(57)【要約】【課題】高温及び浸食環境に曝される基材に耐浸食性保護コーティングを施工するための組成、システム、及び方法を提供すること。【解決手段】コーティング（１２）組成は、５ミクロン未満の平均粒度の金属炭化物相を有するサーメット材料を含む。コーティング（１２）は、約５ミクロン未満の平均表面粗さを有する。基材にコーティング（１２）を施工するシステム（１０）は、高速酸素燃料又は高速空気燃料システムと共に用いるよう構成された溶射ガン（１６）を含む。システム（１０）は更に、溶射ガン（１６）に供給されたサーメット材料を含み、該サーメット材料は、約５ミクロン以下の平均粒度を有する少なくとも約３４重量％の金属炭化物相を含む。金属炭化物相は、水、アルコール、有機可燃性液体、又は有機不燃性液体からなる群から選択された液体中に分散される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
５ミクロン未満の平均粒度を有する金属炭化物相を含むサーメット材料を含み、約５ミクロン未満の平均表面粗さを有するコーティング（１２）。
【請求項２】
前記サーメット材料が、所定区域にわたる初期質量と、前記所定区域中のサーメット材料が衝突角３０度で４０ミクロンのマグネタイト粒子４００グラムのフラックスに曝された後に前記所定区域にわたって前記初期質量の少なくとも９５％の第２の質量とを有する、請求項１記載のコーティング（１２）。
【請求項３】
前記第２の質量が、前記初期質量に実質的に等しい、請求項２記載のコーティング（１２）。
【請求項４】
前記サーメット材料が、所定区域にわたる初期平均厚みと、前記所定区域中のサーメット材料が衝突角３０度で４０ミクロンのマグネタイト粒子４００グラムのフラックスに曝された後に前記所定区域にわたって前記初期平均厚みの少なくとも９５％の第２の平均厚みとを有する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のコーティング（１２）。
【請求項５】
前記第２の平均厚みが前記初期平均厚みに実質的に等しい、請求項２記載のコーティング（１２）。
【請求項６】
基材（１４）をコーティング（１２）する方法であって、
水、アルコール、有機可燃性液体、又は有機不燃性液体からなる群から選択された液体中に、約５ミクロン以下の平均粒度を有する少なくとも約３４重量％の金属炭化物相から構成されるサーメット材料を分散させる段階と、
高速酸素燃料及び高速空気燃料システムを用いて前記基材（１４）上に前記サーメット材料をスプレーする段階と
を含む、方法。
【請求項７】
約５ミクロン未満の平均表面粗さを有するコーティング（１２）を前記基材（１４）上に形成する段階を更に含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記サーメット材料を分散させる段階を更に含み、前記金属炭化物相が、炭化クロム、炭化タンタル、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウム、炭化タングステン、及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項６又は請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記サーメット材料を分散させる段階を更に含み、前記サーメット材料が一般式ＭＣｒＡｌＸを有する種々の合金を含み、ここでＭは、鉄、コバルト、ニッケル、又はこれらの組合せからなる群から選択され、Ｘは少なくとも１つの希土類元素である、請求項６乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記サーメット材料を分散させる段階を更に含み、前記サーメット材料が、ＮｉＣｒＡｌＹを含む、請求項６乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、種々の物品にコーティングを施工するための組成及び方法に関する。特に、本発明の実施形態は、高温及び浸食環境に曝される基材に耐浸食性保護コーティングを施工するための組成、システム、及び方法を含む。
【背景技術】
【０００２】
商工業用設備は、高温、高圧、及び／又は大流量環境で作動される場合が多い。例えば、従来の蒸気サイクルでは、蒸気発生器は、高温高圧の蒸気を生成し、蒸気タービンを通って流れ仕事を行う。高温高圧の蒸気は、多くの場合、同伴ボイラースケール、湿気、及び／又は約１，０００フィート／秒の速度で移動する他の固体粒子を含む。タービンブレード又はノズルへの同伴ボイラースケール、湿気、及び／又は他の固体粒子の衝突は、固体粒子による浸食を引き起こす。固体粒子による浸食は、局所的な表面粗さをもたらし、ブレード又はノズルの空気力学的表面の表面輪郭を変え、従って、ブレード又はノズルの空気力学的効率を低下させる。
【０００３】
蒸気タービンの典型的には３０年の耐用年数にわたり、浸食及び／又は腐食により引き起こされる空気力学的効率の低下が相当なものとなる可能性がある。結果として、コーティングを構成要素表面に施工し、該構成要素を過酷な環境条件から保護することができる。
【０００４】
保護コーティングを施工する種々のシステム及び方法が当該技術分野で知られている。例えば、下層の構成要素表面を浸食から保護するコーティングを成功するために、物理的気相成長（ＰＶＤ）法が用いられてきた。しかしながら、ＰＶＤコーティングは、多くの場合、極めて薄く、例えば、約５０ミクロン（０．００５ｍｍ）未満である。その結果、浸食粒子が弾塑性窪みゾーンを生じる可能性がある。弾塑性窪みゾーンは、通常、衝突サイズの１０倍あり、ＰＶＤコーティング厚みを超えて延び、下層の構成要素表面を塑性変形する可能性がある。これは、衝突角度が大きくなると顕著になる。これにより、ＰＶＤコーティングが剥離又はその他の劣化を生じさせ、下層の構成要素表面を固体粒子による遙かに大きな浸食に曝す恐れがある。
【０００５】
真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）及び減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）法は、稠密で比較的無酸素のコーティングをもたらす。しかしながら、これらのシステムは、かなりの設備投資、高電力消費設備、複数の溶射及び真空チャンバ、並びに時間のかかるプロセスサイクルを必要とする。その結果、ＶＰＳ及びＬＰＰＳ法は、経済的に実現することができない可能性が高い。
【０００６】
空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）法は、空気の存在下でコーティングを高温で堆積させ、ＶＰＳ及びＬＰＰＳ法よりも必要とする設備が安価である。しかしながら、ＡＰＳコーティングは、本来、酸化物含有量が高く、連続的な酸化物スケールを形成しないので、熱成長酸化（ＴＧＯ）を生じる傾向がある。加えて、ＡＰＳコーティングは、比較的低速の粉体が施工されることに起因して密度が比較的低く、結果としてコーティングの気孔率が高くなる。そのため、ＡＰＳコーティングは、通常、浸食／腐食に対する十分な耐性がない。
【０００７】
高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）及び高速空気燃料（ＨＶＡＦ）法もまた、下層の構成要素表面を浸食から保護するコーティングを施工するために用いられてきた。各技法において、ガス又は液体燃料は、酸素（ＨＶＯＦ）又は空気（ＨＶＡＦ）と燃焼し、高速の排気ストリームを生成する。排気ストリームに噴射されるコーティング粉体は、加熱されて、２，０００フィート／秒を超える速度で所望の基材に向けて加速される。結果として得られるコーティングは、通常、他の応用技術と比べて稠密である。しかしながら、２０から４０ミクロンを下回る平均粒度を有する原材料粒子は、従来のＨＶＯＦ及びＨＶＡＦ設備において閉塞を生じ、又は凝集体になる傾向がある。その結果、ＨＶＯＦ及びＨＶＡＦ法は、５から２０ミクロンを下回る平均表面粗さＲａ（ＡＮＳＩ／ＡＳＭＥ規格  Ｂ４６１−１９８５により定められる算術平均粗さ（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ  Ａｖｅｒａｇｅ  Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ））を有するコーティングを有効且つ安定的に生成しない。
【０００８】
従って、構成要素基材に当該組成物を施工するための改善された組成、システム、及び方法に対する必要性がある。理想的には、組成物は、浸食及び／又は腐食に対して高い耐性があり、低い表面粗さを有することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７，２０８，１９６号公報
【発明の概要】
【００１０】
本発明の態様及び利点は、以下の説明において部分的に記載され、又は、本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。
【００１１】
本発明の１つの実施形態は、５ミクロン未満の平均粒度を有する金属炭化物相を含むサーメット材料を含むコーティングである。コーティングは、約５ミクロン未満の平均表面粗さを有する。
【００１２】
本発明の代替の実施形態は、基材にコーティングを施すシステムである。本システムは、高速酸素燃料及び高速空気燃料システムと共に用いるよう構成された溶射ガンを含む。本システムは更に、溶射ガンに供給されるサーメット材料を含み、該サーメット材料が、約５ミクロン以下の平均粒度を有する少なくとも約３４重量％の金属炭化物相を含む。金属炭化物相は、水、アルコール、有機可燃性液体、又は有機不燃性液体からなる群から選択された液体中に分散される。
【００１３】
本発明の更なる実施形態は、基材をコーティングする方法を含む。本方法は、水、アルコール、有機可燃性液体、又は有機不燃性液体からなる群から選択された液体中に、サーメット材料を分散させる段階を含む。サーメット材料は、約５ミクロン以下の平均粒度を有する少なくとも約３４重量％の金属炭化物相を含む。本方法は更に、高速酸素燃料及び高速空気燃料システムを用いて基材上にサーメット材料をスプレーする段階を含む。
【００１４】
当業者であれば、本明細書を精査するとこのような実施形態の特徴及び態様、並びにその他がより理解されるであろう。
【００１５】
添付図の参照を含む本明細書の残りの部分において、当業者にとって最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の１つの実施形態の図。
【図２】本発明の実施形態を従来技術のコーティングと比較した試験結果のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に本発明の実施形態を詳細に参照して、本発明の１つ又はそれ以上の実施例を添付図面において例証する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様の又は類似した要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似した表示を使用している。
【００１８】
各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。実際に、当業者であれば、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正及び変形を本発明において実施できる点は理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。
【００１９】
図１は、本発明の１つの実施形態による、基材１４にコーティング１２を施工するためのシステム１０の簡略図を示す。システム１０は、一般に、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）又は高速空気燃料（ＨＶＡＦ）システムと共に用いるように構成された溶射ガン１６を含む。種々のＨＶＯＦ及びＨＶＡＦ溶射ガンが当該技術分野で知られており、本発明の種々の実施形態の範囲内で用いることができるが、図１に示す例示的な溶射ガンは、複数の円周方向に離間して配置された噴射ポート１８を含み、該ポートは、ガス又は液体燃料をＨＶＯＦシステムでは酸素２０と、或いはＨＶＡＦシステムでは空気と混合する。溶射ガン１６は、燃焼室２２において燃料／酸素又は燃料／空気混合気を点火させ、燃焼室２２の下流側にあるノズル２４は、２，０００フィート／秒を上回る速度まで燃焼ガスを加速する。  図１に示すように、溶射ガン１６は、ノズル２４の下流側に複数の円周方向に離間して配置された粒子インジェクタ２６を含む。円周方向に離間して配置された粒子インジェクタ２６は、燃焼ガスの流れにセラミック材料組成物を供給する。燃焼ガスは、セラミック材料組成物を溶融して加速させる。溶融セラミック材料組成物は、溶射ガンから出て、基材１４上にコーティング１２を生成する。
【００２０】
セラミック材料組成物から生成されたコーティング１２は、一般に、金属バインダーと共に金属炭化物相を含むので、「サーメット」材料と呼ぶことができる。説明するように、セラミック材料組成物中の金属炭化物相は、約１０ミクロン以下の平均粒度を有する粒子を含む。特定の実施形態において、セラミック材料組成物における金属炭化物相粒子は、約５ミクロン以下、又は約２ミクロン以下の平均粒度を有することができる。
【００２１】
セラミック組成材料は、ＨＶＯＦ又はＨＶＡＦ溶射ガンへの５から１０ミクロンサイズの粒子の供給に伴って生じる上述の問題に対処するため、液体中に分散させた後、溶射ガン１６において燃焼ガスのストリームに噴射させる。セラミック材料を分散させるのに好適な液体は、例えば、水、アルコール、有機可燃性液体、有機不燃性液体、又はこれらの組合せが挙げられる。より具体的には、セラミック材料組成物を分散させるのに好適な液体は、水、エタノール、メタノール、ヘキサン、エチレングリコール、又はこれらの組合せを含むことができる。液体中に分散される金属炭化物相粒子の平均粒度を低減することにより、システム１０は、約５ミクロン未満、及び詳細な実施形態では約２ミクロン又は１ミクロン未満の平均表面粗さＲａ（ＡＮＳＩ／ＡＳＭＥ規格  Ｂ４６１−１９８５により定められる算術平均粗さ（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ  Ａｖｅｒａｇｅ  Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ））を有するコーティング１２を結果として生成することが可能になる。
【００２２】
セラミック材料組成物内に分散された金属炭化物相は、様々な金属炭化物粒子の何れかを含むことができる。本発明の範囲内の金属炭化物粒子の実施例は、炭化クロム、炭化タンタル、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウム、炭化タングステン、及びこれらの組合せを含む。金属炭化物粒子が炭化クロムである特定の実施形態において、該炭化クロムは、Ｃｒ3Ｃ2，Ｃｒ7Ｃ3，Ｃｒ23Ｃ6、及びこれらの組合せの何れかとすることができる。特定の実施形態において、結果として得られるコーティング１２は、約３４重量％よりも多い金属炭化物、又は約４５重量％よりも多い金属炭化物を含むことができる。
【００２３】
セラミック材料組成物中に分散された金属バインダーは、一般式ＭＣｒＡｌＸを有する種々の合金を含むことができる。この式において、「Ｍ」は鉄、コバルト、ニッケル、又はこれらの組合せであり、「Ｘ」は希土類元素とすることができる。本明細書で使用される用語「希土類元素」とは、単一希土類元素又は希土類元素の組合せを指す。希土類元素の実施例には、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、スカンジウム、及びイットリウムが挙げられる。具体的な実施形態において、希土類元素は、イットリウム、ハフニウム、ランタン、セリウム、又はこれらの組合せとすることができる。イットリウムが最も好ましい希土類元素であることが多い。例えば、詳細な実施形態において、ＭＣｒＡｌＸ金属バインダーは、約１７から２３重量％のクロム、約４から１３重量％のアルミニウム、約０．１から２重量％のイットリウム、及びＭを構成する残部を含むことができる。他の特定の実施形態において、Ｍは、ニッケル及びコバルトの混合物とすることができ、ここでニッケルとコバルトの比は、重量で約１０：９０から９０：１０の範囲である。しかしながら、ＭＣｒＡｌＸ金属バインダーの具体的な合金組成は大きく変わる可能性があり、コーティング材料を対象とした最終用途に大きく依存することになる点に留意されたい。
【００２４】
代替の実施形態において、セラミック材料組成物中に分散された金属バインダーは、合金中に分散された金属炭化物粒子を含むことができる。例えば、１つの実施形態において、合金は、ニッケル−クロムを含むことができる。この実施形態では、合金中のニッケル及びクロムの割合は、ある程度まで変わる可能性があり、コーティング材料を対象とした最終用途に大きく依存する。例えば、合金は、約６８から７８重量％のニッケル、又は約７２から７６重量％のニッケルを含むことができる。同様に、合金は、約１４から２２重量％のクロム、又は約１４から１８重量％のクロムを含むことができる。何れかの実施形態におけるニッケル及びクロムの具体的レベルは、延性及び硬度などの所望のコーティング特性を向上させるために調整することができる。
【００２５】
本発明の範囲内にある実施可能な金属炭化物相粒子及び金属バインダーの上述の説明から明らかにすることができるように、クロムは種々の形態で存在することができる。例えば、クロムの第１の部分は、炭化物と組合せて金属炭化物相を形成することができる。クロムの第２の部分は、ニッケルなどの金属と合金化し、金属バインダーを形成することができる。更に、炭化クロム材料は、金属炭化物相内に実質的に均一に分布させることができる。金属炭化物相及び金属バインダーを作製する方法は、一般に当該技術分野において周知であるが、具体的な実施形態に含まれる特定成分、材料が物品に施工される方法、及び物品の最終用途に応じて決まる。
【００２６】
本発明のコーティングは、ＨＶＯＦ又はＨＶＡＦプロセスの何れかを用いて施工することができる。しかしながら、ＨＶＯＦ及びＨＶＡＦプロセスは、異なる燃焼システムに基づく別個の溶射プロセスであり、別個の微細構造を有するコーティングを生成することができる。ＨＶＯＦプロセスは、酸素との燃焼の本質上、極めて高い燃焼温度を生成し、結果として高い粒子温度を生じることになる。炭化物粒子は、酸化又は金属バインダーマトリクスでの溶解を受ける可能性がある。対照的に、ＨＶＡＦプロセスは、低い燃焼温度及び粒子温度を有する「暖い動的溶射」と呼ばれるプロセスレンジにおいて行われる。大きな粉体原材料を用いてＨＶＡＦプロセスにより生成されるコーティングは、特に微細粒子に適用可能なＨＶＯＦコーティングと比べて酸素含有量が少ないことが認められている。しかしながら、燃焼温度が低いことにより、コーティング内の炭化物の取り込みの程度又はサーメット微細構造の機械的強度が制限される可能性がある。
【００２７】
何れかの特定の実施形態において、特にクロムベースの金属炭化物の場合、組成物全体内の金属バインダーの量は、延性と硬度との特性バランスを最適にするよう制御される。例証として、金属バインダーの割合がより大きい程、多くの場合延性が向上することになるが、コーティング硬度を損なう可能性がある。更に、金属バインダーの割合が小さいと、コーティング硬度を確保することができるが、極めて小さいレベルになるとコーティングが脆弱になる可能性がある。
【００２８】
図２は、本発明の実施形態と従来技術のコーティングとを比較した試験結果を表すグラフを示す。試験したコーティングは、衝突角３０度にて約１，０００フィート／秒で流動する平均粒度４０ミクロンのマグネタイト粒子４００グラムの腐食性フラックスを用いて、１，２００°Ｆ環境に曝露した。
【００２９】
ベースラインコーティングは、平均粒度２０から４０ミクロンを有するＮｉＣｒ−Ｃｒ3Ｃ2粉体のＨＶＯＦ適用によって生成した。ベースライン組成は最初に、約６ミクロンの平均表面粗さＲａを有していた。
【００３０】
本発明の範囲内にある１つの実施形態は、平均粒度が約２ミクロンのＮｉＣｒ−Ｃｒ3Ｃ2粉体をＨＶＯＦ施工することによって生成した。ＮｉＣｒ−Ｃｒ3Ｃ2粉体を１０重量％の固体の水と混合し、Ｄａｉａｍｏｎｄｊｅｔ  ２６００  ＨＶＯＦガンに供給した。結果として得られるコーティングは、初期厚みが約１５０ミクロン、平均表面粗さＲａが約０．６ミクロンであった。コーティングの平均炭化物サイズは約１．２ミクロンで、断面スキャン電子顕微鏡像の解析による平均線形切片から求めた。コーティングの金属炭化物相は、断面像の解析により約４０容量％であると確定され、約３４重量％の炭化物に相当する。
【００３１】
本発明の範囲内にある第２の実施形態は、約５ミクロン未満の平均炭化物粒度を有するＮｉＣｒＡｌＹ−Ｃｒ3Ｃ2粉体のＨＶＯＦ施工により生成した。セラミック材料組成物は、約２０重量％の金属バインダー（ＮｉＣｒＡｌＹ）と約８０重量％の金属炭化物相（Ｃｒ3Ｃ2）から構成された。粉体は、直径が約１０から６０ミクロンの間の粒度範囲に凝集し、空気キャリアガスと共にＤｉａｍｏｎｄｊｅｔ  ２６００  ＨＶＯＦトーチに供給して基材上にコーティングを生成した。コーティングは、厚みが約２５０ミクロンであった。コーティング中の平均炭化物粒度は約２ミクロンであり、断面スキャン電子顕微鏡像の解析による平均線形切片から求めた。コーティングの金属炭化物相は、断面画像の分析から約４２容量％であると確定され、約３６重量％の炭化物に相当する。コーティングの平均表面粗さＲａは、約１．４ミクロンであった。
【００３２】
本発明の範囲内にある第３の実施形態は、ＮｉＣｒＡｌＹ−Ｃｒ3Ｃ2粉体のＨＶＡＦ施工により生成した。金属バインダーは更に、約８０重量％のニッケルと約２０重量％のクロムから構成された。セラミック材料組成物は、約１６８時間の間ミル加工され、５ミクロン未満の平均粒度を生成した。粉体は、水と混合し、１０重量％粉体を含有する懸濁液を生成した。コーティングは、７０ポンド／平方インチの燃焼圧でプロピレン燃料と空気の混合気によりＫｅｒａｍａｔｉｃｏ  ９３００  ＨＶＡＦ溶射プロセスを用いて堆積させた。ＨＶＡＦガンは、６００ｍｍ／ｓ及びガン−基材距離３インチにてステンレス鋼基材にわたってラスターし、サーメットコーティングを生成した。サーメットコーティングは、約１２０ミクロンの初期厚みを有していた。コーティング中の平均炭化物粒度は約１．５ミクロンで、断面スキャン電子顕微鏡像の解析による平均線形切片から求めた。コーティングの金属炭化物相は、断面画像の分析から約５２容量％であると確定され、約４５重量％の炭化物に相当する。コーティングの平均表面粗さＲａは、約１．４ミクロンであった。
【００３３】
図２に示すように、ベースライン組成は、約１００ミクロンレベルの浸食を生じた。対照的に、本発明の実施形態は、試験中に測定可能な浸食を生じておらず、ベースライン組成と比較して浸食に対する優れた保護があることを立証した。例えば、本発明の範囲内にある特定の実施形態において、サーメットコーティングは、所定区域にわたって初期質量及び初期平均厚みを有するサーメット材料を生成することができる。図２に関して説明した条件に所定区域を曝露した後、サーメット材料は、所定区域において、初期質量及び初期平均厚みに対してそれぞれ少なくとも９５％、少なくとも９８％、又は実質的に等しい第２の質量及び第２の平均厚みを有することができる。
【００３４】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００３５】
１０  システム
１２  コーティング
１４  基材
１６  溶射ガン
１８  燃料噴射ポート
２０  酸素
２２  燃焼室
２４  ノズル
２６  粒子噴射
【図１】
2011256462.tif 000003
【図２】
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