JPS6044390B2 - 被覆された超合金製品 - Google Patents

被覆された超合金製品

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JPS6044390B2
JPS6044390B2 JP52002294A JP229477A JPS6044390B2 JP S6044390 B2 JPS6044390 B2 JP S6044390B2 JP 52002294 A JP52002294 A JP 52002294A JP 229477 A JP229477 A JP 229477A JP S6044390 B2 JPS6044390 B2 JP S6044390B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は被覆された超合金製品を含み、また一般的には
被覆技術に係り、さらに詳細には進歩したガスタービン
エンジンに関連するごとき苛酷な環境に於てその上に保
護を与える高温酸化抵抗被覆を有する構成要素に係る。
米国特許第３６７６０８５号、同第３７５４９０３号及
び同第３５４２５３吋により証明されている如く、ＭＣ
ｒＡｌＹ型の被覆は現在当技術分野に於てよく知られて
いる。通常ＭＣｒＡｌＹ被覆は高クロム及び高アルミニ
ウム成分てあることを特徴としており、又コバルト、ニ
ッケル及び鉄より成る群より選択された要素（これをＭ
にて示す）の一つ或はそれ以上を含む基礎金属内にイッ
トリウムを含有している。かかる被覆は通常保護される
べき表面上にＭＣｒＡｌＹ合金として溶着され、かくし
て保護機能を果す際には実質的に基質より独立して作用
をなす上層被覆であることを特徴としている。アルミナ
イド被覆及びアルミナイド被覆を製造するプロセスも周
知であり、ガスタービンエンジンの要素のための主要な
被覆技術として多年に亘つて使用されてきた。
米国特許第３１０２０４４号に於ては、超合金表面に付
着されたアルミニウムに富んだスラリーは、保護アルミ
ナイドを形成すべくこれと反応せしめられる。米国特許
第３２５７２３０号には他のアルミ処理技術、すなわち
バック浸炭プロセスにより合金表面上に保護アルミナイ
ドを形成することが記載されている。ＭＣｒＡｌＹ型の
被覆が導入される以前には、前述の如く超合金は直接そ
の上にアルミナイドを形成することにより、又高温度に
於てその表面をアルミニウム或はアルムニウムを含有す
る蒸気に曝すことによつて超合金表面と反応せしめるこ
とによ−リ保護された。
形成される主要なアルミナイドは通常基質の基礎金属、
すなわち、ニッケル、コバルト或は鉄のアルミナイドで
あつた。しかしかかる主要なアルミナイドに加えて、被
覆層は基質合金内に存在するある量の他の成分を含んて
おり、またたいていの場合全被覆は許容しうるものでは
あつたが組成の点で一つの妥協を表わすものであり、も
し被覆を最適とするに望ましいものよりも劣るものであ
つた。エンジンの環境及び被覆されたアルミニウムに対
する他の要求が厳しくなるにつれて、広く使用されてい
たアルミナイドはある環境に於ては許容し難くなり、更
に被覆を改善することが賢明であ）るようになつてきた
。
もちろん被覆はエンジン設計の許容性に於て主要な役割
を果す。ＭＣｒＡｌＹ型の被覆はかかる被覆の改良研究
の成果であり、かかる被覆により進歩したガスタービン
エンジンの開発に関連して設計者はより大きな柔軟性を
もつ・てエンジンを設計し得るようになつた。ＭＣｒＡ
ｌＹ被覆の導入により、進歩したエンジンに関連するよ
り苛酷なエンジン環境に於て被覆及び被覆された構成要
素の作動寿命を保持し或は増大せしめることが可能とな
つた。
前述の如く、”ＭＣｒＡｌＹ被覆は通常真空蒸着、スパ
ッタリング或はプラズマ溶射技術によりＭＣｒＡｌＹ合
金として基質表面上に溶着される。基礎的な保護が溶着
された合金それ自身により与えられるが、この溶着され
た合金は実質的に基質それ自身より独立しているので、
かかる基礎的な保護のために更に最適な条件とされてよ
い。もちろん被覆と基質金属との間には望ましくかつ限
られた相互作用があるが、このことは反応それ自身とい
うよりはむしろ冶金的接合の性質に関するものであり、
保護要素は基質からというよりはむしろＭＣｒ，ＡｌＹ
合金から引き出される。その後の開発に於て、多層の被
覆層或は複合被覆を使用することにより付加的な被覆改
良が達成されうることが提案された。
例えば米国特許第３６４９２２５号に於ては、その上に
ＭＣｒＡＩＹ層を有する超合金基質に近接したクローム
介在層或はクロムに富んだ介在層を含む複合被覆を使用
することが説明されている。ＭＣｒＡｌＹ型の被覆に関
するいくつかの進歩が更に最近になつて特許文献に開示
されている。
米国特許第３８４９８６５号には保護されるべき基質は
先ずＮｉＣｒＡｌＳｉ或はＦｅＣｒＡｌＹの如き金属箔
にて重合され、次いでこの箔はアルミナイド層にて覆わ
れる。米国特許第３８７３３４７号及び同第３８７４９
０１号は、被覆技術に関して幾分か以通つたシステムに
ついて説明しており、これらの特許に於ては先ず超合金
本体がＭＣｒＡｌＹ型の層にて被覆され、次いでアルミ
ニウム或はアルミナイドの上層を与えるべくアルミ処理
される。本発明は、主に基礎金属のアルミナイドより成
るアルミナイド被覆を有する超合金基質を含み、上層被
覆がＭＣｒＡｌＹ型合金を含んでいる被覆された製品を
熟慮するものである。
本発明の好ましい実施例は、アルミナイドを有していな
い或は介在層としてアルミナイドを有していない製品の
作動寿命より３倍も長い作動寿命のポテンシャルを示し
た。
超合金は一般に高温度に於て高温度を呈するニッケル、
コバルト或は鉄基合金であることを特徴とする合金であ
る。
ガスタービンエンジンに於て使用される多数の超合金が
ある。これらに関しては最も大きな物理的要求が通常か
かるエンジンに於るブレード及びベーンに採用される物
におかれる。何故ならば、ブレード及びベーンは最も高
い−温度に於て最も高い応力に直面するからである。更
にブレード及びベーンに特に熱的衝撃、差動的熱膨張、
疲労、腐蝕等に関連する問題を被り易いからである。ブ
レード及びベーン合金の代表的なものは以下のニッケル
基超合金である。
ＡｌＯ％クロム、１５％コバルト、４．５％チタン、５
．５％アルミニウム、３％モリブデン、０．１７％炭素
、１％バナジウム、０．０６％ボロン、０．０５％ジル
コニウム、残部ニッケルなる公称組成を有する囚−１０
へＢ９％クロム、１０％コバルト、２％チタン、５％ア
ルミニウム、１２．５％タングステン、０．１５％炭素
、１％ニオブ、０．０１５％ボロン、０．０５％ジルコ
ニウム、残部ニッケルなる組成を有するＭＡＲ−Ｍ２Ｏ
Ｏ、Ｃｌ３％クロム、１０％コバルト、４．５％チタン
、３％アルミニウム、２％モリブテン、４％タンタル、
４％タングステン、０．２％炭素、０．０２％ボロン、
０．１％ジルコニウム、残部ニッケルなる公称組成を有
するＩＮＣＯＮＥＬ７９２Ｏガスタービンエンジンに於
て使用される代表的なコバルト基合金には以下のものが
ある。
Ａ２ｌ％クロム、１１％タングステン、２％ニオブ及び
タンタル、１．７５％鉄、０．４５％炭素残部コバルト
なる組成のＷＩ−５２、Ｂ２ｌ．５％クロム、１０％ニ
ッケル、７％タングステン、３．５％タンタル、０．２
％チタン、０．６％炭素、０．５％ジルコニウム、残部
コバルトなる公称組成を有するＭＡＲ−Ｍ５Ｏ９。
本発明の実施に於ては、超合金基質は先ずアルミナイド
被覆される。
この被覆はかかる目的で当技術分野に於て周知であるス
ラリー、バック浸炭、スパッタリング或は他の技術の内
の任意のものにより達成されてよい。特に本発明が適用
される進歩したブレード及びベーンの多くは内部冷却通
路を設けられており、翼の外面上に必要とされる表面保
護に加えてこの通路に対して表面保護が適当に設けられ
ている。内面及び外面の両方がアルミ処理されねばなら
ない時には、その最も好ましいプロセスはバック浸炭或
はガス相技術である。一つのアルミ処理法に於ては、被
覆されるでき部材は完全に清浄化された後、約１５重量
％のアルミニウム／１２％のシリコン合金、約２．５％
までの塩化アンモニウム、残部のアルミナを含有する乾
燥粉末混合物内に埋め込まれた。
次いでこの埋め込まれた部材は約７６０℃なる温度に加
熱され、所要の被覆厚とするに充分な期間その温度に維
持された。外面、ブレードのルート、シユラウドプラツ
トフオーム及び内部通路の被覆は１回の作業で行なわれ
た。勿論被覆が必要とされていない領域は、アルミ処理
作業中適当に覆いかぶせられてい゛た。一般に０．０２
５〜０．０６３ｗｍのアルミナイド被覆厚（拡散域を含
む）が全ての表面に使用されたが、厚さは多少増減され
てよく或は他の環境に於てはその方が賢明であることさ
えあることは明らかで・ある。
又アルミナイドの表面に於るアルミニウム成分は通常約
２２〜３鍾量％とされていたが、ここでも変化が可能で
ある。最適条件のアルミナイド被覆厚及びアルミニウム
成分を決定する際に第一に考慮しなければならフないこ
とが二つある。
与えられる保護の程度は被覆中にあるアルミニウムの量
に大きく依存している。しかしアルミナイド内に用意す
る必要があるものは、その要素が特に熱的衝撃条件が存
在する環境に於てかなりの延性を必要とするＭＣｒＡｌ
Ｙ上層被覆のためのしつかりとした基礎であるというこ
とが恐らくはより重要である。又部材は高温度バック浸
炭プロセスによりアルミニウム処理されるが、この場合
には埋め込まれたニッケル基超合金部材は水素或はアル
ゴン雰囲気中にて１０４０℃までの温度にバック内にて
加熱される。
アルミ処理作業に引き続いてＭＣｒＡｌＹ被覆がその上
に溶着される。
重量で１４〜２２％クロム、１１．５〜１３．５％アル
ミニウム、０．１〜０。５％イットリウム、２０〜２６
％コバルト、残部ニッケルなる組成の特に好ましいＮｉ
ＣＯＣｒ，ＡｌＹ被覆が使用された。
この被覆は真空蒸着技術により付着されたが、スパッタ
リング及びプラズマ溶射プロセスもＭＣｒＡｌＹ被覆を
付着するために使用された。他の一つのＭＣｒＡＩＹ被
覆は、約１５〜２１％クロム、１０〜１２％アルミニウ
ム、０．３〜０．９％イットリウム、残部コバルトなる
組成のＣＯＣｒＡｌＹ合金である。好ましいプロセスに
は真空室（１０−４Ｔ０ｒｒ或は−それ以下）内の被覆
材料の溶融池から予熱された部材上への蒸着があり、こ
の蒸着は所要の厚さ（通常０．０２５〜０．１２Ｔ０ｎ
）が達成されるまで続けられる。
蒸着に続いて被覆された製品は乾燥ガラスビー；ドにて
ピーニングされる。
しかる後被覆された製品は今問題にしている特定の被覆
のみならず基質をも受け入れるべく選択された温度に於
て拡散熱処理を施される。ブレード及びベーン合金に対
しては通常１０８０℃の熱処理約４時間が適当であるこ
一とがわかつた。被覆された製品を試験することにより
いくつかの驚くでき結果が得られた。
周期的酸化に於て、 ＡＮｉＣＯＣｒＡｌＹ被覆のみにて被覆されたニッケル
基超合金のサンプルは穴が明くまで９関時間持続した。
ＢＮｉＣＯＣｒＡｌＹ被覆にて被覆され且つアルミナイ
ド上層被覆を有するニッケル基超合金のサンプルは穴が
明くまで８９叫間持続した。ｃアルミナイド介在層及び
ＮｉＣＯＣｒＡｌＹ上層被覆を有するニッケル基超合金
を含む本発明によるサンプルは、今まで穴が明く兆しも
なく３１７７時間持続しており、現在もなお試験中であ
る。
このことは本発明のこの実施例に対して他の二つより大
きなファクタぜ一を示している。他の一つの周期的酸化
試験に於ては、 ＡＣＯＣｒＡｌＹ下層被覆及びアルミナイド上層被覆を
有するサンプルは１６３時間後に穴が明いた。
ｂアルミナイド介在層及びＣＯＣｒＡｌＹ上層被覆を有
する本発明によるサンプルは２７４時間後に穴が明いた
。
かくして本発明の実質的にして予期せぬ優位性が証明さ
れた。
以上に於ては本発明をその特定の実施例について詳細に
説明したが、本発明はかかる実施例に限定されるもので
はなく、種々の修正並びに省略が可能であることは当業
者にとつて明らかであろう。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 超合金基質を含む被覆された製品にして、該基質上
    には実質的に該基質の基礎金属のアルミナイトよりなる
    第一の被覆と、第一の被覆上に設けられたＭＣｒＡｌＹ
    被覆（Ｍはニッケル、コバルト及び鉄よりなる群より選
    択された金属）とを含むことを特徴とする被覆された製
    品。 ２ 特許請求の範囲第１項の被覆された製品にして、前
    記超合金基質の基礎金属は、ニッケル、コバルト及び鉄
    よりなる群から選択された金属であることを特徴とする
    被覆された製品。 ３ 特許請求の範囲第２項の被覆された製品にて、ＭＣ
    ｒＡｌＹ被覆は、重量で、１５〜３５％クロム、１０〜
    ２０％アルミニウム、０．０１〜３％イットリウム、及
    びニッケル、コバルト及び鉄よりなる群より選択された
    残部よりなる組成を有していることを特徴とする被覆さ
    れた製品。 ４ 特許請求の範囲第１項の被覆された製品にして、前
    記超合金基質はニッケル基超合金基質であり、前記第一
    の被覆は延性ニッケルアルミナイト被覆であり、前記Ｍ
    ＣｒＡｌＹ被覆はＮｉＣｏＣｒＡｌＹ被覆であることを
    特徴とする被覆された製品。 ５ 特許請求の範囲第４項の被覆された製品にして、前
    記ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ被覆は、重量で、１１〜４８％の
    コバルト、少なくとも１５％のニッケル、１０〜４０％
    のクロム、９〜１５％のアルミニウム、及び０．０１〜
    １％のイットリウムよりなる組成を有していることを特
    徴とする被覆された製品。 ６ 特許請求の範囲第５項の被覆された製品にして、前
    記ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ被覆は、重量で、２５〜４０％コ
    バルト、１４〜２２％クロム、１０〜１３％アルミニウ
    ム、０．０１〜１％イットリウム、実質的にニッケルよ
    りなる残部よりなる組成を有していることを特徴とする
    被覆された製品。 ７ 特許請求の範囲第１項の被覆された製品にして、前
    記超合金基質はニッケル基超合金基質であり、前記第一
    の被覆は延性ニッケルアルミナイト被覆であり、前記Ｍ
    ＣｒＡｌＹ被覆はＣｏＣｒＡｌＹ被覆であることを特徴
    とする被覆された製品。 ８ 特許請求の範囲第７項の被覆された製品にして、Ｃ
    ｏＣｒＡｌＹ被覆は、重量で、１５〜４０％クロム、１
    ０〜２５％アルミニウム、０．０１〜５％イットリウム
    、残部コバルトよりなる組成を有していることを特徴と
    する被覆された製品。 ９ 特許請求の範囲第８項の被覆された製品にして、前
    記ＣｏＣｒＡｌＹ被覆は、重量で、１５〜２５％クロム
    、１１〜１４％アルミニウム、０．１〜１％イットリウ
    ム、残部コバルトよりなる組成を有していることを特徴
    とする被覆された製品。 １０ 特許請求の範囲第１項〜第９項の何れかの被覆さ
    れた製品にして、該製品はガスタービンエンジンの構成
    要素であることを特徴とする被覆された製品。
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