JPH02277760A - ニッケル又はコバルトを基礎とする保護層を有する構成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、酸化、腐食及び熱疲労に対する保護層を有し
、ニッケル又はコバルトを基礎とする母材（ｇｒｕｎｃ
ｌｗｅｒｋｓｔｏｆ　ｆ）からなる構成部材に関する。

〔従来技術〕

ニッケル又はコバルトを基礎とする耐高熱性超合金（Ｓ
ｕｐｅｒｌｅｇｉｅｒｕｎｇｅｎ）が、タービン構造物
に使用するために開発されている。その場合、羽根の構
造材料には特に高い負荷がかかり、それは、タービン内
の高温（９５０℃以上）に耐えなければならないのみな
らず、高いクリープ限度を有しなければならない。高い
クリープ限度を保証するために、特に超合金製羽根の構
造材料は大きな結晶であり軸ｒｏｓｓｋｒｉｓｔａＨｉ
ｎ）　、部分的に円柱状構造（Ｋｏｌｕｍｎａｒｓｔｒ
ｕｋｔｕｒ）を有し、対応する鋳造及び結晶化技術によ
って成長せしめられる（ｇａｚＱｃｈｔｅｔ）。

この成長（ｚＱｃｈｔｕｎｇ）の場合、耐腐蝕性に対し
て、不利に、例えばヴァナジウム又はチタン等の容易に
酸化しつる合金の粒境界析出物（Ｋｏｒｎｇｒｅｎｚｅ
ｎａｕｓｃｈｅ　ｉｄｕｎｇｅｎ）が生じる。それと共
に、不利に、耐酸化及び腐蝕性等の表面特性及び耐熱疲
労性が悪くなる。それ故、ＭＣｒＡＩＸ、　Ｙ族（Ｍｅ
ｔａｌｌ、　Ｃｈｒｏｍ。

Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ、　　Ｘ＝ＳｅｌｔｅｎｅＢｒｄｅ
ｎ、　　Ｙ＝Ｙｔｔｒｉｕｍ（金属、クロム、アルミニ
ウム、Ｘ＝稀土類、Ｙ＝イツトリウム））のようなコー
ティングが開発されており、それらはタービン運転中に
その側に安定した酸化物を形成する高い割合のターム及
びアルミニウムによって表面特性を良くし、稀土類金属
に関して層表面への酸化物層の付着度を高める。

不利に、層表面とコーティングの間の境界層の両側の濃
度の相違により拡散過程の効果が現れ、それは、境界層
近くの領域に拡散孔を生じさせ、その結果、熱応力（Ｔ
ｈｅｒｍｏｓｐａｎｎｕｎｇｅｎ）により、高い拡散孔
密度の場所に積層すると、保護層が取れてしまう。更に
、ＭｃＣｒＡＩＸ、　Ｙ層は、不利に、熱疲労する傾向
がある。それというのも、母材合金とＭｃ＾ＩＸ、Ｙ層
の間に、熱膨張比の不均衡が存在し、ＭｃＣｒＡＩＸ、
　Ｙ層は母材に比較して非常に伸度が高いからである。

別の技術的な既知の解決法は、粉末充填析出法（Ｐｕｌ
ｖｅｒｐａｃｋｚｅｍｅｎｔｉｅｒｅｎ）及び／又はガ
ス拡散コーティング法（Ｇａｓｄｉｆｆｕｓｉｏｎｂｅ
ｓｃｈｉｃｈｔｅｎ）により母材の表面に、クロム及び
／又はアルミニウムに富む拡散層を形成することである
。このような層は、母材と共に酸化されない（ｏｘｙｄ
ａｔｉｏｎｆｅｓｔｅ）中間金属相を形成する。この中
間金属相を有する層の高い硬度のため、構成部材の耐久
性は、不利に、３０％まで減じられる。熱膨張比が母材
に適合しないので、構成部材について硬度の微細な亀裂
の危険が存在し、その危険は層の厚さを増すにつれて増
加する。それ故、層の厚さは不利に小さな１００μｍに
制限されなければならない。

既知のコーティングの場合、ヴァナジウム及びチタン等
の母材の酸化されやすく且つ腐蝕されやすい成分が避け
られ、例えば２０％までのアルミニウムと例えば４０％
までのクロムのような安定した酸化物形成体（Ｏｘｙｄ
ｂｉｌｄｕｅｒ）が合金にされる（ｚｕｌＢｇｉｅｒｔ
）。その場合、付着の問題を克服するために、又は拡散
過程を最小にするために、又は保護をする安定した酸化
物を形成するために、コバルト又はニッケルを基礎とす
るコーティングされるべき超合金のコーティングの組成
の調節は、常に膨大であり且つ複雑である。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、従来の既知のコーティングを有する構
成部材と同様に８００℃以上の温度において高い耐熱疲
労性、耐酸化及び腐蝕性を有し、これらの従来のコーテ
ィングの欠点を克服した、保護層を有する、ニッケル及
びコバルトを基礎とする母材からなる構成部材、及びこ
のような構成部材の製造方法を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

この課題は、化学的に同一の材料からなる酸化。

腐蝕及び熱疲労に対する保護層を有し、ニッケル又はコ
バルトを基礎とする母材において、母材及び保護層が化
学的に同一の材料からなり、該保護層が本質的に細粒で
構成されていることによって解決される。

本発明は、拡散過程がおきず、また母材の酸化のない表
面において付着の問題が生ずることがないように同種の
コーティングに対して母材の材料が投入されることによ
って、現在の技術水準において存在する問題及び欠点を
解決する。保護層粒子が取れること（Ａｂｐｌａｔｚｅ
ｎ）はこれによって克服される。

粒体積（Ｋｏｒｎｖｏｌｕｍｅｎ）内に同一に存在する
合金組成によって、このような構成部材を、例えばター
ビンの酸化性の（Ｏｘｙｄｉｅｒｅｎｄｅｎ）熱ガス流
中に挿入するとき粒表面に一様な安定した保護酸化物層
が形成される。このコーティングの粒境界が母材と同様
に少ない粒境界析出部を有するので、好都合に、粒境界
腐蝕（Ｋｏｒｎｇｒｅｎｚｅｎｋｏｒｒｏｓ　１ｏｎ）
が減少せしめられる。

優先的な粒境界における腐蝕開始及びそれと結びついた
亀裂の発生（Ｒｉ１３ａｎｆＫ１１ｉｇｋｅｉｔ）は、
本質的に細粒の構造によって、母材に対して防止される
。それというのも、大きな表面の腐蝕の切込み（Ｋｏｒ
ｒｏｓｉｏｎｓｋｅｒｂｅｎ）が有利に何ら形成されな
いからである。

この利点は、同時に、このような構成部材の熱疲労が減
少せしめられ、耐腐蝕及び酸化性が改良されることに寄
与する。

コーティング材料の母材との同種性（Ａｒｔｇｌｅｉｃ
ｈｅｉｔ）は、層と母材間の熱膨張差が何ら生じること
なく、また何らの熱応力も引き起こされないことを結果
する。それ故、有利に、層の厚さはより小さな１００μ
ｍに制限されることはない。

特に、母材及びコーティング材料は次の元素からなる。

１３乃至１７重量％のＣ０ ８乃至１１重量％のＣｒ ５乃至６重量％のＡｌ ４．５乃至５重量％のＴｉ ２乃至４重量％のＭｏ ０．７乃至１，２重量％のＶ ０．１５乃至０．２重量％のＣ ０，０１乃至０゜０２重重量のＢ ０．０３乃至０．０９重量％のＺｒ 残り　　　　　　　　　　Ｎｉ この超合金は、名称ＩＮ　１００で販売されており、母
材及びコーティング材料の両者を価格的に有利に入手す
ることができる。

コーティングの粒が細く形成されるほど、粒体積の構成
が一様になり、また駆動中のクロム及び／又はアルミニ
ーラム酸化物の安定した統一的な酸化物層が完全に形成
される。それ故コーティングの粒体積は、特に、母材の
粒体積よりも小さく、少なくとも１０の３乗（ｄｒｅｉ
ｚｅｒｈｎｅｒｐｏｔｅｎｚｅｎ）である。

特に母材ｌＮ１００の粒境界は、チタン及びヴァナジウ
ムに富む粒境界分離を有し、それは、安定しない又は低
い溶解性の酸化物を形成する。コーティングは、それ故
、特に母材よりも少ない粒境界における少ない分離を有
し、有利に耐酸化及び腐蝕性が改良される。

特に優先的な保護層の形成は、該保護層がプラズマ溶射
層（Ｐｌａｓｍａｓｐｒｉｔｚｓｃｈｉｃｈｔ）であり
、それが高い硬直性のため、更に細粒に且つ分離の少な
いように晶出されることにある。

更に本発明の課題は、請求項１に記載の構成部材の製造
方法を有し、その課題は、次の製造段階によって解決さ
れる。

ａ）付着を改良するために母材の表面を取り除くことに
より表面を調整する段階。

ｂ）母材の化学組成のプラズマ溶射材料でプラズマ溶射
法によってコーティングする段階。

ｃＨ１５０℃乃至１２５０℃の温度で溶融することによ
ってエピタキシャルに（ｅｐｉｔａｋｔｉｓｃｈｅ）再
結晶させる段階。

ｄ）耐酸化性を高めるように表面及び／又は拡散コーテ
ィングを滑らかにし、且つ作り上げるために、機械的に
圧縮することにより保護層の表面を後処理する段階。

この方法は、大量生産に適している利点を有する。

コーティングの品質に対する要求が高い場合、表面の調
整は、アルゴンプラズマによるプラズマエツチングによ
って行われ、この調整は、汚染自由（Ｋｏｎｔａｍｉｎ
ａｔｉｏｎｓｆｒｅｉｈｅｉｔ）の利点を有し、底圧プ
ラズマ溶射工程と相客れるものであり、−構成要素で一
出力過程（日ｅｓｔＧｃｋｕｎｇｖｏｒｇａｎｇ）によ
って、母材の表面調整のみならずコーティングが行われ
る。それによって、別の装置に移し変える必要がなく、
常圧にとどまる時間がなくなるので、有利に品質が改良
される。

経済性に対する要求が高いとき、表面調整は化学的除去
によって行われ、有利に高い流れ率（Ｏｕｒｃｈｓａｔ
ｚ）が得られる。

研磨剤噴射加工（ａｂｒａｓｉｖｅ　Ｓｔｒａｈｌａｒ
ｂｅｉｔｕｎｇ）が特に表面切除として行われる。それ
というのも、この方法により、特に、例えばロータ円板
のような大きな表面の構成部材が後続のコーティングの
ために調整され得るからである。

母材と同じ化学組成のプラズマ溶射材料でプラズマ溶射
によってコーティングすることは、低圧プラズマ溶射法
にふける品質の要求が高いとき、及び／又は経済性に対
する要求が高いとき、不活性ガスの下でプラズマ溶射に
よって行われる。

母材の上にコーティング層を最適に付けることは、１１
５０℃乃至１２５０℃の溶融温度におけるエピタキシャ
ル再結晶化によって達成される。その場合、母材とコー
ティング層の間の過渡領域において、コーティング層の
境界における母材の大体積の結晶と同様に同一の結晶定
位で細粒のコーティング層の最も下層部分が再結晶せし
められ、その結果、有利に、細粒のコート層と大きな粒
の母材間の強いかみ合わせが生じ、それは、在来の異種
のコーティング層に対する付着を本質的に高める。次に
、３０℃／分乃至８０℃／分でコーティングされた構成
部材が１０００℃乃至８００℃に冷却され、多段の外層
熱処理（Ａｕｓｌａｇｅｒｕｎｇｗａｒｍｂｅｈａｎｄ
ｌｕｎｇ）が施される。

ニッケル又はコバルトを基礎とする超合金製の鋳造され
た構成部材について、２乃至６時間の間１０８０℃乃至
１１２０℃に熱し、次イテ、１ｏ乃至２０時間の間９０
０℃乃至９８０℃に熱し、且つ７５０乃至８００℃に中
間時の冷却を行うことにより適当なσ／６”接合を形成
する二段の外層（Ａｕｓｌａｇｅｒｎ）が保証される。

このような熱処理により、母材の特性が再生され、それ
は溶融によって変えられ、層の強度値が高められる。

保護層の表面の機械的な後処理は、特に、玉噴射加工（
Ｋｕｇｅｌｓｔｒａｈｌｂｅａｒｂｅｉｔｕｎｇ）によ
って硬度を改良し、また表面平滑化の役目をする。表面
の平滑化は、圧力流れ加工（Ｏｒｕｃｋｆｌｉｅ１３ｂ
ｅａｒｂｅｉｔｕｎｇ）又は平滑溝加工（Ｇｌｅｉｔｓ
ｃｈｌｅｉｆｂｅｅａｒｂｅｉｔｕｎｇ）によっても行
うことができる。

表面の後処理としての拡散コーティングは、それがニッ
ケル又はコバルトを基礎とする超合金製の母材の長時間
の耐酸化部を高めるために適用されるとき、特に細粒の
コーティングについて行われ得る。それに、深い拡散が
、それが母材の粒境界分離を通して行われるとき、少な
い粒境界析出部を有する細粒のコーティング層に生じな
いという利点が結合される。それ故、細粒のコーティン
グ層内の拡散領域は、それと共に、粗い結晶の母材につ
いてよりも、例えばアルミニウム又はクロムにより有利
に、一様に且つ均質にドーピングされる。その場合、例
えばクロムドーピングは、８５０℃の温度迄の酸化性を
改良し、同時に、硫化に対して改良された耐酸化性が実
現する。アルミニウムドーピングは、例えば１２５０℃
の温度迄耐酸化性を高める。

〔実施例〕

次に、構成部材と方法の利用例を、本発明の特別の例と
して示す。

構成部材の例 次の元素： １３乃至１７重量％のＣ０ ８乃至１１重量％のＣｒ ５乃至６重量％のＡｌ ４゜５乃至５重量％のＴｉ ２乃至４重量％のＭｏ ０．７乃至１，２重量％のＶ ０．１５乃至０゜２重量％のＣ ０，０１乃至０．０２重量％のＢ ０．０３乃至０．０９重量％のＺｒ 残り　　　　　　　　　　Ｎｉ からなる母材としてのｌＮ１００製の粗い結晶のタービ
ン羽根の上に、母材よりも３・１０３倍細い粒体積を有
し、母材と同一の化学組成の低圧プラズマ層が存在する
。熱疲労試験（試験温度１０５０℃）において、三度の
高温の熱負荷が行われたコーティングされた構成部材は
コーティングされていない母材としての状態を維持した
。

方法の例 次の元素： １３乃至１７重量％のＣｏ ８乃至１１重量％のＣｒ ５乃至６重量％のＡｌ ４．５乃至５重量％のＴｉ ２乃至４重量％のＭｏ ０．７乃至１．２重量％のＶ ０．１５乃至０．２重量％のＣ ０，０１乃至０．０２重重量のＢ ０．０３乃至０．０９重量％のＺｒ 残り　　　　　　　　　Ｎｉ からなる母材としてのｌＮ１００製の粗い結晶のタービ
ン羽根の母材の表面が、平均して０．５乃至１０μｍだ
け、２ｋＰａ乃至４　ｋＰａの圧力でアルゴンプラズマ
エツチングすることによって取り除かれた。

次に、４　ｋＰａの圧力及び９００℃の母材の温度で１
２０秒間、プラズマ溶射材料でプラズマ溶射することに
よって母材にコーティングされる。

コーティングされたタービン羽根の完成後に、高真空炉
（Ｈｏｃｈｖａｋｕｕｍｏｆｅｎ）内でエピタキシャル
再結晶化が行われた。そのために、１２００℃の溶融温
度に４時間の間係たれ、６０℃／分の冷却率で８００℃
に冷却された。

母材の強度特性を再生するために、また、強度を高める
ために（ａｎｈｅｂｕｎｇ）高真空下で１１００℃で４
時間と９５０℃で１６時間の二段の熱処理及び中間の６
０℃／分の、９００℃への冷却が行われた。

室温に冷却後に０．５ｍｍ乃至１　ｍｍの直径のジルコ
ン酸化物玉による噴射加工（Ｓｔｒａｈｌｂｅａｂｅｉ
ｔｕｎｇ）によって構成部材の表面が滑らかにされ、作
り上げられた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、８００℃以上の温度において高い耐熱
疲労性、耐酸化及び腐蝕性を有する保護層を有する、ニ
ッケル及びコバルトを基礎とする母材からなる構Ｔ＆部
材及びその製造方法を提供することができるものである
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）化学的に同一の材料からなる酸化、腐食及び熱疲
   労に対する保護層を有し、ニッケル又はコバルトを基礎
   とする母材からなる構成部材において、前記保護層が、
   前記母材よりも本質的に細粒状に形成されており、且つ
   該細粒状のコーティング層の下方の部分が、コーティン
   グ層の境界における前記母材の大きな体積の結晶粒子と
   同一の結晶定位を有することを特徴とする構成部材。 （２）保護層が少ない粒境界析出物と母材と変わらない
   粒体積内の合金組成を有することを特徴とする請求項１
   に記載の構成部材。 （３）母材及び保護層が、次の組成： １３乃至１７重量％のＣｏ ８乃至１１重量％のＣｒ ５乃至６重量％のＡｌ ４．５乃至５重量％のＴｉ ２乃至４重量％のＭｏ ０．７乃至１．２重量％のＶ ０．１５乃至０．２重量％のＣ ０．０１乃至０．０２重量％のＢ ０．０３乃至０．０９重量％のＺｒ 残りＮｉ を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の構成
   部材。 （４）保護層が、少なくとも１０の３乗だけ母材よりも
   小さな体積を有することを特徴とする請求項１乃至３の
   いずれか一項に記載の構成部材。 （５）保護層が、一様なヴァナジウム又はチタン成分を
   有する母材よりも少ない粒境界におけるヴァナジウム又
   はチタン析出物を有することを特徴とする請求項１乃至
   ４のいずれか一項に記載の構成部材。 （６）保護層が、プラズマ溶射層であることを特徴とす
   る請求項１乃至５のいずれか一項に記載の構成部材。 （７）次の製造段階： ａ）接着性を改良するために母材の表面を取り除くこと
   により表面に前処理を施す段階、ｂ）母材の化学的な組
   成のプラズマ溶射材料でプラズマ溶射することにより母
   材にコーティングを施す段階、 ｃ）１１５０℃と１２５０℃の間の温度で溶融すること
   によりエピタキシャル再結晶化する段階、 ｄ）耐酸化性を高めるために、表面及び／又は拡散コー
   ティング層を滑らかにし、且つ強くするために機械的圧
   縮によって保護層の表面に後処理を施す段階を特徴とす
   る請求項１に記載の構成部材の製造方法。 （８）化学的エッチング、プラズマエッチング、又は研
   磨剤噴射加工によって母剤の表面を取り除くことが行わ
   れることを特徴とする請求項７に記載の方法。 （９）保護層の表面に、硬化噴射加工（Ｖｅｒｆｅｓｔ
   ｉｇｕｎｇｓｔｒａｈｌｂｅａｒｂｅｉｔｕｎｇ）及び
   ／又は圧力流れラップ仕上げ加工（Ｄｒｕｃｋｆ１ｉｅ
   Ｂｌ■ｐｐｂｅａｒｂｅｉｔｕｎｇ）及び／又は平滑研
   削加工（Ｇｌｅｉｔｓｃｈｌｅｉｆｂｅａｒｂｅｉｔｕ
   ｎｇ）が施されることを特徴とする請求項７又は８に記
   載の方法。 （１０）保護層の表面が、アルミニウム及び／又はクロ
   ムを拡散コーティングによって後処理されることを特徴
   とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。