具有良好耐高温氧化性的Ni合金耐热材料制造技术

本发明专利技术提供了能抑制高温腐蚀和异常氧化，长期保持Ｎｉ合金所固有的优异的高温性能，适合用于燃气涡轮、喷气发动机、排气部件等高温用途的材料。本发明专利技术的材料是具有良好耐高温氧化性的Ｎｉ合金耐热材料，该材料是经过Ａｌ扩散处理的Ｎｉ合金基体材料，在该基体材料的表面上形成了具有由αＣｒ相构成的内层以及由β相（Ｎｉ－Ａｌ－Ｃｒ）和γ’相（Ｎｉ↓［３］Ａｌ（Ｃｒ））构成的外层的多层结构的表面层，外层的Ａｌ浓度是２０原子％以上。αＣｒ相起到扩散阻挡层的作用。通过形成Ａｌ浓度高的外层，可以确保外层中具有自动修复在使用条件下受到损伤的Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］膜层的缺陷部位所需要的高Ａｌ浓度，可以长期保持Ｎｉ合金所固有的优异的高温性能。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于在严酷的高温气氛环境中仍具有良好的耐氧化性，适合用作燃气涡轮、涡轮增压器、喷气发动机或排气系统部件等的Ni合金耐热材料。
技术介绍
涡轮增压器、喷气发动机、燃气涡轮等暴露于高温气氛环境中的结构材料，通常使用TiAl金属间化合物、钛合金等耐热性钛合金，Ni基、Nb基、Ir基、Re基等高温合金、碳素材料以及各种金属间化合物。其中，Ni基合金以及主要含有Cr的Ni-Cr二元系合金和还含有其他元素的Ni-Cr多元系合金等Ni-Cr基合金，具有很高的高温强度和抗蠕变性能，因而被用于燃气涡轮、喷气发动机和化工设备中。耐热材料暴露于高温气氛环境中，这些高温气氛有时会含有氧、水蒸气等氧化性和腐蚀性的成分。耐热材料暴露于腐蚀性的高温气氛环境中时，容易与气氛中的腐蚀性成分反应，发生氧化和高温腐蚀。还有的时候，由于从环境气氛中渗入耐热材料内的O、N、S、Cl、H、C等的作用，使耐热材料的表面发生内部腐蚀，导致材料的强度降低。通过使用能很好地隔绝环境的保护涂层被覆耐热材料的表面，可以防止高温氧化和高温腐蚀(例如参见专利文献1-8)。有代表性的保护涂层是Al2O3，这种保护涂层可以采用在氧化性气氛中使Al从耐热材料的母材中扩散到表层的方法形成，或者采用CVD、喷镀、反应溅射等方法在耐热材料的表面上形成Al2O3层。Al2O3保护膜能抑制气氛中的氧化性成分与耐热材料的金属成分反应，从而保持耐热材料固有的优异的高温性能。专利文献1日本第44484/1991号专利技术专利申请公开公报专利文献2日本第195188/1993号专利技术专利申请公开公报专利文献3日本第183373/1998号专利技术专利申请公开公报专利文献4日本第2000-192258号专利技术专利申请公开公报专利文献5日本第2001-81577号专利技术专利申请公开公报专利文献6日本第2001-192887号专利技术专利申请公开公报专利文献7日本第2001-295076号专利技术专利申请公开公报专利文献8日本第2001-355081号专利技术专利申请公开公报
技术实现思路
Al由耐热材料的母材中扩散到表层，形成Al2O3保护膜时，耐热材料表面的Al被用来形成保护膜而消耗掉，因此，在紧靠Al2O3保护膜下面的耐热材料表层形成了Al浓度低下的层(Al欠缺层)。Al欠缺层不能作为形成Al2O3被覆所需要的Al源，因此，当耐热材料表面的Al2O3保护膜发生龟裂、剥离等缺陷时，无法由母材中供给足够量的Al，以缺陷部位为起点，腐蚀和氧化快速发展，扩展到整个表层。为了能够长期保持Al2O3保护膜的隔绝环境的作用，考虑到由于生成Al欠缺层而引起的耐热材料表层的Al浓度降低，应当预先将耐热材料的Al含量设定成比较高。但是，随着Al含量的增加，耐热材料变脆，难以进行锻造和成形加工等。取决于耐热材料的种类，有时候，当Al含量增加时，高温强度降低。还有人曾经探讨过，通过在Ni合金上设置由ZrO2表面涂层和MCrAlY涂层构成的多层绝热性保护膜，保护耐热材料免受高温腐蚀。但是，ZrO2保护膜具有容易透过氧的性质，致使底涂层的表面容易氧化。在表面涂层/底涂层的界面上形成的氧化物主要成分是Al2O3，当界面氧化物长成较厚时，ZrO2表面涂层剥离，绝热性保护膜的功能受到损害。另外，如果底涂层中的Al扩散到基体材料中，绝热性保护膜的隔绝环境的功能也会劣化。Al向基体材料中的扩散，容易破坏有利于高温强度的γ+γ’相，生成显著降低强度的TCP相(topological closed packed phase)，因而是有害的。本专利技术人发现，通过介存αCr相的内层作为扩散阻挡层并且形成Al浓度高的外层，可以确保外层中具有自动修复在使用条件下受到损伤的Al2O3保护膜的缺陷部位所需要的高Al浓度，长期保持Ni合金所固有的优异的高温性能。即，本专利技术是具有良好的耐高温氧化性的Ni合金耐热材料，该合金是经过Al扩散处理的Ni合金基体材料，其特征在于，在该基体材料的表面上形成了具有由αCr相构成的内层和由β相(Ni-Al-Cr)和γ’相(Ni3Al(Cr))构成的外层的多层结构的表面层，外层的Al浓度是20原子％以上。另外，本专利技术是上述的Ni合金耐热材料，其特征在于，Ni合金基体材料是由形成了含Cr层的Ni合金基体材料构成。另外，本专利技术是上述的Ni合金耐热材料，其特征在于，含Cr层是由Cr含量在20原子％以上的Ni-Cr基合金构成。另外，本专利技术是上述的Ni合金耐热材料，其特征在于，在含Cr层上形成了Ni层或Ni-Al层。另外，本专利技术是上述的Ni合金耐热材料，其特征在于，Ni合金基体材料是由Ni基耐热合金、Ni基高温合金构成。另外，本专利技术是上述的Ni合金耐热材料，其特征在于，Ni合金基体材料是由Cr含量在20原子％以上的Ni-Cr基合金构成。本专利技术的Ni合金耐热材料，在由Ni合金构成的基体材料的表面上形成多层结构的表面层。所述的表面层，在制膜时外层是NiAl3(+Ni2Al3)，内层由含有Cr、Ni及合金成分的高铝合金相构成(参见图3)。在高温下加热时，外层转变成β相(Ni-Al-Cr)，再转变成γ’相(Ni3Al(Cr))，此时，作为内层形成了αCr相并保持住。另一方面，当外层进一步转变成γ相(Ni(Cr，Al))时，αCr相消失。这与图1的Ni-Cr-Al系相图是一致的。多层结构的表面层，其内层由起到扩散阻挡层作用的αCr相构成。αCr相是通过对主要含有Cr的Ni-Cr二元系合金及还含有其他元素的Ni-Cr多元系合金等含Cr的Ni-Cr基合金基体材料或形成含Cr层的Ni合金基体材料或者在含Cr层进一步形成Ni层或Ni-Cr层的基体材料进行Al扩散处理，在形成Al浓度高的外层的同时形成的。Al扩散处理最好是按以下所述分二个阶段进行。首先，在750～800℃的较低温度下进行高活度的Al扩散处理。在处理过程中，外层形成NiAl3(+Ni2Al3)，外层与基体材料之间形成由Cr、Ni、Al构成的中间层。有的时候，中间层中也含有基体材料中所含的元素。接下来，在850℃以上的高温下进行热处理。经过这一热处理，内层形成αCr相，外层形成β相(Ni-Al-Cr)。由αCr相构成的内层和由β相构成的外层的形成，是在高温下自然进行的，因而，在高温下使用的场合，可以省略加热处理。本专利技术的Ni合金耐热材料的多层结构，在此后的热处理或在高温下工作的过程中，NiAl3(+Ni2Al3)转变成β相，中间层是不稳定的，转变成由αCr相构成的内层。由该αCr相构成的层起到扩散阻挡层的作用。αCr相的Al固溶度比较低，扩散系数小。在高温下与液相Al共存的化合物，对于Ni-Al系合金是NiAl3，对于Cr-Al系合金是Cr5Al8，这可以由Ni-Cr-Al三元相图(图1)看出。也有的时候，由于扩散的原因而变成以Ni2Al3为主体。因此，使Al扩散到Ni层(镀层)中时，从Ni层的表面按照γNi(Al)→γ’Ni3Al→βNiAl→Ni2Al3→NiAl3的顺序变化。将经过Al扩散处理的Ni合金加热至750℃以上的高温。加热气氛可以是惰性气体或大气等任一种。加热至750℃以上的温度时，Al向基体材料一侧扩散，Ni向外层一侧扩散。Cr也有一部分向外层一侧扩散。一般地说本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有良好的耐高温氧化性的Ｎｉ合金耐热材料，其特征在于，该合金是经过Ａｌ扩散处理的Ｎｉ合金基体材料，在该基体材料的表面上形成了具有由αＣｒ相构成的内层以及由β相（Ｎｉ－Ａｌ－Ｃｒ）和γ’相（Ｎｉ↓［３］Ａｌ（Ｃｒ））构成的外层的多层结构的表面层，外层的Ａｌ浓度是２０原子％以上。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：成田敏夫，吉田大助，
申请(专利权)人：独立行政法人科学技术振兴机构，
类型：发明
国别省市：JP[日本]