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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