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技術 高温耐久性に優れた耐熱部材

出願人 国立研究開発法人物質・材料研究機構
発明者 原田広史北嶋具教川岸京子
出願日 2006年8月18日 (11年2ヶ月経過) 出願番号 2006-222945
公開日 2008年2月28日 (9年8ヶ月経過) 公開番号 2008-045176
状態 特許登録済
技術分野
  • -
主要キーワード メルト溶 タイライン コーティング界面 耐用温度 コーティング材層 基材合金 高耐酸化性 高温機器

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図面 (5)

課題

1100℃あるいはこれを超えるような高温でも基材合金相界面を通して起こる元素相互拡散を抑制できるコーティングを施した高温部材の提供。

解決手段

タービン動翼タービン静翼耐熱部材に用いられるRh含有Ni基超合金として、その成分が重量比で、Al:1.0重量%以上10.0重量%以下、Rh:0.1重量%以上10.0重量%以下、その他必要に応じてTa,Mo,W,Re,Cr,Nb等を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するものを使用する。このような基材合金熱力学的に平衡する組成を有するγ相、γ’相、β相のうち,少なくとも一種の合金相をコーティングした耐熱部材であり、耐酸化性耐高温腐食性機械的特性などに優れた耐熱部材を得ることができる。

背景

従来、ジェットエンジン産業用ガスターンビンなどのタービン動翼タービン静翼基材として耐用温度改善したNi基超合金が開発されてきている。また、これらのタービン動翼やタービン静翼の耐熱部材耐久性をさらに高めるために、従来からAl、 Cr、Ni−Al、Pt−Al、MCrAlYなどがコーティング材料としてよく知られ、使用されてきた実績も多い。しかし、これらをNi基超合金タービン翼に適用し、高温で長時間使用した場合、Ni基超合金とこれらコーティング材料との界面をとおして元素相互拡散が進み、これによってNi基超合金の材質劣化による強度低下や、コーティング材耐環境性低下など、タービン翼自体の耐久性低下につながる材料技術的な問題が生じる。

特に、近年、ジェットエンジンやガスタービンガス温度は向上し、必然的にタービン翼の温度も上昇し、このような拡散現象がより加速されている。さらには、高圧タービンでは冷却のために中空構造を有しているが、その薄肉化が進んでいるため、拡散領域の影響はますます大きな問題となっている。

元素の基材/合金層界面をとおしての拡散を抑えるために、拡散障壁コーティングディフュージョンバリアコーティング)(例えば特許文献1−3など)が検討されているが、多層構造でありコーティングプロセスを複雑にするうえ、基材と合金層は熱力学的に平衡状態ではないため、その効果にも限度がある。

一方、最近公開されたUS2004/0229075(特許文献4)による発明では、最も早く拡散し、拡散により有害相を生成させる元素であるAl元素の濃度下げたPt系元素を含むγ+γ’相のコーティングにより、Alの拡散を少なくしようと意図している。しかしながら、高温・長時間での使用ではやはり合金層からのPtやAlの内方拡散と基材からの強化元素外方拡散により部材としての劣化が進み、その効果は限定的である。
US特許第US6306524号公報
US特許第US6080246号公報
US特許第US6830827号公報
US公開第US2004/0229075号公報

概要

1100℃あるいはこれを超えるような高温でも基材/合金相界面を通して起こる元素の相互拡散を抑制できるコーティングを施した高温部材の提供。タービン動翼やタービン静翼の耐熱部材に用いられるRh含有のNi基超合金として、その成分が重量比で、Al:1.0重量%以上10.0重量%以下、Rh:0.1重量%以上10.0重量%以下、その他必要に応じてTa,Mo,W,Re,Cr,Nb等を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するものを使用する。このような基材合金と熱力学的に平衡する組成を有するγ相、γ’相、β相のうち,少なくとも一種の合金相をコーティングした耐熱部材であり、耐酸化性耐高温腐食性機械的特性などに優れた耐熱部材を得ることができる。 なし

目的

本発明は、1100℃あるいはこれを超えるような高温でも基材/合金層界面をとおして起こる元素の相互拡散を抑制できるコーティングを施した新しい高温部材を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
0件
牽制数
1件

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請求項1

Ni基超合金基材合金相コーティングした耐熱部材であって、前記合金相は基材と熱力学的に平衡状態にあることを特徴とする耐熱部材。

請求項2

請求項1記載の耐熱部材において、Rhを含有するNi基超合金と熱力学的に平衡する組成を有するγ相、γ’相およびβ相のうち、少なくとも一種を含む合金相をコーティングした耐熱部材。

請求項3

請求項2記載の耐熱部材において、成分が重量比で、Al:1.0重量%以上10.0重量%以下、Ta:0重量%以上14.0重量%以下、Mo:0重量%以上10.0重量%以下、W:0重量%以上15.0重量%以下、Re:0重量%以上10.0重量%以下、Hf:0重量%以上3.0重量%以下、Cr:0重量%以上20.0重量%以下、Co:0重量%以上20重量%以下、Ru:0重量%以上14.0重量%以下、Rh:0.1重量%以上10.0重量%以下、Nb:0重量%以上4.0重量%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するNi基超合金と熱力学的に平衡する組成を有するγ相、γ’相、β相のうち、少なくとも一種を含む合金相をコーティングした耐熱部材。

請求項4

請求項2記載の耐熱部材において、Al:1.5重量%以上7.0重量%以下、Ta:2重量%以上10.0重量%以下、Mo:0重量%以上4.5重量%以下、W:0重量%以上10.0重量%以下、Re:0重量%以上8.0重量%以下、Hf:0重量%以上0.50重量%以下、Cr:2.0重量%以上15.0重量%以下、Co:0重量%以上15.0重量%以下、Ru:0重量%以上14.0重量%以下、Rh:0.3重量%以上8.0重量%以下、Nb:0重量%以上2.0重量%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するNi基超合金に、このNi基超合金の基材と熱力学的平衡する組成を有するγ相、γ’相、β相のうち、少なくとも一種を含む合金相をコーティングした耐熱部材。

請求項5

請求項2記載の耐熱部材において、Al:1.0重量%以上10.0重量%以下、Ta:0重量%以上14.0重量%以下、Mo:0重量%以上10.0重量%以下、W:0重量%以上15.0重量%以下、Re:0重量%以上10.0重量%以下、Hf:0重量%以上3.0重量%以下、Cr:0重量%以上20.0重量%以下、Co:0重量%以上20重量%以下、Ru:0重量%以上14.0重量%以下、Rh:0.1重量%以上10.0重量%以下、Nb:0重量%以上4.0重量%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するNi基超合金を基材とし、コーティング材成分が重量比で、Al:10.0重量%以上25.0重量%以下、Ta:0重量%以上5.0重量%以下、Mo:0重量%以上4.0重量%以下、W:0重量%以上4.0重量%以下、Re:0重量%以上4.0重量%以下、Hf:0重量%以上2.0重量%以下、Cr:0重量%以上5.0重量%以下、Co:0重量%以上4重量%以下、Ru:10.0重量%以上35.0重量%以下、Ni:0重量%以上15.0重量%以下、Nb:0重量%以上2.0重量%以下を含有し、残部がRhと不可避的不純物からなる組成を有するβ相およびコーティング材成分が重量比で、Al:0.5重量%以上15.0重量%以下、Ta:0重量%以上15.0重量%以下、Mo:0重量%以上5.0重量%以下、W:0重量%以上4.0重量%以下、Re:0重量%以上20.0重量%以下、Hf:0重量%以上2.0重量%以下、Cr:0重量%以上15.0重量%以下、Co:0重量%以上15重量%以下、Ru:0.0重量%以上15.0重量%以下、Rh:0.1重量%以上10.0重量%以下、Nb:0重量%以上5.0重量%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するγ相又はγ’相のうち、少なくとも一種を含む合金相をコーティングした耐熱部材。

請求項6

請求項2記載の耐熱部材において、Al:1.5重量%以上7.0重量%以下、Ta:2重量%以上10.0重量%以下、Mo:0重量%以上4.5重量%以下、W:0重量%以上10.0重量%以下、Re:0重量%以上8.0重量%以下、Hf:0重量%以上0.50重量%以下、Cr:2.0重量%以上15.0重量%以下、Co:0重量%以上15.0重量%以下、Ru:0重量%以上14.0重量%以下、Rh:0.3重量%以上8.0重量%以下、Nb:0重量%以上2.0重量%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するNi基超合金を基材とし、コーティング材成分が重量比で、Al:10.0重量%以上25.0重量%以下、Ta:0重量%以上5.0重量%以下、Mo:0重量%以上4.0重量%以下、W:0重量%以上4.0重量%以下、Re:0重量%以上4.0重量%以下、Hf:0重量%以上2.0重量%以下、Cr:0重量%以上5.0重量%以下、Co:0重量%以上4重量%以下、Ru:10.0重量%以上35.0重量%以下、Ni:0重量%以上15.0重量%以下、Nb:0重量%以上2.0重量%以下を含有し、残部がRhと不可避的不純物からなる組成を有するβ相およびコーティング材成分が重量比で、Al:0.5重量%以上15.0重量%以下、Ta:0重量%以上15.0重量%以下、Mo:0重量%以上5.0重量%以下、W:0重量%以上4.0重量%以下、Re:0重量%以上20.0重量%以下、Hf:0重量%以上2.0重量%以下、Cr:0重量%以上15.0重量%以下、Co:0重量%以上15重量%以下、Ru:0.0重量%以上15.0重量%以下、Rh:0.1重量%以上10.0重量%以下、Nb:0重量%以上5.0重量%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するγ相又はγ’相のうち、少なくとも一種を含む合金相をコーティングした耐熱部材。

請求項7

請求項2記載の耐熱部材において、Al:1.5重量%以上7.0重量%以下、Ta:2重量%以上10.0重量%以下、Mo:0重量%以上4.5重量%以下、W:0重量%以上10.0重量%以下、Re:0重量%以上8.0重量%以下、Hf:0重量%以上0.50重量%以下、Cr:2.0重量%以上15.0重量%以下、Co:0重量%以上15.0重量%以下、Ru:0重量%以上14.0重量%以下、Rh:0.3重量%以上8.0重量%以下、Nb:0重量%以上2.0重量%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するNi基超合金に、コーティング材成分が重量比で、Al:12.0重量%以上20.0重量%以下、Ta:0.3重量%以上2.0重量%以下、Mo:0重量%以上2.0重量%以下、W:0重量%以上2.0重量%以下、Re:0重量%以上2.0重量%以下、Hf:0重量%以上0.50重量%以下、Cr:0.0重量%以上3.0重量%以下、Co:0重量%以上2.0重量%以下、Ru:15重量%以上30.0重量%以下、Ni:0.1重量%以上10.0重量%以下、Nb:0重量%以上1.0重量%以下を含有し、残部がRhと不可避的不純物からなる組成を有するβ相の合金をコーティング材としてコーティングした耐熱部材。

技術分野

0001

本願発明は、Ni基超合金基材合金層コーティングした耐熱部材に関し、より詳しくは、ジェットエンジン産業用ガスタービンなど高温機器に用いる耐熱部材の分野に関するものである。

背景技術

0002

従来、ジェットエンジンや産業用ガスターンビンなどのタービン動翼タービン静翼の基材として耐用温度改善したNi基超合金が開発されてきている。また、これらのタービン動翼やタービン静翼の耐熱部材の耐久性をさらに高めるために、従来からAl、 Cr、Ni−Al、Pt−Al、MCrAlYなどがコーティング材料としてよく知られ、使用されてきた実績も多い。しかし、これらをNi基超合金タービン翼に適用し、高温で長時間使用した場合、Ni基超合金とこれらコーティング材料との界面をとおして元素相互拡散が進み、これによってNi基超合金の材質劣化による強度低下や、コーティング材耐環境性低下など、タービン翼自体の耐久性低下につながる材料技術的な問題が生じる。

0003

特に、近年、ジェットエンジンやガスタービンガス温度は向上し、必然的にタービン翼の温度も上昇し、このような拡散現象がより加速されている。さらには、高圧タービンでは冷却のために中空構造を有しているが、その薄肉化が進んでいるため、拡散領域の影響はますます大きな問題となっている。

0004

元素の基材/合金層界面をとおしての拡散を抑えるために、拡散障壁コーティングディフュージョンバリアコーティング)(例えば特許文献1−3など)が検討されているが、多層構造でありコーティングプロセスを複雑にするうえ、基材と合金層は熱力学的に平衡状態ではないため、その効果にも限度がある。

0005

一方、最近公開されたUS2004/0229075(特許文献4)による発明では、最も早く拡散し、拡散により有害相を生成させる元素であるAl元素の濃度下げたPt系元素を含むγ+γ’相のコーティングにより、Alの拡散を少なくしようと意図している。しかしながら、高温・長時間での使用ではやはり合金層からのPtやAlの内方拡散と基材からの強化元素外方拡散により部材としての劣化が進み、その効果は限定的である。
US特許第US6306524号公報
US特許第US6080246号公報
US特許第US6830827号公報
US公開第US2004/0229075号公報

発明が解決しようとする課題

0006

本発明は、1100℃あるいはこれを超えるような高温でも基材/合金層界面をとおして起こる元素の相互拡散を抑制できるコーティングを施した新しい高温部材を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

この発明は、基材と合金層とが熱力学的に平衡状態とすることにより、基材と合金層の相互拡散を無くすことが出来るとの知見に基づくものである。
すなわち、発明1の耐熱部材は、基材と熱力学的に平衡状態にある合金層をコーティング
材として用いて一層あるいは多層コーティングすることによるものである。

0008

また、発明2は、発明1において、Rhを含有するNi基超合金に対し、と熱力学的に平衡する組成を有するγ相、γ’相およびβ相のうち、少なくとも一種を有する合金層をコーティングすることによる。

0009

本願発明の第3は、発明2において、Al:1.0重量%以上10.0重量%以下、Ta:0重量%以上14.0重量%以下、Mo:0重量%以上10.0重量%以下、W:0重量%以上15.0重量%以下、Re:0重量%以上10.0重量%以下、Hf:0重量%以上3.0重量%以下、Cr:0重量%以上20.0重量%以下、Co:0重量%以上20重量%以下、Ru:0重量%以上14.0重量%以下、Rh:0.1重量%以上10.0重量%以下、Nb:0重量%以上4.0重量%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するNi基超合金に、このNi基超合金の基材と熱力学的に平衡する組成を有するγ相、γ’相、β相のうち一種もしくは複数を合金層をコーティングしてあることを特徴とするものである。

0010

本願発明の第4は、発明2において、Al:1.5重量%以上7.0重量%以下、Ta:2重量%以上10.0重量%以下、Mo:0重量%以上4.5重量%以下、W: 0重量%以上10.0重量%以下、Re:0重量%以上8.0重量%以下、Hf:0重量%以上0.50重量%以下、Cr:2.0重量%以上15.0重量%以下、Co:0重量%以上15.0重量%以下、Ru:0重量%以上14.0重量%以下、Rh:0.3重量%以上8.0重量%以下、Nb:0重量%以上2.0重量%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するNi基超合金に、このNi基超合金の基材と熱力学的平衡する組成を有するγ相、γ’相、β相のうち一種もしくは複数をコーティングしてあることを特徴とするものである。

0011

本願発明の第5は、発明2において、Al:1.0重量%以上10.0重量%以下、Ta:0重量%以上14.0重量%以下、Mo:0重量%以上10.0重量%以下、W:0重量%以上15.0重量%以下、Re:0重量%以上10.0重量%以下、Hf:0重量%以上3.0重量%以下、Cr:0重量%以上20.0重量%以下、Co:0重量%以上20重量%以下、Ru:0重量%以上14.0重量%以下、Rh:0.1重量%以上10.0重量%以下、Nb:0重量%以上4.0重量%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するNi基超合金を基材とし、コーティング材成分が重量比で、Al: 10.0重量%以上25.0重量%以下、Ta:0重量%以上5.0重量%以下、Mo:0重量%以上4.0重量%以下、W:0重量%以上4.0重量%以下、Re:0重量%以上4.0重量%以下、Hf:0重量%以上2.0重量%以下、Cr:0重量%以上5.0重量%以下、Co:0重量%以上4重量%以下、Ru:10.0重量%以上35.0重量%以下、Ni:0重量%以上15.0重量%以下、Nb:0重量%以上2.0重量%以下を含有し、残部がRhと不可避的不純物からなる組成を有するβ相およびコーティング材成分が重量比で、Al: 0.5重量%以上15.0重量%以下、Ta:0重量%以上15.0重量%以下、Mo:0重量%以上5.0重量%以下、W:0重量%以上4.0重量%以下、Re:0重量%以上20.0重量%以下、Hf:0重量%以上2.0重量%以下、Cr:0重量%以上15.0重量%以下、Co:0重量%以上15重量%以下、Ru:0.0重量%以上15.0重量%以下、Rh:0.1重量%以上10.0重量%以下、Nb:0重量%以上5.0重量%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するγ相又はγ’相の内、少なくとも一種の相を含む合金をコーティング材としてコーティングしてあることを特徴とするものである。

0012

本願発明の第6は、発明2において、Al:1.5重量%以上7.0重量%以下、Ta:2重量%以上10.0重量%以下、Mo:0重量%以上4.5重量%以下、W: 0重
量%以上10.0重量%以下、Re:0重量%以上8.0重量%以下、Hf:0重量%以上0.50重量%以下、Cr:2.0重量%以上15.0重量%以下、Co:0重量%以上15.0重量%以下、Ru:0重量%以上14.0重量%以下、Rh:0.3重量%以上8.0重量%以下、Nb:0重量%以上2.0重量%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するNi基超合金を基材とし、コーティング材成分が重量比で、Al: 10.0重量%以上25.0重量%以下、Ta:0重量%以上5.0重量%以下、Mo:0重量%以上4.0重量%以下、W:0重量%以上4.0重量%以下、Re:0重量%以上4.0重量%以下、Hf:0重量%以上2.0重量%以下、Cr:0重量%以上5.0重量%以下、Co:0重量%以上4重量%以下、Ru:10.0重量%以上35.0重量%以下、Ni:0重量%以上15.0重量%以下、Nb:0重量%以上2.0重量%以下を含有し、残部がRhと不可避的不純物からなる組成を有するβ相およびコーティング材成分が重量比で、Al: 0.5重量%以上15.0重量%以下、Ta:0重量%以上15.0重量%以下、Mo:0重量%以上5.0重量%以下、W:0重量%以上4.0重量%以下、Re:0重量%以上20.0重量%以下、Hf:0重量%以上2.0重量%以下、Cr:0重量%以上15.0重量%以下、Co:0重量%以上15重量%以下、Ru:0.0重量%以上15.0重量%以下、Rh:0.1重量%以上10.0重量%以下、Nb:0重量%以上5.0重量%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するγ相又はγ’相の内、少なくとも一種の相を含む合金をコーティング材としてコーティングしてあることを特徴とするものである。

0013

本願発明の第7は、発明2において、Al:1.5重量%以上7.0重量%以下、Ta:2重量%以上10.0重量%以下、Mo:0重量%以上4.5重量%以下、W: 0重量%以上10.0重量%以下、Re:0重量%以上8.0重量%以下、Hf:0重量%以上0.50重量%以下、Cr:2.0重量%以上15.0重量%以下、Co:0重量%以上15.0重量%以下、Ru:0重量%以上14.0重量%以下、Rh:0.3重量%以上8.0重量%以下、Nb:0重量%以上2.0重量%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するNi基超合金に、コーティング材成分が重量比で、Al:12.0重量%以上20.0重量%以下、Ta:0.3重量%以上2.0重量%以下、Mo:0重量%以上2.0重量%以下、W: 0重量%以上2.0重量%以下、Re:0重量%以上2.0重量%以下、Hf:0重量%以上0.50重量%以下、Cr:0.0重量%以上3.0重量%以下、Co:0重量%以上2.0重量%以下、Ru:15重量%以上30.0重量%以下、Ni:0.1重量%以上10.0重量%以下、Nb:0重量%以上1.0重量%以下を含有し、残部がRhと不可避的不純物からなる組成を有するβ相の合金をコーティング材としてコーティングしてあることを特徴とするものである。

発明の効果

0014

本願発明の第1は、本発明の根幹を表したものである。すなわち、上記構成により、従来技術では解決し得なかった高温での長時間の耐久性を飛躍的に向上させたところにその最大の特徴を有する。具体的には、ジェットエンジンや産業用ガスターンビンなどのタービン動翼やタービン静翼として高温、高応力下での使用を目的としたもので、部材の耐酸化性耐高温腐食性などの耐環境特性を向上させることはもちろん、従来技術では解決し得なかった高温での長時間の耐久性を飛躍的に向上させたところにその最大の特徴を有する耐熱部材を提供するものである。
このことにより、1100℃あるいはこれを超えるような高温でも元素の基材/コーティング界面をとおしての相互拡散を抑制することができる。Ni基超合金は耐熱材料として優れた特性を示し、これにより高温耐久性に優れた耐熱部材を得ることができる。

0015

本願発明の第2は、上記構成を特徴とするものである。
白金族元素を含有するNi基超合金としてIr合金を含む耐熱性に優れた新規な合金系の提案(例えば特許第3646155号)も知られているが、Rhの密度(12.4g/
cm3)は Irの密度(22.6g/cm3)に比べてかなり小さく、タービン動翼の材料として好ましいものである。また、一般にRhを含む合金系は耐酸化性も優れていることが知られており、この点もRhを含むNi基超合金の好ましい特徴の一つである。これら特徴を有する基材に対し、本発明の合金層を設けることにより、γ相、γ’相、β相はいずれも耐酸化性、耐高温腐食性、機械的特性の向上ができる相であり、これにより優れた耐熱部材を得ることができる。

0016

本願発明の第3は、上記構成を特徴とするものであり、本組成範囲のNi基超合金に対して、高温耐久性に優れた耐熱部材を得ることができる。

0017

本願発明の第4は、上記構成を特徴とするものであり、本組成範囲のNi基超合金に対して、より高温耐久性に優れた耐熱部材を得ることができる。

0018

本願発明の第5は、上記構成を特徴とするものであり、より高温耐久性に優れた耐熱部材を得ることができる。

0019

本願発明の第6は、上記構成を特徴とするものであり、より高温耐久性に優れた耐熱部材を得ることができる。

0020

本願発明の第7は、上記構成を特徴とするものであり、より高温耐久性に優れた耐熱部材を得ることができる。

発明を実施するための最良の形態

0021

本願発明において、タービン動翼やタービン静翼の耐熱部材に用いられるコーティング材として、Al:1.0重量%以上10.0重量%以下、Ta:0重量%以上14.0重量%以下、Mo:0重量%以上10.0重量%以下、W:0重量%以上15.0重量%以下、Re:0重量%以上10.0重量%以下、Hf:0重量%以上3.0重量%以下、Cr:0重量%以上20.0重量%以下、Co:0重量%以上20重量%以下、Ru:0重量%以上14.0重量%以下、Rh:0.1重量%以上10.0重量%以下、Nb:0重量%以上4.0重量%以下、Si:0重量%以上2.0重量%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するものを使用することができる。より好ましくは、その成分が重量比で、Al:1.5重量%以上7.0重量%以下、Ta:2重量%以上10.0重量%以下、Mo:0重量%以上4.5重量%以下、W: 0重量%以上10.0重量%以下、Re:0重量%以上8.0重量%以下、Hf:0重量%以上0.50重量%以下、Cr:2.0重量%以上15.0重量%以下、Co:0重量%以上15.0重量%以下、Ru:0重量%以上14.0重量%以下、Rh:0.3重量%以上8.0重量%以下、Nb:0重量%以上2.0重量%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するものを使用することができる。

0022

本願発明は、Rhを含むNi基超合金の基材に、基材と熱力学的に平衡状態にあることによって基材との間に相互拡散を生じ難い一種もしくは複数の物質による合金層のコーティングを施すことを特徴とした耐熱部材に関するものである。すなわち、本願発明によるコーティングにより、1100℃あるいはこれを超えるような高温でも元素の基材/コーティング界面をとおしての相互拡散を抑制することができ、従来技術では解決し得なかった高温での長時間の耐久性を飛躍的に向上させることが可能となる。

0023

本願発明におけるNi基超合金へのコーティングは、従来多く行われている多層の拡散障壁コーティングのような複雑なコーティングプロセスを必ずしも必要としない点も大きな利点であり、工業的にも魅力的な技術となっている。一方、US2004/0229075(特許文献4)で示されたPt系元素を含むγ+γ’相のコーティングにおいては、
界面をとおしての元素の相互拡散を充分に抑制できないために、必ずしも有効な技術とはなっていない。

0024

本願発明においては、γ, γ’およびβの単層合金をコーティング材として使用することで目的とするコーティングが可能である。また、コーティング材としてγ相、γ’相およびβ相の中から選ばれた複数の相、例えばγ’+ β相およびγ+γ’相などをコーティング材として使用することもできる。γ相、γ’相およびβ相あるいはそれらの複合相はいずれも耐酸化性、耐高温腐食性、機械的特性の向上が期待できる相であり、これにより優れた耐熱部材を得ることができる。Rhを高濃度で含むβ相をコーティング材として用いる場合には、Rh元素の有する高耐酸化性により耐熱高温部材の耐酸化性がさらに向上することも期待される。なお、ここでいうβ相とは、Ni基合金確認されるB2構造をもつ相である。

0025

本願発明において、タービン動翼やタービン静翼の耐熱部材に用いられるコーティング材として、その成分が重量比で、Al: 10.0重量%以上25.0重量%以下、Ta:0重量%以上5.0重量%以下、Mo:0重量%以上4.0重量%以下、W:0重量%以上4.0重量%以下、Re:0重量%以上4.0重量%以下、Hf:0重量%以上2.0重量%以下、Cr:0重量%以上5.0重量%以下、Co:0重量%以上4重量%以下、Ru:10.0重量%以上35.0重量%以下、Ni:0重量%以上15.0重量%以下、Nb:0重量%以上2.0重量%以下を含有し、残部がRhと不可避的不純物からなる組成を有するβ相の合金およびその成分が重量比で、Al: 0.5重量%以上15.0重量%以下、Ta:0重量%以上15.0重量%以下、Mo:0重量%以上5.0重量%以下、W:0重量%以上4.0重量%以下、Re:0重量%以上20.0重量%以下、Hf:0重量%以上2.0重量%以下、Cr:0重量%以上15.0重量%以下、Co:0重量%以上15重量%以下、Ru:0.0重量%以上15.0重量%以下、Rh:0.1重量%以上10.0重量%以下、Nb:0重量%以上5.0重量%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するγ相又はγ’相の合金の内、少なくとも一種を含む合金層を用いることができる。

0026

より好ましくは、コーティング材の成分が重量比で、Al:12.0重量%以上20.0重量%以下、Ta:0.3重量%以上2.0重量%以下、Mo:0重量%以上2.0重量%以下、W: 0重量%以上2.0重量%以下、Re:0重量%以上2.0重量%以下、Hf:0重量%以上0.50重量%以下、Cr:0.0重量%以上3.0重量%以下、Co:0重量%以上2.0重量%以下、Ru:15重量%以上30.0重量%以下、Ni:0.1重量%以上10.0重量%以下、Nb:0重量%以上1.0重量%以下を含有し、残部がRhと不可避的不純物からなる組成を有するβ相の合金およびその成分が重量比で、Al: 1重量%以上10.0重量%以下、Ta:0.5重量%以上12.0重量%以下、Mo:0重量%以上4.0重量%以下、W:0重量%以上3.0重量%以下、Re:0.5重量%以上15.0重量%以下、Hf:0重量%以上0.5重量%以下、Cr:0.5重量%以上12.0重量%以下、Co:0重量%以上12重量%以下、Ru:0.5重量%以上12.0重量%以下、Rh:0.1重量%以上8.0重量%以下、Nb:0重量%以上3.0重量%以下を含有し、残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するγ相又はγ’相の合金の内、少なくとも一種を含む合金層を用いることができる。

0027

より具体的な例として、Al:3.6重量%、Ta:6.4重量%、Mo:1.8重量%、W:1.6重量%、Re:5.8重量%、Cr:4.8重量%、Co:5.7重量、Ru:5.2重量%、Rh:3.2重量%、Nb:1.4重量%、Hf:0.1重量%を含有して残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するNi基超合金を基材とする場合には、コーティング材として用いられるγ単相合金の組成として、Al:2.2重量%、Ta:3.0重量%、Mo:2.6重量%、W:1.9重量%、Re:9.8重量%、
Cr:7.3重量%、Co:7.3重量、Ru:6.4重量%、Rh:2.33重量%、Nb:1.0重量%、を含有して残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するもの、γ’単相合金の組成として、Al:5.1重量%、Ta:10.1重量%、Mo:0.9重量%、W:1.2重量%、Re:1.5重量%、Cr:2.2重量%、Co:4.1重量、Ru:3.9重量%、Rh:4.1重量%、Hf:0.1重量%、Nb:1.9重量%を含有して残部がNiと不可避的不純物からなる組成を有するもの、およびβ単相合金の組成として、Al:16.5重量%、Ta:0.6重量%、Mo:0.1重量%、W:0.1重量%、Re:0.4重量%、Cr:0.7重量%、Co:0.5重量、Ru:18.1重量%、Ni:5.8重量%、Hf:0.1重量%、Nb:0.1重量%を含有して残部がRhと不可避的不純物からなる組成を有するものを好ましいコーティング材として例示することができる。なお、基材となるNi基超合金の組成が変われば、おのずとNi基超合金の基材と熱力学的に平衡状態にあるγ相、γ’相およびβ相の組成も変わるので、コーティング材の組成範囲は上記の例示に述べたγ、γ’およびβの単相合金組成に固定されるものではない。

0028

上述してきたように、Rhを含有するNi基超合金においては、γ相、γ’相およびβ相の中から選ばれた少なくとも一つの相をコーティング材として使用することによって、耐酸化性、耐高温腐食性、機械的特性の向上が期待できる。それらの中でも、特に、Rhを多く含むβ相合金をコーティング材として用いることによって、耐酸化性にも顕著な効果が認められる。

0029

本願発明におけるコーティング方法として、通常実施可能なプラズマ溶射法高速フレーム溶射法、イオンプレーティング法、EB−PVD法、熱CVD法レーザCVD法アルミナイジング法、クロマイジング法コールドスプレイ法ウォームスプレイ法などを用いることができる。コーティング材として、基材と熱力学的に平衡状態にあるγ, γ’およびβ相の合金組成の溶射用粉末またはインゴットなどを作製してコーティングすることもできるし、適切な化学試薬を使用して気相から合金層を成長させることもできる。

0030

本願発明のコーティングによって、Ni基超合金耐熱部材の高温下における耐久性を顕著に改善できるが、高温での長時間の耐久性を飛躍的に向上させるためには、合金層の厚さを5μmから800μmの範囲、より好ましくは30μmから400μmの範囲に制御して用いるのが一般的である。また、基材と熱力学的に平衡状態にあるγ, γ’およびβ相の合金を、基材に対して単層コーティングするのが通常であるが、これらの相を複層でコーティングする方法によっても実施可能である。
以下に、実施例を示しつつ、本願発明の耐熱部材について説明する。

0031

Ar雰囲気中でアークメルト溶解することにより、表1に示す組成のNi基超合金Iを溶製した。作製したこの合金をアルゴンガス封入した石英管入れた状態で1100℃×168H加熱保持することによって、表2に示す合金相a、b、cの組成を持つ各3相(β相、γ’相、γ相)の存在が、合金の組織写真図1)およびX線回折の結果(図2)により確認された。これより、これらの3つの相a、b、cは熱力学的に平衡状態にあることがわかり、これらの3つの相の組成の間で相互拡散が起こらないことが示された。また、Ni基超合金IIについても同様の処理を行うことにより、表2に示す合金相d、e、fの組成を持つ各3相(β相、γ’相、γ相)の存在が、合金の組織写真(図3)およびX線回折の結果(図4)により確認された。これより、これらの3つの相d、e、fは熱力学的に平衡状態にあることがわり、これらの3つの相の組成の間で相互拡散が起こらないことが示された。

0032

0033

0034

Ar雰囲気中で表2の合金相bとc、合金相eとfをそれぞれモル比1対1で混ぜ合わせた2種類の合金をアークメルト溶解することにより作製し、溶体化熱処理を行った後、直径10mm、厚さ5mmの試験片切り出すことによって、表3に記載の2種類の基材AおよびBを作製した。この基材Aは、合金相bとcを組み合わせて作製しているため、合金相a、b、cの全てと平衡である。また、基材Bについても、合金相eとfを組み合わせて作製しているため、基材Bは合金相d、e、fの全てと平衡である。表4には、βの単相合金を溶製したコーティング材1及び2の化学組成を示した。

0035

0036

0037

このようにして切り出した表3の基材Aを表面研磨した後に、表4のコーティング材1をコーティング処理して実施例1の耐熱部材を作成した。同様に、表3の基材Bに対して表4のコーティング材2をコーティング処理して実施例2の耐熱部材を作成した。これらの耐熱部材について、大気中1100℃で1時間繰り返し酸化試験を30サイクルまで行い、耐酸化性の試験結果を図5に示す。本願発明のコーティング処理の効果を明らかにするための比較試験として、図5には、コーティング処理をしていない基材Aおよび基材Bの耐酸化性試験結果を、それぞれ参考例1および参考例2として示した。

0038

これらの結果から、本願発明のコーティング材は、基材単体に比べて顕著に優れた耐酸化性を有することがわかる。また、前述したように、基材とコーティング材層の間で相互拡散がおこらないことから、基材と熱力学的に平衡状態である物質をコーティングすることにより、この耐熱部材が耐酸化性と高温安定性を兼ね備えた優れた耐熱部材であることが示された。

図面の簡単な説明

0039

基材Aの1100℃×168H加熱保持後の合金の組織写真である。コーティング材1から3の各3合金の組成をもつ各3相(β相A、γ’相B、γ相C)の存在が確認される。
図1の合金に関するX線回折データである。この結果も、3つの各合金の組成をもつ3相のみが存在していることを示している。これより、コーティング材2と3のタイライン上のモル比1対1で混ぜ合わせている基材Aも含めてこれらの材料は、すべて熱力学的平衡状態にあることがわかる。
基材Bの1100℃×168H加熱保持後の合金の組織写真である。この結果より、コーティング材4から6の各3合金の組成をもつ各3相(β相D、γ’相E、γ相F)の存在が確認される。
図3の合金に関するX線回折データである。この結果も、3つの各合金の組成をもつ3相のみが存在していることを示している。これより、コーティング材6と7のタイライン上のモル比1対1で混ぜ合わせている基材Bも含めて、これらの材料は、すべて熱力学的平衡状態にあることがわかる。
実施例1および2で得られた試料の1100℃×1Hサイクル酸化試験結果を基材単独と比較して示す。

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