JPS5940904B2 - 耐酸化性、耐食性の超合金被覆の改良方法 - Google Patents

耐酸化性、耐食性の超合金被覆の改良方法

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JPS5940904B2 JP52072912A JP7291277A JPS5940904B2 JP S5940904 B2 JPS5940904 B2 JP S5940904B2 JP 52072912 A JP52072912 A JP 52072912A JP 7291277 A JP7291277 A JP 7291277A JP S5940904 B2 JPS5940904 B2 JP S5940904B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、（ａ）炭化物で強化された相を含有する超合
金基体 （ｂ）クロム、アルミニウム、炭素と鉄、コバ
ルト又はニッケルから選ばれる少くとも１つの成分およ
びイットリウム又は稀土類元素から任意に選ばれる１つ
の成分を含有する、高温で耐酸化性、耐食性を有する被
覆より成る超合金素材の改良方法に関する。
本発明のもう１つの実施態様は被覆超合金上へのもう１
つのアルミニウム被覆より成る。本技術分野では、公知
の炭化物で強化した超合金は、航空機エンジンをも含め
たガスタービンエンジンに使用される素材に広く用いら
れている。
炭化物で強化された超合金には、例えば、一般の方法で
鋳造されたニッケル基およびコバルト基超合金、共晶合
金と耐火合金を含む方向性凝固されたニッケル基および
コバルト基超合金が含まれる。これらの合金は、少くと
もその総括強度の一部を炭化物に依存する超強度超合金
の部類に属する。超合金のガスタービンヘの利用性を更
に高めるために、高温での酸化、腐食、浸食等の有害な
影響から超合金素材を防止するために、一般に表面被覆
が実施される。特に有効な被覆組成（特に整列した炭化
物強化繊維状の相のある方向性凝固した共晶組成を持つ
た）は、本質的にクロム、アルミニウムと鉄、コバルト
、ニッケルから選ばれる少くとも１つの成分、およびイ
ットリウム又は稀土類元素から選ばれる任意の成分から
成る被覆組成である。この被覆物にアルミニウムの被覆
をすると、このものの耐酸化性、耐食性は更に向上する
。上述の先行技術による被覆超合金は、基体の完全さを
保持するのに非常に望ましい１１００℃近い使用温度を
含む高温での耐酸化性、耐食性を改良はしたが、基体か
ら耐酸化性、耐食性被覆への炭素の拡散が原因する被覆
と基体の界面での炭化物の消耗の形の欠陥が発生した。
耐酸化性、耐食性被覆への炭素の好ましくない拡散は、
超合金を強化する相に重大な、しかも有害な影響を与え
る。本発明は、（ａ）炭化物の強化相を持つ超合金基体
（ｂ）クロム、アルミニウム、炭素と少くとも鉄、コバ
ルト又はニッケルから選ばれる１つの成分およびイツト
リウム又は稀土類元素から選ばれる任意の成分から成る
、高温で改良された耐酸化性、耐食性を有する素材を第
１の目的とするものである。本発明の第２の目的は、被
覆超合金を更にアルミニウム被覆することより成る。本
発明の第３の目的は前述した素材の調製方法より成る。
１−アメリカ材料試験協会資料シリーズ目録番号ＤＳ９
Ｅ」（ＡＳＴＭｄａｔａｓｅｒｉｅｓｐｕｂｌｉｃａｔ
ｉＯｎｎＯ．ＤＳ９Ｅ）中に記載されている「超合金の
化学組成および破壊強度の集録」（ＣＯｍｐｉｌａｔｉ
ＯｎＯｆＣｈｅｍｉｃａｌＣＯｍｐＯｓｉｔｉＯｎｓａ
ｎｄＲａｐｔｕｒｅＳｔｒｅｎｇｔｈｓＯｆＳｕＰｅｒ
ａｌｌＯｙｓ） には、合金内に炭素を含有し、強化さ
れた強度の少くとも一部を、例えば（１）−｛にＭＣで
示される＝炭化物型又は一般にＭ２３Ｃ６とＭ７Ｃ３で
示されるクロム炭化物型、（２）一般的又は方向性凝固
鋳造技術の何れかを用いて整列型又は非整列型をした粒
内部を強化する薄板状ないし繊維状の耐火性金属カーバ
イドのような炭化物に依存する超合金組成物が記載され
ているが、本発明は、広くこれらの超合金を包含するも
のである。
一般に有効な超合金は、次の第１表に示されている組成
のニツケル基合金、鉄ニツケル基合金、コバルト基合金
、耐火性金属合金中に代表的に示されている。被覆の組
成は主として、クロム、アルミニウム、炭素と鉄、コバ
ルト、ニツケルから選ばれる少くとも１つの成分および
イツトリウム又は稀土類元素から選ばれる任意の１つの
成分から成る。
被覆の組成は次式で表示することができる。式中Ｍは例
えば鉄、コバルト、ニツケルのような基金属成分を示す
。
基金属成分、クロム、アルミニウム、およびィツトリウ
ム又は稀土類元素の任意の成分は、これら成分を含有す
る耐酸化性、耐食性被覆に関する技術分野の業者に公知
の量に従つて使用することができるが、ただし、これに
は、被覆は（１肢覆組成物の固相を飽和するのに十分な
（２）被覆中の炭素の化学ポテンシャルと基体のそれと
を、最小の相互作用の本質的な平衡を保たせるのに十分
な （３）被覆組成物中に十分な量の炭化物を形成させ
るには不十分な、量の炭素を含有することを条件とする
。被覆中の炭素の機能は、１１００℃又はそれ以上の使
用温度で１〜３時間＞Ｋ程度の間に急速に起ることが知
られている基体中の炭化物強化剤の削剥現象を避けるこ
とである。この現象はより低い温度でもより長く露出さ
せると起る。日課的な経験で、当業者は、基体中の炭素
が炭素を含まないＭＣｒＡｌ又はＭＣｒＡｌＹ被覆へ拡
散することに原因する超合金基体の化学構造の変化を避
けるために要求される炭素量を決定することができる。
本技術分野でＭＣｒＡｌＹ被覆として知られている先行
技術による被覆に少量の炭素を添加することが、炭化物
強化超合金基体に炭化物の安定した耐酸化性、耐食性被
覆組成物を提供する有効な方法であるという発見は思い
もよらない意外のことである。その理由は、本発明の被
・覆のテストを行う迄は、本発明者等は、１１００℃の
使用温度においては、炭素は基体から被覆中に拡散する
のみならず、被覆を貫通して被覆と雰囲気の界面で継続
して炭素の酸化が起るものと信じていたからである。一
般に、現在の望ましい炭素で安定化したＭＣｒＡｌＹ被
覆は、次の第２表に示した（重量）％組成物である。
望ましいアルミニウム含有量は、被覆超合金基体に更に
アルミニウム被覆を実施すべきかどうかに大きく依存す
る。
本発明の炭素を飽和させたＭＣｒＡｌ被覆は、被覆の炭
素含有量がＭＣｒＡｌＹ相全部を炭素で完全に飽和する
のに十分であるが、超合金の使用条件で被覆の耐酸化性
、耐食性に有害な影響を与える被覆組成物中の過剰の炭
化物を形成するには不十分であることを条件として、Ｍ
ＣｒＡＩＹ被覆中に含まれる炭素を被覆全部に均一に分
散させるか又は超合金の界面に近接した被覆中に集中さ
せる方法によつて超合金基体に使用できる。一般に、炭
素を飽和したＭＣｒＡｌＹ被覆は次の様な方法で使用で
きる。
（１）物理的気相溶着：この場合、蒸気圧の非常に小さ
い炭素が、もしＭＣｒＡｌＹ溶融物源中に含まれている
と超合金基体に移動されないから別の炭素源から溶着さ
せることが条件となる。
（２）化学的気相溶着：これには有機金属化合物を用い
、この分解中被覆中に結合される炭素分は被覆の全相を
飽和するのに十分な量を存在させる。（３）浸炭剤：Ｍ
ＣｒＡｌＹ被覆を、箱浸炭又は一酸化炭素又は二酸化炭
素ふん囲気のような炭素含有ふん囲気中で物理的気相溶
着被覆をガス浸炭して炭素で飽和させる。
本発明の被覆超合金基体の望ましい製造方法は、火炎噴
射法を使用するが、この際炭素で飽和したＭＣｒＡｌＹ
組成物の合金線又は合金粉が超合金表面に溶着する。
火炎噴射溶着又はアークプラズマ噴射溶着は、高速ガス
流によつて超合金基体上に液滴の放射を伴う。被覆の酸
素含有量を最小とするために、溶着工程はしばしばアル
ゴン、真空のような不活性ふん囲気中で行われる。一般
に使用される方法は、当業者には公知で、次の出版物に
記載されている。１゛−火炎噴射便覧」第３巻、メトコ
社発行、ニユーヨーク（１９６５）ＣＦｌａｍｅＳｐｒ
ａｙＨａｎｄｂＯＯｋｆ．ＶＯｌｌ．ｐｕｂｌｉｓｈｅ
ｄｂｙＭｅｔｃｓ、Ｉｎｃ．、ＮｅｗｙＯｒｋ（１９６
５））「蒸気溶着」ウイリーアンドサンズ社発行、ニユ
ーヨーク（１９６６）ＣＶａｐＯｒＤｅｐＯｓｉｔｉＯ
ｎ″ＰｕｂｌｌｓｈｅｄｂｙｇＯｈｎＷｉｌｅｙ＆ＳＯ
ｎｓｊＩｎｃ．、ＮｅｗｙＯｒｋ（１９６６））前述し
たように、本発明の炭素を飽和させたＭＣｒＡｌＹ被覆
は、当業者に公知の前記文献「蒸気溶着」に記載されて
いる物理的気相蒸着法でＭＣｒＡｌＣＹ被覆基体にアル
ミニウム被覆をすることによつて耐酸化性および耐食性
を更に改良することができる。
本発明は添付の図面を参照した次の説明から明らかに理
解できる。
第１図は、重量百分率ベースでＮｉ−３．３Ｃ０−４．
４Ｃｒ−３．１Ｗ−５．４Ａ１−５．６Ｖ−６．２Ｒｅ
８．１Ｔａ−０．５４Ｃの溶融組成を持つ方向性凝固し
たニツケル基超合金共晶の横断面図ａおよび縦断面図ｂ
の顕微鏡写真である。
４００倍に拡大したこの断面顕微鏡写真はタンタルとバ
ナジウムとの炭化物｛（ＴａＶ）Ｃ｝ より成る凝固中
に形成された整列した一炭化物のミクロ構造を示してお
り、これは両顕微鏡写真の最も黒い相で判別できる。
炭化物繊維は、断面が約１μｍで、ミクロ構造の２〜４
容量％を占めている。γ？アルミニウム化ニツケル（Ｎ
ｉ３Ａｌｌγ′）に基づく面心立方に配列した組織は構
造中に存在するが第１図に示したエツチングしていない
試料中には見出すことはできない。簡略化するため、以
後記載するこの合金溶融組成はＮｉＴａＣ−１３で表示
する。第２図は、最初の被覆厚さ約７５μｍの炭素を含
まない重量百分率でＮｉ−２０Ｃｒ−１０Ａ１一１．０
Ｙ組成物で被覆されたＮｉＴａＣ−１３合金の２００倍
顕微鏡写真である。第２図ａは第２図ｂの７５μｍ厚さ
の被覆を機械にかけ断面の０．３？長さに亘つて被覆の
約半分を取り除き、これによつて厚さを約２．５μｍに
なるようにしたＮｉＴａＣ−１３被覆組成物である。顕
微鏡写真は、１１００℃の周期的酸化露出に１１９時間
かけた後に、厚さ約７５μｍの被覆領域の組成物が厚さ
約２５μｍの被覆領域の組成物と比較して炭化物繊維が
約２倍削剥されていることを示している。この図は、厚
さ７５μｍの被覆が厚さ２５μｍの被覆の約２倍の繊維
の削剥を示していることから、被覆が炭素のたまりとし
て作用することを説明している。第３図は、重量百分率
でＮｉ−２０Ｃｒ−５Ａ１−０．１Ｃ−０．１Ｙの被覆
組成を持ち、次いでアルミニウム被覆された炭素飽和組
成物で被覆された第１図および第２図の合金の縦断面の
６００倍顕微鏡写真である。
第３図ａは溶着されたままの被覆の縦断面であり、第３
図Ｂ，ｃ，ｄは夫々１０００時間、１５００時間、２０
００時間周期的な酸化にさらした後の被覆の縦断面であ
る。周期的酸化は、被覆した合金試験片を１１００℃に
保つた空気炉に５０分間さらし、次いで９３℃の通風冷
却器に１０分間さらす、計１時間のサイクルより成り立
つている。炭素を含有しアルミニウム処理された被覆と
基体の断面は、ＭＣｒＡｌＹ被覆の相を飽和するのに十
分な量の炭素を提供するようにＭＣｒＡｌＹ被覆に十分
な量の炭素を導入する結果、炭素削剥の起つていないこ
とを証明している。本発明を更に次の実施例で説明する
。実施例 １ 高周波黒鉛サセプター装置で溶融し、１時間当り０．６
３５ｃｍの割合で方向性凝固させたＮｉＴａＣ１３イン
ゴツトからＮｉＴａＣ−１３のピンを電気放電法で製造
した。
ピン試験片は被覆する前に偏心研削し、粉末アルミナで
軽く研摩した。この試験片は長さ４．４ＣｒｆＬＳ径０
．２５（Ｖ７！でＴａＣ繊維の方向は、試験片の軸と平
行であつた。先ず高純度金属を低圧非酸化性ふん囲気中
で誘導加熱溶融し、次いでアルゴンふん囲気中で合金を
鋳造して、ＭＣｒＡｌＹ被覆合金の炭素を含有したもの
と、含有しないものとを製造した。
この中炭素を含有したものは火炎噴射にかけるよう、径
０．３３Ｃ１ｆＬの線に熱タップで成形した。炭素を含
有しないものは、電子線溶着をするために、径０．２５
ｃｆｎのピンの試験片２個を溶着剤から約１０？上に支
え、被覆の溶着中約１０ｒ．ｐ．ｍで回転した。火炎噴
射技術を用いて被覆される試験片は、炭素を含有した電
線噴射源から約１５ｃｍ上に支え、溶着中は約２００ｒ
ｐｍで回転した。電子線被覆用の被覆組成物には、Ｎｉ
−２０Ｃｒ一１０Ａ１−１Ｙの組成の原料を用い、超合
金基体上にＮｉ−２０Ｃｒ−１０Ａ１一約０．１Ｙの組
成の被覆を溶着した。
火炎噴射原料合金の組成はＮｉ−２０Ｃｒ−５Ａ１−０
．１Ｙ−０．１Ｃで、超合金基体のＭＣｒＡｌＣＹ被覆
用に使用した。ＭＣｒＡｌＣＹを被覆したピンは、次い
で乾燥アルゴンふん囲気中で１０６０℃に約３時間１％
アルミニウム箱中の箱アルミニウム被覆法を採用して二
重被覆技術によつてアルミニウム被覆をした。十分な量
のアルミニウムと酸化アルミニウムの混合粉末を使用し
て、箱浸炭工程中に約６１Ｖ／Ｃｄのアルミニウム溶着
を行つた。前述したような周期的酸化とは別に、続いて
試験片を金属組織学的技術で評価した。
結果は第２図、第３図に示されている。この特殊な実施
例と顕微鏡写真から明らかなように、一般にＭＣｒＡｌ
Ｙ被覆と呼ばれている耐酸化、耐食性被覆を炭素で飽和
することは、炭化物で強化した超合金中の炭素の削剥、
即ち枯渇を有効的かつ本質的に防止する。
この炭化物の安定化の効果は、使用温度が１１００〜１
１６０℃又はそれ以上の範囲にあるガスタービンエンジ
ン素材に不可欠の物理的強度特性の条件である超合金中
の相の保持力を著しく高める。期待される合金基体の寿
命の期間中合金組成が維持されることの重要性を考える
と、特に、ジニットエンジン設計の細い部分の成分とし
て使用される超合金に関しては、十分な量の炭素によつ
て被覆の全層を飽和させることによつて、超合金の耐用
寿命を炭素を含有しない場合と比較して２倍にも延長の
可能なことが期待できる。
上述した実施例は、本発明のプロセスを実施するのに用
い得る種々の実施態様を説明しているが、当業者には、
本発明の意図する特許請求の範囲にあげられた範囲内で
特殊な実施態様にその他の変法が実施可能であることも
明らかであろう。
本発明には、特許請求の範囲に記載した外に、次のよう
な実施態様が考えられる。（１）被覆組成物が更に、イ
ツトリウム又は稀土類元素から選ばれる１つの元素を含
有する特許請求の範囲記載の方法（２）被覆の耐酸化性
、耐食性を向上するために、被覆に更にアルミニウム被
覆をする工程を含む特許請求の範囲記載の方法（３）超
合金体が鍜造又は鋳造で方向性凝固又は粉末成形された
ニツケル基又はコバルト基超合金体から選ばれる特許請
求の範囲記載の方法（４）超合金が、ニツケル基又はコ
バルト基超合金体の整列した共晶炭化物強化相のマトリ
ツクスより成る方向性凝固された多変形共晶である特許
請求の範囲記載の方法（５）共晶炭化物強化相がマトリ
ツクスに埋め込まれたタンタル、バナジウム、これらの
合金およびこれらの混合物の炭化物から成る第（４）項
記載の方法（６）超合金体と被覆がもともと本質的に同
一の化学ポテンシャルを持つ特許請求の範囲記載の方法
（７）（ａ）炭化物強化相を含有する超合金基体と ０
））クロム、アルミニウム、炭素および少くとも鉄、コ
バルト、ニツケルから選ばれる１つの成分を有する被覆
より成る改良された高温に対する耐酸化性、耐食性を有
する素材（８）被覆がイツトリウム又は稀土類元素から
選ばれる１つの成分を含有する第（７）項記載の素材（
９）被覆された基体の耐酸化性、耐食性を更に向上する
ために、この基体に更にアルミニウム被覆をすることよ
り成る第（７）項記載の素材
【図面の簡単な説明】
第１図は組成Ｎｉ−３．３Ｃ０−４．４Ｃｒ−３．１Ｗ
−５．４Ａ１−５，６Ｖ−６．２Ｒｅ−８．１Ｔａ−０
．５４Ｃのニツケル基超合金共晶の顕微鏡写真でａは横
断面、ｂは縦断面、第２図はＮｉＴａＣ−１３合金の２
００倍顕微鏡写真で、ａは厚さ２５μＭ．．ｂは厚さ７
５μｍの縦断面、第３図は組成Ｎｉ−２０Ｃｒ・−５Ａ
１−０．１Ｃ−０．１Ｙを持ちアルミニウム被覆された
炭素飽和組成物で被覆した第１図および第２図の合金の
６００倍顕微鏡写真でａは溶着されたままの被覆の縦断
面、Ｂ，ｃ，ｄは夫々１０００時間、１５００時間、２
０００時間周期的な酸化にさらした後の被覆の縦断面で
ある。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ クロム、アルミニウムおよびすくなくとも鉄、コバ
    ルト又はニッケルより選ばれる１つの成分を含有する組
    成物で超合金を被覆することによつて、高温での耐酸化
    性と耐食性を改良し、かつ、炭化物を含有する超合金体
    の強度の喪失を防止する方法において、該被覆組成物に
    炭素を添加することを特徴とする耐酸化性耐食性の超合
    金被覆の改良方法。
JP52072912A 1976-11-04 1977-06-21 耐酸化性、耐食性の超合金被覆の改良方法 Expired JPS5940904B2 (ja)

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