JPH01252739A

JPH01252739A - 耐熱複合体

Info

Publication number: JPH01252739A
Application number: JP7624188A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Ito; 伊藤　昌行; Takao Suzuki; 隆夫鈴木; Masako Nakabashi; 中橋　昌子; Hiromitsu Takeda; 博光竹田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1988-03-31
Publication date: 1989-10-09

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、高温における優
れた強度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、次世代の耐熱材おｌ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ＦｅＷ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
題がおる。また、Ｗ線を含めた耐火金属繊維の多くは熱
膨張係数が他の金属に比べて小さいために、複合化によ
り超合金の熱膨張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
遊離してしまい十分な高温強度が１ｑられない問題があ
った。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされた
もので、その目的は、１０００℃以上の高温における耐
火金属ＩａＲおよび超合金の間の相互拡散が生じ難く、
十分な高温強度を有する耐熱複合体を提供することにあ
る。

［発明の構成コ（課題を解決するための手段および作用）本発明は、鉄
基、コバルト基、またはニッケル基超合金からなる超合
金基体と、この超合金基体中に配設され、耐火金属繊維
からなる強化体と、この強化体を被覆し、ニオブもしく
はニオブ合金からなるニオブ層とを有すると共に、この
ニオブ層の表面が少なくともニオブ−アルミニウム合金
層で被覆されていることを特徴とする耐熱複合体である
。

本発明の耐熱複合体は、耐火金属繊維からなる強化体を
、耐火金属＄１Ｉｆｆと超合金との中間の熱膨張係数を
有するニオブもしくはニオブ合金からなるニオブ層で被
覆しているために、高温から常温との間の繰返し熱負荷
を与えても熱変形を抑制することができ、しかも、この
ニオブ層の表面が少なくともニオブ−アルミニウム合金
層で被覆されているために、マトリックスとしての超合
金と耐火金属繊維との間の高温における相互拡散が防止
され、耐火金属繊維からなる強化体の劣化を防止するこ
とができる。従って、この耐熱複合体は、十分な高温強
度を有する。このニオブ−アルミニウム合金層はマトリ
ックスとしての超合金から耐火金属繊維に種々の元素が
拡散するのを阻止する障壁層として機能する。このニオ
ブ−アルミニウム合金層は、ニオブもしくはニオブ合金
からなるニオブ層の表面にニオブ−アルミニウム合金を
被着することにより形成することができる。しかし、実
用上の観点から、ニオブ層の表面に、アルミニウムもし
くはアルミニウムを主体とした合金からなるアルミニウ
ム層を真空蒸着法、ＰＶＤ法（Ｐｈｉｓｉｃａｌ　Ｖａ
ｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）　、ＣＶＤ法（Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）　、
プラズマ溶射等により形成した後に加熱することにより
、ニオブ層のニオブとアルミニウム層のアルミニウムと
が反応して、ニオブ層とこのアルミニウム層との界面に
ニオブ−アルミニウム合金層を形成できる。

このニオブ−アルミニウム合金層を形成する加熱処理は
、アルミニウム層を形成した後にこの強化体を加熱して
行っても良く、また、アルミニウム層を形成した後に強
化体を超合金中に埋め込む際の加熱でも行なえる。この
場合のアルミニウム層の厚さは０．００１ｍからｏ、ｏ
！Ｉｔｓが好ましい。膜厚が０．００１１ｒｙ１未満の
場合はニオブ層上に連続的にアルミニウム層が形成でき
ず、０．０５ｍを超えるとこのアルミニウム層にクラン
クが生じたり、剥がれたりする。

本発明のニオブ層は、ニオブもしくはニオブ合金からな
り、耐火金属繊維からなる強化体の表面にニオブ等の粉
末を有機系粘着剤と共に塗布した後、粉末冶金的手法で
一体化するか、プラズマ溶射によって被覆して一体化す
る方法を採用することができる。ここで、ニオブ合金と
しては、ＷｌＺｒ、ＭＯ，Ｈｆ、Ｖ、Ｔ＋、ｖの少なく
とも１種を２５ｗｔ％程度まで含み、残部が実質的に二
オブからなるものを用いることができる。このニオブ層
の厚さは０．０１　ｍｍから０．１＃の範囲が好ましい
。

この厚さが０．０１ｍ未満の場合は強化体を完全に被覆
できず、また、０．　ＩＩｒｙ＆をこえると強化体の体
積率が低下し耐熱複合体とし−Ｃの十分な強度が（ｑら
れない。

本発明の強化体としては、タングステン、モリブデン、
タンタル、もしくはその合金からなる耐火金属繊維を用
いることができるが、実用上は、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％
含有させると良いが、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（ＴＥ１０２　）、
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
度をざ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、０．５ｗｔ％〜Ｂｗｔ％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口は、２０ｐｐｍ〜３００
ｐｐｍの範囲である。

Ｔｈ０２の添加は分散強化を期待しており、０．５ｗｔ
％未満ではその効果が期待できず、また、８ｗｔ％を超
えるとむしろ欠陥となる。Ｋ、ｓｉ、Ａ、。

については、粒界への析出を生じ、再結晶に対する抵抗
を持たせるので、５０〜３００ｐｐｍの範囲外では期待
できない。このタングステン合金は１０００℃以上の高
温での強度劣化の要因となる再結品化を起こし難いため
に好適である。こうした、耐火金属繊維の寸法は取扱い
の観点から下限を直径０．１ｍ、強度向上の観点から上
限を０．５Ｍとするのが望ましい。

本発明における鉄基、コバルト基、ニッケル基超合金か
らなる超合金基体としては、ＭＣｒＡＩＸ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Ｘ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。）を用いることができる。このＭＣｒＡＦＸ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、０．３〜２．０ｗｔ％の
イツトリウム、０〜２０ｗｔ％のニッケル、および残部
鉄からなるＦｅＣｒ１！Ｙや１０〜３５ｖｔ％のクロム
、５〜２０ｗｔ％のアルミニウム、０．３へ□　１．５
ｗｔ％のイツトリウム、０〜２０ｗｔ％のニッケル、０
〜３０ｗｔ％の鉄、および残部コバルトからなるＣｏＣ
ｒ１！Ｙや１０〜４０ｗｔ％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％のコバルト、０〜３０ｗｔ％の鉄、
および残部ニッケルからなるＮ１ＣｒＡＪ）Ｙが用いら
れる。

（実施例）以下、本発明の実施例について説明する。

実施例１１．７ｗｔ％の酸化トリウムを含有する直径０．３＃の
タングステン線を、低圧雰囲気プラズマ溶射にて厚さが
０．０３ｍのニオブからなるニオブ層で被覆した。この
ニオブ層上に、真空蒸着により厚さ０、００２ｍのアル
ミニウムからなる被膜を形成した。

この被膜の上に、低圧プラズマ溶射により、厚さ０、１
ｍｍを有し、２４ｗｔ％のＣｒ、８ｗｔ％のＡＮ。

０、５ｗｔ％のＹ、残部Ｆｅからなる超合金基体を被覆
し、耐熱複合体を１ｑだ。

得られた耐熱複合体について、１２００℃に加熱して５
００時間保持した後、引張り試験を行った。その結果、
この耐熱複合体は２１０に３／ＩｒＩ！Ａの引張り強さ
を有しており、このタングステン線は強度劣化を起こし
ておらず、十分な高温強度を有することが確認された。

実施例２１．７ｗｔ％の酸化トリウムを含有する直径０．３Ｍの
タングステン線を３０本用意し、このタングステン線を
Ｏ，１ｍの間隔で横に一列に並べて枠に固定し、これら
タングステン線上に低圧雰囲気プラズマ溶射により、ニ
オブを＜）、ｏ：３Ｉｗｎの厚さに被覆した。つづいて
、真空蒸着により、アルミニウムを０、００３ａｎの厚
さに被覆した。ざらに、低圧雰囲気プラズマ溶射により
、厚さ０．１５ｍを有し、２４ｗｔ％のｃｒ、ａｗｔ％
のＡ１．０．５ｗｔ％のＹ１残部「ｅからなる超合金基
体を被覆し、シート状の耐熱複合体を１ｑだ。次いで、
このシート１０枚を、それらの間にＦｅ基ろう材を挟み
込んで積層し、真空中で１１００℃で１５分間の加熱処
理を施すことにより耐熱複合体を得た。この耐熱複合体
におけるタングステン線の体積含有率は３５％であった
。

１ｑられた耐熱複合体は、１１００℃で３０に！ｊ／−
の荷重に対して、１３００時間のクリープ破断強度を有
することが分った。また、室温と１１００℃との間を５
０００回以上往復させる熱負荷を与えても変形すること
はなく、十分な高温強度を有する。

［発明の効果］以上の様に、本発明によれば、十分な高温強度を有する
耐熱複合体を提供できる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）鉄基、コバルト基、またはニッケル基超合金から
なる超合金基体と、この超合金基体中に配設され、耐火
金属繊維からなる強化体と、この強化体を被覆し、ニオ
ブもしくはニオブ合金からなるニオブ層とを有すると共
に、このニオブ層の表面が少なくともニオブ−アルミニ
ウム合金層で被覆されていることを特徴とする耐熱複合
体。
（２）鉄基、コバルト基、またはニッケル基超合金から
なる超合金基体と、この超合金基体中に配設され、耐火
金属繊維からなる強化体と、この強化体を被覆し、ニオ
ブもしくはニオブ合金からなるニオブ層と、このニオブ
層を被覆し、アルミニウムもしくはアルミニウム合金か
らなるアルミニウム層とを有すると共に、ニオブ層とア
ルミニウム層との界面にニオブ−アルミニウム合金層が
形成されていることを特徴とする耐熱複合体。