JPS61143576A - 組成が徐々に変化する金属―セラミツクス層の溶着方法 - Google Patents

組成が徐々に変化する金属―セラミツクス層の溶着方法

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JPS61143576A
JPS61143576A JP60268241A JP26824185A JPS61143576A JP S61143576 A JPS61143576 A JP S61143576A JP 60268241 A JP60268241 A JP 60268241A JP 26824185 A JP26824185 A JP 26824185A JP S61143576 A JPS61143576 A JP S61143576A
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas

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】 技術分野 本発明は、金属基体上の組成が徐々に変化する金属−セ
ラミック層に係り、更に詳細には実質的に金属の組成よ
り実質的にセラミックの組成まで連続的に組成が変化す
る層に係る。
本発明はタービンのアウタエアーシールの製造に適用ず
べくガスタービンエンジンの工業界に於て開発されたも
のであるが、本発明はかかる工業界のみならず他の分野
に於ても広く適用されてよいものである。
背景技術 現代のガスタービンエンジンに於ては、２０００下（１
０９３℃）を越える温度の作動媒体ガスが、該ガスより
動力を抽出すべく数列のタービンブレードを横切って膨
張される。アウタエアシールと呼ばれるシュラウドが各
列のタービンブレードを囲繞しており、これにより作動
媒体ガスがブレードの先端を越えて漏洩することが阻止
されるようになっている。作動媒体ガスの漏洩の制限は
かかるエンジンに於て効率を向上させる上で重要である
。本川ｍ＊に記載された組成が徐々に変化するセラミッ
クシールはガスタービンのアウタエアシールに適用され
るよう開発されたものであるが、このシールは他の用途
に適用されてもよいものである。過酷なタービン環境に
於て長期間に亙り信頼性よく使用し得る耐久性に優れた
シールが必要とされていた。特に耐熱性及び耐熱衝撃性
に優れたシールが求められていた。更にシール材料はシ
ールが囲繞するタービンブレードがシールに摩擦接触し
た場合に於ける破壊的な干渉が生じることを回避するに
十分な表面研摩性を有していなければならない。
米国特許第３，０９１，５４８号、同３，８７９．８３
１号、同第３，９１１，８９１号、同第３．９１８，９
２５号、同第３，９７５．１６５号、同第４，１０９．
０３１号はセラミックフェーシングされたシールに適用
可能な公知技術の代表的なものである。
前述の米国特許の幾つか、特に米国特許第４゜１６３．
０７１号に詳細に記載されている如く、セラミック被覆
が適用される金属基体の温度は残留応力又は被覆の密度
を制御すべく増大される。
一般にかかる加熱は従来より均一な温度にて行われてい
る。本願出願人と同一の譲受人に譲渡された米国特許第
４．４８１．２３７号には、ディスクリートな層状をな
すタービンシールの製造方法が記載されており、この方
法に於ては金属基体の温度を変化させつつ基体上に実質
的に一定の組成の多数の層をプラズマ溶射することによ
ってシールが製造される。
上述の各米国特許に記載された材料及び方法の多くは非
常に望ましいものであることが解っているが、これらに
より得られる構造体は特に過酷な環境の用途に於て十分
な能力を発揮するものではない。そのため更に改善され
た材料及び方法に対する研究が継続的に行われている。
発明の開示 本発明によれば、セラミック含有量が連続的に徐々に増
大する金属−セラミック材料だ金属基体の温度を変化さ
せる条件下にて基体に溶着される。
まず金属ボンド被覆が高温度にて溶着される。次いで基
体の温度が低下され、組成が連続的に徐々に変化する金
属−セラミック層が溶着される。かかる組成が徐々に変
化する層の溶着の過程に於ては、基体の温度がセラミッ
ク含有量に実質的に比°例して増大され、組成が徐々に
変化する被覆の外方部に於ては、基体のｍ度はボンド被
覆の溶着が行われる際の基体の温度よりも高くなる。
全てセラミックよりなる外層は好ましい発明的特徴を有
するものであり、この層の外方部は研摩性を向上させる
べく故意に形成された気孔を含んでいることが好ましい
。
本発明の一つの主要な特徴は、熱歪の非整合性の制御で
ある。被覆プロセス中に於ける基体の温度制御により、
被覆された部材内の各点に特徴的な温ｒ！１（部材のそ
の部分に於ける材料は実質的に応力を有していない）が
確立される。組成が徐々に変化する層の溶着過程に於て
基体の温度を制御された態様にて変化されることにより
、各層全体に亙り残留応力（又は予応力（ｐｒｅｓｔｒ
ｅｓ）　）の分布状態が好ましい分布状態にされる。組
成が徐々に変化する層全体に亙る残留応力の分布は、例
えばガスタービンエンジンに於ける部材の作動中に、そ
の部材内の任意に点に於て観察される全応力（残留応力
と作動により発生される応力との合計）がその部材を破
損させるに必要な応力よりもかなり小さくなるよう選定
される。また各金属−セラミック層の間に遷移領域が形
成され、セラミック層に故意に気孔が形成される場合に
も組成が徐々に変化される。
部材がそれが使用される環境に於て加熱されることによ
り残留圧縮応力が解放され、それ以上加熱される過程に
於てその系中に引張り応力が発生され、かかる引張り応
力の大きさは常に部材の破損を惹起すに必要な応力より
もかなり低い。
本発明の他の一つの特徴は、基体に対する溶射ナ ガンの関係を変化させることにより、被覆の厚さの関数
として被覆の密度及び強度が制御された態様にて変化さ
れることである。
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。
発明を実施するための最良の形態 組成が徐々に変化する良好な金属−セラミックシールを
製造する必要性は二つのカテゴリーに分類される。第一
のカテゴリーはプラズマ溶射中に基体の温度を制御する
ことによってその系に組込まれる残留歪である。また第
二のカテゴリーはシールの物理的要件、特に組成に関す
るものである。
本発明は第一のカテゴリー、即ち組成が徐々に変化する
金属−セラミック層に於ける残留応力を制御することに
関するものである。第二のカテゴリーの種々の局面、即
ちシールの物理的性質については、本発明の最良の実施
態様を理解し得るよう必要に応じて説明する。
本発明は梗々の組成の多数の薄い層を溶着することを含
んでいる。火炎溶射の如きプラズマ溶射以外の方法も知
られているが、プラズマ溶射が好ましい溶着法である。
第１図は本願の優先権主張の基礎出願である米国特許出
願筒６７５，８０６号の出願時点に於て本願発明者等が
知っている最良のシールの組成とシールの厚さとの関係
を示している。第１図に於て、Ｘは基体より外方へ向け
−て測定した場合のシールの厚さく　ｍ＋Ｉ　（ｍｓ）
　）を示しており、シールの全厚は約１５０　ｍａｉｌ
　（３，８１ｎ＋ｍ）である。シールはプラズマ溶射に
より溶着されるので、シールの厚さは一つの層より他の
一つの層へ移行する領域に於て階段状に変化する。しか
し各層の厚さは約１　５ｆｔ（０，０２５＋ａ＋ｅ）で
あるので第１図の連続的な曲線はシールの組成を十分に
説明している。
基体の側より見ていくと、例えばメト口（ｌｖｌｅｔｃ
ｏ）４４３として知られている粗球物、即ち市販のＮｉ
　−Ｑｒ−ＡＩ組成物であってよい最初の金属ボンド被
覆が存在する。このボンド被覆に隣接する厚さ２０　ａ
ｉｌ（０，５１ｍ５＋）の領域は、−１００〜＋３２５
の米国標準篩の粒子寸法を有する６０％のＣｏ　Ｃｒ　
ＡＩ　Ｙ　（Ｃｏ　−２３０ｒ　−１３Ａ＋−０，６５
Ｙの公称組成）と４０％のアルミナとよりなる一定の組
成の領域である。この一定の組成の層の上には、２０％
ＣＯＣｒ　Ａｔ　Ｙ及び８０％アルミナの組成になるま
で２５１ｔ（０゜６４１１１１１）程度の範囲に屋り連
続的に組成が変化する層が存在する。２０％Ｃｏ　Ｃｒ
　ＡＩ　Ｙ及び８０％アルミナの組成は約１０　ｉ＋１
ｌ（０，２５１１０１＞の範囲に亙り一定に維持されて
おり、その上の領域に於ては１００％アルミナの組成に
なるまで組成が連続的に変化している。この層の上に１
００％アルミナの一つの層（１±０．５　ａｉｌ（０，
０２５±０．０１３ｍｍ）が溶着されている。全てアル
ミナよりなる層が存在しない場合には耐酸化性が低下す
るが、全てがアルミナである多数の層が存在する場合に
は機械的性質が低下することが解っている。１００％ア
ルミナの層上には、研摩性及び耐熱性を向上させるべく
ジルコニアの外層が溶着されている（Ａｔ　ｔ　Ｏ９は
約２０００℃にて溶融するが、Ｚｒ０ｇは約２７００℃
にて溶融する）。アルミナはジルコニアよりも硬く且高
強度の材料であり、外層とてのアルミナは好ましい研摩
性を有してはいない。ジルコニアの研摩性を更に向上さ
せるべく、適度（約１９％程度の有孔度）の気孔がジル
コニアの外方部に形成される。このことは溶射されるべ
きセラミック材料に消失性材料（例えばメトコ（Ｍｅｔ
ｃｏ）　６００ポリエステルやデュポン（Ｄｕ　Ｐｏｎ
ｔ　）社のルサイト（Ｌ　ｕｃｉｔｅ　）（登録商標）
）を添加し、溶射後に高温にて焼成し消失性材料を魚介
させることにより該消失性材料を除去することによって
達成される。
ＭＣｒ　ＡＩ　Ｙ型材料（ここにＭは鉄、ニッケル、コ
バルト、又はニッケルとコバルトとの混合物）を含む種
々のボンド被覆が採用されてよい。同様にセラミックの
成分はアルミナやジルコニアに限定されるものではなく
、ムライトやＭ（ＪＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネルを含む伯の
セラミックであってもよい。更に金属成分は耐酸化性を
有する組成物よりなる広い群より選定されてよいが、上
述のＭＣｒＡＩＹ材料が好ましい。
第２図は基体の所望且所要の予歪（ｐｒｅｓｔｒａｉｎ
　）状態を得るべくプラズマ溶射中に採用される基体の
温度制御を示している。このことが本発明の本質である
。基体の温度はボンド被覆の溶着中には比較的高いレベ
ルに維持され、次いで低下される。
しかる後基体の温度はセラミック含有量にほぼ比例して
増大され、ついにはボンド被覆の溶着中に採用された温
度以上のレベルに到達し、しかる後研摩性を有するセラ
ミック材料を外層として溶着ずろ過程に於て徐々に低下
される。研摩性材料（セラミック及び消失性材料）の層
を溶射する過程に於て基体の温度を低下させる一つの理
由は、酒肴直後に消失性材料が蒸発する虞れを排除する
ことであり、気孔を形成するためには溶射中にも消失性
材料が溶射材料中に保持されなければならない。
温度の制御はプロパンバーナを用いて基体を加熱するこ
とにより行われる。温度の測定及び制御は基体の背面に
接合された熱雷対にて行われる。
誘導加熱の如き他の加熱法が採用されてもよい。
セラミック材料と金属材料との間の熱膨張率が異なるこ
とは、組成が徐々に変化する層を形成する過程に於て、
被覆の組成を連続的に変化させ、また制御された圧縮歪
を発生させることによって受入れられる。
第３図に示されている如く、シールの密度及び強度を変
化させるべく、基体に対する溶射ガンの相対位置がシー
ルの溶着中に変化される。かかる操作は基体近傍の密度
及び強度を高くする上で望ましい。
第４図は第１図及び第２図に示された情報に従って製造
された部材に特徴的な被覆内部の蓄積歪を示している。
このグラフは被覆の厚さが増大するにつれて基体の背後
に於て測定される圧縮歪が次第に増大していることを示
している。このグラフの曲線が滑らかに増大しているこ
とは、部材中に不連続部が存在せず、また歪の逆転部が
存在しないことを示している。
前述の如く、被覆は予め選定されたストレスフリー（５
ｔｒｅｓｓ　−ｆｒｅｅ）特性温度を有するよう設計さ
れている。ストレスフリ一温度は被覆の使用時にそれが
到達する低温状態と最高温度との中間に選定される。
第５図は部材の厚さ方向に見たストレスフリ一温度を示
しており、このグラフの曲線が平滑であることは構造体
が耐久性を有していることを示している。ストレスフリ
ー温度以下のｍｌに於ては、構造体の金属基体の部分は
引張り応力の状態になり、セラミックの部分は圧縮応力
状態になるが、ストレスフリ一温度以上の温度に於ては
、金属基体は圧縮応力状態になり、セラミックの部分は
引張り応力状態になる。
第６図は本発明により得られる効果を示す重要な図であ
る。この第６図はガスタービンエンジンに於ける作動条
件下、即ち離陸時に生じる加速条件下に於けるシールの
厚さの関数としてシール（その製造については既に説明
されている）の強度に対する応力の比を示している。破
線の曲線は本発明に従って製造された部品、即ち基体の
温度及び組成を連続的に制御することを含む上述の方法
に従って溶着された組成が徐々に変化する層の強度に対
する応力の比の特性を示している。グラフ上の点は、米
国特許第４．４８１，２３７号の方法、即ち組成が徐々
に変化する層が組成一定の材料よりなる複数個の層を使
用することによって製造されたエンジン部品より得られ
た実際のデータである。従来技術に従って製造されたシ
ールは破損を発生されるに必要な値の８０％程度の強さ
に対する応力の比を有していることがわかる。これに対
し本発明に従って製造されたシールに於ける強度に対す
る応力の比の最大値は６０％よりも幾分か低い値である
。従って本発明に従ってＩｌｌ造されたシールは部材を
適用する上で重要な安全性に優れていることが解る。
以上に於ては、本発明を特定の実施例について詳細に説
明したが、本発明は、かかる実施例に限定されるもので
はなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能で
あることは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明によるシールの厚さ方向の組成を示すグ
ラフである二 第２図は第１図のシールを製造する過程に於ける基体の
温度変化を示すグラフである。 第３図は第１図のシールが製造される過程に於ける基体
に対する溶射ガンの相対距離の変化を示すグラフである
。 第４図は被覆の厚さ方向の蓄積歪を示すグラフである。 第５図は被覆の厚さ方向のストレスフリ一温度を示すグ
ラフである。 第６図は本発明によるシール及び従来技術のシールの強
さに対する応力の比を示すグラフである。 特許出願人　　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポ
レイション 代　　理　　人　　　弁　　理　　士　　　明　　石　
　昌　　毅−Ａ′７ Ｓ東さく一文すすΔ応力の〉乙 （方　式〉（自　発） 手続補正書 昭和６１年１月１３日 １、事件の表示　昭和６０年特許願第２６８２４１号２
、発明の名称 組成が徐々に変化する金属−セラミック層の溶着方法３
、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所　　アメリカ合衆国コネチカット州、ハートフォ
ード、フィナンシャル・プラグ　１ 名　称　　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポレイ
ション４、代理人 居　所　　〒１０４東京都中央区新川１丁目５番１９号
茅場町長岡ビル３階　電話５５１−４１７１６、補正の
内容　別紙の通り

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）金属基体に組成が徐々に変化する金属−セラミッ
    ク層を溶着する方法にして、 ａ、前記基体を高温度に予熱する過程と、 ｂ、前記基体に金属ボンド被覆を溶着する過程と、 ｃ、前記基体の温度を低下させる過程と、 ｄ、形成される組成が徐々に変化する層の組成が実質的
    に全てセラミックになる段階に於て前記基体の温度が前
    記過程ａに於ける温度を越えるよう、前記基体の湿度を
    セラミック含有量に実質的に比例して増大させつつ、前
    記ボンド被覆の界面に於ては実質的に金属のみの組成を
    有し、前記組成が徐々に変化する層の厚さが増大するに
    つれてセラミック含有量が増大し且金属含有量が低下す
    る組成を有する複数個の薄い材料の層を溶着することに
    より組成が徐々に変化する金属−セラミック層を溶着す
    る過程と、 を含み、得られる予応力を有し組成が徐々に変化する層
    が損傷することなく過酷な熱的条件に耐え得るようにす
    ることを特徴とする方法。
  2. （２）金属基体を有するガスタービンエンジンのエアシ
    ールを製造する方法にして、 ａ、前記基体を高温度に予熱する過程と、 ｂ、前記基体に金属ボンド被覆を溶着する過程と、 ｃ、前記基体の温度を低下させる過程と、 ｄ、形成される組成が徐々に変化する層の溶着終了時に
    於ける前記基体の温度が前記ボンド被覆が形成される際
    の前記基体の温度を実質的に越えるよう、溶射される混
    合物中のセラミック含有量に実質的に比例して前記基体
    の湿度を増大させつつ、溶射中に金属粉末及びセラミッ
    ク粉末の質量流量を測定し、該質量流量を或る予め定め
    られたスケジュールに従って調節することにより、前記
    ボンド被覆との界面に於ては実質的に金属のみの混合物
    にて溶射が開始され、実質的にセラミックのみの組成に
    於て溶射が終了するよう金属粉末とセラミック粉末との
    混合物を溶射することによって組成が徐々に変化する金
    属−セラミック層を溶着する過程と、 ｅ、プラズマ溶射により前記組成が徐々に変化する層上
    にセラミックのみの層を溶着する過程であって、消失性
    材料と共にセラミック材料を溶射することによりセラミ
    ック層の外方部に故意に気孔を形成し、セラミック層を
    溶着している間前記基体の温度を徐々に低下させる過程
    と、 ｆ、前記基体に近いほど密度の高い被覆が形成され、前
    記基体より離れるほど密度の低い被覆が形成されるよう
    溶射の過程中にプラズマガンと前記基体との間の距離を
    変化させる過程と、 を含む方法。
JP60268241A 1984-11-28 1985-11-28 組成が徐々に変化する金属―セラミツクス層の溶着方法 Granted JPS61143576A (ja)

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US06/675,806 US4588607A (en) 1984-11-28 1984-11-28 Method of applying continuously graded metallic-ceramic layer on metallic substrates

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Publication Number Publication Date
JPS61143576A true JPS61143576A (ja) 1986-07-01
JPH0448867B2 JPH0448867B2 (ja) 1992-08-07

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US (1) US4588607A (ja)
EP (1) EP0183638B1 (ja)
JP (1) JPS61143576A (ja)
DE (1) DE3564453D1 (ja)

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