JP2010265887A - ターボ機械の部品の保護コーティングの製造方法、その部品及び機械 - Google Patents

Abstract

【課題】保護コーティングを用いて、軽合金製の機械部品を簡単かつ安価にコーティングし、機械的および化学的耐性能力を有する部品を得る方法を提供する。
【解決手段】ターボ機械の軽合金機械部品１２の被処理面１６の保護コーティング１０は、腐食耐性がある第１コーティング層１４を被処理面１６に塗布するステップと、侵食、摩耗及び高温に耐性がある第２コーティング層１８を第１コーティング層１４に塗布するステップとを含む。第１コーティング層１４は、前記被処理面１６に高腐食耐性を与えるように前記被処理面１６を陽極酸化させるステップと、前記陽極酸化において形成され得る任意の孔又は微小クラック２０を閉じるように、前記陽極酸化で処理される前記機械部品１２を重クロム酸塩水溶液に浸すステップとのうちの少なくとも１つの手段によって得ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボ機械の部品の保護コーティングの製造方法に関する。本発明は更に、このようなコーティングが塗布される部品及び各ターボ機械に関する。

遠心圧縮機のスチール製の新しい三次元遠心ローターを開発する際、ローター自体を製造するためにより軽量の合金を用いる必要性が生じる。

遠心ローターを製造するためにより軽量の合金を使用することについての主な欠点は、通常、特に液体又は固体の粒子を含むと、流体が高速で動いて発揮できる侵食作用に対して、より軽量の合金が影響を受け易いことにある。従来の材料を用いて製造されたローターの場合は通常ごく僅かである侵食現象が、このような材料の限られた硬度及び侵食に対する耐性により、軽合金製のローターには著しくて壊滅的である可能性がある。この現象は、流体によって運ばれる濃縮もしくは液体部分又は固体の粒子の存在により、更に悪化する。強い侵食性環境でのそれらの使用はまた、腐食現象の発生を導き得る。

簡潔に言うと、用語「侵食」は、その影響が、外部の流体物質、ガス又は液体による物質の漸次除去である現象をいい、通常、化学又は物理過程によって生じた変化と同時に、又はそれに引き続いて起こる。また、用語「摩耗」は、その影響が、固体の外部物質による物質の漸次除去である現象を示すのに用いる。「腐食」はそうではなく、分解及び金属がさらされた他の成分との再合成の過程である。実際、金属は、対応する鉱物のエネルギー準位に対してより高いエネルギー準位にあるので、金属は所定の環境条件下で腐食を受ける。腐食過程は、それを決定する様々な化学的／物理的機構によって分類される。例えば、乾燥環境においては化学的腐食、又は湿潤環境においては純化学的腐食、結晶間もしくは粒子間腐食、ガルバニックもしくは電気化学的腐食、又は他の種類の腐食が起こり得る。

他の問題は、遠心ローターのコーティングもまた、「機械加工可能」でないとならないという事実にあり、用語「機械加工性」は特定装置（電気化学槽又は他の方法）を用いて得られるそれらの能力を示す。事実、このようなコーティングは、数マイクロメートル程度と非常に薄く、簡単に損傷を受ける。

他の欠点は、コーティング層の配置を正確に制御して最終製品の設計トレランスを維持しながら、同時に跡等の不要な傷、コーティングの剥離及びコーティング自体によって与えられたバリア値の損失を避けなければならないことにある。

従って、現在、技術開発に関わらず、侵食及び腐食に対する耐性と同様にその機械的耐性を改善する特別なコーティングによってもまた、より軽量で耐性のあるターボ機械の部品を得ることは困難であり、必要が生じている。

米国特許第１，７７１，９１０Ａ号

本発明の第１の目的は、保護コーティングを用いて、軽合金製の機械部品を簡単且つ安価にコーティングし、同時にターボ機械への利用に適した機械的及び化学的耐性能力を有する部品を得る方法を提供することである。

本発明の別の目的は、ターボ機械工業における利用に適する、改善した機械的及び化学的耐性能力を有する軽合金部品及び各ターボ機械を提供することである。

本発明に従ったこれらの目的は、独立請求項に概説される、保護コーティングの製造方法、部品及びターボ機械により達成される。

第１の態様によると、本発明の目的は、
腐食耐性がある第１コーティング層を機械部品の被処理外面に塗布するステップと、
侵食、摩耗及び高温に耐性がある第２コーティング層を第１コーティング層に塗布するステップと
を含む、ターボ機械の、軽合金製の機械部品の被処理面に、保護コーティングを得る方法によって表される。

本発明及び添付の特許請求の範囲内で、用語「保護コーティング」は、更なる中間層に含まれるか又は重複する可能性のあるコーティング層を示すのに用いられる。最後に、コーティングは、重複し、且つ少なくとも一部が互いに貫通する可能性のある複数の他の層によって表される。

機械部品は、例えば遠心圧縮機のローターや拡張機のローター等の、少なくとも一部にプロセス流体が詰まったターボ機械の部品である。

本発明の有利な実施形態において、第１コーティング層は、腐食に対する特別な耐性を与えるために、被処理面の陽極酸化によって得られる。陽極酸化すなわちアノード酸化は、不可逆な電気化学過程によって得られ、それによって同物質の保護酸化層が処理部品の表面上に形成され、腐食から保護する。物質は実際の表面変形を経て、地金は電着過程の間に陽極に形成された酸素と反応し、同金属の酸化物（この場合はアルミニウム、すなわちアルミナ）を形成する。析出した物質の層の厚さは可変である。特に、本発明によるコーティングについて、厚さは約５０μｍから約１００μｍまでの間で変化する。

好適には、陽極酸化は、電解槽においてガルバニック過程、すなわち電解析出を利用して同物質の酸化物で部品を被膜することにより得られる。

本発明の特に有利な実施形態において、酸化層に塗布されるのは、酸化の間に形成され得る孔又は微小クラックを閉じるように、重クロム酸水溶液を通じて得られた充填剤又はコーティングである。

侵食及び摩耗に対する第２コーティング層の耐性は、（オーブンにおける）自己触媒作用及びそれに続く重合の過程で得られるエポキシ及びシリコンをベースとして、例えば着色料、色素、リガンド、溶媒又は他の成分等の考え得る更なる添加物を添加した塗料又は樹脂から有利且つ好適に得られ、これは一般に、エポキシ−シリコン塗料又は樹脂と呼ばれる。このようなエポキシ−シリコン塗料又は樹脂は、「エポキシ−シリコン塗料」という名称でも呼ばれる。

通常、エポキシベースは、例えばビスフェノールの濃縮で得られる熱硬化性樹脂であり、塗料、粘着剤、積層品、接着剤を製造するのに用いられ、またファイバーグラス及び炭素との複合材のマトリックスとして用いられる。工業用塗料部門において、エポキシ樹脂は、樹脂と反応して特定の用途によって特異性を与える更なる成分と、適当な化学量論的比率で混合する。

シリコンベースは、ケイ素−酸素鎖及びケイ素元素に結合した官能有機基（Ｒ）に基づいて、シリコンポリマー（又はポリシロキサン）で構成される熱硬化性樹脂である。シロキサン鎖の長さ、その分岐、及び官能基により、様々な特徴を有する幾つかの樹脂が得られる。

特に、本発明によると、エポキシベースは、摩耗及び侵食に対して高い耐性を与えるのに適しており、上記のシリコンベース（及び考え得る更なる添加物）と混合して、例えば約３００℃以下の高温に対しても特に耐性を有する最終塗料を得る。

更なる態様によると、本発明は、上記の保護コーティング及びこれらの部品の少なくとも１つがその中に取り付けられるターボ機械を含む軽合金部品に関する。

軽合金、特にアルミニウム合金を使用して遠心ローターを製造する利点は、部品の質量を大幅に減らすこと（約６０％）が可能で、それによって軸の応力及び振動を減らすことにある。質量の減少による更なる利点は、圧縮機の段階数の増加及び／又は回転速度の増加である。更に、本発明による保護コーティングの使用によって得られる腐食に対する高い耐性は、現在よりも更に厳しい腐食環境において作動することを可能にする。

本発明による方法の利点は、例えば硫化水素ガス、二酸化炭素ガス又は他のガス等の特に厳しい腐食環境においてでさえ、軽合金部品、特にアルミニウム合金を、ターボ機械において効果的に使用するのに適切な保護コーティングで被膜できることである。

別の利点は、例えば遠心圧縮機のローター又は拡張機等の、特に複雑な被処理面を有する部品を容易に被膜できることである。

別の利点は、製造ラインの生産性の増加を確保しながら、製造の費用及び時間が非常に少ないことである。

別の利点は、電気化学析出が容易に制御され、均一性が高くて一定の厚さであることから、機械加工の品質が高いことである。

別の利点は、塗装等の可能な（半）手動の操作と組み合わせた自動工程を通して得ることができるので、この方法は極めて用途が広いということである。

更に別の利点は、このようにして得られたコーティングは腐食と侵食の両者に対して特に耐性があり、酸性液又は腐食物と使用する時でさえアルミニウム合金部品を用いることができるということである。また、本発明によるコーティングは、更に特徴を高めたコーティングを形成するような方法で、更に異なる層と組み合わせて最適に用いるのに適する。

更に、最終製品が元の流体力学的特性を維持して、設計工程の間に適当な表面膨張係数を提供することは容易である。

最後に、上述の発明は、軽合金を用いて上記の利点を有する遠心圧縮機又は拡張機のローターを製造することを可能にし、メンテナンスの必要性を減らすこと、ひいてはこのような部品の耐用年数、ひいては部品が取り付けられるターボ機械の耐用年数を増やすことができる。

本発明の更なる特徴及び実施形態については添付の従属請求項に概説し、限定されない幾つかの実施形態の例を以下に記載する。

本発明は、本発明の限定されない例を示す添付の概略図面を参照してより明確に理解され、その多くの目的及び利点が当業者に明らかになるであろう。

本発明による保護コーティングの実施形態の縮尺なしの概略切断面である。 図１のコーティングの詳細図である。 本発明の実施形態による保護コーティングを有する機械部品の部分断面図である。

図面は、全図において同一符号が同一部分に対応している。軽合金製、特にアルミニウム合金製の機械部品１２の本発明による保護コーティング１０（図１）は、機械部品１２の被処理面１６に塗布される腐食耐性の第１コーティング層１４と、第１コーティング層１４に塗布される侵食、摩耗及び高温に耐性のある第２コーティング層１８とを含む。

本発明の有利な実施形態において、第１コーティング層１４はガルバニック過程による電解槽での陽極酸化によって得られる。

この場合、部品１２をタンクに浸し、酸の存在する水溶液を含むいわゆるガルバニ槽を形成し、電流を発生させる電極がある槽中に浸す。このようにして、同物質の薄層で機械部品１２をゆっくり被膜する。槽が作動する電流密度に適切に調節し、析出速度を知って、酸化層の厚さを好ましくは約５０μｍから約１００μｍ以上まで制御することが可能である。図１及び２は同じ縮尺ではないため、層１４及び１８の厚さは指標目的のためだけに表される。

続いて、重クロム酸が陽極酸化の層に形成され得る孔又は微小クラック２０（図２）を塞ぐか、あるいは少なくとも一部閉じるようにして、部品１２を重クロム酸塩を含む水溶液に好ましくは浸して、抽出し、乾燥させる。さもなければ、このような孔又は微小クラック２０によって、プロセス流体の腐食物質が部品１２のアルミニウム合金に達して損傷させる。

これにより、特に腐食に耐性のある第１層１４を簡単で安価に形成する（アノード酸化、及び重クロム酸塩を用いて塞ぐことを含む）ことが可能になり、遠心ローター１２（図３）の被処理面等の、特に複雑な被処理面１６上でさえも簡単に得られる。

続いて、この第１層１４は、上述のように、侵食、摩耗及び高熱に耐性を有するエポキシ−シリコン系の塗料又は樹脂によって得られる第２コーティング層１８をその上に塗布することで覆われる。

このような塗料又は樹脂は、例えばキシレン及びトルエン等の有毒成分はなく、適切な乾燥及び重合工程に備えるため、被処理面に数回でも噴霧又は塗装される。

上述の種類の塗料又は樹脂は「Ｉｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｂｌｅ Ｐａｉｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｄ」（ＵＫ）の「コーティングＩＰ９１８８Ｒ１」と定義されるもの等である。

更に、次の操作のために部品１２の表面の準備をする幾つかの予備工程を設けることも可能である。

例えばサンドブラスティングで、その表面機械特性及びその機械抵抗を改善するように表面を処理して、張力状態を減らして物質の耐疲労性を改善するステップ、
気相において又は化学的脱脂操作のために浸水して、溶媒又は洗剤を用いて機械部品を脱脂するステップ、
被膜されない表面の領域、例えば遠心ローターのキーイングホール（ｋｅｙｉｎｇ ｈｏｌｅ）、を遮蔽するステップ、
合金の種類に適した組成物での亜鉛被膜工程等、槽における酸活性化を行うステップ
といった操作を設けることも可能である。

陽極酸化の後且つ第２層１８を塗布する前に、幾つかの下位工程を設けて次の処理のために表面の準備をすることもまた可能である。

例えば、陽極酸化の間に吸収した水素基質を除き、同時にその付着力を改善するために、予め処理した表面を脱水素する。このような処理の時間は、アルミニウム合金の機械抵抗特性によって決まる。例えば小さな引っかき傷又はコーティングの欠落等、コーティングが損傷した場合に、アルミニウム合金にクロム塩に基づくクロメート処理を施すことにより、回復する。

本発明の特に有利な実施形態において、機械部品１２を製造する軽合金は、このような部品を得るために好適に使用される任意のアルミニウム合金である。

以下の２つの表は、このような部品１２を得るのに用いられる２つのアルミニウム合金（国際ＡＳＴＭ Ｂ ２４７ Ｍ 基準による７１７５−Ｔ７４及び７０５０−Ｔ７４５２）の組成を例示のみを目的として示す。

図３は、本発明による上記のコーティング１０を塗布した、遠心圧縮機又は被膜した拡張機の遠心ローター１２の縮尺なしの部分断面図を示す。被処理面１６は、軸２４のキーイングホール２２を除き、ローター１２の外面と内面（すなわち内部チャネル）の両者を含むと認められたい。

従って、本発明によるターボ機械の部品の保護コーティングの製造方法は、上述の目的を達成すると認められる。

上述の記載は、本発明の限定されない考え得る実施形態を単に示しているものであり、本発明を基礎とする概念から逸脱することなく、形状及び配置は変化し得る。添付の特許請求の範囲の符号は、上述の記載及び添付の図面を踏まえて解釈するのを容易にするという目的だけのためであり、いかなる方法でもその保護範囲を限定するものではない。

Claims (10)

1. ターボ機械の軽合金機械部品（１２）の被処理面（１６）に保護コーティング（１０）を得る方法であって、
   腐食耐性がある第１コーティング層（１４）を前記機械部品（１２）の前記被処理面（１６）に塗布するステップと、
   侵食、摩耗及び高温に耐性がある第２コーティング層（１８）を前記第１コーティング層（１４）に塗布するステップとを含む方法。
2. 第１コーティング層（１４）は、
   前記被処理面（１６）に高腐食耐性を与えるように前記被処理面（１６）を陽極酸化させるステップと、
   前記陽極酸化において形成され得る任意の孔又は微小クラック（２０）を閉じるように、前記陽極酸化で処理される前記機械部品（１２）を重クロム酸塩水溶液に浸すステップとのうちの少なくとも１つの手段によって得られる、請求項１に記載の方法。
3. 前記陽極酸化を電解槽において行う、請求項２に記載の方法。
4. 前記陽極酸化をガルバニック過程によって行う、請求項２に記載の方法。
5. 侵食、摩耗及び高温に耐性がある樹脂又は塗料を前記第１コーティング層（１４）に塗布することにより前記第２コーティング層（１８）を得る、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 少なくとも１つのエポキシベース及び１つのシリコンベースを考え得る更なる添加物と混合して得られるエポキシ−シリコン系の樹脂又は塗料を用いて、前記第２コーティング層（１８）を得る、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記陽極酸化の後且つ前記第２コーティング層（１８）を塗布する前に、
   予め処理した前記表面（１６）を脱水素して、前記陽極酸化の間に吸収した水素を基質から除き、同時にその付着力を改善するステップと、
   アルミニウム合金にクロム塩に基づくクロメート処理を施して、予め処理した前記表面（１６）を回復するステップとの少なくとも１つを更に含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記表面（１６）の機械表面特性及び機械抵抗を改善するように、前記表面（１６）を処理するステップ、
   気相において又は化学的脱脂操作のために浸して、溶媒又は洗剤で前記機械部品（１２）を脱脂するステップ、
   被膜されない前記表面（１６）の領域を遮蔽するステップ、
   前記機械部品（１２）を製造するのに用いられる種類の合金に適した組成物を有して酸活性化を行う工程といった予備工程のうちの少なくとも１つを更に含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記部品はアルミニウム合金によって製造され、請求項１乃至８のいずれか1項の方法により得られる保護コーティング（１０）を含む、ターボ機械の機械部品（１２）。
10. 請求項９の少なくとも１つの前記機械部品（１２）を含むターボ機械。