JP2008144272A - 環境に優しい耐摩耗性の炭化物コーティング - Google Patents

Abstract

【課題】対合する要素に面する表面および基材の表面上に配置された耐摩耗性コーティングを含む、対合面に近接して配置されたコンポーネントを提供する。
【解決手段】コーティング１２は、充填材２６および環境に優しいマトリックス材料２４を含む。マトリックス材料２４は、三元系炭化物、三元系窒化物、および炭窒化物のうちの少なくとも１つの結晶構造を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、減摩（ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ）コーティングの分野に関する。詳細には、本発明は、ガスタービンエンジンの一部分のための耐摩耗性コーティングに関する。

硬質の耐摩耗性コーティングは、対合面がフレッティング摩耗を受けるガスタービンエンジンで、摩耗に抗するためにしばしば使用される。ガスタービンエンジンの使用環境が過酷であるために、エンジンのコンポーネントは、好ましくは、硬質クロムめっき、ニッケルめっき、または様々な金属の合金、セラミック、金属マトリックスの炭化物の熱溶射コーティングで被覆される。効果的であるが、これらの方法全てにとっての潜在的な欠点がある。めっきプロセスは、一般に、酸および有毒なめっき溶液の使用が原因で、環境に優しいものではない。使用されるクロムのほとんどは、有害廃棄物と考えられている六価クロムを含む。

めっきに関連する高コストおよび環境上の懸念により、めっきプロセスに代替するものも有益である。さらに、熱溶射式の硬質コーティングは、所望の最終公差および表面仕上げに機械加工するのに複雑かつ高価であり、通常、超砥粒研削を必要とする。

また、磨耗性材料の表面が対合面と接触し硬質コーティングがこの表面から摩耗しガスタービンエンジン中を流れた場合、磨耗性材料がガスタービンエンジンの下流にあるコンポーネントに及ぼすおそれがある影響についても考慮しなければならない。

対合面に近接して配置されたコンポーネントは、対合する要素に面する表面と、基材の表面上に配置された耐摩耗性コーティングと、を含む。このコーティングは、充填材（ｆｉｌｌｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌ）と、環境に優しいマトリックス材料と、を含む。このマトリックス材料は、三元系（ｔｅｒｎａｒｙ）炭化物、三元系窒化物、および炭窒化物のうちの少なくとも１つの結晶構造を有する。

図１は、隣接するコンポーネント１６の対合面１４に近接して配置された耐摩耗性コーティング１２を有するコンポーネント１０の側面図を示す。耐摩耗性コーティング１２を有するコンポーネント１０は、単刃（ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｉｎｔ）工具を使用することによって簡単に機械加工されると共にフレッティング摩耗に対して耐摩耗性が高いことによって、ガスタービンエンジンの効率および運転コストを改善する。さらに、耐摩耗性コーティング１２は、適用する環境の過酷さに応じて純度、ならびに脱炭素化および酸化のレベルが異なるものとすることができる。これは、一部には、より低密度のコーティングとし、かつ熱に対してより安定性のあるコーティング材料を使用することによって実現されるものであり、従来の硬質の耐摩耗性コーティングより製造が簡単である。コンポーネント１０は、その脆性破壊モードが約１２００℃の温度より低いことにより、チッピングおよびかじりに抗し摩耗によってダストになることによって、ガスタービンエンジン内で下流に位置する他のコンポーネントに対する損傷を低減することもできる。なお、耐摩耗性コーティング１２がガスタービンエンジンに使用されるものとして考察されているが、耐摩耗性コーティング１２は、耐摩耗性コーティングを必要とするどの適用分野にも使用することができる。

耐摩耗性コーティング１２は、コンポーネント１０の基材１８に付着される。基材１８は、耐摩耗性コーティング１２に基部を提供し、このコーティング１２は、隣接するコンポーネント１６の対合面１４に面する。例示的な実施形態では、基材１８は、金属、セラミック、または複合材料から形成することができる。耐摩耗性コーティング１２は、ボンドコート２０および複合層２２の２層システムとすることができる。複合層２２は、三元系炭化物、三元系窒化物、または炭窒化物のマトリックス材料２４と、充填材２６と、によって形成される。ボンドコート２０は、基材１８と複合層２２との間に追加の付着力が必要なとき使用される。

耐摩耗性コーティング１２のマトリックス材料２４は、基材１８およびボンドコート２０上に、稠密な単相の層としてまたは複合物として付着することができる。マトリックス材料２４は、原子スケールで層状の結晶構造を有し、分子レベルで高い異方性（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）の特性を有する。マトリックス材料２４は、マトリックス材料自身とも相互に連結し、充填材２６を耐摩耗性コーティング１２内に保持する。三元系炭化物または窒化物のマトリックス材料２４の性能は、三元系炭化物、三元系窒化物、または炭窒化物材料の純度とは無関係であるという点でも特徴を有する。したがって、ある程度の熱分解および酸化を許容することができる。

適切なマトリックス材料の例は、三元系炭化物、三元系窒化物、または炭窒化物を含むがそれらに限定されない。特に適切なマトリックス材料の例は、Ｍが少なくとも１つの遷移金属であり、ＸがＡｌ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｐ、Ｓ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｔｌ、およびＣｄからなる群から選択された元素であり、ＺがＣおよびＮからなる群から選択された非金属であるＭ₂Ｘ₁Ｚ₁と、Ｍが少なくとも１つの遷移金属であり、ＸがＳｉ、Ａｌ、Ｇｅのうちの少なくとも１つであり、ＺがＣおよびＮからなる群から選択された非金属であるＭ₃Ｘ₁Ｚ₂と、Ｍが少なくとも１つの遷移金属であり、ＸがＳｉ、ＺがＮであるＭ₄Ｘ₁Ｚ₃と、を含むがそれらに限定されない。特に適切な金属性のマトリックス材料の例はＴｉ₃ＳｉＣ₂である。上記に記載されたマトリックス材料は、Ｚ．Ｍ．Ｓｕｎ、Ａ．Ｍｕｒｕｇａｉａｈ、Ｔ．Ｚｈｅｎ、Ａ．Ｚｈｏｕ、およびＭ．Ｗ．Ｂａｒｓｏｕｍにより２００５年７月１４日にオンラインで発行された「Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐｏｒｏｕｓ Ｔｉ₃ＳｉＣ₂」、Ｂｕｓｃｈｏｗ、Ｃａｈｎ、Ｆｌｅｍｉｎｇｓ、Ｋｒａｍｅｒ、Ｍａｈａｊａｎ、およびＶｅｙｓｓｉｅｒｅ、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ ＳｃｉｅｎｃｅによりＥｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｅｄｓ．によって２００４年に発行された「Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＭＡＸ Ｐｈａｓｅｓ」、２００１年７月〜８月出版のＭｉｃｈｅｌ Ｗ．Ｂａｒｓｏｕｍ およびＴａｍｅｒ Ｅｌ−Ｒａｇｈｙによる「Ｔｈｅ ＭＡＸ Ｐｈａｓｅｓ：Ｕｎｉｑｕｅ Ｎｅｗ Ｃａｒｂｉｄｅ ａｎｄ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」において詳細に考察され説明されている。

マトリックス材料２４内の原子層は、硬質で強い、高弾性の炭化物の層である。これらの原子も、非常に弱い結晶面を形成するようにいくつかの層に配置される。したがって、高弾性の強い面および非常に弱い面の両方がマトリックス材料２４内に存在する。これが、キンクバンドを形成する傾向をもたらし、この傾向は、セラミックと金属性の両方の特性を与える。マトリックス材料２４が変形するときに、分子の原子面の間ですべりが起こり、キンクバンドを形成する。このようなキンクバンドを形成する傾向は、破損に対する高い靭性および伸び率を実現し、取扱いおよび衝撃による損傷に対する抵抗性をもたらす。キンクバンドは、金属と同様の靭性を提供し、マトリックス材料２４が衝撃損傷状態に耐えることができるようにし、一方、炭化物層の高弾性および高硬度により、マトリックス材料２４が微細粒子による侵食およびフレッティング摩耗に耐えることができるようになる。同時に、すべり面は強度が低く、その結果、マトリックス材料２４は、鋭利な切刃を使用することによって機械加工することが可能である。例えば、マトリックス材料２４を、金属用に使用されるものと同様の運転パラメータで、従来の単刃（ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｉｎｔ）工具によって機械加工することができる。

耐摩耗性コーティング１２の充填材２６は、耐摩耗性コーティング１２の所望の特性に寄与することもできる不活性材料として働く。例えば、空気力学または基材の腐蝕防止のために孔を満たし、耐摩耗性コーティング１２の強度または靭性を修正し、あるいはマトリックス材料２４の特徴を修正するように、充填材２６を使用することができる。例示的な実施形態では、耐摩耗性コーティング１２の充填材２６は、純金属、合金、金属間化合物、セラミック酸化物、ガラス、炭化物、窒化物、炭素、グラファイト、有機物、またはポリマーを含むことができるがそれらに限定されない。いくつかの例は、純粋または混合の酸化物または半化学量論的（ｓｕｂ−ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ）炭化物；ニッケルまたはコバルトあるいはそれらの合金、銅または銅基合金；ニクロム（ＮｉＣｒ合金）；モネル（ＣｕＮｉ合金）；アルミナイド、アルミニウムおよびアルミニウム基合金；アモルファス合金；アルミナ；チタニア；ジルコニア；金属酸化物セラミックおよび混合物ならびにそれらの合金；ベントナイト粘土；シリカ；タングステン炭化物およびＮｉ、Ｃｏ、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｃｒマトリックスのタングステン炭化物；クロム炭化物およびＮｉ−ＣｒまたはＣｏマトリックスのクロム炭化物；金属炭化物；有機結合剤または充填材；ルサイト（Ｌｕｃｉｔｅ）；ポリエステル；テフロン（ポリ四フッ化エチレン、ＰＴＦＥ）；ポリプロピレン；ならびにポリエチレン、低分子量のポリエチレン、高分子量のポリエチレン；および超高分子量のポリエチレンであってよい、三元系炭化物の熱分解および酸化生成物を含むがそれらに限定されない。

例示的な実施形態では、マトリックス材料２４は、好ましくは、体積で耐摩耗性コーティング１２の約５０％から約１００％の間となる。マトリックス材料２４は、より好ましくは、体積で複合層２２の約７５％から約９５％の間となる。マトリックス材料２４は、最も好ましくは体積で複合層２２の約８５％から約９５％の間となる。したがって、耐摩耗性コーティング１２は、充填材２６を含むものとして考察されているが、耐摩耗性コーティング１２は、任意選択でマトリックス材料２４のみから構成されてもよい。

コンポーネント１０の複合層２２は、当技術分野で知られた任意の適切な方法によって基材１８およびボンドコート２０に付着することができる。適切な方法の例は、プラズマ溶射、ワイヤーアーク溶射、フレーム溶射、および高速酸素燃料溶射を含むがそれらに限定されない。例示的な実施形態では、複合層２２は、ボンドコート２０上に約５０マイクロメートルと約２０００マイクロメートルとの間の厚さに付着される。例示的な実施形態では、マトリックス材料２４は、ボンドコート２０上にプラズマ溶射によって付着され、それと同時に、充填材２６は、別個の粉末噴出口を通してプラズマ溶射プルーム（ｐｌｕｍｅ）に噴出することによってボンドコート２０上に付着される。他の例示的な実施形態では、マトリックス材料２４および充填材２６は、単一の口を通して供給される混合物を作り出すように混合される。他の例示的な実施形態では、マトリックス材料２４および充填材２６の両方を含む複合粉末粒子が、供給材料を構成する。

靭性、延性、および中程度の強度などの金属特性のため、耐摩耗性コーティング１２を有するコンポーネント１０は、酷使する環境に晒され、チッピングまたは損傷を受けることなく運転される。さらに、耐摩耗性コーティング１２の金属性の特性により、従来の単刃工具を使用することによってコンポーネント１０を機械加工することができる。金属を機械加工するために使用される運転パラメータと同様の運転パラメータを使用して従来の工具でコンポーネントを機械加工することは、複雑で特殊化された機器を使用するよりコストがかからず時間を浪費しないので有益である。動作時に、コンポーネント１０が、隣接するコンポーネント１６の対合面１４に係合する際、または工具または物体に衝突するときに、耐摩耗性コーティング１２のキンクバンドの形成によって、チッピングおよびバルク損傷に対する抵抗性がコンポーネント１０にもたらされる。例えば、コンポーネント１０および隣接するコンポーネント１６は、２つのフランジでもよく、これらのフランジは、スナップ直径（ｓｎａｐ ｄｉａｍｅｔｅｒ）を有し、一緒にボルト留めされる。もろいコーティング（ｂｒｉｔｔｌｅ ｃｏａｔｉｎｇ）では、製造および組立て中に、コンポーネントの縁部が対合する部品または工具と接触したり、あるいは偶発的に他の異物と接触したときに、チッピングを生じやすい。

コンポーネント１０は望ましい金属性の特徴を示すが、コンポーネント１０はまた、望ましいセラミックの特徴をも示す。コンポーネント１０と隣接するコンポーネント１６との間の小刻みな振動性の動きが原因で、フレッティング摩耗が問題になることがある。コンポーネント１０上の耐摩耗性コーティング１２は、フレッティング摩耗に対する抵抗性を高めるように働く。さらに、その脆性破壊モードにより、耐摩耗性コーティング１２の複合層２０が基材１８から摩耗したときに、材料は破片ではなくダストになり、下流にコンポーネントがあればその損傷を防止する。さらに、摩耗デブリの非研磨性の特徴、および耐摩耗性コーティング１２のコーティングスミアリングおよびかじりがないことによって、隣接するコンポーネント１６の対合面１４に対する損傷が防止される。さらに、耐摩耗性コーティング１２のセラミックの特徴は、微細粒子による侵食を受けた場合の侵食率が低い。いずれの摩耗デブリも、クロムを含まないので環境に優しい。

コンポーネントは、隣接するコンポーネントの対合面に近接して配置され、基材と、この基材の上面に付着された耐摩耗性の複合コーティングと、を含む。耐摩耗性の複合コーティングは、三元系炭化物のマトリックス材料または三元系窒化物のマトリックス材料と、マトリックス材料または環境と反応しない充填材と、を含む。鉄、コバルト、またはニッケル基合金ではなく、三元系炭化物または三元系窒化物のマトリックス材料を使用することにより、コンポーネントの全体の重量が軽減され、コンポーネントの熱サイクルの耐久性が向上される。これは、複合物の低い材料密度、低い熱膨張率、高靭性によるものである。隣接するコンポーネントの対合面がコンポーネントの耐摩耗性の複合コーティングと係合するときに、耐摩耗性の複合コーティングも、コンポーネントの耐摩耗性を向上させる。さらに、マトリックス材料は、高い衝撃抵抗性および靭性を示すので、より低い体積分率のマトリックス材料が必要とされる。コンポーネントの耐摩耗性コーティングのマトリックス材料は、金属とセラミックの両方の特徴をコンポーネントにもたらし、侵食の制御の必要性と機械加工性のバランスをとる。コンポーネントの金属性の特性は、衝撃による損傷に対する高い耐久性を可能にし、一方、セラミックの特徴は、侵食およびフレッティング摩耗に対する抵抗性をもたらす。コンポーネントのセラミックの脆性の摩耗機械特性は、摩耗デブリとして、スミアリングを付けない、バリの形成がない、無害なダストの形成を可能にする。

本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく形態および詳細に変更を加えることができることを当業者なら理解するであろう。

隣接するコンポーネントの対合面に近接して配置されたコンポーネントの側面図である。

Claims (20)

1. 対合する要素に近接して配置されたコンポーネントであって、
   前記対合する要素に面する表面と、
   基材の前記表面上に配置された耐摩耗性コーティングと、
   を含み、
   前記コーティングが、充填材と、三元系炭化物、三元系窒化物、および炭窒化物のうちの少なくとも１つの結晶構造を有する環境に優しいマトリックス材料と、を含むことを特徴とするコンポーネント。
2. 前記マトリックス材料が、体積で前記耐摩耗性コーティングの約８５％から約９５％の間となることを特徴とする請求項１に記載のコンポーネント。
3. 前記耐摩耗性コーティングが、前記表面に熱溶射によって付着されることを特徴とする請求項１に記載のコンポーネント。
4. 前記表面と前記耐摩耗性コーティングとの間に配置されたボンドコートをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のコンポーネント。
5. 前記耐摩耗性コーティングの厚さが約５０マイクロメートルと約２０００マイクロメートルとの間であることを特徴とする請求項１に記載のコンポーネント。
6. 前記マトリックス材料が、
   Ｍが少なくとも１つの遷移金属であり、ＸがＡｌ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｐ、Ｓ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｔｌ、およびＣｄからなる群から選択された元素であり、ＺがＣおよびＮからなる群から選択された非金属である、Ｍ₂Ｘ₁Ｚ₁と、
   Ｍが少なくとも１つの遷移金属であり、ＸがＳｉ、Ａｌ、Ｇｅのうちの少なくとも１つであり、ＺがＣおよびＮからなる群から選択された非金属である、Ｍ₃Ｘ₁Ｚ₂と、
   Ｍが少なくとも１つの遷移金属であり、ＸがＳｉ、ＺがＮである、Ｍ₄Ｘ₁Ｚ₃と、
   からなる群の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載のコンポーネント。
7. 前記マトリックス材料がＴｉ₃ＳｉＣ₂であることを特徴とする請求項６に記載のコンポーネント。
8. 改善された耐摩耗性を有する、対合面と係合するように配置されたコンポーネントであって、
   基材と、
   充填材およびマトリックス材料を含む、前記基材に付着された耐摩耗性コーティングと、を含み、
   前記マトリックス材料が、
   Ｍが少なくとも１つの遷移金属であり、ＸがＡｌ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｐ、Ｓ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｔｌ、およびＣｄからなる群から選択された元素であり、ＺがＣおよびＮからなる群から選択された非金属であるＭ₂Ｘ₁Ｚ₁と、
   Ｍが少なくとも１つの遷移金属であり、ＸがＳｉ、Ａｌ、Ｇｅのうちの少なくとも１つであり、ＺがＣおよびＮからなる群から選択された非金属であるＭ₃Ｘ₁Ｚ₂と、
   Ｍが少なくとも１つの遷移金属であり、ＸがＳｉ、ＺがＮであるＭ₄Ｘ₁Ｚ₃と、
   からなる群の少なくとも１つを含むことを特徴とするコンポーネント。
9. 前記マトリックス材料が、体積で前記耐摩耗性コーティングの約７５％から約９５％の間となることを特徴とする請求項８に記載のコンポーネント。
10. 前記マトリックス材料が、体積で前記耐摩耗性コーティングの約８５％から約９５％の間となることを特徴とする請求項９に記載のコンポーネント。
11. 前記基材と前記耐摩耗性コーティングとの間に配置されたボンドコートをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載のコンポーネント。
12. マトリックス材料が、三元系炭化物、三元系窒化物、および炭窒化物からなる群から選択されることを特徴とする請求項８に記載のコンポーネント。
13. 前記マトリックス材料がＴｉ₃ＳｉＣ₂であることを特徴とする請求項８に記載のコンポーネント。
14. 前記耐摩耗性コーティングの性能が、前記マトリックス材料の純度とは関係がないことを特徴とする請求項８に記載のコンポーネント。
15. フレッティング摩耗に抗する耐摩耗性コンポーネントであって、
    隣接するコンポーネントと係合するように配置された基材と、
    前記基材上に配置されたボンドコートと、
    前記ボンドコート上に配置された耐摩耗性コーティングと、
    を含み、
    前記耐摩耗性コーティングが、マトリックス材料および充填材を含み、
    前記耐摩耗性コーティングが前記基材上に溶射される、ことを特徴とする耐摩耗性コンポーネント。
16. 前記マトリックス材料が、
    Ｍが少なくとも１つの遷移金属であり、ＸがＡｌ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｐ、Ｓ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｔｌ、およびＣｄからなる群から選択された元素であり、ＺがＣおよびＮからなる群から選択された非金属であるＭ₂Ｘ₁Ｚ₁と、
    Ｍが少なくとも１つの遷移金属であり、ＸがＳｉ、Ａｌ、Ｇｅのうちの少なくとも１つであり、ＺがＣおよびＮからなる群から選択された非金属であるＭ₃Ｘ₁Ｚ₂と、
    Ｍが少なくとも１つの遷移金属であり、ＸがＳｉ、ＺがＮであるＭ₄Ｘ₁Ｚ₃と、
    からなる群の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１５に記載の耐摩耗性コンポーネント。
17. 前記マトリックス材料が、三元系炭化物、三元系窒化物、および炭窒化物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１５に記載の耐摩耗性コンポーネント。
18. 前記マトリックス材料がＴｉ₃ＳｉＣ₂であることを特徴とする請求項１７に記載の耐摩耗性コンポーネント。
19. 前記マトリックス材料が、体積で前記耐摩耗性コーティングの約７５％から約９５％の間となることを特徴とする請求項１５に記載の耐摩耗性コンポーネント。
20. 前記マトリックス材料が、体積で前記耐摩耗性コーティングの約８５％から約９５％の間となることを特徴とする請求項１９に記載の耐摩耗性コンポーネント。

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