JPS5917189B2 - 熱的に保護された超合金構造体 - Google Patents

熱的に保護された超合金構造体

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JPS5917189B2
JPS5917189B2 JP51107675A JP10767576A JPS5917189B2 JP S5917189 B2 JPS5917189 B2 JP S5917189B2 JP 51107675 A JP51107675 A JP 51107675A JP 10767576 A JP10767576 A JP 10767576A JP S5917189 B2 JPS5917189 B2 JP S5917189B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱的に保護された超合金構造体に係る。
安定化された酸化ジールコニウムを使用するプラズマ
スプレーされた金属/セラミック熱障壁コーティングは
、高温度条件に曝される金属要素を保護し、一般的には
素地金属の淵度及び熱的遷移の影響を低減するために広
く使用されている。かかるシステムは、ガスタービンエ
ンジンに於ける燃焼室、中間ダクト及びアフターバーナ
ライナーに於て通常使用されているが、これは又種々の
段階に於るベーンプラットフォーム及びエアーフォイル
を保護するのにも使用されて良いものである。 かかる
コーティングの最も重要な特徴は、その熱的絶縁特性で
ある。何故ならば、素地金属の温度及び過渡的な熱応力
を低減する大きさは、酸化物成分の熱伝導率が小さいこ
と及びコーティングの厚さに関係しているからである。
一般に実際の熱障壁コーティングに必要とされる特性は
以下の如きものである。(a)熱伝導率が小さいこと。
(b)熱応力による割れに抗すべく充分な粘着性を 有
すること、即ち良好な−粒子間及び基質に対す る接着
力を有すること。
(c)金属構成成分が冶金的に最大限に一様であり、
且酸化/高洞腐蝕抵抗を有すること。
(d)セラミックと基質合金との間の熱膨張率ができる
だけ近いこと。
(e)構造的変態により惹起される非線型的熱膨張の影
響を最小限にすべく、所要の結晶構造(立方晶系ジルコ
ニア)が充0に安定化されていること。
(f)製造中及び販売後修理が可能であること。
当技術分野に於ては現在マグネシアにて安定化されたジ
ルコニアに基く幾つかのセラミツク一金属系が採用され
ている。一般的には素地金属はHastellOyX,
TD−Nickel,或はHaynessl88の如き
ニツケル或はコバルト基超合金であり、これがニツケル
一5(f)アルミニウム或はニツケル一20%クロム合
金のボンド層と、安定化されたジルコニアセラミツクの
中間金属層と、安定化されたジルコニアの最上層とより
被覆される。かかる層は素地金属上にプラズマスプレー
され、当業者には名目上連続的な勾配処理プロセスによ
り性能が改善され且被覆コストが低減され得ることが判
つており、このプロ゜セスによりジルコニアの濃度は、
ボンド層と素地金属との界面に於るO%より外面に於る
ほぼ100%まで連続的に増大する。一般にかかるコー
テイングは約380μの厚さにまで付着される。かかる
種々の技術の詳細は、米国特許第 3,006.782号、第2,937,102号、第3
,091,548号及び第3,522,064号に開示
されている。
現在好ましいセラミツク成分のうちの一つはジルコニア
であり、これは単独で或は酸化マグネシウム、酸化カル
シウム、酸化イツトリウム、La2O3,cl2O3の
如き材料と混合されて使用されて良く、これらの材料は
より望ましい立方晶形にてジルコニアを安定化するもの
として知られている。
従つてニツケル及びコバルト基超合金を高温環境より保
護するものとして当業者に現在知3られている最良手段
のうちの一つは、ジルコニアを基礎としたセラミツクコ
ーテイングよりなるものである。このコーテイングはニ
ツケルークロム或はニツケルーアルミニウム合金による
ベースコーテイングに接着されるものであり、このコー
テ 4′インクに於てはセラミツクの濃度は基質より上
層コーテイングまで徐々に或は不連続的に増大している
。かかる進歩した系は良好な機能を果すことが知フられ
ているが、破損が生ずる場合、その破損は金属成分が酸
化劣化し、次いでセラミツクの上層が剥脱することによ
つて発生することが分つた。
更に破損が生じたときには、金属成分が入手可能な酸除
去液に対して抵抗を有しているので、その破損した物品
を修繕するのが困難であつた。杢発明によれば、ボンド
被覆金属を適宜に選択することにより、熱障壁の性能及
び物品の修繕可能性に関し大巾な改善が得られることが
分つた。従つて杢発明の一つの目的は、ニツケル及びコ
バルト基超合金のための改良されたセラミツク/金属熱
障壁コーテイングを提供することである。
本発明のこの目的及び他の目的は以下の説明より容易に
明らかとなろう。杢発明によれば、ジルコニア基セラミ
ツクに対するボンド被覆及び勾配化金属として、10〜
25%クロム、10〜18%アルミニウム、1%以下の
イツトリウム及び残部としてのコバルト、鉄、ニツケル
及びニツケルーコバルトよりなる群より選択された材料
よりなる合金を使用することにより、障壁の熱的抵抗が
意外にも改善されることが判つた。
かかる材料はMCrAlY合金として知られており、米
国特許第3,542,530号、第3,676,085
号、第3,754,903号及びNiCOCrAlY合
金として1974年5月13日付にて同時出願された米
国特許出願第469,186号(米国特許第3,928
、026号)に詳細に開示されている。ボンド被覆及び
ジルコニアの濃度は、素地材料とボンド被覆との間の界
面に於る0%セラミツクから露呈面に於る100%セラ
ミツクまで連続的に濃度が変化しているのが好ましいが
、もし連続的に濃度を変化せしめる装置が入手できない
ならば、ジルコニアの濃度が不連続的に増大している一
つ或はそれ以上の層が使用されてよいことを理解された
い。このコーテイングに使用されるジルコニアは当技術
分野に於て周知である如く、ある量の酸化カルシウム或
は酸化マグネシウムを使用することにより安定化されて
立方晶形とされているのが好ましい。
更にジルコニアは、ジルコニアに対して永久的な立方晶
スタビライザーであることが知られているY2O3及び
La2O3の如き他の酸化物或はCl2O3の如きメタ
スタビライザーを含んでいても良い。金属基質の性質に
対応する圧縮強さ及び熱膨張係数を選択することにより
、セラミツク部の性質を熱衝撃抵抗に対して適当なもの
とすべく、立方晶に安定化されたジルコニアと混合して
酸化ニツケル、酸化亜鉛及び酸化コバルトの如き非スタ
ビライザーを追加してもよい。これらの特定技術はそれ
自身は杢発明の一部をなしてはおらず、又今後使用する
「ジルコニア」と言う言葉にはジルコニア基セラミツク
材料が含まれ、この材料は純ジルコニア或は上述の例の
うちの一つ或はそれ以上の添加物と混合されたジルコニ
アのいづれであつてもよい。本発明の熱障壁コーテイン
グは、市販の装置を使用して当技術分野に於て周知の技
術により付着されてよい。
以下の例に於てはノズル(AlO6F45H−1)、4
0キロワツト電源装置(PlasmadynemOde
lPS−61M)及び二杢の粉末フイーダ(Plasm
adynemOdellOO8A)を使用してミニガン
(PlasmadynemOdellO68)より付着
された。
一つの粉末フイーダはボンド被覆合金を含んでおり、も
う一つの粉末フイーダはジルコニアを含んでいたが、両
方ともアルゴンにて加圧された。個個の粉末フイーダの
流量を変化することにより、連続的に濃度が変化した熱
障壁コーテイングが得られた。材料の粉末粒子寸法の選
択は重要ではなく、使用された装置についてはボンド被
覆の合金の粒子寸法は0.03〜0.05m1&の範囲
であるのが好ましいと言うことが判つた。この材料の粒
子寸法はさほど重要ではないが、より小さな粒子寸法で
は融けるのが早すぎてスプレーガンのノズルを閉塞する
傾向があるので、使用される装置に固有なものである。
例1Haste110yXの板材が連続的に濃度変化す
るニツケルクロム及びMgOにて安定化されたジルコニ
アにて被覆され、約980℃にて100時間及び200
時間の静的酸化試験をされた。
この試験後のコーテイング組織に関する金属組織学的試
験により、ニツケルクロム成分は100時間後にはかな
り酸化されていたことが判つた。他のサンプルが109
5℃にて1時間酸化試験され、次いで水焼入れされた。
かかる処理の後のコーテイング組織に関する金属組織学
的試験により、劣化したニツケルは殆んど完全に酸化さ
れており、割れが被覆を貫通して素地金属の方向に垂直
に走つて′いることが判つた。
17%のMgOにて安定化されれたジルコニアを含む6
7.5%コバルト、20%クロム、12%アルミニウム
、0.5(fl)イツトリウムにて被覆され、コーテイ
ングの厚さの変化が0.0−22〜0.035cmであ
るHastellOyXの板材についても同様の試験が
行なわれた。
上述の例に対応する試験の後かかるサンプルを金属組織
学的に試験した結果、ボンド被覆は殆んど酸化しておら
ず、従つて期待されるコーテイングの作動寿命はより長
くなることが判つた。種々のサンプルについて流動層試
験も行なわれ、この試験に於ては資料は2分間980℃
と言う淵度とされ、室渦にて2分間冷却された。コバル
ト、クロム、アルミニウム、イツトリウムを含むサンプ
ルを使用して試験は100サイクル続けられたが、基質
合,金に対するコーテイングの接着性は充分であり、又
金属組織学的試験によれば成分は部分的に酸化している
のみであつた。しかしニツケルクロムのサンプルは完全
に酸化していた。例2 JT8D−17ガスタービンエンジンから実寸大のHa
stellOyX製バーナ筒が幾つか取出され、その内
周面上に連続的に濃度変化する上述のMgO/ZrO2
−コバルト/クロム/アルミニウム/イツトリウム合金
にて被覆され、実験的にエンジン試験が行なわれた。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 ニッケル基或いはコバルト基超合金よりなる群より
    選択された材料の基質と、前記基質上の金属ボンド被覆
    と、前記金属ボンド被覆上のジルコニア基セラミック熱
    障壁コーティングとを含む熱的に保護された超合金構造
    体にして、前記金属ボンド被覆は、実質的に、15〜4
    0%のクロムと、10〜25%のアルミニウムと、1%
    以下のイットリウムと、鉄、コバルト、ニッケル及びニ
    ッケルとコバルトの混合物よりなる群より選択された材
    料の残部とよりなる合金であることを特徴とする超合金
    構造体。 2 前記セラミック熱障壁コーティングの材料はセラミ
    ック材料の濃度が基質との境界面より仕上げ面まで連続
    的に増大する態様にて前記金属ボンド被覆の合金と混合
    されていることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
    の超合金構造体。
JP51107675A 1975-09-11 1976-09-08 熱的に保護された超合金構造体 Expired JPS5917189B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US61243975A 1975-09-11 1975-09-11

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS5233842A JPS5233842A (en) 1977-03-15
JPS5917189B2 true JPS5917189B2 (ja) 1984-04-19

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ID=24453160

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP51107675A Expired JPS5917189B2 (ja) 1975-09-11 1976-09-08 熱的に保護された超合金構造体

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JP (1) JPS5917189B2 (ja)
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BE (1) BE845193A (ja)
BR (1) BR7605892A (ja)
CA (1) CA1068178A (ja)
CH (1) CH609731A5 (ja)
DE (1) DE2640829C2 (ja)
DK (1) DK151901C (ja)
FR (1) FR2323656A1 (ja)
GB (1) GB1519370A (ja)
IL (1) IL50375A (ja)
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