JP7379535B2 - 被覆研磨材粒子を用いる溶接方法、被覆研磨材粒子、層システム及び密閉システム - Google Patents

Description

本発明は、粒子を用いる溶接方法であって、硬質材料層が立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）のような研磨材微粒子の周囲に塗布され溶接中の酸化に対して保護する溶接方法、層システム及び密閉システムに関する。

ガスタービン又は航空機エンジンにおける最適なクリアランスは、これらの機械の効率及び性能に決定的な影響を及ぼす。クリアランスを調整するための確立されたシステムは、ハウジング面／ステータ（例えば、ハニカム）上の摩擦層であり、そこに回転部品（例えば、タービンブレード、ロータ）がそれ自体を摩擦させる。

その結果、製造誤差、非対称的なハウジングの変形、ロータの変位などにかかわらず、最適なクリアランスギャップに研磨される。

更に、摩擦中にブレード先端を保護するための、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）によるブレード先端の外装が知られている（特許文献１）。

しかし、ｃＢＮは他の材料と特に良好には結合しないので、ｃＢＮの適用には問題がある。更に、タービン領域のために、埋め込み材料（マトリックス）は、耐高温性でなければならない。したがって、研磨材の製造のような樹脂誘導体への埋め込み（特許文献２）は、不可能である。

特許文献３は、２層の被覆部を有する立方晶窒化ホウ素からなる被覆微粒子を開示している。

特許文献４は、研磨材微粒子の金属被膜を開示している。

特許文献５は、はんだ層を有する被覆研磨材微粒子を開示しており、このはんだ層は製造される層のマトリックスである。

周知の製造方法は、特殊なｃＢＮテープを使用するガルバニック塗布又は誘導はんだ付けである。どちらもコストが高く、技術的にも複雑である。

しかしながら、いずれの方法においても、埋め込みマトリックスは特に耐腐食性ではないという欠点がある。更に、層厚を任意に設定することはできない。

ｃＢＮの高温ガス腐食とそれに伴う腐食は、最初の１００時間の運転時間内に認められた。

米国特許出願公開第２０１５／０３７７０３９号明細書 米国特許出願公開第２０１３／００４９３８号明細書 米国特許第８，３０８，８３０号明細書 米国特許第４，３９９，１６７号明細書 米国特許第１０，１８３，３１２号明細書

したがって、本発明の目的は、上記課題を解決することにある。

この課題は、請求項１に記載の微粒子、請求項４に記載の方法、請求項７に記載の層システム、及び請求項１０に記載の密閉システム、によって解決される。

解決には３つの側面がある。
・新規の耐腐食性マトリックス材料ＭＣｒＡｌＹ。
・レーザ肉盛溶接によりＭＣｒＡｌＹを適用したこと。
・変化されたｃＢＮ粒子（保護ジャケット）。
実験により、純粋なｃＢＮはレーザビーム内での必要な温度に対して損傷なく残存することができないことが示された。特に、ＴｉＣのような耐高温ガス性の炭化物被覆を使用することによってのみ、ｃＢＮはレーザビーム内での滞留時間に対して損傷なしで残存する。
・保護コーティングを使用することによって、ｃＢＮ強化コーティングのレーザ肉盛溶接は、ようやく可能となる。
・コーティングは、特殊なマトリックス材料によって、向上した高温ガス耐食性を有する。したがって、機能層は、何百時間もの動作時間の後でも、依然としてその機能を果たすことができる。
・レーザ肉盛溶接は、層厚をより自由に定義することが可能であり、０．１ｍｍから数ｍｍまで可能。
・ｃＢＮ粒子の「親結合性の」被覆部（ＴｉＣ）によるマトリックス内でのｃＢＮ微粒子の非常に良好な結合。

図１は、図２による例示的な層システムにおいて適用された例示的な粒子を概略的に示す。 図２は、層システムを例示的に示す。

図及び説明は、本発明の例示的実施形態のみを表す。

図１は、特に立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）といった被覆された微粒子４を示しており、それは、内部に研磨材の塊状粒子を有し、ここでは立方晶窒化ホウ素を有し、特にそれから構成されており、被覆部７を有し、そのようにして粒子１を形成する。

レーザ肉盛溶接の際の酸化から保護するために、研磨材粒子４は、好ましくは炭化物、特に炭化チタン（ＴｉＣ）、のような硬い材料化合物からなる被覆部７を用いて被覆されている。

このような粒子１は、肉盛溶接プロセスで使用することができ、これらの被覆された研磨材微粒子４は、他の金属粉末と混合され、好ましくはニッケルベースの超合金又はコバルトベースの超合金並びにＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金とで混合されているか、又は、肉盛溶接プロセスで用いられるワイヤ内にプレス又は加工されている。

ＮｉＣｏＣｒＡｌＹは、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ＋Ｘを意味しており、Ｘは、Ｘ＝タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）及び／又は鉄（Ｆｅ）の添加物である。このリストは、網羅的であることが望ましい。

マトリックス材料は、研磨材微粒子４及びその被覆部７とは異なるが、その理由は、それが金属であること、すなわち好ましくは金属合金であることによる。

ＳＬＭ粉末焼結積層プロセス又はＳＬＳ粉末焼結積層プロセスでの使用も可能である。

このような溶接プロセス、及び図１に従うそのような粒子１を用いて、図２に従う層システム１０が製造され、当該層システム１０において、部材１０は、特にタービン部材は、ベース部１３や表面１４を有しており、当該ベース部１３上や当該表面１４上には、粒子を含む層が適用された。粒子１は、マトリックス内部で完全に層１６内に存在しているか、又は層１６から突出している。

層１６は、このような密閉システムでは、更に、好ましくは、タービン動翼の翼端にのみ適用されている。

タービン動翼は、通常、ガスタービンの場合、ブレード及び／又はブレードプラットフォーム上にも同様に、金属の被覆部及び／又はセラミックの被覆部を有することができる又は有することになるが、これらは粒子１を有してはいない。

ステータ又はタービンの、特にガスタービンのハウジングも、この研磨層１６がすり入る保護コーティングを有する。ハウジング又はステータ上の被覆部は、金属層のみ、セラミック層のみであってもよく、又は、金属の接着促進剤層及び外側のセラミックの層からなる層システムを有していてもよい。

ハウジングの層システム又は複数の層は、それらが研磨層１６よりも機械的に軟らかいように形成されており、その結果、研磨が可能である。これは、金属の被覆部又はセラミックの被覆部の組成によって、及び／又は、１つの層又は複数の層の気孔率を調整することによっても、達成することができる。

１ 粒子
４ 微粒子
７ 被覆部
１０ 層システム
１３ ベース部
１５ マトリックス材料
１６ 層

Claims (6)

1. 層（１６）を製造するための方法であって、
   硬質材料化合物で被覆された研磨材微粒子（４）を有する粒子（１）が用いられ、
   前記粒子（１）が、金属のマトリックス材料（１５）と混合され、又は、混合された状態で、適用され、
   前記マトリックス材料が、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ－Ｘ（Ｘ＝Ｓｉ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｆｅ）を含む、
   方法。
2. 被覆部（７）の硬質材料化合物が炭化物を有する、
   請求項１に記載の方法。
3. １つの層のみ又は１つの被覆部（７）のみが、設けられている、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 肉盛溶接プロセスが用いられ、
   前記マトリックス材料（１５）が、前記粒子（１）と、共に塗布される、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 層システム（１０）であって、
   ベース部（１３）を含み、
   その上に、少なくとも部分的にまた多くとも部分的に、硬質材料化合物で被覆された研磨材微粒子（４）を有する粒子（１）を有する層（１６）が、マトリックス材料（１５）内に存在し、
   前記マトリックス材料が、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ－Ｘ（Ｘ＝Ｓｉ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｆｅ）を含む、
   層システム（１０）。
6. 請求項５に記載の層システムを有する、ステータ及びロータブレードからなる密閉システム。
   
   

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