JP2007138294A - 金属を被覆する方法及び金属を被覆するシステム - Google Patents

金属を被覆する方法及び金属を被覆するシステム Download PDF

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Abstract

【課題】金属基板（１２）を被覆する方法、そのためのシステム、およびそれで作られた物品を提供すること。
【解決手段】一実施形態では、金属基板（１２）を被覆する方法は、金属結合コーティング（１４）を金属基板（１２）上に被着させるステップと、約２．５ｋＨｚ以上の周波数で逆極性高周波装置によりイオンを作り出すステップと、表面（１８）をイオンで約５μｍ以上の後続平均表面粗さに粗面加工するステップと、セラミックコーティング（１６）を金属結合コーティング表面（１８）に被着させるステップとを含む。金属結合コーティング（１４）は、約１μｍ以下の初期平均表面粗さの表面を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属を被覆する方法及び金属を被覆するシステムに関し、特に、金属基板にセラミックコーティングを施す方法及びシステムに関する。
高温（すなわち、約１，３００℃以上）および酸化環境に曝されると、金属は酸化し、腐食し、脆弱になる可能性がある。これらの環境は、発電応用例で使用されるタービン内で作り出される。遮熱コーティング（ＴＢＣ）は金属タービン部品に塗布されると、高温酸化環境が金属部品に与える影響を少なくすることができる。
遮熱コーティングは、金属結合コーティングおよびセラミックコーティングを含むことができる。金属結合コーティングは、アルミニウム、クロム、アルミニウム合金、およびクロム合金などの酸化保護材料を含むことができる。例えば、金属結合コーティングは、クロム、アルミニウム、イットリウム、またはＭＣｒＡｌＹなどの前述のものの組合せを含むことができ、ここでＭはニッケル、コバルト、または鉄である（Ｈｅｃｈｔの米国特許第４，０３４，１４２号、およびＧｕｐｔａ他の米国特許第４，５８５，４８１号はいくつかのコーティング材料を記載している）。これらの金属結合コーティングは、溶射技術によって塗布することができる（Ｇｕｐｔａ他特許は、プラズマ溶射によって塗布されているシリコンおよびハフニウム粒子を含むコーティング材料を記載している）。セラミックコーティングは、エアプラズマ溶射（ＡＰＳ）または電子ビーム物理的気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ）などの方法によって金属結合コーティングに塗布することができる。
Ｂｕｒｎｓ他の米国特許第６，０４２，８９８号は、ＭＣｒＡｌＹ結合コートを超合金基板の上に被着させることによって遮熱コーティングを塗布することを教示している。Ｂｕｒｎｓ他特許は、酸化アルミニウムスケールをＭＣｒＡｌＹ結合コートの上に形成し、物理的気相成長法を使用してセラミック層を酸化アルミニウムスケール上に被着させることを教示している。Ｂｕｒｎｓ他特許は、逆トランスファアーク洗浄などのイオン化気体洗浄過程を使用する優れたコーティング寿命を教示している。この過程は、酸化物および他の汚染物質を過熱するアークをブレードの表面に形成して、酸化物および汚染物質を蒸発させることを含む。この過程は、４．０ｋＰａ（３０トール）から５．３ｋＰａ（４０トール）の圧力（絶対圧力）、および７６０℃（１，４００°Ｆ）から８７１℃（１，６００°Ｆ）の温度で行われる。
セラミックコーティングが、アルミニウム化ＭＣｒＡｌＹを含む金属結合コーティングに、および／または密度の高い高速フレーム（high velocity oxy-fuel flame：ＨＶＯＦ）コーティングの上に塗布されている場合、セラミックコーティングは悪い付着性を示す可能性がある。ＨＶＯＦは、９１４．４ｍ/ｓ（３，０００フィート／秒（ｆｐｓ））を超える粒子速度を可能にし、高い結合強度を備えたコーティングを作り出すことができる、１８２８．８ｍ/ｓ（６，０００ｆｐｓ）を超える速度で気体を運ぶことができる超音波過程である。これは、極度の腐食および磨耗環境での産業に対する無限範囲の可能性を提供するかなり多用途のシステムである。しかし、得られるコーティングは円滑であり、その後のコーティングとの付着を制限することを可能にする。
米国特許第４，０３４，１４２号公報 米国特許第４，５８５，４８１号公報 米国特許第６，０４２，８９８号公報 米国特許第５，２８５，９６７号公報 米国特許第５，４６２，６０９号公報 米国特許第５，４６６，９０５号公報 米国特許第５，５１２，３１８号公報 米国特許第５，８３０，５８６号公報 米国特許第６，１２４，５６３号公報 米国特許出願公開第２００５／００３６８９２Ａ１号公報 ヨーロッパ特許第１，５０７，０１８Ａ１号公報 "High Velocity Oxygen Fuel Thermal Spray Process", http://www.gordonengland.co.uk/hvof.htm, 11/14/2005, 2 pgs.
したがって、セラミックコーティングをこれらの円滑なコーティングに付着させる改良型の方法の必要性がある。
本明細書には、金属基板を被覆する方法、そのためのシステム、およびそれから作られた物品が開示されている。一実施形態では、金属基板を被覆する方法は、金属結合コーティングを金属基板上に被着させるステップと、２．５ｋＨｚ以上の周波数で逆極性高周波装置によりイオンを作り出すステップと、表面をイオンで５μｍ以上の後続平均表面粗さに粗面加工するステップと、セラミックコーティングを金属結合コーティング表面に被着させるステップとを含む。金属結合コーティングは、１μｍ以下の初期平均表面粗さの表面を有する。
一実施形態では、金属基板を被覆するシステムは、１μｍ以下の初期平均表面粗さを有するコーティングを被着させることが可能な第１のコーティング装置と、２．５ｋＨｚ以上の周波数で作動し、イオンを作り出し、コーティングに向けさせて、５μｍ以上の後続平均表面粗さを有する粗面加工コーティングを形成することが可能なイオン化気体装置と、セラミックコーティングを粗面加工コーティング上に被着させることが可能な第２のコーティング装置とを備えている。
一実施形態では、被覆された基板は、基板上にＨＶＯＦ金属結合コーティングを含んでいる。ＨＶＯＦ金属結合コーティングは、５μｍ以上の後続平均表面粗さを有する。
上記および他の特徴を、以下の図および詳細な説明によって例示する。
次に、図面は例示的な実施形態を示すものである。
「第１の」、「第２の」などの用語は本明細書では、あらゆる順序、量または重要性を示すものではなく、むしろ１つの要素を別の要素と区別するために使用され、本明細書では数詞がないことは量の限定を示すものではなく、むしろ言及する品目の少なくとも１つの存在を示すものである（例えば、「金属」は１つまたは複数の金属を含む）。数値や量に関しては、「約」の有無に関わらずその記した値を含み、内容によって決まる意味を有する（例えば、特定の量の測定に関連する誤差の程度を含む）。本明細書に開示した範囲は包含的なものであり、独立して組合せ可能である（例えば、「約２５重量％まで、またはより具体的には約５重量％から約２０重量％」の範囲は、「約５重量％から約２５重量％」の範囲の終点および全ての中間値を含むなど）。
図１は、金属基板１２に塗布された金属結合コーティング１４を含む金属セラミック複合物１０を示す。金属結合コーティング１４は、セラミックコーティング１６の塗布前に付着させるように、より高い平均表面粗さを与えるように処理される。
金属基板１２は、例えば、バケット、ノズル、ブレード、静翼、シュラウドと、その他の部品、例えばタービンエンジン内の熱い気体流内に配置される部品などのバリアコーティングで利用される様々な部品を意味することができる。この金属基板１２は、ニッケル、コバルト、鉄、前述のものの少なくとも１つを含む組合せ、ならびにニッケル系超合金、および／またはコバルト系超合金などの前述のものの少なくとも１つを含む合金を含むこのような応用例で利用される様々な金属を含むことができる。
金属結合コーティング１４は金属基板１２に付着する。したがって、適合性および優れた付着性は、結合コーティング材料を選択する際に考慮される要素である。金属結合コーティングは、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、イットリウム（Ｙ）、前述のものの少なくとも１つを含む合金、ならびに前述のものの少なくとも１つを含む組合せを含むことができ、例えば、金属結合コーティングはＭＣｒＡｌＹ（ここで、Ｍはニッケル、コバルト、鉄、および前述のものの少なくとも１つを含む組合せからなる）を含むことができる。ＭＣｒＡｌＹコーティングはさらに、珪素（Ｓｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）、ハフニウム（Ｈｆ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、タングステン（Ｗ）、前述のものの少なくとも１つを含む合金、ならびに前述のものの少なくとも１つを含む組合せなどの要素を含むことができる。例えば、金属結合コーティングは、金属結合コーティング１４の表面上にアルミナスケールを形成するのに十分なアルミニウムを含むことができる。アルミニウムは、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、前述のものの少なくとも１つを含む合金、ならびに前述のものの少なくとも１つを含む組合せを適宜含むアルミナイドの形をしていることも可能である。
単一または多数の段階で達成できる、金属結合コーティング１４の基板１２への塗布は、蒸着（例えば、電子ビーム物理的気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）など）、電気めっき、イオンプラズマ蒸着（ＩＰＤ）、プラズマ溶射（例えば、真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）、低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）、エアプラズマ溶射（ＡＰＳ）など）、熱蒸着（例えば、高速フレーム（ＨＶＯＦ）蒸着など）など、ならびに前述の過程の少なくとも１つを含む組合せを含む様々な方法で達成することができる。例えば、金属結合コーティング部品は、（例えば、誘導溶融などによって）組み合わせ、（例えば、粉末噴霧によって）粉末化し、基板１２の上にプラズマ溶射することができる。別の方法では、または加えて、金属結合コーティング要素を、目標物に組み込むことができ、イオンプラズマ被着することができる。多数の段階が利用される場合、同じまたは異なる要素を各段階中に基板に塗布することができる。例として、貴金属（例えば、白金）を、残りの要素を塗布する別の過程の前に、廃棄物を少なくする技術によって塗布することができる。したがって、貴金属は基板表面の上に電気めっきすることができ、他の要素は粉末複合物の熱蒸着（例えば、ＨＶＯＦによって）塗布することができる。その後、例えばコーティング複合物の残りとの貴金属の混合を達成するために、アルミナイド化を行うことができる。
例えば、金属材料（例えば、ワイヤ、ロッドなどの形の）を基板に塗布することができる。金属材料を、酸素アセチレン炎内に供給することができる。炎は、金属材料を溶融し、材料をコーティングとして基板上に被着させる高圧空気の補助流で溶融された粒子を噴霧する。Ｗｅｉｄｍａｎの米国特許第５，２８５，９６７号に開示されたものなどのフレームレス噴霧装置を使用することもできる。ＨＶＯＦ過程により、円滑なコーティング、例えば約１μｍ（５０マイクロインチ）以下のＲａを有するコーティングを作り出す。
金属結合コーティング１４の厚さは、被覆された部品が使用される応用例、および塗布技術によって左右される。コーティングは、約５０マイクロメートル（μｍ）から約６２５μｍ、またはより具体的には、約７５μｍから約４２５μｍの厚さでタービン部品に塗布することができる。
金属結合コーティング１４は、セラミックコーティング１６の塗布の前に、表面を粗面加工するように処理される。この処理は、単にコーティングを洗浄する代わりに、金属結合コーティング１４を粗面加工する十分厳しい状態での逆極性過程（例えば、逆極性高周波アーク過程、すなわち、約２．５キロヘルツ（ｋＨｚ）以上の周波数）を含むことができる。トーチガン（例えば、タングステントーチアーク溶接ガン）を使用することができる逆極性過程は、交流（ＡＣ）逆アークまたは直流（ＤＣ）逆アークを利用することができる。逆極性過程は、不活性気体（例えば、ヘリウム、アルゴンなど）、および／または基板１２または金属結合コーティング１４と化学反応しない他の気体（例えば、水素、窒素など）、ならびにトーチを通って流れるこれらの気体の少なくとも１つを含む組合せを使用する。逆極性高周波が作り出され（例えば、打ち出され）て、電子が気体から奪われる。電子を奪うことによって形成されたイオンは、金属結合コーティングの表面を打ち出す。
理論に縛られることなく、アーク装置は高周波で、装置と金属結合コーティングの間にアークが形成されないように差動される。電子が気体から奪われると、それによって形成されたイオンは残留物を残すことなく、コーティングの表面を打ち出し、粗面加工する。低いアンペア数（例えば、約１０アンペア以下、またはより具体的には、約３アンペア以下）が使用されていることにより、またイオンが基板に向かって流れている間に電子が装置に向かって流れるので、基板の温度はこの過程によって実質的には上昇しない。例えば、温度の上昇は約１０℃以下、またはより具体的には、約５℃以下である。
例えば、アークは正極、および陰極としての金属結合コーティング１４で作り出すことができる。電位がその後、低いアンペア数で電極間に作り出される。例えば、約１０ボルト（Ｖ）から約５０Ｖの電位が、約１０アンペア以下、またはより具体的には、約２アンペア以下で作り出される。アークを確立した後、金属結合コーティング表面を粗面加工するのに十分な電位が電極間で維持される。例えば、約１０Ｖから約５０Ｖの電位が、約０．１アンペア（ａｍｐｓ）から約１０ａｍｐｓで維持される。粗面加工時間は、金属コーティング表面積と、その複合物に基づき可変である。この時間は、最大約１０分、またはより具体的には、約１分から約５分までであってもよい。電位、アンペア数、および時間の組合せは、コーティングの表面を単に洗浄するように、上記の範囲内で選択することができることを理解されたい。例えば、時間が短すぎて、所与の電位およびアンペア数での粗面加工ができない可能性がある。しかし、このような組合せは本明細書で求める付着性を得るのに十分ではない。本明細書の組合せは、約０．７６ミリメートル（０．０３０インチ）の切取部で、米国規格協会（ＡＮＳＩ）Ｂ４６．１にしたがって測定されたように、約５μｍ以上の平均表面粗さを達成するのに十分であるべきである。
理論に縛られることなく、高周波で作動されたトーチガンにより、その上の酸化物結合を壊し、表面形態を変化させる、金属結合コーティング１４の表面に衝突する不活性気体イオンが形成され、それによって平均表面粗さが大きくなり、粗面加工表面１８が形成される。コーティング処理により、平均表面粗さ（Ｒａ）を約５μｍ（２００マイクロインチ）以上、またはより具体的には、約９μｍ（３５０マイクロインチ）から約１５μｍ（６００マイクロインチ）、またさらに具体的には、約１０μｍ（４００マイクロインチ）から約１３μｍ（５００マイクロインチ）まで大きくすることができる。
所望の平均表面粗さが達成されると、アークを停止させ、セラミック層を塗布することができる。セラミック層、具体的にはセラミックコーティング１６を、金属結合コーティング１４の粗面加工表面１８に塗布することができる。セラミックコーティング１６は、金属結合コーティング１４および基板１２を酸化から保護することが可能なセラミックを含むことができる。可能なセラミックとしては、適宜安定化されるジルコニア（ＺｒＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などが挙げられる。可能な安定剤としては、イットリウム（Ｙ）、セリウム（Ｃｅ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、スカンジウム（Ｓｃ）、カルシウム（Ｃａ）など、前述のものの少なくとも１つを含む酸化物、ならびにイットリア安定化ジルコニアなどの前述のものの少なくとも１つを含む組合せが挙げられる。
セラミックコーティング１６は、金属結合コーティング１４の塗布に関して、上に論じたものなどの様々な技術によって塗布することができる。セラミックコーティング１６の厚さは、最大約１，７５０μｍ以上、またはより具体的には約２５０μｍから約１，５００μｍまで、またさらに具体的には約３５０μｍから約１，２５０μｍまでであってもよい。
金属結合コーティング（例えば、ＭＣｒＡｌＹ結合コーティング）、特にＨＶＯＦ過程を使用して塗布されたコーティングを粗面加工するために逆極性高周波処理を使用することにより、それに塗布される後続セラミックコーティングの結合コーティングへの付着性が良くなる。付着性が向上したことにより、コーティングの寿命が長くなる。ＨＶＯＦ塗布コーティングは、後続コーティングを受けるように導電性ではない極めて円滑な表面（例えば、１μｍ未満のＲａ）を有する傾向がある。表面を、例えば約５μｍ以上の平均表面粗さに粗面加工することによって、ＨＶＯＦと後続コーティングの間の付着性がかなり良くなる。
本発明は好ましい一実施形態を参照して説明したが、発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができ、均等物をその要素と交換することができることは、当業者には理解されるだろう。加えて、その重要な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるように、多くの変形を加えることができる。したがって、本発明は本発明を実施するために検討された最良の形態として開示された特定の実施形態に限ることなく、本発明は添付の特許請求の範囲に含まれる全ての実施形態を含むことを意図している。
金属結合コーティングおよびその上に被着されたセラミックコーティングを備えた金属基板の側面図である。
符号の説明
１０ 金属セラミック複合物
１２ 金属基板
１４ 金属結合コーティング
１６ セラミックコーティング
１８ 粗面加工表面

Claims (10)

  1. 金属基板を被覆する方法であって、
    １μｍ以下の初期平均表面粗さの表面（１８）を有する金属結合コーティング（１４）を金属基板（１２）に被着させるステップと、
    ２．５ｋＨｚ以上の周波数で逆極性高周波装置によりイオンを作り出すステップと、
    前記表面（１８）を前記イオンで５μｍ以上の後続平均表面粗さに粗面加工するステップと、
    セラミックコーティング（１６）を前記金属結合コーティング表面（１８）に被着させるステップと
    を含む方法。
  2. 前記金属結合コーティング（１４）を被着させるステップはさらに、高速フレーム溶射を使用して、金属結合コーティング要素を前記基板の上に溶射するステップを含む、請求項１記載の方法。
  3. 前記金属結合コーティング（１４）はＭＣｒＡｌＹを含み、ここでＭはニッケル、コバルト、鉄、および前述のものの少なくとも１つを含む組合せからなる群から選択される、請求項１乃至２のいずれか記載の方法。
  4. 前記イオンを作り出すステップは、１０以下のアンペア数を使用するステップを含む、請求項１乃至３のいずれか記載の方法。
  5. 前記後続平均表面粗さは、９μｍから１５μｍである、請求項１乃至４のいずれか記載の方法。
  6. 金属基板（１２）を被覆するシステムであって、
    １μｍ以下の初期平均表面粗さを有するコーティング（１４）を被着させることが可能な第１のコーティング装置と、
    ２．５ｋＨｚ以上の周波数で作動し、イオンを作り出し、これを前記コーティング（１４）に向けて、５μｍ以上の後続平均表面粗さを有する粗面加工コーティング（１８）を形成することが可能なイオン化気体装置と、
    セラミックコーティング（１６）を前記粗面加工コーティング（１８）上に被着させることが可能な第２のコーティング装置と
    を備えるシステム。
  7. 前記第１のコーティング装置は、高速フレーム装置である、請求項６記載のシステム。
  8. 前記イオン化気体装置は、逆極性高周波装置である、請求項６乃至７のいずれか記載のシステム。
  9. 基板（１２）上にＨＶＯＦ金属結合コーティング（１４）を含む被覆基板であって、前記ＨＶＯＦ金属結合コーティング（１４）は５μｍ以上の後続平均表面粗さを有する被覆基板。
  10. 前記後続平均表面粗さは、９μｍから１５μｍである、請求項９記載の被覆基板。
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