(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケルまたはニッケル合金からなる耐熱金属部材表面に、アルミニウムとニッケルとからなる被覆層形成材料を配置し、少なくとも該被覆層形成材料を局所的に加熱することにより、該被覆層形成材料同士からなる金属間化合物を生成せしめ、該金属間化合物からなり、高温腐食環境下で該耐熱金属部材を保護するために１〜１．５ｍｍの厚さの耐食耐酸化性被覆層を形成することを特徴とする被覆層の形成方法。
【請求項２】
前記被覆層形成材料は、棒状、線状、リボン状、粉末状から選択される少なくとも１種の形態で用いることを特徴とする請求項１記載の被覆層の形成方法。
【請求項３】
前記加熱は、アーク放電により行うことを特徴とする請求項１または請求項２記載の被覆層の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱金属部材の表面に耐食耐酸化性被覆層を形成する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガスタービンやジェットエンジンに使用される化石燃料は、硫黄等の有害成分の濃度が高くなりつつある。これは、元来、有限の資源である化石燃料の消費が進んだ結果、硫黄等の含有量が高く品質の低い燃料を使用せざるを得なくなって来たためである。
【０００３】
また、ガスタービンやジェットエンジン等では、高効率化のために入口ガス温度が高くなる傾向がある。この結果、ガスタービンやジェットエンジン等のブレードやノズル等は、前記硫黄等の含有量が高く品質の低い燃料から発生する高温の腐食性燃焼ガスに接触して高温腐食を起こしやすくなって来ており、高温環境下で用いられる耐熱金属部材の耐食耐酸化性の向上が望まれる。
【０００４】
従来、１５００℃以上の高温環境下で構造材料として使用できる耐熱金属部材として、モリブデンまたはタングステンと珪素との金属間化合物、ニオブ、タンタルまたはイリジウムとアルミニウムとの金属間化合物等が検討されている。前記金属間化合物は、融点が高く、高温環境下での機械的強度、耐食性、耐酸化性等に優れている反面、極めて靱性に乏しく、単独で構造材料とすることができないとの問題がある。
【０００５】
一方、融点の高い耐熱金属自体を高温環境下で構造材料として使用することが提案されている。モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、イリジウム等の耐熱金属は、融点が２５００〜３４００℃と極めて高い上、高温環境下でも靱性に富んでいる。しかし、前記耐熱金属はいずれも高温環境下で酸化されやすいとの問題がある。
【０００６】
そこで、前記耐熱金属の表面を、高温環境下での耐食性、耐酸化性に優れた金属間化合物で被覆することが試みられている。前記耐熱金属の表面を前記金属間化合物で被覆する方法として、パックセメンテーション法、化学蒸着法、スラリーセメンテーション法、浸漬法等の拡散現象を利用する方法があり、例えば、パックセメンテーション法によりニオブからなる耐熱金属部材の表面にモリブデン−珪素系金属間化合物を被覆したものが報告されている（Ｔ．Ａ．Ｋｉｒｃｈｅｒ，Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｅｎｇ．，Ａ１５５（１９９２），６７）。
【０００７】
しかしながら、前記拡散現象を利用する方法では、拡散による原子の移動速度が極めて遅いため、高温で長時間の処理を施しても、厚さが数μｍ〜数十μｍ程度の薄い被覆層しか得られず、かかる薄い被覆層では高温腐食環境下で前記耐熱金属部材を十分に保護することが難しいという不都合がある。また、前記拡散現象を利用する方法では、被覆される耐熱金属部材の表面ばかりでなく、該耐熱金属部材全体を長時間に亘って加熱しなければならないため、該耐熱金属の微細組織が変化して該耐熱金属自体の物性が劣化するという不都合もある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる不都合を解消して、耐熱金属部材の表面に、該耐熱金属自体の物性を劣化させることなく、高温腐食環境下で該耐熱金属部材を保護するために十分な厚さを備える耐食耐酸化性被覆層を形成する方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明の被覆層の形成方法は、ニッケルまたはニッケル合金からなる耐熱金属部材表面に、アルミニウムとニッケルとからなる被覆層形成材料を配置し、少なくとも該被覆層形成材料を局所的に加熱することにより、該被覆層形成材料同士からなる金属間化合物を生成せしめ、該金属間化合物からなり、高温腐食環境下で該耐熱金属部材を保護するために１〜１．５ｍｍの厚さの耐食耐酸化性被覆層を形成することを特徴とする。
【００１１】
本発明の方法では、まず、前記耐熱金属部材の表面に前記被覆層形成材料を配置し、少なくとも該被覆層形成材料を局所的に加熱する。この結果、前記被覆層形成材料が溶融され、異なる金属からなる複数の被覆層形成材料同士の金属間化合物が生成される。そして、溶融された金属が凝固することにより、前記耐熱金属部材表面に、前記金属間化合物からなる耐食耐酸化性被覆層が、高温腐食環境下で該耐熱金属部材を保護するために１〜１．５ｍｍの厚さに形成される。
【００１２】
また、前記耐熱金属部材は、局所的に加熱されるに過ぎないので、該耐熱金属自体の劣化を避けることができる。前記被覆層は、前記耐熱金属部材と被覆層形成材料とを局所的に加熱する操作を連続して行うことにより、該耐熱金属部材の表面の所定の範囲に形成することができる。
【００１３】
前記被覆層形成材料は、棒状、線状、リボン状、粉末状から選択される少なくとも１種の形態で用いることができる。前記被覆層形成材料は、前記加熱される部分に連続的に供給することにより、所望の厚さ耐食耐酸化性被覆層を形成することができる。
【００１４】
前記耐熱金属部材と被覆層形成材料との加熱は、アーク放電、レーザ照射等により行うことができるが、より局所的に加熱するためにアーク放電により行うことが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の方法を示す説明的断面図であり、図２は本実施形態の一態様により得られた耐食耐酸化性被覆層の構成を示す説明的断面図、図３は図２示の耐食耐酸化性被覆層の組成を示すグラフ、図４は図２示の耐食耐酸化性被覆層のヴィッカース硬度を示すグラフである。  
【００２１】
本実施形態の方法は、まず、図１示のように、耐熱金属部材１の表面に、複数の被覆層形成材料２ａ，２ｂを配置を配置する。被覆層形成材料２ａ，２ｂは、互いに異なる金属からなり、互いに溶融して金属間化合物を生成することができる。被覆層形成材料２ａ，２ｂは、例えば、棒状、線状、リボン状、粉末状等の形態で用いられる。
【００２２】
次に、電源装置３を介して耐熱金属部材１に接続された炭素電極４と、耐熱金属部材１との間でアーク放電Ｄを生じさせることにより、被覆層形成材料２ａ，２ｂを局所的に加熱する。このようにすることにより、被覆層形成材料２ａ，２ｂを溶融させ、被覆層形成材料２ａ，２ｂを構成する金属からなる金属間化合物を生成させる。また、前記金属化合物の溶融熱により、前記耐熱金属部材１の表面を局所的に溶融させる。そして、前記のように溶融された金属を凝固させることにより、前記耐熱金属部材１上に前記金属間化合物からなる耐食耐酸化性被覆層５を形成させる。
【００２６】
図１に示す方法では、前記局所的加熱を耐熱金属部材１上で連続して行うことにより、耐熱金属部材１の表面の所定の範囲に耐食耐酸化性被覆層５を形成することができる。
【００２７】
本実施形態の方法において、耐熱金属部材１としては、ニッケルまたはニッケル合金を用いることができ、被覆層形成材料２としては、アルミニウムまたはニッケルを用いることができる。ニッケルまたはニッケル合金からなる耐熱金属部材１に、被覆層形成材料２として、アルミニウムとニッケルとを用いるときには、前記金属間化合物としてニッケルアルミナイドとトリニッケルアルミナイドとが生成される。
【００３４】
ニッケルまたはニッケル合金からなる耐熱金属部材１の表面に、前記金属間化合物としてニッケルアルミナイドとトリニッケルアルミナイドとを生成させる場合、耐熱金属部材１の基体金属相と、ニッケルアルミナイドの金属間化合物相とは、トリニッケルアルミナイドの金属間化合物相を中間層として共有することにより、３つの相が共存することができる。
【００３７】
次に、本発明の実施例を示す。
【００３８】
【実施例１】
本実施例では、耐熱金属部材１として直径１５ｍｍ、厚さ５ｍｍのニッケル基超合金（商品名、インコネル＃６００）基材を用い、図１（ａ）示のように、耐熱金属部材１の表面に被覆層形成材料２としてのリボン状ニッケルとリボン状アルミニウムとを等モル比で配置した。そして、タングステン電極４と耐熱金属部材１との間にアーク放電Ｄを生じさせることにより、前記ニッケル基超合金基材とリボン状ニッケルとリボン状アルミニウムとを局所的に加熱した。
【００３９】
前記加熱によれば、まずリボン状ニッケルとリボン状アルミニウムとが溶融され、次いで生成したニッケルアルミナイドの溶融熱により前記ニッケル基超合金基材が溶融された。そして、前記のようにして溶融した金属の凝固時に、前記ニッケルアルミナイドを基材表面に接合させることにより、耐食耐酸化性被覆層５を形成した。前記加熱は２秒間行い、前記ニッケル基超合金基材の表面全域が耐食耐酸化性被覆層５で被覆されるようにした。
【００４０】
この結果、図２に示すように、前記ニッケル基超合金基材からなる耐熱金属部材１の表面に、厚さ約１．５ｍｍの耐食耐酸化性被覆層５が形成された。前記耐食耐酸化性被覆層５は、ニッケルとアルミニウムとの金属間化合物であるニッケルアルミナイド（ＮｉＡｌ３）からなる表面層６ａと、ニッケルとアルミニウムとの金属間化合物であるニッケルアルミナイドとトリニッケルアルミナイド（Ｎｉ３Ａｌ）とが共存する中間層６ｂとからなり、表面層６ａは中間層６ｂを媒介として耐熱金属部材１の表面に強固に接合されている。
【００４１】
次に、耐食耐酸化性被覆層５で被覆された耐熱金属部材１の化学組成をＸ線微小部分析装置により測定した。結果を、耐食耐酸化性被覆層５で被覆された耐熱金属部材１の表面からの深さと、原子濃度との関係として、図３に示す。
【００４２】
図３から、耐食耐酸化性被覆層５で被覆された耐熱金属部材１の表面から深さ約１ｍｍまでは、ニッケル濃度約６０％、アルミニウム濃度約４０％であり、これは表面層６ａがニッケルに富んだニッケルアルミナイドからなることを示している。前記組成は、等モル比のリボン状ニッケルとリボン状アルミニウムとが溶融されて生成したニッケルアルミナイドにより前記ニッケル基超合金基材が溶融された結果と考えられ、化学量論組成ではないが、ニッケルアルミナイドの固溶限界内の値である。また、前記表面から深さ約１〜１．５ｍｍの領域では、ニッケル濃度が６０〜７０％の間、アルミニウム濃度が１０〜３０％の間で激しく変動しており、これは中間層６ｂにニッケルアルミナイドとトリニッケルアルミナイドとが共存していることを示している。また、前記表面から約１．５ｍｍより深い領域では、アルミニウム濃度が実質的に０になる一方、ニッケル濃度が前記ニッケル基超合金基材中の濃度である約７０％となっており、ニッケル基材自体の物性が変化していないことを示している。
【００４３】
次に、耐食耐酸化性被覆層５で被覆された耐熱金属部材１のヴィッカース硬さを測定した。結果を、耐食耐酸化性被覆層５で被覆された耐熱金属部材１の表面からの深さと、ヴィッカース硬さとの関係として、図４に示す。
【００４４】
図４から、前記表面層６ａと中間層６ｂとに対応する、前記表面から深さ約１．５ｍｍまでの領域では、ヴィッカース硬さが増大しているのに対して、前記耐熱金属部材（ニッケル基超合金基材）１に対応する深さ１．５ｍｍ以上の領域ではヴィッカース硬さが低く、前記ニッケル基超合金基材が本来の靱性を保持していることが明らかである。
【００４５】
また、前記ニッケルアルミナイドの融点は１６３８℃、トリニッケルアルミナイドの融点は１３９５℃であって、高温腐食環境下では耐食耐酸化性被覆層５により耐熱金属部材１が保護されることが期待される。
【００４６】
従って、本実施例の方法によれば、耐熱金属部材１の表面に、ニッケル基超合金基材自体の物性を劣化させることなく、高温腐食環境下で該ニッケル基超合金基材を保護するために十分な厚さを備える耐食耐酸化性被覆層５を形成することができることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の方法を示す説明的断面図。
【図２】  本発明の一実施例により得られた耐食耐酸化性被覆層の構成を示す説明的断面図。
【図３】  図２示の耐食耐酸化性被覆層の組成を示すグラフ。
【図４】  図２示の耐食耐酸化性被覆層のヴィッカース硬度を示すグラフ。  
【符号の説明】
１…耐熱金属部材、  ２ａ，２ｂ…被覆層形成材料、  ５…耐食耐酸化性被覆層。
【図１】
0003999491.tif 000002
【図２】
0003999491.tif 000003
【図３】
0003999491.tif 000004
【図４】
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