JPH01180959A - 耐熱疲労性金属部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、耐熱疲労性に優れたコーティングＬ−を有す
る金属部材とその製造方法に係シ、特にガスタービンに
使用されるブレード及びノズル、例えばコーティングを
施工した動静翼用に有用な金属部材、及びその製造方法
に関する。

〔従来の技術〕

ガスタービン用動静翼は一般に精密鋳造によって製造さ
れたニッケル基あるいはコバルト基合金が用いられる。

特に＠翼は間温強夏に優れているニッケル基合金が使用
される。このニッケル基合金は高温強度に優れている反
面高温耐食性に問題があシ、耐食性を改善するために、
コーティングを施工する必要がある。コーティング施工
の種類は拡散法、蒸漸法、溶射法及びそれらの複合した
処理方法がある。これらの方法で表面処理されたコーテ
ィングは高い熱応力と高温腐食に対して、長時間にわた
って安定した状態を維持する必要がある。最も一般的に
用いられている方法はＭの拡散コーティングでろる。こ
の処理により形成されるコーティング層の結晶粒度は大
キく、ガスタービンの動翼に使用しｆＣ，場合、プラン
トの起動、停止に伴う熱応力に起因するクラッタがコー
ティング表面に発生する。クランクの太ささが大きくな
ると開孔部を通して、腐食性ガスが侵入し、基材を腐食
させる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のコーティング施工によシ得られるコーティング層
については耐熱疲労性について配慮されておらず、大き
な熱応力を受ける場合、クランクの発生の問題点があっ
た。コーティング層の結晶粒度は大きく、クランクは一
般に粒界に沿って進展する。クランクの長さが基材に達
した時、腐食性ガスが基材と反応して基材の腐食が発生
、進行する。その結果、耐食性を付与したコーティング
の機能が減少する。

本発明の目的は、公知のコーティング施工して得られた
コーティング層の表面の耐熱疲労性を向上させる処理方
法及び金属部材を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明を概説すれば、本発明の第１の発明は耐熱疲労性
金属部材に関する発明であって、表面に金属の拡散コー
ティング層を有する金属部材において、該拡散コーティ
ング層の最外表面層に微細再結晶粒層が形成されている
ことを特徴とする。

そして、本発明の第２の発明は耐熱疲労性金属部材の製
造方法に関する発明であって、金属の拡散コーティング
層を有する金属部材の表面に塑性変形を与え、再結晶温
度以上の温度に加熱することにより、該拡散コーティン
グ層の最外表面に微細再結晶粒層を形成させることを特
徴とする。

本発明者らは、コーティング層の耐熱疲労性を向上させ
る方法として、コーティング層の表面近傍の結晶粒度を
、細粒にすることによｐ達成可能であることを新たに発
見した。細粒にする手法としては、コーティング層表面
にショットピーニングを施工して、塑性変形を与え、そ
の後、加熱処理によシ、再結晶させる。再結晶化によシ
粒度は細粒になる。細粒は降伏強度が高いことは公知で
アシ、コーティング層の耐熱疲労性が向上する。

ガスタービン用動静翼は一般に精密鋳造によシ製造され
、燃焼ガス中に含まれる腐食性物質Ｎａ２ＳＯ４、Ｎａ
Ｃｔによシ、腐食を受けるので、表面保護のために、コ
ーティング処理が施工される。コーティング処理として
、−船釣に使用されているのハＡｌ拡散コーティングで
ある。このコーティング層は基材がＮｉ基合金の時は、
ＮｌＡｌ％またＣＯ基合金の時はＣｏＡｌの金属間化合
物をそれぞれ形成する。これらの化合物が腐食性ガスよ
り基材を保護し、基材の耐食性を向上させる。

ガスタービン用動静翼はプラントの起動停止の繰返しに
よシ、大きな熱応力を受ける。この熱応力のため、高温
、長時間の使用中に、コーティング層表面にクランクが
発生、進展する。このクランクのため、コーティング層
の欠落、あるいは、粒界に発生したクランク部を通して
、腐食性ガスによる基材の損傷が生ずる。

このクラック発生の防止は、コーティング層の結晶粒度
を細粒化すれば可能である。

コーティング層の結晶粒度を制御する方法として、コー
ティング層表面に例えばピーニング施工し、塑性変形を
与える。塑性変形を受けた場所は、歪エネルギーが高く
、その後の加熱処理によう、新たな結晶粒の核として、
作用する。再結晶化によシコーティング層の結晶粒度が
細粒になる。

この細粒化によってコーティング層の降伏強度の向上が
図られ、耐食性の機能を損うことなく、耐熱疲労性に優
れたコーティング層が得られる。

結晶粒度と材料の降伏強度との関係は公知のピッチの関
係式により自明である。ピッチの関係式を下記式（１）
に示す。

σｙ＝σｃ）　＋　Ａｄ　２　　　　　　　・・・（１
）ここで、σｙ：降伏強度 σＯ，Ａ　：定数 ｄ　：結晶粒径 この式よシ、結晶粒径が小さくなる程、材料の降伏強度
が大きくなる。

本発明部材の具体的用途としては、特にガスタービンに
使用されるブレード及びノズル、例えばコーティングを
施工した動静翼がある。

第３図にガスタービンノズルの断面構成図を、第４図に
第３図のＡ−Ａ断面図を示す。谷区間において、符号１
はりテナーリング、２は冷却空気流、３は高温燃焼ガス
流、４はノズルセグメント、５はコーティング層を意味
する。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例によシ更に具体的に説明するが、
本発明はこれら実施例に限定されない。

実施例１ 第１表に示す組成のＮｉ基合金を用い、精密鋳造した模
擬翼を以下に記述する方法で処理した。

第１表　Ｎｉ基合金の組成（重電％） この模擬翼に次に示す条件でＡｌ拡散コーティング処理
を行った。パック剤として、純Ａｌ２５％、工業用Ａｌ
２０３７２．５％、ＮＨ４Ｃ７２，５％の混合粉末を用
い、この粉末中に翼を浸漬し、温度７５０℃・加熱時間
４時間、雰囲気Ａｒ中で、処理した。このＡｌ　剤の反
応は公知のように、バンク剤原料からＡｌ　塩化物が発
生し、処理翼の表面でＭ塩化物からＡｌが分離される。

このＡｌが表面から内部へと拡散する。このＡｌ拡散コ
ーティング処理を行った翼表面をＸ線回折で［同定した
結果、Ｎｉ２Ａｌ３の余端間化合物を主体とするＮｉ−
Ａｌ合金が形成されていることが確認された。

次に１１２１℃の＠夏で真空中で２時間加熱し室温まで
下げた。その後、温度８４６℃で真全中２４時間加熱処
理し、室温まで冷却した。拡散コーティング層はＸ線回
折の結果ＮｉＡｌ　と同定された。

Ａｌ　の拡散コーティング処理した面にショットピーニ
ングを５分間行い、拡散コーティング層の表面に塑性変
形を与えた。このように処理された金属部材を次に９０
０℃で１時間加熱処理した。

第１−１図Ｕショットピーニング処理によシ塑性変形を
与えたコーティング１−の断面における金性変形を与え
ない金槁組織の九字顕微鏡写へである。写真を比較して
第１−１図の方が細粒になっていることがわかる。

実施例２ 実施例１に記述した同じ方法で模擬翼を精密鋳造した供
試材を用いて、化学蒸着法によるＡｌのコーティング処
理を行った。真窒度は１０ＴＯｒｒ、処理温度は９５０
℃、６０分化学蒸着した。キャリアガスはＡｌｃｔ３を
用いた。Ａｌｃｔ３は基材上で分解し、Ａｌが拡散によ
シ基材内へ浸透する。このＡｌ拡散コーティング層はＸ
線回折によｐ　、ＮｉＡｌＱ金域間化合物であることが
同定された。

その後１１２１℃、２時間の溶体化処理、８４６℃の２
４時間の時効処理を行った。ショットピーニング処理は
、実施例１に記述した内容と同じである。

クランク発生までの熱サイクル数で表わした熱疲労試験
結果を第２図にグラフとして示す。熱疲労試験の方法は
、９００℃に保持した両温槽中に太ささ２０　ｔａｎ　
Ｘ　３０　ｗｎＸ　５での供試材を６０分間保持し、次
に３００℃に保持した低温槽中に移動し、５分間保持、
次に再び９００℃の鍋温槽中へ移動する熱サイクルを与
えるものである。

長さ１ｍｎとなるクランクがコーティング層表面に発生
する丑での熱サイクル数を耐熱疲労性の評価法とした。

第２図に示すように、本実施例によれば、コーティング
層に塑性変形を与え、その後再結晶化すれば耐熱疲労性
に優れた、コーチづング面を肩する金属部材が得られる
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、コーティング層の結晶粒度の細粒化が
できるので、耐貴性を損うことなく、耐熱疲労性コーテ
ィング層を有する金属部材の製造に効果がある。また、
クランクが発生しても、粒径が小さいので、その進展速
度も遅くなり、コーティング層のはく離に対しても抵抗
性が増大する効果もめる。

【図面の簡単な説明】

第１−１図はショットピーニング処理によ、！ｌｌｌ塑
性変形を与えたコーティング層の断面に訃ける金員組織
の元竿顕微鏡写真であ夛、第１−２図は塑性変形を与え
ない金属組織の元竿顕微鏡写真、第２図はクランク発生
までの熱サイタル数で表わした熱疲労試験結果を示すグ
ラフ、第３図はガスタービンノズルの断面構成図、第４
図はそのＡ−ＡＷＴ而図面るる。 １　：リテナーリング、２：冷却空気流、６：高温燃焼
ガス流、４：ノズルセグメント、５：コーティング層 特許出願人　株式会社　日立製作所

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、表面に金属の拡散コーティング層を有する金属部材
   において、該拡散コーティング層の最外表面層に微細再
   結晶粒層が形成されていることを特徴とする耐熱疲労性
   金属部材。２、該金属部材が、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金
   又はＦｅ基合金である特許請求の範囲第１項記載の耐熱
   疲労性金属部材。 ３、該拡散コーティング層が、Ａｌ又はＣｒの拡散コー
   ティング層である特許請求の範囲第１項又は第２項記載
   の耐熱疲労性金属部材。 ４、該拡散コーティング層が、Ａｌ又はＣｒに第二の元
   素を含ませた複合拡散コーティング層である特許請求の
   範囲第１項又は第２項記載の耐熱疲労性金属部材。 ５、金属の拡散コーティング層を有する金属部材の表面
   に塑性変形を与え、再結晶温度以上の温度に加熱するこ
   とにより、該拡散コーティング層の最外表面に微細再結
   晶粒層を形成させることを特徴とする耐熱疲労性金属部
   材の製造方法。 ６、該金属部材が、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金又はＦｅ基
   合金である特許請求の範囲第５項記載の耐熱疲労性金属
   部材の製造方法。 ７、該拡散コーティング層が、Ａｌ又はＣｒの拡散コー
   ティング層である特許請求の範囲第５項又は第６項記載
   の耐熱疲労性金属部材の製造方法。 ８、該拡散コーティング層が、Ａｌ又はＣｒに第二の元
   素を含ませた複合拡散コーティング層である特許請求の
   範囲第５項又は第６項記載の耐熱疲労性金属部材の製造
   方法。