(57)【要約】本発明は、ガスタービンのブレードのような部品に関する。この種部品は、高温の酸化性雰囲気に曝されることから、熱及び腐食に対し保護せねばならない。そのため、部品上にＭＣｒＡｌＹ層の耐酸化性を付与する層（１６）を設け、その上に基板を熱から保護するＮｉＡｌの外側保護層（１９）を設けるのが通例であるが、部品を長寿命化するにはＭＣｒＡｌＹ層と外側保護層間に十分な接合強度を持たせる必要がある。本発明は、ＭＣｒＡｌＹ層のＡｌ含量を２１〜３７ｗｔ％とすることでその目的を達成する。
2005532474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高耐酸化性部品（１）において、
基板（４）と、
基板（４）上又は近傍にある中間ＭＣｒＡｌＹ層（１６）を含み、ここにＭはＣｏ、ＦｅおよびＮｉの少なくとも１つの元素である保護層（１７）と、
少なくともＮｉとＡｌから構成され、且つ相β−ＮｉＡｌの構造を持つ外側層領域（１９）とを包含し、
且つ外側層領域（１９）が中間ＭＣｒＡｌＹ層（１６）の上にあって、中間ＭＣｒＡｌＹ層（１６）のＡｌ含量が２１〜３７ｗｔ％であることを特徴とする高耐酸化性部品。
【請求項２】
前記保護層（１７）が２つの分離した層（１６、１９）から構成されたことを特徴とする請求項１記載の部品。
【請求項３】
保護層（１７）内の中間及び外側領域（１６、１９）の組成物が、連続的に傾斜した濃度勾配を有することを特徴とする請求項１記載の部品。
【請求項４】
外側層領域（１９）が、基板（４）上又はその近傍において中間層（１６）より薄いことを特徴とする請求項１記載の部品。
【請求項５】
中間ＭＣｒＡｌＹ層領域（１６）が、重量比にて１０〜５０％のＣｏ、１０〜４０％のＣｒ、６〜１５％のＡｌ、０．０２〜０．５％のＹおよび残部のＮｉを含むことを特徴とする請求項１記載の部品。
【請求項６】
中間ＭＣｒＡｌＹ層（１６）又は外側層領域（１９）が、更に別の少なくとも１つの元素として、重量比にて０．１〜２％のＳｉ、０．２〜８％のＴａ又は０．２〜５％のＲｅを含むことを特徴とする請求項１記載の部品。
【請求項７】
中間ＭＣｒＡｌＹ層領域（１６）又は外側領域（１９）のＭＣｒＡｌＹのイットリウムにＨｆ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ及び／又はその他のランタニド族の少なくとも１つの元素が付加され及び／又は少なくとも部分的に置換されたことを特徴とする請求項１記載の部品。
【請求項８】
外側層領域（１９）がクロムを含むことを特徴とする請求項１記載の部品。
【請求項９】
外側層領域（１９）がコバルトを含むことを特徴とする請求項１記載の部品。
【請求項１０】
外側領域（１９）が、群Ｈｆ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ又はその他のランタニド族からの少なくとも１つの追加元素を付加されたことを特徴とする請求項１記載の部品。
【請求項１１】
更に別の付加物の最大量が１ｗｔ％であることを特徴とする請求項１０記載の部品。
【請求項１２】
ＭＣｒＡｌＹ層領域（１６、１９）がＴｉ（チタン）及び／又はＳｃ（スカンジウム）を含むことを特徴とする請求項１記載の部品。
【請求項１３】
外側層領域（１９）上に熱障壁被覆（１３）が形成されたことを特徴とする請求項１記載の部品。
【請求項１４】
熱障壁被覆を施す以前に、低酸素分圧、詳細には１０-2及び１０-10Ｐａの雰囲気において熱処理を施されたことを特徴とする請求項１３記載の部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高い耐酸化性を持つ部品、特にガスタービンのブレード、即ち羽根に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温度に曝される金属部品は、熱及び腐食に対し保護せねばならない。
【０００３】
特に燃焼室又はタービン羽根を備えたガスタービンに関しては、耐酸化性を与える中間保護ＭＣｒＡｌＹ層（Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）と、熱に対し金属部品の基板を保護するセラミック熱障壁被覆とを使って部品を保護するのが普通である。
【０００４】
ＭＣｒＡｌＹ層と熱障壁被覆間に、酸化により酸化アルミニウム層を形成する。
【０００５】
被覆された部品を長寿命化するには、ＭＣｒＡｌＹ層と熱障壁被覆間で十分な接合を持たせる必要があり、それは、ＭＣｒＡｌＹ層上へ熱障壁被覆と酸化物層を結合することで実現される。
【０００６】
２つの中間接合層間に熱的な不整合が多いか、セラミック層がＭＣｒＡｌＹ層上に形成された酸化アルミニウム層と十分結合していない場合、熱障壁被覆の層状剥離が起こる。
【０００７】
米国特許第６２８７６４４号明細書から、連続的な濃度勾配を持つＭＣｒＡｌＹの結合被覆が公知であり、それは、下層にある基板からの距離の増大に伴いクロム、珪素又はジルコニウムの量が連続的に増加し、熱膨張係数を調節することにより結合被覆と熱障壁被覆間の熱的不整合を軽減するものである。
【０００８】
米国特許第５７９２５２１号明細書は、多層化熱障壁被覆を開示する。
【０００９】
米国特許第５５１４４８２号明細書は、ＮｉＡｌのようなアルミニドの被覆層を使うことでＭＣｒＡｌＹ層を排除する超合金部品用の熱障壁被覆システムを開示しており、それは、その所望の諸性質を得るために十分に高さのある厚みをもっていなければならない。類似物は、米国特許第６２５５００１号明細書からも公知である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＮｉＡｌの層は、それが極めて脆く、上に被着し他熱障壁被覆が初期層状剥離を起こすという欠点がある。
【００１１】
ヨーロッパ特許第１０８２２１６号明細書は、外側層にγ相を有するＭＣｒＡｌＹ層を示す。しかし、アルミニウム含量が高く且つ外側層のこのγ相は、液相による再溶解又は被覆の処理のために追加装置を要する故、費用の掛かる方法で液相から再溶解するか又は析出させることでのみ得られる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記に従い、本発明の目的は、十分な耐酸化性を有し且つその上に熱障壁被覆への十分な結合性を有する保護層を提供することにある。
【００１３】
本発明の課題は、ＭＣｒＡｌＹの種々の組成物及び／又はその他の組成物がその上に存在する下層に設けた従来のＭＣｒＡｌＹ層を有する保護層によって解決される。
【００１４】
外側層の領域が、β−ＮｉＡｌ構造を有するように選択された組成物を有するとよい。
【００１５】
特にγ−Ｎｉの固溶体からなるＭＣｒＡｌＹ層は、該層の材料が、例えばプラズマ噴霧で塗付可能なように選択される。これは、内側層（ＭＣｒＡｌＹ）の堆積直後に別装置でその表面を再溶解することなく、同一の被覆装置で外表面を堆積させ得る利点を示す。
【００１６】
当該保護層は、連続的な濃度勾配を持つ、２層又は多層化被覆であってよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、多くの色々な形態で具体化でき、従って、本明細書で説明する実施態様に限定されると解釈すべきではない。むしろ、これらの図解実施態様は、この開示が完璧且つ完全となるよう、且つ本発明の範囲を当業者に十分に伝達すべく提供するものである。
【００１８】
図１は、従来公知の耐熱部品を示す。
【００１９】
高耐酸化性部品は、基板４と、熱成長酸化物層１０（ＴＧＯ）をその上に形成するか又は被着した、基板上のＭＣｒＡｌＹ層７と、外側熱障壁被覆１３とを有する。
【００２０】
図２は本発明による高耐酸化性部品１を示す。該部品１は、ガスタービンの一部分、詳細には、タービンのブレード、即ち羽根又は熱遮蔽であってよい。基板４は金属、例えば超合金（例えばＮｉ−Ａｌ系）である。
【００２１】
基板４上のＭＣｒＡｌＹ層領域１６は、一般的な組成物、即ち重量比で１０〜５０％のコバルト（Ｃｏ）、１０〜４０％のクロム（Ｃｒ）、６〜１５％のアルミニウム（Ａｌ）、０．０２〜０．５％のイットリウム（Ｙ）及び基質又は残部のニッケル（Ｎｉ）を含むタイプ、例えばＮｉＣｏＣｒＡｌＹ等の従来型のＭＣｒＡｌＹ層１６である。
【００２２】
このＭＣｒＡｌＹ層１６は、更に重量比で０．１〜２％の珪素（Ｓｉ）、０．２〜８％のタンタル（Ｔａ）、０．２〜５％のレニウム（Ｒｅ）等の元素を含み得る。
【００２３】
イットリウムの少なくとも一部分の代わりに又はそれに加えてこのＭＣｒＡｌＹ層領域１６は、ハフニウム（Ｈｆ）及び／又はジルコニウム（Ｚｒ）及び／又はランタン（Ｌａ）及び／又はセリウム（Ｃｅ）又はその他のランタニド族の元素も含み得る。
【００２４】
この従来型の層１６の厚みは、１００〜５００μｍの範囲にあり、そしてプラズマ噴霧（ＶＰＳ、ＡＰＳ）又はその他の在来の被覆方法によって被着される。
【００２５】
この実施例では、本発明の高耐酸化性部品１は、別の外側層領域１９を有するＭＣｒＡｌＹ層１６をその上面に有し、層領域１６と共に保護層１７を形成する。例えば外側層領域１９は、相β−ＮｉＡｌからなる。この層１９の厚みは１〜７５μｍ、特に５０μｍ未満である。β−ＮｉＡｌ相の脆さという欠点は、β−ＮｉＡｌ層１９がＭＣｒＡｌＹ層１６に比較して薄いという事実によって克服される。
【００２６】
外側層１９は、２つの元素、ＮｉとＡｌのみから構成してもよい。これら２元素の濃度は、Ｎｉ−Ａｌの２元素状態図によって与えられ、そして外側層１９がＴＧＯ  １０を形成する、層１９の酸化が起る温度で純β−ＮｉＡｌ相から成るように選択せねばならない（２１〜３７ｗｔ％、即ち３２〜５０ａｔ％のＡｌ）。
【００２７】
しかしこのβ−ＮｉＡｌ相は、更に合金性元素を、該元素がβ−ＮｉＡｌ相構造を破壊しない限り含み得る。前述の合金性元素の例は、クロム及び／又はコバルトである。クロムの最大濃度は、関連した温度での３元素状態図Ｎｉ−Ａｌ−Ｃｒにおけるβ−ＮｉＡｌ相の面積で与えられる。コバルトはβ−ＮｉＡｌ相において高溶解度を示し、従ってβ−ＮｉＡｌ相におけるニッケルを殆ど完全に置換することができる。
【００２８】
更に別のＳｉ（珪素）、Ｒｅ（レニウム）、Ｔａ（タンタル）のような、類似の合金性元素を選択してもよい。合金性元素の濃度についての主要な要件は、それが新しい多相微細構造の出現に至らないということである。
【００２９】
また、ＭＣｒＡｌＹ被覆の諸特性を改善すべくしばしば添加される、ハフニウム、ジルコニウム、ランタン、セリウム又はその他のランタニド族元素のような元素をβ層に付加してもよい。
【００３０】
ＮｉＡｌ基質の層は、プラズマ噴霧（ＶＰＳ、ＡＰＳ）及び／又はその他の在来の被覆方法によって塗付される。
【００３１】
β−ＮｉＡｌ相構造の利点は、層１９の酸化の始めに準安定な酸化アルミニウム（Θ又はγ相との混合物）が形成されることである。
【００３２】
外側層上に形成又は被着されたＴＧＯ（例えば酸化アルミニウム層）１０は、望ましい針状構造を有し、従ってＴＧＯ１０とセラミック熱障壁被覆１３は強固に接着する。
【００３３】
従来のＭＣｒＡｌＹ被覆の上には、通常、高温度に曝されると酸化アルミニウムの安定なα相が形成される。しかし、その外側層１９を有する耐熱部品の使用中に、準安定な酸化アルミニウム１０は、高温に曝されると安定したα相に変換され、ＴＧＯにおける所望の微小多孔度を提供する。
【００３４】
本発明による部品１の別の可能性は、標準のＭＣｒＡｌＹ層１６がＮｉＣｏＣｒＡｌＹタイプであり且つ５０〜６００μｍ、特に１００〜３００μｍの厚みで、８〜１４ｗｔ％のアルミニウム量を示すような方法で与えられる。
【００３５】
このＭＣｒＡｌＹ層１６上に、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹタイプの第二のＭＣｒＡｌＹ層領域１９を付与する。この第二層の組成物は、外側層１９として改質されたＭＣｒＡｌＹ層が高い印加温度（９００〜１１００℃）で純γ−Ｎｉ基質を示すように選択される。第二層（１９）の適当な組成物は、既知の相図  Ｎｉ−Ａｌ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ａｌ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ａｌから誘導できる。
【００３６】
従来のＭＣｒＡｌＹ被覆に較べ、この改質ＭＣｒＡｌＹ層１９は、３〜６．５ｗｔ％のアルミニウムの濃度に関し低めのアルミニウム濃度を持ち、従ってプラズマ噴霧装置の粉体供給量を変えるだけでプラズマ噴霧により容易に被着できる。
【００３７】
しかし、層１９は、その他の公知の方法で被着することもできる。
【００３８】
γ相からなる改質ＭＣｒＡｌＹ層１９の典型的な組成物は、１５〜４０ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）、５〜８０ｗｔ％のコバルト（Ｃｏ）、３〜６．５ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）及び残部のＮｉ、特に２０〜３０ｗｔ％のＣｒ、１０〜３０ｗｔ％のＣｏ、５〜６ｗｔ％のＡｌ及び残部のＮｉである。
【００３９】
イットリウムの代わりに、このＭＣｒＡｌＹ層領域１９は、また、ＭＣｒＡｌＹ被覆の酸化特性を改善するために通常用いられる、ハフニウム（Ｈｆ）及び／又はジルコニウム（Ｚｒ）及び／又はランタン（Ｌａ）及び／又はセリウム（Ｃｅ）又はその他のランタニド族元素のような所謂反応性元素の付加物を更に含むことができる。
【００４０】
これら反応性元素の全濃度は、０．０１〜１ｗｔ％、特に０．０３〜０．５ｗｔ％の範囲にあってよい。
【００４１】
改質ＭＣｒＡｌＹ層１９の厚みは１〜８０μｍ、特に３〜２０μｍである。Ｓｃ（スカンジウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｒｅ（レニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｓｉ（珪素）のような更に別の合金性元素を選択してもよい。
【００４２】
熱障壁被覆を適用する前に、低酸素分圧、特に１０-2及び１０-10Ｐａの雰囲気中で熱処理を実施することができる。
【００４３】
改質γ相基質のＭＣｒＡｌＹ層１９の上面上での所望の準安定酸化アルミニウムの形成は、熱障壁被覆の形成に先立ち、８５０〜１０００℃、特に８７５〜９２５℃の温度で、２〜１００時間、特に５〜１５時間の改質ＭＣｒＡｌＹ層１９の酸化により達成できる。
【００４４】
前述の酸化処理中の、これら準安定酸化アルミニウムの形成は、酸化雰囲気への水蒸気（０．２〜５０、特に２０〜５０ｖｏｌ％）の添加又は８００〜１１００℃、特に８５０〜１０５０℃の温度で極めて低い酸素分圧を有する雰囲気の使用で促進できる。水蒸気に加えて、雰囲気は、窒素、アルゴン又はヘリウム等の非酸化性ガスを含んでもよい。
【００４５】
改質ＭＣｒＡｌＹ層１９が薄いので、長期使用中に層１９の外面上での酸化アルミニウムの生成を支援すべく、内側の又は標準のＭＣｒＡｌＹ層１６からのアルミニウムが改質ＭＣｒＡｌＹ層１９を通して拡散することができる。仮に改質ＭＣｒＡｌＹ層１９だけではアルミニウムの濃度が低いため実現し得ないであろう。
【００４６】
図２は、２層化保護層１７を示す。
【００４７】
図３は、本発明による高耐酸化性を有する更に別の部品１を示す。
【００４８】
ＭＣｒＡｌＹ層１６の濃度は、基板４の近辺ではＭＣｒＡｌＹ層１６の組成物が図２又は図１で述べたような標準ＭＣｒＡｌＹ層１６によって与えられ、そして熱障壁被覆１３の近辺では、外側層１９の組成が図２で述べた層１９の組成を示すように連続的に傾斜させる。
【００４９】
外側層領域（１９）の上に熱障壁被覆（ＴＢＣ）（１３）を付ける。保護層（１７）の十分な耐酸化性と、構造、相及び微細構造の調節によるＴＧＯ（１０）へのＴＢＣの十分な結合性とにより、部品１の寿命期間を延長できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】従来の耐熱性部品を示す。
【図２】本発明の耐酸化性部品の例である。
【図３】本発明の耐酸化性部品の他の例である。
【符号の説明】
【００５１】
１  高耐酸化性部品、４  基板、７  ＭＣｒＡｌＹ層、１０  酸化アルミニウム層、
１３  熱障壁被覆、１６  中間ＭＣｒＡｌＹ層領域、１７  保護層、１９  外側層領域
【図１】
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【図２】
2005532474.tif 000004
【図３】
2005532474.tif 000005
【国際調査報告】
2005532474.tif 000006
2005532474.tif 000007
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