JPS6117905B2 - - Google Patents
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- JPS6117905B2 JPS6117905B2 JP53074928A JP7492878A JPS6117905B2 JP S6117905 B2 JPS6117905 B2 JP S6117905B2 JP 53074928 A JP53074928 A JP 53074928A JP 7492878 A JP7492878 A JP 7492878A JP S6117905 B2 JPS6117905 B2 JP S6117905B2
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Description
本発明は環境抵抗性、特に高温での耐熱腐食性
が改善された金属物品、特に基体と複合的段階的
被覆が相互拡散された金属物品に関する。 ガスタービンエンジンの高温作動条件から、設
計者はかゝる条件下での酸化の結果として生じる
部品表面の劣化問題をかゝえている。その結果、
ガスタービンエンジンの作動中にタービンブレー
ドおよびベーンのような高温作動部品の表面を保
護するための多数の被覆系が提案されている。し
かし、このような装置を塩水付近または塩水を含
む物体上で作動する場合には、もう一つ熱腐食問
題が生じる。熱腐食の機構は酸化とは異なる。 かなり以前から、アルミニウムまたはアルミナ
イジング被覆により金属物品の環境抵抗性を改善
することが知られている。しかし、最近の研究で
は、表面酸化物の種々のタイプおよび相互関係に
関する知見が報知されている。例えば、チヤン
（Chang）の米国特許第3996021号（1976年12月７
日）では、被覆寿命を改善するために、表面被覆
中に元素Hfを含有させてHfO2を形成することの
効果が認識されている。さらにチヤンの米国特許
第3976436号（1976年８月24日）には、Alおよび
Hfと共にPt、RhおよびPdのような元素を用いる
のが、環境抵抗性を改善するのに有利であること
が記載されている。アルミニウムのオーバーレイ
を用いることにより得られる利益が、レイヤーデ
ン（Rairden）の米国特許第3874901号および
第3998603号に開示されている。 広義には本発明は、Fe、CoまたはNi元素に基
づく超合金に段階的被覆を拡散させて、高温での
良好な耐酸化性を得るのは勿論、耐熱腐食性を増
加した金属物品を提供する。拡散された段階的被
覆は内側および外側被覆部分よりなる。内側被覆
部分は、基体に隣接しかつこれと共に拡散され、
主としてAlおよびCrとFe、CoおよびNiのうち少
くとも１種の元素とを、基体および外側被覆部分
から拡散された元素と共に含有する。内側被覆部
分に隣接しかつこれと共に拡散された外側被覆部
分は、Hf、Pt、RhおよびPdのうち少くとも１種
の元素５〜50重量％を、基体および内側被覆部分
から拡散された元素と共に含有する。一例におい
ては、内側被覆部分が、実質的に重量比でAl ８
〜30％、Cr10〜50％、Hf10％以下、Pt、Rhおよ
びPdの中から選択された元素30％以下、Y3％以
下と、基体元素、主としてFe、CoおよびNiの中
から選択された元素残部量とからなる。 一好適例においては、拡散外側被覆部分が、実
質的に重量比でHf2〜５％およびPt5〜40％と内
側被覆部分から拡散された元素とからなる。他の
好適例では、内側被覆部分が、実質的に重量比で
Al ８〜20％、Cr10〜40％、Hf5％以下、Pt20％
以下、Y2％以下と、Fe、CoおよびNiのうち少く
とも１種の元素残部量とからなる。 超合金物品の高温環境保護のための被覆として
最近注目されているのはMCrAlY型被覆（Ｍは遷
移三つ組元素Fe、CoおよびNiのうち少くとも１
種を示す）である。前記特許明細書によれば、
かゝる被覆の有用範囲は重量比でAl ８〜30％、
Cr10〜50％、Y3％以下および少くとも１種のＭ
元素残部量である。このような被覆を基体に種々
の方法、例えば物理的蒸着、溶射またはプラズマ
溶射、スパツタリング、電子ビーム堆積などによ
つて被着することが報告されている。堆積後、被
覆を基体と共に拡散処理する。 前記レイヤーデンの米国特許第3874901号に
は、複層被覆系がアルミナイジング上層を用いる
ことにより優れた環境抵抗性を呈することが記載
されている。本発明は複数部分よりなる段階的被
覆を設けることにより、上記のような既知の系、
即ち被覆を大きく改善することがきる。内側部分
はMCrAl基型拡散合金をなし、内側部分に隣接
しかつ主としてこれと共に拡散された被覆の外側
部分は、元素Hf、Pt、RhおよびPdを５〜50重量
％含有し、かくして前記米国特許第3976436号お
よび第3996021号に規定されているような単一被
覆部分に較べて有意義な改善を達成する。特に、
本発明によれば、５〜50重量％のHfおよびPt元
素を含有するオーバーレイ、即ち外側被覆部分を
用いることによつて、耐熱腐食性を著しく改善す
ることができる。この改善は基体、内側被覆部分
および外側被覆部分間の相互拡散後に達成され、
相関酸化物の再生外側障壁が生成し、これが被覆
物品の高温作動の間良好な耐酸化性とともに顕著
な耐熱腐食性を維持し続ける。本発明の物品は分
解に抵抗する密なα−Al2O3の形成に部分的に依
存している。しかし、熱腐食性環境下では、α−
Al2O3の破砕に加えて、被覆の急速な分解の原因
となる要因がほかに少くとも２つある。一つは溶
融塩によるAl2O3の溶融であり、もう一つはスケ
ールおよび被覆材料を経ての硫黄の迅速な拡散お
よび反応である。HfまたはPtまたはこれら双方
のオーバーレイを用いることで、Al活性が増
し、これにより内側被覆部分から拡散されたAl
がAl2O3の再形成に利用される可能性が高められ
る。HfおよびPtの添加によりAl2O3スケール付着
および塩溶融化抵抗性が改善される。これら２つ
の性質が有効であることが試験結果により示され
た。 本発明で設けられる被覆は、種々の元素の濃度
が基体から内部被覆部分を経てさらに外部被覆部
分を経てこれらの基体および内外側部分間での相
互拡散度の函数として変化するという意味で「段
階的」被覆として定義される。従つて、拡散後に
内側被覆部分は主としてMCrAl基型となり、外
側被覆部分は元素Hf、Pt、RhおよびPd5〜50重
量％を含み、これらの部分はそれぞれ基体、内側
被覆部分および外側被覆部分間の拡散に従う量お
よび種類の他の元素を含む。 本発明の評価を行うために、種々の組合せの被
覆を評価した。第表に相互拡散後の被覆部分に
関する好適な組成範囲を示す。段階的内側被覆部
分は、重量比でAl ８〜30％、Cr10〜50％、Hf10
％以下、Pt、RhおよびPdのうち少くとも１種の
元素30％以下、Y3％以下および残部主として
Fe、CoおよびNiのうち少くとも１種の元素の範
囲から選択した。段階的外側部分は一例では設け
ず、他の例では主としてAlの部分として設け、
本発明を代表する例では20〜40重量％のPtおよび
２〜５重量％のHfを含有した。
が改善された金属物品、特に基体と複合的段階的
被覆が相互拡散された金属物品に関する。 ガスタービンエンジンの高温作動条件から、設
計者はかゝる条件下での酸化の結果として生じる
部品表面の劣化問題をかゝえている。その結果、
ガスタービンエンジンの作動中にタービンブレー
ドおよびベーンのような高温作動部品の表面を保
護するための多数の被覆系が提案されている。し
かし、このような装置を塩水付近または塩水を含
む物体上で作動する場合には、もう一つ熱腐食問
題が生じる。熱腐食の機構は酸化とは異なる。 かなり以前から、アルミニウムまたはアルミナ
イジング被覆により金属物品の環境抵抗性を改善
することが知られている。しかし、最近の研究で
は、表面酸化物の種々のタイプおよび相互関係に
関する知見が報知されている。例えば、チヤン
（Chang）の米国特許第3996021号（1976年12月７
日）では、被覆寿命を改善するために、表面被覆
中に元素Hfを含有させてHfO2を形成することの
効果が認識されている。さらにチヤンの米国特許
第3976436号（1976年８月24日）には、Alおよび
Hfと共にPt、RhおよびPdのような元素を用いる
のが、環境抵抗性を改善するのに有利であること
が記載されている。アルミニウムのオーバーレイ
を用いることにより得られる利益が、レイヤーデ
ン（Rairden）の米国特許第3874901号および
第3998603号に開示されている。 広義には本発明は、Fe、CoまたはNi元素に基
づく超合金に段階的被覆を拡散させて、高温での
良好な耐酸化性を得るのは勿論、耐熱腐食性を増
加した金属物品を提供する。拡散された段階的被
覆は内側および外側被覆部分よりなる。内側被覆
部分は、基体に隣接しかつこれと共に拡散され、
主としてAlおよびCrとFe、CoおよびNiのうち少
くとも１種の元素とを、基体および外側被覆部分
から拡散された元素と共に含有する。内側被覆部
分に隣接しかつこれと共に拡散された外側被覆部
分は、Hf、Pt、RhおよびPdのうち少くとも１種
の元素５〜50重量％を、基体および内側被覆部分
から拡散された元素と共に含有する。一例におい
ては、内側被覆部分が、実質的に重量比でAl ８
〜30％、Cr10〜50％、Hf10％以下、Pt、Rhおよ
びPdの中から選択された元素30％以下、Y3％以
下と、基体元素、主としてFe、CoおよびNiの中
から選択された元素残部量とからなる。 一好適例においては、拡散外側被覆部分が、実
質的に重量比でHf2〜５％およびPt5〜40％と内
側被覆部分から拡散された元素とからなる。他の
好適例では、内側被覆部分が、実質的に重量比で
Al ８〜20％、Cr10〜40％、Hf5％以下、Pt20％
以下、Y2％以下と、Fe、CoおよびNiのうち少く
とも１種の元素残部量とからなる。 超合金物品の高温環境保護のための被覆として
最近注目されているのはMCrAlY型被覆（Ｍは遷
移三つ組元素Fe、CoおよびNiのうち少くとも１
種を示す）である。前記特許明細書によれば、
かゝる被覆の有用範囲は重量比でAl ８〜30％、
Cr10〜50％、Y3％以下および少くとも１種のＭ
元素残部量である。このような被覆を基体に種々
の方法、例えば物理的蒸着、溶射またはプラズマ
溶射、スパツタリング、電子ビーム堆積などによ
つて被着することが報告されている。堆積後、被
覆を基体と共に拡散処理する。 前記レイヤーデンの米国特許第3874901号に
は、複層被覆系がアルミナイジング上層を用いる
ことにより優れた環境抵抗性を呈することが記載
されている。本発明は複数部分よりなる段階的被
覆を設けることにより、上記のような既知の系、
即ち被覆を大きく改善することがきる。内側部分
はMCrAl基型拡散合金をなし、内側部分に隣接
しかつ主としてこれと共に拡散された被覆の外側
部分は、元素Hf、Pt、RhおよびPdを５〜50重量
％含有し、かくして前記米国特許第3976436号お
よび第3996021号に規定されているような単一被
覆部分に較べて有意義な改善を達成する。特に、
本発明によれば、５〜50重量％のHfおよびPt元
素を含有するオーバーレイ、即ち外側被覆部分を
用いることによつて、耐熱腐食性を著しく改善す
ることができる。この改善は基体、内側被覆部分
および外側被覆部分間の相互拡散後に達成され、
相関酸化物の再生外側障壁が生成し、これが被覆
物品の高温作動の間良好な耐酸化性とともに顕著
な耐熱腐食性を維持し続ける。本発明の物品は分
解に抵抗する密なα−Al2O3の形成に部分的に依
存している。しかし、熱腐食性環境下では、α−
Al2O3の破砕に加えて、被覆の急速な分解の原因
となる要因がほかに少くとも２つある。一つは溶
融塩によるAl2O3の溶融であり、もう一つはスケ
ールおよび被覆材料を経ての硫黄の迅速な拡散お
よび反応である。HfまたはPtまたはこれら双方
のオーバーレイを用いることで、Al活性が増
し、これにより内側被覆部分から拡散されたAl
がAl2O3の再形成に利用される可能性が高められ
る。HfおよびPtの添加によりAl2O3スケール付着
および塩溶融化抵抗性が改善される。これら２つ
の性質が有効であることが試験結果により示され
た。 本発明で設けられる被覆は、種々の元素の濃度
が基体から内部被覆部分を経てさらに外部被覆部
分を経てこれらの基体および内外側部分間での相
互拡散度の函数として変化するという意味で「段
階的」被覆として定義される。従つて、拡散後に
内側被覆部分は主としてMCrAl基型となり、外
側被覆部分は元素Hf、Pt、RhおよびPd5〜50重
量％を含み、これらの部分はそれぞれ基体、内側
被覆部分および外側被覆部分間の拡散に従う量お
よび種類の他の元素を含む。 本発明の評価を行うために、種々の組合せの被
覆を評価した。第表に相互拡散後の被覆部分に
関する好適な組成範囲を示す。段階的内側被覆部
分は、重量比でAl ８〜30％、Cr10〜50％、Hf10
％以下、Pt、RhおよびPdのうち少くとも１種の
元素30％以下、Y3％以下および残部主として
Fe、CoおよびNiのうち少くとも１種の元素の範
囲から選択した。段階的外側部分は一例では設け
ず、他の例では主としてAlの部分として設け、
本発明を代表する例では20〜40重量％のPtおよび
２〜５重量％のHfを含有した。
【表】
【表】
【表】
第表および第表からのデータから明らかな
ように、本発明の物品を既知の被覆物品と熱腐食
寿命および酸化について比較してみると、本発明
は環境抵抗性が優れている。本発明は第表の実
施例３の組成により代表される。既知の被覆は
CoCrAlY型単一部分被覆（実施例１）および米
国特許第3874901号に記載されたタイプのアルミ
ニウム上層を有するCoCrAl型被覆（実施例２）
である。既知の被覆および本発明の被覆を、
Rene′80ニツケル基超合金（公称重量組成C0.15
％、Cr14％、Ti5％、B0.015％、Al ３％、W4
％、Mo4％、Co9.5％、Zr0.06％および残部Niお
よび付随的不純物）と称されるニツケル基合金の
試験片に適用した。塩水の物体付近でのガスター
ビンエンジン運転条件に模似させるために、循環
動的試験に5ppm海水を用いた。試験では試験片
を1700〓にさらし、１時間に１回試験片を500〓
に急速冷却し、約１分後再び1700〓に戻すことを
繰返した。MCrAl基型である内側または第１被
覆部分は、各例とも物理的蒸着により試験片に被
着した。実施例２では、レヴイン（Levine）ら
の米国特許第3667985号（1972年６月６日）に記
載された形式のパツク被覆法を用いて外側部分の
Alを適用した。当業界で周知のようにパツク成
分を変えて所望の組成物を得た。しかし、種々の
被覆部分を被着するのに種種の方法（その一部を
前述した）を用いることができる。 第表の実施例３の被覆系を被着するには、ま
ず最初物理的蒸着によりCoCrAlを堆積した。次
に、このように被覆した物品を前記米国特許第
3996021号に記載されたタイプの、元素Hfを含む
粉末パツク中に入れた。次にスパツタリングによ
りPtを被着した。 第表から明らかなように、既知の被覆系を代
表する実施例１および２の被覆は、本発明の被覆
系を代表する実施例３と較べて熱腐食寿命が著し
く短い。 本発明における還境抵抗性の予期し得ぬ特異な
結果が、熱腐食および酸化双方のデータを示す第
表により示されている。同表では実施例１およ
び２で代表される既知の被覆系と、実施例３で代
表される本発明の被覆物品とを比較している。耐
熱腐食性の著しい改善と耐酸化性の改善とが容易
に認められる。第表のデータは、JP5燃料と称
されるジエツトエンジン燃料を用い、5ppm海水
を射出して1700〓での熱腐食評価を行つた結果で
ある。試料は第表に関連して説明したのと同様
に加熱し、同様のサイクルをとつた。酸化データ
は、天然ガス燃焼を用いて試料を2000〓にさら
し、１時間に６回試料を700〓に急速冷却し、約
１分後に2000〓に戻すことを繰返して得た。
ように、本発明の物品を既知の被覆物品と熱腐食
寿命および酸化について比較してみると、本発明
は環境抵抗性が優れている。本発明は第表の実
施例３の組成により代表される。既知の被覆は
CoCrAlY型単一部分被覆（実施例１）および米
国特許第3874901号に記載されたタイプのアルミ
ニウム上層を有するCoCrAl型被覆（実施例２）
である。既知の被覆および本発明の被覆を、
Rene′80ニツケル基超合金（公称重量組成C0.15
％、Cr14％、Ti5％、B0.015％、Al ３％、W4
％、Mo4％、Co9.5％、Zr0.06％および残部Niお
よび付随的不純物）と称されるニツケル基合金の
試験片に適用した。塩水の物体付近でのガスター
ビンエンジン運転条件に模似させるために、循環
動的試験に5ppm海水を用いた。試験では試験片
を1700〓にさらし、１時間に１回試験片を500〓
に急速冷却し、約１分後再び1700〓に戻すことを
繰返した。MCrAl基型である内側または第１被
覆部分は、各例とも物理的蒸着により試験片に被
着した。実施例２では、レヴイン（Levine）ら
の米国特許第3667985号（1972年６月６日）に記
載された形式のパツク被覆法を用いて外側部分の
Alを適用した。当業界で周知のようにパツク成
分を変えて所望の組成物を得た。しかし、種々の
被覆部分を被着するのに種種の方法（その一部を
前述した）を用いることができる。 第表の実施例３の被覆系を被着するには、ま
ず最初物理的蒸着によりCoCrAlを堆積した。次
に、このように被覆した物品を前記米国特許第
3996021号に記載されたタイプの、元素Hfを含む
粉末パツク中に入れた。次にスパツタリングによ
りPtを被着した。 第表から明らかなように、既知の被覆系を代
表する実施例１および２の被覆は、本発明の被覆
系を代表する実施例３と較べて熱腐食寿命が著し
く短い。 本発明における還境抵抗性の予期し得ぬ特異な
結果が、熱腐食および酸化双方のデータを示す第
表により示されている。同表では実施例１およ
び２で代表される既知の被覆系と、実施例３で代
表される本発明の被覆物品とを比較している。耐
熱腐食性の著しい改善と耐酸化性の改善とが容易
に認められる。第表のデータは、JP5燃料と称
されるジエツトエンジン燃料を用い、5ppm海水
を射出して1700〓での熱腐食評価を行つた結果で
ある。試料は第表に関連して説明したのと同様
に加熱し、同様のサイクルをとつた。酸化データ
は、天然ガス燃焼を用いて試料を2000〓にさら
し、１時間に６回試料を700〓に急速冷却し、約
１分後に2000〓に戻すことを繰返して得た。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ Fe、CoまたはNiからなる群から選択される
一元素を基とする超合金の基体と、該基体の耐熱
腐蝕性を増加するように基体に拡散された段階的
被覆とを具える金属被覆物品において、 上記段階的被覆が、基体に隣接しかつこれと共
に拡散された内側被覆部分と、上記内側被覆部分
に隣接しかつこれと共に拡散された外側被覆部分
とからなり、 上記内側被覆部分が重量基準で、Al ８〜30
％、Cr10〜50％、Hf10％以下、Pt、RhおよびPd
からなる群から選択された元素30％以下、Y3％
以下、及びFe、CoおよびNiからなる群から選択
された１種以上の元素並びに上記基体と上記外側
被覆部分とから拡散した元素の残部量から基本的
に構成され、 上記外側被覆部分が、Hf、Pt、RhおよびPdか
らなる群から選択された元素５〜50wt％、及び
上記内側被覆部分から拡散した元素の残部量から
基本的に構成されてなる金属被覆物品。 ２ 外側被覆部分がHf2〜５％およびPt5〜40％
を含有する特許請求の範囲第１項記載の物品。 ３ 外側被覆部分がPt20〜40％を含有する特許請
求の範囲第２項記載の物品。 ４ 内側被覆部分が重量基準でAl ８〜20％、
Cr10〜40％、Hf5％以下、Pt、RhおよびPdのう
ち少なくとも１種の元素20％以下、Y2％以下
と、Fe、CoおよびNiのうち少くとも１種の元素
残部量とからなる特許請求の範囲第１項記載の物
品。 ５ Alが９〜16％、Crが20〜30％である特許請
求の範囲第４項記載の物品。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US05/835,543 US4123595A (en) | 1977-09-22 | 1977-09-22 | Metallic coated article |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5447836A JPS5447836A (en) | 1979-04-14 |
| JPS6117905B2 true JPS6117905B2 (ja) | 1986-05-09 |
Family
ID=25269781
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7492878A Granted JPS5447836A (en) | 1977-09-22 | 1978-06-22 | Metal coated product |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4123595A (ja) |
| JP (1) | JPS5447836A (ja) |
| DE (1) | DE2826909C2 (ja) |
| FR (1) | FR2404055A1 (ja) |
| GB (1) | GB1554847A (ja) |
| IT (1) | IT1096580B (ja) |
| SG (1) | SG3683G (ja) |
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- 1978-06-22 FR FR7818671A patent/FR2404055A1/fr active Granted
- 1978-06-22 JP JP7492878A patent/JPS5447836A/ja active Granted
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