JP2012140644A - マスキング材料、マスキング層、基板のマスキング方法および基板の被覆方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被覆処理に際してはマスキングが使用されるが、気相を利用する被覆処理では被覆を施してはならない個所は特に気密に保護する必要があり、この問題を解決することにある。
【解決手段】セラミック層と金属層の２層を使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マスキング材料、基板のマスキング方法および被覆方法に関する。

被覆処理、特に例えばＰＶＤまたはＣＶＤ処理などの気相を利用する被覆処理に際しては、被覆を施してはならない所定の範囲を特に良好に気密に保護する必要がある。

種々の大きさの粉末混合物を機械的に互いに混ぜ合わせるかまたはガラスを含む物質を施すマスキング方法は種々知られており、これらの材料は特に密でなければならないが、再びはがすのが困難である。

欧州特許出願公告第１２０４７７６号明細書 欧州特許第１３０６４５４号明細書 欧州特許出願公開第１３１９７２９号明細書 国際公開第９９／６７４３５号パンフレット 国際公開第００／４４９４９号パンフレット 米国特許第６０２４７９２号明細書 欧州特許出願公開第０８９２０９０号明細書 欧州特許出願公告第０４８６４８９号明細書 欧州特許出願公告第０７８６０１７号明細書 欧州特許出願公告第０４１２３９７号明細書

本発明の課題は、上述の問題を解決することにある。

この課題は、請求項１のマスキング材料、請求項９または１０のマスキング層、請求項１３，１４のマスキング方法ならびに請求項２０の被覆方法により解決される。即ち、
「セラミック粉末および金属粉末を有するマスキング材料（請求項１）。」
「請求項１ないし８の１つに記載のマスキング材料を有する、特にこれらから成るマスキング層（請求項９）。」
「多層に形成され、少なくとも１つのセラミック層（７）、特に請求項２ないし４の１つに記載の材料から成るセラミック層と、請求項５または６記載の金属層（１０）とを有し、特にセラミック層（７）の上に、特に請求項７または８によって形成されるマスキング層（請求項１０）。」
「基板（４）の表面（１６，１９）の上に請求項１ないし８の１つに記載のマスキング材料が施される基板（４）のマスキング方法（請求項１３）。」
「基板（４）の表面（１６，１９）の上にセラミック材料から成る粉末層（７）が施され、第２の工程でセラミック層（７）の上に金属粉末層（１０）が施される基板（４）のマスキング方法（請求項１４）。」
「請求項１ないし８の１つに記載のマスキング材料または請求項１３ないし１９の１つに記載のマスキング方法を使用し、被覆すべきでない個所（１６）にマスキング材料（１３）を施した後で被覆処理、特に気相被覆処理を実施する基板（４）の被覆方法（請求項２０）。」である。

特に有利な実施態様は従属請求項に示されている。

基板のマスキング方法の概略的な工程図。 被覆処理の工程図。 被覆処理の工程図。 タービン翼の斜視図。 ガスタービンの斜視図。 超合金の組成表。

以下図面を参照して本発明を詳細に説明するが、これらは単に本発明の実施例を示したものにすぎない。

図１は表面１９を持つ基板４を示すが、これは部品１、１２０、１３０の基板である。

部品は特にガスタービン（図５参照）においては、特に図６に示す材料から成るタービン翼である。

第１の工程において好適にはセラミック粉末が層７として表面１９の上に施される。セラミック粉末はスプレーまたは他の方法によりバインダとともにまたはバインダなしに施すことができる。

セラミック粉末は特に、酸化セラミック、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、ペロブスカイト、スピネル、パイロクロア、および／または窒化ホウ素またはそれらの混合物を含むことができるが、特に酸化アルミニウムまたは酸化チタン（ＴｉＯ₂）が使用される。好適には１種類のセラミック、特にＡｌ₂Ｏ₃のみが使用される。

好適にはＡｌ₂Ｏ₃／ＴｉＯ₂またはＺｒＯ₂／ＴｉＯ₂またはＡｌ₂Ｏ₃／ＺｒＯ₂またはＢＮ／ＴｉＯ₂またはＢＮ／Ａｌ₂Ｏ₃またはＢＮ／ＺｒＯ₂が使用される。昆合比は９３／７または８７／１３が好適である。

第２の工程において好適には金属粉末が層１０としてセラミック粉末層７の上に施される。層１０の一部はセラミック層７の開孔に侵入することもできる。層１０と層７は併せてマスキング層１３を形成する。

この２つの工程は好適には少なくとも１回、特に１回のみ繰り返すことができ、これによりセラミック−金属−セラミック−金属の多層のマスキング層１３が形成される。

１つのセラミック層と１つの金属層のみでも十分である。

より良好な結果はセラミックと金属の勾配遷移物(gradierte Ubergange)により得られる。

金属粉末は特に基板金属であり、従って好適にはニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ），アルミニウム（Ａｌ）またはこれらの混合物であり、これらは好適には被覆材料と良好に反応し得る。特にニッケルが使用されるが、また上述の金属の合金も使用できる（ＮｉＡｌ， …）。

粒径分布は一般に、セラミック粉末では０．１μｍ−２０μｍ、金属粉末では１μｍ−２５μｍが好適である。

下側のセラミック粉末層７と上側の金属層１０から成るこの層系は特に気密なマスキング層１３を形成する。

このようなマスキング層１３は局所的に被覆が行われてはならない個所１６に施される（図２）（図３）。

この場合マスキング材料は任意の被覆処理、特に被覆材料が蒸気または気体の形で存在する例えばＰＶＤ、ＣＶＤまたはほかの気相被覆処理においても使用できる。

同様に外側の基板４全体は、たとえば中空部品の内部を被覆する場合、例えばクロムメッキまたはアルミメッキされる場合も保護することができるが、被覆材料が中空部品から再び出て保護されていない基板４の外側表面に沈下することを必ずしも妨げることはできない。

同様にマスキング材料としては、上述の好適な材料および塗布性(Auftragungsart)を有するセラミック粉末と金属粉末の機械的混合物を使用することもできる。

図４は流体機械の動翼１２０または静翼１３０を斜視図で示すもので、これらの翼は長手軸線１２１に沿って延びている。

流体機械としては航空機や発電所のガスタービン、蒸気タービンまたは圧縮機が挙げられる。

翼１２０，１３０は長手軸線１２１に沿って順々に、取付け部４００とこれに続く翼台座４０３と翼形部４０６と翼先端部４１５とを有している。静翼１３０は先端部４１５にもう１つの翼台座（図示せず）を有することもできる。

取付け部４００には翼脚１８３が形成されており、これは動翼１２０を軸または円板（図示せず）に取り付けるために役立つ。

翼脚１８３は例えばハンマーヘッドとして形成されている。クリスマスツリーまたはタブテーブル状の脚とすることも可能である。翼１２０，１３０は、翼形部４０６を洗流する媒体に対して翼前縁部４０９と翼後縁部４１２を有している。

従来の翼１２０，１３０はあらゆる部位４００、４０３、４０６で例えば中実の金属材料、特に超合金が使用されていた。この種の合金は例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５で知られている。この場合、翼１２０、１３０は、方向性凝固による鋳造法、鍛造法、切削加工法あるいはそれらの組合せで製造される。

運転中に大きな機械的、熱的および／または化学的負荷を受ける機械部品として、１つあるいは複数の単結晶構造の部材が利用される。この種の単結晶構造の部材の製造は、例えば溶融物からの方向性凝固によって行われる。これは、液状金属合金が単結晶構造の形に、即ち、単結晶部材に凝固されるか方向性凝固される鋳造法である。その際デンドライト結晶（樹状晶）は、熱流束に沿って方向づけられ、柱状結晶粒構造（柱状構造（Columnar）、即ち、部材の全長にわたって延び、ここでは一般的に方向性凝固と呼ばれる結晶粒）を形成するか、あるいは単結晶構造を形成し、即ち、部材全体が唯一の結晶から成っている。この方法において、無指向性成長によって必然的に方向性凝固部品あるいは単結晶部品の良好な特性を損なう横方向粒界と縦方向粒界が生ずるので、球状（多角結晶）凝固への移行は避けなければならない。従って、一般に方向性凝固構造というとき、それは、粒界が存在しないかせいぜい小角粒界しか存在しない単結晶と、縦方向に延びる粒界が存在するが横方向に延びる粒界が存在しない柱状結晶粒構造とを意味する。後者の結晶構造の場合、方向性凝固構造（directionally solidified structures）とも呼ばれる。この種の方法は特許文献６および特許文献７で知られている。

同様に翼１２０、１３０は防食被覆あるいは酸化防止被覆例えばＭＣｒＡｌＸ層（ここで、Ｍは鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）の群における少なくとも１つの元素、Ｘは活性元素でありイットリウム（Ｙ）および／または珪素および／または少なくとも１つの希土類元素ないしハフニウム（Ｈｆ）である）を有している。この種の合金は、それら合金の化学組成について開示する特許文献８、特許文献９、特許文献１０あるいは特許文献２で知られている。その密度は好適には理論密度の９５％である。ＭＣｒＡｌＸ層の上に（中間層あるいは最外層として）防護用の酸化アルミニウム層（ＴＧＯ＝熱成長酸化物層）が形成されている。

その層組成は好適にはＣｏ−３０Ｎｉ−２８Ｃｒ−８Ａｌ−０．６Ｙ−０．７ＳｉまたはＣｏ−２８Ｎｉ−２４Ｃｒ−１０Ａｌ−０．６Ｙを有している。またこのコバルト基保護被覆のほかに、好適にはＮｉ−１０Ｃｒ−１２Ａｌ−０．６Ｙ−３ＲｅやＮｉ−１２Ｃｏ−２１Ｃｒ−１１Ａｌ−０．４Ｙ−２ＲｅやＮｉ−２５Ｃｏ−１７Ｃｒ−１０Ａｌ−０．４Ｙ−１．５Ｒｅのようなニッケル基保護層も利用される。

ＭＣｒＡｌＸ層の上に断熱層を形成することもでき、これは好適には最外層であり、例えばＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂から成り、即ち、酸化イットリウムおよび／または酸化カルシウムおよび／または酸化マグネシウムにより、部分的にも全体的にも安定化されていない。この断熱層はＭＣｒＡｌＸ層全体を覆っている。例えば電子ビーム蒸着法（ＥＢ−ＰＶＤ）のような適切な被覆方法によって、断熱層内に柱状粒子が発生される。他の被覆方法も考えられ、例えばＡＰＳ(気中プラズマ溶射）、ＬＰＰＳ（低圧プラズマ溶射）、ＶＰＳ（真空プラズマ溶射）あるいはＣＶＤ（化学気相蒸着法）が考えられる。この断熱層は良好な熱衝撃強度のために多孔性、ミクロ割れ性あるいはマクロ割れ性の結晶粒を有する。即ち、その断熱層は好適にはＭＣｒＡｌＸ層より多孔性を有する。

再生処理（補修）は、タービン翼１２０、１３０がその使用後に場合によっては保護層を（例えばサンドブラストで）除去しなければならないことを意味する。その後、腐食層および／または酸化層ないし酸化生成物が除去される。場合によってはタービン翼１２０、１３０のクラック（割れ）も補修される。その後、タービン翼１２０、１３０の再被覆が行われる。

翼１２０、１３０は中空あるいは中実に形成することができる。翼１２０、１３０はこれが冷却されるようにするとき中空とされ、場合によっては複数の膜冷却用孔４１８（破線で図示）を有する。

図５は例としてガスタービン１００を縦断面図で示している。ガスタービン１００は内部に回転軸線１０２を中心に回転可能に支持されたロータ１０３を有し、このロータ１０３はタービンロータとも呼ばれる。ロータ１０３に沿って順々に、吸込み室１０４、圧縮機１０５、例えばトーラス状の燃焼器特に同軸的に配置された複数のバーナ１０７を備えた環状燃焼器１１０、タービン装置１０８および排気室１０９が続いている。

環状燃焼器１１０は例えば環状の燃焼ガス路１１１に連通している。そこで例えば直列接続された４つのタービン段１１２がタービン装置１０８を形成している。各タービン段１１２は２つの翼輪（翼列）で形成されている。作動媒体１１３の流れ方向に見て、燃焼ガス路１１１内において各静翼列１１５に続いて、多数の動翼１２０から成る翼列１２５が続いている。

静翼１３０はステータ１４３の内部車室１３８に固定され、これに対して、翼列１２５の動翼１２０は例えばタービン円板１３３によってロータ１０３に設けられている。ロータ１０３に発電機あるいは作業機械（図示せず）が連結されている。

ガスタービン１００の運転中に圧縮機１０５によって吸込み室１０４を通して空気１３５が吸い込まれて圧縮される。圧縮機１０５のタービン側端に導かれた圧縮空気はバーナ１０７に送られ、そこで燃料と混合される。その混合気は燃焼器１１０で燃焼されて作動媒体１１３を発生する。この作動媒体１１３はそこから燃焼ガス路１１１に沿って静翼１３０および動翼１２０を洗流して流れる。作動媒体１１３は膨張して動翼１２０に衝撃を伝達し、これによって、動翼１２０がロータ１０３を駆動し、これに連結された作業機械を駆動する。

ガスタービン１００の運転中に高温作動媒体１１３に曝される部品は熱負荷を受ける。環状燃焼器１１０に内張りされた遮熱要素のほかに、作動媒体１１３の流れ方向に見て最初のタービン段１１２の静翼１３０と動翼１２０が、環状燃焼器１１０を覆う熱遮蔽要素１０６と共に、最も強く熱負荷される。そこで生ずる高温に耐えるために、それらの遮熱要素は冷却材によって冷却することができる。

また部品の基板は方向性凝固構造を有し、即ち、単結晶粒構造（ＳＸ構造）あるいは柱状結晶粒構造（ＤＳ構造）を有することができる。部品特にタービン翼１２０、１３０の材料としておよび燃焼器１１０の部品の材料として例えば鉄基、ニッケル基あるいはコバルト基超合金が利用される。この種の超合金は例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５で知られている。

同様に翼１２０、１３０は防食被覆（ＭＣｒＡｌＸ層、ここでＭは鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）の群における少なくとも１つの元素、Ｘは活性元素でありイットリウム（Ｙ）および／または珪素および／または少なくとも１つの希土類元素ないしハフニウム（Ｈｆ）である）を有している。この種の合金は、それら合金の化学組成について開示する特許文献８、特許文献９、特許文献１０あるいは特許文献２で知られている。

ＭＣｒＡｌＸ層の上に断熱層を形成することもでき、例えばＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂から成り、即ち、酸化イットリウムおよび／または酸化カルシウムおよび／または酸化マグネシウムにより、部分的にも全体的にも安定化されていない。例えば電子ビーム蒸着法（ＥＢ−ＰＶＤ）のような適切な被覆方法によって、断熱層内に柱状粒子が発生される。

静翼１３０は、タービン装置１０８の内部車室１３８の側の静翼脚（図示せず）と、この静翼脚とは反対の側の静翼頭部とを有している。この静翼頭部はロータ１０３の側に面し、ステータ１４３の取付け輪１４０に固定されている。

１、１２０、１３０： 部品
４： 基板
７： セラミック層
１０： 金属層
１３： マスキング層
１６、１９： 表面

Claims (20)

1. セラミック粉末および金属粉末を有するマスキング材料。
2. セラミックが酸化セラミック、特に酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、ペロブスカイト、スピネル、パイロクロアおよび／または窒化ホウ素またはそれらの混合物であり、特に酸化アルミニウム、好適には全部が特に酸化アルミニウムのみを有する請求項１記載のマスキング材料。
3. セラミック粉末としてＡｌ₂Ｏ₃／ＴｉＯ₂、ＢＮ／ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂／ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃／ＺｒＯ₂、ＢＮ／Ａｌ₂Ｏ₃またはＢＮ／ＺｒＯ₂から成る混合物を有する請求項１または２記載のマスキング材料。
4. 唯一のセラミック材料のみを有する請求項１または２記載のマスキング材料。
5. 金属粉末はニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）および／またはクロム（Ｃｒ）またはこれらの混合物または合金であり、特にニッケル（Ｎｉ）、特に全部がニッケル（Ｎｉ）のみを有する請求項１ないし４の１つに記載のマスキング材料。
6. 唯一の金属材料のみを有する請求項１ないし５の１つに記載のマスキング材料。
7. セラミックと金属のみから成る請求項１ないし６の１つに記載のマスキング材料。
8. 唯一のセラミックと唯一の金属のみを有する請求項１ないし７の１つに記載のマスキング材料。
9. 請求項１ないし８の１つに記載のマスキング材料を有する、特にこれらから成るマスキング層。
10. 多層に形成され、少なくとも１つのセラミック層（７）、特に請求項２ないし４の１つに記載の材料から成るセラミック層と、請求項５または６記載の金属層（１０）とを有し、特にセラミック層（７）の上に、特に請求項７または８によって形成されるマスキング層。
11. 少なくとも２つのセラミック層と少なくとも２つの金属層とを有し、特に交互の順列で、特に一番下がセラミック層である請求項１０記載のマスキング層。
12. ２つの金属層と２つのセラミック層のみを有する請求項１０または１１記載のマスキング層。
13. 基板（４）の表面（１６，１９）の上に請求項１ないし８の１つに記載のマスキング材料が施される基板（４）のマスキング方法。
14. 基板（４）の表面（１６，１９）の上にセラミック材料から成る粉末層（７）が施され、第２の工程でセラミック層（７）の上に金属粉末層（１０）が施される基板（４）のマスキング方法。
15. セラミックが特に酸化セラミック、全部が特に酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、ペロブスカイト、スピネル、パイロクロアおよび／または窒化ホウ素であり、全部が特に酸化アルミニウムのみを有する請求項１４記載の方法。
16. １種類の金属、特にコバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、およびクロム（Ｃｒ）またはこれらの混合物または合金のみが、特に全部ニッケル（Ｎｉ）が施される請求項１４または１５記載の方法。
17. 粉末層（７，１０）が種々の方法、特に塗布、スプレー、浸漬により施され、その際特にバインダを使用し得る請求項１４ないし１６の１つに記載の方法。
18. 金属のみを施す請求項１４ないし１７の１つに記載の方法。
19. セラミックのみを施す請求項１４ないし１８の１つに記載の方法。
20. 請求項１ないし８の１つに記載のマスキング材料または請求項１３ないし１９の１つに記載のマスキング方法を使用し、被覆すべきでない個所（１６）にマスキング材料（１３）を施した後で被覆処理、特に気相被覆処理を実施する基板（４）の被覆方法。

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