JP5609124B2 - 機能分離型機能性接合シート及びそれを用いた金属製品の表面強化方法 - Google Patents

Description

本発明は、ジェットエンジンやガスタービンなどの金属製品を補強するための機能分離型機能性接合シート及びそれを用いた金属製品の表面強化方法に関するものである。

ジェットエンジンやガスタービンのブレードの表面に耐酸化性や耐腐食性を付与したり、エンジン等のしゅう動部品の摩耗した表面を補修する際には、これら特定の機能をもつ機能性シートを用いて金属表面に特定の機能を付与するようにしている。すなわち例えば、機能性材料をバインダーを用いてテープ状にし、これを金属表面に貼りつけると共に加熱焼成したり、又は機能性材料を金属表面にＨＩＰ、ＣＩＰ等にて取り付けて金属表面に機能層を形成することがなされている。

特開２００８−１８８７号公報 特開平１１−６１３８０号公報 特開２００６−１８８７６０号公報

しかしながら、テープ成形ではバインダーを揮発させるので緻密化が難しいという問題がある。

ＨＩＰ、ＣＩＰ等のプレスでは、生産性が落ちるという問題がある。

また、テープ成形、ＨＩＰ、ＣＩＰによるプレスでは機能層を多層化するのは困難が伴う。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、緻密化・高速化・多層化できる機能分離型機能性接合シート及びそれを用いた金属製品の表面強化方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために請求項１の発明は、ニッケル、ＳＵＳ、アルミニウム、銅のいずれかで形成された心材シートの一方に、耐摩耗性の機能を付与する機能粉末にロウ材粉末を添加混合して供給し、前記心材シートの他方に、ロウ材粉末を供給して、一対の圧延ロールで、心材シートと共にロウ材粉末を添加混合した機能粉末と、ロウ材粉末とが、粉末クラッド圧延によりシート化され、かつその厚さが３０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする機能分離型機能性接合シートである。

請求項２の発明は、Ｃｏ−３２Ｎｉ−２１Ｃｒ−８Ａｌ−０．５Ｙ（Tribaloy）、ＷＣ、ステライト（Stelite）のいずれかからなる機能粉末にニッケルロウ材粉末を添加混合してなり、前記機能粉末と前記ニッケルロウ材の添加混合粉末と前記ロウ材粉末とを、心材シートの両側に供給して一対の圧延ロールで心材シートと共に成形した請求項１記載の機能分離型機能性接合シートである。

請求項３の発明は、心材シートは、ニッケル粉末を粉末圧延して形成される請求項１又は２記載の機能分離型機能性接合シートである。

請求項４の発明は、請求項１〜３いずれかに記載の機能分離型機能性接合シートを、そのロウ材粉末層が金属製品の表面に接するようにすると共に、圧着した状態でロウ付け熱処理を行って、金属製品の表面に機能層を形成することを特徴とする金属製品の表面強化方法である。

請求項５の発明は、金属製品の表面の補修すべき箇所を加工して表面を形成し、その補修表面に前記機能分離型機能性接合シートをのせて圧着し、これをロウ付け熱処理してコーティングし、そのコーティングした表面を補修箇所以外の金属表面と同じになるように加工する請求項４記載の金属製品の表面強化方法である。

請求項６の発明は、金属製品の表面に前記機能分離型機能性接合シートをのせた状態で加工して形状を形成し、前記機能分離型機能性接合シートをロウ付け熱処理する請求項４記載の金属製品の表面強化方法である。

本発明によれば、金属製品を強化する際の機能分離型機能性接合シートを、緻密化・高速化・多層化でき、これを金属製品の表面にロウ付け熱処理することで金属製品を簡単に強化できるという優れた効果を発揮するものである。

本発明の一実施の形態を示し、機能分離型機能性接合シートを金属表面に接合した状態を示す図である。 本発明の機能分離型機能性接合シートの製造方法を説明する図である。 本発明の機能分離型機能性接合シートを用いて、湾曲した金属製品を強化する例を示す図である。 本発明の機能分離型機能性接合シートを用いて、金属製品の表面を補修する例を示す図である。 本発明の機能分離型機能性接合シートを撮影した写真を示す図である。 本発明の機能分離型機能性接合シートの表裏面を顕微鏡で観測した図である。 本発明の機能分離型機能性接合シートの断面を顕微鏡で観測した図である。 本発明の機能分離型機能性接合シートをＳＵＳ板に接合した製品を撮影した写真を示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１において、機能分離型機能性接合シート１０は、心材シート１１の両面に、機能粉末層１２と、金属製品の表面にロウ付け接合するためのロウ材粉末層１３を粉末クラッド圧延により形成したものであり、この機能分離型機能性接合シート１０のロウ材粉末層１３側を金属製品２０の表面に載せてロウ付けして金属製品２０の表面に特定の機能層を形成するものである。

心材シート１１は、ニッケル粉末、ＳＵＳ粉末、アルミニウム粉末、銅粉末などを粉末圧延によりシート化したもの、或いはこれら金属で網状に形成したものやシート状や多孔質シート状に形成したものでもよい。また心材シート１１の厚さは、２０〜４０μｍがよい。

機能粉末層１２は耐摩耗性、耐酸化性、耐腐食性のいずれか特定の機能を付与するための機能粉末にロウ材粉末を添加混合した混合粉末を成形して形成され、ロウ材粉末層１３はロウ材粉末を成形して形成される。

機能粉末は耐摩耗材、耐酸化材、耐腐食材のいずれかからなり、耐摩耗材としては、ＴｒｉｂａｌｏｙＴ８００（登録商標、Ｃｏ−３２Ｎｉ−２１Ｃｒ−８Ａｌ−０．５Ｙ；ｗｔ％）、ＷＣ（タングステンカーバイド）やＳｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）が挙げられ、ロウ材粉末としては、ＢＮｉ（Ｎｉ−１９Ｃｒ−１０Ｓｉ；ｗｔ％）などのニッケルロウ材が挙げられる。

機能粉末層１２と心材シート１１とロウ材粉末層１３を合わせた機能分離型機能性接合シート１０の厚さは３０μｍ以上２００μｍ以下であり、好ましくは、３０μｍ以上１５０μｍ以下である。

機能分離型機能性接合シート１０は、図２に示す製造装置（粉末圧延機）２１を用いて、機能粉末１４にロウ材粉末１５を添加した混合粉末と、ロウ材粉末１５とを、心材シート１１の両側に供給し、これを粉末クラッド圧延して形成される。

図２に示すように、製造装置（粉末圧延機）２１は、所定間隔で設けられた一対の圧延ロール１６Ａ、１６Ｂと、圧延ロール１６Ａ、１６Ｂの上方にそれぞれ設けられ圧延ロール１６Ａ、１６Ｂの表面に各々粉末を供給するノズル１７Ａ、１７Ｂと、圧延ロール１６Ａと１６Ｂとの間の下方に設けられた加熱炉１８を備えている。

製造装置（粉末圧延機）２１では、圧延ロール１６Ａ、１６Ｂ間に心材シート１１を供給しつつ、機能粉末１４にロウ材粉末１５を添加混合した粉末を、ノズル１７Ａから図示左側の圧延ロール１６Ａの円周の軸方向に均一に供給すると共に、ロウ材粉末１５を、ノズル１７Ｂから図示右側の圧延ロール１６Ｂの円周の軸方向に均一に供給し、圧延ロール１６Ａ、１６Ｂを図示の矢印方向に回転させ、その心材シート１１の両側のロウ材粉末１５を添加した機能粉末１４とロウ材粉末１５を圧延ロール１６Ａ、１６Ｂで圧延する。この圧延により機能粉末１４とロウ材粉末１５は各々密に押しつぶされて心材シート１１に結合した状態となって、心材シート１１の両側に機能粉末層１２とロウ材粉末層１３が形成された機能分離型機能性接合シート１０が形成される。

この粉末クラッド圧延する際に、機能分離型機能性接合シート１０の結合が弱い場合、圧延ロール１６Ａと１６Ｂとの間の下方に設けられた加熱炉１８で機能粉末層１２とロウ材粉末層１３を部分的に加熱焼結させるようにしてもよい。

このように成形した機能分離型機能性接合シート１０を、図１に示すように、そのロウ材粉末層１３が金属製品２０の表面に接するようにすると共に、圧着した状態でロウ付け熱処理を行って、金属製品２０の表面に機能分離型機能性接合シート１０からなる機能層を形成する。

ロウ付けする際には、機能分離型機能性接合シート１０のロウ材粉末層１３を金属製品２０の表面に圧着させた状態で、金属製品２０と機能分離型機能性接合シート１０をロウ材粉末の融点以上に加熱することで、金属製品２０の表面に機能分離型機能性接合シート１０からなる機能層が形成される。

本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る機能分離型機能性接合シート１０は、従来のテープ成形のようにバインダーを用いないためＣ（有機物）による汚染・化合物形成がなく、緻密な機能分離型機能層を形成することができる。また、粉末クラッド圧延により機能分離型機能性接合シート１０を形成することで、厚さを２００μｍ以下（あるいは１５０μｍ以下）と薄くできるので、金属製品に合わせて湾曲させたり、重ねる（多層化する）などの施工も可能となる。

さらに、本実施の形態では、粉末クラッド圧延により心材シート１１の両側に機能粉末１４とロウ材粉末１５を供給して粉末圧延するため、機能粉末層１２とロウ材粉末層１３とが、心材シート１１に簡単に接合されるため、機能粉末層１２とロウ材粉末層１３で直接シートを形成するよりも、シート強度を高くできると共に粉末圧延時にシートの破断も生じないものとすることができる。また従来のＨＩＰ、ＣＩＰ等によるプレスと比較して高速に機能分離型機能性接合シート１０を形成でき、生産性を向上できる。

次に、図３により、機能分離型機能性接合シート１０を用いてジェットエンジンの湾曲したブレード等の金属製品３０の表面に機能層を形成する例を説明する。

湾曲した金属製品３０の表面強化を行う場合、図３（ａ）に示すように、まず、湾曲してない金属製品３０を用意し、図３（ｂ）に示すように、金属製品３０の表面に機能分離型機能性接合シート１０を接するように圧着する。その後、図３（ｃ）に示すように、金属製品３０と機能分離型機能性接合シート１０を圧着した状態でプレスして、湾曲させる。金属製品３０と機能分離型機能性接合シート１０を湾曲させた後、図３（ｄ）に示すように焼結（ロウ付け）を行い、機能分離型機能性接合シート１０と金属製品３０とをロウ付けして機能層１０ａを形成する。

機能分離型機能性接合シート１０は金属製品の補修に用いることができる。例えば、ジェットエンジンに使用される金属製品は高価であるため、その表面に摩耗などが生じた際に、その金属製品を交換せずに補修することが望ましい。

金属製品の補修を行う場合、ジェットエンジンの金属製品と同じ材料を機能粉末として用い、この機能粉末とロウ材粉末を用いて、粉末クラッド圧延により機能分離型機能性接合シート１０を形成し、それ用いて金属製品の表面を補修するとよい。

一例として、図４（ａ）に示す金属製品４０の補修すべき箇所４０ａを補修する場合を説明する。

図４（ａ）に示すように、金属製品４０の表面に凸凹した補修すべき箇所４０ａがある場合、まず、図４（ｂ）に示すように、金属製品４０の表面の補修すべき箇所４０ａを機械加工・切削して凹部４０ｂを形成する。その後、図４（ｃ）に示すように、凹部４０ｂに金属製品４０と同じ材料の機能粉末を用いた機能分離型機能性接合シート１０をのせ圧着する。この状態でロウ付け熱処理して金属製品４０の凹部４０ｂをコーティングして機能層を形成する。その後、図４（ｄ）に示すように、コーティングした機能層１０ａの表面を金属製品４０の表面４０ｃと同一面になるように加工（たとえば研磨など）すると、補修された金属製品４０が得られる。

先ず、ニッケル粉末のみを粉末圧延によりシートに成形し、これを８００℃で焼成し、厚さ約３０μｍ多孔質ニッケル薄膜からなる心材シートを作製した（図５）。

ＢＮｉ−５ロウ材粉末と、ＴｒｉｂａｌｏｙＴ８００（登録商標、Ｃｏ−３２Ｎｉ−２１Ｃｒ−８Ａｌ−０．５Ｙ；ｗｔ％）を１：１でロッキングミキサーで混ぜて機能性粉末とした。

このロウ材粉末を含む機能性粉末とロウ材粉末（ＢＮｉ−５）を多孔質ニッケル薄膜からなる心材シートの両側に供給して図２で説明した粉末圧延により厚さ１０μｍの圧粉体シート（機能分離型機能性接合シート）を作製した。

この圧粉体シートの耐摩耗材側の表面の写真を図５に示した。また圧粉体シートの表裏面の顕微鏡写真を図６に示した。

図５は、Ｎｉ多孔質膜からなる幅５０ｍｍの心材シートの表面に長さ約２００ｍｍの粉体圧延部分を成形した圧粉体シートを示している。

図６（ａ）は、図５の圧粉体シートを耐摩耗材側から見た顕微鏡写真を示す図であり、図６（ｂ）は、耐摩耗材側の表面をさらに拡大した顕微鏡写真を示す拡大図であり、図６（ｃ）はロウ材側から見た顕微鏡写真を示す図であり、図６（ｄ）は、ロウ材側の表面をさらに拡大した顕微鏡写真を示す拡大図である。また図７は圧粉体シートの断面形状の顕微鏡写真を示す断面図である。

図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、圧粉体シートの耐摩耗材側は、耐摩耗材（トリバロイＴ８００）の粒子の周囲に、ロウ材粉末（ＢＮｉ−５）の各粒子がつぶれた状態で絡みあって成形されていることがわかる。また図６（ｃ）、図６（ｄ）に示すように、圧粉体シートのロウ材側は、ロウ材粉末（ＢＮｉ−５）の各粒子がつぶれた状態で相互に絡みあって成形されていることがわかる。

また、図７に示すように、圧粉体シートは、耐摩耗材層とロウ材層とがＮｉ多孔質膜からなる心材シートを挟んで、その両側に接合された状態で成形されていることがわかる。

作製した圧粉体シートをＳＵＳ３１６（ｔ＝０．４ｍｍ）の板の上にセットし、耐火物上に、重石を乗せた状態で真空加熱炉に入れる。

ロウ付け熱処理を１１８０℃、２０分行うと、図８に示すように、ＳＵＳ板状に厚さ約１００μｍ程度の耐摩耗層が得られた。

１０ 機能分離型機能性接合シート
１１ 心材シート
１２ 機能粉末層
１３ ロウ材粉末層
１４ 機能粉末
１５ ロウ材粉末
２０ 金属製品

Claims (6)

1. ニッケル、ＳＵＳ、アルミニウム、銅のいずれかで形成された心材シートの一方に、耐摩耗性の機能を付与する機能粉末にロウ材粉末を添加混合して供給し、前記心材シートの他方に、ロウ材粉末を供給して、一対の圧延ロールで、心材シートと共にロウ材粉末を添加混合した機能粉末と、ロウ材粉末とが、粉末クラッド圧延によりシート化され、かつその厚さが３０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする機能分離型機能性接合シート。
2. Ｃｏ−３２Ｎｉ−２１Ｃｒ−８Ａｌ−０．５Ｙ（Tribaloy）、ＷＣ、ステライト（Stelite）のいずれかからなる機能粉末にニッケルロウ材粉末を添加混合してなり、前記機能粉末と前記ニッケルロウ材の添加混合粉末と前記ロウ材粉末とを、心材シートの両側に供給して一対の圧延ロールで心材シートと共に成形した請求項１記載の機能分離型機能性接合シート。
3. 心材シートは、ニッケル粉末を粉末圧延して形成される請求項１又は２記載の機能分離型機能性接合シート。
4. 請求項１〜３いずれかに記載の機能分離型機能性接合シートを、そのロウ材粉末層が金属製品の表面に接するようにすると共に、圧着した状態でロウ付け熱処理を行って、金属製品の表面に機能層を形成することを特徴とする金属製品の表面強化方法。
5. 金属製品の表面の補修すべき箇所を加工して表面を形成し、その補修表面に前記機能分離型機能性接合シートをのせて圧着し、これをロウ付け熱処理してコーティングし、そのコーティングした表面を補修箇所以外の金属表面と同じになるように加工する請求項４記載の金属製品の表面強化方法。
6. 金属製品の表面に前記機能分離型機能性接合シートをのせた状態で加工して形状を形成し、前記機能分離型機能性接合シートをロウ付け熱処理する請求項４記載の金属製品の表面強化方法。