JP4549490B2 - ニッケル基超合金およびコバルト基超合金を同時にアルミナイズする方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、拡散アルミニウム化物環境コーティングを形成する方法に係る。特に、本発明は、同じアルミニウム供与体と賦活体を用いて単一のプロセスチャンバ内でニッケル基超合金とコバルト基超合金を同時に気相アルミナイズして、ほぼ等しい厚さの拡散アルミニウム化物コーティングを得る方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンの効率を高めるためにそのより高い作動温度が常に求められている。しかし、作動温度が上昇すると、それに伴ってエンジンの部品の高温耐久性が増大しなければならない。ニッケル基超合金およびコバルト基超合金の開発により、また酸化、熱間腐食などから超合金を保護することができる耐酸化性の環境コーティングを用いることにより、高温性能は大いに進歩した。
【０００３】
拡散アルミニウム化物コーティングは環境コーティングとして幅広い用途をもっている。一般に拡散アルミニウム化物は、固体拡散浸透法や蒸気相（気相）蒸着のような拡散プロセスによって形成される単層の耐酸化性コーティングであり、これらプロセスのいずれにおいてもアルミニウムを含有するガス組成物を部品の表面と反応させるのが普通である。固体拡散浸透法プロセスの例は米国特許第３，４１５，６７２号及び第３，５４０，８７８号（本発明の譲受人に譲渡されており、引用により本明細書に含まれているものとする）に開示されている。固体拡散浸透法プロセスの場合、アルミニウムを含有するガス組成物は、アルミニウムを含有する供与体材料、アンモニウムやアルカリ金属のハロゲン化物のようなキャリヤ（賦活体）、およびカ焼アルミナのような不活性充填材の粉末混合物を加熱することによって生成している。この不活性充填材は、均一な厚さの拡散アルミニウム化物コーティングが生成するように、粉末の焼結を防ぎ、かつ部品全体で揮発性のハロゲン化物化合物の均一な分布を促進するため必要とされる。
賦活体は通常、ＮＨ₄Ｆ、ＮａＦ、ＫＦ、ＮＨ₄ＣｌまたはＡｌＦ₃のようなフッ化物か塩化物の粉末である。固体拡散浸透法プロセスではニッケル基超合金とコバルト基超合金をアルミナイズするのに同じ供与体材料を使用できるが、ニッケル基超合金に対して用いる供与体の量はコバルト基超合金と比べて少ない。
【０００４】
粉末混合物の成分を混合した後、処理しようとする部品のまわりに充填しプレスし、その後、部品と粉末混合物を通常約１２００〜２２００°Ｆ（約６５０〜１２００℃）に加熱する。この温度で、賦活体は気化し、供与体材料と反応して揮発性のハロゲン化アルミニウムを形成し、次いでこれが部品表面で反応して拡散アルミニウム化物コーティングを形成する。温度は、アルミニウム化物コーティングとして望ましい厚さが得られるのに充分な時間維持する。
【０００５】
気相蒸着プロセス用のアルミニウム含有供与体材料はアルミニウム合金またはハロゲン化アルミニウムとすることができる。供与体がハロゲン化アルミニウムである場合は別の賦活体は必要ない。供与体材料はアルミナイズしようとする表面と接触させない。固体拡散浸透法の場合と同様、気相アルミナイジング（ＶＰＡ）は、ハロゲン化アルミニウムが部品の表面で反応して拡散アルミニウム化物コーティングを形成する温度で実施する。
【０００６】
基体上に拡散アルミニウム化物コーティングが形成される速度は、部分的に、使用する基体材料、供与体材料および賦活体に依存する。同じ供与体と賦活体を使用する場合、ニッケルを主材とする基体はコバルトを主材とする基体より速い速度で拡散アルミニウム化物コーティングが形成されることが観察されている。
同程度のコーティング速度を達成するには、コバルト基合金はコーティングチャンバ内でより高いアルミニウム活性を必要とし、それには異なる供与体材料および／または賦活体を使用する必要が生じる。たとえば、ニッケル基超合金をコートするにはアルミニウム含量が低めの供与体（典型的には約３０重量％のアルミニウムを含有するクロム−アルミニウム合金）が使われることが多いが、コバルト基超合金ではアルミニウム含量がより高い（たとえば、４５重量％）供与体が使われる。したがって、ニッケル超合金とコバルト超合金の組合せで形成されている部品は通常単一のプロセスでアルミナイズされず、別々のアルミナイジング工程に付す必要があり、その結果かなりの余分なプロセス時間とコストが課される。
【０００７】
【発明の要約】
本発明は、一般に、同じアルミニウム供与体と賦活体を用いて単一のプロセスチャンバ内でニッケル基超合金とコバルト基超合金を同時に気相アルミナイズして、ほぼ等しい厚さの拡散アルミニウム化物コーティングを得る方法を提供する。本発明によると、ある種の供与体材料および賦活体と狭い範囲のプロセスパラメーターとの組合せが本発明の有益な効果を達成するのに必要である。より詳しくいうと、本発明の方法では、アルミニウムを含有するアルミニウム供与体とハロゲン化アルミニウム賦活体とを収容しているチャンバ内に１種以上のニッケルを主材とする基体とコバルトを主材とする基体を入れる。このアルミニウム供与体は約５０〜約６０重量％のアルミニウムを含有していなければならず、一方ハロゲン化アルミニウム賦活体はチャンバ容積１リットル当たり少なくとも１グラムの量でチャンバ内に存在するフッ化アルミニウムでなければならない。その後、ニッケルを主材とする基体とコバルトを主材とする基体を、不活性または還元性雰囲気中約１９００〜約１９５０°Ｆ（約１０３８〜約１０６６℃）の温度で４．５〜５．５時間気相アルミナイズする。
【０００８】
本発明によると、これらの材料とプロセスパラメーターによって、ニッケルを主材とする基体とコバルトを主材とする基体の上に同時に拡散アルミニウム化物コーティングを設けることが可能であり、得られる基体上のコーティングの厚さは互いにあまり変わらず、好ましくは約３０％以上異なることがない。その結果、ニッケル基超合金の翼形とコバルト基超合金の内側および外側バンドとを有する高圧タービンノズルのようなガスタービンエンジン部品を単一の処理サイクルでアルミナイズして、ガスタービンエンジンの過酷な環境からその部品を保護するのに充分な厚さをもつ均一な拡散アルミニウム化物コーティングをもたせることができる。
【０００９】
本発明のその他の目的および利点は以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【００１０】
【発明の詳細な記述】
広い意味で、本発明は、比較的高い温度の環境内で作動しなければならず、したがって厳しい酸化と高温腐食を受け易い部品の拡散アルミニウム化物環境コーティングに関する。本発明はガスタービンエンジン部品、特にコバルト基超合金の内側バンドと外側バンドに溶接されたニッケル基超合金の翼形をもつ高圧タービンノズルに対して開発されたものであるが、本発明の教示はニッケル基合金とコバルト基合金とを同時にアルミナイズすることが望まれるいかなる状況にも広く適用可能である。
【００１１】
本発明は、そのプロセス材料とパラメーターによりニッケル基合金とコバルト基合金上にほぼ等しい厚さの拡散アルミニウム化物コーティングが同時に形成されることが判明した気相アルミナイジングプロセスである。したがって、本発明は、単一の処理サイクルでニッケル基超合金とコバルト基超合金を気相アルミナイズする際の主要な障害を克服する。本発明の成功のために必要とされることが確認された特定のプロセス要件には、約５０〜約６０重量％のアルミニウムを含有するアルミニウム含有供与体の使用、賦活体として、チャンバ容積の１立方フィート当たり３０グラム（約１ｇ／ｌ）以上の量のフッ化アルミニウムの使用、約１９００〜約１９５０°Ｆ（約１０３８〜約１０６６℃）および約４．５〜５．５時間という処理温度と時間の使用が包含される。本発明によると、上記パラメーターのいずれかひとつが外れるとかなり異なる厚さの拡散アルミニウム化物コーティングが形成されることになり得る。
【００１２】
本発明によって必要とされるアルミニウム含量を有する各種のアルミニウム含有供与体材料の使用が予想できるが、好ましいアルミニウム供与体材料はコバルト−アルミニウム合金、特にＣｏ₂Ａｌ₅（アルミニウム含量約５３重量％）である。ニッケルを主材とする基体をアルミナイズするのにコバルト−アルミニウム合金を用いることは、ニッケルを主材とする基体にクロム−アルミニウム合金を用いた従来の実施とは対照的である。それにもかかわらず、コバルト−アルミニウム合金は、本発明に従ってニッケルを主材とする基体とコバルトを主材とする基体とを同時にコートするのに好ましい。
【００１３】
フッ化アルミニウムは、従来、固体拡散浸透法や気相蒸着によってニッケルを主材とする基体やコバルトを主材とする基体をアルミナイズするのに賦活体として使われて来ている。本発明によると、フッ化アルミニウムは、ニッケルを主材とする基体とコバルトを主材とする基体の両方でほぼ等しいコーティング速度を達成するために、チャンバ容積の１立方フィート当たり３０グラム（約１ｇ／ｌ）以上の量で存在しなければならない。フッ化アルミニウム賦活体の本発明で使用するのに好ましい量はチャンバ容積の１立方フィート当たり３０〜６０グラム（約１〜２ｇ／ｌ）である。
【００１４】
アルミナイジングプロセスの活性は賦活体濃度と供与体合金中に存在するアルミニウムの量とに直接比例することが知られている。したがって、コーティングプロセスの時間が一定に保たれれば、所与の基体上に形成されるコーティングの厚さはアルミニウム活性によって決まる。従来、コバルトを主材とする基体と同程度の速度でニッケルを主材とする基体をコートするには低めのアルミニウム活性が必要であった。これら従来の慣例は、コバルトを主材とする基体とニッケルを主材とする基体に単一のコーティングサイクルで同程度の厚さの拡散アルミニウム化物コーティングを生成するには異なる種類または量の供与体材料および／または賦活体が必要であることを示唆しているが、本発明は、供与体のアルミニウム含量が充分に高く、賦活体がフッ化アルミニウムであり、しかもプロセスの温度が狭い範囲内に維持されれば、全く同じ供与体材料と賦活体を使用してコバルトを主材とする基体とニッケルを主材とする基体を同時にコートすることができるという予想外の結論に基づいている。
【００１５】
本発明に至る研究中、コバルトを主材とする基体とニッケルを主材とする基体に対する従来の気相アルミナイズ（ＶＰＡ）プロセス範囲内のパラメーターを使用して（それぞれ、従来技術「Ａ」および「Ｂ」とする）、また本発明のプロセスパラメーターを使用して（「本発明」とする）、コバルトを主材とする内側バンドと外側バンドとの間に接合されたニッケル基超合金の翼形を有する高圧タービンノズルを気相アルミナイズ（ＶＰＡ）した。翼形はルネ(Rene)１４２Ｎｉ基合金であり、内側と外側のバンドはＸ−４０Ｃｏ基合金製であったが、その他のニッケル基およびコバルト基耐火合金を使用でき、同様な結果が得られるであろう。用いた気相蒸着パラメーターは次に示す。

すでに指摘したように、以上のパラメーターは本発明にとって極めて重要である。各プロセスは同じ市販装置で行い、水素とアルゴンの雰囲気を用いたが、不活性または還元性の雰囲気はほとんどいかなるものでも許容できる。
【００１６】
本発明の上記パラメーターにより、ニッケル基超合金表面上には厚さ約７０μｍの拡散アルミニウム化物コーティングが得られ、コバルト基超合金表面上には厚さ約５５μｍの拡散アルミニウム化物コーティングが得られる。対照的に、従来技術のパラメーター範囲「Ａ」（従来コバルト基超合金に用いられているもの）を用いて生成した拡散アルミニウム化物コーティングは、ニッケル基超合金表面上で厚さ約１１５μｍ、コバルト基超合金表面上で厚さ約６０μｍであり、従来技術のパラメーター範囲「Ｂ」（従来ニッケル基超合金に用いられているもの）を用いて生成したコーティングは、ニッケル基超合金表面上で厚さ約６０μｍ、コバルト基超合金表面上で厚さ約２５μｍであった。まとめると、本発明のプロセスパラメーターでは厚さが約３０％しか変わらない拡散アルミニウム化物コーティングが得られたのに対し、従来技術のプロセスパラメーターでは約１００％の差が生じた。
【００１７】
以上の結果は、本発明のＶＰＡプロセスを用いることにより、ニッケルを主材とする基体とコバルトを主材とする基体の双方の上にほぼ同じ厚さの拡散アルミニウム化物コーティングを生成させることができることを示していた。このような能力は、従来のプロセス材料とパラメーターを用いたＶＰＡプロセスでは不可能であった。また、上記結果は、いずれかひとつのパラメーターを変化させた際の影響が他のパラメーターに依存しており、そのため所与の組合せのパラメーターで達成可能な蒸着速度が一般的には予測できないことも立証している。したがって、本発明によるニッケルを主材とする基体とコバルトを主材とする基体を同時にコートするための最適な値の発見は従来技術の実施からは期待できなかったのである。
【００１８】
好ましい具体例に関連して本発明を説明して来たが、明らかに当業者は他の形態を採用することができる。したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ制限される。

Claims (5)

1. ニッケルを主材とする基体およびコバルトを主材とする基体の表面上に拡散アルミニウム化物コーティングを同時に形成するための方法であって、ニッケルを主材とする基体およびコバルトを主材とする基体をチャンバに入れ、次いで前記ニッケルを主材とする基体およびコバルトを主材とする基体を、５０〜６０重量％のアルミニウムを含有するアルミニウム含有供与体と、チャンバ容積１リットル当たり少なくとも１グラムの量でチャンバ内に存在するフッ化アルミニウムからなるハロゲン化アルミニウム賦活体とを用いて、不活性または還元性雰囲気中１０３８〜１０６６℃（１９００〜１９５０°Ｆ）で４．５〜５．５時間の間行われる気相蒸着プロセスにかけて、前記ニッケルを主材とする基体およびコバルトを主材とする基体上に拡散アルミニウム化物コーティングを形成することを含んでなり、前記ニッケルを主材とする基体およびコバルトを主材とする基体の上に形成される拡散アルミニウム化物コーティングの厚さが互いに３０％以上異なることがない方法。
2. アルミニウム含有供与体がＣｏ₂Ａｌ₅を含んでいる、請求項１記載の方法。
3. アルミニウム含有供与体がＣｏ₂Ａｌ₅から成る、請求項１記載の方法。
4. 前記ニッケルを主材とする基体およびコバルトを主材とする基体がガスタービンエンジン部品の部材である、請求項１記載の方法。
5. ガスタービンエンジン部品が、ニッケル基超合金の翼形と、コバルト基超合金の内側バンドおよび外側バンドとを有する高圧タービンノズルである、請求項１記載の方法。