JP2010121211A - アブレイダブル皮膜を形成する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アブレイダブル皮膜を形成する方法を提供する。
【解決手段】皮膜を形成する本方法は、第１の皮膜層を基材の表面上に堆積させるステップを含み、皮膜は、セラミック又は金属、滑剤及び散逸性材料を含む。散逸性材料の少なくとも一部分は、局所熱源で第１の皮膜層を加熱することによって分解される、変質される又は揮発される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アブレイダブル多孔質皮膜を形成する方法に関連する実施形態を含む。

ガスタービンエンジンにおいて、多孔質金属皮膜は、圧縮機シールとして使用される。作動中に、回転する圧縮機ブレードは、皮膜内に溝を切込んで間隙を減少させ、それによって圧縮機効率を向上させかつ圧縮機ブレード先端に対する損傷の可能性を最少にする。金属皮膜は、圧縮機の表面上に金属及びポリマー複合材を堆積させることによって形成することができる。必要な皮膜の微細構造を得るためには、堆積皮膜内の残存ポリマーの一部分又は全てを除去することが必要である。多くの場合に、この除去ステップは、時間がかかりまた周囲のエンジン構成要素に損傷を引き起こす。通常の除去方法は、反射炉内に被覆部品を配置しかつ皮膜を所定の温度に加熱して、金属からポリマーを焼去させることである。しかしながら、エンジンのケーシング上に皮膜を施工した場合には、エンジンは、その大きさのために炉内に配置することができない。

米国特許第４，７５９，９５７号明細書 米国特許第４，９１７，９６０号明細書 米国特許第５，４３４，２１０号明細書 米国特許第５，７８０，１１６号明細書 米国特許第６，８８７，５３０号明細書 米国特許第６，９１６，５２９号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１９３９９３号明細書 英国特許第２４００００６号明細書

従って、有効でありかつ隣接するエンジン部品を損傷させないような、タービンエンジン上に多孔質金属皮膜を形成する新規な方法に対する必要性が存在する。

１つの実施形態では、皮膜を形成する方法は、第１の皮膜層を基材の表面上に堆積させるステップを含み、皮膜は、セラミック又は金属、滑剤及び散逸性材料を含む。散逸性材料の少なくとも一部分は、局所熱源で第１の皮膜層を加熱することによって分解される、変質される又は揮発される。

別の実施形態では、皮膜を形成する方法は、第１の皮膜層を基材の表面上に堆積させるステップを含み、第１の皮膜層は、セラミック、滑剤及びポリマー散逸性材料を含む。ポリマー散逸性材料の少なくとも一部分は、プラズマトーチで第１の皮膜層を加熱することによって分解される、変質される又は揮発される。

本発明の実施形態により形成されたアブレイダブル皮膜の構造を示す図。 本発明の別の実施形態により形成されたアブレイダブル皮膜の構造を示す図。

本明細書に開示するのは、アブレイダブル多孔質皮膜を基材上に形成する方法である。皮膜は、様々な基材上で使用することができ、特にタービンエンジン構成要素のような回転機械で有用である。例えば、基材は、ガスタービン圧縮機ケーシング、遠心圧縮機ケーシング、タービンシュラウド及び／又はターボチャージャ圧縮機とすることができる。好ましい実施形態では、基材は、ガスタービン圧縮機であり、また皮膜は、圧縮機ケーシングの内径を形成する表面上に堆積される。

皮膜は、ジルコニア、アルミナ、セリア、イットリア、マグネシア、カルシア、ジスプロシア、チタニア、又はそれらの組合せのようなセラミック材料を含むことができる。好ましい実施形態では、皮膜は、イットリア安定化ジルコニアを含む。

１つの実施形態では、皮膜は、金属を含む。皮膜内に存在することができる金属には、アルミニウム、チタン、銅、亜鉛、ニッケル、クロム、鉄、コバルト、シリコン、タングステン、タンタル、モリブデン、イットリウム、又はそれらの組合せが含まれる。好ましい実施形態では、コバルトを含む。１つの実施形態では、金属は、金属合金である。皮膜内で使用する好適な金属合金の実施例には、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ、ＡｌＳｉ、ＮｉＣｒＡｌ、ＮｉＣｒＡｌＹ、ＮｉＣｒＦｅＡｌ、ＮｉＡｌ、ＮｉＣｒ、ＦｅＣｒＡｌＹ、又はそれらの組合せが含まれる。金属合金は、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹであるのが好ましい。

皮膜は、約１０重量％〜約９０重量％のセラミック又は金属を含むことができる。１つの実施形態では、皮膜は、約３０重量％〜約９０重量％のセラミック又は金属を含む。別の実施形態では、皮膜は、約７０重量％〜約９０重量％のセラミック又は金属を含む。

皮膜はまた、滑剤を含むことができ、滑剤には、それに限定されないが、六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）、黒鉛、二硫化モリブデン、フッ化カルシウム、又はそれらの組合せが含まれる。１つの実施形態では、滑剤は、六方晶窒化ホウ素である。

滑剤は、約０．１重量％〜約２０重量％の量で皮膜内に存在することができる。１つの実施形態では、皮膜は、約３重量％〜約１５重量％の滑剤を含む。別の実施形態では、皮膜は、約３重量％〜約１０重量％の滑剤を含む。

前述したように、堆積皮膜内には、散逸性材料が存在する。１つの実施形態では、散逸性材料は、ポリマーを含む。散逸性材料内に存在させることができる好適なポリマーの実施例には、ポリエステル、ポリイミド又はスチレンが含まれる。好ましい実施形態では、ポリマーは、ポリエステルである。

本明細書で用いる「散逸性材料」という用語は、分解、変質又は揮発して皮膜内に多孔質微細構造を形成することができる、該皮膜内に存在するあらゆる材料を意味する。本明細書で用いる「変質」という用語は、散逸性材料の形態を皮膜内に堆積させた時のその最初の形態から変化させることを意味する。皮膜内におけるその最初の堆積形態では、散逸性材料は、金属又はセラミック母材で囲まれかつ該母材内における多数の空間を本質的に満たした固体片として説明することができる。変質した状態では、金属又はセラミック母材で囲まれ散逸性材料の薄層或いは残留散逸性材料の糸状網目組織のいずれかを残した状態で、散逸性材料構造内に大きな空隙が形成されることになる。

皮膜は、約２０体積％〜約７５体積％の散逸性材料を含むことができる。１つの実施形態では、皮膜は、約３０体積％〜約７５体積％の散逸性材料を含む。別の実施形態では、皮膜は、約４５体積％〜約７５体積％の散逸性材料を含む。

本発明で使用することができる幾つかの購入可能なアブレイダブル皮膜材料が存在する。好適な購入可能な皮膜材料の実施例には、Ｓｕｌｚｅｒ Ｍｅｔｃｏ Ｌｔｄから入手可能なＳＭ２０４２が含まれる。

皮膜層は、それに限定されないが、プラズマ溶射法、燃焼法、又は高速酸素燃料火炎の使用を含むあらゆる当業者には公知の方法によって、基材の表面上に堆積させることができる。好ましい実施形態では、皮膜層は、基材表面上にプラズマ溶射される。

基材は、アブレイダブル皮膜の下で基材表面上に配置されたボンディングコートを含むことができる。１つの実施形態では、ボンディングコートには、アルミニウム、チタン、銅、亜鉛、ニッケル、クロム、鉄、コバルト、シリコン、タングステン、タンタル、モリブデン、イットリウム、又はそれらの組合せが含まれる。ボンディングコートでの使用に好適な金属合金の実施例には、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ、ＡｌＳｉ、ＮｉＣｒＡｌ、ＮｉＣｒＡｌＹ、ＮｉＣｒＦｅＡｌ、ＮｉＡｌ、ＮｉＣｒ、ＦｅＣｒＡｌＹ、又はそれらの組合せが含まれる。ボンディングコートは、プラズマ溶射法、燃焼法、又は高速酸素燃料火炎の使用を含む様々な方法によって、基材表面に施工することができる。

基材表面上に皮膜を堆積させた後に、皮膜は、局所熱源を使用して加熱される。皮膜は、該皮膜内に存在する散逸性材料の全て又は少なくとも一部分を分解させる、変質させる又は揮発させるほど十分高い温度に加熱される。その結果、皮膜内に、多孔質微細構造が形成される。本発明で使用することができる好適な局所熱源には、プラズマトーチ、高速酸素燃料火炎（ＨＶＯＦ）、高速空気燃料火炎（ＨＶＡＦ）、又はその他の好適な燃焼トーチが含まれる。上記したような皮膜を基材上に堆積させるのに使用する局所熱源はまた、皮膜内に多孔質微細構造を形成するのに使用することができる。

１つの実施形態では、皮膜は、少なくとも４５０℃の温度に加熱される。１つの実施形態では、皮膜は、約４５０℃〜約１０００℃の温度に加熱される。１つの実施形態では、皮膜は、約４５０℃〜約９００℃の温度に加熱される。さらに別の実施形態では、皮膜は、約４５０℃〜約８００℃の温度に加熱される。

第１の皮膜層内に多孔質微細構造が形成された後に、本明細書に上記した皮膜堆積法を使用して、第１の皮膜層上に１つ又はそれ以上の付加的皮膜層を堆積させることができる。各付加的皮膜層を堆積させた後に、付加的皮膜層は、該皮膜層内に存在する散逸性材料の全て又は少なくとも一部分を分解させる、変質させる又は揮発させるほど十分高い温度に加熱される。

局所熱源によって行なった強力加熱によると、皮膜内の散逸性材料の分解、変質又は揮発の速度は、少なくとも１０平方ミリメートル／秒である。１つの実施形態では、散逸性材料は、約１００平方ミリメートル／秒の速度で分解される、変質される又は揮発される。別の実施形態では、散逸性材料は、約２００平方ミリメートル／秒の速度で分解される、変質される又は揮発される。別の実施形態では、散逸性材料は、約３００平方ミリメートル／秒の速度で分解される、変質される又は揮発される。

局所熱源は、皮膜の特定領域のみを標的とすることができ、また必要に応じて皮膜の選択領域のみを該局所熱源で加熱して散逸性材料を分解させる又は揮発させることができる。さらに、局所熱源によって皮膜を加熱する方法を制御することにより、基材に隣接する構成要素に対する過熱及び損傷が回避される。

それに限定されないが例示であることを意図している以下の実施例は、本明細書に記載した様々な実施形態の幾つかの組成及び形成方法を示している。
（実施例）
実施例１
ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ、窒化ホウ素及びポリエステルを含む皮膜が、ＤＣプラズマトーチを使用してステンレス鋼３０４プレート（基材）上に生成される。２７重量％のコバルト、２６重量％のニッケル、１７重量％のクロム、７重量％のアルミニウム、０．５重量％のイットリウム、８．５重量％の窒化ホウ素及び１４重量％のポリエステル粉末を含む原料粉末材料が、Ｓｕｌｚｅｒ Ｍｅｔｃｏ Ｌｔｄから入手可能な７ＭＢ ＤＣプラズマトーチ内に約５ポンド／時の供給速度で噴射される。トーチは、４００アンペア（Ａ）の電流及び２１キロワット（ｋＷ）の出力で作動される。プラズマ形成ガス流量は、それぞれアルゴン及び水素の場合に１００標準立方フィート／時及び５標準立方フィート／時（ＳＣＦＨ）である。プラズマトーチは、トーチノズルと基材との間に約５インチの一定の溶射距離を維持しながら、ステンレス鋼基材にわたって６００ミリメートル（ｍｍ）／秒でラスタ移動される。基材にわたって８５回トーチをラスタ移動させることによって、およそ１．１ｍｍの厚さを有する皮膜が得られた。

堆積皮膜はその後、局所熱源として７ＭＢ ＤＣプラズマトーチを使用して加熱され、その場合、プラズマトーチは、トーチノズルと皮膜表面との間に約２インチの一定の（溶射）距離を維持しながら、基材にわたって２００ミリメートル／秒で１回ラスタ移動される。プラズマトーチは、４０ｋＷの出力による６８０Ａの電流で作動される。プラズマ形成ガス流量は、アルゴンの場合に１００ＳＣＦＨであり、また水素の場合に１５ＳＣＦＨである。

得られた皮膜の構造は、図１に示している。皮膜は、反応ポリエステル、部分反応ポリエステル、非反応ポリエステル及び空隙の領域を備えた状態でＣｏＮｉＣｒＡｌＹ及び窒化ホウ素を含む。ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ及び窒化ホウ素は、皮膜の厚さ全体にわたって分布している。非反応ポリエステル領域１２は、基材表面近くに位置しかつ該基材表面から延びて、皮膜厚さのおよそ２７％の深さを有する。皮膜はまた、反応領域１４を含み、反応領域１４は、空隙と反応及び部分反応ポリエステルとを含む。反応領域１４は、非反応領域１２の端部から皮膜外側表面まで延びかつ皮膜厚さのおよそ７３％の深さを有する。

実施例２
２７重量％のコバルト、２６重量％のニッケル、１７重量％のクロム、７重量％のアルミニウム、０．５重量％のイットリウム、８．５重量％の窒化ホウ素及び１４重量％のポリエステル粉末を含む原料粉末材料が、Ｓｕｌｚｅｒ Ｍｅｔｃｏ Ｌｔｄから入手可能な７ＭＢ ＤＣプラズマトーチ内に約５ポンド／時の供給速度で噴射される。トーチは、４００Ａの電流及び２１．６ｋＷの出力で作動される。プラズマ形成ガス流量は、それぞれアルゴン及び水素の場合に１２５ＳＣＦＨ及び５ＳＣＦＨである。プラズマトーチは、トーチノズルと基材との間に約４インチの一定の溶射距離を維持しながら、ステンレス鋼３０４プレート（基材）にわたって６００ｍｍ／秒でラスタ移動される。基材にわたって２１回トーチをラスタ移動させることによって、およそ０．３６ｍｍの厚さを有する第１の皮膜層が得られた。

第１の堆積皮膜層はその後、局所熱源として７ＭＢ ＤＣプラズマトーチを使用して加熱され、その場合、プラズマトーチは、トーチノズルと皮膜表面との間に約２インチの一定の（溶射）距離を維持しながら、基材にわたって２００ｍｍ／秒で２回ラスタ移動される。プラズマトーチは、４０ｋＷの出力による６８０Ａの電流で作動される。プラズマ形成ガス流量は、アルゴンの場合に１００ＳＣＦＨであり、また水素の場合に１５ＳＣＦＨである。

第１の皮膜層を堆積させかつ加熱する上記のステップが、２回又はそれ以上繰り返され、第１の皮膜層の上に付加的皮膜層を堆積させて、ステンレス鋼基材上に３層皮膜を形成する。付加的皮膜層を堆積させた後において、皮膜は、約１．１ｍｍの厚さを有する。

得られた皮膜の構造は、図２に示している。皮膜は、反応ポリエステル、部分反応ポリエステル、非反応ポリエステル及び空隙の領域を備えた状態でＣｏＮｉＣｒＡｌＹ及び窒化ホウ素を含む。ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ及び窒化ホウ素は、皮膜の厚さ全体にわたって分布している。非反応ポリエステル領域１２は、基材表面近くに位置しかつ該基材表面から延びて、皮膜厚さのおよそ１５％の深さを有する。皮膜はまた、反応領域１４を含み、反応領域１４は、空隙と反応及び部分反応ポリエステルとを含む。反応領域１４は、非反応領域１２の端部から皮膜外側表面まで延びかつ皮膜厚さのおよそ８５％の深さを有する。

本明細書に開示した全ての範囲は、端点を含み、それら端点は、互いに組合せ可能である。本明細書で用いる「第１の」、「第２の」及び同様のものの用語は、如何なる順序、数量及び重要度も意味するものではなく、むしろ１つの要素を他の要素から区別するために使用している。数量に関して使用する「約」及び「およそ」という修飾語は、記述した数値を含みかつ文脈で示す意味（例えば、特定の数量の測定値に関連する誤差の程度を含む）を有する。本発明を説明する文脈における（特に特許請求の範囲に関連する）数詞のない表現の使用は、本明細書でそうではないことを示しているか又は明確に文脈と矛盾しない限り、単数及び複数の両方をカバーするように解釈すべきである。

幾つかの実施形態に関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明は、そのような開示した実施形態に限定されるものではない。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきでなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１２ 非反応領域
１４ 反応領域

Claims (10)

1. 皮膜を形成する方法であって、
   セラミック又は金属、滑剤及び散逸性材料を含む第１の皮膜層を基材の表面上に堆積させるステップと、
   局所熱源で前記第１の皮膜層を加熱することによって前記散逸性材料の少なくとも一部分を分解させる、変質させる又は揮発させるステップと
   を含む方法。
2. 前記散逸性材料の少なくとも一部分を分解させる、変質させる又は揮発させるステップが、前記皮膜内に多孔質微細構造を形成する、請求項１記載の方法。
3. 前記散逸性材料が、ポリマーを含む、請求項１記載の方法。
4. 前記局所熱源で前記第１の皮膜層を加熱することが、プラズマトーチ、高速酸素燃料火炎又は高速空気燃料火炎で該第１の皮膜層を加熱することを含む、請求項１記載の方法。
5. 前記皮膜が、少なくとも４５０℃の温度に加熱される、請求項１記載の方法。
6. 前記皮膜が、金属を含み、
   前記金属が、アルミニウム、チタン、銅、亜鉛、ニッケル、クロム、鉄、コバルト、シリコン、タングステン、タンタル、モリブデン、イットリウム、又はそれらの組合せを含む、請求項１記載の方法。
7. 前記皮膜が、金属合金を含み、
   前記金属合金が、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ、ＡｌＳｉ、ＮｉＣｒＡｌ、ＮｉＣｒＡｌＹ、ＮｉＣｒＦｅＡｌ、ＮｉＡｌ、ＮｉＣｒ、ＦｅＣｒＡｌＹ、又はそれらの組合せを含む、請求項１記載の方法。
8. 前記皮膜が、セラミックを含み、
   前記セラミックが、ジルコニア、アルミナ、セリア、イットリア、マグネシア、カルシア、ジスプロシア、チタニア、又はそれらの組合せを含む、請求項１記載の方法。
9. 前記ポリマーの少なくとも一部分が、少なくとも１０平方ミリメートル／秒の速度で分解される、変質される又は揮発される、請求項３記載の方法。
10. セラミック又は金属、滑剤及び散逸性材料を含む第２の皮膜層を前記第１の皮膜層の表面上に堆積させるステップと、
    局所熱源で前記第２の皮膜層を加熱することによって前記散逸性材料の少なくとも一部分を分解させる、変質させる又は揮発させるステップと
    をさらに含む、請求項１記載の方法。