(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケルをベースとする超合金の部材に肉付けを施す方法であって、下記の連続的ステップ；
（ａ）アルミニウム及びニッケルを含有する金属間化合物材の生成に対応する比率の反応性粉末類を含む溶加材を前記部材の少なくとも一つの局所部分に付着させ、
（ｂ）１．５ＧＰａまでの中性ガス静水圧を室内に発生させる圧縮システムで中性ガスを受給する高圧チャンバであって、部材の局所部分の一端から他端の間に２００℃の熱勾配を確立しながら５℃／分〜１２０℃／分の温度上昇速度でチャンバ内の温度を１２００℃に到達させることができる加熱手段を備え、温度が測定システムで制御されるようになっている炉も含む前記チャンバ内に、ステップ（ａ）で得た溶加材を含む部材を配置し、
（ｃ）溶加材が稠密になり且つ溶加材と当該局所部分における超合金部材の表面とが結合するように、所定の温度及び圧力条件下で、前記溶加材に大きなガス静水圧下で自己伝搬燃焼による合成反応を生起させるステップを含み、
ステップ（ａ）で溶加材を付着する際に、ニッケルベース超合金粉末の焼結によって予め形成した別の補足的圧密材を、当該局所部分における部材の表面上に下層として挿入し、基材を構成する部材の超合金の重量％で示される公称組成が、Ｎｉベース；Ｃｒ  １４；Ｃｏ  ９．５；Ｍｏ  ４；Ａｌ  ３；Ｗ  ４；Ｔｉ  ５；Ｓｉ  ０．２；Ｍｎ  ０．２；Ｃ  ０．１７であり、補足的圧密材の重量％で示される組成が、Ｎｉベース；Ｃｏ  １６．５〜１９；Ｃｒ  １０．４〜１２．２；Ｍｏ  ３．３〜４．２；Ａｌ  ２．８５〜３．１５；Ｔｉ  ２．４５〜２．８；Ｓｉ  １〜１．３；Ｂ  ０．６８〜０．８；Ｃ  ０〜０．０６であることを特徴とする前記ニッケルをベースとする超合金の部材に肉付けを施す方法。
【請求項２】
ステップ（ａ）の付着を、適当な量の粒度１５０μｍ未満のニッケル粉末及びアルミニウム粉末の等原子比混合物を適合した型内で４０ＭＰａの負荷を加えて冷間圧縮することにより形成した圧密材を配置することによって行う請求項１に記載のニッケルをベースとする超合金の部材に肉付けを施す方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービンエンジン部材に肉付け（ａｐｐｏｒｔ）を施す方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
局所的部分の表面特性を特定の応力又は接触に応じて改善するために、前記部分に皮膜を設けて部材の耐用期間を延ばす方法は多くの用途で知られている。この種の表面処理方法の具体例は、融接により耐亀裂性合金層を羽根の端部に溶着し、次いで硬質の及び／又は耐酸化腐食性の合金層を溶着することを想定する仏国特許出願公開明細書第２  ３９７  ２５９号に記述されている。また、ニッケル又はコバルトをベースとする超合金の部材上に２種類の粉末の混合物で形成した予備焼結素材形態の基本部材を付け加えることを可能にする蝋付け−拡散による合体方法も仏国特許出願公開明細書第２  ５１１  ９０８号で知られている。前記２種類の粉末のうちの一つは溶加粉末（ｐｏｕｄｒｅ  ｄ’ａｐｐｏｒｔ）と称し、前記混合物の５〜２５重量％を占め、ベースとしてニッケル、クロム及びホウ素、又はニッケル、コバルト、ケイ素及びホウ素を含む。また、米国特許明細書第４  ７０５  ２０３号には、組成の異なる２つの層をプラズマ溶射（ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  ａ  ｌａ  ｆｌａｍｍｅ  ｐｌａｓｍａ）で順次形成し、次いで熱処理にかけて最初の層だけを溶融し、その後表面層を除去することからなる、超合金製部材の表面欠陥補修方法が開示されている。
【０００３】
仏国特許出願公開明細書第２  ５１１  ９０８号に記載の製造方法は、超合金製部材の局所的部分に蝋付けで肉付けを施すために使用し得る自動蝋付け可能な（ａｕｔｏｂｒａｓａｂｌｅ）焼結材料の製造に、粉末の均質混合物を使用することを主張している。この場合は、超合金製部材の最高使用温度が蝋付け温度より明らかに低くなければならない。
【０００４】
自己伝搬燃焼（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ａｕｔｏ−ｐｒｏｐａｇｅｅ）により金属材、金属間化合物材又はセラミック材を合成する方法を開発する研究も行われてきた。例えば米国特許明細書第４  ７７８  ６４９号には、Ｔｉ＋Ｂ＋Ｃｕ粉末混合物層で被覆された銅合金層からなる複合材料の製造方法が開示されている。前記粉末混合物層では、自己伝搬燃焼によるＴｉＢ2 合成反応が圧縮及び加熱によって開始される。その結果、銅基材上に、ＴｉＢ2 からなる表面層と、ＴｉＢ2 ＋Ｃｕ混合物からなる中間層とが形成される。Ｚｒ又はＡｌ及び他のホウ化物又は炭化物も使用し得る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的の一つは、多結晶構造、指向性凝固によって得られる構造、又は単結晶構造を有するニッケルベースの超合金で製造したタービンエンジン部材の肉盛又は皮膜を形成することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
既知の方法の欠点を伴わずに、前述の条件を満たす超合金部材に肉付けを施す方法は、下記の連続的ステップ；
（ａ）アルミニウム及びニッケルを含有する金属間化合物材の生成に対応する比率の反応性粉末類を含む溶加材を前記部材の少なくとも一つの局所部分に付着させ、
（ｂ）１．５ＧＰａまでの中性ガス静水圧を室内に発生させる圧縮システムで中性ガスを受給する高圧チャンバであって、部材の局所部分の一端から他端の間に２００℃の熱勾配を確立しながら５℃／分〜１２０℃／分の温度上昇速度でチャンバ内の温度を１２００℃に到達させることができる加熱手段を備え、温度が測定システムで制御されるようになっている炉も含む前記チャンバ内に、ステップ（ａ）で得た溶加材を含む部材を配置し、
（ｃ）溶加材が稠密になり且つ溶加材と当該局所部分における超合金部材の表面とが結合するように、所定の温度及び圧力条件下で、前記溶加材に大きなガス静水圧下で自己伝搬燃焼による合成反応を生起させるステップを含み、
ステップ（ａ）で溶加材を付着する際に、ニッケルベース超合金粉末の焼結によって予め形成した別の補足的圧密材を、当該局所部分における部材の表面上に下層として挿入し、基材を構成する部材の超合金の重量％で示される公称組成が、Ｎｉベース；Ｃｒ  １４；Ｃｏ  ９．５；Ｍｏ  ４；Ａｌ  ３；Ｗ  ４；Ｔｉ  ５；Ｓｉ  ０．２；Ｍｎ  ０．２；Ｃ  ０．１７であり、補足的圧密材の重量％で示される組成が、Ｎｉベース；Ｃｏ  １６．５〜１９；Ｃｒ  １０．４〜１２．２；Ｍｏ  ３．３〜４．２；Ａｌ  ２．８５〜３．１５；Ｔｉ  ２．４５〜２．８；Ｓｉ  １〜１．３；Ｂ  ０．６８〜０．８；Ｃ  ０〜０．０６であることを特徴とする前記ニッケルをベースとする超合金の部材に肉付けを施す方法、である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の別の特徴及び利点は、添付図面に基づいて以下に記述する本発明の実施の形態及び実施例の説明でより良く理解されよう。
【０００８】
本発明でタービンエンジンの超合金製部材に肉付けを施す方法を実施するために使用する装置は、圧縮システムを介して中性ガスを受給し、加熱及び温度測定システムを備えた炉も構成する高圧チャンバからなる。
【０００９】
実施形態の一つでは、使用するコンプレッサーは、直列に接続された３個の圧縮段からなり、これらの段でガスが順次圧縮される。ガス圧は最終的に１．５ＧＰａに到達し、ガス圧値は圧力計で制御できる。使用する高圧チャンバは、高圧高温での使用条件に適した設備、例えば遮蔽内に挿入され水冷エンベロープを備えた多重壁、並びに総ての必要なアクセス、電気接続、ガスの通路及び対応する密閉設備を有する。１Ｐａのオーダーの真空を形成する装置も付け加えられる。チャンバを回転させて、水平、垂直又は傾斜位置で使用することもできる。
【００１０】
加熱システムは、グラファイト巻線形態の加熱手段と、各先端に配置された二つのグラファイト電極とで構成され、前記チャンバ内に配置される炉を形成する。調節によって、炉内に配置された部材上に約２００℃の熱勾配を設けることができる。温度を測定できるように熱電対を備える。
【００１１】
前記装置は様々な変形が可能である。特に、反応の開始に使用されるエネルギー付与装置、例えばタングステン導火線、グラファイト導火線又はレーザービームを取り付けることができる。
【００１２】
【実施例】
実施例Ａ
この実施例では、ニッケル粉末及びアルミニウム粉末の等原子比（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ  ｅｑｕｉ−ａｔｏｍｉｑｕｅ）の混合物を用いて、肉盛により所望の外形に修復するために、ニッケルベース超合金Ａの部材に肉付けを施す。
【００１３】
使用するニッケル粉末及びアルミニウム粉末は粒度１５０μｍ未満である。本出願では、超合金製部材に肉付けを施す方法のステップ（ａ）、即ち部材のある部分に溶加材を積層させるステップは、図１に概略を示すように、部材の局所部分からなる基材２上に圧密材（ｅｌｅｍｅｎｔ  ｃｏｍｐａｃｔ）１を配置することによって実施する。
【００１４】
前記圧密材１は、下記の二つの予備的サブステップで予め形成する：（ａ１）適当な量のニッケル粉末及びアルミニウム粉末からなる均質混合物を調製し、（ａ２）  得られた混合物を適合した型内で４０ＭＰａの負荷を加えて冷間圧縮する。
【００１５】
それ自体公知のように、圧密材１を配置する前に基材２の洗浄処理を行うが、該処理は、部材の状態に応じて、即ち新しいものであるか又は使い古したものであるかによって、脱脂、砂吹き、化学的及び／又は熱化学的脱酸素を含み得る。
【００１６】
変形実施例として、圧密材１は、用途に応じて、公知の射出成形法で得ることもできる。
【００１７】
圧密材１を基材２上に配置する時は、例えばコンデンサーの放電を圧密材上に適用することにより、確実に保持することが可能である。
【００１８】
配置には他の公知の方法も使用できる。例えば、粉末を電気泳動媒質中で基材２上に直接付着させてもよい。
【００１９】
次のステップ（ｂ）は、圧密材１を担持した基材２を構成する部材を、加熱室を形成する中性ガス静水圧の大きいチャンバ内に導入することからなる。
【００２０】
最後のステップ（ｃ）は、圧密材１に合成反応を生起させて、圧密材を稠密にし、且つ圧密材１と基材２を構成する部材の対応する面とを冶金学的に結合させる。その結果、部材の局所部分に材料が肉付けされて肉盛が得られる。本実施例で金属間化合物材Ｎｉ−Ａｌを生成する前記合成反応は、６７３℃である反応開始温度に到達した時に、圧密材１の端部３で開始される。自己伝搬燃焼発熱反応はその後、図１に示す矢印４の方向に進み、反対側の先端５に到達する。この場合使用する条件は、下記の通りである：
−  本実施例ではアルゴンからなる中性ガス雰囲気の圧力＝１４６ＭＰａ；
−  炉内の温度上昇サイクル：３００℃まで５０℃／分、３００℃で６分間の水平域、水平域なしに８００℃まで９０℃／分、２０℃まで５０℃／分で冷却。
【００２１】
図２のグラフは部材について測定された温度を示すものであり、自己燃焼反応の開始温度が約６７３℃であることを示している。また、圧密材１の両端の間に確立された２００℃の温度勾配によって得られる反応の開始直後の圧密材１の材料中を通る燃焼前線の伝搬速度が極めて速いことも知見される。この実施例では、反応は完全に遂行され、燃焼前線の伝搬速度は２０ｍｍ／秒と推算できる。一般的には、反応の伝搬速度は、使用する操作条件に応じて１〜１０ｃｍ／秒である。
【００２２】
下記の結果は、本発明の方法で肉盛した部材について観察されたものである。
【００２３】
巨視的観察では、溶加材１はマクロ多孔質であり、部材２の局所部分の全長にわたってしっかりと付着している。
【００２４】
光学顕微鏡検査では、図３に示すように、基材の材料Ａと金属間化合物材ＮｉＡｌとの間に中間相が観察される。材料ＮｉＡｌは多孔質であるが、材料Ａと接触している部分は厚さ約０．７ｍｍにわたって完全に稠密化している。
【００２５】
走査電子顕微鏡検査で２種類の分析を行った。一つは定性分析、もう一つはＥＤＳプローブによる定量分析である。
【００２６】
定性分析は、材料ＡとＮｉＡｌとの間の中間相を明らかにする。図４及び５は、得られた材料の様相を示す顕微鏡写真である。下記の６個のゾーンが識別される：
−Ｉ：  ＮｉＡｌ、
−ＩＩ：  ＮｉＡｌ＋Ｃｏ，Ｃｒ、
−ＩＩＩ：  中間相、
−ＩＶ：  析出物ゾーン、
−Ｖ：  中間相近傍の材料Ａ、
−ＶＩ：  材料Ａ。
【００２７】
下記の表は、前記材料を構成する種々の元素を原子％で示している。実施した測定の精度は±１％である。基準材料Ａを最初の欄に示し、６個のゾーンで行った点分析の結果を後続の欄に示した。
【００２８】
【表１】
0004036925.tif 000002
【００２９】
図６及び図７は、材料ＡとＮｉＡｌとの間の中間相に沿った元素Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉの濃度プロフィルの変化を示している。ＮｉＡｌからＡに通過する時に、Ｃｒ、Ｃｏ及びＴｉの濃度の増加に関連して、アルミニウム濃度が規則的に減少している。その結果、２種類の材料Ａ及びＮｉＡｌの間で拡散反応が生起する。中間相の厚みは約２０μｍに達する（図４のゾーンＩＩ及びＩＩＩ参照）。
【００３０】
３種類の材料Ａ、ＮｉＡｌ及び中間相をビッカースの方法でミクロ硬度（ｍｉｃｒｏｄｕｒｅｔｅ）試験にかけた。結果は下記の通りである：
−  ゾーンＩ、負荷１００ｇ：２５２、
−  ゾーンＩＩＩ、負荷３００ｇ：４１０、
−  ゾーンＶＩ、負荷１００ｇ：２９８。
【００３１】
これらの観察事項から結論すれば、得られた中間相は材料Ａ及びＮｉＡｌ間の連続的固溶体からなる。中間の金属間化合物は観察されなかった。ＮｉＡｌ相へのクロムの導入は、固溶体の作用によるゾーンＩＩＩの中間相の硬度増加を裏付けるが、硬度レベルは複合的金属間化合物相が存在しないことを立証している。
【００３２】
実施例Ｂ
この実施例では、ニッケル粉末とアルミニウム粉末との等原子比混合物を用いて肉盛により所望の外形に補修するために、ニッケルベース超合金Ｃからなる中間下層を間に挟んで、ニッケルベース超合金Ｂの部材に肉付けを施す。
【００３３】
図８に簡単に示すように、本発明の方法のステップ（ａ）では、圧密材１は実施例Ａで説明し使用したものと同じであり、同じ方法で形成する。
【００３４】
これに対し、超合金Ｂ製部材のある部分からなる基材２０と圧密材１との間には、ニッケルベース超合金Ｃの粉末から焼結によって形成した別の補足的圧密材１１を挿入する。これらの超合金の組成（重量％）は下記の通りである：
Ｂ：  Ｎｉベース；Ｃｒ  １４；Ｃｏ  ９．５；Ｍｏ  ４；Ａｌ  ３；Ｗ  ４；Ｔｉ  ５；Ｓｉ  ０．２；Ｍｎ  ０．２；Ｃ  ０．１７、
Ｃ：  Ｎｉベース；Ｃｏ  １６．５〜１９；Ｃｒ  １０．４〜１２．２；Ｍｏ  ３．３〜４．２；Ａｌ  ２．８５〜３．１５；Ｔｉ  ２．４５〜２．８；Ｓｉ  １〜１．３；Ｂ  ０．６８〜０．８；Ｃ  ０〜０．０６。
【００３５】
前述のように、ステップ（ｂ）では、圧密材１１からなる下層と圧密材１からなる外層とを担持した基材２０を構成する部材を、加熱室を形成する中性ガス静水圧の高いチャンバ内に導入する。
【００３６】
次のステップ（ｃ）では圧密材１に合成反応を生起させ、部材の局所部分への材料の肉付けによって肉盛を得る。
【００３７】
使用する条件は、この場合は、下記の通りである：
−  本実施例ではアルゴンからなる中性ガス雰囲気の圧力：１１０ＭＰａ、
−  炉内の温度上昇サイクル：３００℃まで５０℃／分、３００℃で６分間の水平域、水平域なしに６００℃まで９０℃／分、２０℃まで５０℃／分で冷却。
【００３８】
下記の結果は本発明の方法で肉盛した部材について観察されたものである。
【００３９】
巨視的観察では、三つの部分、即ち基材２０並びに溶加材１及び１１の合体が生起して頑丈であるように見える。
【００４０】
走査電子顕微鏡で見ると、図９の顕微鏡写真に示すように、得られた材料は７個のゾーンを含む様相を有している。線１２に沿って測定したこれらのゾーンの最大の元素濃度プロフィルも示した。
【００４１】
ゾーンＩは金属間化合物材ＮｉＡｌに対応する。ゾーンＩＩは、図１０に示す細部の拡大顕微鏡写真でより明確に見られ、材料ＮｉＡｌと超合金Ｃとの間の界面に対応する。このゾーンの元素Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＴｉの濃度プロフィルも図１１に示す。ゾーンＩＩの均質バンドは特にアルミニウム及びクロムの拡散に対応し、チタン濃度も変化している。
【００４２】
ゾーンＩＩＩでは、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＭｏ濃度は一定であるが、Ｃｒ及びＴｉ濃度は継続的に変化している。図１２に示すゾーンＩＩＩの拡大部分の顕微鏡写真では、前記ゾーンが多相性であり、大半を占める白色の単相部分と針状晶構造の部分とを有することが観察される。ゾーンＩＶは超合金Ｃと類似の組成を有し、ある元素、特にモリブデン及びクロムに関する何らかの変化に対応する明るい色の介在物を含んでいる。
【００４３】
ゾーンＶ、ＶＩ及びＶＩＩは超合金Ｃ及びＢ間の界面に対応する。図１３の顕微鏡写真に拡大細部を示し、図１４に種々の元素の濃度プロフィルを示す。ゾーンＶＩは超合金Ｃと類似の平均組成を有し、アルミニウム及びタングステン濃度がより高く、コバルト及びケイ素濃度がより低い。このゾーンは良好な均質性を有し、濃度がいずれもほぼ一定である。相ＶＩを構成する粒子の周りには共晶型の針状晶構造が見られる。これは、相ＶＩＩの粒界部が部分的に融合していることを意味する。これらのプロフィルは、この成分がＣｒ、Ｍｏ、Ｔｉ及びＣｏを含み、Ｎｉ及びＡｌが超合金Ｃより少ないことを示している。ゾーンＶＩＩではアルミニウム濃度が低下しており、クロム及びモリブデン濃度が継続的に増加している。
【００４４】
これらの観察事項から、種々の元素が十分に拡散していると結論され、超合金Ｃと金属間化合物材ＮｉＡｌとの間の固溶体の形成がこれら２種類の材料の間の界面に確認される。
【００４５】
また、金属間化合物ＮｉＡｌを合成する発熱反応によって放出される熱は、焼結圧密材１１の厚み全体に作用して反対側の元素の拡散を誘発し、超合金Ｃ及びＢ間の界面を発生させるのに十分なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法の一例に従い基材上に配置した溶加材の断面の概略図である。
【図２】本発明方法の自己伝搬燃焼による合成反応時の温度変化を示すグラフである。
【図３】本発明による溶加材を含む部材部分の２０倍顕微鏡写真である。
【図４】実施例Ａで得られた材料の様相を示す顕微鏡写真である。
【図５】実施例Ａで得られた材料の様相を示す顕微鏡写真である。
【図６】部材の顕微鏡写真及び部材の材料と溶加材との間の中間相部分における構成元素の濃度プロフィル変化曲線である。
【図７】図６と同様の顕微鏡写真及び濃度プロフィル変化曲線である。
【図８】本発明の方法の別の例に従い基材上に配置した溶加材の、図１と類似の断面の概略説明図である。
【図９】部材の顕微鏡写真及び溶加材を含む部材部分の構成元素の濃度プロフィル変化曲線である。
【図１０】図９に示した部分の細部の拡大顕微鏡写真である。
【図１１】図１０に示した部分の構成元素の濃度プロフィル変化曲線である。
【図１２】図１０に示した部分の細部の拡大顕微鏡写真である。
【図１３】図１０に示した部分と類似の、図９に示した部分の細部の拡大顕微鏡写真である。
【図１４】図１３に示した部分の構成元素の濃度プロフィル変化曲線である。
【符号の説明】
１  溶加材（圧密材）
２  超合金製部材（基材）
１１  補足的圧密材
２０  基材
【図１】
0004036925.tif 000003
【図２】
0004036925.tif 000004
【図３】
0004036925.tif 000005
【図４】
0004036925.tif 000006
【図５】
0004036925.tif 000007
【図６】
0004036925.tif 000008
【図７】
0004036925.tif 000009
【図８】
0004036925.tif 000010
【図９】
0004036925.tif 000011
【図１０】
0004036925.tif 000012
【図１１】
0004036925.tif 000013
【図１２】
0004036925.tif 000014
【図１３】
0004036925.tif 000015
【図１４】
0004036925.tif 000016