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JP3917564B2 - Heat- and oxidation-resistant thermal spray coating member and method for producing the same - Google Patents
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JP3917564B2 - Heat- and oxidation-resistant thermal spray coating member and method for producing the same - Google Patents

Heat- and oxidation-resistant thermal spray coating member and method for producing the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜にて被覆された耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材およびそれの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、ガスタービンの熱効率向上のために作動ガス温度の高温化を目指した研究が盛んに行なわれている。その結果、現在では、タービン入口の温度が1500℃を超えるまでに高温化が進んでいる。
【0003】
このような作動ガス温度の高温化は、高温の燃焼ガスに直接曝されるタービン翼部材の材料開発と翼の冷却技術の進歩によるところが大きく、現在でも重要な研究課題となっている。とくに、タービン動翼は、運転時の遠心力によるクリープ変形や起動、停止に伴う熱疲労、機械的振動による高サイクル疲労さらには燃焼ガスや燃焼用空気中に含まれる海塩粒子、硫黄およびバナジウムなどの不純物による腐食作用を受けるため、タービン動翼部材の材料開発は重要である。
【0004】
一方、タービン静翼は、前記タービン動翼の前面に配設され、燃焼ガスの案内弁的な働きをしているものである。そのため、タービン静翼は、動翼に比較して一段と高い温度に曝される環境下にあり、動翼と同じように高い熱応力や熱衝撃の他、高温酸化や高温腐食を受けやすい状態にある。そのため、これらのタービン動静翼には、高温強度特性に優れたNi基合金やCo基合金が使用されており、これらの合金は、現在の高温化されたガスタービンにおいては、構成材料の中で重要な地位を占めている。
【0005】
しかしながら、これらのNi基合金やCo基合金の類は、高温における強度を重視して開発されているため、強度向上への寄与が小さいAlやCr,Siなどの耐高温酸化特性の改善に有効な金属成分の含有量が低く抑えされており、そのため現在の使用温度が高温化したガスタービンの構成材料としては、耐酸化性とくに耐高温酸化特性が十分ではないという問題がある。そのため、タービン動静翼の表面に耐高温酸化性に優れた皮膜を形成させることで、耐高温酸化性を改善する方法が従来から検討されており、現在までに、多数の皮膜形成技術や、そのためのコーティング材(皮膜材料)に関する技術が提案されている。
【0006】
例えば、特許文献1および特許文献2には、タービン動静翼の表面に、Cr拡散浸透法を用いて高Cr濃度層を形成し、耐高温酸化特性を向上させる技術が開示されている。しかし、これらの技術は、ガスタービンの運転温度が低い場合には有効であるが、現在のような1500℃以上の運転環境下で使用する場合には、翼表面に形成されたCr層が蒸気圧の高いCrO3となって揮散してしまい、優れた耐高温酸化性は期待できない。
【0007】
この問題を解決するものとして、ガスタービンの動静翼および燃焼器内筒(尾筒含む)などの高温部に、電子ビーム蒸着法や溶射法によって、MCrAlX合金と呼ばれる耐高温酸化特性に優れる皮膜を被覆する技術が開発されている。ここで、MCrAlX合金におけるMは、Ni,CoあるいはFeの単独あるいはこれら複数の元素からなる合金であり、Xは、Y,Hf,Se,Ce,La,Th,Pt,BおよびSiなどの元素を示す。この技術は、現在の高温化したガスタービンはもとより、ジェットエンジン部材等にも幅広く利用されている。
【0008】
このMCrAlX合金については、使用目的に応じて種々の化学組成のものが多数提案されている(例えば、特許文献3〜7参照。)。それらのMCrAlX合金の化学組成は、概ね次のような範囲内にあるものである。
(M成分)Ni:0〜75 mass%、Co:0〜75 mass%、Fe:0〜30 mass%、Cr:5〜70 mass%、Al:1〜29 mass%
(X成分)Y:0〜5mass%、Hf:0〜10 mass%、Ta:1〜20 mass%、Si:0.1〜14 mass%、B:0〜0.1 mass%、C:0〜0.25 mass%、Mn:0〜10 mass%、Zr:0〜3 mass%、W:0〜0.5 mass%、Pt:0〜20 mass%
【0009】
一方、溶射による耐熱性溶射皮膜の形成技術の他に、クロム酸水溶液を主成分とする薬剤を用いて、鋼鉄製基材の表面に、直接微細なCr23集合体の皮膜を形成させる技術が特許文献8〜11に開示されている。さらにこの技術を、各種の方法によって得た皮膜に適用し、改善する技術が開発されている。例えば、特許文献12〜16には、溶射されたセラミックス層や金属被覆層ならびに電気めっきにより形成された硬質めっき皮膜に、クロム酸を主成分とする薬剤(無水クロム酸水溶液)を利用したクロメート処理を適用し、皮膜に存在する気孔や亀裂等の欠陥部を充填・封孔処理し、これらの欠陥に起因する弊害を防止する技術が提案されている。
【0010】
【特許文献1】
特許第600213号公報
【特許文献2】
特許第829784号公報
【特許文献3】
特開昭59−001654号公報
【特許文献4】
特開昭59−006352号公報
【特許文献5】
特開昭59−089745号公報
【特許文献6】
特開昭59−118847号公報
【特許文献7】
特開昭60−141842号公報
【特許文献8】
特開昭59−009171号公報
【特許文献9】
特開昭61−052374号公報
【特許文献10】
特開昭63−126682号公報
【特許文献11】
特開昭63−317680号公報
【特許文献12】
特開昭59−205480号公報
【特許文献13】
特開昭61−194187号公報
【特許文献14】
特開昭63−000487号公報
【特許文献15】
実開平03−063565号公報
【特許文献16】
特開平10−018052号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したMCrAlX合金は、粉末状態にされ、大気プラズマ溶射法、減圧プラズマ溶射法、高速フレーム溶射法および爆発溶射法などによって基材の表面に被覆される。しかし、現在、市販されている溶射用のMCrAlX合金粉末を使用することには、次のような問題がある。
【0012】
(1) 市販されているMCrAlX合金粉末は吸湿しやすい。吸湿した合金粉末は、流動性が悪く、溶射ガンへの供給が不正確かつ不安定となるため、溶射皮膜を均等な厚さに形成することができなくなる。
(2) MCrAlX合金粉末は、吸湿状態が長期に及ぶと、合金成分として含まれるCo,Cr,Al,Niなどが水酸化物や酸化物に変化し、合金としての特性を消失する。
(3) 上記MCrAlX合金の吸湿性に起因した弊害を防止するためには、乾燥保管設備の増強や保管管理方式の導入などが必要とされ、生産コストの上昇を招く。
(4) また、市販のMCrAlX合金粉末は、その粒度分布が粒径1〜150μmの広範囲に拡がっている。この状態の合金粉末を溶射すると、大きな粒径の粉末は溶射熱源によって完全に溶融することなく溶射され、皮膜内に未溶融粒子となって分散する。そのため、皮膜を構成する合金粒子間の相互結合力が低下を来たすほか、金属製基材との密着力の低下の原因ともなる。
(5) 一方、微粒のMCrAlX合金粉末は、溶射熱源によって短時間で溶融し、酸化される結果、熱源中で全てが酸化物となる。この酸化物は、黒色系の微粉末となって溶射皮膜中に分散し、皮膜を構成する合金粒子間の相互結合力を弱くするとともに、金属製基材との密着性を低下させる。
(6) さらに、合金粒子が酸化した黒色の微粒酸化物は、煤のように密着性がない状態で溶射した皮膜表面に薄く付着するため、皮膜の商品価値を低下させる他、この溶射皮膜をアンダーコートとし、さらにこの上にトップコート(例えば、ZrO2系セラミックス皮膜)を積層する場合には、両層間の密着力を低下させてトップコートの剥離を促進する。
(7) さらに上記合金粉末の溶射中に発生する黒色の微粒酸化物は、いわゆるヒューム状となって溶射作業環境を汚染するため、安全衛生上も好ましくない。
【0013】
本発明の目的は、市販の溶射用MCrAlX合金粉末が抱えている上記問題点、すなわち、粉体であるが故の吸湿性の増加、これに伴う粉体流動性や溶射効率の低下ならびに粉体の吸湿水分による変質などの問題点のない耐熱・耐酸化性複合溶射材料を用いることにより、優れた耐熱性と耐高温酸化特性を有する溶射皮膜被覆部材を得ること、および、そうした部材の有利な製造方法を提案することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上述した従来のMCrAlX合金を用いる溶射技術は、その大部分が、MCrAlX合金成分それ自体の成分組成の調整や、溶射法などの工夫などに重点が置かれていたことから生じる上述した問題点を解決するためには、むしろ、溶射材料である合金粉末の性状に着目した開発を行うべきではないかという視点で鋭意研究を行った。その結果、溶射材料となる耐熱合金粉末の表面に、化学的処理により酸化クロムの膜を予め形成しておき、このような処理を施した粉末を溶射材料とすることにより、上記問題点が解決できることを見出し、本発明を完成させた。
【0015】
上記知見に基づき開発された本発明としては、下記要旨構成のものを挙げることができる。
(1)金属製基材を溶射皮膜にて被覆してなる部材において、前記基材が、耐熱合金粉末の表面にクロム酸および/またはクロム酸塩を含む水溶液を付着させたのち加熱処理するクロメート処理によって生成した酸化クロム膜を被覆してなる耐熱・耐酸化性複合溶射材料を溶射することによって得られる酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜にて被覆されていることを特徴とする耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材。
【0016】
(2) 上記酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜は、MCrAlX(ただし、MはCo,NiおよびFeのうちから選ばれる1種または2種以上、XはY,Hf,Ta,Cs,Ce,La,Th,W,Si,Pt,MnおよびBのうちから選ばれる1種または2種以上)で表される平均粒径が5〜100μmの耐熱合金粉末の表面が0.1〜10μm厚の酸化クロム膜にて被覆されたものからなる耐熱・耐酸化性複合溶射材料を、溶融もしくは半溶融状態で基材表面に溶射して堆積させてなる、Cr23セラミックスとMCrAlX合金とが混在した層からなるものであることを特徴とする(1)に記載の耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材。
【0017】
(3) 上記酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜の表面には、酸化アルミニウムを主成分とする保護性酸化膜が形成されていることを特徴とする(1)または(2)に記載の耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材。
【0018】
(4) 上記酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜をアンダーコートとし、そのアンダーコートの上にトップコートとして、酸化物セラミックス溶射皮膜が形成されてなることを特徴とする(1)または(2)に記載の耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材。
【0019】
(5) 耐熱合金基材の表面に、アンダーコートとして、請求項1または2に記載の酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜が形成され、そのアンダーコートの上に中間層として、MCrAlX(ただし、MはCo,NiおよびFeのうちから選ばれる1種または2種以上、XはY,Hf,Ta,Cs,Ce,La,Th,W,Si,Pt,MnおよびBのうちから選ばれる1種または2種以上)で表される耐熱合金粉末の表面に酸化クロムの膜を設けてなる耐熱・耐酸化性複合溶射材料とZrO2系酸化物セラミックスとの混合粉末を溶射してなる中間層溶射皮膜が形成され、さらにその中間層溶射皮膜の上にトップコートとして、ZrO2系酸化物セラミックス溶射皮膜が形成されていることを特徴とする耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材。
【0020】
(6) 上記中間層溶射皮膜が、トップコート側ほどZrO2系酸化物セラミックスの含有量を多くした傾斜配合層からなることを特徴とする(5)に記載の耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材。
【0021】
(7) 耐熱合金基材の表面に、アンダーコートとして、耐熱合金たとえば、MCrAlX(ただし、MはCo,NiおよびFeのうちから選ばれる1種または2種以上、XはY,Hf,Ta,Cs,Ce,La,Th,W,Si,Pt,MnおよびBのうちから選ばれる1種または2種以上)で表される耐熱合金の耐熱性溶射皮膜が形成され、そのアンダーコートの上にトップコートとして、(1)または(2)に記載の酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜が形成されていることを特徴とする耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材。
【0022】
(8) 上記耐熱合金基材の表面に、アンダーコートとして、耐熱合金たとえば、MCrAlX(ただし、MはCo,NiおよびFeのうちから選ばれる1種または2種以上、XはY,Hf,Ta,Cs,Ce,La,Th,W,Si,Pt,MnおよびBのうちから選ばれる1種または2種以上)で表される耐熱合金の耐熱性溶射皮膜が形成され、そのアンダーコートの上に中間層として、(1)または(2)に記載の酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜が形成され、さらにその中間層の上にトップコートとして、ZrO2系酸化物セラミックス溶射皮膜が形成されていることを特徴とする耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材。
【0023】
(9)金属製基材の表面に、耐熱合金粉末の表面にクロム酸および/またはクロム酸塩を含む水溶液を付着させたのち加熱処理するクロメート処理によって生成した酸化クロム膜を被覆してなる耐熱・耐酸化性複合溶射材料を溶射することによって、酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜を形成することを特徴とする耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材の製造方法。
【0024】
(10) 上記耐熱・耐酸化性溶射材料は、MCrAlX(ただし、MはCo,NiおよびFeのうちから選ばれる1種または2種以上、XはY,Hf,Ta,Cs,Ce,La,Th,W,Si,Pt,MnおよびBのうちから選ばれる1種または2種以上)で表される平均粒径が5〜100μmの耐熱合金粉末の表面が0.1〜10μm厚の酸化クロム膜にて被覆されたものであることを特徴とする(9)に記載の耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材の製造方法。
【0025】
(11) 金属製基材の表面に酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜を形成した後、970〜1500Kで1〜30Hr加熱することにより、該溶射皮膜の表面に酸化アルミニウムを主成分とする保護性酸化膜を生成させることを特徴とする(9)または(10)に記載の耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材の製造方法。
【0026】
(12) 上記酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜を形成した後、その上に、酸化物セラミックスを溶射して酸化物セラミックス溶射皮膜を形成することを特徴とする(9)または(10)に記載の耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材の製造方法。
【0027】
(13) 耐熱合金基材の表面に、アンダーコートとして、上記(9)または(10)に記載の酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜を形成し、そのアンダーコートの上に中間層として、MCrAlX(ただし、MはCo,NiおよびFeのうちから選ばれる1種または2種以上、XはY,Hf,Ta,Cs,Ce,La,Th,W,Si,Pt,MnおよびBのうちから選ばれる1種または2種以上)で表される耐熱合金粉末の表面に酸化クロムの膜を有する耐熱・耐酸化性複合溶射材料とZrO2系酸化物セラミックスとの混合粉末を溶射して中間層溶射皮膜を形成し、さらにその中間層溶射皮膜の上にトップコートとして、ZrO2系酸化物セラミックスを溶射してZrO2系酸化物セラミックス溶射皮膜を形成することを特徴とする耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材の製造方法。
【0028】
(14)上記中間層溶射皮膜を、トップコート側ほどZrO系酸化物セラミックスの含有量を多くした傾斜配合層とすることを特徴とする(13)に記載の耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材の製造方法
【0029】
(15) 耐熱合金基材の表面に、アンダーコートとして、耐熱合金たとえば、MCrAlX(ただし、MはCo,NiおよびFeのうちから選ばれる1種または2種以上、XはY,Hf,Ta,Cs,Ce,La,Th,W,Si,Pt,MnおよびBのうちから選ばれる1種または2種以上)で表される耐熱合金粉末を溶射して耐熱性溶射皮膜を形成し、その後、そのアンダーコートの上に、(9)または(10)に記載の耐熱・耐酸化性複合溶射材料を溶射して酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜を形成することを特徴とする耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材の製造方法。
【0030】
(16) 上記酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜の上にさらにトップコートとして、ZrO2系酸化物セラミックスを溶射してZrO2系酸化物セラミックス溶射皮膜を形成することを特徴とする(15)に記載の耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材の製造方法。
【0031】
【発明の実施の形態】
本発明において、溶射材料の原料として用いる耐熱合金、好ましくはMCrAlX合金としては、上述した(0008段落)のような既知のものを用いることができる。一般に、金属や合金を溶射材料用原料として調整すべく粉末化するには、それらを不活性ガス雰囲気中で溶融した後、その溶融金属をノズルの先端から噴出させると同時に、その溶湯に不活性ガスのジェット流を強く吹き付けることによって粉砕して微粒化させ、それを回収する方法(ガスアトマイズ法、噴霧法などと呼ばれている)などが採用されており、MCrAlX合金の粉末も同様の方法によって製造されている。この粉末はその後、真空中もしくは不活性ガス雰囲気中で、900〜1500K×1〜30時間の熱処理を施すこともある。
【0032】
このようにして得られたMCrAlX合金粉末は、その形状が球状を呈している。そして、この粉末は、不活性ガス雰囲気中で製造、熱処理されるため、酸化物量は比較的少なく、発明者らの調査によると、酸素含有量は0.03〜0.05mass%程度である。しかし、得られる粉末の粒径は、150μm程度の大きいものから1μm程度の小さなものまで混在している。そのため、通常は、篩を用いて分級処理し、平均粒径が5〜100μm程度となるような処理を経た上で、溶射材料としている。しかし、実際の市販品では、1μm程度またはそれ以下の微細な粒子も混在しているので、これらも本発明では利用できる。
【0033】
本発明における特徴的な構成の1つは、上記のような粒径分布を有するMCrAlX合金粉末に対して、化学的処理を施すことによって、該粉末粒子の表面に、予め薄い酸化クロムの膜を生成被覆してなる、即ち、耐熱・耐酸化性複合溶射材料を用いるところにある。その化学処理とは、まず、MCrAlX合金粉末を、無水クロム酸(CrO3)、クロム酸アンモニウム(NH4)2CrO4および重クロム酸アンモニウム(NH4)2Cr27などから選ばれるクロム酸および/またはクロム酸塩を含む水溶液(以下、「クロム酸等水溶液」と略記する)中に数分間浸漬した後、これを引き上げ、室温〜400Kで乾燥した後、さらに電気炉中で500〜800K×0.5〜5時間の加熱処理を行う。この加熱処理によって、前記MCrAlX合金粉末は、その表面に付着していたクロム酸等水溶液が、下記式に示すような化学反応を起こすことによって、Cr23の薄い膜で被覆されることになる。
【0034】
・ CrO3→1/2Cr23+3/4O2
・ (NH4)2CrO4→1/2Cr23+2NH3+H2O+3/4O2
・ (NH4)2Cr27→Cr23+2NH3+H2O+3/2O2
【0035】
本発明では、MCrAlX合金粉末に対するCr23膜の上述した化学的生成処理を、便宜上「クロメート処理」と呼ぶこととする。なお、前記のクロム酸等水溶液から生成したCr23膜は、0.01μm程度以下の超微細粒子の集合体であるため、MCrAlX合金粒子の表面を緻密に被覆することができる。また、1回のクロメート処理で生成するCr23膜の厚さは、クロム酸等水溶液の濃度によっても変化するが、30 mass%のCrO3水溶液を例にとると、1回の工程では0.05〜0.10μm程度である。このクロメート処理によって生成したCr23膜は、水に不溶性であるため、再びクロム酸等水溶液に浸漬しても溶出することがない。そのため、このクロメート処理を繰り返すことによって、Cr23膜を厚く生成させることができる。
【0036】
クロム酸等水溶液中に浸漬後、引上げたMCrAlX合金粉末には、余分なクロム酸やクロム酸塩を含む水溶液が付着している場合があるが、このような場合には遠心分離器を利用することによって、余分な水溶液を除くことができる。さらに本発明においては、クロム酸等水溶液への浸漬法に代えて、MCrAlX合金粉末に対してクロム酸等水溶液を噴霧する方法を用いても、粉末の表面にCr23の膜を形成することが可能である。
【0037】
本発明において、MCrAlX合金粉末の表面を覆うCr23膜の好適な厚さは、0.1〜10μmの範囲である。0.1μmより薄い場合は、本発明が目的とする充分な耐高温酸化特性を得ることができず、一方、10μmより厚くしても各別な効果が得られずに、生産コストの増加を来すだけなので好ましくない。
【0038】
ところで、粒径50μmのMCrAlX合金粉末を用いて、クロメート処理によって、その表面に0.1μm厚のCr23膜を被覆すると、合金粉末中に含まれるCr23量は約1.2vol%程度となる。このCr23量から換算される酸素含有量は約0.26mass%程度であり、無処理のMCrAlX合金粉末を、大気中でプラズマ溶射して得た皮膜中の酸素含有量の2%前後と比較して少ない。また、同じ粒径のMCrAlX合金粒子に、10μm厚のCr23膜を被覆した場合には、Cr23は63.5 vol%の含有量となるので、クロメート処理後の合金粉末は、むしろ酸化物系サーメット粉末と言えるものとなる。さらに、MCrAlX合金粉末の粒径が5μmで、この表面に10μm厚のCr23膜を被覆した場合には、粉末の大部分がCr23となり、MCrAlX合金の含有量は0.8 vol%でしかない。この場合には、酸化物系セラミックス粉末と呼ぶ方が適当かも知れない。
【0039】
上述したように、本発明において溶射材料として用いるクロメート処理を施したMCrAlX合金粉末の組成は、原料となるMCrAlX合金粉末の粒径と被成するCr23膜の厚さによって、合金成分と酸化物(Cr23)成分の割合が大きく変化するが、いずれの合金粉末も、本発明の目的に対しては好適に用いることができる。そこで、溶射皮膜の用途により溶射皮膜中のCr23量を調整したい場合には、表面に被覆するCr23膜厚を適宜選択すればよいことになる。
【0040】
なお、本発明のクロメート処理が好適に施工できるMCrAlX合金粉末の化学成分は以下のとおりである。
(M成分) Ni:0〜75 mass%、Co:0〜75 mass%、Fe:0〜30 mass%、Cr:5〜70 mass%、Al:1〜29 mass%
(X成分) Y:0〜5mass%、Hf:0〜10 mass%、Ta:1〜20 mass%、Si:0.1〜14 mass%、B:0〜0.1 mass%、C:0〜0.25 mass%、Mn:0〜10 mass%、Zr:0〜3mass%、W:0〜0.5 mass%、Pt:0〜20 mass%
【0041】
クロメート処理したMCrAlX合金粉末の表面には、緻密な状態でCr23膜が被覆されているため、合金粉末が直接外気と接触することはない。しかも、Cr23膜は、水溶液の状態を出発点としているが、加熱焼成工程を経ているため、大気中の水分(湿度)を吸着することがなく、物理化学的に非常に安定した状態にある。すなわち、市販の無処理のMCrAlX合金粉末は、酸化され易いCo,Ni,Cr,Al,Yなどの金属から構成されているため、室内に放置された状態では空気中の水分を吸着して金属成分が酸化、変質するとともに合金粉末の流動性を悪くするので、常に乾燥状態にして保管する必要があるが、クロメート処理した合金粉末ではその必要性がない。また、クロメート処理した合金粉末は、流動性がよいため、溶射ガンへの供給においても、常に一定条件を長期間にわたって維持することができるので、均等な厚さの溶射皮膜の形成が可能となる。
【0042】
クロメート処理を施したMCrAlX合金粉末からなる耐熱・耐酸化性複合溶射材料を溶射して溶射皮膜を形成する方法としては、減圧プラズマ溶射法、大気プラズマ溶射法、高速フレーム溶射法および爆発溶射法など、いずれの溶射法を用いても良好な皮膜を得ることができるので、溶射法はとくに限定されるものではない。なお、クロメート処理したMCrAlX合金粉末からなる耐熱・耐酸化性複合溶射材料は、これ単独で金属製基材、とくに耐熱合金基材の表面に溶射して、酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜を形成したものとしてもよいが、その他に、無処理のMCrAlX合金粉末を溶射してなる耐熱性溶射皮膜や、酸化物系セラミックス粉末を溶射してなる酸化物系セラミックス溶射皮膜を積層してなる多層状溶射皮膜としてもよい。
また、クロメート処理したMCrAlX合金を溶射してなる酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜や、無処理のMCrAlX合金粉末や他のZrO2系酸化物セラミックスの混合粉末を溶射して得られる皮膜とを積層して複合化してもよい。
【0043】
次に、クロメート処理を施したMCrAlX合金粉末を溶射して得られる本発明に係る溶射皮膜について、図1の断面構造に基づいて、具体的に説明する。図1(a)は、金属製基材、例えば耐熱合金基材1の表面に、クロメート処理したMCrAlX合金粉末を溶射して酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜2を形成してなる溶射皮膜被覆部材の一例を示す断面図である。このような構造を有する溶射皮膜では、次のような作用効果が期待できる。
【0044】
クロメート処理されたMCrAlX合金粉末からなる耐熱・耐酸化性複合溶射材料は、溶射熱源中を飛行する途中で、溶融状態となって基材表面に衝突して付着する。このとき、球形の粒子は偏平に押し潰され、前記複合溶射材料粉末の表面に被覆されているCr23膜は破壊されて、内部のMCrAlX合金が露出した状態となる。その結果、Cr23セラミックスとMCrAlX合金とが分散状態に混在した酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜が形成される。この時、MCrAlX合金粉末の表面を被覆しているCr23膜が厚ければ厚いほど、前記酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜中ならびにその表面におけるCr23の割合が多くなる。この溶射皮膜中ならびにその表面に存在するCr23は化学的に安定であるため、かかる溶射皮膜で被覆された部材を化石燃料の燃焼ガス中で使用する場合などにおいては、特に優れた耐熱・耐高温酸化性、耐食性を発揮する。
【0045】
さらに、前記酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜中に含まれるCr23は、高温状態に曝されると、このCr23と接触しているMCrAlX合金粉末中のAlと反応し、下記式のように、金属の酸化物生成自由エネルギー差を駆動力とする作用によって、Cr23とMCrAlX合金粉末粒子との界面(MCrAlX合金粉末粒子表面)に保護性(耐酸化性)に優れるAl23膜を積極的に生成する。さらに、ここで生成したCrは、燃焼ガスによって再び酸化されて、Cr23となる。このような反応によって、MCrAlX合金粉末自体の耐高温環境性も向上することになる。
【0046】
・ Cr23 + 2Al → Al23 + 2Cr
【0047】
なお、本発明では、上記の現象に着目し、耐熱合金基材の表面にクロメート処理したMCrAlX合金粉末からなる耐熱・耐酸化性複合材料を溶射した部材を、970〜1500Kで1〜30Hr加熱することにより、図1(b)に示すように、前記溶射皮膜の表面に酸化アルミニウムを主成分とする保護性酸化膜3を積極的に生成させるようにしてもよい。
【0048】
一方、本発明に係る酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜は、耐熱合金基材との界面においても、Cr23セラミックスとMCrAlX合金が混在しているため、MCrAlX合金粉末のみを溶射して形成された耐熱性溶射皮膜と比較すると、MCrAlX合金と基材とが直接接触する面積が減少する。そのため、基材とMCrAlX合金成分が相互に熱拡散するような高温環境下においては、基材の機械的特性の低下を抑制すという効果をもたらす。とくに、近年におけるガスタービンの運転温度の高温化により、タービン翼材の使用温度が上昇しているような場合においては、タービン翼の表面に形成されているMCrAlX合金等からなる皮膜中のAlなどの成分が基材中に熱拡散し、脆弱なAlの金属間化合物を生成して、基材の機械的性質を低下させる現象が問題となっている。
この点、本発明において用いるクロメート処理した耐熱・耐酸化性複合溶射材料を溶射して得られる酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜は、上述したようにMCrAlX合金/基材間の接触面積が少ないので、基材の劣化を抑制するのに非常に有利である。
【0049】
図1(a)のようなクロメート処理したMCrAlX合金の単層皮膜からなる溶射皮膜構造の場合には、溶射皮膜の厚さは30〜800μmの範囲で形成することが好ましい。膜厚が30μm未満では、皮膜が薄すぎて上記効果を期待できず、一方、800μmを超えて皮膜を形成しても上記効果が飽和するほか、皮膜を構成する溶射粒子の相互結合力が低下して局部的に皮膜が破壊するという問題があるからである。
【0050】
図1(c)は、耐熱合金基材1の表面に、クロメート処理したMCrAlX合金粉末からなる耐熱・耐酸化性複合溶射材料を溶射して形成した酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜2を、アンダーコートとして形成し、その上にトップコートとして、ZrO2系などの耐熱性を有する酸化物セラミックス溶射皮膜4を形成した例を示す断面図である。クロメート処理したMCrAlX合金からなる耐熱・耐酸化性複合溶射材料を溶射してなる酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜2上に、ZrO2系の酸化物セラミックス溶射皮膜4を形成しても、この両者の密着力が害されることはない。このような酸化物セラミックス溶射皮膜は、一般に耐熱性には優れているものの、多孔質であるため、燃焼ガス中の腐食性成分(例えば、H2O,SO2,SO3,NOx,HClなど)が気孔を通して内部へ侵入し、下層のMCrAlX合金を腐食し、最終的には酸化物セラミックスの剥離を引き起こす原因となることが多い。しかし、本発明において形成する酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜は、その皮膜中に耐食性に優れたCr23が存在しているため、燃焼ガスによる腐食損傷を最小限に抑制することが可能であり、またCr23と接触しているMCrAlX合金粉末の表面には優れた保護性を有するAl23膜が生成しているので、この溶射皮膜もまた燃焼ガスによる腐食損傷防止に寄与する。
【0051】
なお、図1(c)に示した、トップコートとしてのZrO2系酸化物セラミックス4に代えて、図1(d)のように、無処理のMCrAlX合金皮膜5を形成してもよい。クロメート処理したMCrAlX合金粉末からなる耐熱・耐酸化性複合溶射材料と無処理のMCrAlX合金粉末溶射材料はいずれも、溶射熱源中で溶融状態(Cr23膜も含めて)となるため、良好な密着性を得ることができる。なお、この両皮膜は、いずれを上下に配置してもよいが、この点については後述する。
【0052】
図1(c)あるいは図1(d)のような積層溶射皮膜の場合における各溶射皮膜の厚さは、クロメート処理したMCrAlX合金を溶射した酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜からなるアンダーコートは30〜800μm、その上に形成されるZrO2系などの酸化物セラミックス溶射皮膜等のトップコートは100〜800μmの範囲で形成することが好ましい。アンダーコートの膜厚が規制される理由は、図1(a)と同じである。一方、トップコートの膜厚は、100μm未満では、耐熱性や熱遮蔽効果が小さく、逆に、800μmを超えると、皮膜自体の機械的強度が低下するという問題があるからである。
【0053】
図1(e)は、耐熱合金基材1の表面に、クロメート処理したMCrAlX合金粉末を溶射して形成された酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜からなる溶射皮膜2をアンダーコートと、その上に中間層として、クロメート処理したMCrAlX合金とZrO2系酸化物セラミックスとの混合粉末からなる溶射材料を溶射して中間層溶射皮膜6を形成し、さらにその上にトップコートとして、ZrO2系酸化物セラミックスからなる耐熱性の酸化物セラミックス溶射皮膜4を形成した例を示す断面図である。さらに、図1(f)のように、図1(e)の中間層溶射皮膜を、クロメート処理したMCrAlX合金とZrO2系酸化物セラミックスとの配合を、アンダーコート側ほどクロメート処理したMCrAlX合金の量を多くし、逆に、トップコート側ほどZrO2系酸化物セラミックスの量を多くした傾斜配分層7として形成してもよい。
【0054】
図1(e)や図1(f)のような構造の溶射皮膜は、この溶射皮膜を構成するうちの耐熱合金の溶射皮膜と酸化物セラミックスの溶射皮膜という物性の著しく異なる皮膜間における、例えば熱膨張差に起因した熱応力の発生とその集中による剥離という問題を、両者の配合比を傾斜的に変化させることによって応力緩和し、解決しようとするものである。
【0055】
しかし、このような中間層溶射皮膜6,7は、高温状態に曝されたとき、溶射皮膜中に含まれる合金の耐熱性、耐酸化性が十分でなければ、その機能を発揮することができない。この点、本発明で用いるクロメート処理したMCrAlX合金粉末からなる耐熱・耐酸化性複合溶射材料は、無処理の同組成のMCrAlX合金粉末に比較して、はるかに良好な耐熱・耐酸化性を備えているため、中間層としての機能を長期間にわたって発揮させることができる。
【0056】
図1(e)あるいは図1(f)のような構造を有する溶射皮膜の場合、各溶射皮膜の厚さは、クロメート処理したMCrAlX合金からなるアンダーコートは30〜200μm、その上に形成される中間層は30〜200μm、さらにその上に形成されるZrO2系酸化物セラミックスからなるトップコートは30〜800μmの範囲であることが好ましい。ベースコートの膜厚を規制する理由は、下限値は、図1(a),(c)と同じであるが、上限値は皮膜の機械的強度の点から200μmとすることが好ましい。中間層の膜厚は、30μm未満では、中間層としての機能を発揮できず、逆に、200μmを超えると皮膜の機械的強度が低下するという問題があるからである。さらに、トップコートの膜厚は、30μm未満では耐熱性や熱遮蔽特性が小さいからであり、逆に、800μmを超えると皮膜の機械的強度が低下するからである。
【0057】
次に、本発明で形成する溶射皮膜の構造は、図1に示した例に限られるものではなく、基材表面のどこかに、上述したクロメート処理したMCrAlX合金粉末からなる耐熱・耐酸化性複合溶射材料を溶射して酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜2が形成されている構造であればよい。例えば、図2(a)に示したように、耐熱金属器材の表面にまず、アンダーコートとし、未処理のMCrAlX合金粉末を溶射して耐熱性溶射皮膜5を形成し、その上に、クロメート処理したMCrAlX合金粉末からなる耐熱・耐酸化性複合溶射材料を溶射して酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜2を形成したものでもよい。さらに、図2(b)のように、上記アンダーコートの上に中間層として、酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜2を形成し、さらにその中間層の上にトップコートとして、ZrO2系酸化物セラミックスの溶射皮膜4を積層してもよく、その組み合わせは自由である。
【0058】
また、本発明の図1に示したような構造を有する各種溶射皮膜は、成膜のままでも十分に使用することができるが、必要に応じて、1273〜1473K×1〜10hrの液体化処理あるいは973〜1273K×1〜30hrの時効処理の何れか、またはその両者を組合せた熱処理を行うことによって、溶射皮膜を構成する合金粒子の相互結合力を強化し、被溶射体の金属基材との密着性を向上させることができる。また、酸化アルミニウムを主成分とする保護性酸化膜を生成させたり、さらに、溶射皮膜の緻密化および溶射時に発生した残留応力の除去などを行うことができる。
【0059】
【実施例】
(実施例1) 市販の各種MCrAlX合金粉末に対してクロメート処理を施し、溶射熱源に代えて、電気炉を用いた大気雰囲気中での加熱実験を行い、耐熱性・耐高温酸化特性の評価を行った。電気炉を用いた理由は、溶射熱源による加熱では、合金粉末が飛散して、加熱後の合金粉末の採取が困難だからである。表1は、供試した合金粉末の化学成分を示したもので、いずれも溶射用材料として市販されているものである。これらを化学成分から分類すると、Niを含まない合金(A)、Coを含まない合金(B,C,D,E)およびNi,Coを含む合金(F,G)に大別され、さらにG合金には、他の合金に含まれていないTaが5mass%含まれている。全ての合金に含まれている共通成分は、Al,CrおよびYであるが、Yはすべて1mass%以下の含有量である。また、これらの合金粉末の粒度を調査したところ、平均粒径は10〜30μmであるが、最大直径は50μmで、10μm以下の小粒径のものもが多く、1μm以下の粒径も含まれていた。
【0060】
【表1】

Figure 0003917564
【0061】
クロメート処理は、上記の合金粉末を、30mass%のクロム酸水溶液に15分間浸漬した後引き上げ、余分な水溶液をよく除いた後、380Kで30分間乾燥し、さらに、この合金粉末を750Kで30分間焼成する処理を一工程とし、この処理工程を3回繰返して行った。加熱実験は、電気炉を用い、大気中で、1423Kで9時間加熱した後、この合金粉末を合成樹脂に埋め込み、これをエメリー紙を用いて研磨して粉末の断面を露出させ、この断面を走査型電子顕微鏡(SEM)によって観察して合金粉末の耐熱性を調べた。なお、比較例としてクロメート処理をしない無処理のMCrAlX合金粉末も同じ条件で加熱実験に供した。
【0062】
表2は、上記実験の結果を要約したもので、比較例のMCrAlX合金粉末(No.8〜14)では、粒径の小さい粉末はすべて完全に酸化され、合金の状態を維持していたのは、大粒径のものだけであった。これに対して、クロメート処理を施した本発明の合金粉末(No.1〜7)は、小さな粒径の粉末でも酸化されることなく、現形を維持しており、優れた耐高温酸化性を示すことが確認された。
【0063】
【表2】
Figure 0003917564
【0064】
図3は、上記加熱試験前後におけるMCrAlX合金粉末の断面写真の代表例を示したものである。図3(a)は、加熱試験前の合金粉末の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察したもので、大小すべての粒子の断面に白色部(合金粉末粒子P1)が確認できる。図3(b)は、クロメート処理をしていないMCrAlX合金粉末を高温酸化試験した後の写真であり、白色部は未酸化の合金粉末粒子P1、暗色部は完全に酸化された合金粉末粒子P2を示しており、かなりの粉末が完全に酸化されていることがわかる。一方、図3(c)は、クロメート処理したMCrAlX合金粉末の断面であり、小粒径の粉末でも酸化されずに健全な状態を維持している。以上の結果から、市販のMCrAlX合金粉末は、早期に酸化消耗するが、これにクロメート処理を施こすことで、酸化消耗速度を著しく遅らせることができることがわかる。
【0065】
(実施例2) 実験室内に、クロメート処理したものと処理しないMCrAlX合金粉末を、10日間放置して溶射材料とし、これらを大気プラズマ溶射法によって、SUS304ステンレス鋼板(寸法300mm×300mm×3.2mmt)の表面に、目標膜厚50μmの皮膜を形成した後、鋼板を切断して溶射皮膜の厚さ分布を光学顕微鏡を用いて測定した。この試験には、表1に記載したA合金、G合金の合金粉末を用い、またクロメート処理条件は、実施例1と同条件とした。なお、比較例としてクロメート無処理の同じ合金を用いた調査を行った。
【0066】
表3は、上記観察結果を示したものであり、本発明に従いクロメート処理を施こしたMCrAlX合金粉末は、室内に放置されても水分の吸着がないため、溶射ガンへの流動が平滑で、均等な膜厚が形成されていた。これに対し、比較例の無処理の合金粉末は、水分の吸着が大きく、溶射ガンへの供給が不安定であるため、最高膜厚はクロメート処理品とほぼ同等であったが、最小膜厚が小さく不均一な皮膜であることが確認された。
【0067】
【表3】
Figure 0003917564
【0068】
(実施例3) Ni基合金の基材(外径15mmφ×長さ50mmの丸棒)の表面に、クロメート処理を5回繰返したMCrAlX合金粉末(耐熱・耐酸化性複合溶射材料)と無処理のMCrAlX合金粉末(耐熱性溶射材料)を溶射材料とし、減圧プラズマ溶射法によって100μm厚の溶射皮膜を形成した。その後、溶射した試験片を、電気炉中でアルゴンガスを流しつつ、1373K×8hrの加熱処理を行った。この加熱後の試験片を切断し、光学顕微鏡およびX線マイクロアナライザーを用いて、その断面における合金皮膜成分のNi基合金基材中への拡散状況を観察した。なお、この実験に供した合金粉末は、表1記載のA,C,E,FおよびGの5種類であり、またNi基合金基材の化学成分は、15.3mass%Cr‐7mass%Fe‐2.5mass%Ti‐2mass%Mo‐10mass%Co‐残Niであった。
【0069】
表4は、上記加熱実験による溶射皮膜成分がNi基合金基材中へ拡散した深さを測定した結果をまとめたものである。この結果から明らかなように、比較例である無処理のMCrAlX合金の溶射皮膜を形成した試験片(No.32,34,36,38,40)の拡散層厚さは88〜95μmに達しており、非常に拡散しやすいことがわかる。これに対して、クロメート処理を施こしたMCrAlX合金粉末を溶射してなる酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜を形成した基材(No.31,33,35,37,39)では30〜45μmに止まっており、クロメート処理により被成したCr23膜の存在によって、皮膜成分の拡散を防ぎ、基材の機械的性質の低下を抑制できることがうかがえる。
【0070】
【表4】
Figure 0003917564
【0071】
(実施例4) 実施例3で基材として使用したNi基合金の試験片(寸法50mm×50mm×5mmt)の全面に、大気プラズマ溶射法と高速フレーム溶射法を用いて、表1に記載のC、D合金粉末を原料として300μm厚の溶射皮膜を形成した。なお上記合金粉末には、溶射に先立って、クロメート処理を3回繰り返したものを用いた。また、比較例として、無処理のMCrAlX合金の他、耐高温酸化用の溶射用粉末材料として広く使用されている50mass%Ni‐50mass%Cr,80mass%Ni‐20mass%Crを用い、上記と同条件で溶射皮膜を形成した。成膜後の試験片は、電気炉中において、大気中で1473K×500時間の加熱酸化試験を行い、試験前後の試験片の重量変化(減少)から、皮膜の耐熱性・耐高温酸化性を評価した。なお、上記重量の減少は、加熱による酸化によって皮膜の表面に生成した酸化膜が試験中に脱落することによって発生するもので、酸化膜が緻密で良好な耐酸化性を示すものほど脱落量が少なく、重量減少が少ない。
【0072】
表5は、上記の実験結果をまとめたものである。この結果から、無処理のMCrAlX合金粉末を溶射してなる皮膜(No.43,44,47,48)の重量変化は180〜280mgの重量減少であるのに対し、クロメート処理したMCrAlX合金粉末を溶射してなる皮膜(No.41,42,45,46)の重量変化は75〜95mgの重量減少にとどまっており、クロメート処理した合金粉末を溶射材料として溶射した酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜は、耐高温酸化性に優れていることが確認された。また、他の比較例の皮膜(No.49〜52)の重量変化は、2010〜2250mgの大きな重量減少を示し、試験を行った皮膜中で最も耐高温酸化性能に劣っていた。
【0073】
【表5】
Figure 0003917564
【0074】
(実施例5) クロメート処理したMCrAlX合金を溶射してなる酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜をアンダーコートとし、そのアンダーコートの上にZrO2系酸化物セラミックスのトップコートを積層させた熱遮蔽皮膜の耐高温酸化特性と熱衝撃特性について調査した。アンダーコートは、溶射材料として、表1記載のA合金にクロメート処理を3回施したMCrAlX合金を用い、8.11mass%Co‐15.8mass%Cr‐3.45mass%Al‐3.60mass%Ti‐1.78mass%Mo‐2.46mass%W‐1.92mass%Ta‐残りNiの成分組成を有するNi基合金の試験片(寸法:50mm×500mm×3.2mmt)の片面に減圧プラズマ溶射法により、150μm厚の皮膜を形成した。さらに、上記アンダーコートの上に、大気プラズマ溶射法によって、8mass%Y23−ZrO2セラミックスのトップコートを300μm厚に積層させた。また、比較例として、アンダーコートの溶射材料に、無処理のMCrAlX合金を用い、他は上記と同じ条件としたものを作製した。
【0075】
耐高温酸化特性と熱衝撃特性の試験は、大気雰囲気の電気炉中で1423K×200時間の加熱を行った後、試験片を切断して、その断面(主としてアンダーコートとトップコートの界面近傍)を走査型電子顕微鏡により観察し、アンダーコート表面におけるMCrAlX合金元素の酸化挙動を調べた。また、熱衝撃試験は、1423K×200時間加熱後の試験片を一旦室温(290K)まで放冷した後、1270K×15分間の加熱とその後室温まで放冷する加熱冷却処理を10回繰返し、トップコートの剥離状況を目視察することによって行った。
【0076】
表6は、上記の試験結果を示したものである。この結果から、比較例である無処理のMCrAlX合金を溶射してなる溶射皮膜をアンダーコートとしたもの(No.62)では、長時間の加熱によって、合金成分のCo,Cr,Ni,Alなどの金属元素の酸化物が皮膜表面に生成して厚い複合酸化物層を形成しており、しかもこの層は緻密性にも欠ける傾向が認められた。これに対し、発明例であるクロメート処理したMCrAlX合金を溶射してなるアンダーコート層の表面(No.61)では、Al23を主成分とする緻密で薄くかつ保護性にも優れている酸化物層が生成しており、耐高温酸化特性が優れていることがわかった。一方、熱衝撃試験の結果は、比較例の皮膜では、トップコートに多数の亀裂が発生し、全面積の約10%に当る皮膜が脱落した。これに対して、発明例であるクロメート処理したMCrAlX合金粉末を用いた試験片では、トップコートに亀裂の発生は無く、また皮膜の脱落も認められず、健全な状態を維持していた。
【0077】
【表6】
Figure 0003917564
【0078】
(実施例6) 実施例4で用いたものと同じ基材試験片の全面に、3回のクロメート処理を施こしたMCrAlX合金粉末を溶射してなる酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜をアンダーコートとして形成し、そのアンダーコートの上に、3回のクロメート処理を施こしたMCrAlX合金とZrO2系酸化物セラミックスとの混合粉末を溶射材料とし、その両成分の配合を表7に示したように、基材側ほどMCrAlX合金粉末の量を多く、表面側ほどZrO2系酸化物セラミックス粉末の量を多くなるよう傾斜配分した溶射材料を溶射して中間層を設け、さらにその中間層の上に、ZrO2系酸化物セラミックス(8mass%Y23‐残部ZrO2)溶射皮膜をトップコートとして積層した構造の熱遮蔽溶射皮膜を形成した後、この試験片に対して、1473K×500hの高温酸化試験を行い、耐酸化性を評価した。試験に用いたMCrAlX合金粉末には、表1記載のA合金を用い、溶射法は、アンダーコートには高速フレーム溶射法、中間層およびトップコートには大気プラズマ溶射法を用いた。また、比較のため、無処理のA合金も用いて同様の溶射皮膜を形成し、耐高温酸化性を調査した。なお、アンダーコート、中間層、トップコートの各溶射膜の膜厚は表7の通りであった。
【0079】
【表7】
Figure 0003917564
【0080】
高温酸化試験後、各試験片を切断し、皮膜の断面を観察した。結果を表8に示したが、無処理のA合金を用いた比較例の皮膜では、グラインダ砥石で切断する際、既に局部的にトップコートの剥離が認められるとともに、光学顕微鏡による観察の結果では、中間層のA合金粒子の大部分が完全に粒子の中心部まで酸化されていた。このため中間層を構成するZrO2系粒子の一部も脱落していた。これに対して、クロメート処理したA合金を用いた本発明の中間層では、その殆どのMCrAlX合金粉末が酸化されることなく健全な状態で残存しており、またZrO2粒子の脱落も認められなかった。なお、クロメート処理したA合金粒子を走査電子顕微鏡で詳細に調査すると、合金粒子の外周部にはAl23層が形成されており、このAl23層が、耐高温酸化特性の維持に効果を発揮していることが判明した。
【0081】
【表8】
Figure 0003917564
【0082】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、耐高温・耐酸化性の溶射皮膜の形成材料として、MCrAlX合金粉末の表面に化学的処理によってCr23膜を形成してなる耐熱・耐酸化性複合溶射材料を用いることにより、吸湿に伴う変質や流動性の低下を防止することができ、また溶射ガンへの供給が円滑となり、安定した品質の皮膜を確保することができる。また、化学的処理により合金粉末の表面に被覆されたCr23膜は、溶射熱源によって合金粉末とともに溶融・軟化して溶射皮膜の一部を構成し、酸化物セラミックス成分としての機能を発揮し、高温度下において、基材へのMCrAlX合金成分の過度な熱拡散を抑制する一方、皮膜表面では、優れた保護性を有するAl23の生成を促して、耐高温酸化特性を向上すると共に、トップコートとして形成する酸化物セラミックスの結合性の向上にも効果を発揮する。以上の作用効果によって、ガスタービン等の高温被曝用部材に対する溶射加工作業、皮膜品質、皮膜性質などを、溶射粉末材料の段階において改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の耐熱・耐酸化性に優れた溶射皮膜の断面構造を模式的に示した図である。
【図2】 本発明の耐熱・耐酸化性に優れた溶射皮膜の断面構造を模式的に示した図である。
【図3】 高温酸化試験前後のMCrAlX合金粉末の断面を走査型電子顕微鏡で観察した写真であり、(a)は、高温酸化試験前の無処理のMCrAlX合金粒子、(b)は、高温酸化試験後の無処理のMCrAlX合金粒子、(c)は、高温酸化試験後のクロメート処理したMCrAlX合金粒子のものである。
【符号の説明】
1 金属製基材
2 クロメート処理したMCrAlX合金粉末(耐熱・耐酸化性複合溶射材料)を溶射した酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜
3 酸化アルミニウムを主成分とする保護性酸化膜
4 ZrO2系酸化物セラミックス溶射皮膜
5 無処理のMCrAlX合金からなる耐熱性溶射皮膜
6 耐熱・耐酸化性複合溶射材料とZrO2系酸化物セラミックスとの混合粉末を溶射した混合溶射皮膜
7 耐熱・耐酸化性複合溶射材料とZrO2系酸化物セラミックスとの混合量が傾斜配分された混合溶射皮膜
P1 合金粒子または未酸化合金粒子
P2 高温酸化された合金粒子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat-resistant / oxidation-resistant thermal spray coating member coated with a chromium oxide-containing heat-resistant / oxidative thermal spray coating and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, research aimed at increasing the working gas temperature has been actively conducted to improve the thermal efficiency of gas turbines. As a result, the temperature is currently increasing until the turbine inlet temperature exceeds 1500 ° C.
[0003]
Such a high working gas temperature is largely due to the development of materials for turbine blade members that are directly exposed to high-temperature combustion gas and the progress of blade cooling technology, and is still an important research subject. In particular, turbine blades are subject to creep deformation due to centrifugal force during operation, thermal fatigue associated with starting and stopping, high cycle fatigue due to mechanical vibration, and sea salt particles, sulfur and vanadium contained in combustion gas and combustion air. Development of materials for turbine blade members is important because of the corrosive action caused by impurities such as
[0004]
On the other hand, the turbine vane is disposed in front of the turbine rotor blade and functions as a guide valve for combustion gas. For this reason, turbine stationary blades are in an environment where they are exposed to higher temperatures than rotor blades, and in the same way as rotor blades, they are susceptible to high temperature oxidation and high temperature corrosion, as well as high thermal stress and thermal shock. is there. For this reason, Ni-base alloys and Co-base alloys with excellent high-temperature strength characteristics are used for these turbine blades and vanes. Occupies an important position.
[0005]
However, since these Ni-base alloys and Co-base alloys are developed with emphasis on strength at high temperatures, they are effective in improving high-temperature oxidation resistance properties such as Al, Cr, and Si that have a small contribution to strength improvement. Therefore, there is a problem that oxidation resistance, particularly high temperature oxidation resistance is not sufficient as a constituent material of a gas turbine whose current use temperature is increased. Therefore, methods for improving high-temperature oxidation resistance by forming a film with excellent high-temperature oxidation resistance on the surface of turbine blades and vanes have been studied in the past. Techniques related to coating materials (film materials) have been proposed.
[0006]
For example, Patent Literature 1 and Patent Literature 2 disclose a technique for improving the high-temperature oxidation resistance by forming a high Cr concentration layer on the surface of a turbine rotor and vane using a Cr diffusion penetration method. However, these technologies are effective when the operating temperature of the gas turbine is low, but when used in an operating environment of 1500 ° C or higher as in the present, the Cr layer formed on the blade surface is vaporized. High pressure CrOThreeIt is volatilized and excellent high temperature oxidation resistance cannot be expected.
[0007]
As a solution to this problem, a coating with excellent high-temperature oxidation resistance called MCrAlX alloy is applied to high-temperature parts such as gas turbine moving and stationary blades and combustor inner cylinders (including tail cylinders) by electron beam evaporation or thermal spraying. Coating techniques have been developed. Here, M in the MCrAlX alloy is Ni, Co or Fe, or an alloy composed of a plurality of these elements, and X is an element such as Y, Hf, Se, Ce, La, Th, Pt, B and Si. Indicates. This technology is widely used for jet engine members and the like as well as current high-temperature gas turbines.
[0008]
Many MCrAlX alloys with various chemical compositions have been proposed according to the purpose of use (see, for example, Patent Documents 3 to 7). The chemical composition of these MCrAlX alloys is generally in the following range.
(M component) Ni: 0 to 75 mass%, Co: 0 to 75 mass%, Fe: 0 to 30 mass%, Cr: 5 to 70 mass%, Al: 1 to 29 mass%
(X component) Y: 0-5 mass%, Hf: 0-10 mass%, Ta: 1-20 mass%, Si: 0.1-14 mass%, B: 0-0.1 mass%, C: 0-0.25 mass% , Mn: 0-10 mass%, Zr: 0-3 mass%, W: 0-0.5 mass%, Pt: 0-20 mass%
[0009]
On the other hand, in addition to the technology for forming a heat-resistant sprayed coating by thermal spraying, using a chemical mainly composed of an aqueous chromic acid solution, the surface of the steel substrate is directly coated with fine Cr.2OThreePatent Documents 8 to 11 disclose techniques for forming an aggregate film. Furthermore, a technique for applying this technique to a film obtained by various methods and improving it has been developed. For example, in Patent Documents 12 to 16, chromate treatment using a chemical agent (chromic anhydride aqueous solution) containing chromic acid as a main component on a thermally sprayed ceramic layer, a metal coating layer, and a hard plating film formed by electroplating. Has been proposed to fill and seal defects such as pores and cracks present in the film, and to prevent harmful effects caused by these defects.
[0010]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 600213
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 828784
[Patent Document 3]
JP 59-001654 A
[Patent Document 4]
JP 59-006352 A
[Patent Document 5]
JP 59-089745 A
[Patent Document 6]
JP 59-118847 A
[Patent Document 7]
JP-A-60-141842
[Patent Document 8]
JP 59-009171 A
[Patent Document 9]
JP 61-052374 A
[Patent Document 10]
JP 63-126682 A
[Patent Document 11]
Japanese Unexamined Patent Publication No. Sho 63-317680
[Patent Document 12]
JP 59-205480
[Patent Document 13]
JP-A-61-194187
[Patent Document 14]
JP-A 63-000487
[Patent Document 15]
Japanese Utility Model Publication No. 03-063565.
[Patent Document 16]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-018052
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the above-mentioned MCrAlX alloy is made into a powder state, and is coated on the surface of the substrate by an atmospheric plasma spraying method, a low pressure plasma spraying method, a high-speed flame spraying method, an explosion spraying method, or the like. However, the use of commercially available MCrAlX alloy powder for thermal spraying has the following problems.
[0012]
(1) The commercially available MCrAlX alloy powder is easy to absorb moisture. The moisture-absorbed alloy powder has poor fluidity, and the supply to the spray gun becomes inaccurate and unstable, so that the sprayed coating cannot be formed with a uniform thickness.
(2) In MCrAlX alloy powder, when the moisture absorption state lasts for a long time, Co, Cr, Al, Ni, etc. contained as alloy components change into hydroxides and oxides, and the characteristics as an alloy disappear.
(3) In order to prevent the harmful effects caused by the hygroscopicity of the MCrAlX alloy, it is necessary to enhance the dry storage equipment and introduce a storage management method, which leads to an increase in production cost.
(4) Further, the commercially available MCrAlX alloy powder has a particle size distribution in a wide range of 1 to 150 μm. When the alloy powder in this state is sprayed, the powder having a large particle size is sprayed without being completely melted by the spraying heat source, and is dispersed as unmelted particles in the coating. For this reason, the mutual bonding force between the alloy particles constituting the film is reduced, and the adhesion force with the metal substrate is reduced.
(5) On the other hand, fine MCrAlX alloy powder is melted in a short time by a thermal spraying heat source and oxidized, and as a result, all oxides are formed in the heat source. This oxide becomes a black fine powder and is dispersed in the thermal spray coating, weakening the mutual bonding force between the alloy particles constituting the coating and reducing the adhesion to the metal substrate.
(6) In addition, the black fine oxide with oxidized alloy particles adheres thinly to the sprayed coating surface in the absence of adhesion, such as wrinkles. Undercoat and then top coat (eg ZrO)2When laminating a ceramic-based ceramic film), the adhesion between the two layers is reduced to promote the peeling of the top coat.
(7) Further, the black fine oxide generated during the thermal spraying of the alloy powder becomes so-called fume and contaminates the thermal spraying work environment, which is not preferable for safety and health.
[0013]
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of commercially available MCrAlX alloy powders for thermal spraying, that is, increase in hygroscopicity due to the powder, decrease in powder flowability and thermal spraying efficiency associated therewith, and powder By using a heat- and oxidation-resistant composite sprayed material that has no problems such as alteration due to moisture absorption by moisture, it is possible to obtain a thermal spray coating coated member having excellent heat resistance and high-temperature oxidation resistance, and the advantage of such a member It is to propose a manufacturing method.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The inventors of the above-mentioned conventional thermal spraying technique using the MCrAlX alloy mainly arises from the emphasis placed on the adjustment of the component composition of the MCrAlX alloy component itself and the devices such as the thermal spraying method. Rather, in order to solve the above-mentioned problems, intensive research was conducted from the viewpoint that development should focus on the properties of the alloy powder that is the thermal spray material. As a result, a chromium oxide film is formed in advance on the surface of the heat-resistant alloy powder that will be the thermal spray material by chemical treatment, and the powder subjected to such treatment is used as the thermal spray material to solve the above problems. The present invention has been completed by finding out what can be done.
[0015]
  Examples of the present invention developed based on the above findings include the following gist configuration.
(1) In a member formed by coating a metal substrate with a thermal spray coating, the substrate is placed on the surface of the heat-resistant alloy powder.Produced by chromate treatment in which an aqueous solution containing chromic acid and / or chromate is deposited and then heat treatedOxidized blackCovering the filmA heat- and oxidation-resistant thermal spray coating member, which is coated with a chromium oxide-containing heat and oxidation-resistant thermal spray coating obtained by spraying a heat- and oxidation-resistant composite thermal spray material.
[0016]
(2) The above chromium oxide-containing heat- and oxidation-resistant thermal spray coating is MCrAlX (where M is one or more selected from Co, Ni and Fe, X is Y, Hf, Ta, Cs, Ce) , La, Th, W, Si, Pt, Mn, and B selected from one or more types, and the surface of the heat-resistant alloy powder having an average particle size of 5 to 100 μm is oxidized to a thickness of 0.1 to 10 μm Cr is formed by spraying and depositing a heat- and oxidation-resistant composite sprayed material made of a chromium film on the substrate surface in a molten or semi-molten state.2OThreeThe heat- and oxidation-resistant sprayed coating member according to (1), which is composed of a layer in which ceramics and a MCrAlX alloy are mixed.
[0017]
(3) The protective oxide film mainly composed of aluminum oxide is formed on the surface of the chromium oxide-containing heat-resistant / oxidation-resistant sprayed coating as described in (1) or (2) Heat- and oxidation-resistant thermal spray coating coating material.
[0018]
(4) The chromium oxide-containing heat- and oxidation-resistant sprayed coating is an undercoat, and an oxide ceramic sprayed coating is formed as a top coat on the undercoat (1) or (2 The heat- and oxidation-resistant spray-coated member described in (1).
[0019]
(5) The chromium oxide-containing heat- and oxidation-resistant sprayed coating according to claim 1 or 2 is formed as an undercoat on the surface of the heat-resistant alloy substrate, and MCrAlX (however, an intermediate layer is formed on the undercoat. , M is one or more selected from Co, Ni and Fe, X is selected from Y, Hf, Ta, Cs, Ce, La, Th, W, Si, Pt, Mn and B Heat-resistant and oxidation-resistant composite sprayed material with a chromium oxide film on the surface of a heat-resistant alloy powder represented by 1 type or 2 types) and ZrO2An intermediate layer sprayed coating is formed by spraying a mixed powder with an oxide ceramic, and ZrO is applied as a top coat on the intermediate sprayed coating.2A heat-resistant and oxidation-resistant sprayed coating member characterized in that a system oxide ceramic sprayed coating is formed.
[0020]
(6) The intermediate layer sprayed coating is closer to the topcoat side.2The heat- and oxidation-resistant thermal spray coating member according to (5), comprising a gradient blended layer with an increased content of a system oxide ceramic.
[0021]
(7) A heat-resistant alloy such as MCrAlX (where M is one or more selected from Co, Ni and Fe, X is Y, Hf, Ta, A heat-resistant thermal spray coating of a heat-resistant alloy represented by Cs, Ce, La, Th, W, Si, Pt, Mn and B) is formed on the undercoat A heat- and oxidation-resistant thermal spray coating member characterized in that the chromium oxide-containing heat and oxidation-resistant thermal spray coating according to (1) or (2) is formed as a top coat.
[0022]
(8) A heat-resistant alloy such as MCrAlX (where M is one or more selected from Co, Ni and Fe, and X is Y, Hf, Ta, etc.) , Cs, Ce, La, Th, W, Si, Pt, Mn, and B) are formed on the undercoat. As an intermediate layer, the chromium oxide-containing heat-resistant / oxidation-resistant thermal spray coating described in (1) or (2) is formed, and further, a ZrO as a top coat is formed on the intermediate layer.2A heat-resistant and oxidation-resistant sprayed coating member characterized in that a system oxide ceramic sprayed coating is formed.
[0023]
(9) On the surface of metal base material, on the surface of heat-resistant alloy powderProduced by chromate treatment in which an aqueous solution containing chromic acid and / or chromate is deposited and then heat treatedOxidized blackCovering the filmA method for producing a heat-resistant / oxidation-resistant thermal spray coating member, comprising forming a chromium oxide-containing heat-resistant / oxidation-resistant thermal spray coating by spraying a heat-resistant / oxidation-resistant composite thermal spray material.
[0024]
(10) The heat and oxidation resistant thermal spray material is MCrAlX (where M is one or more selected from Co, Ni and Fe, X is Y, Hf, Ta, Cs, Ce, La, The surface of the heat-resistant alloy powder having an average particle size of 5 to 100 μm represented by Th, W, Si, Pt, Mn and B) is a chromium oxide film having a thickness of 0.1 to 10 μm. The method for producing a heat- and oxidation-resistant spray-coated member according to (9), wherein the heat- and oxidation-resistant spray-coated member is coated.
[0025]
(11) After forming a chromium oxide-containing heat-resistant / oxidation-resistant sprayed coating on the surface of the metal substrate, the surface of the sprayed coating is mainly composed of aluminum oxide by heating at 970-1500 K for 1-30 hours. The method for producing a heat-resistant / oxidation-resistant sprayed coating member according to (9) or (10), wherein a protective oxide film is produced.
[0026]
(12) After forming the chromium oxide-containing heat-resistant / oxidation-resistant sprayed coating, the oxide ceramic sprayed coating is formed on the oxide ceramic sprayed coating thereon (9) or (10) The manufacturing method of the heat-resistant / oxidation-resistant thermal spray coating coating member as described in 2.
[0027]
(13) On the surface of the heat-resistant alloy base material, as an undercoat, the chromium oxide-containing heat-resistant and oxidation-resistant sprayed coating described in (9) or (10) is formed, and an intermediate layer is formed on the undercoat. MCrAlX (where M is one or more selected from Co, Ni and Fe, X is Y, Hf, Ta, Cs, Ce, La, Th, W, Si, Pt, Mn and B) A heat-resistant and oxidation-resistant composite sprayed material having a chromium oxide film on the surface of a heat-resistant alloy powder represented by one or more selected from ZrO2An intermediate layer sprayed coating is formed by spraying a mixed powder with an oxide ceramic, and ZrO is applied as a top coat on the intermediate sprayed coating.2ZrO by thermal spraying of oxide ceramics2A method for producing a heat- and oxidation-resistant thermal spray coating member characterized by forming an oxide-based ceramic thermal spray coating.
[0028]
(14) The intermediate layer sprayed coating is ZrO closer to the top coat side.2A heat-resistant / oxidation-resistant sprayed coating member according to (13), characterized in that it is a gradient blended layer with an increased content of a system oxide ceramicManufacturing method.
[0029]
(15) On the surface of the heat-resistant alloy base material, as an undercoat, a heat-resistant alloy such as MCrAlX (where M is one or more selected from Co, Ni and Fe, X is Y, Hf, Ta, Cs, Ce, La, Th, W, Si, Pt, Mn and B selected from one or more heat-resistant alloy powders are sprayed to form a heat-resistant sprayed coating, On the undercoat, a heat- and oxidation-resistant composite sprayed material described in (9) or (10) is sprayed to form a chromium oxide-containing heat- and oxidation-resistant sprayed coating. Method for producing a thermally sprayable coating member.
[0030]
(16) On top of the above chromium oxide-containing heat- and oxidation-resistant thermal spray coating, ZrO2ZrO by thermal spraying of oxide ceramics2A method for producing a heat- and oxidation-resistant spray-coated member according to (15), characterized in that a system oxide ceramic spray-coated film is formed.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, as the heat-resistant alloy used as the raw material of the thermal spray material, preferably the MCrAlX alloy, known ones as described above (paragraph 0008) can be used. In general, in order to prepare metals and alloys to be prepared as raw materials for thermal spray materials, after melting them in an inert gas atmosphere, the molten metal is ejected from the tip of the nozzle and at the same time inert to the molten metal. A method of pulverizing and atomizing by jetting a strong jet of gas and collecting it (referred to as gas atomizing method, spraying method, etc.) is adopted, and MCrAlX alloy powder is also used in the same way It is manufactured. Thereafter, the powder may be subjected to a heat treatment of 900 to 1500 K × 1 to 30 hours in a vacuum or in an inert gas atmosphere.
[0032]
The MCrAlX alloy powder thus obtained has a spherical shape. And since this powder is manufactured and heat-processed in inert gas atmosphere, the amount of oxides is comparatively small, According to inventors' investigation, oxygen content is about 0.03-0.05 mass%. However, the particle size of the obtained powder is mixed from a large one of about 150 μm to a small one of about 1 μm. For this reason, the spraying material is usually used after being classified using a sieve and subjected to a treatment such that the average particle size is about 5 to 100 μm. However, in actual commercial products, fine particles of about 1 μm or less are also mixed, and these can also be used in the present invention.
[0033]
One of the characteristic structures in the present invention is that a chemical treatment is applied to the MCrAlX alloy powder having the particle size distribution as described above to form a thin chromium oxide film on the surface of the powder particles in advance. The product is formed and coated, that is, a heat- and oxidation-resistant composite sprayed material is used. In the chemical treatment, first, MCrAlX alloy powder is treated with chromic anhydride (CrOThree), Ammonium chromate (NHFour)2CrOFourAnd ammonium dichromate (NHFour)2Cr2O7After immersing in an aqueous solution containing chromic acid and / or chromate selected from the following (hereinafter abbreviated as “aqueous solution of chromic acid”) for several minutes, this is pulled up, dried at room temperature to 400 K, and further electric Heat treatment is performed in a furnace at 500 to 800 K × 0.5 to 5 hours. By this heat treatment, the MCrAlX alloy powder causes the aqueous solution of chromic acid or the like adhering to the surface thereof to undergo a chemical reaction as shown in the following formula, thereby causing2OThreeIt will be covered with a thin film.
[0034]
・ CrOThree→ 1 / 2Cr2OThree+ 3 / 4O2
・ (NHFour)2CrOFour→ 1 / 2Cr2OThree+ 2NHThree+ H2O + 3 / 4O2
・ (NHFour)2Cr2O7→ Cr2OThree+ 2NHThree+ H2O + 3 / 2O2
[0035]
In the present invention, Cr to MCrAlX alloy powder2OThreeThe above-described chemical generation treatment of the film will be referred to as “chromate treatment” for convenience. In addition, Cr produced from the above aqueous solution such as chromic acid2OThreeSince the film is an aggregate of ultrafine particles of about 0.01 μm or less, the surface of the MCrAlX alloy particles can be densely coated. In addition, Cr produced by one chromate treatment2OThreeThe film thickness varies depending on the concentration of the aqueous solution such as chromic acid, but it is 30 mass% CrO.ThreeTaking an aqueous solution as an example, it is about 0.05 to 0.10 μm in one step. Cr produced by this chromate treatment2OThreeSince the membrane is insoluble in water, it does not elute even when immersed again in an aqueous solution such as chromic acid. Therefore, by repeating this chromate treatment, Cr2OThreeA film can be formed thick.
[0036]
After immersion in an aqueous solution of chromic acid, etc., the MCrAlX alloy powder pulled up may have an aqueous solution containing excess chromic acid or chromate. In such a case, a centrifuge is used. As a result, excess aqueous solution can be removed. Furthermore, in the present invention, instead of dipping in an aqueous solution of chromic acid or the like, a method of spraying an aqueous solution of chromic acid or the like on the MCrAlX alloy powder can also be applied to the surface of the powder.2OThreeIt is possible to form this film.
[0037]
In the present invention, Cr covering the surface of the MCrAlX alloy powder2OThreeThe preferred thickness of the membrane is in the range of 0.1-10 μm. If the thickness is less than 0.1 μm, the sufficient high-temperature oxidation resistance intended by the present invention cannot be obtained. On the other hand, if the thickness is greater than 10 μm, the individual effects cannot be obtained and the production cost increases. It is not preferable because it is only necessary.
[0038]
By the way, by using MCrAlX alloy powder with a particle size of 50μm, chromate treatment, 0.1μm thick Cr is formed on the surface2OThreeWhen the film is coated, Cr contained in the alloy powder2OThreeThe amount is about 1.2 vol%. This Cr2OThreeThe oxygen content converted from the amount is about 0.26 mass%, which is less than about 2% of the oxygen content in the coating obtained by plasma spraying the untreated MCrAlX alloy powder in the atmosphere. In addition, MCrAlX alloy particles of the same particle size are added to 10 μm thick Cr.2OThreeIf the film is coated, Cr2OThreeTherefore, the alloy powder after the chromate treatment can be said to be an oxide-based cermet powder. Furthermore, the particle size of the MCrAlX alloy powder is 5 μm, and 10 μm thick Cr is formed on this surface.2OThreeWhen the film is coated, most of the powder is Cr2OThreeTherefore, the content of MCrAlX alloy is only 0.8 vol%. In this case, it may be appropriate to call the oxide ceramic powder.
[0039]
As described above, the composition of the MCrAlX alloy powder subjected to the chromate treatment used as the thermal spray material in the present invention is composed of the particle diameter of the MCrAlX alloy powder as a raw material and the Cr to be formed.2OThreeDepending on the thickness of the film, alloy components and oxides (Cr2OThreeHowever, any alloy powder can be suitably used for the purpose of the present invention. Therefore, depending on the application of the thermal spray coating, Cr in the thermal spray coating2OThreeIf you want to adjust the amount, Cr covering the surface2OThreeWhat is necessary is just to select a film thickness suitably.
[0040]
The chemical components of the MCrAlX alloy powder that can be suitably applied with the chromate treatment of the present invention are as follows.
(M component) Ni: 0 to 75 mass%, Co: 0 to 75 mass%, Fe: 0 to 30 mass%, Cr: 5 to 70 mass%, Al: 1 to 29 mass%
(X component) Y: 0-5 mass%, Hf: 0-10 mass%, Ta: 1-20 mass%, Si: 0.1-14 mass%, B: 0-0.1 mass%, C: 0-0.25 mass% , Mn: 0-10 mass%, Zr: 0-3 mass%, W: 0-0.5 mass%, Pt: 0-20 mass%
[0041]
On the surface of chromated MCrAlX alloy powder, Cr is in a dense state.2OThreeSince the film is coated, the alloy powder does not come into direct contact with the outside air. Moreover, Cr2OThreeThe film starts from the state of an aqueous solution, but since it has undergone a heating and baking process, it does not adsorb moisture (humidity) in the atmosphere and is in a very physicochemically stable state. That is, commercially available untreated MCrAlX alloy powders are composed of metals such as Co, Ni, Cr, Al, and Y that are easily oxidized. Since the components are oxidized and deteriorated and the fluidity of the alloy powder is deteriorated, it is necessary to always store it in a dry state. However, the chromate-treated alloy powder is not necessary. In addition, since the chromate-treated alloy powder has good fluidity, even when supplied to the spray gun, it is possible to always maintain a constant condition over a long period of time, so that it is possible to form a spray coating with an even thickness. .
[0042]
Methods for forming a thermal spray coating by spraying a heat- and oxidation-resistant composite thermal spray material made of chromated MCrAlX alloy powder include low-pressure plasma spraying, atmospheric plasma spraying, high-speed flame spraying, and explosion spraying. Since any coating method can be used to obtain a good coating, the spraying method is not particularly limited. In addition, the heat- and oxidation-resistant composite sprayed material made of chromated MCrAlX alloy powder is sprayed on the surface of a metal base material, in particular, a heat-resistant alloy base material, and contains a chromium oxide-containing heat-resistant and oxidation-resistant sprayed coating. In addition, it is formed by laminating a heat-resistant sprayed coating formed by spraying an untreated MCrAlX alloy powder or an oxide-based ceramic sprayed coating formed by spraying an oxide-based ceramic powder. A multilayer sprayed coating may be used.
In addition, chromium oxide-containing heat- and oxidation-resistant thermal spray coatings formed by spraying chromated MCrAlX alloys, untreated MCrAlX alloy powders and other ZrO2Alternatively, a composite film may be formed by laminating a film obtained by thermal spraying a mixed powder of a system oxide ceramic.
[0043]
Next, the thermal spray coating according to the present invention obtained by thermal spraying the MCrAlX alloy powder subjected to the chromate treatment will be specifically described based on the cross-sectional structure of FIG. FIG. 1 (a) shows a thermal spray coating formed by spraying a chromated MCrAlX alloy powder on the surface of a metal substrate, for example, a heat-resistant alloy substrate 1, to form a chromium oxide-containing heat- and oxidation-resistant spray coating 2. It is sectional drawing which shows an example of a coating | coated member. In the thermal spray coating having such a structure, the following effects can be expected.
[0044]
The heat-resistant / oxidation-resistant composite thermal spray material made of chromated MCrAlX alloy powder is in a molten state and collides with and adheres to the surface of the base material while flying in the thermal spray heat source. At this time, the spherical particles are flattened and Cr is coated on the surface of the composite sprayed material powder.2OThreeThe film is destroyed and the internal MCrAlX alloy is exposed. As a result, Cr2OThreeA chromium oxide-containing heat- and oxidation-resistant sprayed coating in which ceramics and MCrAlX alloy are mixed is formed. At this time, Cr coating the surface of the MCrAlX alloy powder2OThreeThe thicker the film, the greater the Cr in the chromium oxide-containing heat-resistant / oxidative-resistant sprayed coating and on its surface.2OThreeThe ratio of increases. Cr present in this sprayed coating and on its surface2OThreeIs chemically stable, and therefore exhibits particularly excellent heat resistance / high temperature oxidation resistance and corrosion resistance when a member coated with such a thermal spray coating is used in the combustion gas of fossil fuel.
[0045]
Furthermore, Cr contained in the chromium oxide-containing heat-resistant / oxidation-resistant thermal spray coating2OThreeWhen exposed to high temperatures, this Cr2OThreeIt reacts with Al in the MCrAlX alloy powder that is in contact with the metal, and as shown in the following formula, Cr acts as a driving force on the difference in free energy of metal oxide formation.2OThreeAl with excellent protection (oxidation resistance) at the interface (MCrAlX alloy powder particle surface) between MCrAlX alloy powder particles and MCrAlX alloy powder particles2OThreeProactively produce a film. Furthermore, the Cr produced here is oxidized again by the combustion gas, and Cr2OThreeIt becomes. By such a reaction, the high temperature environment resistance of the MCrAlX alloy powder itself is also improved.
[0046]
・ Cr2OThree + 2Al → Al2OThree + 2Cr
[0047]
In the present invention, paying attention to the above phenomenon, a member obtained by spraying a heat-resistant / oxidizing-resistant composite material made of chromated MCrAlX alloy powder on the surface of the heat-resistant alloy base material is heated at 970-1500 K for 1-30 hours. Accordingly, as shown in FIG. 1B, a protective oxide film 3 mainly composed of aluminum oxide may be positively formed on the surface of the sprayed coating.
[0048]
On the other hand, the chromium oxide-containing heat-resistant / oxidation-resistant thermal spray coating according to the present invention is also effective at the interface with the heat-resistant alloy substrate.2OThreeSince ceramics and MCrAlX alloy are mixed, the area where the MCrAlX alloy and the substrate are in direct contact with each other is reduced as compared with a heat-resistant sprayed coating formed by spraying only the MCrAlX alloy powder. Therefore, in a high temperature environment in which the base material and the MCrAlX alloy component thermally diffuse to each other, an effect of suppressing the deterioration of the mechanical properties of the base material is brought about. In particular, when the operating temperature of the turbine blade material is increasing due to the recent increase in operating temperature of the gas turbine, Al in the coating made of MCrAlX alloy or the like formed on the surface of the turbine blade, etc. This component causes a problem of thermal diffusion in the base material to generate a brittle Al intermetallic compound, which deteriorates the mechanical properties of the base material.
In this respect, the chromium oxide-containing heat- and oxidation-resistant thermal spray coating obtained by spraying the chromate-treated heat and oxidation-resistant composite thermal spray material used in the present invention has a contact area between the MCrAlX alloy / substrate as described above. Since there are few, it is very advantageous in suppressing deterioration of a base material.
[0049]
In the case of a sprayed coating structure comprising a single layer coating of a chromated MCrAlX alloy as shown in FIG. 1 (a), the thickness of the sprayed coating is preferably in the range of 30 to 800 μm. If the film thickness is less than 30 μm, the above effect cannot be expected because the film is too thin. This is because the film is locally broken.
[0050]
FIG. 1 (c) shows a heat-resistant / oxidation-resistant sprayed coating 2 containing chromium oxide formed on a surface of a heat-resistant alloy substrate 1 by spraying a heat-resistant / oxidation-resistant composite sprayed material made of chromated MCrAlX alloy powder. ZrO is formed as an undercoat and as a topcoat on top2It is sectional drawing which shows the example which formed the oxide ceramic sprayed coating 4 which has heat resistance, such as a type | system | group. On the chromium oxide-containing heat-resistant / oxidation-resistant thermal spray coating 2 formed by spraying a heat-resistant / oxidation-resistant composite thermal spray material made of chromated MCrAlX alloy, ZrO2Even if the oxide ceramics sprayed coating 4 is formed, the adhesion between the two is not impaired. Such oxide ceramic sprayed coatings are generally excellent in heat resistance, but are porous and therefore corrosive components (for example, H2O, SO2, SOThree, NOx, HCl, etc.) enter the inside through the pores, corrode the underlying MCrAlX alloy, and eventually cause the oxide ceramics to peel off. However, the chromium oxide-containing heat-resistant / oxidative-resistant sprayed coating formed in the present invention has a Cr2OThreeTherefore, it is possible to minimize corrosion damage due to combustion gas, and Cr2OThreeThe surface of MCrAlX alloy powder in contact with Al has excellent protection2OThreeSince a film is formed, this sprayed coating also contributes to prevention of corrosion damage by the combustion gas.
[0051]
In addition, ZrO as the top coat shown in FIG. 1 (c)2Instead of the system oxide ceramic 4, an untreated MCrAlX alloy film 5 may be formed as shown in FIG. Both heat-resistant and oxidation-resistant composite sprayed material made of chromate-treated MCrAlX alloy powder and untreated MCrAlX alloy powder-sprayed material are in a molten state (Cr2OThreeTherefore, good adhesion can be obtained. In addition, although both of these films may be arranged one above the other, this point will be described later.
[0052]
The thickness of each sprayed coating in the case of the multilayer sprayed coating as shown in FIG. 1 (c) or FIG. 1 (d) is an undercoat made of a chromium oxide-containing heat-resistant / oxidative-resistant sprayed coating sprayed with a chromated MCrAlX alloy. 30 ~ 800μm, ZrO formed on it2It is preferable to form a top coat such as an oxide ceramic sprayed coating of a system in the range of 100 to 800 μm. The reason why the thickness of the undercoat is regulated is the same as in FIG. On the other hand, when the film thickness of the top coat is less than 100 μm, the heat resistance and the heat shielding effect are small, and conversely, when it exceeds 800 μm, the mechanical strength of the film itself is lowered.
[0053]
FIG. 1 (e) shows a thermal spray coating 2 comprising a chromium oxide-containing heat- and oxidation-resistant thermal spray coating formed by spraying a chromated MCrAlX alloy powder on the surface of a heat-resistant alloy substrate 1, and an undercoat thereof. As an intermediate layer, chromated MCrAlX alloy and ZrO2The intermediate layer sprayed coating 6 is formed by thermal spraying a thermal spray material composed of a mixed powder with an oxide ceramic, and ZrO as a top coat is further formed thereon.2It is sectional drawing which shows the example which formed the heat resistant oxide ceramic sprayed coating 4 which consists of a system oxide ceramic. Further, as shown in FIG. 1 (f), the intermediate layer sprayed coating of FIG. 1 (e) is subjected to chromate-treated MCrAlX alloy and ZrO.2The amount of MCrAlX alloy that is chromate-treated with the base oxide ceramics is increased on the undercoat side, and on the contrary, the ZrO on the topcoat side.2You may form as the inclination distribution layer 7 which increased the quantity of the system oxide ceramics.
[0054]
1 (e) and 1 (f), for example, between the heat-resistant alloy sprayed coating and the oxide ceramic sprayed coating having different physical properties. The problem of the generation of thermal stress due to the difference in thermal expansion and delamination due to its concentration is to be solved by reducing the stress by changing the blending ratio of the two in an inclined manner.
[0055]
However, such intermediate layer sprayed coatings 6 and 7 cannot exhibit their functions when exposed to high temperatures unless the heat resistance and oxidation resistance of the alloy contained in the sprayed coating are sufficient. . In this respect, the heat- and oxidation-resistant composite thermal spray material made of chromated MCrAlX alloy powder used in the present invention has much better heat and oxidation resistance than the untreated MCrAlX alloy powder of the same composition. Therefore, the function as the intermediate layer can be exhibited over a long period of time.
[0056]
In the case of the thermal spray coating having the structure as shown in FIG. 1 (e) or FIG. 1 (f), the thickness of each thermal spray coating is 30-200 μm on the undercoat made of chromated MCrAlX alloy. The intermediate layer is 30 to 200 μm, and ZrO formed thereon2The top coat made of the oxide ceramic is preferably in the range of 30 to 800 μm. The reason for regulating the thickness of the base coat is that the lower limit is the same as in FIGS. 1A and 1C, but the upper limit is preferably 200 μm from the viewpoint of the mechanical strength of the film. This is because if the film thickness of the intermediate layer is less than 30 μm, the function as the intermediate layer cannot be exhibited, and conversely if it exceeds 200 μm, the mechanical strength of the film is lowered. Further, if the film thickness of the top coat is less than 30 μm, the heat resistance and heat shielding properties are small, and conversely, if it exceeds 800 μm, the mechanical strength of the film decreases.
[0057]
Next, the structure of the thermal spray coating formed in the present invention is not limited to the example shown in FIG. 1, and the heat resistance / oxidation resistance made of the above-described chromated MCrAlX alloy powder somewhere on the substrate surface. Any structure may be used as long as the composite sprayed material is sprayed to form the chromium oxide-containing heat-resistant / oxidation-resistant sprayed coating 2. For example, as shown in FIG. 2 (a), an undercoat is first applied to the surface of the heat-resistant metal equipment, and an untreated MCrAlX alloy powder is sprayed to form a heat-resistant sprayed coating 5, on which a chromate treatment is applied. The heat-resistant / oxidation-resistant composite sprayed material made of the MCrAlX alloy powder may be sprayed to form the chromium oxide-containing heat-resistant / oxidation-resistant sprayed coating 2. Further, as shown in FIG. 2 (b), a chromium oxide-containing heat- and oxidation-resistant thermal spray coating 2 is formed as an intermediate layer on the undercoat, and ZrO is further formed as a top coat on the intermediate layer.2The thermal spray coating 4 of the system oxide ceramics may be laminated, and the combination is free.
[0058]
In addition, the various sprayed coatings having the structure as shown in FIG. 1 of the present invention can be sufficiently used as they are, but if necessary, liquefaction treatment of 1273 to 1473 K × 1 to 10 hours is possible. Alternatively, by performing a heat treatment of either 973 to 1273 K × 1 to 30 hours or a combination of both, the mutual bonding force of the alloy particles constituting the thermal spray coating is strengthened, It is possible to improve the adhesion. In addition, a protective oxide film mainly composed of aluminum oxide can be generated, and further, the thermal spray coating can be densified and the residual stress generated during the thermal spraying can be removed.
[0059]
【Example】
(Example 1) Chromate treatment was performed on various commercially available MCrAlX alloy powders, and instead of a thermal spraying heat source, a heating experiment was conducted in an air atmosphere using an electric furnace to evaluate heat resistance and high temperature oxidation resistance. went. The reason for using the electric furnace is that the alloy powder is scattered by heating with a thermal spraying heat source, and it is difficult to collect the alloy powder after heating. Table 1 shows the chemical components of the tested alloy powders, all of which are commercially available as thermal spray materials. When these are classified by chemical composition, they are broadly divided into alloys that do not contain Ni (A), alloys that do not contain Co (B, C, D, E), and alloys that contain Ni and Co (F, G). The alloy contains 5 mass% of Ta which is not contained in other alloys. Common components contained in all alloys are Al, Cr, and Y, and Y is a content of 1 mass% or less. Moreover, when the particle size of these alloy powders was investigated, the average particle size was 10-30 μm, but the maximum diameter was 50 μm, many of which were small particles of 10 μm or less, and particle sizes of 1 μm or less were also included. It was.
[0060]
[Table 1]
Figure 0003917564
[0061]
In the chromate treatment, the above alloy powder was dipped in a 30 mass% chromic acid aqueous solution for 15 minutes and then pulled up. After removing the excess aqueous solution, the alloy powder was dried at 380K for 30 minutes. The process of baking was made into one process, and this process process was repeated 3 times. In the heating experiment, after heating for 9 hours at 1423K in the air using an electric furnace, this alloy powder was embedded in a synthetic resin and polished with emery paper to expose the cross section of the powder. The heat resistance of the alloy powder was examined by observation with a scanning electron microscope (SEM). As a comparative example, an untreated MCrAlX alloy powder not subjected to chromate treatment was also subjected to a heating experiment under the same conditions.
[0062]
Table 2 summarizes the results of the above experiment. In the comparative MCrAlX alloy powders (Nos. 8 to 14), all the powders with small particle sizes were completely oxidized and maintained the state of the alloy. Were only of large particle size. On the other hand, the alloy powders (No. 1 to 7) of the present invention subjected to the chromate treatment maintain the current shape without being oxidized even with a powder having a small particle diameter, and have excellent high temperature oxidation resistance. It was confirmed to show.
[0063]
[Table 2]
Figure 0003917564
[0064]
FIG. 3 shows a representative example of cross-sectional photographs of MCrAlX alloy powder before and after the heating test. FIG. 3A shows a cross section of the alloy powder before the heating test observed with a scanning electron microscope (SEM), and white portions (alloy powder particles P1) can be confirmed in the cross sections of all large and small particles. FIG. 3 (b) is a photograph after the high-temperature oxidation test of the MCrAlX alloy powder not subjected to chromate treatment, the white part is the unoxidized alloy powder particle P1, and the dark part is the completely oxidized alloy powder particle P2. It can be seen that considerable powder is completely oxidized. On the other hand, FIG. 3 (c) is a cross section of the chromated MCrAlX alloy powder, which maintains a healthy state without being oxidized even with a small particle size powder. From the above results, it can be seen that the commercially available MCrAlX alloy powder is oxidized and consumed at an early stage, but the oxidation consumption rate can be significantly delayed by subjecting it to chromate treatment.
[0065]
(Example 2) MCrAlX alloy powders treated with chromate and untreated in a laboratory were allowed to stand for 10 days to form thermal spray materials, and these were formed by SUS304 stainless steel plate (dimensions 300 mm x 300 mm x 3.2 mmt) by atmospheric plasma spraying. After forming a film with a target film thickness of 50 μm on the surface, the steel sheet was cut and the thickness distribution of the sprayed film was measured using an optical microscope. In this test, alloy powders of A alloy and G alloy shown in Table 1 were used, and the chromate treatment conditions were the same as those in Example 1. As a comparative example, an investigation using the same alloy not treated with chromate was conducted.
[0066]
Table 3 shows the above observation results. The MCrAlX alloy powder subjected to the chromate treatment according to the present invention does not adsorb moisture even when left in a room, and the flow to the spray gun is smooth. A uniform film thickness was formed. In contrast, the untreated alloy powder of the comparative example has a large moisture adsorption and unstable supply to the spray gun, so the maximum film thickness was almost the same as the chromate-treated product. Was confirmed to be a small and non-uniform film.
[0067]
[Table 3]
Figure 0003917564
[0068]
(Example 3) MCrAlX alloy powder (heat-resistant / oxidation-resistant composite sprayed material) and non-treated with repeated chromate treatment on the surface of a Ni-based alloy base (round bar 15mmφ x 50mm in length) Using a MCrAlX alloy powder (heat-resistant thermal spray material) as a thermal spray material, a 100 μm thick thermal spray coating was formed by low pressure plasma spraying. Thereafter, the sprayed test piece was subjected to heat treatment at 1373 K × 8 hr while flowing argon gas in an electric furnace. The test piece after heating was cut, and the state of diffusion of the alloy film component into the Ni-based alloy base material in the cross section was observed using an optical microscope and an X-ray microanalyzer. The alloy powders used in this experiment are five types of A, C, E, F and G shown in Table 1, and the chemical composition of the Ni-based alloy base material is 15.3 mass% Cr-7 mass% Fe- 2.5 mass% Ti-2 mass% Mo-10 mass% Co-residual Ni.
[0069]
Table 4 summarizes the results of measuring the depth at which the thermal spray coating component diffused into the Ni-based alloy base material by the heating experiment. As is clear from this result, the diffusion layer thickness of the test piece (No. 32, 34, 36, 38, 40) on which the thermal spray coating of the untreated MCrAlX alloy as a comparative example was formed reached 88 to 95 μm. It can be seen that it is very easy to diffuse. On the other hand, in the base material (No.31, 33, 35, 37, 39) on which a chromium oxide-containing heat-resistant / oxidation-resistant thermal spray coating formed by thermal spraying of chromated MCrAlX alloy powder is 30 ~ Cr is 45μm and formed by chromate treatment2OThreeIt can be seen that the presence of the film can prevent the diffusion of the film components and suppress the deterioration of the mechanical properties of the substrate.
[0070]
[Table 4]
Figure 0003917564
[0071]
(Example 4) Using the atmospheric plasma spraying method and the high-speed flame spraying method on the entire surface of the Ni-based alloy test piece (dimensions 50 mm x 50 mm x 5 mmt) used as the base material in Example 3, it is described in Table 1. A 300 μm thick sprayed coating was formed using C and D alloy powders as raw materials. In addition, the said alloy powder used what repeated chromate process 3 times prior to thermal spraying. Moreover, as a comparative example, in addition to an untreated MCrAlX alloy, 50 mass% Ni-50 mass% Cr and 80 mass% Ni-20 mass% Cr widely used as thermal spraying powder materials for high-temperature oxidation resistance are used. A sprayed coating was formed under the conditions. The test piece after film formation is subjected to a thermal oxidation test of 1473K x 500 hours in the air in an electric furnace, and the heat resistance and high-temperature oxidation resistance of the film are determined from the weight change (reduction) of the test piece before and after the test. evaluated. The above weight reduction occurs when the oxide film formed on the surface of the film by oxidation due to heating falls off during the test. The more the oxide film is denser and shows better oxidation resistance, the more the amount of dropout is. Less weight loss.
[0072]
Table 5 summarizes the above experimental results. From this result, the change in the weight of the coating (No. 43, 44, 47, 48) sprayed from the untreated MCrAlX alloy powder is 180 to 280 mg, whereas the chromated MCrAlX alloy powder The change in the weight of the sprayed coating (No. 41, 42, 45, 46) is only 75 to 95 mg, and the chromium oxide-containing heat resistance and oxidation resistance are sprayed with the chromate-treated alloy powder as the thermal spray material. It was confirmed that the thermal spray coating is excellent in high temperature oxidation resistance. Moreover, the weight change of the film | membrane (No. 49-52) of another comparative example showed the big weight reduction of 2010-2250 mg, and was inferior to the high-temperature oxidation resistance performance in the film | membrane tested.
[0073]
[Table 5]
Figure 0003917564
[0074]
(Example 5) A chromium oxide-containing heat- and oxidation-resistant sprayed coating formed by spraying a chromated MCrAlX alloy was used as an undercoat, and ZrO was formed on the undercoat.2The high temperature oxidation resistance and thermal shock characteristics of the thermal barrier coating with the top coat of the base oxide ceramics were investigated. For the undercoat, MCrAlX alloy, which is the A alloy listed in Table 1 and subjected to chromate treatment three times, is used as the thermal spraying material. 8.11 mass% Co-15.8 mass% Cr-3.45 mass% Al-3.60 mass% Ti-1.78 mass% A 150μm thick coating is formed on one side of a Ni-base alloy specimen (dimensions: 50mm x 500mm x 3.2mmt) with a composition of Mo-2.46mass% W-1.92mass% Ta-remaining Ni by low pressure plasma spraying. did. Furthermore, 8 mass% Y is formed on the undercoat by atmospheric plasma spraying.2OThree-ZrO2A ceramic top coat was laminated to a thickness of 300 μm. As a comparative example, an untreated MCrAlX alloy was used as the undercoat thermal spray material, and the other conditions were the same as above.
[0075]
Tests for high temperature oxidation resistance and thermal shock characteristics were conducted after heating for 1423K x 200 hours in an electric furnace in an air atmosphere, and then cutting the test piece to obtain a cross section (mainly near the interface between the undercoat and topcoat). Was observed with a scanning electron microscope, and the oxidation behavior of the MCrAlX alloy element on the undercoat surface was examined. In the thermal shock test, the test piece after heating for 1423K x 200 hours is allowed to cool to room temperature (290K), then heated for 1270K x 15 minutes and then cooled to room temperature 10 times. The coating was peeled off by visual inspection.
[0076]
Table 6 shows the test results. From this result, in the case where the thermal spray coating formed by spraying an untreated MCrAlX alloy as a comparative example is an undercoat (No. 62), the alloy components such as Co, Cr, Ni, Al, etc. are obtained by heating for a long time. The metal element oxide was formed on the surface of the film to form a thick composite oxide layer, and this layer was also found to lack a denseness. On the other hand, on the surface of the undercoat layer (No. 61) formed by thermal spraying the chromated MCrAlX alloy which is the invention example, Al2OThreeIt was found that a dense, thin and excellent protective layer with a main component of was formed and excellent in high temperature oxidation resistance. On the other hand, as a result of the thermal shock test, in the film of the comparative example, a large number of cracks occurred in the top coat, and the film corresponding to about 10% of the total area dropped out. On the other hand, in the test piece using the chromate-treated MCrAlX alloy powder, which is an example of the invention, no crack was generated in the top coat, and no film was dropped, and the sound condition was maintained.
[0077]
[Table 6]
Figure 0003917564
[0078]
(Example 6) A chromium oxide-containing heat-resistant / oxidation-resistant sprayed coating formed by spraying MCrAlX alloy powder subjected to chromate treatment three times on the entire surface of the same base material test piece used in Example 4 MCrAlX alloy and ZrO formed as an undercoat and chromate-treated three times on the undercoat2As shown in Table 7, the amount of MCrAlX alloy powder is increased on the substrate side, and ZrO is increased on the surface side.2An intermediate layer is formed by spraying a thermal spray material that is inclined and distributed so as to increase the amount of the system oxide ceramic powder, and on the intermediate layer, ZrO2-Based oxide ceramics (8 mass% Y2OThree-Balance ZrO2) After forming a heat shield sprayed coating having a structure in which the thermal sprayed coating was laminated as a top coat, the test piece was subjected to a high temperature oxidation test of 1473 K × 500 h to evaluate the oxidation resistance. As the MCrAlX alloy powder used in the test, the alloy A shown in Table 1 was used. As the thermal spraying method, the high-speed flame spraying method was used for the undercoat, and the atmospheric plasma spraying method was used for the intermediate layer and the topcoat. For comparison, a similar sprayed coating was formed using untreated A alloy, and the high temperature oxidation resistance was investigated. Table 7 shows the thicknesses of the sprayed films of the undercoat, intermediate layer, and topcoat.
[0079]
[Table 7]
Figure 0003917564
[0080]
After the high temperature oxidation test, each test piece was cut and the cross section of the film was observed. The results are shown in Table 8. In the comparative example film using the untreated A alloy, when the grinder grindstone was used for cutting, the top coat was already partially peeled off. Most of the A alloy particles in the intermediate layer were completely oxidized to the center of the particles. For this reason, ZrO constituting the intermediate layer2Some of the system particles were also missing. On the other hand, in the intermediate layer of the present invention using the chromated A alloy, most of the MCrAlX alloy powder remains in a healthy state without being oxidized, and ZrO2No dropout of particles was observed. When the chromate-treated A alloy particles were examined in detail with a scanning electron microscope, Al2OThreeLayer is formed, this Al2OThreeIt has been found that the layer is effective in maintaining high temperature oxidation resistance.
[0081]
[Table 8]
Figure 0003917564
[0082]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the surface of the MCrAlX alloy powder is formed by Cr on the surface of the MCrAlX alloy powder as a material for forming a high temperature and oxidation resistant thermal spray coating.2OThreeBy using a heat- and oxidation-resistant composite thermal spray material that forms a film, it is possible to prevent deterioration due to moisture absorption and deterioration of fluidity, and smooth supply to the thermal spray gun, resulting in a stable quality coating Can be secured. Also, Cr coated on the surface of the alloy powder by chemical treatment2OThreeThe film is melted and softened together with the alloy powder by a thermal spraying heat source to form a part of the thermal spray coating, and functions as an oxide ceramic component. Excessive heat of the MCrAlX alloy component on the substrate at high temperatures While suppressing diffusion, Al has excellent protective properties on the coating surface.2OThreeIt is effective in improving the high-temperature oxidation resistance and improving the bondability of the oxide ceramic formed as a top coat. With the above-described effects, it is possible to improve the thermal spraying work, the coating quality, the coating properties, and the like for the high-temperature exposed member such as a gas turbine at the stage of the sprayed powder material.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a thermal spray coating excellent in heat resistance and oxidation resistance according to the present invention.
FIG. 2 is a view schematically showing a cross-sectional structure of a thermal spray coating excellent in heat resistance and oxidation resistance of the present invention.
FIG. 3 is a photograph of a cross section of the MCrAlX alloy powder before and after the high temperature oxidation test observed with a scanning electron microscope. (A) is an untreated MCrAlX alloy particle before the high temperature oxidation test, and (b) is a high temperature oxidation. Untreated MCrAlX alloy particles after the test, (c), are those of the chromated MCrAlX alloy particles after the high temperature oxidation test.
[Explanation of symbols]
1 Metal substrate
2 Heat-resistant / oxidation-resistant sprayed coating containing chromium oxide sprayed with chromated MCrAlX alloy powder (heat-resistant / oxidation-resistant composite sprayed material)
3 Protective oxide film mainly composed of aluminum oxide
4 ZrO2-Based oxide ceramic spray coating
5 Heat-resistant sprayed coating made of untreated MCrAlX alloy
6 Heat-resistant and oxidation-resistant composite sprayed material and ZrO2Spray coating with thermal spraying of mixed powder with ceramic oxide ceramics
7 Heat-resistant and oxidation-resistant composite sprayed material and ZrO2Spray coating with a gradient distribution of the amount mixed with a ceramic oxide ceramic
P1 alloy particles or unoxidized alloy particles
P2 High temperature oxidized alloy particles

Claims (16)

金属製基材を溶射皮膜にて被覆してなる部材において、前記基材が、耐熱合金粉末の表面にクロム酸および/またはクロム酸塩を含む水溶液を付着させたのち加熱処理するクロメート処理によって生成した酸化クロム膜を被覆してなる耐熱・耐酸化性複合溶射材料を溶射することによって得られる酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜にて被覆されていることを特徴とする耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材。In a member formed by coating a metal substrate with a thermal spray coating, the substrate is generated by a chromate treatment in which an aqueous solution containing chromic acid and / or chromate is attached to the surface of the heat-resistant alloy powder, followed by heat treatment. heat and oxidation, characterized in that it is coated with oxide chromium film chromium oxide heat and oxidation resistance thermal spray coating obtained by spraying a heat and oxidation resistant composite thermal spray material formed by coating the you Thermal spray coating coated member. 上記酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜は、MCrAlX(ただし、MはCo,NiおよびFeのうちから選ばれる1種または2種以上、XはY,Hf,Ta,Cs,Ce,La,Th,W,Si,Pt,MnおよびBのうちから選ばれる1種または2種以上)で表される平均粒径が5〜100μmの耐熱合金粉末の表面が0.1〜10μm厚の酸化クロム膜にて被覆されたものからなる耐熱・耐酸化性複合溶射材料を、溶融もしくは半溶融状態で基材表面に溶射して堆積させてなる、CrセラミックスとMCrAlX合金とが混在した層からなるものであることを特徴とする請求項1に記載の耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材。The chromium oxide-containing heat- and oxidation-resistant thermal spray coating is MCrAlX (where M is one or more selected from Co, Ni and Fe, X is Y, Hf, Ta, Cs, Ce, La, The surface of the heat-resistant alloy powder having an average particle size of 5 to 100 μm represented by Th, W, Si, Pt, Mn, and B is selected from Th, W, Si, Pt, Mn, and B) is 0.1 to 10 μm thick. A layer in which Cr 2 O 3 ceramics and MCrAlX alloy are mixed, in which a heat- and oxidation-resistant composite thermal spray material made of a film is sprayed and deposited on the substrate surface in a molten or semi-molten state The heat-resistant / oxidation-resistant sprayed coating member according to claim 1, wherein 上記酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜の表面には、酸化アルミニウムを主成分とする保護性酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材。3. The heat and oxidation resistance according to claim 1, wherein a protective oxide film mainly composed of aluminum oxide is formed on the surface of the chromium oxide-containing heat and oxidation resistance sprayed coating. Thermal spray coating coated member. 上記酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜をアンダーコートとし、そのアンダーコートの上にトップコートとして、酸化物セラミックス溶射皮膜が形成されてなることを特徴とする請求項1または2に記載の耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材。The heat-resistant heat-resistant coating according to claim 1 or 2, wherein the chromium oxide-containing heat-resistant and oxidation-resistant sprayed coating is an undercoat, and an oxide ceramic sprayed coating is formed as a top coat on the undercoat.・ Oxidation-resistant sprayed coating material. 耐熱合金基材の表面に、アンダーコートとして、請求項1または2に記載の酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜が形成され、そのアンダーコートの上に中間層として、MCrAlX(ただし、MはCo,NiおよびFeのうちから選ばれる1種または2種以上、XはY,Hf,Ta,Cs,Ce,La,Th,W,Si,Pt,MnおよびBのうちから選ばれる1種または2種以上)で表される耐熱合金粉末の表面に酸化クロム膜を設けてなる耐熱・耐酸化性複合溶射材料とZrO系酸化物セラミックスとの混合粉末を溶射してなる中間層溶射皮膜が形成され、さらにその中間層溶射皮膜の上にトップコートとして、ZrO系酸化物セラミックス溶射皮膜が形成されていることを特徴とする耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材。The chromium oxide-containing heat-resistant / oxidation-resistant sprayed coating according to claim 1 or 2 is formed as an undercoat on the surface of the heat-resistant alloy base material, and MCrAlX (where M is One or more selected from Co, Ni and Fe, X is one selected from Y, Hf, Ta, Cs, Ce, La, Th, W, Si, Pt, Mn and B or intermediate layer sprayed coating formed by thermal spraying a mixed powder of heat-resistant alloys heat and oxidation resistance composite spray material formed by providing an oxide chromium film on the surface of the powder and ZrO 2 based oxide ceramic represented by two or more) And a ZrO 2 -based oxide ceramic sprayed coating is formed as a top coat on the intermediate sprayed coating. 上記中間層溶射皮膜が、トップコート側ほどZrO系酸化物セラミックスの含有量を多くした傾斜配合層からなることを特徴とする請求項5に記載の耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材。The heat-resistant / oxidation-resistant thermal spray coating member according to claim 5, wherein the intermediate thermal spray coating is composed of a gradient blended layer in which the content of ZrO 2 -based oxide ceramics is increased toward the top coat side. 耐熱合金基材の表面に、耐熱合金の耐熱性溶射皮膜が形成され、そのアンダーコートの上にトップコートとして、請求項1または2に記載の酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜が形成されていることを特徴とする耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材。A heat resistant thermal spray coating of the heat resistant alloy is formed on the surface of the heat resistant alloy substrate, and the chromium oxide-containing heat resistant / oxidation resistant thermal spray coating according to claim 1 is formed as a top coat on the undercoat. A heat- and oxidation-resistant thermal spray coating member characterized by 上記耐熱合金基材の表面に、耐熱合金の耐熱性溶射皮膜が形成され、そのアンダーコートの上に中間層として、請求項1または2に記載の酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜が形成され、さらにその中間層の上にトップコートとして、ZrO系酸化物セラミックス溶射皮膜が形成されていることを特徴とする耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材。A heat resistant thermal spray coating of the heat resistant alloy is formed on the surface of the heat resistant alloy substrate, and the chromium oxide-containing heat resistant / oxidation resistant thermal spray coating according to claim 1 or 2 is formed as an intermediate layer on the undercoat. A ZrO 2 oxide ceramic sprayed coating is further formed as a top coat on the intermediate layer. 金属製基材の表面に、耐熱合金粉末の表面にクロム酸および/またはクロム酸塩を含む水溶液を付着させたのち加熱処理するクロメート処理によって生成した酸化クロム膜を被覆 てなる耐熱・耐酸化性複合溶射材料を溶射することによって、酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜を形成することを特徴とする耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材の製造方法。On the surface of the metal substrate, heat and acid formed by covering the oxide chromium film formed by chromate treatment to heat treatment allowed to attach an aqueous solution containing chromic acid and / or chromate on the surface of the heat resistant alloy powder A method for producing a heat-resistant / oxidative-resistant sprayed coating member characterized by forming a chromium oxide-containing heat-resistant / oxidant-resistant thermal sprayed coating by spraying a heat-resistant composite sprayed material. 上記耐熱・耐酸化性溶射材料は、MCrAlX(ただし、MはCo,NiおよびFeのうちから選ばれる1種または2種以上、XはY,Hf,Ta,Cs,Ce,La,Th,W,Si,Pt,MnおよびBのうちから選ばれる1種または2種以上)で表される平均粒径が5〜100μmの耐熱合金粉末の表面が0.1〜10μm厚の酸化クロム膜にて被覆されたものであることを特徴とする請求項9に記載の耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材の製造方法。The heat-resistant / oxidation-resistant thermal spray material is MCrAlX (where M is one or more selected from Co, Ni and Fe, X is Y, Hf, Ta, Cs, Ce, La, Th, W, W) , Si, Pt, Mn, and B selected from the group consisting of heat-resistant alloy powders having an average particle diameter of 5 to 100 μm represented by a chromium oxide film having a thickness of 0.1 to 10 μm. The method for producing a heat- and oxidation-resistant spray-coated member according to claim 9, wherein the member is coated. 金属製基材の表面に酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜を形成した後、970〜1500Kで1〜30Hr加熱することにより、該溶射皮膜の表面に酸化アルミニウムを主成分とする保護性酸化膜を生成させることを特徴とする請求項9または10に記載の耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材の製造方法。After forming a chromium oxide-containing heat-resistant / oxidation-resistant sprayed coating on the surface of a metal substrate, it is heated at 970-1500 K for 1-30 hours to protect the surface of the sprayed coating with aluminum oxide as a main component. The method for producing a heat- and oxidation-resistant spray-coated member according to claim 9 or 10, wherein a film is formed. 上記酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜を形成した後、その上に、酸化物セラミックスを溶射して酸化物セラミックス溶射皮膜を形成することを特徴とする請求項9または10に記載の耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材の製造方法。The heat-resistant / oxidizing sprayed coating containing chromium oxide is formed, and then an oxide ceramic sprayed coating is formed thereon by spraying an oxide ceramic. A method for producing an oxidation-resistant spray-coated member. 耐熱合金基材の表面に、アンダーコートとして、請求項9または10に記載の酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜を形成し、そのアンダーコートの上に中間層として、MCrAlX(ただし、MはCo,NiおよびFeのうちから選ばれる1種または2種以上、XはY,Hf,Ta,Cs,Ce,La,Th,W,Si,Pt,MnおよびBのうちから選ばれる1種または2種以上)で表される耐熱合金粉末の表面に酸化クロム膜を有する耐熱・耐酸化性複合溶射材料とZrO系酸化物セラミックスとの混合粉末を溶射して中間層溶射皮膜を形成し、さらにその中間層溶射皮膜の上にトップコートとして、ZrO系酸化物セラミックスを溶射してZrO系酸化物セラミックス溶射皮膜を形成することを特徴とする耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材の製造方法。The chromium oxide-containing heat-resistant / oxidation-resistant sprayed coating according to claim 9 or 10 is formed on the surface of the heat-resistant alloy substrate as an undercoat, and MCrAlX (where M is One or more selected from Co, Ni and Fe, X is one selected from Y, Hf, Ta, Cs, Ce, La, Th, W, Si, Pt, Mn and B or by spraying a mixed powder of heat and oxidation resistance composite spray material and ZrO 2 based oxide ceramics to form an intermediate layer sprayed coating having an oxide chromium film on the surface of the heat resistant alloy powder represented by two or more) further as a top coat on top of the intermediate layer sprayed coating, heat and oxidation resistance, which comprises forming a ZrO 2 based oxide ceramic sprayed coating by spraying a ZrO 2 based oxide ceramics Method for producing a morphism film covering member. 上記中間層溶射皮膜を、トップコート側ほどZrO系酸化物セラミックスの含有量を多くした傾斜配合層とすることを特徴とする請求項13に記載の耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材の製造方法 Production of the intermediate layer sprayed coating a heat and oxidation resistant sprayed coating coated member according to claim 13, characterized in that an inclined containing layer that increase the content of ZrO 2 based oxide ceramics as the topcoat side Way . 耐熱合金基材の表面に、アンダーコートとして、耐熱合金粉末を溶射して耐熱性溶射皮膜を形成し、その後、そのアンダーコートの上に、請求項9または10に記載の耐熱・耐酸化性複合溶射材料を溶射して酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜を形成することを特徴とする耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材の製造方法。The heat-resistant and oxidation-resistant composite according to claim 9 or 10 is formed on the surface of the heat-resistant alloy base material by spraying a heat-resistant alloy powder as an undercoat to form a heat-resistant sprayed coating. A method for producing a heat-resistant / oxidation-resistant thermal spray coating member characterized by spraying a thermal spray material to form a chromium oxide-containing heat-resistant / oxidation-resistant thermal spray coating. 上記酸化クロム含有耐熱・耐酸化性溶射皮膜の上にさらにトップコートとして、ZrO系酸化物セラミックスを溶射してZrO系酸化物セラミックス溶射皮膜を形成することを特徴とする請求項15に記載の耐熱・耐酸化性溶射皮膜被覆部材の製造方法。As a further top coat on said chromium oxide containing heat and oxidation resistance sprayed coating according to claim 15, characterized in that by spraying a ZrO 2 based oxide ceramic to form a ZrO 2 based oxide ceramic sprayed coating Manufacturing method of heat-resistant and oxidation-resistant thermal spray coating coated member.
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