(57)【要約】      （修正有）【課題】亀裂が皮膜の表面に形成され、脆性の皮膜を通って金属性基材中に伝播しにくく、疲労寿命を改良することができる被覆物品及び皮膜施工方法を提供する。【解決手段】被覆物品１００は、金属性表面１０２、金属性表面の近傍に位置し第１の延性を有する第１の層、及び金属性表面から遠位に位置し第２の延性を有する第２の層を含む。第１の延性は第２の延性よりも約２０％以上大きい。本方法は、金属性表面を含む物品を準備し、第１の延性を有する第１の層を金属性表面の近傍に施工し、第２の延性を有する第２の層を金属性表面から遠位に施工することを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属性表面、
金属性表面の近傍に位置し、第１の延性を有する第１の層、及び
金属性表面から遠位に位置し、第２の延性を有する第２の層
を含み、第１の延性が第２の延性よりも約２０％以上大きい、被覆物品。
【請求項２】
第２の層が金属性基材より小さい耐疲労性を有する、請求項１記載の被覆物品。
【請求項３】
第１の層が第２の層から金属性物品内への亀裂の伝播を防止する、請求項１記載の被覆物品。
【請求項４】
第１の層が第２の層より高い破壊応力を有する、請求項１記載の被覆物品。
【請求項５】
第１の層が、第２の層内の応力を低減し、第２の層の歪み範囲を拡張する、請求項１記載の被覆物品。
【請求項６】
第１の層及び第２の層の配置が金属性表面の摩耗性能を高める、請求項１記載の被覆物品。
【請求項７】
第１の層が約３ミル〜約１５ミルの第１の厚さを有する、請求項１記載の被覆物品。
【請求項８】
第１の層がアルミニウム基合金である、請求項１記載の被覆物品。
【請求項９】
第２の層が炭化タングステン、炭化ホウ素、炭化クロム、及びコバルトの１種以上を含む、請求項１記載の被覆物品。
【請求項１０】
被覆物品が圧縮機部品又はタービン部品である、請求項１記載の被覆物品。
【請求項１１】
被覆物品が、重量で、約１４．０％〜約１６．０％のＣｒ、約６．０％〜約７．０％のＮｉ、約１．２５％〜約１．７５％のＣｕ、約０．５％〜約１．０％のＭｏ、約０．０２５％〜約０．０５０％のＣ、約０．２０％〜約０．７５％のＮｂ、約１．０％以下のＭｎ、約１．０％以下のＳｉ、約０．１０％以下のＶ、約０．１０％以下のＳｎ、約０．０３０％以下のＮ、約０．０２５％以下のＰ、約０．０５％以下のＳ、約０．００５％以下のＡｌ、約０．００５％以下のＡｇ、約０．００５％以下のＰｂ、残部のＦｅ及び不可避不純物の組成範囲を有する基材を含む、請求項１記載の被覆物品。
【請求項１２】
金属性表面が、重量で、約０．０８％以下のＣ、約０．３５％以下のＭｎ、約０．３５％以下のＳｉ、約０．０１５％以下のＰ、約０．０１５％以下のＳ、約５０％〜約５５％のＮｉ、約１７％〜約２１％のＣｒ、約１．０％以下のＣｏ、約０．３５％〜約０．８０％のＡｌ、約２．８％〜約３．３％のＭｏ、約０．６５％〜約１．２％のＴｉ、約０．００１％〜約０．００６％、約０．１５％以下のＣｕ、約４．７５％〜約５．５％のＮｂ＋Ｔａ、残部のＦｅ及び不可避不純物の組成範囲を有する、請求項１記載の被覆物品。
【請求項１３】
金属性表面が摩耗面である、請求項１記載の被覆物品。
【請求項１４】
金属性表面が回転面及び滑り面の一方又は両方である、請求項１記載の被覆物品。
【請求項１５】
金属性表面が圧縮機ブレード先端である、請求項１記載の被覆物品。
【請求項１６】
第１の層が金属性表面上に配置された中間層である、請求項１記載の被覆物品。
【請求項１７】
第２の層が第１の層上に配置されている、請求項１記載の被覆物品。
【請求項１８】
金属性表面、
金属性表面上に配置され、第１の延性を有する中間層、及び
中間層上に配置され、第２の延性を有する外層
を含み、第１の延性が第２の延性よりも２０％以上大きい、被覆物品。
【請求項１９】
金属性表面を含む物品を準備し、
第１の延性を有する第１の層を金属性表面の近傍に施工し、
第２の延性を有する第２の層を金属性表面から遠位に施工する
ことを含み、第１の延性が第２の延性よりも２０％以上大きい、皮膜施工方法。
【請求項２０】
さらに、第１の層に対する第１の材料及び第２の層に対する第２の材料を相対延性に基づいて選択することを含む、請求項１９記載の皮膜施工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被覆物品及び被覆方法に関する。より具体的には、本発明は、被覆物品、並びに金属及び金属性部品を被覆して耐疲労性を改良する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属部品は、多種多様な産業用途に様々な作動条件下で使用されている。多くの場合、これらの部品は、部品の作動性を改良するべく望ましい特性を付与する皮膜を備える。一例として、タービンエンジンの様々な部品は、作動することができる温度を有効に上昇させるために断熱皮膜で被覆されることが多い。第２の例は、タービン部品に対する耐酸化性又は耐食性の皮膜の使用である。また、浸食又は摩耗に抵抗するハードコートが、タービンエンジン内の幾つかの部品に使用されている。ある種の保護皮膜を必要とする物品のその他の例には、内燃機関及びその他のタイプの機械に使用されるピストンがある。
【０００３】
部品上に機能性の皮膜を設けてその性能を改良するために溶射が使用されることが多い。皮膜は、改良された耐酸化性又は耐食性、改良された温度性能、改良された耐摩耗性又は耐浸食性、研磨性、及び／又は寸法増大（dimensional build-up）のような望ましい特性を部品に付与するために使用し得る。一般的な溶射法はコールドスプレイ（cold spray）、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、空気プラズマ溶射、真空プラズマ溶射、アーク溶射、及びフレーム溶射である。部品の表面をグリットブラストして被覆の準備をすることができる。グリットブラストは基材表面を粗くして皮膜の接着を促進し、また清浄化法としても役立ち得る。ある場合には、グリットブラストは、部品の表面に圧縮応力を付与し、それ故耐疲労性を改良することができる。皮膜は物品の幾つかの特性を改良するために物品に施工されるが、皮膜自身が別の特性に対して負の影響を及ぼすことがある。この一例は、耐摩耗性を改良するために物品上にハードコートを設けることであろう。しかし、かかる摩耗皮膜は一般に硬質粒子から形成されるが、付着した皮膜は低い延性を有し、脆性である。かかる皮膜の硬さ及び低下した延性は、被覆物品の疲労寿命を低下させ得る。すなわち、亀裂が皮膜の表面に形成され、脆性の皮膜を通って金属性基材中に伝播し得るからである。疲労の蓄積の欠点は硬くて脆い皮膜の場合に最も顕著であるが、軟質で延性の皮膜は蓄積の欠点を示さず、多くの場合疲労寿命を改良することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／１９３０８８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記欠点の１つ以上を示さない被覆物品及び皮膜施工方法が当技術分野では望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
代表的な実施形態では、被覆物品は、金属性表面、金属性表面の近傍に位置し第１の延性を有する第１の層、及び金属性表面から遠位に位置し第２の延性を有する第２の層を含む。第１の延性は第２の延性よりも約２０％以上大きい。
【０００７】
別の代表的な実施形態では、被覆物品は、金属性表面、金属性表面上に位置し第１の延性を有する中間層、及び中間層上に位置し第２の延性を有する外層を含む。第１の延性は第２の延性よりも約２０％以上大きい。
【０００８】
さらに別の代表的な実施形態では、皮膜施工方法は、金属性表面を含む物品を準備し、第１の延性を有する第１の層を金属性表面の近傍に設け、第２の延性を有する第２の層を金属性表面から遠位に設けることを含む。第１の延性は第２の延性よりも約２０％以上大きい。
【０００９】
本発明のその他の特徴及び利点は、本発明の原理を例として示す添付の図面を参照した好ましい実施形態に関する以下のより詳細な説明から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本開示による代表的な被覆物品の透視図である。
【図２】図２は、本開示に従う代表的な被覆物品上の皮膜の複数の層を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
可能であれば、全図面を通じて同じ参照番号を用いて同じ部分を表す。
【００１２】
上記欠点の１以上を示さない被覆物品及び皮膜施工方法を提供する。本開示の実施形態は、低下した疲労寿命の結果としての遅延される修理又は交換に起因して物品の長期の使用が可能になり、中間層を含ませることにより硬い及び／又は脆い外側の皮膜の亀裂の伝播が遅くなり、及びこれらの組合せが得られる。
【００１３】
図１は、本開示の一実施形態に係る被覆物品１００を示す。被覆物品１００は、圧縮機部品、タービン部品その他の一般に低サイクル疲労のような疲労型の力に付される適切な金属性部品である。本明細書で使用する場合、用語「金属性」は、疲労型の力を受け得る、金属、金属合金、複合金属又はその他金属元素を含むあらゆる適切な材料を包含して意味する。
【００１４】
物品１００は適切な基材１０１から形成される。一実施形態では、基材１０１は、重量で、約１４．０％〜約１６．０％のＣｒ、約６．０％〜約７．０％のＮｉ、約１．２５％〜約１．７５％のＣｕ、約０．５％〜約１．０％のＭｏ、約０．０２５％〜約０．０５０％のＣ、約０．２０％〜約０．７５％のＮｂ、約１．０％以下のＭｎ、約１．０％以下のＳｉ、約０．１０％以下のＶ、約０．１０％以下のＳｎ、約０．０３０％以下のＮ、約０．０２５％以下のＰ、約０．０５％以下のＳ、約０．００５％以下のＡｌ、約０．００５％以下のＡｇ、約０．００５％以下のＰｂ、残部のＦｅ及び不可避不純物という組成範囲を有する。
【００１５】
物品１００は金属性表面１０２を含む。金属性表面１０２は摩耗面、回転面、滑り面、疲労型の力を受ける別の表面又はこれらの組合せである。金属性表面１０２はその上に配置された皮膜１０３を有している。一実施形態では、金属性表面１０２は図１に示すように圧縮機ブレード先端１０５上に位置している。別の実施形態では、金属性表面１０２はタービン動翼上のミッドスパンダンパー又は動翼先端上のＺ−ノッチのような摩耗パッドである。
【００１６】
図２に示すように、皮膜１０３は複数の層を含む。一実施形態では、中間層又は金属性中間層のような第１の層１０４は、金属性表面１０２の上に、金属性表面１０２の近傍に、環境に包囲されて又はこれらの組合せで配置される。別の実施形態では、外層又は摩耗層のような第２の層１０６は、金属性表面１０２から遠位に、第１の層１０４の上に、環境に曝露されて又はこれらの組合せで配置される。
【００１７】
第１の層１０４を形成する皮膜の延性又は歪み−亀裂能力は、第２の層１０６を形成する皮膜の延性又は歪み−亀裂能力より所定の割合大きい。例えば、一実施形態では、第１の層１０４は１．０％以上の歪み−亀裂値を有し、第２の層１０６は０．５％の歪み−亀裂能力を有し、その結果第１の層１０４の延性は第２の層１０６の延性よりも１００％大きい。他の実施形態では、所定の割合は約２０％以上、約３０％以上、約５０％以上、約７０％以上、約１００％以上、約２００％以上、少なくとも１０００％、約２００％〜約１０００％、約２０％〜約２００％、約２０％〜約１００％、約３０％〜約１００％、約５０％〜約１００％、約５０％、及び約７０％、約５０％、約７０％、約１００％又は任意の適切な組合せ、部分的組合せ、範囲もしくは部分的範囲である。第１の層１０４の延性特性によって、他の場合には疲労型の力を受ける領域に別の損傷を起こし得る亀裂伝播を金属性表面１０２内に生じさせることなく使用することができるであろうより硬くより脆性の材料を第２の層１０６に使用することが可能になる。第１の層１０４を形成する皮膜は第２の層１０６の延性よりも大きい第１の延性を有する。
【００１８】
第２の層１０６を形成する皮膜は第２の延性を有する。第２の延性は第１の延性よりも小さい。例えば、一実施形態では、第２の層１０６を形成する皮膜はＷＣＣｏＣｒ、ＷＣ10Ｃｏ4Ｃｒ、Ｃｒ3Ｃ2、Ｃｒ3Ｃ27（Ｎｉ20Ｃｒ）又はこれらの組合せの組成物を含み、及び／又は約０．３％の歪み−亀裂値を有する。第１の層１０４及び第２の層１０６は任意の適切な合金である。一実施形態では、第１の層１０４は金属性の層である（例えば、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹの組成物を含み、及び／又は約４％の歪み−亀裂値を有する）。別の実施形態では、第１の層１０４は、例えば、重量で約９９％のＡｌの組成を有する溶射可能な合金又は重量で、約３．９％〜約５．０％のＣｕ、約０．５０％〜約０．９％のＳｉ、約０．５％以下のＦｅ、約０．４％〜約１．２％のＭｎ、約０．１０％以下のＣｒ、約０．２％〜約０．８％のＭｇ、約０．１％以下のＮｉ、約０．２５％以下のＺｎ、約０．２０％以下のＴｉ＋Ｚｒ、約０．１５％以下のＴｉ、付随する不純物、及び残部のＡｌを有する組成物のようなアルミニウム基合金である。
【００１９】
一実施形態では、金属性表面１０２は、重量で、約０．０８％以下のＣ、約０．３５％以下のＭｎ、約０．３５％以下のＳｉ、約０．０１５％以下のＰ、約０．０１５％以下のＳ、約５０％〜約５５％のＮｉ、約１７％〜約２１％のＣｒ、約１．０％以下のＣｏ、約０．３５％〜約０．８０％のＡｌ、約２．８％〜約３．３％のＭｏ、約０．６５％〜約１．２％のＴｉ、約０．００１％〜約０．００６％、約０．１５％以下のＣｕ、約４．７５％〜約５．５％のＮｂ＋Ｔａ、残部のＦｅ及び不可避不純物の組成範囲を有する合金を含む。一般に、第２の層１０６は第１の層１０４より硬いいずれかの適切な材料である。一実施形態では、第２の層１０６はセラミックその他の非金属性材料であるか又は含む。一実施形態では、第２の層１０６は炭化タングステン、炭化ホウ素、炭化クロム、及びコバルトの１種以上を含む。
【００２０】
第１の層１０４及び第２の層１０６は任意の適切な厚さを有する。一実施形態では、第１の層１０４は第１の厚さ１０８、例えば約３ミル〜約１０ミル、約５ミル〜約１０ミル又は約５ミルを有する。一実施形態では、第２の層１０６は第２の厚さ１１０、例えば約３ミル〜約１５ミル、約５ミル〜約１５ミル又は約８ミルを有する。
【００２１】
第１の層１０４により形成される皮膜は任意の適切な方法により物品１００の金属性表面１０２に設けられる。一実施形態では、第１の層１０４は金属性表面１０２の近傍及び／又は金属性表面１０２上に設けられ、その後第２の層１０６が金属性表面１０２から遠位に及び／又は環境に曝露されて設けられる。第１の層１０４は第１の層１０４を形成する粒子が金属性表面１０２中に浸透しない方法によって設けられる。例えば、一実施形態では、第１の層１０４はコールドスプレイ、溶射（例えば、ＨＶＯＦ）、物理蒸着又はメッキ又はこれらの組合せによって施工される。第２の層１０６は第１の層１０４又はいずれか別の中間層（図には示してない）への接着を可能にする方法によって設けられる。例えば、一実施形態では、第２の層１０６はコールドスプレイ、物理蒸着、メッキ又は溶射（例えば、高速フレーム溶射又はこれらの組合せによって施工される。
【００２２】
好ましい実施形態を参照して本発明を説明して来たが、当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更をなすことができ、またその要素に代えて等価物を使用することができる。加えて、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく多くの修正をなすことができる。従って、本発明は、本発明を実施する際に考えられる最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されることはなく、後述の特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を包含する。
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
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