JPH01215937A

JPH01215937A - 耐熱複合体

Info

Publication number: JPH01215937A
Application number: JP3965388A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Takeda; 博光竹田; Masako Nakabashi; 中橋　昌子; Takao Suzuki; 隆夫鈴木; Masayuki Ito; 伊藤　昌行
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-02-24
Filing date: 1988-02-24
Publication date: 1989-08-29

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は耐熱複合材料に係わり、特に、高温における強
度と安定性を有する耐熱複合体に関する。

（従来の技術）最近、省資源の観点からガスタービンに代表される大型
のエネルギー変換機器の高効率化が重要視されている。

高効率化を実現する基本的手段としては、変換機器の動
作温度の高温化を挙げることができる。この場合、機器
に使用される部材はその耐用温度が構造上問題となる。

このエネルギー変換機器の材料として、従来より鉄基（
Ｆｅ基）、コバルト基（Ｃｏ基）またはニッケル基（Ｎ
ｉ基）等の超合金が使用されている。しかしながら、こ
れらの超合金を用いても、耐用温度を上昇させるための
材料開発は限界に近い状況である。　　。

この様な状況から、次世代の耐熱材料として、耐火金属
繊維で上記超合金を強化した複合体が注目され始めてい
る。この複合体として、例えば、耐火金属繊維であるタ
ングステン線（Ｗ線）を超合金に埋め込んで一体化した
ものが挙げられる。こ１−の複合体はＷ線の高温での優
れた機械的性質と超合金の高温での優れた耐食性との複
合化を意図したものである。こうした耐火金属繊維と超
合金との組合わせにおいては、高温での相互拡散が問題
となるが、これを解決するために、比較的相互拡散の程
度が低い組合わせとしてＷ線強化Ｆｅ基合金複合体が既
に提案されている。しかしながら、このＷ線強化Ｆｅ基
合金複合体を使用しても、１１００℃以上の高温では相
互拡散のために、Ｗ線の強度劣化を阻止することができ
ず、現実には変換機器の使用温度は１０００℃以下に制
限されてしまうという問題がある。また、Ｗ線を含めた
耐火金属繊維の多くは熱膨脹係数が他の金属に比べて小
さいために、複合化により超合金の熱膨脹係数の違いに
より生じる熱応力を避けることができず、この熱応力の
ために、超合金とＷ線が遊離してしまい耐熱複合材とし
ての安定性に欠ける不都合もある。

（発明が解決しようとする課題）前述した様に、従来の耐火金属繊維で強化した超合金か
らなる複合体は１０００℃以上の高温では十分な強度が
得られないばかりか、耐火金属繊維と超合金との熱膨張
の違いによる熱応力を避けることができず耐熱複合材と
して安定化に欠けていた。

本発明の目的は１０００°Ｃ以上の高温における耐火金
属繊維および超合金の間の相互拡散が生じにくく、また
、熱膨脹係数の差により生じる熱応力をおさえることに
より、高温における十分な強度と安定性を有する耐熱複
合体を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段および作用）本発明は、ニ
オブもしくはニオブ合金からなる合金基材と、この合金
基材中に配設され、耐火金属繊維からなる強化材とを有
する耐熱複合体であり、さらには、外表面が耐酸化性、
耐高温腐蝕性被膜で被覆された耐熱複合体である。また
、本発明においては、耐火金属繊維からなる強化材とし
てレニウム３〜３０ｗｔ％、酸化トリウムを０．５〜８
ｗｔ％、カリウム、シリコン、およびアルミニウムの内
少なくとも１種を５０〜３００ｐｐｍの群から選ばれた
少なくとも１種を含有したタングステン合金を用いるこ
とにより、−層強度を向上させることができる。

本発明の耐熱複合体はニオブもしくはニオブ合金からな
る合金を用いているので、使用条件によっては、その表
面をＭＣｒＡＱＸで表される化合物（ここで、Ｍはニッ
ケル、鉄、コバルトあるいはそれらの合金、また又はイ
ツトリウム、ジルコニウム、ハフニウム等の酸化物固定
元素である。）あるいはアルミニウム、クロム、シリコ
ン等の耐酸化および高温耐食性に優れた被膜で覆うこと
が望ましい。この被膜として用いられるＭＣｒｌＸで表
される化合物として、１０〜３５ｗｔ％のクロム、５〜
２０ｗｔ％のアルミニウム、０．３〜１．５ｗｔ％のイ
ツトリウム、０〜２０ｗｔ％のニッケル、および残部鉄
からなるＦｅＣｒＡＱＹや１０−３５ｗｔ％のクロム、
５−２０ｗ’ｔ％のアルミニウム、０．３〜１．５νｔ
％イツトリウム、０〜２０ｗｔ％のニッケル、０〜３０
ｗｔ％鉄、および残部コバルトからなるＣｏＣｒ１Ｙや
１０〜４０ｗｔ％のクロム、５〜２０νｔ％のアルミニ
ウム、０．３〜１　、５ｗｔ％のイツトリウム、０〜２
０ｗｔ％のコバルト、０〜３０ｗｔ％の鉄、および残部
ニッケルからなるＮ１ＣｒＡｆｌＹが用いられる。

本発明の耐熱複合体は耐火金属繊維が強化材として合金
基材中に配設されているが、この耐火金属繊維としては
タングステン、モリブデン、タンタル、もしくはその合
金を用いることができるが、実用上は前述の如く、タン
グステン合金を用いることが好ましい。また、耐火金属
繊維の高温強度特性を向上するためにレニウム（Ｒｅ）
を３〜３０ｗｔ％含有させるのは、この含有量が３ｗｔ
％を下回ると効果が期待できず、３０ｗｔ％を超えると
耐火金属繊維の強度が低下する。また、耐火金属繊維に
酸化トリウム（Ｔｈｅ２）、カリウム、シリコン、アル
ミニウムのいずれかをドープ等により含有させることに
より同様に耐火金属繊維の強度をさらに増すことができ
る。この含有量は酸化トリウムの場合、０．５〜８ｗｔ
％の範囲である。また、カリウム、シリコンもしくはア
ルミニウムを単体もしくは複合で用いる場合の含有量は
、５０ｐｐｍ〜３００ｐｐｍの範囲である。Ｔｈｅ２の
添加は分散強度を期待しており、０．５ｗｔ％未満では
その効果を期待できず、また８ｗｔ％を超えるとむしろ
欠陥となる。Ｋ、Ｓｉ、八〇については、粒界への偏析
を生じせしめ再結晶に対する抵抗を持たせるもので、５
０〜３００ｐｐｍの範囲外ではこの効果が期待できない
。

ここで、ニオブ合金としては、Ｗ、　Ｚｒ、　Ｔａ、　
Ｍｏ、Ｈｆ、　Ｖ、Ｔｉ、　Ｙの少なくとも１種を２５
ｗｔ％程度まで含み残部が実質的にニオブからなるもの
を用いることができる。

ところで、ニオブもしくはニオブ合金からなる合金を、
耐火金属繊維からなる強化材を用いた複合材料のマトリ
ックスとして用いる場合には、ニオブが高融点金属であ
るため、一般の複合体の製造方法である溶湯注入法、粉
末冶金法を用いると超高温にする必要があるので耐火金
属繊維を劣化させる可能性があるため好ましくない。そ
こで、本発明の複合体を得る場合には、ニオブもしくは
ニオブ合金をプラズマ溶射、特に、低圧プラズマ溶射に
よって耐火金属繊維の表面に付着させることにより、製
造することが好ましい。また、本発明の複合体は耐火金
属繊維の表面にニオブもしくはニオブ合金をクラッドし
たものを束ねて、ホットプレスすることによっても製造
することができる。これらの製造方法は耐火金属繊維を
高温にさらすことがないので、耐火金属繊維を劣化する
ことがない。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。第１図ないし第３図は本発明に基づく耐熱複合体を示
す拡大断面図である。

実施例１第１図に示す様に、本実施例の耐熱複合体（１）は約０
．５ｍｍの厚さを有し、ニオブからなる合金基材（２）
とこの合金基材（２）中に０．１５ｍｍの間隔ですだれ
状に横に配列されて埋め込まれた３０本の耐火金属繊維
からなる強化材（３）とを有する。この耐火金属繊維の
強化材（３）は長さ１００ｍｍ、直径０．３ｍｍの寸法
を有し、１νｔ％の酸化トリウム（Ｔｈｅ２）を含有す
るタングステン合金線からなる。この複合体中に占める
タングステン合金線の体積含有量率は３１．４％である
。この複合体は以下の様に製造される。即ち、長さ１０
０ｍｍ、直径０　、３ｍｍの寸法を有し、１ｗｔ％の酸
化トリウム（ＴｈＯ□）を含有するタングステン合金線
を３０本用意し、これらを０．１５ｍｍの間隔ですだれ
状に横に並べてから枠に固定する。次に、これらタング
ステン合金線に低圧雰囲気プラズマ溶射によりニオブを
全体が厚さ０　、５ｍｍになるまで吹付け、一体化して
耐熱複合体とした。

この複合体を真空中で１２００℃に加熱して３０ｋｇ／
ｍｍ”の負荷をかけたところ、１０００時間を超えても
破断することはなかった。また、温度１２００℃と室温
との昇降温を繰返す熱疲労負荷を３０００回以上加えて
も、この複合体は変形することはなく、高温での十分な
強度と安定性を示した。

実施例２第２図に示す様に、この実施例の耐熱複合体（５）は約
４ｍｍの厚さを有し、３νｔ％のレニウム（Ｒｅ）を含
有する直径０．３ｍｍのタングステン合金線からなる強
化材（６）に肉厚が０．１ｍｍのニオブのパイプ（７）
をクラッドした複合ワイヤが２００本一体化されたもの
からなる。この複合体（５）中に占めるタングステン合
金線の体積含有率は３６％であり、その機械的特性は実
施例１の耐熱複合体とほぼ同様であった。尚、この複合
体は以下の様に製造される。

即ち、ドープにより３ｗｔ％のレニウム（Ｒｅ）を含有
　−する直径０．３ｍｍのタングステン合金線に肉厚が
０．１ｍｍのニオブのパイプをクラッドした複合ワイヤ
を１００ｍｍの長さに切断する。この複合ワイヤを、長
さ１００ｍｍ、幅１０ｍｍに切られた矩形のグラファイ
ト製の型に２００本並刺し、これを１３００℃の温度で
１５０ｋｇ／ｍｍ２の圧力で３時間かけて一体化して耐
熱複合体とした。

実施例３第３図に示す様に、この実施例の耐熱複合体（１０）は
実施例２の耐熱複合体（５）の表面に厚さ０．１ｍｍの
耐酸化、耐高温腐食性被膜（１１）を設けたものである
。この被膜（１１）はコバルト２２ｗｔ％、クロム１６
ｗｔ％、アルミニウム６ｗｔ％、イツトリウム０．４５
νｔ％および残部ニッケルからなる合金を低圧雰囲気プ
ラズマ溶射により形成した。この複合材料を大気中で温
度１１００℃に加熱し、圧力４０ｋｇ／ｍｍ２の負荷を
加えたところ、１０００時間を超えても破断することが
なく、この複合体は良好な強度を有することが分った。

〔発明の効果〕

以上の様に、本発明によれば、高温での十分な強度と安
定性を有する耐熱複合体を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明に基づく耐熱複合体の拡大
断面図である。１、５．１０・・・耐熱複合体２．７・・・合金基材３．６・・・強化材１１・・・耐酸化、耐高温腐食性被膜

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ニオブもしくはニオブ合金からなる合金基材と、
この合金基材中に配設され、耐火金属繊維からなる強化
材とを有することを特徴とする耐熱複合体。
（２）外表面が耐酸化性、耐高温腐蝕性被膜で被覆され
たことを特徴とする請求項１記載の耐熱複合体。
（３）強化材が３〜３０ｗｔ％のレニウム、０．５〜８
ｗｔ％の酸化トリウム、および、５０〜３００ｐｐｍカ
リウム、シリコン、アルミニウムの少なくとも１種から
なる群から選ばれた少なくとも１種を含有するタングス
テン合金からなることを特徴とする請求項１記載の耐熱
複合体。