(57)【要約】【課題】ボンドコート材料であって、これらが使用される保護皮膜系、特に、ＴＢＣを使用するものの耐剥離性を向上させるボンドコート材料を提供すること。【解決手段】ボンドコート系及び被覆部品が開示されている。ボンドコート系は、基材に隣接した第１の皮膜層及び第１の皮膜層に隣接した第２の皮膜層を含む。第１の皮膜層は、γ／βミクロ組織を含む。第２の皮膜層は、γ／γ’＋βミクロ組織を含む。被覆部品は、表面を有する基材、表面上に配設された第１の皮膜層及び第１の皮膜層上に配設された第２の皮膜層を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材に隣接した第１の皮膜層であってγ／βミクロ組織を含む第１の皮膜層と、
第１の皮膜層に隣接した第２の皮膜層であってγ／γ’＋βミクロ組織を含む第２の皮膜層と
を含むボンドコートを含む、ボンドコート系。
【請求項２】
第１の皮膜層が第１のＭＣｒＡｌＸ合金を含んでいて、Ｍがコバルトを含み、Ｘが合金の重量を基準にして約０．００１％乃至０．１９％未満のイットリウムを含んでいる、請求項１記載のボンドコート系。
【請求項３】
第２の皮膜層が第２のＭＣｒＡｌＸ合金を含んでいて、合金の重量を基準にして、Ｍが約３０％以上の量のニッケルを含み、Ｘが約０．００５％〜約０．１９％のイットリウムを含む、請求項１記載のボンドコート系。
【請求項４】
第１のＭＣｒＡｌＸ合金のＭがさらにニッケルを含む、請求項２記載のボンドコート系。
【請求項５】
第１のＭＣｒＡｌＸ合金のＭが、コバルト、ニッケル、鉄又はこれらの組合せを含む、請求項２記載のボンドコート系。
【請求項６】
第１のＭＣｒＡｌＸ合金が、合金の約０．００６重量％乃至０．１９重量％未満のイットリウムを含む、請求項２記載のボンドコート系。
【請求項７】
第１のＭＣｒＡｌＸ合金のＸが、合金の約１．５重量％以下のケイ素をさらに含む、請求項２記載のボンドコート系。
【請求項８】
第１のＭＣｒＡｌＸ合金のＸが、さらに合金の約０．０１重量％〜約１．５重量％のケイ素を含む、請求項２記載のボンドコート系。
【請求項９】
第１のＭＣｒＡｌＸ合金が、第１の合金の重量を基準にして、約２０．０％〜約８２．０％のニッケル、約１０．０％〜約２８．０％のクロム、約５．０％〜約１５．０％のアルミニウム、Ｘとして約０．００１％乃至０．１９％未満のイットリウム、残部のコバルト及び不可避不純物を含む、請求項２記載のボンドコート系。
【請求項１０】
第１のＭＣｒＡｌＸ合金が、第１の合金の重量を基準にして、約２０．０％〜約８２．０％のニッケル、約１０．０％〜約２８．０％のクロム、約５．０％〜約１５．０％のアルミニウム、Ｘとして約０．００１％乃至０．１９％未満のイットリウム及び約０．００１％〜約１．５％のケイ素、残部のコバルト及び不可避不純物を含む、請求項２記載のボンドコート系。
【請求項１１】
第２のＭＣｒＡｌＸ合金のＸが、さらに合金の約１．２５重量％以下のゲルマニウムを含む、請求項３記載のボンドコート系。
【請求項１２】
第２のＭＣｒＡｌＸ合金が、合金の重量を基準にして、約５．０％〜約１５．０％のコバルト、約１２．０％〜約２８．０％のクロム、約６．５％〜約１１．０％のアルミニウム、約４．０％〜約８．０％のタンタル、約０．００５％〜約０．５％のジルコニウム、約０．００５％〜約０．８％のハフニウム、約０．００５％〜約０．１９％のイットリウム、約１．２５％以下のゲルマニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含む、請求項３記載のボンドコート系。
【請求項１３】
第２のＭＣｒＡｌＸ合金が、合金の重量を基準にして、約８．５％〜約１２．０％のコバルト、約１６．０％〜約２１．０％のクロム、約６．５％〜約８．５％のアルミニウム、約４．５％〜約７．０％のタンタル、約０．００１％〜約０．１％のジルコニウム、約０．１％〜約０．６５％のハフニウム、約０．００５％〜約０．１９％のイットリウム、約１．２５％以下のゲルマニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含む、請求項３記載のボンドコート系。
【請求項１４】
表面を有する基材と、
表面上に配設された第１の皮膜層であってγ／βミクロ組織を含む第１の皮膜層と、
第１の皮膜層上に配設された第２の皮膜層であってγ／γ’＋βミクロ組織を含む第２の皮膜層と
を含む被覆部品。
【請求項１５】
第２の皮膜層上に配設された遮熱コーティングをさらに含む、請求項１４記載の被覆部品。
【請求項１６】
第１の皮膜層が第１のＭＣｒＡｌＸ合金を含んでいて、Ｍがコバルトを含み、Ｘが合金の重量を基準にして約０．００１％乃至０．１９％未満のイットリウムを含む、請求項１４記載の被覆部品。
【請求項１７】
第２の皮膜層が第２のＭＣｒＡｌＸ合金を含んでいて、合金の重量を基準にして、Ｍが約３０％以上の量のニッケルを含み、Ｘが約０．００５％〜約０．１９％のイットリウムを含む、請求項１４記載の被覆部品。
【請求項１８】
第１のＭＣｒＡｌＸ合金が、第１の合金の重量を基準にして、約２０．０％〜約８２．０％のニッケル、約１０．０％〜約２８．０％のクロム、約５．０％〜約１５．０％のアルミニウム、Ｘとして約０．００１％乃至０．１９％未満のイットリウム、残部のコバルト及び不可避不純物を含む、請求項１６記載の被覆部品。
【請求項１９】
第２のＭＣｒＡｌＸ合金が、合金の重量を基準にして、約５．０％〜約１５．０％のコバルト、約１２．０％〜約２８．０％のクロム、約６．５％〜約１１．０％のアルミニウム、約４．０％〜約８．０％のタンタル、約０．００５％〜約０．５％のジルコニウム、約０．００５％〜約０．８％のハフニウム、約０．００５％〜約０．１９％のイットリウム、約１．２５％以下のゲルマニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含む、請求項１７記載の被覆部品。
【請求項２０】
基材が、鉄基、ニッケル基又はコバルト基超合金又はこれらの組合せを含む、請求項１４記載の被覆部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する主題は、高温環境下での使用に適した金属合金組成物、特に高温環境下で酸化から保護するためのボンドコート材料としての使用に適した金属合金組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジンのような過酷な環境では、金属オーバーレイ又はボンドコート（ＭＣｒＡｌＹ及び／又はアルミナイド）及び遮熱コーティング（ＴＢＣ）によって、高温ガスの熱及び腐食性及び酸化性環境から金属合金基材を保護する。ＴＢＣは、高温燃焼ガスと金属合金基材との間に熱低減バリアをもたらし、熱及び腐食による基材の損傷を防止、軽減又は低減することができる。
【０００３】
ＭＣｒＡｌＹ合金は高温皮膜であり、Ｍは鉄、ニッケル及びコバルトの１種又は組合せから選択されるものであり、Ｃｒはクロムであり、Ａｌはアルミニウムであり、Ｙはイットリウムである。その具体例には、合金ミクロ組織中にγ相とβ相を含むＭＣｒＡｌＹ皮膜が挙げられる。従前、耐酸化性を向上させるため、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｐｄ及びＰｔのような様々な合金元素がγ／β型ＭＣｒＡｌＹ合金に添加されているが、ボンドコート材料の耐歪み性の低下を招くことがあり、それらが用いられた皮膜系（特にＴＢＣを含むもの）の剥離寿命が損なわれてしまうこともある。
【０００４】
そこで、ボンドコート材料であって、それらが用いられた保護皮膜系（特にＴＢＣが用いられたもの）の耐剥離性を向上させるボンドコート材料に対するニーズが存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８２３０７９７号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
例示的な実施形態では、ボンドコート系を提供する。ボンドコート系は、基材に隣接する第１の皮膜層と、第１の皮膜層及びトップコートに隣接する第２の皮膜層とを含むボンドコートを含んでいる。第１の皮膜層はγ／βミクロ組織を含む。第２の皮膜層はγ／γ’＋βミクロ組織を含む。
【０００７】
別の例示的な実施形態では、被覆部品を提供する。被覆部品は、表面を有する基材と、表面上に配設された第１の皮膜層であってγ／βミクロ組織を含む第１の皮膜層と、第１の皮膜層上に配設された第２の皮膜層であってγ／γ’＋βミクロ組織を含む第２の皮膜層とを含む。
【０００８】
本発明のその他の特徴及び利点については、本発明の原理を例示する図面と併せて好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を参照することによって明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本願で開示する部品の例示的な実施形態の概略断面図。
【図２】本願で開示するタービン動翼及びボンドコートの形態の基材の例示的な実施形態の表面領域の断面図。
【図３】本願で開示するタービン動翼及びボンドコートの形態の基材の第２の例示的な実施形態を示す図。
【図４】本願で開示するタービン動翼及びボンドコートの形態の基材の第３の例示的な実施形態を示す図。
【図５】本願で開示するタービン動翼及びボンドコートの形態の基材の第４の例示的な実施形態を示す図。
【図６】本願で開示するタービン動翼及びボンドコートの形態の基材の第５の例示的な実施形態を示す図。
【図７】ＧＴＤ−１１１基材に施工されたボンドコート系の第１及び第２の皮膜層の例示的な実施形態と比較ボンドコート合金における１９００°Ｆ／滞留時間４５分での剥離に至るまでのサイクル時間として測定した炉サイクル試験（ＦＣＴ）寿命のプロット。
【図８】ＲＮ４基材に施工されたボンドコート系の第１及び第２の皮膜層の例示的な実施形態と比較ボンドコート合金における１９００°Ｆ／滞留時間４５分での剥離に至るまでのサイクル時間として測定した炉サイクル試験（ＦＣＴ）寿命のプロット。
【図９】Ｒ１０８基材に施工されたボンドコート系の第１及び第２の皮膜層の例示的な実施形態と比較ボンドコート合金における１９００°Ｆ／滞留時間４５分での剥離に至るまでのサイクル時間として測定した炉サイクル試験（ＦＣＴ）寿命のプロット。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を通して、同じ部材にはできるだけ同じ符号を用いた。
【００１１】
例示的なボンドコート系及び被覆部品について説明する。本発明の一つの利点は、耐酸化性の向上したボンドコート系である。本発明の実施形態のもう一つの利点は、剥離寿命を効率的に延ばすことができることである。
【００１２】
ボンドコートが設けられる基材の具体例としては、ＧＴＤ−１１１、Ｒｅｎｅ  Ｎ４（ＲＮ４）及びＲｅｎｅ  １０８（Ｒ１０８）が挙げられる。ＧＴＤ−１１１は、合金の重量％で表して、１４％のクロム、９．５％のコバルト、３．８％のタングステン、１．５％のモリブデン、４．９％のチタン、３．０％のアルミニウム、０．１％の炭素、０．０１％のホウ素、２．８％のタンタル、残部のニッケル及び不可避不純物の公称組成を有する。Ｒｅｎｅ  Ｎ４は、合金の重量％で表して、７．５％のコバルト、９．７５％のクロム、４．２０％のアルミニウム、３．５％のチタン、１．５％のモリブデン、４．８％のタンタル、６．０％のタングステン、０．５％のコロンビウム（ニオブ）、０．０５％の炭素、０．１５％のハフニウム、０．００４％のホウ素、残部のニッケル及び不可避不純物の公称組成を有する。Ｒｅｎｅ  １０８は、０．０７〜０．１０％の炭素、８．０〜８．７％のクロム、９．０〜１０．０％のコバルト、０．４〜０．６％のモリブデン、９．３〜９．７％のタングステン、２．５〜３．３％のタンタル、０．６〜０．９％のチタン、５．２５〜５．７５％のアルミニウム、０．０１〜０．０２％のホウ素、１．３〜１．７％のハフニウム、０．１％以下のマンガン、０．０６％以下のケイ素、０．０１％以下のリン、０．００４％以下の硫黄、０．００５〜０．０２％のジルコニウム、０．１％以下のニオブ、０．１％以下のバナジウム、０．１％以下の銅、０．２％以下の鉄、０．００３％以下のマグネシウム、０．００２％以下の酸素、０．００２％以下の窒素、残部のニッケル及び不可避不純物の公称組成を有する。
【００１３】
図１〜図６を参照して、高温酸化耐性ボンドコート系２１０について開示する。ボンドコート系２１０は、第１の皮膜層２１２と第２の皮膜層２１４とを含む。第１の皮膜層２１２は第１のＭＣｒＡｌＸ合金２６０を含む。第２の皮膜層２１４は第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０を含む。ボンドコート系２１０は、様々な高温製品、特にタービンエンジン１０の各種部品２０の被覆に使用され、さらに具体的には、高温ガス流路１８を含む産業用ガスタービンの各種部品２０並びに高温ガス流路を流れる高温燃焼ガスに曝露される表面３０のためのボンドコート系２１０として使用される。ボンドコート系２１０は、特に、各種のタービン動翼（タービンバケット）５０での使用に極めて適しているが、静翼（タービンノズル）５２、シュラウド５４、燃焼器５８、燃料ノズル６０、トランジションピース、燃焼器ライナなどを始めとする他の部品並びにこれらの部品のサブコンポーネント及びサブアセンブリでの使用にも非常に適している。例えば、燃焼器５８は、一般に、各種サブアセンブリを含めた複数の部品のアセンブリであるが、ボンドコート系２１０は、それらの部品及びサブアセンブリのいずれか又はすべてに導入できる。ボンドコート系２１０は適当な基材２００に設けることができ、特にＣｏ基、Ｎｉ基、Ｆｅ基超合金基材又はそれらの組合せを始めとする各種の超合金基材２００に施工できる。例示的な実施形態では、本願で開示するボンドコート系２１０は、例えば、図１に示すガスタービン動翼５０の翼形部の正圧面又は負圧面或いは翼先端に使用できる。
【００１４】
例示的な実施形態では、タービン動翼５０のような部品２０の表面３０を、図２に示すような金属保護皮膜層としてのボンドコート系２１０で保護するが、図２には、タービン動翼５０のような部品２０の表面３０の断面を拡大して示す。表面３０には、基材２００を酸化から保護するためにボンドコート系２１０を設けることが望まれる部品２０の任意の部分が包含され、高温ガス流路１８を含んでいて該流路を流れる高温燃焼ガスに直接曝露される表面３０、その他、高温燃焼ガスには直接曝露されないが、高温燃焼ガスに起因する高温に曝露される可能性のある表面が挙げられる。例示的な一実施形態では、表面３０は、タービン動翼５０の翼形部又は翼先端の表面を含む。
【００１５】
ボンドコート系２１０は、図６に示すように、表面３０を保護するために単独で使用することもできるし、或いは以下で説明する通り、複数の皮膜層からなる保護系２３０をもたらすべく他の高温コーティング材を始めとする他の高温材料と併用することもできる。後者の場合、ボンドコート系２１０は、かかる系における下層、内側層、外側層又はそれらの組合せとして使用し得る。
【００１６】
保護系２３０は、ボンドコート系２１０を下層として、さらに１以上の遮熱コーティング（ＴＢＣ）層２４０、１以上のアルミナイド皮膜層２５０、１以上の別のボンドコート層又はこれらの組合せを含む皮膜層の組合せの一部として含むことができる。例示的な実施形態では、図２に示すように、保護系２３０はボンドコート系２１０を１以上のＴＢＣ層２４０のための耐酸化性下層として含み、ボンドコート系２１０は、超合金基材のような基材２００の表面３０上に配設され、ボンドコート系２１０上に１以上のＴＢＣ層２４０を配設して高温燃焼ガスに曝露せしめる。
【００１７】
例示的な実施形態では、図３に示すように、保護系２３０はボンドコート系２１０を１以上のアルミナイド層２５０のための耐酸化性下層として含み、ボンドコート系２１０は、超合金基材のような基材２００の表面３０上に配設され、ボンドコート系２１０上に１以上のアルミナイド層２５０を配設して高温燃焼ガスに曝露せしめる。
【００１８】
さらに別の例示的な実施形態では、図４に示すように、保護系２３０はボンドコート系２１０をアルミナイド層２５０及びＴＢＣ層２４０のための耐酸化性下層として含み、ボンドコート系２１０は、基材２００の表面３０上に配設され、ボンドコート系２１０上に１以上のアルミナイド層２５０を配設し、アルミナイド層２５０上に１以上のＴＢＣ層２４０を配設して高温燃焼ガスに曝露せしめる。
【００１９】
保護系２３０はボンドコート系２１０を内側層として、さらに１以上の遮熱コーティング（ＴＢＣ）層２４０、１以上のアルミナイド層２５０又はそれらの組合せを含む皮膜層の組合せの一部として含むこともできる。例えば、例示的な実施形態では、図２〜図４の保護系２３０は、基材２００とボンドコート系２１０との間に、基材２００上に設けられた１以上のアルミナイド層２５０又は別のボンドコート層を適宜含んでいてもよい。その他の点では、ボンドコート系２１０層、アルミナイド層２５０及びＴＢＣ層２４０の構成は、図２〜図４について上述した通りである。
【００２０】
さらに別の例示的な実施形態では、図５に示すように、保護系２３０は、ボンドコート系２１０を外側層として、さらに１以上の遮熱コーティング（ＴＢＣ）層２４０、１以上のアルミナイド層２５０又はそれらの組合せを含む皮膜層の組合せの一部として含むことができる。外側層としての１以上のボンドコート系２１０の層と、１以上のＴＢＣ層２４０、１以上のアルミナイド層２５０、別のボンドコート層又はこれらの組合せとのその他の組合せも可能である。
【００２１】
別の例示的な実施形態では、図６に示すように、保護系２３０は、他の皮膜層との組合せではなく、ボンドコート系２１０だけを外側層として含んでいてもよい。
【００２２】
上述の保護系２３０は、ボンドコート系２１０単独のものも含めて、第１の皮膜層２１２と第２の皮膜層２１４とを含むボンドコート２８０を含む。第１の皮膜層２１２はγ／βミクロ組織を含む。第２の皮膜層２１４はγ／γ’＋βミクロ組織を含む。一実施形態では、第１の皮膜層２１２の厚さは、約２５．４μｍ（１ｍｉｌ）〜約１５２４μｍ（６０ｍｉｌ）、約７６μｍ（３ｍｉｌ）〜約１２７０μｍ（５０ｍｉｌ）、又は約１７８μｍ（７ｍｉｌ）〜約１１４３μｍ（４５ｍｉｌ）である。一実施形態では、第２の皮膜層２１４の厚さは、約２５．４μｍ（１ｍｉｌ）〜約７６２μｍ（３０ｍｉｌ）、約７６μｍ（３ｍｉｌ）〜約６３５μｍ（２５ｍｉｌ）、又は約１７８μｍ（７ｍｉｌ）〜約５０８μｍ（２０ｍｉｌ）である。一実施形態では、第１の皮膜層２１２は第１の合金２６０を含み、第２の皮膜層２１４は第２の合金２７０を含む。第１の合金２６０及び第２の合金２７０は一般に、コバルト基、ニッケル基又は鉄基超合金を始めとする、コバルト、ニッケル、鉄又はそれらの組合せを含む超合金である。これらの合金のうち、第１の合金２６０及び第２の合金２７０がコバルト基、コバルト−ニッケル基又はニッケル−コバルト基超合金を含んでいると、ボンドコート系２１０は、高温酸化耐性とＴＢＣ剥離耐性と延性との良好な組合せをもたらす。本明細書において、「金属」基（例えばコバルト基、ニッケル基又は鉄基）とは、標記の金属（例えば、コバルト基）が、重量基準で合金の主成分であることを意味する。２種以上の金属（例えば、金属１−金属２基）が用いられている場合、金属は、合金の重量分率の順に記載される。例えば、コバルト−ニッケル基合金は、コバルトとニッケルが重量基準で合金の主成分であり、コバルトの重量分率がニッケルの重量分率よりも大きいことを意味し、ニッケル−コバルト基合金は、ニッケルとコバルトが重量基準で合金の主成分であり、ニッケルの重量分率がコバルトの重量分率よりも大きいことを意味する。
【００２３】
タービンエンジン用途に用いられる既存のＭＣｒＡｌＹボンドコート合金の一例として、合金の重量を基準にして、２２％のクロム、１０％のアルミニウム、１％のイットリウム、残部のニッケル及び不可避不純物の公称組成を有する慣用γ−β（γ／β）ＭＣｒＡｌＹ（ＮｉＣｒＡｌＹ）ボンドコートが挙げられるが、硫黄が不可避不純物であることもり、１００ｐｐｍ以下に制御される。ＢＣ５２として知られる別の慣用γ−γ’ＭＣｒＡｌＹ（ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ）ボンドコートは、合金の重量を基準にして、１８％のクロム、６．５％のアルミニウム、１０％のコバルト、６％のタンタル、２％のレニウム、０．５％のハフニウム、０．３％のイットリウム、１．０％のケイ素、０．０１５％のジルコニウム、０．０６％の炭素、０．０１５％のホウ素、残部のニッケル及び不可避不純物の公称組成を有する。タービンエンジン用途に用いられる既存のＭＣｒＡｌＹ（ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ）ボンドコート合金のもう一つの例は、合金の重量基準で、約２５％〜約４５％のニッケル、約１５％〜約３０％のクロム、約８．０％〜約１３％のアルミニウム、約０．１９％〜約１．０％のイットリウム、残部のコバルト及び不可避不純物という公称組成を有する。
【００２４】
一実施形態では、ボンドコート系２１０のボンドコート層２８０の第１の皮膜層２１２を構成するコバルト基、コバルト−ニッケル基又はニッケル−コバルト基超合金は、γ／βミクロ組織を含む。第１の皮膜層２１２は、第１のＭＣｒＡｌＸ合金２６０を含んでいるが、Ｍはコバルトを含んでおり、適宜ニッケルを含んでいてもよく、Ｘは、合金の約０．００１重量％乃至０．１９重量％未満のイットリウムを含んでおり、適宜ケイ素、ゲルマニウム又はこれらの組合せを含んでいてもよい。第１のＭＣｒＡｌＸ合金２６０では、概して、タービンエンジン用途に用いられる既存のＭＣｒＡｌＹボンドコート合金（０．３％のＹを含む公称組成を有しているが、Ｙは０．１９％〜１．０％の範囲であることが知られている。）に比べて、低減した量のイットリウムが用いられる。イットリウム量の低減によって、ＴＢＣ層２４０も含む保護系２３０に使用したときに、これらの合金の酸化耐性が向上し、ＴＢＣ剥離耐性が増大するという利点が得られる。第１のＭＣｒＡｌＸ合金２６０では、既存のＭＣｒＡｌＹボンドコート合金に比べて、アルミニウムの使用量を増加させることができ、それによって、既存のボンドコート合金に比べて酸化耐性が一段と向上するという利点が得られる。第１のＭＣｒＡｌＸ合金２６０は、既存のＭＣｒＡｌＹボンドコート合金には存在しないゲルマニウムを適宜使用してもよく、それによって、タービンエンジン用途での長期の曝露時間でβ相の保持能力が向上するという利点が得られる。第１のＭＣｒＡｌＸ合金２６０はさらにケイ素を適宜使用してもよく、それによって、酸化耐性及びＴＢＣ剥離寿命が向上するという利点が得られる。
【００２５】
例示的な実施形態では、第１のＭＣｒＡｌＸ合金２６０は、γ相とβ相を含むミクロ組織を有するコバルト基、コバルト−ニッケル基又はニッケル−コバルト基ＭＣｒＡｌＸ合金であり、合金の重量を基準にして、Ｍは約２７％以上の量のコバルトを含み、Ｘは合金の約０．００１重量％乃至０．１９重量％未満の量のイットリウムを含む。特に、イットリウムの存在量は、合金の重量を基準にして、約０．００１％〜約０．１８％、約０．０１％〜約０．１８％、約０．０２％〜約０．１５％とし得る。第１のＭＣｒＡｌＸ合金２６０は、合金の重量を基準にして、約０．００１％〜約１．５％、約０．０１％〜約１．５％又は約０．２％〜約１．５％の量のゲルマニウムを任意成分として含んでいてもよい。第１のＭＣｒＡｌＸ合金２６０は、合金の重量を基準にして、約１．５％以下、約０．０１％〜約１．５％又は約０．１％〜約１．５％の量のケイ素を任意成分として含んでいてもよい。別の例示的な実施形態では、第１のＭＣｒＡｌＸ合金２６０は、コバルト−ニッケル基合金を含むものでもよく、合金の重量を基準にして、約２０．０％〜約８２．０％のニッケル、約１０．０％〜約２８．０％のクロム、約５．０％〜約１５．０％のアルミニウム、上述の量のイットリウム及び任意成分としてのゲルマニウム、ケイ素又はそれらの組合せ（例えば、約０．００１％乃至０．１９％未満のイットリウム、約０．００１％〜約１．５％のゲルマニウム、約１．５％以下のケイ素など）、残部のコバルト及び不可避不純物を含むことができる。イットリウムを上記の量で配合すると、例えば、公称量０．％のイットリウムを含む既存のボンドコート合金に比べて、酸化及びＴＢＣ剥離に対する第１のＭＣｒＡｌＸ合金２６０の耐性が増大する。既存のボンドコート合金では、イットリウムは合金の０．１９重量％〜１．０重量％であることが知られており、ゲルマニウムもケイ素も含んでいない。
【００２６】
一実施形態では、第２の皮膜層２１４は、ニッケル基超合金ボンドコート材料、特にニッケル−コバルト基超合金ボンドコート材料である。第２の皮膜層２１４は、γ／γ’＋βミクロ組織を含む。第２の皮膜層２１４は、第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０を含んでいるが、第２の合金の重量を基準にして、Ｍは約３０．０％以上の量のニッケルを含み、Ｘは約０．００５％〜約０．１９％のイットリウムを含む。第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０では、タービンエンジン用途に用いられる既存のＭＣｒＡｌＹボンドコート合金（例えば、ＢＣ５２など）に比べて、低減した量のイットリウムが用いられる。第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０におけるイットリウム量の低減によって、ＴＢＣ層２４０も含む保護系２３０に使用したときに、これらの合金の酸化耐性が向上し、ＴＢＣ剥離耐性が増大するという利点が得られる。γ−γ’ＢＣ５２ボンドコート材料に比べて、第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０は、ケイ素フリー（無ケイ素）であってＴｉ含有合金との使用時に脆性ＴｉｘＳｉｙ相が形成される可能性を防ぐとともに耐歪み性が向上しており、Ａｌの量が増大していて酸化耐性が向上しており、レニウムフリー（無レニウム）であって亀裂発生の開始に関して耐歪み性が向上しているとともに、この戦略的に重要な元素の使用が回避される。なお、戦略的というのは、その限られた供給量及び付随コストによるものである。第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０においても、上述のような既存のＭＣｒＡｌＹボンドコート合金には存在しないゲルマニウムを使用することができる。
【００２７】
例示的な実施形態では、第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０は、γ相、β相及びγ’相を含むミクロ組織を有するニッケル基ＭＣｒＡｌＸ合金であり、合金の重量を基準にして、Ｍは約３０％以上の量のニッケルを含み、Ｘは約０．００５％〜約０．１９％のイットリウムを含む。別の例示的な実施形態では、第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０は、γ相、β相及びγ’相を含むミクロ組織を有するニッケル−コバルト基ＭＣｒＡｌＸ（ＮｉＣｏＣｒＡｌＸ）合金であり、合金の重量を基準にして、Ｍは約３０％以上の量のニッケル及び約５．０％〜約１５．０％の量のコバルトを含み、Ｘは約０．００５％〜約０．１９％の量のイットリウムを含む。第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０は、合金の重量を基準にして、約１．２５％以下の量のゲルマニウムを含んでいてもよい。
【００２８】
例示的な一実施形態では、第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０は、合金の重量を基準にして、約５．０％〜約１５．０％のコバルト、約１２．０％〜約２８．０％のクロム、約６．５％〜約１１．０％のアルミニウム、約１．２５％以下のゲルマニウム、約４．０％〜約８．０％のタンタル、約０．００５％〜約０．０５％のジルコニウム、約０．００５％〜約０．８％のハフニウム、約０．００５％〜約０．１９％のイットリウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含む。別の実施形態では、第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０は、合金の重量を基準にして、約８．５％〜約１２．０％のコバルト、約１６．０％〜約２１．０％のクロム、約６．５％〜約８．５％のアルミニウム、約４．５％〜約７％のタンタル、約０．００１％〜約０．１％のジルコニウム、約０．１％〜約０．６５％のハフニウム、約０．００５％〜約０．１９％のイットリウム、約１．２５％以下のゲルマニウム、残部のニッケル及び不可避不純物を含む。第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０は、上述の既存のγ−γ’−βボンドコート合金よりもアルミニウム含量が多い。理論に束縛されるものではないが、これによって、酸化性環境下での高温曝露の際のボンドコート系２１０材料中の減損を防ぐことのできる追加のアルミニウムが供給され、酸化耐性及び耐剥離性の向上に資する。第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０は、実質的にケイ素フリーであるとともに実質的にレニウムフリーである（つまり、不可避不純物以外のケイ素又はレニウムは実質的に含んでいない。）。本明細書において、実質的にケイ素フリーとは、ケイ素が不可避不純物として混入するなどして存在する場合であっても、合金の重量を基準にして、約０．１％以下であることを意味する。ケイ素が存在しないことによって、特に第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０に近接する材料がチタンを含んでいる場合に、ボンドコート／基材界面又はその近傍で脆性ＴｉｘＳｉｙ金属間相が形成される可能性が回避される。本明細書において、実質的にレニウムフリーとは、Ｒｅが不可避不純物として混入するなどして存在する場合であっても、合金の重量を基準にして、約０．１％以下であることを意味する。レニウムの使用を回避することによって、耐歪み性が向上し、この戦略的な元素の必要性がなくなる。イットリウム及び／又はゲルマニウムを上述の量で配合すると、例えば、公称量約％のイットリウムを含み、ゲルマニウムを含まない既存のボンドコート合金に比べて、第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０の酸化耐性が増大する。
【００２９】
本願で開示する第１及び第２のＭＣｒＡｌＸ合金２６０及び２７０は適当な形態で使用することができ、例えば、本明細書に記載した種類の物品全体の形成に使用される合金としても使用できるし、或いはボンドコート系２１０としても使用できる。第１及び第２のＭＣｒＡｌＸ合金２６０及び２７０は、各種の真空溶融法（特に各種の超合金、特にコバルト基、コバルト−ニッケル基、ニッケル基又はニッケル−コバルト基超合金に用いられる溶融法）を始めとする適当な方法で形成することができる。ボンドコート材料は、蒸着法、スラリー堆積法、さらには、高速酸素燃料溶射（ＨＶＯＦ）、高速空気燃料溶射（ＨＶＡＦ）、減圧プラズマ溶射（ＶＰＳ）、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、イオンプラズマ堆積（ＩＰＤ）、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）及びコールドスプレー法を始めとする溶射法によって施工することができる。
【００３０】
保護系２３０は、上述の通り、ボンドコート系２１０材料その他の皮膜に対して設けられたアルミナイド層２５０を含んでいてもよい。アルミナイド層２５０には、拡散アルミナイド、例えば、単純拡散アルミナイド又は白金アルミナイドのような複雑な拡散アルミナイドなどを始めとする適当なアルミナイドが包含される。アルミナイド層２５０は適当な厚さのものでよく、例示的な実施形態では、約１２．７μｍ（０．５ｍｉｌ）〜約１０１．６μｍ（４ｍｉｌ）の厚さを有する。
【００３１】
保護系２３０は、上述の通り、ボンドコート系２１０材料その他の皮膜に対して設けられたＴＢＣ層２４０を含んでいてもよい。稠密縦割れ（ＤＶＭ；dense vertically microcracked）セラミックＴＢＣ層２４０を始めとする、適当な遮熱層２４０を使用することができる。ＴＢＣ層２４０は適当な厚さのものでよく、例示的な実施形態では、約１２７μｍ（５ｍｉｌ）〜約２０３２μｍ（８０ｍｉｌ）の厚さを有する。
【実施例】
【００３２】
図７〜図９に示すように、第１のＭＣｒＡｌＸ合金２６０及び第２ＭＣｒＡｌＸ２７０は、ＴＢＣ層２４０の下層として超合金基材２００に施工すると、公知のボンドコート３００に比べて、剥離耐性が増大する。この公知のボンドコート３００は、合金の重量を基準にして、約３０％〜約３４％のニッケル、約２１％〜約２４％のクロム、約９．５％〜約１０．５％のアルミニウム、約０．１％〜約０．５％のイットリウム、残部のコバルト及び不可避不純物の公称組成を有する。図７〜図９に示すように、公知のボンドコート合金３００は、剥離に至るまでの基準時間を有する。第１のＭＣｒＡｌＸ合金２６０は、公知のボンドコート３００に比べて剥離時間が３０％超増大する。第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０は、公知のボンドコート３００に比べて剥離時間が８０％超増大する。第１のＭＣｒＡｌＸ合金２６０と第２ＭＣｒＡｌＸ２７０合金とを組合せてボンドコート系２１０を形成すると、超合金基材２００にボンドコート系２１０を施工したときの耐剥離性が増大する。
【００３３】
所定の作動温度１９００°Ｆ（４５分間）で、第１のＭＣｒＡｌＸ合金２６０及び第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０をＴＢＣ層２４０の下層ボンドコート系２１０材料として含む保護系の２３０の耐剥離性は、同一のＴＢＣ層２４０の下層にイットリウム含有量の多い公知のボンドコート合金３００を含む保護系の耐性よりも大きい。別の観点から、第１層２１４として第１のＭＣｒＡｌＸ合金２６０及び第２層２１６として第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０を使用すると、保護系２３０（すなわち、ボンドコート系２１０／ＴＢＣ皮膜層２４０）は、公知のボンドコート合金３００とＴＢＣ層とを含む保護系と同程度の剥離耐性を達成するための平均作動温度を約１９００°Ｆ又はそれ以上に高めることができる。したがって、第１のＭＣｒＡｌＸ合金２６０及び第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０は、耐剥離性が十分に向上し、同一作動温度での耐用寿命が増大するか、或いは高い作動温度で同程度の耐用寿命を得ることができる。本願で開示するＭＣｒＡｌＸ保護系２３０におけるイットリウムは、本明細書に記載の量で使用すれば、アルミナ剥離を遅くらせることによって酸化耐性を向上させる。第１のＭＣｒＡｌＸ合金２６０及び第２のＭＣｒＡｌＸ合金２７０については、図９に示すように、一定の歪み速度での室温一軸引張試験でも試験して、それらの亀裂発生前の耐歪み性を評価した。
【００３４】
本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、その要素を種々変更させることができ、均等物で置換することができることは当業者には明らかであろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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