JP2011153355A

JP2011153355A - 機能性シート及びそれを用いた金属製品の表面強化方法

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Publication number: JP2011153355A
Application number: JP2010016014A
Authority: JP
Inventors: Natsuki Yoneyama; 夏樹米山; Junichi Yoshihisa; 順一義久
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2011-08-11

Abstract

【課題】緻密化・高速化・多層化できる機能性シートを及びこの機能性シートを用いた金属製品の表面強化方法を提供する。
【解決手段】ロウ材粉末と機能粉末を用い、これを粉末クラッド圧延でシート化したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ジェットエンジンやガスタービンなどの金属製品を補強するための機能性シート及びこの機能性シートを用いた金属製品の表面強化方法に関するものである。

ジェットエンジンやガスタービンのブレードの表面に耐酸化性や耐腐食性を付与したり、エンジン等のしゅう動部品の摩耗した表面を補修する際には、これら特定の機能をもつように機能性材料の溶射や機能性材料シートを用いて金属表面に特定の機能を付与するようにしている。すなわち例えば、機能性材料を真空中で溶射したり、機能性材料をバインダーを用いてテープ状に成形したものを金属表面に貼りつけると共に加熱焼成したり、又は機能性材料をバインダーに溶かし金属表面に塗布し、脱バインダーの後、加圧処理（ＣＩＰ）や加熱処理もしくは加圧加熱処理（ＨＩＰ）により金属表面に機能層を形成することがなされている。

特開２００８−１８８７号公報特開平１１−６１３８０号公報特開２００６−１８８７６０号公報

しかしながら、テープ成形ではバインダーを揮発させるので緻密化が難しいという問題がある。

バッチ式の溶射、熱処理、ＨＩＰ、ＣＩＰ等のプレスでは、生産性が落ちるという問題がある。

また、テープ成形、ＨＩＰ、ＣＩＰによるプレスでは機能層を多層化するのは困難が伴う。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、緻密化・高速化・多層化できる機能性シートを及びこの機能性シートを用いた金属製品の表面強化方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、ロウ材粉末と機能粉末を用い、これを粉末クラッド圧延によりシート化した機能性シートである。

前記機能粉末と前記ロウ材粉末の混合粉末と、前記ロウ材粉末とを一対の圧延ロールで成形してもよい。

前記機能粉末と前記ロウ材粉末の混合比を変化させて表面に機能層、裏面にロウ材層とする機能傾斜型シートとしてもよい。

また本発明は、前記機能性シートを、ロウ材粉末層が金属製品の表面に接するようにすると共に、圧着した状態でロウ付け熱処理を行って、金属製品の表面に機能層を形成する金属製品の表面強化方法である。

金属製品の表面の補修すべき箇所を加工して表面を形成し、その補修表面に前記機能性シートをのせて圧着し、これをロウ付け熱処理してコーティングし、そのコーティングした表面を補修箇所以外の金属表面と同じになるように加工するとよい。

金属製品の表面に前記機能性シートをのせた状態で加工して形状を形成し、前記機能性シートをロウ付け熱処理してもよい。

本発明によれば、機能粉末とロウ材粉末とを粉末クラッド圧延により機能性シートを形成し、これを金属表面にのせて焼結して機能層を形成することができ、しかもその機能層を緻密化・高速化・多層化できる。

本発明の一実施の形態に係る機能性シートの概略断面図である。図１の機能性シートの製造方法を説明する図である。図２で粉末クラッド圧延により機能性シートを製造する際の荷重を説明するための図である。図１に示した機能性シートを用いた金属製品の表面強化方法を説明する概略断面図である。本発明において、機能傾斜型シートとした機能性シートを用いた金属製品の表面強化方法を説明する概略断面図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の機能性シートを用いて、湾曲した金属の新製品の表面を強化する場合の手順を示す図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の機能性シートを用いて、金属製品の表面に摩耗などが生じた際にその金属表面を補修する場合の手順を示す図である。（ａ）は本発明の実施例で形成した機能性機能性シートの全体図であり、（ｂ）はその表面を顕微鏡で観察した図であり、（ｃ）はその断面を顕微鏡で観察した図である。（ａ）は図８（ｂ）をさらに拡大した図であり、（ｂ）はその図において、Ｎｉを抽出した図であり、（ｃ）はＣｏを抽出した図、（ｄ）はＳｉ又はＷを抽出した図、（ｅ）はＣｒを抽出した図である。図８に示した機能性シートをＳＵＳ板上にロウ付けし形成した機能層の全体図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本実施の形態に係る機能性シートの概略断面図である。

図１に示すように、機能性シート１は、金属製品の表面に耐摩耗性、耐酸化性、耐腐食性のいずれかの機能を付与するための機能粉末層２と、金属製品の表面にロウ付け接合するためのロウ材粉末層３とからなり粉末クラッド圧延により形成される。

機能粉末層２は耐摩耗性、耐酸化性、耐腐食性のいずれか特定の機能を付与するための機能粉末とロウ材粉末との混合粉末を成形して形成され、ロウ材粉末層３はロウ材粉末を成形して形成される。機能粉末は耐摩耗材、耐酸化材、耐腐食材のいずれかからなり、耐摩耗材としては、ＴｒｉｂａｌｏｙＴ８００（登録商標、Ｃｏ−３２Ｎｉ−２１Ｃｒ−８Ａｌ−０．５Ｙ；ｗｔ％）、ＷＣ（タングステンカーバイド）やＳｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）が挙げられ、ロウ材粉末としては、ＢＮｉ（Ｎｉ−１９Ｃｒ−１０Ｓｉ；ｗｔ％）などのニッケルロウ材が挙げられる。機能粉末層２とロウ材粉末層３を合わせた機能性シート１の厚さは１０μｍ以上２００μｍ以下であり、好ましくは、１０μｍ以上１００μｍ以下である。

機能性シート１は、図２に示す製造装置（粉末圧延機）２１を用いて、機能粉末４とロウ材粉末５の混合粉末と、ロウ材粉末５とを粉末クラッド圧延して形成される。

図２に示すように、製造装置（粉末圧延機）２１は、所定間隔で設けられた一対の圧延ロール６Ａ、６Ｂと、圧延ロール６Ａ、６Ｂの上方にそれぞれ設けられ圧延ロール６Ａ、６Ｂの表面に各々粉末を供給するノズル７Ａ、７Ｂと、圧延ロール６Ａと６Ｂとの間の下方に設けられた加熱炉８を備えている。

製造装置（粉末圧延機）２１では、機能粉末４とロウ材粉末５とを混合した混合粉末を、ノズル７Ａから図示左側の圧延ロール６Ａの円周の軸方向に均一に供給すると共に、ロウ材粉末５を、ノズル７Ｂから図示右側の圧延ロール６Ｂの円周の軸方向に均一に供給し、圧延ロール６Ａを右に、圧延ロール６Ｂを左に回転させ、圧延ロール６Ａ、６Ｂ間で圧延する。この圧延により機能粉末４とロウ材粉末５は各々密に押しつぶされて互いに結合した状態となって、機能粉末層２とロウ材粉末層３とからなる機能性シート１が形成される。

この粉末クラッド圧延する際に、機能性シート１の結合が弱い場合、圧延ロール６Ａと６Ｂとの間の下方に設けられた加熱炉８で機能粉末層２とロウ材粉末層３を部分的に加熱焼結させるようにしてもよい。

ここで、機能性シート１を圧延する際の荷重（機能粉末層２及びロウ材粉末層３を形成するための応力）について説明する。

図３に示すように、圧延ロール６Ａに供給される混合粉末の厚さをｔ１、圧延ロール６Ｂに供給されるロウ材粉末５の厚さをｔ２、成形される機能性シート１の厚さをｔ０とすると、圧延ロール６Ａ、６Ｂ間での圧延による圧下量ｄ（厚さの低下量）は下式（１）で表される。
ｄ＝（ｔ１＋ｔ２−ｔ０）／２ …（１）

また、図３より、圧延ロール６Ａ、６Ｂの半径をＲとすると、下式（２）の関係が得られる。
（Ｒ−ｄ）／Ｒ＝ｃｏｓ（θ） …（２）

他方、圧延ロール６Ａ、６Ｂ間で混合粉末とロウ材粉末５が圧延ロール６Ａ、６Ｂに接触する（圧延ロール６Ａ、６Ｂ間で圧縮される）長さである接触弧長Ｌは下式（３）で表される。
Ｌ＝Ｒθ …（３）

圧延ロール６Ａに供給される混合粉末の厚さｔ１、圧延ロール６Ｂに供給されるロウ材粉末５の厚さｔ２、形成される機能性シート１の厚さｔ０は供給量で決定されるので、これらｔ０〜ｔ２を基に（１）式により得られた圧下量ｄを（２）式に代入するとθが得られ、このθを（３）式に代入すると、接触弧長Ｌが得られる。得られた接触弧長Ｌを基に圧延する際の、荷重（機能粉末層２、ロウ材粉末層３を形成するための応力）を設定するとよい。

例えば、厚さｔ０＝５０μｍの機能性シート１を形成する場合、接触弧長Ｌは、粉体層（機能粉末層２及びロウ材粉末層３）の圧下量ｄから約５ｍｍと考えられる。粉末クラッド圧延の荷重はシート幅１ｃｍあたり８ｔ／ｃｍであり、２ｔ／ｃｍ以下では成形できないので、機能性シート１の形成には１６ｔｆ／ｃｍ²（１６０ｋｇｆ／ｍｍ²、約１．５７ＧＰａ）程度の応力が必要である。

次に、図１の機能性シート１を用いた金属製品の表面強化方法について説明する。

本実施の形態に係る金属製品の表面強化方法では、図４に示すように、機能性シート１を、そのロウ材粉末層３が金属製品１０の表面に接するようにすると共に、圧着した状態でロウ付け熱処理を行って、金属製品１０の表面に機能性シート１からなる機能層を形成する。

ロウ付けする際には、機能性シート１のロウ材粉末層３を金属製品１０の表面に圧着させた状態で、金属製品１０と機能性シート１をロウ材粉末の融点を超えた温度まで加熱する。すると、ロウ材粉末層３が溶融して、機能性シート１が金属製品１０の表面にロウ付けされ、金属製品１０の表面に機能性シート１からなる機能層が形成される。

本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る機能性シート１では、機能粉末４とロウ材粉末５を用い、これを粉末クラッド圧延によりシート化している。

機能性シート１では、従来のテープ成形のようにバインダーを用いないためＣ（有機物）による汚染・化合物形成がなく、緻密な機能性シート１を実現できる。

また、粉末クラッド圧延により機能性シート１を形成することで、厚さを２００μｍ以下（あるいは１００μｍ以下）と薄くできるので、金属製品に合わせて湾曲させたり、重ねる（多層化する）などの施工も可能となる。

さらに、本実施の形態では、粉末クラッド圧延により機能性シート１を形成しているため、従来のＨＩＰ、ＣＩＰ等によるプレスと比較して高速に機能性シート１を形成でき、生産性を向上できる。

また、本実施の形態に係る金属製品１０の表面強化方法によれば、機能性シート１を金属表面にのせて機能層を形成することができる。

次に、本発明の他の実施の形態を説明する。

図５に示す機能性シート５１は、図１の機能性シート１に、さらに予備熱処理を行って機能粉末４とロウ材粉末５の混合比を変化させてその表面に機能粉末層２、裏面にロウ材粉末層３とし機能傾斜型シートとしたものである。機能性シート５１を形成する際の予備熱処理は、図２における加熱炉８を用い、単に粉末同士を部分焼結させる場合よりもこの加熱炉８の温度を高く設定して行うとよい。

この機能性シート５１を用いて金属製品１０の表面強化を行う際には、機能性シート１と同様に、機能性シート５１を金属製品１０の表面に接するようにして圧着させ、その状態でロウ材粉末の融点を超えた温度まで加熱し、裏面のロウ材粉末層３を溶融させ、機能性シート５１を金属製品１０の表面にロウ付けし、金属製品１０の表面に機能層を形成する。

上述のように機能性シート１、５１は、所定の形状の金属製品１０の表面に圧着してロウ付けして機能層を形成するものであり、例えば、ジェットエンジンの新製品において、湾曲したブレード等の金属製品１０の表面に機能層を形成して金属製品１０の表面を強化するために用いることができる。

湾曲した金属製品１０の表面強化を行う場合、図６（ａ）に示すように、まず、湾曲してない金属製品１０を用意し、図６（ｂ）に示すように、金属製品１０の表面に機能性シート１、５１を接するように圧着する。その後、図６（ｃ）に示すように、金属製品１０と機能性シート１、５１を圧着した状態でプレスして、湾曲させる。金属製品１０と機能性シート１、５１を湾曲させた後、図６（ｄ）に示すように焼結（ロウ付け）を行い、機能性シート１、５１と金属製品１０とをロウ付けし、機能層１１を形成するとよい。

また、機能性シート１、５１は金属製品の補修に用いることができる。例えば、ジェットエンジンに使用される金属製品は高価であるため、その表面に摩耗などが生じた際に、その金属製品を交換せずに補修することが望ましい。

金属製品の補修を行う場合、ジェットエンジンの金属製品と同じ材料を機能粉末として用い、この機能粉末とロウ材粉末を用いて、粉末クラッド圧延により機能性シート１、５１を形成し、それ用いて金属製品の表面を補修するとよい。

一例として、図７（ａ）に示す金属製品７０の補修すべき箇所７０ａを補修する場合を説明する。

図７（ａ）に示すように、金属製品７０の表面に凸凹した補修すべき箇所７０ａがある場合、まず、図７（ｂ）に示すように、金属製品７０の表面の補修すべき箇所７０ａを機械加工・切削して凹部７０ｂを形成する。その後、凹部７０ｂを形成した後、図７（ｃ）に示すように、その機械加工・切削した凹部７０ｂに金属製品７０と同じ材料の機能粉末を用いた機能性シート１、５１をのせ圧着する。この状態でロウ付け熱処理して金属製品７０の凹部７０ｂをコーティングして機能層を形成する。その後、図７（ｄ）に示すように、コーティングした機能層１１の表面を金属製品７０の表面７０ｃと同じ高さになるように加工（たとえば研磨など）すると、補修された金属製品７０が得られる。

本発明の実施例を説明する。

機能粉末としては、耐摩耗材のＳｔｅｌｌｉｔｅ２１を用いた。Ｓｔｅｌｌｉｔｅ２１はコバルト（Ｃｏ）を主成分とし、クロム（Ｃｒ）２７ｗｔ％、炭素（Ｃ）０．２５ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）６ｗｔ％、ニッケル（Ｎｉ）２ｗｔ％を含有する。ロウ材粉末としては、ＪＩＳ規格のＢＮｉ−５（Ｎｉ−１９Ｃｒ−１０Ｓｉ；ｗｔ％）を用いた。

Ｓｔｅｌｌｉｔｅ２１とＢＮｉ−５を１：１でロッキングミキサーで混ぜて混合粉末を作製した。図２で説明したように、製造装置（粉末圧延機）２１を用いて、この混合粉末を圧延ロール６Ａに供給し、ＢＮｉ−５をもう片方の圧延ロール６Ｂに供給して、粉末クラッド圧延により厚さ５０μｍの機能性シート１を形成した。

この機能性シート１を成形する際、粉末クラッド圧延の荷重がシート幅１ｃｍあたり８ｔ／ｃｍであり、２ｔ／ｃｍ以下では成形できない。接触弧長は粉体層（機能粉末層２及びロウ材粉末層３）の圧下量から約５ｍｍと考えられる。よって粉体層の成形には１６ｔｆ／ｃｍ²（１６０Ｋｇｆ／ｍｍ²、約１．５７ＧＰａ）程度の応力が必要である。

図８（ａ）はこの形成した機能性シートの全体図であり、図８（ｂ）はこの機能性シートの表面を顕微鏡で観察した図であり、図８（ｃ）はこの機能性シートの断面を顕微鏡で観察した図である。

図８（ａ）に示すように、粉末クラッド圧延により機能性シートを形成することができた。図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示すように、機能性シートの表面及び断面では機能粉末及びロウ材粉末の粒子が密着していることが確認できた。

また、図９は形成した機能性シートの表面に存在する粒子を観察したもので（ａ）はその全体図であり、（ｂ）はＮｉを抽出した図であり、（ｃ）はＣｏを抽出した図、（ｄ）はＳｉ又はＷを抽出した図であり（ｅ）はＣｒを抽出した図である。（ｂ）〜（ｅ）では、明るい部分に各元素が存在していることを示している。

図９に示すように、機能性シートの表面には、Ｎｉ基のロウ材とＣｏ基の耐摩耗材が絡みあって成形されており、耐摩耗材に含有されるＣｏ等が存在していることが確認できた。すなわち、機能性シートの表面には機能粉末であるｓｔｅｌｌｉｔｅ２１が存在していることが分かる。

形成した機能性シートをＳＵＳ３１６（厚さｔ＝０．４ｍｍ）のＳＵＳ板上にのせ、上から耐火物で重石で乗せた状態で真空熱処理炉に入れ、ロウ付け熱処理（１１８０℃、２０分）を行ったところ、図１０に示すように、ＳＵＳ板上に厚さ３０μｍの機能層（耐摩耗層）が得られた。

１機能性シート
２機能粉末層
３ロウ材粉末層
４機能粉末
５ロウ材粉末
６Ａ、６Ｂ圧延ロール
１０金属製品
１１機能層

Claims

ロウ材粉末と機能粉末を用い、これを粉末クラッド圧延によりシート化したことを特徴とする機能性シート。
前記機能粉末と前記ロウ材粉末の混合粉末と、前記ロウ材粉末とを一対の圧延ロールで成形した請求項１記載の機能性シート。
前記機能粉末と前記ロウ材粉末の混合比を変化させて表面に機能粉末層、裏面にロウ材粉末層とする機能傾斜型シートとした請求項１又は２記載の機能性シート。
請求項１〜３いずれかに記載の機能性シートを、そのロウ材粉末層が金属製品の表面に接するようにすると共に、圧着した状態でロウ付け熱処理を行って、金属製品の表面に機能層を形成することを特徴とする金属製品の表面強化方法。
金属製品の表面の補修すべき箇所を加工して表面を形成し、その補修表面に前記機能性シートをのせて圧着し、これをロウ付け熱処理してコーティングし、そのコーティングした表面を補修箇所以外の金属表面と同じになるように加工する請求項４記載の金属製品の表面強化方法。
金属製品の表面に前記機能性シートをのせた状態で加工して形状を形成し、前記機能性シートをロウ付け熱処理する請求項４記載の金属製品の表面強化方法。