JP2006266264A - 溶射による耐摩耗性コーティング堆積方法 - Google Patents

Abstract

【課題】受ける応力に耐える性能が、現行の方法によって得られたコーティングよりも良好である、耐摩耗性コーティングを堆積することができる、新規な堆積方法を提供する。
【解決手段】ＡＣ−ＨＶＡＦ型の溶射によって、機械部品に耐摩耗性コーティングを堆積する方法であって、前記コーティングは、ニッケルを３０重量％から４２重量％含有し、かつインジウムを４重量％から６重量％含有する、銅ベースの合金から作られている方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、溶射によって機械部品に耐摩耗性コーティングを堆積させる方法に関するものであり、さらに詳しくは、本発明は、チタンあるいはチタン合金から作られた、ターボ機械のファンブレードあるいはコンプレッサブレードのようなガスタービン部品に関するものである。

ファンブレードあるいはコンプレッサブレードは、タービンが作動している間に摩耗を受ける部品の良好な例を構成する。そのようなブレードは、以下でコンプレッサディスクあるいはファンディスクと呼ばれる回転ディスクの周縁に形成された適切な形状のスロットで、それらの基部によって保持されている。

ターボジェットが作動されている間、ブレードの基部は、遠心力の作用および振動の作用の下で前記スロットの中で動く。ブレード基部は、そのような相対変位が可能になるように、スロットの形状に合致するように形成されている。遠心力の作用の下で、前記スロットの縁に接触するようになるブレード基部の表面は、かなりの圧縮応力（一般に周期的である）を受ける。これらの応力は、振動運動と相まって、前記表面を損傷するとともに摩耗させる。観察される摩耗は、ブレード基部およびファンディスクあるいはコンプレッサディスクが、チタンあるいはチタン合金から作られているときであっても、より大きいものとして認められる。この理由は、チタンに対するチタンの摩擦係数はどちらかというと高いからである。

ブレード基部を保護するために、銅ニッケル合金（ＣｕＮｉ）、銅アルミニウム合金（ＣｕＡｌ）、あるいは実際に銅ニッケルインジウム合金（ＣｕＮｉＩｎ）によって構成された、耐摩耗性コーティングを利用することが知られている。銅ニッケルインジウム型合金（ＣｕＮｉＩｎ）を利用することは一般に好ましいが、その理由は、この合金が、高温でより良好な機械的特性を示すからである。

これらの合金をブレード基部に堆積させるために、プラズマ溶射として知られた溶射技術を利用することが一般的である。その技術は、米国特許第３１４５２８７号に記載されたようなプラズマ銃を利用して実施することができる。プラズマ溶射は、きわめて高い温度、すなわち２０００℃よりも大きい温度でガスのジェットを作り出すプラズマトーチへ、合金粉末を運ぶことからなっている。粒子が溶射される速度は、１００メートル／秒（ｍ／ｓ）から４００ｍ／ｓの範囲にある。

それにもかかわらず、プラズマ溶射によって堆積されたコーティングの微細構造には、きわめて高い孔隙率および酸化を呈し、それによってコーティングの機械的性質に悪影響を及ぼす。加えて、コーティングは、チタンあるいはチタン合金にはあまりよく付着しない。従って、実際には、コーティングは、短時間に剥がれ落ちるとともに、タービンが作動している間に受ける応力に耐える性能に乏しいことが認められている。

第２のタイプの溶射もまた、耐摩耗性コーティングを堆積するために利用されるが、これは、合金粉末の溶融結晶粒をきわめて高い速度で加熱しかつ推進させるために、酸素と、プロパン、プロピレン、水素、またはプロパジエンメチルアセチレンのような燃料ガスとの間の燃焼を利用することからなる、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）溶射として知られている。この方法で到達される温度は、１５００℃から２０００℃の範囲にあり、また、溶射速度は、３００ｍ／ｓから７００ｍ／ｓの範囲にある。米国特許第５５１８６８３号には、ＨＶＯＦ溶射法を利用してニッケルベースの合金を堆積する例が記載されている。

ＨＶＯＦ法で得られた堆積物の寿命は、プラズマ溶射法によって得られた堆積物の寿命よりも長いが、それにもかかわらず、コーティングは、ターボ機械作動における普通の条件の下では短時間に剥がれ落ちることが認められる。
米国特許第３１４５２８７号明細書 米国特許第５５１８６８３号明細書

本発明の目的は、受ける応力に耐える性能が、現行の方法によって得られたコーティングよりも良好である、耐摩耗性コーティングを堆積することができる、新規な堆積方法を提案することである。

この目的を達成するために、本発明は、機械部品に耐摩耗性コーティングを構成するために、銅、ニッケル、およびインジウムの合金を溶射によって堆積する方法を提供し、前記耐摩耗性コーティングが、活性化燃焼高速空気燃料（ＡＣ−ＨＶＡＦ）型の溶射によって堆積されることを特徴とする。

ＡＣ−ＨＶＡＦ型の溶射は、合金粉末をきわめて高い速度で加熱しかつ推進させるために、（酸素とガスとの混合気の代わりに）燃やされる、空気とプロパンのような燃料ガスとの混合気を主として利用することで、前記ＨＶＯＦ溶射とは異なる知られている技術である。ＡＣ−ＨＶＡＦ溶射では、溶融合金粒子は、実質的に６００ｍ／ｓから８００ｍ／ｓの範囲にある速度で溶射され、また、到達される温度は、８００℃から１５００℃の範囲にある。

ＡＣ−ＨＶＡＦ型の溶射の間に到達される温度は、ＨＶＯＦ型またはプラズマ型の溶射の間に到達される温度よりも低い。このことは、溶射された粒子の酸化を制限するのに役立つ。

加えて、ＡＣ−ＨＶＡＦ法で得ることのできる溶射速度は、プラズマ溶射またはＨＶＯＦ溶射によって得られた速度よりも速い。従って、粒子が酸化に対して特に反応しやすい時間経過の間に、粒子が溶射される時点とそれら粒子がコーティングされる部品に到達する時点との間における時間の経過は、それ自体短くされる。このこともまた、コーティングが酸化される程度を減少するのに貢献する。

加えて、コーティングのために部品上に溶射された粒子の高い運動エネルギーによって、第１に、部品への粒子のより良好な結合を達成することが可能になり、第２に、いっそう緻密で、過去に利用されていた方法で得られたコーティングよりも小さい孔隙率を示すコーティングを得ることが可能になる。具体的に言えば、結果として得られるコーティングの構造は、単体であって、層状ではない。

コーティングにおける孔隙率と酸化物の量の減少は、具体的には、コーティングの微細構造における初期亀裂の数の減少につながる。このことは、応力、より具体的にはコーティングが受ける圧縮応力に耐える、より大きい能力につながる。コーティングはまた、いっそう緻密であって、コーティングされる部品にいっそう良好に付着するので、実際には、剥がれの問題は、ガスタービンの作動の間に短時間にはほとんど起きないということと、本発明のコーティングの寿命は、知られているコーティングの寿命よりも著しく良好であるということとがわかる。

最後に、まさにその性質から、ＡＣ−ＨＶＡＦ溶射は、プラズマ溶射よりも費用がかからない。

このコーティングは、ニッケルを３０重量％から４２重量％含有し、かつインジウムを２重量％から８重量％含有する、銅ベースの合金によって構成されていると有利である。

このコーティングについては、ニッケルを３４重量％から３８重量％含有し、かつインジウムを４重量％から６重量％含有する、銅ベースの合金から構成されていると、より有利である。

すでに強調したように、ＣｕＮｉＩｎコーティングが有利であるが、その理由は、それらが、高温において機械的にきわめて強いからである。

この種の耐摩耗性コーティングの寿命を改善するための研究を行っている間に、出願人の会社は、ＣｕＮｉＩｎ合金の溶融温度が、プラズマ溶射の間に到達される温度よりもかなり低く、また、ＨＶＯＦ型溶射の間に到達される温度よりも低いことに気が付いた。これに対して、ＡＣ−ＨＶＡＦ溶射の間に到達される温度は、このＣｕＮｉＩｎ合金の溶融温度と同程度のものであることがわかる。従って、ＡＣ−ＨＶＡＦ法を利用することで、高過ぎる温度に関連したあらゆる無用な酸化を回避しながら、ＣｕＮｉＩｎ合金を溶融することができる、ということがわかった。従って、ＡＣ−ＨＶＡＦ法は、ＣｕＮｉＩｎコーティングを堆積するのに特に十分に適していることがわかる。

ＣｕＮｉＩｎの耐摩耗性コーティングがいったん堆積された後に、その上に、例えば二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）と有機樹脂とを含む潤滑用ワニスの層が付着されると、有利である。ＣｕＮｉＩｎコーティングは、高い粗面度を示すので、滑りを促進するとともに摩耗を制限するために、低い摩擦係数を有するワニスの層でそれらを被覆するのが望ましい。ＣｕＮｉＩｎと潤滑剤の層との複合コーティングによれば、部品を保護する観点とコーティングの寿命の観点から、全体的に申し分のない結果がもたらされる。

本明細書に記載された部品のただ１つの実施形態は、ターボ機械のコンプレッサあるいはファンのためのチタンブレードであるが、本発明の方法を、チタンあるいはチタン合金から作られているかどうかにかかわりなく、あらゆる種類の部品をコーティングするために利用することができる、ということは明らかである。例えば、この方法は、互いに接触しがちである任意の種類からなる任意の２つのガスタービン部品から選ばれた、少なくとも１つの部品をコーティングするために利用することができる。

本発明とその利点とは、非限定的な例として付与された本発明の以下の実施形態の詳細な説明を読むことで、いっそうよく理解することができる。説明には、添付図面が参照される。

図１のグラフには、様々な溶射方法を利用するときに得られたような、横座標に沿ってｍ／ｓで表わされた溶射速度と、縦座標上に℃で表わされた溶射温度とがある。このグラフでは、プラズマ溶射、ＨＶＡＦ溶射、およびＡＣ−ＨＶＡＦ溶射についての温度範囲および溶射速度範囲についての略図を認めることができる。さらにまた、ＣｕＮｉＩｎ合金のような銅ベースの合金が溶融する温度の範囲も示されている。

この図では、また、先に説明されたように、ＡＣ−ＨＶＡＦ溶射で到達される温度は、本発明に利用されたＣｕＮｉＩｎ合金の溶融温度範囲に適合しており、従って、これらの合金を、酸化が助長されるであろう無用の過熱なしに溶融することができる、ということを認めることができる。さらにまた、ＡＣ−ＨＶＡＦ溶射を利用することで、いっそう高い溶射速度を得ることができる、ということを認めることもできる。

本発明の方法の実施が、例示として以下に説明されているが、この実施では、ＣｕＮｉＩｎ合金が、ＴＡ６Ｖ型のチタン合金から作られた部品に堆積された。操業条件は、次のとおりであった。

利用された装置
供給業者Ｕｎｉｑｕｅｃｏａｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社によって販売された、ＳＢ−５００モデルＡＣ−ＨＶＡＦトーチ。

利用された粉末
組成、３６重量％のＮｉと５重量％のＩｎとを含有し、残りが銅であるＣｕＮｉＩｎ合金、
粒径、１１マイクロメートル（μｍ）から４５μｍ、
トーチ供給速度、８キログラム／時間（ｋｇ／ｈ）、
キャリアガス、窒素。

トーチの動作パラメータ
ガス、プロパン、
空気圧力、８５ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）、
圧力１、プロパン、７４ｐｓｉ、
プロパンの圧力２（０）、３８ｐｓｉ、
キャリアガスの圧力、４１ｐｓｉ、
間隔、１５０ミリメートル（ｍｍ）から１６５ｍｍ、
コーティング堆積速度、４５μｍ／パス。

コーティングされた部品に関する情報
前処理、３００μｍの平均寸法を有している酸化アルミニウム粒子による、サンドブラスト処理、
初期温度、２９℃、
温度変化、５０℃から９５℃。

堆積されたコーティングの厚さは、１６５μｍであったが、格別な困難性を伴うことなく、より大きい厚さを得ることができるであろう。コーティングの測定された孔隙率は、１％未満であった。

図２の顕微鏡写真は、本発明によるＡＣ−ＨＶＡＦを利用して堆積されたＣｕＮｉＩｎコーティングから撮影されたものであり、図３の顕微鏡写真は、プラズマ溶射によって得られたＣｕＮｉＩｎコーティングを利用して撮影されたものである。

酸化物および細孔は、基板１の上に堆積されたコーティング２の層における黒い点の形態で見える。

図２のコーティングにおける酸化物および細孔の存在は、図３のコーティングにおけるものよりも少ない、ということは明らかに認めることができる。さらにまた、図２のコーティングが、緻密で単体のものである微細構造を示しており、図３のコーティングの微細構造が層状である、ということがわかる。結果として、本発明の方法で堆積されたコーティングは、プラズマ溶射によって得られたコーティングよりも、層状に裂け（従って、剥がれ落ち）ようになることが少ない。要するに、図２におけるコーティングの微細構造は、機械的により強いものである。

ファンブレードが作動中に受ける機械的応力をシミュレートするために、図４に示された装置に類似した装置であって、ブレードを表わしている機械的部品１０が、その基部１４を介して２つの直立材１６ａおよび１６ｂの間に画定されたスロット１５の中へ取り付けられ、かつ、それが２つの顎部１８の間における定位置に保持されたものに類似した装置が利用された。このようにして形成されるアセンブリは、ダブテールアセンブリに類似している。この事例では、直立材１６ａおよび１６ｂは、ファンディスクを表わしていた。部品１０の基部１４は、直立材１６ａおよび１６ｂに接触する２つの表面１４ａおよび１４ｂを有していた。部品１０には、周期的な牽引力Ｆが及ぼされた。時間に応じて変化した力Ｆのかかり方は、図５に示されている。

本発明によるＡＣ−ＨＶＡＦ溶射を利用して堆積されたＣｕＮｉＩｎコーティングの性能が、３０，０００牽引周期にわたって試験された。３０，０００周期の後に、剥がれ落ちおよび摩耗は観察されなかった。プラズマ溶射によって堆積されたＣｕＮｉＩｎコーティングでは、１５，０００周期から１９，０００周期の範囲において剥がれ落ちが見られた。

この試験は、本発明により得ることを可能にするコーティング寿命の観点で、著しい改善を示している。

比較のグラフである。 本発明の方法によるＡＣ−ＨＶＡＦ溶射によって堆積されたＣｕＮｉＩｎコーティングの顕微鏡写真である。 プラズマ溶射によって堆積されたＣｕＮｉＩｎコーティングの顕微鏡写真である。 シミュレートされる動作においてファンブレード基部に及ぼされた応力を有効にする装置の概念図である。 動作中にファンブレード基部に及ぼされた牽引力の変化における周期を、時間に応じて示しているグラフである。

符号の説明

１０ 機械的部品
１４ 基部
１４ａ、１４ｂ 表面
１５ スロット
１６ａ、１６ｂ 直立材
１８ 顎部

Claims (7)

1. 機械部品に耐摩耗性コーティングを構成するために、銅、ニッケル、およびインジウムの合金を溶射によって堆積する方法であって、前記耐摩耗性コーティングは、ＡＣ−ＨＶＡＦ型の溶射によって堆積されることを特徴とする、方法。
2. 前記耐摩耗性コーティングが、ニッケルを３０重量％から４２重量％含有し、かつインジウムを２重量％から８重量％含有する、銅ベースの合金であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記耐摩耗性コーティングが、ニッケルを３４重量％から３８重量％含有し、かつインジウムを４重量％から６重量％含有する、銅ベースの合金であることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記耐摩耗性コーティングが、ニッケルを３６重量％含有し、かつインジウムを５重量％含有する、銅ベースの合金であることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. コーティングのための前記機械部品が、チタンあるいはチタン合金から作られた部品であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記耐摩耗性コーティングが、互いに接触しがちであるガスタービンの２つの部品から選ばれた少なくとも１つの部品に堆積されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記耐摩耗性コーティングが、ターボ機械のファンあるいはコンプレッサのブレード基部に、および／または、前記ブレード基部が係合するファンあるいはコンプレッサのディスクに堆積されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。

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