JPS6014823B2 - ニツケル基材表面上張り被覆用合金 - Google Patents
ニツケル基材表面上張り被覆用合金Info
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- JPS6014823B2 JPS6014823B2 JP55101845A JP10184580A JPS6014823B2 JP S6014823 B2 JPS6014823 B2 JP S6014823B2 JP 55101845 A JP55101845 A JP 55101845A JP 10184580 A JP10184580 A JP 10184580A JP S6014823 B2 JPS6014823 B2 JP S6014823B2
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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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- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
- C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
- C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/02—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material
- C23C28/023—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material only coatings of metal elements only
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- F01D5/12—Blades
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- F01D5/288—Protective coatings for blades
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、ニッケルノコバルトークロム基合金（ニッケ
ル／コバルトはニッケルとコバルトとが相互に交換しう
ろことを示す。
ル／コバルトはニッケルとコバルトとが相互に交換しう
ろことを示す。
）に係り、特にノズルガイド羽根やタービン羽根の如き
ガスタービンェンジンの構成部材を成す物品を被覆し、
それらの作動温度での耐蝕性を改善するために使用する
ニッケルノコバルトークロム基合金に関する。従来、タ
ービン羽根用の耐熱性ニッケル基合金類は高い含有量（
例えば２の重量％）のクロムを含有し、その耐蝕性は主
として酸化クロムスケールの生成に依存している。この
ような耐熱性ニッケル基合金類は酸化及び硫化の双方に
よる腐蝕に対して良好な抵抗性をもっている。最近の合
金は高性能に伴うより激しい作動条件に適合するよう意
図され、使用寿命を長くする必要性からその組成が変更
されて釆て居り、合金中のクロム含有量は５％という低
い値になっている。
ガスタービンェンジンの構成部材を成す物品を被覆し、
それらの作動温度での耐蝕性を改善するために使用する
ニッケルノコバルトークロム基合金に関する。従来、タ
ービン羽根用の耐熱性ニッケル基合金類は高い含有量（
例えば２の重量％）のクロムを含有し、その耐蝕性は主
として酸化クロムスケールの生成に依存している。この
ような耐熱性ニッケル基合金類は酸化及び硫化の双方に
よる腐蝕に対して良好な抵抗性をもっている。最近の合
金は高性能に伴うより激しい作動条件に適合するよう意
図され、使用寿命を長くする必要性からその組成が変更
されて釆て居り、合金中のクロム含有量は５％という低
い値になっている。
しかしながら、この種類の合金の耐蝕性は比較的低く、
このため一般に保護被覆が必要である。
このため一般に保護被覆が必要である。
ガスタービン翼を被覆する各種の材料および各種の方法
が知られているが、特性の面から少なくとも下記要件が
充足されなければならない。酸化及び／又は硫化による
腐蝕性損傷に対する高い抵抗性、ひび割れを生ずること
なく基体寸法の変化に耐える充分な延性、組成及び熱鍵
彰眼の見地からのベース合金との適合性、使用上の容易
性。所謂パックーアルミナィジング法（Ｐａｃｋ−ａｉ
ｍｍｉｎｉｓｉｎｇｐｒｏｓｅｓｓｅｓ）で製造された
被覆が広く使われており、又ほぼ類似したクロマィジン
グ法及びシリコナィジング法で製造された被覆が比較的
狭い範囲で使用されている。
が知られているが、特性の面から少なくとも下記要件が
充足されなければならない。酸化及び／又は硫化による
腐蝕性損傷に対する高い抵抗性、ひび割れを生ずること
なく基体寸法の変化に耐える充分な延性、組成及び熱鍵
彰眼の見地からのベース合金との適合性、使用上の容易
性。所謂パックーアルミナィジング法（Ｐａｃｋ−ａｉ
ｍｍｉｎｉｓｉｎｇｐｒｏｓｅｓｓｅｓ）で製造された
被覆が広く使われており、又ほぼ類似したクロマィジン
グ法及びシリコナィジング法で製造された被覆が比較的
狭い範囲で使用されている。
アルミナイド（ａｉｍｍｉｎｉｄｅ）被覆は１１０００
０までの温度では極めて良好な耐酸化性を示す。クロマ
ィジングされた被覆は約８００ＣＯまでの温度では硫化
に対して良好な耐性をもつが、８５０℃以上の酸素を含
む雰囲気と接触する場合にはたいした熱安定性を示さな
い。シリコンを多く含有する被覆も許容温度範囲が限ら
れている。しかし乍ら、アルミナイド被覆は硫化による
浸蝕を受け易い煩向があり、海塩で促進される腐蝕が激
しい海洋で使用されるガスタービンェンジンには好まし
くない。
０までの温度では極めて良好な耐酸化性を示す。クロマ
ィジングされた被覆は約８００ＣＯまでの温度では硫化
に対して良好な耐性をもつが、８５０℃以上の酸素を含
む雰囲気と接触する場合にはたいした熱安定性を示さな
い。シリコンを多く含有する被覆も許容温度範囲が限ら
れている。しかし乍ら、アルミナイド被覆は硫化による
浸蝕を受け易い煩向があり、海塩で促進される腐蝕が激
しい海洋で使用されるガスタービンェンジンには好まし
くない。
混合熱ガス流による劣化の過程は多数あると同時に複雑
なものである。劣化の過程は基体合金との拡散による相
互作用を含んで居り、この相互作用は特に負荷のか）つ
ている横断面部を減少させ、基体合金の機械的性質を減
ずる。
なものである。劣化の過程は基体合金との拡散による相
互作用を含んで居り、この相互作用は特に負荷のか）つ
ている横断面部を減少させ、基体合金の機械的性質を減
ずる。
この横断面部の減少は、内部に冷却用流路をもつタービ
ン羽根のような薄い壁をもつ構成部材、即ち前綾部又は
尾縁部での構成部材の場合に極めて顕著になってくる。
これが原因となって、約３０ｑｏで１脚程度の壁厚をも
つ鋳物はクリープ破断浄性を失う。物理的蒸着法（ＰＶ
Ｄ）によって黍着されるような上張り被覆では、良好な
結合を促進するために被覆と基体間で一定の拡散が行わ
れることを必要とするが、被覆自体の生成のためには拡
散による相互作用に頼らず、機械的性質の損失を最小に
することができる。
ン羽根のような薄い壁をもつ構成部材、即ち前綾部又は
尾縁部での構成部材の場合に極めて顕著になってくる。
これが原因となって、約３０ｑｏで１脚程度の壁厚をも
つ鋳物はクリープ破断浄性を失う。物理的蒸着法（ＰＶ
Ｄ）によって黍着されるような上張り被覆では、良好な
結合を促進するために被覆と基体間で一定の拡散が行わ
れることを必要とするが、被覆自体の生成のためには拡
散による相互作用に頼らず、機械的性質の損失を最小に
することができる。
物理的蒸着による上張り被覆は、低温即ち８００００以
下の温度でニッケルーアルミナィド被覆又はコバルトー
アルミナィド被覆よりも延性に富んでいる。ニッケル基
村材料への上張り被覆用に好適で硫化による腐蝕に対し
て極めて良好な耐性をもつ合金を製造することができる
。
下の温度でニッケルーアルミナィド被覆又はコバルトー
アルミナィド被覆よりも延性に富んでいる。ニッケル基
村材料への上張り被覆用に好適で硫化による腐蝕に対し
て極めて良好な耐性をもつ合金を製造することができる
。
本発明による１つの合金は、Ｎｉ／Ｃ○、３０〜４０重
量％のＣｒ、１〜５重量％のＴｉ、２〜１０重量％の幻
の範囲内にある組成をもっている。
量％のＣｒ、１〜５重量％のＴｉ、２〜１０重量％の幻
の範囲内にある組成をもっている。
本発明の１つの例によると、Ｎｉ／Ｃｏ、３０〜４０重
量％のＣｒ、１〜５重量％のＴｉ、２〜１０重量％のＡ
Ｉの組成を有する合金からなる上張り被覆とニッケル基
材基体とからなる物品が提供される。
量％のＣｒ、１〜５重量％のＴｉ、２〜１０重量％のＡ
Ｉの組成を有する合金からなる上張り被覆とニッケル基
材基体とからなる物品が提供される。
この上張りの被覆をするに先立って、白金又は他の貴金
属の薄層を前誌基体上に析出させても良い。本発明によ
る他の合金はＮｉ／Ｃｏ、２０〜４の重量％のＣｒ、１
〜５重量％のＴｊ、２〜１０重量％のＮ、１〜１０重量
％のＳｉの範囲内にある組成をもっている。
属の薄層を前誌基体上に析出させても良い。本発明によ
る他の合金はＮｉ／Ｃｏ、２０〜４の重量％のＣｒ、１
〜５重量％のＴｊ、２〜１０重量％のＮ、１〜１０重量
％のＳｉの範囲内にある組成をもっている。
例えば、Ｎｉ、３り重量％のＣｒ、３重量％のＴｉ、２
重量％のＡＩの組成をもつ合金は、粉末状の各成分を必
要な割合で混合し、真空下で溶融し、公知の通常方法で
真空鋳造して製造される。この合金は、Ｎｉと１３．５
〜１６％のＣｒと０．９〜１．５％のＴｉと４．２〜４
．８％のＡＩと１８〜２２％のＣｏと４．５〜５．５％
のＭｏと０．２％のＣの組成を有するニッケル基合金か
ら作られているガスタービン羽根に適用され、１時間当
り５〜１０山仇程度の速さでスパッターィオンメッキ（
Ｓｐｕｔｔｅｒｉｏｎｐｌａｔｉ増）して、１００仏肌
厚さまでの上張りを形成する。このメッキ法に於いては
、低圧チャンバー内でのプラズマ（グロー）放電によっ
て生ずる不活性ガス（通常はアルゴン）イオンが被覆合
金で形成されている陰極表面に向って高電圧下に加速さ
れる。結合エネルギーが最小であるターゲットの表面原
子層で運動量の交換が起こり、被覆される基体上に析出
する材料の原子又は原子群が放出又は“スパッタリング
”される。この基体は最大の収集効率（ｃｏｌｌｅｃｔ
ｉｏｎｅＨｉｃｉｅｎｃｙ）が得られるように配置され
る。スパッタリング法の有利な特徴は、被覆が適切に結
合されるように負のバイアスを印加することによって、
最初に基体が効果的に浄化されうる点にある。スパッタ
析出の効率は、被覆材料のイオンを基体に向って加速す
るようにより低い負のバイアスを用いることにより改善
されうる。基本的合金の組成はニッケルを全部又は一部
コバルトで置換することによって変化させることができ
る。Ｎｉ、１５％のＣｒ、３．４％のＴｉ、３．４％の
ＡＩ、８．５％のＣｏ、１．７５％のＭｏ、２．６％の
Ｗ、１．７５％のＴａ、０．９％のＮｂ、０．０１％の
Ｂ、０．１％のＺｒ、０．１７％のＣ；Ｎｉ、１２．５
％のＣｒ、９．０％のＣｏ、４．２％のＴｊ、３．２％
のＡＩ、２．０％のＭｏ、３．９％のＷ、３．９％のＴ
ａ、０．０２％のＢ、０．１％のＺｒ、０．２０％のＣ
の組成を有する合金から形成される構成部材もこの方法
で被覆された。基体表面上に粉じん又は化学的不均質粒
子が存在すると、上張り被覆に筋（ｌｅａｄｅｒ）又は
割れ（Ｈａｋｅ）等の欠陥を生ずることがあり、これを
避けるために、ニッケル又は白金（又は類似の性質をも
つロジウムの如き他の貴金属）の薄い（３〜２５仏肌、
通常は１５仏の）被覆を先ず析出させるのが好ましい。
重量％のＡＩの組成をもつ合金は、粉末状の各成分を必
要な割合で混合し、真空下で溶融し、公知の通常方法で
真空鋳造して製造される。この合金は、Ｎｉと１３．５
〜１６％のＣｒと０．９〜１．５％のＴｉと４．２〜４
．８％のＡＩと１８〜２２％のＣｏと４．５〜５．５％
のＭｏと０．２％のＣの組成を有するニッケル基合金か
ら作られているガスタービン羽根に適用され、１時間当
り５〜１０山仇程度の速さでスパッターィオンメッキ（
Ｓｐｕｔｔｅｒｉｏｎｐｌａｔｉ増）して、１００仏肌
厚さまでの上張りを形成する。このメッキ法に於いては
、低圧チャンバー内でのプラズマ（グロー）放電によっ
て生ずる不活性ガス（通常はアルゴン）イオンが被覆合
金で形成されている陰極表面に向って高電圧下に加速さ
れる。結合エネルギーが最小であるターゲットの表面原
子層で運動量の交換が起こり、被覆される基体上に析出
する材料の原子又は原子群が放出又は“スパッタリング
”される。この基体は最大の収集効率（ｃｏｌｌｅｃｔ
ｉｏｎｅＨｉｃｉｅｎｃｙ）が得られるように配置され
る。スパッタリング法の有利な特徴は、被覆が適切に結
合されるように負のバイアスを印加することによって、
最初に基体が効果的に浄化されうる点にある。スパッタ
析出の効率は、被覆材料のイオンを基体に向って加速す
るようにより低い負のバイアスを用いることにより改善
されうる。基本的合金の組成はニッケルを全部又は一部
コバルトで置換することによって変化させることができ
る。Ｎｉ、１５％のＣｒ、３．４％のＴｉ、３．４％の
ＡＩ、８．５％のＣｏ、１．７５％のＭｏ、２．６％の
Ｗ、１．７５％のＴａ、０．９％のＮｂ、０．０１％の
Ｂ、０．１％のＺｒ、０．１７％のＣ；Ｎｉ、１２．５
％のＣｒ、９．０％のＣｏ、４．２％のＴｊ、３．２％
のＡＩ、２．０％のＭｏ、３．９％のＷ、３．９％のＴ
ａ、０．０２％のＢ、０．１％のＺｒ、０．２０％のＣ
の組成を有する合金から形成される構成部材もこの方法
で被覆された。基体表面上に粉じん又は化学的不均質粒
子が存在すると、上張り被覆に筋（ｌｅａｄｅｒ）又は
割れ（Ｈａｋｅ）等の欠陥を生ずることがあり、これを
避けるために、ニッケル又は白金（又は類似の性質をも
つロジウムの如き他の貴金属）の薄い（３〜２５仏肌、
通常は１５仏の）被覆を先ず析出させるのが好ましい。
このようにして得られる一定の化学的界面が上張りの改
良された微細構造を与える。上述の合金を析出被覆させ
るのに適する他の物理的蒸着法（ＰＶＤ）にはアークー
プラズマスプし−（ａｒｃ‐ｐｌａｓｍａｓｐ鼠ｙｉ増
）、エレクトロンビーム蒸発（ｅｌｅｃｔｒｏｎはａｍ
ｅｖａｐｏ偽ｔｉｏｎ）及び共亀着（ｃｏ−ｅｌｅｃｔ
ｒＭｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）がある。上記特定組成の上張
り被覆は、アルマィジングされた被覆（ａｉｍｍｉｎｉ
ｓｅｄｃｏａｔｉｎ鮫）よりも非常に良好な延性をもっ
ており（これは疲労破壊と取り扱い双方の観点から重要
である‐ニッケルアルミナイド及びコバルトアルミナイ
ドは脆く、タービンディスクに羽根をタッピングする際
に構成部村が脱落しないように注意する必要がある）、
基体に対しても良好な熱安定性と極めて良好な耐熱衝撃
性とを示す。このような性質をもつ上張り被覆は海塩１
脚を含有し、７５０℃及び８５０ｑｏの温度にある、３
００ｍ／ｓまでの速度をもつガス流に対して１２０■時
間以上にわたり測定しうる劣化を受けることなく耐える
が、各種のアルマイジングされた被覆は或る時間には１
０畑時間という著しく短い時間でこのような条件下での
曝露の後には破壊されてしまう。
良された微細構造を与える。上述の合金を析出被覆させ
るのに適する他の物理的蒸着法（ＰＶＤ）にはアークー
プラズマスプし−（ａｒｃ‐ｐｌａｓｍａｓｐ鼠ｙｉ増
）、エレクトロンビーム蒸発（ｅｌｅｃｔｒｏｎはａｍ
ｅｖａｐｏ偽ｔｉｏｎ）及び共亀着（ｃｏ−ｅｌｅｃｔ
ｒＭｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）がある。上記特定組成の上張
り被覆は、アルマィジングされた被覆（ａｉｍｍｉｎｉ
ｓｅｄｃｏａｔｉｎ鮫）よりも非常に良好な延性をもっ
ており（これは疲労破壊と取り扱い双方の観点から重要
である‐ニッケルアルミナイド及びコバルトアルミナイ
ドは脆く、タービンディスクに羽根をタッピングする際
に構成部村が脱落しないように注意する必要がある）、
基体に対しても良好な熱安定性と極めて良好な耐熱衝撃
性とを示す。このような性質をもつ上張り被覆は海塩１
脚を含有し、７５０℃及び８５０ｑｏの温度にある、３
００ｍ／ｓまでの速度をもつガス流に対して１２０■時
間以上にわたり測定しうる劣化を受けることなく耐える
が、各種のアルマイジングされた被覆は或る時間には１
０畑時間という著しく短い時間でこのような条件下での
曝露の後には破壊されてしまう。
中間層として白金を使用すると、爾後の加熱処理操作中
に白金が基体と上張りの双方に溶解し、割れの伝播に対
して強い抵抗性を有するバリヤーを形成し、基体を腐蝕
から更に保護するというもう１つの利点があることが判
った。しかし乍ら、爾後の加熱処理条件を選定するには
、酸化腐蝕に対する抵抗性を損うような白金と被覆合金
成分との強い反応が起らないように注意しなければなら
ない。（例えば、白金の濃縮された部分が隣ればなれに
存在するため酸化腐蝕に対する抵抗性が損われることが
ある）。上記に特定された組成をもつ上張り被覆と同等
の保護を与えうる他の上張り被覆にはＮｉ、３０〜４０
％のＣｒ、１〜５％のＴｉ、２〜１０％のＡＩの基本組
成のほかに希士類（Ｙ、Ｃｅ、凶等）０．１〜３％を加
えたものがある。
に白金が基体と上張りの双方に溶解し、割れの伝播に対
して強い抵抗性を有するバリヤーを形成し、基体を腐蝕
から更に保護するというもう１つの利点があることが判
った。しかし乍ら、爾後の加熱処理条件を選定するには
、酸化腐蝕に対する抵抗性を損うような白金と被覆合金
成分との強い反応が起らないように注意しなければなら
ない。（例えば、白金の濃縮された部分が隣ればなれに
存在するため酸化腐蝕に対する抵抗性が損われることが
ある）。上記に特定された組成をもつ上張り被覆と同等
の保護を与えうる他の上張り被覆にはＮｉ、３０〜４０
％のＣｒ、１〜５％のＴｉ、２〜１０％のＡＩの基本組
成のほかに希士類（Ｙ、Ｃｅ、凶等）０．１〜３％を加
えたものがある。
１の重量％までシリコンを添加すると好ましい性質が得
られるが、シリコン量が上限に近づく場合にはクロムの
割合を減少させるのが望ましい。
られるが、シリコン量が上限に近づく場合にはクロムの
割合を減少させるのが望ましい。
組成の範囲はＮｉ／Ｃｏ、２０〜４の重量％のＣｒ、１
〜５重量％のＴｉ、２〜１０重量％のＡＩ、１〜１０重
量％のＳｉとなる。この範囲での代表的な合金はＮｉ、
３０重量％のＣｒ、２重量％のＴｉ、８重量％のＡＩ、
５重量％のＳｉの組成を有している。Ｓｉよりはむしろ
ハフニウムを１０％まで含ませることも望ましい、しか
し乍らその性質は当然違って釆る。
〜５重量％のＴｉ、２〜１０重量％のＡＩ、１〜１０重
量％のＳｉとなる。この範囲での代表的な合金はＮｉ、
３０重量％のＣｒ、２重量％のＴｉ、８重量％のＡＩ、
５重量％のＳｉの組成を有している。Ｓｉよりはむしろ
ハフニウムを１０％まで含ませることも望ましい、しか
し乍らその性質は当然違って釆る。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ ニツケル基材表面に適用する クロム ３０〜４０重量％ チタニウム １〜５重量％ アルミニウム ２〜１０重量％ ニツケル／コバルト 残 部 よりなる上張り被覆用合金。 ２ 組 成 クロム ３７重量％ チタニウム ３重量％ アルミニウム ２重量％ ニツケル／コバルト 残 部 と同一又は実質的に同一であることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の合金。 ３ ニツケル基材表面に適用する クロム ２０〜４０重量％ チタニウム １〜５重量％ アルミニウム ２〜１０重量％ シリコン １０重量％以下 ニツケル／コバルト 残 部 よりなる上張り被覆用合金。 ４ 組 成 クロム ２０〜４０重量％ チタニウム １〜５重量％ アルミニウム ２〜１０重量％ シリコン １〜１０重量％ ニツケル／コバルト 残 部 を有することを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の
合金。 ５ 組 成 クロム ３０重量％ チタニウム ２重量％ アルミニウム ８重量％ シリコン ５重量％ ニツケル 残 部 と同一又は実質的に同一であることを特徴とする特許請
求の範囲第４項記載の合金。 ６ ニツケル基材表面に適用する クロム ３０〜４０重量％ チタニウム １〜５重量％ アルミニウム ２〜１０重量％ 希土類 ０．１〜３重量％ ニツケル／コバルト 残 部 よりなる上張り被覆用合金。 ７ ニツケル基材表面に適用する クロム ３０〜４０重量％ チタニウム １〜５重量％ アルミニウム ２〜１０重量％ ハフニウム １０重量％以下 ニツケル／コバルト 残 部 よりなる上張り被覆用合金。 ８ 組 成 クロム ３０〜４０重量％ チタニウム １〜５重量％ アルミニウム ２〜１０重量％ ニツケル／コバルト 残 部 を有する合金の上張り被覆とニツケルを基材とする基体
とからなる物品。 ９ 上張り被覆前に白金又は他の貴金属の２５μｍを越
えない層が基体上に析出されていることを特徴とする特
許請求の範囲第８項記載の物品。
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