JP3883461B2 - イリジウム−ハフニウム被覆ニッケル基超合金 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、イリジウム−ハフニウム被覆ニッケル基超合金に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、ニッケル基超合金により形成される部材の耐高温酸化性、耐高温腐食性及び母材の組織安定性の向上、そして、母材の長寿命化が見込まれるイリジウム−ハフニウム被覆ニッケル基超合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
ニッケル基超合金（Ｎｉ基超合金）は、高温、高応力下に曝されるジェットエンジンやガスタービンのタービンブレード、タービンベーンなど用の材料に用いられている。炭酸ガス削減のための有力な手段の一つに上記内燃機関の高効率化が考えられており、運転温度の上昇にともない、母材に要求される耐高温酸化性及び耐高温腐食性は厳しくなっている。
【０００３】
これまで耐酸化性の向上には、母材表面に、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）に富んだ合金を被覆し、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、クロミア（Ｃｒ2Ｏ3）といった酸化物不動態を形成する、若しくはＡｌ、Ｃｒを母材表面中に拡散浸透させるのが一般的であった。
【０００４】
しかしながら、上記の表面改質方法で対処することが難しくなってきているのが現状である。
【０００５】
それというのも、温度が上昇するにつれて、被膜中のＡｌ、Ｃｒが母材中のＮｉに拡散し、被膜の耐酸化性が弱まるとともに、母材中に有害相が析出し、これにより母材が劣化するからである。
【０００６】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ニッケル基超合金により形成される部材の耐高温酸化性、耐高温腐食性及び母材の組織安定性の向上、そして、母材の長寿命化が見込まれるイリジウム−ハフニウム被覆ニッケル基超合金を提供することを解決すべき課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、以上の課題を解決するものとして、ニッケル基超合金の表面にイリジウム−ハフニウム合金被膜が形成され、イリジウム−ハフニウム合金被膜の表面にアルミニウム被膜が形成されたイリジウム−ハフニウム被覆ニッケル基超合金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−ハフニウム被覆ニッケル基超合金（請求項１）を提供する。
【０００８】
またこの出願の発明は、イリジウム−ハフニウム合金被膜の厚みが５μｍ〜100μｍであること（請求項２）、イリジウム−ハフニウム合金被膜中のイリジウムの含有量が５０原子％〜９８原子％であること（請求項３）、イリジウム−ハフニウム合金被膜中のイリジウムの含有量が７５原子％であり、ハフニウムの含有量が２５原子％であること（請求項４）をそれぞれ一態様として提供する。
【０００９】
以下、実施例を示しつつ、この出願の発明のイリジウム−ハフニウム被覆ニッケル基超合金についてさらに詳しく説明する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この出願の発明のイリジウム−ハフニウム被覆ニッケル基超合金では、前記の通り、ニッケル基超合金の表面にイリジウム−ハフニウム合金被膜が形成されている。
【００１１】
イリジウム（Ｉｒ）とハフニウム（Ｈｆ）は、金属間化合物相Ｉｒ3Ｈｆを形成する。この金属間化合物相Ｉｒ3Ｈｆは、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）で問題となっている、ニッケル基超合金から形成された母材中への拡散を抑制することができ、Ｉｒ−Ｈｆ合金被膜は、それらＡｌ、Ｃｒの拡散バリア層として機能する。また、Ｉｒ、Ｈｆはともに、その酸化物は安定しており、ニッケル基超合金の耐酸化性が向上する。したがって、母材中への有害相の析出が抑制され、母材の組織が安定化する。しかも、Ｉｒは、耐腐食性に優れており、耐腐食性の向上も実現可能とする。
【００１２】
なお、Ｉｒ−Ｈｆ合金被膜は、厚みが５μｍ未満では、拡散バリア層としてその性能を十分に発揮しにくく、100μｍを超えると、Ｉｒ−Ｈｆ合金被膜の熱膨張率はＮｉ基超合金のそれよりも小さいため、熱膨張率の差に起因して生ずる熱疲労によりＩｒ−Ｈｆ合金被膜が剥離しやすくなり、母材の寿命に影響を及ぼすようになる。したがって、Ｉｒ−Ｈｆ合金被膜の厚みは、５μｍ〜100μｍが好ましい。
【００１３】
また、前述の通り、金属間化合物相Ｉｒ3ＨｆをＩｒ−Ｈｆ合金被膜中に析出させるためには、Ｉｒ−Ｈｆ合金被膜中のＩｒの含有量は５０原子％以上９８原子％以下とするのが好ましい。
【００１４】
この出願の発明のイリジウム−ハフニウム被覆ニッケル基超合金は、Ｉｒ−Ｈｆ合金被膜形成後に、その表面へのＡｌの複層コーティングをはじめ、さらに、Ａｌの拡散浸透処理を適用することにより、耐高温酸化性、耐高温腐食性及び母材の組織安定性の向上、そして、母材の長寿命化が可能となる。
【００１５】
【実施例】
Ｎｉ基超合金としてＴＭＳ−７５（Ｎｉ−12.6Ｃｏ−3.5Ｃｒ−1.3Ｍｏ−２Ｗ−13.7Ａｌ−２Ｔａ−0.04Ｈｆ−1.67Ｒｅ、数字は原子％を示す）を選択し、これを用いて母材を形成し、母材表面に、アーク溶解法により作製したＩｒ７５原子％−Ｈｆ２５原子％合金（原料の純度は、Ｉｒ、Ｈｆともに99.99％）の厚み約５μｍの被膜、厚み約２μｍのＡｌ被膜を、順次、電子ビーム物理蒸着法により形成した。この時、神港精機（株）製ＡＭＦ−1050ＳＢ型蒸着装置を用い、製膜条件は、真空度1.2〜3.5×１０-3Ｐａ、電子ビーム電圧１０ｋＶとした。
【００１６】
この後、試料をアセトンで洗浄し、次いで、Ａｌ、Ａｌ2Ｏ3、鉄（Ｆｅ）及び塩化アンモニウム（ＮＨ4Ｃｌ）の混合粉末中に入れ、Ａｒ雰囲気中で1000℃、５時間のＡｌの拡散浸透処理を行った。
【００１７】
そして、作製した試料の耐酸化性について評価した。具体的には、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６回繰り返す繰り返し酸化試験を行った。
【００１８】
得られた結果を、Ｈｆ単体を母材表面に被覆した後、Ａｌを被覆し、さらにＡｌの拡散浸透処理を行ったもの、Ｉｒ−Ｈｆ合金被膜を形成せず、直接母材にＡｌの拡散浸透処理を行ったものについて同様の試験を行った結果と比較した。
【００１９】
図１は、繰り返し酸化試験の結果を示したグラフである。
【００２０】
酸化試験中、試料は、酸化にともない重量が増加し、その後、揮発若しくは剥離により重量の減少が起こる。したがって、重量変化量の小さいものが最も耐酸化性に優れていると結論される。図１に示した結果から、Ｉｒ−Ｈｆ合金被膜を母材に形成し、Ａｌ被膜を複層コーティングした後にＡｌの拡散浸透処理を行ったものが最も耐酸化性に優れていることが確認される。ＩｒとＨｆの合金化により耐酸化性が向上し、これは、Ｉｒ−Ｈｆ合金被膜の拡散バリア層としての機能の実証ともいえる。
【００２１】
このような拡散バリア層としての機能に加え、前述の通り、Ｉｒは耐腐食性にも優れていることから、イリジウム−ハフニウム被覆ニッケル基超合金は、耐腐食性の向上に有効であると合理的に考えられる。
【００２２】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施形態によって限定されるものではない。母材を形成するＮｉ基超合金の種類、組成、Ｉｒ−Ｈｆ合金被膜の組成、形成方法、厚みなどの細部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。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、ニッケル基超合金により形成される部材の耐高温酸化性、耐高温腐食性及び母材の組織安定性の向上、そして、母材の長寿命化が見込まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】繰り返し酸化試験の結果を示したグラフである。
Claims (4)
- ニッケル基超合金の表面にイリジウム−ハフニウム合金被膜が形成され、イリジウム−ハフニウム合金被膜の表面にアルミニウム被膜が形成されたイリジウム−ハフニウム被覆ニッケル基超合金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−ハフニウム被覆ニッケル基超合金。
- イリジウム−ハフニウム合金被膜の厚みが５μｍ〜100μｍである請求項１記載のイリジウム−ハフニウム被覆ニッケル基超合金。
- イリジウム−ハフニウム合金被膜中のイリジウムの含有量が５０原子％〜９８原子％である請求項１又は２記載のイリジウム−ハフニウム被覆ニッケル基超合金。
- イリジウム−ハフニウム合金被膜中のイリジウムの含有量が７５原子％であり、ハフニウムの含有量が２５原子％である請求項３記載のイリジウム−ハフニウム被覆ニッケル基超合金。
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