JPH05195186A - 分散物を含有した保護被膜を有する超合金製品およびそれの製造方法 - Google Patents
分散物を含有した保護被膜を有する超合金製品およびそれの製造方法Info
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- JPH05195186A JPH05195186A JP23874692A JP23874692A JPH05195186A JP H05195186 A JPH05195186 A JP H05195186A JP 23874692 A JP23874692 A JP 23874692A JP 23874692 A JP23874692 A JP 23874692A JP H05195186 A JPH05195186 A JP H05195186A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ジェットエンジン等の高温域部品として使用
されるニッケル基超合金(22)の保護被膜の物理的特性
（付着性、亀裂抵抗性、保護性能）を、該保護被膜の酸
化耐性及び腐食耐性を損なうこと無く、改良する。 【構成】 同じくニッケル基超合金である保護被膜(20)
に、イットリウム、ハフニウム、希土類元素及びそれら
の組合せから選択された元素から成る分散酸化物粒子(2
4)を少なくとも約０．３容量％だけ含ませる。上記被膜
(20)は更に、炭素、ジルコニウム及びホウ素の如き結晶
粒界強化元素を含めば好適である。上記分散酸化物粒子
(24)は、被膜(20)の使用時の性能を向上させ、熱疲労、
酸化及び腐食被害に起因する破壊の発生率を低下せしめ
る。斯かる粒子含有被膜の形成は、粒子含有被膜を直接
設置するか、被膜設置後の熱処理により粒子を生成す
る。
されるニッケル基超合金(22)の保護被膜の物理的特性
（付着性、亀裂抵抗性、保護性能）を、該保護被膜の酸
化耐性及び腐食耐性を損なうこと無く、改良する。 【構成】 同じくニッケル基超合金である保護被膜(20)
に、イットリウム、ハフニウム、希土類元素及びそれら
の組合せから選択された元素から成る分散酸化物粒子(2
4)を少なくとも約０．３容量％だけ含ませる。上記被膜
(20)は更に、炭素、ジルコニウム及びホウ素の如き結晶
粒界強化元素を含めば好適である。上記分散酸化物粒子
(24)は、被膜(20)の使用時の性能を向上させ、熱疲労、
酸化及び腐食被害に起因する破壊の発生率を低下せしめ
る。斯かる粒子含有被膜の形成は、粒子含有被膜を直接
設置するか、被膜設置後の熱処理により粒子を生成す
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本願は、本願と同時に提出されか
つ本発明の場合と同じ譲受人に譲渡された米国特許出願
（Attorney Docket 13DV-8335 ）と関連を有している。
本発明は高温下で使用すべき超合金の保護に関するもの
であって、更に詳しく言えば、被膜によって保護された
超合金製品に関する。
つ本発明の場合と同じ譲受人に譲渡された米国特許出願
（Attorney Docket 13DV-8335 ）と関連を有している。
本発明は高温下で使用すべき超合金の保護に関するもの
であって、更に詳しく言えば、被膜によって保護された
超合金製品に関する。
【０００２】本発明は、海軍空気推進センターとの間で
締結された請負契約Ｎｏ．Ｎ−００１９−８０−Ｃ−０
０１７に基づく政府の援助を受けて完成された。
締結された請負契約Ｎｏ．Ｎ−００１９−８０−Ｃ−０
０１７に基づく政府の援助を受けて完成された。
【０００３】
【従来の技術】現在の技術界における最も厳しい材料用
途の１つは、航空機用ジェットエンジンにおいて使用さ
れる高温域部品としての用途である。エンジンの運転温
度が高くなるほど、それの効率は高くなり、従って１ガ
ロンの燃料から得られる出力は大きくなる。このこと
が、かかるエンジンをできるだけ高い温度で運転しよう
とする強い動機となっている。ジェットエンジンの運転
温度を制限する主な要因は、エンジンの最高温域（たと
えば、ガスタービンの動翼および静翼）において使用さ
れる材料である。
途の１つは、航空機用ジェットエンジンにおいて使用さ
れる高温域部品としての用途である。エンジンの運転温
度が高くなるほど、それの効率は高くなり、従って１ガ
ロンの燃料から得られる出力は大きくなる。このこと
が、かかるエンジンをできるだけ高い温度で運転しよう
とする強い動機となっている。ジェットエンジンの運転
温度を制限する主な要因は、エンジンの最高温域（たと
えば、ガスタービンの動翼および静翼）において使用さ
れる材料である。
【０００４】従来、高温エンジン用途において使用し得
る材料を開発するために多くの研究が行われてきた。現
時点で最も普及しかつ最も成功している材料はニッケル
基超合金であるが、これらはクロム、コバルト、アルミ
ニウムおよびタンタルのごとき他種の元素をニッケルに
添加して成る合金である。これらの超合金の組成は、２
０００°Ｆ付近あるいはそれ以上に達する高いエンジン
運転温度下での使用に際してもそれらの強度およびその
他の望ましい性質が維持されるよう綿密に設計されてい
る。
る材料を開発するために多くの研究が行われてきた。現
時点で最も普及しかつ最も成功している材料はニッケル
基超合金であるが、これらはクロム、コバルト、アルミ
ニウムおよびタンタルのごとき他種の元素をニッケルに
添加して成る合金である。これらの超合金の組成は、２
０００°Ｆ付近あるいはそれ以上に達する高いエンジン
運転温度下での使用に際してもそれらの強度およびその
他の望ましい性質が維持されるよう綿密に設計されてい
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ジェットエンジンにお
いて使用される材料は高温下での使用が要求されるばか
りでなく、酸化条件および腐食条件にも暴露される。ニ
ッケルや多くのニッケル基合金のごとき材料は、エンジ
ン運転温度下では急速な酸化を受ける。エンジン部品は
また、燃焼する燃料中に存在する化学物質や、海洋付近
において運転した場合にエンジン内に吸入されることの
ある物質（たとえば塩分）の腐食作用にも暴露される。
高温下で最良の機械的性質を有する材料は、その他の材
料よりも耐酸化性および耐食性に劣る場合が多い。それ
故、最良の機械的性質と最良の耐酸化性および耐食性と
を併せ持つような材料が今なお探求されているのであ
る。
いて使用される材料は高温下での使用が要求されるばか
りでなく、酸化条件および腐食条件にも暴露される。ニ
ッケルや多くのニッケル基合金のごとき材料は、エンジ
ン運転温度下では急速な酸化を受ける。エンジン部品は
また、燃焼する燃料中に存在する化学物質や、海洋付近
において運転した場合にエンジン内に吸入されることの
ある物質（たとえば塩分）の腐食作用にも暴露される。
高温下で最良の機械的性質を有する材料は、その他の材
料よりも耐酸化性および耐食性に劣る場合が多い。それ
故、最良の機械的性質と最良の耐酸化性および耐食性と
を併せ持つような材料が今なお探求されているのであ
る。
【０００６】高い運転温度はまた、エンジン部品におい
て使用される合金組成とは直接に関係しない技術によっ
ても達成することができる。たとえば、結晶構造の調整
および単結晶の使用によっても性質の改善を得ることが
できる。更にまた、かかる部品に冷却通路を設けてその
中に冷却用空気を流すことにより、それらの部品の実際
の使用温度を低下させることもできる。
て使用される合金組成とは直接に関係しない技術によっ
ても達成することができる。たとえば、結晶構造の調整
および単結晶の使用によっても性質の改善を得ることが
できる。更にまた、かかる部品に冷却通路を設けてその
中に冷却用空気を流すことにより、それらの部品の実際
の使用温度を低下させることもできる。
【０００７】本発明の主たる対象を成すもう１つの技術
に従えば、薄い金属保護被膜が部品上に設置される。か
かる被膜は基体を酸化および腐食被害から保護するため
に役立つ。かかる被膜は超合金基体に対して付着性を有
する必要があるばかりでなく、運転温度に加熱された後
に（エンジンの空転または停止に伴い）低温にまで冷却
されるというサイクルを繰返して受けた場合にもその付
着性を保持する必要がある。なお、組成の異なる材料は
相異なる熱膨張率を有するから、被膜と基体との相には
ひずみの差が生じる。
に従えば、薄い金属保護被膜が部品上に設置される。か
かる被膜は基体を酸化および腐食被害から保護するため
に役立つ。かかる被膜は超合金基体に対して付着性を有
する必要があるばかりでなく、運転温度に加熱された後
に（エンジンの空転または停止に伴い）低温にまで冷却
されるというサイクルを繰返して受けた場合にもその付
着性を保持する必要がある。なお、組成の異なる材料は
相異なる熱膨張率を有するから、被膜と基体との相には
ひずみの差が生じる。
【０００８】熱サイクルによって引起こされるひずみに
順応させるため、上記のごとき被膜は比較的弱くかつ延
性に富む材料から形成されてきた。かかる被膜は引張状
態および圧縮状態において塑性変形を示し、それにより
基体の加熱および冷却に際しても基体表面に対する付着
性を保持することができる。ニッケル基超合金用被膜の
多くは、ニッケル、クロム、アルミニウムおよびイット
リウムの合金（すなわち、ＮｉＣｒＡｌＹ合金）並びに
ニッケル、コバルト、クロム、アルミニウムおよびイッ
トリウムの合金（すなわち、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金）
から形成されてきた。この種の合金に対しては、ＭＣｒ
ＡｌＸ（ただし、Ｍはニッケル、コバルト、鉄またはそ
れらの組合せを表わし、そしてＸはイットリウム、ハフ
ニウム、タンタル、ケイ素またはそれらの組合せを表わ
す）という包括的な表現が広く使用されている。かかる
合金は基体材料と同じ元素を数多く含有しているが、そ
れらの割合は機械的性質よりも耐酸化性および耐食性を
向上させるように調整されている。それ故、かかる合金
は構造部材自体として使用するには強度が不足している
が、保護被膜としては十分に役立つのである。
順応させるため、上記のごとき被膜は比較的弱くかつ延
性に富む材料から形成されてきた。かかる被膜は引張状
態および圧縮状態において塑性変形を示し、それにより
基体の加熱および冷却に際しても基体表面に対する付着
性を保持することができる。ニッケル基超合金用被膜の
多くは、ニッケル、クロム、アルミニウムおよびイット
リウムの合金（すなわち、ＮｉＣｒＡｌＹ合金）並びに
ニッケル、コバルト、クロム、アルミニウムおよびイッ
トリウムの合金（すなわち、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金）
から形成されてきた。この種の合金に対しては、ＭＣｒ
ＡｌＸ（ただし、Ｍはニッケル、コバルト、鉄またはそ
れらの組合せを表わし、そしてＸはイットリウム、ハフ
ニウム、タンタル、ケイ素またはそれらの組合せを表わ
す）という包括的な表現が広く使用されている。かかる
合金は基体材料と同じ元素を数多く含有しているが、そ
れらの割合は機械的性質よりも耐酸化性および耐食性を
向上させるように調整されている。それ故、かかる合金
は構造部材自体として使用するには強度が不足している
が、保護被膜としては十分に役立つのである。
【０００９】長期間にわたって基体を酸化および腐食被
害から保護し得る改良された金属被膜材料は今なお要望
されている。本発明はこのような要望を満たすと共に、
それに関連した利益を与えるものである。
害から保護し得る改良された金属被膜材料は今なお要望
されている。本発明はこのような要望を満たすと共に、
それに関連した利益を与えるものである。
【００１０】
【課題を解決する為の手段】本発明は、耐熱超合金を保
護するために有用な金属被膜材料である特定の合金組成
物を提供するものである。かかる合金組成物は組成およ
び組織の点で超合金基体と適合性を有しており、酸化お
よび腐食被害に対する保護をもたらし、かつ従来の超合
金被膜よりも長い期間にわたって付着性、亀裂抵抗性お
よび保護性能を保持する。かかる合金組成物は通常の技
術によって調製されかつ設置される。
護するために有用な金属被膜材料である特定の合金組成
物を提供するものである。かかる合金組成物は組成およ
び組織の点で超合金基体と適合性を有しており、酸化お
よび腐食被害に対する保護をもたらし、かつ従来の超合
金被膜よりも長い期間にわたって付着性、亀裂抵抗性お
よび保護性能を保持する。かかる合金組成物は通常の技
術によって調製されかつ設置される。
【００１１】本発明に従えば、超合金製の基体および該
基体上に配置された付着性被膜から成る被覆超合金製品
が提供される。この場合の被膜は、イットリウム、ハフ
ニウム、希土類元素およびそれらの組合せから成る群よ
り選ばれた元素の分散酸化物粒子を少なくとも約０．３
容量％の量で追加含有するニッケル基超合金から形成さ
れている。
基体上に配置された付着性被膜から成る被覆超合金製品
が提供される。この場合の被膜は、イットリウム、ハフ
ニウム、希土類元素およびそれらの組合せから成る群よ
り選ばれた元素の分散酸化物粒子を少なくとも約０．３
容量％の量で追加含有するニッケル基超合金から形成さ
れている。
【００１２】超合金および超合金被膜中にイットリウム
および（または）希土類元素を添加することによってそ
れらの耐酸化性を改善することは公知である。しかしな
がら、これらの元素は少量で使用されている。換言すれ
ば、これらの元素は高率の分散酸化物粒子が生成されな
いような量で添加されるのである。それに対し、本発明
の技術は被膜の性質を改善するように分布した高率の分
散酸化物粒子を意図的に付与するというものである。
および（または）希土類元素を添加することによってそ
れらの耐酸化性を改善することは公知である。しかしな
がら、これらの元素は少量で使用されている。換言すれ
ば、これらの元素は高率の分散酸化物粒子が生成されな
いような量で添加されるのである。それに対し、本発明
の技術は被膜の性質を改善するように分布した高率の分
散酸化物粒子を意図的に付与するというものである。
【００１３】本発明の被膜は、金属被膜分野における従
来の考え方からの顕著な飛躍を表わしている。従来、超
合金被膜は弱くかつ延性に富む状態で形成されてきた。
その目的は、製品が繰返して加熱および冷却を受けた場
合に基体が生み出すひずみに対して被膜を順応させるこ
とにあった。すなわち、かかる被膜は塊状の基体の変形
によって誘起される複雑な平面ひずみ条件下で変形を受
ける。また、エンジンの熱サイクルおよび負荷サイクル
に際しては、かかる被膜は塑性変形を示すと共に、新た
な目標点に向かってクリープ変形をも示す必要がある。
このような制約の下で使用するためには、弱い被膜が最
も望ましいものと考えられていたのである。
来の考え方からの顕著な飛躍を表わしている。従来、超
合金被膜は弱くかつ延性に富む状態で形成されてきた。
その目的は、製品が繰返して加熱および冷却を受けた場
合に基体が生み出すひずみに対して被膜を順応させるこ
とにあった。すなわち、かかる被膜は塊状の基体の変形
によって誘起される複雑な平面ひずみ条件下で変形を受
ける。また、エンジンの熱サイクルおよび負荷サイクル
に際しては、かかる被膜は塑性変形を示すと共に、新た
な目標点に向かってクリープ変形をも示す必要がある。
このような制約の下で使用するためには、弱い被膜が最
も望ましいものと考えられていたのである。
【００１４】本発明の基礎となる研究中において、金属
被膜は熱疲労状態で破壊する傾向を示すと共に、弱い被
膜はかかる疲労破壊に対して十分な機械的抵抗性を有し
ていないことが認められた。このような理由に基づき、
本発明は分散酸化物粒子を含有する被膜、かかる被膜に
よって被覆された製品、およびかかる製品の製造方法を
提供するのである。分散酸化物粒子を含有する被膜は、
耐酸化性および耐食性を犠牲にすることなく、金属被膜
材料として従来使用されてきたＮｉＣｒＡｌＹまたはＮ
ｉＣｏＣｒＡｌＹ合金よりも優れた熱疲労抵抗性を示
す。
被膜は熱疲労状態で破壊する傾向を示すと共に、弱い被
膜はかかる疲労破壊に対して十分な機械的抵抗性を有し
ていないことが認められた。このような理由に基づき、
本発明は分散酸化物粒子を含有する被膜、かかる被膜に
よって被覆された製品、およびかかる製品の製造方法を
提供するのである。分散酸化物粒子を含有する被膜は、
耐酸化性および耐食性を犠牲にすることなく、金属被膜
材料として従来使用されてきたＮｉＣｒＡｌＹまたはＮ
ｉＣｏＣｒＡｌＹ合金よりも優れた熱疲労抵抗性を示
す。
【００１５】本発明は超合金の分野における重要な進歩
をもたらすものであると共に、この分野における従来の
考え方からの飛躍を表わしている。本発明の被膜は、耐
酸化性および耐食性をもたらす化学成分を保持しなが
ら、分散酸化物粒子の比率を選定することによって被膜
の性質の制御可能な改善を可能にするのである。本発明
のその他の特徴および利点は、添付の図面を参照しなが
ら好適な実施の態様に関する以下の詳細な説明を考察す
ることによって自ずから明らかとなろう。
をもたらすものであると共に、この分野における従来の
考え方からの飛躍を表わしている。本発明の被膜は、耐
酸化性および耐食性をもたらす化学成分を保持しなが
ら、分散酸化物粒子の比率を選定することによって被膜
の性質の制御可能な改善を可能にするのである。本発明
のその他の特徴および利点は、添付の図面を参照しなが
ら好適な実施の態様に関する以下の詳細な説明を考察す
ることによって自ずから明らかとなろう。
【００１６】
【実施例】本発明の被膜は、図１に示されたジェットエ
ンジン用ガスタービン動翼１０または基本的に同様な外
観を有するガスタービン静翼のごとき用途においてニッ
ケル基超合金と共に使用されることが好ましい。かかる
動翼１０は、ルネ８０（Rene´80 ）のごとき適切な超
合金から成り得る。ルネ８０は、１４重量％のクロム、
９．５重量％のコバルト、５重量％のチタン、４重量％
のタングステン、４重量％のモリブデン、３重量％のア
ルミニウム、０．１７重量％の炭素、０．０６重量％の
ジルコニウム、０．０１５重量％のホウ素および残部の
ニッケルから成る公称組成を有する公知のニッケル基超
合金である。もう１つの実例としては、７．５重量％の
コバルト、９．０重量％のクロム、３．７重量％のアル
ミニウム、４．２重量％のチタン、１．５重量％のモリ
ブデン、４．０重量％のタンタル、６．０重量％のタン
グステン、０．５重量％のニオブおよび残部のニッケル
から成る組成を有するルネＮ４（Rene´N4 ）のごとき
改良されたニッケル基超合金が挙げられる。これらの基
体用超合金は例示を目的として示されたものであって、
本発明の被膜はかかる基体に対する使用のみに制限され
るわけではない。
ンジン用ガスタービン動翼１０または基本的に同様な外
観を有するガスタービン静翼のごとき用途においてニッ
ケル基超合金と共に使用されることが好ましい。かかる
動翼１０は、ルネ８０（Rene´80 ）のごとき適切な超
合金から成り得る。ルネ８０は、１４重量％のクロム、
９．５重量％のコバルト、５重量％のチタン、４重量％
のタングステン、４重量％のモリブデン、３重量％のア
ルミニウム、０．１７重量％の炭素、０．０６重量％の
ジルコニウム、０．０１５重量％のホウ素および残部の
ニッケルから成る公称組成を有する公知のニッケル基超
合金である。もう１つの実例としては、７．５重量％の
コバルト、９．０重量％のクロム、３．７重量％のアル
ミニウム、４．２重量％のチタン、１．５重量％のモリ
ブデン、４．０重量％のタンタル、６．０重量％のタン
グステン、０．５重量％のニオブおよび残部のニッケル
から成る組成を有するルネＮ４（Rene´N4 ）のごとき
改良されたニッケル基超合金が挙げられる。これらの基
体用超合金は例示を目的として示されたものであって、
本発明の被膜はかかる基体に対する使用のみに制限され
るわけではない。
【００１７】かかる動翼１０はエンジンの運転時に高温
の燃焼ガスが衝突する翼形部分１２を含んでいて、それ
の表面は運転時に激しい酸化および腐食作用を受ける。
翼形部分１２の表面が何らかの方法で酸化および腐食か
ら保護されていないと、それは多くても数回の運転サイ
クルにしか絶えられないのが普通である。かかる翼形部
分１２は基底部分１４を介してタービン円板（図示せ
ず）に固定される。場合によっては、翼形部分１２中に
冷却通路１６が設けられていて、それを通して放出され
る空気によって動翼１０から熱が除去される。かかる動
翼１０は、当業者にとって公知の鋳造および凝固方法、
たとえばインベストメント鋳造法あるいは（一層好まし
くは）方向性凝固法または単結晶成長法によって製造さ
れるのが普通である。
の燃焼ガスが衝突する翼形部分１２を含んでいて、それ
の表面は運転時に激しい酸化および腐食作用を受ける。
翼形部分１２の表面が何らかの方法で酸化および腐食か
ら保護されていないと、それは多くても数回の運転サイ
クルにしか絶えられないのが普通である。かかる翼形部
分１２は基底部分１４を介してタービン円板（図示せ
ず）に固定される。場合によっては、翼形部分１２中に
冷却通路１６が設けられていて、それを通して放出され
る空気によって動翼１０から熱が除去される。かかる動
翼１０は、当業者にとって公知の鋳造および凝固方法、
たとえばインベストメント鋳造法あるいは（一層好まし
くは）方向性凝固法または単結晶成長法によって製造さ
れるのが普通である。
【００１８】本発明に従えば、翼形部分１２は金属保護
被膜２０によって保護される。かかる被膜２０は、動翼
１０の表面部分の拡大断面図である図２中に詳細に示さ
れている。すなわち、動翼１０（あるいはガスタービン
静翼またはその他の超合金製品）はニッケル基超合金か
ら成る基体２２を含んでいて、その上に被膜２０が設置
されている。かかる被膜２０は、イットリウムおよび
（または）希土類元素の酸化によって生成された分散酸
化物粒子２４を少なくとも約０．３容量％の量で含有し
ている。これらの粒子は等軸または概して球形の形状を
有するのが通例であるが、細長い形状を有していても差
支えない。（図２においては、図解の都合上、分散酸化
物粒子の容積分率およびそれの大きさが誇張して示され
ている。）上記のごとき被膜を設置するためには、真空
または空気プラズマ溶射法によって基体の表面上に被覆
組成物の層を形成すればよい。真空および空気プラズマ
溶射法は当業者にとって公知である。好適な真空プラズ
マ溶射法においては、一般に、所望の正味組成を有する
粉末がプラズマ中において（少なくとも部分的に）融解
され、そして基体に対して投射される。その結果、溶融
した粉末粒子は基体表面で凝固して被膜を形成すること
になる。かかる粉末は一様な組成を有することが望まし
いが、所望の正味組成を持った組成の異なる粒子を用い
てプラズマ溶射操作を実施することもできる。この場合
には、それらの粒子同士が溶融時に混合することにな
る。かかる操作は真空中または約０．１気圧よりも低い
圧力の不活性ガス中において実施される。こうして得ら
れる被膜の厚さは通例約０．００１〜約０．０１０イン
チの範囲内にあるが、最も好ましくは約０．００４イン
チである。
被膜２０によって保護される。かかる被膜２０は、動翼
１０の表面部分の拡大断面図である図２中に詳細に示さ
れている。すなわち、動翼１０（あるいはガスタービン
静翼またはその他の超合金製品）はニッケル基超合金か
ら成る基体２２を含んでいて、その上に被膜２０が設置
されている。かかる被膜２０は、イットリウムおよび
（または）希土類元素の酸化によって生成された分散酸
化物粒子２４を少なくとも約０．３容量％の量で含有し
ている。これらの粒子は等軸または概して球形の形状を
有するのが通例であるが、細長い形状を有していても差
支えない。（図２においては、図解の都合上、分散酸化
物粒子の容積分率およびそれの大きさが誇張して示され
ている。）上記のごとき被膜を設置するためには、真空
または空気プラズマ溶射法によって基体の表面上に被覆
組成物の層を形成すればよい。真空および空気プラズマ
溶射法は当業者にとって公知である。好適な真空プラズ
マ溶射法においては、一般に、所望の正味組成を有する
粉末がプラズマ中において（少なくとも部分的に）融解
され、そして基体に対して投射される。その結果、溶融
した粉末粒子は基体表面で凝固して被膜を形成すること
になる。かかる粉末は一様な組成を有することが望まし
いが、所望の正味組成を持った組成の異なる粒子を用い
てプラズマ溶射操作を実施することもできる。この場合
には、それらの粒子同士が溶融時に混合することにな
る。かかる操作は真空中または約０．１気圧よりも低い
圧力の不活性ガス中において実施される。こうして得ら
れる被膜の厚さは通例約０．００１〜約０．０１０イン
チの範囲内にあるが、最も好ましくは約０．００４イン
チである。
【００１９】本発明の一側面に基づく被覆超合金製品の
製造方法は、(a) ニッケル基超合金製の基体を用意し、
次いで(b) イットリウム、ハフニウム、希土類元素およ
びそれらの組み合わせから成る群より選ばれた元素から
生成された分散酸化物粒子を少なくとも約０．３容量％
の量で追加含有するニッケル基超合金から成る付着性被
膜を熱溶射法によって基体上に設置する両工程から成っ
ている。被膜を構成する超合金は、酸化および腐食から
基体を保護するように設計された任意の材料であり得
る。分散酸化物はイットリウム、ハフニウムまたは希土
類元素から生成された単独の酸化物であってもよいし、
あるいはそれらの元素の２種以上を含有する複合酸化物
であってもよい。この方法においては、分散酸化物粒子
はプラズマ溶射を受ける粉末中に存在している。
製造方法は、(a) ニッケル基超合金製の基体を用意し、
次いで(b) イットリウム、ハフニウム、希土類元素およ
びそれらの組み合わせから成る群より選ばれた元素から
生成された分散酸化物粒子を少なくとも約０．３容量％
の量で追加含有するニッケル基超合金から成る付着性被
膜を熱溶射法によって基体上に設置する両工程から成っ
ている。被膜を構成する超合金は、酸化および腐食から
基体を保護するように設計された任意の材料であり得
る。分散酸化物はイットリウム、ハフニウムまたは希土
類元素から生成された単独の酸化物であってもよいし、
あるいはそれらの元素の２種以上を含有する複合酸化物
であってもよい。この方法においては、分散酸化物粒子
はプラズマ溶射を受ける粉末中に存在している。
【００２０】本発明の別の側面に基づく被覆超合金製品
の製造方法は、(a) ニッケル基超合金製の基体を用意
し、次いで(b) 後続の酸化熱処理によって少なくとも約
０．３容量％の分散酸化物粒子を生成させるのに十分な
量で、イットリウム、ハフニウム、希土類元素およびそ
れらの組合せから成る群より選ばれた元素を追加含有す
るニッケル基超合金から成る付着性被膜を熱溶射法によ
って基体上に設置する両工程から成っている。この方法
においては、基体表面上に合金が設置される。被膜を構
成する超合金は酸化および（または）腐食から基体を保
護するように設計された任意の材料であり得るが、後続
の熱処理によって分散酸化物粒子を生成させるのに十分
な量のイットリウム、ハフニウムまたは希土類元素を追
加含有している。かかる被膜が設置された後、被覆済み
の基体を酸化雰囲気中において熱処理することにより、
超合金母材中に分散酸化物粒子が生成される。分散酸化
物はイットリウム、ハフニウムまたは希土類元素から生
成された単独の酸化物であってもよいし、あるいはそれ
らの元素の２種以上を含有する複合酸化物であってもよ
い。
の製造方法は、(a) ニッケル基超合金製の基体を用意
し、次いで(b) 後続の酸化熱処理によって少なくとも約
０．３容量％の分散酸化物粒子を生成させるのに十分な
量で、イットリウム、ハフニウム、希土類元素およびそ
れらの組合せから成る群より選ばれた元素を追加含有す
るニッケル基超合金から成る付着性被膜を熱溶射法によ
って基体上に設置する両工程から成っている。この方法
においては、基体表面上に合金が設置される。被膜を構
成する超合金は酸化および（または）腐食から基体を保
護するように設計された任意の材料であり得るが、後続
の熱処理によって分散酸化物粒子を生成させるのに十分
な量のイットリウム、ハフニウムまたは希土類元素を追
加含有している。かかる被膜が設置された後、被覆済み
の基体を酸化雰囲気中において熱処理することにより、
超合金母材中に分散酸化物粒子が生成される。分散酸化
物はイットリウム、ハフニウムまたは希土類元素から生
成された単独の酸化物であってもよいし、あるいはそれ
らの元素の２種以上を含有する複合酸化物であってもよ
い。
【００２１】上記のごとき被膜は、少なくとも約０．３
容量％の分散酸化物粒子を含有していなければならな
い。さもないと、個々の分散酸化物粒子の間隔が大き過
ぎるため、熱疲労サイクル時において被膜の亀裂を低減
させるという効果が十分に得られない。被膜の脆化を引
起こさない限り、多量の分散酸化物粒子を使用すること
は差支えない。なお、分散酸化物粒子の量は約０．５〜
約１．０容量％の範囲内にあることが好ましい。
容量％の分散酸化物粒子を含有していなければならな
い。さもないと、個々の分散酸化物粒子の間隔が大き過
ぎるため、熱疲労サイクル時において被膜の亀裂を低減
させるという効果が十分に得られない。被膜の脆化を引
起こさない限り、多量の分散酸化物粒子を使用すること
は差支えない。なお、分散酸化物粒子の量は約０．５〜
約１．０容量％の範囲内にあることが好ましい。
【００２２】本明細書中において使用される「希土類元
素」という用語は、周期律表のランタン系列中に含まれ
る原子番号５７〜７１の元素を意味する。これらの元素
は、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プ
ロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウ
ム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビ
ウム、ツリウム、イッテルビウムおよびルテチウムであ
る。イットリウム（原子番号３９）およびハフニウム
（原子番号７２）は時には希土類元素として分類される
こともあるが、本明細書中においてはそれらは別個に記
載されており、従って希土類元素中には含まれない。
素」という用語は、周期律表のランタン系列中に含まれ
る原子番号５７〜７１の元素を意味する。これらの元素
は、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プ
ロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウ
ム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビ
ウム、ツリウム、イッテルビウムおよびルテチウムであ
る。イットリウム（原子番号３９）およびハフニウム
（原子番号７２）は時には希土類元素として分類される
こともあるが、本明細書中においてはそれらは別個に記
載されており、従って希土類元素中には含まれない。
【００２３】本発明の好適な実施の態様に従えば、０．
５容量％の酸化イットリウムを添加すると共に、被膜の
結晶粒界領域を強化するための合金元素を添加すること
によって通常のＮｉＣｏＣｒＡｌＹ被膜材料が改質され
る。標準的なＮｉＣｏＣｒＡｌＹ被膜材料は、約２０〜
２３重量％のコバルト、１８重量％のクロム、１２．５
重量％のアルミニウム、０．３重量％のイットリウムお
よび残部のニッケルから成る組成を有している。主要な
合金元素の含量を実質的にそのままに維持しながら、被
膜の結晶粒界を強化するための炭素、ホウ素またはジル
コニウムを添加すると共に、被膜全体にわたって分散し
た約０．５容量％の酸化イットリウム（Ｙ2 Ｏ3 ）粒子
を生成させるのに十分な量の酸化イットリウムを添加す
ることによって満足すべき被膜材料が得られる。結晶粒
界強化剤としては、約０．０７重量％までの炭素、約
０．０３０重量％までのジルコニウム、約０．０３０重
量％までのホウ素またはそれらの混合物を使用すること
が好ましい。それらの好適な最小含量は、約０．０１重
量％の炭素、約０．００５重量％のジルコニウムおよび
約０．００５重量％のホウ素である。上記の最小レベル
よりも少ない含量は結晶粒界の顕著な強化をもたらすこ
とがなく、従って結晶粒界のクリープに原因する被膜の
早期破壊を引起こすことがある。上記の最大レベルより
も多い含量は結晶粒界の脆化を引起こすことがあり、従
ってやはり早期破壊の原因となることがある。
５容量％の酸化イットリウムを添加すると共に、被膜の
結晶粒界領域を強化するための合金元素を添加すること
によって通常のＮｉＣｏＣｒＡｌＹ被膜材料が改質され
る。標準的なＮｉＣｏＣｒＡｌＹ被膜材料は、約２０〜
２３重量％のコバルト、１８重量％のクロム、１２．５
重量％のアルミニウム、０．３重量％のイットリウムお
よび残部のニッケルから成る組成を有している。主要な
合金元素の含量を実質的にそのままに維持しながら、被
膜の結晶粒界を強化するための炭素、ホウ素またはジル
コニウムを添加すると共に、被膜全体にわたって分散し
た約０．５容量％の酸化イットリウム（Ｙ2 Ｏ3 ）粒子
を生成させるのに十分な量の酸化イットリウムを添加す
ることによって満足すべき被膜材料が得られる。結晶粒
界強化剤としては、約０．０７重量％までの炭素、約
０．０３０重量％までのジルコニウム、約０．０３０重
量％までのホウ素またはそれらの混合物を使用すること
が好ましい。それらの好適な最小含量は、約０．０１重
量％の炭素、約０．００５重量％のジルコニウムおよび
約０．００５重量％のホウ素である。上記の最小レベル
よりも少ない含量は結晶粒界の顕著な強化をもたらすこ
とがなく、従って結晶粒界のクリープに原因する被膜の
早期破壊を引起こすことがある。上記の最大レベルより
も多い含量は結晶粒界の脆化を引起こすことがあり、従
ってやはり早期破壊の原因となることがある。
【００２４】上記のごとき組成を有する材料から任意適
宜の公知方法（たとえば機械的合金化）によって粉末が
生成され、次いで真空プラズマ溶射法によって基体上に
設置される。かかる好適な実施の態様に従えば、超合金
製の基体および該基体上に配置された付着性被膜から成
る被覆超合金製品において、約０．０７％までの炭素、
約０．０３０％までのジルコニウムおよび約０．０３０
％までのホウ素から成る群より選ばれた少なくとも１種
のγ相結晶粒界強化剤を含有し、かつイットリウム、ハ
フニウム、希土類元素およびそれらの組合せから成る群
より選ばれた元素から生成された分散酸化物粒子を少な
くとも約０．３容量％の量で追加含有するニッケル基超
合金から上記の被膜が形成される。
宜の公知方法（たとえば機械的合金化）によって粉末が
生成され、次いで真空プラズマ溶射法によって基体上に
設置される。かかる好適な実施の態様に従えば、超合金
製の基体および該基体上に配置された付着性被膜から成
る被覆超合金製品において、約０．０７％までの炭素、
約０．０３０％までのジルコニウムおよび約０．０３０
％までのホウ素から成る群より選ばれた少なくとも１種
のγ相結晶粒界強化剤を含有し、かつイットリウム、ハ
フニウム、希土類元素およびそれらの組合せから成る群
より選ばれた元素から生成された分散酸化物粒子を少な
くとも約０．３容量％の量で追加含有するニッケル基超
合金から上記の被膜が形成される。
【００２５】本発明に基づく最も好適な被膜は、２０重
量％のコバルト、１８重量％のクロム、１２重量％のア
ルミニウム、０．０５重量％の炭素、０．０１５重量％
のホウ素、０．０１５重量％のジルコニウム、０．３重
量％の（金属状）イットリウム、１．０重量％のケイ素
および残部のニッケルから成る金属母材組成物から形成
されたものである。かかる金属母材組成物に対し、約
０．５容量％の酸化イットリウム粒子が機械的合金化に
よって混合される。（この場合、かかる被膜中にはイッ
トリウムがそれの溶解限度内において合金元素として存
在すると共に、酸化イットリウムが分散酸化物粒子とし
て存在している。）このような被膜は任意のプラズマ溶
射法によって設置することができるが、好ましくは（下
記の実施例において使用された）真空プラズマ溶射法に
よって設置される。
量％のコバルト、１８重量％のクロム、１２重量％のア
ルミニウム、０．０５重量％の炭素、０．０１５重量％
のホウ素、０．０１５重量％のジルコニウム、０．３重
量％の（金属状）イットリウム、１．０重量％のケイ素
および残部のニッケルから成る金属母材組成物から形成
されたものである。かかる金属母材組成物に対し、約
０．５容量％の酸化イットリウム粒子が機械的合金化に
よって混合される。（この場合、かかる被膜中にはイッ
トリウムがそれの溶解限度内において合金元素として存
在すると共に、酸化イットリウムが分散酸化物粒子とし
て存在している。）このような被膜は任意のプラズマ溶
射法によって設置することができるが、好ましくは（下
記の実施例において使用された）真空プラズマ溶射法に
よって設置される。
【００２６】前述のごときルネＮ４超合金から成る模造
ガスタービン動翼上に上記の被膜を設置した。かかる模
造動翼を、米国特許第３５４０８７８号明細書中に開示
されたパック拡散法によって形成されたＣＯＤＥＰ被膜
を有する同様なルネＮ４超合金製模造動翼と比較しなが
ら試験した。燃焼装置による熱疲労試験においては、模
造動翼を９７０°Ｆと１８００°Ｆとの間における５０
００回の熱サイクルに暴露し、次いで検査した。その結
果、分散物含有被膜で被覆された動翼はＣＯＤＥＰ被膜
で被覆された動翼とほぼ同じ数の亀裂を示したが、亀裂
の規模は分散物含有被膜の場合の方が遥かに小さかっ
た。
ガスタービン動翼上に上記の被膜を設置した。かかる模
造動翼を、米国特許第３５４０８７８号明細書中に開示
されたパック拡散法によって形成されたＣＯＤＥＰ被膜
を有する同様なルネＮ４超合金製模造動翼と比較しなが
ら試験した。燃焼装置による熱疲労試験においては、模
造動翼を９７０°Ｆと１８００°Ｆとの間における５０
００回の熱サイクルに暴露し、次いで検査した。その結
果、分散物含有被膜で被覆された動翼はＣＯＤＥＰ被膜
で被覆された動翼とほぼ同じ数の亀裂を示したが、亀裂
の規模は分散物含有被膜の場合の方が遥かに小さかっ
た。
【００２７】２０７５°Ｆの温度およびマッハ１のガス
速度を用いた燃焼装置による促進酸化試験においては、
分散物含有被膜で被覆された１組の試験片が５８５時間
の平均寿命を示したのに対し、ＣＯＤＥＰ被膜で被覆さ
れた試験片の平均寿命は１２５時間であった。１７００
°Ｆの温度および５ppm の塩分含有環境を用いた高温腐
食試験においては、分散物含有被膜で被覆された動翼が
少なくとも１６００時間（試験中止までの時間）の平均
寿命を示したのに対し、ＣＯＤＥＰ被膜で被覆された動
翼の平均寿命は５５０時間に過ぎなかった。
速度を用いた燃焼装置による促進酸化試験においては、
分散物含有被膜で被覆された１組の試験片が５８５時間
の平均寿命を示したのに対し、ＣＯＤＥＰ被膜で被覆さ
れた試験片の平均寿命は１２５時間であった。１７００
°Ｆの温度および５ppm の塩分含有環境を用いた高温腐
食試験においては、分散物含有被膜で被覆された動翼が
少なくとも１６００時間（試験中止までの時間）の平均
寿命を示したのに対し、ＣＯＤＥＰ被膜で被覆された動
翼の平均寿命は５５０時間に過ぎなかった。
【００２８】このように、本発明の分散物含有被膜は模
擬運転環境中において現行のＣＯＤＥＰ被膜よりも優れ
た成績を示した。通例、本発明の被膜は通常のＮｉＣｏ
ＣｒＡｌＹ被膜よりも強固である。たとえば、通常のＮ
ｉＣｏＣｒＡｌＹ被膜の破壊寿命は、１６００°Ｆの温
度および３０００psi の応力下で試験した場合に約１３
時間である。本発明に基づく上記のごとき被膜は、設置
したままの状態において同じ条件下で試験した場合、約
２３時間の破壊寿命を示した。更にまた、かかる被膜を
２３１０°Ｆで２時間にわたり熱処理したところ、それ
の破壊寿命は５０６時間に増大した。このような強度の
増大は、かかる被膜において観察された亀裂の規模の低
下の一因を成すものと考えられる。
擬運転環境中において現行のＣＯＤＥＰ被膜よりも優れ
た成績を示した。通例、本発明の被膜は通常のＮｉＣｏ
ＣｒＡｌＹ被膜よりも強固である。たとえば、通常のＮ
ｉＣｏＣｒＡｌＹ被膜の破壊寿命は、１６００°Ｆの温
度および３０００psi の応力下で試験した場合に約１３
時間である。本発明に基づく上記のごとき被膜は、設置
したままの状態において同じ条件下で試験した場合、約
２３時間の破壊寿命を示した。更にまた、かかる被膜を
２３１０°Ｆで２時間にわたり熱処理したところ、それ
の破壊寿命は５０６時間に増大した。このような強度の
増大は、かかる被膜において観察された亀裂の規模の低
下の一因を成すものと考えられる。
【００２９】上記の通り、本発明は超合金基体の保護に
関する進歩をもたらすものであって、一層詳しく述べれ
ば、金属保護被膜によるニッケル基超合金基体の保護に
関する進歩をもたらすものである。上記の説明において
は本発明が特定の実施の態様および特定の実施例に関連
して記載されたが、前記特許請求の範囲によって規定さ
れる本発明の精神および範囲から逸脱することなしに様
々な変更態様が可能であることは当業者にとって自明で
あろう。
関する進歩をもたらすものであって、一層詳しく述べれ
ば、金属保護被膜によるニッケル基超合金基体の保護に
関する進歩をもたらすものである。上記の説明において
は本発明が特定の実施の態様および特定の実施例に関連
して記載されたが、前記特許請求の範囲によって規定さ
れる本発明の精神および範囲から逸脱することなしに様
々な変更態様が可能であることは当業者にとって自明で
あろう。
【図１】金属保護被膜を有するガスタービン動翼の斜視
図である。
図である。
【図２】線２−２に沿って切断した図１のガスタービン
動翼の拡大断面図である。
動翼の拡大断面図である。
１０ ジェットエンジン用ガスタービン動翼 １２ 翼形部分 １４ 基底部分 １６ 冷却通路 ２０ 金属保護被膜 ２２ ニッケル基超合金から成る基体 ２４ 分散酸化物粒子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラムゴパル・ダロリア アメリカ合衆国、オハイオ州、ウエスト・ チェスター、オーバーランド・パーク・コ ート、7377番
Claims (10)
- 【請求項１】 超合金製の基体および前記基体上に配置
された付着性被膜から成る被覆超合金製品において、イ
ットリウム、ハフニウム、希土類元素およびそれらの組
合せから成る群より選ばれた元素から生成された分散酸
化物粒子を少なくとも約０．３容量％の量で追加含有す
るニッケル基超合金から前記被膜が形成されていること
を特徴とする製品。 - 【請求項２】 前記酸化物生成元素がイットリウムであ
る請求項１記載の製品。 - 【請求項３】 イットリウム、ハフニウムおよび希土類
元素から成る群より選ばれた２種以上の酸化物生成元素
が存在する請求項１記載の製品。 - 【請求項４】 前記被膜が前記分散粒子を約０．５〜約
１．０容量％の量で含有する請求項１記載の製品。 - 【請求項５】 超合金製の基体および前記基体上に配置
された付着性被膜から成る被覆超合金製品において、約
０．０７重量％までの炭素、約０．０３０重量％までの
ジルコニウムおよび約０．０３０重量％までのホウ素か
ら成る群より選ばれた少なくとも１種のγ相結晶粒界強
化剤を含有し、かつイットリウム、ハフニウム、希土類
元素およびそれらの組合せから成る群より選ばれた元素
から生成された分散酸化物粒子を少なくとも約０．３容
量％の量で追加含有するニッケル基超合金から前記被膜
が形成されていることを特徴とする製品。 - 【請求項６】 (a) ニッケル基超合金製の基体を用意
し、次いで(b) イットリウムおよび希土類元素から成る
群より選ばれた元素から生成された分散酸化物粒子を少
なくとも約０．３容量％の量で追加含有するニッケル基
超合金から成る付着性被膜を熱溶射法によって前記基体
上に設置する両工程から成ることを特徴とする被覆超合
金製品の製造方法。 - 【請求項７】 前記被膜設置工程が真空プラズマ溶射法
によって実施される請求項６記載の方法。 - 【請求項８】 前記被膜設置工程が空気プラズマ溶射法
によって実施される請求項６記載の方法。 - 【請求項９】 (a) ニッケル基超合金製の基体を用意
し、次いで(b) 後続の酸化熱処理によって少なくとも約
０．３容量％の分散酸化物粒子を生成させるのに十分な
量で、イットリウム、ハフニウム、希土類元素およびそ
れらの組合せから成る群より選ばれた元素を追加含有す
るニッケル基超合金から成る付着性被膜を熱溶射法によ
って前記基体上に設置する両工程から成ることを特徴と
する被覆超合金製品の製造方法。 - 【請求項１０】 前記被膜設置工程の後、被覆済みの前
記基体を熱処理することによって前記被膜中に分散酸化
物粒子を生成させる工程が追加包含される請求項９記載
の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US75694791A | 1991-09-09 | 1991-09-09 | |
| US756947 | 1991-09-09 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05195186A true JPH05195186A (ja) | 1993-08-03 |
Family
ID=25045734
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23874692A Withdrawn JPH05195186A (ja) | 1991-09-09 | 1992-09-08 | 分散物を含有した保護被膜を有する超合金製品およびそれの製造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0532252A1 (ja) |
| JP (1) | JPH05195186A (ja) |
| CA (1) | CA2076091A1 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004325450A (ja) * | 2003-04-24 | 2004-11-18 | General Electric Co <Ge> | 溶射被覆された物品の作製方法及び超音波試験法 |
| JP2012219375A (ja) * | 2011-04-07 | 2012-11-12 | General Electric Co <Ge> | 酸化物分散強化皮膜の形成方法 |
Families Citing this family (5)
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|---|---|---|---|---|
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| TW383233B (en) * | 1995-01-31 | 2000-03-01 | Rieter Ag Maschf | Thread guiding elements |
| US6168874B1 (en) | 1998-02-02 | 2001-01-02 | General Electric Company | Diffusion aluminide bond coat for a thermal barrier coating system and method therefor |
| EP1036850A4 (en) * | 1998-06-15 | 2003-05-02 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | NICKEL-BASED SINGLE CRYSTAL ALLOY WITH COATING FILM TO PREVENT CRYSTALIZATION BREAKING |
| FR3096690B1 (fr) * | 2019-05-27 | 2021-07-23 | Safran | Procédé de protection contre la corrosion |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CH599352A5 (ja) * | 1976-10-15 | 1978-05-31 | Bbc Brown Boveri & Cie | |
| US4230748A (en) * | 1979-08-15 | 1980-10-28 | Eutectic Corporation | Flame spray powder mix |
| US4447503A (en) * | 1980-05-01 | 1984-05-08 | Howmet Turbine Components Corporation | Superalloy coating composition with high temperature oxidation resistance |
| CA1233998A (en) * | 1984-04-05 | 1988-03-15 | Subramaniam Rangaswamy | Aluminum and yttrium oxide coated thermal spray powder |
| WO1987006273A2 (en) * | 1986-04-10 | 1987-10-22 | MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MüNCHEN GMBH | Coating to protect against wear and fretting corrosion of, in particular, metal mechanical components held together by frictional adherence |
-
1992
- 1992-08-13 CA CA 2076091 patent/CA2076091A1/en not_active Abandoned
- 1992-09-08 JP JP23874692A patent/JPH05195186A/ja not_active Withdrawn
- 1992-09-08 EP EP92308099A patent/EP0532252A1/en not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004325450A (ja) * | 2003-04-24 | 2004-11-18 | General Electric Co <Ge> | 溶射被覆された物品の作製方法及び超音波試験法 |
| JP2012219375A (ja) * | 2011-04-07 | 2012-11-12 | General Electric Co <Ge> | 酸化物分散強化皮膜の形成方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA2076091A1 (en) | 1993-03-10 |
| EP0532252A1 (en) | 1993-03-17 |
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