JP2001521992A - 高温ガスの衝流を受ける構造部材及びこの構造部材への被膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、被膜（３）の長時間耐性を改善するために、拡散障壁として窒化クロム（６）が挿入されている被膜（３）を備えた、高温ガスの衝流を受ける構造部材（１）に関する。この発明は、さらに、このような高温ガスの衝流を受ける構造部材（１）のための被膜の製造方法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 この発明は、高温ガスの衝流を受けるように設計された、被膜を備えた構造部
材、特にガスタービンの羽根に関する。さらに、この発明は、高温ガスの衝流を
受けるように設計された構造部材の被膜の製造方法に関する。

【０００２】 米国カリホルニア州サンジエゴにおいて１９９４年４月２５日から２９日にか
けて開催された会議の議事録「第２１回金属被膜及び薄膜に関する国際会議議事
録(Proceeding of the 21st International Conference on Metallurgical Coat
ings and Thin Films)」に掲載されているＯ・クノテーク、Ｅ・ラグシャイダー
、Ｆ・レェフラー、Ｗ・ベーレの論文「ガスタービン・ブレード用活性ボンディ
ングを備えた拡散障壁被膜(Diffusion barrier coatings with active bonding,
designed for gas turbine blades) 」には、ガスタービンの羽根のための拡散
障壁被膜が記載されている。ガスタービンの羽根は、しばしば、通常超合金であ
る基材の上に耐酸化性もしくは耐食性の保護被膜を備えている。拡散プロセスに
より被膜に脆弱な相が形成されることがあり、これによりガスタービンの寿命が
低下する。この論文の研究の狙いは、基材と被膜との間の拡散障壁を開発し、同
時にこの被膜と基材との良好な結着を保証することにある。これは、クロム−ア
ルミニウム−酸化物−窒化物系（Ｃｒ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ）によって達成される。

【０００３】 この発明の課題は、長時間耐久性が改善された被膜を備えた、高温ガスの衝流
を受ける構造部材を提示することである。この発明のさらなる課題は、高温ガス
の衝流を受ける構造部材のための被膜を製造する方法を提示することである。

【０００４】 この発明によれば、構造部材に関する課題は、基材とこの上に設けられた被膜
とからなる構造部材において、被膜が、ａ）鉄、コバルト、ニッケルの群の少な
くとも１つの金属（Ｍ）と、少なくとも１５ｗｔ％、特に少なくとも２０ｗｔ％
の含有量を持つクロム（Ｃｒ）と、アルミニウム（Ａｌ）と、イットリウム（Ｙ ）及び／又はハフニウム及び／又は希土類、特にスカンジウム、ランタン或い
はセリウムの群の１つの金属を含むＭＣｒＡｌＹからなる保護膜と、ｂ）特に酸
化アルミニウム及び／又は酸化クロムを有する酸化膜と、ｃ）窒化クロムとを含
むことによって解決される。

【０００５】 高温ガスの衝流を受ける構造部材は、しばしば、上記の種類の保護膜を備えて
いる。このような保護膜は耐酸化性及び耐食性保護の役割をする。このような保
護膜が酸素と接触すると、その上に酸化膜、主として酸化アルミニウム及び／又
は酸化クロムからなる膜が形成される。この酸化膜は、保護膜の上にもたらされ
た酸化物形成体、例えばアルミニウム及び／又はクロムのような酸化物形成体の
薄い層の酸化によっても形成される。時間が経つと保護膜は、アルミニウム及び
／又はクロムが酸化膜に拡散し、そこで酸化することにより、アルミニウム及び
クロムが欠乏する。酸化膜はこれにより成長する。これは、通常被膜の寿命を限
定する老化プロセスであり、成長する酸化膜の機械的性質を低下させる。アルミ
ニウム及び／又はクロムから酸化膜への或いはその逆の拡散を防止するために、
被膜に窒化クロムが挿入される。この発明は、その場合、クロムの濃度が１５ｗ
ｔ％以上、特に２０ｗｔ％以上であるときに、保護膜に充分な量で窒化クロムが
形成可能である、という予期せぬ認識に基づいている。窒化クロムは、その場合
、アルミニウム及び／又はクロムから酸化膜への拡散に対する特に効果的な拡散
障壁として作用する。これにより被膜の長時間耐久性が著しく改善される。

【０００６】 好ましくは、保護膜はレニウム、特に１〜１５ｗｔ％の間の成分比を持ったレ
ニウムを含むのがよい。なお、ここ及び以下において、ｗｔ％は重量％、ａｔ％
は原子％を意味する。

【０００７】 窒化クロムは酸化膜に含まれているのがよい。さらに、この窒化クロムは１０
〜６０ａｔ％の間の、特に凡そ５０ａｔ％の濃度で含まれているのがよい。さら
にまた、窒化クロムは保護膜と酸化膜との間に、好ましくは、酸化膜と保護膜と
の間の接合範囲に或いはまた固着範囲に存在しているのがよい。

【０００８】 驚くべきことに、窒化クロムは格子の形で形成することが可能である。特に窒
化クロムでこのような格子を、特に０．１〜１０μｍの間の側面長を持つほぼ矩
形状の格子を形成するのがよい。このような格子の形成は特に効果的な拡散障壁
である。その上、格子構造によって被覆形成時の亀裂発生の危険が低減され、こ
れにより付加的に被膜の長時間耐久性が向上する。

【０００９】 この構造部材はタービンの羽根として、特にガスタービンの羽根として良好に
構成される。ガスタービンの羽根は、今日、多くの場合、特に高い熱的な負荷と
、酸化及び腐食による強烈な侵食とにさらされる。ガスタービンの羽根の被膜の
寿命は、その場合、通常、羽根全体の点検間隔を決める。好ましくはまた、この
構造部材は熱機関、特に燃焼室のための熱遮蔽としても構成される。

【００１０】 特に、酸化膜の上にセラミックの熱絶縁膜、特にジルコニウムをベースとする
熱絶縁膜を設けるのがよい。セラミックの熱絶縁膜は、タービンの羽根を非常に
高い温度から保護する。このセラミックの熱絶縁膜は、酸化膜を介して保護膜に
連結されている。酸化膜の成長は、酸化膜の脆性の増大につながる。酸化膜の脆
性の増大は、熱絶縁膜の剥離の危険性の増大により被膜の長時間耐久性を減少す
る働きがある。窒化クロムの拡散防止作用により酸化膜の成長が遅延することに
より、被膜は、特に抵抗力の弱い部分、即ち熱絶縁膜と保護膜との間の境界層に
おける長時間耐久性を改善する。

【００１１】 この発明によれば、方法に関する課題は、高温ガスの衝流を受けるように設計
されている構造部材のための被膜の製造方法において、 ａ）鉄、コバルト、ニッケルの群の少なくとも１つの金属（Ｍ）と、少なくとも
１５ｗｔ％、特に少なくとも２０ｗｔ％の含有量のクロム（Ｃｒ）と、アルミニ
ウム（Ａｌ）及びイットリウム及び／又はハフニウム及び／又は希土類、特にス
カンジウム、ランタン或いはセリウムの群の１つの金属（Ｙ）を有するＭＣｒＡ
ｌＹからなる保護膜を構造部材の上に形成し、 ｂ）この保護膜の上に酸化膜、特に酸化アルミニウム及び／又は酸化クロムを持
つ保護膜を形成し、 ｃ）この被膜に窒化クロムを窒素の供給により作る ことにより解決される。

【００１２】 特に、窒素の供給は窒素プラズマ源からの窒素プラズマ処理によって行うのが
よい。さらに、被膜には、酸素ゲッターとして付加に水素を含む窒素プラズマを
供給するのがよい。分子の形でなく水素を供給することにより、酸化クロムから
酸素を取り去ることができる。これにより窒素がクロムに付着し、窒化クロムを
形成する。さらに、この構造部材と窒素プラズマ源との間に直流電圧（バイアス
）を印加するのがよい。これにより、窒素がより効果的に構造部材の中に侵入す
るので、窒化クロムのより速い形成が促進される。好ましくはこの場合、５０〜
６００Ｖの、特に１００〜３００Ｖの直流電圧を印加する。

【００１３】 この発明を、図面を参照しつつ実施例で詳しく説明する。なお、各図において
同一の記号は同一の部分を示す。

【００１４】 図１は、高温ガスの衝流を受ける構造部材１であるガスタービンの羽根の縦断
面を部分的に示す。このガスタービンの羽根１は、例えばニッケルをベースとす
る超合金の基材からなる。このガスタービンの羽根１は表面１Ａを持っている。
この表面１Ａの上に、特に次の組成比の成分、即ち、 ・１５〜３０ｗｔ％の間のクロム＝Ｃｒ、 ・６〜１５ｗｔ％の間のアルミニウム＝Ａｌ、 ・０．０１〜２ｗｔ％の間のイットリウム及び／又はハフニウム及び／又は希土 類、特にスカンジウム、ランタン或いはセルニウムの１つの金属＝Ｙ、 ・残部のニッケル及び／又はコバルト及び／又は鉄＝Ｍ を含むＭＣｒＡｌＹからなる保護膜が設けられている。

【００１５】 さらに、レニウム及び／又は他の付加物を添加することもできる。

【００１６】 保護膜４には酸化膜５が接している。この酸化膜は著しく拡大して示されてい
る。酸化膜５にはセラミックの熱絶縁膜７、例えばイットリウムで安定化された
酸化ジルコニウムからなる熱絶縁膜が接している。酸化膜５の中に、窒化クロム
６が挿入されている。この窒化クロム６は、アルミニウム或いはクロムが保護膜
４から酸化膜５に拡散する量を減少させる。これにより酸化膜５の厚みの成長が
遅延する。酸化膜５が厚いと、熱絶縁膜７の剥離の危険を高めることになるので
、酸化膜５の成長の遅延により被膜３の長時間耐久性が高まる。

【００１７】 図２は、酸化膜５の縦断面を拡大して示す。図には、格子セル７Ａから構成さ
れた窒化クロム６の格子８を模式的に記入してある。この格子セル７Ａの内部は
酸化アルミニウム及び／又は酸化クロムからなる。格子８は幾何学的に完全では
なく形成されている、即ち、例えば中断部、格子セル７Ａの厚さの変化及び平面
積の変化を持っている。しかし、平均して、格子セル７Ａの、特に０．１〜５μ
ｍの間にあるおおよその平均側面長Ａが示されている。この平均側面長Ａは、特
に保護膜及び／又は酸化膜の材料或いはまた窒化クロムを形成する際のプロセス
パラメータにより変化する。窒化クロム６のこのような格子は、アルミニウム或
いはクロムの拡散を特に効果的に阻止する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 高温ガスの衝流を受ける構造部材の縦断面図。

【図２】 酸化膜における窒化クロム格子の模式的拡大図。

【符号の説明】

１ 構造部材（ガスタービンの羽根） １Ａ 表面 ２ 基材 ３ 被膜 ４ 保護膜 ５ 酸化膜 ６ 窒化クロム ７ 熱絶縁膜 ７Ａ 格子セル ８ 格子 Ａ 格子セルの側面長

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基材（２）と、この上に設けられた被膜（３）とからなり、ａ
   ）鉄、コバルト、ニッケルの群の少なくとも１つの金属（Ｍ）と、 少なくとも１５ｗｔ％、特に少なくとも２０ｗｔ％の含有量を持つクロム（ Ｃｒ）と、 アルミニウム（Ａｌ）と、 イットリウム（Ｙ）及び／又はハフニウム及び／又は希土類、特にスカンジ ウム、ランタン及びセリウムの群の１つの金属と を有するＭＣｒＡｌＹからなる保護膜（４）と、 ｂ）特に酸化アルミニウム及び／又は酸化クロムを有する酸化膜（５）と、 ｃ）窒化クロム（６）と を含む高温ガスの衝流を受ける構造部材。
2. 【請求項２】保護膜（４）が、特に１〜１５ｗｔ％の組成比を持つレニウム
   を含む請求項１に記載の構造部材。
3. 【請求項３】窒化クロム（６）が酸化膜（５）に含まれている請求項１又は
   ２に記載の構造部材。
4. 【請求項４】窒化クロム（６）が保護膜（４）と酸化膜（５）の間に存在し
   ている請求項１ないし３の１つに記載の構造部材。
5. 【請求項５】窒化クロム（６）が１０〜６０ａｔ％の間の、特に５０ａｔ％
   の濃度で含まれている請求項１ないし４の１つに記載の構造部材。
6. 【請求項６】窒化クロム（６）が格子（８）を、特に０．１〜５μｍの間の
   側面長（Ａ）を有するほぼ長方形或いは正方形の格子（８）を形成している請求
   項１ないし５の１つに記載の構造部材。
7. 【請求項７】タービンの羽根、特にガスタービンの羽根として構成されてい
   る請求項１ないし６の１つに記載の構造部材。
8. 【請求項８】熱機関の、特に燃焼室のための耐熱遮蔽要素として構成されて
   いる請求項１ないし７の１つに記載の構造部材。
9. 【請求項９】酸化膜（５）の上にセラミックの熱絶縁膜（７）、特に酸化ジ
   ルコニウムをベースとする熱絶縁膜（７）が設けられている請求項１ないし８の
   １つに記載の構造部材。
10. 【請求項１０】 ａ）鉄、コバルト、ニッケルの群の少なくとも１つの金属（Ｍ）と、 少なくとも１５ｗｔ％、特に少なくとも２０ｗｔ％の含有量を持つクロム（ Ｃｒ）と、 アルミニウム（Ａｌ）と、 イットリウム（Ｙ）及び／又はハフニウム及び／又は希土類、特にスカンジ ウム、ランタン或いはセリウムの群の１つの金属と を含む、ＭＣｒＡｌＹからなる保護膜（４）が構造部材の上に設けられ、 ｂ）この保護膜（４）の上に、特に酸化アルミニウム及び／又は酸化クロムを有 する酸化膜（５）が設けられ、 ｃ）窒化クロム（６）が窒素の供給により被膜（３）内に形成される 耐高温ガス性構造部材８１１）のための被膜（３）の製造方法。
11. 【請求項１１】窒素プラズマ処理により窒素の供給が行われる請求項１０に
    記載の方法。
12. 【請求項１２】窒素プラズマ源から、酸素ゲッターとして付加的に水素を含
    む窒素プラズマが被膜（３）に供給される請求項１０に記載の方法。
13. 【請求項１３】構造部材に、窒素プラズマ源に対し、特に５０〜６００Ｖの
    直流電圧（バイアス）が印加される請求項１０又は１１に記載の方法。