JPWO2008117802A1

JPWO2008117802A1 - 耐熱部品

Info

Publication number: JPWO2008117802A1
Application number: JP2009506347A
Authority: JP
Inventors: 落合　宏行; 宏行落合; 崇古川; 渡辺　光敏; 光敏渡辺; 一生大寺
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2008-03-25
Publication date: 2010-07-15
Also published as: CN101680097A; US20100119864A1; EP2141262A1; RU2436866C2; EP2141262A4; WO2008117802A1; RU2009139229A

Abstract

ＴｉＡｌ金属間化合物よりなる耐熱部品において、他の部品と擦動する擦動部位を有するその本体は、前記擦動部位を被覆するコートを消耗性の電極により放電堆積されたコートが前記擦動部位を被覆する。

Description

本発明は、ガスタービンエンジンのタービン翼、過給機のインペラ等、高温環境下で十分な強度を維持しうる耐熱部品およびその表面処理方法に関する。

ジェット機の動力としてガスタービンエンジンが利用されており、ガスタービンエンジンはその軸方向に交互に並ぶ動翼と静翼とを備えたガスタービンを備える。動翼は、周方向に等間隔に並んだ複数の翼を備え、各翼は高温ガスから動力を得て回転する。各翼は、その外周側の先端にチップシュラウドと呼ばれる部材を有する。チップシュラウド同士は、互いに接するように周方向に並び、先端のチップシールにより空気の後方への逃げを減少せしめる。動翼が回転することにより、チップシュラウドが互いに接する面は、激しく擦動する。またチップシールの外周面は、エンジンのケースが備えるハニカム部材とも激しく擦動する。これらの擦動から動翼を保護するために、チップシュラウドの特定の部位に、適宜のコーティングを施すことがある。

日本国特開平５−１４８６１５号は、本発明に関連する技術を開示している。

ガスタービンエンジン用の素材として、チタン−アルミニウム（ＴｉＡｌ）金属間化合物が注目されつつある。ＴｉＡｌ金属間化合物は軽量であるだけでなく、高い高温強度を有しており、ガスタービンエンジンの、特に動翼に適用する素材として魅力的な材料である。

本発明は、割れのごとき欠陥の生じやすいＴｉ−Ａｌ金属間化合物よりなるガスタービンエンジンの耐熱部品であって、コーティングの実施に起因する割れによる特性の劣化、特に疲労寿命の短縮を抑えることのできるコーティングが施された耐熱部品、およびそのようなコーティングを施すことのできる表面処理方法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、高温環境下で他の部品と互いに擦動する耐熱部品は、ＴｉＡｌ金属間化合物よりなり、前記他の部品と擦動する擦動面を有する本体と、耐磨耗性の金属よりなる消耗性の電極により放電堆積された、前記擦動面を被覆する耐磨耗性のコートと、を備える。

好ましくは、前記本体は前記放電堆積に先立って脆性−延性遷移温度以上に加熱される。また好ましくは、前記耐磨耗性のコートは微粉末を含む油中で放電堆積される。あるいは好ましくは、前記擦動面は放電堆積に先立ってピーニング処理される。さらに好ましくは、前記耐磨耗性のコートは、Ｃｒを含むＣｏ合金よりなる。さらにまた好ましくは、前記消耗性の電極は、Ｃｒを含むＣｏ合金よりなる粉末より、圧縮、圧縮および圧縮の後の少なくとも部分的な焼結、泥漿、ＭＩＭ、溶射の群より選択された何れか一の方法により成形された電極である。あるいは好ましくは、前記耐熱部品は、前記コートと前記本体との間に、組成が厚さ方向へ傾斜的に変化する融合層をさらに備える。

本発明の第２の局面によれば、高温環境下で他の部品と互いに擦動する耐熱部品は、ＴｉＡｌ金属間化合物よりなり、前記他の部品と擦動する擦動部を有する本体と、アブレイシブ性を有する金属およびセラミックスよりなる消耗性の電極により放電堆積された、前記擦動部を被覆するアブレイシブ性を有するコートと、を備える。

好ましくは、前記本体は前記放電堆積に先立ってＴｉＡｌ金属間化合物の脆性−延性遷移温度以上に加熱される。また好ましくは、前記アブレイシブ性のコートは微粉末を含む油中で放電堆積される。あるいは好ましくは、前記擦動面は放電堆積に先立ってピーニング処理される。さらに好ましくは、前記アブレイシブ性を有するコートは、金属およびセラミックスよりなり、前記金属はコバルト合金およびニッケル合金の群より選択された一であり、前記セラミックスはｃＢＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＢ_２、ＷＣ，ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２−Ｙ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｂ_４Ｃの群より選択された何れか一以上である。さらにまた好ましくは、前記消耗性の電極は、金属およびセラミックスよりなり、前記金属はコバルト合金およびニッケル合金の群より選択された一であり、前記セラミックスはｃＢＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＢ_２、ＷＣ，ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２−Ｙ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｂ_４Ｃの群より選択された何れか一以上である粉末より、圧縮、圧縮および圧縮の後の少なくとも部分的な焼結、泥漿、ＭＩＭ、溶射の群より選択された何れか一の方法により成形された電極である。あるいは好ましくは、前記耐熱部品は、前記コートと前記本体との間に、組成が厚さ方向へ傾斜的に変化する融合層をさらに備える。

図１は、本発明の一実施形態によるガスタービンエンジンの動翼の斜視図である。図２は、前記動翼の先端とエンジンケースの内側のハニカム部材との関係の模式図である。図３は、前記動翼が適用されたガスタービンエンジンの模式図である。図４は、本実施形態による放電堆積に用いる放電加工機の模式図である。図５は、本実施形態によるピーニング工程の模式図である。図６は、第１のコートを形成する過程を説明する模式図である。図７は、第２のコートを形成する過程を説明する模式図である。図８は、融合層の厚さとコートの密着強度との関係を表わすグラフである。図９は、融合層の厚さと母材の変形との関係を表わすグラフである。図１０は、ピーニングを実施しない面に対して放電堆積をした例である。図１１は、ピーニングを実施した面に対して放電堆積をした例である。

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非消耗電極の代わりに消耗性の電極を適用し、放電をワークピースの加工の代わりに電極の消耗に利用することによって、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。

チタン−アルミニウム（ＴｉＡｌ）金属間化合物は、前述のごとく、軽量さや高い高温強度の点で、優位性を有する。その一方、ＴｉＡｌ金属間化合物は、常温付近では延性に乏しい脆性材料であるので、機械加工や表面処理の点では極めて厄介な材料である。上記コーティングを溶融を伴う方法によって施そうとすると、その熱的ショックにより、容易に割れが生じてしまう。割れを軽減すべく溶射を適用しようとすると、対象部位以外をマスクするなどの煩瑣な作業が必要であり、かつ得られたコートは比較的に剥離しやすい。本発明者らは上述のコーティングを施す際の割れが生ずる原因について検討を行った。その結果、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面は加熱を受けることにより膨張し、比較的に低温の表面直下との間で熱膨張差が生じて過大な引張り応力が表面直下に生ずること、ないし表面を被覆したコーティング層がその後の冷却における収縮を拘束することにより、過大な引張り応力が表面に生ずることにより、割れが生ずることが明らかとなった。かかる割れ及び割れの伸展は、明らかに疲労等の特性を劣化させる。

本発明者らは、割れを防止するべく上述のごとき引張り応力を軽減しつつ、表面に割れが発生しても特性の劣化、特に疲労特性の劣化を抑える、剥離し難いコーティングを、ＴｉＡｌ金属間化合物よりなる耐熱部品に施す手段について鋭意検討し、以って本発明に到った。

図１から図７を参照して以下に本発明の実施形態を説明する。

本明細書、図面および請求の範囲を通じて、動翼について先端および基端は、ガスタービンエンジンの軸に関して径方向の外および内の端の意味である。また前後は、ガスタービンエンジン内の空気の流れにおいて上流および下流の方向とそれぞれ一致する方向の意味である。例えば図３において、前方は左方であって矢印ＦＦにより表示され、後方は右方であって矢印ＦＲにより表示されている。

本発明の一実施形態による動翼１は、図３に示される如く、ガスタービンエンジン３内に、軸心Cの周りにディスクと一体的に回転するべく、組み込まれて使用される。動翼１は、図１に示される如く、他の動翼１’と共に、軸心Cの周りに周方向に等間隔に並べられて使用される。

動翼１の本体５は、翼７と、その基端に一体的なプラットフォーム９と、さらにその基端に一体的なダブテール１１と、翼７の先端に一体的なチップシュラウド１３と、その先端面に一体的な一以上の（図面では一対の）チップシール１５と、を備える。本体５は、ＴｉＡｌ金属間化合物より本質的になる。

翼７は、高温ガスから動力を得て回転するべく、軸方向に対して角度を有するエアフォイル断面を有する翼である。プラットフォーム９は長方形の平板状であって、隣接する動翼１’のプラットフォームと共に、軸心Ｃを中心とした周面をなす。ダブテール１１は、図示されていないディスクと嵌合するべく構成されている。

チップシュラウド１３は、隣接する動翼１’のチップシュラウドと互いに接するように周方向に並び、全体として軸心Ｃ周りに周面をなす。チップシュラウド１３の側面であって、隣接するチップシュラウドの側面と稼動中に擦動しあう面である擦動面１３ｓは、第１のコート１７により被覆されている。第１のコート１７は、耐磨耗性の金属よりなるものであって、好適にはＣｏ−Ｃｒよりなるが、これに限定されない。第１のコート１７の被覆方法については、より詳細に後述する。

図１および図２を参照するに、チップシール１５は、それぞれ、ガスタービンエンジン３のケースが備えるハニカム部材１９と相互に擦動しあうべく、動翼５の回転方向にほぼ平行に突出したリブである。（図２では図示の便宜のためにチップシール１５とハニカム部材１９は離間しているが、実際には擦動しあっている。）チップシール１５の頂上付近であって、ハニカム部材１９と擦動しあう対象となる部分である擦動部１５ｔは、アブレイシブ性を有する第２のコート２１により被覆されている。

なおアブレイシブ性とは、互いに擦動する関係にある相手方の部品を削る特性であって、擦動によって相手方が優先的に削られて自身は擦動による損傷から保護される特性である。本明細書および請求の範囲を通して、アブレイシブ性の語をこの定義に従って使用する。

アブレイシブ性を有する第２のコート２１は、好ましくは金属およびセラミックスよりなり、より好ましくは、金属およびセラミックスであって、前記金属はコバルト合金およびニッケル合金の群より選択された一であり、前記セラミックスはｃＢＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＢ_２、ＷＣ，ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２−Ｙ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｂ_４Ｃの群より選択された何れか一以上であるが、これに限られない。第２のコート２１の被覆方法についても後述する。

第１のコート１７および第２のコート２１は、図４に示す放電加工機２７を利用して、放電堆積により形成される。放電堆積に利用される放電加工機２７は、ベッド２９と、水平方向に移動可能にベッド２９上に備えられたテーブル３３と、テーブル３３と一体的に移動する支持プレート４１および治具４３と、加工液（ないし加工気体）Lを貯留する加工槽３９と、を備える。放電堆積の対象物は、加工槽３９内であって治具４３上に装着される。放電加工機２７は、さらに、ベッド２９に対向するように、コラム３１と、垂直方向に移動可能にコラム３１の下端に装着された加工ヘッド４７と、加工ヘッド４７の下端に電極２３（または２５）を脱着可能に装着するべく構成されたホルダ５１と、を備える。放電加工機２７は、さらに、外部電源４５を備えて、テーブル３３と加工ヘッド４７との間に電圧を印加できるようになっている。テーブル３３には、Ｘ軸サーボモータ３５とＹ軸サーボモータ３７とがこれを駆動するように連結されており、テーブル３３をＸ軸とＹ軸の方向に沿って（すなわち水平方向に）制御可能に駆動することができるようになっている。また加工ヘッド４７には、Ｚ軸サーボモータ４９がこれを駆動するように連結されており、加工ヘッド４７をＺ軸方向すなわち垂直方向に制御可能に駆動することができるようになっている。

放電堆積においては、電極２３，２５は、通常の放電加工に利用される非消耗電極ではなく、粉末をプレスによる圧縮によって成形した成形体よりなり、比較的に粗な構造を有する、消耗性の電極を利用する。圧縮による成形体の代わりに、圧縮による成形の後に少なくとも部分的に焼結されるべく加熱処理した電極や、泥漿、ＭＩＭ（Metal Injection Molding）、溶射等によって成形した電極を利用してもよい。

対象物を放電加工機２７にセットし、前記対象物を加工槽３９内において、Ｘ，Ｙ軸サーボモータ３５，３７により駆動して、その対象部位を電極２３，２５に対向せしめ、Ｚ軸サーボモータ４９の駆動により対象物と電極２３，２５との間を近接せしめる。ここで通常の放電加工であれば、外部電源４５からパルス状の電流を供給することにより、対象部位と電極との間にパルス状の放電を発生させて対象部位を損耗させるが、放電堆積においては、対象部位を損耗させる代わりに、電極２３，２５を損耗せしめ、電極２３，２５の素材、ないし電極２３，２５の素材と加工液Ｌとの反応生成物を、対象部位上に堆積させる。加工液Ｌは、好ましくは油のような絶縁性の液体である。堆積物は、対象部位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、堆積物と対象物との間、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。

本実施形態においては、対象物は動翼１の本体５であって、対象部位は擦動面１３ｓないし擦動部１５ｔである。上述のごとく、擦動面１３ｓを第１のコート１７が被覆し、擦動部１５ｔを第２のコート２１が被覆する。これらの被覆方法について以下に詳述する。

まず、図５に模式的に示されるごとく、対象部位である擦動面１３ｓに、公知の方法によって、適宜の微小球Ｓ等によりピーニングを施す。ピーニングに先立って、擦動面１３ｓ以外の部位にマスキングＭを施してもよい。ピーニングを施すことにより擦動面１３ｓに圧縮応力が残留する。残留した圧縮応力は、放電堆積の過程を通じて擦動面１３ｓに生じ得る引張り応力と均衡することにより、差し引きにおいて残留する引張り応力を解消ないし軽減する。同様にして、擦動部１５ｔにもピーニングを施す。引張り応力が比較的に小さいと予想される場合には、ピーニングは省略してもよい。

放電加工機２７を利用して擦動面１３ｓには第１のコート１７を被覆し、擦動部１５ｔには第２のコート２１を被覆する。第１のコート１７は、耐磨耗性の金属、上述の例によればＣｒを含むＣｏ合金よりなる上述のごとき消耗性の第１の電極２３を利用する。第２のコート２１は、被覆する物質、上述の例によれば、金属およびセラミックスであって、前記金属はコバルト合金およびニッケル合金の群より選択された一であり、前記セラミックスはｃＢＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＢ_２、ＷＣ，ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２−Ｙ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｂ_４Ｃの群より選択された何れか一以上であるもの、よりなる、上述のごとき消耗性の第２の電極２５を利用する。第１の電極２３および第２の電極２５は、それぞれ対象部位たる擦動面１３ｓおよび擦動部１５ｔと相補的な形状となるべく成形されている。

動翼１の本体５を加工槽２９内であって治具４３上に、擦動面１３ｓが加工ヘッド４７に対向するように、装着する。加工ヘッド４７のホルダ５１には、第１の電極２３を装着する。加工槽２９には絶縁性を有する油等の加工液Ｌを注入する。前記加工液Ｌは、導電性を有する微粉末を適宜含んでいてもよい。前記微粉末が介在することにより、放電は微粉末を経由してより長距離に伝播することができるので、前記電極２３と本体５との間、すなわち極間距離をより大きくすることができ、ひいてはより広い範囲に放電を生ぜしめることができる。このことは、局部的な発熱を減じ、以って熱応力による割れの防止ないし抑制する。前記微粉末には、放電により溶融して凝縮したり、油と化学反応を生じて炭化物を生じても導電性を維持する物質が好ましい。そのような物質としては、電極２３と同じ物質ないしシリコンが好ましい。また微粉末の粒径は、大きすぎれば油中への均一な懸濁が困難であり、小さすぎれば凝縮が生じやすくなるので、０．５〜２μｍの範囲が好ましい。また油に対する量は、多すぎれば油中への均一な懸濁が困難であり、少なすぎれば極間距離を大きくする効果が得られないので、５〜１５重量％が好ましい。

擦動面１３ｓが第１の電極２３と対向して近接するべく、サーボモータ３５，３７，４９を適宜に駆動する。図６（ａ）は、擦動面１３ｓが第１の電極２３と対向して近接した状態の模式図である。

外部電源４５よりパルス状に電力を供給して、加工液Ｌ中において、第１の電極２３と擦動面１３ｓとの間にパルス状に放電を生ぜしめる。放電によって第１の電極２３が損耗して、第１の電極２３を構成するＣｒを含むＣｏ合金が擦動面１３ｓ上に堆積する。Ｃｒを含むＣｏ合金は、擦動面１３ｓ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、拡散や溶着を起こし、擦動面１３ｓ上に強固に付着した堆積物たる第１のコート１７を生ぜしめる。第１の電極２３が損耗することに応じて、第１の電極２３と擦動面１３ｓとの間隙が徐々に大きくなるので、Ｚ軸サーボモータ４９を微速にて駆動して、放電を維持するように徐々に加工ヘッド４７を下方に移動せしめつつ、所望の厚さとなるまで放電を継続する。

第１のコート１７は、放電堆積の過程を反映して、気孔や微粉末を含むが粗ではない特徴的な組織を有する。かかる特徴のために、断面の組織観察等の手段により、第１のコート１７の組織は、溶射や電着等による皮膜の組織とは明瞭に構造的に区別可能である。

上述の拡散や溶着により、第１のコート１７と擦動面１３ｓとの境界には、組成が厚さ方向へ傾斜的に変化する融合層Ｂ１が生成される。融合層Ｂ１の厚さは特に限定されないが、薄すぎれば密着強度が低下し、厚すぎれば擦動面１３ｓへの過大な引張り応力を誘起する。それゆえ放電条件を適正に制御することにより厚さを制御すべきであって、好ましくは１μｍ以上かつ１０μｍ以下であって、より好ましくは３μｍ以上かつ１０μｍ以下とする。そのための適正な放電条件は、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８μｓ以下である。

図８は、ピーニングを施していない擦動面１３ｓに対して、放電条件を種々に変えて融合層Ｂ１の厚さを変え、融合層Ｂ１の厚さと第１のコート１７の密着強度との関係を調べたものである。横軸は対数表示による融合層Ｂ１の厚さであり、縦軸は無次元化した密着強度である。厚さが１μｍを越えると厚さに応じて密着強度が向上し、２０μｍ以上ではその効果が飽和することが明らかとなった。図９は、同じく融合層Ｂ１の厚さと母材の割れの数×深さとの関係を調べたものであって、表１は、融合層Ｂ１の厚さと割れの発生の有無とを調べたものである。母材の変形は擦動面１３ｓに生ずる引張り応力によるものであって、母材の割れの数×深さは引張り応力の指標たりうる。横軸は対数表示による融合層Ｂ１の厚さであり、縦軸は無次元化した割れの数×深さである。図９から明らかなように、融合層Ｂ１の厚さが厚くなるに従って母材の変形は増大し、特に１０μｍ以上において顕著である。換言すると、融合層Ｂ１の厚さは小であるほど擦動面１３ｓに生ずる引張り応力は小さく、１０μｍ以下であればその影響は小さいことが明らかとなった。これらの知見に基づき、融合層Ｂ１の厚さは、１μｍ以上かつ１０μｍ以下が好ましく、３μｍ以上かつ１０μｍ以下がより好ましい。

またピーニングの有無による割れの形態の相違についても比較した。図１０はピーニングしていない面に放電堆積を実施した例である。割れは面に対して直角に近く、かつラメラ層を貫通して深く進展しており、強度を維持する上で好ましい割れの形態ではない。図１１はピーニングした面に放電堆積を実施した例である。割れは面に対して斜めであって、かつラメラ層を剥離するような形態で進展している。即ち、割れが発生していても強度にあまり影響を与えない形態である。従って、放電堆積に先立ってピーニングを実施することが好ましい。

次いで、図７（ａ）に示されるごとく、動翼１の本体５の向きを変えて、擦動部１５ｔが加工ヘッド４７に対向するように、本体５を治具４３上に装着する。さらに第１の電極２３に代えて、ホルダ５１に第２の電極２５を装着する。図７（ｂ）のごとく、擦動部１５ｔが第２の電極２５と近接するべくサーボモータ３５，３７，４９を適宜に駆動し、第２の電極２５と擦動部１５ｔとの間にパルス状に放電を生ぜしめる。放電によって第２の電極２５が損耗して電極２５を構成する金属およびセラミックスが擦動部１５ｔ上に堆積し、第２のコート２１を生ぜしめる。第１のコート１７の場合と同様に、第２のコート２１は気孔や微粉末を巻き込んだ特徴的な組織を有し、第２のコート２１と擦動部１５ｔとの境界には、組成が厚さ方向へ傾斜的に変化する融合層Ｂ２が生成される。融合層Ｂ２の厚さは、第１のコート１７の場合と同様に、適正な放電条件によって制御されて、好ましくは１μｍ以上かつ１０μｍ以下であって、より好ましくは３μｍ以上かつ１０μｍ以下とする。そのための適正な放電条件は、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８μｓ以下である。

なお、第１のコート１７の形成の際に絶縁性を有する油などの加工液Ｌ中において放電堆積を実施したときには、これに継続して、油などの加工液Ｌ中において放電堆積を実施して第２のコート２１を生ぜしめてもよい。また、アルゴン等の不活性ガス中で実施したときにも同様にできる。さらに、第１のコート１７は加工液Ｌを利用し、第２のコート２１は不活性ガスを利用したり、またその逆であってもよい。

なお、放電堆積に先立ち、対象物全体をアルゴン等の不活性ガス中において、光源または高周波加熱を利用した適宜の方法によりＴｉＡｌ金属間化合物の脆性−延性遷移温度以上に加熱し、その温度を保持したまま放電堆積を行い、その後徐冷してもよい。ＴｉＡｌ金属間化合物の脆性−延性遷移温度は、The Minerals, Metals & Materials Societyの学会誌JOM(August, 1991)第４３頁図８および第４４頁右カラムないし第４５頁左カラムに記載のごとく、ＴｉＡｌ金属間化合物においてその組成とミクロ組織とに依存して定まるものとして公知である。例えば48Ti-48Al-2Cr-2Nbなる組成を有するＴｉＡｌ金属間化合物では、脆性−延性遷移温度はミクロ組織に依存して５５０ないし７５０℃の範囲である。脆性−延性遷移温度は公知の方法により容易に測定しうる。

対象物の温度は、放電堆積の間、過度に低下しないことが望ましいが、必ずしも一定でなくともよく、脆性−延性遷移温度以上の温度が維持されればよい。不活性ガスは別途設けた通気系により系に導入してもよいが、粗な構造である電極を利用して噴出せしめてもよい。電極より噴出せしめた不活性ガスは、放電堆積の対象面と電極の間を冷却し、また対象面付近のスラッジを除去する効果をも奏する。この場合において、加工槽２９には加工液Ｌを注入せず、前記不活性ガス中において放電を実施する。

上述の工程により、ＴｉＡｌ金属間化合物よりなる本体と、前記本体の特定部位を被覆する耐磨耗性の物質またはアブレイシブ性を有する物質を含み、耐磨耗性の物質またはアブレイシブ性を有する物質を含む加工電極から前記特定部位を放電堆積することにより堆積された一以上のコートと、を備えた耐熱部品が得られる。

上述の説明では、耐熱部品としてガスタービンエンジンの動翼を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば静翼やローターディスク、過給機のインペラ等、耐熱性が要求されていて、かつコーティングを施す必要のあるいかなる部品にも適用することができる。また、放電堆積は液中に限らず、気中で実施してもよい。

溶接等の肉盛によるコーティング技術によれば、溶融したコートの素材を対象部位に付着させるために、対象部位に対する単位面積あたりの入熱量が比較的に大きく、かつ同時に大きな面積に入熱される。それゆえ加熱の過程における膨張の程度が大きく、その分、冷却の過程において引張り応力は比較的に大きくならざるをえない。溶射等のコーティング技術と、コーティングの対象物たるＴｉＡｌ金属間化合物との組み合わせは、冷却過程において収縮による大きな割れが発生する蓋然性が高い。また加熱時においても加熱による表面の膨張が表面直下の割れを生ぜしめることがある。さらに溶射によるコートは剥離が生じやすい。これに比べ、本実施形態では、放電堆積によるコーティング技術と、ＴｉＡｌ金属間化合物とを組み合わせている。放電堆積においては、対象物に対する入熱は放電が発生しているスポットに限られ、かつ放電はパルス状に間歇的である。そのため、対象部位の膨張の程度が小さく、それゆえ冷却の過程においても過大な引張り応力の発生を避けることができる。すなわち、割れの発生を抑制することができる。放電堆積によるコーティング技術と、ＴｉＡｌ金属間化合物との組み合わせは、割れの抑制の点で顕著な効果を奏する。

本実施形態においては、さらに、対象物を脆性−延性遷移温度以上に加熱することにより、コートと対象物との間で温度差が縮小するので、熱応力による割れの発生が抑制される。さらに、対象物が延性を有する状態でコーティングがなされるので、割れの発生がさらに抑制される。また、導電性を有する微粉末を含む油中で放電堆積することにより、放電の集中による局所的な加熱を抑制し、以って割れの発生をさらに抑制することができる。さらにまた、放電堆積に先立って対象部位に対して予めピーニングを実施することにより、引張り応力と均衡しうる圧縮応力を与えている。このことにより融合部直下の引張り応力を抑制し、以って割れの発生を抑制することができる。あるいは、融合部とその直下に割れが生じても、残留した圧縮応力により割れの進展を抑止することができる。このことにより、疲労強度を高めることができる。

また耐熱部品は、コバルト合金およびニッケル合金の群より選択された一を含む金属と、ｃＢＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＢ_２、ＷＣ，ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２−Ｙ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｂ_４Ｃの群より選択された何れか一以上のセラミックスとを含むアブレイシブ性を有するコートを備えることにより、高いアブレイシブ性を有する。

また放電堆積によるコーティング技術によれば、コーティングを施す領域を電極が近接する領域に限定することができる。電極を所望の形状にしておけば、それのみによってコーティングを施す領域が規定される。溶射等の技術によってこれを実現しようとすると、予め対象部位以外の領域を耐熱性の素材でマスクしておき、コーティングの完了後にマスクを除去するなどの煩雑な工程が必要になる。このことと比べ、本実施形態は、工程が簡略化されて効率のよい製造方法を提供する。

さらに、放電堆積によれば、気相法やメッキなどによるコーティング技術に比べ、コーティングの膜厚の成長速度が大きいために、必要な膜厚を得るのに短時間で済む。

コーティングが疲労寿命に及ぼす影響を低サイクル寿命（ＬＣＦ）試験により検証した。試験方法は、原則、ＪＩＳ−Ｚ２２７９の規定に準拠しており、試験温度等の諸条件は表２に掲げるごとくである。試験片は規定に従う中実丸棒であって、平行部の寸法は３ｍｍφ×６ｍｍであり、肩部はＲ１２ｍｍである。つかみ部を除く試験片の側面は、その全体に亘り、表３に掲げる表面処理が加えられている。番号４ないし６は上述の開示に基づいてコーティングを施したものであって、印加したピーク電流は２Ａで、パルス幅は２μｓであった。番号７ないし９は表面処理を加えていない比較例である。番号１０ないし１２は溶射によりコーティングを施した場合を模擬したブラスト処理を施した。

破断までに要した荷重の繰り返し数は、表３の右端カラムに列挙されている。複数の試験片のうち最小の破断サイクル数により疲労寿命を評価すると、コーティングした試験片は、溶射を模擬したブラスト処理を施した試験片に比べて、明らかに疲労寿命が長い。すなわち、上述の開示の技術は、疲労寿命の短縮を抑えることのできるコーティングを提供していることが理解される。

好適な実施形態により本発明を説明したが、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、当該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。

産業上の利用の可能性

割れを防止しつつ、表面に割れが発生しても基材の強度低下を抑える、コーティングの施されたＴｉＡｌ金属間化合物よりなる耐熱部品が提供される。

Claims

高温環境下で他の部品と互いに擦動する耐熱部品であって、
ＴｉＡｌ金属間化合物よりなり、前記他の部品と擦動する擦動面を有する本体と、
耐磨耗性の金属よりなる消耗性の電極により放電堆積された、前記擦動面を被覆する耐磨耗性のコートと、
を備えた、耐熱部品。
請求項１に記載の耐熱部品において、前記本体は前記放電堆積に先立って脆性−延性遷移温度以上に加熱されていることを特徴とする耐熱部品。
請求項１に記載の耐熱部品において、前記耐磨耗性のコートは微粉末を含む油中で放電堆積されていることを特徴とする耐熱部品。
請求項１に記載の耐熱部品において、前記擦動面は前記放電堆積に先立ってピーニング処理されていることを特徴とする耐熱部品。
請求項１に記載の耐熱部品において、前記耐磨耗性のコートは、Ｃｒを含むＣｏ合金よりなることを特徴とする耐熱部品。
請求項１に記載の耐熱部品において、前記消耗性の電極は、Ｃｒを含むＣｏ合金よりなる粉末より、圧縮、圧縮および圧縮の後の少なくとも部分的な焼結、泥漿、ＭＩＭ、溶射の群より選択された何れか一の方法により成形された電極であることを特徴とする耐熱部品。
請求項１に記載の耐熱部品であって、
前記コートと前記本体との間に、組成が厚さ方向へ傾斜的に変化する融合層をさらに備えた耐熱部品。
高温環境下で他の部品と互いに擦動する耐熱部品であって、
ＴｉＡｌ金属間化合物よりなり、前記他の部品と擦動する擦動部を有する本体と、
アブレイシブ性を有する金属およびセラミックスよりなる消耗性の電極により放電堆積された、前記擦動部を被覆するアブレイシブ性を有するコートと、
を備えた、耐熱部品。
請求項８に記載の耐熱部品において、前記本体は前記放電堆積に先立って脆性−延性遷移温度以上に加熱されていることを特徴とする耐熱部品。
請求項８に記載の耐熱部品において、前記アブレイシブ性のコートは微粉末を含む油中で放電堆積されていることを特徴とする耐熱部品。
請求項８に記載の耐熱部品において、前記擦動部は放電堆積に先立ってピーニング処理されていることを特徴とする耐熱部品。
請求項８に記載の耐熱部品において、前記アブレイシブ性を有するコートは、金属およびセラミックスよりなり、前記金属はコバルト合金およびニッケル合金の群より選択された一であり、前記セラミックスはｃＢＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＢ_２、ＷＣ，ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２−Ｙ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｂ_４Ｃの群より選択された何れか一以上であることを特徴とする耐熱部品。
請求項８に記載の耐熱部品において、前記消耗性の電極は、金属およびセラミックスよりなり、前記金属はコバルト合金およびニッケル合金の群より選択された一であり、前記セラミックスはｃＢＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＢ_２、ＷＣ，ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２−Ｙ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｂ_４Ｃの群より選択された何れか一以上である粉末より、圧縮、圧縮および圧縮の後の少なくとも部分的な焼結、泥漿、ＭＩＭ、溶射の群より選択された何れか一の方法により成形された電極であることを特徴とする耐熱部品。
請求項８に記載の耐熱部品であって、
前記コートと前記本体との間に、組成が厚さ方向へ傾斜的に変化する融合層をさらに備えた耐熱部品。