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技術 アルミニウムが拡散浸透されたイリジウムと白金とからなる合金が被覆されたニッケル基超合金

出願人 国立研究開発法人物質・材料研究機構
発明者 呉豊村上秀之原田広史
出願日 2003年9月26日 (13年9ヶ月経過) 出願番号 2003-336569
公開日 2005年4月21日 (12年2ヶ月経過) 公開番号 2005-105299
状態 特許登録済
技術分野 金属質材料の表面への固相拡散 その他の表面処理
主要キーワード 白金被膜 イリジウム含有量 拡散浸透法 メッキ容器 陽極棒 純白金 重量変化量 被覆膜中

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以下の情報は公開日時点(2005年4月21日)のものです。

目的

構成

ニッケル基超合金表面にイリジウムと白金からなる合金を被覆し、この合金被膜にさらにアルミニウム拡散浸透処理する。

この項目の情報は公開日時点(2005年4月21日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

背景

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ニッケル基超合金は高温における機械的強度や耐腐食性が良好であり、自動車、通信、家電、航空機などの成形材料として使用されていることはよく知られている。しかしながら、最新のガスタービンやジェットエンジン中の燃焼ガスの温度は約1500℃に達しており、この温度は動静翼として用いられるニッケル基合金の融点(1400℃)をはるかに超えている。そのため、ガスタービン動静翼として使用されているニッケル(Ni)基超合金では、白金を被覆した後にアルミニウム(Al)を拡散浸透処理して機械的強度や高温における耐酸化性、耐腐食性を改善することが行なわれている(特許文献1および2)。

また、一方、白金は値段が高く白金を使用すると製品がコスト高になるという問題がある。このコスト高を抑制する方法として、白金と同じ貴金属であり物理特性も化学特性も極めて近い性質を有し白金に比較して安価なイリジウムと白金に添加したイリジウム−白金合金を被覆して、防腐食材、電気接点等の材料として利用することも知られている(特許文献3および4)。

さらに、近年ではイリジウムと白金を2層被覆した後にアルミニウム拡散浸透処理して高温における機械的強度や耐腐食性を改善することも行なわれている(非特許文献1)。
USP3,107175号
USP3,494748号
特開平 9−256189号公報
特開平10−237686号公報
G.Fisher et al.″An assessment of the oxidation resistance of an iridium and an iridium/platinum low-activity aluminide/MarM002 system at 1100℃″Surface and Coatings Technology 113(1999)259-267

概要

高温、高応力下に晒されるジェットエンジン、ガスタービンブレード、タービンベーンなどに好適な高温における機械的強度や耐酸化性、耐腐食性が優れた被覆ニッケル基超合金を安価に提供する。 ニッケル基超合金表面にイリジウムと白金からなる合金を被覆し、この合金被膜にさらにアルミニウム拡散浸透処理する。

目的

そこで、この出願の発明は、従来の問題点を解消し、簡便で、しかも高温における機械的強度や耐酸化性、耐腐食性が優れた被覆ニッケル基超合金を安価に提供することを課題としている。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項

以下の情報は公開日時点(2005年4月21日)のものです。

請求項1

イリジウムと白金からなる合金が被覆されたニッケル基超合金のイリジウム−白金合金被膜にアルミニウムが拡散浸透されていることを特徴とするイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金。

請求項2

イリジウム−白金合金被膜の厚みが5μm〜30μmであることを特徴とする請求項1に記載のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金。

請求項3

イリジウム−白金合金被膜中のイリジウムの含有量が40原子%以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金。

請求項4

最表面から50μmまでの表面部におけるアルミニウムの濃度が50原子%〜70原子%であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金。

詳細

以下の情報は 公開日時点 (2005年4月21日)のものです。

技術分野

0001

この出願の発明は自動車家電通信等の機械的強度を必要とする部材や高温、高応力下における機械的強度や耐高温酸化性、耐腐食性が要求されるジェットエンジン、ガスタービンブレード、タービンベーンなどに有用な被覆ニッケル基超合金に関するものである。


背景技術

0002

ニッケル基超合金は高温における機械的強度や耐腐食性が良好であり、自動車、通信、家電、航空機などの成形材料として使用されていることはよく知られている。しかしながら、最新ガスタービンやジェットエンジン中の燃焼ガス温度は約1500℃に達しており、この温度は動静として用いられるニッケル基合金融点(1400℃)をはるかに超えている。そのため、ガスタービン動静翼として使用されているニッケル(Ni)基超合金では、白金を被覆した後にアルミニウム(Al)を拡散浸透処理して機械的強度や高温における耐酸化性、耐腐食性を改善することが行なわれている(特許文献1および2)。

0003

また、一方、白金は値段が高く白金を使用すると製品コスト高になるという問題がある。このコスト高を抑制する方法として、白金と同じ貴金属であり物理特性化学特性も極めて近い性質を有し白金に比較して安価なイリジウムと白金に添加したイリジウム−白金合金を被覆して、防腐食材電気接点等の材料として利用することも知られている(特許文献3および4)。

0004

さらに、近年ではイリジウムと白金を2層被覆した後にアルミニウム拡散浸透処理して高温における機械的強度や耐腐食性を改善することも行なわれている(非特許文献1)。
USP3,107175号
USP3,494748号
特開平 9−256189号公報
特開平10−237686号公報
G.Fisher et al.″An assessment of the oxidation resistance of an iridium and an iridium/platinum low-activity aluminide/MarM002 system at 1100℃″Surface and Coatings Technology 113(1999)259-267


発明が解決しようとする課題

0005

前記のとおり、ニッケル基超合金の高温における機械的強度や耐腐食性を改善するための方法として、ニッケル基超合金の表面にイリジウムと白金を2層被覆して、この被覆膜にアルミニウム拡散浸透処理することが最近注目されているが、この方法はイリジウムと白金をそれぞれスパッタリング法で2層に成膜したものにアルミニウム拡散浸透処理する方法であるため工程が複雑になり、しかもイリジウムと白金は合金になっておらず2層に成膜されたままアルミニウム拡散浸透処理されているため、高温における耐酸化特性や耐腐食性が純白金にアルミニウムの拡散浸透処理を行ったものより劣っているという問題があった。

0006

そこで、この出願の発明は、従来の問題点を解消し、簡便で、しかも高温における機械的強度や耐酸化性、耐腐食性が優れた被覆ニッケル基超合金を安価に提供することを課題としている。


課題を解決するための手段

0007

この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第1には、イリジウムと白金からなる合金が被覆されたニッケル基超合金のイリジウム−白金合金被膜にアルミニウムが拡散浸透されていることを特徴とするイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金を提供する。

0008

第2には、イリジウム−白金合金被膜の厚みが5μm〜30μmである上記のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金を提供する。

0009

第3には、イリジウム−白金合金被膜中のイリジウムの含有量が40原子%以下である上記のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金を提供する。

0010

第4には、最表面から50μmまでの表面部におけるアルミニウムの濃度が50原子%〜70原子%である上記のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金を提供する。


発明の効果

0011

上記第1の発明のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金によれば、高温における機械的強度や耐酸化性、耐腐食性に優れたニッケル基超合金を安価に実現できる。

0012

上記第2の発明のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金によれば、上記第1と同様な効果が得られ、またこの効果を得るための好適な被膜の膜厚が得られる。

0013

上記第3の発明のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金によれば、上記第1および第2と同様な効果が得られ、また、好適なイリジウムの含有量の範囲が得られる。

0014

上記第4の発明のイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金によれば、第3同様の効果が得られ、さらに好適なイリジウムの含有量の範囲が得られる。


発明を実施するための最良の形態

0015

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

0016

この出願の発明は、上記のとおり、イリジウムと白金からなる合金を被覆し、さらに被覆された合金層中にアルミニウムを拡散浸透処理することにより高温における機械的強度や耐腐食性が改善されたイリジウム−白金合金被覆ニッケル基超合金を提供するものである。

0017

基材としてのNi基超合金については、その組成は、公知のNi基超合金をはじめ各種のものであってよいが、この出願の発明者らが提案しているTMS−75をはじめとするNi基超合金を好適に使用することができる。

0018

もちろん、この組成には不可避的不純物混入許容されることになる。

0019

そして、この出願の発明においては、イリジウム−白金の合金をNi基超合金の表面に被覆するが、そのための方法としては各種のメッキ方法が採用されてよいが、この出願の発明者らがすでに提案している方法が好適に採用される。すなわち、アミド硫酸(NH2
SO3H)またはその塩を添加したメッキ浴中で、メッキする方法である。さらには、硝
酸ナトリウムも添加したメッキ浴を用いて、pH1〜3の範囲で、60℃〜90℃の範囲でメッキする方法である。この方法によれば、イリジウムおよび白金は、金属として、あ
るいは化合物としてメッキ浴中に溶解しておくことができ、浴中のイリジウムの濃度(モル濃度)と被覆膜中のイリジウムの組成はほぼ比較するので、形成された被膜中のイリジウムの割合をコントロールすることが容易である。

0020

この出願の発明におけるアルミニウムを拡散浸透処理したイリジウム−白金合金被膜は、前記の非特許文献1の公知技術、すなわち、イリジウム/白金の2層膜にアルミニウムの拡散浸透処理したものとは本質的に異なっている。また、非特許文献1では、イリジウム/白金の2層膜よりも純粋な白金膜のほうが耐酸化特性に優れていると結論づけているが、この出願の発明の上記被膜においては、40原子%、さらには25原子%までのイリジウム含有のイリジウム−白金合金の場合には純白金の場合とほぼ同等の耐酸化特性が得られる。そして、高価な白金の使用量を少くして高温での強度、耐酸化性、耐食性を良好とするとの観点からは、実用的には、イリジウム−白金合金被膜におけるイリジウムの含有量を40原子%以上により増大させることができる。

0021

形成されたイリジウム−白金合金被覆膜中へのアルミニウムの拡散浸透処理のためには各種の方法が採用されてよいが、たとえば後述の実施例にも例示したような拡散浸透法を用いることができる。耐酸化性を保つためには、被覆Ni基超合金の表面部のアルミニウムの濃度、より詳しくは、最表面から50μm、さらには60μmまでのアルミニウムの濃度が50〜70原子%の範囲になるように処理することが望ましい。

0022

50原子%未満の場合には、充分な耐酸化性が得られにくくなり、また、70原子%を超える場合には、高温における機械的強度に影響することになる。

0023

そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。

0024

メッキ容器陽極棒として白金板を使用し、また陰極としてニッケル基単結晶超合金TMS−75〔Ni−12.6Co−3.5Cr−1.3Mo−2W−13.7Al−2Ta−0.04Hf−1.67Re〕(原子%)を使用する。そして、このメッキ容器に三塩化イリジウム、六塩化白金(IV)酸、アミド硫酸、硝酸ナトリウムからなるメッキ液を作製してpHを1〜3に調整する。このメッキ液の温度を75〜80℃、陰極電流密度1〜3A/dm2に保持して磁気攪拌棒で30分程度攪拌してメッキを行ない、イリジウム含
有量が23at%,36at%,69at%の3種類のイリジウム−白金合金が被覆されたニッケ
ル基単結晶超合金TMS−75を作製した。また、これとは別に通常の方法でニッケル基単結晶超合金TMS−75の表面に純イリジウム(Ir)および純白金(Pt)の被膜を作製した。

0025

作製されたニッケル基単結晶超合金TMS−75の表面にイリジウム含有量が23at%
,36at%,69at%のイリジウム−白金からなる合金と、純イリジウムおよび純白金を膜厚がそれぞれ約6μmになるように被覆した後アセトン洗浄した。次いで、アルミニウム(Al),アルミナ(Al2O3),鉄(Fe)およびアンモニウム(NH4Cl)の混
粉末中に入れアルゴン(Ar)雰囲気中で、1000℃、5時間のアルミニウム(Al)の拡散浸透処理を行ない5種類の試料作成した。

0026

この5種類の試料を1100℃で20時間大気中に保持した後、室温まで冷却するプロセスを1サイクルとし、これを10回(計200時間)繰り返し酸化試験を行い、SEM,EDX(Energy Dispersive X−ray Spectroscopy)を用いて物性および表面の形態を比較した。

0027

図1は繰り返し酸化試験の結果を示した図であるが、各試料は酸化に伴い重量が増加し
その後、揮発若しくは剥離により重量の減少が生じている。この図1から重量変化の小さい白金−アルミニウム被覆が最も耐酸化性に優れたものであり、イリジウム−アルミニウム被覆が最も耐酸化性が小さいことがわかる。この出願の発明のイリジウム−白金合金−アルミニウム被覆の耐酸化性については、白金に36原子%、さらには23原子%以下のイリジウムの量を添加した場合には、上記の白金−アルミニウム被覆の場合とほぼ同程度の重量変化量確認される。この結果から、イリジウム−白金合金−アルミニウム被膜においてはイリジウム含有量が40原子%以下、さらには25原子%以下が好ましいことを示している。なお、被膜の膜厚については3μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μmの6種類について検討したが、5μm〜30μmが最も実用的に好ましい範
囲であることが確認された。5μm未満では耐酸化性の確保が難しくなり、30μmを超える場合には経済性の観点から不利であるだけでなく、被膜と母材との間に内部応力がかかり、剥離しやすくなるという不都合が生じる。

0028

図2は、白金−23原子%イリジウム合金被膜にアルミニウム拡散浸透処理を施した後の表面部断面と合金元素分析の結果を例示したものである。

0029

たとえばこの図2に例示したように、イリジウム含有の合金被膜が、耐酸化性を保つためには、被覆Ni基超合金の表面部のアルミニウムの濃度、より詳しくは、最表面から50μm、さらには60μmまでのアルミニウムの濃度が50〜70原子%の範囲になるように処理することが望ましい。

0030

もちろん、この出願の発明は以上の実施形態および実施例に限定されるものではなく、詳細については様々な態様が可能であることはいうまでもない。

0031

以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、従来のような高価な白金被膜替えて安価で、しかも同程度の耐酸化特性を有するイリジウム−白金合金を被膜したニッケル基超合金を使用することがことができる。


図面の簡単な説明

0032

繰り返し酸化試験の結果を示す図である。
被膜の断面と合金元素の分析結果を例示した図である。


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