JP2713458B2 - 電気的に析出された耐高温ガス腐食層の製造方法 - Google Patents

電気的に析出された耐高温ガス腐食層の製造方法

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    • C25D5/48After-treatment of electroplated surfaces
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
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    • C25D15/00Electrolytic or electrophoretic production of coatings containing embedded materials, e.g. particles, whiskers, wires
    • C25D15/02Combined electrolytic and electrophoretic processes with charged materials

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えばガスタービンの製造における、電気
的に析出された耐高温ガス腐食層を構造物の構成要素の
上に形成する電気的に析出された耐高温ガス腐食層の製
造方法に関する。
〔従来の技術とその課題〕
ガスタービンの構造物に関して、高熱が負荷される構
成部材、特に第1のタービン段のタービン羽根の挙動
を、高強度の耐腐食保護層を設けることによって、更に
改良する努力がなされている。これについては、MCrAlY
合金よりなる金属層が特に適していることが分かってい
る。ここにおいて、Mはニッケル、コバルト又は両者の
合金である。特別の場合、鉄も利用することができる。
被覆された面を保護する効果は、高温が生じるとき、
CrAlが酸化物(Cr2O3、Al2O3)を形成し、該酸化物が、
いっそうの酸化に対する保護膜となることになる。
前記合金は、通常15−25%のCr、10−15%のAl、0.2
−0.5%のY、残余のM(その時々の重量%)よりな
る。この場合、アルミニウム及びクロムは、できるだけ
高含有量で存在しなければならず、これにより酸化物の
形成による保護効果が十分に働く。皮膜形成方法として
熱溶射法又はPDV法(物理的蒸着法)が適している。そ
れというのも、これによって必要な高含有量のCrAlY成
分が得られるからである。しかし、不利なことに、この
皮膜形成方法においては就中コストがかかる。それ故、
ディスパージョンコーティング法によって保護層を生ぜ
しめる試みが行われてきた。それというのも、これによ
ってかなり経済的な方法が可能となるからである。しか
し、この場合においても、多くの不利な点が明らかにな
っている。それ故、在来のディスパージョンコーティン
グ法によっては金属マトリックスの中への懸濁粉末の僅
かな挿入率しか達成することができない。金属マトリッ
クスの中への懸濁粉末の挿入率は20容量%台であり、こ
れによっては必要な高含有量のCr及びAl成分は得ること
はできず、且つ層の品質は不十分に留まる。PVD法又は
プラズマ溶射法による場合のように一様な層の品質を得
るために40容量%以上の成分が望ましい。
定期刊行物「メッキ及び表面仕上げ(Plating and Su
rface Finishing)」、1986年10月、42頁に上記の不利
な点を除いた方法が述べられている。この方法の場合、
部分的に多孔質壁と内側に設けられた基体とを有する、
懸濁液が充填されたドラムが、電解質浴内で回転する。
この場合、比較的高い挿入率を達成することができる
が、しかし、層が不規則であるという不利な点が見られ
る。特に、かなりのいぼ状析出を示し、且つタービン羽
根のコーティングの場合不規則なコーティングが認めら
れ、即ち羽根縁における層は羽根の中央部よりも厚い。
この不利な作用は、理論的にオリフィスを設けることに
よって防止することができるが、しかし、この結果電気
的な短絡を生ぜしめるので、この装置は問題外である。
結局、このコーティング方法は、非常に時間を要し、し
たがって連続作業に対しては節約にならない。
その他の在来のディスパージョンコーティング法の本
質的な不利な点は、非常に多孔質の層構造と粗い模樹石
を置いたような表面に頻繁に出会うことである。
それ故、本発明の課題は、上記の不利な点を回避し、
且つ40重量%以上の挿入率で、金属マトリックス内に懸
濁粉末を有する、一様な、しかも品質的に高い耐高温ガ
ス腐食層を、少ない費用で得ることができる上記の技術
のディスパージョンコーティング法を提供することであ
る。
〔課題を解決するための手段〕
本発明に従って、上記の課題は、構造物の構成部材の
上に電気的に析出された耐高温ガス腐食層を形成する電
気的に析出された耐高温ガス腐食層の製造方法であっ
て、(a)コバルト及び/又はニッケルからなるマトリ
ックス材料を含む電解質を調製し、(b)アルミニウム
及び/又はクロム合金の球形粉末粒子を調製し、(c)
前記球形粉末粒子の表面を不動態化し、(d)前記電解
質内に前記不動態化した球形粉末粒子を、電解質内の前
記粒子の懸濁濃度100g/以下で懸濁させ、(e)前記
粒子を懸濁させた電解質により調製された電解浴内に前
記構成部材を浸漬して所望の厚みの皮膜が得られるまで
電着を行い、(f)前記電解浴から取り出した前記皮膜
が被着された構成部材に、合金皮膜が形成されるまで熱
処理を施し、皮膜中の金属マトリックス内への懸濁粉末
の挿入率が40容量%以上の、一様な耐高温ガス腐食層を
得ることを特徴とする電気的に析出された耐高温ガス腐
食層の製造方法によって達成される。本発明の別の好ま
しい構成は請求項2乃至6から明らかである。
〔実施例〕
本発明に従って作られた層は45容量%迄の挿入率を特
徴とし、これによって既知のコーティング法による場合
と同様に一様な層の品質を得ることができる。一方、本
発明による層の製造コストは、有利にかなり少ない。例
えば、熱溶射法の10分の1である。
コーティングに次いで真空下で拡散灼熱するように熱
処理が行われ、これによって合金の形成が行われ、既知
の溶射法と同等の層の品質を得ることができる。
懸濁液の濃度が100g/以下のとき、有利に、複雑で
ない常用のディスパージョンコーティング技術を利用す
ることが可能であり、したがって、費用は、特に大量生
産に関して、例えば少なくとも600g/の浴濃度で加工
するドラム技術の場合よりもかなり少ない。しかし、好
ましい挿入率を得るために、好ましい挿入率を得るため
に、比較実験が示すように、約5000g/の濃度が必要で
ある。
これに対し本発明によれば、40−60g/の懸濁濃度で
高い挿入率を達成することができた。
従来、懸濁粉末の形状その他の性質は重要でないと見
なされていた。それに対して、本発明によれば、意外な
ことに、不動態化した表面を有する球形粉末粒子が在来
の特に粉砕された粉末よりもかなり高い挿入率を可能に
することが見出された。結果として、本発明によれば、
驚くべきことに、懸濁濃度が相当に低くても保護層の品
質を高めることができる。
特に粒子表面の不動態化によって一様な層を構成する
ことができることがわかった。この一様性は、基体上に
被着される粒子が不導電性であり、したがって電解浴中
の粒子を取り巻く電束線の進み(Feldlinienverlaifs)
を反対に変えること(negative Veraenderung)を何ら
生ぜしめないことによるものである。結果として、マト
リックス内に粒子を挿入することが妨げられることな
く、粒子をマトリックスと共に塗被することができる。
本発明の優先的な別の構成において、この懸濁濃度は、
40g/乃至60g/の間である。この場合、特に一様な層
の構成が得られる。
特にCrAlYを、それによって得ることができる層が既
知の良好な耐腐食保護特性を有するので、金属粉末とし
て利用することができる。層特性についての他の要求に
応じて、特別の気体組成(硫黄腐食、バナジウム腐食)
に対する固着強度及び安定性に関して、粉末として、一
つ又は多数の次の合金:CrAlHf、CrAlYHf、CrAlTa、CrAl
YTa、CrNiAl、CrCoAl、CrAlSi、CrAl、MoCrSiを二者択
一的に利用することができる。
本発明の別の構成により、懸濁粒子が噴射法(粉末を
スプレイと同様のノズルで溶けた材料を圧縮することに
よって粒子を形成する方法。丸い粒子は飛行中に固化し
て丸いペレットに形成される)によって造られるとき、
懸濁粉末の製造を簡単に且つ費用を省いて行うことがで
きる。これによって噴射法のパラメーター及び周囲の雰
囲気の調整により、粒径及び表面不動態化の程度を調整
することができる。普通は、粒子の大きさは1μm及び
15μmの間に選択される。
特に、懸濁液は、空気導入、ポンプ及び/又は撹拌装
置によって電解質内に分散せしめられて保持される。こ
れによってドラム装置と比較して方法を簡単化すると共
に電解質内の粒子を連続的に良好に混合することができ
る。
例 1 ディスパージョンコーティング装置に、480g/のCoS
o4、35g/のH3BO3及び20g/のNaClを含むCo電解質を
入れた。ここにおいてペーハー値は、4.5と4.7の間に調
整された。球状の、粒径が10μm未満の不動態化した粉
末粒子を含むCrAlYを、懸濁濃度が100g/になるまで電
解質に加えた。次いでコーティングするタービン羽根を
陰極に結合し、浴中に浸漬した。電流密度2A/dm2の直流
を約100μmの厚みの層が得られるまで流した。次いで
タービン羽根を取り除き、コーティングを施したタービ
ン羽根の一つについて横磨面像を作成した(第1図)。
この場合、極めて一様な層構造であり、挿入率は約45容
量%であることが分かった。
次いで、タービン羽根を1050℃の温度で真空下に50時
間放置した。これによって合金が形成され、既知の方法
(PVD、熱溶射法)と同様な層が製造された。第2a図
は、析出直後のCo−CrAlYがコートされた見本のクロム
の元素分散像を示す。第2b図は、熱処理後のクロムの元
素分散像を示す。
例 2(比較例) 比較のために同じ電解質内に10μm未満の粒径のCrAl
Yの粉末が300g/の濃度に添加された。その場合、粉末
は、有機流体中で摩砕することによって製造された。こ
の場合得られた層の磨面像(横磨面)は第3図に示され
ている。この場合、挿入率は15容量%であった。
例 3(従来技術) 同組成(例1及び2と同様な組成)のCo電解質浴内
に、論文「メッキ及び表面仕上げ(Plating in Surface
finishing)」1986年10月、42頁に開示された実施例に
したがって、回転ドラムを入れ、且つ球形のCrAlY粉末
を5700g/の濃度に入れた。この粒子は10μm未満の粒
径を有するものであった。第4図に示すように高い35容
量%の挿入率を得ることができたが、しかし乳頭様の瘤
を有する非常に不規則な電着物が得られた。更に羽根の
縁の塗被厚は羽根の中央領域よりもかなり大きかった。
〔発明の効果〕
以上、本発明によれば、40容量%以上の挿入率で金属
マトリックス内に懸濁粉末を有する、一様な、しかも品
質的に高い耐高温ガス腐食層を、少ない費用で得ること
ができる。
【図面の簡単な説明】
図面は金属層の組成を示す写真で、 第1図は本発明の例1の見本の横磨面像を示し、 第2a図は本発明の例1の析出直後のCo−CrAlYがコート
された見本のクロムの元素分散像を示し、 第2b図は本発明の例1の熱処理後のクロムの元素分散像
を示し、 第3図は比較例である例2において得られた層の磨面像
を示し、 第4図は従来例による例3において得られた層の磨面像
を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ・リンスカ ドイツ連邦共和国 8018 グラフィング シュロッスストラッセ 20 (72)発明者 マルチン・トーマ ドイツ連邦共和国 8000 ミュンヘン 40 ギセラストラッセ 3 (56)参考文献 特開 昭61−179900(JP,A)

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】構造物の構成部材の上に電気的に析出され
    た耐高温ガス腐食層を形成する電気的に析出された耐高
    温ガス腐食層の製造方法であって、 (a)コバルト及び/又はニッケルからなるマトリック
    ス材料を含む電解質を調製し、 (b)アルミニウム及び/又はクロム合金の球形粉末粒
    子を調製し、 (c)前記球形粉末粒子の表面を不動態化し、 (d)前記電解質内に前記不動態化した球形粉末粒子
    を、電解質内の前記粒子の懸濁濃度100g/以下で懸濁
    させ、 (e)前記粒子を懸濁させた電解質により調製された電
    解浴内に前記構成部材を浸漬して所望の厚みの皮膜が得
    られるまで電着を行い、 (f)前記電解浴から取り出した前記皮膜が被着された
    構成部材に、合金皮膜が形成されるまで熱処理を施し、 皮膜中の金属マトリックス内への懸濁粉末の挿入率が容
    量40%以上の、一様な耐高温ガス腐食層を得ることを特
    徴とする電気的に析出された耐高温ガス腐食層の製造方
    法。
  2. 【請求項2】前記粒子の懸濁濃度は40−60g/であるこ
    とを特徴とする請求項1に記載の電気的に析出された耐
    高温ガス腐食層の製造方法。
  3. 【請求項3】合金粉末がCrAlYであることを特徴とする
    請求項1及び2に記載の電気的に析出された耐高温ガス
    腐食層の製造方法。
  4. 【請求項4】前記合金粉末がCrAlHf、CrAlYHf、CrAlTa
    又はCrAlYTa、CrNiAl、CrCoAl、CrAlSi、CrAl及びMoCrS
    iであることを特徴とする請求項1及び2の何れか一項
    に記載の電気的に析出された耐高温ガス腐食層の製造方
    法。
  5. 【請求項5】前記合金粉末をノズルで溶けた材料を圧縮
    することによって丸いペレット状に成形することを特徴
    とする請求項3乃至4の何れか一項に記載の電気的に析
    出された耐高温ガス腐食層の製造方法。
  6. 【請求項6】前記金属粉末の懸濁が、空気吹き込み、ポ
    ンピング又は撹拌によって行われることを特徴とする請
    求項1乃至4の何れか一項に記載の電気的に析出された
    耐高温ガス腐食層の製造方法。
  7. 【請求項7】前記熱処理が、900−1000℃の範囲の温度
    で行われることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一
    項に記載の電気的に析出された耐高温ガス腐食層の製造
    方法。
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