JP5178023B2 - 亀裂に対する向上した耐性を有する部品およびそのコーティング方法 - Google Patents

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Description

本発明は、疲労限界部品のためのコーティング方法ならびにその方法によって形成された部品に関する。
長年にわたり、０．０１０インチを超えるビルドアップが必要とされるか、あるいは、所望のトップコートが基体上に適切に接合されない状況ではボンドコートが必要とされる、エンジン、プロペラ、およびその他の用途に用いられる摩耗した部品をビルドアップするために、複式熱溶射法が用いられてきた。負荷の高い用途で使用される、疲労の影響を受けやすい部品の破損状態を確認するために種々の試験が行われており、そのような部品には、非常に硬質な耐摩耗性被膜が適用されている。構造的アルミニウム合金とチタン合金は、これら硬質被膜に対して非常に影響を受けやすく、一方、鋼合金は幾分影響を受けにくいことがわかっている。これらの試験は、炭化タングステンやその他のサーメットのような被膜の高度な接合および皮膜引張強さが、基体に似た挙動を被膜に生じさせるということを示唆している。これらの被膜は耐ひずみ性であり、鋼鉄と同等もしくはそれよりも大きい弾性率を有するが、セラミック同様に脆性な材料である。この損なわれていない状態の被膜に亀裂（クラック）が形成されるとき、その亀裂は基体の亀裂とまさに同じように作用し、破壊力学の理論が示すように伝播する場合がある。図１〜図３は、硬質被膜１０から、より軟質かつ弾性率の低い構造的基体１２中への典型的な亀裂の伝播を示している。図１に示すように、疲労または過負荷のために、亀裂１４が、硬質、高弾性率の被膜で始まっている。図２に示すように、亀裂１４は、被膜１０を通って基体１２中に向かって伝播している。図３は、炭化タングステン−１７％（重量％）コバルトの被膜から、アルミニウム合金７０７５−Ｔ７３から作製された基体中まで延在している亀裂１４を図示している。
この問題は、低い歪み閾値を有する被膜（ｓｔｒａｉｎ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｃｏａｔｉｎｇｓ）（印加された比較的低い静的ひずみで亀裂を生じる被膜）のすべての構造的材料に生じるが、鋼鉄の弾性率は非常に高く、亀裂が発生するためには非常に高い基体応力が要求されるため、鋼鉄上の非常に高い歪み閾値の被膜材料では回避可能である場合が多々ある。アルミニウムとチタンは、基体の弾性率が低いため、また、アルミニウムの場合は熱膨張係数（ＣＴＥ）が高いため、高い歪み閾値の被膜による疲労の影響を依然として受けやすい。ほとんどの耐摩耗性被膜のＣＴＥは非常に低いため、ＣＴＥは高温で見られるような部位の役割を果たす。これは、熱サイクルに起因して被膜を強制的にひずませ、被膜に亀裂を生じさせる可能性がある。
本発明の目的は、疲労限界部品のためのコーティング方法およびその方法によって形成された、亀裂耐性が向上された部品を提供することである。
本発明によれば、疲労限界部品のためのコーティング方法が提供される。本発明の方法は、概して、第１の弾性率を有する基体を提供するステップと、その基体の第１の弾性率よりも小さい第２の弾性率を有する材料の層を基体上に堆積するステップと、その材料の層全体にわたって被膜を堆積するステップとからなる。
さらに、本発明によれば、概して、基体と、その基体上に堆積された、脆性で亀裂しやすい摩耗性被膜と、基体を摩耗性被膜から隔離する亀裂停止層とからなる部品を提供する。
また、本発明によれば、亀裂に対する耐性が向上した部品を提供する。該部品は、概して、基体と、その上に堆積された被膜と、被膜中に発生した亀裂が基体中へ伝播するのを防止するための基体と被膜の中間にある手段とからなる。
疲労限界部品用コーティング方法のその他の細部、ならびに、それらに関連するその他の目的および利点は、以下の詳細な説明と関連図面においてで説明する。図面中の同様の符号は同様の構成要素を示す。
図４を参照すると、本発明により、基体２２上に堆積されたコーティング系２０が示されている。基体は、当業界で既知の適当な金属材料から作製することができる。例えば、基体２２は、アルミニウム、アルミニウム合金、鋼鉄、チタン、およびチタン合金からなる群から選択される金属材料であってよい。基体２２は第１の弾性率を有する。コーティング系２０は、基体２２を形成する材料の弾性率よりも大きい弾性率を有する、炭化タングステンから形成されたような硬質コーティング２４をさらに含む。硬質コーティング２４は、耐摩耗性コーティングであることが好ましい。コーティング系２０は、亀裂停止層２６をさらに含む。亀裂停止層２６は、硬質コーティング２４の弾性率よりも小さく、かつ、基体２２を形成する材料の弾性率よりも小さい弾性率を有する、当業界で既知の適当な材料のいずれかを用いて形成してよい。例えば、亀裂停止層２６は、アルミニウム、Ａｌ−１２％Ｓｉや、１％（重量％）のＭｇ、０．６％のＳｉ、０．２８％のＣｕ、０．２％のＣｒからなる組成を有するＡｌ６０６１などのアルミニウム合金、または、１９％（重量％）のクロム、３．０５％のモリブデン、最大で１．０％までのコバルト、５．１３％のニオブ＋タンタル、０．９％のチタン、０．５％のアルミニウム、１８．５％の鉄、および残余がニッケルからなる組成を有するＩＮＣＯＮＥＬ７１８などのニッケル合金から形成することができる。
亀裂停止層２６は、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、プラズマ溶射、ツインワイヤアーク溶射（Ｔｗｉｎ Ｗｉｒｅ Ａｒｃ Ｓｐｒａｙ）、コールドスプレー、電着めっき、無電解めっき、あるいは、本明細書で規定する要件を満たすコーティングに適用可能なその他のコーティング方法などの当業界既知のいずれか適当な成膜技術を用いて基体２２上に成膜させることができる。同様に、硬質コーティング層２４は、当業界既知の適当な成膜技術のいずれかを用いて亀裂停止層２６上に堆積させることができる。使用可能な成膜法には、高速フレーム溶射、プラズマ溶射、ツインワイヤアーク溶射、コールドスプレー、電着めっき、無電解めっき、あるいは、本明細書で規定する要件を満たすコーティングに適用可能なその他のコーティング方法などの当業界既知のいずれか適当な成膜技術が包含される。亀裂停止層２６の厚さは、硬質コーティング層２４の厚さと同等かあるいはそれよりも厚くなくてはならない。
図４に示すように、亀裂３０は硬質コーティング層２４中で開始しうる。亀裂は、疲労や過負荷が原因である場合がある。
図５に示すように、亀裂３０は、亀裂停止層２６中へと成長するが、亀裂先端の可塑性のために抑止させることができる。
図６に示すように、亀裂３０は、亀裂停止層２６を通って伝播し得る。亀裂停止層２６と基体２２との間の境界面３２において、亀裂停止層２６と基体２２における弾性率の差異により、亀裂３０の方向を変えることができる。
本発明を実証するために、高強度鋼Ｄ６ＡＣ鋼部品を、０．０２５インチの厚さを有するＩＮＣＯＮＥＬ７１８の層で被覆した。０．００５インチの厚さを有する硬質な炭化タングステン（ＷＣ−１７重量％Ｃｏ）の層を、ＩＮＣＯＮＥＬ７１８の上に適用した。コーティングの静的ひずみいき値と疲労限界を確認するために試験を実施した。いたん被膜に亀裂が発生した後、亀裂はＩＮＣＯＮＥＬの層の中へ伝播したが、鋼の基体中へはそれ以上伝播しなかった。使用した鋼合金の典型的な強度と一致した応力レベルにおいては、被膜の最初の亀裂部位から離れた位置で、鋼上に破損が生じた。図７は、亀裂が、硬質コーティング層２４から亀裂が抑止される亀裂停止層２６中へと伝播する場合の試験片を図示している。図８は、亀裂が、硬質コーティング層２４から亀裂停止層２６中へと伝播し、次いで、基体の境界面３４で方向を変える場合の試験片を図示している。
本発明の方法は、プロペラに関連して使用されるドームシリンダー、および推進システムのアルミニウム部品などの摩耗のために被膜が適用された広範にわたる種々の部品に使用することができる。
疲労あるいは過負荷に起因する、被膜中で始まっている亀裂の概略的代表図。 被膜を通り、基体中へ向かう亀裂の伝播の概略的代表図。 炭化タングステン被膜からアルミニウム基体中へと、亀裂が生じている顕微鏡写真。 本発明によるコーティング系の概略的代表図。 亀裂が亀裂停止層中へ伝播し、亀裂先端の可塑性のために抑止される、本発明によるコーティング系の概略的代表図。 亀裂が亀裂停止層を通って伝播し、弾性率が異なることに起因して方向を変える、本発明によるコーティング系の概略的代表図。 硬質被膜中で伝播しているが、亀裂停止層によって抑止されている亀裂を示す顕微鏡写真。 硬質被膜中で伝播し、亀裂停止層を通過し、基体との境界面で方向を変えている亀裂を示す顕微鏡写真。
符号の説明
２０…コーティング系
２２…基体
２４…硬質コーティング
２６…亀裂停止層
３０…亀裂

Claims (6)

  1. 第１の弾性率を有する基体を設けるステップと、
    上記基体に前記第１の弾性率よりも小さい第２の弾性率を有する材料の層を堆積させるステップと、
    上記材料の層全体にわたって前記第１の弾性率よりも大きい第３の弾性率を有するコーティングを堆積させるステップと、
    を備え、
    前記基体を設けるステップが、高強度鋼から形成された基体を設けるステップからなり、前記材料の層を堆積させるステップが、ニッケル合金の層を堆積させるステップからなり、かつ、前記コーティングを堆積させるステップが、炭化タングステンの層を堆積させるステップからなることを特徴とする、疲労限界部品のコーティング方法。
  2. 前記ニッケル合金を堆積させるステップが、ニッケル、クロム、モリブデン、コバルト、ニオブ＋タンタル、チタン、アルミニウム、および鉄からなるニッケル合金の層を堆積させるステップからなることを特徴とする、請求項１記載のコーティング方法。
  3. 第１の弾性率を有する基体を設けるステップと、
    上記基体に前記第１の弾性率よりも小さい第２の弾性率を有する材料の層を堆積させるステップと、
    上記材料の層全体にわたって前記第１の弾性率よりも大きい第３の弾性率を有するコーティングを堆積させるステップと、
    を備え、
    前記基体を設けるステップが、アルミニウムをベースとする材料から形成された基体を設けるステップからなり、前記材料の層を堆積させるステップが、前記基体を形成する前記アルミニウムをベースとする材料の弾性率より小さい弾性率を有するアルミニウムコーティング材料の層を堆積させるステップからなることを特徴とする、疲労限界部品のコーティング方法。
  4. 第１の弾性率を有する基体と、
    上記基体上に堆積された、脆性コーティングであって、前記第１の弾性率よりも大きい第３の弾性率を有するコーティングと、
    上記基体を上記コーティングから隔離するように上記基体と上記コーティングとの間に配置された亀裂停止層であって、前記第１の弾性率より小さい第２の弾性率を有する材料から形成された亀裂停止層と、
    を備え、
    前記基体が高強度鋼から形成され、前記コーティングは炭化タングステンコーティングであり、かつ、前記亀裂停止層はニッケル合金から形成されることを特徴とする、部品。
  5. 前記ニッケル合金が、ニッケル、クロム、モリブデン、コバルト、ニオブ＋タンタル、チタン、アルミニウム、および鉄からなり、かつ、少なくとも前記コーティングと同じ厚さを有することを特徴とする、請求項４記載の部品。
  6. 前記基体が、アルミニウムをベースとする材料から形成され、前記亀裂停止層が、前記アルミニウムをベースとする材料の弾性率よりも小さい弾性率を有するアルミニウムをベースとする材料から形成されることを特徴とする、請求項４記載の部品。
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