(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１８重量％までのコバルト、３．０から１８重量％のクロム、５．０から１５重量％のアルミニウム、０．１から１．０重量％のイットリウム、０．６重量％までのハフニウム、０．３重量％までのシリコン、３．０から１０重量％のタンタル、１．０重量％から９．０重量％までのタングステン、１．０から６．０重量％のレニウム、１０重量％までのモリブデン、および残部のニッケルからなる組成を有し、
前記タンタルと前記タングステンの総量が３．０から１６．０重量％の範囲である、耐酸化性および耐疲労性を提供するための金属コーティング。
【請求項２】
前記コバルトが１５重量％未満の量だけ存在し、前記クロムが５．０から１８重量％の量だけ存在し、前記アルミニウムが５．０から１２重量％の量だけ存在し、前記タングステンが５．０重量％未満の量だけ存在する、ことを特徴とする請求項１記載の金属コーティング。
【請求項３】
前記コバルトが２．０から１８重量％の量だけ存在し、前記クロムが３．０から１０重量％の量だけ存在し、前記アルミニウムが５．５から１５重量％の量だけ存在し、前記レニウムが１．０から５．０重量％の量だけ存在し、前記モリブデンが０．２から４．０重量％の量だけ存在する、ことを特徴とする請求項１記載の金属コーティング。
【請求項４】
前記タンタルと前記タングステンの総量が４．０から１６重量％の範囲である、ことを特徴とする請求項１記載の金属コーティング。
【請求項５】
１５重量％までのコバルト、５．０から１８重量％のクロム、５．０から１２重量％のアルミニウム、０．１から１．０重量％のイットリウム、０．６重量％までのハフニウム、０．３重量％までのシリコン、３．０から１０重量％のタンタル、１．０重量％から５．０重量％までのタングステン、１．０から６．０重量％のレニウム、１０重量％までのモリブデン、および残部のニッケルからなる組成を有し、
前記タンタルと前記タングステンの総量が３．０から１２重量％の範囲である、金属コーティング。
【請求項６】
前記タンタルと前記タングステンの総量が５．０から９．０重量％の範囲である、ことを特徴とする請求項５記載の金属コーティング。
【請求項７】
前記コバルトが２．０重量％未満の量だけ存在し、前記クロムが１０から１５重量％の量だけ存在し、前記アルミニウムが６．０から１０重量％の量だけ存在し、前記イットリウムが０．２から０．７重量％の量だけ存在し、前記ハフニウムが０．２から０．６重量％の量だけ存在し、前記シリコンが０．１重量％以下の量だけ存在し、前記タンタルが５．０から７．０重量％の量だけ存在する、ことを特徴とする請求項５記載の金属コーティング。
【請求項８】
前記クロムが１２．５重量％の量だけ存在し、前記アルミニウムが８．０重量％の量だけ存在する、ことを特徴とする請求項５記載の金属コーティング。
【請求項９】
前記イットリウムが０．４から０．７重量％の量だけ存在し、前記ハフニウムが０．４重量％の量だけ存在する、ことを特徴とする請求項７記載の金属コーティング。
【請求項１０】
前記レニウムが１．０から３．５重量％の量だけ存在する、ことを特徴とする請求項５記載の金属コーティング。
【請求項１１】
前記レニウムが２．０重量％の量だけ存在する、ことを特徴とする請求項５記載の金属コーティング。
【請求項１２】
前記モリブデンが４．０重量％以下の量だけ存在する、ことを特徴とする請求項５記載の金属コーティング。
【請求項１３】
２．０重量％までのコバルト、１０から１５重量％のクロム、６．０から１０重量％のアルミニウム、０．２から０．７重量％のイットリウム、０．２から０．６重量％のハフニウム、０．００１から０．１重量％のシリコン、５．０から７．０重量％のタンタル、１．０から４．０重量％のタングステン、１．０から３．５重量％のレニウム、４．０重量％までのモリブデン、および残部のニッケルからなり、
前記タングステンとタンタルが総量で５．０から９．０重量％の範囲だけ存在する、金属コーティング。
【請求項１４】
１２．５重量％のクロム、８．０重量％のアルミニウム、０．４から０．７重量％までのイットリウム、０．４重量％のハフニウム、６．０重量％のタンタル、２．０重量％のタングステン、２．０重量％のレニウム、および残部のニッケルからなる、金属コーティング。
【請求項１５】
２．０から１８重量％のコバルト、３．０から１０重量％のクロム、５．５から１５重量％のアルミニウム、０．１から１．０重量％のイットリウム、０．６重量％までのハフニウム、０．３重量％までのシリコン、３．０から１０重量％のタンタル、１．０から９．０重量％のタングステン、１．０から５．０重量％のレニウム、０．２から４．０重量％のモリブデン、および残部のニッケルからなり、
前記タンタルと前記タングステンが総量で４．０から１６重量％の範囲だけ存在する、金属コーティング。
【請求項１６】
前記タンタルと前記タングステンが総量で７．０から１２重量％の範囲だけ存在する、ことを特徴とする請求項１５記載の金属コーティング。
【請求項１７】
前記タンタルと前記タングステンが総量で１１重量％だけ存在する、ことを特徴とする請求項１５記載の金属コーティング。
【請求項１８】
前記コバルトが８．０から１２重量％の量だけ存在し、前記クロムが４．０から６．５重量％の量だけ存在し、前記アルミニウムが７．５から１２．５重量％の量だけ存在し、前記イットリウムが０．２から０．７重量％の量だけ存在し、前記ハフニウムが０．２から０．６重量％の量だけ存在し、前記シリコンが０．１重量％以下の量だけ存在し、前記タンタルが５．０から７．０重量％の量だけ存在する、ことを特徴とする請求項１５記載の金属コーティング。
【請求項１９】
前記コバルトが１０．５重量％の量だけ存在し、前記クロムが５．０重量％の量だけ存在し、前記アルミニウムが９．０重量％の量だけ存在し、前記イットリウムが０．４から０．７重量％の量だけ存在し、前記ハフニウムが０．４重量％の量だけ存在し、前記タンタルが６．０重量％の量だけ存在する、ことを特徴とする請求項１５記載の金属コーティング。
【請求項２０】
前記タングステンが４．２から５．８重量％の量だけ存在し、前記レニウムが２．３から３．７重量％の量だけ存在し、前記モリブデンが１．４から２．０重量％の量だけ存在する、ことを特徴とする請求項１５記載の金属コーティング。
【請求項２１】
前記タングステンが５．０重量％の量だけ存在し、前記レニウムが３．０重量％の量だけ存在し、前記モリブデンが１．７重量％の量だけ存在する、ことを特徴とする請求項１５記載の金属コーティング。
【請求項２２】
８．０から１２．０重量％のコバルト、４．０から６．５重量％のクロム、７．５から１２．５重量％のアルミニウム、０．２から０．７重量％のイットリウム、０．２から０．６重量％のハフニウム、０．３重量％までのシリコン、５．０から７．０重量％のタンタル、４．２から５．８重量％のタングステン、２．３から３．７重量％のレニウム、１．４から２．０重量％のモリブデン、および残部のニッケルからなる組成を有し、
前記タンタルと前記タングステンが総量で７．０から１２重量％の範囲だけ存在する、金属コーティング。
【請求項２３】
１０．５重量％のコバルト、５．０重量％のクロム、９．０重量％のアルミニウム、０．４から０．７重量％のイットリウム、０．４重量％のハフニウム、０．１重量％のシリコン、６．０重量％のタンタル、５．０重量％のタングステン、３．０重量％のレニウム、１．７重量％のモリブデン、および残部のニッケルからなる、金属コーティング。
【請求項２４】
基板上にオーバーレイコーティングを蒸着するための方法であって、
ニッケルをベースとする金属材料、コバルトをベースとする金属材料、鉄をベースとする金属材料のうちの少なくとも１つから形成された基板材を用意するステップ、および
１８重量％までのコバルト、３．０から１８重量％のクロム、５．０から１５重量％のアルミニウム、０．１から１．０重量％のイットリウム、０．６重量％までのハフニウム、０．３重量％までのシリコン、３．０から１０重量％のタンタル、１．０重量％から９.０重量％までのタングステン、１．０から６．０重量％のレニウム、１０重量％までのモリブデン、および残部のニッケルからなる組成を有するコーティングを、前記基板上に蒸着するステップを有してなり、
前記蒸着ステップが、カソードアーク法を用いて実施される、方法。
【請求項２５】
前記蒸着ステップが、１５重量％までのコバルト、５．０から１８重量％のクロム、５．０から１２重量％のアルミニウム、０．１から１．０重量％のイットリウム、０．６重量％までのハフニウム、０．３重量％までのシリコン、３．０から１０重量％のタンタル、１．０重量％から５．０重量％までのタングステン、１．０から６．０重量％のレニウム、１０重量％までのモリブデン、および残部のニッケルからなる組成を有するコーティングを蒸着することを有してなる、ことを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
前記蒸着ステップが、２．０重量％までのコバルト、１０から１５重量％のクロム、６．０から１０重量％のアルミニウム、０．２から０．７重量％のイットリウム、０．２から０．６重量％のハフニウム、０．１重量％までのシリコン、５．０から７．０重量％のタンタル、１．０から４．０重量％のタングステン、１．０から３．５重量％のレニウム、４．０重量％までのモリブデン、および残部のニッケルからなる組成を有するコーティングを蒸着することを有してなる、ことを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２７】
前記蒸着ステップが、２．０から１８重量％のコバルト、３．０から１０重量％のクロム、５．５から１５重量％のアルミニウム、０．１から１．０重量％のイットリウム、０．６重量％までのハフニウム、０．３重量％までのシリコン、３．０から１０重量％のタンタル、１．０から９．０重量％のタングステン、１．０から５．０重量％のレニウム、０．２から４．０重量％のモリブデン、および残部のニッケルからなる組成を有するコーティングを蒸着することを有してなる、ことを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２８】
前記蒸着ステップが、８．０から１２重量％のコバルト、４．０から６．５重量％のクロム、７．５から１２．５重量％のアルミニウム、０．２から０．７重量％のイットリウム、０．２から０．６重量％のハフニウム、０．３重量％までのシリコン、５．０から７．０重量％のタンタル、４．２から５．８重量％のタングステン、２．３から３．７重量％のレニウム、１．４から２．０重量％のモリブデン、および残部のニッケルからなる組成を有するコーティングを蒸着することを有してなる、ことを特徴とする請求項２４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温のガスタービンエンジン構成部品を保護するための、耐酸化性および耐疲労性の金属コーティング（金属被覆）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高温のガスタービン構成部品ないし部品の酸化防止のために種々の金属コーティングが過去において開発されている。これらのコーティングはしばしば、ニッケルをベースとする材料またはコバルトをベースとする材料との異なるアルミニド（アルミニウム化合物）組成物をベースとしている。あるいは、上記コーティングは、ＭＣｒＡｌＹを基礎ないし基材とするオーバレイ蒸着をベースとするものであり、Ｍはニッケル、コバルト、鉄またはこれらの材料の組み合わせである。これらの従来のコーティングシステムは、より最新式のタービン構成部品上へのこれらコーティングの使用を妨げる欠点がある。拡散されたアルミニドは、耐疲労性は良好であるものの、非常に高温（華氏２０００度（約１０９３．４℃）を超える温度）下での耐酸化性が一般的に欠けている。オーバレイＭＣｒＡｌＹコーティングは金属疲労の点において重大な欠点があり、これによりその用途が制限されてします。ＭＣｒＡｌＹコーティングに活性元素ないし有効成分を添加することで、優れた耐酸化性が提供でき、またこれらコーティングを熱バリアのセラミックコーティングに対するボンドコートの良好な候補とすることができる。アルミニドコーティングおよびＭＣＡｒｌＹコーティングは共に広範囲な用途を有するものの、これら両方の最も良い特性を組み合わせることができる新規のコーティングがあれば、最新式のタービン構成部品に直ちに適用して、疲労性、プルウェイト（pull weight）、および酸化性を全て最小とすることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、良好な耐酸化性および耐疲労性を提供する金属コーティング組成ないし組成物を提供することにある。
本発明の別の目的は、コーティングおよび共通ないし共用のタービン合金との間の熱膨張の不一致ないし不適合を低減できる、コーティング組成ないし組成物を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の各目的は本発明のコーティングにより達成できる。
本発明によれば、１８重量％までのコバルト、３．０から１８重量％のクロム、５．０から１５重量％のアルミニウム、０．１から１．０重量％のイットリウム、０．６重量％までのハフニウム、０．３重量％までのシリコン、３．０から１０重量％のタンタル、９．０％までのタングステン、１．０から６．０重量％のレニウム、１０重量％までのモリブデン、および残部のニッケルを有してなる組成を有する、金属コーティングが提供される。また、本発明のコーティングの組成は、総量つまり合計量が３．０から１６重量％の範囲の、タンタルとタングステンを有している。
【０００５】
本発明に係わる耐酸化性および耐疲労性の金属コーティングのその他の詳細、並びに他の目的および特長は、以下の詳細な説明において述べられている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
タービンエンジン構成部品はニッケルをベースとする合金、コバルトをベースとする合金、および鉄をベースとする合金から形成されている。これらの構成部品が動作ないし作動する極めて高温の環境のため、これら構成部品に保護コーティングを施すことが必要である。コーティングは、それが施されたタービンエンジン部品上での疲労の影響を最小限にすると同時に、最大の耐酸化性を提供するものでなければならない。コーティングはまた、コーティングと、タービンエンジンの構成部品を形成するために使用される合金との間の熱膨張の不一致ないし不適合を最小限とするものでなければならない。この不一致はＭＣｒＡｌＹコーティングの金属疲労特性が劣る一因である。
【０００７】
本発明によれば、熱的な不一致を低減し且つ非常に好適な耐酸化性および耐疲労性を提供する金属コーティングが開発された。この金属コーティングは、概略的には、１８重量％までのコバルト、３．０から１８重量％のクロム、５．０から１５重量％のアルミニウム、０．１から１．０重量％のイットリウム、０．６重量％までのハフニウム、０．３重量％までのシリコン、３．０から１０重量％のタンタル、９．０重量％までのタングステン、１．０から６．０重量％のレニウム、１０重量％までのモリブデン、および残部のニッケルよりなるものである。これらのコーティングにおいて、タングステンとタンタルは、総量で、３．０から１６重量％だけ存在する。
【０００８】
上記の概略的な組成（物）において、タービンエンジンの構成部品用として特に有用なコーティングの第１の群は、１５重量％まで、好ましくは２．０重量％あるいは未満つまり２．０重量％以下のコバルト、５．０から１８重量％まで、好ましくは１０から１５重量％のクロム、５．０から１２重量％の、好ましくは６．０から１０重量％のアルミニウム、０．１から１．０重量％の、好ましくは０．２から０．７重量％のイットリウム、０．６重量％まで、好ましくは０．２から０．６重量％のハフニウム、０．３重量％まで、好ましくは０．１重量％あるいはそれ未満つまり０．１重量％以下のシリコン、３．０から１０重量％の、好ましくは５．０から７．０重量％のタンタル、５．０重量％まで、好ましくは１．０から４．０重量％のタングステン、１．０から６．０重量％、好ましくは１．０から３．５重量％のレニウム、１０重量％まで、好ましくは４．０重量％あるいはそれ未満つまり４．０重量％以下のモリブデン、および残部のニッケルを必須的に有してなる組成を有している。これら金属コーティングにおけるタンタルとタングステンの総量つまり合計量は、３．０から１２重量％の範囲、好ましくは５．０から９．０重量％の範囲である。
【０００９】
この第１の群のコーティングにおいて、特に有用なコーティング組成（物）は、１２．５重量％のクロム、８．０重量％のアルミニウム、０．４から０．７重量％のイットリウム、０．４重量％のハフニウム、６．０重量％のタンタル、２．０重量％のタングステン、２．０重量％のレニウム、および残部のニッケルよりなるものである。
【００１０】
特に有用である金属コーティング組成（物）の第２の群は、２．０から１８重量％、好ましくは８．０から１２重量％のコバルト、３．０から１０重量％、好ましくは４．０から６．５重量％のクロム、５．５から１５重量％、好ましくは７．５から１２．５重量％のアルミニウム、０．１から１．０重量％、好ましくは０．２から０．７重量％のイットリウム、０．６重量％まで、好ましくは０．２から０．６重量％のハフニウム、０．３重量％までのシリコン、３．０から１０重量％、好ましくは５．０から７．０重量％のタンタル、１．０から９．０重量％、好ましくは４．２から５．８重量％のタングステン、１．０から５．０重量％、好ましくは２．３から３．７重量％のレニウム、０．２から４．０重量％、好ましくは１．４から２．０重量％のモリブデン、および残部のニッケルを有してなるものである。これらのコーティングにおけるタングステンとタンタルの総量つまり合計量は、３．０から１２重量％、好ましくは５．０から９．０重量％である。
【００１１】
この第２の群のコーティングにおいて、特に有用なコーティング組成（物）は、１０．５重量％のコバルト、５．０重量％のクロム、９．０重量％のアルミニウム、０．４から０．７重量％のイットリウム、０．４重量％のハフニウム、０．１重量％のシリコン、６．０重量％のタンタル、５．０重量％のタングステン、３．０重量％のレニウム、１．７重量％のモリブデン、および残部のニッケルよりなるものである。
【００１２】
コーティングの疲労性能ないし特性を低下ないし劣化させるものは、余分ないし過度のコーティング厚さである。オーバレイコーティング（overlay coating）の典型的な方法は、低圧プラズマ溶射（low pressure plasma spray：ＬＰＳＳ）のような溶射技術を含んでおり、これにより厚さが０．００４から０．０１２インチ（約０．０１０１６から０．０３０４８ｃｍ）のコーティングが作られる。カソードアークプラズマ蒸着技術を用いることで、０．００２インチ（約０．００５０８ｃｍ）の厚さを有する上記の組成でのコーティングを行うことが可能となる。カソードアークプラズマ蒸着により本発明のコーティングを行うために適用可能な技術は、米国特許第５，９７２，１８５号、５，９３２，０７８号、６，０３６，８２８号、５，７９２，２６７号および６，２２４，７２６号に説明されており、これらは本明細書に参考として組み入れられる。マグネトロンスパッタリングや電子ビームプラズマ蒸着のような他のプラズマ蒸着技術を含む、その他の蒸着方法も使用できる。厚さが重要でない場合、低圧プラズマ溶射やＨＶＯＦ（high velocity oxy-fuel：高速ガス式溶射）のような他の溶射技術も利用可能である。
【００１３】
本発明に係わる組成を有するコーティングは、拡散アルミニドのコーティングの最良の耐疲労性（疲労抵抗）と同等の耐熱疲労性（熱疲労抵抗）を有することが実証された。以下の表に、本発明に係わる組成（物）と他のコーティング組成（物）とを比較した、華氏２１００度（約１１４９℃）でのバーナー装置による周期的な酸化試験（burner rig cyclic oxidation test）の結果を例示したものである。
【００１４】
【表１】
0004149845.tif 000002
【００１５】
材料７０１から形成された試料は、１２．５重量％のクロム、８．０重量％のアルミニウム、０．４から０．７重量％のイットリウム、０．４重量％のハフニウム、６．０重量％のタンタル、２．０重量％のタングステン、２．０重量％のレニウム、および残部のニッケルよりなる組成を有している。材料７０２から形成された試料は、１０．５重量％のコバルト、５．０重量％のクロム、９．０重量％のアルミニウム、０．４から０．７重量％のイットリウム、０．４重量％のハフニウム、０．１重量％のシリコン、６．０重量％のタンタル、５．０重量％のタングステン、３．０重量％のレニウム、１．７重量％のモリブデン、および残部のニッケルよりなる組成を有している。
【００１６】
７０３に示された試料は、７．０重量％のクロム、６．０重量％のアルミニウム、５．５重量％のタングステン、４．０重量％のタンタル、２．０重量％のレニウム、４．０重量％のルテニウム、０．５重量％のモリブデン、０．４重量％のハフニウム、０．２５重量％のイットリウム、および残部のニッケルよりなる組成を有している。
【００１７】
６９９で示された各試料は、レニウムおよびタンタルを有したＮｉＣｏＣｒＡｌＹ組成である。７００、６９７、６９５、および６９６で示された各試料は、２から４重量％のクロム、０．２から０．６重量％のイットリウム、および０．４重量％のハフニウムを有したＮｉＡｌ組成（物））である。ＰＷＡ２７５で示された各試料は、従来の低活性のＮｉＡｌアルミニドである。
【００１８】
試験条件は、各時間において、５７分間は２１００°Ｆ（約１１４９℃）に置き、３分間は強制的に空冷するものである。予熱した、ＪＰ８ジェット燃料を混合した圧縮空気をバーナー装置に供給し、動的環境において各資料を加熱した。
【００１９】
以上の通り、本発明によれば、上述した各目的、手段および特長をすべて満足する、耐酸化性および耐疲労性の金属コーティングが提供されることは明らかである。以上の説明では、本発明を特定の実施形態に基づいて説明したが、当業者は上記の説明に基づいて他の置換え、変更および変更を行うことは自明なことである。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲内に属するこれら置換え、変更および変形をも含むものである。