JP3735717B2

JP3735717B2 - Ｍｏ−Ｓｉ−Ｂ合金

Info

Publication number: JP3735717B2
Application number: JP2002277377A
Authority: JP
Inventors: 直之野村; 享祐吉見; 修治花田
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2022-09-24
Also published as: JP2004115833A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電用ガスタービン、航空機用ジェットエンジン、及びロケットエンジンなどの耐熱性部材として好適に使用することのできるＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現行ガスタービンエンジンに用いられるタービンブレードの表面には、高温酸化を防ぐことを目的として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ及びＹを主成分とする金属層がコーティングされている。しかし、これらの合金の耐酸化性は１２００℃程度までしかない。一方、発電効率やエンジン出力はガス燃焼温度が上昇するにつれて向上するが、上述した合金からなる現行のガスタービンエンジンでは、１２００℃を超えた高い温度領域では使用することができないため、前述した発電効率の向上などは実現することができないでいた。
【０００３】
また、ジェットエンジンなどはＮｉ基超合金などから形成されており、燃焼温度上昇の観点から、前記Ｎｉ基超合金に代えて高融点金属基複合材料が用いられるようになってきている。これらの合金は高温強度に優れ、室温において高い靭性を有する。しかしながら、高温での耐酸化性が十分でなく、上記材料を用いた場合の前記ジェットエンジンなどにおける燃焼温度の向上には限界があった。
【０００４】
本発明は、高温強度に優れるとともに、高温において高い耐酸化性を示す新規な材料を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、所定の基板上においてプラズマ溶射法を用いて形成され、Ｍｏ、Ｓｉ及びＢを構成元素とすることを特徴とする、Ｍｏ−Ｓｉ−Ｂ合金に関する。
【０００６】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、Ｍｏ、Ｓｉ及びＢを構成元素とする合金が比較的高い高温強度及び高温耐酸化性を示すことに着目した。しかしながら、前述した合金を単に溶解鋳造法などを用いて形成した場合は、上述したガスタービンエンジンやジェットエンジンなどの燃焼温度上昇に十分耐えるようなものを得ることができず、さらなる鋭意検討を実施した。その結果、プラズマ溶射法を用いることを想到し、前記プラズマ溶射法を用いて作製したＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金は高い高温強度及び高温耐酸化性を示すことを見出し、本発明をするに至ったものである。
【０００７】
したがって、本発明のＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金から耐熱性部材を構成し、これを発電用ガスタービン、航空機用ジェットエンジン、及びロケットエンジンなどに用いることにより、これらの燃焼温度を上昇させて、発電効率及びエンジン出力などを向上させることができるようになる。
【０００８】
なお、本発明の好ましい態様においては、前記Ｍｏ−Ｓｉ−Ｂ合金中に、Ｍｏ_３Ｓｉ相、Ｍｏ_５Ｓｉ_３相及びＭｏ_５ＳｉＢ_２相の三相を共存させる。これによって、前記Ｍｏ−Ｓｉ−Ｂ合金の高温耐酸化性をさらに向上させることができる。
本発明のその他の特徴及び利点については、以下において詳述する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に則して詳細に説明する。
図１は、本発明のＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金を作製する際に用いるプラズマ溶射装置の構成を概略的に示す図である。図１に示すプラズマ溶射装置においては、真空槽１内においてプラズマガン２が設けられ、さらに真空槽１の右方側において、マニュピュレータ３が設けられている。マニュピュレータ３の走査部３Ａの先端にはプラズマガン２と対向するようにして基板Ｓが配置されている。
【００１０】
また、真空槽１の外部には、プラズマガン２の後方において原料供給のためのフィーダ４が設けられるとともに、プラズマガス供給のためのガスコントローラ５が設けられている。さらに、プラズマ形成のためＤＣ電源６及び高周波電源７が設けられている。また、真空槽１にはフィルタ８を介してメカニカルポンプ９及びロータリーポンプ１０が接続されて、真空槽１内の初期真空度及び操作中に真空度を所定の値に維持するように構成されている。なお、真空槽１の周囲には冷却水供給装置１１から冷却水を供給して、その温度上昇を抑制するようにしている。
【００１１】
次いで、図１に示す装置を用いた本発明のＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金の製造方法について説明する。最初に、メカニカルポンプ９及びロータリーポンプ１０を駆動させることによって、真空槽１内を真空度が例えば０．１Ｔｏｒｒとなるまで排気する。次いで、ガスコントローラ５を介して例えばアルゴンガスを５０Ｌ／ｍｉｎで流し、窒素ガスを６Ｌ／ｍｉｎで流すとともに、メカニカルポンプ９及びロータリーポンプ１０を用いて真空槽１内の圧力を例えば２０Ｔｏｒｒに保持する。
【００１２】
次いで、ＤＣ電源６より例えば３４Ｖ、７５０Ａの電力を供給するとともに、高周波電源７よりトリガー電圧を負荷することによってプラズマガン２の先端部にプラズマフレームＰを形成する。
【００１３】
なお、プラズマフレーム形成ガスとして、アルゴンガスなどの不活性ガス及び窒素ガスを用いることにより、目的とする本発明のＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金の高温耐酸化性をより向上させることができる。
【００１４】
次いで、フィーダ４中に前記Ｍｏ−Ｓｉ−Ｂ合金の原料粉末を供給する。前記原料粉末は配管内を通ってプラズマガン２に導入され、溶融した原料粉末がプラズマガン２より基板Ｓへ向けて射出され、プラズマ溶射が実行される。このとき、基板Ｓ上には溶融した前記原料粉末が堆積され、目的とする本発明のＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金が形成される。
【００１５】
なお、図１に示すように、基板ＳはプラズマフレームＰ外、例えばプラズマフレームＰの先端から２０−２５ｍｍの位置に配置することが好ましい。同様に、前記プラズマ溶射中において、基板Ｓをマニュピュレータ３によって例えば５６５ｃｍ^２／ｍｉｎの移動速度でジグザグ状に移動させることが好ましい。これによって、均一な厚さを有するとともに、均一な特性を有するＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金を簡易に得ることができるようになる。
【００１６】
上述したように、前記Ｍｏ−Ｓｉ−Ｂ合金は、その内部において、Ｍｏ_３Ｓｉ相、Ｍｏ_５Ｓｉ_３相及びＭｏ_５ＳｉＢ相の三相を共存していることが好ましい。これによって、前記Ｍｏ−Ｓｉ−Ｂ合金の高温耐酸化性をさらに向上させることができる。
【００１７】
また、前記原料粉末は、例えば以下のようにして作製する。最初に、Ｍｏ原料粉末、Ｓｉ原料粉末及びＢ原料粉末を所定の割合で秤量し、アルゴン雰囲気などにおいてアーク溶解することにより、ボタン状のインゴットを作製する。次いで、このインゴットをハンドミルなどによって粉砕し、ふるいで粒径を調整することによって目的とする前記原料粉末を得る。なお、前記原料粉末の平均粒径は、例えば４５μｍとなるようにする。
【００１８】
この際、前記インゴットはＭｏ_３Ｓｉ相、Ｍｏ_５Ｓｉ_３相、及びＭｏ_５ＳｉＢ_２相の三相を含むことが好ましい。これによって、前記インゴットを粉砕し、原料粉末としてプラズマ溶射法に供した場合において、前述したＭｏ_３Ｓｉ相、Ｍｏ_５Ｓｉ_３相及びＭｏ_５ＳｉＢ相の三相を共存してなる本発明のＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金を簡易に得ることができるようになる。
【００１９】
また、Ｍｏ原料粉末、Ｓｉ原料粉末及びＢ原料粉末は、前記Ｓｉ原料粉末及び前記Ｂ原料粉末の割合が、それぞれ２５ｍｏｌ％及び８．４ｍｏｌ％となるように秤量することが好ましい。これによって、上述したＭｏ_３Ｓｉ相、Ｍｏ_５Ｓｉ_３相、及びＭｏ_５ＳｉＢ_２相の三相を含むインゴットを簡易に形成することができるようになる。
【００２０】
以上のようにして得た本発明のＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金は、例えば酸素含有量が２０ｍｏｌ％であり、温度が１４００℃である環境雰囲気下における１００時間の高温耐酸化性試験後における重量変化が５．０×１０^−３ｍｇ^２／ｃｍ^４・ｈと極めて小さく、極めて高い高温耐酸化性を示す。
【００２１】
なお、目的とするＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金を形成すべき基板Ｓは如何なる材料からも形成することができるが、好ましくは軟鋼などから形成することができる。これによって、得られたＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金を基板Ｓから簡易に剥離することができ、耐熱性部材として種々の用途に供することができるようになる。
【００２２】
図２は、上述のようにして形成したＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金及び従来の溶解鋳造法によって得たＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金に対して、１４００℃、Ａｒ−２０ｍｏｌ％Ｏ_２の環境雰囲気下で高温酸化試験を実施した時の、重量変化と試験時間との関係を示すグラフである。
【００２３】
図２から明らかなように、溶解鋳造法で作製したＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金は、試験直後、すなわち酸化初期に急激な重量変化を示した後に、緩やかな重量減少に移行する。これは、Ｍｏ酸化物が酸化初期に引き続いて昇華されていることを示している。一方、本発明のＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金は酸化初期に重量減少を示すものの、後に重量増加に転じている。これは保護性の高い安定な酸化皮膜が形成され、安定に維持されていることを示している。したがって、本発明のＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金は、従来の溶解鋳造法で作製されたＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金と比較して、高い高温耐酸化性を示すことが分かる。
【００２４】
以上、具体例を示しながら発明の実施の形態に則して本発明を説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲において、あらゆる変形や変更が可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高温において高い耐酸化性を示すとともに、高温強度に優れた、新規な材料であるＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＭｏ−Ｓｉ−Ｂ合金を作製する際に用いるプラズマ溶射装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】Ｍｏ−Ｓｉ−Ｂ合金の高温酸化試験下における、重量変化と試験時間との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１真空槽
２プラズマガン
３マニュピュレータ
４フィーダ
５ガスコントローラ
６ＤＣ電源
７高周波電源
８フィルタ
９メカニカルポンプ
１０ロータリーポンプ
１１冷却水供給装置

Claims

所定の基板上においてプラズマ溶射法を用いて形成され、Ｍｏ、Ｓｉ及びＢを構成元素とし、Ｍｏ_３Ｓｉ相、Ｍｏ_５Ｓｉ_３相及びＭｏ_５ＳｉＢ_２相の三相が共存し、Ｍｏ原料粉末、Ｓｉ原料粉末及びＢ原料粉末を、Ｓｉ原料粉末及びＢ原料粉末の割合が、それぞれ２５mol％及び８．４mol％となるように秤量し、これら秤量した原料を不活性ガス雰囲気中で溶解してインゴットを作製し、このインゴットを粉砕して粉末とし、この粉末をプラズマ溶射装置内に供給してプラズマ溶射法に供して得られたことを特徴とする、Ｍｏ−Ｓｉ−Ｂ合金。