JPWO2006098210A1 - 保護コート及び金属構造体 - Google Patents
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Abstract
ガスタービンエンジンの部品等を摩耗から保護するための保護コートは、金属より本質的になる微細孔を有する基礎コートと、少なくとも表面はセラミックより本質的になり、前記微細孔に充填された球状の粒子と、を備える。
Description
本発明は、ガスタービンエンジンの部品等を磨耗から保護するための保護コート及び耐磨耗性を有する金属構造体に関する。
ガスタービンエンジンは高温下で高速回転し、その部品は相手方部品に対して擦動する。各部品を擦動による磨耗から保護するために、擦動を受ける部位に限定して保護コートを形成することが一般的に行われる。前記保護コートは多孔質な金属であり、その微細孔に潤滑油が含浸される。日本国特許公開２００２−１０６３０１号は関連する技術を開示する。
前記ガスタービンエンジンは、極めて広い温度範囲で利用に供される。停止時においてはマイナス５０℃に達することがあり、そのような環境においては前記潤滑油は固化してしまう。一方、運転時においては例えば２５０℃ほどに達する虞があり、前記潤滑油は蒸発しかねない。いずれも潤滑に問題が生ずる。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、潤滑油によらずに潤滑作用を有する保護コート及び耐磨耗性を有する金属構造体を提供することを目的とする。
本発明の第１の局面によれば、部品を摩耗から保護するための保護コートは、金属より本質的になる微細孔を有する基礎コートと、少なくとも表面はセラミックより本質的になり、前記微細孔に充填された球状の粒子と、を備える。
望ましくは、前記基礎コートは、前記部品をワークピースとして、前記金属より本質的になる電極から前記部品上に放電堆積することにより形成されたものである。また望ましくは、前記保護コートは、前記部品に対する界面を覆う、前記部品に向かって組成が傾斜的に変化する融合層、をさらに備える。さらに望ましくは、前記融合層は、３μｍ以上かつ２０μｍ以下の厚さを有する。
本発明の第２の局面によれば、ガスタービンに適用される部品は、対象部を有する本体と、金属より本質的になる微細孔を有する、前記対象部を覆う基礎コートと、少なくとも表面はセラミックより本質的になり、前記微細孔に充填された球状の粒子と、を備える。
望ましくは、前記基礎コートは、前記本体をワークピースとして、前記金属より本質的になる電極から前記本体上に放電堆積することにより形成されたものである。また望ましくは、前記部品は、前記本体に対する界面を覆う、前記本体に向かって組成が傾斜的に変化する融合層、をさらに備える。さらに望ましくは、前記融合層は、３μｍ以上かつ２０μｍ以下の厚さを有する。
本発明の第３の局面によれば、擦動を受ける部位に適用される金属構造体は、金属より本質的になる微細孔を有する本体と、少なくとも表面はセラミックより本質的になり、前記微細孔に充填された球状の粒子と、を備える。
望ましくは、前記本体と前記粒子は、前記金属より本質的になる粉末と、前記セラミックより本質的になる粉末との混合粉末を焼結することにより形成されている。
本明細書と添付の請求の範囲を通して、いくつかの用語を次のように定義して使用する。「放電堆積」なる語は、放電加工機において放電をワークピースの加工の代わりに電極の損耗に利用し、前記電極の素材を、ないし前記電極の素材と加工液ないし加工気体との反応生成物を、ワークピース上に堆積せしめること、と定義して使用する。また「放電堆積する」なる語は「放電堆積」の他動詞として定義して使用する。さらに「〜より本質的になる」なる句は、半閉鎖的に成分を規定することを意味し、すなわち、発明の基礎的および新規な性質に実質的に影響する規定されていない成分を排除するが、実質的に影響しない不純物等の成分を含むことを許容すること、として定義して使用する。
本発明の各実施形態において、放電加工機（その大部分は図示省略する）による放電堆積を利用する。放電堆積においては、対象物を放電加工機のワークピースとして放電加工機にセットし、前記対象物を加工槽内において、電極に近接して対向せしめる。ここで通常の放電加工であれば、外部電源からパルス状の電流を供給することにより、ワークピースと電極との間にパルス状の放電を発生させてワークピースを損耗させ、このことによりワークピースは電極の先端と相補的な形状に加工される。本発明による放電堆積においては、ワークピースを損耗させる代わりに、電極を損耗せしめ、電極の素材、ないし電極の素材と加工液ないし加工気体との反応生成物を、ワークピース上に堆積させる。堆積物は、ワークピース上に付着するだけでなく、放電のエネルギーを一部利用して、ワークピースとの間、及び堆積物の粒子相互に、拡散や溶着などの現象を同時に起こしうる。
本発明の第１の実施形態を、図１及び２を参照して以下に説明する。
本発明の第１の実施形態に係わる保護コート１は、ガスタービンエンジン等に適用される金属より本質的になるエンジン部品３に適用されるものであって、相手方エンジン部品に対して擦動する部位である対象部３ａに、図１（ａ）（ｂ）に示されるごとく形成される。
保護コート１は、基礎コート７を備えており、この基礎コート７は、金属より本質的になり、かつ多孔質に形成されている。ここで、前記金属の好適な例は、Ｃｏ（コバルト）とＣｒ（クロム）とＷ（タングステン）を含む合金であるが、その他、適宜の金属を選択することができる。
基礎コート７中の微細孔７ａ内には、球状の硬質粒子９が回転可能な状態で充填されている。硬質粒子９は、酸化物系セラミックスの一つであるＣｒ２Ｏ３（酸化クロム）により本質的になる。また、硬質粒子９の粒径は５０μｍ以下が好ましい。
なお、硬質粒子９全体でなく、硬質粒子９の少なくとも表面が酸化物系セラミックスにより本質的になるのでもよい。また、酸化物系セラミックスの代わりに、炭化物系セラミックスが適用されていてもよい。
図２に示すように、保護コート１は、エンジン部品３をワークピースとして治具１３に据え付け、放電加工機の加工槽内において、電極１１に対向せしめ、加工槽内に貯留した電気絶縁性のある液Ｓ中において、対象部３ａと電極１１との間にパルス状の放電を発生させることにより放電堆積されたものである。
ここで、電極１１は、前記合金より本質的になる粉末からプレスによる圧縮によって成形した成形体、若しくは少なくとも部分的に焼結されるべく加熱処理した前記成形体である。なお、電極１１は、圧縮によって成形する代わりに、泥漿、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）、溶射等によって成形しても差し支えない。
また、保護コート１とエンジン部品３の母材の境界には、組成比が厚さ方向へ傾斜的に変化する融合部（融合層）Ｂが生成されている。そして、保護コート１を形成する際に適正な放電条件を選択することによって、融合部Ｂは、厚さが３μｍ以上かつ２０μｍ以下になるように構成されている。なお、前記適正な放電条件は、ピーク電流が３０Ａ以下で、パルス幅が２００μｓ以下であって、好ましくは、ピーク電流が２０Ａ以下で、パルス幅が２０μｓ以下である。
ここで、融合部Ｂの厚さが３μｍ以上かつ２０μｍ以下になるようにしたのは、図３及び図４に示す試験結果に基づくものである。
即ち、放電条件を変えて、放電エネルギーによって金属の母材にコートを形成した場合に、融合部の厚さと、前記保護コートの密着強度との関係が図３のようである。前記融合部の厚さが３μｍ以上になると、前記保護コートの密着強度が高くなるという、新規な第１の知見を得ることができた。また、前記融合部の厚さと前記母材の変形との関係は、図４のである。前記融合部の厚さが２０μｍ以下であると、前記母材の変形を抑えることできるという、新規な第２の知見を得ることができた。よって、新規な第１及び第２の知見から、エンジン部品３の母材の変形を抑えつつ、保護コート１の密着強度を高めることができるように、融合部Ｂの厚さが３μｍ以上かつ２０μｍ以下になるようにした。
なお、図３及び図４における横軸は、前記融合部の厚さを対数表示してあって、図３における縦軸は、前記コートの密着強度を無次元化して表示してあって、図４における縦軸は、前記母材の変形を無次元化して表示してある。
次に、第１の実施形態の作用・効果について説明する。
基礎コート７における微細孔７ａ内に球状の硬質粒子９が回転可能な状態で充填されているため、エンジン部品３が相手エンジン部品５と擦り合っても、基礎コート７の表側から露出した硬質粒子９が微細孔７ａ内において回転することによって、潤滑油を用いることなく、保護コート１の潤滑作用を発揮させることができる。そのため、エンジン部品３の使用環境の温度の高低に拘わらず、エンジン部品３の凝着摩耗を十分に抑えることができる。
なお、本発明は、前述の第１の実施形態に限るものではなく、例えば、次のように種々の態様で実施可能である。
即ち、電気絶縁性のある液Ｓ中においてパルス状の放電を発生させる代わりに、電気絶縁性のある気中においてパルス状の放電を発生させてもよい。また、保護コート１は、放電堆積により形成される代わりに、その他適宜の手段によって形成されるようにしても差し支えない。
本発明の第２の実施形態を、図５及び図６を参照して以下に説明する。
図５（ａ）（ｂ）に示すように、第２の実施形態に係わる金属構造体１５は、エンジン等に用いられる耐摩耗性のある円板状の構造体であって、金属構造体１５の具体的な構成は、次のようになる。なお、金属構造体１５の外周面は、筒状の相手エンジン部品（相手金属部品に１つ）１７の内周面との擦り合う部位になっている。
即ち、金属構造体１５は、構造体本体１９を具備しており、この構造体本体１９は、多孔質な金属により本質的になる。ここで、前記金属の好適な例は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）、Ｃｕ（銅）のうちのいずれか一種の金属、又は二種以上の金属より本質的になる合金であるが、その他、適宜の金属を選択することができる。
構造体本体１９における微細孔１９ａ内には、球状の硬質粒子２１が回転可能な状態で充填されており、硬質粒子２１は、酸化物系セラミックスの一つであるＣｒ２Ｏ３により本質的になる。また、硬質粒子２１は、粒径が５０μｍ以下になるように構成されている。
なお、硬質粒子２１全体でなく、硬質粒子２１の少なくとも表面が酸化物系セラミックスにより本質的になるのでもよい。また、酸化物系セラミックスの代わりに、炭化物系セラミックスが適用されていてもよい。
金属構造体１５は、前記金属の粉末と前記酸化物系セラミックスの粉末との混合粉末２３を焼結することによって形成される。金属構造体１５は、図６に示されるように、（ｉ）充填工程と、（ｉｉ）成形工程と、（ｉｉｉ）加熱工程とよりなる、３つの工程により形成される。
即ち、図６（ａ）に示すように、混合粉末２３にワックスを添加して、混合粉末２３を成形金型２５内に充填する（（ｉ）充填工程）。ここで、成形金型２５は、筒状のダイ２７と、このダイ２７のダイ孔２７ｈの上部に上下方向へ移動可能に設けられた上パンチ２９と、ダイ２７のダイ孔２７ｈの下部に上下方向へ移動可能に設けられた下パンチ３１とを備えている。次に、図６（ｂ）に示すように、プレス機械における上ラム３３と下ラム３５との加圧力によって成形金型２５に充填された混合粉末２３を圧縮することにより、圧縮粉体３７を成形する（（ｉｉ）成形工程）。そして、図６（ｃ）に示すように、成形金型２５から圧縮粉体３７を取り出して、真空炉又は大気炉等の加熱炉３９によって圧縮粉体３７を加熱することにより、前記ワックスを蒸発除去しつつ、圧縮粉体３７を焼結させる（（ｉｉｉ）加熱工程）。これによって、焼結した圧縮粉体３７からなる金属構造体１５が形成される。
次に、第２の実施形態の作用・効果について説明する。
構造体本体１９における微細孔１９ａ内に球状の硬質粒子２１が回転可能な状態で充填されているため、金属構造体１５の外周面が相手エンジン部品１７の内周面と擦り合っても、構造体本体１９の外周面から露出した硬質粒子２１が微細孔１９ａ内において回転することによって、潤滑油を用いることなく、金属構造体１５の潤滑作用を発揮させることができる。そのため、金属構造体１５の使用環境の温度の高低に拘わらず、金属構造体１５の凝着摩耗を十分に抑えることができる。
本発明を幾つかの好適な実施形態を参照して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記開示内容に基づき、本技術分野の通常の技術を有する者が、実施形態の修正ないし変形により本発明を実施することが可能である。
潤滑油によらずに潤滑作用を有する保護コート及び耐磨耗性を有する金属構造体が提供される。
Claims (10)
- 金属より本質的になる微細孔を有する基礎コートと、
少なくとも表面はセラミックより本質的になり、前記微細孔に充填された球状の粒子と、
を備えた、部品を摩耗から保護するための保護コート。 - 前記基礎コートは、前記部品をワークピースとして、前記金属より本質的になる電極から前記部品上に放電堆積することにより形成されたものである、請求項１の保護コート。
- 前記部品に対する界面を覆う、前記部品に向かって組成が傾斜的に変化する融合層、
をさらに備えた、請求項１の保護コート。 - 前記融合層は、３μｍ以上かつ２０μｍ以下の厚さを有する、請求項３の保護コート。
- 対象部を有する本体と、
金属より本質的になる微細孔を有する、前記対象部を覆う基礎コートと、
少なくとも表面はセラミックより本質的になり、前記微細孔に充填された球状の粒子と、
を備えた、ガスタービンエンジンに適用される部品。 - 前記基礎コートは、前記本体をワークピースとして、前記金属より本質的になる電極から前記本体上に放電堆積することにより形成されたものである、請求項５の部品。
- 前記本体に対する界面を覆う、前記本体に向かって組成が傾斜的に変化する融合層、
をさらに備えた、請求項５の部品。 - 前記融合層は、３μｍ以上かつ２０μｍ以下の厚さを有する、請求項７の部品。
- 金属より本質的になる微細孔を有する本体と、
少なくとも表面はセラミックより本質的になり、前記微細孔に充填された球状の粒子と、
を備えた、擦動を受ける部位に適用される金属構造体。 - 前記本体と前記粒子は、前記金属より本質的になる粉末と、前記セラミックより本質的になる粉末との混合粉末を焼結することにより形成されている、請求項９の金属構造体。
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