JP2007508449A

JP2007508449A - 金属部品の局所的アルミナイジング、シリコナイジングまたはクロマイジング方法

Info

Publication number: JP2007508449A
Application number: JP2006529616A
Authority: JP
Inventors: シュトラッサー・ミヒャエル; ヴァルター・ハインリッヒ
Original assignee: エムティーユーエアロエンジンズゲーエムベーハー
Priority date: 2003-10-11
Filing date: 2004-09-23
Publication date: 2007-04-05
Also published as: US20070272331A1; EP1670965A1; DE10347363A1; WO2005035819A1

Abstract

本発明は、アルミナイジング、シリコナイジング、および／またはクロマイジングによって金属部品に部位限定の拡散層を製造する方法に関し、前記方法は、Ｃｒ、Ｓｉおよび／またはＡｌと、活性剤とを含有するペーストを、金属部品の被コーティング領域に塗布する工程と、ペーストを固化して供与パックを形成する工程と、供与パックに隣接する非コーティング領域を、拡散阻止粉末パックで被覆する工程と、９００℃以上の温度に加熱して、アルミナイジング、シリコナイジング、および／またはクロマイジングを行う工程とを含むことを特徴とするものである。本発明は、前記方法のタービンロータの製造への使用にも関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属部品表面に部位限定の拡散層を生成する方法、特に金属部品の表面にＳｉ、Ａｌおよび／またはＣｒを吸収させることによって拡散層を形成する方法に関する。

機械的かつ熱的に高い応力を受ける金属部品には、通常摩耗防護特性を高めることや、さらには断熱性を高めることを意図した防護層が設けられる。これらの機能層の結合を高めるために、部品と機能層の間に専用の接着層を設けることが一般的である。特に、そのような接着層は適切な化学組成と、適切な粗度および表面形状を有していなければならない。この場合、後で施す被覆層、たとえば断熱層の機械的かみ合いを高めるために粗面が有益である。

特にガスタービン技術、たとえば、タービンブレードの製造についていうと、部品と外側の断熱層の間に接着層が設けられる。適切な断熱層は、（部分的に）安定化されたＺｒＯ₂または他の耐火性酸化物からなるものとすることができる。粗くすることに加えて、接着層は、外側の防護層または断熱層に粘着できるようにするために、酸素を含まず、かつ高温ガス腐食に耐えるものでなければならない。同様に、接着層は、金属基材および断熱層の様々な熱膨張係数に対する補償を与えなければならない。

特に、Ａｌおよび任意で追加の遷移金属を含む拡散層は、接着層として好適である。その際、拡散層に加える添加元素の選択は、当然、基材に大きく依存する。典型的な、拡散層の製造のためのコーティング処理としては、粉末パック処理（アウト・オブ・パック・プロセス）があげられる。これによれば、コーティングされる表面は、添加元素を含んだ粉末（以下、供与パックともいう）と接触され、粉末元素の部品表面への拡散が起こる温度で加熱される。一般には、アルミナイジング（アルミニウムの拡散）、シリコナイジング（ケイ素の拡散）、クロマイジング（クロムの拡散）など呼ばれる拡散層の形成は、Ａｌ、ＳｉまたはＣｒの吸収に相当する。

たとえば、文献ＤＥ１９８２４７９２Ａ１は、Ｃｒ、ＮｉまたはＣｅの少なくとも１つの元素を含むスラリーを部品に塗布し、乾燥させた後、８００℃〜１２００℃の温度でアルミナイジングを行う、腐食耐性および酸化耐性層の製造方法を記載している。

文献ＤＥ３８８３８５７Ｔ２によれば、鋼に対して、Ａｌおよび他の鉄安定化元素の拡散層を製造する方法が知られている。その際、Ａｌまたはアルミ合金と、他の元素、ハロゲン化物活性剤、および任意で充填剤を含むパックを製造し、コーティングする鋼部品をこのパック内にコーティングする鋼部品を埋める。そして、約１０００℃以上の温度で拡散コーティングを行う。

上記の方法は、拡散層の形成を場所的に限定できないという欠点を有する。部品全体に不特定な態様で拡散層が生成されてしまうのである。コーティング領域と非コーティング部品との間に明確な変わり目を得ることができない。しかしながら、コーティング領域に明確な境目が必要とされることも多い。したがって、拡散層は、それが実際に接着剤として要求される場所だけに形成すべきである。この層は表面または材料の特性を著しく変えるため、当該層が部品の残りの領域における機能に著しい支障を与えかねない。

したがって、本発明の目的は、コーティング領域と非コーティング領域の部位限定を簡単に行えるようにする、金属部品における拡散層形成方法を提供することにある。

本発明によれば、上記目的は、アルミナイジング、シリコナイジング、および／またはクロマイジングにより、金属部品に部位限定の拡散層を生成する方法であって請求項１の特徴部の特徴を示す前記方法によって、ならびに請求項８に係る使用によって達成される。本発明の有利な実施形態が従属項の主題である。

したがって、本発明においては、拡散層は、粉末パック処理によって生成されるとともに、充填床反応器内には、供与パックに加え、少なくとも１つの拡散阻止粉末パックを設けて、前記拡散阻止粉末パックにより、添加元素が金属部品の非コーティング領域に供給されることを防いでいる。本発明によれば、供与パックによって供給される添加元素は、少なくともＣｒ、Ｓｉおよび／またはＡｌから選択される。

本発明のプロセスは、少なくとも以下の実質的工程からなる。
ａ）Ｃｒ、Ｓｉおよび／またはＡｌを含有するペースト（コンシステンシーによってはスラリーとも呼ぶ）を、被コーティング領域に塗布する。この場合、ペーストは活性剤も含む。
ｂ）ペーストまたはスラリーを固化させて供与パックを形成する。
ｃ）非コーティング領域を、拡散阻止粉末パックで覆う。
ｄ）部品とパウダーパックを９００℃以上の温度で加熱することにより、アルミナイジング、シリコナイジング、および／またはクロマイジングを起こさせる。

第１工程に必要なペーストまたはスラリーは、実質的には、添加元素、具体的には純金属としてまたは合金としてのＣｒ、Ｓｉおよび／またはＡｒと、活性剤と、バインダーと、追加の安定化物質とで構成される。

添加元素は、純金属であっても合金であってもよい。いくつかの添加元素を合金の形で同時に供給（共拡散）することが有益である場合も多い。好ましくは、ＡｌおよびＳｉは、Ｓｉの量よりＡｌの量の方が過剰重量となるように供給する。

本発明に適した活性剤は、反応条件下において、揮発性で、特に分子状をした、添加元素を含むハロゲン化物をなす化合物であってよい。好ましい活性剤は、ＮＨ₄Ｆ、ＮＨ₄ＣｌまたはＡｌＦ₃である。フッ素または塩素の少なくとも一部は、フッ素添加または塩素添加した有機バインダーまたは安定化物質の分解によって生成されるものであってよい。

活性剤としては、副産物として形成されるアンモニアが金属に対する還元剤となることから、ハロゲン化アンモニウムが特に興味深い。これにより、望ましくない金属の酸化が抑えられる。

基本的には、ペーストまたはスラリーの調製に使用する通常の有機バインダーを、バインダーとして用いる。

以下に、本発明に係るスラリーまたはペーストの固体組成例を示す。下記の組成は、単に本発明の主題を詳細に説明することだけを意図しており、決して限定することを意図したものではない。記載の数値は概算値である。

アルミナイジングの場合のペーストに対する固体：
Ａｌ、ＡｌＳｉ、ＡＬＴｉ、ＡｌＣｏおよび／またはＡｌＣｒの粉末：５〜５０重量％
Ａｌ₂Ｏ₃粉末：５〜５０重量％
有機バインダー：１〜１５重量％
ＮＨ₄Ｆおよび／またはＮＨ₄Ｃｌの活性剤：０．５〜２重量％

シリコナイジングの場合のペーストに対する固体：
Ｓｉ粉末：５〜５０重量％
Ａｌ₂Ｏ₃粉末：５〜５０重量％
有機バインダー：１〜１５重量％
ＮＨ₄Ｆおよび／またはＮＨ₄Ｃｌの活性剤：０．５〜２重量％

クロマイジングの場合のペーストに対する固体：
Ｃｒ粉末：５〜５０重量％
Ａｌ₂Ｏ₃粉末：５〜５０重量％
有機バインダー：１〜１５重量％
ＮＨ₄Ｆおよび／またはＮＨ₄Ｃｌの活性剤：０．５〜２重量％

通常の場合、上記固体を水および／またはアルコールと混合し、ペーストまたはスラリーとなるように処理する。これに関して、塑性成形可能な材料としてのコンシステンシーを有するペーストを調製することが好ましい。

もちろん、有機バインダーは、液体化合物であってもよい。

連続処理のあいだに、ペーストまたはスラリーを被コーティング領域に塗布し、固化させる。固化は通常、オーブンなどの中で行う。これにより金属部品の表面に付着した硬い供与パックが形成される。

本発明方法の有利な実施形態によれば、後に粉末パックと接触されるか又は充填床反応器内に延在される金属部品の少なくとも表面に、分離層が設けられる。分離層は、拡散層形成後の粉末パック除去を容易にするためのものである。分離層は、基材および添加元素に対して非常に不活性な多孔性材料によって形成される。好ましくは、分離層は、耐火性酸化物、特にＡｌ₂Ｏ₃の薄層である。一般的には、層の厚みは約０．０２ｍｍ〜３ｍｍである。

分離層は、厚い層を形成するために、従来のコーティングプロセスによって施してもよい。好ましい変形を考えると、スラリーは、たとえば、拡散、浸漬、またはスプレー蒸着によって塗布される。スラリーは本質的にＡｌ₂Ｏ₃とバインダーとで構成される。

続く方法工程（ｃ）のあいだ、充填床の提供された部品が、少なくとも部分的に充填床反応器中に導入される。

充填床反応器の発明的構成については、図１を参照して詳細に説明するが、この場合、図面は、任意の数の潜在的な発明的変形のうちの１つだけを示している。

図１は、充填床反応器（１）内でのタービンロータのダンパーポケットのアルミナイジングをタービンロータ端部（２）とともに示しており、そのブレード基部（３）が充填床反応器内に延在され、Ａｌ₂Ｏ₃の分離層（４）でコーティングされ、さらに、ダンパーポケット周りに配された供与パック（５）と、拡散阻止粉末パック（６）も示されている。

好ましくは、反応器（１）は、部品を保持し、粉末充填物または拡散阻止粉末パックを収容するための簡単な装置である。たとえば、反応器は、金属カプセルとして設計し、このなかに、部品のコーティング領域が延在するようにしてもよい。その後、コーティング領域の隣に非コーティング領域を有した部品（３）、ならびに供与パック（５）を、拡散阻止粉末パック（６）で覆う。

拡散阻止粉末パックは、添加元素の揮発性化合物を保持または結合させる発明的効果を有し、その結果、金属部品の表面のコーティングが供与パックに直接接触することが軽減または完全に回避される。この粉末パックの拡散阻止効果を果たす材料は、添加元素に化学的に結合できる金属である。典型的には、この点に関して、Ｎｉ、Ｃｏおよび／またはＦｅ合金を用いる。好ましくは、拡散阻止粉末パックは、コーティングすべき金属部品と類似または同一組成の金属粉末を含む。その結果、金属部品に拡散阻止粉末パックの元素が混入することが回避される。ＮｉまたはＮｉ合金が特に好ましい。

本発明によれば、拡散阻止粉末パックの追加成分は活性剤である。この場合、供与パック中で用いられるものと同じまたは異なる活性剤を選択するとよい。外側に位置する粉末パック内に活性剤が存在することにより、拡散反応の間における活性剤の損失は、供与パックの領域中で有利に減少する。

拡散阻止粉末パックの好ましい組成は、最低５０％の金属粉末と、０．２〜５重量％の範囲の含量の活性剤とを含む。追加の成分は、たとえば、Ａｌ₂Ｏ₃などの不活性物質である。

最後に、実際の拡散コーティングが充填床反応器内で起こる。これを行うために、反応器を９００℃以上の温度まで加熱する。好ましくは、反応器に不活性または保護ガスを流すが、Ａｒおよび／またはＨ₂が特に好ましい。Ｈ₂によって還元状態にすることにより、特に酸化物の形成が防止されるか、少なくとも部分的に逆行される。この方法のステップにおいて、好ましくは、アルミナイジング、シリコナイジングおよび／またはクロマイジングが行われる。処理温度および処理時間の選択は、選択される部品と、供与パックと所望の層コンシステンシーの関数である。Ｃｒをベースとした合金、Ｎｉをベースとした合金、またはＣｏをベースとした合金についていえば、アルミナイジングのために用いる処理温度は一般に、７５０℃〜１２００℃、保持時間１時間〜２０時間であり、クロマイジングに対しては、上記温度は一般に、９００℃〜１２００℃、保持時間は同じである。

任意で、金属部品は予め金属コーティングを有していてもよい。この結果、非コーティング部品と比べて、処理パラメータへの最小限の適合が付加的に必要となるかもしれない。しかしながら、本発明方法の本質的特徴は基本的に変わらない。

表面処理に必要な化学的成分を反応器の内部、すなわちその場（ｉｎｓｉｔｕ）で形成する。この場合、ガス状の金属ハロゲン化物の形成および分解が、拡散用に定められた金属を、充填床から金属部品の表面に輸送する実質的役割を果たしている。

金属ハロゲン化物は、ハロゲン化物含有活性剤によってその場（ｉｎｓｉｔｕ）で形成される。拡散阻止粉末パックの領域に達する金属ハロゲン化物は、金属粉末によって結合され、非コーティング領域に拡散することが防止される。

以下に、ガスタービン用のロータブレードに対して、ダンパーポケットの領域だけにアルミナイジングを行った例について説明する。

アルミナイジングペーストを調製するために、１０ｇのＡｌ₂Ｏ₃粉末（水和剤）と、１０ｇのＡｌ粉末と、０．２ｇのＮＨ₄Ｆとを混合し、バインダーを含有するアルコール水溶液を付加することによってペーストを作成した。

その結果、ペーストは混練可能なコンシステンシーを有した。ペーストをダンパーポケット上に押圧し、強制空気オーブン中、約５０℃で乾燥させた。図１に参照されるように、このような条件を整えたロータブレードを、ブレード端部だけが上述のように形成した充填床反応器から突出した状態で、金属ボックス内に収容した。ブレードの貫通領域は、何らかのペーストで封止した。その後、反応器を拡散阻止被覆粉末（粉末パック）を、ダンパーポケットの高さの約２倍まで充填した。この粉末パックは、Ｎｉをベースとする材料粉末と１重量％のＮＨ₄Ｆからなるものとした。

アルミナイジングは、出発温度を１０８０℃とし、保持工程を１０５０℃、４時間として行った。リンスに用いた保護ガスはＡｒまたはＨ₂とした。

Claims

アルミナイジング、シリコナイジング、および／またはクロマイジングによって、金属部品に部位限定の拡散層を生成する方法であって、
少なくとも次記の
Ｃｒ、Ｓｉおよび／またはＡｌと、活性剤とを含有するペーストを、金属部品の被コーティング領域に塗布する工程と、
ペーストを固化して供与パックを形成する工程と、
供与パックに隣接する非コーティング領域を、拡散阻止粉末パックで被覆する工程と、
９００℃以上の温度に加熱して、アルミナイジング、シリコナイジング、および／またはクロマイジングを行う工程とを含むことを特徴とする前記方法。
金属部品は、ペーストの塗布前に、少なくとも被コーティング領域を、Ａｌ₂Ｏ₃を含有する多孔性分離層で被覆することを特徴とする請求項１記載の方法。
拡散阻止粉末パックが、コーティングする金属部品と類似または同じ組成を有する金属粉を含有することを特徴とする請求項１または２記載の方法。
拡散阻止粉末パックが、ＮｉまたはＮｉ合金を含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
拡散阻止粉末パックが、活性剤を含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
拡散阻止粉末パック、ペースト、および／または供与パックは、０．２〜５重量％の量の活性剤を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
活性剤が実質的にＮＨ₄Ｆ、ＮＨ₄Ｃｌおよび／またはＡｌＦ₃であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
タービンロータの製造における請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法の使用。