JP2020534475A - レニウムおよび／またはルテニウムを含む超合金で作られたタービン部品および関連する製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、例えば、レニウムおよび／またはルテニウムを含み、かつ体積で主たるγ’−ＮｉｓＡＩ相とγ−Ｎｉ相とを有する単結晶性ニッケルに基づいた超合金で作られた基材を含み、基材を覆う、ニッケルに基づいた金属超合金で作られた下層も含む、タービンブレードまたはディストリビューターフィンなどのタービン部品であって、下層が、体積で主たるγ’−ＮｉｓＡＩ相を有することと、下層が、０．１５〜０．２５の間のアルミニウムの、０．０３〜０．０８の間のクロムの、０．０１〜０．０５の間の白金の、０．０１未満のハフニウムの、および０．０１未満のケイ素の平均原子分率を有することと、を特徴とするタービン部品に関する。タービン部品を製造するためのプロセスであって、レニウムおよび／またはルテニウムを含むニッケルに基づいた超合金で作られた基材上の、体積で主にγ’−ＮｉｓＡＩ相を有するニッケルに基づいた超合金で作られた下層の真空蒸着のステップを含み、下層が、０．１５〜０．２５の間のアルミニウムの、０．０３〜０．０８の間のクロムの、０．０１〜０．０５の間の白金の、０．０１未満のハフニウムの、および０．０１未満のケイ素の平均原子分率を有する、プロセス。

Description

本発明は、航空学において使用されるタービン部品、例えばタービンブレードまたはノズルベーンなどに関する。

ターボジェットエンジンにおいて、燃焼室により生成された排気ガスは、１２００℃またはさらには１６００℃を上回る高温に達することがある。したがって、これらの排気ガスと接触するターボジェットエンジンの部品、例えばタービンブレードなどは、これらの高温においてそれらの機械的特性を維持できなければならない。

この目的のために、ターボジェットエンジンのある種の部品を「超合金」で製造することが既知である。超合金は、その融点に比較的近い温度（典型的にはその溶融温度の０．７〜０．８倍）で機能することができる高強度金属合金の一群である。

これらの超合金の耐熱性を向上させるために、かつ酸化および腐食からこれらを保護するために、熱障壁として働くコーティングでこれらをコートすることが既知である。

図１は、タービン部品１、例えばタービンブレード６またはノズルベーンの断面の略図を示す。部品１は、熱障壁１０でコートされた、単結晶金属超合金で作られた基材２を含む。

熱障壁は典型的には、金属ボンドコートと保護層と熱絶縁層とからなる。金属ボンドコートは金属超合金基材を覆っている。金属ボンドコートはそれ自体、保護層によって覆われており、保護層は、金属ボンドコートの酸化により形成される。保護層は、腐食および／または酸化から超合金基材を保護している。熱的絶縁層は保護層を覆っている。熱的絶縁層は、セラミック、例えばイットリア化ジルコニアで作られることができる。

ボンドコートは、単一のニッケルアルミナイドβ−ＮｉＡｌまたは修飾白金β−ＮｉＡｌＰｔから作られることができる。ボンドコートの平均アルミニウム原子分率（０．３５〜０．４５の間）は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の保護層のみを形成して酸化および腐食から超合金基材を保護するのに十分である。

しかし、部品が高温に曝されたとき、超合金基材と金属ボンドコートとの間のニッケルおよび特にアルミニウムの濃度の差は、様々な元素の拡散、特に基材中のニッケルから金属ボンドコートへの拡散および金属ボンドコート中のアルミニウムから超合金への拡散をもたらす。この現象は「相互拡散」と呼ばれる。

相互拡散は、ボンドコートと接触する基材の一部内の一次および二次反応領域（ＳＲＺ）の形成をもたらすことがある。

図２は、基材２を覆うボンドコート３ａの断面の顕微鏡写真である。顕微鏡写真は、使用中の部品１の温度条件をシミュレートする一連の熱サイクルに部品が曝される前に撮影される。基材２はレニウムに富んでおり、すなわち、レニウムの平均質量分率は０．０４以上である。超合金の組成中にレニウムを使用して超合金部品の耐クリープ性を向上させることが既知である。典型的には、基材２はγ−Ｎｉ相を有する。基材３ａは、β−ＮｉＡｌＰｔ型のものである。基材は、ボンドコート３ａによって直接覆われた基材の一部内に一次相互拡散領域５を有する。基材２は、一次相互拡散領域５によって直接覆われた二次相互拡散領域６も有する。図２に示された二次相互拡散領域６の厚さはおよそ３５μｍである。

図３は、基材２を覆うボンドコート３ａの断面の顕微鏡写真である。顕微鏡写真は、ボンドコート３ａおよび基材２を上述の一連の熱サイクルに曝した後のボンドコート３ａおよび基材２を示す。ボンドコート３ａは基材２を覆っている。基材２は、一次相互拡散領域５と二次相互拡散領域６とを有する。局所的に、二次相互拡散領域６の厚さは、図３の白色部分によって表される通り、最大１５０μｍになることがある。

相互拡散現象は、アルミニウムボンドコートの早期減少をもたらし、これはボンドコート中の相変態（β−ＮｉＡｌ→γ’−Ｎｉ_３Ａｌ、マルテンサイト変態）を促す。これらの変態は、ボンドコート３ａの同素組織を変化させ、ボンドコート中に割れ８を生じさせ、保護酸化アルミニウム層のしわ発生を促進する。

したがって、超合金基材とボンドコートとの間の相互拡散は、超合金部品の使用寿命に対して不都合な結果を有することがある。

本発明の目的は、既知の部品と比べて、使用中、超合金タービン部品の使用寿命を延ばしながら、酸化および腐食から超合金タービン部品を効果的に保護するための解決策を提供することである。

本発明の別の目的は、基材中の二次反応領域の形成および保護酸化アルミニウム層の剥離を回避または制限するための解決策を提供することである。

本発明において、レニウムおよび／またはルテニウムを含み、かつ体積の点で主たるγ’−Ｎｉ_３Ａｌ相とγ−Ｎｉ相とを有する単結晶ニッケル基超合金からできている基材と、基材を覆う、ニッケル基金属超合金で作られたボンドコートとを含むタービン部品であって、ボンドコートが、体積の点で主たるγ’−Ｎｉ_３Ａｌ相を有することと、ボンドコートが、０．１５〜０．２５の間のアルミニウムの、０．０３〜０．０８の間のクロムの、０．０１〜０．０５の間の白金の、０．０１未満のハフニウムの、および０．０１未満のケイ素の平均原子分率を有することと、を特徴とするタービン部品により、この目的は達成される。

金属ボンドコートは、基材組織に近い同素組織を有するため、二次反応領域の形成は防止および／または制限される。

さらに、金属性ボンドコートの組成は、マルテンサイト転移後のある時点における加工条件下のボンドコートの組成に対応するため、ボンドコートの同素組織は、その間に保護ボンドコートが形成されることができる時間を加工条件下で延ばすよう適合された化学組成を有しながら、二次反応領域の形成を制限または防止する。

加えて、タービン部品は、以下の特徴を有し得る：
−ボンドコートは、９５体積％を超えるγ’−Ｎｉ_３Ａｌ相を有する；
−ボンドコートは、γ’−Ｎｉ_３Ａｌ相とβ−ＮｉＡｌＰｔ相とを有する；
−ボンドコートは、γ’−Ｎｉ_３Ａｌ相とγ−Ｎｉ相とを有する；
−基材中のレニウムの質量分率は０．０４以上である；
−ボンドコートは、コバルト、モリブデン、タングステン、チタン、タンタルから選択される少なくとも１つの元素をさらに含む；
−酸化アルミニウムの保護層はボンドコートを覆っている；
−熱的絶縁セラミック層は保護層を覆っている；
−ボンドコートの厚さは５μｍ〜５０μｍの間である。

本発明はさらに、先に規定された通りの部品を備えることを特徴とするタービンブレードにも関する。

本発明はさらに、先に規定された通りのタービンブレードを備えるタービンを備えることを特徴とするガスタービンエンジンにも関する。

タービン部品を製造するためのプロセスであって、レニウムおよび／またはルテニウムを含むニッケル基超合金で作られた基材上において、体積の点で主にγ’−Ｎｉ_３Ａｌ相を有するニッケル基超合金のボンドコートの真空蒸着のステップを含み、ボンドコートが、
−０．１５〜０．２５の間のアルミニウムの；
−０．０３〜０．０８の間のクロムの；
−０．０１〜０．０５の間の白金の；
−０．０１未満のハフニウムの、および
−０．０１未満のケイ素の
平均原子分率を有する、プロセスにも、本発明はさらに関する。

堆積は、物理蒸着、溶射、ジュール蒸着、パルスレーザアブレーションおよびスパッタリングから選択される方法により行われることができる。

ボンドコートは、金属ターゲットを同時噴射かつ／または同時蒸着することにより堆積されることができる。

他の特徴および利点は、以下の説明においてさらに明らかにされ、以下の説明は、純粋に例示的かつ非限定的であり、添付図面と併せて読まれるべきである。

タービン部品、例えばタービンブレードまたはノズルベーンの断面を示す概略図である。 基材を覆うボンドコートの断面の顕微鏡写真である。 基材を覆うボンドコートの断面の顕微鏡写真である。 本発明のある実施形態によるタービン部品の基材を覆う熱障壁の断面を概略的に示す図である。 熱処理後の基材を覆うボンドコートの断面の顕微鏡写真である。 熱処理後の基材を覆うボンドコートの断面の顕微鏡写真である。

定義
「超合金」という用語は、高温高圧における酸化、腐食、クリープおよび繰返し（特に機械的または熱的）応力に対する非常に良好な耐性を有する複合合金を指す。超合金は、その融点に比較的近い温度（典型的にはその溶融温度の０．７〜０．８倍）で機能することができる高強度合金の一群を構成するため、航空学において使用される部品、例えばタービンブレードまたはガスタービンエンジンブレードの製造において特定の用途を有する。

超合金は、マトリックスを生成する第１の相（「γ相」と呼ばれる。）と、マトリックス中で硬化する析出物を生成する第２の相（「γ’相」と呼ばれる。）と、を含む二相ミクロ組織を有し得る。

超合金の「ベース」は、マトリックスの主な金属成分である。多くの場合、超合金は、鉄基、コバルト基またはニッケル基を含むが、場合によってチタン基またはアルミニウム基も含む。

「ニッケル基超合金」は、耐酸化性と耐高温破壊性と重量との間の良好な折衷を提供する利点を有し、これは、ターボジェットエンジンの最も高温の部品におけるその使用を正当化する。

ニッケル基超合金は、α置換の固溶体中の添加物（Ｃｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ）を任意選択で含む面心立方オーステナイト系γ−Ｎｉ型のγ相（すなわちマトリックス）と、γ’−Ｎｉ_３Ｘ型（Ｘ＝Ａｌ、ＴｉまたはＴａ）のγ’相（すなわち析出物）とからなる。γ’相は、マトリックスと一貫した、すなわち、マトリックスと非常に近い原子格子を有する、面心立方構造から誘導される秩序だったＬ_１２構造を有する。

その秩序だった特徴のために、γ’相は、最高約８００℃までの温度と共に向上する機械的耐性を有する注目すべき特性を有する。γ相とγ’相との間の一貫性は、ニッケル基超合金の非常に高い高温の機械的強度を与え、それ自体、比γ／γ’および硬化析出物のサイズに依存する。

超合金は、本発明のすべての実施形態において、レニウムおよび／またはルテニウムに富んでおり、すなわち、超合金中のレニウムおよび／またはルテニウムの平均原子分率は０．０４以上である。レニウムの存在は、ルテニウムを含まないレニウムフリーの超合金部品と比べて、超合金部品の耐クリープ性を向上させる。加えて、ルテニウムの存在は、γ相中およびγ’相中の耐熱性化学元素の分布を改善する。

したがって、ニッケル基超合金は一般に、最高７００℃まで高い機械的強度を有し、次いで、８００℃を上回ると急激に低下する機械的強度を有する。

「原子分率」という用語は濃度を指す。

図４は、タービン部品１の基材２を覆う熱障壁１０の断面を概略的に示す。

図４に示された構成要素は、タービンブレード６、ノズルベーンの構成要素、またはタービンのその他の任意の構成要素、部品もしくは片を独立して代表し得る。

基材２は、レニウムおよび／またはルテニウムを含むニッケル基超合金から形成される。レニウムおよび／またはルテニウム基材２の平均質量分率は、０．０４以上、優先的には０．０４５〜０．０５５の間である。

熱障壁は、金属ボンドコート３ｂと保護層４と熱絶縁層９とからなる。

基材２は、金属性ボンドコート３ｂによって覆われている。金属層３ｂは、保護層４によって覆われている。保護層４は、熱的絶縁層９によって覆われている。

堆積された金属性ボンドコート３ｂの組成は、０．１５〜０．２５の間の、優先的には０．１９〜０．２３の間のアルミニウムの、０．０３〜０．０８の間の、優先的には０．０３〜０．０６の間のクロムの、０．０１〜０．０５の間の白金の、０．０１未満の、優先的には０．００８未満のハフニウムの、および０．０１未満の、優先的には０．００８未満のケイ素の平均原子分率を有する。優先的な組成が以下の表１に記載されており、平均原子分率は百分率で与えられている。

金属性ボンドコート３ｂは、体積で大部分のγ’−Ｎｉ_３Ａｌ相１２を有する。したがって、ボンドコート３ｂの同素組織は、基材２の組織に近く、９００℃を上回る温度での、優先的には１１００℃を上回る温度でのタービン部品１の使用中の二次反応領域の形成を防止する。有利には、γ’−Ｎｉ_３Ａｌ相は、金属ボンドコート中で９５体積％を超える。γ’−Ｎｉ_３Ａｌ相とは別に、金属ボンドコート３ｂは、β−ＮｉＡｌＰｔ相またはγ−Ｎｉ相を有し得る。

ボンドコート３ｂの化学組成および同素組織は、部品１の使用の熱的条件をシミュレートするボンドコート３ｂの処理中のマルテンサイト変態段階の直後に、初めはβ−ＮｉＡｌＰｔ型のボンドコート３ｂの化学組成および組織を分析することにより決定された。

図５は、熱処理後の基材を覆う、本発明のボンドコートとは異なるボンドコート３ａの断面の顕微鏡写真である。ボンドコート３ａによって覆われた基材は、レニウムもルテニウムも含まないＡＭ１型のニッケル基超合金で作られた基材である。ボンドコート３ａを含む部品は、一連の２５０回の熱サイクルにより処理されており、各サイクルは、ボンドコート３ａを含む部品の１１００℃の温度で６０分間の熱処理に対応する。ボンドコート３ａの体積の大部分はβ−ＮｉＡｌＰｔ相１１であり、小部分はγ’−Ｎｉ_３Ａｌ相１２である。ボンドコート３ａは、保護層４によって覆われている。ボンドコート３ａと保護層４との間の界面は非常に不規則であり、部品が使用されるときに保護層４が薄片になる（またはしわになる）ことを引き起こすのに十分な高い粗度を有する。この粗度は、熱処理中に、ボンドコート３ａ中のβ−ＮｉＡｌＰｔ相１１のマルテンサイト変態によってもたらされる。

図６は、本発明のある実施形態による、レニウムおよび／またはルテニウムを含む単結晶ニッケル基超合金で作られた熱処理後の基材２を覆うボンドコート３ｂの断面の顕微鏡写真である。ボンドコート３ｂを含む部品は、一連の５００回の熱サイクルにより処理されており、各サイクルは、ボンドコート３ｂを含む部品１の１１００℃の温度で６０分間の熱処理に対応する。ボンドコート３ｂの体積の大部分はγ’−Ｎｉ_３Ａｌ相１２であり、小部分はβ−ＮｉＡｌＰｔ相１１である。ボンドコート３ａは、保護層４によって覆われている。図５を参照して記載された熱処理より長い、ボンドコート３ｂを含む系の熱処理にも関わらず、ボンドコート３ｂと保護層４との間の界面は、図５に示されたボンドコート３ａと保護層４との間の粗度より低い粗度を有する。この粗度の差は、ボンドコート３ａのβ−ＮｉＡｌＰｔ相１１のマルテンサイト変態より速いボンドコート３ｂのβ−ＮｉＡｌＰｔ相１１のマルテンサイト変態に関連する。加えて、図６に示されたボンドコート３ｂは、体積で主にγ’−Ｎｉ_３Ａｌ相１２を与え、体積でより小さいβ−ＮｉＡｌＰｔ相１１を与える。

５００回の熱サイクル後のボンドコート３ｂの同素組織および化学組成が分析および選択された。この組織および組成は、上述の、特に表１の組織および組成に対応する。

したがって、体積の点で大部分のγ’−Ｎｉ_３Ａｌ相１２によって、かつ表１に記載された組成によって、ボンドコート３ｂは、その間に保護ボンドコート４が形成されることができる時間を加工条件下で延ばす組成を与えながら、しわ発生現象につながるマルテンサイト変態を被るとしてもわずかである。

ボンドコート３ｂは、例えば物理蒸着（ＰＶＤ）により、真空下で堆積されることができる。スパッタリング、ジュール蒸着、レーザアブレーションおよび電子ビーム支援物理蒸着など、様々なＰＶＤ法がボンドコート３ｂの製造のために使用されることができる。ボンドコート３ｂは、溶射により堆積されることもできる。

したがって、任意の熱処理前に、しわ発生現象を回避するよう適合された化学組成および同素組織を与えることにより、ボンドコート３ｂは、基材２上に堆積されることができる。

これらの堆積法はまた、基材２上のボンドコート３ｂの形成ならびにボンドコート３ｂの化学組成のより良い制御を単純化する。

最後に、これらの堆積法は、化学元素拡散による金属ボンドコート形成の方法とは異なり、ボンドコート３ｂの厚さの正確な制御を可能にする。有利には、ボンドコート３ｂの厚さは５μｍ〜５０μｍの間である。

ボンドコート３ｂを堆積するとき、異なる金属性材料のいくつかのターゲットが、並行して、同時に使用されることができる。このタイプの堆積は、同時蒸着または同時スパッタリングにより行われることができ、次いで、ボンドコート３ｂの堆積中に各ターゲット上に課せられる蒸着またはスパッタリングそれぞれの速度が前記層の化学量論を決める。

Claims (14)

1. レニウムおよび／またはルテニウムを含み、かつ体積の点で主たるγ’−Ｎｉ_３Ａｌ相とγ−Ｎｉ相とを有する単結晶ニッケル基超合金からできている基材（２）と、基材（２）を覆うニッケル基金属超合金からできているボンドコート（３ｂ）とを含むタービン部品（１）であって、ボンドコート（３ｂ）が、大部分の体積のγ’−Ｎｉ_３Ａｌ相（１２）を有することと、ボンドコート（３ｂ）が、
   −０．１５〜０．２５の間のアルミニウムの；
   −０．０３〜０．０８の間のクロムの；
   −０．０１〜０．０５の間の白金の；
   −０．０１未満のハフニウムの、および
   −０．０１未満のケイ素の
   平均原子分率を有することと、を特徴とするタービン部品（１）。
2. ボンドコート（３ｂ）が、９５体積％を超えるγ’−Ｎｉ_３Ａｌ（１２）相を有する、請求項１に記載の部品。
3. ボンドコート（３ｂ）が、γ’−Ｎｉ_３Ａｌ相（１２）とβ−ＮｉＡｌＰｔ相（１１）とを有する、請求項１または２に記載の部品。
4. ボンドコート（３ｂ）が、γ’−Ｎｉ_３Ａｌ相（１２）とγ−Ｎｉ相とを有する、請求項１または２に記載の部品。
5. 基材（２）のレニウム質量分率が０．０４以上である、請求項１から４のいずれか一項に記載の部品。
6. ボンドコート（３ｂ）が、コバルト、モリブデン、タングステン、チタン、タンタルから選択される少なくとも１つの元素をさらに含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の部品。
7. ボンドコート（３ｂ）を覆う酸化アルミニウムの保護層（４）を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の部品。
8. 保護層（４）を覆う熱的絶縁セラミック層（９）を含む、請求項７に記載の部品。
9. ボンドコート（３）の厚さが５μｍ〜５０μｍの間である、請求項１から８のいずれか一項に記載の部品。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の部品（１）を備えることを特徴とするタービンブレード（６）。
11. 請求項１０に記載のタービンブレード（６）を備えるタービンを備えることを特徴とするガスタービンエンジン。
12. タービン部品（１）を製造するためのプロセスであって、レニウムおよび／またはルテニウムを含むニッケル基超合金で作られた基材（２）上の、体積の点で主にγ’−Ｎｉ_３Ａｌ相を有するニッケル基超合金のボンドコート（３ｂ）の真空蒸着のステップを含み、ボンドコート（３ｂ）が、
    −０．１５〜０．２５の間のアルミニウムの；
    −０．０３〜０．０８の間のクロムの；
    −０．０１〜０．０５の間の白金の；
    −０．０１未満のハフニウムの、および
    −０．０１未満のケイ素の
    平均原子分率を有する、プロセス。
13. 堆積が、物理蒸着、溶射、ジュール蒸着、パルスレーザアブレーションおよびスパッタリングから選択される方法により行われる、請求項１２に記載のプロセス。
14. ボンドコート（３ｂ）が、金属ターゲットを同時噴射かつ／または同時蒸着することにより堆積される、請求項１２または１３に記載のプロセス。

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