JP7369499B2 - 耐熱合金部材およびその製造方法ならびに高温装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
耐熱合金基材と、
上記耐熱合金基材の表面の遮熱を行うべき領域を少なくとも含む領域に設けられたRe系、W系またはCr系の多目的合金層と、
上記多目的合金層上の上記遮熱を行うべき領域を少なくとも含む領域に設けられたAl含有合金からなるボンド層と、
上記ボンド層上の上記遮熱を行うべき領域のみに設けられた遮熱性セラミックスからなるトップ層と、
を有する耐熱合金部材である。
耐熱合金基材の表面の遮熱を行うべき領域を少なくとも含む領域にRe系、W系またはCr系の多目的合金層を形成する工程と、
上記多目的合金層上の上記遮熱を行うべき領域を少なくとも含む領域にAl含有合金からなるボンド層を形成する工程と、
上記ボンド層上の上記遮熱を行うべき領域のみに遮熱性セラミックスからなるトップ層を形成する工程と、
を有する耐熱合金部材の製造方法である。
耐熱合金基材と、
上記耐熱合金基材の表面の遮熱を行うべき領域を少なくとも含む領域に設けられたRe系、W系またはCr系の多目的合金層と、
上記多目的合金層上の上記遮熱を行うべき領域を少なくとも含む領域に設けられたAl含有合金からなるボンド層と、
上記ボンド層上の上記遮熱を行うべき領域のみに設けられた遮熱性セラミックスからなるトップ層と、を有する耐熱合金部材
を有する高温装置である。
耐熱合金基材の表面の遮熱を行うべき領域を少なくとも含む領域にRe系、W系またはCr系の多目的合金層を形成する工程と、
上記多目的合金層上の上記遮熱を行うべき領域を少なくとも含む領域にAl含有合金からなるボンド層を形成する工程と、
上記ボンド層上の上記遮熱を行うべき領域のみに遮熱性セラミックスからなるトップ層を形成する工程と、を実行することにより耐熱合金部材を製造する工程を有する高温装置の製造方法である。
[耐熱合金部材]
図1は第1の実施の形態による耐熱合金部材を示す。図1に示すように、この耐熱合金部材においては、耐熱合金基材100の表面の遮熱を行うべき特定の領域のみにRe系多目的合金層201、ボンド層300およびトップ層400が順次積層されており、その他の領域は耐熱合金基材100の表面が露出している。Re系多目的合金層201はReを含有する合金層からなり、典型的には上部がNi-Cr合金層201aからなる。Reを含有する合金層については特許文献4等に記載されているものが用いられる。ボンド層300はMCrAlY(M=Ni,Co)、β-NiAl、γ’-Ni3 Al、γ-Ni(Al,Cr)等のAl含有合金からなる。トップ層400はYSZ等の遮熱性セラミックスからなる。この耐熱合金部材においては、使用開始前または使用開始後の状態で、ボンド層300とトップ層400との間にTGO-Al2 O3 層が形成される。このTGO-Al2 O3 層の厚さは例えば数μm程度である。
この耐熱合金部材の製造方法について説明する。
[耐熱合金部材]
図2は第2の実施の形態による耐熱合金部材を示す。図2に示すように、この耐熱合金部材においては、耐熱合金基材100の表面の遮熱を行うべき特定の領域のみにRe系多目的合金層201、ボンド層300およびトップ層400が順次積層されている。Re系多目的合金層201は第1の実施の形態と同様である。耐熱合金基材100の表面の遮熱を行うべき特定の領域以外の部分はAl含有合金皮膜150で被覆されている。Al含有合金皮膜150は典型的にはβ-NiAlまたはFe-Alからなる。耐熱合金基材100、ボンド層300およびトップ層400は第1の実施の形態と同様である。
この耐熱合金部材の製造方法について説明する。
[耐熱合金部材](6~7行目のβ-AlNiをβ-NiAlと修正しました)
図3は第3の実施の形態による耐熱合金部材を示す。図3に示すように、この耐熱合金部材においては、耐熱合金基材100の表面の遮熱を行うべき特定の領域のみにW系多目的合金層202、ボンド層300およびトップ層400が順次積層されている。W系多目的合金層202はWを含有する合金層からなり、典型的には上部がNi(Cr,Si)層202aからなる。耐熱合金基材100の表面の遮熱を行うべき特定の領域以外の部分はAl含有合金皮膜150で被覆されている。Al含有合金皮膜150は典型的にはβ-NiAlまたはFe-Alからなる。耐熱合金基材100、ボンド層300およびトップ層400は第1の実施の形態と同様である。
この耐熱合金部材の製造方法について説明する。
[耐熱合金部材]
図4は第4の実施の形態による耐熱合金部材を示す。図4に示すように、この耐熱合金部材においては、耐熱合金基材100の表面の遮熱を行うべき特定の領域のみに、Re系多目的合金層201、ボンド層300およびトップ層400が順次積層されている。耐熱合金基材100は、好適には、Cr、Mo、NbおよびWからなる群より選ばれた少なくともCrを含む一種または二種以上の金属を総和で24.5原子%より多く含有するNi基合金からなる。耐熱合金基材100の表面の遮熱を行うべき特定の領域以外の部分はCr系多目的合金層203およびその上のAl含有合金皮膜150で覆われている。Cr系多目的合金層203はα-Crを含有する合金層からなり、典型的には耐熱合金基材100の構成元素、例えばMo、NbおよびWからなる群より選ばれた一種または二種以上の金属を含有する。Al含有合金皮膜150は典型的にはβ-NiAlからなる。ボンド層300およびトップ層400は第1の実施の形態と同様である。必要に応じて、Re系多目的合金層201とボンド層300との間にCr系多目的合金層が設けられてもよい。
この耐熱合金部材の製造方法について説明する。
[耐熱合金部材]
図5は第5の実施の形態による耐熱合金部材を示す。図5に示すように、この耐熱合金部材においては、耐熱合金基材100の表面の遮熱を行うべき特定の領域のみに、W系多目的合金層202、ボンド層300およびトップ層400が順次積層されている。耐熱合金基材100は、好適には、Cr、Mo、NbおよびWからなる群より選ばれた少なくともCrを含む一種または二種以上の金属を総和で24.5原子%より多く含有するNi基合金からなる。耐熱合金基材100の表面の遮熱を行うべき特定の領域以外の部分はCr系多目的合金層203およびその上のAl含有合金皮膜150で覆われている。Cr系多目的合金層203は第4の実施の形態と同様である。Al含有合金皮膜150は典型的にはβ-NiAlからなる。ボンド層300およびトップ層400は第1の実施の形態と同様である。必要に応じて、W系多目的合金層202とボンド層300との間にCr系多目的合金層が設けられてもよい。
この耐熱合金部材の製造方法について説明する。
[耐熱合金部材]
図6は第6の実施の形態による耐熱合金部材を示す。図6に示すように、この耐熱合金部材においては、耐熱合金基材100の表面の全体にCr系多目的合金層203およびその上のAl含有合金皮膜150が設けられている。耐熱合金基材100は、好適には、Cr、Mo、NbおよびWからなる群より選ばれた少なくともCrを含む一種または二種以上の金属を総和で24.5原子%より多く含有するNi基合金からなる。Al含有合金皮膜150は典型的にはβ-NiAlからなる。Cr系多目的合金層203は第4の実施の形態と同様である。耐熱合金基材100の遮熱を行うべき特定の領域のみのAl含有合金皮膜150上にボンド層300およびトップ層400が順次積層されている。この遮熱を行うべき特定の領域の部分のAl含有合金皮膜150はボンド層300の一部を構成する。トップ層400は第1の実施の形態と同様である。
この耐熱合金部材の製造方法について説明する。
図7は第7の実施の形態による耐熱合金部材を示す。図7に示すように、この耐熱合金部材においては、耐熱合金基材100の表面の全体にCr系多目的合金層203およびその上のAl含有合金皮膜150が設けられている。耐熱合金基材100は、好適には、Cr、Mo、NbおよびWからなる群より選ばれた少なくともCrを含む一種または二種以上の金属を総和で24.5原子%より多く含有するNi基合金からなる。Al含有合金皮膜150は典型的にはβ-NiAlからなる。Cr系多目的合金層203は第6の実施の形態と同様である。耐熱合金基材100の遮熱を行うべき特定の領域のみのAl含有合金皮膜150上にトップ層400が積層されている。この遮熱を行うべき特定の領域の部分のAl含有合金皮膜150はボンド層300を兼用する。トップ層400は第1の実施の形態と同様である。
この耐熱合金部材の製造方法について説明する。
(1)表1(株式会社オーサカステンレスのカタログより抜粋)に示すNi基耐熱合金からなる基材
実施例1は第6の実施の形態に対応するものである。
実施例2は第7の実施の形態に対応するものである。
実施例3は第1の実施の形態に対応するものである。
1μm)→(Niワットめっき 1μm)→(Re-Ni合金めっき 8μm)→(Niワットめっき 15μm)→(Crめっき 7μm)を順に行い、合計の厚さ32μmのめっき層を形成した。次に、真空中において1000℃で5時間熱処理を行った。その結果、図14に示すように、試験片の上端面にRe系多目的合金層201が形成された。Re系多目的合金層201の上部にはNi-Cr層201aが形成された。
実施例4は第2の実施の形態に対応するものである。
実施例5は第4の実施の形態においてRe系多目的合金層201とボンド層300との間にCr系多目的合金層203が設けられたものに対応する。
実施例6は第1の実施の形態においてRe系多目的合金層201の代わりにW系多目的合金層202を用いたものに対応する。
実施例7は第3の実施の形態に対応するものである。
実施例8は第5の実施の形態においてW系多目的合金層202とボンド層300との間にCr系多目的合金層203が設けられたものに対応する。
耐熱合金基材100としてALLOY X基材を用いてサイクル酸化試験用の試験片を作製した。耐熱合金基材100上に直接、ボンド層300としてNiCrAlY層、トップ層400としてYSZ層を形成し、試験片を作製した。こうして作製された試験片を図22に示す。
高温酸化試験は、加熱および冷却繰り返しの条件下で、大気中で行った。具体的には、水平移動式試料台(アルミナ棒) に試験片を載せ、1100℃に制御した電気炉内に挿入し、45分経過後、大気中で15分間冷却した後、再び電気炉に挿入する、いわゆるサイクル酸化試験である。
電気炉から取り出して冷却する際の試験片の表面を写真撮影によって、観察した。その結果、YSZ層の破壊は、試験片の周辺角部から層間剥離として開始し、中心部に向かって進展している様子が観察される(層間剥離した個所は、より早期に暗黒化することで判別できる。
(2)4サイクル酸化後では、Cr系多目的合金層は以下の合金の基材で明瞭に観察される。
ALLOY 22、ALLOY 625、ALLOY C276、ALLOY X、
ALLOY 718、ALLOY 825、ALLOY 20
これらの合金のCr+Mo+Nb+Wの濃度の総和は23.4原子%以上である。
(ALLOY B2はMoが多く、Cr含有量が少ない)
(3)4サイクル酸化後では、Cr系多目的合金層の形成は以下の合金では確認できない。
ALLOY 601、ALLOY 800HT
これらの合金のCr+Mo+Nb+Wの濃度の総和は24.5原子%以下である。
(4)100サイクル酸化後では、Cr系多目的合金層の連続層を形成している合金は下記の通りである。
ALLOY 22、ALLOY 625、ALLOY C276
これらの合金のCr+Mo+Nb+Wの濃度の総和は30.5原子%以上である。
Cr系多目的合金層が不連続に形成されている合金は下記の通りである。
ALLOY X、ALLOY 718、ALLOY 825、ALLOY 20
これらの合金のCr+Mo+Nb+Wの濃度の総和は23.4原子%以上30.1原子%以下である。
Cr系多目的合金層が形成されていない合金基材は下記の通りである。
ALLOY 601、ALLOY 800HT
これらの合金のCr+Mo+Nb+Wの濃度の総和は24.5原子%以下である。
718、21.6原子%)、図30D(ALLOY X、19.3原子%)、図31C(ALLOY 601、13.1原子%)、図30C(ALLOY C276、6.2原子%)、図30B(ALLOY 625、5原子%)、図30A(ALLOY 22、4.4原子%)および図31E(ALLOY B2、2.1原子%)となる(各図番の後ろの括弧内に基材に含まれる元素(Fe+Nb)の総和(原子%)を示す)。これらの図より、Fe(+Nb)の濃度が高いほど、Cr系多目的合金層203の形成は認められない。Cr系多目的合金層203の形成と維持に対しては、Fe(+Nb)の濃度は29.9原子%以下が望ましい。
三種類の多目的合金層(Re系、W系、Cr系) を形成したALLOY X基材のクリープ挙動を970℃、大気中、応力20~50MPaで調査した。その結果のラーソンミラーパラメータ(Larson Miller Parameter)プロットを図32に示す。ラーソンミラーパラメータはP=T(C+ logtr )で定義される。ただし、Tは絶対温度、tr は破断時間(h)、Cは材料定数である。
大気中、応力22.5MPa、27.5MPa、40MPa)を図33Aおよび図33Bに示す。ここで、図33Aは歪の経時変化、図33Bは歪速度の経時変化を示す。図33Aおよび図33Bより、応力27.5MPaで比較すると、ALLOY X基材の破断時間が220時間であるのに対して、基材/Re系多目的合金層201では380時間となっている。定常クリープ速度は、ALLOY X基材に比較して、基材/Re系多目的合金層201では低下していることが明らかとなった。
試験波形 三角波
試験規格 ASTM E606/E606M-12
温度 760℃
歪範囲 0.4%
歪速度 0.4%/sec
150 Al含有合金皮膜
201 Re系多目的合金層
202 W系多目的合金層
203 Cr系多目的合金層
300 ボンド層
400 トップ層
Claims (7)
- 耐熱合金基材と、
上記耐熱合金基材の表面全体を覆うように設けられたCr系の多目的合金層および当該多目的合金層上のAl含有合金皮膜と、
上記Al含有合金皮膜上の遮熱を行うべき領域のみに設けられたAl含有合金からなるボンド層と、
上記ボンド層上に設けられた遮熱性セラミックスからなるトップ層と、
を有する耐熱合金部材。 - 耐熱合金基材の表面の遮熱を行うべき領域のみにRe系、W系またはCr系の多目的合金層を形成する工程と、
Al拡散処理を施すことにより上記遮熱を行うべき領域以外の部分の上記耐熱合金基材の表面を覆うようにAl含有合金皮膜を形成する工程と、
上記多目的合金層上にAl含有合金からなるボンド層および遮熱性セラミックスからなるトップ層を順次形成する工程と、
を有する耐熱合金部材の製造方法。 - 上記耐熱合金基材はCr、Mo、NbおよびWからなる群より選ばれた少なくともCrを含む一種または二種以上の金属を総和で24.5原子%より多く含有するNi基合金からなり、上記ボンド層および上記トップ層を順次形成した後、高温で酸化を行うことにより上記耐熱合金基材と上記Al含有合金皮膜との反応により上記耐熱合金基材と上記Al含有合金皮膜との間にCr系の上記多目的合金層を形成する請求項2記載の耐熱合金部材の製造方法。
- 上記耐熱合金基材はCr、Mo、NbおよびWからなる群より選ばれた少なくともCrを含む一種または二種以上の金属を総和で24.5原子%より多く含有するNi基合金からなり、Al拡散処理を施すことにより上記耐熱合金基材の表面全体にAl含有合金皮膜を形成し、上記遮熱を行うべき領域のみに上記ボンド層および上記トップ層を順次形成した後、高温で酸化を行うことにより上記耐熱合金基材と上記Al含有合金皮膜との反応により上記耐熱合金基材と上記Al含有合金皮膜との間にCr系の上記多目的合金層を形成する請求項2記載の耐熱合金部材の製造方法。
- 上記耐熱合金基材はCr、Mo、NbおよびWからなる群より選ばれた少なくともCrを含む一種または二種以上の金属を総和で24.5原子%より多く含有するNi基合金からなり、Al拡散処理を施すことにより上記耐熱合金基材の表面全体に上記ボンド層を兼用するAl含有合金皮膜を形成し、上記Al含有合金皮膜上の上記遮熱を行うべき領域のみに上記トップ層を形成した後、高温で酸化を行うことにより上記耐熱合金基材と上記Al含有合金皮膜との反応により上記耐熱合金基材と上記Al含有合金皮膜との間にCr系の上記多目的合金層を形成する請求項2記載の耐熱合金部材の製造方法。
- 耐熱合金基材と、
上記耐熱合金基材の表面全体を覆うように設けられたCr系の多目的合金層および当該多目的合金層上のAl含有合金皮膜と、
上記Al含有合金皮膜上の遮熱を行うべき領域のみに設けられたAl含有合金からなるボンド層と、
上記ボンド層上に設けられた遮熱性セラミックスからなるトップ層と、を有する耐熱合金部材
を有する高温装置。 - 耐熱合金基材の表面の遮熱を行うべき領域のみにRe系、W系またはCr系の多目的合金層を形成する工程と、
Al拡散処理を施すことにより上記遮熱を行うべき領域以外の部分の上記耐熱合金基材の表面を覆うようにAl含有合金皮膜を形成する工程と、
上記多目的合金層上にAl含有合金からなるボンド層および遮熱性セラミックスからなるトップ層を順次形成する工程と、を実行することにより耐熱合金部材を製造する工程を有する高温装置の製造方法。
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