Microstructural Evolution of Ni-based Single Crystal Superalloy Coatings

Abstract

ジェットエンジンやガスタービンといった内燃機関の熱 効率の向上、またそれに伴う各部材の高温化への対応は、 内燃機関が地球上から無くならない限り存在するいわば永 遠の課題である。そのため、部材の使用条件がより過酷に なり、耐酸化特性や高温腐食特性といった化学的安定性の さらなる向上が求められている。しかしながら、これらの 特性は、いわば相反する関係にある。たとえば Ni基単結晶 超合金に関して、クリープ特性を向上させるために様々な 材料設計が試みられてきた。Re添加による母相( γ相)の 固溶強化や、Ru添加による相安定性の向上によって、最新 の Ni基超合金は部材温度が 1100 °Cに達しても力学特性の 観点からは使用可能とされている。しかしながら、クリー プ特性の向上に伴い耐酸化特性は劣化する傾向にあり、新 規合金開発は非常に困難な状況にある。 そこで、耐酸化特性を補完する手段としてコーティング が施されてきた。すなわち、基材で力学特性を担保し、表 面からの劣化をコーティングによって抑制するという考え 方であり、現存するエンジン中の様々な高温部材にこの耐 酸化コーティングが施されている所以である。 ところが、このコーティングがさらなる問題を提起する。 基本的に基材、コーティング材は組成の異なる金属である。 接合された異種金属を高温にさらすと材料中の元素が相互 拡散を起こし、様々な組織変化をもたらす。この組織変化 によって、基材の力学特性や、表面の耐酸化特性の劣化が 加速される可能性が生じる。 耐酸化コーティングがもたらす組織変化に関しては、 様々な報告例がある。特に Alの拡散浸透処理法、すなわち アルミナイズ法を用いた場合に関する報告例は多いが、最 近、コーティングのプロセスは同じであっても、コーティ ング前の基材の表面処理や基材表面の結晶方位によって組 織変化の形態に大きな差異が生じることが明らかとなって きた。本稿では減圧プラズマ溶射、アルミナイズプロセス について、基材の組織変化と前処理との相関について調べ た例について紹介する。