JP2002256449A - 耐摩耗性コーティング及びその施工方法 - Google Patents
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Abstract
で施工可能な耐摩耗性コーティング層を提供することに
ある。 【解決手段】 耐摩耗性コーティングは、ガスタービン
のブレードを構成する母材1の先端1aに形成されてい
る。その先端1aの耐摩耗性コーティング2は、厚さが
300ミクロンである。先端1aの上には、ロウ材とMC
rAlY(MはCo,Ni等の金属元素等)との混合物との
加熱溶融凝固により形成されたボンドコーティング2a
の中に、CBNよりなる硬質粒子Hが固着されている。
硬質粒子Hは、ロウ材に対する優れた濡れ性を向上させ
るために、Ni及びCoコーティングNCされており、一
部は、研磨性を発揮させるために、ボンドコーティング
2aの表面から頭を出すように配置されている。
Description
ン、同エンジン、コンプレッサ等のブレードの先端部の
金属母材に施される耐摩耗性コーティング及びその施工
方法に関する。
とブレードの収容部の内周面に固定された分割環との隙
間は、下流側の段へのガスの短絡が抑制されることによ
って、ガスタービンの効率を高めるように、可能な限り
小さくすることが求められている。しかしながら、その
隙間が小さすぎると、ガスタービンの運転開始の初期段
階において、ブレードの熱膨張、ロータの偏心、ガスタ
ービン全体の振動等や、ガスタービンの長期間の運転に
より高温のガスに曝された翼環の熱変形等に起因して、
ブレードの先端部と翼環とが接触し、両方又はいずれか
一方のブレード、特にその先端が過大な損傷を受けるこ
とがある。対策として、ブレードの先端に翼環を構成す
る材料よりも、高硬度の材料からなる耐摩耗性コーティ
ングを施すという技術が提案されている。この技術は、
ガスタービン運転時に、コーティングによってブレード
自体は殆ど傷付けずに翼環の表面を研磨し、両者間の隙
間を最小限に保持しようとするものであり、その一部は
既に実施されている。
特公平8−506872号公報には、結合材(ボンドコ
ーティング)としての高温における耐酸化性に優れたM-
Cr-Al-Y(以下、MCrAlYとする。但しMは金属元素)マ
トリックスが開示されている。そして、このマトリック
ス中に、研磨粒子として高硬度、且つ耐熱性に優れた立
方晶窒化硼素(以下、CBNとする)粒子が分散された
耐摩耗性コーティングが開示され、そのコーティングが
電着メッキによってなされることについての記載があ
る。この技術は、技術的には完成されているといわれる
が、コーティングのための装置・工程が複雑であって、
施工完了までに長時間を要するため、コスト高であると
いう問題点がある。
特開平11−229810号公報には、高温における耐
酸化性に優れた、MCrAlYよりなるボンドコーティングが
開示されている。そして、コーティング上には、直接又
はアルミナ層を介して、高硬度、且つ耐熱性に優れた、
ジルコニアその他を主成分とする耐摩耗層が堆積された
耐摩耗性コーティングが施され、そのコーティングの一
部がプラズマプレイを含む溶射によってなされることが
開示されている。さらに、特開平10−030403号
公報には、母材表面に形成されたニッケルメッキ層と、
ニッケル系耐熱合金層とによってアルミナ粒子が固着さ
れた耐摩耗性コーティングが開示されている。そして、
そのコーティングがメッキ、溶射及びHIP処理その他
によってなされた記載がある。
施工方法は、溶射の他に、電着メッキ、EB−PVD等
他のコーティング手段を含む等、操作が煩雑であってコ
スト高である。しかも、耐摩耗性の高い硬質粒子がボン
ドコーティングに埋没する等、その分布のコントロール
が困難であって、満足すべき研磨性が発揮されなかった
り、耐熱性が不足したりするという問題点がある。その
他、INDUSTRIAL DIAMOND REVIEW(4/99)には、Tiコー
ティングのCBNがロウ付けにされた耐摩耗性コーティ
ングについて記載されている。ロウ付けは、操作が簡単
であって、安価であるという長所はあるが、それによっ
て形成されるボンドコーティングの耐酸化性や、その劣
化に伴うCBNの剥離等、長期にわたる耐摩耗性(耐久
性)に難点がある。本発明はそのような事情に鑑みてな
され、その目的とするところは、上記従来例の欠点を解
消する耐酸化性・耐久性に優れ、簡単で低コストで施工
可能な耐摩耗性コーティング及びその方法を提供するこ
とにある。
面にロウ材とMCrAlYとを含む混合物の溶融によって形成
されたボンドコーティングと、そのボンドコーティング
内に一部表面から露出するように分散、固着された硬質
粒子とから構成されている。該発明は、好ましくは硬質
粒子表面に、ロウ材に対する濡れ性を向上する金属コー
ティングを形成することができる。また、金属母材の表
面の金属メッキ層に固着された硬質粒子と、その硬質粒
子の一部が表面から露出するよう、金属母材の表面にロ
ウ材とMCrAlYとを含む混合物の溶融によって形成された
ボンドコーティングとから構成することもできる。さら
に、硬度・耐酸化性の異なる複数種類の硬質粒子がそれ
ぞれ略別れて分散する複数の層を形成することができ、
さらには、その各層には、下段の層との間に、その層に
分散される硬質粒子を固着する金属メッキ層を形成する
ことができる。また、本発明は、金属コーティングされ
た硬質粒子と、ロウ材と、MCrAlYと、加熱時に揮発する
液状バインダと、を含む液状物が、金属母材の表面に塗
布される工程、及び前記塗布された液状物が、高真空下
で局部的にロウ付け温度まで加熱され、バインダが揮発
し、ロウ材、MCrAlY等が溶融する工程を含んでいる。さ
らに、本発明は、ロウ材と、MCrAlYと、加熱時に揮発す
る液状バインダと、を含む可塑性調合物よりなるシート
が金属母材の表面に貼り付けられる工程、その貼り付け
られたシートに、硬質粒子Hと、前記バインダと、から
なる液状調合物が塗布される工程、及び前記貼り付けら
れたシートと、塗布された液状調合物とが、高真空下で
局部的にロウ付け温度まで加熱され、バインダが揮発
し、ロウ材、MCrAlY等が溶融する工程を含んでいる。本
発明は、金属母材に金属メッキ層が形成されると共に、
そのメッキ層に硬質粒子が仮止めされる工程、ロウ材
と、MCrAlYと、加熱時に揮発する液状バインダと、を含
む液状調合物が前記金属メッキ層上に注加される工程、
及び前記注化された液状調合物が、高真空下で局部的に
ロウ付け温度まで加熱され、バインダが揮発し、ロウ
材、MCrAlY等が溶融する工程を含んでいる。これらの発
明は、硬度・耐酸化性の異なる複数種類の硬質粒子がそ
れぞれ略別れ分散する複数の層を順次形成することがで
き、さらに各層とその下段の層との間に、その層に分散
される硬質粒子を固着する金属メッキ層を形成すること
ができる。
第1の実施の形態について図面を参照しながら説明す
る。図1に示すように、本耐摩耗性コーティングは、例
えばガスタービンのブレードを構成する母材1の先端1
aに形成され、図示されていないが、紙面上方(縦方
向)には、極めて僅かな隙間を隔てて、例えば翼環等が
相対する。その先端1aの耐摩耗性コーティング2は、
厚さが例えば300ミクロンであって、次のように構成
される。母材1の先端1aの上には、ロウ材とMCrAlY
(MはCo,Ni等の金属元素等)との混合物の加熱溶融凝
固により形成されたボンドコーティング2aの中に、C
BNよりなる硬質粒子Hが固着されている。ロウ材とMC
rAlYとCBNの混合割合は、60%:10%:30%
(Vol%)程度に配合している。なお、硬質粒子Hは、
ロウ材に対する優れた濡れ性を向上させるために、Ni
及びCoコーティングNCされており、一部は、研磨性を
発揮させるために、ボンドコーティング2aの表面から
頭を出すように配置されることが好ましい。
硬質粒子Hとしては、CBNの他、Al2O3,SiCが
使用可能であり、それらを単独で使用しても、それらの
成分の2種又は3種が適当な割合で混合されたものを使
用してもよい。なお、Ni及びCoコーティングNCされ
た硬質粒子Hは、一部市販されているものもあり、それ
はそのまま使用可能である。また、MCrAlYのMは、上述
の通り、Co,Ni等である。本実施の形態では、ロウ
材としては、BNi−2(JIS)を代表とするNi基
のものを用いたが、Niロウに限定されない。
て形成される。先ず、NiコーティングNCされた硬質粒
子Hと、ロウ材と、MCrAlYと加熱時に揮発する液状バイ
ンダとが調合された液状物が、母材1の先端1aに刷毛
等で塗布される。次いで、高真空下で高周波誘導加熱に
よって、局部的にロウ付け温度まで加熱されると、バイ
ンダは揮発し、ロウ材とMCrAlYとが溶融する。比重の小
さい硬質粒子Hが溶融液表面に浮上するため、その一部
が溶融液表面から頭を出す程度に、板状体等で押さえる
必要がある。加熱が停止され冷却されると、材料が凝固
し、母材1の先端にコーティング2が形成される。最後
に、ロウ材とMCrAlYとNiコーティングNCとの間の拡散
のための加熱処理がなされる。それによってそれぞれの
相互拡散による強固な結合が生じ、耐酸化性に優れた耐
摩耗性コーティング2が形成される。
る。上記耐摩耗性コーティング2は、設備も操作も簡単
であって、塗布された原料が無駄なくコーティング2の
形成に活用されるため、必要原料量も少なく、拡散処理
の加熱を除いて、完了までの時間が短く、安価に施工可
能である。しかも、翼環との激しい摩擦が予想される運
転初期は、ボンドコーティング2aの表面から突出した
硬質粒子Hの頭が研磨材として機能し、硬度のより低い
翼環が研磨される。また、その後の長期運転では、高温
ガスに曝されたボンドコーティング2aが、表面からの
酸化によって徐々に劣化するに伴って、表面に近い位置
に分散された硬質粒子Hが脱落することがある。こうし
た状態における翼環熱変形等に起因するブレードとの接
触には、内部に残存する硬質粒子Hが対応するため、長
期にわたって、ブレードの損傷が発生することがない。
しかも、それと翼環との隙間が最小限に保持されるた
め、長期間にわたってガスタービンの効率は高いレベル
に保持される。
ィング施行後において硬質粒子が金属層に埋没する傾向
にあり、施工のままでは十分な切削性が確保できないこ
とが確認されている。そのため、埋没した砥粒を突出さ
せるいくつかの手段を検討した結果、コーティング施行
後のマイクロブラストによる砥粒目出しが、切削性を得
る方法として最も効果的であることが確認された。具体
的には、砥粒密度50個/mm2程度の場合、硬質砥粒
の種類にもよるが、以下の条件が目出しに適していた。
なお、更に密度が高くなる場合、ブラスト材の粒径を更
に小さくする必要がある。放電加工で目出しする場合
は、コーティング表面に弱放電加工を施すと、金属層が
選択的に除去される。また、粒子(CBN等)には放電
しないので、粒子は健全に残存する。
203を用いた場合の具体例について説明する。 (1)砥粒がCBNとの場合 金属層の硬さが、常温でHv300程度、CBNが常温
でHv5000程度であるため、その中間程度のブラス
ト材として、Al203砥粒(Hv2000:常温)を
選定し目出しを行った。 ブラスト材 :Al203 砥粒(50μ) ブラスト圧力 :4〜5Kg/cm2 ブラスト距離 :20mm程度 ブラスト時間 :10秒〜20秒 上記条件で砥粒をコーティング層に埋没させた結果、十
分な切削性が得られた。 (2)砥粒がAl203の場合 金属層の硬さが、常温でHv300程度、Al203が
常温でHv2000程度であるため、その中間程度のブ
ラスト材として、ZrO2砥粒(Hv1000)を選定
し目出しを行った。 ブラスト材 :ZrO2 砥粒(50μ) ブラスト圧力 :5〜6Kg/cm2 ブラスト距離 :20mm程度 ブラスト時間 :60秒〜100秒 上記条件で砥粒をコーティング層に埋没させた結果、十
分な切削性が得られた
参照しながら説明する。上記第1の実施の形態に使用さ
れる、Niロウを代表とするNi基のものに、Cr,A
l,Y,Ta,W等が適当割合加えられたものが、ロウ
材として使用されている。それによって、MCrAlYの添加
割合が低減される。施工方法について説明すると、先ず
ロウ材と、MCrAlYと、上記第1の実施の形態に用いられ
る重量よりは少量のバインダとが調合された、可塑性調
合物からシートが作られる。次に、そのシートが母材1
の先端1aに、スポット溶接によって貼り付けられる。
3番目にそのシートの上に硬質粒子Hとバインダとの液
状混合物が、刷毛等によって塗布される。
様に、高真空下、高周波誘導加熱によって、局所的にロ
ウ付け温度まで加熱されると、バインダは揮発し、シー
ト状のロウ材とMCrAlYとが溶融し、これらは一体化す
る。加熱が停止され、冷却されると凝固し、母材1の先
端にボンドコーティング3aが形成されると共に、その
ボンドコーティング3aに硬質粒子Hが、一部頭を出し
た状態で固定される。最後に、第1の実施の形態と同様
に、ロウ材とMCrAlYとNiコーティングNCとの間の拡散
のために加熱処理がなされれば、相互拡散による強固な
結合が生じ、耐酸化性に優れた耐摩耗性コーティング3
が形成される。なお、作用効果は第1の実施の形態例と
略同様である。
図3を参照しながら説明する。上記第1及び第2の実施
の形態の構成とは異なり、予め母材1の先端1aに硬質
粒子HのNiメッキ層NGによる仮止めが行われる。次い
で、ボンドコーティング4aの材料として、ロウ材と、
MCrAlYの加熱時に揮発する液状バインダとが調合された
液状調合物が、母材1の先端部に刷毛等で塗布されるか
又は注加される。この後の手順は、第1又は第2の実施
の形態と略同様に処理され、耐酸化性に優れた耐摩耗性
コーティング4が、母材1上に形成される。作用につい
て説明すると、硬質粒子HがNiメッキ層NGを介して母
材1に強く固着されているため、工程が若干複雑となり
コストは増大するが、硬質粒子Hの分散を自由にコント
ロール可能にすると共に、その脱落量が第1の実施の形
態に比べて小さくなり、研磨性、耐久性が一層向上す
る。
参照しながら説明する。予め母材1の先端1aに、耐酸
化性に優れた第1の硬質粒子H1(例えば耐熱性に優れ
たAl2O3,SiC、焼結ダイア等)が、Niメッキ層
NGによって仮止めされる。次いで、ロウ材と、MCrAlYと
加熱時に揮発する液状バインダと、極めて硬度の高い第
2の硬質粒子H2(例えばビッカース硬度1000以
上、好ましくは5000以上の極めて高硬度のCBN
等)とが調合された液状調合物が、Niメッキ層NGの上
に刷毛等で塗布されるか、又は注加される。この後の手
順は、第1〜第3のいずれかの実施の形態と略同様に処
理され、Niメッキ層NGとボンドコーティング5aと
が、上下略2層に分散され、硬度、耐酸化性が異なる2
種の硬質粒子H1,H2よりなる耐酸化性、耐久性に優
れた耐摩耗性コーティング5が形成される。
ては、高硬度の第2の硬質粒子H2が対応し、長期間の
運転で第2の硬質粒子H2が剥離・脱落する。その後の
運転においては、耐酸化性に著しく優れた第1の硬質粒
子H1が対応することが可能となり、しかも硬質粒子H
1がNiメッキ層NGに固着されているため、比較的比重
の低い硬質粒子の浮き上がりが防止でき、長期にわたっ
て研磨性が維持され、耐久性が著しく向上する。
照しながら説明する。第4の実施の形態の耐摩耗コーテ
ィングが、Niメッキ層NGを除いて、異なる研磨性、耐
酸化性を有する硬質粒子H1,H2が混在する1層より
なるものであったのに対して、硬質粒子H1,H2を別
々のボンドコーティング6a,7aに埋設した2層の耐
摩耗性コーティング6,7が組み合わされたものであっ
て、次のように構成される。先ず第1層の耐摩耗性コー
ティング6については、予め母材1の先端1aに、第1
の硬質粒子H1のNi,Cr等よりなる第1メッキ層G
1による仮止めが行われる。次いで、1000度以上の
温度に耐え得る耐酸化性に優れたボンドコーティング6
aの材料として、ロウ材とMCrAlYと加熱時に揮発する液
状バインダとが調合された液状調合物が、母材1の先端
部に刷毛等で塗布されるか又は注加される。この後の手
順は、上述の実施の形態と略同様に処理され、特に耐酸
化性に優れた第1層の耐摩耗性コーティング6が形成さ
れる。
グ6の上面に、第2の硬質粒子H2の、Ni、Cr等よ
りなる第1メッキ層G2による仮止めが行われる。次い
で、耐酸化性に優れたボンドコーティング7aの材料と
して、加熱時に揮発する液状バインダとが調合された液
状調合物が、第2の硬質粒子H2が仮止めされた第1メ
ッキ層G2の上に、刷毛等で塗布されるか又は注加され
る。この手順は、上述の実施の形態と略同様に処理さ
れ、耐酸化性に優れた第2層の耐摩耗性コーティング7
が形成される。
態と略同様であるが、硬質粒子H2が第2メッキ層G2
を介して母材1に強く固着されているため、工程が若干
複雑となりコストは増大するが、硬質粒子H1,H2の
分散を比較的自由にコントロールすると共に、特に硬質
粒子H2の脱落量が第4の実施の形態に比べて小さく、
耐久性に優れている。
施行法は、金属母材の表面にロウ材とMCrAlYとを含む混
合物の溶融によって形成されたボンドコーティングと、
そのボンドコーティングに一部が表面から露出するよう
に分散、固着された硬質粒子とからなるので、実施する
ための設備及び操作が簡単であって、母材に塗布された
原料が無駄なくコーティング層の形成に活用され、原料
の削減を図ることができ、作業時間を短縮することがで
きる。また、上記発明は、硬度・耐酸化性の異なる複数
種類の硬質粒子がそれぞれ略別れて分散する複数の層が
形成されることにより、複数の層の上段に含まれる硬質
粒子が消滅しても、次に、その下段に含まれる硬質粒子
が被切削物を切削することができる。
法の第1の実施の形態を示す母材とコーティング層の断
面図である。
法の第2の実施の形態を示す母材とコーティング層の断
面図である。
法の第3の実施の形態を示す母材とコーティング層の断
面図である。
法の第4の実施の形態を示す母材とコーティング層の断
面図である。
法の第5の実施の形態を示す母材とコーティング層の断
面図である。
Claims (10)
- 【請求項1】 金属母材の表面にロウ材とM-Cr-Al
-Yとを含む混合物の溶融によって形成されたコーティ
ング層と、そのコーティング層の表面から一部が露出す
るように分散、固着された硬質粒子とからなることを特
徴とする耐摩耗性コーティング。 - 【請求項2】 上記硬質粒子表面に、ロウ材に対する濡
れ性を向上する金属コーティングが形成されていること
を特徴とする請求項1に記載の耐摩耗性コーティング。 - 【請求項3】 金属母材の表面に設けられた金属メッキ
層に固着された硬質粒子と、その硬質粒子の一部が表面
から露出するように、金属母材の表面にロウ材とM-C
r-Al-Yとを含む混合物の溶融によって形成されたコ
ーティングとからなることを特徴とする耐摩耗性コーテ
ィング。 - 【請求項4】 上記硬度・耐酸化性の異なる複数種類の
硬質粒子がそれぞれ別れて分散する複数のコーティング
層が形成されていることを特徴とする請求項1乃至3の
いずれかに記載の耐摩耗性コーティング。 - 【請求項5】 上記複数のコーティング層の各層には、
硬質粒子を固着する金属メッキ層が形成されていること
を特徴とする請求項4に記載の耐摩耗性コーティング。 - 【請求項6】 金属コーティングされた硬質粒子と、ロ
ウ材と、M-Cr-Al-Yと、加熱時に揮発する液状バ
インダとを含む液状物が、金属母材の表面に塗布される
工程と、 上記塗布された液状物が、高真空下で局部的にロウ付け
温度まで加熱され、バインダが揮発し、ロウ材及びM-
Cr-Al-Yが溶融する工程とを含むことを特徴とする
耐摩耗性コーティングの施工方法。 - 【請求項7】 ロウ材と、M-Cr-Al-Yと、加熱時
に揮発する液状バインダとを含む可塑性調合物よりなる
シートが金属母材の表面に貼り付けられる工程と、 その貼り付けられたシートに、硬質粒子と、前記バイン
ダとからなる液状調合物が塗布される工程と、 上記貼り付けられたシートと、塗布された液状調合物と
が、高真空下でロウ付け温度まで加熱され、バインダが
揮発し、ロウ材、M-Cr-Al-Yが溶融する工程とを
含むことを特徴とする耐摩耗性コーティングの施工方
法。 - 【請求項8】 金属母材に金属メッキ層が形成されると
共に、そのメッキ層に硬質粒子が仮止めされる工程と、 ロウ材と、M-Cr-Al-Yと、加熱時に揮発する液状
バインダとを含む液状調合物が上記金属メッキ層上に注
加される工程と、 上記注化された液状調合物が、高真空下でロウ付け温度
まで加熱され、バインダが揮発し、ロウ材、M-Cr-A
l-Yが溶融する工程とを含むことを特徴とする耐摩耗
性コーティングの施工方法。 - 【請求項9】 硬度と耐酸化性の異なる複数種類の硬質
粒子がそれぞれ略分散する複数のコーティング層が順次
形成されることを特徴とする請求項6〜8のいずれかに
記載の耐摩耗性コーティングの施工方法。 - 【請求項10】 上記複数のコーティング層の各層に
は、その層に分散される硬質粒子を固着する金属メッキ
層が形成されていることを特徴とする請求項9に記載の
耐摩耗性コーティングの施工方法。
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