JPH03136846A - 耐熱耐摩耗部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は基材表面に耐熱耐摩耗材から成るコーティング
層を形成した耐熱耐摩耗部材の製造方法に係り、特に複
雑な形状を有する基材であっても、緻密なコーティング
層を形成することが可能であり、品質特性が優れた耐熱
耐摩耗部材の製造方法に関する。

（従来の技術） 従来からガスタービン翼、航空機用エンジン部品、ター
ビン過給機用部品など、高温度で摩耗が著しい腐食環境
で使用される・部品材料にはニッケルークロム系か一ス
テナイト鋼、ニッケル合金、コバルト合金、モリブデン
やタンタルなどの非鉄金属を主成分とする、いわゆる超
合金が一般に採用されている。

ところで近年、機器の運転効率を向上させるため、より
高温高圧下における運転が希求されており、必然的に機
器を構成する材料についても耐熱性、耐摩耗性、耐腐食
性、高温強度の改善等が要請されている。

しかし従来の超合金でも高温になると強度が低下する傾
向があり、例えばガスタービンの燃焼ガス温度が１００
０℃以上になると、照合金製のタビン翼であってもその
材料強度および耐酸化性が不充分となり、この点が実用
機器の開発の障害となっている。

このような欠点を補うために、機械的性質や耐熱耐摩耗
特性に優れた部材を基材表面に溶射してコーティング層
を形成し、しかる後に熱間静水圧圧縮プレス（ＨＩ　Ｐ
処理）を行なうことにより、部材の耐性をより向上させ
る方法が、例えば特開昭５４−３３２３２号公報に開示
されている。この処理方法によれば基材表面に形成され
たコーティング層がある程度緻密化されるため、耐熱耐
摩耗性に優れた部材を形成することができる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら溶射法や蒸着法によって形成される耐熱耐
摩耗材のコーティング層は、一般的に多数の細孔を有す
る多孔質材となっており、このコーティング層を形成し
た基材をそのまま、ＨＩＰ装置に装填して高温等方圧縮
処理しても、加熱媒体として使用する高圧ガスが細孔を
通り、コーティング層を貫通してしまう場合が多かった
。そのためコーティング層の緻密化が充分に進行せず、
高温強度特性および耐熱耐摩耗特性を充分に発揮し得な
い問題点があった。特に緻密化が充分でないため、コー
ティング層表面を長時間に亘り研摩しても平滑にならず
、表面粗さが大きい。そのため摺動部材として使用した
場合には、耐摩耗特性が大幅に低下する問題点があった
。

この細孔内への高圧ガスの侵入を防止する方法が、例え
ば特開昭５８−９５６６５号公報に開示されている。開
示された方法は、粉末成形体や半焼結体などの処理対象
物表面をセラミック織布で覆い、しかる後にセラミック
織布のメツシュ間隙にガラス粉末を充填した後に、ＨＩ
Ｐ装置によって高温加圧処理する方法である。

この方法によればＨＩＰ処理時にガラス粉末が溶融し、
セラミック織布のメツシュ間隙を密閉するため、高圧ガ
スが処理対象物の細孔内に侵入することが阻止され、焼
結密度が高い焼結体が得られる。

しかしながら上記方法は処理対象物の形状が単純な場合
には極めて有効である一方、複雑な形状を呈する処理対
象物の場合には、処理対象物全面をセラミック織布で覆
う作業が極めて煩雑となり、部材の製造コストが大幅に
上昇してしまう問題点があった。

また部材表面にセラミック織布を介して付着させたガラ
ス粉末の大部分は、ＨＩＰ処理時に溶融して部材表面の
細孔を閉塞する反面、一部のガラス粉末が溶融して細孔
内部に浸透し、部材表面の緻密化を阻害すると同時に、
浸入箇所にクラックを引き起こす原因となり、部材特性
を損うという問題点があった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、複雑な形状を有する基材であってもその表面に形
成したコーティング層を効果的に緻密化することが可能
であり、品質特性が優れた耐熱耐摩耗部材の製造方法を
提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段と作用） 上記目的を達成するため、本発明に係る耐熱耐摩耗部材
の製造方法は、基材表面に耐熱耐摩耗材のコーティング
層を形成した後に、コーティング層表面に窒化ホウ素か
ら成る外殻層を形成し、しかる後に外殻層を形成した基
材をガラス粉末とともに密封カプセル内に装填し真空封
止した後に、密封カプセル全体を高温等方圧縮処理する
ことを特徴とする。

ここで基材としては、一般的に使用環境においである程
度の耐熱性および高温強度を有し、加工性に優れた安価
な材料であればよい。すなわち後述するコーティング層
が備えるほどの高耐熱性、高耐摩耗性は要求されないが
、コーティング層を充分保持し得る構造強度を備えるこ
とは当然である。具体的には鉄やステンレス鋼などが相
当するが、特にこれらに限定されるものではない。

また基材表面に形成するコーティング層の材料としては
基材の耐熱耐摩耗性を補う特性を有するものが使用され
る。具体的には、ニッケルークロム系合金などの金属材
や各種セラミックスの酸化物、炭化物、窒化物などの非
金属材が単体で、または２種以上混合したものが使用さ
れる。

上記コーティング層はこれらの材料粉末を通常のプラズ
マ溶射法や蒸着法によって基材表面に付着せしめて形成
される。コーティング層の厚さは要求特性によって異な
るが、通常５０〜５００μｍ程度に設定される。

またコーティング層は金属材や非金属材の単層で形成し
てもよいが、各種材料の基材に対する密着度を改善する
ため、または製造時において基材とコーティング層との
熱膨張差によって発生する熱応力を緩和するために、各
種材料を複層に組み合せて形成してもよい。

上記複層構造のコーティング層の具体例として、まず基
材表面にＮｉ−Ｃｒ系合金粉末またはその他の合金粉末
をプラズマ溶射して金属結合層を形成し、しかる後に金
属結合層上面にさらに酸化物系セラミックス、炭化物セ
ラミックス、窒化物セラミックスの粉末を単独で、また
は２種以上混合してプラズマ溶射してセラミックス層を
形成して２層構造にしてもよい。

また上記２層構造のコーティング層において、金属結合
層とセラミックス層との間に、合金粉末とセラミックス
粉末との混合粉末をプラズマ溶射して中間層を形成する
こともできる。この中間層を設けることにより、熱膨張
率の変化割合が小さくなるため、ＨＩＰ処理によって発
生する熱応力を緩和することができる。

外殻層は、形成されたコーティング層の細孔を封止し、
後述する溶融ガラスが細孔内に浸透することを防止する
ために形成されるものである。この外殻層は、コーティ
ング層を形成した基材の外周表面に窒化ホウ素粉末を充
填して常温等方圧縮することにより形成される。

この外殻層を形成する材料として窒化ホウ素を使用する
理由叫、通常１２００℃以上にの高温度で実施される高
温等方圧縮処理時においても、窒化ホウ素は他の物質と
反応しないという物理化学的安定性を備えており、また
高温時において溶融したガラスがコーティング層の細孔
に浸透することを防止する効果が極めた高いことによる
。

また本発明方法において使用するガラス粉末は、高温等
方圧縮処理時に溶融し、その溶融ガラスの粘稠性によっ
て外殻層に高圧ガスが侵入することを防止するとともに
、外部から付加された圧力を基材に対して等方向に伝達
するために使用される。

またガラス粉末としては、珪酸ソーダ系、ホウ珪酸系等
の各種のガラス粉末の他、高温状態で粘稠液となる粉末
も採用することができる。上記ガラス粉末の具体例とし
ては二酸化ケイ素（Ｓ１０２約８０％）と酸化ホウ素（
Ｂ２０３約１２％）とから成り、軟化点が８３０℃と高
い硬質ホウ球種ガラスが好適である。

このガラス粉末は、外殻層を形成した基材とともに後述
する密封カプセル内に充填されて使用される。この際、
ガラス粉末の充填密度を最大にすることにより、高温等
方圧縮処理時における密封カプセルの変形量を最小にす
ることが可能となり、密封カプセルの寿命を大幅−に長
期化することができる。

このように最密充填を行なうために、ガラス粉末の形状
は球形とする一方、取扱いの利便性を考慮してガラス粉
末の直径は３〜１００μｍのものを使用することが望ま
しい。何故ならば直径が３μｍ未満の微細なガラス粉末
は、密封カプセル内を減圧する際に、排気する気体とと
もにカプセル外に放出されてしまう難点がある一方、直
径が１００μｍを超える粗大なガラス粉末では密封カプ
セル内における充填密度が充分に上昇せず、高温等方圧
縮処理時における密封カプセルの変形量が大となりその
寿命が短かくなるためである。

また密封カプセルは、コーティング層および外殻層を形
成した基材と基材周囲に充填したガラス粉末を所定位置
に保持するために使用されるものである。密封カプセル
の構成材料としては、軟鋼やステンレス鋼などの通常の
鉄系材料の他に、処理温度が高い場合にはモリブデン、
チタン、タングステン、ニオブなどの非鉄系の高融点金
属材料を採用することもできる。

このようにしてコーティング層および外殻層を形成した
基材はガラス粉末ととともに密封カプセル内に充填され
、次に密封カプセルは、０．０１〜０．　２Ｔｏｒｒ程
度まで減圧され、その状態で封止される。この減圧操作
の目的は、密封カプセル内部に残留した気体が外殻層を
通りコーティング層内に侵入してコーティング層の緻密
化を阻害したり、クラックを発生させることを防止する
ことにある。

ここで密封カプセル内の圧力は可及的に小さい方が望ま
しいが、０．　０ＩＴｏｒｒ未満の高真空度にするため
には、脱気装置が大型化し、コスト高を招く。一方、０
．　２Ｔｏｔｔを超える場合には、上述したように残留
気体が後工程においてコーティング層に侵入してコーテ
ィング層の特性を低下させるためである。

したがって密封カプセル内の圧力は０．０１〜０、２Ｔ
ｏｒｒの範囲に設定する必要があるが、実用上より好ま
しくは０．０５〜０．　１５Ｔｏｒｔに設定するとよい
。

また減圧後の密封カプセルの封止は、エレクトロンビー
ム溶接法によって行なうことが好ましい。

この溶接法によれば、ビームエネルギを狭い範囲に集中
する操作が容易であり、また低圧環境下においても容易
に施工することが可能である。

次に、このようにして形成した密封カプセルに対し高温
等方圧縮処理を行なう。この処理操作は、通常の熱間静
水圧圧縮プレス（ＨＩＰ装置）を使用して行なう。すな
わちコーティング層および外殻層を形成した基材とガラ
ス粉末とを充填し減圧密封した密封カプセルを、アルゴ
ンガス等の非酸化性ガスを加圧媒体とする高圧容器内に
収納し、通常９００〜１５００℃に加熱するとともに、
１０００〜３０００気圧の圧力を作用させる。なお加熱
温度は基材の変性を防止するために低い方が好ましい一
方、加圧力は部材を構成する原子の相互拡散接合を促進
するために大きい方が好ましい。

この高温等方圧縮処理によりガラス粉末は溶融する一方
、密封カプセルに付加された圧力は、溶融ガラスを介し
て外殻層、コーティング層および基材の全表面に等方的
に伝達される。その結果、コーティング層は基材ととも
に著しく緻密化され、両者の密着性は相互拡散浸透効果
により著しく向上する。このとき、コーティング層の表
面に、安定性に優れた窒化ホウ素から成る外殻層が形成
され、コーティング層の細孔を封止しているため、溶融
ガラスがコーティング層の細孔内に浸透することが阻止
される。そのためコーティング層の劣化やクラックの発
生が効果的に防止される。

また加圧媒体としての高圧ガスが、溶融したガラス材お
よび外殻層によって遮断される。そのため、高圧ガスが
コーティング層を貫通することもないため、コーティン
グ層は表面において高圧ガスの加圧力をそのまま等方的
に受け、効果的に緻密化される。

特に複雑な形状を有する基材であっても、その表面にコ
ーティング層および外殻層を形成し、さらに外殻層の周
囲にガラス粉末を充填するだけでコーティング層の細孔
を封止する前処理が完了するため、ＨＩＰ処理を行な、
うための準備作業が極めて簡素であり、複雑形状を有す
る部材の製造効率を大幅に向上させることができる。

この結果、本発明に係る製造方法によれば、基材表面に
形成するコーティング層が、プラズマ溶射法や蒸着法に
よって形成された多孔質である場合においても、また基
材が鋳造法によって形成された欠陥が多いものでも、最
終的に基材とコーティング層とが一体に均質化され、機
械的性質および耐熱耐摩耗性が著しく向上した部材を効
率的に製造することができる。

（実施例） 次に本発明の一実施例について添付図面を参照して説明
する。第１図は本発明方法によって製造した耐熱耐摩耗
部材１の一実施例を示す部分断面図である。本実施例で
は、Ｎｉ−Ｃｒ系合金から成る金属結合層３と、耐熱耐
摩耗性を有するセラミックス層４とを積層したコーティ
ング層５を基材２の表面に形成した例で示す。

すなわち、まず鉄製基材２にニッケルークロム系合金粉
末をプラズマ溶射法を用いてコーティングし、厚さ５０
〜２５０μｍの金属結合層３を形成した。ニッケルーク
ロム系合金粉末の化学成分は第１表に示す通りである。

第１表 次に上記金属結合層３の表面に、耐熱耐摩耗材として下
記第２表に示す化学成分を有するジルコニア系セラミッ
クス粉末をプラズマ溶射法を用いてコーティングし、厚
さ１００〜４００μｍのセラミックス層４を形成した。

第２表 このようにして金属結合層３とセラミックス層４とから
成るコーティング層５を形成した基材２に対し、そのセ
ラミックス層４の外表面に窒化ホウ素粉末を配置し、常
温等方圧縮処理によって窒化ホウ素から成る外殻層を形
成した。この外殻層によりセラミックス層外表面の細孔
は封止され、高温等方圧縮処理時における溶融ガラスの
細孔内への侵入を防止することができる。

次に外殻層を形成した基材２を平均粒径が１８μｍ１軟
化温度が８３０℃のガラス粉末ととにも密封カプセル内
に収容し、真空ポンプによって密封カプセル内外を０．
　　ＩＴｏｔｒまで真空脱気した時点で密封カプセルの
蓋をエレクトロンビーム法により封止した。

次に基材２を収容した密封カプセルをＨＩＰ装置に収容
し、高温等方圧縮処理を行なった。このときの処理条件
は、加熱温度を１２００℃、加圧力を１２００気圧、処
理時間を３時間に設定した。

一方比較例として窒化ホウ素から成る外殻層を形成しな
いものについて同一の処理条件で高温等方圧縮処理を行
なって同一組成構造の耐熱耐摩耗部材を製造した。

こうして製造した実施例および比較例の耐熱耐摩耗部材
の基材表面部から試験片を切り出し、走査型電子顕微鏡
にて金属組織周辺を観察したところ、それぞれ第２図お
よび第３図に示す結果を得た。

第２図から明らかなように本実施例によれば、第３図に
示す比較例と比較して、セラミックス層の緻密化が充分
に進行し、コーティング層の品質が大幅に向上する。

一方第３図に示す比較例では外殻層を形成しなかったた
め、セラミック層の細孔の封止が不完全であり、ＨＩＰ
処理時に高圧ガスや溶融ガラスが細孔内に侵入した結果
、緻密化が充分に進行しない状態が観察される。

また本実施例によって得た耐熱耐摩耗部材の表面粗さは
第２図に示すように極めて平滑である。

そのため短時間の研摩作業によってサブミクロン単位ま
で表面を平滑に仕上げることができる。したがって部材
の耐摩耗性を大幅に改善することができ、特に摺動部品
として使用した場合に著しい寿命の長期化を図ることが
できた。

本願発明者は、上記実施例の他にタービン翼、航空機エ
ンジン部品等の複雑な形状を有する基材を対象に、その
表面に炭化物セラミックス、窒化物セラミックス等の耐
熱耐摩耗材を溶射してコーティング層を形成し、同様に
高温等方圧縮処理してコーティング層の状態を観察した
。

その結果いずれのコーティング層も充分に緻密化してい
ることが判明し、さらにコーティング層と基材との密着
性も著しく向上していることが確認された。

また本発明方法によれば、基材に鋳造欠陥等が内在する
場合であっても、高温等方圧縮処理時に高圧ガスの加圧
力が充分に作用するため上記欠陥が縮小されたり消滅し
て基材が均質化することも確認された。

さらに密封カプセル内に収容できる大きさであれば複雑
な形状を有する基材であっても、その周囲にガラス粉末
を充填するだけでコーティング層の細孔を封止する前処
理が簡単に完了するため、高温等方圧縮処理に至るまで
の工程が極めて簡素になり、製品の製造効率を大幅に高
めることができる。

〔発明の効果〕

以上説明のとおり本発明に係る耐熱耐摩耗部材の製造方
法によれば、基材表面に形成した耐熱耐摩耗材のコーテ
ィング層の表面に窒化ホウ素から成る外殻層を形成しコ
ーティング層の細孔を封止しているため、高温等方圧縮
処理時において溶融したガラス材がコーティング層の細
孔内に浸透することが効果的に防止される。そのためガ
ラス材によるコーティング層の劣化やクラックの発生が
防止できる。

またコーティング層の細孔内に加圧媒体としての高圧ガ
スが貫通することもないため、コーティング層は密封カ
プセル内において溶融したガラス材を介して等方圧縮力
を受ける。そのためコーティング層は効果的に圧縮、緻
密化される。その結果、在来品と比較して耐熱耐摩耗性
に優れた長寿命の部材を製造することができる。

特に複雑な形状を有する基材の場合であっても、基材の
コーティング層に窒化ホウ素から成る外殻層を形成し、
さらに外殻層の周囲にガラス粉末を充填するだけでコー
ティング層の細孔を封止する前処理が完了するため、高
温等方圧縮処理を行なうための準備作業が極めて簡素で
あり、複雑な形状を有する耐熱耐摩耗部材の製造効率を
大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法によって製造された耐熱耐摩耗部材
の一実施例を示す部分断面図、第２図は本発明方法によ
って製造された耐熱耐摩耗部材表面の金属組織を示す電
子顕微鏡写真、第３図は従来方法によって製造された耐
熱耐摩耗部材表面の金属組織を示す電子顕微鏡写真であ
る。 １・・・耐熱耐摩耗部材、２・・・基材、３・・・金属
結合層、４・・・セラミック層、５・・・コーティング
層。 第１図 第３ｒ１１ｉ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基材表面に耐熱耐摩耗材のコーティング層を形成し
   た後に、コーティング層表面に窒化ホウ素から成る外殻
   層を形成し、しかる後に外殻層を形成した基材をガラス
   粉末とともに密封カプセル内に装填し真空封止した後に
   、密封カプセル全体を高温等方圧縮処理することを特徴
   とする耐熱耐摩耗部材の製造方法。 ２、コーティング層はプラズマ溶射法により形成するこ
   とを特徴とする請求項１記載の耐熱耐摩耗部材の製造方
   法。 ３、ガラス粉末として直径３〜１０μｍの球状微粉末を
   使用することを特徴とする請求項１記載の耐熱耐摩耗部
   材の製造方法。