(57)【要約】【課題】被覆された物品（１００）、物品（１００）を保護するための皮膜（１０４）、及び物品（１００）を保護するための方法が、提供される。【解決手段】物品（１００）は、金属製基材（１０２）と該基材（１０２）上に配置された実質的に単相の皮膜（１０４）とを含み、該皮膜（１０４）は、ニッケル（Ｎｉ）及び原子百分率で少なくとも約３０％のアルミニウム（Ａｌ）を含み、また該皮膜（１０４）は、Ａｌ組成の勾配を更に含み、該勾配は、皮膜（１０４）の外側表面（１０６）での第１のＡｌ濃度レベルから実質的に単相の皮膜（１０４）と基材（１０２）との間の界面での第２のＡｌ濃度レベルまでにわたっており、第１のＡｌ濃度レベルは、第２のＡｌ濃度レベルよりも大きく、また第２の濃度レベルは、原子百分率で少なくとも約３０％のＡｌである。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製基材（１０２）と、
該基材（１０２）上に配置された実質的に単相の皮膜（１０４）と、
を含み、
該皮膜（１０４）は、ニッケル（Ｎｉ）及び原子百分率で少なくとも約３０％のアルミニウム（Ａｌ）を含み、また該皮膜（１０４）は、Ａｌ組成の勾配を更に含み、該勾配は、前記皮膜（１０４）の外側表面（１０６）での第１のＡｌ濃度レベルから前記実質的に単相の皮膜（１０４）と前記基材（１０２）との間の界面での第２のＡｌ濃度レベルまでにわたっており、
前記第１のＡｌ濃度レベルは、前記第２のＡｌ濃度レベルよりも大きく、また該第２の濃度レベルは、原子百分率で少なくとも約３０％のＡｌである、
ことを特徴とする物品（１００）。
【請求項２】
前記皮膜（１０４）は、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、原子百分率で約２０％までのコバルト（Ｃｏ）、及び原子百分率で約２０％までの鉄（Ｆｅ）のうちの少なくとも１つを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の物品（１００）。
【請求項３】
前記Ｃｒは、原子百分率で約１５％までの濃度で存在することを特徴とする、請求項２に記載の物品（１００）。
【請求項４】
前記Ｃｒは、原子百分率で約４％から原子百分率で約１２％までの範囲内の濃度で存在することを特徴とする、請求項３に記載の物品（１００）。
【請求項５】
前記Ｚｒは、原子百分率で約２％までの濃度で存在することを特徴とする、請求項２に記載の物品（１００）。
【請求項６】
前記Ｚｒは、原子百分率で約０．２％から原子百分率で約０．８％までの範囲内の濃度で存在することを特徴とする、請求項５に記載の物品（１００）。
【請求項７】
前記皮膜（１０４）は、ハフニウム（Ｈｆ）、イットリウム（Ｙ）、ケイ素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選定された少なくとも１つの元素を更に含むことを特徴とする、請求項２に記載の物品（１００）。
【請求項８】
前記少なくとも１つの元素は、原子百分率で約３％までの濃度で存在することを特徴とする、請求項７に記載の物品（１００）。
【請求項９】
前記皮膜（１０４）は、原子百分率で約０．１％までの炭素及びボロンのうちの少なくとも１つを更に含むことを特徴とする、請求項２に記載の物品（１００）。
【請求項１０】
前記皮膜（１０４）は、約１０ミクロンより大きい厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の物品（１００）。
【請求項１１】
前記厚さは、約１０ミクロンから約１００ミクロンまでの範囲内にあることを特徴とする、請求項１０に記載の物品（１００）。
【請求項１２】
前記厚さは、約２５ミクロンから約７５ミクロンまでの範囲内にあることを特徴とする、請求項１１に記載の物品（１００）。
【請求項１３】
前記基材（１０２）は、ニッケル基合金、コバルト基合金、及び鉄基合金のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の物品（１００）。
【請求項１４】
前記基材（１０２）は、超合金を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の物品（１００）。
【請求項１５】
前記基材（１０２）は、ガスタービン組立体の構成部品を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の物品（１００）。
【請求項１６】
前記構成部品は、タービン翼形部、タービンディスク、及び燃焼器のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１５に記載の物品（１００）。
【請求項１７】
前記皮膜（１０４）の前記単相は、Ｂ２型構造のニッケルアルミニド（ＮｉＡｌ）相を含むことを特徴とする、請求項１に記載の物品（１００）。
【請求項１８】
金属製基材（１０２）と、
該基材（１０２）上に配置された実質的に単相のＢ２型構造のニッケルアルミニド皮膜（１０４）と、
を含み、
該皮膜（１０４）は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、原子百分率で約２０％までのＣｏ、原子百分率で約２０％までのＦｅ、及び原子百分率で少なくとも約３０％のＡｌを含み、また該皮膜（１０４）は、Ａｌ組成の勾配を更に含み、該勾配は、前記皮膜（１０４）の外側表面（１０６）での第１のＡｌ濃度レベルから前記実質的に単相の皮膜（１０４）と前記基材（１０２）との間の界面（１０８）での第２のＡｌ濃度レベルまでにわたっており、
前記第１のＡｌ濃度レベルは、前記第２のＡｌ濃度レベルよりも大きく、また該第２の濃度レベルは、原子百分率で少なくとも約３０％のＡｌである、
ことを特徴とする物品（１００）。
【請求項１９】
物品（１００）を保護するための皮膜（１０４）であって、
基材（１０２）上に配置された実質的に単相の皮膜（１０４）を含み、
該皮膜（１０４）は、ニッケル（Ｎｉ）及び原子百分率で少なくとも約３０％のアルミニウム（Ａｌ）を含み、また該皮膜（１０４）は、Ａｌ組成の勾配を更に含み、該勾配は、前記皮膜（１０４）の外側表面（１０６）での第１のＡｌ濃度レベルから前記実質的に単相の皮膜（１０４）と前記基材（１０２）との間の界面（１０８）での第２のＡｌ濃度レベルまでにわたっており、
前記第１のＡｌ濃度レベルは、前記第２のＡｌ濃度レベルよりも大きく、また該第２の濃度レベルは、原子百分率で少なくとも約３０％のＡｌである、
ことを特徴とする皮膜（１０４）。
【請求項２０】
クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、原子百分率で約２０％までのコバルト（Ｃｏ）、及び原子百分率で約２０％までの鉄（Ｆｅ）のうちの少なくとも１つを更に含むことを特徴とする、請求項１９に記載の皮膜（１０４）。
【請求項２１】
前記Ｃｒは、原子百分率で約１５％までの濃度で存在することを特徴とする、請求項１９に記載の皮膜（１０４）。
【請求項２２】
前記Ｃｒは、原子百分率で約４％から原子百分率で約１２％までの範囲内の濃度で存在することを特徴とする、請求項２１に記載の皮膜（１０４）。
【請求項２３】
前記Ｚｒは、原子百分率で約２％までの濃度で存在することを特徴とする、請求項２０に記載の皮膜（１０４）。
【請求項２４】
前記Ｚｒは、原子百分率で約０．２％から原子百分率で約０．８％までの範囲内の濃度で存在することを特徴とする、請求項２３に記載の皮膜（１０４）。
【請求項２５】
該皮膜（１０４）は、ハフニウム（Ｈｆ）、イットリウム（Ｙ）、ケイ素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選定された少なくとも１つの元素を更に含むことを特徴とする、請求項２０に記載の皮膜（１０４）。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの元素は、原子百分率で約３％までの濃度で存在することを特徴とする、請求項２５に記載の皮膜（１０４）。
【請求項２７】
前記皮膜（１０４）は、原子百分率で約０．１％までの炭素及びボロンのうちの少なくとも１つを更に含むことを特徴とする、請求項２０に記載の皮膜（１０４）。
【請求項２８】
前記皮膜（１０４）は、約１０ミクロンより大きい厚さを有することを特徴とする、請求項１９に記載の皮膜（１０４）。
【請求項２９】
前記厚さは、約１０ミクロンから約１００ミクロンまでの範囲内にあることを特徴とする、請求項２８に記載の皮膜（１０４）。
【請求項３０】
前記厚さは、約２５ミクロンから約７５ミクロンまでの範囲内にあることを特徴とする、請求項２９に記載の皮膜（１０４）。
【請求項３１】
前記皮膜（１０４）の前記単相は、Ｂ２型構造のニッケルアルミニド（ＮｉＡｌ）相を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の皮膜（１０４）。
【請求項３２】
物品（１００）を保護するための皮膜（１０４）であって、
基材（１０２）上に配置された実質的に単相のＢ２型構造のニッケルアルミニド皮膜（１０４）を含み、
該皮膜（１０４）は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、原子百分率で約２０％までのＣｏ、原子百分率で約２０％までのＦｅ、及び原子百分率で少なくとも約３０％のＡｌを含み、また該皮膜（１０４）は、Ａｌ組成の勾配を更に含み、該勾配は、前記皮膜（１０４）の外側表面（１０６）での第１のＡｌ濃度レベルから前記実質的に単相の皮膜（１０４）と前記基材（１０２）との間の界面（１０８）での第２のＡｌ濃度レベルまでにわたっており、
前記第１のＡｌ濃度レベルは、前記第２のＡｌ濃度レベルよりも大きく、また該第２の濃度レベルは、原子百分率で少なくとも約３０％のＡｌである、
ことを特徴とする皮膜（１０４）。
【請求項３３】
高温酸化環境から物品（１００）を保護するための方法であって、
基材（１０２）を準備する段階と、
ニッケル（Ｎｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）を含む第１の皮膜（１０４）層を前記基材（１０２）上に配置する段階と、
原子百分率で少なくとも約９０％のアルミニウムを含む第２の皮膜（１０４）層を前記第１の皮膜（１０４）層の上に配置する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３４】
前記第２の皮膜（１０４）層を配置する段階は、電子ビーム物理蒸着及びイオンプラズマ蒸着からなる群から選定された物理蒸着技術を用いて、該第２の層を配置する段階を含むことを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記第２の皮膜（１０４）層を配置する段階は、原子百分率で少なくとも約９５％のアルミニウムを含む層を配置する段階を含むことを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記第２の皮膜（１０４）層を配置する段階は、本質的にアルミニウムからなる層を配置する段階を含むことを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記第２の皮膜（１０４）層を配置する段階は、少なくとも約５ミクロンの厚さを有する層を配置する段階を含むことを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
前記厚さは、約５ミクロンから約２０ミクロンまでの範囲内にあることを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記第１の層を配置する段階は、イオンプラズマ蒸着、電子ビーム物理蒸着、熱スプレー溶射、及びプラズマスプレー溶射からなる群から選定された技術を用いて、該第１の層を配置する段階を含むことを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【請求項４０】
前記第１の層を配置する段階は、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、原子百分率で約２０％までのコバルト（Ｃｏ）、及び原子百分率で約２０％までの鉄（Ｆｅ）のうちの少なくとも１つを更に含む第１の層を配置する段階を含むことを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【請求項４１】
前記Ｃｒは、原子百分率で約１５％までの濃度で前記第１の層内に存在することを特徴とする、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記Ｃｒは、原子百分率で約４％から原子百分率で約１２％までの範囲内の濃度で前記第１の層内に存在することを特徴とする、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記Ｚｒは、原子百分率で約２％までの濃度で前記第１の層内に存在することを特徴とする、請求項４０に記載の方法。
【請求項４４】
前記Ｚｒは、原子百分率で約０．２％から原子百分率で約０．８％までの範囲内の濃度で存在することを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記第１の層を配置する段階は、ハフニウム（Ｈｆ）、イットリウム（Ｙ）、ケイ素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選定された少なくとも１つ元素を更に含む第１の層を配置する段階を含むことを特徴とする、請求項４０に記載の方法。
【請求項４６】
前記第１の皮膜（１０４）層を配置する段階は、約１０ミクロンより大きい厚さを有する層を配置する段階を含むことを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【請求項４７】
前記厚さは、約１０ミクロンから約１００ミクロンまでの範囲内にあることを特徴とする、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記厚さは、約２５ミクロンから約７５ミクロンまでの範囲内にあることを特徴とする、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記第１の皮膜（１０４）層を前記第２の皮膜（１０４）層と反応させて反応皮膜層（１０４）を形成する段階を更に含むことを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【請求項５０】
前記反応皮膜層（１０４）は、アルミニド金属間化合物を含む実質的に単相の皮膜（１０４）を含むことを特徴とする、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記反応皮膜層（１０４）の前記単相は、Ｂ２型構造のニッケルアルミニド（ＮｉＡｌ）相を含むことを特徴とする、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記反応皮膜層（１０４）は、Ａｌ組成の勾配を更に含み、該勾配は、前記反応皮膜（１０４）の外側表面（１０６）での第１のＡｌ濃度レベルから前記実質的に単相の皮膜（１０４）と前記基材（１０２）との間の界面（１０８）での第２のＡｌ濃度レベルまでにわたっており、前記第１のＡｌ濃度レベルは、前記第２のＡｌ濃度レベルよりも大きく、また該第２の濃度レベルは、原子百分率で少なくとも約３０％のＡｌであることを特徴とする、請求項５０に記載の方法。
【請求項５３】
前記反応させる段階は、前記第１の層及び前記第２の層を熱処理する段階を含むことを特徴とする、請求項４９に記載の方法。
【請求項５４】
前記熱処理する段階は、前記第２の皮膜（１０４）層の堆積の間にその場で前記基材（１０２）を加熱する段階を含むことを特徴とする、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記基材（１０２）を準備する段階は、ニッケル基合金、コバルト基合金、及び鉄基合金のうちの少なくとも１つを準備する段階を含むことを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【請求項５６】
前記基材（１０２）を準備する段階は、超合金を準備する段階を含むことを特徴とする、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記超合金を準備する段階は、ガスタービン組立体の構成部品を準備する段階を含むことを特徴とする、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記構成部品を準備する段階は、タービン翼形部、タービンディスク、及び燃焼器のうちの少なくとも１つを準備する段階を含むことを特徴とする、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記第２の皮膜層及び前記反応皮膜層（１０４）のうちの１つを覆って断熱皮膜を配置する段階を更に含むことを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【請求項６０】
前記断熱皮膜を配置する段階は、セラミック材料を配置する段階を含むことを特徴とする、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記セラミック材料を配置する段階は、イットリア安定化ジルコニアを含む材料を配置する段階を含むことを特徴とする、請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
高温酸化環境から物品（１００）を保護するための方法であって、
金属製基材（１０２）を準備する段階と、
ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、原子百分率で約２０％までのコバルト（Ｃｏ）、及び原子百分率で約２０％までの鉄（Ｆｅ）を含む第１の皮膜（１０４）層を前記基材（１０２）上に配置する段階と、
電子ビーム物理蒸着及びイオンプラズマ蒸着からなる群から選定された物理蒸着技術を用いて、本質的にアルミニウムからなる第２の皮膜（１０４）層を前記第１の皮膜（１０４）層の上に配置する段階と、
該第１の皮膜（１０４）層を前記第２の皮膜（１０４）層と反応させて実質的に単相の反応皮膜層（１０４）を形成し、該反応皮膜層（１０４）が、Ｂ２型構造のニッケルアルミニドを含み、かつ該反応皮膜層（１０４）の外側表面（１０６）での第１のＡｌ濃度レベルから前記実質的に単相の皮膜（１０４）と前記基材（１０２）との間の界面（１０８）での第２のＡｌ濃度レベルまでにわたり、前記第１のＡｌ濃度レベルが前記第２のＡｌ濃度レベルよりも大きくまた該第２の濃度レベルが原子百分率で少なくとも約３０％のＡｌであるＡｌ組成の勾配を更に含むようにする段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐酸化性皮膜に関する。より具体的には、本発明は、高温酸化環境において破損に対する耐性がある皮膜を有する物品及び高温酸化環境において物品を保護する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くの場合、ニッケル（Ｎｉ）基、コバルト（Ｃｏ）基、及び鉄（Ｆｅ）基合金が、高温高酸化環境内で用いられるように設計された物品を形成するのに用いられる。このような物品には、それに限定するのではないが、航空機タービン、地上設置タービン、船舶設置タービン、及びこれに類似のもののようなタービンシステムで用いられる構成部品が含まれる。このような環境で耐えるためには、これらの合金で作られた物品は、酸化及び／又は高温腐食に対して基礎をなす合金を保護するために皮膜を必要とすることが多い。多くの場合ニッケルアルミニド（ＮｉＡｌ）ベースの材料である皮膜はまた、外側の断熱皮膜が用いられる場合に、該断熱皮膜に対する付着性を得るためにも用いられることができる。
【０００３】
ニッケルアルミニド・ベースの皮膜の性能は、表面に関連する皮膜の欠陥、亀裂、及び酸素透過性の第２次相のストリンガにより悪影響を受ける。従って、このような欠陥を減らすことが非常に望ましい。グリットブラスト及びショットピーニングを施して、限界ぎりぎりのところで欠陥を治すことに成功はしてきたが、このような技術は、付加的な皮膜損傷の危険性をもたらす。
【０００４】
表面の欠陥に加えて、ニッケルアルミニド・ベースの皮膜を堆積させるのに用いられる物理蒸着法（以下では「ＰＶＤ」とも呼ぶ）は、多くの場合、蒸着の間にアルミニウムの減損を生じる。ＰＶＤ原料物質の組成を調整するか又はポストＰＶＤ気相アルミナイジングを用いることによってアルミニウムの減損を補う試みがこれまでなされてきた。このような修正の試みの成功には、ＰＶＤ源の可鋳性及び延性、皮膜付着力、皮膜汚染、及び化学組成調整に関する問題により今まで限界があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
表面欠陥を治すか又はこのようなニッケルアルミニド・ベースの皮膜における減損したアルミニウムを補うかのいずれにおいても、現在の解決策は、これまで成功していない。その結果、ニッケルアルミニド・ベースの皮膜は、このような過酷な環境においては基礎になる合金基材に適当な保護を与えていないことが多い。従って、高温高酸化環境において金属製物品に保護を与える皮膜の必要性が依然として残っている。このような保護皮膜を有する物品に対する必要性もまた存在する。最後に、物品にこのような保護皮膜を施す方法の必要性もまた存在する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施形態は、これら及び他の必要性に対処する。１つの実施形態は、物品であり、該物品は、金属製基材と、該基材（１０２）上に配置された実質的に単相の皮膜とを含み、該皮膜は、ニッケル（Ｎｉ）及び原子百分率で少なくとも約３０％のアルミニウム（Ａｌ）を含み、また該皮膜は、Ａｌ組成の勾配を更に含み、該勾配は、皮膜の外側表面での第１のＡｌ濃度レベルから実質的に単相の皮膜と基材との間の界面での第２のＡｌ濃度レベルまでにわたっており、該第１のＡｌ濃度レベルは、第２のＡｌ濃度レベルよりも大きく、また該第２の濃度レベルは、原子百分率で少なくとも約３０％のＡｌである。
【０００７】
第２の実施形態は、物品を保護するための皮膜であり、該皮膜は、基材上に配置された実質的に単相の皮膜を含み、該皮膜は、ニッケル（Ｎｉ）及び原子百分率で少なくとも約３０％のアルミニウム（Ａｌ）を含み、また該皮膜は、Ａｌ組成の勾配を更に含み、該勾配は、皮膜の外側表面での第１のＡｌ濃度レベルから実質的に単相の皮膜と基材との間の界面での第２のＡｌ濃度レベルまでにわたっており、該第１のＡｌ濃度レベルは、第２のＡｌ濃度レベルよりも大きく、また該第２の濃度レベルは、原子百分率で少なくとも約３０％のＡｌである。
【０００８】
第３の実施形態は、高温酸化環境から物品を保護するための方法であり、該方法は、基材を準備する段階と、ニッケル（Ｎｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）を含む第１の皮膜層を基材上に配置する段階と、原子百分率で少なくとも約９０％のアルミニウムを含む第２の皮膜層を第１の皮膜層の上に配置する段階とを含む。
【０００９】
本発明のこれら及び他の特徴、形態、及び利点は、図面を通じて同じ符号が同じ部分を表している添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むと一層良く理解されるであろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下の説明において、同じ参照符号は、図に示す幾つかの図を通じて同じ又は対応する部分を示す。また、「頂部の」、「底部の」、「外向きの」、「内向きの」などのような用語は、便宜上の言葉であって、限定する用語として解釈すべきではないことを理解されたい。
【００１１】
図面全体、特に図１を参照すると、図示したものは、本発明の好ましい実施形態を説明する目的のためのものであって、本発明をそれに限定することを意図するものではないことを理解されたい。図１は、本発明の物品１００の概略断面図である。物品１００は、高温（すなわち５００℃より高い）ガス環境に曝される任意の物体であってよい。物品１００の実例には、それに限定するのではないが、ガスタービン組立体のタービン翼形部、燃焼器、及びタービンディスクのような構成部品が含まれる。
【００１２】
物品１００は、金属製基材１０２と該金属製基材１０２の少なくとも１つの表面上に配置された皮膜１０４（以下では「反応皮膜層」１０４とも呼ぶ）を含む。金属製基材１０２は、一般的にニッケル基、コバルト基、及び鉄基基合金のうちの少なくとも１つを含む。金属製基材１０２は、ニッケル、鉄、及びコバルトのうちの１つの超合金を含むのが好ましい。
【００１３】
皮膜１０４は、タービン組立体、原子炉、ボイラ、及びこれに類するもののような構造体内で遭遇する高酸化環境から基材１０２を保護するのに役立つ。皮膜１０４は、実質的に単相であり、この実質的に単相というのは、容積で少なくとも約８０％の皮膜が単相を含むことを意味する。１つの実施形態では、皮膜１０４の単相は、Ｂ２型結晶構造を有するニッケルアルミニドを含む。皮膜１０４は、ニッケル（Ｎｉ）及び原子百分率で少なくとも３０％のアルミニウム（Ａｌ）を含む。皮膜１０４中のアルミニウムの濃度は、皮膜１０４の外側表面１０６での第１の濃度から皮膜１０４と基材１０２との間の界面での第２の濃度まで変化し、このとき、アルミニウムの第１の濃度は、アルミニウムの第２の濃度よりも大きい。従って、皮膜１０４は、その厚さにわたってアルミニウムの濃度勾配を有する。第２の濃度は、原子百分率で少なくとも３０％である。皮膜内部のアルミニウム濃度の勾配を有することは、例えばアルミニウムがその例である耐酸化性構成部品の材料を減損させるように酸化のような劣化作用が働くことになる皮膜の外側表面１０６において、高アルミニウム含有量の材料を形成する利点がある。従って、アルミニウム濃度の勾配は、アルミニウムが最も必要とされる領域により多くのアルミニウムを配置することにより、皮膜の耐酸化性を高めるのに役立つ。
【００１４】
別の実施形態では、皮膜１０４は更に、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、コバルト（Ｃｏ）、及び鉄（Ｆｅ）のうちの少なくとも１つを含む。コバルト及び鉄は、それが存在する場合には、一般的にニッケルの代わりになり、各々が皮膜１０４内に原子百分率で約２０％までの濃度で存在することができる。一部の実施形態では、クロムが、原子百分率で約１５％までの濃度で皮膜１０４内に存在して、皮膜１０４の耐酸化性を更に高める。特定の実施形態では、クロムは、原子百分率で約４％から原子百分率で約１２％までの範囲内の濃度で皮膜１０４内に存在する。一部の実施形態では、ジルコニウムは、原子百分率で約２％までの濃度で皮膜１０４内に存在し、皮膜１０４の機械的特性及び耐酸化特性を更に高める。１つの実施形態では、ジルコニウムは、原子百分率で約０．２％から原子百分率で約０．８％までの範囲内の濃度で皮膜１０４内に存在する。
【００１５】
特定の実施形態では、皮膜１０４は、Ｂ２型結晶構造を有する実質的に単相のニッケルアルミニドを含む。この実施形態の皮膜１０４は、ニッケル、クロム、ジルコニウム、原子百分率で約２０％までのコバルト、原子百分率で約２０％までの鉄、及び原子百分率で少なくとも約３０％のアルミニウムを含む。上記のように、アルミニウムは、皮膜１０４の厚さを通して濃度勾配がある状態で存在する。アルミニウム濃度は、皮膜１０４の外側表面１０６での第１の濃度から皮膜１０４と基材１０２との間の界面１０８での第２の濃度まで変化する。
【００１６】
クロム、ジルコニウム、コバルト、及び鉄のうちの少なくとも１つを含むことに加えて、皮膜１０４は更に、ハフニウム（Ｈｆ）、イットリウム（Ｙ）、ケイ素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選定された少なくとも１つの元素を含むことができ、選定された実施形態では、この少なくとも１つの元素は、原子百分率で約３％までの濃度で皮膜１０４内に存在する。皮膜１０４はまた、原子百分率で約０．１％までの炭素及びボロンのうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００１７】
皮膜１０４は、一部の実施形態では、約１０ミクロンから約１００ミクロンまでの範囲内にあるような、約１０ミクロンより大きい厚さを有する。１つの実施形態では、皮膜１０４の厚さは、約２５ミクロンから約７５ミクロンまでの範囲内にある。特定の皮膜厚さの選定は、例えば、予測される曝露温度、所望の実用寿命、処理コスト、その他これに類するもののような特定の要因によって定められることが、当業者には分かるであろう。ある種の実施形態では、物品１００は更に、皮膜１０４を覆って配置されて熱からの保護を高める断熱皮膜（図示せず）を含む。特定の実施形態では、断熱皮膜は、例えばイットリア安定化ジルコニアのようなセラミック材料を含む。
【００１８】
皮膜１０４は、最初にニッケル及びアルミニウムを含む第１の皮膜層を基材１０２上に堆積させることによって該基材１０２上に形成されることができる。第１の皮膜層は、イオンプラズマ蒸着、電子ビーム物理蒸着、熱スプレー溶射、プラズマスプレー溶射、及びそれらの組み合わせのうちの１つにより堆積される。
【００１９】
クロム、ジルコニウム、コバルト、及び鉄のうちの少なくとも１つがまた、上述の技術を用いて第１の層内に堆積されることができる。クロムは、原子百分率で約１５％までの濃度で第１の層内に存在することができる。１つの実施形態では、クロムは、原子百分率で約４％から原子百分率で約１２％までの範囲内の濃度で第１の層内に存在する。ジルコニウムは、原子百分率で約２％までの濃度で第１の層内に存在することができる。１つの実施形態では、ジルコニウムは、原子百分率で約０．２％から原子百分率で約０．８％までの範囲内の濃度で第１の層内に存在する。コバルト及び鉄は、それぞれが原子百分率で２０％までの濃度で第１の層内に存在することができる。クロム、ジルコニウム、コバルト、及び鉄のうちの少なくとも１つを含むのに加えて、第１の層は更に、ハフニウム、イットリウム、ケイ素、チタン、ランタン、セリウム、及びタンタルのうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００２０】
第１の皮膜層は、約１０ミクロンより大きい厚さを有する。１つの実施形態では、第１の層は、約１０ミクロンから約１００ミクロンまでの範囲内の厚さを有する。別の実施形態では、第１の層は、約２５ミクロンから約７５ミクロンまでの範囲内の厚さを有する。
【００２１】
次に、原子百分率で少なくとも９０％のアルミニウムを含む第２の皮膜層が、それに限定するのではないが、電子ビーム物理蒸着、及びイオンプラズマ蒸着のような物理蒸着技術を用いて第１の皮膜層の上に堆積される。１つの実施形態では、第２の層は、原子百分率で少なくとも約９５％のアルミニウムを含む。更に別の実施形態では、第２の層は、本質的にアルミニウムからなる。第２の層は、少なくとも５ミクロンの厚さを有する。１つの実施形態では、第２の層は、約５ミクロンから約２５ミクロンまでの範囲内の厚さを有する。
【００２２】
本発明の更に別の実施形態では、第２の皮膜層は、第１の皮膜層と反応して反応皮膜層１０４（本明細書では皮膜１０４とも呼ぶ）を形成する。１つの実施形態では、反応皮膜層１０４は、第１の皮膜層、第２の皮膜層、及び基材１０２を約０．５時間から約４時間までの範囲内の時間、約７００℃から約１２００℃までの範囲内の温度まで熱処理して、第１の皮膜層を第２の皮膜層と反応させることによって形成される。この熱処理段階は、先に述べたように第２の皮膜層の配置に引き続いて実施される。それに代えて、皮膜１０４は、第２の皮膜層を堆積させる間にその場で加熱することによって第１の皮膜層と第２の皮膜層とを反応させて形成することができる。その場での加熱は、主としてアルミニウムである第２の皮膜層に第１の皮膜層内への拡散を生じさせ、その時、卓越アルミニウム材料が第１の皮膜層と反応して皮膜１０４を形成する。このようなその場での加熱は、第２の層を物理蒸着する間の電子ビーム加熱によって又は第２の層をイオンプラズマ蒸着する間の基材１０２へのバイアス電圧の印加によって達成されることができる。第１の皮膜層と第２の皮膜層とを反応させることによって形成された皮膜１０４は、一部の実施形態では、実質的に単相であり、この単相は、特定の実施形態では、Ｂ２型結晶構造を有する金属間アルミニド化合物を含む。第２の皮膜層は、第１の皮膜層に対する高Ａｌ含有量の覆いを形成し、皮膜１０４において表面に関連する皮膜の欠陥、亀裂、及び酸素透過性の第２次相のストリンガのような前述の微細構造欠陥を覆い隠しかつ皮膜１０４内のアルミニウム含有量を大きくすることによって耐熱性皮膜の性能を高める。
【００２３】
ある種の実施形態では、断熱皮膜が、第２の皮膜層及び反応皮膜層（１０４）のうちの１つを覆って配置される。断熱皮膜が、第２の皮膜層の上に配置されるかそれとも反応皮膜層の上に配置されるのかは、第１及び第２の皮膜層を反応させる処理段階と断熱皮膜を配置する処理段階とが実行される順序によって定まる。断熱皮膜は、反応工程が特定の実施形態のために所望される場合には、第１及び第２の層を反応させる前か又は後のどちらかで施されることができる。特定の実施形態では、断熱皮膜は、イットリア安定化ジルコニアのようなセラミックである。
【００２４】
本発明の実施形態はまた、それに限定するのではないが、高温酸化環境でガスタービン組立体の構成部品のような物品を保護するための方法を含む。このような構成部品には、タービン翼形部、タービンディスク、及び燃焼器が含まれ、これら構成部品は、一般的にニッケル基合金、コバルト基合金、及び鉄基合金のうちの少なくとも１つを含む。１つの実施形態では、ニッケル基、コバルト基、及び鉄基合金は、超合金である。この方法は、基材を準備する段階と、皮膜を形成するための上述のような工程に従った本発明の皮膜を配置する段階とを含み、この皮膜を配置する段階は、ニッケル（Ｎｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）を含む第１の皮膜層を基材上に配置する段階と、原子百分率で少なくとも約９０％のアルミニウムを含む第２の皮膜層を該第１の皮膜層の上に配置する段階とを含む。第１及び第２の層の組成及び厚さとそれらの層を反応させて反応皮膜層１０４を形成するような付加的な処理工程とについての上述の様々な変更形態は、本発明の方法の実施形態に適用可能である。
【００２５】
１つの特定の実施形態では、高温酸化環境において物品を保護するための方法は、最初に金属製基材を準備する段階と、ニッケル、アルミニウム、クロム、ジルコニウム、原子百分率で約２０％までのコバルト、及び原子百分率で約２０％までの鉄を含む第１の皮膜層を金属製基材上に堆積させる段階と、それに限定するのではないが、電子ビーム物理蒸着及びイオンプラズマ蒸着のような物理蒸着技術を用いて本質的にアルミニウムからなる第２の皮膜層を該第１の皮膜層の上に堆積させる段階と、第１の皮膜層を第２の皮膜層と反応させてＢ２型構造を有するニッケルアルミニドを含む実質的に単相の反応皮膜層を形成し、該反応皮膜層が、該反応皮膜層の外側表面での第１のアルミニウム濃度レベルから該反応皮膜層と基材１０２との間の界面での原子百分率で少なくとも約３０％のアルミニウムである第２のアルミニウム濃度レベルまでにわたり、かつ該第１のアルミニウム濃度レベルが該第２のアルミニウム濃度レベルよりも大きいアルミニウム濃度勾配を有するようにする段階とを含む。
【００２６】
例示
以下の説明は、本発明のある種の例示的な実施形態の利点を更に例示することを目的とするものであって、本発明の技術的範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。２つのグループの超合金製基材が、それぞれイオンプラズマ蒸着法（ＩＰＤ）を用いてＮｉＣｒＡｌＺｒ合金の約４０ミクロンの厚さの層で被覆された。ここでは「グループＡ」と呼ぶ１つのグループでは、皮膜の組成は、原子百分率で、約３３％のＡｌ、約１０％のＣｒ、約０．５％のＺｒ、及び残部はニッケルであった。ここでは「グループＢ」と呼ぶ他方のグループでは、皮膜組成は、原子百分率で、約３５％のＡｌ、約５％のＣｒ、約１．２％のＺｒ、及び残部はニッケルであった。被覆された各グループの基材について、サブセットが、ＩＰＤを用いて本質的にアルミニウムからなる約１０ミクロンの厚さの材料で更に被覆された。堆積後に、被覆された試料に、１１００℃で２時間の真空熱処理を施して、先に述べたようなＢ２型構造のニッケルアルミニドの単相の反応皮膜層を形成した。
【００２７】
試料の全ては、１１７５℃で３分間の各サイクルで、基材が酸化し始めてそれによって皮膜破損を示す時点まで、空気中で試料に熱サイクルを加えることによってテストされた。付加的なアルミニウム皮膜工程なしで処理されたグループＡの試料は、１６２〜２６０サイクルの範囲で破損したが、付加的なアルミニウム皮膜工程を用いて処理された試料は、３８０〜４４０サイクルの範囲で破損した。付加的なアルミニウム皮膜工程なしで処理されたグループＢの試料は、２２７〜２３９サイクルの範囲で破損したが、付加的なアルミニウム皮膜工程を用いて処理された試料は４００〜４２９サイクルの範囲で破損した。
【００２８】
典型的な実施形態を例示の目的で説明してきたが、前述の説明は、本発明の技術的範囲を限定するものではない。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の物品の概略断面図。
【符号の説明】
１００　物品
１０２　基材
１０４　皮膜
１０６　皮膜の外側表面
１０８　単相の皮膜と基材との間の界面
【図１】
2004043968.tif 000003