行って前記部品の表面上に相互拡散層を形成し、それによりハフニウム含有ニッケル系単結晶超合金部品を得ること
からなる連続工程を含む。
本発明のこれらの特徴によって、得られた超合金は、酸化及び腐食に対する良好な耐性を維持しながら、共晶物のほぼ完全又は改善された固溶により機械的特性が改善される。純粋なハフニウムの層の使用は、この耐酸化性をさらに高める。
本発明の他の有利かつ非限定的な特徴によれば、単独又は組み合わせて、
非ハフニウムドープニッケル系単結晶超合金は、質量％で、
５．２％のアルミニウム、６．５％のコバルト、７．８％のクロム、２％のモリブデン、７．９％のタンタル、１．１％のチタン、５．７％のタングステン及び残りのニッケル、又は
５．６％のアルミニウム、９．６％のコバルト、６．５％のクロム、０．６％のモリブデン、３％のレニウム、６．５％のタンタル、１％のチタン、６％のタングステン及び残りのニッケル、又は
５．７３％のアルミニウム、９．６％のコバルト、３．４６％のクロム、０．６％のモリブデン、４．９％のレニウム、８．３％のタンタル、０．９％のチタン、５．５％のタングステン及び残りのニッケル、又は
５．７％のアルミニウム、３％のコバルト、２％のクロム、０．４％のモリブデン、６％のレニウム、８％のタンタル、０．２％のチタン、５％のタングステン、０．１％のニオブ及び残りのニッケル、又は
５．８％のアルミニウム、１２．５％のコバルト、４．２％のクロム、１．４％のモリブデン、５．４％のレニウム、７．２％のタンタル、６％のタングステン及び残りのニッケル、又は
６％のアルミニウム、０．２％未満のコバルト、４％のクロム、１％のモリブデン、４％のレニウム、５％のタンタル、０．５％のチタン、５％のタングステン、４％のルテニウム及び残りのニッケルを含む。
非ハフニウムドープニッケル系単結晶超合金は、質量％で、
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本発明による方法は、第１に、非ハフニウムドープニッケル系単結晶超合金を製造することからなる。「非ハフニウムドープ」とは、ハフニウムを含まないことを意味する。
以下の表１は、本発明による方法において有用ないくつかの好ましい例示的超合金を示す。それらはＡ〜Ｆの文字で特定されている。他の非ハフニウムドープニッケル系単結晶超合金もまた使用され得る。
用語「残り」は、各超合金について、言及された様々な他の成分と共に１００％に達する残余質量パーセントに対応する。
そのような超合金から、例えば鋳造又は積層造形によって、所望の形状を有する部品が形成される。
好ましくは、得られた部分は、導入部において上述されたように、次いで固溶処理に供される。
好ましくは、この処理は、約１１００℃の温度に達するまで数分〜４時間の間に含まれる期間昇温する第１の工程、続いて約１２００℃の温度に達するまで数分〜４時間の間に含まれる期間昇温する第２の工程、及び最後に約１３００℃の温度に達するまで数分間〜４時間の間に含まれる期間昇温する第３の工程からなる。
次いで、ハフニウムの層、すなわち純粋なハフニウムの層（１００原子％ハフニウム）又は少なくとも９９．９９原子％のハフニウムを含有する層のいずれかが、このように製造された部品上に堆積される。この層は、好ましくはナノ結晶又は微結晶である。好ましくは、この層は、５０ｎｍ〜８００ｎｍの間、より好ましくは５０ｎｍ〜３００ｎｍの間に含まれる厚さを有する。
このハフニウムの層の堆積は、好ましくはカソードスパッタリングによる物理気相成長（ＰＶＤ）によって行うことができる。これは、堆積される厚さの良好な制御を可能にする。
電子ビーム物理気相成長（ＥＢＰＶＤ）、蒸発、パルスレーザーアブレーション又はカソードスパッタリングの使用についても言及することができる。後者の技術は、ナノメートル又はマイクロメートルの厚さの高密度膜の形成を可能にし、他の堆積技術で得られるものよりも先行する層に対する優れた接着性を有するという利点を有する。
ＰＶＤは、部品と、堆積される材料、ここでは特にハフニウムに対応する１つ以上のターゲットとを含むエンクロージャ内で行われる。反応器壁とターゲットとの間に電位差を印加すると、プラズマが形成され、その正電荷種がカソード（ターゲット）に引き付けられ、それと衝突する。ターゲットの原子はスパッタされ、次いで前記部品上で凝縮する。
好ましくは、堆積条件は以下の通りである。
堆積中の加熱：１００〜９００℃
圧力：０．１Ｐａ〜１Ｐａ
電力密度：２〜１５Ｗ／ｃｍ２
分極：−５００Ｖ〜−１５０Ｖ
イオン衝撃は、−２００Ｖ〜５００Ｖの間で１０〜３０分間行われる。
圧力：０．１Ｐａ〜１Ｐａ
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分極：−５００Ｖ〜−１５０Ｖ
イオン衝撃は、−２００Ｖ〜５００Ｖの間で１０〜３０分間行われる。
ハフニウムの層の堆積は、化学気相成長法（ＣＶＤ）によって行うこともできる。
化学気相成長法（ＣＶＤ）技術の例としては、
プラズマ増強化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、
低圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）、
超高真空化学気相成長法（ＵＨＶＣＶＤ）、
大気圧化学気相成長法（ＡＰＣＶＤ）、
原子層化学気相成長法（ＡＬＣＶＤ）、
化学気相アルミナイジング（ＣＶＡ）が挙げられる。
プラズマ増強化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、
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超高真空化学気相成長法（ＵＨＶＣＶＤ）、
大気圧化学気相成長法（ＡＰＣＶＤ）、
原子層化学気相成長法（ＡＬＣＶＤ）、
化学気相アルミナイジング（ＣＶＡ）が挙げられる。
次いで、ハフニウムが存在する相互拡散層を前記部品の表面上に形成するために、前記部品がハフニウム拡散処理に供される。
好ましくは、拡散処理は、ハフニウムの層で被覆された部品をエンクロージャ内に設置し、真空下に置くか、又は９５体積％のアルゴン及び５体積％のヘリウムの混合物を含有する雰囲気をその中に導入し、次いで後述する熱処理を行うことにより行われる。
好ましくは、この熱処理は、５００℃〜１２００℃の間に含まれる温度に達するまでの温度上昇段階と、この温度段階を１時間〜４時間維持する段階と、室温に戻るまでエンクロージャ内部の温度を下げることかなる冷却段階とを含む。
本発明による方法は、以下に列挙する多くの利点を有する。
この方法の第１工程の間、非ハフニウムドープニッケル系単結晶超合金の製造、及び部品製造へのその使用は、困難を生じない。
対照的に、従来技術（ハフニウムドープ超合金）では、特に鋳造による部品の成形が、部品の形状又は凝固時間に応じて異なるハフニウム損失をその凝固中にもたらした。同様に、この部品は酸化する危険性があった（酸化ハフニウムの形成）。本発明の方法では、この段階においてハフニウムが存在しないため、これは該当しない。
固溶工程の間、部品の成分の均質化及び超合金の再固溶が最適である。
部品の非破壊検査の一環として行われる化学的攻撃の間、残留共晶物の優先的攻撃はない。
最後に、ハフニウムの層のその後の堆積及びその拡散は、共晶物のほぼ完全又は改善された固溶によるより良好な機械的強度、並びに酸化及び腐食に対するより良好な耐性によって、より堅牢な部品の形成をもたらす。
Claims (12)
- ハフニウム含有ニッケル系単結晶超合金部品の製造方法であって、
非ハフニウムドープニッケル系単結晶超合金を製造すること、
この超合金から部品を製造すること、
５０ｎｍ〜８００ｎｍの間に含まれる厚さを有するハフニウムの層を前記部品上に直接堆積させること、
ハフニウム拡散処理を行って前記部品の表面上に相互拡散層を形成し、それによりハフニウム含有ニッケル系単結晶超合金部品を得ること
からなる連続工程を含むことを特徴とする方法。 - ハフニウムの層の堆積が、物理気相成長（ＰＶＤ）によって行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- ハフニウムの層の堆積が、カソードスパッタリングによって行われることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
- ハフニウムの層の堆積が、化学気相成長法（ＣＶＤ）、好ましくは低圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）、化学気相アルミナイジング（ＣＶＡ）、超高真空化学気相成長法（ＵＨＶＣＶＤ）、プラズマ増強化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、大気圧化学気相成長法（ＡＰＣＶＤ）、原子層化学気相成長（ＡＬＣＶＤ）から選択される技術により行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記部品上に堆積されたハフニウムの層が、５０ｎｍ〜３００ｎｍの間に含まれる厚さを有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
- ハフニウム拡散処理が、真空下又は９５体積％のアルゴン及び５体積％のヘリウムの混合物下で、前記部品を５００℃〜１２００℃の間に含まれる温度まで上昇させるまで温度上昇を行い、この温度で１時間〜４時間保持し、前記部品が室温に戻るまで前記部品を冷却することにより、行われることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
- 非ハフニウムドープニッケル系単結晶超合金が、質量％で、５．２％のアルミニウム、６．５％のコバルト、７．８％のクロム、２％のモリブデン、７．９％のタンタル、１．１％のチタン、５．７％のタングステン及び残りのニッケルを含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
- 非ハフニウムドープニッケル系単結晶超合金が、質量％で、５．６％のアルミニウム、９．６％のコバルト、６．５％のクロム、０．６％のモリブデン、３％のレニウム、６．５％のタンタル、１％のチタン、６％のタングステン及び残りのニッケルを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
- 非ハフニウムドープニッケル系単結晶超合金が、質量％で、５．７３％のアルミニウム、９．６％のコバルト、３．４６％のクロム、０．６％のモリブデン、４．９％のレニウム、８．３％のタンタル、０．９％のチタン、５．５％のタングステン及び残りのニッケルを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
- 非ハフニウムドープニッケル系単結晶超合金が、質量％で、５．７％のアルミニウム、３％のコバルト、２％のクロム、０．４％のモリブデン、６％のレニウム、８％のタンタル、０．２％のチタン、５％のタングステン、０．１％のニオブ及び残りのニッケルを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
- 非ハフニウムドープ単結晶ニッケル系超合金が、質量％で、５．８％のアルミニウム、１２．５％のコバルト、４．２％のクロム、１．４％のモリブデン、５．４％のレニウム、７．２％のタンタル、６％のタングステン及び残りのニッケルを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
- 非ハフニウムドープニッケル系単結晶超合金が、質量％で、６％のアルミニウム、０．２％未満のコバルト、４％のクロム、１％のモリブデン、４％のレニウム、５％のタンタル、０．５％のチタン、５％のタングステン、４％のルテニウム及び残りのニッケルを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
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