JP2007203289A - 層間接着性の向上した保護皮膜を形成する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 基材（１２）上に保護皮膜を形成する方法を提供する。
【解決手段】 本方法は、基材（１２）に第１の表面粗さを有するボンドコート（１４）を施工する段階と、不活性ガスから１個以上の電子を取り去る電極（２２）に逆極性の電流を供給することによって不活性ガスをイオン化してボンドコート（１４）の表面に不活性ガスを流れ込ませて、第１の表面粗さよりも大きい第２の表面粗さをボンドコート（１４）に付与する段階と、ボンドコート（１４）にトップコート（１６）を施工する段階とを含む。さらに、皮膜が施工され皮膜に付着する表面を調製する方法は、表面上にラフニング網状組織（１８）を形成するように該表面を粗面化処理する段階を含む。加えて、保護皮膜の耐歪み性及びサイクル剥離寿命を改善する方法を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は保護皮膜及びその形成方法に関する。

金属表面を、磨耗、エロージョン、腐食、酸化から保護し、或いは表面温度を低下させるため金属表面に皮膜が設けられることが多い。金属に対する酸化腐食保護皮膜のような皮膜は、有害な外界に曝される表面にアルミニウム及びクロムのような保護酸化物形成元素を拡散させることによって機能する。遮熱コーティング（ＴＢＣ）は、基材上のボンドコートとボンドコート上のトップコートとからなる。ボンドコートの具体例としては、拡散アルミナイドボンドコートが挙げられる。トップコートは通例ジルコニアをベースにしたものであり、イットリア、マグネシア、セリア、スカンジア又は稀土類元素酸化物部分安定化ジルコニアが含んでいることもある。

これらの耐熱酸化物保護皮膜の施工は溶射及び拡散法で行うことができる。トップコートは、大気プラズマ溶射法（ＡＰＳ）又は電子ビーム気相成長法（ＥＶ−ＰＶＤ）によって施工できる。ＥＶ−ＰＶＤ法は、耐歪み性でしかも高温サイクル用途で良好な剥離寿命を有するＴＢＣを形成すため、アルミナイド拡散ボンドコートにセラミックトップコートを商業的に施工するのに成功裏に使用されてきた。同様にＡＰＳ法を用いたトップコートの施工は、ＴＢＣのサイクル剥離寿命を向上させる縦割れを有するミクロ組織を生じることが判明している。しかし、この大気プラズマ溶射の稠密縦割れ（ＤＶＣ）トップコートをアルミナイドボンドコートに施工する試みは、ボンドコートの平滑表面に対する接着性に欠けるため不成功に終っている。ＤＶＣトップコートをボンドコートに付着させると、そのＴＢＣの剥離寿命は、２〜３倍の表面粗さを有するボンドコートを有するＴＢＣに比べ劣っている。
米国特許第５８３０５８６号明細書

そこで、耐歪み性及びサイクル剥離寿命を向上させたＴＢＣのためにトップコートを受けかつ該トップコートに付着するボンドコート表面を調製する簡単かつ経済的な望ましい方法に対する必要性が存在する。

本発明は、基材上に保護皮膜を形成する方法を提供することによって上記の当技術分野における必要性に対処するものであり、本方法は、基材に第１の表面粗さを有するボンドコートを施工する段階と、不活性ガスをイオン化してボンドコートの表面に流れ込ませて、該ボンドコートに第１の表面粗さよりも大きい第２の表面粗さを付与する段階と、ボンドコートにトップコートを施工する段階とを含む。不活性ガスは、該不活性ガスから１個以上の電子を取り去る電極に逆極性の電流を供給することによってイオン化されボンドコートの表面に流れ込む。不活性ガスの正の帯電イオンは、正に荷電した電極によって反発されて、ボンディング材料の表面に流れ込み、ボンドコートの表面の粒状断片を離脱させる。従って、イオンが、ボンディング材料の表面に微細なクレータを形成する。その結果、ボンドコートの表面のこの粗面化処理により、ボンドコートに対するトップコートの接着性が向上する。

本発明の他の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明、図面及び特許請求の範囲から明らかになろう。

上記に要約したように、本発明は、基材上に保護皮膜を形成する方法、すなわち皮膜が施工され皮膜に付着する表面を調製する方法を含む。特定の実施形態では、遮熱コーティング（ＴＢＣ）の耐歪み性及びサイクル剥離寿命を改善する方法を開示する。本発明の実施形態は、以下に詳細に説明しかつ図１Ａ〜図１Ｃに図示している。

本発明の１つの実施形態による方法によって基材１２上に形成された遮熱コーティング（ＴＢＣ）１０を図１Ｃに示す。ＴＢＣ１０は、ボンドコート１４とトップコート１６とを含む。この実施形態はＴＢＣを示しているが、本発明は他のタイプの皮膜にも適用可能であることを理解されたい。

図１Ａに示すように、ボンドコート１４は、基材１２に施工される。基材は、特に限定されないが、あらゆるニッケル又はコバルト基合金を含むことができる。例えば、基材は、ＧＴＤ−２２２（５１Ｎｉ１９Ｃｏ２２Ｃｒ１．２Ａｌ１２．３Ｔｉ．９４Ｔａ．８Ｎｂ２ＷＣＢＺｒ）のような超合金を含むことができる。ボンドコート１４は、高速ガス溶射法を含む様々な方法を用いて施工することができる。ボンドコート１４としての使用に好適な材料としては、特に限定されないが、アルミナイド拡散ボンドコートが挙げられる。これらのアルミナイド拡散ボンドコートには、改質又は合金化アルミナイド、クロムアルミナイド（ＣｒＡｌ）、パラジウムアルミナイド（ＰｄＡｌ）、白金アルミナイド（ＰｔＡｌ）、シリコン改質アルミナイド、単純アルミナイド、及びオーバアルミナイズドＭＣｒＡｌＹ（ここでＭは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｒｅ、貴金属、又はＮｉ及びＣｏの混合物、或いは当業者に公知の添加元素及びその組合せを表わす）を含むことができる。加えて、アルミナイド拡散ボンドコートは、約１ミル〜約４ミルの厚さとすることができる。

基材１２に施工したボンドコート１４の表面は、本来的に平滑である第１の粗さを有する。例えば、アルミナイドで作られたボンドコート１４は、約６０Ｒａよりも小さい表面粗さを有し、ここでＲａは、得られた粗さの程度を定量化するために計算された変位値の算術平均である。ボンドコート１４の本来的な平滑さにより、トップコート１６、特に大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）トップコートの接着性が不足する。従って、ボンドコートに対するトップコート１６の接着性を向上させるために、ボンドコート１４は粗面化処理される。

図１Ｂに示すように、微細ラフニング網状組織１８は、不活性ガスをイオン化しかつイオン２０をボンドコート表面に流入させる電極２２の使用によって、ボンドコート１４の表面上に形成される。不活性ガスをイオン化するために、電極２２は、逆極性電流（図示せず）を供給される。この逆極性電流は、不活性ガス内にイオン２０を発生させるような高周波数に設定した直接的な電流である。逆極性電流はまた、約０〜約１０アンペアのアンペア数に設定される。より高いアンペア数の設定は、より低いアンペア数の設定により形成される粗さよりも大きい粗さを形成する。電極２２が逆極性電流を供給されると、電極２２は、ボンドコート１４に隣接して供給された不活性ガスから１個以上の電子を取り去る。不活性ガスは、アルゴンとすることができるが、アルゴンに限定されるものではない。不活性ガスとしてアルゴンを使用することができるが、それが本発明の方法によりイオン化されかつボンドコート１４を粗面化処理するのに使用することができる限り、あらゆる不活性ガスを使用することができることを理解されたい。１個以上の電子の除去の結果として、不活性ガスは、正電荷にイオン化され、正に荷電した電極２２は、イオン２０をボンドコート１４に向かって反発する。これらのイオンは、ボンドコート１４を照射（衝突）して、粒状断片を離脱させ、微細なクレータが形成されるようにする。このようにして、イオン化不活性ガス２０は、ボンドコート１４に第１の表面粗さよりも大きい第２の表面粗さを付与する。

ボンドコート１４の第２の表面粗さは、約７５Ｒａ〜約７５０Ｒａとすることができる。より具体的には、ボンドコート１４の第２の表面粗さは、約１００Ｒａ〜約６００Ｒａとすることができる。さらにより具体的には、ボンドコートの第２の表面粗さは、約１５０Ｒａ〜約４５０Ｒａとすることができる。ボンドコート１４上の微細ラフニング網状組織１８の形成により生じたこの第２の表面粗さは、ボンドコートに対するトップコート１６の付着及び機械的結合を促進する。

微細ラフニング網状組織１８を形成するためのボンドコート１４の粗面化処理は、手動式に又はロボットのような機械装置を用いて自動式にすることができる。加えて、ボンドコート１４は、所望の第２の表面粗さを付与する複数パスの形態で粗面化処理することができる。

不活性ガスのイオン化は、逆移送（ｒｅｖｅｒｓｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ）アーク溶接トーチの使用によって達成することができる。逆移送アーク溶接トーチは、ガスタングステン溶接トーチ、プラズマアーク溶接トーチ、又はプラズマ源を用いたあらゆるアーク溶接トーチとすることができる。本発明では不活性ガスをイオン化するのに逆移送アーク溶接トーチを使用することができるが、電気アークは、逆移送アーク溶接トーチにおける電極からボンドコートに導通されないことを理解されたい。電極２２とボンドコート１４との間での電気アークの形成は、ボンドコートを溶融させるか又はボンドコート内に亀裂発生を引き起こす可能性がある。電気アークの形成を防止するために、電極は、アーク溶接の場合に配置される電極の距離よりも、少なくとも約３倍ほどボンドコートから遠くに配置される。例えば、ガスタングステン溶接トーチは、溶接対象の表面から約０．５インチ〜約１インチほど離して配置される。それと対照的に、本発明による方法で使用するガスタングステン溶接トーチは、電気アークが形成されるのを防止するために、ボンドコートから約１．５インチ〜約３インチの位置に配置される。

さらに、ボンドコート１４の表面を粗面化処理するイオン２０は、電子が電極に衝突する速度に比較して低い速度でボンドコートに照射される。従って、少量の熱のみが、ボンドコート１４に伝えられる。反対に、電子は、高速度で電極２２に衝突し、大量の溶接熱を伝える。この熱は、例えば水冷却によって電極から除去することができる。

微細ラフニング網状組織１８がボンドコート１４上に形成されると、図１Ｃに示すように、ボンドコートに対してトップコート１６を施工することができる。ボンドコート１４に対するトップコート１６の付着及び機械的結合は、微細ラフニング網状組織１８によって向上する。トップコート１６は、例えば大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）によって施工することができる。ＡＰＳは、稠密縦割れ（ＤＶＣ）トップコート１６を施工する場合に特に好適である。このＤＶＣトップコート１６は、結果的にＴＢＣの耐歪み性及びサイクル剥離寿命を向上させる縦割れをトップコート内部に有する。トップコート１６としての使用に好適な材料には、特に限定されないが、セラミック材料が挙げられる。これらのセラミック材料は、イットリア、マグネシア、セリア、スカンジア又は稀土類元素酸化物部分安定化ジルコニアを含むことができる。例えば、トップコートは、該トップコートの８重量％の量のイットリア安定化ジルコニアを含むことができる。加えて、トップコート１６は、約１０ミル〜約１００ミルの厚さとすることができる。

本発明のＴＢＣを形成する方法は、ＴＢＣを有する物品において使用することができる。そのような物品の具体例としては、ガスタービン又はディーゼルエンジンが挙げられる。さらに、このＴＢＣの実施形態は、ニッケル又はコバルト基合金上に形成することができる。

本発明の技術的範囲に限定を加えるものとして決して解釈すべきではない１つの実施例で、以下に本発明をさらに説明する。反対に、本明細書の説明を読んだ後に本発明及び特許請求の範囲の技術的範囲から逸脱することなく、当業者は示唆を受けることができた本発明の様々な他の実施形態、変更形態及び同等物に対する方策に想到することができることを明確に理解されたい。

実施例１
この実施例では、ＴＢＣを形成する方法の実施形態の実施例を説明する。ＴＢＣを形成する一般的な方法は、当技術分野ではよく知られ、例えば米国特許第５８３０５８６号に開示されており、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。

この実施形態では、ＴＢＣを形成する段階は、ニッケル又はコバルト基超合金基材のいずれかにアルミナイド拡散ボンドコートを施工する段階を含む。このボンドコートは、大気プラズマ溶射トップコートを施工するのには最適ではない平滑表面を有する。従って、不活性ガスのアルゴンが次に、ガスタングステンアーク溶接機によってイオン化され、ボンドコートの表面を粗面化処理するために使用される。電極は、電気アークを形成しないことが保証されるアルミナイド拡散ボンドコートからの距離に配置される。逆極性電流が次に、アルゴンから電子を取り去り、正に帯電したアルゴンイオンを形成し、このアルゴンイオンは、正に荷電した電極によってアルミナイド拡散ボンドコートに向って反発される。ガスタングステンアーク溶接機は、ボンドコート上に１５０Ｒａ〜約４５０Ｒａの表面粗さを付与するように約１インチ／分の速度で横方向に移動される。トップコートは、ボンドコート上に形成された微細ラフニング網状組織上に大気プラズマ溶射される。稠密縦割れトップコートの大気プラズマ溶射は、ＴＢＣの耐歪み性及びサイクル剥離寿命を向上させる。

以上の説明は本発明の特定に実施形態に関するものであり、特許請求の範囲によって規定される本発明の技術的範囲内で様々な変更を加えることができる。

本発明の実施形態による、基材上に遮熱コーティングを形成する方法の概略図。

符号の説明

１０ 遮熱コーティング
１２ 基材
１４ ボンドコート
１６ トップコート
１８ 微細ラフニング網状組織
２０ イオン
２２ 電極

Claims (10)

1. 基材（１２）上に保護皮膜を形成する方法であって、
   基材（１２）に第１の表面粗さを有するボンドコート（１４）を施工する段階と、
   不活性ガスから１個以上の電子を取り去る電極（２２）に逆極性の電流を供給することによって不活性ガスをイオン化してボンドコート（１４）の表面に不活性ガスを流れ込ませて、第１の表面粗さよりも大きい第２の表面粗さをボンドコート（１４）に付与する段階と、
   ボンドコート（１４）にトップコート（１６）を施工する段階と、
   を含む方法。
2. 前記保護皮膜が遮熱コーティング（１０）を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記不活性ガスをイオン化する段階が、逆移送アーク溶接トーチを用いて不活性ガスをイオン化する段階を含む、請求項１記載の方法。
4. ボンドコート（１４）がアルミナイド拡散ボンドコートである、請求項１記載の方法。
5. トップコート（１６）を施工する段階が大気プラズマ溶射を含む、請求項１記載の方法。
6. トップコート（１６）が稠密縦割れ皮膜である、請求項１記載の方法。
7. 請求項１記載の方法で製造された保護皮膜を有する物品。
8. 皮膜が施工され皮膜に付着する表面を調製する方法であって、不活性ガスから１個以上の電子を取り去る電極（２２）に逆極性の電流を供給することによって不活性ガスをイオン化して該表面に不活性ガスを流れ込ませることによって、該表面を粗面化してミクロラフニング網状組織（１８）を生じさせることを含む、方法。
9. 前記不活性ガスをイオン化する段階が、逆移送アーク溶接トーチを用いて不活性ガスをイオン化する段階を含む、請求項８記載の方法。
10. 前記皮膜が稠密縦割れ遮熱コーティングである、請求項８記載の方法。