JP4060072B2 - 基材と含アルミニウム耐酸化性金属コーティングとの適合性を改善するコーティング中間層 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は概して金属部品上に耐酸化性金属コーティングを形成する技術に関する。さらに具体的には、本発明は、ＨＲ−１２０合金と含アルミニウム耐酸化性コーティングとの適合性を改善する中間層を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
ＨＲ−１２０は、ある種のガスタービン高温セクション部品の高価なＮｉ基超合金の代替品となり得る高温特性に優れたＮｉ−Ｆｅ−Ｃｒ合金である。ＨＲ−１２０の公称組成（重量％）は、Ｎｉ３７、Ｃｒ２５、Ｃｏ最大３、Ｍｏ最大２．５、Ｗ最大２．５、Ｃｂ０．７、Ｍｎ０．７、Ｓｉ０．６、Ａｌ０．１、Ｃ０．０５、Ｂ０．００４、Ｎ０．２、残部のＦｅである。ただし、作動温度が高いときは、合金を苛酷な酸化作用から保護するため耐酸化性コーティングが必要とされることがある。部品表面での保護酸化物スケールの形成に好ましい元素はＡｌであるので、ガスタービンで用いられる酸化コーティングは通例アルミニウムリッチである。
【０００３】
ＨＲ−１２０は、固溶体強化剤として働く窒素を意図的に添加している点でかなりユニークな高温合金である。タービンバケット、ノズル及びシュラウドで典型的に使用される溶射ＭＣｒＡｌＹ（式中、ＭはＣｏ、Ｎｉ及び／又はＦｅである）や拡散アルミナイドコーティング（Ａｌが基材内部に拡散して基材中の他の元素がアルミニウムと共にコーティングを形成したときに得られるコーティング）で被覆したＨＲ−１２０試料を高温に暴露すると、ＭＣｒＡｌＹコーティングの場合はコーティング／基材界面で、拡散アルミナイドコーティングの場合はコーティング自体の内部で、窒化アルミニウム相が形成されることが判明した。後者の場合、幾つかのコーティングはこの相互作用によって完全に有効性を失い、静止空気に暴露すると簡単に剥落した。ＭＣｒＡｌＹコーティングの場合、連続窒化Ａｌ層がコーティング／基材界面に生じた。かかる層は脆性相であり、望ましいミクロ組織ではない。かかる層が存在しないときと比べて、保護コーティングの剥離が容易になるからである。
【０００４】
こうした脆性窒化物相の形成はＨＲ−１２０中でのＮの利用可能性の結果である。窒素は、高温でのこれらの材料の相互拡散の結果これら２種類の元素が遭遇すると、Ａｌと容易に結合する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
被覆ＨＲ−１２０の稼働時の脆性窒化物層の形成を防止するニーズが存在する。本発明はこのニーズを満足することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
今回、ＨＲ−１２０と耐酸化性コーティングの間に中間層を設けることによって、ＨＲ−１２０中のＮとコーティング中のＡｌとの相互作用に起因する脆性窒化Ａｌ相の形成を回避できることを発見した。驚くべきことに、被覆合金の機械的特性及び物理的特性への影響を最小限に止めて、かかる中間層を存在させることができる。
【０００７】
第一の態様では、本発明は、意図的に添加した窒素を含有する被覆金属部品であって、耐酸化性コーティング層、及び該耐酸化性コーティング層と部品の間に設けられた中間層を含む被覆金属部品を提供する。中間層は、存在すれば耐酸化性層由来のアルミニウムと共に脆性窒化物相を形成してしまう窒素を実質的に含まない。
【０００８】
別の態様では、本発明は、意図的に添加した窒素を含有する金属部品上にコーティングを形成する方法であって、上記金属部品を、実質的に窒素を含まない第一の中間層で被覆し、次いで該中間層を耐酸化性層で被覆することを含んでなる方法を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明を説明する。
【００１０】
図１は、ＨＲ−１２０上の溶射ＭＣｒＡｌＹコーティングを１８００°Ｆに１０００時間暴露した後の顕微鏡写真である。コーティング／基材界面にみられる連続した暗い層は、コーティング由来のＡｌと合金由来のＮが遭遇したときにできた窒化Ａｌ相である。これは脆くて弱い界面層を形成する傾向があり、このことは稼働時にコーティングの剥離が格段に起こり易くなることを意味している。
【００１１】
図２は、１９００°Ｆで１０００時間経過後の拡散アルミナイドコーティングでみられる問題を示す。ここでは、暗い窒化物相はコーティング内部で形成されるとともに、合金内部へのＡｌの拡散によりコーティングの下の基板合金中でも形成される。この場合、ＭＣｒＡｌＹでみられる連続層ではなく、大きな離散粒子として形成される傾向がある。
【００１２】
図３は、別のアルミナイド試料で１９００°Ｆ、１０００時間後に観察された結果を示す。ここで、アルミナイドコーティングは脆性窒化物の形成の結果剥離している。さらに、この現象は、機械が受けるような熱ショックの全くない等温暴露時に起こった。
【００１３】
本発明は、普通、ＨＲ−１２０と、窒素を含まない点を除きＨＲ−１２０と同一組成のＡｌリッチコーティングの間に、溶射（ＨＶＯＦ又はＶＰＳ）法である材料の層を設けることによって実施される。「窒素を含まない」という用語は、合金組成の一部として窒素を意図的に添加していないことを意味する。かかる状況の下では、窒素は通例５０ｐｐｍ以下、大抵は５〜２５ｐｐｍの量で存在する。こうして、含窒素材料がＡｌリッチコーティングとじかに接触するのが避けられ、窒化Ａｌ相の生成が防止される。中間層の組成は、窒素を意図的に添加していない点を除けばＨＲ−１２０と同一である。
【００１４】
中間層の組成は基本的にＨＲ−１２０と同一である。そのため、合金の酸化・熱特性に及ぼす影響は最小限となる。
【００１５】
中間層は例えば５〜１００ミルの厚さを有する。大抵は、部品の形状及び作動温度に応じて中間層の厚さは１０〜５０ミルの範囲にあり、例えば１５〜３５ミルである。
【００１６】
本発明では、コーティングの早期破損及び部品寿命の短縮を招きかねない脆性窒化アルミニウム相を形成せずに、この材料の組合せを使用できる。ＨＲ−１２０は高温特性に優れコストが比較的安いという利点があり、現在幾つかのガスタービン設計で内側シュラウド材料として用いられている。こうした用途では、高温酸化から保護するためＡｌリッチコーティングが必要とされる場合がある。ただし、本発明はＡｌリッチコーティングとの使用に限定されない。本発明はクロム（Ｃｒ）又はケイ素（Ｓｉ）リッチコーティングとの組合せでも使用し得る。これらの元素もＮ存在下高温で窒化物相を形成する傾向が強いからである。
【００１７】
現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想及び技術的範囲に属する様々な修正及び均等な構成を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＨＲ−１２０上の溶射ＭＣｒＡｌＹコーティングを１８００°Ｆに１０００時間暴露した後の顕微鏡写真である。
【図２】 １９００°Ｆで１０００時間後の拡散アルミナイドコーティングでみられる問題を示す顕微鏡写真である。
【図３】 １９００°Ｆで１０００時間後の別のアルミナイド試料で起こった現象を示す顕微鏡写真である。
【発明の属する技術分野】
本発明は概して金属部品上に耐酸化性金属コーティングを形成する技術に関する。さらに具体的には、本発明は、ＨＲ−１２０合金と含アルミニウム耐酸化性コーティングとの適合性を改善する中間層を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
ＨＲ−１２０は、ある種のガスタービン高温セクション部品の高価なＮｉ基超合金の代替品となり得る高温特性に優れたＮｉ−Ｆｅ−Ｃｒ合金である。ＨＲ−１２０の公称組成（重量％）は、Ｎｉ３７、Ｃｒ２５、Ｃｏ最大３、Ｍｏ最大２．５、Ｗ最大２．５、Ｃｂ０．７、Ｍｎ０．７、Ｓｉ０．６、Ａｌ０．１、Ｃ０．０５、Ｂ０．００４、Ｎ０．２、残部のＦｅである。ただし、作動温度が高いときは、合金を苛酷な酸化作用から保護するため耐酸化性コーティングが必要とされることがある。部品表面での保護酸化物スケールの形成に好ましい元素はＡｌであるので、ガスタービンで用いられる酸化コーティングは通例アルミニウムリッチである。
【０００３】
ＨＲ−１２０は、固溶体強化剤として働く窒素を意図的に添加している点でかなりユニークな高温合金である。タービンバケット、ノズル及びシュラウドで典型的に使用される溶射ＭＣｒＡｌＹ（式中、ＭはＣｏ、Ｎｉ及び／又はＦｅである）や拡散アルミナイドコーティング（Ａｌが基材内部に拡散して基材中の他の元素がアルミニウムと共にコーティングを形成したときに得られるコーティング）で被覆したＨＲ−１２０試料を高温に暴露すると、ＭＣｒＡｌＹコーティングの場合はコーティング／基材界面で、拡散アルミナイドコーティングの場合はコーティング自体の内部で、窒化アルミニウム相が形成されることが判明した。後者の場合、幾つかのコーティングはこの相互作用によって完全に有効性を失い、静止空気に暴露すると簡単に剥落した。ＭＣｒＡｌＹコーティングの場合、連続窒化Ａｌ層がコーティング／基材界面に生じた。かかる層は脆性相であり、望ましいミクロ組織ではない。かかる層が存在しないときと比べて、保護コーティングの剥離が容易になるからである。
【０００４】
こうした脆性窒化物相の形成はＨＲ−１２０中でのＮの利用可能性の結果である。窒素は、高温でのこれらの材料の相互拡散の結果これら２種類の元素が遭遇すると、Ａｌと容易に結合する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
被覆ＨＲ−１２０の稼働時の脆性窒化物層の形成を防止するニーズが存在する。本発明はこのニーズを満足することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
今回、ＨＲ−１２０と耐酸化性コーティングの間に中間層を設けることによって、ＨＲ−１２０中のＮとコーティング中のＡｌとの相互作用に起因する脆性窒化Ａｌ相の形成を回避できることを発見した。驚くべきことに、被覆合金の機械的特性及び物理的特性への影響を最小限に止めて、かかる中間層を存在させることができる。
【０００７】
第一の態様では、本発明は、意図的に添加した窒素を含有する被覆金属部品であって、耐酸化性コーティング層、及び該耐酸化性コーティング層と部品の間に設けられた中間層を含む被覆金属部品を提供する。中間層は、存在すれば耐酸化性層由来のアルミニウムと共に脆性窒化物相を形成してしまう窒素を実質的に含まない。
【０００８】
別の態様では、本発明は、意図的に添加した窒素を含有する金属部品上にコーティングを形成する方法であって、上記金属部品を、実質的に窒素を含まない第一の中間層で被覆し、次いで該中間層を耐酸化性層で被覆することを含んでなる方法を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明を説明する。
【００１０】
図１は、ＨＲ−１２０上の溶射ＭＣｒＡｌＹコーティングを１８００°Ｆに１０００時間暴露した後の顕微鏡写真である。コーティング／基材界面にみられる連続した暗い層は、コーティング由来のＡｌと合金由来のＮが遭遇したときにできた窒化Ａｌ相である。これは脆くて弱い界面層を形成する傾向があり、このことは稼働時にコーティングの剥離が格段に起こり易くなることを意味している。
【００１１】
図２は、１９００°Ｆで１０００時間経過後の拡散アルミナイドコーティングでみられる問題を示す。ここでは、暗い窒化物相はコーティング内部で形成されるとともに、合金内部へのＡｌの拡散によりコーティングの下の基板合金中でも形成される。この場合、ＭＣｒＡｌＹでみられる連続層ではなく、大きな離散粒子として形成される傾向がある。
【００１２】
図３は、別のアルミナイド試料で１９００°Ｆ、１０００時間後に観察された結果を示す。ここで、アルミナイドコーティングは脆性窒化物の形成の結果剥離している。さらに、この現象は、機械が受けるような熱ショックの全くない等温暴露時に起こった。
【００１３】
本発明は、普通、ＨＲ−１２０と、窒素を含まない点を除きＨＲ−１２０と同一組成のＡｌリッチコーティングの間に、溶射（ＨＶＯＦ又はＶＰＳ）法である材料の層を設けることによって実施される。「窒素を含まない」という用語は、合金組成の一部として窒素を意図的に添加していないことを意味する。かかる状況の下では、窒素は通例５０ｐｐｍ以下、大抵は５〜２５ｐｐｍの量で存在する。こうして、含窒素材料がＡｌリッチコーティングとじかに接触するのが避けられ、窒化Ａｌ相の生成が防止される。中間層の組成は、窒素を意図的に添加していない点を除けばＨＲ−１２０と同一である。
【００１４】
中間層の組成は基本的にＨＲ−１２０と同一である。そのため、合金の酸化・熱特性に及ぼす影響は最小限となる。
【００１５】
中間層は例えば５〜１００ミルの厚さを有する。大抵は、部品の形状及び作動温度に応じて中間層の厚さは１０〜５０ミルの範囲にあり、例えば１５〜３５ミルである。
【００１６】
本発明では、コーティングの早期破損及び部品寿命の短縮を招きかねない脆性窒化アルミニウム相を形成せずに、この材料の組合せを使用できる。ＨＲ−１２０は高温特性に優れコストが比較的安いという利点があり、現在幾つかのガスタービン設計で内側シュラウド材料として用いられている。こうした用途では、高温酸化から保護するためＡｌリッチコーティングが必要とされる場合がある。ただし、本発明はＡｌリッチコーティングとの使用に限定されない。本発明はクロム（Ｃｒ）又はケイ素（Ｓｉ）リッチコーティングとの組合せでも使用し得る。これらの元素もＮ存在下高温で窒化物相を形成する傾向が強いからである。
【００１７】
現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想及び技術的範囲に属する様々な修正及び均等な構成を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＨＲ−１２０上の溶射ＭＣｒＡｌＹコーティングを１８００°Ｆに１０００時間暴露した後の顕微鏡写真である。
【図２】 １９００°Ｆで１０００時間後の拡散アルミナイドコーティングでみられる問題を示す顕微鏡写真である。
【図３】 １９００°Ｆで１０００時間後の別のアルミナイド試料で起こった現象を示す顕微鏡写真である。
Claims (10)
- 被覆金属部品であって、耐酸化性コーティング層、及び該耐酸化性コーティング層と当該部品の間に設けられた実質的に窒素を含まない中間層を含んでなる物品であって、当該部品が、Ｎｉ３７、Ｃｒ２５、Ｃｏ最大３、Ｍｏ最大２．５、Ｗ最大２．５、Ｃｂ０．７、Ｍｎ０．７、Ｓｉ０．６、Ａｌ０．１、Ｃ０．０５、Ｂ０．００４、Ｎ０．２、残部のＦｅの公称組成（重量％）を有する合金からなり、窒素の存在量が５０ｐｐｍ以下である点を除けば上記中間層の組成が上記合金と同一である、部品。
- 前記耐酸化性コーティング層がアルミニウム、クロム及びケイ素からなる群から選択される元素を含む、請求項１記載の部品。
- 前記中間層が、Ｎｉ３７、Ｃｒ２５、Ｃｏ最大３、Ｍｏ最大２．５、Ｗ最大２．５、Ｃｂ０．７、Ｍｎ０．７、Ｓｉ０．６、Ａｌ０．１、Ｃ０．０５、Ｂ０．００４、残部のＦｅの組成（重量％）を有する、請求項１記載の部品。
- ガスタービンでの使用に適した被覆金属部品であって、当該部品が、当該部品の表面に設けられた中間層、及び該中間層上に設けられた耐酸化性コーティング層を含んでなるとともに、当該部品が、Ｎｉ３７、Ｃｒ２５、Ｃｏ最大３、Ｍｏ最大２．５、Ｗ最大２．５、Ｃｂ０．７、Ｍｎ０．７、Ｓｉ０．６、Ａｌ０．１、Ｃ０．０５、Ｂ０．００４、Ｎ０．２、残部のＦｅの公称組成（重量％）を有する合金からなり、窒素の存在量が５０ｐｐｍ以下である点を除けば上記中間層の組成が上記合金と同一である、部品。
- 前記耐酸化性コーティング層がアルミニウム、クロム及び／又はケイ素から選択される元素を含む、請求項４記載の部品。
- 前記中間層が、Ｎｉ３７、Ｃｒ２５、Ｃｏ最大３、Ｍｏ最大２．５、Ｗ最大２．５、Ｃｂ０．７、Ｍｎ０．７、Ｓｉ０．６、Ａｌ０．１、Ｃ０．０５、Ｂ０．００４、残部のＦｅの組成（重量％）を有する、請求項４記載の部品。
- 前記中間層の厚さが１０〜５０ミル（０．２５４〜１．２７ｍｍ）である、請求項４記載の部品。
- Ｎｉ３７、Ｃｒ２５、Ｃｏ最大３、Ｍｏ最大２．５、Ｗ最大２．５、Ｃｂ０．７、Ｍｎ０．７、Ｓｉ０．６、Ａｌ０．１、Ｃ０．０５、Ｂ０．００４、Ｎ０．２、残部のＦｅの公称組成（重量％）を有する合金からなる金属部品上にコーティングを形成する方法であって、
窒素の存在量が５０ｐｐｍ以下である点を除けば上記合金と同一の組成の第一の中間層で上記部品を被覆し、
上記中間層上を耐酸化性コーティング層で被覆する
ことを含んでなる方法。 - 前記中間層が、Ｎｉ３７、Ｃｒ２５、Ｃｏ最大３、Ｍｏ最大２．５、Ｗ最大２．５、Ｃｂ０．７、Ｍｎ０．７、Ｓｉ０．６、Ａｌ０．１、Ｃ０．０５、Ｂ０．００４、残部Ｆｅの組成（重量％）を有する、請求項８記載の方法。
- 前記中間層の厚さが１０〜５０ミル（０．２５４〜１．２７ｍｍ）である、請求項８記載の方法。
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