JP5897370B2 - 酸化物分散強化皮膜の形成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、広義には、金属基材用の保護皮膜に関し、さらに具体的には、金属基材上に酸化物分散強化皮膜を形成する方法に関する。
ガスタービン内の作動環境は、熱的にも化学的にも過酷である。例えば、ガスタービン内の作動温度は、使用されるタービンエンジンのタイプにもよるが、約１２００〜約２２００°Ｆ（約６５０〜約１２００℃）であある。このような高温は、ガスタービンの酸化性の環境と相まって、一般に、耐酸化性の高いニッケル又はコバルト含有特殊合金を使用して、タービン内での作動寿命を妥当なものとする必要がある。そのため、ガスタービン部品は通常、ニッケル合金鋼、ニッケル基又はコバルト基超合金その他の特殊合金から形成される。
このような特殊合金の高温性能の大幅な進歩が、酸化、高温腐食などから合金を保護することのできる耐酸化性環境皮膜を使用することによって達成されている。例えば、遮熱コーティング（ＴＢＣ）系は、通常、タービン部品で熱サイクルの高温から部品を遮熱するために使用される。ＴＢＣ系は、通例、ボンドコート上に設けられた遮熱コーティングを含んでおり、ボンドコート自体は、部品を構成する金属基材に施工される。遮熱コーティングは通常、ジルコニアのようなセラミック材料を含む。さらに、ボンドコートは、通常、その下の基材の酸化を防ぐように設計された耐酸化性金属層を含む。
現在の技術動向をみると、低精製燃料をガスタービンで使用することが普及している。こうした低精製燃料は粒状物質を含んでおり、ガスタービンの高温ガス経路に進入して、恒温ガス経路内のタービン部品に衝突する可能性がある。タービン部品がかかる粒状物質に連続的に曝露されると、ＴＢＣ系内の皮膜のエロージョン損傷を招くおそれがあり、その下の金属基材が酸化及び／又は高温腐食を起こす可能性が高まる。このようなエロージョンの問題に対処するため、耐エロージョン性ボンドコートが開発されてきた。しかし、これらの耐エロージョン性ボンドコートは、皮膜に用いられる硬質粒子（例えば、炭化タングステン、炭化チタン、及びダイヤモンド／窒化ホウ素）の粒度及び体積百分率を高めることによって形成されるのが通例である。その結果、皮膜中の酸化物形成性成分の体積百分率が減り、皮膜全体の耐環境保護性が低下してしまう。
従って、耐環境保護性を損なわずに耐エロージョン性をもたらす酸化物分散強化皮膜を形成する方法があれば、当技術分野で歓迎されるであろう。
本発明の態様及び利点については、一部は以下の詳細な説明で開示するが、以下の詳細な説明から自明であろうし、本発明を実施することによって明らかとなろう。
一つの態様では、本発明は、金属基材上に酸化物分散強化皮膜を形成する方法に関する。本方法は、一般に、ＭＣｒＡｌＹ合金粒子を粉砕して、酸素富化粉体にして該粉体に含まれるＭＣｒＡｌＹ合金粒子の約２５体積％以上が約５μｍ未満の粒径を有する酸素富化粉体を形成するステップを含む。さらに、本方法は、酸素富化粉体を金属基材に施工して皮膜を形成するステップと、酸素富化粉体を加熱して皮膜内に酸化物分散質を析出させるステップとを含む。
別の態様では、本発明は、金属基材上に酸化物分散強化皮膜を形成する方法に関する。本方法は、一般に、ＭＣｒＡｌＹ合金粒子を粉砕して、酸素富化粉体にして該粉体に含まれるＭＣｒＡｌＹ合金粒子の約２５体積％以上が約５μｍ未満の粒径を有する酸素富化粉体を形成するステップを含む。さらに、本方法は、酸素富化粉体を粗ＭＣｒＡｌＹ合金粒子と混合して酸素富化粉体混合物を形成するステップと、酸素富化粉体混合物を金属基材に施工して皮膜を形成するステップと、酸素富化粉体混合物を加熱して皮膜内に酸化物分散質を析出させるステップとを含む。
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を参照することによって理解を深めることができるであろう。なお、本願の内容の一部をなす添付の図面には、本発明の実施形態を例示するとともに、発明の詳細な説明と併せて本発明の原理を説明する。
本発明を当業者が実施できるように、以下の詳細な説明では、図面を参照しながら、本発明を最良の形態を含めて十分に開示する。
以下、本発明の実施形態について詳しく説明するが、その１以上の実施例を図面に示す。各実施例は例示にすぎず、本発明を限定するものではない。実際、本発明の技術的範囲又は技術的思想から逸脱せずに、本発明に様々な修正及び変形をなすことができることは当業者には明らかであろう。例えば、ある実施形態の一部として例示又は説明した特徴を、別の実施形態に用いてさらに別の実施形態としてもよい。従って、本発明は、かかる修正及び変形を特許請求の範囲で規定される技術的範囲及びその均等の範囲に属するものとして包含する。
一般に、本発明は、ガスタービンの高温ガス経路で使用される金属部品のような、高温環境に暴露されるように設計された金属基材上に酸化物分散強化皮膜を形成する方法に関する。幾つかの実施形態では、本方法は、安定ＭＣｒＡｌＹ合金粒子を粉砕して粒子を歪ませて砕き、粒子の表面積を増大させて微粉体を形成することを含む。その結果、酸素が粉体のマトリクス中に吸収され、新たに破砕された粒子表面に新たな表面酸化物が形成されると、粉体が酸素で過飽和される。この酸素富化粉体を次いで金属基材の表面に耐酸化性保護皮膜として施工し、加熱して酸素を粉体の成分と反応させれば皮膜内部で酸化物分散質（例えば、ナノスケール酸化物分散質）を析出させることができる。これらの酸化物分散質は一般に皮膜の結晶組織内の欠陥として機能し、組織を歪ませて分散質の周囲に応力場を生じる。こうした応力場は、転位の流れ及びそ他の材料変形に抗して、保護皮膜の強度及び耐エロージョン性を向上させる。さらに、この強化は、皮膜に含まれる硬質粒子の体積百分率を増大させずに、酸化物分散質によって達成されるので、本保護皮膜は、他の公知の耐酸化性皮膜と同一又は同様の耐酸化性をもたらす。
ここで図１を参照すると、金属基材上に酸化物分散強化皮膜を形成する方法１００の一実施形態が示してある。一般に、方法１００は、ＭＣｒＡｌＹ合金粒子を粉砕して酸素富化粉体を形成するステップ１０２と、酸素富化粉体を金属基材に施工して皮膜を形成するステップ１０４と、酸素富化粉体を加熱して皮膜内で酸化物分散質を析出させるステップ１０６とを含む。なお、本方法１００の様々な構成要素１０２、１０４、１０６は、図１では特定の順序で示してあるが、これらの構成要素は、一般に、本明細書に開示した内容に合致する任意の順番及び／又は順序で実施し得る。
ステップ１０２では、ＭＣｒＡｌＹ合金粒子（式中、Ｍは鉄、コバルト及びニッケルの少なくとも１種である。）を粉砕して酸素富化粉体を形成する。本明細書で用いる「粉砕」という用語は、一般に粒度を減少させるプロセスをいう。ＭＣｒＡｌＹ合金粒子の粉砕は、当技術分野で公知の好適な破砕、ミル、圧壊及び／又は微粉砕プロセスを用いて行うことができる。例えば、一実施形態では、ＭＣｒＡｌＹ合金粒子はボールミルプロセスを用いて粉砕してもよく、複数の鋼球又はセラミック球を有する容器内に粒子を入れて回転させ、容器内でボールを転動落下させて、粒子を破砕又は圧壊させて粉体とする。なお、ＭＣｒＡｌＹ合金粒子の粉砕によって、粒子が連続的に破砕され、新たに破砕された粒子表面に新たな表面酸化物が形成されることは明らかであろう。従って、周囲環境から酸素が粉体のマトリックス中に吸収されるので、得られる粉体は酸素で過飽和された状態その他の酸素富化状態となる。
幾つかの実施形態では、粉体の酸素吸収能を高めるために、ＭＣｒＡｌＹ合金粒子の粒径をステップ１０２で大きく減少させてもよい。例えば、一実施形態では、ＭＣｒＡｌＹ合金粒子は、粒子の約２５体積％以上が約５μｍ未満の粒径となるまで粉砕してもよく、例えば、粒子の約５０体積％超の粒径が約５μｍ未満、粒子の約７５体積％超の粒径が約５μｍ未満、又は粒子の約９０体積％超の粒径が約５μｍ未満となるように、或いはこれらの任意の部分範囲となるように粉砕してもよい。ただし、別の実施形態では、ＭＣｒＡｌＹ合金粒子は、粒子の約２５体積％未満が約５μｍ未満の粒径をもつように粉砕してもよい。
ステップ１０４で、酸素富化粉体を金属基材に施工して保護皮膜を形成する。一般に、酸素富化粉体は、当技術分野で公知の好適な施工及び／又はスプレー法を用いて金属基材に施工すればよい。例えば、幾つかの実施形態では、酸素富化粉体は、溶射プロセスを用いて施工できる。好適な溶射プロセスとしては、特に限定されないが、高速フレーム（ＨＶＯＦ）溶射法、真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）法（減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）法としても知られる）、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）法及びコールドスプレー法が挙げられる。
さらに、酸素富化粉体は、概して任意の好適な金属基材に施工できることも明らかであろう。例えば、幾つかの実施形態では、酸素富化粉体は、上述の通りガスタービンの部品（例えば、ノズル、バケット、ブレード、シュラウド、翼形部など）に施工してもよいし、ディーゼルその他の種類の内燃エンジンの所定の部品のような高温環境で使用される他の好適な金属基材に施工することもできる。図２は、本発明が特に有用である環境を例示するためのものであり、ガスタービンのタービンバケット２００の一実施形態の斜視図を示す。図に示すように、タービンバケット２００は、前縁２０８と後縁２１０との間に延在する正圧面２０４と負圧面２０４を有する翼形部２０２を含む。翼形部２０２は、一般に、実質的に平坦なプラットフォーム２１２から半径方向外側に延在する。さらに、タービンバケット２００は、ガスタービンの環状ロータディスク（図示せず）にバケット２００を取り付けるためプラットフォーム２１２から半径方向内側に延在する根元２１４を含む。一般に明らかであろうが、翼形部２０２は、通常、ガスタービンの高温ガス経路に配置され、ガスタービンで十分な作動寿命をもつように耐酸化性及び／又は耐エロージョン性皮膜が一般に必要とされる。
さらに、幾つかの実施形態では、ステップ１０４で形成される保護皮膜は、遮熱コーティング（ＴＢＣ）系の初期ボンドコートをなしていてもよいことは明らかであろう。例えば、図３は、ＴＢＣ皮膜系３００の一実施形態の断面図を示す。図に示すように、ＴＢＣ皮膜系３００は、一般に、金属基材３０４の表面を被覆するボンドコート３０２と、ボンドコート３０２上に設けられた遮熱コーティング３０６とを含む。一般に明らかであろうが、遮熱コーティング３０６は、酸化イットリウム、酸化マグネシウムその他の貴金属酸化物によって部分的又は完全に安定化されたジルコニアのような様々な公知のセラミック材料から形成することができ、上述のスプレー法のような任意の好適な施工及び／又はスプレー法を用いてボンドコート３０２上に施工することができる。
ただし、別の実施形態では、ステップ１０４で形成される保護皮膜は、当技術分野で公知の他の好適な皮膜系に用いてもよいし、金属基材に施工される単独の保護オーバレイ皮膜としても用いることもできることは明らかであろう。
さらに図１を参照すると、ステップ１０６で、酸素富化粉体を加熱又は熱処理して、保護皮膜内で酸化物分散質を析出させる。具体的には、酸素富化粉体の加熱によって、酸素富化粉体中に吸収された酸素が、ＭＣｒＡｌＹ合金粒子の成分と反応して、皮膜内部に酸化物分散質を生じる。例えば、酸素は、粒子に含まれるクロム、アルミニウム及び／又はイットリウムと反応して、酸化クロム（例えば、Ｃｒ2Ｏ3）分散質、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ2Ｏ3）分散質、酸化イットリウム（例えば、Ｙ2Ｏ3）分散質、及び／又はこれらの酸化物の混合物を含む分散質を形成する。さらに、上述のようにＭＣｒＡｌＹ合金粒子の粉砕によって得られる微粉体に起因して、加熱時に析出する酸化物分散質の大きさは比較的小さい。例えば、一実施形態では、酸化物分散質の粒径はナノスケールであり、例えば、約１μｍ未満、約０．５μｍ未満又は約０．１μｍ未満の平均粒径、さらにはこれらの任意の部分範囲の平均粒径を有する。ただし、他の実施形態では、酸化物分散質は約１μｍ超の平均粒径を有し、例えば、約１．５μｍ超又は約２μｍ超の平均粒径、さらにはこれらの任意の部分範囲の平均粒径を有する。
幾つかの実施形態では、酸素富化粉体を金属基材に施工して保護皮膜を形成した後、加熱又は他の熱処理してもよい。例えば、一実施形態では、酸素富化粉体の施工に続いて金属基材を加熱処理して酸化物分散質を析出させる。好適な加熱処理としては、金属基材及び施工された酸素富化粉体を約１０００〜約２０００°Ｆの温度に加熱して、該温度に約３時間未満維持することが挙げられる。ただし、その他の好適な加熱処理として、ＭＣｒＡｌＹ合金粒子の成分と酸素が反応して所望の酸化物分散質を析出させるのに十分な時間適当な温度に金属基材及び酸素富化粉体を加熱すればよい。さらに、金属基材が高温環境下で使用される金属部品として構成される実施形態では、酸素富化粉体の加熱は、金属部品を高温環境下に配置したときに実施してもよい。例えば、ガスタービン内部の作動温度に暴露すれば、酸化物分散質を析出させるのに十分であると考えられる。
別の実施形態では、酸素富化粉体を金属基材に施工する際に加熱その他の方法で熱処理してもよいことは明らかであろう。例えば、ある種の溶射プロセスの使用によって得られる温度は、酸素富化粉体中に吸収された酸素がＭＣｒＡｌＹ合金粒子の成分と反応するのに十分である。
さらに、本発明の特定の実施形態では、方法１００は、ステップ１０２で形成された酸素富化粉体を粗ＭＣｒＡｌＹ合金粒子と混合して酸素富化粉体混合物を形成することを含んでいてもよい。例えば、比較的大きな粒径を必要とする公知の溶射プロセス（例えば、ある種のＡＰＳプロセス）を用いる際に金属基材への酸素富化粉体の施工を促進するため、酸素富化粉体をＭＣｒＡｌＹ合金粒子と混合するのが望ましいことがある。さらに、酸素富化粉体に粗ＭＣｒＡｌＹ合金粒子を追加すると、酸素富化粉体混合物を金属基材に施工する際に保護皮膜として望ましい表面粗さを達成する手段が得られる。一般に明らかであろうが、ある程度の表面粗さは、図３に関して説明した遮熱コーティング３０６のような、保護皮膜の表層の他の皮膜の接着性を高めるのに役立つ。
本明細書で用いる「粗ＭＣｒＡｌＹ合金粒子」という用語は、酸素富化粉体に含まれる粉砕ＭＣｒＡｌＹ合金粒子の平均粒径よりも大きい平均粒径を有するＭＣｒＡｌＹ合金粒子の混合物をいう。従って、幾つかの実施形態では、粗ＭＣｒＡｌＹ合金粒子の約９０体積％以上は、約５μｍ超の粒径を有する。例えば、特定の実施形態では、粗ＭＣｒＡｌＹ合金粒子の９０体積％以上は約５〜約１１０μｍの粒径、例えば、約５〜約２５μｍ、約５〜約５５μｍ又は約５５〜約１１０μｍの粒径、さらにこれらの任意の部分範囲の粒径を有する。
さらに、本発明の別の実施形態では、方法１００は、ＭＣｒＡｌＹ合金粒子を粉砕する前に酸化物形成性添加剤を添加することを含んでいてもよい。本明細書で用いる「酸化物形成性添加剤」という用語は、加熱時に酸素と反応して、本発明に従って形成される保護皮膜を強化することのできる酸化物分散質を形成するのに適した任意の元素をいう。例えば、好適な酸化物形成性添加剤としては、特に限定されないが、モリブデン、チタン、タングステン、マンガン、クロム、イットリウム及びこれらの混合物が挙げられる。
かかる酸化物形成性添加剤をＭＣｒＡｌＹ合金粒子と混合してから混合物を粉砕することによって、酸化物形成性添加剤の添加剤粒子はＭＣｒＡｌＹ合金粒子と共に破砕され、添加剤粒子の表面積を増大させて新たに破砕された粒子表面に表面酸化物を形成することができる。こうして、得られた粉体混合物を金属基材に施工して加熱すると、酸素が粉砕ＭＣｒＡｌＹ合金粒子の成分及び添加剤粒子と反応して酸化物分散質が析出する。例えば、上述の酸化物形成性添加剤の１種以上を用いた場合に、保護皮膜内部で形成される酸化物分散質としては、特に限定されないが、酸化モリブデン（例えば、ＭｏＯ2）分散質、酸化チタン（例えば、Ｔｉ2Ｏ3）分散質、酸化タングステン（例えば、Ｗ2Ｏ3）分散質、酸化マンガン（例えば、Ｍｎ3Ｏ4）分散質、酸化クロム（例えば、Ｃｒ2Ｏ3）分散質、酸化イットリウム（例えば、Ｙ2Ｏ3）分散質、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ2Ｏ3）分散質及びこれらの酸化物の混合物を含む分散質が挙げられる。
高温環境下で使用される金属部品について、本明細書では一般に「金属基材」として記載した。ただし、本発明は、特定の種類の金属基材及び／又は部品に限定されないことは容易に理解されるであろう。
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
１００ 方法
１０２ 方法ステップ
１０４ 方法ステップ
１０６ 方法ステップ
２００ タービンバケット
２０２ 翼形部
２０４ 正圧面
２０６ 負圧面
２０８ 前縁
２１０ 後縁
２１２ プラットフォーム
２１４ 根元
３００ 皮膜系
３０２ ボンドコート
３０４ 金属基材
３０６ 遮熱コーティング
１０２ 方法ステップ
１０４ 方法ステップ
１０６ 方法ステップ
２００ タービンバケット
２０２ 翼形部
２０４ 正圧面
２０６ 負圧面
２０８ 前縁
２１０ 後縁
２１２ プラットフォーム
２１４ 根元
３００ 皮膜系
３０２ ボンドコート
３０４ 金属基材
３０６ 遮熱コーティング
Claims (11)
- 金属基材（３０４）上に酸化物分散強化皮膜を形成する方法（１００）であって、
ＭＣｒＡｌＹ合金粒子を粉砕して、微粉体にして該粉体に含まれるＭＣｒＡｌＹ合金粒子の２５体積％以上が５μｍ未満の粒径を有する微粉体を形成するステップと、
微粉体を、追加のＭＣｒＡｌＹ合金粒子であってその９０体積％以上が５μｍ超の粒径を有する追加のＭＣｒＡｌＹ合金粒子と混合して、粉体混合物を形成するステップと、
粉体混合物を金属基材（３０４）に施工して皮膜を形成するステップと、
粉体混合物を加熱して皮膜内に酸化物分散質を析出させるステップと
を含む方法（１００）。 - 前記ＭＣｒＡｌＹ合金粒子を粉砕するステップが、ＭＣｒＡｌＹ合金粒子をボールミルすることを含む、請求項１記載の方法（１００）。
- 前記粉体混合物を金属基材に施工するステップが、粉体混合物を溶射することを含む、請求項１又は請求項２記載の方法（１００）。
- 前記粉体混合物を加熱するステップが、粉体混合物を金属基材（３０４）に施工する際に粉体混合物を加熱することを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法（１００）。
- 前記粉体混合物を加熱するステップが、粉体混合物を金属基材（３０４）に施工して皮膜を形成した後に粉体混合物を加熱することを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法（１００）。
- 前記酸化物分散質が、酸化イットリウム、酸化クロム、酸化アルミニウム及びこれらの混合物の少なくとも１種を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法（１００）。
- 前記酸化物分散質が１μｍ未満の平均粒径を有する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法（１００）。
- 前記ＭＣｒＡｌＹ合金粒子に酸化物形成性添加剤を添加することをさらに含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法（１００）。
- 前記酸化物形成性添加剤が、モリブデン、チタン、タングステン、マンガン、クロム、イットリウム及びこれらの混合物を含む、請求項８記載の方法（１００）。
- 前記皮膜がボンドコートをなし、当該方法がさらに、ボンドコート（３０２）の上に遮熱コーティング（３０６）を施工することをさらに含む、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の方法（１００）。
- 前記追加のＭＣｒＡｌＹ合金粒子の９０体積％以上が５５〜１１０μｍの粒径を有する、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載の方法（１００）。
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