ロジウムアルミナイド系層を含む皮膜系
【課題】 高温に付される部品での使用に適した被覆法及び皮膜系の提供。
【解決手段】 皮膜系（２０）は、ロジウム約２５〜約９０原子％、アルミニウム約１０〜約６０原子％、任意成分として白金、パラジウム、ルテニウム及びイリジウムからなる群から選択される１種以上の白金族金属合計約２５原子％以下、任意成分として基材（２２）の母材及び合金成分約２０原子％以下を含有するＢ２相ＲｈＡｌ金属間化合物を主成分とするオーバーレイ皮膜（２４，３２）を含む。ＲｈＡｌ金属間化合物皮膜（２４，３２）は、外側セラミック皮膜（２６）と共に又はセラミック皮膜なしで、耐環境皮膜（２４）として、耐環境皮膜（２４）用の拡散障壁層（３２）として、又はその両方として役立てることができる。
【解決手段】 皮膜系（２０）は、ロジウム約２５〜約９０原子％、アルミニウム約１０〜約６０原子％、任意成分として白金、パラジウム、ルテニウム及びイリジウムからなる群から選択される１種以上の白金族金属合計約２５原子％以下、任意成分として基材（２２）の母材及び合金成分約２０原子％以下を含有するＢ２相ＲｈＡｌ金属間化合物を主成分とするオーバーレイ皮膜（２４，３２）を含む。ＲｈＡｌ金属間化合物皮膜（２４，３２）は、外側セラミック皮膜（２６）と共に又はセラミック皮膜なしで、耐環境皮膜（２４）として、耐環境皮膜（２４）用の拡散障壁層（３２）として、又はその両方として役立てることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は広義にはガスタービンエンジンの過酷な温度環境のような高温に曝露される部品の保護皮膜系に関する。具体的には、本発明は、例えば耐環境皮膜、ボンドコート及び拡散障壁層としてロジウムアルミナイド系層を含む皮膜系に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンのある種の部品、燃焼器及びオーグメンター部品は酸化及び高温腐食作用による損傷を受け易く、通例、耐環境皮膜及び適宜遮熱コーティング（ＴＢＣ）によって保護される。ＴＢＣを有する場合、耐環境皮膜はボンドコートと呼ばれ、ＴＢＣと共にＴＢＣ系と呼ばれる系を形成する。耐環境皮膜及びＴＢＣボンドコートは耐酸化性アルミニウム含有合金又は金属間化合物から形成されることが多く、それらのアルミニウム成分が、付着性の強い連続酸化アルミニウム層（アルミナスケール）を高温でゆっくりと成長させる。この熱成長酸化物（ＴＧＯ）は酸化及び高温腐食から保護し、ボンドコートの場合にはセラミック層との化学的結合を促進する。
【０００３】
広く用いられている耐環境皮膜及びＴＢＣボンドコートとしては、アルミニウム金属間化合物（主にβ相からなるニッケルアルミナイド（β−ＮｉＡｌ）及び白金改質ニッケルアルミナイド）を含有する拡散皮膜、並びにＭＣｒＡｌＸ（式中、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケルであり、Ｘはイットリウム、希土類金属及び反応性金属である、）のようなオーバーレイ皮膜がある。オーバーレイ皮膜は物理的にも組成上も拡散皮膜とは区別できる。拡散皮膜は成膜時の拡散プロセスの結果として保護される基材と顕著に相互作用して基材表面内部に様々な金属間化合物及び準安定相を形成するのに対して、オーバーレイ皮膜は、成膜時に基材と相互作用せず、大部分が堆積したままの組成（ＭＣｒＡｌＸの場合には固溶体合金）を保持し、拡散帯は限られている。ＴＢＣの寿命は、耐環境性だけでなく、そのボンドコートの強さにも依存するもので、高強度のボンドコートが開発されており、その例としてβ相ＮｉＡｌオーバーレイ皮膜がある。金属間化合物相を含有する金属固溶体である上述のＭＣｒＡｌＸオーバーレイ皮膜とは対照的に、ＮｉＡｌβ相は約３０〜約６０原子％のアルミニウムを含有するニッケル−アルミニウム組成物に存在する金属間化合物である。β相ＮｉＡｌオーバーレイ皮膜の具体例は、本出願人に譲渡されたＮａｇａｒａｊ他の米国特許第５９７５８５２号、Ｒｉｇｎｅｙ他の同第６１５３３１３号、Ｄａｒｏｌｉａの同第６２５５００１号、Ｄａｒｏｌｉａ他の同第６２９１０８４号、及びＰｆａｅｎｄｔｎｅｒ他の同第６６２０５２４号に開示されている。また、Ｇｌｅｅｓｏｎ他の米国特許出願公開第２００４／０２２９０７５号、Ｄａｒｏｌｉａ他の同第２００６／００９３８０１号及びＤａｒｏｌｉａ他の同第２００６／００９３８５０号に開示されているように、ｆｃｃ γ（γ−Ｎｉ）及びγ′相（γ′−Ｎｉ３Ａｌ）を含有するＮｉＡｌＰｔから形成された耐環境皮膜及びＴＢＣボンドコートの適性も検討されている。
【０００４】
白金その他ロジウムやパラジウムのような白金族金属（ＰＧＭ）は、ＭＣｒＡｌＸオーバーレイ皮膜、拡散アルミナイド皮膜及びγ／γ′相ＮｉＡｌ皮膜の添加剤としての使用だけでなく、ボンドコート材料としても検討されている。例えば、本出願人に譲渡されたＮａｇａｒａｊ他の米国特許第５４２７８６６号には、白金、ロジウム又はパラジウムを基材表面に堆積して拡散させるか、或いは従来のボンドコート材料中にＰＧＭを拡散させることによって形成されたＰＧＭ系拡散ボンドコートが開示されている。
【０００５】
上述の皮膜材料は、それらで保護される超合金とは異なるレベルの合金成分（例えばアルミニウム）を含む。さらに、超合金はボンドコート中には全く又は比較的少量でしか存在しない高融点金属などの様々な元素を含有している。上述のボンドコート及び耐環境皮膜を超合金基材に堆積すると、超合金部品が頻繁に遭遇する高温で皮膜と超合金基材との間で固相拡散がある程度起こる。こうした移動によって、界面近傍の皮膜及び基材双方の化学組成及びミクロ組織が変化し、概して有害な結果を伴う。例えば、アルミナイド拡散皮膜又はオーバーレイ皮膜からのアルミニウムの移動によってその耐酸化性が低下し、皮膜の下の基材との相互拡散によってトポロジー最密充填（ＴＣＰ；topologicallyclose-packed）相が形成しかねないが、ＴＣＰが十分に高レベルで存在すると合金の耐荷性能が大幅に低下しかねない。ＰＧＭ系ボンドコートには、超合金基材との相互拡散の影響を受け易いという問題もあり、皮膜の望ましくない汚染と過度のカーケンドール空孔形成を招きかねない。
【０００６】
以上の点から、拡散障壁皮膜の開発及び評価がなされている。皮膜と基材との間の元素移動を防ぐことに加えて、拡散障壁皮膜は、特に皮膜がＰＧＭ系皮膜である場合、白金族金属の酸素透過性のため、耐酸化性でもなければならない。拡散障壁皮膜の例としては、Ｓｐｉｔｓｂｅｒｇ他の米国特許第６３０６５２４号、Ｚｈａｏ他の同第６７２００８８号及びＺｈａｏ他の同第６７４６７８２号に開示されたルテニウム系皮膜が挙げられる。
【特許文献１】米国特許第５４２７８６６号明細書
【特許文献２】米国特許第６３０６５２４号明細書
【特許文献３】米国特許第６４５５１６７号明細書
【特許文献４】米国特許第６５５１０６３号明細書
【特許文献５】米国特許第６５５４９２０号明細書
【特許文献６】米国特許第６５８２５３４号明細書
【特許文献７】米国特許第６６０９８９４号明細書
【特許文献８】米国特許第６６２３６９２号明細書
【特許文献９】米国特許第６７２００８８号明細書
【特許文献１０】米国特許第６７４６７８２号明細書
【特許文献１１】米国特許第６９２１５８６号明細書
【特許文献１２】米国特許出願公開第２００３００７９８１０号明細書
【特許文献１３】米国特許出願公開第２００３０１８６０７５号明細書
【特許文献１４】米国特許出願公開第２００５００６４２２８号明細書
【特許文献１５】米国特許出願公開第２００５００７９３６８号明細書
【特許文献１６】米国特許出願公開第２００５０１１８３３４号明細書
【特許文献１７】米国特許出願公開第２００５０２６５８８８号明細書
【特許文献１８】米国特許出願公開第２００６００９３８５１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の皮膜系によって高温部品用保護皮膜系は格段の進歩を遂げたが、さらに改良することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、酸化及び高温腐食作用による損傷を受け易い材料からなる部品を始めとして、高温に付される部品での使用に適した被覆法及び皮膜系を提供する。皮膜系は、ＴＢＣと共に又はＴＢＣなしで、耐環境皮膜又は耐環境皮膜の下の拡散障壁層として役立てることができる主にロジウムアルミナイド（ＲｈＡｌ）金属間化合物材料からなる層を含む。拡散障壁層として、ＲｈＡｌ金属間化合物層は耐環境皮膜又はボンドコートと基材との間の相互拡散を抑制し、また白金族金属を含有又は主成分とする（それぞれＰＧＭ含有及びＰＧＭ系という）耐環境皮膜と共に用いるのが特に有用であると考えられる。
【０００９】
本発明のＲｈＡｌ金属間化合物材料はオーバーレイ皮膜の形態であり、母材と各種合金成分とを含む基材の保護に用いられる皮膜系の一部である。オーバーレイ皮膜は、Ｂ２相ＲｈＡｌ金属間化合物を主成分とし、約２５〜約９０原子％のロジウム、約１０〜約６０原子％のアルミニウム、任意成分として合計約２５原子％以下の１種以上の白金族金属（白金、パラジウム、ルテニウム及びイリジウム）及び合計約２０原子％以下の基材の母材及び合金成分を含む。オーバーレイ皮膜は、皮膜系の最外表面を画成する耐環境皮膜、オーバーレイ皮膜上に堆積させるセラミック層のボンドコート、又はオーバーレイ皮膜上に堆積させる第２の皮膜に対する拡散障壁層として役立てることができる。最後の例では、オーバーレイ皮膜は第２の皮膜と基材の間の相互拡散を防ぎ、特に、第２の皮膜に含まれる白金族金属が基材に拡散するのを防ぐとともに基材元素が第２の皮膜に拡散するのを防ぐのに有効である。第２の皮膜が存在する場合、第２の皮膜はセラミックコーティング用のボンドコートでもよいし、或いは皮膜系の最外表面を画成する耐環境皮膜でもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のＢ２相ＲｈＡｌ金属間化合物オーバーレイ皮膜の顕著な利点としては、金属安定性、耐酸化性、酸素不透過性及び白金族金属その他の元素の膜厚方向の移動に対する抵抗が挙げられる。オーバーレイ皮膜は、耐酸化性を高めるとともにＴＢＣのようなセラミックコーティングの付着性を促進するアルミナスケールを形成することもできる。
【００１１】
本発明のその他の目的及び利点は以下の詳細な説明から明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は一般に、比較的高い温度で特徴付けられる環境中で作動し、酸化、高温腐食、熱サイクル及び／又は熱応力に付される部品に応用できる。かかる部品の例としては、ガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンノズル及び動翼、シュラウド、燃焼器ライナー、並びにオーグメンターハードウェアが挙げられる。高圧タービン動翼１０の一例を図１に示す。動翼１０は一般にガスタービンエンジンの作動時に高温燃焼ガスが直接当たり、表面が厳しい環境条件に付される翼形部１２を含む。翼形部１２は、動翼１０の根元部１６に形成されたダブテール１４でタービンディスク（図示せず）に植え込まれる。翼形部１２には冷却通路１８が存在しており、その内部に抽気を強制的に流して動翼１０から熱を伝達する。図１に示す高圧タービン動翼１０のようなガスタービンエンジンの部品に関して本発明の作用効果を説明するが、本発明の教示内容は高温に付される基材の保護に皮膜系を用いる部品、特に酸化及び高温腐食作用による損傷を受け易い部品に広く応用できる。
【００１３】
図２に、本発明の実施形態に係る皮膜系２０で保護された動翼１０の表面領域を示す。図に示すように、皮膜系２０は、超合金基材２２（通例動翼１０の母材である）を被覆するボンドコート２４を含む。本図では、ボンドコート２４は、遮熱セラミック層（つまりＴＢＣ）２６を基材２２に接着するものとして示してある。基材２２（ひいては動翼１０）に適した材料としては、等軸、一方向凝固及び単結晶超合金、及び金属間化合物材料が挙げられる。本発明は、クロム及び高融点金属（例えば、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステン及びレニウム）を含むニッケル基及びコバルト基超合金に特に有益であると考えられる。かかる合金の例は、米国特許第６０７４６０２号に開示されたＲｅｎｅ Ｎ５と呼ばれるニッケル基超合金であり、その公称組成は、約７．５重量％のＣｏ、７．０重量％のＣｒ、６．５重量％のＴａ、６．２重量％のＡｌ、５．０重量％のＷ、３．０重量％のＲｅ、１．５重量％のＭｏ、０．１５重量％のＨｆ、０．０５重量％のＣ、０．００４重量％のＢ、０．０１重量％のＹ、残部のニッケル及び不可避不純物である。
【００１４】
図に示すように、セラミック層２６は当技術分野で公知の物理気相堆積技術（例えば電子ビーム物理気相堆積法（ＥＢＰＶＤ））を用いてセラミック層２６を堆積することによって生じた柱状結晶粒３０の耐歪み性組織を有するが、プラズマ溶射技術を用いて非柱状セラミック層を設けることもできる。セラミック層２６として好ましい材料はイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）であり、好ましい組成物は約６〜約８重量％のイットリアを含むもの（６〜８％ＹＳＺ）で、適宜熱伝導率を下げるため約６０重量％以下のランタニド系列元素の酸化物を１種以上含んでいてもよい。イットリア、非安定化ジルコニア、或いはマグネシア、セリア、スカンジア及び／又はその他の酸化物で安定化されたジルコニアのような他のセラミック材料をセラミック層２６として使用することもできる。
セラミック層２６は、基材２２及び動翼１０に所要の熱的保護を与えるのに十分な厚さ、一般に約７５〜約３００μｍの程度に堆積されるが、これより薄くても厚くてもよい。セラミック層（ＴＢＣ）２６を含む皮膜系２０に関して説明してきたが、本発明はセラミック皮膜のない皮膜系にも適用でき、この場合ボンドコート２４が皮膜系２０の最外層であり、耐環境皮膜と呼ばれる。
【００１５】
図２では、ボンドコート２４をオーバーレイ皮膜として示す。陰極アーク蒸着（イオンプラズマ堆積（ＩＰＤ）とも呼ばれる。）、スパッタリング、ＥＢＰＶＤなどを始めとする様々な物理気相堆積（ＰＶＤ）法を用いてオーバーレイボンドコート２４を堆積させることができる。特に、オーバーレイ皮膜としてのボンドコート２４は、基材２２の表面に限られた拡散帯しか形成しない。しかし、高温では時間経過とともに、ボンドコート２４と基材２２の間で拡散勾配に起因するあるレベルの相互拡散が起こり、基材２２の局所領域で元素溶解度が変化する。ボンドコート２４の成分は基材２２内部に拡散する傾向があり、ボンドコート２４の基材２２保護能力が低下する。例えば、ボンドコート２４からのアルミニウムの移動によってその耐酸化性が低下し、一方ボンドコート２４の下の基材２２にアルミニウムが蓄積されると、特に基材２２がタングステン、レニウム、タンタル、モリブデン及びクロムのような１種以上の高融点金属を相当量含んでいる場合、有害な二次反応帯（ＳＲＺ；secondary reaction zone）を形成しかねない。基材２２の組成に依存するが、ＳＲＺは、γ′マトリックス相（基材２２に比してγ／γ′転相で特徴付けられる）内部で（クロム、レニウム、タングステン及び／又はタンタルのＰ、σ及びμ相並びにＴＣＰ相のような）板状及び針状析出相を含有する。ＳＲＺ成分と元の基材２２との境界は大傾角粒界であり、変形耐性がないので、ＳＲＺとその境界は応力下で容易に変形し、その結果合金の破断強さ、延性及び耐疲労性が低下する。
【００１６】
本発明の第一の実施形態では、ボンドコート２４はアルミニウムリッチな組成であり、例として上述のＭＣｒＡｌＸ合金、β相ＮｉＡｌ金属間化合物、ＰＧＭ含有材料及びＰＧＭ系材料などがある。アルミニウムリッチなボンドコートでは、それ以上の酸化を防ぐとともにセラミック層２６の付着性を高めるアルミニウム酸化物（アルミナ）スケール２８が自然に発生する。ボンドコート２４と基材２２の間の相互拡散を防ぐため、図２に示すボンドコート２４は拡散障壁層３２によって基材２２から隔てられ、拡散障壁層３２は好ましくは基材２２の表面に直接堆積される。有効なものとするため、拡散障壁層３２を構成する材料は、高温暴露時の拡散速度が低く、基材２２との相互拡散又は相互作用が少なく、ボンドコート２４から超合金基材２２内部に拡散する傾向のあるアルミニウム及びＰＧＭのような成分の、基材２２とボンドコート２４との間での相互拡散を防ぐ材料とすべきである。こうすると、障壁層３２はボンドコート２４及び基材２２の特性及び寿命を向上させることができる。
【００１７】
本発明のこの実施形態では、拡散障壁層３２は、ロジウムとアルミニウムの金属間化合物を主成分とし、任意成分として１種以上のＰＧＭ（白金、パラジウム、ルテニウム及びイリジウム）のような合金成分、基材２２の母材（例えば、ニッケル又はコバルト）及び／又は基材２２の主要合金成分（例えば、クロム、タンタルなど）を含むオーバーレイ皮膜である。ＲｈＡｌ金属間化合物は具体的にはＢ２相であり、その化学式はＭＡｌであるる。本発明では、Ｍはロジウムであり、得られる金属間化合物はＢ２結晶構造を有する。好ましくは、障壁層３２のほぼすべてのアルミニウムがＢ２相ＲｈＡｌ金属間化合物相に存在する。ＲｈＡｌ金属間化合物障壁層３２の適当な組成は、約２５〜約９０原子％のロジウム、約２５〜約９０原子％のアルミニウム、任意成分として合計約２５原子％以下の白金、パラジウム、ルテニウム及び／又はイリジウム、及び任意成分として合計約２０原子％以下の母材及び／又は主要合金成分である。障壁層３２のさらに好ましい組成範囲は、約４０〜約７５原子％のロジウム、約２５〜約５５原子％のアルミニウム、任意成分として合計約１０原子％以下の白金、パラジウム、ルテニウム及び／又はイリジウム、及び任意成分として合計約１５原子％以下の母材及び／又は主要合金成分である。ＲｈＡｌ金属間化合物材料の適当な組成範囲及び好ましい組成範囲をそれぞれ図３及び図４にグラフとして示す。広いアルミニウム範囲の下限及び広いロジウム範囲の上限では、主にＢ２ＲｈＡｌからなる構造を発生させるための十分なアルミニウムが障壁層３２に与えられていないときの傾向として、基材２２から拡散障壁層３２へのアルミニウムの拡散が起こることがある。アルミニウムの上限は、ＲｈＡｌ相における推定アルミニウム限界によって設定される。金属元素の許容範囲は、拡散空孔形成の程度を低減するとともに、高温稼働温度に曝露されたときに複合超合金基材で生成すると予想される自然な組成を計算に入れたものである。例として、上述のＮ５超合金（母材金属がニッケルであり、クロム、コバルト及びタンタルを始めとする合金成分を含む）からなる基材２２と共に使用した場合、拡散障壁層３２の最終組成は約４５％のロジウム、約４０％のアルミニウム、約５％の白金族金属、約８％のニッケル、約２％のクロム、少量のコバルト及び／又はタンタル、並びに基材２２からの拡散に起因する痕跡量の１種以上の高融点金属を含んでいた。
【００１８】
ＲｈＡｌ金属間化合物障壁層３２は、１種以上のＰＧＭを含む（ＰＧＭ含有）ボンドコート２４、特にＰＧＭを主成分とする（ＰＧＭ系）ボンドコート２４と共に使用する場合に特に有効であると考えられる。ＲｈＡｌ金属間化合物障壁層３２は拡散障壁層として、、基材２２の母材及び主要合金金属元素のボンドコート２４への拡散及びボンドコート２４の元素、特にＰＧＭ及び／又はアルミニウムの基材２２への拡散を遅らせる。ＲｈＡｌ金属間化合物のＢ２相は耐酸化性で、酸素進入に耐性であり、安定で、分解や基材２２又はボンドコート２４への拡散を起こしにくい。その結果、アルミニウムは障壁層３２内部に残って耐環境保護に利用でき、ＳＲＺを起こし易い基材材料（タングステン、レニウム、タンタル、モリブデン及びクロムのような１種以上の高融点金属を相当量含むもの）でＳＲＺを惹起しない。障壁層３２のアルミニウムの存在によって、基材２２でのアルミニウムの消耗が防止されるとともに、拡散空孔形成が低減する。拡散障壁層３２の適当な厚さは約３〜約１５μｍと思料されるが、これより薄くても厚くてもよい。障壁層３２のロジウム、アルミニウム及び任意成分を同時に堆積させることができるＰＶＤ法を始めとする各種の方法を、オーバーレイ障壁層３２の成膜に用いることができる。非限定的な例としては、ＥＢＰＶＤ、スパッタリング、陰極アーク（ＩＰＤとも呼ばれる）などが挙げられる。別法として、障壁層３２のロジウム及び任意成分を最初に（メッキなどで）堆積させた後、適当なアルミナイズ法（例えば、拡散又はＣＶＤ法）を用いてアルミニウムを導入してＲｈＡｌ金属間化合物を形成することもできる。堆積後に、約１８００〜約２２００°Ｆ（約９８０〜約１２００℃）の温度で約１〜１６時間拡散熱処理を行ってもよい。
【００１９】
本発明の別の実施形態では、上述の拡散障壁層３２について説明したＢ２相ＲｈＡｌ金属間化合物組成からボンドコート２４を形成することができる。Ｂ２相ＲｈＡｌ金属間化合物を主成分とするボンドコート２４は純アルミナスケール２８を生じるが、このアルミナスケールはゆっくりと成長し、保護作用を呈するとともに、セラミック（ＴＢＣ）層２６との良好な付着性を与える。なお、この実施形態では、拡散障壁層３２を省いてＲｈＡｌ金属間化合物ボンドコート２４を基材２２上に直接堆積してもよいが、基材２２及びボンドコート２４の組成によっては、ＲｈＡｌ金属間化合物ボンドコート２４と基材２２の間の拡散障壁層３２を設けるのが有利であることもある。上述の実施形態と同様に、セラミック層２６はなくてもよいが、その場合、Ｂ２相ＲｈＡｌ金属間化合物の層が皮膜系２０の最外層を画成し、耐環境層と呼ぶことができる。ボンドコート又は耐環境皮膜のいずれの場合も、ＲｈＡｌ金属間化合物層の適当な厚さは約５〜約５０μｍと思料されるが、これより薄くても厚くてもよい。ＲｈＡｌ金属間化合物層の適当な成膜法としては、ＲｈＡｌ金属間化合物拡散層３２について説明したものが挙げられる。
【実施例】
【００２０】
本発明の各実施形態を実施した。図５及び図６は、それぞれＲｈＡｌ金属間化合物拡散障壁層及びＰｔＡｌ拡散障壁層の走査電子顕微鏡写真である。ＲｈＡｌ金属間化合物障壁層の概略組成は約５０原子％のロジウムと約５０原子％のアルミニウムであった。ＰｔＡｌ金属間化合物障壁層の概略組成は約５０原子％の白金と約５０原子％のアルミニウムであった。いずれの障壁層も、ＲｅｎｅＮ５上にスパッタリングによって厚さ約２５μｍに成膜し、その上に１００％ロジウムの耐環境皮膜を約３５μｍ（図５）及び約３０μｍ（図６）の厚さに堆積した。図５及び図６は、これらの皮膜系を約１１９０℃の不活性雰囲気中に約１０時間曝露した後の状態を示し、ＲｈＡｌ拡散障壁層を設けた試験片では基材と耐環境皮膜の間の相互拡散の程度が大幅に低減していることが分かる。図５及び図６の試験片で観察された拡散成長はそれぞれ５２μｍ及び８０μｍであった。ＲｈＡｌ拡散障壁層を設けた試験片では 空隙（ボイド）も減少している。
【００２１】
Ｂ２相ＲｈＡｌ金属間化合物材料をボンドコートとして成膜し、その上に７％ＹＳＺのＴＢＣをＥＢＰＶＤで成膜したＮ５試験片でボンドコート実験を行った。ボンドコートは約１０μｍの厚さに成膜し、約５０原子％のロジウムと約５０原子％のアルミニウムの概略組成を有していた。試験片の１枚で加熱炉サイクル試験（ＦＣＴ）を行ってＴＢＣの剥離耐性を評価した。試験条件は、略室温と約２１７５°Ｆ（約１１９０℃）の間の１時間サイクルで、ピーク温度の滞留時間は約４５分であった。試験片をピーク温度まで急速加熱し、次いで１５分間のファン空冷して略室温に冷却した。ＴＢＣの約２０％が剥離した時点で試験片の試験を終了した。ＲｈＡｌボンドコートで２００サイクルを優に達成したが、これは、同一の試験条件下で通常１２０サイクルのレベルにある標準白金アルミナイドよりも格段に優れている。
【００２２】
特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、他の形態も採用できることは当業者には明らかである。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ定義される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】高圧タービン動翼の斜視図。
【図２】図１の動翼の表面領域のＴＢＣ系の断面図であり、本発明の実施形態に係る拡散障壁皮膜、ボンドコート及びセラミック層からなる皮膜系を表す。
【図３】図２の拡散障壁皮膜又はボンドコートとして使用できるオーバーレイ皮膜の好適な組成を示すＲｈ−Ａｌ−［Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｔａ］組成領域のグラフ。
【図４】図２の拡散障壁皮膜又はボンドコートとして使用できるオーバーレイ皮膜の好ましい組成を示すＲｈ−Ａｌ−［Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｔａ］組成領域のグラフ。
【図５】Ｂ２相Ｒｈ−Ａｌ金属間化合物拡散障壁皮膜及びロジウム系耐環境皮膜で保護された超合金基材の表面領域の走査電子顕微鏡断面写真。
【図６】ＰｔＡｌ拡散障壁皮膜及びロジウム系耐環境皮膜で保護された超合金基材の表面領域の走査電子顕微鏡断面写真。
【技術分野】
【０００１】
本発明は広義にはガスタービンエンジンの過酷な温度環境のような高温に曝露される部品の保護皮膜系に関する。具体的には、本発明は、例えば耐環境皮膜、ボンドコート及び拡散障壁層としてロジウムアルミナイド系層を含む皮膜系に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンのある種の部品、燃焼器及びオーグメンター部品は酸化及び高温腐食作用による損傷を受け易く、通例、耐環境皮膜及び適宜遮熱コーティング（ＴＢＣ）によって保護される。ＴＢＣを有する場合、耐環境皮膜はボンドコートと呼ばれ、ＴＢＣと共にＴＢＣ系と呼ばれる系を形成する。耐環境皮膜及びＴＢＣボンドコートは耐酸化性アルミニウム含有合金又は金属間化合物から形成されることが多く、それらのアルミニウム成分が、付着性の強い連続酸化アルミニウム層（アルミナスケール）を高温でゆっくりと成長させる。この熱成長酸化物（ＴＧＯ）は酸化及び高温腐食から保護し、ボンドコートの場合にはセラミック層との化学的結合を促進する。
【０００３】
広く用いられている耐環境皮膜及びＴＢＣボンドコートとしては、アルミニウム金属間化合物（主にβ相からなるニッケルアルミナイド（β−ＮｉＡｌ）及び白金改質ニッケルアルミナイド）を含有する拡散皮膜、並びにＭＣｒＡｌＸ（式中、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケルであり、Ｘはイットリウム、希土類金属及び反応性金属である、）のようなオーバーレイ皮膜がある。オーバーレイ皮膜は物理的にも組成上も拡散皮膜とは区別できる。拡散皮膜は成膜時の拡散プロセスの結果として保護される基材と顕著に相互作用して基材表面内部に様々な金属間化合物及び準安定相を形成するのに対して、オーバーレイ皮膜は、成膜時に基材と相互作用せず、大部分が堆積したままの組成（ＭＣｒＡｌＸの場合には固溶体合金）を保持し、拡散帯は限られている。ＴＢＣの寿命は、耐環境性だけでなく、そのボンドコートの強さにも依存するもので、高強度のボンドコートが開発されており、その例としてβ相ＮｉＡｌオーバーレイ皮膜がある。金属間化合物相を含有する金属固溶体である上述のＭＣｒＡｌＸオーバーレイ皮膜とは対照的に、ＮｉＡｌβ相は約３０〜約６０原子％のアルミニウムを含有するニッケル−アルミニウム組成物に存在する金属間化合物である。β相ＮｉＡｌオーバーレイ皮膜の具体例は、本出願人に譲渡されたＮａｇａｒａｊ他の米国特許第５９７５８５２号、Ｒｉｇｎｅｙ他の同第６１５３３１３号、Ｄａｒｏｌｉａの同第６２５５００１号、Ｄａｒｏｌｉａ他の同第６２９１０８４号、及びＰｆａｅｎｄｔｎｅｒ他の同第６６２０５２４号に開示されている。また、Ｇｌｅｅｓｏｎ他の米国特許出願公開第２００４／０２２９０７５号、Ｄａｒｏｌｉａ他の同第２００６／００９３８０１号及びＤａｒｏｌｉａ他の同第２００６／００９３８５０号に開示されているように、ｆｃｃ γ（γ−Ｎｉ）及びγ′相（γ′−Ｎｉ３Ａｌ）を含有するＮｉＡｌＰｔから形成された耐環境皮膜及びＴＢＣボンドコートの適性も検討されている。
【０００４】
白金その他ロジウムやパラジウムのような白金族金属（ＰＧＭ）は、ＭＣｒＡｌＸオーバーレイ皮膜、拡散アルミナイド皮膜及びγ／γ′相ＮｉＡｌ皮膜の添加剤としての使用だけでなく、ボンドコート材料としても検討されている。例えば、本出願人に譲渡されたＮａｇａｒａｊ他の米国特許第５４２７８６６号には、白金、ロジウム又はパラジウムを基材表面に堆積して拡散させるか、或いは従来のボンドコート材料中にＰＧＭを拡散させることによって形成されたＰＧＭ系拡散ボンドコートが開示されている。
【０００５】
上述の皮膜材料は、それらで保護される超合金とは異なるレベルの合金成分（例えばアルミニウム）を含む。さらに、超合金はボンドコート中には全く又は比較的少量でしか存在しない高融点金属などの様々な元素を含有している。上述のボンドコート及び耐環境皮膜を超合金基材に堆積すると、超合金部品が頻繁に遭遇する高温で皮膜と超合金基材との間で固相拡散がある程度起こる。こうした移動によって、界面近傍の皮膜及び基材双方の化学組成及びミクロ組織が変化し、概して有害な結果を伴う。例えば、アルミナイド拡散皮膜又はオーバーレイ皮膜からのアルミニウムの移動によってその耐酸化性が低下し、皮膜の下の基材との相互拡散によってトポロジー最密充填（ＴＣＰ；topologicallyclose-packed）相が形成しかねないが、ＴＣＰが十分に高レベルで存在すると合金の耐荷性能が大幅に低下しかねない。ＰＧＭ系ボンドコートには、超合金基材との相互拡散の影響を受け易いという問題もあり、皮膜の望ましくない汚染と過度のカーケンドール空孔形成を招きかねない。
【０００６】
以上の点から、拡散障壁皮膜の開発及び評価がなされている。皮膜と基材との間の元素移動を防ぐことに加えて、拡散障壁皮膜は、特に皮膜がＰＧＭ系皮膜である場合、白金族金属の酸素透過性のため、耐酸化性でもなければならない。拡散障壁皮膜の例としては、Ｓｐｉｔｓｂｅｒｇ他の米国特許第６３０６５２４号、Ｚｈａｏ他の同第６７２００８８号及びＺｈａｏ他の同第６７４６７８２号に開示されたルテニウム系皮膜が挙げられる。
【特許文献１】米国特許第５４２７８６６号明細書
【特許文献２】米国特許第６３０６５２４号明細書
【特許文献３】米国特許第６４５５１６７号明細書
【特許文献４】米国特許第６５５１０６３号明細書
【特許文献５】米国特許第６５５４９２０号明細書
【特許文献６】米国特許第６５８２５３４号明細書
【特許文献７】米国特許第６６０９８９４号明細書
【特許文献８】米国特許第６６２３６９２号明細書
【特許文献９】米国特許第６７２００８８号明細書
【特許文献１０】米国特許第６７４６７８２号明細書
【特許文献１１】米国特許第６９２１５８６号明細書
【特許文献１２】米国特許出願公開第２００３００７９８１０号明細書
【特許文献１３】米国特許出願公開第２００３０１８６０７５号明細書
【特許文献１４】米国特許出願公開第２００５００６４２２８号明細書
【特許文献１５】米国特許出願公開第２００５００７９３６８号明細書
【特許文献１６】米国特許出願公開第２００５０１１８３３４号明細書
【特許文献１７】米国特許出願公開第２００５０２６５８８８号明細書
【特許文献１８】米国特許出願公開第２００６００９３８５１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の皮膜系によって高温部品用保護皮膜系は格段の進歩を遂げたが、さらに改良することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、酸化及び高温腐食作用による損傷を受け易い材料からなる部品を始めとして、高温に付される部品での使用に適した被覆法及び皮膜系を提供する。皮膜系は、ＴＢＣと共に又はＴＢＣなしで、耐環境皮膜又は耐環境皮膜の下の拡散障壁層として役立てることができる主にロジウムアルミナイド（ＲｈＡｌ）金属間化合物材料からなる層を含む。拡散障壁層として、ＲｈＡｌ金属間化合物層は耐環境皮膜又はボンドコートと基材との間の相互拡散を抑制し、また白金族金属を含有又は主成分とする（それぞれＰＧＭ含有及びＰＧＭ系という）耐環境皮膜と共に用いるのが特に有用であると考えられる。
【０００９】
本発明のＲｈＡｌ金属間化合物材料はオーバーレイ皮膜の形態であり、母材と各種合金成分とを含む基材の保護に用いられる皮膜系の一部である。オーバーレイ皮膜は、Ｂ２相ＲｈＡｌ金属間化合物を主成分とし、約２５〜約９０原子％のロジウム、約１０〜約６０原子％のアルミニウム、任意成分として合計約２５原子％以下の１種以上の白金族金属（白金、パラジウム、ルテニウム及びイリジウム）及び合計約２０原子％以下の基材の母材及び合金成分を含む。オーバーレイ皮膜は、皮膜系の最外表面を画成する耐環境皮膜、オーバーレイ皮膜上に堆積させるセラミック層のボンドコート、又はオーバーレイ皮膜上に堆積させる第２の皮膜に対する拡散障壁層として役立てることができる。最後の例では、オーバーレイ皮膜は第２の皮膜と基材の間の相互拡散を防ぎ、特に、第２の皮膜に含まれる白金族金属が基材に拡散するのを防ぐとともに基材元素が第２の皮膜に拡散するのを防ぐのに有効である。第２の皮膜が存在する場合、第２の皮膜はセラミックコーティング用のボンドコートでもよいし、或いは皮膜系の最外表面を画成する耐環境皮膜でもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のＢ２相ＲｈＡｌ金属間化合物オーバーレイ皮膜の顕著な利点としては、金属安定性、耐酸化性、酸素不透過性及び白金族金属その他の元素の膜厚方向の移動に対する抵抗が挙げられる。オーバーレイ皮膜は、耐酸化性を高めるとともにＴＢＣのようなセラミックコーティングの付着性を促進するアルミナスケールを形成することもできる。
【００１１】
本発明のその他の目的及び利点は以下の詳細な説明から明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は一般に、比較的高い温度で特徴付けられる環境中で作動し、酸化、高温腐食、熱サイクル及び／又は熱応力に付される部品に応用できる。かかる部品の例としては、ガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンノズル及び動翼、シュラウド、燃焼器ライナー、並びにオーグメンターハードウェアが挙げられる。高圧タービン動翼１０の一例を図１に示す。動翼１０は一般にガスタービンエンジンの作動時に高温燃焼ガスが直接当たり、表面が厳しい環境条件に付される翼形部１２を含む。翼形部１２は、動翼１０の根元部１６に形成されたダブテール１４でタービンディスク（図示せず）に植え込まれる。翼形部１２には冷却通路１８が存在しており、その内部に抽気を強制的に流して動翼１０から熱を伝達する。図１に示す高圧タービン動翼１０のようなガスタービンエンジンの部品に関して本発明の作用効果を説明するが、本発明の教示内容は高温に付される基材の保護に皮膜系を用いる部品、特に酸化及び高温腐食作用による損傷を受け易い部品に広く応用できる。
【００１３】
図２に、本発明の実施形態に係る皮膜系２０で保護された動翼１０の表面領域を示す。図に示すように、皮膜系２０は、超合金基材２２（通例動翼１０の母材である）を被覆するボンドコート２４を含む。本図では、ボンドコート２４は、遮熱セラミック層（つまりＴＢＣ）２６を基材２２に接着するものとして示してある。基材２２（ひいては動翼１０）に適した材料としては、等軸、一方向凝固及び単結晶超合金、及び金属間化合物材料が挙げられる。本発明は、クロム及び高融点金属（例えば、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステン及びレニウム）を含むニッケル基及びコバルト基超合金に特に有益であると考えられる。かかる合金の例は、米国特許第６０７４６０２号に開示されたＲｅｎｅ Ｎ５と呼ばれるニッケル基超合金であり、その公称組成は、約７．５重量％のＣｏ、７．０重量％のＣｒ、６．５重量％のＴａ、６．２重量％のＡｌ、５．０重量％のＷ、３．０重量％のＲｅ、１．５重量％のＭｏ、０．１５重量％のＨｆ、０．０５重量％のＣ、０．００４重量％のＢ、０．０１重量％のＹ、残部のニッケル及び不可避不純物である。
【００１４】
図に示すように、セラミック層２６は当技術分野で公知の物理気相堆積技術（例えば電子ビーム物理気相堆積法（ＥＢＰＶＤ））を用いてセラミック層２６を堆積することによって生じた柱状結晶粒３０の耐歪み性組織を有するが、プラズマ溶射技術を用いて非柱状セラミック層を設けることもできる。セラミック層２６として好ましい材料はイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）であり、好ましい組成物は約６〜約８重量％のイットリアを含むもの（６〜８％ＹＳＺ）で、適宜熱伝導率を下げるため約６０重量％以下のランタニド系列元素の酸化物を１種以上含んでいてもよい。イットリア、非安定化ジルコニア、或いはマグネシア、セリア、スカンジア及び／又はその他の酸化物で安定化されたジルコニアのような他のセラミック材料をセラミック層２６として使用することもできる。
セラミック層２６は、基材２２及び動翼１０に所要の熱的保護を与えるのに十分な厚さ、一般に約７５〜約３００μｍの程度に堆積されるが、これより薄くても厚くてもよい。セラミック層（ＴＢＣ）２６を含む皮膜系２０に関して説明してきたが、本発明はセラミック皮膜のない皮膜系にも適用でき、この場合ボンドコート２４が皮膜系２０の最外層であり、耐環境皮膜と呼ばれる。
【００１５】
図２では、ボンドコート２４をオーバーレイ皮膜として示す。陰極アーク蒸着（イオンプラズマ堆積（ＩＰＤ）とも呼ばれる。）、スパッタリング、ＥＢＰＶＤなどを始めとする様々な物理気相堆積（ＰＶＤ）法を用いてオーバーレイボンドコート２４を堆積させることができる。特に、オーバーレイ皮膜としてのボンドコート２４は、基材２２の表面に限られた拡散帯しか形成しない。しかし、高温では時間経過とともに、ボンドコート２４と基材２２の間で拡散勾配に起因するあるレベルの相互拡散が起こり、基材２２の局所領域で元素溶解度が変化する。ボンドコート２４の成分は基材２２内部に拡散する傾向があり、ボンドコート２４の基材２２保護能力が低下する。例えば、ボンドコート２４からのアルミニウムの移動によってその耐酸化性が低下し、一方ボンドコート２４の下の基材２２にアルミニウムが蓄積されると、特に基材２２がタングステン、レニウム、タンタル、モリブデン及びクロムのような１種以上の高融点金属を相当量含んでいる場合、有害な二次反応帯（ＳＲＺ；secondary reaction zone）を形成しかねない。基材２２の組成に依存するが、ＳＲＺは、γ′マトリックス相（基材２２に比してγ／γ′転相で特徴付けられる）内部で（クロム、レニウム、タングステン及び／又はタンタルのＰ、σ及びμ相並びにＴＣＰ相のような）板状及び針状析出相を含有する。ＳＲＺ成分と元の基材２２との境界は大傾角粒界であり、変形耐性がないので、ＳＲＺとその境界は応力下で容易に変形し、その結果合金の破断強さ、延性及び耐疲労性が低下する。
【００１６】
本発明の第一の実施形態では、ボンドコート２４はアルミニウムリッチな組成であり、例として上述のＭＣｒＡｌＸ合金、β相ＮｉＡｌ金属間化合物、ＰＧＭ含有材料及びＰＧＭ系材料などがある。アルミニウムリッチなボンドコートでは、それ以上の酸化を防ぐとともにセラミック層２６の付着性を高めるアルミニウム酸化物（アルミナ）スケール２８が自然に発生する。ボンドコート２４と基材２２の間の相互拡散を防ぐため、図２に示すボンドコート２４は拡散障壁層３２によって基材２２から隔てられ、拡散障壁層３２は好ましくは基材２２の表面に直接堆積される。有効なものとするため、拡散障壁層３２を構成する材料は、高温暴露時の拡散速度が低く、基材２２との相互拡散又は相互作用が少なく、ボンドコート２４から超合金基材２２内部に拡散する傾向のあるアルミニウム及びＰＧＭのような成分の、基材２２とボンドコート２４との間での相互拡散を防ぐ材料とすべきである。こうすると、障壁層３２はボンドコート２４及び基材２２の特性及び寿命を向上させることができる。
【００１７】
本発明のこの実施形態では、拡散障壁層３２は、ロジウムとアルミニウムの金属間化合物を主成分とし、任意成分として１種以上のＰＧＭ（白金、パラジウム、ルテニウム及びイリジウム）のような合金成分、基材２２の母材（例えば、ニッケル又はコバルト）及び／又は基材２２の主要合金成分（例えば、クロム、タンタルなど）を含むオーバーレイ皮膜である。ＲｈＡｌ金属間化合物は具体的にはＢ２相であり、その化学式はＭＡｌであるる。本発明では、Ｍはロジウムであり、得られる金属間化合物はＢ２結晶構造を有する。好ましくは、障壁層３２のほぼすべてのアルミニウムがＢ２相ＲｈＡｌ金属間化合物相に存在する。ＲｈＡｌ金属間化合物障壁層３２の適当な組成は、約２５〜約９０原子％のロジウム、約２５〜約９０原子％のアルミニウム、任意成分として合計約２５原子％以下の白金、パラジウム、ルテニウム及び／又はイリジウム、及び任意成分として合計約２０原子％以下の母材及び／又は主要合金成分である。障壁層３２のさらに好ましい組成範囲は、約４０〜約７５原子％のロジウム、約２５〜約５５原子％のアルミニウム、任意成分として合計約１０原子％以下の白金、パラジウム、ルテニウム及び／又はイリジウム、及び任意成分として合計約１５原子％以下の母材及び／又は主要合金成分である。ＲｈＡｌ金属間化合物材料の適当な組成範囲及び好ましい組成範囲をそれぞれ図３及び図４にグラフとして示す。広いアルミニウム範囲の下限及び広いロジウム範囲の上限では、主にＢ２ＲｈＡｌからなる構造を発生させるための十分なアルミニウムが障壁層３２に与えられていないときの傾向として、基材２２から拡散障壁層３２へのアルミニウムの拡散が起こることがある。アルミニウムの上限は、ＲｈＡｌ相における推定アルミニウム限界によって設定される。金属元素の許容範囲は、拡散空孔形成の程度を低減するとともに、高温稼働温度に曝露されたときに複合超合金基材で生成すると予想される自然な組成を計算に入れたものである。例として、上述のＮ５超合金（母材金属がニッケルであり、クロム、コバルト及びタンタルを始めとする合金成分を含む）からなる基材２２と共に使用した場合、拡散障壁層３２の最終組成は約４５％のロジウム、約４０％のアルミニウム、約５％の白金族金属、約８％のニッケル、約２％のクロム、少量のコバルト及び／又はタンタル、並びに基材２２からの拡散に起因する痕跡量の１種以上の高融点金属を含んでいた。
【００１８】
ＲｈＡｌ金属間化合物障壁層３２は、１種以上のＰＧＭを含む（ＰＧＭ含有）ボンドコート２４、特にＰＧＭを主成分とする（ＰＧＭ系）ボンドコート２４と共に使用する場合に特に有効であると考えられる。ＲｈＡｌ金属間化合物障壁層３２は拡散障壁層として、、基材２２の母材及び主要合金金属元素のボンドコート２４への拡散及びボンドコート２４の元素、特にＰＧＭ及び／又はアルミニウムの基材２２への拡散を遅らせる。ＲｈＡｌ金属間化合物のＢ２相は耐酸化性で、酸素進入に耐性であり、安定で、分解や基材２２又はボンドコート２４への拡散を起こしにくい。その結果、アルミニウムは障壁層３２内部に残って耐環境保護に利用でき、ＳＲＺを起こし易い基材材料（タングステン、レニウム、タンタル、モリブデン及びクロムのような１種以上の高融点金属を相当量含むもの）でＳＲＺを惹起しない。障壁層３２のアルミニウムの存在によって、基材２２でのアルミニウムの消耗が防止されるとともに、拡散空孔形成が低減する。拡散障壁層３２の適当な厚さは約３〜約１５μｍと思料されるが、これより薄くても厚くてもよい。障壁層３２のロジウム、アルミニウム及び任意成分を同時に堆積させることができるＰＶＤ法を始めとする各種の方法を、オーバーレイ障壁層３２の成膜に用いることができる。非限定的な例としては、ＥＢＰＶＤ、スパッタリング、陰極アーク（ＩＰＤとも呼ばれる）などが挙げられる。別法として、障壁層３２のロジウム及び任意成分を最初に（メッキなどで）堆積させた後、適当なアルミナイズ法（例えば、拡散又はＣＶＤ法）を用いてアルミニウムを導入してＲｈＡｌ金属間化合物を形成することもできる。堆積後に、約１８００〜約２２００°Ｆ（約９８０〜約１２００℃）の温度で約１〜１６時間拡散熱処理を行ってもよい。
【００１９】
本発明の別の実施形態では、上述の拡散障壁層３２について説明したＢ２相ＲｈＡｌ金属間化合物組成からボンドコート２４を形成することができる。Ｂ２相ＲｈＡｌ金属間化合物を主成分とするボンドコート２４は純アルミナスケール２８を生じるが、このアルミナスケールはゆっくりと成長し、保護作用を呈するとともに、セラミック（ＴＢＣ）層２６との良好な付着性を与える。なお、この実施形態では、拡散障壁層３２を省いてＲｈＡｌ金属間化合物ボンドコート２４を基材２２上に直接堆積してもよいが、基材２２及びボンドコート２４の組成によっては、ＲｈＡｌ金属間化合物ボンドコート２４と基材２２の間の拡散障壁層３２を設けるのが有利であることもある。上述の実施形態と同様に、セラミック層２６はなくてもよいが、その場合、Ｂ２相ＲｈＡｌ金属間化合物の層が皮膜系２０の最外層を画成し、耐環境層と呼ぶことができる。ボンドコート又は耐環境皮膜のいずれの場合も、ＲｈＡｌ金属間化合物層の適当な厚さは約５〜約５０μｍと思料されるが、これより薄くても厚くてもよい。ＲｈＡｌ金属間化合物層の適当な成膜法としては、ＲｈＡｌ金属間化合物拡散層３２について説明したものが挙げられる。
【実施例】
【００２０】
本発明の各実施形態を実施した。図５及び図６は、それぞれＲｈＡｌ金属間化合物拡散障壁層及びＰｔＡｌ拡散障壁層の走査電子顕微鏡写真である。ＲｈＡｌ金属間化合物障壁層の概略組成は約５０原子％のロジウムと約５０原子％のアルミニウムであった。ＰｔＡｌ金属間化合物障壁層の概略組成は約５０原子％の白金と約５０原子％のアルミニウムであった。いずれの障壁層も、ＲｅｎｅＮ５上にスパッタリングによって厚さ約２５μｍに成膜し、その上に１００％ロジウムの耐環境皮膜を約３５μｍ（図５）及び約３０μｍ（図６）の厚さに堆積した。図５及び図６は、これらの皮膜系を約１１９０℃の不活性雰囲気中に約１０時間曝露した後の状態を示し、ＲｈＡｌ拡散障壁層を設けた試験片では基材と耐環境皮膜の間の相互拡散の程度が大幅に低減していることが分かる。図５及び図６の試験片で観察された拡散成長はそれぞれ５２μｍ及び８０μｍであった。ＲｈＡｌ拡散障壁層を設けた試験片では 空隙（ボイド）も減少している。
【００２１】
Ｂ２相ＲｈＡｌ金属間化合物材料をボンドコートとして成膜し、その上に７％ＹＳＺのＴＢＣをＥＢＰＶＤで成膜したＮ５試験片でボンドコート実験を行った。ボンドコートは約１０μｍの厚さに成膜し、約５０原子％のロジウムと約５０原子％のアルミニウムの概略組成を有していた。試験片の１枚で加熱炉サイクル試験（ＦＣＴ）を行ってＴＢＣの剥離耐性を評価した。試験条件は、略室温と約２１７５°Ｆ（約１１９０℃）の間の１時間サイクルで、ピーク温度の滞留時間は約４５分であった。試験片をピーク温度まで急速加熱し、次いで１５分間のファン空冷して略室温に冷却した。ＴＢＣの約２０％が剥離した時点で試験片の試験を終了した。ＲｈＡｌボンドコートで２００サイクルを優に達成したが、これは、同一の試験条件下で通常１２０サイクルのレベルにある標準白金アルミナイドよりも格段に優れている。
【００２２】
特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、他の形態も採用できることは当業者には明らかである。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ定義される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】高圧タービン動翼の斜視図。
【図２】図１の動翼の表面領域のＴＢＣ系の断面図であり、本発明の実施形態に係る拡散障壁皮膜、ボンドコート及びセラミック層からなる皮膜系を表す。
【図３】図２の拡散障壁皮膜又はボンドコートとして使用できるオーバーレイ皮膜の好適な組成を示すＲｈ−Ａｌ−［Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｔａ］組成領域のグラフ。
【図４】図２の拡散障壁皮膜又はボンドコートとして使用できるオーバーレイ皮膜の好ましい組成を示すＲｈ−Ａｌ−［Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｔａ］組成領域のグラフ。
【図５】Ｂ２相Ｒｈ−Ａｌ金属間化合物拡散障壁皮膜及びロジウム系耐環境皮膜で保護された超合金基材の表面領域の走査電子顕微鏡断面写真。
【図６】ＰｔＡｌ拡散障壁皮膜及びロジウム系耐環境皮膜で保護された超合金基材の表面領域の走査電子顕微鏡断面写真。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材と合金成分を含む基材（２２）上の皮膜系（２０）であって、皮膜系（２０）が基材（２２）上のオーバーレイ皮膜（２４，３２）を含んでおり、
オーバーレイ皮膜（２４，３２）が、ロジウム約２５〜約９０原子％、アルミニウム約１０〜約６０原子％、任意成分として白金、パラジウム、ルテニウム及びイリジウムからなる群から選択される１種以上の白金族金属合計約２５原子％以下、及び任意成分として基材（２２）の母材及び合金成分約２０原子％以下を含むＢ２相ＲｈＡｌ金属間化合物を主成分とすることを特徴とする皮膜系（２０）。
【請求項２】
オーバーレイ皮膜（２４，３２）は、皮膜系（２０）の最外表面を画成する耐環境皮膜（２４）であることを特徴とする請求項１記載の皮膜系（２０）。
【請求項３】
オーバーレイ皮膜（２４，３２）がボンドコート（２４）であって、皮膜系（２０）がボンドコート（２４）上にセラミックコーティング（２６）をさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の皮膜系（２０）。
【請求項４】
オーバーレイ皮膜（２４，３２）が拡散障壁層（３２）であり、皮膜系（２０）が拡散障壁層（３２）上に第２の皮膜（２４）をさらに含んでおり、拡散障壁層（３２）が第２の皮膜（２４）と基材（２２）の間の相互拡散を防ぐことを特徴とする請求項１記載の皮膜系（２０）。
【請求項５】
第２の皮膜（２４）が１種以上の白金族金属を含み、拡散障壁層（３２）が、第２の皮膜（２４）から基材（２２）への白金族金属の拡散及び基材（２２）から第２の皮膜（２４）への母材及び合金成分の拡散を防ぐことを特徴とする請求項４記載の皮膜系（２０）。
【請求項６】
第２の皮膜（２４）がボンドコート（２４）であって、皮膜系（２０）がボンドコート（２４）上にセラミックコーティング（２６）をさらに含んでいることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の皮膜系（２０）。
【請求項７】
基材（２２）の母材及び合金成分がニッケル、クロム、コバルト及びタンタルを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の皮膜系（２０）。
【請求項８】
オーバーレイ皮膜（２４，３２）が、ロジウム約４０〜約７５原子％、アルミニウム約２５〜約５５原子％、任意成分として白金、パラジウム、ルテニウム及びイリジウムからなる群から選択される１種以上の白金族金属合計約１０原子％以下、及び任意成分として基材（２２）の母材及び合金成分約１５原子％以下を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の皮膜系（２０）。
【請求項９】
オーバーレイ皮膜（２４，３２）がＢ２相ＲｈＡｌ金属間化合物材料からなることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の皮膜系（２０）。
【請求項１０】
基材（２２）がガスタービンエンジン部品（１０）の一部であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の皮膜系（２０）。
【請求項１】
母材と合金成分を含む基材（２２）上の皮膜系（２０）であって、皮膜系（２０）が基材（２２）上のオーバーレイ皮膜（２４，３２）を含んでおり、
オーバーレイ皮膜（２４，３２）が、ロジウム約２５〜約９０原子％、アルミニウム約１０〜約６０原子％、任意成分として白金、パラジウム、ルテニウム及びイリジウムからなる群から選択される１種以上の白金族金属合計約２５原子％以下、及び任意成分として基材（２２）の母材及び合金成分約２０原子％以下を含むＢ２相ＲｈＡｌ金属間化合物を主成分とすることを特徴とする皮膜系（２０）。
【請求項２】
オーバーレイ皮膜（２４，３２）は、皮膜系（２０）の最外表面を画成する耐環境皮膜（２４）であることを特徴とする請求項１記載の皮膜系（２０）。
【請求項３】
オーバーレイ皮膜（２４，３２）がボンドコート（２４）であって、皮膜系（２０）がボンドコート（２４）上にセラミックコーティング（２６）をさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の皮膜系（２０）。
【請求項４】
オーバーレイ皮膜（２４，３２）が拡散障壁層（３２）であり、皮膜系（２０）が拡散障壁層（３２）上に第２の皮膜（２４）をさらに含んでおり、拡散障壁層（３２）が第２の皮膜（２４）と基材（２２）の間の相互拡散を防ぐことを特徴とする請求項１記載の皮膜系（２０）。
【請求項５】
第２の皮膜（２４）が１種以上の白金族金属を含み、拡散障壁層（３２）が、第２の皮膜（２４）から基材（２２）への白金族金属の拡散及び基材（２２）から第２の皮膜（２４）への母材及び合金成分の拡散を防ぐことを特徴とする請求項４記載の皮膜系（２０）。
【請求項６】
第２の皮膜（２４）がボンドコート（２４）であって、皮膜系（２０）がボンドコート（２４）上にセラミックコーティング（２６）をさらに含んでいることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の皮膜系（２０）。
【請求項７】
基材（２２）の母材及び合金成分がニッケル、クロム、コバルト及びタンタルを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の皮膜系（２０）。
【請求項８】
オーバーレイ皮膜（２４，３２）が、ロジウム約４０〜約７５原子％、アルミニウム約２５〜約５５原子％、任意成分として白金、パラジウム、ルテニウム及びイリジウムからなる群から選択される１種以上の白金族金属合計約１０原子％以下、及び任意成分として基材（２２）の母材及び合金成分約１５原子％以下を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の皮膜系（２０）。
【請求項９】
オーバーレイ皮膜（２４，３２）がＢ２相ＲｈＡｌ金属間化合物材料からなることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の皮膜系（２０）。
【請求項１０】
基材（２２）がガスタービンエンジン部品（１０）の一部であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の皮膜系（２０）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１４４２７５（Ｐ２００８−１４４２７５Ａ）
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１５３３６（Ｐ２００７−３１５３３６）
【出願日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]