JP2003201533A - 高温時の腐食と酸化から構造部材を保護する保護層 - Google Patents

高温時の腐食と酸化から構造部材を保護する保護層

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 腐食及び酸化に対し良好な耐熱性と長期安定
性、更には、特に高温時のガスタービンに予想される機
械的応力に適合する保護層を提供する。 【解決手段】 この保護層は、重量比で０．５〜２％の
レニウム、１５〜２１％のクロム、９〜１１．５％のア
ルミニウム、０．０５〜０．７％のイットリウム及び／
又はスカンジウムと希土類の元素とを含む群からの少な
くとも１つの等価金属、０〜１％のルテニウム、残りコ
バルト及び／又はニッケル並びに製造に由来する不純物
からなる。この合金は、クロム／レニウムの析出物を生
ずることがなく、この析出物に基因した脆性相による脆
化を示さない。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高温の煙道ガス等
に曝される構造部材、特にガスタービンの構造部材を高
温時の腐食及び酸化から保護する、レニウムを含有の保
護層に関する。
【０００２】また本発明は、特にニッケル又はコバルト
ベースの超合金から成る構造部材の保護層に関する。
【０００３】
【従来の技術】耐食性及び／又は耐酸化性を高める必要
のある金属製構造部材の保護層は、従来技術において多
数公知である。これら保護層の大部分はＭＣｒＡｌＹの
集合物の名で知られており、ここにＭは鉄、コバルト及
びニッケルを含む群からの少なくとも１つの元素を表
し、他の主成分としてクロム、アルミニウム及びイット
リウムを含み、イットリウムは完全に又は部分的に、ス
カンジウムと希土類元素とを含む群からの等価元素と置
換可能である。
【０００４】この種の代表的な被覆は他の文献から公知
である（例えば特許文献１、２）。更に文献２から、ケ
イ素の添加分が上述の種類の保護層の特性を改善できる
ことが公知である。
【０００５】加えて、種々の用途のために他の元素の混
和物を含む、上述した種類の保護層の特殊な組成が多数
公知である（例えば特許文献３）。それによると選択的
に添加可能な多くの他の元素以外に、元素のレニウムも
１０重量％迄の分量で添加することを記載している。し
かし、殆ど特定されない比較的広範に予想される添加物
の故に、例えば高い入口温度で比較的長期にわたる運転
を必要とするガスタービンの案内翼及び回転翼で生じる
ような特殊な状況に、上述した保護層はいずれも適して
いない。
【０００６】レニウムを含む保護層も、他の文献から公
知である（例えば特許文献４、５、６、７）。これら文
献から読み取れる開示内容は、本発明の以下の開示に全
面的に組込むものとする。
【０００７】ガスタービンの熱的に高負荷される構造部
材上に保護層を被着する実施態様は他の文献から公知で
ある（特許文献８）。
【０００８】入口温度を上昇させる努力は、定置ガスタ
ービンにおいても、航空機のエンジンにおいても、その
入口温度がガスタービンで達成可能な熱力学的効率にと
って重要な特性値であるため、ガスタービンの専門分野
にとって重要である。熱的に高負荷される案内翼及び回
転翼等の、構造部材の基本物質として特別に改良された
合金の使用、特に単結晶の超合金の使用は、明らかに１
０００℃を越える入口温度を可能にする。従来技術にお
いて、定置ガスタービンでは９５０℃及びそれ以上の入
口温度が、また航空機のエンジンでは１１００℃或いは
それ以上の温度が可能になっている。
【０００９】その構造が複雑になってしまう、単結晶基
板を有するタービン翼の例は公知である（例えば特許文
献９）。
【００１０】高負荷される構造部材用にこれ迄開発され
た基本材料の物理的負荷能力が、予想される入口温度の
更なる上昇に関して十分に問題がないのに対して、酸化
及び腐食に関して十分な安定性を達成するには、保護層
に頼らざるを得ない。ほぼ１０００℃程度の温度の煙道
ガスにより予想される腐食作用下に、保護層はとりわけ
保護層と基本材料との間の機械的相互作用に対して、保
護層の十分な化学的安定性の他に、十分に良好な機械的
特性を有さねばならない。特に、保護層は酸化及び腐食
を生ずる部位の形成の原因となるので、場合により起こ
る基本材料の変形に順応し、かつ亀裂を形成しないよう
に、十分に延性でなければならない。この場合、酸化及
び腐食に対する保護層の安定性を典型的に改善できる、
アルミニウム及びクロムのような元素を増量すると、保
護層の延性が劣化し、従って機械的負荷時にガスタービ
ン内に通常生じる機械的破壊、特に亀裂の形成を配慮せ
ねばならない。保護層の延性が、元素のクロム及びアル
ミニウムにより減退する例は従来技術から公知である。
【００１１】同様に、レニウムを含有する基板用の超合
金は公知である（特許文献１０）。この文献は、レニウ
ムにより形成された金属間相が、この超合金の長期安定
性を低下させると述べている。この低下は、ルテニウム
の添加により緩和できる。
【００１２】
【特許文献１】米国特許第４００５９８９号明細書
【特許文献２】米国特許第４０３４１４２号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第０１９４３９２号明
細書
【特許文献４】米国特許第５１５４８８５号明細書
【特許文献５】欧州特許出願公開第０４１２３９７号明
細書
【特許文献６】ドイツ特許出願公開第６９４０１２６０
号Ｔ２明細書
【特許文献７】国際公開第９１／０２１０８号パンフレ
ット
【特許文献８】欧州特許第０２５３７５４９１号明細書
【特許文献９】国際公開第９１／０１４３３号パンフレ
ット
【特許文献１０】国際公開第０１／０９４０３号パンフ
レット
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】従って本発明の課題
は、腐食及び酸化に対して良好な耐熱性と長期安定性、
更には、特に高温時のガスタービンに予想される機械的
応力に適合する保護層を提供することにある。
【００１４】本発明は、保護層が基本材料との間の層中
及び移行範囲内に脆性のクロム／レニウム析出物を生ず
るという知見に基づく。使用中に時間及び温度と共に自
ら生成るこれらの脆性相は、運転中に特に際立った縦方
向の亀裂を層中に形成し、また層と基本材料との境界面
にも引続き層の剥離を来す。基本材料から層中に拡散侵
入し、又は炉内で熱処理中に表面から層中に拡散侵入す
る炭素との相互作用により、Ｃｒ／Ｒｅ析出物の脆性が
付加的に高められる。このクロム−レニウム相の酸化に
より、亀裂形成の推進力が更に増強される。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明は、この課題を解
決するため、構造部材、特にガスタービンの構造部材を
高温時の腐食及び酸化から保護する、主に以下に記載の
組成（重量比）を有する保護層を提供することにある。 ０．５〜２％ レニウム １５〜２１％ クロム ９〜１１．５％ アルミニウム ０．０５〜０．７％ イットリウム及び／又はスカンジウムと希土類の元素とを 含む群からの少なくとも１つの等価金属 残り コバルト及び／又はニッケルと製造法に由来する不純物 その際脆性層の形成を阻止しながら元素のレニウムの有
利な作用を利用する。
【００１６】元素のレニウムに起因するそれらの作用を
考慮して、個々の元素の分量を特に適合させるように注
意しなければならない。クロム−レニウムの析出物が形
成されないように、それらの分量を調整すると、特に保
護層の使用時に脆性相は形成されず、従って作動時間は
改善され、延長される。これは、クロム含有量を低減す
るばかりでなく、アルミニウムのこの相の形成に対する
作用を配慮して、アルミニウムの含有量を削減すること
によっても達せられる。
【００１７】保護層は、耐食性が良好であるとき、酸化
に対しても良好な耐久性を示し、特に延性にも優れてい
るので、この保護層はガスタービン内での更なる入口温
度の上昇時の使用に適する。この層が使用中に脆化する
クロム／ニッケル析出物を殆ど含まないので、運転中に
殆ど脆化を起さない。この超合金はクロム／レニウム析
出物を全く含まないか、最大でも６容量％を有するに過
ぎない。
【００１８】重量比でレニウムを約１．５％、クロムを
約１７％、アルミニウムを約１０％及びイットリウムを
約０．３％含有すると有利である。但し大量生産の際に
一定の変動は起こる。
【００１９】本発明は、高温時の腐食及び酸化に対する
保護のため、上記形式の保護層を有する構造部材、特に
ガスタービンの構造部材にも関する。
【００２０】上記の保護層は、超合金に対する接着剤層
としても機能する。この層上に、更なる層、特にセラミ
ックスの断熱層を施すことも可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】本発明を実施例に基づき以下に詳
述する。
【００２２】この構造部材の場合、保護層はニッケル又
はコバルトベースの超合金製の基板上に施される。基板
として特に以下に記載の組成（重量比）が好適である。 ０．０３〜０．０５％ 炭素 １８〜１９％ クロム １２〜１５％ コバルト ３〜６％ モリブデン １〜１．５％ タングステン ２〜２．５％ アルミニウム ３〜５％ チタン 選択的に、僅少量のタンタル、ニオブ、ホウ素及び／又
はジルコン 残りニッケル このような材料は、Ｕｄｉｍｅｔ５２０及びＵｄｉｍｅ
ｔ７２０の名称の下に鍛造合金として公知である。
【００２３】構造部材の基板として、以下に記載の組成
（重量比）も使用可能である。 ０．１〜０．１５％ 炭素 １８〜２２％ クロム １８〜１９％ コバルト ０〜２ ％ タングステン ０〜４ ％ モリブデン ０〜１．５％ タンタル ０〜１％ ニオブ １〜３％ アルミニウム ２〜４％ チタン ０〜０．７５％ ハフニウム 選択的に、僅少量のホウ素及び／又はジルコン 残りニッケル この組成はＧＴＤ２２２、ＩＮ９３９、ＩＮ６２０３及
びＵｄｉｍｅｔ５００ の名称で鋳造合金として公知である。
【００２４】構造部材の基板の別の実施例とし、下記の
組成（重量比）も利用できる。 ０．０７〜０．１％ 炭素 １２〜１６％ クロム ８〜１０％ コバルト １．５〜２％ モリブデン ２．５〜４％ タングステン １．５〜５％ タンタル ０〜１％ ニオブ ３〜４％ アルミニウム ３．５〜５％ チタン ０〜０．１％ ジルコン ０〜１％ ハフニウム 選択的に僅少量のホウ素 残りニッケル この組成は鋳造合金ＰＷＡ１４８３ＳＸ、ＩＮ７３８Ｌ
Ｃ、ＧＴＤ１１１、ＩＮ７９２ＣＣ及びＩＮ７９２ＤＳ
として公知である。材料ＩＮ７３８ＬＣは特に有利であ
る。
【００２５】構造部材の基板の更なる実施例として、下
記の組成（重量比）が挙げられる。 約０．２５％ 炭素 ２４〜３０％ クロム １０〜１１％ ニッケル ７〜８％ タングステン ０〜４％ タンタル ０〜０．３％ アルミニウム ０〜０．３％ チタン ０〜０．６％ ジルコン 選択的に僅少量のホウ素 残りコバルト この種の組成は、ＦＳＸ４１４、Ｘ４５、ＥＣＹ７６８
及びＭＡＲ−Ｍ−５０９の名称の下に鋳造合金として公
知である。
【００２６】構造部材上の保護層の厚さを約１００〜３
００μmの値に調整するとよい。
【００２７】この保護層は、構造部材が材料温度で約９
５０℃程、航空機のタービンで約１１００℃程の温度に
さえなる煙道ガスに曝される場合に、特に構造部材を腐
食及び酸化から保護するのに好適である。
【００２８】従って本発明による保護層は、ガスタービ
ンの構造部材、特に案内翼、回転翼或いはガスタービン
のタービン前又はタービン内で熱風に曝される他の構造
部材を保護するのに特に好適である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｃ 7/00 Ｆ０２Ｃ 7/00 Ｃ Ｆターム(参考） 4K044 AA06 AB10 BA02 BA06 BA10 BA11 BB03 BC02 BC05 BC11 CA11

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高温時の腐食及び酸化から構造部材を保
    護する、以下に記載の組成（重量比）から成ることを特
    徴とする保護層。 ０．５〜２％ レニウム １５〜２１％ クロム ９〜１１．５％ アルミニウム ０．０５〜０．７％ イットリウム及び／又はスカンジ
    ウムと、希土類の元素とを含む群からの少なくとも１つ
    の等価金属 ０〜１％ ルテニウム 残り コバルト及び／又はニッケル並び
    に製造に由来する不純物
  2. 【請求項２】 前記保護層が、工業的な製造時に通常の
    変動幅を考慮して、 １．５％ レニウム １７％ クロム １０％ アルミニウム ０．３％ イットリウム及び／又はスカンジウムと、
    希土類の元素とを含む群からの少なくとも１つの等価金
    属を含むことを特徴とする請求項１記載の保護層。
  3. 【請求項３】 前記保護層が殆どクロム／レニウム析出
    物を含まず、脆性を示さないことを特徴とする請求項１
    記載の保護層。
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