JPH10168556A - プラチナ・アルミナイジングされた単一結晶超合金 - Google Patents

プラチナ・アルミナイジングされた単一結晶超合金

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JPH10168556A JP9197513A JP19751397A JPH10168556A JP H10168556 A JPH10168556 A JP H10168556A JP 9197513 A JP9197513 A JP 9197513A JP 19751397 A JP19751397 A JP 19751397A JP H10168556 A JPH10168556 A JP H10168556A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 単一結晶超合金にアルミナイド被膜を施す方
法の提供。 【解決手段】 レニウム含有量が多い単一結晶超合金基
体30の表面を、モデイファイして、アルミナイジング
して、アルミナイド被膜32を形成する、レニウム含有
量が多い超合金をアルミナイジングする方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、超合金、特に単
一結晶超合金にアルミナイド(aluminide )被膜を施す
ことに関するものである。
【0002】
【従来の技術】単一結晶超合金は、ガスタービンエンジ
ンのタービンブレードおよびタービン翼のために開発さ
れ、タービンブレードおよびタービン翼に最高の耐高熱
強度を付与する。しかしながら、初期の超合金の組成に
比べて、単一結晶超合金の組成に変化が生ずると、これ
らの単一結晶超合金の面は、劣化が進んでしまう。さら
に、タービンブレードとタービン翼には、さらに一層耐
用年数が延びることが要求されている。かくして、これ
らの単一結晶超合金のタービンブレードとタービン翼
は、腐食、酸化によって劣化してしまうので耐用時間の
点で満足すべき結果が得られていない。
【0003】前記の単一結晶超合金について、概略説明
すると、単一結晶超合金は、例えば2重量%〜8重量%
のレニウムと比較的高いレベルのタングステンとタンタ
ルとを含んでいて、耐高熱強度特性が得られるようにな
っている。
【0004】これらの単一結晶超合金は、レニウム、タ
ングステンおよびタンタルにより熱に極めて強くなって
いる。
【0005】単一結晶超合金のタービンブレードとター
ビン翼の耐用時間、耐用寿命を延ばすためには、単一結
晶超合金のタービンブレードまたはタービン翼の表面を
保護被膜で保護することが望ましい。タービンブレード
およびタービン翼に普通に施されている保護被膜として
は、プラチナ・アルミナイド被膜が知られている。該プ
ラチナ・アルミナイド被膜は、まず最初にタービンブレ
ードまたはタービン翼をプラチナで被覆し、つぎに、ア
ルミナイジングプロセスを用いて、前記プラチナで被覆
されたタービンブレードまたはタービン翼をアルミナイ
ジングすることによってプラチナで被覆されたタービン
ブレードまたはタービン翼のプラチナ被膜の上に形成さ
れる。このアルミナイジングプロセスは、当業者によく
知られているプロセス、例えば、パック・アルミナイジ
ングプロセス、アウト・オブ・パック(非接触)気相ア
ルミナイジングプロセス、化学蒸着または他のプロセス
によって行われる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レニウ
ム含有量が多い単一結晶超合金タービンブレードまたは
タービン翼は、コンベンショナルのプロセスを用いてプ
ラチナ・アルミナイジングされたもので、前記被膜と単
一結晶超合金との間のインターフェース部分に機械強度
を脆弱にする合金構造上脆いトポロジカルに密にパック
(密集)されたフェーズ(相)が形成される。レニウム
の含有量が高い単一結晶超合金は、レニウムを4重量%
以上含むものである。これらの機械強度を脆弱にする合
金構造上脆いトポロジカルに密にパック(密集)された
フェーズ(相)は、構造の処理として直にアルミナイジ
ング処理し、または、高温にさらすことで形成される。
このような合金構造上脆いトポロジカルに密にパック
(密集)されたフェーズは、単一結晶超合金に比べてハ
イレベルのレニウム、タングステンおよびクロムを含む
もので、単一結晶超合金におけるレニウムのレベルを増
やすと、より簡単に形成されてしまう。前記した合金構
造上脆いトポロジカルに密にパック(密集)されたフェ
ーズは、高温における処理時間を長くすることで量的に
増える。しかしながら、合金構造上脆いトポロジカルに
密にパック(密集)されたフェーズは、単一結晶超合金
の機械的特性に悪影響を与える。したがって、コンベン
ショナルなプラチナ・アルミナイド被膜を使用して、レ
ニウム高含有の単一結晶超合金の劣化に対する抵抗力を
増すには、単一結晶超合金の機械特性、機械的強度を犠
牲にせざるを得ない。
【0007】タービンブレードおよびタービン翼に普通
に施される他の保護被膜は、アルミナイド−珪素化合物
被膜、プラチナ・アルミナイド−珪素化合物被膜、単純
なアルミナイド被膜および他の適切なアルミナイド被膜
である。
【0008】アルミナイド被膜の形成は、アルミナイジ
ングプロセスを用いて、アウト・オブ・パック気相アル
ミナイジングプロセス、パック・アルミナイジングプロ
セス、化学蒸着または当業者によく知られた他のプロセ
スにより行われる。
【0009】アルミナイド−珪素化合物被膜を作る方法
の一つは、シリコン充填の有機スラリーを超合金の表面
にデポジットし、米国特許4310574に記載のよう
にパック・アルミナイジングする。アルミニウムは、ア
ルミニウムが超合金内へ拡散するにつれて前記スラリー
からシリコンをキャリーする。アルミナイド−珪素化合
物被膜を作る他の方法は、エレメンタルのアルミニウム
とシリコン金属粉末を含むスラリーを超合金表面にデポ
ジットし、ついで760℃以上に加熱して、前記スラリ
ー中のアルミニウムとシリコンとを溶融し、これらを超
合金に反応させ、超合金に拡散するものである。アルミ
ナイド−珪素化合物被膜を作る別の方法は、米国特許5
547770に記載のようにアルミニウムおよびシリコ
ンを含有するスラリーを反復して施し、熱処理すること
である。アルミナイド−珪素化合物被膜を作る他の方法
は、公告された欧州特許出願第0619856Aに記載
されているように、共晶アルミニウム−シリコンのスラ
リーまたはエレメンタルのアルミニウムおよびシリコン
金属粉末のスラリーを超合金の表面に施し、厚みが厚く
なって、シリコン・コンテントが減った表面層と、超合
金の面にアルミナイド相とシリサイド相とが交互に連続
して積層された層からなる層状に重ねられた層とを形成
して作る。
【0010】プラチナ・アルミナイド−シリサイド被膜
を作る一つの方法は、公開された国際特許出願第WO9
5/23243Aに記載のように、タービンブレードま
たはタービン翼の超合金にプラチナを被覆し、ついで、
加熱して該プラチナをタービンブレード内へ拡散し、つ
いで、アルミニウムとシリコンとを溶融状態から同時に
プラチナでエンリッチされたタービンブレード内へ拡散
するものである。プラチナ・アルミナイド−シリサイド
被膜を作る別の方法は、公告された欧州特許出願第06
54542Aに記載のように、超合金のタービンブレー
ドにプラチナを被覆し、ついで熱処理して該プラチナを
タービンブレード内へ拡散し、シリコン層を形成し、つ
いでアルミナイジングする方法である。欧州特許出願第
0654542Aに記載のように、プラチナを有するタ
ービンブレード内へシリコンを拡散することもできる。
プラチナ・アルミナイド−シリサイド被膜を作る別の方
法は、米国特許5057196に記載されているよう
に、プラチナ−シリコン粉末をタービンブレードに電気
泳動被着し、熱処理してプラチナとシリコンとをタービ
ンブレード内に拡散し、アルミニウムとクロム粉末を電
気泳動被着し、ついで熱処理してアルミニウムとクロム
とをタービンブレード内へ拡散して作るものである。
【0011】前記国際特許出願WO95/23243A
に記載の方法を用いて、レニウム含量が多い単一結晶超
合金のタービンブレードまたはタービン翼をプラチナ・
アルミナイド−シリサイド被膜で被覆すると、前記被膜
と前記単一結晶超合金との間のインターフェースに合金
構造が脆いトポロジカルに密にパックされたフェーズが
形成されることが判明した。レニウム含量が多い単一結
晶超合金のタービンブレードまたはタービン翼を前記し
た他の方法によりプラチナ・アルミナイド−シリサイド
被膜で被覆すると、合金構造が脆いトポロジカルに密に
パックされたフェーズが形成されるものと考えられる。
【0012】前記米国特許5547770に記載の方法
を用いて、レニウム含量が多い単一結晶超合金のタービ
ンブレードまたはタービン翼をプラチナ・アルミナイド
−シリサイド被膜で被覆すると、前記被膜と前記単一結
晶超合金との間のインターフェースに合金構造が脆いト
ポロジカルに密にパックされたフェーズが形成されるこ
とも判明した。レニウム含量が多い単一結晶超合金のタ
ービンブレードまたはタービン翼を前記した他の方法に
よりプラチナ・アルミナイド−シリサイド被膜で被覆す
ると、前記した合金構造が脆弱なフェーズが形成される
ものと考えられる。
【0013】合金構造が脆いトポロジカルに密にパック
されたフェーズの形成は、単一結晶超合金のレニウムの
含量が多いことによるものであり、かつ、これらのフェ
ーズは、シンプルなアルミナイジング処理の間に形成さ
れるものと考えられる。
【0014】さらに言えることは、プラチナ・アルミナ
イド−シリサイド被膜、アルミナイド−シリサイド被膜
またはシンプルなアルミナイド被膜を使用する限り、単
一結晶超合金に機械特性を犠牲にしないで、レニウムの
含有量が高い単一結晶超合金の劣化に対する抵抗を高め
ることはできない点である。したがって、この問題の解
決が、この発明の課題である。
【0015】
【課題を解決するための手段】したがって、この発明
は、前記の課題を解決するために発明されたもので、こ
の発明は、前記の課題を解決するレニウム含有量が多い
単一結晶超合金をアルミナイジングする方法を提供する
ものである。
【0016】この発明に係るレニウム含有量が多い単一
結晶超合金をアルミナイジングする方法は、以下の工程
からなる: (a)レニウム含有量が多い単一結晶超合金の表面をモ
ディファイする工程;および(b)レニウム含有量が多
い単一結晶超合金の表面をアルミナイジングしてアルミ
ナイド被膜を形成する工程。
【0017】前記工程(a)は、レニウム含有量が多い
単一結晶超合金の表面のレニウム・コンテントを減らす
工程である。
【0018】また別に前記工程(a)は、高含有量でレ
ニウムを含む単一結晶超合金の表面に適切な金属の層を
被着し、熱処理して前記適切な金属を前記高含有量でレ
ニウムを含む単一結晶超合金内へ拡散し、前記の高含有
量でレニウムを含む単一結晶超合金の表面におけるレニ
ウム・コンテントを下げる工程である。
【0019】前記した適切な金属は、拡散特性をモディ
ファイして、レニウム・コンテントが高い領域の組成を
下げる金属であればよく、そのような適切な金属には、
例えば、コバルト、クロムおよび同効金属などの単一結
晶超合金に融和する金属である。
【0020】前記工程(a)は、電気めっき手段、スパ
ッタリング手段、パック拡散手段、アウト・オブ・パッ
ク拡散手段、化学蒸着手段またはフィジカル蒸着手段な
どにより高含有量でレニウムを含む単一結晶超合金に前
記適切な金属を被着させるものである。
【0021】この発明は、プラチナ・アルミナイド被
膜、プラチナ・アルミナイド−シリサイド被膜およびア
ルミナイド−シリサイド被膜へ特に適用されるが、レニ
ウム含有量が高い単一結晶超合金、超合金におけるアル
ミナイド被膜すべてに適用できるものである。
【0022】コンベンショナルの従来の技術における単
一結晶超合金のプラチナ・アルミナイジングプロセスに
おいては、単一結晶超合金はプラチナ層で電気めっきさ
れ、このプラチナめっきされた単一結晶超合金は、減圧
下で熱処理されて、プラチナ層のプラチナが単一結晶超
合金内に拡散される。このように熱処理されたプラチナ
めっきの単一結晶超合金は、従来公知のパック・アルミ
ナイジング手段、非接触気相アルミナイジング手段、化
学蒸着手段または他の適当な手段を用いてアルミナイジ
ングされる。このようにアルミナイズされ、拡散され、
プラチナめっきされた単一結晶超合金は、ついで保護雰
囲気中において熱処理されて、プラチナ・アルミナイド
被膜の微細構造および組成が最高なものにされ、前記し
た単一結晶超合金の機械特性、機械的強度を最高なもの
にする。
【0023】前記単一結晶超合金にプラチナ層を被着し
た後に行われる前記プラチナ層のプラチナを前記単一結
晶超合金内に拡散する熱処理の間、前記プラチナと単一
結晶超合金との間に拡散作用が行われ、プラチナ、ニッ
ケルおよび他の超合金エレメンツを含む表面層が形成さ
れる。前記熱処理拡散工程は、拡散されたプラチナ層の
組成が適切なものになるように十分な時間と温度とをも
って行われ、後続のアルミナジング・プロセスと熱処理
プロセスとの工程を経て所要のプラチナ・アルミナイド
被膜が得られる。単一結晶超合金基板10に施したコン
ベンショナルのプラチナ・アルミナイド被膜12の拡大
断面を図1に示す。
【0024】しかしながら、含まれるレニウムの含有量
が多い単一結晶超合金をプラチナ層被着の後に熱処理す
ると、内方へ拡散するプラチナによって、レニウムおよ
び他の耐熱元素、例えばタングステンおよびクロムがエ
ンリッチの状態になっているゾーンが内方へ拡散するプ
ラチナの前面に形成される。そして所要のプラチナ・ア
ルミナイド被膜を作るために行われる後続のアルミナイ
ジングおよび熱処理工程においては、前記したレニウム
および他の耐熱元素、例えばタングステンおよびクロム
がエンリッチの状態になっているゾーンが前記被膜内に
そのままの状態で保持されてしまう。このようなレニウ
ムおよび他の耐熱元素エンリッチの状態になっている前
記ゾーンは、合金構造が脆弱なトポロジカルに密にパッ
クされたフェーズを形成するイニシエーターとして作用
する。この合金構造が脆弱なトポロジカルに密にパック
されたフェーズは、その断面をみるとニードル(針状又
は針状結晶体)の形状をしている。
【0025】前記のトポロジカルに密にパックされたフ
ェーズは、レニウム高含有の単一結晶超合金とプラチナ
・アルミナイド被膜との間のインターフェースに形成さ
れる。前記のトポロジカルに密にパックされたフェーズ
は、前記プラチナ・アルミナイド被膜形成の処理工程す
べてが完了した後または前記プラチナ・アルミナイド被
膜とレニウム高含有の単一結晶超合金とを高温度に曝し
た後のいずれかにおいて形成される。前記のトポロジカ
ルに密にパックされたフェーズは、単一結晶超合金に比
べてハイレベルのレニウムを含有しており、単一結晶超
合金のレニウム・コンテントが上がるにつれ、形成され
やすい。前記したトポロジカルに密にパックされたフェ
ーズの領域は、単一結晶超合金よりもクリープ強さが低
いため、単一結晶超合金コンポーネントのパフォーマン
スに影響を与える。したがって、タービンブレードまた
はタービン翼の有効なロードベアリング(荷重受け)断
面を減少させてしまう。
【0026】レニウム高含有の単一結晶超合金基板20
に高温度でのエイジングの後に施されたコンベンショナ
ルのプラチナ・アルミナイド被膜22の拡大断面を図3
に示す。付随的に発生のトポロジカルに密にパックされ
たフェーズ24がプラチナ・アルミナイド被膜22とレ
ニウム高含有の単一結晶超合金基板20との間のインタ
ーフェース部分に存在していることが図3により明らか
である。
【0027】この発明は、レニウム高含有の単一結晶超
合金へプラチナ層が拡散され、後続の熱処理工程におい
て、前記拡散されるプラチナ層の前にレニウムおよび他
の耐熱性エレメンツ(元素)がエンリッチされた状態に
あるゾーンが形成されないように、レニウム高含有の単
一結晶超合金の表面をモディファイするもので、これに
よって、後続のアルミナイジングおよび熱処理工程にお
いて、前記レニウム高含有の単一結晶超合金と前記プラ
チナ・アルミナイド被膜との間には、前記したようなト
ポロジカルに密にパックされたフェーズが形成されなく
なる。
【0028】
【発明の実施の形態】つぎに、この発明の好適な実施例
を記載する。実施例 1 コンベンショナルのレニウム含有量が低いニッケル・ベ
ースの単一結晶超合金、例えばCMSX4 を以下の手段
でプラチナ・アルミナイジングした。
【0029】CMSX4 は、アメリカ合衆国ミシガン州
49443-9506マスケゴン、リンカーン・ストリート2875に
所在のキャノン−マスケゴン・コーポレイション製造の
ものであり、そのノミナルの組成は、タングステン
6.4重量%、コバルト 9.5重量%、クロム 6.
5重量%、レニウム 3.0重量%、アルミニウム
5.6重量%、タンタル 6.5重量%、チタン 1.
0重量%、ハフニウム 0.1重量%、モリブデン
0.6重量%、残りがニッケルである。
【0030】電気めっき、スパッタリング、CVD、P
VDまたは他の適当な方法でレニウム含有量が低いニッ
ケルベースの単一結晶超合金に2.5ミクロンから1
2.5ミクロンの範囲の厚さのプラチナ層を被着し、減
圧下または保護雰囲気中で1時間から4時間の時間で9
00℃〜1150℃の範囲の温度で熱処理して、前記プ
ラチナをレニウム含有量が低いニッケルベースの単一結
晶超合金に拡散した。さらに詳しく言えば、前記プラチ
ナ層は、電気めっきにより7ミクロンの厚さで被着さ
れ、熱処理は、減圧下で1時間、温度1100℃で行わ
れた。
【0031】プラチナ層が被着され、該プラチナが拡散
されたレニウム含有量が低いニッケルベースの単一結晶
超合金をついでパック・アルミナイジング、アウト・オ
ブ・パック・アルミナイジング(非接触アルミナイジン
グ)またはCVDアルミナイジング手段により700℃
〜1150℃の温度範囲でアルミナイジングした。さら
に詳しくは、プラチナ層が被着され、該プラチナが拡散
されたレニウム含有量が低いニッケルベースの単一結晶
超合金は、20時間、875℃でパック・アルミナイズ
された。
【0032】ついで前記プラチナ層がアルミナイズされ
たレニウム含有量が低いニッケルベースの単一結晶超合
金を減圧下または保護雰囲気中で1時間1100℃およ
び16時間870℃で処理した。
【0033】図1に示したようなプラチナ・アルミナイ
ド被膜を施したレニウム含有量が低いニッケルベースの
単一結晶超合金が作られた。プラチナ・アルミナイド被
膜を施したレニウム含有量が低いニッケルベースの単一
結晶超合金の複数のサンプルを1050℃、200時間
及び1100℃、100時間の条件で周期的酸化テスト
したが、いずれのテストにおいてもプラチナ・アルミナ
イド被膜の下には機械強度を脆弱にする断面がニードル
状になった層のトポロジカルに密にパックされたフェー
ズが形成されていなかった。
【0034】実施例 2 例えばCMSX10のようなレニウム含有量が高いニッケ
ルベースの単一結晶超合金のサンプルいくつかを以下の
手段によりプラチナ・アルミナイズした。該レニウム含
有量が高いニッケルベースの単一結晶超合金は、CMS
X10として知られており、アメリカ合衆国ミシガン州49
443-9506マスケゴン、リンカーン・ストリート2875に所
在のキャノン−マスケゴン・コーポレイション製造のも
のである。この合金のノミナルの組成は、タングステン
3.5〜6.5重量%、コバルト 2.0〜5.0重
量%、クロム 1.8〜3.0重量%、レニウム 5.
5〜6.5重量%、アルミニウム5.3〜6.5重量
%、タンタル8.0〜10.0重量%、チタン0.2〜
0.8重量%、モリブデン0.25〜0.15重量%、
ニオビウム 0〜0.03重量%、ハフニウム0.02
〜0.05重量%、炭素 0〜0.04重量%、残りが
ニッケルである。
【0035】電気めっき、スパッタリング、CVD、P
VDまたは他の適当な方法でレニウム含有量が高いニッ
ケルベースの単一結晶超合金に2.5ミクロンから1
2.5ミクロンの範囲の厚さのプラチナ層を被着し、減
圧下または保護雰囲気中で1時間から4時間の時間で9
00℃〜1150℃の範囲の温度で熱処理して、前記プ
ラチナをレニウム含有量が高いニッケルベースの単一結
晶超合金に拡散した。さらに詳しく言えば、前記プラチ
ナ層は、電気めっきにより7ミクロンの厚さで被着さ
れ、熱処理は、減圧下で1時間、温度1100℃で行わ
れた。
【0036】プラチナ層が被着され、該プラチナが拡散
されたレニウム含有量が高いニッケルベースの単一結晶
超合金をついでパック・アルミナイジング、アウト・オ
ブ・パック・アルミナイジング(非接触アルミナイジン
グ)またはCVDアルミナイジング手段により700℃
〜1150℃の温度範囲でアルミナイジングした。さら
に詳しくは、プラチナ層が被着され、該プラチナが拡散
されたレニウム含有量が高いニッケルベースの単一結晶
超合金は、6時間、1080℃でパック・アルミナイズ
された。
【0037】ついで前記プラチナ層がアルミナイズされ
たレニウム含有量が高いニッケルベースの単一結晶超合
金サンプルを保護雰囲気中で1時間1100℃および1
6時間870℃で処理した。
【0038】プラチナ・アルミナイド被膜22を施した
レニウム含有量が高いニッケルベースの単一結晶超合金
は、図2に示したような断面構造をもつ。前記サンプル
の一つを調べたところ、プラチナ・アルミナイド層とレ
ニウム含有量が高いニッケルベースの単一結晶超合金と
の間のインターフェースに深さ30ミクロンに達する機
械強度に劣るゾーンが見い出されたもので、このゾーン
には、トポロジカルに密にパックされたフェーズが含ま
れていた。
【0039】プラチナ・アルミナイド被膜が施されたレ
ニウム含有量が高いニッケルベースの単一結晶超合金の
複数のサンプルを1100℃、100時間の条件で周期
的酸化テストした結果、プラチナ・アルミナイド層とレ
ニウム含有量が高いニッケルベースの単一結晶超合金と
の間のインターフェースに断面がニードル状になった層
の機械強度を脆弱にするトポロジカルに密にパックされ
たフェーズが生成されて、深さ160ミクロンに達する
連続したゾーンが形成されていることが判明した。
【0040】温度1100℃でエイジングされた後のプ
ラチナ・アルミナイド被膜22が施されたレニウム含有
量が高いニッケルベースの単一結晶超合金基板20は、
図3に示される断面構造を有するもので、組成する合金
成分がニードル状になって局部、局部で密集する層構造
になったトポロジカルに密にパックされたフェーズ24
を有する断面構造となった。
【0041】実施例 3 レニウム含有量が高いニッケルベースの単一結晶超合金
のサンプルいくつかを以下の手段によりプラチナ・アル
ミナイズした。該レニウム含有量が高いニッケルベース
の単一結晶超合金は、CMSX10として知られており、
アメリカ合衆国ミシガン州49443-9506マスケゴン、リン
カーン・ストリート2875に所在のキャノン−マスケゴン
・コーポレイション製造のものである。この合金のノミ
ナルの組成は、前記のとおりである。
【0042】レニウム含有量が高いニッケルベースの単
一結晶超合金のサンプルの表面を電気めっき、スパッタ
リング、CVD、PVDまたは他の適当な方法および減
圧下または保護雰囲気中での熱拡散処理によってクロム
がエンリッチされた表面層になるようにモディファイし
た。さらに詳しくは、このクロムをリッチにする処理
は、時間3時間、温度1100℃の条件におけるアウト
・オブ・パック・クロム化処理(非接触クロム化処理)
で行われ、深さ15ミクロンに達するクロムがエンリッ
チされた表面層が形成された。
【0043】電気めっき、スパッタリング、CVD、P
VDまたは他の適当な方法で前記のクロムがエンリッチ
されたレニウム含有量が高いニッケルベースの単一結晶
超合金に2.5ミクロンから12.5ミクロンの範囲の
厚さのプラチナ層を被着し、減圧下または保護雰囲気中
で1時間から4時間の時間で900℃〜1150℃の範
囲の温度で熱処理して、前記プラチナを前記レニウム含
有量が高いニッケルベースの単一結晶超合金に拡散し
た。さらに詳しく言えば、前記プラチナ層は、電気めっ
きにより7ミクロンの厚さで被着され、熱処理は、減圧
下で1時間、温度1100℃で行われた。
【0044】クロム化され、プラチナ層が被着され、該
プラチナが拡散されたレニウム含有量が高いニッケルベ
ースの単一結晶超合金をついでパック・アルミナイジン
グ、アウト・オブ・パック・アルミナイジング(非接触
アルミナイジング)またはCVDアルミナイジング手段
により700℃〜1150℃の温度範囲でアルミナイジ
ングした。さらに詳しくは、クロム化され、プラチナ層
が被着され、該プラチナが拡散されたレニウム含有量が
高いニッケルベースの単一結晶超合金のサンプルは、6
時間、1080℃でアウト・オブ・パック・アルミナイ
ジング手段によりアルミナイズされた。
【0045】ついで前記プラチナ層がアルミナイズされ
たクロム化のレニウム含有量が高いニッケルベースの単
一結晶超合金を保護雰囲気中で1時間1100℃および
16時間870℃で処理した。
【0046】前記サンプルの一つを調べたところ、プラ
チナ・アルミナイド層とレニウム含有量が高いニッケル
ベースの単一結晶超合金との間のインターフェースに
は、機械強度に劣るトポロジカルに密にパックされたフ
ェーズを含むゾーンは、一切見いだされなかった。
【0047】前記サンプルのいくつかを1100℃、1
00時間の条件で酸化環境に曝した後の調査によって
も、プラチナ・アルミナイド層とレニウム含有量が高い
ニッケルベースの単一結晶超合金との間のインターフェ
ースに断面がニードル状になった層の機械強度を脆弱に
するトポロジカルに密にパックされたフェーズの生成
は、一切みられなかった。
【0048】クロムでモディファイされたプラチナ・ア
ルミナイド被膜32を施したレニウム含有量が高いニッ
ケルベースの単一結晶超合金30は、図4に示したよう
な断面構造をもつ。
【0049】実施例 4 レニウム含有量が高いニッケルベースの単一結晶超合金
のサンプルいくつかを以下の手段によりプラチナ・アル
ミナイズした。該レニウム含有量が高いニッケルベース
の単一結晶超合金は、CMSX10として知られており、
アメリカ合衆国ミシガン州49443-9506マスケゴン、リン
カーン・ストリート2875に所在のキャノン−マスケゴン
・コーポレイション製造のものである。この合金のノミ
ナルの組成は、前記のとおりである。
【0050】レニウム含有量が高いニッケルベースの単
一結晶超合金のサンプルの表面を電気めっき、スパッタ
リング、CVD、PVDまたは他の適当な方法および減
圧下または保護雰囲気中での熱拡散処理によってコバル
トがエンリッチされた表面層になるようにモディファイ
した。コバルト層は、電気めっき、スパッタリング、C
VD、PVDまたは他の適当な方法により、2.5ミク
ロンから12.5ミクロンの厚さでレニウム含有量が高
いニッケルベースの単一結晶超合金に被着され、時間1
〜4時間、温度900℃〜1150℃の条件で、減圧下
または保護雰囲気中で熱処理された。
【0051】さらに詳しくは、コバルト層は、電気めっ
きにより、7ミクロンの厚さでレニウム含有量が高いニ
ッケルベースの単一結晶超合金に被着され、時間1時
間、温度1100℃の条件で、減圧下で熱処理された。
【0052】電気めっき、スパッタリング、CVD、P
VDまたは他の適当な方法で前記のコバルトがエンリッ
チされたレニウム含有量が高いニッケルベースの単一結
晶超合金に2.5ミクロンから12.5ミクロンの範囲
の厚さのプラチナ層を被着し、減圧下または保護雰囲気
中で時間1〜4時間、 温度900℃〜1150℃の範
囲の条件で熱処理して、前記プラチナを前記レニウム含
有量が高いニッケルベースの単一結晶超合金に拡散し
た。さらに詳しく言えば、前記プラチナ層は、電気めっ
きにより7ミクロンの厚さで被着され、熱処理は、減圧
下で1時間、温度1100℃で行われた。
【0053】コバルト・エンリッチ化され、プラチナ層
が被着され、該プラチナが拡散されたレニウム含有量が
高いニッケルベースの単一結晶超合金をついでパック・
アルミナイジング、アウト・オブ・パック・アルミナイ
ジング(非接触アルミナイジング)またはCVDアルミ
ナイジング手段により700℃〜1150℃の温度範囲
でアルミナイズした。さらに詳しくは、コバルト・エン
リッチ化され、プラチナ層が被着され、該プラチナが拡
散されたレニウム含有量が高いニッケルベースの単一結
晶超合金のサンプルを6時間、1080℃でアウト・オ
ブ・パック・アルミナイジング手段によりアルミナイズ
した。
【0054】ついで前記プラチナ層がアルミナイズされ
たコバルトがエンリッチされたレニウム含有量が高いニ
ッケルベースの単一結晶超合金を保護雰囲気中で1時間
1100℃および16時間870℃で処理した。
【0055】前記サンプルの一つを調べたところ、プラ
チナ・アルミナイド層とレニウム含有量が高いニッケル
ベースの単一結晶超合金との間のインターフェースに
は、機械強度に劣るトポロジカルに密にパックされたフ
ェーズを含むゾーンは、一切見いだされなかった。
【0056】コバルトでモディファイされたプラチナ・
アルミナイド被膜42をもつレニウム含有量が高いニッ
ケルベースの単一結晶超合金基板40の拡大断面構造を
図5に示す。
【0057】前記サンプルのいくつかを1100℃、1
00時間の条件で酸化環境に曝した後の調査によって
も、プラチナ・アルミナイド層とレニウム含有量が高い
ニッケルベースの単一結晶超合金との間のインターフェ
ースに断面がニードル状になった層の機械強度を脆弱に
するトポロジカルに密にパックされたフェーズの生成
は、一切みられなかった。
【0058】酸化環境に曝した後のコバルトでモディフ
ァイされたプラチナ・アルミナイド被膜42をもつレニ
ウム含有量が高いニッケルベースの単一結晶超合金基板
40の拡大断面構造を図6に示す。
【0059】レニウム含有量が高いニッケルベースの単
一結晶超合金にプラチナを被着する前に、レニウム含有
量が高いニッケルベースの単一結晶超合金の表面または
表面層におけるレニウムのレベルを落として、レニウム
含有量が高いニッケルベースの単一結晶超合金の表面を
調製することも可能である。これはガスを用いることに
よって達成でき、前記超合金におけるレニウムと高温度
で選択的に反応し、これを除去するするガスによって、
レニウム含有量が高いニッケルベースの単一結晶超合金
の表面からレニウムを除くことができる。
【0060】この発明は、レニウム含有量が高いニッケ
ルベースの単一結晶超合金に適用されるが、この発明
は、また、レニウム含有量が高いニッケルベースの超合
金のいずれにも適用される。
【0061】この発明は、また、プラズマ・スプレイま
たはPVDなどによる例えばセラミック耐熱被膜のよう
なセラミック耐熱被膜のためにレニウム含有量が高いニ
ッケルベースの超合金へプラチナ属金属アルミナイド被
膜を施すことにも適用される。
【0062】この発明をプラチナ・アルミナイド被膜に
ついて述べたが、この発明は、プラチナ・アルミナイド
−シリサイド被膜、アルミナイド−シリサイド被膜及び
シンプルなアルミナイド被膜または他の適当なアルミナ
イド被膜についても適用される。
【0063】プラチナ・アルミナイド−シリサイド被膜
の場合、レニウム含有量が高い単一結晶超合金の表面
は、例えば、クロムまたはコバルトのような適切な金属
を付与し、熱処理するか、または、プラチナ・アルミナ
イド−シリサイド被膜形成前にレニウム・コンテントを
下げるかして、モディファイする。
【0064】アルミナイド−シリサイド被膜およびアル
ミナイド被膜の場合、レニウム含有量が高い単一結晶超
合金の表面は、例えば、クロムまたはコバルトのような
適切な金属を付与し、熱処理するか、または、アルミナ
イド被膜またはアルミナイド−シリサイド被膜形成前に
レニウム・コンテントを下げるかして、モディファイす
る。
【0065】前記した被膜のさらに詳細の記述は、すで
に述べた通りのものであり、さらに詳細な記述は、前記
特許と公開された出願を参照することができるものであ
る。
【0066】
【発明の効果】前記したように、この発明によれば、単
一結晶超合金の機械強度特性を犠牲にすることなしに劣
化に対する抵抗力が増加し、単一結晶超合金によって作
られたガスタービンエンジンのタービンブレードおよび
タービン翼などの単一結晶超合金を基礎マテリアルとす
る製品の耐用時間、製品寿命を飛躍的に延ばすことがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 レニウム含有量が低い単一結晶超合金に施し
た従来技術のプラチナ・アルミナイド被膜の拡大断面図
を示す顕微鏡写真である。
【図2】 レニウム含有量が高い単一結晶超合金に施し
た従来技術のプラチナ・アルミナイド被膜の拡大断面図
を示す顕微鏡写真である。
【図3】 高温度におけるエイジングの後にレニウム含
有量が高い単一結晶超合金に施した従来技術のプラチナ
・アルミナイド被膜の拡大断面図を示す顕微鏡写真であ
る。
【図4】 レニウム含有量が高い単一結晶超合金に施し
た本発明によるクロムでモディファイされたプラチナ・
アルミナイド被膜の拡大断面図を示す顕微鏡写真であ
る。
【図5】 レニウム含有量が高い単一結晶超合金に施し
た本発明によるコバルトでモディファイされたプラチナ
・アルミナイド被膜の拡大断面図を示す顕微鏡写真であ
る。
【図6】 高温度におけるエイジングの後にレニウム含
有量が高い単一結晶超合金に施した本発明によるコバル
トでモディファイされたプラチナ・アルミナイド被膜の
拡大断面図を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
10,20,30,40 単一結晶超合金基体 12,22 プラチナ・アルミナイド被
膜 32 クロムでモディファイされたプラチナ・アルミ
ナイド被膜 42 コバルトでモディファイされたプラチナ・アル
ミナイド被膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C23C 10/58 C23C 10/58 14/14 14/14 B 16/06 16/06 (71)出願人 595181151 クロマロイ・ユナイテッド・キングダム・ リミテッド Chromalloy United K ingdom Limited イギリス国ノッティンガム エヌジー16・ 3アールズィー,イーストウッド,リンク メル・ロード 1 1 Linkmel Road,East wood,Nottingham NG16 3RZ,England (72)発明者 ロドニー ジョージ ウィング イギリス国 エヌジー8 2エヌエヌ ノ ッティンガム ウォーレートン パークサ イド 6

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 以下の工程からなレニウム含有量が多い
    超合金をアルミナイジングする方法: (a)レニウム含有量が多い単一結晶超合金の表面をモ
    ディファイする工程;および(b)レニウム含有量が多
    い単一結晶超合金の表面をアルミナイジングしてアルミ
    ナイド被膜を形成する工程。
  2. 【請求項2】 前記工程(a)は、レニウム含有量が多
    い超合金の表面のレニウム・コンテントを減らす工程を
    含む請求項1に請求された方法。
  3. 【請求項3】 前記工程(a)は、高含有量でレニウム
    を含む超合金の表面に適切な金属の層を被着し、熱処理
    して前記適切な金属を前記高含有量でレニウムを含む超
    合金内へ拡散し、前記の高含有量でレニウムを含む単一
    結晶超合金の表面におけるレニウム・コンテントを下げ
    る工程からなる請求項1に請求された方法。
  4. 【請求項4】 前記工程(a)は、電気めっき手段、ス
    パッタリング手段、パック拡散手段、アウト・オブ・パ
    ック(非接触)拡散手段、化学蒸着手段またはフィジカ
    ル蒸着手段などにより高含有量でレニウムを含む単一結
    晶超合金に前記適切な金属を被着させることからなる請
    求項3に請求された方法。
  5. 【請求項5】 前記工程(a)は、コバルト、クロムお
    よび同効金属などの超合金に対し融和性をもつ金属を高
    含有量でレニウムを含む超合金の表面に施す請求項3又
    は請求項4に請求された方法。
  6. 【請求項6】 前記工程(a)は、900℃〜1150
    ℃の範囲の温度で時間1時間〜4時間の条件で熱処理を
    行うことを含む請求項3、請求項4または請求項5に請
    求された方法。
  7. 【請求項7】 前記工程(a)は、電気めっき手段によ
    り前記高含有量でレニウムを含む超合金にコバルト層を
    2.5ミクロン〜12.5ミクロンの厚さに被着し、9
    00℃〜1150℃の範囲の温度で時間1時間〜4時間
    の条件で熱処理を行うことを含む請求項3に請求された
    方法。
  8. 【請求項8】 前記工程(a)は、温度1100℃、3
    時間の条件で前記高含有量でレニウムを含む超合金の表
    面をクロム化することを含む請求項3に請求された方
    法。
  9. 【請求項9】 前記工程(b)は、700℃〜1150
    ℃の温度範囲でアルミナイジングすることを含む請求項
    1〜8のいずれかに請求された方法。
  10. 【請求項10】 前記工程(b)は、パック・アルミナ
    イジング、アウト・オブ・パック(非接触)気相アルミ
    ナイジング、化学蒸着またはスラリー・アルミナイジン
    グを含む請求項1〜9のいずれかに請求された方法。
  11. 【請求項11】 前記高含有量でレニウムを含む超合金
    は、3.5重量%から8重量%のレニウムを含むもので
    ある請求項1〜10のいずれかに請求された方法。
  12. 【請求項12】 前記高含有量でレニウムを含む超合金
    は、ニッケルをベースとするものである請求項11に請
    求された方法。
  13. 【請求項13】 前記高含有量でレニウムを含む超合金
    は、タングステン3.5〜6.5重量%、コバルト2.
    0〜5.0重量%、クロム1.8〜3.0重量%、レニ
    ウム5.5〜6.5重量%、アルミニウム5.3〜6.
    5重量%、タンタル8.0〜10.0重量%、チタン
    0.2〜0.8重量%、モリブデン0.25〜0.15
    重量%、ニオビウム0〜0.03重量%、ハフニウム
    0.02〜0.05重量%、炭素0〜0.04重量%、
    残りがニッケルならびに付随する不純物である請求項1
    1または請求項12に請求された方法。
  14. 【請求項14】 前記工程(a)と工程(b)との間
    に、以下の工程が付加される請求項1〜請求項13のい
    ずれかに請求された方法: (c)レニウム含有量が多い超合金のモディファイされ
    た面にプラチナ属金属の層を被着し、 (d)プラチナ属金属の層が被着されたレニウム含有量
    が多い超合金を熱処理して、プラチナ属金属をレニウム
    含有量が多い超合金内へ拡散し、そして工程(b)の後
    に、以下の工程が付加される: (e)アルミナイズされ、プラチナ属金属の層が被着さ
    れたレニウム含有量が多い超合金を熱処理して、プラチ
    ナ属金属アルミナイド被膜を形成する工程。
  15. 【請求項15】 前記工程(c)は、電気めっき、スパ
    ッタリングCVDまたはPVDによりプラチナ属金属の
    層を2.5ミクロンから12.5ミクロンの厚さに形成
    することを含む請求項14に請求された方法。
  16. 【請求項16】 前記工程(c)は、プラチナ層を形成
    する工程を含む請求項14または請求項15に請求され
    た方法。
  17. 【請求項17】 前記工程(c)は、900℃〜115
    0℃の範囲の温度で時間1時間〜4時間の条件で熱処理
    を行うことを含む請求項14、請求項15または請求項
    16に請求された方法。
  18. 【請求項18】 セラミック耐熱被膜をプラチナ属金属
    アルミナイド被膜に被着する工程(f)が付加された請
    求項14〜17のいずれかに請求された方法。
  19. 【請求項19】 セラミック耐熱被膜の被着する工程が
    プラズマ・スプレイまたはPVDによるものである請求
    項18に請求された方法。
  20. 【請求項20】 前記工程(b)は、アルミナイジング
    工程の間に、レニウム含有量が多い超合金内へシリコン
    を拡散して、アルミナイド−シリサイド被膜を形成する
    請求項1〜18のいずれかに請求された方法。
  21. 【請求項21】 エレメンタル・アルミニウムとシリコ
    ン粉末とを含むスラリーをデポジットし、熱処理して、
    レニウム含有量が多い超合金内へアルミニウムとシリコ
    ンとを拡散する工程を含む請求項20に請求された方
    法。
  22. 【請求項22】 エレメンタル・アルミニウムとシリコ
    ン粉末とを含むスラリーを繰り返しデポジットし、熱処
    理して、レニウム含有量が多い超合金内へアルミニウム
    とシリコンとを拡散する工程を含む請求項21に請求さ
    れた方法。
  23. 【請求項23】 前記工程(b)の間または前記工程
    (d)の間に、レニウム含有量が多い超合金内へシリコ
    ンを拡散する工程を含む請求項14に請求された方法。
  24. 【請求項24】 エレメンタル・アルミニウムとシリコ
    ン粉末とを含むスラリーをデポジットし、熱処理して、
    レニウム含有量が多い超合金内へアルミニウムとシリコ
    ンとを拡散する工程を含む請求項23に請求された方
    法。
  25. 【請求項25】 エレメンタル・アルミニウムとシリコ
    ン粉末とを含むスラリーを繰り返しデポジットし、熱処
    理して、レニウム含有量が多い超合金内へアルミニウム
    とシリコンとを拡散する工程を含む請求項24に請求さ
    れた方法。
  26. 【請求項26】 明細書に記載し、図面の図5と図6と
    に図示のレニウムを含有する単一結晶超合金をアルミナ
    イジングする方法。
  27. 【請求項27】 明細書に記載したレニウムを含有する
    単一結晶超合金をアルミナイジングする方法。
  28. 【請求項28】 請求項1から請求項27のいずれかの
    方法により形成されたアルミナイド被膜を有する超合金
    製品。
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