JP4469083B2 - 断熱層用接着層の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は部材に被着される断熱層用接着層の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱的な又は機械的な負荷が加えられる部材には例えば耐磨耗性層又は断熱層等の保護層が設けられている。このような外側層と部材の間には概して接着層が予め設けられる。このような接着層は外側層がしっかり固定されるように一定の粗さと表面地形を有していなければならない。
【０００３】
ガスタービン構造においては、例えばタービン羽根等の高熱が負荷される金属製部材には該部材と断熱層の間に接着層が予め設けられる。前記断熱層は酸化ジルコニウムを主材とし酸化カルシウム又は酸化マグネシウムの添加物を有するものである。接着層は、外側層をしっかり固定するための粗さのほかに、酸化物がなく(oxidfrei)、耐熱ガス腐食性を有するものでなければならない。断熱層並びに金属部材の材料は概して異なる熱膨張が発生するので、これらの熱膨張は更に接着層によって少なくとも部分的に調整されなければならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記接着層として、所謂粉末パック法(Pulverpackverfahren) 又はパック外法(Out of Pack-Verfahren)によって造られるAl、Cr又はSiを含む拡散層が知られている。前記方法によって造られた拡散層の欠点は、その加工しにくさと約１００μmまでの制限された層厚にある。
【０００５】
その他の既知のMCrAlYをベースとする所謂支持層は、プラズマ溶射法によって部材の上に溶射されるか、又は蒸着法によって電子ビームに関して安定した層部分が部材上に形成される。そのとき約３００μm までの層厚が得られる。前記方法は製造技術的に非常に費用がかかり、高くつくものである。その他の欠点は、形状が複雑な部材上に層を一様に形成することができず、層の組成のばらつきが生じ、溶射するとき又は蒸着するときに層の元素が酸化することである。
【０００６】
日本特許出願公開昭５５−８２７６１号から、熱ガスにさらされる、例えばガスタービン等の部材を、先ずバインダーと混合されたNi粉末を部材に被着し、熱処理し、次いで熱処理した前記層内にCrを化学的気相成長法によって取り込むか又はAlをパック法によって取り込み、最後にその上にPt、Pd又はRhを析出させ、熱処理することにより、保護することが知られている。
【０００７】
本発明の課題は、製造技術的に可能な限り簡単であり、コストの安い、上記した種類の層の製造方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題の解決は、本発明にしたがって、断熱層用接着層の製造方法は、
ａ）Cr、Ni又はCe元素のうちの少なくとも一種を含む粉末とバインダーを混合することによってペースト（スラリー，Schlicker）をつくる過程、
ｂ）前記ペーストを部材の上に塗布する過程、
ｃ）前記ペーストを３００℃以下の室温で乾燥させる過程と、
ｄ）前記ペーストをアリタイジングする(Alitieren) 過程からなり、その場合において前記方法は、接着層が７５μmより小さい粒径と０％乃至４０％の空隙部分を有する構造を有するように制御されることを特徴とする。
【０００９】
この方法の利点は、バインダーと混合された粉末を簡単な方法で塗布して層を形成することができ、プラズマ溶射法又は電子ビーム蒸着法等の設備費のかさむ方法を必要としないことである。この方法によって製造される層は、７５μmよりも小さい粒径の、比較的細粒状の構造を有する。この層は０％乃至４０％の空隙部分を有する。結果としてこの層はより良い耐熱疲労性並びに亀裂に対して誤差許容となるような有利な伸長の性質を有する。更に例えばY等の元素の添加物は一様に分配され、酸化されない。
【００１０】
上記方法の好ましい形態において、前記ペーストは、MCrAlY粉末又はMCrAlY合金によりつくられ、その場合において、Mは、Ni、Co、Pt又はPdのうちの少なくとも一種を示し、Yの代わりにHf又はCeを利用することができる。
【００１１】
好ましくは前記粉末は５μm乃至１２０μmの粒径分布を有する粉末が提供される。
【００１２】
部材上へのペーストの塗布は好ましくはスプレー法、刷毛塗り法又は浸漬法によって行われ、それによってこの方法は製造技術的に簡単に、安いコストで実施することができる。この被着法の技術によって、簡単に場所的に限られた前記層を、形状の複雑な部材の上にも形成することができる。さらに高価で費用のかかる溶射装置及び蒸着装置を何ら必要としない。更に熱的な溶射法又は電子ビーム蒸着法とは違って粉末粒子の酸化の問題は起こらない。
【００１３】
好ましくは有機バインダー又は無機バインダーと共に懸濁して存在するペーストの乾燥は０．５時間−４時間の間行われる。その場合１−２時間の継続が有利であると実証されている。
【００１４】
更にペースト層はアリタイジングする前にアルゴン又は真空中で７５０℃乃至１２００℃の温度で熱処理される。その場合、１−６時間の熱処理によって、ペースト層が部材と拡散によって結合するように、行われる。
【００１５】
前記方法の好ましい形態においてペースト層をアリタイジングする最後の過程は８００℃乃至１２００℃の温度で１−１２時間継続して行われる。アリタイジングすることは前記層を拡散により結合させ(Diffusionsverbinden)、緻密にする役目をし、例えば粉末パック法等の通常の方法でAlを層中に取り込みながら行われる。Alは前記層内に並びに部材の基礎材料内に拡散する。
【００１６】
更に好ましくは前記層が接着層であり、該接着層の上には断熱層が外側層又は保護層として被着される。この被着は通常のようにプラズマ溶射法又は電子ビーム蒸着法によって行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明について実施例に関連した図面を用いて詳細に説明する。図面において、
図１は、アリタイジングする前の接着層の切断面の写真であり、
図２は、アリタイジングした後の接着層の切断面の写真である。
【００１８】
前記層をつくるとき、先ずペーストをつくるために、MCrAlY粉末を通常に無機バインダーに懸濁混合する。粉末粒子の粒径は５μmと１２０μmの間である。その場合流動能力のある、スプレー可能な素地が形成される。この素地の粘度は例えば利用する粉末粒子の粒径の影響を受ける。Mはニッケル又はコバルト又は両元素の合金を示す。クロム並びにアルミニウムが高い温度近傍で保護膜として役目をする酸化物を形成するように、アルミニウム及びクロムの割合は、酸化に対する保護効果を十分発揮できるように、なるべく高く選択される。
【００１９】
次にペーストはニッケルをベースとする合金からなるタービン羽根等の金属部材の上に刷毛塗りすることによって層に形成される。前記層の厚さ並びに局部的な分布はこの塗布の技術において簡単に影響される。択一的には塗布を例えばスプレーピストルによっても行うことができる。
【００２０】
次の過程で懸濁状態のペーストは室温で約１．５時間乾燥される。
【００２１】
乾燥したペースト層は、次に、前記層がタービン羽根材料と拡散により結合するように、１０００℃でアルゴン中で熱処理される。引き続き前記ペースト層は、拡散によって金属部材との結びつきを強くし、前記ペースト層を緻密にするために、約１１００℃で４時間通常の方法でアリタイジングされる。そのときAlが、前記ペースト層並びに金属部材の基礎材料に取り込まれ、その結果前記ペースト層の部材とのしっかりした結合並びに球状MCrAlY粒子の互いの結合がもたらされる。更にMCrAlY粒子が互いに少なくとも部分的に共に焼結される。
【００２２】
図１は、熱処理されているがしかしアリタイジングは行われていない、金属部材１の上に被着されたペースト層２を示す。このペースト層２内にはMCrAlY粒子の球状構造が、該粒子間に存在する間隙と同様に明瞭に見出される。
【００２３】
図２には、アリタイジングした後の部材１とペースト層２を示す。ペースト層２にはわずかの空隙しか存在しない。更に球状MCrAlY粒子は、Alを前記ペースト層内並びに部材１の基礎材料内に取り込むことによって互いに結合される。更にアリタイジングする過程においてMCrAlY粒子同士の焼結が行われる。
【００２４】
このように造られた層は従来の方法でつくられた（接着）層に比較して改良された耐熱疲労性を明らかに有する。更に前記層の酸化物の形成は何ら起こらない。更にY等の活性元素が一様に分配され酸化されることはない。
【００２５】
上記のようにつくられた層は接着層として使用することができ、該接着層の上には最後に断熱層がプラズマ溶射法その他の通常の方法によって被着される。この層は、追加の外側の保護層を被着することなく、そのまま、価値の高い耐熱ガス腐食層として使用することができる。耐腐食性及び酸化性層の性質はアリタイジングする過程を長くすることによって変化乃至改良することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 アリタイジングする前の接着層の切断面の写真である。
【図２】 アリタイジングした後の接着層の切断面の写真である。

Claims (9)

1. 部材に被着される断熱層用接着層の製造方法であって、
   ａ）Crを含む粉末をバインダーと混合することによってペーストをつくる過程と、
   ｂ）前記ペーストを部材上に塗布する過程と、
   ｃ）室温から３００℃迄の温度で前記ペーストを乾燥する過程と、
   ｄ）前記ペースト層をアリタイジングし、その場合において粒径が７５μm よりも小さく、０％乃至４０％の空隙を有する構造を接着層が有するように制御する、アリタイジングする過程と、
   を含むことを特徴とする断熱層用接着層の製造方法。
2. MCrAlY粉末でペーストを製造することを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 前記粉末は、５乃至１２０μmの粒径分布に存在することを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
4. 前記ペーストの塗布をスプレー、刷毛塗り又は浸漬により行うことを特徴とする請求項１ないし３の何れか一項に記載の製造方法。
5. 部材がニッケル又はコバルトをベースとする合金からなることを特徴とする請求項１ないし４の何れか一項に記載の製造方法。
6. ０．５時間乃至４時間前記ペーストの乾燥を行うことを特徴とする請求項１ないし５の何れか一項に記載の製造方法。
7. 前記アリタイジングをする前にペースト層を７５０℃乃至１２００℃の温度でアルゴン又は真空中で熱処理することを特徴とする請求項１ないし６の何れか一項に記載の製造方法。
8. 前記熱処理を１時間乃至６時間行うことを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
9. 前記アリタイジングをするのは８００℃乃至１２００℃の温度で１時間乃至１２時間行うことを特徴とする請求項１ないし８の何れか一項に記載の製造方法。

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