(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超合金からなる基材をコーティング用チャンバーの中に装入し、該基材の上に、外方に向けて成長するアルミナイド拡散コーティングを形成する方法であって、基材を９００〜１２００℃の温度に加熱し、アルミニウムトリクロライドとキャリヤガスを含むコーティングガスを、１時間当たり１００〜４５０標準立方フィートの流量でチャンバーの中に流し、基材上で外方に向けて成長するアルミナイド拡散コーティングの成長速度を速くするために、チャンバー内のアルミニウムトリクロライドの濃度をチャンバー内のコーティングガスの１.４体積％より少ない濃度とし、チャンバー内のコーティングガスの全圧を１００〜４５０Torrとする条件でコーティングを行なう、コーティングの形成方法。
【請求項２】
チャンバーを流れるコーティングガスの流量は１時間当たり２００〜４００標準立方フィート、アルミニウムトリクロライドの濃度はチャンバー内のコーティングガスの０.６〜１.２体積％、チャンバー内のコーティングガスの全圧は１００〜３００Torrである請求項１の方法。
【請求項３】
チャンバーを流れるコーティングガスの流量は１時間当たり３００標準立方フィート、アルミニウムトリクロライドの濃度はチャンバー内のコーティングガスの１.０体積％、チャンバー内のコーティングガスの全圧は２００Torrである請求項２の方法。
【請求項４】
基材の上にコーティングを形成する前に、基材には、白金を含む層が形成される請求項１の方法。
【請求項５】
コーティングガスは、アルミニウムトリクロライドを含み、残部水素である請求項１の方法。
【請求項６】
基材は、１０８０℃の温度に加熱される請求項１の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材又は基板であるサブストレートの上にアルミナイド拡散コーティング(aluminide diffusion coating)を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミナイド拡散コーティングに対して、約１０００℃(１８３２OＦ)よりも高温で観察される環境攻撃の最も重要な形態は、高温酸化である。高温酸化は化学反応であり、アルミナイドコーティングに対する反応速度の制御プロセスは、生成物(酸化物)層の拡散である。拡散は熱的に活性化されたプロセスであるから、拡散係数は温度の指数関数である。アルミナイドコーティングの酸化は拡散が制御された反応であり、拡散係数は温度の指数関数であるから、酸化速度もまた温度の指数関数である。拡散係数が比較的小さい低温度域では、どのアルミナイドコーティングも、保護スケールの成長速度も小さい。それゆえ、当該分野では、適当な酸化防止手段として、例えば、クロムアルミナイド、アルミナイド又は２相[ＰｔＡｌ2＋(Ｎｉ,Ｐｔ)Ａｌ]白金アルミナイドなどのアルミナイドコーティングを設けるようにしている。これらのコーティングはパックセメンテーション法によって形成され、内方に向けて成長した(inwardly grown)コーティングである。しかしながら、高温域では、拡散係数そして酸化速度が温度上昇と共に急激に大きくなるから、高純度アルミナ(Ａｌ2Ｏ3)のスケールを形成するコーティングだけが、環境劣化に対して適当な耐性をもたらすことになる。
【０００３】
ニッケルアルミナイドの中に白金が存在すると、熱力学的効果や速度論的(kinetic)効果などによって、成長速度の遅い高純度保護アルミナスケールの生成が促進されることがわかった。このため、白金で改質したアルミナイド拡散コーティングは、白金を含まない単一アルミナイドのコーティングに比べて、高温酸化抵抗性がすぐれている。
【０００４】
内方に成長した２相構造の白金アルミナイドは、産業界で一般的に採用されているが、このアルミニウムに関するこれまでの問題の多くは、前述したように、外方に向けて成長した(outwardly grown)単相構造の白金アルミナイドコーティングによって解消させることができる。これについては、例えば、技術文献[Conner et al., "Evaluation of Simple Aluminide and Platinum Modified Aluminide Coatings on High Pressure Turbine Blades after Factory Engine Congress Testing", Proc. AMSE Int. Conf. of Gas Turbines and Aero Factory Congress June 3-6, 1991, June 1-4, 1992]に記載されている。例えば、方向性凝固(directionally solidified; ＤＳ)されたＨｆ添加ニッケル基超合金基材上に外方に向けて成長した単相アルミナイド拡散コーティングの微細構造は、これまでの２相アルミナイドコーティングの微細構造と比べて、工場でのエンジン試験後の変化は少なかった。また、ＣＶＤによる単相白金アルミナイドコーティングの成長については、２相アルミナイドコーティングと比べて、工場でのエンジン試験中に有意差はなかった。さらに、外方に向けて成長した「高温低活性」の白金アルミナイドコーティングは、内方に向けて成長した「低温高活性」の白金アルミナイドコーティングよりも、柔軟性(ductile)であることが観察された。
【０００５】
米国特許第５６５８６１４号、第５７１６７２０号、第５８５６０２７号、第５７８８８２３号、第５９８９７３３号、第６１２９９９１号、第６１３６４５１号及び第６２９１０１４号には、ニッケル基超合金基材の上に、白金その他の元素で改質され、単相で外方に向けて成長した白金アルミナイドのコーティングを形成する方法が開示されている。米国特許第５２６１９６３号、第５２６４２４５号、第５４０７７０４号及び第５４６２０１３号には、拡散アルミナイドコーティングを基材に形成する代表的な化学蒸着(ＣＶＤ)装置が記載されている。
【発明の開示】
【０００６】
＜発明の要旨＞
本発明は、ＣＶＤにより、外方に向けて成長する拡散アルミナイドコーティング(outwardly grown diffusion aluminide coating)を基材(substrate)の上に形成する方法を提供するもので、外方に向けて成長した拡散アルミナイドコーティングは、基材に隣接する拡散ゾーンと、該拡散ゾーンの上に設けられた追加層とを含んでおり、コーティング基材上に形成するコーティング形成時間を実質的に短くし、コーティング特性が良好となるように、アルミナイジングのパラメータを制御するものである。
本発明の一実施例において、コーティングチャンバー内のコーティングガスのアルミニウムトリクロライド(ＡｌＣｌ3)の濃度及びコーティングチャンバー内のコーティングガスの全圧力の少なくとも１つを減じることにより、基材上で外方に向けて成長するアルミナイド拡散コーティングの成長速度が速くなることを見い出した。これにより、追加層のアルミニウム平均濃度や耐酸化性のようなコーティング特性を良好にすることができる。
【０００７】
本発明の特定の実施例において、コーティングを施すべき１又は２種以上の超合金基材は、レトルトのコーティング用チャンバーに装入し、基材を約９００〜約１２００℃に加熱する。ＡｌＣｌ3とキャリヤガス(例えば水素)を含むコーティングガスは、約１００〜約４５０scfh(１時間当たりの標準立方フィート)の流量で、コーティング用チャンバーの中へ導入される。コーティング用チャンバー内のコーティングガスの全圧力は、約１００〜約４５０Torrに維持される。コーティングガス中のＡｌＣｌ3の濃度は約１.４体積％(by volume)よりも少ない。基材には白金又はその他の元素を含む層が設けられる。白金又はその他元素が、外方に成長するアルミナイドコーティングの中に含まれることにより、高温酸化抵抗性の如き特性が改善される。
【０００８】
コーティングパラメータの好ましい例は、コーティング用チャンバーを流れるコーティングガスの流速が約２００〜４００scfh、コーティング用チャンバー内のコーティングガスの全圧が約１００〜３００Torr、コーティング用チャンバー内のＡｌＣｌ3の濃度が該チャンバー内のコーティングガスの約０.６％〜約１.２体積％である。コーティングパラメータのより好ましい例として、コーティング用チャンバーを流れるコーティングガスの流速が約３００scfh、コーティング用チャンバー内のコーティングガスの全圧が約２００Torr、コーティング用チャンバー内のＡｌＣｌ3の濃度がコーティングガスの約１.０体積％を挙げることができる。
【０００９】
前記のコーティング条件により、超合金基材上に、外方に向けて成長するアルミナイド拡散コーティングを形成する時間を、コートされる基材の種類に応じて、約４０％以上短くできる利点がある。
本発明のその他利点については、図面を参照した以下の説明から明らかになるであろう。
【００１０】
＜望ましい実施例の詳細な説明＞
図１は、拡散成長速度定数のグラフである。このグラフは、レーネＮ５超合金(Rene's N5 superalloy)を使用し、ＣＶＤアルミナイジング処理を１０時間行なって得られたデータである。このアルミナイジング処理は、ＡｌＣｌ3の濃度を変えて行ない、温度(１０８０℃)、圧力(４５０Torr)、ガス流量(３００scfh)は一定である。
【００１１】
図２は、拡散成長速度定数のグラフである。このグラフは、レーネＮ５超合金を使用し、ＣＶＤアルミナイジング処理を１０時間行なって得られたデータである。このアルミナイジング処理は、レトルト圧力を変えて行ない、温度(１０８０℃)、ＡｌＣｌ3濃度(０.１％)、ガス流量(３００scfh)は一定である。
図３は、拡散成長速度定数のグラフである。このグラフは、レーネＮ５超合金を使用し、ＣＶＤアルミナイジング処理を１０時間行なって得られたデータである。このアルミナイジング処理は、ガス流量を変えて行ない、温度(１０８０℃)、ＡｌＣｌ3濃度(１.０％)、レトルト圧力(２００Torr)は一定である。
【００１２】
図４は、レーネＮ５超合金に形成されたアルミナイドコーティングのアルミニウム濃度分布(重量％)のグラフである。濃度分布は、コーティング外表面Ｓ(水平軸上の距離０に対応する)を出発点とするデータである。図示のデータは、ＣＶＤによる単一アルミナイジングの急速サイクルによって得られたサンプルについて、電子プローブマイクロアナリシス(ＥＰＭＡ)の分布を示している。パラメータは、ＡｌＣｌ3の濃度が変数であり、残りのパラメータは、圧力が４５０Torr、全ガス流量が３００scfhである。図４〜図５及び図７〜図８において、拡散ゾーンは、Ａｌが約１５重量％の距離に対応する。
【００１３】
図５は、レーネＮ５超合金に形成されたアルミナイドコーティングのアルミニウム濃度分布(重量％)のグラフである。濃度分布は、コーティング外表面Ｓ(水平軸上の距離０に対応する)を出発点とするデータである。図示のデータは、ＣＶＤによる白金とのアルミナイジングの急速サイクルによって得られたサンプルについて、電子プローブマイクロアナリシス(ＥＰＭＡ)の分布を示している。パラメータは、ＡｌＣｌ3の濃度が変数であり、残りのパラメータは、圧力が４５０Torr、全ガス流量が３００scfhである。
【００１４】
図６は、ＣＶＤアルミナイジングの急速サイクルプロセスによって作製したアルミナイドコーティングの追加層のアルミニウムの平均濃度(重量％)の測定結果を棒グラフで示したものである。なお、これらのサンプル作製は、ＡｌＣｌ3濃度を変えて行ない、レトルト圧力は４５０Torr、全ガス流量が３００scfhである。
【００１５】
図７は、レーネＮ５合金に形成されたアルミナイドコーティングのアルミニウム濃度分布(重量％)をＥＰＭＡで測定したグラフである。図示のデータは、本発明の一実施例の急速ＣＶＤプロセスによる単一アルミナイドのコーティングであって、コーティング外表面Ｓ(水平軸上の距離０に対応する)を出発点とするデータである。プロセスのパラメータは、レトルト圧力が変数であり、温度(１０８０℃)、ＡｌＣｌ3濃度(１.０％)、ガス流量(３００scfh)は一定である。
【００１６】
図８は、レーネＮ５合金に形成されたアルミナイドコーティングのアルミニウム濃度分布(重量％)をＥＰＭＡで測定したグラフである。図示のデータは、本発明の一実施例の急速ＣＶＤプロセスによる白金アルミナイドのコーティングであって、コーティング外表面Ｓ(水平軸上の距離０に対応する)を出発点とするデータである。プロセスのパラメータは、レトルト圧力が変数であり、温度(１０８０℃)、ＡｌＣｌ3濃度(１.０％)、ガス流量(３００scfh)は一定である。
【００１７】
図９は、レーネＮ５超合金について、ＣＶＤアルミナイジングの急速サイクルプロセスによって作製したアルミナイドコーティングの追加層のアルミニウムの平均濃度(重量％)の測定結果を棒グラフで示したものである。なお、これらのサンプル作製は、レトルト圧力を変えて行ない、ＡｌＣｌ3濃度は０.１０％、全ガス流量が３００scfhである。
【００１８】
図１０は、白金アルミナイドのコーティングを有するレーネＮ５超合金のタブサンプルについて、１１７７℃(２１５０OＦ)で試験したときのサイクル酸化の挙動を示すグラフである。３つのサンプルは、ＣＶＤプロセスの急速サイクルのレトルト圧力の条件を変えて作製したものであり、３つのサンプルについて、各圧力条件でのデータを示している。
【００１９】
図１１は、ニッケル基超合金基材ＳＢ上に、外方に向けて成長するアルミナイド拡散コーティング(ＭＤＣ−１５０Ｌ)の代表例の顕微鏡写真であり、コーティングは、基材に隣接した拡散ゾーンと、該拡散ゾーンの上に設けられた追加層Ｐとを有している。追加層Ｐの外表面は、アルミナイド拡散コーティングの最も外側の層である。追加層Ｐ上に形成されたアルミナ層の上には、遮熱用コーティングＥＢ−ＴＢＣが形成されている。
【００２０】
次に、特定のニッケル基超合金基材上に、外方に向けて成長する単一(single)つまり未改質(unmodified)のアルミナイド拡散コーティングと、白金で改質された(platinum modified)アルミナイド拡散コーティングを形成する実施例を挙げて本発明を説明するが、実施例は例示であって、発明を限定するものではない。図１１に示されるように、外方に向けて成長したアルミナイド拡散コーティングは、未改質のものも白金改質のものも、基材ＳＢに隣接する拡散ゾーンＺと、該拡散ゾーンＺの上に設けられた追加層Ｐを含んでいる。追加層Ｐは、単一のＮｉＡｌ相又は単一の(Ｐｔ,Ｎｉ)Ａｌ相からなり、Ｐｔは固溶体である。第２の相は、コーティングに加えられる元素の種類に応じて、ＮｉＡｌ相又は(Ｐｔ,Ｎｉ)Ａｌ相の中に存在する。追加層Ｐの外表面Ｓは、基材に関して、アルミナイド拡散コーティングの最も外側の表面である。図示の遮熱コーティングＥＢ−ＴＢＣは、追加層Ｐに形成されたアルミナ層ＡＬの上に設けられる。アルミナ層の上の遮熱コーティングは、必要に応じて、さらなるコーティング構造を設けることもできるが、これは発明の一部を構成するものではなく、また、本発明に基づいて作られるアルミナイド拡散コーティングの一部ではない。
【００２１】
本発明は、外方に向けて成長する単一(未改質)アルミナイド拡散コーティングと、外方に向けて成長する改質アルミナイド拡散コーティングを形成するように実施することができる。改質拡散コーティングは、様々な超合金基材の上に、Ｎｉ及びＡｌの他にさらなる追加元素が含まれるように改質される。なお、超合金基材として、ニッケル基超合金基材、コバルト基超合金基材、Ｎｉ、Ｃｏ及びＦｅの少なくとも２種以上を含む超合金基材を挙げることができる。このような超合金は、当該分野の専門家には既知である。これら超合金の一部は、書籍["Superalloys II" Sims et. al., 発行社John Wiley & Sons, 1987]に記載されている。
【００２２】
次に記載する実施例は、既知のレーネＮ５超合金を有するニッケル基超合金基材に関するものである。なお、レーネＮ５超合金は例示であって、限定するものではない。レーネのＮ５ニッケル基の超合金は、米国特許第６０７４６０２号に記載されている。以下の実施例で試験した試料の名目的組成は、重量％にて、Ｃｒ７％、Ｃｏ８％、Ｍｏ２％、Ｗ５％、Ｔａ７％、Ｒｅ３％、Ａｌ６.２％、Ｈｆ０.２％、残部本質的にＮｉである。
【００２３】
ＣＶＤによる低活性アルミナイジング試験は、米国特許第５２６１９６３号に記載されたコーティング反応器又はレトルトの中で行なった。なお、前記米国特許はその引用を以て本願への記載加入とする。コーティング反応器又はレトルトのコーティング用チャンバーは、名目的直径が２０インチ、名目的高さが４０インチである。コーティングガスはＡｌＣｌ3を含み、残部水素である。このコーティングガスは、米国特許第５４０７７０４号に記載されたレトルトの外側に配備された１又は２以上のガス発生器の中で、塩化水素ガスと水素キャリヤガスの混合物を、アルミニウム粒子ベッドの上を通すことによって生成される。コーティングガスは、次に、米国特許第５６５８６１４号に記載されたレトルトのコーティング用チャンバーの中に導入される。以下の実験は、レトルトのコーティング用チャンバーの中央垂直軸に沿って４インチ間隔で設けられた６つの基材収容トレイを用いて、ＣＶＤ反応器又はレトルトの中で行なった。
【００２４】
アルミナイジングの試験材料として使用したのは、レーネＮ５ニッケル基超合金のタブサンプル(２５.４mm×１２.７mm×３mm)で、丸いエッジとカマー(comers)(酸化試験に適した)を有している。白金電気メッキ層を有する合金と有しない合金について、４種類のタブサンプルを、様々な条件下でアルミナイジングした。１のタブサンプルを化学分析し、他の３種類はサイクル酸化試験に使用した。白金電気メッキ層は、米国特許第５７８８８２３号に基づいて行ない、層のメッキ量は、６mg/cm2である。
【００２５】
各グループから１つの試験サンプルを切断し、標本を作り、研磨した後、光学顕微鏡と電子顕微鏡で観察した。コーティング厚さは光学顕微鏡で測定した(１０回測定の平均)。また、コーティングの追加層の主要元素の組成分布については、電子顕微鏡によって求めた。追加層の中のアルミニウム濃度は、複数の測定位置の平均値を計算した。
【００２６】
ＣＶＤの低活性アルミナイジング試験により、コーティングを行なうレトルト内の様々なハロゲン化アルミニウム濃度及び全圧力を調べた。ＣＶＤコーティングの後、上記超合金の代表的サンプル(各サンプルは白金を含有するものと含有しないものがある)について、金属組織学的検査を行なった。各種類の残りのサンプルについて、１１７７℃(２１５０OＦ)でサイクル酸化試験を行なった。
【００２７】
例えば、第１シリーズのＣＶＤ低活性アルミナイジング試験は、上記ニッケル基超合金について、基材温度が１０８０℃(１９７５OＦ)、レトルトのコーティング用チャンバーの全圧が２００Torr(０.２６atm.)の条件で行なった。水素キャリヤガス中のアルミニウムトリクロライド(ＡｌＣｌ3)の濃度は４種類あり、具体的には、コーティングガス(ＡｌＣｌ3＋水素キャリヤガス)の体積％として、ａ）１％、ｂ）０.５％、ｃ）０.１％、ｄ）０.０５％である。上記のＡｌＣｌ3の濃度は、レトルトのコーティング用チャンバー内のコーティングガスのものである。実験中、システムを流れるガスの総量は、１時間当たり３００標準立方フィート(scfh)である。ハロゲン化アルミニウム発生器は、水素(Ｈ2)は２０scfh、２９０℃(５５４OＦ)で運転した。塩化水素(ＨＣｌ)の流量は、コーティングチャンバー内のコーティングガス中のＡｌＣｌ3が所定濃度となるように適当に定めた。
【００２８】
第２シリーズのアルミナイジング試験は、ａ）基材温度(１０８０℃)、ｂ）ＡｌＣｌ3濃度(レトルト内のコーティングガスの１.０体積％)、ｃ）ガス流量(３００scfh)を一定とする条件で行なった。この試験では、コーティングチャンバー内の全圧は４種類あり、２００Torr(０.２６atm.)、３２０Torr(０.４２atm.)、４５０Torr(０.５９atm.)及び６５０Torr(０.８６atm.)で行なった。
【００２９】
第３シリーズのアルミナイジング試験は、ａ）基材温度(１０８０℃)、ｂ）ＡｌＣｌ3濃度(レトルト内のコーティングガスの１.０体積％)、ｃ）圧力(２００Torr)を一定とする条件で行なった。この試験では、ガス流量は、１５０scfh、３００scfh及び４５０scfhで行なった。
【００３０】
各グループから１つの試験サンプルを切断し、標本を作り、研磨した後、光学顕微鏡と電子顕微鏡で観察した。コーティング厚さは光学顕微鏡で測定した(１０回測定の平均)。また、コーティングの主要元素の組成分布については、電子プローブマイクロアナリシスによって求めた。追加層の中のアルミニウム濃度は、複数の測定位置の平均値を計算した。
【００３１】
各グループの残りのサンプルについて、２１５０OＦ(１１７７℃)でサイクル酸化試験を行なった。試験用のタブサンプルの寸法は、０.１mmまで測定し、次に表面積を計算した。次に、試験サンプルをアセトンで洗浄し、質量を０.１mgまで測定した。サンプルは、実験用チューブ炉の中で試験を行なった。炉サイクルは、炉内温度に５０分間維持し、１０分間の空冷とした。５０サイクル試験の前後におけるサンプルの質量を測定し、試験後の質量変化について、全てのサンプルの平均を求めた。各サンプルについて、サイクル数に対する質量変化の平均をプロットした。これらの試験では、当初のサンプル質量に対する質量損失が２mg/cm2を不良(failure)と定義した。
【００３２】
＜コーティング成長の動力学(Coating Growth Kinetics)＞
ＣＶＤアルミナイジングプロセスは気体−固体反応であり、反応物質の間で固体生成物層を生成する。生成物層が繋がるのは、拡散制御された反応であり、放物線的(パラボリック)な動力学を示す。放物線則を式(1)に示しており、コーティングの厚さ(Ｘ)は、反応時間(ｔ)の平方根に直接的な関係を有している。
Ｘ＝（ｋp(eff)t）1/2      (1)
【００３３】
式(1)において、ｋp(eff)は、合金の見かけの成長速度定数であり、成膜条件が考慮されており、生成物層の反応物質の拡散係数と相関関係がある。アルミナイジングの実験を行なった後、コーティングの種類毎に平均厚さを測定し、厚さの測定値及びアルミナイジングの実験時間を用いて、各実験毎に速度定数を計算した。
【００３４】
図１は、第１シリーズの試験結果のデータである。具体的には、図１は、レーネＮ５合金サンプル(白金電気メッキ層無し)におけるコーティングについて、圧力４５０Torr、ガス流量３００scfhの条件で、レトルトのコーティング用チャンバー内のＡｌＣｌ3濃度を変えて、見かけの(apparent)成長速度定数をプロットしたものである。超合金について、コーティング成長速度の明白な最大変化位置は、コーティングチャンバーの中のコーティングガス中のＡｌＣｌ3の濃度が１.０体積％のときである。ＡｌＣｌ3の濃度をこの変化点又はその近傍に設定し、他のコーティングパラメータを一定としたとき、コーティングプロセスの処理時間を著しく減少させることができた。この実施例のコーティング処理時間は１０時間である。これに対して、例えば、レトルト中のＡｌＣｌ3がより高濃度のときの一般的なコーティング処理時間が１２〜２０時間、例えば１６時間である。
【００３５】
図２は、第２シリーズの試験結果のデータである。具体的には、図２は、反応器内のＡｌＣｌ3濃度を０.１体積％、ガス流量３００scfhの条件で、レトルトの全圧力を変えて、コーティング成長速度定数をプロットしたものである。図２は、コーティング成長速度の明白な最大変化位置は、反応器の圧力が４５０Torrのときであり、その次に大きな変化位置は２００Torrであることを示している。
【００３６】
図３は、第３シリーズの試験結果のデータである。具体的には、図３は、レーネＮ５超合金について、反応器内の全圧２００Torr、ＡｌＣｌ3濃度０.１体積％の条件で、レトルト内のガス流量を変えて、コーティング成長速度定数をプロットしたものである。図３は、この超合金のコーティング成長速度の明白な最大変化位置は、ガス流量が３００scfhのときであることを示している。
【００３７】
これらの結果より、ＣＶＤによって拡散アルミナイドコーティングを生成するために、超合金上でのコーティングの成長速度を最速とするための最適な条件が存在することがわかる。一般的には、本発明の実施に際して、基材のコーティング温度は、約９００〜約１２００℃である。レトルトのコーティング用チャンバーを流れるコーティングガスの流量は、約１００〜約４５０scfhである。コーティングチャンバー内のコーティングガス中のＡｌＣｌ3の濃度は、コーティングガスの１.４体積％よりも少なく、残部は実質的に水素である。アルゴンのような不活性ガスを水素と共に用いることもできる。コーティングチャンバー内のコーティングの全圧力は約１００〜約４５０Torrである。
【００３８】
好ましいコーティングパラメータは、基材温度が約１０８０℃、コーティングチャンバーを通るコーティングガスの流量が２００〜４００scfh、コーティングチャンバー内のＡｌＣｌ3の濃度がコーティングガスの約０.６〜約１.２％、コーティングチャンバー内のコーティングガスの全圧は約１００〜約３００Torrである。
【００３９】
上記の実験結果より、レーネＮ５及びその他の超合金に関する最適なコーティング条件は次の通りである。
【００４０】
【表１】
0004637539.tif 000002
【００４１】
レトルト圧力の最適値２００Torrは、４５０Torrに亘るレトルト圧力の中で選択されるもので、一般的には、レトルト圧力が低い程、コーティングの均一性は向上する。
【００４２】
＜電子マイクロプローブによる化学分析＞
図４(単一アルミナイドのコーティング)と図５(白金で改質されたアルミナイドコーティング)は、レトルト内のＡｌＣｌ3の濃度を変えて、レーネＮ５の上に形成したコーティングの追加層Ｐのアルミニウム濃度分布の変化を示している。これらの図は、４種類のＡｌＣｌ3濃度(体積率にて、ａ＝１％、ｂ＝０.５％、ｃ＝０.１％、ｄ＝０.０５％)について、温度(１０８０℃)、全圧(２００Torr)、ガス流量(３００scfh)を一定として得られたコーティングに関するＡｌ濃度分布である。ＡｌＣｌ3濃度が１％のときに得られたコーティングのアルミニウム分布が、他の試験データよりも常に有利である。ＡｌＣｌ3濃度が１％のコーティングは、他のコーティングと比べて、追加層の外表面Ｓ(Ｘ軸上の距離０)からどの深さ位置でもアルミニウム濃度が一般的に高い。ＡｌＣｌ3濃度が１％のときのアルミナイド拡散コーティングのアルミニウム濃度は、外表面Ｓの近傍が最大で２３〜２６重量％であり、拡散ゾーン側へのアルミニウム濃度低下は、他のコーティングよりも緩やかである。
【００４３】
図６は、このシリーズの試験における代表的な幾つかの条件について、アルミナイド拡散コーティングの追加層の平均アルミニウム濃度を示している。アルミナイド拡散コーティングの追加層の平均アルミニウム濃度(追加層の全ての測定位置の平均に基づく)は、コーティングチャンバーのＡｌＣｌ3濃度が０.０５体積％から１.０体積％へ上昇すると共に上昇する。実施例の試験は、コーティングサイクルの合計時間が１０時間であった。これに対し、異なるコーティングパラメータで低活性ＣＶＤアルミナイジングを行なうのにしばしば用いられるサイクル時間は１６時間である。
【００４４】
温度(１０８０℃)、ガス流量(３００scfh)及びＡｌＣｌ3濃度(レトルト内のコーティングガスの０.１０体積％)を一定とし、レトルト内の圧力を変えて(２００、３２０及び４５０Torr)処理したサンプルの組成分布を図７及び図８に示しており、図７は、単一アルミナイドがコーティングされたレーネＮ５に関するものであり、図８は、白金アルミナイドがコーティングされたレーネＮ５に関するものである。図７及び図８に示されるように、追加層のアルミニウムの濃度については、レトルトの全圧力が大きくなるほど、外表面Ｓ(Ｘ軸上の距離０)から任意の深さの濃度は高くなる。即ち、ＡｌＣｌ3ガスのこの特定濃度では、レトルト圧力が高くなると、追加層のアルミニウム平均濃度は高くなる。図９を参照すると、白金アルミナイドでコーティングされた基材について、このことが示されている。
【００４５】
＜サイクル酸化試験＞
コーティングされたサンプルについてサイクル酸化試験を行ない、試験した各種類のコーティングについて、損傷(−２mg/cm2の質量変化)までの平均サイクル数を計算した。各種類のコーティングについて、損傷(failure)に至るまでの平均サイクルをコーティングの初期厚さによって割算し、単位厚さについて損傷までのサイクル数を求めている。厚さを正規化(normalizing)することにより、様々なコーティングの酸化抵抗性を直接比較することができる。
【００４６】
図１０は、レーネＮ５超合金の酸化試験の正規化データである。温度(１０８０℃)、ガス流量(３００scfh)及びＡｌＣｌ3濃度(レトルト内のコーティングガスの０.１０体積％)を一定とし、レトルト内の圧力を変えて、レーネＮ５超合金に白金アルミニウムコーティングを施したものである。データによれば、白金改質アルミナイド拡散コーティングの酸化抵抗性は、レトルト内の圧力が低下するにつれて向上することを示しており、最も良好な酸化抵抗性は２００Torrのときであり、その次に良好なのは３２０Torrのときである。
【００４７】
上記の結果は、ＡｌＣｌ3濃度を低くし、レトルトのコーティング用チャンバー内の全圧を下げると、コーティング速度が速くなり、コーティングの酸化抵抗性が向上することを示している。レトルト内の全圧とアルミニウムトリクロライド濃度についても、成長速度及び酸化抵抗性に有意的な変化が観察された。これは予期し得ぬことであった。
【００４８】
本発明を具体的実施例に関して説明したが、当該分野の専門家であれば、特許請求の範囲内で、様々な変形等をなし得ることは理解し得るであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】レーネＮ５超合金にＣＶＤアルミナイジング処理(ＡｌＣｌ3濃度が異なる)１０時間行なって得られた拡散成長速度定数のグラフである。
【図２】レーネＮ５超合金にＣＶＤアルミナイジング処理(レトルトの圧力が異なる)を１０時間行なって得られた拡散成長速度定数のグラフである。
【図３】レーネＮ５超合金にＣＶＤアルミナイジング処理(ガス流量が異なる)を１０時間行なって得られた拡散成長速度定数のグラフである。
【図４】レーネＮ５超合金に形成された単一アルミナイドコーティングのアルミニウム濃度分布のグラフである。
【図５】レーネＮ５超合金に形成された白金アルミナイドコーティングのアルミニウム濃度分布のグラフである。
【図６】ＣＶＤアルミナイジングの急速サイクルプロセスによって作製したアルミナイドコーティングの追加層のアルミニウムの平均濃度の棒グラフである。
【図７】レーネＮ５合金に形成された単一アルミナイドコーティングのアルミニウム濃度分布をＥＰＭＡで測定したグラフである。
【図８】レーネＮ５合金に形成された白金アルミナイドコーティングのアルミニウム濃度分布をＥＰＭＡで測定したグラフである。
【図９】図９は、レーネＮ５超合金について、ＣＶＤアルミナイジングの急速サイクルプロセスによって作製したアルミナイドコーティングの追加層のアルミニウムの平均濃度の棒グラ
【図１０】白金アルミナイドのコーティングを有するレーネＮ５超合金のタブサンプルについて、１１７７℃(２１５０OＦ)で試験したときのサイクル酸化の挙動を示すグラフである。
【図１１】図１１は、ニッケル基超合金基材ＳＢ上に、外方に向けて成長するアルミナイド拡散コーティング(ＭＤＣ−１５０Ｌ)の代表例の顕微鏡写真である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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