JP2015165045A - 被覆物品及び皮膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被覆物品及び皮膜の製造方法を提供すること。
【解決手段】皮膜の生成は、基材耐エロージョン性を有する基材表面を画成する基材を提供することと、マトリックス及びセラミック粒子を基材表面に塗工することとを含む。マトリックスは、アノード耐エロージョン性を有するアノード性材料を含む。セラミック粒子は、第１のセラミック耐エロージョン性を有する第１のセラミックと、第２のセラミック耐エロージョン性を有する第２のセラミックとを含む。第１のセラミック耐エロージョン性は第２のセラミック耐エロージョン性よりも高く、アノード耐エロージョン性よりも高く、基材耐エロージョン性よりも高い。第２のセラミックは、塗工の間にアノード性材料と不完全に相互反応して、改質セラミック粒子及び改質アノード性材料形成物を形成する。改質セラミック粒子は不動態酸化膜を形成することができる。被覆物品は、基材と基材表面上の皮膜とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被覆物品及び皮膜の製造方法に関する。より具体的には、本発明は、被覆物品、並びにアノード性材料及びセラミック粒子を含有する皮膜の製造方法に関する。

ガスタービン及び蒸気タービンの構成部品、特に後段ガスタービン圧縮機ブレード、後段ガスタービン圧縮機翼、及び遠心ポンプインペラ、並びにパイプラインは、オンラインでの水洗洗浄が引き起こす、水滴エロージョン、微粒子沈着、及び腐食孔が誘発するクラッキングの問題を被りやすい。上述の表面劣化のメカニズムはまた、望ましくない表面粗さ増大をもたらすことがある。

構成部品の材料を変更することによって、耐腐食性は改善できるが、粗面化する影響は改善しないことがある。代替合金を開発することはコスト効率が悪く、また、より優れた全体的堅牢性を実現するよう構成部品を再設計することについては、時間とコストが伴い、更に使用材料及び動作要件によって設計上の制約が課せられるので、実現可能ではない場合がある。

構成部品に汚染があると、割目腐食メカニズムによって付着物下で構成部品の腐食が生じることがある。それに加えて、吸気中の微粒子が腐食を引き起こすことがあり、これは、異物が構成部品を損傷することによって腐食がもたらされるものである。構成部品上に蓄積した微粒子を除去するために、水洗洗浄サイクルがよく行われる。しかし、水洗洗浄サイクルは構成部品をより多量の水分に暴露するので、表面の付着物に捕捉された腐食物質が溶解し浸出することによって構成部品の腐食が引き起こされ、異物による損傷によって傷を生じた構成部品のあらゆる部分に対して腐食が加速することがある。更に、水洗洗浄サイクルは、複合微粒子の沈着を除去するのに化学薬品を利用することがある。これらの化学薬品は、構成部品の腐食を増大させ、構成部品のメンテナンスコストを増加させることがある。

腐食、酸化、汚染、及び／又はエロージョンに対処するために２層以上の皮膜層を必要とする皮膜系があるが、これは、複数の層があることによって、そのように被覆構成部品の全厚が過剰に厚くなり得るので、望ましいものではない。それに加えて、複数の皮膜があると、構成部品における望ましくない空気力学上の変化や流体力学上の変化が起こり、又は構成部品の重大な重量増加が起こる可能性が高まることがある。

ガスタービン若しくは蒸気タービンの構成部品やパイプラインの露出面において、腐食、酸化、汚染、及び／又はエロージョンが抑えられていないと、望ましくない表面粗さ増大が起こり、それによって効率が低下することがある。

上記した欠点の１つ以上を被ることのない、被覆構成部品及び被覆構成部品を生成する方法が、当該分野において望ましいであろう。

米国特許出願公開第２０１３／００８４３９９号公報

一実施形態では、皮膜の製造方法は、基材耐エロージョン性を有する基材表面を画成する基材を提供することと、マトリックス及びセラミック粒子を基材表面に塗工することとを含む。マトリックスは、アノード耐エロージョン性を有するアノード性材料を含む。セラミック粒子は、第１のセラミック耐エロージョン性を有する第１のセラミックと、第２のセラミック耐エロージョン性を有する第２のセラミックとを含む。第１のセラミック耐エロージョン性は第２のセラミック耐エロージョン性よりも高く、アノード耐エロージョン性よりも高く、基材耐エロージョン性よりも高い。第２のセラミックは、塗工の間にアノード性材料と不完全に相互反応して（interacts inchoately）、改質セラミック粒子及び改質アノード性材料形成物を形成する。改質セラミック粒子は不動態酸化膜を形成することができる。

別の実施形態では、被覆物品は、基材耐エロージョン性を有する基材表面を画成する基材と、基材表面上の皮膜とを含む。皮膜はマトリックス及びセラミック粒子を含む。マトリックスは、アノード耐エロージョン性を有するアノード性材料を含む。セラミック粒子は、第１のセラミック耐エロージョン性を有する第１のセラミックと、第２のセラミック耐エロージョン性を有する第２のセラミックとを含む。皮膜はまた、第２のセラミックとアノード性材料との間の不完全な相互反応によって形成される、改質セラミック粒子及び改質アノード性材料形成物を含む。第１のセラミック耐エロージョン性は第２のセラミック耐エロージョン性よりも高く、アノード耐エロージョン性よりも高く、基材耐エロージョン性よりも高い。改質セラミック粒子は不動態酸化膜を形成することができる。

本発明の他の特徴及び利点は、以下のより詳細な説明を、本発明の原理を一例として例証する添付図面と併せ読むことによって、より明白となるであろう。

本開示の一実施形態による、被覆物品の斜視図である。 本開示の一実施形態による、被覆物品の図１の線２−２に沿った断面図である。 本開示の一実施形態による、不動態酸化膜を含む被覆物品の断面図である。

可能な限り、同じ部分を表すのに図面全体を通して同じ参照番号が使用される。

被覆物品、及び皮膜の製造方法が提供される。本開示の実施形態は、本明細書に開示する特徴の１つ以上を使用しない方法及び物品に比べて、基材の腐食を減少させ、基材の酸化を減少させ、基材の汚染を減少させ、基材のエロージョンを減少させ、基材の表面粗さが増大する速度を減少させ、メンテナンスコストを減少させ、効率を増加させ、又はこれらの組合せをもたらす。

図１を参照して、一実施形態における、被覆物品１００を示す。一実施形態では、被覆物品１００は任意の適切な構成部品であり、例えば、圧縮機ブレード１０２（図示）、圧縮機翼、遠心ポンプインペラ、又はパイプラインである。「ブレード」という用語は、本明細書で使用するとき、「バケット」という用語と同義であるものとする。

図２を参照すると、一実施形態で、被覆物品１００は、基材耐エロージョン性を有する基材表面２０４を画成する基材２０２と、基材表面２０４上の皮膜２０６とを含む。皮膜２０６は、アノード耐エロージョン性を有するアノード性材料２１２と、セラミック粒子２１４とを含むマトリックス２１０を含む。アノード性材料２１２は基材２０２に対してアノード性であってよい。セラミック粒子２１４は、第１のセラミック耐エロージョン性を有する第１のセラミック２１６と、第２のセラミック耐エロージョン性を有する第２のセラミック２１８とを含む。皮膜２０６はまた、第２のセラミック２１８とアノード性材料２１２との間の不完全な相互反応から形成される、改質セラミック粒子２２０及び改質アノード性材料形成物２２２を含む。皮膜２０６は、外部環境に暴露される皮膜面２２４を画成する。更なる実施形態では、第１のセラミック耐エロージョン性は第２のセラミック耐エロージョン性よりも高く、アノード耐エロージョン性よりも高く、基材耐エロージョン性よりも高い。

一実施形態では、アノード性材料２１２としては、Ｃｒ_70%Ｎｉ_30%（重量％）、Ｎｉ_80%Ａｌ_20%（重量％）及びＮｉ_95%Ａｌ_5%（重量％）の混合物、セラミックのオーバーコートを備えた犠牲金属のアンダーコート中のコバルト及びアルミニウム粒子、アルミニウム表面層を備えた冶金結合アルミナイド（metallurgically bonded aluminide）、ＮｉＣｒＡｌ、又はこれらの組合せが挙げられる。更なる実施形態では、アノード性材料２１２は、作業中止時間の間、基材表面２０４を腐食から保護するように作用するが、これはピーキングタービンの構成部品に固有であって、ベース負荷タービンの構成部品でも珍しくない。

一実施形態では、第１のセラミック２１６は炭化タングステンであり、第２のセラミック２１８は、炭化クロム、窒化クロム、又は炭化クロムと窒化クロムの組合せである。更なる実施形態では、アノード性材料２１２はクロム及びニッケルを含有し、第２のセラミックは、塗工の間にアノード性材料２１２中のクロム及びニッケルと不完全に相互反応して、改質セラミック粒子２２０及び改質アノード性材料形成物２２２を形成する。改質セラミック粒子２２０は、ある範囲の炭化クロム化学量論を有する改質炭化クロム粒子、及びある範囲の窒化クロム化学量論を有する改質窒化クロム粒子の少なくとも１つを含む。理論によって束縛されるものではないが、第２のセラミックの一部分は溶射処理の間に溶解して、遊離クロムと炭素及び窒素のうち少なくとも１つとを放出する。遊離クロムは、マトリックスの電気化学ポテンシャルを、アノード性がより高い方へと押し進めることができる。窒素は、マトリックス中に溶解すると、腐食条件下におけるマトリックスの耐ピッチング性を改善することができる。

一実施形態では、皮膜２０６は、約３０〜約６０重量％、又は約３０〜約４０重量％、又は約４０〜約５０重量％、又は約５０〜約６０重量％の炭化タングステンを含有する。追加の実施形態では、皮膜２０６は、約２０〜約５０重量％、又は約２０〜約３０重量％、又は約３０〜約４０重量％、又は約４０〜約５０重量％の、炭化クロム及び窒化クロムのうち一方若しくは両方を更に含有する。更なる実施形態では、皮膜２０６はまた、本質的にアノード性材料２１２である残部を含有する。

図３を参照すると、一実施形態では、改質セラミック粒子２２０は不動態酸化膜３０２を形成することができる。更なる実施形態では、不動態酸化膜３０２は標準的な後段タービン圧縮機動作条件下で生じる。公知の後段タービン圧縮機動作条件は、例えば、大気圧の１０〜２５倍の高圧を含み、２５０〜６７７℃までの断熱昇温に晒される。例えば、不動態酸化膜３０２が形成されると、皮膜面２２４を画成する。不動態酸化膜３０２は、酸化によって起こる皮膜面２２４の粗さの増大に抵抗する。理論によって束縛されるものではないが、不動態酸化膜３０２は酸化物である材料を含むので、これらの材料はそれ以上酸化しないものと考えられる。

一実施形態では、不動態酸化膜３０２が、マトリックス２１０上で一様に、又はほぼ一様に分布する。別の実施形態では、不動態酸化膜３０２は、約０．１μｍ〜約３μｍ、又は約０．１μｍ〜約２μｍ、又は約０．１μｍ〜約１μｍ、又は約１μｍ〜約２μｍ、又は約２μｍ〜約３μｍ、又は約０．１μｍ〜約１．５μｍ、又は約１．５μｍ〜約３μｍ、又は約０．１μｍ〜約０．５μｍ、又は約０．５μｍ〜約１μｍ、又は約１μｍ〜約１．５μｍ、又は約１．５μｍ〜約２μｍの厚さを有する。

皮膜２０６は任意の適切な方法によって生成される。一実施形態では、皮膜２０６を塗工する方法は、基材表面２０４を画成する基材２０２を提供し、マトリックス２１０及びセラミック粒子２１４を基材表面２０４に塗工することを含む。マトリックス２１０及びセラミック粒子２１４を基材表面２０４に塗工することは、溶射、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）溶射、高速空気燃料溶射（ＨＶＡＦ）、真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、イオンプラズマ蒸着（ＩＰＤ）、粉末又はロッドを用いた燃焼溶射、コールドスプレー、ゾルゲル、電気泳動蒸着、テープ成形、ポリマー由来のセラミックコーティング、スラリーコーティング、浸漬塗工、真空コーティング塗工、カーテンコーティング塗工、ブラシ塗工、ロールコート塗工、並びに凝集及び焼結とその後の噴霧乾燥（ただし、上記に限定されない）などの任意の適切なコーティング技術によって達成できる。

一実施形態では、セラミック粒子２１４は、約０．３μｍ〜約５μｍ、又は約０．３μｍ〜約２．５μｍ、又は約２．５μｍ〜約５μｍ、又は約０．３μｍ〜約２μｍ、又は約２μｍ〜約３．５μｍ、又は約３．５μｍ〜約５μｍ、又は約０．３μｍ〜約１μｍ、又は約２μｍ〜約３μｍ、又は約３μｍ〜約４μｍ、又は約４μｍ〜約５μｍの範囲の平均粒径を有する。

一実施形態では、皮膜２０６は、約０．２μｍ〜約２μｍ、又は約０．２μｍ〜約１μｍ、又は約１μｍ〜約２μｍ、又は約０．２μｍ〜約０．８μｍ、又は約０．８μｍ〜約１．４μｍ、又は約１．４μｍ〜約２μｍの範囲のセラミック粒子２１４間平均距離を有する。

一実施形態では、皮膜２０６は、約５０μｍ〜約２５０μｍ、又は約５０μｍ〜約１５０μｍ、又は約１００μｍ〜約２００μｍ、又は約１５０μｍ〜約２５０μｍ、又は約５０μｍ〜約１００μｍ、又は約１００μｍ〜約１５０μｍ、又は約１５０μｍ〜約２００μｍ、又は約２００μｍ〜約２５０μｍの厚さを有する。

一実施形態では、皮膜２０６は本質的に、複数のセラミック粒子２１４が分散しているアノード性材料２１２の単一マトリックス２１０からなる。アノード性材料２１２の単一マトリックス２１０は、複数層のアノード性材料２１２とは対照的に、皮膜２０６の厚さを最小限に抑えることができる。

一実施形態では、第１のセラミック耐エロージョン性を有する第１のセラミック２１６を含むセラミック粒子２１４は、皮膜面２２４の粗さの増大に抵抗することができる。理論によって束縛されるものではないが、第２のセラミック２１８及びアノード性材料２１２の硬度よりも第１のセラミック２１６の硬度が高いことにより、皮膜面２２４の粒子の付着及びそれに続く腐食に対する抵抗が与えられると考えられる。

皮膜２０６が約２５０μｍ未満の、又は約１５０μｍ未満の厚さを有する一実施形態では、耐エロージョン性に対応する性質としては、標準的な後段タービン圧縮機動作条件下において、約４８，０００時間を超える動作時間で約７６μｍ未満の皮膜２０６のエロージョンが挙げられる。

一実施形態では、マトリックス２１０中のアノード性材料２１２は、皮膜面２２４の粗さの増大に抵抗することができる。理論によって束縛されるものではないが、基材２０２がマトリックス２１０よりも不活性のカソード電位であるときに、アノード溶解を優先的に受けさせることにより、アノード性材料２１２は基材２０２を腐食から保護するものと考えられる。アノード性材料２１２は事実上金属であり、必要な靱性及び延性を有する。しかし、付着物、微粒子、及び水滴によるエロージョンに抵抗するため、マトリックス２１０はセラミック粒子２１４によって強化される。セラミック粒子２１４中の第１のセラミック２１６は耐エロージョン性に対処する。炭化クロム及び窒化クロムなど、セラミック粒子２１４中の第２のセラミック２１８は、溶射などによって塗工中に溶解して遊離クロムを放出し、それによってマトリックス２１０のアノード性が更に増強される。

１つ以上の実施形態を参照して本発明について記載してきたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が成されてもよく、要素が等価物と置き換えられてもよいことを理解するであろう。それに加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料に適応するように、本発明の教示に対して多くの修正が成されてもよい。したがって、本発明は、本発明を実施するために意図される最良の形態として開示される特定の実施形態に限定されず、本発明は添付の請求項の範囲内にある全ての実施形態を含むものとする。

１００ 被覆物品
１０２ 圧縮機ブレード
２０２ 基材
２０４ 基材表面
２０６ 皮膜
２１０ マトリックス
２１２ アノード性材料
２１４ セラミック粒子
２１６ 第１のセラミック
２１８ 第２のセラミック
２２０ 改質セラミック粒子
２２２ 改質アノード性材料形成物
２２４ 皮膜面
３０２ 不動態酸化膜

Claims (20)

1. 基材耐エロージョン性を有する基材表面を画成する基材を提供することと、
   マトリックス及びセラミック粒子を基材表面に塗工することとを含み、
   マトリックスが、アノード耐エロージョン性を有するアノード性材料を含み、
   セラミック粒子が、
   第１のセラミック耐エロージョン性を有する第１のセラミックと、
   第２のセラミック耐エロージョン性を有する第２のセラミックとを含み、
   第１のセラミック耐エロージョン性が、
   第２のセラミック耐エロージョン性よりも高く
   アノード耐エロージョン性よりも高く、
   基材耐エロージョン性よりも高く、
   第２のセラミックが、塗工の間にアノード性材料と不完全に相互反応して、改質セラミック粒子及び改質アノード性材料形成物を形成し、
   改質セラミック粒子が不動態酸化膜を形成することができる、皮膜の製造方法。
2. 第１のセラミック耐エロージョン性が、後段ガスタービン圧縮機動作条件下において、約４８，０００時間を超える動作時間で約７６μｍ未満の皮膜のエロージョンをもたらす、請求項１記載の方法。
3. アノード性材料が、Ｃｒ_70%Ｎｉ_30%（重量％）、Ｎｉ_80%Ａｌ_20%（重量％）及びＮｉ_95%Ａｌ_5%（重量％）の混合物、セラミックのオーバーコートを備えた犠牲金属のアンダーコート中のコバルト及びアルミニウム粒子、アルミニウム表面層を備えた冶金結合アルミナイド、ＮｉＣｒＡｌ、並びにこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１記載の方法。
4. アノード性材料がＣｒ_70%Ｎｉ_30%（重量％）である、請求項３記載の方法。
5. 第１のセラミックが炭化タングステンであり、第２のセラミックが、炭化クロム、窒化クロム、又は炭化クロムと窒化クロムの組合せである、請求項１記載の方法。
6. アノード性材料がクロム及びニッケルを含有し、
   第２のセラミックが、塗工の間にアノード性材料中のクロム及びニッケルと不完全に相互反応して、改質セラミック粒子及び改質アノード性材料形成物を形成し、
   改質セラミック粒子が、ある範囲の炭化クロム化学量論を有する改質炭化クロム粒子、及びある範囲の窒化クロム化学量論を有する改質窒化クロム粒子の少なくとも１つを含む、請求項５記載の方法。
7. 皮膜が、約３０〜約６０重量％の炭化タングステン、約２０〜約５０重量％の炭化クロム及び窒化クロムのうち一方若しくは両方、並びに本質的にアノード性材料である残部を含有する、請求項５記載の方法。
8. セラミック粒子が、約０．３μｍ〜約５μｍの範囲の平均粒径を有し、皮膜が、約０．２μｍ〜約２μｍの範囲のセラミック粒子間の平均距離を有する、請求項１記載の方法。
9. 基材が、圧縮機ブレード、圧縮機翼、遠心ポンプインペラ、及びパイプラインからなる群から選択される、請求項１記載の方法。
10. 皮膜の生成が本質的に、セラミック粒子が分散しているアノード性材料の単一マトリックスを塗工することからなる、請求項１記載の方法。
11. 基材耐エロージョン性を有する基材表面を画成する基材と、
    基材表面上の皮膜とを備え、皮膜が、
    アノード耐エロージョン性を有するアノード性材料を含むマトリックスと、
    第１のセラミック耐エロージョン性を有する第１のセラミック、及び、
    第２のセラミック耐エロージョン性を有する第２のセラミックを含むセラミック粒子と、
    第２のセラミックとアノード性材料との間の不完全な相互反応によって形成される改質セラミック粒子及び改質アノード性材料形成物とを含み、
    第１のセラミック耐エロージョン性が、
    第２のセラミック耐エロージョン性よりも高く、
    アノード耐エロージョン性よりも高く、
    基材耐エロージョン性よりも高く、
    改質セラミック粒子が不動態酸化膜を形成することができる、被覆物品。
12. 第１のセラミック耐エロージョン性が、後段ガスタービン圧縮機動作条件下において、約４８，０００時間を超える動作時間で約７６μｍ未満の皮膜のエロージョンをもたらす、請求項１１記載の被覆物品。
13. アノード性材料が、Ｃｒ_70%Ｎｉ_30%（重量％）、Ｎｉ_80%Ａｌ_20%（重量％）及びＮｉ_95%Ａｌ_5%（重量％）の混合物、セラミックのオーバーコートを備えた犠牲金属のアンダーコート中のコバルト及びアルミニウム粒子、アルミニウム表面層を備えた冶金結合アルミナイド、ＮｉＣｒＡｌ、並びにこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１１記載の被覆物品。
14. アノード性材料がＣｒ_70%Ｎｉ_30%（重量％）である、請求項１２記載の被覆物品。
15. 第１のセラミックが炭化タングステンであり、第２のセラミックが、炭化クロム、窒化クロム、又は炭化クロムと窒化クロムの組合せである、請求項１１記載の被覆物品。
16. アノード性材料がクロム及びニッケルを含有し、
    改質セラミック粒子及び改質アノード性材料形成物が、第２のセラミックとアノード性材料中のクロム及びニッケルとの不完全な相互反応によって形成され、
    改質セラミック粒子が、ある範囲の炭化クロム化学量論を有する改質炭化クロム粒子、及びある範囲の窒化クロム化学量論を有する改質窒化クロム粒子の少なくとも１つを含む、請求項１４記載の被覆物品。
17. 皮膜が、約３０〜約６０重量％の炭化タングステン、約２０〜約５０重量％の炭化クロム及び窒化クロムのうち一方若しくは両方、並びに本質的にアノード性材料である残部を含有する、請求項１４記載の被覆物品。
18. セラミック粒子が、約０．３μｍ〜約５μｍの範囲の平均粒径を有し、皮膜が、約０．２μｍ〜約２μｍの範囲のセラミック粒子間の平均距離を有する、請求項１１記載の被覆物品。
19. 基材が、圧縮機ブレード、圧縮機翼、遠心ポンプインペラ、及びパイプラインからなる群から選択される、請求項１１記載の被覆物品。
20. 皮膜が本質的に、セラミック粒子が分散しているアノード性材料の単一マトリックスからなる、請求項１１記載の被覆物品。