JPH05195188A - 熱障壁被覆系 - Google Patents

熱障壁被覆系

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JPH05195188A
JPH05195188A JP4242873A JP24287392A JPH05195188A JP H05195188 A JPH05195188 A JP H05195188A JP 4242873 A JP4242873 A JP 4242873A JP 24287392 A JP24287392 A JP 24287392A JP H05195188 A JPH05195188 A JP H05195188A
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JP
Japan
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bond coat
thermal barrier
substrate
barrier coating
bond
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Withdrawn
Application number
JP4242873A
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English (en)
Inventor
Bhupendra K Gupta
ブーペンドラ・クマー・ギュプタ
Jim D Reeves
ジム・ディーン・リーブス
Bangalore A Nagaraj
バンガロア・アズワサ・ナガラー
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高温暴露に対する保護として金属基体に施さ
れる熱障壁被覆系。 【構成】 高温での使用のために熱障壁被覆系で被覆さ
れた物品は基体上に配置された結合被膜の外側部分にア
ルミナイドを施すことによって改善された熱サイクル剥
離寿命を有する。該結合被膜はそれを覆う熱障壁被膜の
施用前に約２００−６００ミクロインチＲＡの範囲の表
面粗さをもつ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は高温への暴露に対する防
護のために金属基体に施される熱障壁被膜に関する。特
に本発明は結合被膜、を金属基体と熱障壁被膜との間に
配置した熱障壁被覆系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンエンジン技術、特に航空機
に使用する目的で開発されたガスタービンエンジンの技
術分野においては、高温で作動する部材は作動中苛酷な
酸化性条件に暴露される。かゝる部材の典型的な例はか
ゝるガスタービンエンジンのタービン部分に配置される
ブレード、ベーン及び関連部材である。かゝる部材の作
業寿命を延長するために、設計技術者は酸化及び硫化に
対する防護用としてこれら部材の表面に施される被覆を
特定してきた。
【０００３】かゝる被覆の一例は種々の形態の熱障壁被
覆系として報告されている。一般に、熱障壁被膜はセラ
ミック型の被膜であり、その例は一般にイットリア、マ
グネシア又はカルシアで安定化されたジルコニアを包含
する。かゝる被覆系の好ましい一形態は基体と熱障壁被
膜との間に配置された結合被膜を包含する。ＭＣｒＡｌ
型の合金（たゞしＭはＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ及びそれらの混
合物及び合金から選んだ金属である）の結合被膜が報告
されている。かゝるＭＣｒＡｌ合金の特定の性質を改善
するために、Ｙ，稀土類元素、Ｐｔ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｈ
ｆ，等及びそれらの組合せを包含する他の元素がＭＣｒ
Ａｌ合金中に配合されている。かゝるＭＣｒＡｌ合金の
結合被膜系又はそれに配合される元素について開示して
いる代表的な米国特許文献はStecura らの米国特許第
４，０５５，７０５号明細書（１９７７年１０月２５日
発行）、Clingmanらの同第４，２６９，９０３号明細書
（１９８１年５月２６日発行）、Ulion らの同第４，３
２１，３１０号明細書（１９８２年３月２３日発行）、
Strangman の同第４，３２１，３１１号明細書（１９８
２年３月２３日発行）、Billらの同第４，３３５，１９
０号明細書（１９８２年６月１５日発行）及びStrangma
n の同第４，８８０，６１４号明細書（１９８９年１１
月１４日発行）を包含する。これら特許文献の記載をこ
ゝに参考的開示事項として記載する。たとえば、Strang
man の米国特許第４，８８０，６１４号明細書にはＭＣ
ｒＡｌＹ結合被膜上に及び該金属結合被膜とセラミック
熱障壁被膜との間に付着されたα−アルミナの高純度、
高密度のセラミック酸化物の化学蒸着（ＣＶＤ）界面層
が教示されている。また場合によっては、基体の表面、
すなわち結合被膜の下に拡散アルミナイドを包含させる
ことができる。
【０００４】前記引用した特許文献に記載されているよ
うな既知の熱障壁被覆系を施す方法は制御が困難で、高
価で複雑な機器を必要としかつ低い生産効率を与え得る
ような真空又は低圧施用装置を必要とする。したがっ
て、得られる被覆系及び製品は製造コストが高くなると
いう欠点がある。
【０００５】
【発明の概要】一形態によれば、本発明は結合被膜を含
み、該結合被膜の外側部分にＡｌを拡散させた結果とし
て良好な機械的性質及び改善された耐環境性を該結合被
膜に付与した熱障壁被覆系を提供する改良法に関するも
のである。さらに、該結合被膜は平均粗さ（ＲＡ）が約
２００−６００ミクロインチの範囲である表面粗さの外
側部分をもち、しかも該外側部分へのＡｌの拡散はかゝ
る表面粗さを次後に施される熱障壁被膜のための定着媒
体として実質的に保有する。かく得られる製品及び被覆
系は熱障壁被膜とかゝる表面粗さの結合被膜外側部分と
の間の界面によって特徴付けられる。
【０００６】本発明の一形態においては、Ａｌは当該技
術で広く知られているアルミナイド形成法、たとえば充
填、蒸気雰囲気、局部粉末施用等による方法、によって
施される。かゝる方法はＡｌ又はその合金を露出表面の
中にゆっくり拡散させ、それによって存在するいかなる
気孔をもより良好に封止し、しかもその下にある表面仕
上、この場合には約２００−６００ミクロインチのＲＡ
を、なお保持せしめる。
【０００７】本発明の好ましい一実施態様においては、
結合被膜は既知の方法において必要とされる減圧又は真
空下ではなくてむしろ実質的に周囲圧力で施すことがで
きることが認められた。こゝで使用する用語“実質的に
周囲圧力”とは、結合被膜の施用のために、既知の方法
で一般に使用されている減圧施用とは区別される空気又
は非酸化性又は不活性ガスにより溶射体を覆い又は包囲
する雰囲気下での溶射又はプラズマ溶射のような施用法
を意味するものとする。
【０００８】本発明の組合せは良好な機械的性質及び高
温環境抵抗性をもちかつ熱障壁被覆系の下層部分から又
は物品基体からの熱障壁被膜の剥離（スポーリング）に
耐性である系を包含する熱障壁被覆を施された製品を提
供する。その結果、該被覆系から本発明の方法を使用し
て得られる製品は、前記したごとき性質及び特徴の組合
せによって、より高い作動温度において使用することが
できる。
【０００９】
【発明の詳細な開示】ガスタービンエンジンの翼のよう
なタービン部分に使用するための製品に施される既知の
熱障壁被覆系は翼の基体に金属結合被膜を低圧プラズマ
溶射法（ＬＰＰＳ）によって施し、ついでこの結合被膜
にセラミックジルコニア、多くの場合イットリアで安定
化されたセラミックジルコニアを空気プラズマ溶射法を
用いて施用した系を包含する。ＬＰＰＳ法による結合被
膜の施用は実質的な資本投資を必要とする部分真空室系
を使用する。さらに、ＬＰＰＳ法の工程は相当な時間を
消費し、その結果生産性を減ずる。すなわち各部分真空
室への裝入毎に、真空を確立しそして分圧の不活性ガス
で再充填し、溶射被覆を行い、次いで真空中で冷却しそ
れから取り出すという手順を必要とする。
【００１０】前述したＭＣｒＡｌ型の種々の結合被膜を
熱障壁被膜とともに使用することはすでに報告されてい
るが、１２重量％未満のＡｌを含むこれらの型の被膜が
より高いＡｌ含量をもつかゝる被膜よりも良好な耐高温
（たとえば２０００−２１００°Ｆの範囲）クリープ性
及び応力破断耐性を有し得ることが従来の認識であっ
た。しかしながら、かゝる低いＡｌ含量はより低い耐酸
化性を与えるものである。本発明はその一形態として高
強度の結合被膜の使用に該結合被膜の外側部分へのアル
ミニウムの拡散を組合せ、それによって良好な機械的性
質ならびに良好な環境抵抗性をともに有する結合被膜を
提供する。本発明の別の形態においては、結合被膜の使
用と組合せて、結合被膜組成物の種類に関係なく次後に
施される熱障壁被膜のための改善された定着媒体として
約２００−６００ミクロインチのＲＡの範囲の表面粗さ
を与えるように結合被膜を施用する。本発明の好ましい
組合せにおいては、約１２重量％未満のＡｌ含量をもつ
ＭＣｒＡｌＹ型の合金の結合被膜を、約２００−６００
ミクロインチのＲＡの範囲の表面粗さを与えるように選
定された寸法の合金粒子を使用して、実質的に周囲圧力
における溶射法によって施用する。ついで結合被膜の外
側部分をアルミナイド化処理してＡｌ含量を増加させ、
それによって改善された環境抵抗性を与え、しかも一方
では次後に被覆される熱障壁被膜のための定着媒体とし
ての表面粗さを保持しかつ結合被膜の外側部分の気孔を
封止する。
【００１１】本発明の評価を通じて、結合被膜の外側部
分の表面は、それが施された際、約２００−６００ミク
ロインチＲＡの範囲の表面粗さをもつべきであることが
認められた。すなわち、約２００ミクロインチＲＡ未満
の表面粗さは次後に施されるセラミック熱障壁被膜を定
着するには不十分な粗さを与え、一方約６００ミクロイ
ンチＲＡを超える表面粗さはＡｌの拡散によって封止す
るには高過ぎる表面気孔率を与えしかも熱疲れ破損なら
びに酸化浸透の径路を与えることが認められた。したが
って、本発明の方法によれば、結合被膜合金の粒子は溶
射による施用後に、２００−６００ミクロインチＲＡの
範囲内の表面粗さを結合被膜外側部分に与える粒度をも
つように選定される。
【００１２】前述したごとく、結合被膜の外側部分のＡ
ｌ含量を増加させるための好ましい一方法はアルミナイ
ド化による方法である。かゝる方法及びそれに付随する
物質は、当該技術において、たとえば米国特許第３，５
４０，８７８号明細書（Levineら、１９７０年１１月１
７日発行）、同第３，５９８，６３８号明細書（Levin
e、１９７１年８月１０日発行）、同第３，６１７，３
６０号明細書（Levine、１９７１年１１月２日発行）及
び同第４，００４，０４７号明細書（Gresile 、１９７
７年１月１８日発行）、その他に記載されている。上記
Levineらの米国特許第３，５４０，８７８号明細書には
一般にＣＯＤＥＰ被覆と呼ばれる、粒状充填混合物及び
充填物中に埋設された物品のアルミナイド化法が記載さ
れている。上記米国特許第３，５９８，６３８号明細書
には物品をかゝる充填物上に吊下げそしてこの粒状充填
物から放出される蒸気に暴露する方式のアルミナイド化
法が記載されている。上に列挙した特許明細書の各々の
開示をこゝに参考のために引用する。しかしながら、た
とえば噴霧法、化学蒸着法、充填物内施用法、レーザー
法及びその他の方法を包含する他の施用法をＡｌの施用
のために使用し得ることを理解すべきである。
【００１３】
【実施例の記載】本発明の具体的な評価のために行なっ
た炉サイクル試験のデータを後記第Ｉ表に要約する。こ
れらのデータを得るために用いた試験片の製造において
は、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）を約３５psi の圧力の
空気及び約６５psi の圧力の窒素ガス主雰囲気を用いて
行なった。低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）は真空室中で
５０トルの窒素ガス分圧下で行なった。各実施例におい
て、熱障壁被膜（ＴＢＣ）は０．０１−０．０２インチ
の厚みでありそして全結合被膜厚は０．００３−０．０
０６インチの範囲であった。採用した各試験サイクルは
空気中、２０００°Ｆで４５分、ついで空気中で室温ま
で放冷し、室温で１５分間保持した後、このサイクルを
反復するという内容であった。第Ｉ表のデータのために
使用した試験片において、二種類の結合被膜はいずれも
ＮｉＣｒＡｌ型合金であった。すなわちＢＣ５２合金は
公称重量％で１８Ｃｒ，６．５Ａｌ，１０Ｃｏ，６Ｔ
ａ，２Ｒｅ，０．５Ｈｆ，０．３Ｙ，１Ｓｉ，０．０１
５Ｚｒ，０．０６Ｃ，０．０１５Ｂと残部Ｎｉ及び偶発
的に付随する不純物の組成のものであり、ＮｉＣｒＡｌ
Ｙ合金は公称重量％で２２Ｃｒ，１０Ａｌ，１Ｙと残部
Ｎｉ及び偶発的に付随する不純物の組成のものであっ
た。これらの合金は所望の表面粗さを与えるために−１
４０＋２４０ＡＳＴＭ標準メッシュ寸法の範囲の粒度を
もつ粉末から施用した。これらの結合被膜上に施された
熱障壁被膜（ＴＢＣ）は８重量％のＹ2 Ｏ3 で安定化さ
れたＺｒＯ2 であり、該ＴＢＣは各実施例において空気
プラズマ溶射（ＡＰＳ）により施した。Ｒ８０として示
した基体合金は商業的に入手し得る“ルネ（Rene）′８
０”合金であり、その公称組成は重量％で表わして０．
１７Ｃ，１４Ｃｒ，５Ｔｉ，０．０１５Ｂ，３Ａｌ，４
Ｗ，４Ｍｏ，９．５Ｃｏ，０．０５Ｚｒと残部Ｎｉ及び
偶発的に付随する不純物からなるものであった。また、
Ｎ５として示した合金は重量％で表わして０．０５Ｃ，
７Ｃｒ，０．００４Ｂ，６．２Ａｌ，５．２Ｗ，１．５
Ｍｏ，６．５Ｔａ，７．５Ｃｏ，０．１５Ｈｆ，０．０
１Ｙ，３Ｒｅと残部Ｎｉ及び偶発的に付随する不純物か
らなる公称組成を有するものであった。
【００１４】
【表１】
【００１５】第Ｉ表のデータはＡＰＳによって施された
結合被膜の外側部分にアルミナイド化処理を行なった本
発明に従って製造された実施例１及び２の試験片の結合
被膜が比較的低いＡｌ含量をもつＭＣｒＡｌＹ型合金の
結合被膜と比較して著しく延長されたサイクル寿命をも
つことを明らかに示している。結合被膜のアルミナイド
化処理を行なわない系においては、９−１１重量％（公
称１０重量％）の範囲のＡｌ含量をもつＮｉＣｒＡｌＹ
合金結合被膜のサイクル寿命は著しくより低いことが認
められる。理論に固執するものではないが、Ｒ８０合金
よりも幾分高いＡｌ含量をもつＮ５合金基体はＮ５基体
から結合被膜への拡散にＡｌが利用し得るため幾分寿命
が長いと考えられる。
【００１６】実施例１−６のデータは、実質的に周囲圧
力で、この場合には空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）で施さ
れた結合被膜は該結合被膜上にアルミナイドが施されて
おり、熱サイクル条件下での剥離に対して優れた耐性を
有し得ることを示している。実施例３及び４に関して
は、施された結合被膜の外側部分（本発明におけるごと
く）にではなくて、結合被膜を施す前に基体にアルミナ
イドを施用（前記引用したStrangman らの米国特許第
４，８８０，６１４号明細書に随意工程として包含され
ているごとき）しても剥離に対する平均熱サイクル耐性
の改善は得られない点に注目すべきである。実施例７及
び８のデータはＬＰＰＳ法によって施された結合被膜の
外側部分をアルミナイド化処理することによって、結合
被膜のアルミナイド化を行なわないＬＰＰＳ法によって
施された結合被膜をもつ実施例９及び１０と比較して、
改善が得られることを示すためのものである。
【００１７】第Ｉ表のデータから、熱障壁被覆系におけ
る熱サイクル寿命の顕著な改善は約２００−６００ミク
ロインチＲＡの範囲の表面粗さをもつ結合被膜の外側部
分をアルミナイド化処理した結果として達成されること
が明らかに認められる。結合被膜のＬＰＰＳ法による施
用は良好な結果を与え得るが、それは実施に高い費用が
かゝるものである。本発明は結合被膜外側部分へのかゝ
るアルミナイドの施用によって、従来技術において認識
されていなかったより安価な、より簡単な代替法を提供
するものである。
【００１８】後記第II表のデータは結合被膜の施された
時点での表面粗さがアルミナイド化処理後も実質的に保
有されることを示すためのものである。この結合被膜は
空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）によって施された前述のＢ
Ｃ５２合金であった。
【００１９】 第II表 アルミナイド化処理前後の表面粗さ （ミクロインチＲＡ） アルミナイド化 アルミナイド化 実施例 処理前 処理後 Ｃ１ ５１４ ４８３ Ｃ２ ４７８ ４８６ Ｄ１ ５１０ ５５７ Ｄ２ ４７３ ４９６ 以上、本発明を代表的な実施例及び実施態様に関して説
明したが、かゝる実施例は何等本発明の範囲を限定する
ものではない点を理解すべきである。本発明の特許請求
の範囲に示した技術思想の範囲内の他の実施態様は当業
者には明らかであろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バンガロア・アズワサ・ナガラー アメリカ合衆国、オハイオ州、ウエスト・ チェスター、コーチライト・ウェイ、6479 番

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 物品の基体の側に配された内側部分及び
    該基体から離れた側にあって熱障壁被膜に面した外側部
    分をもつ結合被膜を含む熱障壁被覆系で物品の基体を被
    覆する方法において、つぎの工程：該結合被膜をその外
    側部分で約２００−６００ミクロインチＲＡの範囲の表
    面粗さを与えるように施し；そして熱障壁被膜を施す前
    に、該結合被膜の外側部分中にＡｌ及びその合金からな
    る群から選んだ金属を拡散させ、それによってＡｌに富
    む結合被膜金属外側表面を与え、しかも約２００−６０
    ０ミクロインチＲＡの表面粗さを実質的に保持せしめ
    る；工程を特徴とする物品基体を熱障壁被覆系で被覆す
    る方法。
  2. 【請求項２】 Ｎｉ，Ｃｏ及びそれらの混合物からなる
    群から選んだ元素に基づく物品の基体を熱障壁被覆系で
    被覆する際、つぎの工程：該基体に、ＭＣｒＡｌＹ合金
    （式中、ＭはＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ及びそれらの混合物及び
    合金からなる群から選ばれる）を含んでなる結合被膜
    を、その内側部分で該基体に結合され、該結合被膜の外
    側部分が該基体から離れた側に面するように、施し；該
    結合被膜の外側部分中にＡｌ及びその合金からなる群か
    ら選んだ金属を拡散させ、それによってＡｌに富む結合
    被膜金属外側表面を与え；そして該Ａｌに富む結合被膜
    外側表面上に熱障壁被膜を付着させる；工程を特徴とす
    る請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 該結合被膜を、実質的に周囲圧力で、約
    ２００−６００ミクロインチの範囲の表面粗さを結合被
    膜の外側部分に与えるように選定された大きさをもつＭ
    ＣｒＡｌＹ合金粒子を用いて施すことを特徴とする請求
    項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 該結合被膜の外側部分中に拡散される金
    属をアルミナイド化によって施すことを特徴とする請求
    項３記載の方法。
  5. 【請求項５】 基体、該基体上に配置された結合被膜及
    び該結合被膜を覆う熱障壁被膜を含んでなる、熱障壁被
    覆系で被覆された物品において、 該結合被膜が該基体と結合した内側部分及び該基体から
    離れた側の外側部分を有し；該結合被膜外側部分が該外
    側部分中に拡散されたＡｌ及びその合金からなる群から
    選んだ金属を含み、それによって改善された耐酸化性を
    もつＡｌに富む結合被膜金属外側表面を与え；該熱障壁
    被膜を該Ａｌに富む金属外側表面上に配置され；そして
    該結合被膜外側部分が約２００−６００ミクロインチＲ
    Ａの範囲の粗さをもつ、該熱障壁被膜との界面を有する
    こと；を特徴とする熱障壁被覆系で被覆された物品。
  6. 【請求項６】 該Ａｌに富む結合被膜金属外側表面がア
    ルミナイドでありそして該結合被膜は施された時点で約
    １２重量％未満のＡｌを含有することを特徴とする請求
    項５記載の物品。
  7. 【請求項７】 該基体がＮｉ，Ｃｏ及びそれらの混合物
    からなる群から選んだ元素に基づく高温超合金であり；
    該結合被膜がＭＣｒＡｌＹ合金（式中、ＭはＦｅ，Ｎ
    ｉ，Ｃｏ及びそれらの混合物及び合金からなる群から選
    ばれる）を含んでなり；そして該熱障壁被膜がＺｒ，
    Ｙ，Ｍｇ及びそれらの混合物の酸化物及びそれらの組合
    せからなる群から選んだセラミック酸化物であることを
    特徴とする請求項６記載の物品。
  8. 【請求項８】 熱障壁被覆系において、基体と熱障壁被
    膜との間に配置された結合被膜であって、 該基体に面する側にある内側部分；及び該基体から離れ
    た側にある外側部分；を含み、しかも該外側部分はその
    中に拡散されたＡｌ及びその合金からなる群から選んだ
    金属を含有し、それによって該熱障壁被膜に面する改善
    された耐酸化性をもつＡｌに富んだ結合被膜金属外側表
    面を与え、さらに該外側部分は約２００−６００ミクロ
    インチＲＡの範囲の粗さをもつ、該熱障壁被膜との界面
    を有することを特徴とする熱障壁被覆系の結合被膜。
  9. 【請求項９】 該Ａｌに富んだ結合被膜金属外側表面が
    アルミナイドである請求項８記載の結合被膜。
  10. 【請求項１０】 該結合被膜がＭＣｒＡｌＹ合金（式
    中、ＭはＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ及びそれらの混合物及び合金
    からなる群から選ばれる）を含んでなる請求項８記載の
    結合被膜。
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