JP5334017B2 - 耐熱部材 - Google Patents
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Description
<1>コーティング層は、所定温度において、γ相、γ’相およびB2相のうちの少くとも1種を含んでいること、
<2>基材との界面において、拡散変質層の生成が抑制されていること、特には、基材のγ相とγ’相との二相構成からの単相の生成や、第三相の析出、あるいはγ’相の存在量の変化としてある変質層の生成が抑制されていること
の少くともいずれかであると定義することができる。
出願人物質・材料データベース)。
〜1015 m2/s:Co、Cr、Ta、Moなど
〜1016 m2/s:W、Ru、Reなど
ここで、Alは拡散が速く、また耐酸化性を上げるために必要な元素であるため、コーティング材料として欠かせない重要な構成元素となる。次に重要となるのはやはり耐酸化性に影響するCrである。Hfは濃度が小さいため、変質層の生成においてはあまり重要ではなく、削減することができる。Ta、Mo、W、Ru、Reは比較的拡散が遅いため、相互拡散による変質層の生成に及ぼす影響は小さく、削減することが可能である。これらは高価であるため、削減することでコーティングの価格を下げることができる。
Al: −181.93kJ/mol (+10.99kJ/mol, +5.7%)
Cr: −70.185kJ/mol (+17.435kJ/mol, 19.9%)である。これに対し、従来技術11のAmdry9954ではAl: −165.11kJ/mol (+27.81kJ/mol, +14.4%)
Cr: −68.585kJ/mol (+19.035kJ/mol, +21.7%)である。
<1>コーティング物質は、Niとともに、AlまたはAlとCrを必須成分として含む合金材であることを特徴とする。
<2>上記において、質量%で、Alを2.9%以上16.0以下、Crを0以上19.6以下含むことを特徴とする。
<3>質量%で、Alを6.1以上10.6以下、Crを0.4以上4.0以下含むことを特徴とする。
<4>コーティング物質は、Ni−Al二元合金材であってよく、Alを質量%で7.8〜16.0含有するもの、そしてNi−Al−Cr三元合金材でもよく、質量%で、Al:7.8〜16.0、Cr:5.0〜19.6の組成であることを特徴とする。
<5>コーティング物質は、セラミック材であってもよい。
(1)Al:1.0質量%以上10.0質量%以下、Ta:0質量%以上14.0質量%以下、Mo:0質量%以上10.0質量%以下、W:0質量%以上15.0質量%以下、Re:0質量%以上10.0質量%以下、Hf:0質量%以上3.0質量%以下、Cr:0質量%以上20.0質量%以下、Co:0質量%以上20質量%以下、Ru:0質量%以上14.0質量%以下、Nb:0質量%以上4.0質量%以下、Si:0質量%以上2.0質量%以下含有する。
(2)Al:3.5質量%以上7.0質量%以下、Ta:2.0質量%以上12.0質量%以下、Mo:0質量%以上4.5質量%以下、W:0質量%以上10.0質量%以下、Re:0質量%以上8.0質量%以下、Hf:0質量%以上0.50質量%以下、Cr:1.0質量%以上15.0質量%以下、Co:2質量%以上16質量%以下、Ru:0質量%以上14.0質量%以下、Nb:0質量%以上2.0質量%以下、Si:0質量%以上2.0質量%以下%以下含有し、残部がNiと不可避的不純物とからなる組成を有する。
(3)Al:5.0質量%以上7.0質量%以下、Ta:4.0質量%以上10.0質量%以下、Mo:1.1質量%以上4.5質量%以下、W:4.0質量%以上10.0質量%以下、Re:3.1質量%以上8.0質量%以下、Hf:0質量%以上0.50質量%以下、Cr:2.0質量%以上10.0質量%以下、Co:0質量%以上15.0質量%以下、Ru:4.1質量%以上14.0質量%以下、Nb:0質量%以上2.0質量%以下、Si:0質量%以上2.0質量%以下%以下含有し、残部がNiと不可避的不純物とからなる組成を有する。
(4)Al:5.0質量%以上7.0質量%以下、Ta:4.0質量%以上8.0質量%以下、Mo:1.0質量%以上4.5質量%以下、W:4.0質量%以上8.0質量%以下、Re:3.0質量%以上6.0質量%以下、Hf:0.01質量%以上0.50質量%以下、Cr:2.0質量%以上10.0質量%以下、Co:0.1質量%以上15.0質量%以下、Ru:1.0質量%以上4.0質量%以下、Nb:0質量%以上2.0質量%以下含有し、残部がNiと不可避的不純物とからなる組成を有する。
(5)Al:5.5質量%以上6.5質量%以下、Ta:5.0質量%以上7.0質量%以下、Mo:1.0質量%以上4.0質量%以下、W:4.0質量%以上7.0質量%以下、Re:4.0質量%以上5.5質量%以下、Ti:0質量%以上2.0質量%以下、Nb:0質量%以上2.0質量%以下、Hf:0質量%以上0.50質量%以下、V:0質量%以上0.50質量%以下、Cr:0.1質量%以上4.0質量%以下、Co:7.0質量%以上15.0質量%以下、Si:0.01質量%以上0.1質量%以下含有し、残部がNiと不可避的不純物とからなる組成を有する。
(6)Al:4.5質量%以上6.0質量%以下、Ta:5.0質量%以上8.0質量%以下、Mo:0.5質量%以上3.0質量%以下、W:7.0質量%以上10.0質量%以下、Re:1.0質量%以上3.0質量%以下、Ti:0.1質量%以上2.0質量%以下、Hf:0.01質量%以上0.50質量%以下、Cr:3.5質量%以上5.0質量%以下、Co:4.0質量%以上11.0質量%以下、Si:0.01質量%以上0.1質量%以下含有し、残部がNiと不可避的不純物とからなる組成を有する。
(7)Al:5.1質量%以上6.1質量%以下、Ta:4.5質量%以上6.1質量%以下、Mo:2.1質量%以上3.3質量%以下、W:4.1質量%以上7.1質量%以下、Re:6.4質量%以上7.4質量%以下、Ti:0質量%以上0.5質量%以下、Hf:0質量%以上0.50質量%以下、Cr:2.5質量%以上7.0質量%以下、Co:5.1質量%以上6.1質量%以下、Ru:4.5質量%以上5.5質量%以下、Nb:0質量%以上1.0質量%以下含有し、残部がNiと不可避的不純物とからなる組成を有する。
(8)Al:5.3質量%以上6.3質量%以下、Ta:5.3質量%以上6.3質量%以下、Mo:2.4質量%以上4.4質量%以下、W:4.3質量%以上6.3質量%以下、Re:4.4質量%以上5.4質量%以下、Ti:0質量%以上0.5質量%以下、Hf:0質量%以上0.50質量%以下、Cr:2.5質量%以上7.0質量%以下、Co:5.3質量%以上6.3質量%以下、Ru:5.5質量%以上6.5質量%以下、Nb:0質量%以上1.0質量%以下含有し、残部がNiと不可避的不純物とからなる組成を有する。
(9)Al:5.2質量%以上6.2質量%以下、Ta:5.1質量%以上6.1質量%以下、Mo:2.1質量%以上3.3質量%以下、W:4.1質量%以上6.1質量%以下、Re:5.3質量%以上6.3質量%以下、Ti:0質量%以上0.5質量%以下、Hf:0質量%以上0.50質量%以下、Cr:2.7質量%以上7.0質量%以下、Co:5.3質量%以上6.3質量%以下、Ru:3.1質量%以上4.1質量%以下、Nb:0質量%以上1.0質量%以下含有し、残部がNiと不可避的不純物とからなる組成を有する
(10)Al:5.4量%以上6.4質量%以下、Ta:5.1質量%以上6.1質量%以下、Mo:2.1質量%以上3.3質量%以下、W:4.4質量%以上6.4質量%以下、Re:4.5質量%以上5.5質量%以下、Ti:0質量%以上0.5質量%以下、Hf:0質量%以上0.50質量%以下、Cr:2.7質量%以上7.0質量%以下、Co:5.3質量%以上6.3質量%以下、Ru:4.5質量%以上5.5質量%以下、Nb:0質量%以上1.0質量%以下含有し、残部がNiと不可避的不純物とからなる組成を有する
(11)Al:5.5量%以上6.5質量%以下、Ta:5.5質量%以上6.5質量%以下、Mo:1.5質量%以上2.5質量%以下、W:5.5質量%以上6.5質量%以下、Re:4.5質量%以上5.5質量%以下、Ti:0質量%以上0.5質量%以下、Hf:0質量%以上0.50質量%以下、Cr:2.5質量%以上3.5質量%以下、Co:11.5質量%以上12.5質量%以下、Nb:0質量%以上1.0質量%以下含有し、残部がNiと不可避的不純物とからなる組成を有する。
(12)Al:4.8質量%以上5.8質量%以下、Ta:5.5質量%以上6.5質量%以下、Mo:1.4質量%以上2.4質量%以下、W:8.2質量%以上9.2質量%以下、Re:1.6質量%以上2.6質量%以下、Ti:0質量%以上2.0質量%以下、Nb:0質量%以上2.0質量%以下、Hf:0質量%以上0.50質量%以下、Cr:4.4質量%以上5.4質量%以下、Co:7.3質量%以上8.3質量%以下含有し、残部がNiと不可避的不純物とからなる組成を有する。
(13)前記(7)のNi基超合金にコーティングされる合金の組成は、Al:6.8質量%以上8.8質量%以下、Ta:7.0質量%以上9.0質量%以下、Mo:0.5質量%以上2.0質量%以下、W:3.3質量%以上6.3質量%以下、Re:1.6質量%以上3.6質量%以下、Ti:0質量%以上1.5質量%以下、Hf:0質量%以上1.15質量%以下、Cr:0.5質量%以上6.0質量%以下、Co:3.2質量%以上5.2質量%以下、Ru:2.9質量%以上4.9質量%以下、Nb:0質量%以上1.5質量%以下含有し、残部がNiと不可避的不純物とからなる組成を有する。
(14)前記(8)のNi基超合金にコーティングされる合金の組成は、Al:6.1質量%以上8.1質量%以下、Ta:4.8質量%以上6.8質量%以下、Mo:1.9質量%以上3.9質量%以下、W:3.8質量%以上6.8質量%以下、Re:1.4質量%以上3.4質量%以下、Ti:0質量%以上1.5質量%以下、Hf:0質量%以上1.15質量%以下、Cr:1.3質量%以上6.0質量%以下、Co:4.0質量%以上6.0質量%以下、Ru:4.2質量%以上6.2質量%以下、Nb:0質量%以上1.5質量%以下含有し、残部がNiと不可避的不純物とからなる組成を有する。
(15)前記(9)のNi基超合金にコーティングされる合金の組成は、Al:7.1質量%以上9.1質量%以下、Ta:7.2質量%以上9.2質量%以下、Mo:0.5質量%以上2.5質量%以下、W:3.3質量%以上6.3質量%以下、Re:1.1質量%以上3.1質量%以下、Ti:0質量%以上1.5質量%以下、Hf:0質量%以上1.15質量%以下、Cr:0.6質量%以上6.0質量%以下、Co:3.3質量%以上5.3質量%以下、Ru:1.8質量%以上3.8質量%以下、Nb:0質量%以上1.5質量%以下含有し、残部がNiと不可避的不純物とからなる組成を有する。
(16)前記(10)のNi基超合金にコーティングされる合金の組成は、Al:7.3質量%以上9.3質量%以下、Ta:7.2質量%以上9.2質量%以下、Mo:0.5質量%以上2.5質量%以下、W:3.5質量%以上6.5質量%以下、Re:0.8質量%以上1.3質量%以下、Ti:0質量%以上1.5質量%以下、Hf:0質量%以上1.15質量%以下、Cr:0.6質量%以上6.0質量%以下、Co:3.3質量%以上5.3質量%以下、Ru:0.5質量%以上2.5質量%以下、Nb:0質量%以上1.5質量%以下含有し、残部がNiと不可避的不純物とからなる組成を有する。
(17)前記(11)のNi基超合金にコーティングされる合金の組成は、Al:7.5質量%以上9.5質量%以下、Ta:8.3質量%以上10.3質量%以下、Mo:0質量%以上2.0質量%以下、W:4.8質量%以上6.8質量%以下、Re:0.6質量%以上1.8質量%以下、Ti:0質量%以上1.5質量%以下、Hf:0質量%以上1.15質量%以下、Cr:0.4質量%以上2.4質量%以下、Co:8.2質量%以上10.2質量%以下、Nb:0質量%以上1.5質量%以下含有し、残部がNiと不可避的不純物とからなる組成を有する。
(18)前記(12)のNi基超合金にコーティングされる合金の組成は、Al:6.9質量%以上8.9質量%以下、Ta:8.5質量%以上10.5質量%以下、Mo:0質量%以上1.9質量%以下、W:6.2質量%以上8.2質量%以下、Re:0質量%以上1.5質量%以下、Ti:0質量%以上1.7質量%以下、Hf:0質量%以上1.15質量%以下、Cr:0.4質量%以上2.4質量%以下、Co:3.7質量%以上5.7質量%以下、Nb:0質量%以上1.5質量%以下含有し、残部がNiと不可避的不純物とからなる組成を有する。
(19)以上の組成(13)〜(18)において、コーティングされる合金の組成は、Si、Y、La、Ce、Zrのうちの一種もしくは複数種を0質量%以上1.0質量%以下含むものである。
(20)組成(13)〜(19)において、コーティングされる合金の組成は、Ru、Ta、Mo、W、Reのうちの一種もしくは複数種を含まないものである。
基材として、真空中の一方向凝固法により単結晶合金棒(φ10×130mm)を鋳造し、溶体化熱処理を行った後、直径10mm、厚さ5mmの試験片を切り出し、表1に示した合金組成の各種の基材試料とした。一方、コーティング材については、Ar雰囲気下のアークメルト溶解により表2に示した組成を有するコーティング材を溶製し、1250℃、10Hの均質化処理を行った後、直径10mm、厚さ5mmの試験片を切り出した。このようにして切り出したコーティング材、基材のそれぞれの試料を表面研磨した後、基材とコーティング材の拡散対を作製し、大気中1100℃で300Hの拡散熱処理を行い、拡散挙動を調べた。試験後、拡散対の断面を電子顕微鏡(SEM)により変質層の厚みを測定した。表3に変質層の厚み測定結果を示した。また、試料については、さらに、電子プローブマイクロアナライザ(EPMA)により元素の拡散状態を分析した。表4には、コーティング材の平衡状態についての評価を示した。
<実施例16〜37>
表7および表8には、別のNi基超合金基材試料の組成と、コーティング材試料の組成を示した。いずれも質量%で示している。表7に示したNi基超合金基材試料に表8に示したコーティング材試料をコーティングし、1100℃×300H加熱保持後の変質層の厚みを測定した。その結果を表9に示した。
<実施例38〜39>
表10には、高速フレーム溶射によるコーティング材の、1100℃×300H加熱保持後の変質層の厚み測定結果を示す。実施例38、39のCoatingPは実施例28のCoatingLとほぼ同様のものである。これは基材の平衡組成とは異なるが、各元素の化学ポテンシャルが従来技術によるコーティング材に比べて各基材に近いものであるため、変質層厚さは40μm以下となっており、従来技術11、12の従来型溶射コーティングと比較して劇的に変質層の厚さが抑えられていることがわかる。図10、図11には、これら実施例38〜39、従来技術11〜12について1100℃×300H加熱保持試験後のコーティング/基材界面のミクロ写真を示す。
図13には、表11に示す減圧プラズマ溶射によるコーティング材を1100℃×300時間加熱保持した後の、エネルギー分散型X線分析法による濃度分布分析結果を示す。Coating Pは合金Rene’N5のγ’からReを除きYを添加したものである。実施例40の濃度分布から界面で相互拡散がほとんど起こっていないことから、Re除去とY添加が拡散に影響していないことがわかる。一方、従来技術5の濃度分布分析結果からでは約160μmの拡散層が確認される。
表12には、高速フレーム溶射によるコーティングを施した合金とコーティングを施さない合金のクリープ寿命を示す。クリープ条件は1100℃/137MPa、平板試験片の大きさは厚さ1mm、幅3mmである。従来のコーティングでは変質層の生成によりクリープ寿命が低下するが、実施例41では変質層が生成せずに、コーティングを施さないベア材と同等のクリープ寿命を発揮することが確認できる。
Claims (6)
- Ni基超合金の基材に、一種もしくは複数の物質をコーティングしてなる耐熱部材であって、1100℃以上の温度において前記基材とコーティング物質とが熱力学的平衡状態あるいはそれに近い状態にある材料であり、前記コーティング物質は、質量%で、Alを6.1以上10.6以下、Crを0.4以上4.0以下含むNi基超合金であり、前記基材のAlの化学ポテンシャルと前記コーティング物質のAlの化学ポテンシャルとの差が1100℃において10%以下であることを特徴とする耐熱部材。
- 前記コーティング物質は、γ相、γ′相あるいはB2相のうちの少くとも1種を含んでいることを特徴とする請求項1に記載の耐熱部材。
- 前記基材と前記コーティング物質の界面付近に形成される拡散変質層は、前記γ相および前記γ′相の二相構成からの単相の生成、第三相の析出あるいは前記γ′相の存在量の変化としてあるうちの少くともいずれかであることを特徴とする請求項2に記載の耐熱部材。
- 請求項3に記載の耐熱部材において、前記拡散変質層の厚さが、1100℃、300hの加熱保持後に70μm以下となる材料で構成したことを特徴とする耐熱部材。
- 請求項4に記載の耐熱部材において、前記拡散変質層の厚さが50μm以下となる材料で構成したことを特徴とする耐熱部材。
- 請求項5に記載の耐熱部材において、前記拡散変質層の厚さが40μm以下となる材料で構成したことを特徴とする耐熱部材。
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