JP4174074B2 - 金属部材の処理方法 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、金属部材を処理する方法に関する。特に、本発明は、最初に超過速度オキシ燃料（ＨＶＯＦ）容射法を用いて金属製サブストレート上にて金属の肉盛りを行い、次いで高温静水圧圧縮（ＨＩＰ）熱処理を行う。
金属部材の製造にはよくコーティング作業が行われ、部材のサブストレート表面にコーティング層が提供される。該コーティング層を形成して金属部材を所望の仕上げ寸法に肉盛りし、仕上げられた製品に様々な表面属性を提供する。例えば、滑らかな耐食表面を備えるために酸化物層を形成してもよい。また、耐摩耗性を備えるために炭化物、コバルト、或いはアジ化チタン等の耐摩耗性コーティング層がよく切削工具上に形成されている。
切削工具表面に薄膜状の耐摩耗性コーティング材をたい積させるには、化学蒸着が通常用いられる。例えば、ドリルビットの寿命を延ばすために、化学蒸着を用いて高速度綱（ＨＳＳ）切削工具表面にコバルトの耐摩耗性コーティング層を形成する。サブストレートとコーティング材との結合は、狭い結合面内にて機械的な接着によって起こる。切削工具の切削表面のコーティング材には使用の際に剪断力が掛かり工具表面からフレーキングする。狭い結合面にて破損が生じやすくなる。
図１２（a）は、耐摩耗性コーティング層を備えた従来の工具ビットの側面図である。この場合、工具ビット全体が炭化物、コバルト、或いはアジ化チタン等の比較的硬い素材の平坦な薄膜を有することができるように耐摩耗性コーティング材を化学蒸着法によって塗布してもよい。該コーティング材と工具ビットとの接着の殆どは、その境界面での機械的結合によるものなので、使用中にサブストレートからフレーキング及びチッピングが起こり、工具ビットの寿命が制限される。図１２（b）は、固定された耐摩耗性の切削チップを有する従来の工具ビットの側面図である。この場合、比較的硬い金属製の切削チップは、比較的軟らかい工具ビットサブストレートに固定されている。通常炭化物或いはコバルト合金から成る金属製切削チップは、ろう付けすることによって工具ビットサブストレートに固定される。該工具は、長い間使用すると金属製切削チップと工具サブストレートとの間の比較的脆いろう付け面にて破損を生じやすく、また該工具ビットの寿命が制限される。
また、プラズマ容射としてよく知られたコーティング方法は、超高温の不活性ガスを用いてプラズマを発生させる。プラズマ流動によって粉末原料が導入されてワーク片に送られる。従来のプラズマ容射コーティング法では、コーティング材を比較的低い速度でたい積させ、その結果としてコーティング層内にボイドが形成され、気孔率が約５％のコーティング密度となる。また、サブストレートとコーティング材との結合は、結合面における機械的な接着によって主に起こる。そして、コーティング材に十分な剪断力が掛けられると、該コーティング材は、ワーク片サブストレートからフレーキングする。
また、ＨＶＯＦプラズマ容射法として知られたコーティング方法を用いると、ボイドが殆どないコーティングを行うことができる。実際、気孔率が０．５％以下となるほぼ１００％濃密なコーティング層が形成できる。ＨＶＯＦ容射において、燃料ガス及び酸素を使用して２５００乃至３１００Ｃ°の燃焼炎を発生させる。この燃焼は非常に高いチャンバの圧力にて起こり、超音速ガスの流動によって非常に高い粒子速度で小径のバレル内のコーティング材が押される。ＨＶＯＦ容射によって、極めて濃密で良好な結合コーティングが得られる。典型的に、気孔率が約０．５％を越えるほぼ１００％濃密なＨＶＯＦコーティングを形成できる。ＨＶＯＦ容射を用いて得られる高い粒子速度によって、コーティング材とサブストレートとの間において、プラズマ容射法、或いは化学蒸着法等に比べて比較的良好な結合が得られる。しかし、ＨＶＯＦ容射法においてもコーティング材とサブストレートとは、その結合面にて起こる主に機械的な接着によって結合する。
比較的濃密なコーティング方法としては他にデトネーションガンコーティングがある。浮遊した粉末材を酸素及び燃料ガスと共に長いチューブに供給する。混合物は、制御された爆発の際に燃える。従って高温及び高圧となり、コーティングされるサブストレートに向かって粒子をチューブの端部から吹き付ける。
金属部材の成形する方法として鋳造が知られている。典型的に、サブストレートブランク材は、ほぼ仕上げ寸法に鋳造される。鋳造されたサブストレートブランク材に対して、切削、研削、研磨等の各種の機械加工を施して所望の仕上げ寸法を有する金属部材を最終的に獲得する。鋳造金属部材は、鋳造表面構造体内の汚染物及びボイドが原因で欠陥を有する。該欠陥は、機械加工によって部材の表面層から取り除く、及び／若しくは表面コーティングを行うことで除去できる。
鋳造は手の込んだ方法では起こり得ない課題に対処しなければならない。主なものとしては、費用のかさむ手の込んだゲート技術及び他の方法を用いることによって最小にできるポロシティ及び収縮である。該ポロシティ及び収縮は、歩留まりを低下させることもある。しかし、ほぼ最終的或いは最終的な形状となるように製造する機能は魅力ある要因である。あるケースでは、手の込んで費用のかかるゲート技術を使わずに部材を意図的に鋳造で作製し、該部材にＨＩＰ処理を施して表面下のポロシティを無くす経済的な方法が採られている。ＨＩＰ処理の後、濃密なサブストレートが得られるまで該部材の表面を切削する。
金属部材の製造において、所望の表面テクスチャー、素材特性、及び寸法公差を備えた製品を製造するためには費用のかかる作業を伴うことが多い。例えば、金属部材のよく知られた製造方法では、金属部材の鋳造ステップ、ＨＩＰ処理を用いた金属部材の処理ステップ、及びその後の金属部材の切削を行うことによって表面欠陥を除去して所望の寸法公差を獲得するステップが他に必要である。
ＨＩＰ処理は、鋳造金属部材の濃密化に使用され、且つ粉末金属を圧密にするための拡散結合技術としても利用されている。ＨＩＰ処理方法において、処理される部分を高温にして等方圧を掛ける。典型的には、処理される部分を構成する素材の融点の０．６乃至０．８倍の温度まで該部分を加熱して、該素材の耐力の０．２乃至０．５倍程度の圧力を該部分に掛ける。加圧は、アルゴン等の不活性ガスを圧力容器にポンプで送ることによって行う。圧力容器内は高温の炉となっており、ガスを所望の温度まで加熱する。該温度及び圧力を所定の時間保ち、その後ガスを冷却してガス抜きを行う。
ＨＩＰ処理方法を使用してほぼ最終的な形状を有する部材が製造されるので、その後の切削作業の必要があまりない、或いはその必要がなくなる。更に、ＨＩＰ処理の時間と圧力と温度とを正確に制御することによって、処理された部分の特定のミクロ組織が得られる。
羽根及び翼といったガスタービン部材等の金属性合金部材は、使用中に損傷を受けることがある。ガスタービン部材は、その動作中において、高温の浸食環境内にて遠心力及び高圧力によって著しい劣化を起こす。ガスタービン部材は、外部の粒子との衝突によって著しい損傷を受けることもある。この劣化によって、寿命が制限される。これらの部品の製造には費用がかかることから、損傷したガスタービン羽根及び翼を復元するための様々な補修方法が採用されている。
ガスタービン羽根及び翼を補修に採用されている方法として、例えばクレテラ等（Cretella et al）に付与された米国特許第４２９１４４８号、同じくクレテラ等に付与された米国特許第４０２８７８７号、フレイサー（Fraser）に付与された米国特許第４８６６８２８号、及びシャンカー等（Shankar et al）に付与された米国特許第４８３７３８９号がある。
クレテラの米国特許第４２９１４４８号は、使用期間中の摩耗によって原寸法を失ったタービンブレードシュラウド（turbine blade shrouds）を復元する方法を開示している。この公報では、部材の摩耗箇所に対して該部材のサブストレートと同様の化学物質の溶接ワイヤでティグ溶接を行い、仕上げ研磨を行う方法の使用が開示されている。その後該部材に同様の化学物質でプラズマ容射して殆ど仕上げ作業を要さない、或いは全く要さない最終的な形状が得られる。そして該部材をアルゴン雰囲気中で焼結する。クレテラの米国特許第４２９１４４８号に従って使用されるプラズマ容射によって、コーティング層の気孔率は約５％となる。焼結を行った後でもコーティング材は、サブストレート及び溶接材に接着している。しかし、この接着は、境界面の結合層における機械的な結合に過ぎず、仕上げられた片がチッピング及びフレーキングを起こす恐れがある。
クレテラの米国特許第４０２８７８７号は、使用期間中の摩耗によって原寸法を失ったタービンの翼を復元する方法を開示している。真空或いは水素雰囲気の炉内にて焼結を行う前に従来のプラズマ容射法で翼の摩耗領域に対して肉盛りを行う。コーティング層のポロシティ及び境界面の結合層が原因でチッピング及びフレーキングを起こしやすい構造となってしまう。
フレイサーは、蒸気タービン羽根或いは翼を補修する方法を開示している。これは、該羽根或いは翼を連結する方法（即ちレーシングワイヤ）を利用している。フレーサーに開示されている方法によると、損傷を受けた部材の領域を除去して同様の金属片を新たに該部材に溶接する。部材のレーシングホール（lacing hole）にはプラグ溶接が施される。そして該部材にホットストライキング（hot striking）を行って外形を元通りにする。レーシングホールは再度穴空けされる。
シャンカー等は、エンジンの作動によって損傷したガスタービン羽根を補修する方法を開示している。低圧プラズマ容射コーティングを翼に施して、部材の外形を研磨することによって成形する。拡散コーティング方法を用いてアルミニウムのコーティング材を塗布する。そして再び従来の低圧プラズマ容射でコーティング材とサブストレートとの境界面にて機械的な結合を起こす。その結果として、チッピング及びフレーキングによって破損が生じやすい構造となってしまう。
発明の概要
本発明は、従来技術の欠点を克服し、金属部材を成形、処理、及び／若しくは補修する方法を提供し、金属部材の冶金特性を向上させる。本発明の目的は金属サブストレートと塗布されたコーティング材とが拡散結合する金属製品を成形する方法を提供することである。本発明のもう１つの目的は、工具サブストレートの切削表面に拡散結合する耐摩耗コーティング層を有する切削工具を成形する方法を提供する。本発明の更なるもう１つの目的は、鋳造金属部材に形成された拡散結合コーティング層を有する鋳造金属製品を成形する方法を提供することである。本発明の更なる他の目的は、金属製タービンエンジン部品に該部品と同様な金属が拡散結合するようなタービンエンジン部品の補修方法を提供することである。
本発明によると、金属サブストレートと塗布されたコーティング材とが拡散結合する金属製品を成形する方法が提供される。本発明の方法の最初のステップは、最終ワーク片製品の属性を決めることである。例えば、最終ワーク製品が切削工具である場合、その属性には、比較的安価な工具サブストレートに形成された耐摩耗性表面が含まれる。そして、選択した属性から適切なサブストレート組成物を決定する。切削工具の例として、サブストレートの組成物は、比較的安価に成形でき、意図した目的に対して十分な耐久性を有する高速度綱でもよい。ワーク片サブストレートは、鋳造、押し出し成形、金型成形、切削加工等の周知の方法を用いてほぼ仕上げ寸法に成形できる。選択した属性から適切なコーティング材の組成物を決定する。切削工具の例として、コーティング材をコバルト、炭化物、アジ化チタン等の比較的硬く耐久性のある多数の金属及び合金から選ぶことができる。サブストレート及びコーティングの組成物は、互いの冶金適応性で選択する。
高密度コーティングを行うためにワーク片サブストレートを作製する。この作製には、洗浄、ブラスト法、切削、マスキング、或いは他の作業を含んでもよい。ワーク片サブストレートを作製したら、高密度コーティングを行いワーク片サブストレートをコーティングする。ＨＩＰ処理（以下で記述）を行った後で所望の仕上げ寸法を獲得するのに有効な厚さになるようにコーティング材で肉盛する。高密度コーティング法はＨＶＯＦ容射法で構成できる。ＨＶＯＦ容射の場合、燃料ガス及び酸素を使用して２５００乃至３１００Ｃ°の燃焼炎を発生させる。この燃焼は非常に高いチャンバの圧力にて起こり、超音速ガスの流動によって小径のバレル内のコーティング材１２が非常に高い粒子速度で押される。ＨＶＯＦ容射によって、極めて濃密で良好な結合コーティング層が得られる。通常、約０．５％の気孔率を備えたほぼ１００％濃密なＨＶＯＦコーティング層の形成が可能となる。ＨＶＯＦ容射法を用いて得られた高い粒子速度によって、コーティング材とサブストレートとの間において、従来のプラズマ容射法或いは化学蒸着法等の他のコーティング方法に比べて比較的良好な結合が得られる。しかし、ＨＶＯＦ容射法においてもコーティング材とサブストレートとの結合境界面には主に機械的な接着によって起こる結合が形成される。以下で説明するが、本発明において、コーティング材とワーク片サブストレートとを拡散結合させることによって、この機械的な結合は、冶金的な結合に変えられる。この拡散結合によって、通常は破損個所となる結合境界面がなくなる。
拡散結合は、コーティングされたワーク片サブストレートをＨＩＰ処理することによって起こる。所望の最終属性とワーク片サブストレートとコーティング材とから適正なＨＩＰ処理パラメータを選択する。コーティングされたワーク片サブストレートにＨＩＰ処理を施すことによって、所望の仕上げ寸法及びコーティング材とワーク片サブストレートとの間で拡散結合を有する金属製品を得る。
粉末金属を圧密にするための拡散結合技術として、且つ鋳造金属部材の濃密化の際にＨＩＰ処理を従来通り使用する。ＨＩＰ処理方法において、処理される部分を高温にして等方圧を掛ける。典型的には、処理される部分を構成する材料の融点の０．６乃至０．８倍の温度まで該部分を加熱して、該素材の耐力の０．２乃至０．５倍程度の圧力を該部材に掛ける。加圧は、アルゴン等の不活性ガスを圧力容器にポンプで送ることによって行う。圧力容器内は高温の炉となっており、ガスを所望の温度まで加熱する。該温度及び圧力を所定の時間保ち、その後ガスを冷却してガス抜きを行う。
ほぼ最終的な形状を有する部材を製造するためにＨＩＰ処理方法を使用することによって、その後の切削作業があまり必要でない、或いはその必要がなくなる。更に、ＨＩＰ処理の時間と圧力と温度とを正確に制御することによって、処理された部分の特定のミクロ組織が得られる。
本発明では、ＨＶＯＦ容射でコーティングされたサブストレートに対してＨＩＰ処理を施して比較的弱い機械的な結合に過ぎない接着結合を冶金的な結合である拡散結合に変換する。本発明では、ＨＩＰ処理の際に起こる濃密化が効率よく行われるのに十分な密度を有するコーティング材を塗布するためにＨＶＯＦ容射コーティング方法を用いている。コーティング材及びワーク片サブストレートが同じ金属組成物で構成されている場合、拡散結合によってサブストレートとコーティング材との間には継ぎ目がなくなる。
本発明の方法は、耐摩耗性表面を有する金属製品の成形に使用できる。本発明の方法は、例えば、比較的安価な切削工具サブストレートから長持ちする切削工具を製造するのに使用できる。本発明の概念によると、ワーク片サブストレートはほぼ仕上げ寸法に成形される。ＨＶＯＦ容射方法等の高密度コーティング方法によって、ワーク片サブストレートを耐摩耗性コーティング材でコーティングする。ＨＩＰ処理を行った後で所望の仕上げ寸法を獲得するのに有効な厚さになるようにコーティング材で肉盛りする。所望の仕上げ寸法及びコーティング材とワーク片サブストレートとの間で拡散結合を有する金属製品を得るために、コーティングされたワーク片サブストレートにＨＩＰ処理を施す。
本発明の方法は鋳造金属製品の成形にも使用できる。本発明の方法を採用することによって、例えば、硬い及び／若しくは滑らかな表面を有する鋳造部品を製造できる。本発明によると、部品は、仕上げ寸法より小さい寸法に鋳造される。又は、鋳造部品は、仕上げ寸法より小さい寸法に切削加工される。その後鋳造部品は、本願に記載のＨＶＯＦ容射コーティング法を用いてコーティングされる。該部品を仕上げ寸法にするのに十分な厚さとなるようにＨＶＯＦ容射コーティングを行う。次いで、ＨＶＯＦ容射でコーティングされた鋳造部品は、本願に記載のＨＩＰ処理され、所望の寸法及び表面特性を有する仕上げ部品を獲得する。
本発明の概念に従って、鋳造金属ワーク片を提供する。鋳造金属ワーク片は、インベストメント鋳造法、サンド・アンド・レジンシェルキャスティング（sand and resin shell casting）等の従来の鋳造法で成形してもよい。
鋳造金属ワーク片を必要により切削してほぼ仕上げ寸法にする。ＨＶＯＦ容射法等の高密度コーティング方法を行い、ワーク片サブストレートをコーティング材でコーティングする。ＨＩＰ処理を施した後で所望の仕上げ寸法を獲得するのに有効な厚さになるようにコーティング材で肉盛りする。所望の仕上げ寸法及びコーティング材とワーク片サブストレートとの間で拡散結合を有する金属製品を得るためにコーティングされたワーク片サブストレートに対してＨＩＰ処理を行う。本発明の方法は、羽根或いは翼等のタービンエンジン部品の補修に採用できる。本発明の概念によると、金属或いは金属性合金から成るタービンエンジン部品をまず最初に洗浄する。元の金属製エンジン部品と同じ金属或いは金属性合金から成る溶接材を用いてタービンエンジン部品の浸食部分を必要により溶接する。溶接作業を行うことによって、タービンエンジン部品の損傷が激しい部分或いは浸食部分を肉盛りする。損傷が激しくない場合は、溶接作業を省いてもよい。通常、溶接作業によって溶接の痕跡である線ができる。この線の部分を平坦に研削して、ブラスト材がその線にはまるのを防ぐ。タービンエンジン部品におけるＨＶＯＦ容射が行われない部分をマスキングし、ＨＶＯＦ容射に備えてタービンエンジン部品を再び洗浄する。タービンエンジン部品の非マスキング部分にＨＶＯＦプラズマ容射を行う。ＨＶＯＦプラズマ容射材（コーティング材）は、元の金属製エンジン部品と同じ金属性合金から成る。ＨＶＯＦプラズマ容射材を塗布して肉盛りして、タービンエンジン部品のコーダル（cordal）寸法をタービンエンジン部品の最初のコーダル寸法よりも厚くする。コーティングされたタービンエンジン部品にＨＩＰ処理を行いコーティング層を濃密にして、コーティング材と元のタービンエンジン部品と溶接材との間で拡散結合させ、タービンエンジン部品と溶接材とコーティング材との間に形成されるボイドをなくす。最後に、タービンエンジン部品を切削、研削、及び／若しくは研磨して最初のコーダル寸法にする。
【図面の簡単な説明】
図１は、耐摩耗性コーティング層を有する金属部材及び金属製品を成形する本発明の方法の過程を示したフローチャートである。
図２（a）は、耐摩耗性コーティング層を有する金属部材を成形する本発明の方法に従って提供される工具サブストレートの概略図である。
図２（b）は、耐摩耗性コーティング層を有する金属部材を処理する本発明の方法に従ってＨＶＯＦ容射法を用いて塗布された耐摩耗性コーティング層を有する工具サブストレートの概略図である。
図２（c）は、耐摩耗性コーティング層を有する金属部材を成形する本発明の方法に従ってＨＩＰ容器にてＨＩＰ処理が施されているＨＶＯＦ容射コーティングされた工具サブストレートの概略図である。
図２（d）は、耐摩耗性コーティング層を有する金属部材を成形する本発明の方法に従って工具サブストレートに拡散結合された耐摩耗性コーティング層を有するＨＶＯＦ容射コーティング及びＨＩＰ処理が施された最終工具の概略図である。
図３（a）は、金属製品を成形する本発明の方法に従って切削作業が施されている鋳造金属部材の概略斜視図である。
図３（b）は、金属製品を成形する本発明の方法に従った切削された鋳造金属部材の概略斜視図である。
図３（ｃ）は、金属製品を成形する本発明の方法に従ってＨＶＯＦ容射を用いて塗布されたコーティング層を有する切削された鋳造金属部材の概略斜視図である。
図３（d）は、金属製品を成形する本発明の方法に従ってＨＩＰ容器にてＨＩＰ処理が施されているＨＶＯＦ容射コーティング及び切削された鋳造金属部材の概略斜視図である。
図３（e）は、金属製品を成形する本発明の方法に従い切削された鋳造金属部材に拡散結合されたコーティング層を有し、且つＨＶＯＦ容射コーティング及びＨＩＰ処理された最終切削鋳造金属製品の概略斜視図である。
図４は、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法の過程を示すフローチャートである。
図５（a）は、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法を使用する前の摩耗したタービンエンジン部品の概略側面図である。
図５（b）は、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法が用いられる前の摩耗したタービンエンジン部品の概略断面図である。
図６（a）は、摩耗したタービンエンジン部品の概略側面図であり、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法を用いて補修される摩耗領域を示している。
図６（b）は、摩耗したタービンエンジン部品の概略断面図であり、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法を用いて補修される摩耗領域を示している。
図７（a）は、摩耗したタービンエンジン部品の概略側面図であり、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法に従って摩耗した部分と同様の溶接材で満たされた摩耗領域を示している。
図７（b）は、摩耗したタービンエンジン部品の概略断面図であり、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法に従って摩耗した部分と同様の溶接材で満たされた摩耗領域を示している。
図８（a）は、溶接されたタービンエンジン部品の概略側面図であり、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法に従ってＨＶＯＦ容射コーティング方法を用いて該タービンエンジン部品と同様のコーティング材で肉盛りされた領域を示している。
図８（b）は、溶接されたタービンエンジン部品の概略断面図であり、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法に従ってＨＶＯＦ容射を用いて該タービンエンジン部品と同様のコーティング材で肉盛りされた領域を示している。
図９（a）は、ＨＶＯＦ容射で肉盛りされ且つ溶接されたタービンエンジン部品の概略側面図であり、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法に従ってＨＶＯＦ容射コーティングを施す前にマスキングした領域を示している。
図９（b）は、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法に従ってＨＶ〇Ｆ容射で肉盛りされ且つ溶接されたタービンエンジン部品の概略断面図である。
図１０は、ＨＶＯＦ容射で肉盛りされ且つ溶接されたタービンエンジン部品の概略図であり、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法に従ってＨＩＰ容器にてＨＩＰ処理が施されている。
図１１（a）は、ＨＶＯＦ容射でコーティングされＨＩＰ処理して補修された最終タービンエンジン部品の概略側面図であり、該タービンエンジン部品は、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法に従って溶接部及び元のサブストレートに拡散結合した該タービンエンジン部品と同様の金属コーティング層を有している。
図１１（b）は、ＨＶＯＦ容射でコーティングされＨＩＰ処理して補修された最終タービンエンジン部品の概略断面図であり、該タービンエンジン部品は、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法に従って溶接部及び元のサブストレートに拡散結合した該タービンエンジン部品と同様の金属コーティング層を有している。
図１２（a）は、耐摩耗性コーティング材でコーティングされた従来の工具ビットの側面図である。
図１２（b）は、固定された耐摩耗性切削チップを有する従来の工具ビットの側面図である。
本発明の詳細な説明
本発明の原理をより理解するべく、図面に示された実施例を参照し、該実施例を説明するために特定の言語を使用する。しかしそれは本発明の範囲を意図するものではなく、本発明に関係する分野で通常の知識を有する者にとって実行可能であるような図示された装置の変形例、及び開示される本発明の原理の更なる応用例が考えられることは理解できよう。
図１は、耐摩耗性コーティング層を有する金属部材及び金属製品を成形する本発明の方法の過程を示すフローチャートである。本発明に従って、金属サブストレートと塗布されたコーティング材との間で拡散結合を起こす金属製品の成形方法を提供する。本発明の方法の第１のステップは、最終ワーク片製品の属性を決定するステップである（ステップ１）。例えば、最終ワーク片製品が切削工具である場合、比較的安価な工具サブストレート１０に形成された耐摩耗性表面が属性に含まれる。最終ワーク片が鋳造金属部材である場合、装飾性があり、滑らかな最終表面が鋳造サブストレート１６には望ましい。
次いで、選択した属性から適切なサブストレート組成物を決定する（ステップ２）。切削工具の例では、サブストレート組成物は、比較的安価に成形でき、意図した目的には十分なる耐久性を有する高速度綱でもよい。鋳造金属部材の場合、鋳造ワーク片サブストレートは、鋳鉄或いはアルミニウム（或いは他の鋳造金属或いは金属性合金）から成形できる。ワーク片サブストレートは、鋳造、押し出し成形、金型成形、切削加工等の周知の方法を用いてほぼ仕上げ寸法に成形できる（ステップ３）。選択した属性から適切なコーティング材１２の組成物を決定する（ステップ４）。又、切削工具の例では、コーティング材１２をコバルト、炭化物、アジ化チタン等の比較的硬く耐久性のある多数の金属及び合金から選ぶことができる。鋳造金属部材の例では、酸化アルミニウムを選択して装飾性及び耐食性のある表面を提供する。サブストレート及びコーティング剤の組成物は、互いの冶金的な適用性で選択する。
高密度コーティングを行うためにワーク片サブストレートを作製する（ステップ５）。この作製には、洗浄、ブラスト法、切削、マスキング、或いは他の作業を含んでもよい。ワーク片サブストレートを作製したら、高密度コーティングを行いワーク片サブストレートをコーティングする（ステップ６）。ＨＩＰ処理（以下で記述）を行った後で所望の仕上げ寸法を得るために有効な厚さとなるようにコーティング材１２で肉盛りする。高密度コーティング法はＨＶＯＦ容射法から成る。ＨＶＯＦ容射の場合、燃料ガス及び酸素を使用して２５００乃至３１００Ｃ°の燃焼炎を発生させる。この燃焼は非常に高いチャンバの圧力にて起こり、超音速ガスの流動によって小径のバレル内のコーティング材１２が非常に高い粒子速度で押される。ＨＶＯＦ容射によって、極めて濃密で良好な結合コーティングが得られる。典型的に、気孔率が約０．５％のほぼ１００％濃密なＨＶＯＦコーティング層を形成できる。
従来のプラズマ容射法、或いは化学蒸着法等と比較した場合、ＨＶＯＦ容射を用いることで得られる高い粒子速度によって、比較的良好な結合がコーティング材１２とサブストレートとの間において得られる。しかし、ＨＶＯＦ容射法においてもコーティング材１２とサブストレートとの結合面には主に機械的な接着によって起こる結合が形成される。以下で説明するように、本発明によると、コーティング材１２とワーク片サブストレートとの間を拡散結合させることによって、この機械的な結合は、冶金的な結合に変換される。この拡散結合によって、通常は破損個所となる結合境界面がなくなる。
拡散結合は、コーティングされたワーク片サブストレートをＨＩＰ処理することによって起こる。所望の最終属性とワーク片サブストレートとコーティング材とから適正なＨＩＰ処理パラメータを選択する（ステップ７）。所望の仕上げ寸法及びコーティング材１２とワーク片サブストレートとの間で拡散結合を有する金属製品を獲得するべく、コーティングされたワーク片サブストレートにＨＩＰ処理を施す（ステップ８）。
ワーク片サブストレートを適宜に成形することによって、ＨＶＯＦプラズマ容射法を行う場合のコーティング材１２の肉盛りを正確に制御して仕上げワーク片製品の最終寸法を得ることができる。若しくは、ＨＩＰ処理を施してＨＶＯＦ容射でコーティングされたワーク片サブストレートを必要により切削して最終寸法を得てもよい（ステップ９）。
粉末金属を圧密にするための拡散結合技術として、且つ鋳造金属部材の濃密化にＨＩＰ処理を従来通りに使用する。ＨＩＰ処理方法において、処理される部分を高温にして等方圧を掛ける。典型的には、処理される部分を構成する素材の融点の０．６乃至０．８倍の温度まで該部分を加熱して、該素材の耐力の０．２乃至０．５倍程度の圧力を該部分に掛ける。加圧は、アルゴン等の不活性ガスを圧力容器１４にポンプで送ることによって行う。圧力容器１４内は高温の炉となっており、ガスを所望の温度まで加熱する。該温度及び圧力を所定の時間保ち、その後でガスを冷却してガス抜きを行う。
ほぼ最終的な形状を有する部材を製造するためにＨＩＰ処理方法を使用することによって、その後の切削作業があまり必要でなくなる、或いはその必要がなくなる。更に、ＨＩＰ処理の時間と圧力と温度とを正確に制御することによって、処理された部分の特定のミクロ組織が得られる。
本発明では、ＨＶＯＦ容射でコーティングされたサブストレートに対してＨＩＰ処理を施すことによって、比較的弱い機械的な結合に過ぎない接着結合を比較的強い冶金的な結合である拡散結合に変換する。本発明では、ＨＩＰ処理の際に起こる濃密化が効率よく行われるのに十分な密度を有するコーティング材１２を塗布するためにＨＶＯＦ容射コーティング方法を用いている。コーティング材１２及びワーク片サブストレートが同じ金属組成物で構成されているとき、拡散結合によってサブストレートとコーティング材との間には継ぎ目がなくなる。
図２（a）乃至図２（d）に示されるように、本発明の方法は、耐摩耗性表面を有する金属製品の成形に使用できる。図２（a）は、耐摩耗性コーティング層を有する金属部材を成形する本発明の方法に従って提供された工具サブストレート１０を示す概略図である。本発明の方法は、例えば、比較的安価な切削工具サブストレート１０から長持ちする切削工具の製造に使用できる。
本発明の概念によると、ワーク片サブストレートをほぼ仕上げ寸法に成形する。工具サブストレート１０は、ドリルビット、エンドミル、旋盤工具ビット、のこ刃１８、かんな、カッティングツールインサート（cutting tool insert）、或いはその他の切削工具部品でもよい。若しくは、サブストレートは、切削工具以外でもよい。例えば、アイススケートの刃１８S、及びスキーのエッジを本発明に従って処理してもよく、その場合長期摩耗用の刃を得ることができる。台所にあるナイフを本発明に従って処理してもよく、その場合は定期的に研ぐ必要があまりなくなる、或いはその必要がなくなる。更に、ペン先及び釣り針等の製品を本発明に従って処理し、耐久性の向上という恩恵を受けることができる。長期の摩耗に耐えることと、濃密な表面構造とが長所になる金属部材であれば、本発明が有効である。例えば、蒸気タービンのエロージョンシールド（erosion shield）、フライアッシュファンの羽根１８S、動力プラントコンベアは、全て摩耗及び／若しくは表面浸食の影響を受ける。本願に記載の如く、これらの製品の効率を上げる保護表面特性を提供するために本発明が使用できる。
図２（b）は、本発明の方法に従ってＨＶＯＦ容射方法を使用して塗布された耐摩耗性コーティング層を有する工具サブストレート１０の概略図である。例えばＨＶＯＦノズルを用いて工具サブストレート１０を耐摩耗性コーティング材１２でコーティングするために、ＨＶＯＦ容射方法等の高密度コーティング方法を行う。ＨＩＰ処理を行った後で所望の仕上げ寸法を獲得するのに有効な厚さにするためにコーティング材１２の肉盛りを施す。
図２（ｃ）は、ＨＶＯＦ容射でコーティングされた工具サブストレート１０の概略図であり、ＨＩＰ容器１４にてＨＩＰ処理を施している。所望の仕上げ寸法及びコーティング材１２とワーク片サブストレートとの間で拡散結合を有する金属製品を得るために、コーティングされたワーク片サブストレートにＨＩＰ処理を施す。
図２（d）は、ＨＶＯＦ容射でコーティングされ、ＨＩＰ処理を施した最終工具の概略図であり、該最終工具は、工具サブストレート１０に拡散結合した耐摩耗性コーティング層を有している。本発明に従うと、元のサブストレートとコーティング材１２との間を拡散結合させることによって、該サブストレートと塗布されたコーティング材との間で形成される機械的結合は冶金的結合に変換される。拡散結合の場合、通常は破損個所となる境界面がない。従って、耐摩耗性、色彩、平滑度、テクスチャー等の所望の表面特性を有する優れた製品を獲得することができる。このような表面特性は（従来のコーティング或いはろう付けされた製品のように）結合境界面で急に終わることなく、製品の表面から元の金属素材まで程度は変化しながらも保たれている。
図３（a）乃至図３（e）は、所定の寸法及び表面特性を有する鋳造金属製品の成形に採用される本発明の方法を図示している。図３（a）は、鋳造金属ワーク片サブストレートの概略斜視図であり、該サブストレートに切削作業を施している。図３（a）に示されるように、鋳造金属ワーク片を必要によりほぼ仕上げ寸法に切削する。図３（b）は、切削された鋳造金属部材の概略斜視図である。
ＨＶＯＦ容射法等の高密度コーティングを行い、ワーク片サブストレートをコーティング材１２でコーティングする。図３（c）は、ＨＶＯＦ容射法を用いて塗布されたコーティング材を有する切削された鋳造金属部材の概略斜視図である。ＨＩＰ処理を施した後で所望の仕上げ寸法が得るのに有効な厚さにするため、コーティング材１２の肉盛りを行う。図３（d）は、ＨＶＯＦ容射でコーティングされた切削鋳造金属部材の概略斜視図であり、該部材にＨＩＰ容器１４にてＨＩＰ処理が施されている。所望の仕上げ寸法及びコーティング材１２とワーク片サブストレートとの間で拡散結合を有する金属製品を得るべく、コーティングされたワーク片サブストレートに対してＨＩＰ処理を行う。図３（e）は、ＨＶＯＦ容射コーティングしてＨＩＰ処理を施した最終切削鋳造金属製品の概略斜視図であり、該製品は、切削された鋳造金属部材に拡散結合したコーティング層を有する。
図４は、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法の過程を示すフローチャートである。本発明の方法は、羽根１８或いは翼等のタービンエンジン部品の補修に利用できる。本発明の概念によると、金属或いは金属性合金から成るタービンエンジン部品をまず最初に洗浄する（ステップ１）。元の金属製エンジン部品と同じ金属或いは金属性合金から成る溶接材を用いてタービンエンジン部品の浸食部分を必要により溶接する（ステップ２）。溶接作業を行うことによって、タービンエンジン部品の損傷が激しい部分或いは浸食部分は肉盛りされる。損傷が激しくなければ、溶接作業を省いてもよい。
通常、溶接作業によって溶接の痕跡である線ができる。この線の部分を平坦に研削して、ブラスト材がその線にはまるのを防ぐ（ステップ３）。タービンエンジン部品におけるＨＶＯＦ容射が行われない部分にマスキングを施し（ステップ４）、ＨＶＯＦ容射に備えてタービンエンジン部品を再び洗浄する（ステップ５）。タービンエンジン部品の非マスキング部分にＨＶＯＦプラズマ容射を行う（ステップ６）。ＨＶＯＦ容射材（コーティング材１２）は、元のタービンエンジン部品と同じ金属性合金から成る。ＨＶＯＦプラズマ材を塗布して肉盛りを施し、タービンエンジン部品のコーダル寸法をタービンエンジン部品の元のコーダル寸法よりも厚くする。コーティングされたタービンエンジン部品にＨＩＰ処理を行いコーティング材１２を濃密にし、コーティング材１２と元のタービンエンジン部品と溶接材との間で拡散結合させ、タービンエンジン部品と溶接材とコーティング材との間に形成されるボイドをなくす（ステップ７）。最後に、タービンエンジン部を切削、研削、及び／若しくは研磨して元のコーダル寸法にする（ステップ８）。
図５（a）及び図５（b）は、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法を施す前の摩耗したタービンエンジン部品の概略側面図及び概略断面図である。羽根１８S及び翼といったガスタービンエンジン部品等の金属性合金部材は、使用中に損傷を受けることがある。ガスタービンエンジン部品は、その作動の際、高温の浸食環境内にて遠心力及び高圧力によって著しい劣化を起こす。ガスタービン部品は、外部の粒子との衝突によって著しい損傷を受けることもある。この劣化によって、部品の寿命が制限される。これらの部品の製造には費用がかかるので、損傷したガスタービン羽根１８S及び翼を復元するために様々な従来の補修方法が採用されている。しかし、これら従来の補修方法には労働者による切削及び溶接作業を要し、部品に損傷させるような応力を与えることが少なくない。また、これらの従来の補修方法の場合、典型的に低圧プラズマ容射法を利用してコーティング材１２を塗布する。従来のプラズマ容射法は、比較的低い速度でコーティング材１２をたい積させる方法であるが、コーティング材の中でボイドが形成され、典型的に気孔率５．０％のコーティング密度となる。又、サブストレートとコーティング材との結合は、その結合境界面にて機械的な接着によって主に行われる。そしてコーティング材に十分な剪断力が掛けられた場合、該コーティング材はフレーキングを起こしてワーク片サブストレートから離脱する。更に、従来のプラズマ容射コーティングによって得られたコーティング層の気孔率が高いと、本願に記載のＨＩＰ処理方法による拡散結合が十分に行われない。
図６（a）及び図６（b）は、摩耗したタービンエンジン部品の概略側面図及び概略断面図であり、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法を用いて補修される摩耗領域２０を示している。鎖線で囲まれた領域は、元のタービンエンジン部品から失われた或いは浸食された材料を示す。本発明によると、この領域は、元の羽根１８と同じ素材と本発明の金属処理方法とを用いて再構成される。摩耗したタービンエンジン部品（この場合はタービンの羽根１８）をまず最初に洗浄し、溶接される摩耗表面を作製する（図４のステップ１参照）。
図７（a）及び図７（b）は、摩耗したタービンエンジン部品の概略側面図及び概略断面図であり、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法に従い摩耗した領域を該部品と同様な溶接材２２で満たした状態を示す（図４のステップ２参照）。本発明において、溶接材は、溶接材とサブストレートとの結合を非常に強力なものにする元の羽根１８の材料と同じ材料である。
図８（a）及び図８（b）は、溶接されたタービンエンジン部品２５の概略側面図及び概略断面図であり、タービンエンジン部品を補修する本発明に従ってＨＶＯＦ容射コーティング法を用いて領域２４を同様のコーティング材１２で肉盛りする様子を示す。本発明によると、コーティング材１２は、溶接材とサブストレートとの間を再び非常に強力に結合させる元の翼１８の材料と同じ材料である。
図９（a）及び図９（b）は、ＨＶＯＦ容射で肉盛りされて溶接されたタービンエンジン部品２７の概略側面図及び概略断面図であり、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法に従ってＨＶＯＦ容射コーティングを行う前にマスキングされた領域２６を示す。ＨＩＰ処理（以下に記載）を施した後で所望の仕上げ寸法を獲得するために有効な厚さとなるようコーティング材１２の肉盛りを行う。
高密度コーティング法は、ＨＶＯＦ容射法で構成できる。ＨＶＯＦ容射法の場合、燃料ガス及び酸素を用いて２５００乃至３１００Ｃ°の燃焼炎を発生させる。燃焼は、非常に高いチャンバの圧力で起こり、超音速ガスの流動によって小径のバレル内のコーティング材１２が非常に高い粒子速度で押される。ＨＶＯＦ容射法によって、極めて濃密で良好な結合コーティング層を形成できる。典型的に、約０．５％の気孔率を備えたほぼ１００％濃密なＨＶＯＦコーティング層を形成できる。従来のプラズマ容射法、或いは化学蒸着法等に比べた場合、ＨＶＯＦ容射法を用いることで得られた高い粒子速度によって、コーティング材１２とサブストレートとの間において比較的良好な結合が得られる。しかし、ＨＶＯＦ容射法においてもコーティング材１２とサブストレートとの結合面にて主に機械的な接着によって起こる結合が形成される。以下で説明するように、本発明によると、コーティング材１２とワーク片サブストレートとの間で拡散結合を起こすことによって、この機械的結合を冶金的結合に変換する。通常は破損個所となる境界面がこの拡散結合の場合にはない。
拡散結合は、コーティングされたワーク片サブストレートをＨＩＰ処理することによって起こる。所望の最終属性とワーク片サブストレートとコーティング材とから適正なＨＩＰ処理パラメータを選択する。コーティングされたワーク片サブストレートにＨＩＰ処理を施して、所望の仕上げ寸法及びコーティング材１２とワーク片サブストレートとの間で拡散結合を有する金属製品を得る。
図１０は、ＨＶＯＦ容射で肉盛りされて溶接されたタービンエンジン部品２７の概略図であり、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法に従いＨＩＰ容器１４にてＨＩＰ処理を施している状態を示す。
粉末金属を圧密にするための拡散結合技術として、且つ鋳造金属部材の濃密化にＨＩＰ処理を従来通りに使用する。ＨＩＰ処理方法において、処理される部分を高温にして等方圧を掛ける。典型的には、処理される部分を構成する素材の融点の０．６乃至０．８倍の温度まで該部分を加熱して、該素材の耐力の０．２乃至０．５倍程度の圧力を該部分に掛ける。加圧は、アルゴン等の不活性ガスを圧力容器１４にポンプで送ることによって行う。圧力容器１４内は高温の炉となっており、ガスを所望の温度まで加熱する。該温度及び圧力を所定の時間保ち、その後ガスを冷却してガス抜きを行う。
ＨＩＰ処理方法を使用してほぼ最終的な形状の部材を製造する。従って、その後の切削作業を行う必要があまりない、或いはその必要がなくなる。更に、ＨＩＰ処理の時間と圧力と温度とを正確に制御することによって、処理された部分の特定のミクロ組織が得られる。
図１１（a）及び図１１（b）は、ＨＶＯＦ容射コーティングされ、ＨＩＰ処理して補修した最終タービンエンジン部品２８の概略側面図及び概略断面図であり、該タービンエンジン部品２８は、タービンエンジン部品を補修する本発明の方法に従って元のサブストレートと溶接部とに拡散結合している該部品と同様の金属コーティング層を有する。ワーク片サブストレートを適宜成形することによって、ＨＶＯＦプラズマ容射法を行った場合のコーティング材１２の肉盛りを正確に制御して仕上げワーク片製品の最終寸法を正確に獲得することができる。若しくは、ＨＩＰ処理が施されＨＶＯＦ容射でコーティングされたワーク片サブストレートを必要により切削して最終寸法を得てもよい（ステップ８）。
金属部材を処理する本発明の方法に従って実験用の試験片を作製した。試験片のフォトマイクログラフ（photomicrograph）によって、本発明の方法を行った後のコーティング材１２とサブストレートとの拡散結合及び粒子構造が示された。ＨＶＯＦ容射でコーティングされた試験サブストレートにＨＩＰ処理を行うことによって、機械的な結合に過ぎないコーティング材とサブストレートとの接着結合を冶金的な結合である拡散結合に変換する。本発明によると、ＨＩＰ処理の際の濃密化が有効に行われるのに十分な密度を有するコーティング材１２を塗布するためにＨＶＯＦコーティング法を用いる。該試験片において、コーティング材１２及びワーク片サブストレートは、共に同じ金属組成物から成る。拡散結合によって、サブストレートとコーティング材との境目における構造の一体化特性が従来と比較してより強固となり、且つ摩耗特性が向上する。
コーティング材１２に肉盛りを施して約０．０２インチの厚さにすることによって試験片を作製した。そして、該試験片の断面を通過する方向に設けられた７つの場所（A乃至G）にて試験片の組成物を調べた。以下の表に示すように、試験片の断面を通過する方向において、組成物は実質的に一様であることが分かった。

処理されたワーク片のフォトマイクログラフによって、本発明の方法を実施した後のコーティング材１２とサブストレートとの拡散結合及び粒子構造が示されている。本発明によると、ＨＶＯＦ容射によって肉盛りされて溶接されたタービンエンジン部品に対してＨＩＰ処理を行うことによって、単なる機械的な結合に過ぎない接着結合を冶金的な結合である拡散結合に変換する。本発明においては、ＨＩＰ処理の際、有効に濃密化するのに十分な密度を有するコーティング材１２を塗布するために、ＨＶＯＦコーティング法を用いる。コーティング材１２及びワーク片サブストレートが同じ金属組成物から成る場合、拡散結合によってサブストレートとコーティング材との境界において、その移り変わりはスムースである。対照的に、従来のプラズマ容射法の場合、コーティングとサブストレートとの結合は比較的弱い。主に、該結合は境界面にて割合に局部的な機械的接着結合によるものである。
以上の記載に関し、サイズ、素材、形状、形態、機能、並びに操作、組立及び使用方法の変更を含む本発明における部品の最適な寸法関係は、当業者にとって容易且つ明白であることは理解できよう。図面にて図示され、且つ明細書にて記載されたものと等価的な関係にあるものは全て本発明に含まれている。
従って、上述の記載事項は、本発明の原理を示しているに過ぎない。更に、多くの変形例は、当業者にとって容易であるので、本発明は、図示及び記載された厳格な作業及び構成に限定されるものではない。従って、適切なる変形例及び等価物は、全て本発明の範囲に依るところである。

Claims (3)

1. タービンエンジン部品を補修する方法であって、
   金属合金製の前記タービンエンジン部品を洗浄するステップと、
   前記タービンエンジン部品と同じ金属合金から成る溶接材を用い、前記タービンエンジン部品の浸食部分に溶接痕跡線を形成すべく溶接を施すステップと、
   前記溶接痕跡線内にブラスト材が閉じ込められないよう前記溶接痕跡線を面一に研磨するステップと、
   前記タービンエンジン部品のＨＶＯＦ溶射されない部分をマスキングするステップと、
   ＨＶＯＦ溶射に備えて前記タービンエンジン部品を再洗浄するステップと、
   前記タービンエンジン部品と同じ金属合金から成る溶射材を用い、前記タービンエンジン部品を仕上げるために十分な厚さ寸法にするのに前記タービンエンジン部品の元の厚さ寸法よりも厚くなるよう、前記タービンエンジン部品をＨＶＯＦ溶射するステップと、
   前記タービンエンジン部品と前記溶射材との間のボイドを除去し、前記溶射材と前記エンジン部品との間に拡散結合を形成するため、前記エンジン部品にＨＩＰ処理を施すステップと、
   前記エンジン部品を元の厚さ寸法まで切削するステップと、
   から成るタービンエンジン部品補修方法。
2. 前記ＨＩＰ処理を施すステップは、前記金属合金の融点の８０％の温度まで前記エンジン部品を加熱するステップと、不活性ガス雰囲気中にて前記金属合金の耐力の２０乃至５０％の圧力を前記タービンエンジン部品に掛けるステップと、から成る請求項１に記載のタービンエンジン部品補修方法。
3. 前記エンジン部品は羽根又は翼である請求項１又は２に記載のタービンエンジン部品補修方法。

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